本發(fā)明屬于零件再制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光加工技術(shù)制備熱噴涂涂層的方法和裝置。本方法首先采用激光沖擊的方法在待噴涂的工件表面形成微凹坑，再使用激光熔化噴涂絲的方法在沖擊處理后的工件表面形成涂層。使用該方法提高了涂層與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，提高了涂層的質(zhì)量，從而大大延長了工件的使用壽命。

背景技術(shù)：
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涂層是涂覆在工件表面的一薄層物質(zhì)，起著隔熱、防腐和抗磨損等作用。熱噴涂涂層在使用過程中的多種失效形式，如涂層的層離、脫落、開裂等，都和涂層與基體的結(jié)合力以及殘余應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。影響涂層與工件表面的結(jié)合力主要因素有：工件表面狀態(tài)、結(jié)合面積、殘余應(yīng)力等。工件表面狀態(tài)包括表面的清潔度和表面粗糙度，表面的油污、銹跡和氧化物都會降低涂層質(zhì)量和結(jié)合強(qiáng)度。在熱噴涂過程中，由于涂層和工件基材間熱物理性能的差異及高溫急冷急熱等原因，得到的涂層中會形成殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的存在對涂層的使用性能是非常有害的，過大的拉應(yīng)力不僅會導(dǎo)致涂層開裂，還會使涂層從基體上剝落下來。為了增大涂層與基體的結(jié)合力，有效地提高涂層的性能和使用壽命。在噴涂前，對工件表面進(jìn)行粗化處理預(yù)處理，增大其表面的不平度，從而增加涂層與基體的結(jié)合面積，使噴涂顆粒形成交疊連鎖狀態(tài)，以增強(qiáng)結(jié)合力。目前，待噴涂工件表面粗化處理主要方法有噴砂、電火花拉毛等。

噴砂處理是把砂粒或磨料定向噴射到待噴涂的工件表面，通過磨料的沖刷、鑿削和錘擊作用，使得工件表面粗化。噴砂的操作產(chǎn)生較大的粉塵和噪聲，對環(huán)境污染較大；噴砂的強(qiáng)度不易控制，沙粒大小不一致，得到的凹坑深度不一致，容易導(dǎo)致表面粗糙度難以符合要求，深坑還會導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng)力，使涂層的疲勞特性降低，特別是帶有尖角的異型沙粒對工件表面損傷更大，嚴(yán)重地?fù)p害了涂層質(zhì)量。

電火花拉毛粗化是在工件表面凈化后，用鎳(或鋁)片或絲束作電極，以工件表面作為另一電極，用手工電弧焊進(jìn)行輕微焊接，在工件表面形成粗糙的薄焊層而達(dá)到粗化目的。雖然電火花拉毛粗化處理的設(shè)備簡單，操作簡便，但其手工操作效率較低，在焊接放電的毛化的過程中會形成拉應(yīng)力，降低工件的抗疲勞性能。

熱噴涂是借助某種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài)，再通過高速氣流使之霧化，并以一定速度噴射和沉積到工件表面，形成具有各種功能的覆蓋層的一種表面工程技術(shù)。目前主要的熱噴涂方法有火焰線材噴涂、電弧噴涂等。

火焰線材噴涂是較早出現(xiàn)的噴涂方法，其噴涂原理是以合適的速度將線材送入燃燒的火焰中，受熱的線材端部熔化，并由壓縮空氣對熔流噴射霧化、加速，然后噴射到工件表面形成涂層。該噴涂方法由于熔融微粒所攜帶的熱量不足，致使涂層與工件表面以機(jī)械結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度偏低；另外，線材的熔斷、噴射不均勻造成涂層的組織不均勻，使得噴涂層的組織疏松、多孔，涂層內(nèi)部的應(yīng)力較大。

電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，輸送直流或交流電，利用絲材端部產(chǎn)生的電弧作熱源來熔化金屬，用壓縮氣流霧化熔滴并噴射到基材表面形成涂層。電弧噴涂只能噴涂導(dǎo)電材料，在線材的熔斷處產(chǎn)生積垢，使噴涂顆粒大小懸殊，涂層質(zhì)地不均；另外，由于電弧熱源溫度高，造成元素的燒損量比采用火焰噴涂大，易導(dǎo)致涂層硬度有所下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，提供一種基于激光加工技術(shù)制備涂層的方法和裝置。本發(fā)明所述提供的一種基于激光加工技術(shù)制備涂層的方法具體步驟如下：

