一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法专利检索-用热处理或变形以外的方法来改变物理性能专利检索查询-专利查询网

一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法
申请号	CN202311200330.0	申请日	2023-09-18	公开(公告)号	CN117300154A	公开(公告)日	2023-12-29
申请人	浙江工业大学;			发明人	李波; 胡耀峰; 姚建华; 姚喆赫; 吴国龙; 宋其伟;
摘要	本发明公开了一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，针对冷喷涂技术中Laval 喷嘴特性的影响，喷嘴中颗粒速率分布不均，喷涂颗粒速度沿半径的增大线性降低，造成沉积涂层中间高两端低的锐化现象，制约冷喷涂技术在立体成型中的应用，本发明通过激光光斑能量分布的智能化调节，在激光光路上安装调节光阑，使激光光斑具有能量沿半径从里到外呈线性升高的反高斯分布特征，本发明利用激光能量增加低速率喷涂颗粒的沉积效率，改善冷喷涂沉积涂层的锐化现象，使沉积层厚度均匀，为实现冷喷涂立体成型奠定基础。
权利要求	1.一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)对基材表面进行除油除锈之后，再进行激光冲击强化处理；基材为金属材料，形状不限； (2)选择金属粉末作为喷涂材料； (3)利用预热的压缩气体携带喷涂材料在基材上立体成型，冷喷涂沉积过程中，启动激光同步加热喷涂区域，利用能量分布呈反高斯分布的激光光斑同步处理沉积层，实现冷喷涂涂层锐化效应的改善。 2.如权利要求1所述的激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，步骤(1)中，激光冲击强化处理的方法如下：利用YAG脉冲激光器进行实验，实验参数设置为：激光波长1064nm，重复频率1Hz，脉宽10ns，光斑直径2.6mm，光斑搭接率50％，激光功率密度 2 7.84GW/cm ；并选用120μm厚的3M 铝带作为吸收层，1～2mm厚的均匀流水层作为约束层；方块样采用单面喷丸，振动疲劳试样采用双面喷丸；利用高功率密度的脉冲激光束，通过约束层辐照到材料表面的黑色吸收层，材料表层组织吸收激光能量而产生等离子体；在激光冲击过程中，等离子体压力持续增大，在极短的时间内等离子体发生爆炸形成冲击波，等离子体冲击波通过涂层后冲击在试样表面从而形成强化层。 3.如权利要求1所述的激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，步骤(2)中，金属粉末选自TC4、WC/Stellite 6或Ti6Al4V，粉末粒度为10～50μm，粉末形状为球形或类球形。 4.如权利要求1所述的激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，步骤(3)中，冷喷涂的喷涂压力为2～5MPa，载气预热温度为0～1000℃，载气为压缩氮气。 5.如权利要求1所述的激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，步骤(3)中，激光光源为二氧化碳激光、半导体激光或光纤激光；激光光斑为圆形，光斑直径为 4～8mm，光斑与喷涂粉斑大小一致并重合；激光能量应呈反高斯分布，即激光能量从圆心到圆周沿半径方向线性升高，光斑圆心位置最低激光功率调节范围为0～1000W，光斑圆周最高激光功率调节范围为500～3000W。 6.如权利要求1所述的激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，其特征在于，步骤(3)中，在激光光路上放置一个圆形光阑，通过调整光阑的大小和形状以改变激光的能量分布。
