[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

说明书

技术领域：

本发明属于零件加工再制造领域，具体涉及一种利用强激光在熔融液的表面诱导高压等离子体，高压等离子体的超高压力使熔融液发生溅射、喷涂到工件表面的方法及装置，特别适用于工件内孔孔壁的喷涂。

背景技术：

随着现代工业的迅速发展，要求机械产品能在高温、高压、高速、重载以及腐蚀等恶劣的工况下可持续地工作，这必然对零件表面质量提出了很高要求。喷涂是改善零件表面质量的重要手段之一。它始于50年代，是用于延长机械产品的使用寿命、修复机械零件和对零件预保护的一项新技术。已有的研究结果和工程实践表明，涂层性能与喷涂工艺、料粉粒度、喷涂距离等因素有关，其中喷涂物质的粒子在外力驱动下撞向工件基体的运动速度对涂层的质量影响最大，它不但影响着涂层的结合强度、孔隙率等，还决定着涂层的残余应力的特性、分布和大小。粒子撞击到工件表面的速度越大，与基体相互作用就越充分，粒子变形越充分，从而增大涂层的结合强度，涂层孔隙率就越小。同时粒子的飞行速度越高，涂层的残余压应力越大，这是由于喷涂的热应变与喷涂颗粒的温度成正比，而基体表面的压应变与喷涂颗粒的飞行速度成正比。目前主要的喷涂技术有火焰喷涂、等离子喷涂、激光喷涂和爆炸喷涂等。

火焰喷涂是利用氧炔焰作为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上形成涂层。火焰喷涂所用的设备简便，可在野外现场施工，适用于设备维修。然而火焰喷涂的颗粒喷射速度较低，仅为30-40m/s，同时由于粉末处在焰流不同位置的受热情况不同，其熔融程度有很大差别，有的粉末受热已融化或半融化，而另一些仅是软化，容易在涂层中出现所谓的“夹生”现象，使火焰喷涂的涂层结合强度和致密性较低，因此火焰喷涂常常用于精度要求较低的零件的修复和再制造。

等离子喷涂技术是利用以电弧放电产生的“等离子弧”为热源，形成高温低压等离子体射流，料粉在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被加速而向经预处理的工件表面喷射和撞击，凝固，沉积在工件表面而形成涂层。等离子喷涂材料广泛，基体受热小等优点，但等离子喷涂的喷涂设备昂贵，工作气体要求较高，等离子弧温度高、辐射强，对操作人员和周围环境要有安全防护措施等。加热融化喷涂材料，气体流量是影响等离子焰流的热焓和流速的主要因素，喷涂过程中粒子速度仅为120-400m/s，粒子的喷射速度仍然较低，喷涂的质量有待于提高。

激光喷涂是利用激光脉冲束将粉末或丝材顶端加热至熔融，再用喷出的高压气体使熔融材料粒子化，并喷向基体表面形成涂层。在喷涂过程中所采用的激光功率密度限在10⁴-10⁶W/cm²范围，其功用只作为热源，将喷涂材料加热融化，利用的是激光的热效应。与其它热喷涂技术相比，激光喷涂具有能量密度高、生产效率高、激光脉冲束易于聚焦和成型、不受加工工件形状限制等优点。但由于在激光喷涂过程中，加热的温度很高，涂层冷却凝固后，内部容易出现不均匀的组织，而且由于体积收缩，易出现热裂纹。这些都限制了该技术在实际生产中的大规模应用。

爆炸喷涂是以爆炸瞬间释放的热能将喷涂材料加热熔融，并使其沉积到工件表面形成涂层的工艺方法。常用爆炸喷涂时所使用的气体压力分别为：O₂：0.1-0.2MPa，C₂H₂：0.05-0.1MPa，N₂:0.02-0.06MPa，这些气体混合物所得到的爆轰波压力值在几MPa到几十MPa范围内，粒子的喷射速度得到很大的提高，能够达到760-1200m/s。爆炸喷涂所制备的涂层较为致密、结合强度高、气孔率低、硬度高，已开始应用在航空航天及核工业等军事领域。但该技术存在参数难以控制，安全性差，噪声大等不足，需要在专用隔音室中进行，而且由于间歇性操作，导致喷涂效率低。

发明内容：

本发明的目的是提供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。本发明所提供的基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂方法具体步骤如下：

(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加热坩埚21内的金属料粉10，将其制备成金属熔融液，并通过温控开关24控制坩埚21内所述金属熔融液的温度。