技术领域
[0001] 本
发明属于激光复合加工领域，具体涉及一种激光复合冷喷涂高速沉积方法。
背景技术
[0002] 在工业领域，我国大量的机械装备长期服役在恶劣的工况环境中，因其关键零部件被
腐蚀、磨损而失效，对经济造成巨大的损失。因此需要对关键部件进行
表面处理，赋予零件耐腐蚀、耐磨、抗疲劳等特性,延长其服役寿命。目前应用较多，较为成熟的表面处理工艺是电
镀技术。然而传统的
电镀技术镀层薄，镀层与基体的结合
力弱，在实际工况中容易剥落。此外，电镀的溶液和
烟尘中含有重金属，容易污染
水、
土壤和空气，对人类健康、自然环境来说，是一个很大的威胁，因此迫切需要新的技术来代替它。
[0003] 冷喷涂，又称冷
气动力喷涂，它以预热的压缩气体为
加速介质，带动
金属粉末颗粒在laval
喷嘴中加速形成超音速的气-固两相流，固态的金属粉末颗粒高速撞击基体发生剧烈塑性
变形，从而沉积在基体表面形成涂层。由于沉积机制和大尺寸喷涂粉斑，冷喷涂制备涂层沉积速率高，非常适用于大规模的沉积。冷喷涂层保留了原始粉末材料的成分，无
相变。由于依靠粉末的塑性变形沉积，冷喷涂层内特别是涂层顶部容易存在结合不良产生的孔隙，表面也有较大的粗糙度，涂层的结合力相对较弱。激光加工技术是一种高热输入技术，相对冷喷涂，用激光制备的涂层内部致密，结合力高；然而在涂层内容易有相变、
氧化、开裂等影响，对基体也有较大的热影响，且激光技术制备涂层的沉积效率低。
发明内容
[0004] 本发明所述的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] 2)调节
喷枪，使喷嘴垂直工件表面，在工件表面喷出喷涂粉斑，并在喷枪前、侧、后部引入三束激光，以使得喷涂粉斑的前、侧、后部产生前置激光光斑、侧向激光光斑和后置激光光斑；调节三束激光的
位置，使得前置激光光斑位于喷涂粉斑进给方向的前方，并与喷涂粉斑不重合；侧向激光光斑与喷涂粉斑重合；后置激光光斑位于喷涂粉斑的后方，并与喷涂粉斑不重合；加工过程中喷涂粉斑和三个激光光斑同步移动；
[0007] 3)根据喷涂粉末材料，在冷喷涂设备控制面板中设置好载气压力、载气流量、载气预热
温度和送粉器转速；
[0008] 4)根据加工工件材料，设置好前置激光光束的功率；根据喷涂材料，设置好侧向激光光束的功率；根据喷涂材料和涂层的厚度设置好后置激光光束的功率；
[0009] 5)设定喷枪的扫描线速度，对工件进行激光复合冷喷涂高速沉积加工；
[0010] 6)激光复合冷喷涂高速沉积加工完成后，将工件卸下了进行观察。
[0011] 进一步，步骤5)中，激光复合冷喷涂高速沉积加工分为三步：
[0012] (1)前置
激光束对待喷涂工件表面进行清洗、毛化、预热作用，
激光清洗消除了工件表面油污、氧化膜对沉积涂层的不利影响，激光毛化作用也没有
喷砂处理所带来的残留物的影响，增加粗糙度的同时起到预热基材的作用，大大促进涂层与基体的结合；
[0013] (2)侧向激光束光斑与喷涂重合，对沉积粉末和工件同步加热
软化，辅助冷喷涂，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力；
[0014] (3)后置激光束对沉积涂层的顶部区域进行
重熔，消除涂层内部孔隙，减小涂层表面的粗糙度，而涂层的中下部依然保持原始粉末的结构和性能。
[0015] 进一步，步骤(1)中，工件是平板、柱状、筒状或盘状，根据工件形状、重量以及尺寸选择适合的顶针或托架配合卡盘加持。
[0016] 进一步，步骤(2)中，当拉瓦尔喷嘴距离工件表面距离30mm，粉斑的直径为6mm，侧向激光光斑与粉斑基本重合；
[0017] 进一步，步骤(3)中喷涂的载气是空气、氮气或/和氦气，载气压力范围为0-5MPa，预热温度范围为25-1000℃，送粉转速范围为0-10r/min，粉末粒径范围为15-53μm，粉末形状是球形或不规则形状。
