一種超音速激光沉積同軸送粉裝置的制造方法
【專利摘要】一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，包括激光出光腔、安裝筒、擋板、至少一根保護氣輸送管和至少一個拉瓦爾噴管，激光出光腔包括激光通路和激光頭，激光通路與激光頭一體成型，激光通路與激光頭的出光口同軸，激光頭的出光口處設有透光鏡；激光通路貫穿擋板中心孔后同軸插入所述的安裝筒內(nèi)腔，安裝筒的底部抵在所述的擋板上表面；擋板的下表面與激光頭的上表面貼合；拉瓦爾噴管嵌入所述的激光頭內(nèi)，拉瓦爾噴管的進氣口與卡在擋板上的高壓氣體粉末輸送管連通，所有的拉瓦爾噴管的中軸線均與激光出光腔射出的激光交匯。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：無需逐次調(diào)節(jié)拉瓦爾噴管與激光頭的相對位置，并且在噴涂的過程中，粉斑和光斑的相對位置也不會改變。
【專利說明】
一種超音速激光沉積同軸送粉裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種超音速激光沉積同軸送粉裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]冷噴涂亦稱冷氣體動力學噴涂(Cold Gas Dynamic Spray，CGDS)，它是以壓縮氣體(氦氣、氮氣、空氣或混合氣體等)為加速介質(zhì)，攜帶固態(tài)顆粒進入拉瓦爾噴管(LavaInozzle)內(nèi)產(chǎn)生超音速氣-固兩相流，固態(tài)顆粒經(jīng)過加速后以極高的速度(大于等于其臨界沉積速度)碰撞基體表面，使顆粒和基體同時發(fā)生強烈的塑性變形而形成涂層的一種新型噴涂技術(shù)。與熱噴涂相比，冷噴涂過程中顆粒加熱溫度低，仍然保持固態(tài)，固態(tài)顆粒在極高的應力、應變和應變速率條件下通過“絕熱剪切失穩(wěn)”引起的塑性流變或者通過劇烈塑性變形等機械過程實現(xiàn)在工件表面上的沉積。因此噴涂過程中顆粒不易發(fā)生氧化、燒損、相變、晶粒長大等現(xiàn)象，因此冷噴涂涂層的化學成分以及顯微組織結(jié)構(gòu)可與原材料保持一致，尤其適用于溫度敏感材料(如納米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如鋁、銅、鈦等)和易相變材料(如碳基復合材料等)的涂層制備。
[0003]雖然冷噴涂在保持涂層材料原始成分、減少熱影響等方面具有其獨特的優(yōu)勢，但是單純的冷噴涂技術(shù)尚存在以下缺點:I)沉積硬度較高的涂層材料時，必須以氦氣為工作載氣，成本較高；2)顆粒有效沉積及穩(wěn)定的高質(zhì)量涂層的制備很大程度上依賴于顆粒與基板材料的特性;3)涂層與基體的結(jié)合機制主要是機械結(jié)合，因此沉積涂層的結(jié)合強度較低。
[0004]針對冷噴涂技術(shù)的不足，英國劍橋大學的WilliamO’Neill課題組提出了超音速激光沉積技術(shù)(Supersonic Laser Deposit1n,SLD)，把激光福照同步引入冷噴涂加工過程中，通過激光能量輻射對冷噴涂顆粒、基體或者兩者同時進行熱軟化處理，瞬間調(diào)節(jié)和改善材料力學性能和碰撞沉積狀態(tài)，提高低壓冷噴涂層的厚度、沉積效率、致密度和結(jié)合強度，進而提高涂層的使用性能。由于激光加熱對噴涂顆粒和基材的軟化作用，噴涂顆粒的臨界沉積速度降至原來的一半，因此可用價格低廉的氮氣替代昂貴的氦氣，實現(xiàn)高硬度材料的沉積，在降低成本的同時拓寬了冷噴涂沉積材料的范圍。
