[发明专利]一种用于超高速激光熔覆的环形同轴送粉装置

说明书

本发明应用于激光加工领域，提供了一种用于超高速激光熔覆的环形同轴送粉装置，包括：激光器光学系统，以及自上而下依次连接的顶部部件、中部部件、第一锥形部件和第二锥形部件，所述顶部部件、所述中部部件、所述第一锥形部件和所述第二锥形部件的轴心口贯通组成激光腔室；本发明利用两道正面壁面完成对粉末的减速，采用横向进粉通孔和纵向进粉通孔两级分粉程序将粉末分散均匀，通过锥形收缩腔室加速载气提供粉末动力，最终达到粉末焦点小，汇聚浓度高的效果，且使用此分粉程序可提高粉末焦点位置处空间分布均匀性，使得制备的涂层表面粗糙度更小。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种用于超高速激光熔覆的环形同轴送粉装置。

背景技术

车辆舰船、钢铁冶金和能源化工等领域的高端装备关键部件往往对表面有耐磨、耐蚀等性能要求需要进行特殊处理。常见的工艺种类主要有电镀、热喷涂、堆焊和激光熔覆技术，其中电镀技术制备涂层薄，一般不超过100μm，在特殊条件下很容易因涂层失效而导致整个零件失效。并且涂层与基材结合差，一般不超过100Mpa，耐腐蚀性差，容易剥落。另外，在生产过程中会造成严重的资源浪费和环境污染是急需替代的行业。热喷涂技术制备的涂层与基体之间是机械结合，结合力弱，一般为100～200MPa，容易剥落。并且制备的涂层气孔较多，往往采用多层沉积制备，导致加工效率较低。在生产过程中，粉末和气体消耗量较大，粉末利用率只有60％左右。堆焊技术制备的涂层一般较厚，可达2～3mm，在制备过程中基材需要预热，热输入量大，热影响区大，容易造成零件较大变形，性能变差。激光熔覆技术具有结合强度高，热输入小，变形小等优点，并且能够通过调整粉末成分获得具有一定性能的涂层，因此在多种行业内得到实际应用。但是这种技术熔覆速率一般为0.5～3m/min,加工效率低，同时粉末利用效率低，一般为50％左右。这种技术将激光能量集中在基材上形成熔池，粉末进入熔池熔化，冷却后形成涂层，使得激光能量利用率较低，并且涂层粗糙度较大。由于其效率较低、生产成本高，大规模产业化应用受限，是目前亟待解决的问题。

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)和亚琛工业大学(RWTH-Aachen)联合开发了超高速激光熔覆技术，该技术在3KW的激光功率下获得稀释率＜1％，厚度为10～250um具有冶金结合特性的涂层，熔覆速率可达200m/min，熔覆效率为500cm2/min，为耐磨防腐涂层工艺的开发提供了新的思路和方法。这种技术使激光在空中形成近似均匀功率密度区域，粉末在此区域受辐照加热以至熔化，以液态或半液态的形式落入熔池后快速冷却形成涂层，与常规激光熔覆技术相比，熔覆速率快，一般可达25～200m/min；熔覆效率高，一般为0.5～3m2/h；涂层质量高，与基材呈冶金结合，稀释率低；节省能源，粉末利用率高。

超高速激光熔覆送粉装置多为传统激光熔覆送粉装置改进得到，多为针式同轴送粉装置，其主要利用多束粉末流交叉汇聚区域粉末浓度最高的特点。由于送粉针需要倾斜一定角度并绕中心轴环形摆放，在制作过程中，加工难度大，废品率高，因此制造成本较高，并且受加工精度影响，无法保证各个送粉针出粉效果完全一致。另外由于送粉针多为空心直管，制作困难，并且受加工条件限制，针孔尺寸有限，导致针式同轴送粉装置粉末汇聚性差，汇聚焦点较大，粉末浓度较低，流出针口后失去约束存在一定的发散角；并且送粉针的倾斜角度以及各针之间的距离无法得出最优参数，使得粉末汇聚浓度低，粉末在激光中飞行时间变短，无法熔化，造成粉末浪费。

发明内容

本发明提供一种用于超高速激光熔覆的环形同轴送粉装置，以克服上述技术问题，具有加工方便，粉末焦点小，汇聚浓度高的效果。

为了解决上述问题，本发明公开了一种用于超高速激光熔覆的环形同轴送粉装置，包括：

激光器光学系统，以及自上而下依次连接的顶部部件、中部部件、第一锥形部件和第二锥形部件，所述顶部部件、所述中部部件、所述第一锥形部件和所述第二锥形部件的轴心口贯通组成激光腔室，其中：