一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法技术

一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的保护气输送管的载气参数；调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；根据喷涂要求确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体。本发明专利技术具有的有益技术效果是：可选择性地对沉积区域的粉末颗粒进行有效沉积；通过激光加热对喷涂颗粒的软化处理，提高了颗粒间的结合强度；通过调控激光光斑能量的分布，能够调控沉积区域颗粒的沉积效率。

Cold spraying method for controlling energy distribution of laser spot

A method of spraying controllable laser spot energy distribution of the cold, which comprises the following steps: Lawal nozzle alignment matrix to be deposited in the position of the carrier gas parameters of spraying parameters set Lawal nozzle and gas protection corresponding to the Lawal nozzle pipe; adjust the laser beam to Lawal and the angle of nozzle, the laser spot and the Lawal nozzle the powder spot beam junction formation for spraying; spraying according to the requirements to determine the energy distribution of the spot of the laser beam, and the Lawal nozzle by irradiating a laser beam to set the powder made by laser irradiation by powder deposition area on the substrate surface layer deposition, get to meet the requirements of the matrix. The invention has the beneficial effect is: effective deposition selectively on the deposition area of powder particles; by laser heating of softening treatment sprayed particles, increase the bonding strength between particles; the laser spot energy distribution control, can control the deposition efficiency of particles deposition area.