[0018] 进一步，步骤(4)喷涂材料是有色金属、Fe基、Ni基、Co基及其
复合材料；涂层的厚度达50-400μm。
[0019] 根据本发明所述的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法构建的冷喷涂设备，其特征在于：包括喷枪、前置
激光器、侧向激光器和后置激光器，喷枪悬于夹持在加工
车床上的工件正上方，并且喷枪的喷嘴对准待加工的工件；前置激光器、侧向激光器和后置激光器设置在喷枪旁，使得前置激光器的前置激光光斑位于喷涂粉斑进给方向的前方，前置激光光斑和喷涂粉斑不重合；侧向激光器的侧向激光光斑与喷涂粉斑重合；后置激光器的后置激光光斑位于喷涂粉斑的后方，与粉斑不重合；经
过冷喷涂之后在工件表面形成均匀的涂层。
[0020] 喷嘴为拉瓦尔喷嘴，距离工件表面距离10-50mm，根据拉瓦尔喷嘴的形状，喷出的粉斑是圆形或矩形；前置激光器是
脉冲激光器或CO2激光器中的一种；侧向激光器是光纤激光器或
半导体激光器中的一种，光斑形状为是圆形，圆环形或矩形，激光头与喷枪法线方向所成
角度范围为0-90°；后置激光器是光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器中的一种，并配备扫描振镜装置，光斑形状是圆形或矩形。
[0021] 喷枪与三个激光器同步移动，即保持粉斑与光斑的位置相对固定。
[0022] 具体的，利用冷喷涂设备对工件进行冷喷涂方法，包括以下步骤：
[0023] 1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上；
[0024] 2)调节喷枪，使喷嘴垂直工件表面，在工件表面喷出粉斑，调节前置激光器，使得前置激光光斑位于粉斑进给方向的前方，光斑和粉斑不重合；调节侧向激光器角度，使得侧向激光光斑喷涂粉斑重合；调节后置激光器，使得后置激光光斑位于粉斑的后方，并与粉斑不重合；加工过程中喷嘴和三个激光头同步移动；
[0025] 3)根据喷涂粉末材料，在冷喷涂设备控制面板中设置好载气压力、载气流量、载气预热温度和送粉器转速；
[0026] 4)根据加工工件材料，设置好前置激光器激光功率；根据喷涂材料，设置好侧向激光器激光功率；根据喷涂材料和涂层的厚度设置好后置激光器功率；
[0027] 5)根据工件直径调节机床的转速，根据道与道的搭接率设定喷枪的扫描线速度，进行激光复合冷喷涂高速沉积加工；
[0028] 6)激光复合冷喷涂高速沉积加工完成后，将工件卸下了进行观察。
[0029] 本发明的目的主要是提供一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，在冷喷涂喷枪的前、侧、后引入激光束，利用三种不同
能量输入的激光束对工件、喷涂粉末、涂层进行处理，减小甚至消除冷喷涂技术的不足。利用激光加工和冷喷涂的协同作用，在短时间内实现大面积涂层的快速制备，沉积速率大于1m2/h，在满足零件使用要求的同时，极大的提高了工作效率。
[0030] 原理是：在冷喷涂过程中，引入三束激光，三束激光分别位于喷枪的前部、侧部和后部。利用前置激光束对待喷涂工件表面进行清洗、毛化、预热作用，激光清洗消除了工件表面油污、氧化膜对沉积涂层的不利影响，激光毛化作用也没有喷砂处理所带来的残留物的影响，增加粗糙度的同时起到预热基材的作用，大大促进涂层与基体的结合；侧向激光束光斑与喷涂基本重合，根据所沉积材料的熔点和冷喷涂预热温度，设置激光功率，使激光束仅对沉积粉末和基体同步加热软化而不
熔化，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力；根据涂层厚度及材料性质，设置激光功率，使后置激光束对沉积涂层顶部区域进行重熔，消除涂层内部孔隙，减小涂层表面的粗糙度，而涂层的中下部依然保持原始粉末的结构和性能。利用激光加工优势和冷喷涂高沉积速率的特点，在短时间内能实现大面积涂层的快速制备，在满足零件使用要求的同时，极大的提高了工作效率。