[0005]超音速激光沉積實驗裝置主要由以下幾部分組成:激光器、噴槍、機械手臂、送粉器和高壓氣源以及其他輔助設備。其中，噴槍系統(tǒng)是核心裝置。噴涂顆粒與加速氣體在噴槍中混合，并加速到一定速度，撞擊基板形成涂層。傳統(tǒng)超音速激光沉積系統(tǒng)如圖1所示，拉瓦爾噴管101，涂層102，基體103，激光頭104。其中拉瓦爾噴管與激光頭分別裝夾在機械手臂上，兩者相互獨立。超音速的粉末顆粒沉積在激光束輻照的區(qū)域內(nèi)。因此，在實驗進行前，都需要調(diào)節(jié)激光頭和噴嘴的相對位置，以保證激光的光斑和粉斑重合。這就使實驗過程變得繁瑣復雜。另外，在實驗過程中，由于機械手臂的擺動可能影響光斑和粉斑的相對位置，從而導致在沉積的過程中激光輻照的區(qū)域不均勻，影響了涂層與基體間的結(jié)合。而且在傳統(tǒng)超音速激光沉積的噴槍系統(tǒng)中，只有一個拉瓦爾噴管與激光器配合，不利于激光輻照能量的充分利用。
[0006]因此，需要開發(fā)一種易于操作多功能的新型超音速激光沉積同軸送粉裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對傳統(tǒng)超音速激光沉積噴槍系統(tǒng)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種易于操作多功能的超音速激光沉積同軸送粉裝置。
[0008]本發(fā)明所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:包括激光出光腔、安裝筒、擋板、至少一根保護氣輸送管和至少一個拉瓦爾噴管，所述的激光出光腔包括激光通路和激光頭，所述的激光通路與所述的激光頭一體成型，所述的激光通路與所述的激光頭的出光口同軸，并且所述的激光頭的出光口處設有透光鏡;所述的激光通路貫穿所述的擋板中心孔后同軸插入所述的安裝筒內(nèi)腔，所述的安裝筒的底部抵在所述的擋板上表面；所述的擋板的下表面與所述的激光頭的上表面貼合;所述的拉瓦爾噴管嵌入所述的激光頭內(nèi)，所述的拉瓦爾噴管的進氣口與卡在擋板上的高壓氣體粉末輸送管連通，所有的拉瓦爾噴管的中軸線均與激光出光腔射出的激光交匯;所述的保護氣輸送管的嵌入所述的激光頭內(nèi)，并且所述的保護氣輸送管的上端進氣口從擋板上表面伸出，所述的保護氣輸送管的下端出氣口與位于透光鏡底部的所述的激光頭的出光口連通。
[0009]所述的拉瓦爾噴管沿所述的激光頭的出氣口周向排布。
[0010]所述的拉瓦爾噴管分為用于與所述的高壓氣體粉末輸送管連接的直筒段、作為喉部的收縮段和擴張段，所述的收縮段的喉部形狀為圓形、長方形或橢圓形。
[0011 ]所述的透光鏡與所述的激光頭的出氣口內(nèi)壁密封連接，并且透光鏡的中心軸與所述的激光出光腔的中心軸重合。
[0012]所述的激光出光腔射出的激光光斑直徑大于所述的拉瓦爾噴管射出的噴涂粉末粉斑直徑。
[0013]本發(fā)明所述的拉瓦噴嘴可為兩個，三個，四個或五個甚至更多，分布在在激光出光腔頂端;拉瓦噴嘴送粉送氣控制相互獨立，可以一個或多個相互配合送粉;拉瓦噴嘴的噴涂距離可以相等也可以不相等;拉瓦噴嘴的喉部直徑可以相同也可以不同。
[0014]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:I)拉瓦爾噴管與激光頭集成到了一個裝置中，簡化了實驗設備；
[0015]2)無需逐次調(diào)節(jié)拉瓦爾噴管與激光頭的相對位置，并且在噴涂的過程中，粉斑和光斑的相對位置也不會改變；
[0016]3)實現(xiàn)了多個拉瓦爾噴管與一束激光束的復合，提高了激光能量的利用率；
[0017]4)多個拉瓦爾噴管之間的送粉與送氣控制是相互獨立的，可有選擇地對某幾個噴嘴進行送粉送氣，從而能夠大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)送粉率；
[0018]5)多個拉瓦爾噴管的喉部形狀與大小可以相同，也可以不同，可以實現(xiàn)同種或異種參數(shù)噴嘴的復合使用；
[0019]6)多個拉瓦爾噴管中沉積粉末顆粒的種類和尺寸可以相同，也可以不同，這樣可以同步實現(xiàn)多種材料的復合沉積，極大地豐富了多種粉末顆粒的匹配方式。
