一种扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的制作方法

本实用新型涉及材料表面处理领域，特别是涉及一种节能、高效、环保的扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置。

背景技术：

随着国家对环境保护政策的严格实施，一些传统的高污染表面处理技术(如镀硬铬等)面临被淘汰的局面。因此，需要开发节能、高效、环保的新型表面处理技术来替代传统方法，实现技术的更新换代以符合国家可持续发展的战略。

超音速激光沉积技术是近年来发展起来的一种新型材料表面处理技术，是在冷喷涂的过程中同步引入激光辐照软化沉积材料和基体材料，从而提高表面改性层的质量和性能。该技术不涉及化学液的使用，是一种相对环保的方法，同时由于其不涉及材料的熔融过程，是一种相对节能的过程，可以避免激光熔覆、热喷涂等高热输入表面处理技术中存在的热致不良影响(如氧化、相变、工件变形等)。由于其在冷喷涂的过程中引入了激光加热，拓宽了冷喷涂技术可处理材料的范围，可以沉积一些高强度、高硬度的材料(如ni60、stellite-6等)，这为其替代镀硬铬技术在提升材料表面耐磨损领域的应用提供了可能。

在传统的超音速激光复合沉积系统，只有一个拉瓦尔喷管与激光器配合，而且拉瓦尔喷管与激光头分别装夹在机械臂上，两者相互独立。因此在实验前，都需要调节激光头和喷嘴的相对位置，以保证激光的光斑与粉斑重合。此外，传统的激光器通常采用高斯分布的激光束对喷涂粉末颗粒进行加热，加热均匀性存在问题，会影响沉积效率。

技术实现要素：

针对上述情况下传统超音速激光复合沉积系统存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置，实现多个拉瓦尔喷嘴及激光束通过振镜扫描与粉末同步耦合，从而提高沉积效率和沉积层质量。

本实用新型所述的一种扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置，其特征在于，包括：

固定机架，具有一安装腔，用于安装沉积装置的其余部件；

激光器，安装于固定机架上部，并且激光器发射的激光光束射入固定机架的内腔，用于向安装腔内发射激光光束；

冷喷涂系统，包括送粉器和至少一套冷喷部，其中送粉器的出粉口与冷喷部的送粉口连通，用于向冷喷部内输送粉末；冷喷部安装于固定机架的端部，用于向基材表面喷射粉末形成粉斑；

以及扫描振镜系统，安装于固定机架的安装腔内，包括固定部、分光部、振镜扫描部以及振镜控制部，固定部安装于固定机架上，分光部、振镜扫描部以及振镜控制部均安装于固定部，且所述分光部位于激光器的出光口处，用于接收激光器射出的激光光束并将其分成至少两束激光束作为振镜扫描部的发射激光光束，每束发射激光光束对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部与所述振镜控制部相连，使得入射光经振镜扫描部的扫描后在基材的沉积面展开成一激光扫描区，并使得冷喷涂喷枪喷涂的粉斑落于激光扫描区范围内。

冷喷涂系统、扫描振镜系统和激光器由固定机架进行固定，冷喷涂系统与扫描振镜系统分布在固定机架两侧并成30°角，激光器固定在上端，其中心线与扫描振镜中的内壁面平行。固定机架内部空心，底部可以开放(也可装夹保护镜片)，用于扫描振镜中激光的发出。

所述分光部为一装于固定机架内壁的分光镜，且所述的分光镜位于激光器的正下方，用于将激光器发射的激光光束分成至少两束发射激光光束。

所述分光镜的镜面为平面或弧形面。

所述振镜扫描部包括反射镜和聚光镜，所述振镜控制部包括反射镜驱动电机、聚光镜驱动电机和振镜控制器，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机均通过固定部安装于安装架体内；所述反射镜安装于反射镜驱动电机的驱动轴上，用于将接收的发射激光光束反射至位于下方的聚光镜上；所述聚光镜安装于聚光镜驱动电机的驱动轴上，用于将反射镜反射的反射激光光束从激光出光口射至基材沉积面并展开成一激光扫描区；反射镜驱动电机的控制端、聚光镜驱动电机的控制端均与振镜控制器相应端口相连接，用于控制入射激光的入射角实现激光扫描。

