一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装置，涉及零件加工再制造领域。本发明首先将料斗内的金属料粉送至坩埚内加热熔化制成金属熔融液，然后利用强激光辐照在熔融液的液面上，熔融液表面部分物质吸收激光能量瞬间气化、电离在液面产生高压等离子体，高压等离子体瞬间对熔融金属液面施加一向下的超高的冲击力，使熔液发生爆炸性溅射，溅射的熔滴在空中飞行遇到阻力，雾化成更为细小的微粒，并以很高的速度撞向工件内孔壁，在孔壁快速凝固后形成致密的涂层。实现该方法的装置包括激光发生器、导光系统、送粉系统、工件夹具系统以及控制系统。本发明具有喷涂压力超高、粒子溅射速度超快、涂层质量好以及效率高等特点。

说明书

技术领域：

本发明属于零件加工再制造领域，具体涉及一种利用强激光在熔融液的表面诱导高压等 离子体，高压等离子体的超高压力使熔融液发生溅射、喷涂到工件表面的方法及装置，特别 适用于工件内孔孔壁的喷涂。

背景技术：

随着现代工业的迅速发展，要求机械产品能在高温、高压、高速、重载以及腐蚀等恶劣 的工况下可持续地工作，这必然对零件表面质量提出了很高要求。喷涂是改善零件表面质量 的重要手段之一。它始于50年代，是用于延长机械产品的使用寿命、修复机械零件和对零件 预保护的一项新技术。已有的研究结果和工程实践表明，涂层性能与喷涂工艺、料粉粒度、 喷涂距离等因素有关，其中喷涂物质的粒子在外力驱动下撞向工件基体的运动速度对涂层的 质量影响最大，它不但影响着涂层的结合强度、孔隙率等，还决定着涂层的残余应力的特性、 分布和大小。粒子撞击到工件表面的速度越大，与基体相互作用就越充分，粒子变形越充分， 从而增大涂层的结合强度，涂层孔隙率就越小。同时粒子的飞行速度越高，涂层的残余压应 力越大，这是由于喷涂的热应变与喷涂颗粒的温度成正比，而基体表面的压应变与喷涂颗粒 的飞行速度成正比。目前主要的喷涂技术有火焰喷涂、等离子喷涂、激光喷涂和爆炸喷涂等。

火焰喷涂是利用氧炔焰作为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的 推动下形成雾流，喷射到基体上形成涂层。火焰喷涂所用的设备简便，可在野外现场施工， 适用于设备维修。然而火焰喷涂的颗粒喷射速度较低，仅为30-40m/s，同时由于粉末处在焰 流不同位置的受热情况不同，其熔融程度有很大差别，有的粉末受热已融化或半融化，而另 一些仅是软化，容易在涂层中出现所谓的“夹生”现象，使火焰喷涂的涂层结合强度和致密 性较低，因此火焰喷涂常常用于精度要求较低的零件的修复和再制造。

等离子喷涂技术是利用以电弧放电产生的“等离子弧”为热源，形成高温低压等离子体 射流，料粉在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被加速而向经预处理的工件表面 喷射和撞击，凝固，沉积在工件表面而形成涂层。等离子喷涂材料广泛，基体受热小等优点， 但等离子喷涂的喷涂设备昂贵，工作气体要求较高，等离子弧温度高、辐射强，对操作人员 和周围环境要有安全防护措施等。加热融化喷涂材料，气体流量是影响等离子焰流的热焓和 流速的主要因素，喷涂过程中粒子速度仅为120-400m/s，粒子的喷射速度仍然较低，喷涂的 质量有待于提高。

激光喷涂是利用激光脉冲束将粉末或丝材顶端加热至熔融，再用喷出的高压气体使熔融 材料粒子化，并喷向基体表面形成涂层。在喷涂过程中所采用的激光功率密度限在10⁴-10⁶W/cm²范围，其功用只作为热源，将喷涂材料加热融化，利用的是激光的热效应。与其它热 喷涂技术相比，激光喷涂具有能量密度高、生产效率高、激光脉冲束易于聚焦和成型、不受 加工工件形状限制等优点。但由于在激光喷涂过程中，加热的温度很高，涂层冷却凝固后， 内部容易出现不均匀的组织，而且由于体积收缩，易出现热裂纹。这些都限制了该技术在实 际生产中的大规模应用。

