本發(fā)明涉及一種可控激光光斑能量分布的冷噴涂方法。

背景技術(shù)：

快速制造(Rapid Manufacturing,RM)是九十年代發(fā)展起來的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是基于零件分層方法的無模制造技術(shù)，它將傳統(tǒng)的由毛坯切去多余材料形成零件的減材制造法轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒉牧现饘永鄯e形成零件的增材制造法。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，立體快速成型的材料不再局限于樹脂和塑料等高分子材料，而是通過激光熔覆或激光燒結(jié)等方式對金屬粉末材料直接進(jìn)行快速成型，如激光近凈成形技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)和直接金屬沉積。這些技術(shù)能夠極大地縮短生產(chǎn)周期，在復(fù)雜形狀的金屬零部件制造領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。但是，在逐層制造的過程中，金屬粉末需高溫熔融然后凝固成型。由于高熱量的輸入，會使制造層中存在較大的殘余熱應(yīng)力和殘余相變應(yīng)力，導(dǎo)致成型件出現(xiàn)氣孔、裂紋以及形變等，成型質(zhì)量和精度控制難。

冷噴涂亦稱冷氣體動力學(xué)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(jìn)入拉瓦爾噴嘴(Laval nozzle)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，使顆粒發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形而在基體上沉積形成涂層的一種新型噴涂技術(shù)。與激光快速成型相比，冷噴涂技術(shù)的一個顯著特點是無需將噴涂顆粒加熱至熔融狀態(tài)，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(xué)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(fù)合材料等)的增材制造。

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：(1)制備高質(zhì)量的沉積層時，需要使用高壓氦氣，成本較高；(2)顆粒有效沉積很大程度上依賴于沉積材料的塑性變形能力，沉積材料的范圍有限；3)沉積材料之間的結(jié)合機(jī)制主要是機(jī)械咬合，沉積層內(nèi)部以及沉積層之間結(jié)合強(qiáng)度較低。

為了拓寬了冷噴涂沉積材料的范圍、提高各層之間的結(jié)合力以及降低冷噴涂技術(shù)的使用成本，近些年來人們開始把激光束同步引入冷噴涂加工過程，通過激光輻射對冷噴涂顆粒、基體或者兩者同時起到軟化的效果，改善其材料力學(xué)性能和碰撞沉積狀態(tài)，從而提高冷噴沉積效率、致密度和結(jié)合強(qiáng)度。由于激光的加熱作用，噴涂顆粒的臨界沉積速度大大降低，從而可以降低冷噴涂工藝中的工作氣體壓力和加熱溫度，而且拓寬了冷噴涂涂層的材料范圍。

在冷噴涂過程中，拉瓦爾噴嘴喉部形狀一定時，顆粒的速率分布規(guī)律是固定的，即靠近噴嘴軸線附近的顆粒速率大，靠近噴嘴內(nèi)壁的顆粒速率小，從而導(dǎo)致噴嘴軸線附近的顆粒沉積效率高，靠近噴嘴內(nèi)壁的顆粒沉積效率低。這種沉積效率的差異會導(dǎo)致單一冷噴涂沉積層的形貌呈現(xiàn)類三角形，且隨著逐層累加，沉積層中部和兩邊的沉積效率差異會更明顯，沉積層的寬度越來越窄，最終無法沉積，從而限制了立體成型件的成型尺寸以及質(zhì)量等。

因此，需要開發(fā)一種易于操作、簡單可控以及成本低廉的對冷噴涂立體成型過程中形貌控制并同時提高沉積層結(jié)合強(qiáng)度的可控激光光斑能量分布的冷噴涂方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對冷噴涂立體成型過程中由于固有的沉積效率差異導(dǎo)致的沉積形貌問題，本發(fā)明的提供了一種簡單、可靠且易于推廣應(yīng)用的對冷噴涂立體成型過程中形貌的可實時控制并提高層間結(jié)合強(qiáng)度的方法。

本發(fā)明所述的一種可控激光光斑能量分布的冷噴涂方法，包括以下步驟：

1)將拉瓦爾噴嘴對準(zhǔn)基體待沉積的位置，設(shè)定好拉瓦爾噴嘴的噴涂參數(shù)以及與拉瓦爾噴嘴對應(yīng)的的載氣參數(shù)，所述的噴涂參數(shù)包括噴涂壓力、噴涂角度、噴涂距離、粉末加速速度以及粉末顆粒粒徑；所述的載氣參數(shù)包括載氣種類和氣體預(yù)熱溫度；所述的噴涂角度為噴槍軸線與基板之間的夾角；所述的噴涂距離為拉瓦爾噴嘴出粉口與待噴涂的基體噴涂點之間的距離；所述的拉瓦爾噴嘴的噴涂壓力為1.5～3.5MPa，粉末顆粒粒徑為5～50μm，粉末加速速度為300～1200m/s，噴涂距離為5～30mm，噴涂角度為80～90°；所述的載氣的氣體預(yù)熱溫度為100～600℃

