[发明专利]一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法

说明书

本发明公开了一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，包括：入射的一束或多束激光经光学变换在基体表面附近汇聚成一个或多个聚焦光斑；喷涂材料输入到激光束中空区域内传送并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流喷向基体表面；粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面吸收部分激光能量被加热至软化但未全熔化；大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现沉积。上述过程中，粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面持续移动，喷涂粒子不断沉积叠加形成涂层。本发明通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成环形或类环形微小聚焦光斑，实现了中心同轴送粉的超音速激光喷涂目的。

技术领域

本发明涉及一种适用于激光热喷涂及激光增材制造的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，属于激光喷涂技术领域。

背景技术

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至全熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。按照加热喷涂材料的热源种类，目前出现的热喷涂技术可分为：①火焰类，包括普通火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、温喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法，包括电爆喷涂(也称电磁加速等离子喷涂)、感应加热喷涂、电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。影响热喷涂质量的关键因素包括喷涂粒子沉积时的速度和温度。

除了激光喷涂之外，以上所有热喷涂技术都有一个共同的特点：喷涂材料在到达待喷涂基体表面附近之前就已被加热至全熔化或半熔化状态，或者说，所有粉末热喷涂技术中的喷涂粒子在被气流(或爆炸波、电磁力)加速的同时被气体焰流加热，所有丝材热喷涂技术中形成的喷涂粒子在被加速之前就已达全熔化状态，即喷涂粒子的受热过程是同步于或先于加速过程。唯有激光喷涂技术中的喷涂粒子受热过程大都是在加速过程之后，即先将喷涂粉末材料加速，然后在粉末到达基体表面附近时才通过激光将其加热。这样设计的原因在于，喷涂粒子的受热过程同步于或先于加速过程会带来不利影响：①喷涂粒子在飞行过程中发生氧化；②大多数加热和加速所需要的气体焰流(包括燃烧焰流、等离子射流及电热的气体射流)载有大量的热，这些热量只有少部分被传导至喷涂材料或基体上，大部分作为冗余的热量被耗散掉，且可能会造成喷涂层过热或喷涂生产效率不高等不利后果。但将喷涂粒子的受热过程后置于加速过程的话，激光喷涂技术则不存在上述影响。

激光喷涂技术起步较晚，一方面是由于上世纪60年代人类才成功的制造出世界上第一台激光器，并且高能激光加工技术在近二十年才被广泛应用，另一方面，由于激光喷涂与激光熔覆的工艺非常接近，且激光熔覆技术实现起来相对容易且熔覆层质量非常高，以至于激光熔覆技术得到了高速发展而间接忽略了激光喷涂技术的研究和应用。

激光熔覆与激光喷涂二者的根本区别在于基体表面是否形成熔池或微熔池。激光熔覆是通过激光加热待沉积基体表面至熔化态形成熔池或微熔池，同时激光的部分能量也加热熔覆粉末或丝材，熔覆粉末在到达熔池前可以是熔化态，也可以是未熔化态。当熔覆粉末是未熔化态时，熔覆粉末到达熔池之后可以通过热传导将熔池的高温传至熔覆粉末使其完全或部分熔化，最终形成牢固冶金结合的熔覆层，激光熔覆所用气体的目的主要是输送粉末和减小熔池氧化。而激光喷涂则是将激光能量主要用于喷涂粉末，使其达到全熔化态或半熔化态，基体表面吸收激光能量后则不能被全熔化，同时喷涂粉末被气流加速推动而具备一定的速度，并与基体发生碰撞和扁平化沉积而形成涂层。由于激光喷涂与激光熔覆的区别非常微小，许多加工设备只需稍微改变工艺参数就可实现二者的转换，甚至导致有人将二者混为一谈。

然而，激光喷涂具有常规激光熔覆所不具备的技术优势，例如：①沉积所用冗余热量少，因为喷涂不需要基体熔化或形成熔池就可发生可靠沉积，这样沉积同样质量的材料所需吸收激光能量大大降低，从而可以使沉积效率得到几十甚至上百倍的提高；②由于激光喷涂没有形成熔池，使得涂层表面没有明显的搭接区而变得非常平整，所需加工余量低、成形尺寸更精确；③由于加工相同尺寸零件所需的激光能量比激光熔覆技术大大降低，且加工尺寸精度提高，使得激光喷涂无论是在大面积薄涂层制备表面工程领域，还是在激光沉积增材制造领域都具有广阔的发展潜力。