一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂的方法及装置的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及零件加工再制造技术领域，尤其涉及一种利用激光诱导的冲击波助推 微粒高速撞向工件，在其表面形成涂层的方法及装置，特别适用于定向、长距离的高速喷 涂。
【背景技术】：
[0002] 随着科学技术的发展，人们提出了许多推动物体前进的方法，如激光推进、电磁场 推进、核反应推进等。其中激光推进方式在许多性能指标上优于其它方式，而且在技术上又 比较容易实现。激光推进有两种模式：一种为"大气呼吸模式"；另外一种为"烧蚀模式"。 大气呼吸模式是指激光脉冲经光学系统击穿大气中的空气产生等离子爆炸气团，推动物体 前进。烧蚀模式是指激光烧蚀材料表面而产生高压等离子体为推动力，推动物体前进。如 1997年，美国宇航局和美国空军在新墨西哥州的沙漠里进行了激光推进火箭飞行联合实 验。其利用高强度的激光辐照推进剂产生瞬态的高温高压高密度等离子体，等离子体迅速 膨胀，推动火箭模型上升20米。中国专利CN102513696A提出利用激光辐照在飞片表面上， 飞片被激光烧蚀而产生GPa量级冲击波，而高压冲击波驱动残余飞片撞向弹性软膜，弹性 软模将形变力作用在靶材工件上，使靶材工件发生塑性变形。目前，脉冲激光辐照在材料表 面诱导的高压冲击波在材料加工中已得到广泛的应用，如利用激光驱动冲击波直接对材料 进行冲击加载，实现零件表面强化和薄板成形等。
[0003] 用外力驱动熔融的粒子涂覆于基体表面的喷涂技术已得到一定的应用，如火焰喷 涂、超音速喷涂等。它可以在零件表面制造一个特殊的新的工作表面，其涂覆层材料的成分 可以与母体完全不同，机械性能优于母体，以实现对零件预保护，从而延长其使用寿命，充 分发挥机械产品的经济效益。已有的研宄结果和工程实践表明，涂层质量与喷涂工艺、喷涂 粉末粒度、喷涂距离等因素有关，尤其是喷涂物质粒子喷涂到基体的速度对涂层的性能影 响最大。粒子喷涂到工件表面的速度越大，对基体的撞击作用越强，粒子变形越充分，从而 增大涂层与基体的结合强度，降低涂层孔隙率。同时粒子的飞行速度越高，涂层的残余压应 力越大，这是由于基体表面的压应变与喷涂颗粒的飞行速度成正比。
[0004] 用冲击波来驱动粒子的爆炸喷涂已开始得到应用，它是以爆炸瞬间释放的热能将 喷涂材料加热熔融，并使其沉积到工件表面形成涂层的工艺方法。常用爆炸喷涂时所使用 的气体压力分别为：〇 2:〇· 1-0. 2MPa，C2H2:0. 05-0.1 MPa，Ν2:0· 02-0. 06MPa，这些气体混合物 所得到的爆轰波压力值在几 MPa到几十MPa范围内。与火焰喷涂、等离子喷涂等喷涂技术 相比，粒子的喷射速度已经得到很大的提高，能够达到760-1200m/s，因此涂层质量有了较 大的改善：与基体的结合强度较高、涂层致密度高、空隙率较低。该技术已开始应用于航空 航天及核工业等领域。但该技术存在爆炸的参数难以控制，安全性差，噪声大等不足，需要 在专用隔音室中进行，而且由于间歇性操作，导致喷涂效率低。
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂的方法及装置。本 发明所提供的一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂方法具体步骤如下：
[0006] (1)首先利用上下对称设置的电极27之间产生的高温电弧加热熔化作为喷涂材 料的喷涂丝26成熔滴脱落，脱落的熔滴被雾化气体雾化成微滴流30,并在所述雾化气体推 动下，所述微滴流30低速飞行离开电弧区。
[0007] (2)由激光发生器1发出脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/ cm2量级的主激光脉冲束2,所述主激光脉冲束2经导光分光系统被分成四束光学特征完全 相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以 及第四分激光脉冲束11，所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲 束10以及第四分激光脉冲束11同时辐照于所述微滴流30表面上，所述微滴流30的外侧部 分吸收激光能量，瞬间气化和电离，形成高压等离子体29,所述高压等离子体29继续吸收 激光能量膨胀爆炸形成GPa量级的高压冲击波，所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲 束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11均与水平轴线呈一定角度，在微滴流 30表面产生冲击波的压力场相互叠加，使沿着水平轴线方向的压力最大；所述高压冲击波 将所述微滴流30再次雾化成更为细小的微粒流，使所述微粒流以近似直线的形式高速喷 射到工件32表面，在所述工件32表面凝固、堆积而形成高致密度和高结合强度的涂层31。
