热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向待喷涂工件的表面且以100‑400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5‑3kW，聚焦距离为310‑350mm；（3）每道次间重叠率为45‑65%，多次沉积形成所需涂层；本发明专利技术制备涂层的方法集高性能涂层与原位激光重熔一体化工艺，拓展了涂覆层技术在再制造修复领域的应用体系；将传统的涂层加工与重熔过程合二为一，获得了致密高结合强度耐磨/抗蚀表层，提高了修复效率，缩短了检修时间窗口，极大节约了成本。

Method of Preparing Coatings by Thermal Spraying/Laser Composite Additives Remanufacturing System

The invention relates to a method for preparing coatings by thermal spraying/laser composite material adding remanufacturing system, which includes the following steps: (1) cleaning and decontamination of the surface of the sprayed workpiece; (2) arranging the thermal spraying gun and laser in parallel, and moving the thermal spraying gun and laser towards the surface of the workpiece to be sprayed at a speed of 100_400 mm/s, while spraying to form a coating. The coating is irradiated by laser and solidified by in-situ remelting; the laser power is 1.5 3kW, the focusing distance is 310 350mm; (3) the overlap rate is 45 65% per pass, and the required coating is formed by multiple deposition; the method of preparing the coating integrates high performance coating with in-situ laser remelting, and expands the coating technology in remanufacturing repair collar. The traditional coating processing and remelting process are combined to obtain a dense and high bonding strength wear/corrosion resistant surface, which improves the repair efficiency, shortens the repair time window and greatly saves the cost.

