[发明专利]一种增强基体与激光冷喷涂涂层结合强度的矩形框预热轨迹的工艺方法和冷喷涂设备

说明书

本发明公开了一种增强基体与激光冷喷涂涂层结合强度的矩形框预热轨迹的工艺方法和冷喷涂设备，所述工艺方法包括以下步骤：固定工件，并在喷枪的前方引入矩形激光发射器，使得喷涂粉斑位于矩形激光光斑内部，激光光斑和喷涂粉斑重合，前区域激光对基体进行软化处理，中区域激光对粉斑软化，后区域激光对喷涂后的涂层顶部区域进行重熔；本发明改善了冷喷涂涂层的结合不良、顶部多孔隙等问题，提高了涂层的综合性能，并且对比电镀技术沉积速率提高了数十倍，材料利用率高，制备过程对环境无污染。

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，特别是涉及一种增强基体与激光冷喷涂涂层结合强度的矩形框预热轨迹的工艺方法和冷喷涂设备。

背景技术

随着工件的长期服役，其表面磨损严重，而对这些失效部件的处理主要是新品替换旧品，容易造成资源浪费，而对失效部件进行修复，特别是对于那些不方便拆卸和搬运的大型关键部件，能够实现现场修复是非常有意义的，以修复失效部件来减少对新品的需求量，能够节约成本，具有很高的经济效应。

冷喷涂是一种新型固态涂层制备方法，利用超音速气流获得高速粒子，通过激光照射基体软化基体组织，使高速粒子通过固态塑性变形沉积而形成涂层。这种技术可应用于金属涂层、复合涂层、非金属涂层的制备。

冷喷涂又分为激光辅助冷喷涂技术和单一冷喷涂技术。单一冷喷涂技术冷喷涂是一种基于空气动力学原理的表面喷涂工艺，其原理是利用高压气体通过缩放管产生超音速流动，携带金属粉末颗粒使其撞击基体，产生塑性变形在基体表面实现结合。在此过程中，固态颗粒被加速到300m/s以上。与其他热喷涂技术相比，冷喷涂的最大优势在于工艺温度较低，可大幅度降低颗粒氧化和分解等不良反应，其制备的涂层保持了材料原有的成分、结构和性能。冷喷涂制备的金属涂层广泛应用于航空航天、海洋船舶、轨道交通、生物医疗、电磁屏蔽、零部件修复。但是，单一冷喷涂的局限性也显而易见，由于涂层材料与基体材料不同，导致两种材料的结合情况也不同，在超音速条件下，高速粒子高速撞击基体表面，部分粒子发生反弹而无法沉积于基体表面，从而导致冷喷涂效果不佳，同时，部分沉积的粒子在基体表面并非致密堆砌，粒子间距过大，严重影响涂层性能。

激光辅助冷喷涂技术通过激光同步加热基体，软化基体，降低基体硬度，增强涂层的粘结强度，激光辅助工艺的添加使其综合优点大于各工艺独自优点的简单叠加，即达到1+1＞2的效应，从而实现传统单一工艺无法实现的材料加工过程，或实现比传统单一工艺效率更高、质量更好、性能更优的制造工艺，有望满足高效、高质量、高性能的现代先进制造技术的要求，具有广阔的应用前景。

但是，传统的激光辅助冷喷涂工艺在激光表面改性过程中只作用于基体材料的软化，并没有对涂层的性能进行进一步的改善，涂层在粒子高速冲击下，剖切方向厚度分布不均，涂层断裂分散，性能提升不是很明显，这限制了其在工业中的广泛应用。

发明内容

针对上述情况下传统的激光辅助冷喷涂存在的不足，本发明提供了一种增强基体与激光冷喷涂涂层结合强度的矩形框预热轨迹的工艺方法和冷喷涂设备，通过矩形激光光斑辐照作用能够软化基体和粉末，降低临界速度，将激光与低压冷喷涂同步耦合，提高基体与涂层的粘结强度，同时对涂层进行重熔，改善其厚度分布不均现象和涂层性能，从而提高可喷涂的材料范围、提高涂层的沉积效率。

本发明的技术方案如下：

一种增强基体与激光冷喷涂涂层结合强度的矩形框预热轨迹的工艺方法，所述方法包括以下步骤：

(1)固定工件；

所述工件可以为平板、柱状、筒状或盘状；根据工件形状、重量以及尺寸选择适合的顶针或托架配合卡盘加持；

(2)调节喷枪，使喷嘴在工件表面喷出喷涂粉斑，同时引入激光器，所述激光器通过气动导轨与喷枪连接，使得激光产生的矩形光斑与喷涂粉斑重合；