[0008] (3)当喷涂的涂层厚度较厚时，需在某一位置重复实施多次喷涂，直至厚度满足要 求为止；多次喷涂时，由计算机37再次发出指令，通过控制器38控制所述激光发生器1发 出主激光脉冲束2的脉冲个数及相邻脉冲的时间间隔，所述主激光脉冲束2的脉冲个数决 定了喷涂的次数，相邻的主激光脉冲束2时间间隔由所述喷涂丝26形成金属熔滴的时间决 定。
[0009] (4)当工件32需要大面积喷涂和对形状不规则的零件喷涂时，将五轴工作台34上 下、左右移动和转动，改变所述工件32的位置，在新的位置上进行喷涂，渐进完成大面积和 对特殊形状的喷涂，直至所述工件32表面达到要求为止。
[0010] (5)喷涂完毕后，先关闭电源21和停止通入雾化气体，待所述工件32冷却后，再打 开喷射室28的活动窗口将工件取出。
[0011] 在喷涂的同时，第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10 以及第四分激光脉冲束11的部分激光脉冲束辐照在已沉积的涂层31坯上，并在其表面气 化、电离产生高压冲击波，使已沉积的涂层31坯表层材料在短时间内发生塑性变形，并诱 导产生高幅残余压应力场，实现了一边喷涂，一边冲击压制，得到的涂层31不仅与工件32 的结合强度好、孔隙率低，而且在整个厚度方向上都分布着残余压应力，从而大幅度提高涂 层31的抗疲劳能力。
[0012] 本发明所提供的一种基于激光冲击波技术定向超高速喷涂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、回收系统以及控制系统。
[0013] 所述导光分光系统包括第一分光镜3、第二分光镜4、第三分光镜5、第一全反镜6、 第二全反镜7、第三全反镜12、第四全反镜13、第五全反镜14、第六全反镜15、第一聚焦透镜 16、第二聚焦透镜17、第三聚焦透镜18、第四聚焦透镜19 ;所述主激光脉冲束2经过所述第 一分光镜3、第二分光镜4、第三分光镜5以及所述第一全反镜6、第二全反镜7、第三全反镜 12、第四全反镜13、第五全反镜14、第六全反镜15后被分成四束完全相同的所述第一分激 光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11，所述第 一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11 的能量分别为入射的所述主激光脉冲束2的四分之一，所述第一分激光脉冲束8、第二分激 光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11的其它参数与所述主激光脉 冲束2完全相同；所述第三全反镜12以及第六全反镜15分别位于空间的上下两侧，所述第 四全反镜13以及第五全反镜14分别位于空间的前后两侧，所述第一分光镜3、第二分光镜 4、第三分光镜5的角度可调；所述第一分激光脉冲束8以及第四分激光脉冲束11分别经所 述第三全反镜12以及第六全反镜15后，分别发生斜向下和向上偏转，所述第二分激光脉冲 束9、第三分激光脉冲束10分别经所述第四全反镜13以及第五全反镜14后，分别发生斜 向前和向后偏转；所述第三全反镜12、第四全反镜13、第五全反镜14、第六全反镜15的位 置可调，并可以通过改变其倾斜的角度来调整所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束 9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11发生偏转的角度，以保证所述第一分激 光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11分别经 所述第一聚焦透镜16、第二聚焦透镜17、第三聚焦透镜18、第四聚焦透镜19能同时聚焦于 喷涂区的微滴流上；所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、第三分激光脉冲束10 以及第四分激光脉冲束11经过所述第三全反镜12、第四全反镜13、第五全反镜14、第六全 反镜15后均与水平轴线呈5° -15°角。所述第一分激光脉冲束8、第二分激光脉冲束9、 第三分激光脉冲束10以及第四分激光脉冲束11在微滴流表面分别诱导产生激光冲击波， 产生的四个压力场相互叠加，使沿着水平轴线方向的压力最大，推动微粒流30以近似直线 方式向外喷射。
[0014] 所述电弧制液系统包括进气管20、电源21、电动机22、减速器23、滚轮24、丝 盘25、喷涂丝26以及电极27 ;利用控制器38分别控制位于上下两侧的电动机22带动减 速器23和滚轮24转动，将喷涂丝26连续均匀的送进电极27内；所述喷涂丝26的直径 为0. 8-2mm，所述喷涂丝26卷绕在上下对称设置的所述丝盘25上，所述喷涂丝26在所述 滚轮24的推动下同步穿过所述电极27 ;所述电极27通过导线与电源21电连接，所述电 极27的角度保持在30° -60°之间，电极27的电弧工作电压为15-25V，电弧工作电流为 100-300A ;所述进气管20放置在所述电极27中间并对着喷涂区，所述雾化气体的压力为 0. 05-0.1 MPa0
[0015] 所述工件夹具系统包括喷射室28、工件32、夹具33、五轴工作台34 ;所述工件32