[0031] 与现有的技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
[0032] (1)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，是一种无污染的环保型表面处理技术；通过三种不同能量输入的激光与冷喷涂结合，减少加工时间，在获得
质量良好涂层的同时大大提高了沉积速率，沉积速率大于1m2/h；
[0033] (2)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，没有传统喷砂处理引入杂质的影响，前置激光起到去除工件表面油污和氧化膜、毛化以及预热基材的作用，极大的促进和改善了沉积颗粒与基体的结合；
[0034] (3)本发明所提供的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，后置激光重熔消除冷喷涂层顶部多孔隙的
缺陷，降低了涂层表面粗糙度，减少了后续机加工量，提高了材料的利用，节约了生产成本。
附图说明
[0035] 图1为激光复合冷喷涂高速沉积原理示意图。
[0036] 图2为三个激光光斑和冷喷涂粉斑的位置图(A为喷涂起始点，B为喷涂终点)。
[0037] 图3为激光复合冷喷涂高速沉积喷涂过程示意图。
[0038] 图4为在27SiMn上激光复合冷喷涂高速沉积316L涂层的横截面。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图进一步说明本发明。
[0040] 参照附图：
[0041]
实施例1本实例以圆柱状零件为例，对本发明的激光复合冷喷涂高速沉积方法进行说明，工件材料为27SiMn，尺寸φ30mm×100mm。
[0042] 参考图3提供了一种激光复合冷喷涂高速沉积方法，具体采用以下步骤：
[0043] (1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上；
[0044] (2)调节喷枪，使拉瓦尔喷嘴垂直工件表面，在工件表面喷出粉斑，粉斑直径为6mm；调节前置激光器，使得激光光斑位于粉斑进给方向的前方，前置激光光斑和喷涂粉斑不重合；调节侧向激光器角度，使得侧向激光光斑与喷涂粉斑基本重合，侧向激光器与喷枪法线方向成30°；调节后置激光器，使得后置激光光斑位于粉斑的后方，光斑和喷涂粉斑不重合；加工过程中喷嘴和三个激光头同步移动；
[0045] (3)前置激光器采用脉冲激光器，对喷枪扫描前进方向待喷涂沉积层附近表面8mm范围进行激光清洗和毛化；
[0046] (4)喷涂粉末为316L金属粉末，粉末粒径为15-53μm、喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为4MPa，预热温度为800℃，送粉转速2r/min，喷涂距离30mm，侧向激光器采用光纤耦合半导体激光器，激光功率为1000W
[0047] (5)后置激光器采用配备振镜扫描的半导体激光器，激光功率500W；
[0048] (6)工件转速为130r/min，喷枪的进给速度为10mm/s；进行激光复合冷喷涂高速沉积；
[0049] 最后获得厚度为226μm、致密、与基体结合良好的涂层，沉积速率高达8.5m2/h。
[0050] 实施例2本实例以圆柱状零件为例，对本发明的激光复合冷喷涂高速沉积方法进行说明，工件材料为27SiMn，尺寸φ50mm×100mm。
[0051] (1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上；
