專利名稱：一種激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特種加工領(lǐng)域，特指一種激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備的方法和裝置， 特別適用于具備耐磨、抗微動(dòng)磨損的結(jié)構(gòu)金屬表面的1mm以下金屬涂層的制備。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)金屬的表面性能對(duì)于結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能、疲勞性能和抗腐蝕性能至關(guān)重要， 目前各種涂層技術(shù)比如熱噴涂技術(shù)、等離子噴涂、電刷鍍技術(shù)、高速電弧噴涂技術(shù)、等離子 弧熔覆技術(shù)等，能夠大幅度提高結(jié)構(gòu)金屬的表面性能，并能夠獲得良好的增益效果。
與本方法最接近的方明專利為"金屬熱噴涂與粉末涂料靜電噴涂復(fù)合涂層防腐工 藝(專利申請(qǐng)?zhí)?00710070639. 7)"和"基于多次激光重熔的熱噴涂梯度涂層加工方法(專 利申請(qǐng)?zhí)?00710131168. 6)"。前者采用一種金屬熱噴涂與粉末涂料靜電噴涂復(fù)合涂層防 腐工藝，首先對(duì)鋼鐵工件進(jìn)行預(yù)處理后，4小時(shí)內(nèi)進(jìn)行金屬熱噴涂，金屬層厚度達(dá)到40 120ym后，再進(jìn)行粉末涂料靜電噴涂，使粉末層厚度達(dá)到60 120ym ;然后送入烘箱加熱 固化，使復(fù)合涂層總厚度達(dá)到100 240 ym。經(jīng)該工藝處理后的復(fù)合涂層比普通的涂層來 的更薄且耐腐蝕性更強(qiáng)，具有耐水、耐沖擊、耐候、長效保護(hù)、防腐壽命長、外觀光潔、環(huán)保清 潔等特點(diǎn)；后者對(duì)熱噴涂梯度涂層采用多次激光重熔方法進(jìn)行復(fù)合加工，克服了在無激光 重熔或一次激光重熔下梯度涂層的各個(gè)子涂層不能全都達(dá)到冶金結(jié)合、涂層中梯度結(jié)構(gòu)會(huì) 被破壞、梯度涂層中熱噴涂片層組織不能消除等缺點(diǎn)。具體過程為首先對(duì)基體金屬材料進(jìn) 行凈化及活化處理；然后在基體表面熱噴涂第一種梯度材料，接著對(duì)第一梯度層進(jìn)行一次 激光重熔，使其和基體間形成冶金結(jié)合；隨后再在激光重熔后的第一梯度層表面噴涂第二 種梯度材料，并進(jìn)行第二次激光重熔，使兩梯度涂層間形成冶金結(jié)合；依次采用該方法，對(duì) 所有的梯度涂層分別進(jìn)行熱噴涂/激光重熔加工。具有加工方法簡單可靠，能滿足涂層綜 合性能要求的特點(diǎn)。 盡管這些技術(shù)都能夠在金屬基體表面制備均勻并且具備一定性能的涂層，但是上 述技術(shù)和電刷鍍技術(shù)都在制備涂層過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)，所制備涂層具有較大的孔隙率和呈 現(xiàn)殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，容易產(chǎn)生表面微裂紋導(dǎo)致結(jié)構(gòu)金屬部件的斷裂和失效。航空渦輪盤密 封裝置、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、冶金軋輥等部件工作在惡劣環(huán)境下，這些部件因微動(dòng)磨損造成的 發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低和高溫高沖蝕導(dǎo)致的服役時(shí)間短，現(xiàn)有的上述技術(shù)制備涂層的耐磨、抗微 動(dòng)磨損性能無法滿足工程惡劣環(huán)境的需要。針對(duì)上述問題，可以采用熱噴涂技術(shù)制備性能 和成分均一的涂層，然后消除涂層的殘余拉應(yīng)力和降低涂層的孔隙率，提高涂層與基體的 結(jié)合強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法和裝置。激光 沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法，利用熱噴涂裝置噴涂粉末在金屬基體表面形成涂層， 然后采用納秒激光穿透約束層(水膜)，汽化吸收層(柔性貼膜)在金屬表面形成等離子
3體膨脹，產(chǎn)生沖擊波強(qiáng)化金屬表面。該方法能夠在金屬表面形成金屬涂層，降低涂層的孔隙 率，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，改變殘余應(yīng)力的狀態(tài)。對(duì)金屬基體表面采用該方法進(jìn)行處 理，能夠生成良好性能的涂層，大幅度提高金屬結(jié)構(gòu)件的性能。 本發(fā)明提供了激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的裝置，包括依次相連的計(jì)算機(jī)控