(1)在干燥潔凈的工件11待噴涂的表面涂覆厚度0.05mm的黑色有機(jī)物，作為吸收層。再將工件11固定在工作臺12上，開啟水噴頭17的水閥18，在工件11待噴涂的表面形成2mm厚的流動水層，水流速度為2～5m/s；激光脈沖束7經(jīng)過聚焦透鏡33后會聚，通過工作臺12及聚焦透鏡33的上下運(yùn)動，在工件11表面形成直徑為0.2～1.5mm的光斑，功率密度為GW/cm²的激光脈沖束7穿過流動的水層照射到工件11待處理表面的吸收層上，吸收層吸收激光能量后氣化、電離，形成高溫高壓等離子體，等離子體在極短時間內(nèi)膨脹，并受到水層的約束作用，產(chǎn)生GPa量級的沖擊波。沖擊波使工件11表面發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和塑性變形的微凹坑；移動工作臺12，在工件11待處理表面的另一位置產(chǎn)生塑性的沖擊凹坑和殘余壓應(yīng)力，工作臺12移動的速度由激光脈沖束7的頻率和相鄰沖擊坑的距離確定，因此在待噴涂的工件11表面產(chǎn)生呈現(xiàn)一定密度點(diǎn)陣分布的凹坑。

(2)開啟儲氣罐5的氣閥9，使壓力為0.5-1.5MPa的保護(hù)氣體進(jìn)入噴槍8內(nèi)，并調(diào)節(jié)水閥18的開合度，使水流速度在30m/s以上，通過氣體和高壓水流共同沖刷和沖洗，清除工件11表面殘余的未被燒蝕的吸收層，隨后關(guān)閉水閥18，等氣體吹干工件11待噴涂的表面后，移動聚焦透鏡的底座39，調(diào)節(jié)聚焦透鏡33位置，使激光脈沖束7聚焦在左右對稱設(shè)置的噴涂絲15交匯的位置上，噴涂絲15由送絲電機(jī)20帶動減速器19通過送絲滾輪14送入，調(diào)整激光脈沖束7的脈沖能量，使其功率密度為10⁴～10⁶W/cm²，噴涂絲15被激光脈沖束7輻照后，迅速熔化為液態(tài)熔滴，高壓保護(hù)氣將液態(tài)熔滴迅速霧化成顆粒，形成高速運(yùn)動的粒子流10撞擊工件11表面，在表面形成涂層21，實(shí)現(xiàn)一次噴涂。通過工作臺12的水平面運(yùn)動進(jìn)行多次噴涂，從而完成工件11整個表面的噴涂。

本發(fā)明提供一種基于激光加工技術(shù)制備涂層的裝置，該裝置包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光及調(diào)焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲氣系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)及送絲系統(tǒng)；所述激光發(fā)生器1能夠發(fā)出短脈沖激光和連續(xù)激光；所述導(dǎo)光及調(diào)焦系統(tǒng)包括全反鏡6、聚焦透鏡33、底座39、上固定板32、雙頭螺柱41、帶臺肩雙頭螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三墊片31、第四墊片34、開合螺母36、絲杠13、電機(jī)27、電機(jī)安裝支架24、螺栓25、第二墊片26及電機(jī)底座28；所述聚焦透鏡33放入底座39中，通過上固定板32與底座39的螺紋連接，將聚焦透鏡33固定在底座39上，所述帶臺肩雙頭螺柱29的一端通過螺紋與所述底座39連接，通過第二螺母38和第三墊片31擰緊，所述帶臺肩雙頭螺柱29的另一端設(shè)有第一薄螺母30和第二薄螺母37，第一薄螺母30和第二薄螺母37依靠它們之間的摩擦力相互并緊并使它們位置固定，噴槍8壁與帶臺肩雙頭螺柱29的臺肩及第二薄螺母37之間留有間隙，使帶臺肩雙頭螺柱29能夠上下自由運(yùn)動；雙頭螺柱41的一端通過螺紋與底座39連接，通過第三螺母40和第四墊片34擰緊，雙頭螺柱41的另一端通過螺紋連接著開合螺母36，并通過第一螺母35擰緊固定，絲杠13與開合螺母36螺紋連接，絲杠13的另一端與電機(jī)27連接并受它驅(qū)動，電機(jī)底座28通過螺栓25和第二墊片26將電機(jī)27固定在直角狀的電機(jī)安裝支架24上，電機(jī)安裝支架24通過螺釘23和第一墊片22固定在噴槍8壁上，聚焦透鏡33的位置通過電機(jī)27和絲杠13轉(zhuǎn)動驅(qū)動開合螺母36的上下移動來調(diào)節(jié)。

