一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法技术

本发明专利技术公开了一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，包括：入射的一束或多束激光经光学变换在基体表面附近汇聚成一个或多个聚焦光斑；喷涂材料输入到激光束中空区域内传送并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流喷向基体表面；粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面吸收部分激光能量被加热至软化但未全熔化；大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现沉积。上述过程中，粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面持续移动，喷涂粒子不断沉积叠加形成涂层。本发明专利技术通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成环形或类环形微小聚焦光斑，实现了中心同轴送粉的超音速激光喷涂目的。

A Central Coaxial Powder Feeding Supersonic Laser Spraying Method

The invention discloses a central coaxial powder feeding supersonic laser spraying method, which includes: an incident laser beam or more beams converge into one or more focusing spots near the surface of the substrate by optical transformation; spraying materials are input into the hollow region of the laser beam to transmit and form a supersonic particle jet driven by the jet energy to spray onto the surface of the substrate; particle jet and coaxial convergence. When the focal spot intersects, the laser energy absorbed by the sprayed particles is heated to soften or melt completely, while the laser energy absorbed by the matrix surface is heated to soften but not to melt completely; a large number of sprayed particles collide in the area to be deposited on the substrate surface at supersonic speed to achieve deposition. In the above process, the particle jet and the focus spot move continuously relative to the surface of the substrate, and the sprayed particles deposit and superimpose continuously to form a coating. By means of a series of optical transformations, the incident laser beam is transformed into annular or QUASI-ANNULAR micro-focusing spot, and the supersonic laser spraying with central coaxial powder feeding is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法
本专利技术涉及一种适用于激光热喷涂及激光增材制造的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，属于激光喷涂