【附圖說明】
[0020]圖1是傳統(tǒng)超音速激光沉積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖(101-拉瓦爾噴嘴；102-涂層；103-基體;104-激光頭)；[0021 ]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明設置兩個相同的圓形拉瓦爾噴管的示意圖；
[0023]圖4是圖3的激光出光腔上噴嘴以及粉斑分布示意圖之一(俯視圖，箭頭方向代表掃描速度方向，AR表粉斑I;B代表粉斑Π );
[0024]圖5是本發(fā)明設置兩個不同的拉瓦爾噴管的示意圖(其中一個喉管形狀為圓形，另一個喉管形狀為正方形)；
[0025]圖6是圖5的激光出光腔上噴嘴以及粉斑分布示意圖之二(俯視圖，箭頭方向代表掃描速度方向4代表粉斑I ;C代表粉斑m);
[0026]圖7是本發(fā)明設置三個拉瓦爾噴管的示意圖(其中兩個喉管形狀為圓形，另一個喉管形狀為橢圓形)；
[0027]圖8是圖7的激光出光腔上噴嘴以及粉斑分布示意圖之二(俯視圖，箭頭方向代表掃描速度方向4代表粉斑I ;B代表粉斑Π ;0代表粉斑IV)。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明
[0029]參照附圖:
[0030]實施例1本發(fā)明所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，包括激光出光腔1、安裝筒2、擋板3、至少一根保護氣輸送管4和至少一個拉瓦爾噴管5，所述的激光出光腔I包括激光通路11和激光頭12，所述的激光通路11與所述的激光頭12—體成型，所述的激光通路11與所述的激光頭12的出光口同軸，并且所述的激光頭12的出光口處設有透光鏡6;所述的激光通路貫穿所述的擋板3中心孔后同軸插入所述的安裝筒2內(nèi)腔，所述的安裝筒2的底部抵在所述的擋板3上表面;所述的擋板3的下表面與所述的激光頭的上表面貼合;所述的拉瓦爾噴管5嵌入所述的激光頭12內(nèi)，所述的拉瓦爾噴管5的進氣口與卡在擋板3上的高壓氣體粉末輸送管7連通，所有的拉瓦爾噴管7的中軸線均與激光出光腔I射出的激光交匯;所述的保護氣輸送管4的嵌入所述的激光頭12內(nèi)，并且所述的保護氣輸送管4的上端進氣口從擋板3上表面伸出，所述的保護氣輸送管4的下端出氣口與位于透光鏡6底部的所述的激光頭12的出光口連通。
[0031]所述的拉瓦爾噴管5沿所述的激光頭12的出氣口周向排布。
[0032]所述的拉瓦爾噴管5分為用于與所述的高壓氣體粉末輸送管7連接的直筒段、作為喉部的收縮段和擴張段，所述的收縮段的喉部形狀為圓形、長方形或橢圓形。
[0033]所述的透光鏡6與所述的激光頭12的出氣口內(nèi)壁密封連接，并且透光鏡6的中心軸與所述的激光出光腔I的中心軸重合。
[0034]所述的激光出光腔I射出的激光光斑直徑大于所述的拉瓦爾噴管射出的噴涂粉末粉斑直徑。
[0035]本發(fā)明所述的拉瓦噴嘴可為兩個，三個，四個或五個甚至更多，分布在在激光出光腔頂端;拉瓦噴嘴送粉送氣控制相互獨立，可以一個或多個相互配合送粉;拉瓦噴嘴的噴涂距離可以相等也可以不相等;拉瓦噴嘴的喉部直徑可以相同也可以不同。
[0036]實施例2本實例中，激光頭上設有兩個拉瓦爾噴管，拉瓦爾噴管的收縮段的形狀為圓形;激光光斑直徑大于粉斑的直徑，兩個圓形拉瓦爾噴管(51，52)關(guān)于出光腔軸線對稱分布在激光出光腔的激光頭(如圖3所示)，拉瓦爾噴管內(nèi)的兩束粉末-氣體兩相流同時撞擊由激光同步加熱的基體7區(qū)域。噴嘴51的粉斑I和噴嘴52的粉斑Π相互毗鄰但不重疊(沿著掃描速度方向一左一右分布，如圖4所示)，且位于同一水平線上。相比于傳統(tǒng)的噴涂過程，單次噴涂之后，單層涂層是由兩道沉積層搭接組成，大大提高了單次噴涂的寬度。