所述儲氣系統(tǒng)包括儲氣罐5、氣閥9及導(dǎo)氣管4；導(dǎo)氣管4的一端連接儲氣罐5，導(dǎo)氣管4的另一端通過氣閥9連接噴槍8，氣閥9開啟后，保護(hù)氣由儲氣罐5經(jīng)導(dǎo)氣管4進(jìn)入噴槍8內(nèi)。

所述噴水系統(tǒng)由水噴頭17、水閥18及連接它們的水管組成；所述噴水系統(tǒng)設(shè)置在工作臺12的上方。

所述送絲系統(tǒng)包括左右對稱的送絲電機(jī)20、減速器19、噴涂絲15、送絲滾輪14及絲盤16；送絲電機(jī)20開啟后，輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器19降速后，帶動送絲滾輪14轉(zhuǎn)動，將繞在絲盤16中的噴涂絲15向前移動，實(shí)現(xiàn)送絲。

所述工件裝夾系統(tǒng)包括噴槍8、工件11及工作臺12，噴槍8位于工作臺12的正上方，且兩側(cè)開有窄槽，便于帶臺肩雙頭螺柱29和雙頭螺柱41通過，工件11固定在工作臺12上，并隨同工作臺12一起運(yùn)動。

所述控制系統(tǒng)包括計算機(jī)2和控制器3；控制器3信息由計算機(jī)2輸入，控制激光發(fā)生器1的發(fā)出的激光脈沖束7的頻率和能量，控制工作臺12移動的方向和速度，控制送絲電機(jī)20和電機(jī)27的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)，控制水閥18和氣閥9的開關(guān)及開合度的大小。

本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1、利用激光沖擊進(jìn)行工件表面預(yù)處理，由于激光參數(shù)精確可控，光斑直徑尺寸可以精確到微米量級，在預(yù)處理時可以根據(jù)要求產(chǎn)生塑性的凹坑，而且凹坑的大小和深度以及凹坑的分布密度可以控制，不會對工件表面產(chǎn)生劃傷，從而有效地控制基材表面粗糙度，增大涂層與基體的結(jié)合面積。

2、利用激光沖擊對工件表面進(jìn)行預(yù)處理，在工件表面發(fā)生塑性變形，形成了一定厚度分布的殘余壓應(yīng)力層，能夠有效地抵消在熱噴涂形成涂層的過程產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，能大大降低殘余拉應(yīng)力對涂層質(zhì)量的危害。

3、激光沖擊作為預(yù)處理的手段，能夠細(xì)化工件表層的晶粒。在熱噴涂時，基體表層細(xì)化的晶粒受熱長大，但成才的速度變緩，降低了熱噴涂過程中基體晶粒粗大的傾向，提高了涂層的質(zhì)量。

4、采用激光對線材加熱，由于激光輸出的能量精確可控，光斑的大小精確可調(diào)。因此線材的加熱位置精確可調(diào)，加熱的溫度精確可控。既可實(shí)現(xiàn)粗大的線材加熱，也可實(shí)現(xiàn)微細(xì)的線材加熱，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作；既可實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)材料的加熱，也可實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)材料的加熱，具有較大的加工的柔性。

5、本發(fā)明采用激光加工技術(shù)將預(yù)處理和噴涂工序等多個工序集中起來，代替了繁瑣的表面噴砂粗化處理工序再噴涂，不僅裝置簡單，操作簡單方便，容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，而且可以精確控制，加工速度快，大大提高噴涂的加工效率。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中I局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1中Ⅱ局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3中A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖圖。

圖中：1：激光發(fā)生器；2：計算機(jī)；3：控制器；4：導(dǎo)氣管；5：儲氣罐；6：全反鏡；7：激光脈沖束；8：噴槍；9：氣閥；10：粒子流；11：工件；12：工作臺；13：絲杠；14：送絲滾輪；15：噴涂絲；16：絲盤；17：水噴頭；18：水閥；19：減速器；20：送絲電機(jī)；21：涂層；22：第一墊片；23：螺釘；24：電機(jī)安裝支架；25：螺栓；26：第二墊片；27：電機(jī)；28：電機(jī)底座；29：帶臺肩雙頭螺柱；30：第一薄螺母；31：第三墊片；32：上固定板；33：聚焦透鏡；34：第四墊片；35：第一螺母；36：開合螺母；37：第二薄螺母；38：第二螺母；39：底座；40：第三螺母；41：雙頭螺柱。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明裝置包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光及調(diào)焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲氣系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)及送絲系統(tǒng)。其中所述導(dǎo)光及調(diào)焦系統(tǒng)包括全反鏡6、聚焦透鏡33、底座39、上固定板32、雙頭螺柱41、帶臺肩雙頭螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三墊片31、第四墊片34、開合螺母36、絲杠13、電機(jī)27、電機(jī)安裝支架24、螺栓25、第二墊片26及電機(jī)底座28。所述儲氣系統(tǒng)包括儲氣罐5、氣閥9、導(dǎo)氣管4。所述噴水系統(tǒng)由水噴頭17、水閥18以及連接它們的水管組成。所述送絲系統(tǒng)包括左右對稱的送絲電機(jī)20、減速器19、噴涂絲15、送絲滾輪14及絲盤16。所述工件裝夾系統(tǒng)包括噴槍8、工件11和工作臺12。所述控制系統(tǒng)包括計算機(jī)2和控制器3。電機(jī)27通過絲杠13、開合螺母36和雙頭螺柱41能夠帶動底座39和聚焦透鏡33等上下運(yùn)動自如。