2)調(diào)整激光束以及拉瓦爾噴嘴的角度，使得激光束的光斑與拉瓦爾噴嘴的粉斑交匯形成用于噴涂點；

3)根據(jù)待噴涂的成型件的形貌確定激光束的光斑能量分布，并利用設(shè)定好的激光束照射經(jīng)拉瓦爾噴嘴噴射出的粉末，使得經(jīng)激光照射的粉末逐層沉積在基體表面的沉積區(qū)，獲得符合要求的基體；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏態(tài)分布、鞍形分布或均勻分布

所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏態(tài)分布或鞍形分布時，光斑直徑大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均勻分布時，光斑直徑小于粉斑直徑。

所述的拉瓦爾噴嘴中的噴涂載氣氣為N₂、He或壓縮空氣。

步驟2)中的激光束的中心軸與拉瓦爾噴嘴的中心軸的夾角為10～50°。

拉瓦爾噴嘴的喉部的形狀為圓形、矩形或橢圓形。

用于沉積的粉末材料為Cu、Al、金屬鈦及其合金、鐵基材料、鈷基材料、鎳基材料或者復(fù)合材料。

本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果是：1)可選擇性地對沉積區(qū)域的粉末顆粒進(jìn)行有效沉積；2)通過激光加熱對噴涂顆粒的軟化處理，提高了顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高了層間的結(jié)合強(qiáng)度；3)通過調(diào)控激光光斑能量的分布，能夠調(diào)控沉積區(qū)域顆粒的沉積效率，從而實現(xiàn)對沉積層沉積形貌的控制。

附圖說明

圖1呈高斯分布的激光光斑能量與喉部形狀為圓形的冷噴涂噴嘴匹配示意圖(圖中：101噴嘴A-A處圓形喉部截面；102拉瓦爾噴嘴；103沉積粉末顆粒；104基體；105沉積形貌；106能量呈高斯分布的激光束；107圓形喉部噴嘴中顆粒速度分布示意圖)；

圖2呈偏態(tài)分布激光光斑能量與喉部形狀為圓形的冷噴涂噴嘴匹配示意圖(圖中：108能量呈偏態(tài)分布的激光束)；

圖3呈鞍形分布激光光斑能量與喉部形狀為橢圓形的冷噴涂噴嘴匹配示意圖(圖中：109噴嘴B-B處橢圓形喉部截面；110橢圓形喉部噴嘴中顆粒速度分布示意圖；111能量呈鞍型分布的激光束)；

圖4呈均勻分布激光光斑能量與喉部形狀為橢圓形的冷噴涂噴嘴匹配示意圖(圖中：112能量呈均勻分布的激光束)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明

參照附圖：

實施例1包括以下步驟：

1)將拉瓦爾噴嘴對準(zhǔn)基體待沉積的位置，設(shè)定好拉瓦爾噴嘴的噴涂參數(shù)以及與拉瓦爾噴嘴對應(yīng)的的載氣參數(shù)，所述的噴涂參數(shù)包括輸送載氣種類、噴涂壓力、噴涂角度、噴涂距離、粉末加速速度以及粉末顆粒粒徑；所述的載氣參數(shù)包括載氣種類和氣體預(yù)熱溫度；所述的噴涂角度為噴槍軸線與基板之間的夾角；所述的噴涂距離為拉瓦爾噴嘴出粉口與待噴涂的基體噴涂點之間的距離；所述的拉瓦爾噴嘴的噴涂壓力為3.5MPa，粉末顆粒粒徑為15～30μm，粉末加速速度為600～1000m/s，噴涂距離為30mm，噴涂角度為90°；所述的載氣的氣體預(yù)熱溫度為450℃；所述的拉瓦爾噴嘴中的噴涂載氣氣為N₂、He或壓縮空氣；氣體指的是噴涂時所用的載氣，即加速顆粒的氣體。預(yù)熱溫度即為載氣加速顆粒時的預(yù)熱溫度；

2)調(diào)整激光束以及拉瓦爾噴嘴的角度，使得激光束的光斑與拉瓦爾噴嘴的粉斑交匯形成用于噴涂點；激光束的中心軸與拉瓦爾噴嘴的中心軸的夾角為10～50°；

3)根據(jù)待噴涂的成型件的形貌確定激光束的光斑能量分布，并利用設(shè)定好的激光束照射經(jīng)拉瓦爾噴嘴噴射出的粉末，使得經(jīng)激光照射的粉末逐層沉積在基體表面的沉積區(qū)，獲得符合要求的基體；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏態(tài)分布、鞍形分布或均勻分布；需要成型薄壁件，可以選擇激光能量均勻分布；需要成型三角體型件，可以選擇激光能量高斯分布；需要成型梯形件，可以選擇不均勻分布；需要成型厚壁件，可以選擇激光能量鞍型分布；

所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏態(tài)分布或鞍形分布時，光斑直徑大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均勻分布時，光斑直徑小于粉斑直徑。