爆炸喷涂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，粒 子的喷射速度得到很大的提高，能够达到760-1200m/s。爆炸喷涂所制备的涂层较为致密、结 合强度高、气孔率低、硬度高，已开始应用在航空航天及核工业等军事领域。但该技术存在 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的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装置。本发 明所提供的基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂方法具体步骤如下：

(1)首先通过进气管7向溅射室14内通入足量的保护气，排出其内部的空气，以防止金 属料粉10在高温下被空气中的氧气氧化。

(2)启动粉量开关12，将料斗9内的金属料粉10经送粉管11送至工件19内部的坩埚 21内，再通过加热器22加热坩埚21内的金属料粉10，将其制备成金属熔融液，并通过温控 开关24控制坩埚21内所述金属熔融液的温度。

(3)开启激光发生器1，将脉宽为ns量级、脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量 级的激光脉冲束3透过透明玻璃6直接辐照在所述金属熔融液的液面上，所述金属熔融液表 面极少部分的物质吸收激光能量瞬间气化、电离，在几十个ns的时间内在其表面产生压力为 GPa量级的高压等离子体，所述高压等离子体瞬间对所述金属熔融液的液面施加一向下的超 高的冲击力，使所述金属熔融液发生爆炸性溅射，溅射的熔滴在空中飞行遇到阻力，雾化成 更为细小的微粒，并以很高的速度撞向工件19内孔孔壁，在所述内孔孔壁快速凝固形成致密 的涂层20，完成第一次冲击喷涂。

(4)当所述第一次冲击喷涂的涂层厚度未达到要求时，需要在同一位置进行多次喷涂， 首先控制器33控制步进电机18带动位于左侧的棍轴16转动，拉动透明、阻燃的保护膜15 向左移动，将所述保护膜15上被微粒污染的区域移至光路外，新的未被污染区域移至光路中， 随后所述控制器33依次重启所述粉量开关12、温控开关24以及激光发生器1，使所述金属 料粉10进入所述坩埚21内，并加热金属料粉10至金属熔融液，再用激光脉冲束3辐照金属 熔融液的表面，产生高压等离子体完成第二次冲击喷涂，重复上述移动保护膜、送粉、加热、 产生激光脉冲和喷涂的过程，完成下一次冲击喷涂，重复多次循环，直至该位置的涂层厚度 满足要求。

(5)需要在不同位置进行喷涂时，通过控制器33控制电动机28的转数和转向，使齿轮 30驱动齿条轴31向上或向下移动，带动所述坩埚21向上或向下移动，使所述坩埚21在新 的位置上进行喷涂，直至工件19内孔壁都达到要求为止，涂层冷却至室温后，关闭保护气， 打开活动窗口25，取出工件19。

本发明所提供的一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂装置包括激光发生器1、 导光系统、送粉系统、工件夹具系统以及控制系统。

所述导光系统包括导光管2、全反镜4、冲击头5、透明玻璃6、保护膜15、左右对称 设置的棍轴16、左右对称设置的棍轴支架17、步进电机18，所述导光管2的一端连接所述 激光发生器1，所述导光管2的另一端依次连接所述全反镜4以及所述冲击头5，激光发生器 1发出的激光脉冲束3穿过透明玻璃6和保护膜15直接辐照在工件夹具系统的坩埚21上； 所述保护膜15放置在所述透明玻璃6的正下方，所述保护膜15对光透明，具有耐高温和阻 燃的特点，用来防止微粒溅射到透明玻璃6上造成污染，影响激光脉冲束3的通过，从而影 响喷涂效果；所述保护膜15卷绕在位于右侧的棍轴16上，所述左右对称设置的棍轴16分别 固定在所述左右对称设置的棍轴支架17上，所述步进电机18的输出轴同所述位于左侧的辊 轴16连接；步进电机18带动左侧的棍轴16转动，拉动保护膜15向左移动，将保护膜15上 被微粒污染的区域移至光路外。

