一種基于激光沖擊波技術(shù)的內(nèi)孔孔壁沖擊噴涂的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于零件加工再制造領(lǐng)域，具體涉及一種利用強(qiáng)激光在熔融液的表面誘導(dǎo) 高壓等離子體，高壓等離子體的超高壓力使熔融液發(fā)生濺射、噴涂到工件表面的方法及裝 置，特別適用于工件內(nèi)孔孔壁的噴涂。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，要求機(jī)械產(chǎn)品能在高溫、高壓、高速、重載以及腐蝕等 惡劣的工況下可持續(xù)地工作，這必然對零件表面質(zhì)量提出了很高要求。噴涂是改善零件表 面質(zhì)量的重要手段之一。它始于50年代，是用于延長機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命、修復(fù)機(jī)械零件 和對零件預(yù)保護(hù)的一項新技術(shù)。已有的研宄結(jié)果和工程實踐表明，涂層性能與噴涂工藝、料 粉粒度、噴涂距離等因素有關(guān)，其中噴涂物質(zhì)的粒子在外力驅(qū)動下撞向工件基體的運(yùn)動速 度對涂層的質(zhì)量影響最大，它不但影響著涂層的結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率等，還決定著涂層的殘余 應(yīng)力的特性、分布和大小。粒子撞擊到工件表面的速度越大，與基體相互作用就越充分，粒 子變形越充分，從而增大涂層的結(jié)合強(qiáng)度，涂層孔隙率就越小。同時粒子的飛行速度越高， 涂層的殘余壓應(yīng)力越大，這是由于噴涂的熱應(yīng)變與噴涂顆粒的溫度成正比，而基體表面的 壓應(yīng)變與噴涂顆粒的飛行速度成正比。目前主要的噴涂技術(shù)有火焰噴涂、等離子噴涂、激光 噴涂和爆炸噴涂等。
[0003] 火焰噴涂是利用氧炔焰作為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速 氣流的推動下形成霧流，噴射到基體上形成涂層?；鹧鎳娡克玫脑O(shè)備簡便，可在野外現(xiàn)場 施工，適用于設(shè)備維修。然而火焰噴涂的顆粒噴射速度較低，僅為30-40m/s，同時由于粉末 處在焰流不同位置的受熱情況不同，其熔融程度有很大差別，有的粉末受熱已融化或半融 化，而另一些僅是軟化，容易在涂層中出現(xiàn)所謂的"夾生"現(xiàn)象，使火焰噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度 和致密性較低，因此火焰噴涂常常用于精度要求較低的零件的修復(fù)和再制造。
[0004] 等離子噴涂技術(shù)是利用以電弧放電產(chǎn)生的"等離子弧"為熱源，形成高溫低壓等離 子體射流，料粉在等離子焰流中被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并被加速而向經(jīng)預(yù)處理的工 件表面噴射和撞擊，凝固，沉積在工件表面而形成涂層。等離子噴涂材料廣泛，基體受熱小 等優(yōu)點，但等離子噴涂的噴涂設(shè)備昂貴，工作氣體要求較高，等離子弧溫度高、輻射強(qiáng)，對操 作人員和周圍環(huán)境要有安全防護(hù)措施等。加熱融化噴涂材料，氣體流量是影響等離子焰流 的熱焓和流速的主要因素，噴涂過程中粒子速度僅為120-400m/s，粒子的噴射速度仍然較 低，噴'涂的質(zhì)量有待于提尚。