[0037]實施例3本實例中，激光頭上設有兩個拉瓦爾噴管，拉瓦爾噴管的收縮段的形狀一個為圓形，一個為方形;激光光斑直徑大于粉斑直徑，圓形拉瓦爾噴管51和方形拉瓦爾噴管53關(guān)于出光腔軸線不對稱分布在激光出光腔的頭部，(如圖5所示)，噴嘴內(nèi)的兩束粉末-氣體兩相流同時撞擊由激光同步加熱的基體區(qū)域。噴嘴51的粉斑I和噴嘴53的粉斑m相鄰但不重疊(沿著掃描速度方向上一前一后分布，如圖6所不)。與傳統(tǒng)噴槍系統(tǒng)的噴涂過程相比，單次噴涂過后，單層涂層是由兩道沉積層疊加組成，提高了單次噴涂涂層的厚度，且實現(xiàn)了異種形狀噴嘴的復合激光沉積
[0038]實施例4本實例中，激光頭上設有三個拉瓦爾噴管，拉瓦爾噴管的收縮段的形狀兩個為圓形，一個為橢圓形;激光光斑直徑大于粉斑直徑，圓形拉瓦爾噴管(51、52)和第三個橢圓形拉瓦爾噴管(54)不均勻分布在激光出光腔頭部的四周(如圖7所示)，噴嘴內(nèi)的三束粉末-氣體兩相流同時撞擊由激光同步加熱的基體區(qū)域。噴嘴51的粉斑I和噴嘴52的粉斑Π相互毗鄰但不重疊(沿著掃描速度方向一左一右分布)，第三個噴嘴54的粉斑IV與噴嘴(51、52)的粉斑1、Π同時重疊，如圖8所示。三個噴嘴的粉末與氣體由同一組高壓氣源和送粉器輸送，但是有相互獨立的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要對其中的一個噴嘴、兩個噴嘴或三個噴嘴進行單獨或同時送粉送氣。與傳統(tǒng)噴槍系統(tǒng)的噴涂過程相比，單次噴涂過后，可獲得異種形狀復合的單道涂層、搭接涂層或疊加涂層，不僅可提高單次沉積的寬度，而且也提高了厚度。
[0039]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項】
1.一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:包括激光出光腔、安裝筒、擋板、至少一根保護氣輸送管和至少一個拉瓦爾噴管，所述的激光出光腔包括激光通路和激光頭，所述的激光通路與所述的激光頭一體成型，所述的激光通路與所述的激光頭的出光口同軸，并且所述的激光頭的出光口處設有透光鏡;所述的激光通路貫穿所述的擋板中心孔后同軸插入所述的安裝筒內(nèi)腔，所述的安裝筒的底部抵在所述的擋板上表面;所述的擋板的下表面與所述的激光頭的上表面貼合;所述的拉瓦爾噴管嵌入所述的激光頭內(nèi)，所述的拉瓦爾噴管的進氣口與卡在擋板上的高壓氣體粉末輸送管連通，所有的拉瓦爾噴管的中軸線均與激光出光腔射出的激光交匯;所述的保護氣輸送管的嵌入所述的激光頭內(nèi)，并且所述的保護氣輸送管的上端進氣口從擋板上表面伸出，所述的保護氣輸送管的下端出氣口與位于透光鏡底部的所述的激光頭的出光口連通。2.如權(quán)利要求1所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:所述的拉瓦爾噴管沿所述的激光頭的出氣口周向排布。3.如權(quán)利要求2所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:所述的拉瓦爾噴管分為用于與所述的高壓氣體粉末輸送管連接的直筒段、作為喉部的收縮段和擴張段，所述的收縮段的喉部形狀為圓形、長方形或橢圓形。4.如權(quán)利要求1所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:所述的透光鏡與所述的激光頭的出氣口內(nèi)壁密封連接，并且透光鏡的中心軸與所述的激光出光腔的中心軸重合。5.如權(quán)利要求1所述的一種超音速激光沉積同軸送粉裝置，其特征在于:所述的激光出光腔射出的激光光斑直徑大于所述的拉瓦爾噴管射出的噴涂粉末粉斑直徑。
【文檔編號】C23C24/10GK105862034SQ201610414744
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】姚建華, 李鵬輝, 李波
【申請人】浙江工業(yè)大學, 杭州博華激光技術(shù)有限公司