所述送粉系统包括进气管7、料斗架8、料斗9、金属料粉10、送粉管11、粉量开关12、 密封塞13、坩埚21；所述送粉管11能够拆装，通过软接头连接上下两端，所述送粉管11的 一端连着料斗9的下端，所述送粉管11的另一端贯穿密封塞13并对着工件夹具系统中的坩 埚21，所述料斗9固定在料斗架8上并装有金属料粉10，所述金属料粉10的颗粒直径为 15-40μm，所述进气管7穿过密封塞13用于通入保护气体，以防止金属料粉10与空气中的氧 气发生化学反应生成氧化物，所述粉量开关12设置在所述送粉管11上，所述粉量开关12是 一个微电机控制的开关，通过微电机控制开关阀口的大小和开启时间的长短来控制金属料粉 10进入坩埚21的体积。

所述工件夹具系统包括溅射室14、工件19、坩埚21、加热器22、调整垫块23、温控开 关24、活动窗口25、导向套26、螺钉27、电动机28、联轴器29、齿轮30、齿条轴31，所 述电动机28通过联轴器29驱动齿轮30带动齿条轴31上下移动，导向套26套在齿条轴31 上，导向套26被螺钉27固定在溅射室14的底部，所述导向套26起着起导向作用，并用来 防止竖立的齿条轴31倾斜。齿条轴31上端放置所述加热器22，加热器22与齿条轴31通过 螺纹连接，加热器22的上端顶面设有与坩埚21底部形状和大小一样的凹坑，用以放置坩埚 21，所述的加热器22与温控开关24串联在一起，温控开关24接通电源使加热器22对坩埚 21加热，当达到设定的温度时，能够自动切断电路。所述坩埚21放置在所述工件19孔的内 部，所述坩埚21的直径要比工件19的内径小，所述工件19下方放置一调整垫块23以调整 工件19的高度，调整垫块23放置在溅射室14的底部；所述溅射室14的右侧设有活动窗口 25，以方便工件19等部件的装卸，活动窗口25只有在装卸部件时才打开，否则处于关闭状 态，以保持溅射室14为一个相对独立的空间。

所述控制系统包括计算机32和控制器33，控制信息由所述计算机32输入，传递给所述 控制器33，所述控制器33通过数据线分别与所述激光发生器1、粉量开关12、步进电机18 以及电动机28连接，用于控制所述激光发生器1、粉量开关12、步进电机18以及电动机28。 具体为控制激光发生器1发出的激光脉冲束3参数以及在同一位置冲击喷涂的次数；控制电 动机28的转向及转数以控制所述齿条轴31的上下移动；控制所述粉量开关12阀口开启的大 小和时间以控制料粉10进入坩埚21内的体积；控制所述步进电机18以控制所述位于左侧的 棍轴16的转动，来控制拉动所述保护膜15向左移动的速度和位移量。

本发明利用脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的强激光 脉冲束直接辐照在金属熔融液上，利用其在熔融液表面微量物质的气化电离产生压力GPa量 级的高压等离子体作为驱动涂层物质的驱动力。

根据牛顿第二定律，F＝ma，m为微粒质量，a为粒子的加速度，粒子的速度可用下式 表示：

$\frac{{\mathrm{dV}}_d}{\mathrm{dt}}=\frac{F}{m}=\frac{\frac{1}{8}\times 4\pi \times {\left(\frac{d}{2}\right)}^2{C}_{\mathrm{drg}}{\rho }_g(V_g-V_d)|V_g-V_d|}{\frac{4}{3}\pi {\left(\frac{d}{2}\right)}^3{\rho }_d}=\frac{{3C}_{\mathrm{drg}}{\rho }_g}{{4\mathrm{d\rho }}_d}(V_g-V_d)|V_g-V_d|---\left(1\right)$