所述冷喷涂装置的喷涂部包括具有喷嘴固定腔的固定座和至少一个拉瓦尔喷嘴，所述喷嘴固定腔、扫描振镜系统分列于固定机架两侧；所述拉瓦尔喷嘴嵌装于喷嘴固定腔上，其中拉瓦尔喷嘴与送粉器的送粉口管路连通，拉瓦尔喷嘴喷出的粉斑均落于激光扫描区内。

送粉器通过固定腔外部的粉末输送管和高温高压腔与拉瓦尔喷嘴的粉末喷射通道相连通。

所述聚光镜的镜面由一个或多个弧形镜面组成。

所述激光器为光纤激光器、半导体激光器、nd：yag1激光器或者co2激光器。

所述拉瓦尔喷嘴的中心轴位于同一平面上，并保持平面与基材的沉积面垂直，用于实现粉末粒的垂直入射；由振镜扫描部射出的激光光束的末端在基材的沉积面聚焦形成的扫描区域为一矩形区域，并位于所述拉瓦尔喷嘴的下方，光束与拉瓦尔喷嘴的中心轴所在平面呈30°夹角。

所述激光光束从分光镜中心射入，振镜扫描部均以分光镜中心轴对称分布。

本实用新型的有益效果是：

由于本装置有多个拉瓦尔喷嘴同时进行喷射，且激光光束通过分光镜片，分成两道发射激光光束，发射激光光束通过扫描振镜在一个方向快速来回扫动，粉斑与激光光斑充分结合，粉末粒子被激光充分均匀加热软化，避免传统高斯分布的激光束不均匀的问题，因此沉积效率较传统装置大大提高，涂层的结合强度增加，进而提高涂层质量。由于激光经扫描振镜来回扫动，能够降低沉积层的粗糙度，使表面变得更加平整。

附图说明

图1a为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的结构示意图；

图1b为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的拆分示意图；

图2和图3为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的实施示意图；

图4a为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的喷涂过程的主视图；

图4b为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的喷涂过程的侧视图；

图5a为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的喷涂过程的主视图；

图5b为本申请中扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的喷涂过程的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

参照附图：

实施例1本实用新型所述的一种扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置，包括：

固定机架1，具有一安装腔，用于安装沉积装置的其余部件；

激光器2，安装于固定机架上部，并且激光器发射的激光光束射入固定机架的内腔，用于向安装腔内发射激光光束；

冷喷涂系统4，包括送粉器和至少一套冷喷部，其中送粉器的出粉口与冷喷部的送粉口连通，用于向冷喷部内输送粉末；冷喷部安装于固定机架的端部，用于向基材5表面喷射粉末形成粉斑；

以及扫描振镜系统3，安装于固定机架的安装腔内，包括固定部、分光部、振镜扫描部以及振镜控制部，固定部安装于固定机架上，分光部、振镜扫描部以及振镜控制部均安装于固定部，且所述分光部位于激光器的出光口处，用于接收激光器射出的激光光束32并将其分成至少两束激光束作为振镜扫描部的发射激光光束，每束发射激光光束对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部与所述振镜控制部相连，使得入射光经振镜扫描部的扫描后在基材的沉积面展开成一激光扫描区，并使得冷喷涂喷枪喷涂的粉斑落于激光扫描区范围内。

冷喷涂系统4、扫描振镜系统3和激光器2由固定机架1进行固定，冷喷涂系统4与扫描振镜系统3分布在固定机架1两侧并成30°角，激光器2固定在上端，其中心线与扫描振镜中的内壁面平行。固定机架1内部空心，底部可以开放(也可装夹保护镜片)，用于扫描振镜中激光的发出。

