[发明专利]一种双激光头双送粉口超音速激光沉积喷嘴装置及沉积方法

说明书

一种双激光头双送粉口超音速激光沉积喷嘴装置，包括沿喷嘴的喷嘴轴线自前向后依次连接的圆形收缩段、咽喉段、扇形扩张段；圆形收缩段的前端设有高压气体入射口；扇形扩张段在与咽喉段交界处设有第一粉末入口和第二粉末入口；圆形收缩段上沿轴线对称地设有第一透光窗口和第二透光窗口，咽喉段内壁上对称地设有第一上反光镜、第一下反光镜，扇形扩张段内壁上对称地设有第二上反光镜、第二下反光镜，以及第三上反光镜、第三下反光镜。本发明的有益效果是：提高粉末涂层的厚度、沉积率、致密性和结合强度，激光加热取代载气预热装置，降低生产成本，提高粉末利用率，对高压气体的能量损耗少，降低喷嘴装置损坏的概率，安全性高。

技术领域

本发明涉及一种双激光头双送粉口超音速激光沉积喷嘴装置及沉积方法。

背景技术

冷喷涂是一种基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体携带粉末颗粒进入高速气流,通过拉瓦尔喷嘴加速产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下以极高的速度碰撞基板,通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层，冷喷涂是依赖粒子的动能形成涂层。因此该技术具有如下的优点:1)喷涂载气加热温度远低于粉末颗粒熔点，颗粒基本上没有氧化、相变、烧损和晶粒长大等现象。2)涂层对基体的热影响小，使涂层与基体之间的热应力减少，涂层之间的残余应力小，且主要为压应力，有利于获得厚致密的涂层。3)喷涂效率高，气孔率低。4)喷涂未利用粉末可以回收再利用,经济又环保。冷喷涂技术为表面工程技术的应用开辟了新的途径，已经广泛应用于制备各种高功能性涂层、纳米涂层、汽车制造业、机械零件的修复再制造、航空航天等领域。

超音速激光沉积技术是一种新型的喷涂和再制造技术，超音速激光沉积设备主要由高压气体源、送粉器、拉瓦尔喷嘴、实验箱、激光器、温度传感器、加工基体、沉积涂层和粉末回收装置构成。它将超音速粉末束和基体与沉积区域的激光加热联结在了一起，在冷喷涂的过程中引入激光取代载气预热对粉末颗粒进行加热软化和对基体进行软化。超音速激光沉积技术不但保留了冷喷涂的优点:固态沉积、高效率和低成本，而且比冷喷涂更具有广泛的应用前景。激光照射在基体和粉末颗粒上,使基体软化,粉末颗粒产生塑性变形，因此能够实现高硬度材料涂层的制备，扩大了材料和基体的使用范围；激光产生的加热效应可以代替气体预热装置,减少了压缩气体的使用且可以用廉价的压缩空气来代替价格相对较高的氮气或氩气,从而降低工艺的生产成本；激光软化处理颗粒跟基体,能瞬间调节和改变了材料的力学性能，使其塑性增强,改善了颗粒碰撞沉积状态，提高了粉末涂层的厚度、沉积率、致密性和结合强度,所制得的涂层优于冷喷涂涂层。

在欧洲专利GB2439934A中提出了一种超音速激光沉积喷嘴,在该喷嘴中激光光路与喷嘴同轴,激光光斑略小于喷嘴喉部的直径，以便使激光能正常通过。工作时,激光透过特殊材料制成的窗口照射进喷嘴中并最终辐照在基体上,喷嘴的一个入口通入高压气体,另一个入口通入待喷涂粉末，两者在拉瓦尔喷嘴中加速到超音速,最后粉末颗粒以固态形式撞击在基体上形成涂层。整个过程中,激光既加热了气体、粉末颗粒，也加热了基体,使粉末和基体同时软化，因此大大提高了沉积率和结合强度。但是该装置中粉末从收缩段进入喷嘴中,喷嘴喉部直径通常只有几毫米,低熔点和较软的金属粉末材料在激光的照射下容易粘结在喷嘴喉部,长时间工作后易造成喷嘴堵塞。光斑直径必须小于喷嘴喉部直径，激光光路与喷嘴同轴只能通过一条光路。

美国专利US20110300306A1也提出了一种超音速激光沉积喷嘴装置,采用的也是激光光路与喷嘴同轴的方法，但是该专利中粉末颗粒由喷嘴扩张段送入，因此避免了粉末因加热软化粘结堵塞在喷嘴喉部的现象。该喷嘴只有一个送粉口，导致一次性送粉量太多，处于粉末束中部的粉末激光束并不能很好将其软化。只有一个激光头与喷嘴同轴，激光对颗粒以及喷嘴内载气预热不均匀,中间热量多而周边热量少,沉积后涂层中间厚周边薄,导致粉末利用率较低。