式中：C_drg为拖动系数；ρ_g为气流密度；V_g为高压等离子体膨胀的速度；ρ_d为待喷涂微 粒的密度，V_d为微粒速度；d为微粒的直径。

由上式可知，粒子的直径越小，粒子的速度越大，并且微粒的速度还取决于高压等离子 体和微粒之间的相对速度，当高压等离子体膨胀的速度大于微粒速度时，对微粒起加速作用， 反之，对粒子起减速作用。由气体动力学可得雾化后的粒子的最大直径为：

$d_{\max }=\frac{2\sigma }{C_{\mathrm{drg}}{\rho }_g{V_g}^2}---\left(2\right)$

式中：σ为表面张力，C_drg为拖动系数，ρ_g为气流密度，V_g为高压等离子体的膨胀速度。

假设保护气体为氮气，其密度为1.25×10^-3g/cm³，高压等离子体的膨胀(激光冲击波)速 度为5000-6000m/s，待喷涂的物质为铝，铝滴表面张力为37-45dyn/cm，拖动系数为0.01， 由此可以估算出冲击波作用下雾化铝的粒子直径为：0.3-0.5μm。

由于激光诱导的高压等离子体压力高达GPa量级，比爆炸喷涂的压力高出3-4个数量级， 可以估算出粒子在GPa量级压力下的最高的飞行速度可达2500m/s。

本发明主要具有以下优势：

(1)本发明采用脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的强 激光诱导产生高压等离子体，其压力高达GPa量级，比爆炸喷涂的压力高出3-4个数量级， 使熔融的液滴雾化成更小的微粒，并能以2500m/s的速度撞击工件表面，因而涂层与基体的 结合强度高，致密度高，孔隙率低。

(2)熔融液经雾化冷却后变成微粒子，高速撞向基体或已沉积的涂层表面发生局部变形 (压缩应变)，超快速度使粒子撞击后变形就越充分，涂层的致密度和涂层与基体的结合强度 越大，孔隙率越低，内聚强度越大，涂层质量越好。超快使得压缩应变大于颗粒本身的热应 变，从而使得涂层的应力状态为残余压应力。

(3)本装置采用激光参数如光斑大小、激光脉冲能量、脉冲宽度等，不但操作简单，精 确可靠，效率高，安全性好。而且单次喷涂的时间仅为几十ns，相当于千万分之一秒完成一 次喷涂，具有很高的效率。

(4)由于强激光可以烧蚀任何材料，包括各种金属及合金、陶瓷等非金属材料等几乎所 有固态工程材料，以产生高压等离子体。不像电弧喷涂那样受喷涂物质导电性限制，因而材 料使用的范围广。可以根据涂层的需要，选择不同性能喷涂材料，以能够制备耐磨、耐蚀、 耐高温、抗氧化、绝缘、防辐射等各种功能涂层。

(5)由于激光脉冲束的光斑具有高度可调性，可以根据工件内孔的形状和大小优化激光 参数，调节光斑的大小，喷涂加工的柔性大，从而可以适应直径大、小管等不同孔径的孔壁 喷涂，尤其是在小孔孔壁的喷涂上独具的优势。

(6)本装置可采用计算机控制齿轮齿条机构作为传动机构，通过改变电动机的转向和转 数，便可以精确实现齿条轴的上下移动，可以方便改变喷涂的位置，而且粉量的多少、冲击 喷涂的次数等都可以精确控制，操作便捷，从而易于实现自动化和大批量生产。

附图说明：

图1为本发明一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂装置结构示意图；

图2为图1中A-A剖面结构示意图。

图中：1：激光发生器；2：导光管；3：激光脉冲束；4：全反镜；5：冲击头；6：透明 玻璃；7：进气管；8：料斗架；9：料斗；10：金属料粉；11：送粉管；12：粉量开关；13： 密封塞；14：溅射室；15：保护膜；16：棍轴；17：棍轴支架；18：步进电机；19：工件； 20：涂层；21：坩埚；22：加热器；23：调整垫块；24：温控开关；25：活动窗口；26：导 向套；27：螺钉；28：电动机；29：联轴器；30：齿轮；31：齿条轴；32：计算机；33：控 制器。

