[01473456]一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备的方法及装置

① 课题来源与背景 机械运动部件的配合面存在摩擦和磨损,磨损是其失效的主要形式之一,据统计我国每年因磨损而造成的经济损失高达数万亿美元。因此,对磨损失效件进行再制造有着非常重要的意义。为了恢复因磨损而失效的零件的使用功能,通常在其磨损面上涂敷一层耐磨材料,即耐磨涂层。耐磨涂层经过机械精加工后投入使用,其耐磨性能主要与涂层的材料、表面粗糙度以及润滑条件有关。当两个配合零件的表面粗糙度值较大时,在相互接触初期,接触的只是一些凸峰顶部,实际接触面积比名义接触面积小很多,接触应力很大,当接触应力超过材料的屈服极限时,凸峰部分产生塑性变形,使零件表面容易发生磨损失效。表面粗糙度值越大,初期磨损量越大。因此,为了增加接触面积,以降低接触应力和提高其磨损性能,最为常用的措施就是用机械加工的方法减小零件表面粗糙度值。然而当两个配合面粗糙度值很小时,零件实际接触面积很大,同时也会使两接触表面之间添加的润滑油被挤出,金属表面直接接触,因金属分子间的亲和力而发生粘结（冷焊）现象,随着相对运动的进行,粘结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏,磨损量反而急剧增加。因此改善运动件配合面间的润滑状况对减小磨损、延长耐磨涂层的使用寿命尤为重要。目前的耐磨涂层的硬度较高,但其储油能力差,抗塑性变形能力不足,在重载荷作用下涂层较容易产生微裂纹和剥落,使用寿命十分有限。 ② 技术原理及性能指标 基于激光冲击波技术耐磨涂层制备方法具体步骤如下：（1） 将待喷涂的工件的表面清洗、去油、喷砂和预热处理后,首先利用等离子喷枪将硬度较高的粉末喷涂到已处理的工件表面上,得到厚度满足要求的热态的硬质材料涂层后,关闭所述等离子喷枪;（2） 利用两个对称设置的电极之间产生的高温电弧加热融化由软质材料制成的金属喷涂丝至熔滴脱落,脱落的熔滴被雾化气体雾化成微粒流,所述微粒流在所述雾化气体推动下低速飞行离开电弧区,所述雾化气体由进气管进入电弧区;（3） 通过激光发生器发出脉宽为ns量级、功率密度为GW/cm2量级的主激光脉冲束,所述主激光脉冲束通过光学模板后被分成多束的分激光脉冲束,所述分激光脉冲束辐照在已雾化的所述微粒流上,所述微粒流部分被烧蚀、气化,产生高温高压等离子体,所述高温高压等离子体继续吸收激光能量发生膨胀爆炸形成GPa量级的高压冲击波,所述高压冲击波驱动软质材料微粒高速飞行,使所述软质材料微粒嵌入到所述热态的硬质材料涂层中,完成第一次软质材料的嵌入;（4） 控制器控制电动机带动减速器以及滚轮转动,将所述金属喷涂丝送进两个对称设置的电极之间,所述电极之间产生的高温电弧融化所述金属喷涂丝成熔滴,并被雾化气雾化成微粒流,所述控制器控制所述激光发生器继续产生所述主激光脉冲束,与微粒相互作用产生高压冲击波,驱动软质材料的微粒再次嵌入到所述热态的硬质材料涂层中,完成第二次嵌入,连续多次嵌入后得到软质材料涂层;（5） 当所述热态的硬质材料涂层需要在较大范围内嵌入软质材料微粒时,所述控制器控制工作台带动所述工件移动,改变所述工件的位置,重复所述步骤,直至所述硬质材料涂层表面达到要求为止。 ③ 技术的创新性与先进性 本技术与现有的技术相比较,具有极大的创新性,主要体现在以下几点：（1） 涂层的硬度高、摩擦系数小、磨损率低。该方法制备的涂层零件在使用时,软质材料涂层首先被磨损,会在涂层表面形成储存润滑油的凹坑,有利于形成连续分布的油膜;（2） 涂层中的软质材料的质点数量可以精确控制,从而可以精确控制软质材料涂层在整个涂层中的比例,彻底改变采用微粒混合后喷涂难以精确控制的不足;（3） 涂层有良好的韧性和塑性变形能力。由于在硬质材料的涂层中含有软质微粒,从而提高涂层抗冲击载荷的能力,延长涂层在高速、重载下的使用寿命;（4） 涂层的密实度高。高压冲击波驱动硬度较低的软质材料的微粒嵌入到硬质材料涂层中,从而有利于增加涂层的密实度、降低涂层的孔隙率;（5） 操作方便、成本低、效率高。等离子喷枪制备硬质材料涂层,工艺简单,操作方便,效率高。电弧制液技术方便快捷,能源利用率极高,成本较低。且激光束与微滴相互作用形成GPa量级的高压冲击波,从而使硬度较低的软质材料的微粒的嵌入速度高,嵌入软质材料的效率高。 ④ 技术的成熟程度,适用范围和安全性 （1） 本发明涉及零件再制造技术领域,尤其涉及一种利用激光诱导的冲击波助推硬度较低的软质材料的微粒嵌入到已形成的硬质材料涂层中,形成了大量的硬质材料涂层中含有少量软质材料涂层的方法和装置;（2） 经过前期研究开发,具有包括产品工程图和装配图等完整的技术资料;（3） 设计安全可靠性高。 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。