CN105862034B - 一种超音速激光沉积同轴送粉装置 - Google Patents
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Abstract
一种超音速激光沉积同轴送粉装置，包括激光出光腔、安装筒、挡板、至少一根保护气输送管和至少一个拉瓦尔喷管，激光出光腔包括激光通路和激光头，激光通路与激光头一体成型，激光通路与激光头的出光口同轴，激光头的出光口处设有透光镜；激光通路贯穿挡板中心孔后同轴***所述的安装筒内腔，安装筒的底部抵在所述的挡板上表面；挡板的下表面与激光头的上表面贴合；拉瓦尔喷管嵌入所述的激光头内，拉瓦尔喷管的进气口与卡在挡板上的高压气体粉末输送管连通，所有的拉瓦尔喷管的中轴线均与激光出光腔射出的激光交汇。本发明的有益技术效果是：无需逐次调节拉瓦尔喷管与激光头的相对位置，并且在喷涂的过程中，粉斑和光斑的相对位置也不会改变。
Description
技术领域
本发明涉及一种超音速激光沉积同轴送粉装置。
背景技术
冷喷涂亦称冷气体动力学喷涂(Cold Gas Dynamic Spray,CGDS)，它是以压缩气体(氦气、氮气、空气或混合气体等)为加速介质，携带固态颗粒进入拉瓦尔喷管(Lavalnozzle)内产生超音速气-固两相流，固态颗粒经过加速后以极高的速度(大于等于其临界沉积速度)碰撞基体表面，使颗粒和基体同时发生强烈的塑性变形而形成涂层的一种新型喷涂技术。与热喷涂相比，冷喷涂过程中颗粒加热温度低，仍然保持固态，固态颗粒在极高的应力、应变和应变速率条件下通过“绝热剪切失稳”引起的塑性流变或者通过剧烈塑性变形等机械过程实现在工件表面上的沉积。因此喷涂过程中颗粒不易发生氧化、烧损、相变、晶粒长大等现象，因此冷喷涂涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，尤其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) 的涂层制备。
虽然冷喷涂在保持涂层材料原始成分、减少热影响等方面具有其独特的优势，但是单纯的冷喷涂技术尚存在以下缺点：1)沉积硬度较高的涂层材料时，必须以氦气为工作载气，成本较高；2)颗粒有效沉积及稳定的高质量涂层的制备很大程度上依赖于颗粒与基板材料的特性；3)涂层与基体的结合机制主要是机械结合，因此沉积涂层的结合强度较低。
针对冷喷涂技术的不足，英国剑桥大学的William O’Neill课题组提出了超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)，把激光辐照同步引入冷喷涂加工过程中，通过激光能量辐射对冷喷涂颗粒、基体或者两者同时进行热软化处理，瞬间调节和改善材料力学性能和碰撞沉积状态，提高低压冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度，进而提高涂层的使用性能。由于激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可用价格低廉的氮气替代昂贵的氦气，实现高硬度材料的沉积，在降低成本的同时拓宽了冷喷涂沉积材料的范围。
超音速激光沉积实验装置主要由以下几部分组成：激光器、喷枪、机械手臂、送粉器和高压气源以及其他辅助设备。其中，喷枪***是核心装置。喷涂颗粒与加速气体在喷枪中混合，并加速到一定速度，撞击基板形成涂层。传统超音速激光沉积***如图1所示，拉瓦尔喷管101，涂层102，基体103，激光头104。其中拉瓦尔喷管与激光头分别装夹在机械手臂上，两者相互独立。超音速的粉末颗粒沉积在激光束辐照的区域内。因此，在实验进行前，都需要调节激光头和喷嘴的相对位置，以保证激光的光斑和粉斑重合。这就使实验过程变得繁琐复杂。另外，在实验过程中，由于机械手臂的摆动可能影响光斑和粉斑的相对位置，从而导致在沉积的过程中激光辐照的区域不均匀，影响了涂层与基体间的结合。而且在传统超音速激光沉积的喷枪***中，只有一个拉瓦尔喷管与激光器配合，不利于激光辐照能量的充分利用。
因此，需要开发一种易于操作多功能的超音速激光沉积同轴送粉装置。
发明内容
针对传统超音速激光沉积喷枪***中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种易于操作多功能的超音速激光沉积同轴送粉装置。
