一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，该工艺能够在较高的加工速度下实现高速、高效、高质量涂层的制备；根据本技术方案，在中心送粉激光喷涂过程中，粉末颗粒从送粉管内出来后很快就与激光相遇，因此在到达基体前就能够被激光所加热熔化并加速，以较高的速度撞击到微熔的基体表面形成涂层，粒子速度可达300～600m/s；因此可以采用较低功率的激光器实现超音速的扫描速度制备涂层，从而大幅度提高喷涂效率，此外粉末与激光的作用时间较长，因此粉末利用率较高；由于基体稀释率极低，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。

A Central Powder Feeding Supersonic Laser Spraying Process

The invention discloses a central powder feeding supersonic laser spraying process, which can realize the preparation of high-speed, high-efficiency and high-quality coatings at high processing speed. According to the technical scheme, during the central powder feeding laser spraying process, the powder particles come out of the powder feeding tube and meet the laser quickly, so they can be heated and melted by the laser before reaching the matrix. Accelerating, the coating is formed on the surface of the micro-melt matrix at a high speed, and the particle velocity can reach 300-600 m/s. Therefore, the coating can be prepared at a supersonic scanning speed by using a low power laser, which greatly improves the spraying efficiency. In addition, the interaction time between the powder and the laser is longer, so the powder utilization rate is higher. Because the dilution rate of the matrix is very low, the maximum range can be achieved. The excellent properties of the coating material can be brought into full play, and the stress and deformation of the matrix can be greatly reduced due to the small heat input of the matrix.