[0005] 激光噴涂是利用激光脈沖束將粉末或絲材頂端加熱至熔融，再用噴出的高壓氣體 使熔融材料粒子化，并噴向基體表面形成涂層。在噴涂過程中所采用的激光功率密度限在 10 4-106W/cm2范圍，其功用只作為熱源，將噴涂材料加熱融化，利用的是激光的熱效應(yīng)。與其 它熱噴涂技術(shù)相比，激光噴涂具有能量密度高、生產(chǎn)效率高、激光脈沖束易于聚焦和成型、 不受加工工件形狀限制等優(yōu)點。但由于在激光噴涂過程中，加熱的溫度很高，涂層冷卻凝固 后，內(nèi)部容易出現(xiàn)不均勻的組織，而且由于體積收縮，易出現(xiàn)熱裂紋。這些都限制了該技術(shù) 在實際生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。
[0006] 爆炸噴涂是以爆炸瞬間釋放的熱能將噴涂材料加熱熔融，并使其沉積到工件表面 形成涂層的工藝方法。常用爆炸噴涂時所使用的氣體壓力分別為：〇 2:〇. 1-0. 2MPa，C2H2: 0. 05-0.1 MPa，N2:0. 02-0. 06MPa，這些氣體混合物所得到的爆轟波壓力值在幾MPa到幾十 MPa范圍內(nèi)，粒子的噴射速度得到很大的提高，能夠達(dá)到760-1200m/s。爆炸噴涂所制備的 涂層較為致密、結(jié)合強(qiáng)度高、氣孔率低、硬度高，已開始應(yīng)用在航空航天及核工業(yè)等軍事領(lǐng) 域。但該技術(shù)存在參數(shù)難以控制，安全性差，噪聲大等不足，需要在專用隔音室中進(jìn)行，而且 由于間歇性操作，導(dǎo)致噴涂效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于激光沖擊波技術(shù)的內(nèi)孔孔壁沖擊噴涂的方法及裝 置。本發(fā)明所提供的基于激光沖擊波技術(shù)的內(nèi)孔孔壁沖擊噴涂方法具體步驟如下：
[0008] (1)首先通過進(jìn)氣管7向濺射室14內(nèi)通入足量的保護(hù)氣，排出其內(nèi)部的空氣，以防 止金屬料粉10在高溫下被空氣中的氧氣氧化。
[0009] (2)啟動粉量開關(guān)12,將料斗9內(nèi)的金屬料粉10經(jīng)送粉管11送至工件19內(nèi)部的 坩堝21內(nèi)，再通過加熱器22加熱坩堝21內(nèi)的金屬料粉10,將其制備成金屬熔融液，并通過 溫控開關(guān)24控制坩堝21內(nèi)所述金屬熔融液的溫度。
[0010] (3)開啟激光發(fā)生器1，將脈寬為ns量級、脈沖能量為2-100J、功率密度為GW/cm2 量級的激光脈沖束3透過透明玻璃6直接輻照在所述金屬熔融液的液面上，所述金屬熔融 液表面極少部分的物質(zhì)吸收激光能量瞬間氣化、電離，在幾十個ns的時間內(nèi)在其表面產(chǎn)生 壓力為GPa量級的高壓等離子體，所述高壓等離子體瞬間對所述金屬熔融液的液面施加一 向下的超高的沖擊力，使所述金屬熔融液發(fā)生爆炸性濺射，濺射的熔滴在空中飛行遇到阻 力，霧化成更為細(xì)小的微粒，并以很高的速度撞向工件19內(nèi)孔孔壁，在所述內(nèi)孔孔壁快速 凝固形成致密的涂層20,完成第一次沖擊噴涂。
[0011] (4)當(dāng)所述第一次沖擊噴涂的涂層厚度未達(dá)到要求時，需要在同一位置進(jìn)行多次 噴涂，首先控制器33控制步進(jìn)電機(jī)18帶動位于左側(cè)的棍軸16轉(zhuǎn)動，拉動透明、阻燃的保護(hù) 膜15向左移動，將所述保護(hù)膜15上被微粒污染的區(qū)域移至光路外，新的未被污染區(qū)域移至 光路中，隨后所述控制器33依次重啟所述粉量開關(guān)12、溫控開關(guān)24以及激光發(fā)生器1，使 所述金屬料粉10進(jìn)入所述坩堝21內(nèi)，并加熱金屬料粉10至金屬熔融液，再用激光脈沖束3 輻照金屬熔融液的表面，產(chǎn)生高壓等離子體完成第二次沖擊噴涂，重復(fù)上述移動保護(hù)膜、送 粉、加熱、產(chǎn)生激光脈沖和噴涂的過程，完成下一次沖擊噴涂，重復(fù)多次循環(huán)，直至該位置的 涂層厚度滿足要求。