[0052] (2)调节喷枪，使拉瓦尔喷嘴垂直工件表面，在工件表面喷出粉斑，粉斑直径为6mm；调节前置激光器，使得激光光斑位于粉斑进给方向的前方，前置激光光斑和喷涂粉斑不重合；调节侧向激光器角度，使得侧向激光光斑与喷涂粉斑基本重合，侧向激光器与喷枪法线方向成30°；调节后置激光器，使得后置激光光斑位于粉斑的后方，光斑和喷涂粉斑不重合；加工过程中喷嘴和三个激光头同步移动；
[0053] (3)前置激光器采用脉冲激光器，对喷枪扫描前进方向待喷涂沉积层附近表面8mm范围进行激光清洗和毛化；
[0054] (4)喷涂粉末为316L金属粉末，粉末粒径为15-53μm、喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为3MPa，预热温度为800℃，送粉转速2r/min，喷涂距离30mm，侧向激光器采用光纤耦合半导体激光器，激光功率为1000W
[0055] (5)后置激光器采用配备振镜扫描的半导体激光器，激光功率500W；
[0056] (6)工件转速为300r/min，喷枪的进给速度为15mm/s；进行激光复合冷喷涂高速沉积；
[0057] 最后获得厚度为66μm、致密、与基体结合良好的涂层，沉积速率高达2.2m2/h。
[0058] 实施例3：本实例以
铜冷凝管为例，对本发明的激光复合冷喷涂高速沉积方法进行说明，工件材料为CuNi30Mn1Fe，尺寸为φ16mm×150mm。
[0059] 一种激光复合冷喷涂高速沉积方法工艺，具体采用以下步骤：
[0060] (1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上；
[0061] (2)调节喷枪，使拉瓦尔喷嘴垂直工件表面，在工件表面喷出喷涂粉斑，粉斑直径为6mm；调节前置激光器，使得前置激光光斑位于粉斑进给方向的前方，前置激光光斑和喷涂粉斑不重合；调节侧向激光器角度，使得侧向激光光斑与喷涂粉斑基本重合，侧向激光器与喷枪法线方向成30°；调节后置激光器，使得后置激光光斑位于粉斑的后方，后置激光光斑和喷涂粉斑不重合；加工过程中喷嘴和三个激光头同步移动；
[0062] (3)前置激光器采用脉冲激光器，对喷枪扫描前进方向待喷涂沉积层附近表面8mm范围进行激光清洗和毛化；
[0063] (4)喷涂粉末为Stellite 6粉末，粉末粒径为15-53μm、喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为4MPa，预热温度为800℃，喷涂距离30mm，侧向激光功率为1200W，[0064] (5)后置激光器采用配备振镜扫描的半导体激光器，激光功率500W；
[0065] (6)工件转速为400r/min，喷枪的进给速度为20mm/s；进行激光复合冷喷涂高速沉积；
[0066] 最后获得厚度为55μm、致密、与基体结合良好的涂层，涂层较基体有较好的
耐腐蚀性能，该沉积速率达3.6m2/h。
[0067] 实施例4根据实施例1所述的一种激光复合冷喷涂高速沉积方法构建的冷喷涂设备，包括喷枪1和前置激光器2、侧向激光器6和后置激光器5，喷枪1悬于夹持在加工车床上的工件4正上方，并且喷枪1的喷嘴对准待加工的工件；前置激光器2、侧向激光器6和后置激光器5设置在喷枪旁，使得前置激光器2的前置激光光斑21位于喷涂粉斑11进给方向的前方，前置激光光斑21和喷涂粉斑11不重合；侧向激光器6的侧向激光光斑61与喷涂粉斑11重合；后置激光器5的后置激光光斑51位于喷涂粉斑11的后方，与粉斑11不重合；经过冷喷涂之后在工件4表面形成均匀的涂层3。
[0068] 喷枪1与三个激光器同步移动，即保持粉斑与光斑的位置相对固定。
[0069] 本
说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