本发明所述的一种超音速激光沉积同轴送粉装置，其特征在于：包括激光出光腔、安装筒、挡板、至少一根保护气输送管和至少一个拉瓦尔喷管，所述的激光出光腔包括激光通路和激光头，所述的激光通路与所述的激光头一体成型，所述的激光通路与所述的激光头的出光口同轴，并且所述的激光头的出光口处设有透光镜；所述的激光通路贯穿所述的挡板中心孔后同轴***所述的安装筒内腔，所述的安装筒的底部抵在所述的挡板上表面；所述的挡板的下表面与所述的激光头的上表面贴合；所述的拉瓦尔喷管嵌入所述的激光头内，所述的拉瓦尔喷管的进气口与卡在挡板上的高压气体粉末输送管连通，所有的拉瓦尔喷管的中轴线均与激光出光腔射出的激光交汇；所述的保护气输送管的嵌入所述的激光头内，并且所述的保护气输送管的上端进气口从挡板上表面伸出，所述的保护气输送管的下端出气口与位于透光镜底部的所述的激光头的出光口连通。
所述的拉瓦尔喷管沿所述的激光头的出气口周向排布。
所述的拉瓦尔喷管分为用于与所述的高压气体粉末输送管连接的直筒段、作为喉部的收缩段和扩张段，所述的收缩段的喉部形状为圆形、长方形或椭圆形。
所述的透光镜与所述的激光头的出气口内壁密封连接，并且透光镜的中心轴与所述的激光出光腔的中心轴重合。
所述的激光出光腔射出的激光光斑直径大于所述的拉瓦尔喷管射出的喷涂粉末粉斑直径。
本发明所述的拉瓦喷嘴可为两个，三个，四个或五个甚至更多，分布在在激光出光腔顶端；拉瓦喷嘴送粉送气控制相互独立，可以一个或多个相互配合送粉；拉瓦喷嘴的喷涂距离可以相等也可以不相等；拉瓦喷嘴的喉部直径可以相同也可以不同。
本发明的有益技术效果是：1)拉瓦尔喷管与激光头集成到了一个装置中，简化了实验设备；
2)无需逐次调节拉瓦尔喷管与激光头的相对位置，并且在喷涂的过程中，粉斑和光斑的相对位置也不会改变；
3)实现了多个拉瓦尔喷管与一束激光束的复合，提高了激光能量的利用率；
4)多个拉瓦尔喷管之间的送粉与送气控制是相互独立的，可有选择地对某几个喷嘴进行送粉送气，从而能够大范围内的调节送粉率；
5)多个拉瓦尔喷管的喉部形状与大小可以相同，也可以不同，可以实现同种或异种参数喷嘴的复合使用；
6)多个拉瓦尔喷管中沉积粉末颗粒的种类和尺寸可以相同，也可以不同，这样可以同步实现多种材料的复合沉积，极大地丰富了多种粉末颗粒的匹配方式。
附图说明
图1是传统超音速激光沉积***的结构示意图(101-拉瓦尔喷嘴；102-涂层；103-基体；104-激光头)；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明设置两个相同的圆形拉瓦尔喷管的示意图；
图4是图3的激光出光腔上喷嘴以及粉斑分布示意图之一(俯视图，箭头方向代表扫描速度方向，A代表粉斑Ⅰ；B代表粉斑Ⅱ)；
图5是本发明设置两个不同的拉瓦尔喷管的示意图(其中一个喉管形状为圆形，另一个喉管形状为正方形)；
图6是图5的激光出光腔上喷嘴以及粉斑分布示意图之二(俯视图，箭头方向代表扫描速度方向，A代表粉斑Ⅰ；C代表粉斑Ⅲ)；
图7是本发明设置三个拉瓦尔喷管的示意图(其中两个喉管形状为圆形，另一个喉管形状为椭圆形)；
图8是图7的激光出光腔上喷嘴以及粉斑分布示意图之二(俯视图，箭头方向代表扫描速度方向，A代表粉斑Ⅰ；B代表粉斑Ⅱ；D 代表粉斑Ⅳ)。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的一种超音速激光沉积同轴送粉装置，包括激光出光腔1、安装筒2、挡板3、至少一根保护气输送管4和至少一个拉瓦尔喷管5，所述的激光出光腔1包括激光通路11和激光头 12，所述的激光通路11与所述的激光头12一体成型，所述的激光通路11与所述的激光头12的出光口同轴，并且所述的激光头12的出光口处设有透光镜6；所述的激光通路贯穿所述的挡板3中心孔后同轴***所述的安装筒2内腔，所述的安装筒2的底部抵在所述的挡板 3上表面；所述的挡板3的下表面与所述的激光头的上表面贴合；所述的拉瓦尔喷管5嵌入所述的激光头12内，所述的拉瓦尔喷管5的进气口与卡在挡板3上的高压气体粉末输送管7连通，所有的拉瓦尔喷管7的中轴线均与激光出光腔1射出的激光交汇；所述的保护气输送管4的嵌入所述的激光头12内，并且所述的保护气输送管4的上端进气口从挡板3上表面伸出，所述的保护气输送管4的下端出气口与位于透光镜6底部的所述的激光头12的出光口连通。
所述的拉瓦尔喷管5沿所述的激光头12的出气口周向排布。
所述的拉瓦尔喷管5分为用于与所述的高压气体粉末输送管7连接的直筒段、作为喉部的收缩段和扩张段，所述的收缩段的喉部形状为圆形、长方形或椭圆形。