[0012] (5)需要在不同位置進(jìn)行噴涂時，通過控制器33控制電動機(jī)28的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)向，使 齒輪30驅(qū)動齒條軸31向上或向下移動，帶動所述坩堝21向上或向下移動，使所述坩堝21 在新的位置上進(jìn)行噴涂，直至工件19內(nèi)孔壁都達(dá)到要求為止，涂層冷卻至室溫后，關(guān)閉保 護(hù)氣，打開活動窗口 25,取出工件19。
[0013] 本發(fā)明所提供的一種基于激光沖擊波技術(shù)的內(nèi)孔孔壁沖擊噴涂裝置包括激光發(fā) 生器1、導(dǎo)光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。
[0014] 所述導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管2、全反鏡4、沖擊頭5、透明玻璃6、保護(hù)膜15、左右對稱 設(shè)置的棍軸16、左右對稱設(shè)置的棍軸支架17、步進(jìn)電機(jī)18,所述導(dǎo)光管2的一端連接所述激 光發(fā)生器1，所述導(dǎo)光管2的另一端依次連接所述全反鏡4以及所述沖擊頭5,激光發(fā)生器1 發(fā)出的激光脈沖束3穿過透明玻璃6和保護(hù)膜15直接輻照在工件夾具系統(tǒng)的坩堝21上； 所述保護(hù)膜15放置在所述透明玻璃6的正下方，所述保護(hù)膜15對光透明，具有耐高溫和阻 燃的特點，用來防止微粒濺射到透明玻璃6上造成污染，影響激光脈沖束3的通過，從而影 響噴涂效果；所述保護(hù)膜15卷繞在位于右側(cè)的棍軸16上，所述左右對稱設(shè)置的棍軸16分 別固定在所述左右對稱設(shè)置的棍軸支架17上，所述步進(jìn)電機(jī)18的輸出軸同所述位于左側(cè) 的輥軸16連接；步進(jìn)電機(jī)18帶動左側(cè)的棍軸16轉(zhuǎn)動，拉動保護(hù)膜15向左移動，將保護(hù)膜 15上被微粒污染的區(qū)域移至光路外。
[0015] 所述送粉系統(tǒng)包括進(jìn)氣管7、料斗架8、料斗9、金屬料粉10、送粉管11、粉量開關(guān) 12、密封塞13、坩堝21 ;所述送粉管11能夠拆裝，通過軟接頭連接上下兩端，所述送粉管11 的一端連著料斗9的下端，所述送粉管11的另一端貫穿密封塞13并對著工件夾具系統(tǒng)中 的坩堝21，所述料斗9固定在料斗架8上并裝有金屬料粉10,所述金屬料粉10的顆粒直徑 為15-40 y m，所述進(jìn)氣管7穿過密封塞13用于通入保護(hù)氣體，以防止金屬料粉10與空氣中 的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物，所述粉量開關(guān)12設(shè)置在所述送粉管11上，所述粉量開關(guān) 12是一個微電機(jī)控制的開關(guān)，通過微電機(jī)控制開關(guān)閥口的大小和開啟時間的長短來控制金 屬料粉10進(jìn)入坩堝21的體積。
[0016] 所述工件夾具系統(tǒng)包括濺射室14、工件19、坩堝21、加熱器22、調(diào)整墊塊23、溫控 開關(guān)24、活動窗口 25、導(dǎo)向套26、螺釘27、電動機(jī)28、聯(lián)軸器29、齒輪30、齒條軸31，所述電 動機(jī)28通過聯(lián)軸器29驅(qū)動齒輪30帶動齒條軸31上下移動，導(dǎo)向套26套在齒條軸31上， 導(dǎo)向套26被螺釘27固定在濺射室14的底部，所述導(dǎo)向套26起著起導(dǎo)向作用，并用來防止 豎立的齒條軸31傾