制裝置、熱噴涂系統(tǒng)i和激光沖擊系統(tǒng)n以及密封處理間、夾具、五軸工作臺(tái)和真空泵。其 中熱噴涂系統(tǒng)i包括熱噴涂裝置和噴涂粉末。激光沖擊系統(tǒng)ii包括納秒激光發(fā)生器、激光
束、導(dǎo)光管、45。全反鏡、光斑調(diào)節(jié)裝置、K9玻璃窗、自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。熱噴涂系統(tǒng)在密封處理 間真空狀態(tài)下采用噴涂裝置在金屬表面噴涂粉末；K9玻璃窗可以用來使納秒激光發(fā)生器 發(fā)射的激光束能夠穿透，輻射在金屬基體的表面；光斑調(diào)節(jié)裝置由一組凹透鏡和一片大曲 率的凸透鏡組成，主要控制激光光斑的空間能量分布，使得輸出激光在空間上均勻分布；自 動(dòng)噴涂系統(tǒng)能夠噴涂均勻的水幕(l-2mm);計(jì)算機(jī)控制裝置控制熱噴涂裝置、納秒激光發(fā) 生器和五軸工作臺(tái)，通過控制五軸工作臺(tái)控制金屬基體移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金 屬基體目標(biāo)表面加工完成。 實(shí)施激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法的具體步驟如下
(1)根據(jù)金屬基體表層加工區(qū)域要求，通過計(jì)算機(jī)控制裝置編程生成加工軌跡。確
定熱噴涂的工藝參數(shù)； (2)用真空泵將密封處理間空氣排凈，在真空狀態(tài)下采用噴涂裝置在金屬基體表 面噴涂粉末形成均勻的涂層； (3)計(jì)算機(jī)控制裝置控制熱噴涂裝置和五軸工作臺(tái)，在噴涂過程中通過控制五軸 工作臺(tái)控制金屬基體移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金屬基體目標(biāo)表面噴涂完成。
(4)將柔性貼膜粘附在待處理的金屬基體表面，納秒激光發(fā)生器發(fā)射的激光束通 過導(dǎo)光管和45°全反鏡利用光斑調(diào)節(jié)裝置控制激光束光斑的空間能量分布，使得輸出激光 束在空間上均勻分布。激光束穿透K9玻璃窗、自動(dòng)噴涂系統(tǒng)噴灑的均勻水幕以及柔性貼膜 輻射在金屬基體表面； (5)計(jì)算機(jī)控制裝置控制納秒激光發(fā)生器和五軸工作臺(tái)，在激光沖擊過程中通過 控制五軸工作臺(tái)控制金屬基體移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金屬基體目標(biāo)表面沖擊強(qiáng) 化完成。 本發(fā)明采用熱噴涂和激光沖擊強(qiáng)化復(fù)合式工藝方法的創(chuàng)新，對(duì)金屬表面采用熱噴 涂技術(shù)在金屬表面形成均勻的涂層，然后利用激光沖擊波強(qiáng)化涂層，而且在處理表面形成 高幅值殘余壓應(yīng)力，大幅度增加其疲勞壽命。這充分利用了兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了激光沖 擊表面改性和涂層制備的應(yīng)用范圍。 本發(fā)明原理的創(chuàng)新在于利用激光沖擊波強(qiáng)化熱噴涂涂層，沖擊波是塑性變形的力
源，使得金屬表層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，提高涂層的機(jī)械性能，確保了無損性。 本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì) (1)熱噴涂技術(shù)能夠在金屬表面涂覆一層均勻的涂層，是一種成熟的表面技術(shù)；
(2)激光沖擊波能夠強(qiáng)化涂層，細(xì)化涂層顆粒，降低涂層孔隙率，提高涂層與基體 的結(jié)合強(qiáng)度； (3)激光沖擊波能夠使金屬表面的熱噴涂層由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，提高涂層的 機(jī)械性能、耐磨性能和抗腐蝕能力；
(4)激光沖擊金屬表面涂層材料塑性變形很小，不影響結(jié)構(gòu)件表面狀態(tài)，并且簡單 快捷、效率高。


圖1為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層裝置的示意圖。 圖中l(wèi).計(jì)算機(jī)控制裝置2.納秒激光發(fā)生器3.激光束4.導(dǎo)光管5.45°全反鏡 6.光斑調(diào)節(jié)裝置7.K9玻璃窗8.密封處理間9.熱噴涂裝置10.噴涂粉末11.自動(dòng)噴涂 系統(tǒng)12.均勻水幕(約束層)13.柔性貼膜(吸收層)14.夾具15.金屬基體16.活動(dòng) 窗口 17.五軸工作臺(tái)18.真空泵 圖2為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層與熱噴涂涂層顆粒形貌比較圖。
圖3為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層與熱噴涂涂層表面殘余應(yīng)力比較圖。