拉瓦爾噴嘴的喉部的形狀為圓形、矩形或橢圓形。

用于沉積的粉末材料為Cu、Al、金屬鈦及其合金、鐵基材料、鈷基材料、鎳基材料或者復(fù)合材料。

實施例2

本實例中，激光束1光斑能量呈高斯分布，即光斑中心的能量分布高，邊緣的能量分布低。拉瓦爾噴嘴2喉部的形狀如圖1中的A-A截面所示，為圓形。對噴嘴中的顆粒速度進(jìn)行模擬，由模擬的結(jié)果可知，分布在拉瓦爾噴嘴中軸線附近的顆粒速度較高，靠近噴嘴壁的顆粒速度較低。那么在噴嘴中心超過臨界沉積速度的顆粒就多，在該處能夠進(jìn)行有效沉積的顆粒就多，沉積效率就高。處于邊緣的顆粒能夠超過臨界沉積速度的數(shù)量就少，那么該處的沉積效率就低。通過同步引入激光輻照，且激光光斑直徑大于粉斑直徑，所以可對沉積區(qū)域內(nèi)所有的顆粒進(jìn)行加熱軟化處理從而降低臨界沉積速度從而能夠極大提高粉末的沉積效率和結(jié)合強(qiáng)度。由于分布在激光光斑中心的能量高，對基體3的沉積區(qū)域中心顆粒加熱軟化程度也就越高，使得中心的粉末沉積效率進(jìn)一步提高，呈現(xiàn)出中間高兩邊低的三角形截面單層形貌，沉積效率可以通過單層沉積層的厚度進(jìn)行表征。而激光輻照可以顯著提高基體與沉積層之間的結(jié)合強(qiáng)度，那么在多層沉積的過程中，也必將提高各層間的結(jié)合強(qiáng)度。

實施例2

本實例中，激光光斑直徑大于或等于粉斑直徑。激光光斑能量呈偏態(tài)分布，即光斑邊緣的一側(cè)能量分布高，另一側(cè)的能量分布低。拉瓦爾噴嘴喉部的形狀如圖2中的A-A截面所示，為圓形。噴嘴中顆粒的速率分布與實施實例1中相同。由于激光光斑一側(cè)的能量高，對于處于該側(cè)噴嘴壁的顆粒加熱軟化程度高于另一側(cè)，從而使該處顆粒的臨界沉積速度低于另一側(cè)。那么該處能夠得到有效沉積的顆粒數(shù)量就會增多。位于噴嘴軸線附近的顆粒速度高，超過臨界沉積速度的顆粒也就多，沉積效率就較高。位于噴嘴內(nèi)壁附近的顆粒雖然速度低，但是經(jīng)過激光輻照的熱軟化處理以后，沉積效率與軸線上顆粒的沉積效率接近。呈現(xiàn)出一邊高一邊低的梯形截面單層形貌，從而實現(xiàn)對單層形貌的調(diào)控。

實施例3

本實例中，激光光斑直徑大于或等于粉斑直徑。激光光斑能量呈鞍形分布，即光斑四周邊緣的能量分布高，中心的能量分布低。拉瓦爾噴嘴喉部的形狀如圖3中的B-B截面所示，為橢圓形。對噴嘴中的顆粒速度進(jìn)行模擬，由模擬的結(jié)果可知，分布在拉瓦爾噴嘴中軸線附近的顆粒速度高，靠近噴嘴內(nèi)壁的顆粒速度低。但是，相比于實例1中的速度分布，喉部形狀為橢圓形的噴嘴中心顆粒的速度與邊緣顆粒的速度相差更小，顆粒速度分布更均勻。由于分布在四周邊緣的激光光斑能量高于中心位置，那么位于噴嘴內(nèi)壁四周的顆粒得到激光輻照熱軟化處理的程度就會高于中心部位的顆粒，從而使邊緣顆粒的臨界沉積速度降低程度高于中心部位。這也就導(dǎo)致原本速率較低的邊緣顆粒的沉積效率與速率較高的中心顆粒的沉積效率接近。呈現(xiàn)出中心與兩邊高度幾乎一致的類矩形截面單層形貌，從而實現(xiàn)對單層形貌的調(diào)控。

實施例4

本實例中，激光光斑小于粉斑直徑。激光光斑能量呈均勻分布，即光斑內(nèi)處處能量分布都相等。拉瓦爾噴嘴喉部的形狀如圖4中的B-B截面所示，為橢圓形。噴嘴中顆粒的速率分布與實施實例3中相同。激光輻照的區(qū)域為噴嘴軸線附近顆粒速度幾乎相等的沉積區(qū)域。在輻照區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過加熱軟化的顆粒具有更低的臨界沉積速度，沉積效率高。而位于邊緣的顆粒速度低，達(dá)到臨界沉積速度的顆粒很少，且沒有激光輻照，所以沉積效率極低，甚至是不發(fā)生有效沉積。這就使得在激光輻照的區(qū)域內(nèi)并且達(dá)到臨界沉積速度的顆粒才能發(fā)生有效沉積。呈現(xiàn)出中心與兩邊高度幾乎一致的矩形截面單層形貌，但是寬度更窄，能有選擇性地對粉斑內(nèi)的顆粒進(jìn)行沉積，從而實現(xiàn)對單層形貌的調(diào)控。

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(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)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。