【技术实现步骤摘要】
一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺
本专利技术涉及激光增材制造、激光熔覆和激光热喷技术涂领域，特别涉及一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺。
技术介绍
目前，在机械加工行业针对工件实现耐蚀、耐磨等需求，需要对工件进行特殊处理，常见的处理方式为：1、堆焊技术：利用电弧或等离子弧，通过在工件表面上熔一层耐蚀或耐磨的材料来起到特殊应用的要求，这种涂层的突出特点为：涂层厚度较厚，一般为2～3mm，涂层结合强度较高，为冶金结合，但是局限为：热输入较大，变形量较大会造成涂层和工件的机械性能下降。2、激光熔覆技术：利用激光，在工件表面上熔覆一层特殊需求的合金涂层，这种涂层的突出特点为：结合强度较高，为冶金结合，热输入较小，变形小，但是突出缺点为：熔覆速度较低一般最大为2m/min，粉末浪费较大，熔覆效率较低，表面平整度较差。3、热喷涂技术：利用电弧、火焰或等离子弧来实现粉末在工件表面的沉积，这种涂层的突出特点为成本较低，涂层厚度可以控制，但是缺点为：涂层和及基体间的结合力为机械结合，结合强度较低。4、激光热喷涂：随着激光的发展，促使了热喷涂理论的发展，诞生了激光热喷涂这一工艺领域，该工艺的突出特点为涂层与基体之间的结合为冶金结合，结合强度较高，涂层厚度可以精确可控，热输入较小，基体变形较小；存在的缺点为：与热喷涂相比，加工速度较慢。目前市场上常用的激光喷涂设备，无论是同轴送粉或旁轴送粉实质上都是粉包裹着激光的光外送粉；由于光外送粉会造成激光和粉末的作用时间较短，会存在对送粉喷嘴的加工精度以及对粉末的利用率较高等问题；相比较光外送粉而言，光内送粉可以根据光斑直径来设计粉斑直径，通过将光斑直径与粉斑直径相匹配，来增加激光与粉末之间的作用时间，提高粉末的利用率，进而提高喷涂的效率和涂层的结合强度。工业上常用的激光器类型为光纤激光器与半导体激光器两种，这两种光路通过使用特殊的光学镜组，可以在焦点位置获得中空的光路，以此来增加送粉机构的设计。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，该工艺能够在较低激光器功率条件下实现较高喷涂速度(比普通激光喷涂提高2～20倍)，从而大幅度提高喷涂效率；同时该工艺还能够在保证涂层与基体为冶金结合的情况下，大幅度降低基体稀释率，减小基体变形。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种技术方案：一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，所述激光喷涂工艺包括以下步骤：A、设备选择：根据基体形状要求选择相应的粗加工设备以及喷涂设备；B、预处理：根据步骤A选择的粗加工设备对相应的基体进行粗加工；C、检验：对基体粗加工后的表面状态进行无损检验，合格后进入到下一步骤；D、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；E、喷涂：根据步骤D选择的喷涂材料后通过激光喷涂设备对检验合格后的基体表面进行喷涂加工；F、后处理：对喷涂后的基体表面进行精磨加工。作为优选，步骤A中所述粗加工设备为车床或铣床。作为优选，步骤A中所述喷涂设备为回转喷涂设备或6轴机器人喷涂设备。作为优选，步骤D中所述粉末材料为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末。作为优选，步骤D中所述粉末材料的粒度区间为10～300μm，球形度≥60％。作为优选，步骤D中所述喷涂设备的参数范围为激光功率为0.8～15kW，激光头扫描速度为1～100m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2～20mm/s，激光能量50％～95％用于熔化粉末，剩余用于熔化基体，一般在激光头下侧的激光束焦点位置附近喷涂，光斑直径为1～8mm，送粉管通过固定支架设在激光头内侧中心，且送粉管下侧出口距离基体表面的距离为1～80mm，粉末汇聚点距离光斑焦点位置为0.5～15mm，送粉量为10～800g/min，涂层厚度为10～3000μm。作为优选，所述车床和铣床用于回转类或平面类基体粗加工，粗车厚度为0.1～0.6mm。作为优选，所述回转喷涂设备由回转喷涂机床、中心送粉激光头、送粉机构和送粉器组成。作为优选，所述6轴机器人喷涂设备由6轴机器人系统、中心送粉激光头、送粉机构和送粉器组成。作为优选，步骤F中所述后处理是通过磨床对喷涂后的基体喷涂表面进行精磨加工。本专利技术的有益效果：本专利技术创新性的开发了一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，该工艺能够在较高的加工速度下实现高速、高效、高质量涂层的制备；根据上述技术方案，在中心送粉激光喷涂过程中，粉末颗粒从送粉管内出来后很快就与激光作用，因此在到达基体前就能够被激光所加热熔化并加速，以较高的速度撞击到微熔的基体表面形成涂层，粒子速度可达300～600m/s；因此可以采用较低功率的激光器实现以较快的移动速度制备涂层，从而大幅度提高喷涂效率，此外粉末与激光的作用时间较长，因此粉末利用率较高；由于基体稀释率极低，能够最大程度地发挥涂层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。附图说明为了易于说明，本专利技术由下述的具体实施及附图作以详细描述。图1为本专利技术的激光喷涂粉末与激光示意图。1～基体；2～涂层；3～粉末；4～送粉管；5～激光头；6～激光束；7～固定支架。具体实施方式如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，所述激光喷涂工艺包括以下步骤：A、设备选择：根据基体形状要求选择相应的粗加工设备以及喷涂设备；B、预处理：根据步骤A选择的粗加工设备对相应的基体进行粗加工；C、检验：对基体粗加工后的表面状态进行无损检验，合格后进入到下一步骤；D、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；E、喷涂：根据步骤D选择的喷涂材料后通过激光喷涂设备对检验合格后的基体表面进行喷涂加工；F、后处理：对喷涂后的基体表面进行精磨加工。其中，步骤A中所述粗加工设备为车床或铣床。其中，步骤A中所述喷涂设备为回转喷涂设备或6轴机器人喷涂设备。其中，步骤D中所述粉末材料为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末。其中，步骤D中所述粉末材料的粒度区间为10～100μm，球形度≥60％。其中，步骤D中所述喷涂设备的参数范围为激光功率为0.8～15kW，激光头扫描速度为1～100m/min，或激光头沿回转体轴线方向的进给速度为0.2～20mm/s，激光能量50％～95％用于熔化粉末，剩余用于熔化基体1，一般在激光头5下侧的激光束6焦点位置附近喷涂，光斑直径为1～8mm，送粉管4通过固定支架7设在激光头5内侧中心且送粉管4下侧出口距离基体1表面的距离为1～80mm，粉末3汇聚点距离光斑焦点位置为0.5～15mm，送粉量为10～100g/min，涂层3厚度为10～3000μm。其中，所述车床和铣床用于回转类或平面类基体粗加工，粗车厚度为0.1～0.6mm。其中，所述回转喷涂设备由回转喷涂机床、中心送粉激光头、送粉机构和送粉器组成。其中，所述6轴机器人喷涂设备由6轴机器人系统、中心送粉激光头、送粉机构和送粉器组成。其中，步骤F中所述后处理是通过磨床对喷涂后的基体喷涂表面进行精磨加工。本专利技术的使用状态为：当基体为液压杆支架立柱，且液压杆支架立柱包括活柱和中缸，而基体材料为27MnSi，粉末为316L；则设备选4kW半导体光纤耦合激光器，光纤芯径为600μm；回转喷涂机床、中心送粉激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述激光喷涂工艺包括以下步骤：A、设备选择：根据基体形状要求选择相应的粗加工设备以及喷涂设备；B、预处理：根据步骤A选择的粗加工设备对相应的基体进行粗加工；C、检验：对基体粗加工后的表面状态进行无损检验，合格后进入到下一步骤；D、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；E、喷涂：根据步骤D选择的喷涂材料后通过激光喷涂设备对检验合格后的基体表面进行喷涂加工；F、后处理：对喷涂后的基体表面进行精磨加工。

【技术特征摘要】
1.一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：所述激光喷涂工艺包括以下步骤：A、设备选择：根据基体形状要求选择相应的粗加工设备以及喷涂设备；B、预处理：根据步骤A选择的粗加工设备对相应的基体进行粗加工；C、检验：对基体粗加工后的表面状态进行无损检验，合格后进入到下一步骤；D、材料选择：根据工艺要求选择合适喷涂材料的粉末；E、喷涂：根据步骤D选择的喷涂材料后通过激光喷涂设备对检验合格后的基体表面进行喷涂加工；F、后处理：对喷涂后的基体表面进行精磨加工。2.根据权利要求1所述的一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：步骤A中所述粗加工设备为车床或铣床。3.根据权利要求1所述的一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：步骤A中所述喷涂设备为回转喷涂设备或6轴机器人喷涂设备。4.根据权利要求1所述的一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：步骤D中所述粉末材料为铁基合金、钴基合金和镍基合金以及金属基复合粉末。5.根据权利要求1所述的一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：步骤D中所述粉末材料的粒度区间为10～300μm，球形度≥60％。6.根据权利要求1所述的一种中心送粉式超音速激光喷涂工艺，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓君，梁醒宁，
申请(专利权)人：李晓君，
类型：发明
国别省市：陕西,61