所述分光部为一装于固定机架内壁的分光镜31，且所述的分光镜31位于激光器的正下方，用于将激光器发射的激光光束分成至少两束发射激光光束。

所述分光镜31的镜面为平面或弧形面。

所述振镜扫描部包括反射镜33和聚光镜34，所述振镜控制部包括反射镜驱动电机35a、聚光镜驱动电机35b和振镜控制器，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机均通过固定部安装于安装架体内；所述反射镜安装于反射镜驱动电机的驱动轴上，用于将接收的发射激光光束反射至位于下方的聚光镜上；所述聚光镜安装于聚光镜驱动电机的驱动轴上，用于将反射镜反射的反射激光光束从激光出光口射至基材沉积面并展开成一激光扫描区；反射镜驱动电机的控制端、聚光镜驱动电机的控制端均与振镜控制器相应端口相连接，用于控制入射激光的入射角实现激光扫描。

所述冷喷涂装置的喷涂部包括具有喷嘴固定腔的固定座42和至少一个拉瓦尔喷嘴41，所述喷嘴固定腔、扫描振镜系统分列于固定机架两侧；所述拉瓦尔喷嘴嵌装于喷嘴固定腔上，其中拉瓦尔喷嘴与送粉器的送粉口管路连通，拉瓦尔喷嘴喷出的粉斑均落于激光扫描区内。

送粉器通过固定腔外部的粉末输送管和高温高压腔与拉瓦尔喷嘴的粉末喷射通道相连通。

所述聚光镜的镜面由一个或多个弧形镜面组成。

所述激光器为光纤激光器、半导体激光器、nd：yag1激光器或者co2激光器。

所述拉瓦尔喷嘴的中心轴位于同一平面上，并保持平面与基材的沉积面垂直，用于实现粉末粒的垂直入射；由振镜扫描部射出的激光光束的末端在基材的沉积面聚焦形成的扫描区域为一矩形区域，并位于所述拉瓦尔喷嘴的下方，光束与拉瓦尔喷嘴的中心轴所在平面呈30°夹角。

所述激光光束从分光镜中心射入，振镜扫描部均以分光镜中心轴对称分布。

实施例2如图1a、图1b、图2和图3所示，本申请提供一种扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置，包括固定机架、用于发射激光光束32的激光器2、冷喷涂系统4和扫描振镜系统3。冷喷涂系统中的固定座42具有喷嘴固定腔，多个拉瓦尔喷嘴41安装在喷嘴固定腔。扫描振镜系统中，包括安装在固定部、用于将入射的激光光束32分成两束的分光镜31、两套由反射镜33和聚光镜34组成的振镜扫描部和用于控制振镜扫描部活动的振镜控制部，其中反射镜33用于反射接收过来的发射激光光束至聚光镜34上，聚光镜34用于聚焦由反射镜33反射来反射激光光束至基材的沉积面，所述激光光束32从分光镜31中心射入，反射镜33和聚光镜34均以分光镜31中心轴对称分布。每个反射镜33和聚光镜34均由相应的反射镜驱动电机35a和聚光镜驱动电机35b控制角度，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机由电脑程序控制实现一定轨迹的扫描。冷喷涂系统4、扫描振镜系统3和激光器2由固定机架1进行固定，冷喷涂系统4与扫描振镜系统4分布在固定机架2两侧，并成30°角，激光器2固定在上端，其中心线与扫描振镜中的固定部内壁面平行，固定部为一平板。固定机架1内部空心，底部可以开放(也可装夹保护镜片)，用于扫描振镜中激光的发出。3个拉瓦尔喷嘴与基材垂直，用于实现粉末粒的垂直入射。

扫描振镜辅助超音速激光复合高速沉积装置的优选实施例一，如图4所示，基材为高速回转管材，拉瓦尔喷嘴41的分布正好贴合圆形弧面，保证粒子的垂直射入，两束激光光束32位于拉瓦尔喷嘴之间，经过振镜扫描的激光光束覆盖沉积区域，进行同步加热，形成涂层。

上述实施例中，所述基材也可以是平面，如图5a、图5b所示。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。