气管；9:电源；10:电动机；11:减速器；12:滚轮；13:丝盘；14:金属喷涂丝；15:电极；16:侧板；17:高温高压等离子体；18:等离子喷枪；19:微粒流；20:软质材料涂层；21:硬质材料涂层；22:工件；23:夹具；24:五轴工作台；25:回收槽；26:计算机；27:控制器。
【具体实施方式】
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[0024]本实施例提供一种激光冲击波驱动Al粒子嵌入WC-Co硬质材料涂层中的制备方法及装置。
[0025]发明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。其中导光分光系统包括导光管2、主激光脉冲束3、冲击头4、光学模板5、凸透镜6、凹透镜7以及侧板16 ;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、金属喷涂丝14、电极15、侧板16 ;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以及回收槽25 ;控制系统包括计算机26和控制器27。
[0026]喷涂前，对工件22进行去油、喷砂、清洗和预热处理，然后以WC-Co粉末为原料，利用等离子喷枪18产生高温、高速的等离子弧将熔融的WC-Co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。当热态的硬质材料涂层21的厚度在达到要求后，关闭等离子喷枪18。
[0027]紧接着计算机26通过控制器27控制电动机10带动减速器11以及滚轮12转动，将铝材(Al)制成的喷涂丝14连续、均匀地送进电极15内，金属喷涂丝14的直径为2mm，电弧的工作电压为20V，工作电流为120A。当金属喷涂丝14被送进电极15端部接触的瞬间，发生短路而产生高温电弧。高温电弧加热熔化金属喷涂丝14成熔融状态，熔滴在其重力作用下脱落母体。同时在电弧区的左侧通入压力较低的雾化气体，气体压力为0.05MPa。熔滴在雾化气体的作用下被雾化成微粒流19，在雾化气体的推动下低速飞行而离开弧区。
[0028]根据金属喷涂丝14形成金属熔滴的时间，控制器27控制激光发生器I产生主激光脉冲束3时间。主激光脉冲束3的参数为脉宽为ns量级、脉冲的能量为2-100J，功率密度为GW/cm2量级。选用透光孔径为0.15mm的光学模板5，入射的主激光脉冲束3经光学模板5后被分成多束分激光脉冲束，多束分激光脉冲束经凸透镜6折射会聚，再经凹透镜7折射后平行射出并辐照在已雾化的微粒流19上，微粒流19部分被烧蚀、气化，产生高温高压等离子体17，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，冲击波驱动软质材料的铝的微粒高速嵌入到由WC-Co形成的热态的硬质材料涂层21中。
[0029]在完成一次嵌入软质材料的微粒后，控制器27控制电动机10带动减速器11和滚轮12转动，连续地将金属喷涂丝14送进电极15内，产生的高温电弧融化金属喷涂丝14成熔滴，进气管8内一直通入雾化气。同时控制器27继续控制激光发生器I产生主激光脉冲束3，主激光脉冲束3被分成多束分激光脉冲束与微粒流19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热态的硬质材料涂层21中，完成第二次嵌入。连续多次将软质材料的微粒嵌入到热态的硬质材料涂层21中得到软质材料涂层20。材料凝固和冷却后，硬质材料涂层21中均匀分布着少量软质材料涂层20。
[0030]当硬质材料涂层21需要在较大范围内嵌入软质材料的微粒时，通过控制器27控制五轴工作台24上下、左右移动和转动，改变工件22的位置。重复高温电弧熔化喷涂丝、冲击波驱动软质材料的微粒嵌入热态的硬质材料涂层21中的过程，直至整个硬质材料涂层21均达到要求为止。喷涂完毕后，关闭电弧制液系统和激光发生器1，待工件22和涂层冷却后，再将工件22从夹具23上取下来。
【主权项】
1.一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备方法，其特征在于该方法具体步骤如下: (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，关闭所述等离子喷枪(18); (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； (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； (4)控制器(27)控制电动机(10)带动减速器(11)以及滚轮(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); (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，重复所述步骤(4)，直至所述硬质材料涂层(21)表面达到要求为止。
2.—种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括激光发生器(I)、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⑷、光学模板(5)、凸透镜(6)、凹透镜(7)、侧板(16)，所述导光管⑵的一端连所述激光发生器(I)，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；所述电弧制液系统包括进气管⑶、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，将所述喷涂丝(14)连续均匀地送进所述电极(15)内，所述电极(15)通过导线与电源(9)连接，所述电极(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0.05-0.1MPa;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)，所述等离子喷枪(18)放置在所述工件(22)的左侧斜上方，所述等离子喷枪(18)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)，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；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所述激光发生器(I)、等离子喷枪(18)、电动机(10)以及五轴工作台(24)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光冲击波技术耐磨涂层制备的方法及装置，涉及零件再制造技术领域。本发明方法首先将待喷涂工件表面清洗、去油、喷砂和预热处理后，利用等离子喷涂的方法在工件表面上得到厚度满足要求的热态的硬质材料涂层后，紧接着利用激光冲击波在已形成的热态的硬质材料涂层中连续多次嵌入软质材料的微粒，材料凝固和冷却后，硬质材料涂层中均匀分布着少量软质材料涂层。本发明装置包括激光发生器、导光分光系统、电弧制液系统、工件夹具系统以及控制系统。本发明方法所制备的涂层硬度高、摩擦系数小、磨损率低，本发明装置具有操作方便、成本低以及效率高的特点。
【IPC分类】C23C4-12
【公开号】CN104711505
【申请号】CN201510093093
【发明人】张兴权, 章艳, 余晓流, 时礼平, 童宝宏, 周煜, 邬宗鹏, 陈刚
【申请人】安徽工业大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月2日