【技术实现步骤摘要】
热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法
本专利技术涉及增材再制造
，具体涉及一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法。
技术介绍
磨损、腐蚀、疲劳等对机械设备及国家资产造成巨大的损失。据工业发达国家的统计，每年仅因腐蚀造成的损失便占国民生产总值的2%～4%。我国设备资产几万亿元，若其中10%能利用增材再制造技术进行修复和强化，便能创造巨大的经济效益。这些破损件几乎都发生在构件表面，与表面状态息息相关。增材再制造技术是面向破损构件的快速维修技术，通过破损位置尺寸修复和整体表面性能提升，达到构件延寿的目的。再制造工程是先进制造技术21世纪发展的一个重要组成部分和发展方向，是一个统筹考虑产品部件全寿命周期管理的系统工程，是利用原有零件并采用再制造成形技术，使零部件恢复尺寸、形状和性能，形成再制造的产品，使产品或设备在对环境污染最小，资源利用率最高，投入费用最小的情况下重新达到最佳的性能要求。然而大多数再制造维修应用需求涉及到解决两个关键技术问题，即如何实现在设备运行现场实现维修以及如何在最短时间完成高质量表面层修复。例如大型水电叶轮、核电/火电汽轮机主轴难以运输；核电放射性污染构件更是存在极大的运输过程放射性屏蔽难题；水电站、海上风电、石油钻井平台位置偏僻。因此，现实需求先进的增材再制造装备，即要求紧凑便携适用于现场环境施工。此外，针对磨损和腐蚀产生表面缺陷以及表面疲劳裂纹，热喷涂和激光熔覆是常用的修复技术。然而，这两种技术各有优缺点。热喷涂涂层设计灵活，对基体无热影响，但涂层与基体结合强度低，存在一定的孔隙率（导致抗腐蚀性能受限），厚度在200-500微米。激光熔覆层则可以与基体产生高强度冶金结合，覆层致密且厚度可达到毫米量级，但对基体热影响大，导致可能改变基体原始设计组织，并且由于过大的热应力而产生变形导致装配问题，甚至产生微裂纹。此外，激光熔覆由于送粉问题难以获得薄覆层，且难以处理异形表面。因此，为了获得高性能再制造表面，有必要在装备设计的基础上，采取一定复合工艺，通过热喷涂/激光熔覆复合，从而获得高性能覆层。
技术实现思路
本专利技术基于现有技术存在的缺陷提供一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向所述待喷涂工件的表面且以100-400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5-3kW，聚焦距离为310-350mm；（3）每道次间重叠率为45-65%，多次沉积形成所需涂层。进一步的，热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体，丙烷压力为0.6-0.8MPa，空气压力为0.9-1.2MPa。进一步的，所述热喷涂喷枪与所述激光器之间的夹角为20-30度且所述热喷涂喷枪与所述激光器分别朝向两侧倾斜，所述热喷涂喷枪与所述待喷涂工件的表面之间的距离为250-280mm，与水平方向呈80-85度；所述激光器与水平方向呈70-75度角倾斜。进一步的，所述热喷涂喷枪与所述激光器分别固定在机械臂上并随机械臂同步行走。进一步的，所述激光器为半导体激光器，所述激光器的发生器与光学机构一体，激光为连续激光，波长980nm。进一步的，涂层材料包括金属合金材料和金属-陶瓷复合材料。进一步的，所述金属合金材料包括铁基合金、镍基合金和钴基合金；所述金属-陶瓷复合材料包括WC-Co系和Cr3C2-NiCr系材料。进一步的，步骤（1）中，采用酒精或丙酮对待喷涂工件的表面进行清洁去污；当所述待喷涂工件的表面有锈斑时，采用酸洗或喷砂清洁。进一步的，步骤（3）中，沉积次数为10-20次，得到的涂层厚度为200-500mm。进一步的，还包括步骤（4），对步骤（3）得到的涂层对其表面进行研磨抛光或手工打磨处理。采用以上技术方案后，本专利技术与现有技术相比具有如下优点：（1）本专利技术的热喷涂/激光复合增材再制造系统结构紧凑，适用于移动式箱体装备，可方便的移动至设备现场快速开展修复施工。（2）本专利技术的热喷涂采用超音速火焰喷涂，利用空气作为助燃气体，减少了附加燃气，具有便携性优势。再采用激光进行原位重熔获得无缺陷冶金结合涂层。采用低功率（0-3kW）半导体激光器，激光发生器与光学调光一体设计，无需光纤导出，充分考虑了紧凑和便携的需求。（3）本专利技术制备涂层的方法是一种能够解决热喷涂涂层高孔隙率及与基体低结合强度的全新工艺技术，本专利技术制备涂层的方法集高性能涂层与原位激光重熔一体化工艺，拓展了涂覆层技术在再制造修复领域的应用体系；将传统的涂层加工与重熔过程合二为一，获得了致密高结合强度耐磨/抗蚀表层，提高了修复效率，缩短了检修时间窗口，极大节约了成本。附图说明图1是本专利技术热喷涂/激光熔覆复合再制造系统结构示意图；图2是热喷涂/激光熔覆复合再制造涂层截面金相及高倍下枝晶形貌，其中，a图虚线所示为涂层与基材冶金结合界面，b图上下虚线所示分别为涂层连续道次间界面、涂层与基材冶金结合界面；图3是热喷涂/激光熔覆复合再制造涂层主要合金元素成分的梯度分布以及硬度的梯度分布。其中，1、热喷涂喷枪；2、激光器；3、待喷涂工件。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术公开一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，热喷涂/激光复合增材再制造系统为一种超音速火焰喷涂/激光耦合的再制造系统，该再制造系统采用紧凑式设计，尤其适合移动式箱体装备；利用该系统，采用优化的工艺参数，可实现激光原位重熔热喷涂涂层，以获得高致密度高结合强度的功能性表面。热喷涂/激光复合再制造系统的结构示意图如图1所示，图1中的箭头表示热喷涂喷枪1以及激光器2的移动方向，本专利技术的热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法包括以下步骤：（1）对待喷涂工件3的表面进行清洁去污处理：可采用酒精或丙酮对待喷涂工件3的表面进行清洁去污；当待喷涂工件3的表面有锈斑时，采用酸洗或喷砂清洁，表面无需刻意毛化。（2）将热喷涂喷枪1与激光器2并行排列，热喷涂喷枪1与激光器2朝向待喷涂工件3的表面且以相同的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化。热喷涂喷枪1与激光器2固定在机械臂上并行排列，两者之间的角度为20-30度，随机械臂一起同步行走，移动速度100-400mm/s。热喷涂喷枪1与基材间距250-280mm，与水平方向呈80-85度；激光器2与基材间距310-350mm，与水平方向呈70-75度。本专利技术中的热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体。喷涂核心工艺参数为：丙烷压力为0.6-0.8MPa；空气压力0.9-1.2MPa。本专利技术中的激光器2采用半导体激光器2，其发生器与光学机构一体。激光为连续激光，波长980nm，激光器2功率在0-3kW可调，以适配不同热喷涂涂层材料及涂层厚度。矩形光斑，350mm处激光光斑尺寸为4×6mm，可根据热喷涂涂层宽度通过激光发生器与基板距离以调控光斑尺寸。激光器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向所述待喷涂工件的表面且以100‑400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5‑3kW，聚焦距离为310‑350mm；（3）每道次间重叠率为45‑65%，多次沉积形成所需涂层。

【技术特征摘要】
1.一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向所述待喷涂工件的表面且以100-400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5-3kW，聚焦距离为310-350mm；（3）每道次间重叠率为45-65%，多次沉积形成所需涂层。2.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体，丙烷压力为0.6-0.8MPa，空气压力为0.9-1.2MPa。3.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述热喷涂喷枪与所述激光器之间的夹角为20-30度且所述热喷涂喷枪与所述激光器分别朝向两侧倾斜，所述热喷涂喷枪与待喷涂工件的表面之间的距离为250-280mm，与水平方向呈80-85度；所述激光器与水平方向呈70-75度角倾斜。4.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述热喷涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃恩伟，陆海峰，尹嵩，潘晨阳，黄骞，王博，魏少翀，吴树辉，
申请(专利权)人：苏州热工研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32