[发明专利]一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂的方法及装置

说明书

技术领域：

本发明涉及零件加工再制造技术领域，尤其涉及一种利用激光诱导的冲击波助推微粒高速撞向工件，在其表面形成涂层的方法及装置，特别适用于定向、长距离的高速喷涂。

背景技术：

随着科学技术的发展，人们提出了许多推动物体前进的方法，如激光推进、电磁场推进、核反应推进等。其中激光推进方式在许多性能指标上优于其它方式，而且在技术上又比较容易实现。激光推进有两种模式：一种为“大气呼吸模式”；另外一种为“烧蚀模式”。大气呼吸模式是指激光脉冲经光学系统击穿大气中的空气产生等离子爆炸气团，推动物体前进。烧蚀模式是指激光烧蚀材料表面而产生高压等离子体为推动力，推动物体前进。如1997年，美国宇航局和美国空军在新墨西哥州的沙漠里进行了激光推进火箭飞行联合实验。其利用高强度的激光辐照推进剂产生瞬态的高温高压高密度等离子体，等离子体迅速膨胀，推动火箭模型上升20米。中国专利CN102513696A提出利用激光辐照在飞片表面上，飞片被激光烧蚀而产生GPa量级冲击波，而高压冲击波驱动残余飞片撞向弹性软膜，弹性软模将形变力作用在靶材工件上，使靶材工件发生塑性变形。目前，脉冲激光辐照在材料表面诱导的高压冲击波在材料加工中已得到广泛的应用，如利用激光驱动冲击波直接对材料进行冲击加载，实现零件表面强化和薄板成形等。

用外力驱动熔融的粒子涂覆于基体表面的喷涂技术已得到一定的应用，如火焰喷涂、超音速喷涂等。它可以在零件表面制造一个特殊的新的工作表面，其涂覆层材料的成分可以与母体完全不同，机械性能优于母体，以实现对零件预保护，从而延长其使用寿命，充分发挥机械产品的经济效益。已有的研究结果和工程实践表明，涂层质量与喷涂工艺、喷涂粉末粒度、喷涂距离等因素有关，尤其是喷涂物质粒子喷涂到基体的速度对涂层的性能影响最大。粒子喷涂到工件表面的速度越大，对基体的撞击作用越强，粒子变形越充分，从而增大涂层与基体的结合强度，降低涂层孔隙率。同时粒子的飞行速度越高，涂层的残余压应力越大，这是由于基体表面的压应变与喷涂颗粒的飞行速度成正比。

用冲击波来驱动粒子的爆炸喷涂已开始得到应用，它是以爆炸瞬间释放的热能将喷涂材料加热熔融，并使其沉积到工件表面形成涂层的工艺方法。常用爆炸喷涂时所使用的气体压力分别为：O₂：0.1-0.2MPa，C₂H₂：0.05-0.1MPa，N₂:0.02-0.06MPa，这些气体混合物所得到的爆轰波压力值在几MPa到几十MPa范围内。与火焰喷涂、等离子喷涂等喷涂技术相比，粒子的喷射速度已经得到很大的提高，能够达到760-1200m/s，因此涂层质量有了较大的改善：与基体的结合强度较高、涂层致密度高、空隙率较低。该技术已开始应用于航空航天及核工业等领域。但该技术存在爆炸的参数难以控制，安全性差，噪声大等不足，需要在专用隔音室中进行，而且由于间歇性操作，导致喷涂效率低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂的方法及装置。本发明所提供的一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂方法具体步骤如下：

(1)首先利用上下对称设置的电极27之间产生的高温电弧加热熔化作为喷涂材料的喷涂丝26成熔滴脱落，脱落的熔滴被雾化气体雾化成微滴流30，并在所述雾化气体推动下，所述微滴流30低速飞行离开电弧区。

(2)由激光发生器1发出脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的主激光脉冲束2，所述主激光脉冲束2经导光分光系统被分成四束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11，所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11同时辐照于所述微滴流30表面上，所述微滴流30的外侧部分吸收激光能量，瞬间气化和电离，形成高压等离子体29，所述高压等离子体29继续吸收激光能量膨胀爆炸形成GPa量级的高压冲击波，所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11均与水平轴线呈一定角度，在微滴流30表面产生冲击波的压力场相互叠加，使沿着水平轴线方向的压力最大；所述高压冲击波将所述微滴流30再次雾化成更为细小的微粒流，使所述微粒流以近似直线的形式高速喷射到工件32表面，在所述工件32表面凝固、堆积而形成高致密度和高结合强度的涂层31。