技术介绍
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至全熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。按照加热喷涂材料的热源种类，目前出现的热喷涂技术可分为：①火焰类，包括普通火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、温喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法，包括电爆喷涂(也称电磁加速等离子喷涂)、感应加热喷涂、电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。影响热喷涂质量的关键因素包括喷涂粒子沉积时的速度和温度。除了激光喷涂之外，以上所有热喷涂技术都有一个共同的特点：喷涂材料在到达待喷涂基体表面附近之前就已被加热至全熔化或半熔化状态，或者说，所有粉末热喷涂技术中的喷涂粒子在被气流(或爆炸波、电磁力)加速的同时被气体焰流加热，所有丝材热喷涂技术中形成的喷涂粒子在被加速之前就已达全熔化状态，即喷涂粒子的受热过程是同步于或先于加速过程。唯有激光喷涂技术中的喷涂粒子受热过程大都是在加速过程之后，即先将喷涂粉末材料加速，然后在粉末到达基体表面附近时才通过激光将其加热。这样设计的原因在于，喷涂粒子的受热过程同步于或先于加速过程会带来不利影响：①喷涂粒子在飞行过程中发生氧化；②大多数加热和加速所需要的气体焰流(包括燃烧焰流、等离子射流及电热的气体射流)载有大量的热，这些热量只有少部分被传导至喷涂材料或基体上，大部分作为冗余的热量被耗散掉，且可能会造成喷涂层过热或喷涂生产效率不高等不利后果。但将喷涂粒子的受热过程后置于加速过程的话，激光喷涂技术则不存在上述影响。激光喷涂技术起步较晚，一方面是由于上世纪60年代人类才成功的制造出世界上第一台激光器，并且高能激光加工技术在近二十年才被广泛应用，另一方面，由于激光喷涂与激光熔覆的工艺非常接近，且激光熔覆技术实现起来相对容易且熔覆层质量非常高，以至于激光熔覆技术得到了高速发展而间接忽略了激光喷涂技术的研究和应用。激光熔覆与激光喷涂二者的根本区别在于基体表面是否形成熔池或微熔池。激光熔覆是通过激光加热待沉积基体表面至熔化态形成熔池或微熔池，同时激光的部分能量也加热熔覆粉末或丝材，熔覆粉末在到达熔池前可以是熔化态，也可以是未熔化态。当熔覆粉末是未熔化态时，熔覆粉末到达熔池之后可以通过热传导将熔池的高温传至熔覆粉末使其完全或部分熔化，最终形成牢固冶金结合的熔覆层，激光熔覆所用气体的目的主要是输送粉末和减小熔池氧化。而激光喷涂则是将激光能量主要用于喷涂粉末，使其达到全熔化态或半熔化态，基体表面吸收激光能量后则不能被全熔化，同时喷涂粉末被气流加速推动而具备一定的速度，并与基体发生碰撞和扁平化沉积而形成涂层。由于激光喷涂与激光熔覆的区别非常微小，许多加工设备只需稍微改变工艺参数就可实现二者的转换，甚至导致有人将二者混为一谈。然而，激光喷涂具有常规激光熔覆所不具备的技术优势，例如：①沉积所用冗余热量少，因为喷涂不需要基体熔化或形成熔池就可发生可靠沉积，这样沉积同样质量的材料所需吸收激光能量大大降低，从而可以使沉积效率得到几十甚至上百倍的提高；②由于激光喷涂没有形成熔池，使得涂层表面没有明显的搭接区而变得非常平整，所需加工余量低、成形尺寸更精确；③由于加工相同尺寸零件所需的激光能量比激光熔覆技术大大降低，且加工尺寸精度提高，使得激光喷涂无论是在大面积薄涂层制备表面工程领域，还是在激光沉积增材制造领域都具有广阔的发展潜力。早期激光喷涂技术的激光束相对喷涂射流几乎都是侧向布置(侧向非同轴送粉)，这样严重限制了喷枪移动的方向，激光光斑和粉末沉积斑点也很难完全重合，且导致粉末飞溅严重、工艺均匀性差，致使涂层质量总体上不如熔覆层高，严重滞后了激光喷涂技术的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成环形或类环形微小聚焦光斑，实现了超音速中心同轴送粉，达到了超音速激光喷涂目的，喷涂效率高，涂层质量好。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴的多个聚焦光斑，其中，聚焦光斑为环形或类环形；2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射；3)粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；其中：在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。本专利技术的优点是：本专利技术通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成微小聚焦光斑，实现了中心同轴送粉，聚焦光斑和粒子射流完全同轴，达到了超音速激光喷涂目的，减小了粉末飞溅，工艺均匀性好。附图说明图1是本专利技术中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法的实施流程图。图2是本专利技术实施例1的光路说明图。图3是图2中的截面A1处的光斑示意图。图4是图2中的截面A2处的光斑示意图。图5是本专利技术实施例2的光路说明图。图6是图5中的截面B1处的光斑示意图。图7是图5中的截面B2处的光斑示意图。图8是图5中的截面B3处的光斑示意图。图9是图5中的截面B4处的光斑示意图。图10是本专利技术实施例3的光路说明图。图11是本专利技术实施例4的光路说明图。图12是本专利技术实施例5的光路说明图。图13是从图12仰视看去，本专利技术实施例5的光路说明图。具体实施方式如图1至图13所示，本专利技术中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法包括步骤：1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴分布的多个聚焦光斑，其中：聚焦光斑为环形或类环形光斑；2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射，粒子射流与聚焦光斑同轴；3)粒子射流与聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；其中：在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。激光束的数量和聚焦光斑的数量可根据实际需求来设计，下面示例性地列出了几种汇聚方式：第一种汇聚方式：若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近共同汇聚成一个类环形聚焦光斑(此时的聚焦光斑也称为聚集光斑)，如图10所示，其中，各束激光以中心轴L’周向均匀倾斜分布。第二种汇聚方式：一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，如图2、图5所示，在基体表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑。第三种汇聚方式：一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，如图11所示，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布。第四种汇聚方式：若干束激光(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴的多个聚焦光斑，其中，聚焦光斑为环形或类环形；2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射；3)粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；其中：在执行1)‑4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。

【技术特征摘要】
1.一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴的多个聚焦光斑，其中，聚焦光斑为环形或类环形；2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射；3)粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；其中：在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。2.如权利要求1所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近共同汇聚成一个类环形聚焦光斑；或者一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑；或者一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布；或者若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布。3.如权利要求2所述的中心同轴送粉式超音速激...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永雄，梁秀兵，胡振峰，王浩旭，张志彬，崔辛，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11