具体实施方式：

本发明装置包括激光发生器1、导光系统、送粉系统、工件夹具系统和控制系统。其中 所述导光系统包括导光管2、激光脉冲束3、全反镜4、冲击头5、透明玻璃6、保护膜15、 棍轴16、棍轴支架17、步进电机18；送粉系统包括进气管7、料斗架8、料斗9、金属料粉 10、送粉管11、粉量开关12、密封塞13、坩埚21；工件夹具系统包括溅射室14、工件19、 坩埚21、加热器22、调整垫块23、温控开关24、活动窗口25、导向套26、螺钉27、电动 机28、联轴器29、齿轮30、齿条轴31；控制系统包括计算机32和控制器33。

上述系统各部件安装完毕后，向溅射室14里通入足量的保护气，排尽溅射室内的空气， 以防止金属料粉10在高温下被氧化。控制器33接受计算机32指令，开启粉量开关12，开 始向坩埚21内加入金属料粉10，粉量开关12开启量的大小和时间的长短受控制器33控制， 当达到设定的量时，关闭粉量开关12。开启温控开关24，对坩埚21中的金属料粉10进行加 热，当金属料粉10被加热至熔融状态的温度时，温控开关24自动断电，停止加热。

激光发生器1发出经过优化的激光脉冲束3，激光脉冲束3的参数由金属料粉10的成分、 坩埚21距内孔壁的距离及涂层的厚度等因素共同决定。激光脉冲束3的光束模式可以是基模、 多模等各种模式，其由控制器30调节和控制。由激光发生器1发出的激光脉冲束3经导光管 2和全反镜4以及冲击头5和透明玻璃6，辐照在坩埚21内的熔融液面上。冲击头5内有聚 焦镜，调节冲击头5和坩埚21之间的距离，可以改变光斑大小。经导光系统输出的激光脉冲 束3透过透明玻璃6直接辐照在坩埚21内已加热熔融的液面上，熔融液吸收激光能量在几十 个ns的时间内气化、电离产生压力为GPa量级的高压等离子体。高压等离子体瞬间产生对熔 融金属液面施加一向下的巨大冲击力，使液面发生爆炸性溅射，溅射的熔滴在空中飞行遇到 阻力，雾化成更为细小均匀的微粒，并以很高的速度射向工件19内孔壁，在其表面冷却凝固 形成致密的涂层20。

当一次冲击喷涂完成后，需要在同一位置进行多次喷涂，来达到一定厚度涂层的目的。 计算机32向控制器33发出指令，启动步进电机18，带动辊轴16转动，将保护膜15受上次 喷涂污染的区域移至激光脉冲束3通过的区域外，使新的未污染的部分移至激光脉冲束3通 过的区域中，保护透明玻璃6在喷涂时始终不被污染。随后控制器33依次定时重启粉量开关 12、温控开关24以及激光发生器1，使一定量的金属料粉10进入坩埚21内，加热使金属料 粉10至熔融，再用激光脉冲束3辐照熔融液的表面，产生高压等离子体，完成第二次冲击喷 涂。重复上述移动保护膜、送粉、加热、产生激光脉冲和喷涂的过程，完成下一次喷涂，重 复多次循环，直至涂层的厚度满足要求。

当在孔的不同位置进行大面积喷涂时，通过控制器控制电动机28的转数和转向，使齿轮 30驱动齿条轴31向上或向下移动，带动坩埚21向上或向下移动，使坩埚21在新的位置上 喷涂，通过在不同位置喷涂的组合，渐进完成大范围的喷涂，直至工件19内孔壁都达到要求 为止。喷涂完毕后，继续通保护气，直至工件19冷却后，关闭保护气，打开活动窗口25， 将工件19取出，再进行下一个工件的内孔喷涂。