[01236750]一种基于激光加工技术制备涂层的方法及装置

1、课题来源与背景 涂层是涂覆在工件表面的一薄层物质,起着隔热、防腐和抗磨损等作用。热喷涂涂层在使用过程中的失效和涂层与基体的结合力以及残余应力状态有关。影响涂层与工件表面的结合力主要因素有：工件表面状态、结合面积、残余应力等。工件表面表面状态包括表面的清洁度和表面粗糙度,表面的油污、锈迹和氧化物都会降低涂层质量和结合强度。在热喷涂过程中,由于涂层和工件基材间热物理性能的差异及高温急冷急热等原因,得到的涂层中会形成残余拉应力,拉应力的存在对涂层的使用性能是非常有害的,过大的拉应力不仅会导致涂层开裂,还会使涂层从基体上剥落下来。为了增大涂层与基体的结合力,有效地提高涂层的性能和使用寿命。在喷涂前,对工件表面进行粗化处理预处理,增大其表面的不平度,从而增加涂层与基体的结合面积,使喷涂颗粒形成交叠连锁状态,以增强结合力。目前,待喷涂工件表面粗化处理主要方法有喷砂、电火花拉毛等。 2、技术原理及性能指标 （1）在干燥洁净的工件11待喷涂的表面涂覆一层厚度为0.05mm的黑色有机物,作为吸收层。再将工件11固定在工作台12上,开启水喷头17的阀门18,在工件11待喷涂的表面形成约2mm厚的流动的水层,水流速度为2~5m/s;激光束7经过聚焦透镜33后会聚,通过工作台12及聚焦透镜33的上下运动,在工件表面形成直径为0.2~1.5mm的光斑,功率密度为GW/cm2的激光脉冲束7穿过流动的水层照射到工件11待处理表面的吸收层上,吸收层吸收激光能量后气化、电离,形成高温高压等离子体,等离子体在极短时间内膨胀,并受到水层的约束作用,产生GPa量级的冲击波。冲击波使工件11表面发生塑性变形,产生残余的压应力和塑性变形的微凹坑;移动工作台12,可在待处理表面的另一处产生塑性的冲击凹坑,工作台12移动的速度有脉冲激光束7的频率和相邻冲击坑的距离确定,因此在待喷涂工件11表面产生呈现一定密度点阵分布的凹坑。 （2）开启储气罐5的气阀9,使压力为0.5-1.5MPa的保护气体进入喷枪8内,并调节水阀18的开合度,保证水流速度在25m/s以上,通过气体和高压水流共同冲刷和冲洗,除尽工件11表面残余的未被烧蚀的吸收层,随后关闭水阀18,等气体吹干工件11待喷涂的表面后,移动聚焦透镜底座39,调节聚焦透镜33位置,使激光束7聚焦在两喷涂材料丝线15交汇的位置上,喷涂材料的线丝15由电机20带动减速器19通过送丝滚轮14送入,调整激光束7的脉冲能量,使其功率密度为104~106W/cm2,丝线15被激光束7辐照后,迅速熔化为液态,高压保护气将液态熔滴迅速雾化,形成高速运动的粒子流10撞击工件11表面,在表面形成涂层21,实现喷涂。工作台12在水平面运动,从而完成整个表面的喷涂。 3、技术的创新性与先进性 （1）利用激光冲击进行工件表面预处理,由于激光参数精确可控,光斑直径尺寸可以精确到微米量级,在预处理时可以根据要求产生塑性的凹坑,而且凹坑的大小和深度以及凹坑的分布密度可以控制,不会对工件表面产生划伤,从而有效地控制基材表面粗糙度,增大涂层与基体的结合面积。 （2）利用激光冲击对工件表面进行预处理,在工件表面发生塑性变形,形成了一定厚度分布的残余压应力层,能够有效地抵消在热喷涂形成涂层的过程产生的残余拉应力,能大大降低残余拉应力对涂层质量的危害。 （3）激光冲击作为预处理的手段,能够细化工件表层的晶粒。在热喷涂时,基体表层细化的晶粒受热长大,但成才的速度变缓,降低了热喷涂过程中基体晶粒粗大的倾向,提高了涂层的质量。 （4）采用激光对线材加热,由于激光输出的能量精确可控,光斑的大小精确可调。因此线材的加热位置精确可调,加热的温度精确可控。既可实现粗大的线材加热,也可实现微细的线材加热,实现精细化操作;既可实现高熔点材料的加热,也可实现低熔点材料的加热,具有较大的加工的柔性。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明提供一种基于激光加工技术制备涂层的方法及装置,属于零件再制造领域。本发明方法首先将工件表面涂覆一薄层黑色有机物,作为激光能量吸收层。用功率密度为GW/cm2级的脉冲激光辐照工件表面,在工件表面产生塑性凹坑以提高界面结合强度。再对处理后的工件表面清洗、干燥。用功率密度为104~106W/cm2的激光束照射喷涂线丝使其熔化成为液态,液态喷涂丝材在高压保护气吹送下高速撞击工件表面,形成涂层。本发明采用可调激光器,可以控制激光束直径和输出的能量,制备的涂层界面结合力强,质量高,且喷涂用时短,能耗少、无污染。 5、应用情况及存在的问题 （1） 本技术尚未发现任何问题;（2） 正在寻求相关企业的合作,积极推广应用。