所述的透光镜6与所述的激光头12的出气口内壁密封连接，并且透光镜6的中心轴与所述的激光出光腔1的中心轴重合。
所述的激光出光腔1射出的激光光斑直径大于所述的拉瓦尔喷管射出的喷涂粉末粉斑直径。
本发明所述的拉瓦喷嘴可为两个，三个，四个或五个甚至更多，分布在在激光出光腔顶端；拉瓦喷嘴送粉送气控制相互独立，可以一个或多个相互配合送粉；拉瓦喷嘴的喷涂距离可以相等也可以不相等；拉瓦喷嘴的喉部直径可以相同也可以不同。
实施例2本实例中，激光头上设有两个拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的收缩段的形状为圆形；激光光斑直径大于粉斑的直径，两个圆形拉瓦尔喷管(51，52)关于出光腔轴线对称分布在激光出光腔的激光头(如图3所示)，拉瓦尔喷管内的两束粉末-气体两相流同时撞击由激光同步加热的基体7区域。喷嘴51的粉斑Ⅰ和喷嘴52的粉斑Ⅱ相互毗邻但不重叠(沿着扫描速度方向一左一右分布，如图4所示)，且位于同一水平线上。相比于传统的喷涂过程，单次喷涂之后，单层涂层是由两道沉积层搭接组成，大大提高了单次喷涂的宽度。
实施例3本实例中，激光头上设有两个拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的收缩段的形状一个为圆形，一个为方形；激光光斑直径大于粉斑直径，圆形拉瓦尔喷管51和方形拉瓦尔喷管53关于出光腔轴线不对称分布在激光出光腔的头部，(如图5所示)，喷嘴内的两束粉末-气体两相流同时撞击由激光同步加热的基体区域。喷嘴51的粉斑Ⅰ和喷嘴53的粉斑Ⅲ相邻但不重叠(沿着扫描速度方向上一前一后分布，如图6所示)。与传统喷枪***的喷涂过程相比，单次喷涂过后，单层涂层是由两道沉积层叠加组成，提高了单次喷涂涂层的厚度，且实现了异种形状喷嘴的复合激光沉积
实施例4本实例中，激光头上设有三个拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的收缩段的形状两个为圆形，一个为椭圆形；激光光斑直径大于粉斑直径，圆形拉瓦尔喷管(51、52)和第三个椭圆形拉瓦尔喷管(54)不均匀分布在激光出光腔头部的四周(如图7所示)，喷嘴内的三束粉末-气体两相流同时撞击由激光同步加热的基体区域。喷嘴51的粉斑Ⅰ和喷嘴52的粉斑Ⅱ相互毗邻但不重叠(沿着扫描速度方向一左一右分布)，第三个喷嘴54的粉斑Ⅳ与喷嘴(51、52)的粉斑Ⅰ、Ⅱ同时重叠，如图8所示。三个喷嘴的粉末与气体由同一组高压气源和送粉器输送，但是有相互独立的控制***，可以根据需要对其中的一个喷嘴、两个喷嘴或三个喷嘴进行单独或同时送粉送气。与传统喷枪***的喷涂过程相比，单次喷涂过后，可获得异种形状复合的单道涂层、搭接涂层或叠加涂层，不仅可提高单次沉积的宽度，而且也提高了厚度。
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。
Claims (3)
1.一种超音速激光沉积同轴送粉装置，其特征在于：包括激光出光腔、安装筒、挡板、至少一根保护气输送管和至少一个拉瓦尔喷管，所述的激光出光腔包括激光通路和激光头，所述的激光通路与所述的激光头一体成型，所述的激光通路与所述的激光头的出光口同轴，并且所述的激光头的出光口处设有透光镜；所述的激光通路贯穿所述的挡板中心孔后同轴***所述的安装筒内腔，所述的安装筒的底部抵在所述的挡板上表面；所述的挡板的下表面与所述的激光头的上表面贴合；所述的拉瓦尔喷管嵌入所述的激光头内，所述的拉瓦尔喷管的进气口与卡在挡板上的高压气体粉末输送管连通，所有的拉瓦尔喷管的中轴线均与激光出光腔射出的激光交汇；所述的保护气输送管嵌入所述的激光头内，并且所述的保护气输送管的上端进气口从挡板上表面伸出，所述的保护气输送管的下端出气口与位于透光镜底部的所述的激光头的出光口连通；所述的拉瓦尔喷管沿所述的激光头的出光口周向排布，并且所述的激光出光腔射出的激光光斑直径大于所述的拉瓦尔喷管射出的喷涂粉末粉斑直径。
2.如权利要求1所述的一种超音速激光沉积同轴送粉装置，其特征在于：所述的拉瓦尔喷管分为用于与所述的高压气体粉末输送管连接的直筒段、作为喉部的收缩段和扩张段，所述的收缩段的喉部形状为圆形、长方形或椭圆形。
3.如权利要求1所述的一种超音速激光沉积同轴送粉装置，其特征在于：所述的透光镜与所述的激光头的出光口内壁密封连接，并且透光镜的中心轴与所述的激光出光腔的中心轴重合。
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