圖4為激光沖擊強(qiáng)化前后截面殘余應(yīng)力的變化圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。 用本發(fā)明 進(jìn)行激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層裝置包括依次相連的計(jì)算機(jī)控制
裝置1、熱噴涂系統(tǒng)I和激光沖擊系統(tǒng)II以及密封處理間8、夾具14、金屬基體15、活動(dòng)窗
口 16、五軸工作臺(tái)17和真空泵18。其中熱噴涂系統(tǒng)I包括熱噴涂裝置9和噴涂粉末10。
激光沖擊系統(tǒng)II包括納秒激光發(fā)生器2、導(dǎo)光管4、45°全反鏡5、光斑調(diào)節(jié)裝置6、K9玻璃
窗7和自動(dòng)噴涂系統(tǒng)11。 K9玻璃窗7置于密封處理間8左邊，用來穿透激光沖擊時(shí)的納秒激光發(fā)生器2發(fā) 射出來的激光束3 ;在熱噴涂前采用真空泵18抽出密封處理間8內(nèi)的空氣，使得熱噴涂過 程在真空環(huán)境內(nèi)完成；活動(dòng)窗口 16置于密封處理間8右邊，用來裝夾金屬基體15和所需物 體的進(jìn)出密封處理間8。熱噴涂裝置9將噴涂粉末10噴涂在金屬基體15表面；
將柔性貼膜13粘附在待處理的金屬基體15表面，納秒激光發(fā)生器2能量在1-50 焦?fàn)?、持續(xù)時(shí)間為8-30納秒的激光脈沖，激光束3的光斑模式可以是基模、多模等多種模 式，其由計(jì)算機(jī)控制裝置1調(diào)節(jié)和控制。由納秒激光發(fā)生器2產(chǎn)生的激光束3通過導(dǎo)光管 4和45°全反鏡5改變激光束3的方向，通過光斑調(diào)節(jié)裝置6精確控制光斑空間能量分布， 經(jīng)過K9玻璃窗7穿透自動(dòng)噴涂系統(tǒng)11噴射的均勻水幕12和柔性貼膜13對(duì)金屬基體15 表面進(jìn)行激光沖擊處理。 計(jì)算機(jī)控制裝置1控制熱噴涂裝置9、納秒激光發(fā)生器2和五軸工作臺(tái)17，通過控 制五軸工作臺(tái)17控制金屬基體(15)移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金屬基體11目標(biāo)表 面加工完成。
實(shí)施實(shí)例 以下為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的實(shí)例，采用熱噴涂裝置在淬火的45鋼 表面噴涂NiCrBSiC(Ni60AA)粉末，成分為Cr_18. 09， Si_4. 84， Fe_15. 63， B_3. 6， C_0. 6， Ni 余量(wt. % )，噴涂的粉末為圓形顆粒。采用重復(fù)頻率為0.5Hz的Nd:glass光斑直徑為 3mm，脈沖能量為15J，激光波長為1054nm，激光脈沖寬度為20ns的激光對(duì)金屬基體進(jìn)行沖 擊強(qiáng)化處理。
圖2為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層與熱噴涂涂層顆粒形貌比較圖。(a)為熱 噴涂以后的涂層顆粒形貌；(b)為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層顆粒形貌?？梢钥闯鰺?噴涂以后的涂層顆粒直徑大約為30um左右，激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層顆粒直徑大 約為10-15um，明顯細(xì)化。 圖3為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層與熱噴涂涂層表面殘余應(yīng)力比較圖。圖中 1-4為熱噴涂涂層表面殘余應(yīng)力值，5-8為激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層表面殘余應(yīng)力 值。從圖中可以看出激光沖擊前后表面殘余應(yīng)力分別是26. 3MPa和-89. 6MPa，表面殘余應(yīng) 力發(fā)生質(zhì)變，從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。 圖4為激光沖擊強(qiáng)化前后截面殘余應(yīng)力的變化圖，激光沖擊前熱噴涂涂層和截面 都呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，沖擊以后熱噴涂涂層和截面以及基體的表面都是壓應(yīng)力狀態(tài)，明顯改 變了界面結(jié)合的應(yīng)力狀態(tài)。 激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層能夠使涂層的顆粒明顯細(xì)化，使表面殘余應(yīng)力從 拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，提高了涂層的耐磨性和機(jī)械性能。
權(quán)利要求
