一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备的方法及装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]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。
【背景技术】
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[0002]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。
[0003]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。
【发明内容】
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[0004]本发明针对现有涂层制备中存在的技术问题，提供一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备的方法及装置。
[0005]本发明所提供的一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备方法具体步骤如下:
[0006]1、将待喷涂的工件22的表面清洗、去油、喷砂和预热处理后，首先利用等离子喷枪18将硬度较高的粉末喷涂到已处理的工件22表面上，得到厚度满足要求的热态的硬质材料涂层21后，关闭等尚子喂■枪18。
[0007]2、利用两个对称设置的电极15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14至熔滴脱落，脱落的熔滴被雾化气体雾化成微粒流19，所述微粒流19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8进入电弧区。
[0008]3、通过激光发生器I发出脉宽为ns量级、功率密度为GW/cm2量级的主激光脉冲束3，所述主激光脉冲束3通过光学模板5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19上，所述微粒流19部分被烧蚀、气化，产生高温高压等离子体17，所述高温高压等离子体17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21中，完成第一次软质材料的嵌入。
[0009]4、控制器27控制电动机10带动减速器11和滚轮12转动，将所述金属喷涂丝14送进两个对称设置的电极15之间，所述电极15之间产生的高温电弧融化所述金属喷涂丝14成熔滴，并被雾化气雾化成微粒流19，所述控制器27控制所述激光发生器I继续产生所述主激光脉冲束3，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21中，完成第二次嵌入，连续多次嵌入后得到软质材料涂层20 ;材料凝固和冷却后，软质材料涂层20均匀分布在所述硬质材料涂层21中。
[0010]5、当所述热态的硬质材料涂层21需要在较大范围内嵌入软质材料微粒时，所述控制器27控制工作台24带动所述工件22移动，改变所述工件22的位置，重复步骤4，直至所述硬质材料涂层21表面达到要求为止。
[0011]本发明所提供的一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备装置包括激光发生器1、导光分光系统、电弧制液系统、工件夹具系统、控制系统；所述导光分光系统包括导光管2、冲击头4、光学模板5、凸透镜6、凹透镜7、侧板16，所述导光管2的一端连所述激光发生器1，所述导光管2的另一端连接冲击头4，所述冲击头4内设有光学模板5和凸透镜6，所述光学模板5放置在所述凸透镜6前面，所述光学模板5由不透光的材料制成，所述光学模板5上均匀分布着透光孔，所述透光孔的孔径能够小至几个微米，所述凹透镜7安装在所述侧板16的通孔中。所述主激光脉冲束3穿过光学模板5上的透光孔被分成多束均匀分布的分激光脉冲束，多束分激光脉冲束经凸透镜6折射会聚，会聚的分激光脉冲束再经凹透镜7折射后平行射出；所述光学模板5上透光孔孔径的大小和透光孔的数量决定了软质材料涂层20占整个涂层体积的百分比，其体积百分比控制在1% _5%。
[0012]所述电弧制液系统包括进气管8、电源9、电动机10、减速器11、滚轮12、丝盘13、喷涂丝14、电极15以及侧板16，所述喷涂丝14材料的硬度要低于硬质材料的硬度100HB以上，直径为0.8-2mm，所述金属喷涂丝14卷绕在上下对称设置的所述丝盘13上，利用所述控制器27分别控制位于上下两侧的电动机10带动减速器11和滚轮12转动，将金属喷涂丝14连续均匀的送进电极15内；所述电极15通过导线与电源9连接，电极15固定在所述侧板16的上下两侧，所述电极15的角度保持在30° -60°之间，所述电极15的电弧工作电压为15-25V，电弧工作电流为100-300A ;所述进气管8分别固定在所述侧板16的上下两侧并对着喷涂区；所述雾化气体为压缩气体，气体压力为0.05-0.1MPa0
[0013]所述工件夹具系统包括等离子喷枪18、工件22、夹具23、五轴工作台24、回收槽25 ;所述等尚子喷枪18放置在所述工件22的左侧斜上方，所述等尚子喷枪18的出口处轴线与水平线的夹角为70° -80°，所述等离子喷枪18的枪口对着所述工件22，等离子喷枪18产生高温、高速的等离子弧将熔融的等离子喷涂粉末喷射到已处理的工件22表面上，得到热态的硬质材料涂层21 ;所述的硬质材料的涂层21在热态下有利于软质材料的微粒嵌入；所述工件22固定在所述夹具23上，所述夹具23固定在所述五轴工作台24上，所述五轴工作台24能够上下、左右移动和转动；所述回收槽25放置在所述五轴工作台24的下方，在自身重力作用下，那些未被充分雾化直径较大、速度较低的熔滴将自动落到所述的回收槽25中。
[0014]所述控制系统包括计算机26和控制器27，控制信息由所述计算机26输出传递给所述控制器27，所述控制器27通过数据线分别连接激光发生器1、等离子喷枪18、电动机10以及五轴工作台24，控制器27用于控制激光发生器I发出的主激光脉冲束3的参数、脉冲数以及相邻脉冲的时间间隔，控制等离子喷枪18形成高温、高速等离子弧的强度，控制电动机10的转速以控制送丝的速度，控制五轴工作台24的移动和转动及工件22的位置。
[0015]本发明具有以下技术特点:
[0016]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。这样在涂层中形成了以大面积硬质材料涂层起着支撑、少量凹坑含有润滑油的良好工作状况，从而大大降低涂层的摩擦系数和磨损率。
[0017]2、涂层中的软质材料的质点数量可以精确控制。根据零件接触应力的大小等工况，通过改变光学模板上透光孔径的大小和数目多少，以控制分激光脉冲束诱导的激光冲击波作用的范围来控制软质材料嵌入数量的多少，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。
[0018]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，从而可以较好的解决由于硬质材料涂层抗塑性变形能力较差，导致涂层破损失效的问题，使涂层不仅有良好的耐磨性，而且具有一定的韧性和塑性变形能力，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。
[0019]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，属于增材的加工方法，而非减材的加工方法，从而有利于增加涂层的密实度、降低涂层的孔隙率。且在软质材料的微粒嵌入硬质材料涂层过程中，其周围的硬质材料涂层材料受压缩，压缩的材料试图恢复原来形状，从而产生对涂层疲劳寿命有益的残余压应力。
[0020]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，它比爆炸喷涂的压力高出2-3个数量级，从而使硬度较低的软质材料的微粒的嵌入速度高，完成单次嵌入的时间仅为几十ns，嵌入软质材料的效率高。
【附图说明】
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[0021]图1为本发明装置结构示意图；
[0022]图2为本发明中硬质材料涂层中的多个位置分布的软质材料涂层的结构放大示意图。
[0023]图中:1:激光发生器；2:导光管；3:主激光脉冲束；4:冲击头；5:光学模板；6:凸透镜；7:凹透镜；8:进