[发明专利]含有激光照射的冷气动力喷涂方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及冷气动力喷涂技术和激光技术，尤其涉及含有激光照射的冷气动力喷涂方法。

(二)背景技术

冷气动力喷涂技术是以高压压缩气体为动力，驱动微小金属颗粒高速撞击基体材料表面，当喷涂粒子的速度超过一定的速度后，喷涂颗粒在材料表面发生强烈塑性变形而发生粘接，在基体材料表面形成涂层。在冷气动力喷涂技术中，气体的温度一般小于850K，远远低于喷涂材料的熔点，喷涂颗粒是在固态下发生粘接。因此，冷气动力喷涂技术具有其他热喷涂技术所不具备的独特优点，例如，对基板的热输入小，对基板的结构无影响；喷涂粒子以固态粘接，结构保持稳定，适合于制备纳米及非晶结构、金属间化合物等温度敏感材料和相变敏感材料涂层；喷涂过程中无氧化发生，适合于对氧敏感的还原性金属的喷涂。

但是，正是由于冷气动力喷涂完全依靠速度的独特工艺特征，也导致冷气动力喷涂技术自身存在一个非常大的缺点，即喷涂粒子粘接所需要的临界速度非常高，通常达到600m/s以上，另外由于高速气流的冷却作用，也使粒子与基板粘接在更低的温度下进行，增加了粘接的难度。尤其是在喷涂两种性能差别较大或者是熔点高的材料时，粘接的难度更加显著。因此亟需要解决冷气动力喷涂工艺中的粘接问题，目前通常的方法是将驱动气体或喷涂的粒子进行加热，一方面提高气流的速度从而提高粒子的速度以超过临界速度，另一方面提高粒子的温度增加粒子的变形能力，例如专利US2006027687采用微波加热喷涂粒子。但是提高高压压缩气体的温度对设备设计及材料都提出了非常高的技术要求，安全性难以保证。而提高粒子的温度易发生粘喉现象，同时容易引起喷涂粒子组织发生晶粒长、相变等变化，影响涂层的性能，而且辐射加热效率低，并且会被高速气流的冷却作用迅速降温。微波加热会被金属粒子反射，影响实际加热效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，该喷涂方法能显著降低冷气动力喷涂过程中的粒子临界速度，提高粘接效率和粘接强度，保证喷涂粒子的组织结构的稳定性，从而提高涂层的性能。

本发明是这样实现的：一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：利用压缩气体携带金属粉末以超音速垂直撞击基板表面，在基板表面形成一个圆形喷涂斑点，在喷涂的同时，在此圆形喷涂斑点的正前方，采用激光束照射形成一个椭圆形的照射激光斑，椭圆形照射激光斑与圆形喷涂斑点有重叠。

所述喷涂斑点圆心与激光斑点椭圆两焦点在一条直线上，重叠的区域为喷涂圆斑点的半径。激光斑点椭圆的短轴长度大于喷涂斑点圆的半径，最佳范围为1.0至1.25倍。

所述激光束以一定角度照射于基板表面，激光束与粒子流束之间的夹角为10°至60°，最佳范围为15°至45°。

所述冷喷涂驱动气体为惰性气体或还原性气体，气体中不含氧。

所述激光对基板加热的温度范围为50℃至1000℃，最佳范围为350℃至800℃。

本发明的工作原理是冷气动力喷涂技术与激光表面加热技术的有效结合，是采用激光技术对冷喷涂的喷涂点进行激光增强处理，用一束激光束照射冷气动力喷涂的喷涂点，将基板喷涂点的表面薄层的温度瞬间提高到接近材料的熔点，大大降低基板材料的硬度，喷涂粒子在与基板的碰撞过程中，提高了与基板的粘接效率。同时，激光束在极短的时间内加热喷涂粒子，提高了喷涂粒子的变形能力，提高了粘接强度；同时冷气喷涂的高速气流的冷却作用保证了喷涂粒子的组织结构的稳定性。从而实现了本发明冷喷涂的粘接效率高、涂层结合强度大的目的。

本发明的特点在于：

1.显著降低冷气动力喷涂过程中的粒子临界速度。基板的即将喷涂区域受到激光的照射后表面层快速加热，其硬度显著降低。喷涂粒子与此处基板进行定点碰撞，粘接所需要的临界速度显著降低。

2.在喷涂过程中激光束流不受影响。在冷气动力喷涂技过程中，驱动力由高压压缩气体提供，气流不会对激光产生影响，激光束非常容易穿过气流照射在基板上，高速气流对激光束没有影响。

3.冷喷涂对激光束吸收起到增强作用。冷气动力喷涂对基板产生一定的毛化作用，毛化后的基板表面减少了对激光束的反射，增强了对激光束的吸收。

4.对基体热影响小。激光对基板的加热仅限于激光束照射的区域，由于能量密度高，热影响仅发生在十几微米的深度内，并且高速气流在喷涂过后对激光加热区形成高速冷却，迅速降低基板温度。

5.激光对冷喷涂本身无影响。激光是以不接触方式对基板和喷涂粒子进行加热，冷喷涂的气流和粒子速度均不受任何影响。