一種激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法，利用熱噴涂裝置噴涂粉末在金屬基體表面形成涂層，其特征在于采用激光沖擊涂有涂層的金屬基體表面，形成低孔隙率、高結(jié)合強(qiáng)度和呈現(xiàn)壓應(yīng)力的涂層。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述涂層為lmm以下的金屬涂層。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，具體步驟如下(1) 根據(jù)金屬基體(15)表層加工區(qū)域要求，通過計(jì)算機(jī)控制裝置(1)編程生成加工軌 跡，確定熱噴涂的工藝參數(shù)；(2) 用真空泵(18)將密封處理間(8)空氣排凈，在真空狀態(tài)下采用噴涂裝置(9)在金 屬基體(15)表面噴涂粉末(10)形成均勻的涂層；(3) 計(jì)算機(jī)控制裝置(1)控制熱噴涂裝置(9)和五軸工作臺(tái)(17)，在噴涂過程中通過 控制五軸工作臺(tái)(17)控制金屬基體(15)移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金屬基體(15) 目標(biāo)表面噴涂完成。(4) 將吸收層柔性貼膜(13)粘附在待處理的金屬基體(15)表面，納秒激光發(fā)生器(2) 發(fā)射的激光束(3)通過導(dǎo)光管(4)和45°全反鏡(5)利用光斑調(diào)節(jié)裝置(6)控制激光束 (3)光斑的空間能量分布，使得輸出激光束(3)在空間上均勻分布；激光束(3)穿透K9玻 璃窗(7)、自動(dòng)噴涂系統(tǒng)(11)噴灑的約束層均勻水幕(12)以及柔性貼膜(13)輻射在金屬 基體(15)表面;(5) 計(jì)算機(jī)控制裝置(1)控制納秒激光發(fā)生器(2)和五軸工作臺(tái)(17)，在激光沖擊過 程中通過控制五軸工作臺(tái)(17)控制金屬基體(15)移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)金屬基 體(15)目標(biāo)表面沖擊強(qiáng)化完成。
4. 一種實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于所述裝置包括計(jì)算機(jī)控制裝置 (1)、熱噴涂系統(tǒng)I和激光沖擊系統(tǒng)I1以及密封處理間(S)、夾具(14)、五軸工作臺(tái)(17)和 真空泵(18);其中熱噴涂系統(tǒng)I包括熱噴涂裝置(9)和噴涂粉末(10);激光沖擊系統(tǒng)II包 括納秒激光發(fā)生器(2)、導(dǎo)光管(4) 、45全反鏡(5)、光斑調(diào)節(jié)裝置(6) 、 K9玻璃窗(7)和自 動(dòng)噴涂系統(tǒng)(11);夾具(14)、五軸工作臺(tái)(17)、熱噴涂裝置(9)和自動(dòng)噴涂系統(tǒng)(11)位于 密封處理間(8)內(nèi)；計(jì)算機(jī)控制裝置(1)控制熱噴涂裝置(9)、納秒激光發(fā)生器(2)、五軸工 作臺(tái)(17)和自動(dòng)噴涂系統(tǒng)(11)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于密封處理間(8)設(shè)有活動(dòng)窗口 (16)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，特征在于所述的K9玻璃窗(7)位于密封處理間(8) 的進(jìn)激光束(3)的一側(cè)，用來穿透激光沖擊時(shí)的納秒激光發(fā)生器(2)發(fā)射出來的激光束 (3)。
全文摘要
一種激光沖擊與熱噴涂復(fù)合制備涂層的方法和裝置，涉及特種加工領(lǐng)域。本發(fā)明首先利用熱噴涂裝置噴涂粉末在金屬基體表面形成涂層，其特征在于采用激光沖擊涂有涂層的金屬基體表面，形成低孔隙率、高結(jié)合強(qiáng)度和呈現(xiàn)壓應(yīng)力的涂層。實(shí)施該方法的裝置包括依次相連的計(jì)算機(jī)控制裝置、熱噴涂系統(tǒng)I和激光沖擊系統(tǒng)II以及密封處理間、夾具、五軸工作臺(tái)和真空泵。其中熱噴涂系統(tǒng)I包括熱噴涂裝置和噴涂粉末；激光沖擊系統(tǒng)II包括納秒激光發(fā)生器、激光束、導(dǎo)光管、45°全反鏡、光斑調(diào)節(jié)裝置、K9玻璃窗、自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。本發(fā)明能夠在金屬表面形成涂層，并且增加涂層的孔隙率，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，改變殘余應(yīng)力的狀態(tài)。
文檔編號(hào)C21D1/09GK101760719SQ20101010611
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者孫桂芳, 張朝陽, 張永康, 張磊, 羅開玉, 鐘俊偉, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)