【技术实现步骤摘要】
一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法
本专利技术涉及一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法。
技术介绍
快速制造(RapidManufacturing,RM)是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是基于零件分层方法的无模制造技术，它将传统的由毛坯切去多余材料形成零件的减材制造法转变为将材料逐层累积形成零件的增材制造法。随着激光技术的快速发展，立体快速成型的材料不再局限于树脂和塑料等高分子材料，而是通过激光熔覆或激光烧结等方式对金属粉末材料直接进行快速成型，如激光近净成形技术、选择性激光烧结和直接金属沉积。这些技术能够极大地缩短生产周期，在复杂形状的金属零部件制造领域表现出极大的优势。但是，在逐层制造的过程中，金属粉末需高温熔融然后凝固成型。由于高热量的输入，会使制造层中存在较大的残余热应力和残余相变应力，导致成型件出现气孔、裂纹以及形变等，成型质量和精度控制难。冷喷涂亦称冷气体动力学喷涂(ColdGasDynamicSpray,CGDS)，它是以压缩气体(氦气、氮气、空气或混合气体等)为加速介质，携带固态颗粒进入拉瓦尔喷嘴(Lavalnozzle)内产生超音速气-固两相流，固态颗粒经过加速后以极高的速度(大于等于其临界沉积速度)碰撞基体表面，使颗粒发生强烈的塑性变形而在基体上沉积形成涂层的一种新型喷涂技术。与激光快速成型相比，冷喷涂技术的一个显著特点是无需将喷涂颗粒加热至熔融状态，喷涂过程中颗粒不易发生氧化、烧损、相变、晶粒长大等现象。因此冷喷涂涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，尤其适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的增材制造。虽然冷喷涂在保持涂层材料原始成分、减少热影响等方面具有其独特的优势，但是单纯的冷喷涂技术尚存在以下缺点：(1)制备高质量的沉积层时，需要使用高压氦气，成本较高；(2)颗粒有效沉积很大程度上依赖于沉积材料的塑性变形能力，沉积材料的范围有限；3)沉积材料之间的结合机制主要是机械咬合，沉积层内部以及沉积层之间结合强度较低。为了拓宽了冷喷涂沉积材料的范围、提高各层之间的结合力以及降低冷喷涂技术的使用成本，近些年来人们开始把激光束同步引入冷喷涂加工过程，通过激光辐射对冷喷涂颗粒、基体或者两者同时起到软化的效果，改善其材料力学性能和碰撞沉积状态，从而提高冷喷沉积效率、致密度和结合强度。由于激光的加热作用，喷涂颗粒的临界沉积速度大大降低，从而可以降低冷喷涂工艺中的工作气体压力和加热温度，而且拓宽了冷喷涂涂层的材料范围。在冷喷涂过程中，拉瓦尔喷嘴喉部形状一定时，颗粒的速率分布规律是固定的，即靠近喷嘴轴线附近的颗粒速率大，靠近喷嘴内壁的颗粒速率小，从而导致喷嘴轴线附近的颗粒沉积效率高，靠近喷嘴内壁的颗粒沉积效率低。这种沉积效率的差异会导致单一冷喷涂沉积层的形貌呈现类三角形，且随着逐层累加，沉积层中部和两边的沉积效率差异会更明显，沉积层的宽度越来越窄，最终无法沉积，从而限制了立体成型件的成型尺寸以及质量等。因此，需要开发一种易于操作、简单可控以及成本低廉的对冷喷涂立体成型过程中形貌控制并同时提高沉积层结合强度的可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法。
技术实现思路
针对冷喷涂立体成型过程中由于固有的沉积效率差异导致的沉积形貌问题，本专利技术的提供了一种简单、可靠且易于推广应用的对冷喷涂立体成型过程中形貌的可实时控制并提高层间结合强度的方法。本专利技术所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的的载气参数，所述的喷涂参数包括喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类和气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为1.5～3.5MPa，粉末颗粒粒径为5～50μm，粉末加速速度为300～1200m/s，喷涂距离为5～30mm，喷涂角度为80～90°；所述的载气的气体预热温度为100～600℃2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏态分布、鞍形分布或均匀分布所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏态分布或鞍形分布时，光斑直径大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均匀分布时，光斑直径小于粉斑直径。所述的拉瓦尔喷嘴中的喷涂载气气为N2、He或压缩空气。步骤2)中的激光束的中心轴与拉瓦尔喷嘴的中心轴的夹角为10～50°。拉瓦尔喷嘴的喉部的形状为圆形、矩形或椭圆形。用于沉积的粉末材料为Cu、Al、金属钛及其合金、铁基材料、钴基材料、镍基材料或者复合材料。本专利技术具有的有益技术效果是：1)可选择性地对沉积区域的粉末颗粒进行有效沉积；2)通过激光加热对喷涂颗粒的软化处理，提高了颗粒间的结合强度，进而提高了层间的结合强度；3)通过调控激光光斑能量的分布，能够调控沉积区域颗粒的沉积效率，从而实现对沉积层沉积形貌的控制。附图说明图1呈高斯分布的激光光斑能量与喉部形状为圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：101喷嘴A-A处圆形喉部截面；102拉瓦尔喷嘴；103沉积粉末颗粒；104基体；105沉积形貌；106能量呈高斯分布的激光束；107圆形喉部喷嘴中颗粒速度分布示意图)；图2呈偏态分布激光光斑能量与喉部形状为圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：108能量呈偏态分布的激光束)；图3呈鞍形分布激光光斑能量与喉部形状为椭圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：109喷嘴B-B处椭圆形喉部截面；110椭圆形喉部喷嘴中颗粒速度分布示意图；111能量呈鞍型分布的激光束)；图4呈均匀分布激光光斑能量与喉部形状为椭圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：112能量呈均匀分布的激光束)。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术参照附图：实施例1包括以下步骤：1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的的载气参数，所述的喷涂参数包括输送载气种类、喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类和气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为3.5MPa，粉末颗粒粒径为15～30μm，粉末加速速度为600～1000m/s，喷涂距离为30mm，喷涂角度为90°；所述的载气的气体预热温度为450℃；所述的拉瓦尔喷嘴中的喷涂载气气为N2、He或压缩空气；气体指的是喷涂时所用的载气，即加速颗粒的气体。预热温度即为载气加速颗粒时的预热温度；2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；激光束的中心轴与拉瓦尔喷嘴的中心轴的夹角为10～50°；3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的载气参数，所述的喷涂参数包括喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类以及气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为1.5～3.5MPa，粉末颗粒粒径为5～50μm，粉末加速速度为300～1200m/s，喷涂距离为5～30mm，喷涂角度为80～90°；所述的载气的气体预热温度为100～600℃；2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏态分布、鞍形分布或均匀分布。

【技术特征摘要】
1.一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的载气参数，所述的喷涂参数包括喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类以及气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为1.5～3.5MPa，粉末颗粒粒径为5～50μm，粉末加速速度为300～1200m/s，喷涂距离为5～30mm，喷涂角度为80～90°；所述的载气的气体预热温度为100～600℃；2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建华，李鹏辉，李波，张群莉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，杭州博华激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33