[发明专利]一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置，特别是一种用于激光冷喷涂的超音速喷嘴装置。

背景技术

冷喷涂亦称为冷气体动力喷涂（Cold Gas Dynamic Spray,CGDS）,在20世纪80年代中后期，由前苏联科学家提出，它是基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体（氮气、氦气、空气、或混合气体等）携带粉末颗粒进入高速气流，通过缩放管（Laval管）产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下以极高的速度碰撞基板，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。与热喷涂依赖于热能或者化学能不同，冷喷涂更多依赖于粒子的动能。因此该技术具有如下的优点：1)喷涂加热温度远低于其熔点,颗粒基本上没有氧化、烧损和晶粒长大等现象。适用于纳米晶、非晶等对温度敏感材料,Cu、Ti等对氧化敏感材料,碳化物复合材料等对相变敏感材料的喷涂。2)涂层对基体的热影响小,使涂层与基体之间的热应力减少。涂层之间的残余应力小且主要为压应力,有利于获得较厚致密的涂层。3)喷涂效率高,气孔率低。4)喷涂粉末可以回收再利用，经济环保。冷喷涂技术对于扩展热喷涂领域具有极其重要的意义，为表面工程技术的应用开辟了新的途径。已经广泛应用于制备各种功能性涂层、纳米涂层、汽车制造业、机械零件的修复再制造、航空航天等领域。

到了20世纪90年代末，科研者开始开展了激光辅助冷喷涂技术的研究。激光辅助冷喷涂是一种新型的喷涂和再制造技术，其原理如图1所示，高压气体源101，送粉器102，Lava喷嘴103，实验箱104,激光器105，高温计106，基体107，涂层108，粉末回收装置109。它将超音速粉末束与沉积区域的激光加热联结在了一起。激光辅助冷喷涂保留了冷喷涂的优点：固态沉积、高的再制造率以及可以在一系列的基材上进行沉积，而且比冷喷涂更具有广泛的应用前景。激光照射在基体上，使基体软化，因此能够实现难沉积材料涂层的制备，扩大了材料和基体的使用范围；激光的引入可以免去使用气体预热装置，减少了压缩气体的消耗，又可以以廉价的压缩空气来代替氮气或氩气，降低了工艺的生产成本；激光软化处理颗粒或者基体，瞬间调节和改变了材料的力学性能，使其塑性流动增大，改善了颗粒碰撞沉积状态，提高了粉末涂层的厚度、沉积率、致密性和结合强度，所制得的涂层优于冷喷涂涂层。

在欧洲专利GB2439934A中提出了一种结构简单的激光辅助冷喷涂喷嘴，该喷嘴中激光光路与喷嘴同轴，激光光斑略小于喷嘴喉部的直径。工作时，激光透过特殊材料制成的窗口照射进喷嘴中并最终辐照在基体上，喷嘴一路通入高压气体，一路通入待喷涂粉末，两者在Laval喷嘴中达到超音速，以固态形式撞击在基体上形成涂层。整个过程中，激光既加热了气体、粉末颗粒，也加热了基体，使粉末和基体同时软化，因此大大提高了沉积率和结合强度。但是该喷嘴中粉末从收缩段进入喉部，喉部直径通常只有几毫米，对于低熔点和较软的金属粉末材料在激光的照射下容易粘结在喷嘴喉部，长时间工作后易造成喷嘴堵塞，且对光斑直径的要求高，必须小于喷嘴喉部直径。

美国专利US20110300306A1也提出了一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，采用的也是激光光路与喷嘴同轴的方法。该专利中粉末颗粒由喷嘴扩张段送入，因此避免了粉末因加热软化粘结在喉部的现象。但是激光与粉末同轴的激光辅助冷喷涂喷嘴的共同缺点是激光对颗粒以及喷嘴内载气越热不均匀，存在中间热量多两边热量少的现象，沉积后涂层中间厚两边薄，且粉末利用率较低。

目前激光辅助冷喷涂技术主要使用的是激光侧向照射的方法，喷嘴是纯冷喷涂所用的喷嘴。中国发明专利CN101153393A中公开了一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，在喷涂的同时，在圆形喷涂斑点的正前方照射有椭圆形激光光斑。该方法可以显著降低冷喷涂过程中粒子的临界速度，提高粘结效率。但是侧向照射激光光斑时，只预热了基体，对一些硬质颗粒在喷嘴中仍然需要预热载气才能使得粉末最终沉积基体，气体消耗大等缺点仍未解决。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置，激光与喷嘴轴线呈一定角度射入喷嘴内的反射镜上，光束通过在喷嘴内壁上的反射镜多次反射，最终照射在基体上。该装置可以对喷嘴内部的气体、粉末和基体均匀预热，并且可以取消载气预热装置。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：