[发明专利]一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂的方法及装置

权利要求书

1.一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

(1)首先利用上下对称设置的电极(27)之间产生的高温电弧加热熔化作为喷涂材料的喷涂丝(26)成熔滴脱落，脱落的熔滴被雾化气体雾化成微滴流(30)，并在所述雾化气体推动下，所述微滴流(30)低速飞行离开电弧区；

(2)由激光发生器(1)发出脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的主激光脉冲束(2)，所述主激光脉冲束(2)经导光分光系统被分成四束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)，所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)同时辐照于所述微滴流(30)表面上，所述微滴流(30)的外侧部分吸收激光能量，瞬间气化和电离，形成高压等离子体(29)，所述高压等离子体(29)继续吸收激光能量膨胀爆炸形成GPa量级的高压冲击波，所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)均与水平轴线呈一定角度，在所述微滴流(30)表面产生冲击波的压力场相互叠加，使沿着水平轴线方向的冲击波压力最大；所述高压冲击波将所述微滴流(30)再次雾化成更为细小的微粒流，使所述微粒流以近似直线的形式高速喷射到工件(32)表面，在所述工件(32)表面凝固、堆积而形成高致密度和高结合强度的涂层(31)；

(3)当喷涂的涂层厚度较厚时，需在某一位置重复实施多次喷涂，直至厚度满足要求为止；多次喷涂时，由计算机(37)再次发出指令，通过控制器(38)控制所述激光发生器(1)发出主激光脉冲束(2)的脉冲个数及相邻脉冲的时间间隔，所述主激光脉冲束(2)的脉冲个数决定了喷涂的次数，相邻的主激光脉冲束(2)时间间隔由所述喷涂丝(26)形成金属熔滴的时间决定；

(4)当所述工件(32)需要大面积喷涂和对形状不规则的零件喷涂时，将五轴工作台(34)上下、左右移动和转动，改变所述工件(32)的位置，在新的位置上进行喷涂，渐进完成大面积和对特殊形状的喷涂，直至所述工件(32)表面达到要求为止；

(5)喷涂完毕后，先关闭电源(21)和停止通入雾化气体，待所述工件(32)冷却后，再打开喷射室(28)的活动窗口将工件取出。

2.一种实现权利要求1所述喷涂方法的装置，其特征在于该装置包括激光发生器(1)、导光分光系统、电弧制液系统、工件夹具系统、回收系统以及控制系统；所述导光分光系统包括第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、第三分光镜(5)、第一全反镜(6)、第二全反镜(7)、第三全反镜(12)、第四全反镜(13)、第五全反镜(14)、第六全反镜(15)、第一聚焦透镜(16)、第二聚焦透镜(17)、第三聚焦透镜(18)、第四聚焦透镜(19)；所述主激光脉冲束(2)经过所述第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、第三分光镜(5)以及所述第一全反镜(6)、第二全反镜(7)、第三全反镜(12)、第四全反镜(13)、第五全反镜(14)、第六全反镜(15)后被分成四束完全相同的所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)，所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)的能量分别为入射的所述主激光脉冲束(2)的四分之一，所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)的其它参数与所述主激光脉冲束(2)完全相同；所述第三全反镜(12)以及第六全反镜(15)分别位于空间的上下两侧，所述第四全反镜(13)以及所述第五全反镜(14)分别位于空间的前后两侧，所述第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、第三分光镜(5)的角度可调；所述第一分激光脉冲束(8)以及第四分激光脉冲束(11)分别经所述第三全反镜(12)以及第六全反镜(15)后，分别发生斜向下和向上偏转，所述第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)分别经所述第四全反镜(13)以及第五全反镜(14)后，分别发生斜向前和向后偏转；所述第三全反镜(12)、第四全反镜(13)、第五全反镜(14)、第六全反镜(15)的位置可调，并能够通过改变其倾斜的角度来调整所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)发生偏转的角度，以保证所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)分别经所述第一聚焦透镜(16)、第二聚焦透镜(17)、第三聚焦透镜(18)、第四聚焦透镜(19)能同时聚焦于喷涂区的微滴流上；所述第一分激光脉冲束(8)、第二分激光脉冲束(9)、第三分激光脉冲束(10)以及第四分激光脉冲束(11)经过所述第三全反镜(12)、第四全反镜(13)、第五全反镜(14)、第六全反镜(15)后均与水平轴线呈5°-15°角；所述电弧制液系统包括进气管(20)、电源(21)、电动机(22)、减速器(23)、滚轮(24)、丝盘(25)、喷涂丝(26)以及电极(27)，利用控制器(38)分别控制位于上下两侧的所述电动机(22)带动所述减速器(23)以及滚轮(24)转动，将所述喷涂丝(26)连续均匀的送进所述电极(27)内；所述喷涂丝(26)的直径为0.8-2mm，所述喷涂丝(26)卷绕在上下对称设置的所述丝盘(25)上，所述喷涂丝(26)在所述滚轮(24)的推动下同步穿过所述电极(27)，所述电极(27)通过导线与电源(21)电连接，所述电极(27)的角度保持在30°-60°之间，所述电极(27)的电弧工作电压为15-25V，电弧工作电流为100-300A，所述进气管(20)放置在所述电极(27)中间并对着喷涂区，所述雾化气体的压力为0.05-0.1MPa；所述工件夹具系统包括喷射室(28)、工件(32)、夹具(33)、五轴工作台(34)，所述工件(32)固定在所述夹具(33)上，所述夹具(33)固定在所述五轴工作台(34)上，所述五轴工作台(34)能够上下、左右移动和转动，所述五轴工作台(34)放置在喷射室(28)的内部，所述喷射室(28)带有活动窗口；所述回收系统包括喷射室(28)、回收器(35)、回收槽(36)，所述回收器(35)安装在所述喷射室(28)的右侧，用来回收游离在所述喷射室(28)内的一些粒子或金属烟尘，避免污染环境，所述回收槽(36)放置在所述喷射室(28)的底部，用于回收在喷涂过程中由于尺寸较大和飞行速度较低在其自身重力作用下而落下的粒子；所述控制系统包括计算机(37)和控制器(38)，控制信息由所述计算机(37)输入传递给所述控制器(38)，所述控制器(38)通过数据线分别连接所述激光发生器(1)、电动机(22)以及五轴工作台(34)。