[发明专利]激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置

说明书

本发明涉及非晶喷涂技术领域，尤其涉及一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置,本发明的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，可以避免激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题；极高的冷却速度(10⁵K/s～10⁶K/s)还可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，从而得到非晶态固体；可以实时监测冷却温度，实现即时控制；冷却过程安全可靠无污染。

技术领域

本发明涉及非晶喷涂技术领域，尤其涉及一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置。

背景技术

激光表面改性技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术。激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至微秒级)被加热或熔化。激光表面改性主要包括激光硬化(激光淬火)、激光表面合金化、激光熔覆等。这些方法的目的和应用都是为了使工作面(各种钢材及铸铁零件表面)获得基材无法达到或者需要太大代价才能得到的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能，从而实现既节约成本，又满足工作要求的目的。

激光加工过程中，热量的散失主要靠金属构件的基体向外传导，随层数累加，热量的累积，其金属构件内部的温度梯度逐渐减小，这导致激光熔池的热量无法快速扩散出去，对于需要较高冷却速率的金属材料如非晶态的金属构件较高的冷却速率有利于避免形成晶态的金属构件；对于热膨胀系数较低的金属材料，增加冷却速度可以增加过冷度，而过冷度越大，形成的金属构件的晶粒越细小，构件的性能就越优异。

大块非晶合金研究热潮的兴起正是基于制备技术的突破。大块非晶合金的玻璃形成能力在以下情况会受到削弱：①多组元合金成分偏离了共晶或近共晶成分点；②原材料的纯度不够高；③在母合金熔配或者是成形过程中引入了杂质；④成形前母合金的过热度选择不合适。

因此，减少冷却凝固过程中的非均匀形核是制备大块非晶的技术关键。目前主要的制备方法为：快速凝固法、熔体急冷法、深过冷等方法。熔体急冷法是制备非晶态合金的主要方法。其基本原理是把一层薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷却基底上，从而达到快速导热、快速冷却的目的。极高的冷却速度可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，从而得到非晶态固体。快速凝固技术一般指将液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。深过冷指在尽可能消除异质晶核的前提下，使液态金属保持到液相线以下数百度，而后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法。

目前关于激光熔覆、焊接等领域增大冷却速率的技术已有报道，解决了薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿等问题，说明采用适合的冷却方式可以避免激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题，但是并不利于制备非晶态金属。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术存在的上述问题，同时为适应激光喷涂技术的快速发展，提供一种可靠、稳定、连续、可控的金属粉末激光喷涂的冷却装置。本发明是基于熔体急冷法，其基本原理是把一层薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷基底上，金属基底内通入液氮，从而达到快速导热和冷却。这种冷却装置可满足压力监控、冷却温度监控的需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，包括罐体、进液管、排放管道、泄压管道和冷却箱，所述罐体包括内层的内胆和外层的外壳，所述内胆和外壳之间形成密闭的真空腔，罐体的顶部设置有液氮注入口，所述液氮注入口通过液氮注入管道和内胆内部向连通，所述液氮注入管道的上端口设置有密封螺塞，内胆的底部开设有液氮流出口，所述液氮流出口连通有增压管，增压管和真空腔相连通，所述罐体上还设置有用于控制液氮流出口关闭或开启的增压阀，内胆内还设置有液氮排出管道，所述液氮排出管道的下端延伸至靠近内胆的底部，液氮排出管道的上端延伸至液氮注入管道的上端口且和进液管的一端相连通，