上述系統(tǒng)各部件安裝完畢后，對工件11待噴涂的表面進(jìn)行潔凈化處理，除去表面的油脂、氧化皮和其他污物。在潔凈后的工件11表面涂覆一層厚度約為100μm黑色有機(jī)物，作為激光能量吸收層，再將帶有吸收層的工件11固定安裝在工作臺12上，能量吸收層對著噴槍8口。

控制器3接受計算機(jī)2指令，電機(jī)27通過絲杠13的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動開合螺母36上下移動，以調(diào)節(jié)聚焦透鏡33的高度，使激光脈沖束7通過聚焦透鏡33后輻照在吸收層的表面形成直徑在0.2～1.5mm范圍內(nèi)的光斑，并開啟水噴頭17，以在工件11待處理的表面形成2mm厚度的流動水層。激光發(fā)生器1發(fā)出經(jīng)過優(yōu)化的激光脈沖束7，激光脈沖束7的光束模式可以是基模、多模等各種模式，光束模式、輸出的能量和頻率受控制器3調(diào)節(jié)和控制。激光脈沖束7經(jīng)過全反鏡6改變傳播方向，通過聚焦透鏡33、噴槍8和流動的水層后，照射到吸收層上，吸收層材料迅速氣化、電離，形成高溫高壓等離子體，等離子體受到約束層作用，在工件11待噴涂的表面產(chǎn)生壓力為GPa量級的沖擊波，使工件11表面發(fā)生塑性變形，形成微凹坑，并在產(chǎn)生一定厚度的殘余壓應(yīng)力層。工作臺12接受控制器3的指令后在水平面內(nèi)移動，保證在整個工件11待噴涂的表面形成一定間距的微凹坑。

此后，氣閥9收到指令后開啟，保護(hù)氣體進(jìn)入噴槍8，水閥18的開度也增加，使水流速度在30m/s以上，在氣體和高壓水流共同沖刷和沖洗下，工件11表面殘留的吸收層被清除干凈，隨后水閥18關(guān)閉，氣體吹干工件11待噴涂的表面后，電機(jī)27收到控制器3的指令后轉(zhuǎn)動，驅(qū)動絲杠13的轉(zhuǎn)動使開合螺母36上下移動，用以調(diào)節(jié)聚焦透鏡33的高度，使激光脈沖束7通過聚焦透鏡33后聚焦在噴涂絲15交匯的位置，根據(jù)噴涂絲15的直徑和材料的熔點(diǎn)，調(diào)節(jié)激光脈沖束7的能量，由控制器3調(diào)節(jié)激光的功率密度為10⁴～10⁶W/cm²，調(diào)整工作臺12上下位置，使工件11待噴涂的表面與噴槍8的出口距離為10～15mm。送絲電機(jī)20開啟，噴涂絲15由送絲電機(jī)20帶動減速器19通過送絲滾輪14不斷送至噴槍8出口。噴涂絲15被激光脈沖束7輻照后，迅速熔化為液態(tài)熔滴，高壓保護(hù)氣將液態(tài)熔滴迅速霧化，并吹動霧化的粒子流10高速撞擊到工件11表面上，在工件11表面形成涂層21，實(shí)現(xiàn)噴涂。工作臺12在水平面內(nèi)運(yùn)動，完成一層涂層的噴涂，根據(jù)涂層21厚度要求，增加工作臺12運(yùn)動循環(huán)次數(shù)以增加其厚度，當(dāng)其厚度滿足要求后，關(guān)閉激光發(fā)生器1、送絲電機(jī)20和氣閥9，取下工件11，完成噴涂。