[发明专利]一种激光-冷喷涂同轴复合沉积装置及方法

说明书

本发明提供一种激光‑冷喷涂同轴复合沉积装置，包括用于发射入射激光光束的激光器、具有内腔的固定座、拉瓦尔喷嘴、以及安装在内腔中的分光镜和至少两个反射聚焦镜，分光镜上具有至少两个分光镜面、用于将入射激光光束分成至少两束反射激光光束，反射聚焦镜上具有朝向分光镜面的聚焦镜面、用于接收反射激光光束并将反射激光光束反射成聚焦激光光束，多束聚焦激光光束之间形成有中空区域，拉瓦尔喷嘴位于中空区域中、并具有垂直于基材的粉末喷射通道，粉末喷射通道和中空区域同轴线设置，故在沉积过程中粉末粒子与多束聚焦激光光束同轴线被送入聚焦激光光斑中心，且粉末粒子始终被均匀对称的聚焦激光光束包围，从而提高涂层的均匀性和结合强度。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种激光-冷喷涂同轴复合沉积装置及方法。

背景技术

冷喷涂技术(CS:Cold Spray)，又称为气体动力喷涂技术，是指具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。通常以高压气体(氦气、氮气、空气或混合气体)作为加速介质，携带喷涂粉末进入特殊设计的喷嘴加速，形成超音速气-固两相流，喷涂粒子在固态下碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层。在这一过程中，加速气体通常进行预热到低于喷涂材料熔点的温度以提高粒子速度与变形能力，进而提高沉积效率。不同于传统热喷涂技术固有的熔化-凝固过程，冷喷涂过程中金属颗粒的氧化、分解、相变、晶粒长大等缺陷得到避免，在制备新型涂层材料如纳米、非晶等温度敏感材料涂层方面具有明显优势；并且粒子速度高，使得冷喷涂涂层更为致密，且涂层内部为残余压应力，有利于制备厚涂层。由于冷喷涂低温的工艺特点，对喷涂材料无明显热影响，对基体的热影响也非常小，因而可作为近成型技术，直接喷涂制备块体或零部件。冷喷涂应用于增材制造，相较于激光3d打印工艺温度低，对材料热影响小、设备简单、成本低廉的优势。此外，冷喷涂再装备修复再制造领域也具有广泛的前景，配合便携式冷喷涂设备，可实现失效部件的现场快速修复。

虽然冷喷涂具有工艺温度低、材料热影响小等独特的优势，但单纯的冷喷涂技术仍然存在以下缺点：(1)沉积硬度高的涂层材料时，需要氦气作为工作载气，其成本较高；(2)沉积效率及涂层质量很大程度上依赖粉末颗粒与基板材料的特性；(3)涂层与基体的结合主要是机械结合，因此涂层结合强度低。

针对单纯冷喷涂技术的不足，英国剑桥大学提出了超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition，SLD)：把激光同步引入冷喷涂过程中，通过激光能量辐射对粉末、基体或者两者同时进行软化处理，瞬间调节和改善材料力学性能和碰撞沉积状态，提高低压冷喷涂的沉积效率、致密度和结合强度。由于激光加热对粉末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但其替代昂贵的氦气，实现高硬度材料的沉积，再降低成本的同时拓宽了冷喷涂沉积材料的范围。图1为超音速激光沉积的原理示意图，从图1可知：超音速激光沉积的主要装置为用于发射激光的激光头100和用于喷射粉末的拉瓦尔喷嘴200，但激光头与拉瓦尔喷嘴为相互独立设置，因此，在每次喷涂开始前，都需要调节激光头和拉瓦尔喷嘴的相对位置，以保证激光光斑和粉斑重合，这就使超音速激光沉积的工艺过程变得复杂；另外，如图1可知：激光束从拉瓦尔喷嘴的侧向照射，导致在沉积过程中激光束对粉末和基体的辐照区域不均匀，从而降低涂层质量。

为此，公开号为CN105862034A的中国发明专利申请公开了一种超音速激光沉积同轴送粉装置，该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嘴，多个拉瓦尔喷嘴设置在激光通路的外周，所有拉瓦尔喷嘴的中轴线均与激光出光腔射出的激光交汇。上述超音速激光沉积同轴送粉装置虽然实现了激光光斑和粉斑的同轴，其无需调节拉瓦尔喷嘴与激光器的相对位置，但是，所有拉瓦尔喷嘴都与基体成一定角度，导致拉瓦尔喷嘴喷射的粉末的入射角大于0度，而不是最理想的垂直入射，再加上各拉瓦尔喷嘴的喷射气流会产生相互干涉，这些问题的存在会直接影响粉末粒子与基体的结合力，最终降低涂层质量。

发明内容