说明书全文	一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法技术领域 [0001] 本发明涉及材料表面改性和激光增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法。背景技术 [0002] 激光增材制造技术(3D打印技术)被西方媒体誉为将来的“第三次工业革命”的代表性技术，也是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。该技术具有“自由制造”的加工特点，使得小批量生产、复杂型腔、高性能要求的大型金属件的制造更加容易，减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越复杂的零件3D打印技术的优势越突出。尽管激光增材制造技术有广阔的应用前景，也存在着巨大的挑战。目前工业化最大的难题主要有：1)材料物理与化学性能控制难，2)如何解决加工精度和成型效率之间的协调性，3)成型缺陷和热量的监控问题等，4)易氧化、易相变材料的成型质量控制问题。 [0003] 冷喷涂技术的诞生为3D打印技术提供了新的成型思路，冷喷涂以预热压缩气体(氮气、氦气或混合气体)为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度撞击基板，通过颗粒发生强烈塑性变形的方式沉积形成涂层的一种低温喷涂技术，是一种低温固态沉积技术，避免了热喷涂高温沉积过程中可能发生的成分、组织结构的变化。具有沉积效率高、无热影响、无氧化烧损和残余应力低等优点。因此，适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的立体成型。 [0004] 然而，为了使喷涂粒子速率达到能实现固态塑性变形沉积的超音速条件，根据空气动力学原理，管道截面积必须先收缩后扩张的特征，这就必然导致非轴线处的粒子速度要小于轴线处粒子的速度，离轴线越远粒子的速度就越小，边缘区域的粒子和轴线处粒子的速度大小差异性大，喷嘴内粒子速度分布规律如图1所示。该特性导致喷涂过程中中心轴线位置速度最高的粒子容易实现沉积，而边缘部位低速率粒子沉积效率低，最终导致单道喷涂涂层截面呈现中间高两边低的三角形特征，不利于薄壁零件的立体成型。为了弥补喷涂粒子速率不均匀而导致的成型厚度不均匀的问题，本发明提出采用光斑激光能量呈中间低边缘高线性升高的方法来增加低速率颗粒的沉积效率，改善单纯冷喷涂涂层的锐化特征。发明内容 [0005] 冷喷涂作为一种低温固态沉积技术，在沉积易氧化、易相变材料方面有极大的优势，有望成为一种无冶金特征的新型3D成型技术。但由于冷喷涂技术制备涂层发生锐化效应，难以成型薄壁立体零件，针对该问题本发明提出利用能量呈反高斯分布特征的激光光斑辅助改善喷涂沉积层的锐化效应，使沉积层厚度均匀，为实现冷喷涂立体成型奠定基础。 [0006] 本发明的技术方案如下： [0007] 一种激光辅助改善冷喷涂涂层锐化效应的复合方法，包括如下步骤： [0008] (1)对基材表面进行除油除锈之后，再进行激光冲击强化处理； [0009] 基材可以是各类金属材料，形状不限； [0010] 具体的，激光冲击强化处理的方法如下：利用YAG脉冲激光器进行实验，实验参数设置为：激光波长1064nm，重复频率1Hz，脉宽10ns，光斑直径2.6mm，光斑搭接率50％，激光2 功率密度7.84GW/cm；并选用120μm厚的3M铝带作为吸收层，1～2mm厚的均匀流水层作为约束层；其中，方块样采用单面喷丸，振动疲劳试样采用双面喷丸；利用高功率密度的脉冲激光束，通过约束层辐照到材料表面的黑色吸收层，材料表层组织吸收激光能量而产生等离子体；在激光冲击过程中，等离子体压力持续增大，在极短的时间内等离子体发生爆炸形成冲击波，等离子体冲击波通过涂层后冲击在试样表面从而形成强化层； [0011] (2)选择金属粉末作为喷涂材料； [0012] 金属粉末包括TC4、WC/Stellite 6、Ti6Al4V等高性能合金材料，粉末粒度为10～50μm，粉末形状为球形或类球形； [0013] (3)利用预热的压缩气体携带喷涂材料在基材上立体成型，冷喷涂沉积过程中，启动激光同步加热喷涂区域，利用能量分布呈反高斯分布的激光光斑同步处理沉积层，实现冷喷涂涂层锐化效应的改善； [0014] 作为优选，冷喷涂的喷涂压力为2～5MPa，载气预热温度为0～1000℃，载气为压缩氮气； [0015] 作为优选，激光光源可以是二氧化碳激光、半导体激光或光纤激光；激光光斑为圆形，光斑直径为4～8mm，光斑与喷涂粉斑大小一致并重合；激光能量应呈反高斯分布，即激光能量从圆心到圆周沿半径方向线性升高，光斑圆心位置最低激光功率调节范围为0～1000W，光斑圆周最高激光功率调节范围为500～3000W； [0016] 作为优选，在激光光路上放置一个圆形光阑，通过调整光阑的大小和形状，可以改变激光的能量分布；安装光阑的具体实施步骤如下： [0017] 1)选择适当大小的圆形光阑，光阑的直径应该略小于激光的光斑直径，以确保能够限制光斑的大小和分布； [0018] 2)将圆形光阑放置在激光束路径上，具体而言，可以将光阑放置在激光光路中的对准平台上； [0019] 3)调节光阑的位置，将圆形光阑放置在激光光路的峰值位置，以最大限度地限制光斑的大小和分布，从而实现将光斑中心的能量分布最低，边缘的能量分布增高的效果。 [0020] 本发明的优点在于： [0021] 1、利用引入激光能量改善了冷喷涂沉积层的锐化效应，使冷喷涂沉积涂层厚度均匀，实现冷喷涂技术立体成型的应用； [0022] 2、相比传统的以激光冶金熔化为特征的激光立体成型技术，冷喷涂技术的低温固态沉积特性有利于制备易氧化、易相变材料的立体成型。附图说明 [0023] 图1冷喷涂Laval喷嘴中颗粒流速分布特征：(a)喷嘴内粒子速度分布规律，(b)喷嘴内粒子速度分布特征。 [0024] 图2激光光斑能量分布调节示意图。 [0025] 图3激光光斑能量分布特征。 [0026] 图4激光辅助改善冷喷涂立体成型锐化效应的原理示意图。 [0027] 图5实施例1立体成型的实物图。 [0028] 图6实施例2立体成型的实物图。 [0029] 图7锐化实物图与未锐化实物图的对比。具体实施方式 [0030] 下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。 [0031] 实施例1 [0032] 通过夹具将激光头与冷喷嘴复合，激光光斑应与冷喷涂粉斑重合，并固定于机械手臂实现同步运动。激光器选用半导体连续激光器，激光波长为1096nm，激光光斑为圆形，直径为4mm；3.5mm的光阑放置在激光光束中的对准平台上，激光光斑能量呈反高斯分布特征，沿着半径方向从圆心到圆周呈升高趋势，激光能量分布特征如图3所示。 [0033] 选用TC4钛合金粉末作喷涂材料，粉末平均粒度为26μm，基材选用100×50×10mm的45 钢，基材表面进行除油除锈处理，激光冲击强化处理；喷涂时，激光能量设定为圆心最低能量为500W，圆周最高能量为1000W，从圆心到圆周线性升高；冷喷涂载气压力为3MPa，载气选用压缩氮气，载气预热温度为500℃，喷涂距离为40mm，复合喷涂移动速度50mm/s，送粉率为150g/min。激光与冷喷涂复合立体成型结构原理和效果示意图如图4所示，结果显示激光能量显著改善了单纯冷喷涂沉积的锐化效应，实现了TC4合金多层薄壁件的立体成型(图5)。 [0034] 实施例2 [0035] 使用超音速激光沉积系统，即由冷喷涂系统、激光器(包括温度反馈控制系统)以及气源供应装置组成。冷喷涂设备最高气体预热温度为1000℃，最高气体压力为5Mpa，工作载气为压缩氮气，其中压缩空气由空压机提供，压缩氮气由高压气瓶组提供；激光器为光纤导体激光器(LDF 4000—100VGP,Laserline)，其输出波长为900～1040nm，最大激光功率为3000W，激光光斑为圆形，直径为4mm；采用圆形光阑(圆形光阑放置在激光光路的峰值位置即激光光束对准平台上)使得激光光斑能量密度呈反高斯分布，从光斑圆心到圆周沿半径方向逐步升高，激光能量分布特征如图3所示。 [0036] 实验选用WC/Stellite 6粉末作为喷涂材料，其中强化相WC与粘结相Stellite 6粉末配比为体积比3:7，粉末平均粒度为28μm，基材选用45#钢，其尺寸为100mm×60mm×10mm。基材表面进行除油除锈处理，激光冲击强化处理；喷涂时，激光能量密度设定为圆心最低能量为300W，圆周最高能量为2000W，从圆心到圆周线性升高；喷涂距离为35mm，复合喷涂扫描速度40mm/s，送粉率为30～50g/min，激光加热温度为1200℃。激光与冷喷涂复合立体成型结构原理和效果示意图如图4所示，结果显示激光能量显著改善了单纯冷喷涂沉积的锐化效应，实现了WC/Stellite 6合金多层薄壁件的立体成型(图6)。 [0037] 对比例 [0038] 普通冷喷涂工艺过程： [0039] 1.准备工作：通过激光冲击强化清洁和处理基材表面，以去除污垢和氧化层确保其光洁度和附着力。 [0040] 2.准备涂层：根据需求和应用场景，选择合适的冷喷涂材料，必要时进行混合和调配，以获得适当的粘度和流动性。常见的冷喷涂材料包括金属粉末、陶瓷粉末、聚合物粉末等。 [0041] 3.准备喷涂设备：准备好专用的喷涂设备。包括喷枪、气源和控制系统。 [0042] 4.调整喷涂参数：根据涂层和基材材料的特性，调整喷涂参数，如气压、喷嘴温度、喷涂距离等，以确保喷涂效果和涂层质量。 [0043] 5.喷涂操作：将喷枪对准基材表面，通过高速气流将涂层粉末喷射到基材上。喷涂过程中要保持均匀的喷涂速度和厚度，以确保涂层的均匀性和一致性。 [0044] 普通冷喷涂制备的涂层存在锐化效应，而本发明的立体成型方法消除了这一缺陷，对比效果如图7所示。

意见反馈