[发明专利]一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装置

权利要求书

1.一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

(1)首先通过进气管(7)向溅射室(14)内通入足量的保护气，排出其内部的空气，以防止金属料粉(10)在高温下被空气中的氧气氧化；

(2)启动粉量开关(12)，将料斗(9)内的所述金属料粉(10)经送粉管(11)送至工件(19)内部的坩埚(21)内，再通过加热器(22)加热所述坩埚(21)内的所述金属料粉(10)，将所述金属料粉(10)制备成金属熔融液，并通过所述温控开关(24)控制所述坩埚(21)内所述金属熔融液的温度；

(3)开启激光发生器(1)，将脉宽为ns量级、脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的激光脉冲束(3)透过透明玻璃(6)直接辐照在所述金属熔融液的液面上，所述金属熔融液表面极少部分的物质吸收激光能量瞬间气化、电离，在几十个ns的时间内在其表面产生压力为GPa量级的高压等离子体，所述高压等离子体瞬间对所述金属熔融液的液面施加一向下的超高冲击力，使所述金属熔融液发生爆炸性溅射，溅射的熔滴在空中飞行遇到阻力，雾化成更为细小的微粒，并以很高的速度撞向工件(19)内孔孔壁，在所述内孔孔壁快速凝固形成致密的涂层(20)，完成第一次冲击喷涂；

(4)当所述第一次冲击喷涂的涂层厚度未达到要求时，需要在同一位置进行多次喷涂，首先控制器(33)控制步进电机(18)带动位于左侧的棍轴(16)转动，拉动透明、阻燃的保护膜(15)向左移动，将所述保护膜(15)上被微粒污染的区域移至光路外，新的未被污染区域移至光路中，随后所述控制器(33)依次重启所述粉量开关(12)、温控开关(24)以及激光发生器(1)，使所述金属料粉(10)进入所述坩埚(21)内，并加热所述金属料粉(10)至金属熔融液，再用所述激光脉冲束(3)辐照金属熔融液的表面，产生高压等离子体完成第二次冲击喷涂，重复上述移动保护膜、送粉、加热、产生激光脉冲和喷涂的过程，完成下一次冲击喷涂，重复多次循环，直至该位置的涂层的厚度满足要求；

(5)需要在不同位置进行喷涂时，通过所述控制器(33)控制电动机(28)的转数和转向，使齿轮(30)驱动齿条轴(31)向上或向下移动，带动所述坩埚(21)向上或向下移动，使所述坩埚(21)在新的位置上进行喷涂，直至所述工件(19)内孔壁都达到要求为止，涂层冷却至室温后，关闭保护气，打开活动窗口(25)，取出所述工件(19)。

2.一种实现权利要求1所述一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂方法的装置，其特征在于该装置包括激光发生器(1)、导光系统、送粉系统、工件夹具系统以及控制系统；所述导光系统包括导光管(2)、全反镜(4)、冲击头(5)、透明玻璃(6)、保护膜(15)、左右对称设置的棍轴(16)、左右对称设置的棍轴支架(17)和步进电机(18)，所述导光管(2)的一端连接所述激光发生器(1)，所述导光管(2)的另一端依次连接所述全反镜(4)以及所述冲击头(5)，所述保护膜(15)放置在所述透明玻璃(6)的正下方，所述保护膜(15)卷绕在位于右侧的棍轴(16)上，所述左右对称设置的棍轴(16)分别固定在所述左右对称设置的棍轴支架(17)上，所述步进电机(18)的输出轴同所述位于左侧的辊轴(16)连接；所述送粉系统包括进气管(7)、料斗架(8)、料斗(9)、金属料粉(10)、送粉管(11)、粉量开关(12)、密封塞(13)和坩埚(21)；所述送粉管(11)能够拆装，通过软接头连接上下两端，所述送粉管(11)的一端连着料斗(9)的下端，所述送粉管(11)的另一端贯穿密封塞(13)并对着工件夹具系统中的坩埚(21)，所述料斗(9)固定在料斗架(8)上并装有金属料粉(10)，所述金属料粉(10)的颗粒直径为15-40μm，所述进气管(7)穿过密封塞(13)用于通入保护气体，以防止金属料粉(10)与空气中的氧气发生化学反应生成氧化物，所述粉量开关(12)设置在所述送粉管(11)上，所述粉量开关(12)是一个微电机控制的开关，通过微电机控制开关阀口的大小和开启时间的长短来控制金属料粉(10)进入坩埚(21)的体积；所述工件夹具系统包括溅射室(14)、工件(19)、坩埚(21)、加热器(22)、调整垫块(23)、温控开关(24)、活动窗口(25)、导向套(26)、螺钉(27)、电动机(28)、联轴器(29)、齿轮(30)和齿条轴(31)，所述电动机(28)通过联轴器(29)驱动齿轮(30)带动齿条轴(31)上下移动，导向套(26)套在齿条轴(31)上，导向套(26)被螺钉(27)固定在溅射室(14)的底部，齿条轴(31)上端设置所述加热器(22)，所述加热器(22)与所述齿条轴(31)通过螺纹连接，所述加热器(22)的上端顶面设有与所述坩埚(21)底部形状和大小一样的凹坑，用以放置所述坩埚(21)，所述加热器(22)与所述温控开关(24)串联在一起，所述温控开关(24)接通电源使所述加热器(22)对所述坩埚(21)加热，所述坩埚(21)放置在所述工件(19)孔的内部，所述坩埚(21)的直径要比工件(19)的内径小，所述工件(19)下方设置调整垫块(23)以调整工件(19)的高度，所述调整垫块(23)放置在所述溅射室(14)的底部；所述溅射室(14)的右侧设有活动窗口(25)；所述控制系统包括计算机(32)和控制器(33)，控制信息由所述计算机(32)输入，传递给所述控制器(33)，所述控制器(33)通过数据线分别与所述激光发生器(1)、粉量开关(12)、步进电机(18)以及电动机(28)连接，用于控制所述激光发生器(1)、粉量开关(12)、步进电机(18)以及电动机(28)。