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金属表面涂层制备装置

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811539321.3国省代码:山东 37
申请(专利权)人:济南大学
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摘要:
本发明公开了一种金属表面涂层制备装置,包括:工作台,该工作台安装有工件夹具;冷喷涂设备,该冷喷涂设备的喷枪用于对工件夹具上的工件进行冷喷涂;激光器,配有镜筒和位于镜筒末端的激光头,其中镜筒配有旁路,激光头设有喷口;以及保护气气源,通过旁路连通至所述喷口,以对激光熔覆位置提供保护性气氛。依据本发明的金属表面涂层制备装置对激光与喷涂速度的匹配度要求不高,且能够实现相对较佳的涂层质量。

主权项:
1.一种金属表面涂层制备装置,其特征在于,包括:工作台,该工作台安装有工件夹具;冷喷涂设备,该冷喷涂设备的喷枪用于对工件夹具上的工件进行冷喷涂;激光器,配有镜筒和位于镜筒末端的激光头,其中镜筒配有旁路,激光头设有喷口;以及保护气气源,通过旁路连通至所述喷口,以对激光熔覆位置提供保护性气氛。


说明书

金属表面涂层制备装置

技术领域

本发明涉及一种金属表面涂层制备装置。

背景技术

常见的涂层制备方法有热喷涂、冷喷涂。热喷涂和冷喷涂都属于表面强化工艺,其
中热喷涂是将颗粒状的金属或非金属的涂层材料,以一种熔化或半熔化状态,沉积到目标
基体的表面,从而形成某种涂层材料沉积层。热喷涂是利用某种热源(如电弧、等离子喷涂
或燃烧火焰等)将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助
焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面,沉积而形成具有各种功能的
表面涂层的一种技术。热喷涂所形成涂层与基体的结合相对比较牢固,但热喷涂在没有保
护的条件下,非常容易造成涂层材料的氧化,例如铜,属于极为容易被氧化的金属。对于大
多数金属涂层材料,在颗粒度比较小,并且自体温度比较高的条件下都容易被氧化。

冷喷涂是一种金属、陶瓷喷涂工艺,但是它不同于传统热喷涂,不需要将作为喷涂
材料金属颗粒融化。冷喷涂的理论基础是:压缩空气加速金属粒子到临界速度(超音速),金
属粒子直击到基体表面后发生物理形变。金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着,整个过程
金属粒子没有被融化。有鉴于冷喷涂基于撞击所产生的变性实现金属颗粒物在基体表面的
附着,所制备涂层与基体表面的结合牢固性偏弱。

有鉴于此,针对冷喷涂在基体表面附着力偏低的问题,目前主要依靠激光熔覆工
艺,使已经附着在基体表面的涂层部分熔化,然后冷却后相对可靠地附着在基体表面。

典型地,中国专利文献CN102071419A公开了一种铌钨合金上制备高温抗氧化涂层
的方法,其首先采用冷喷涂工艺在铌钨合金基材上喷涂在形成涂层,然后将喷涂后的铌钨
合金基材用激光束辐照扫描熔化涂层,从而实现涂层在基材表面可靠的附着。然而,使涂层
熔化或部分熔化,其效果整体上与热喷涂已经非常相似,使涂层金属颗粒处于熔融的状态
下,易于使金属颗粒氧化而变性。

中国专利文献CN101153393A公开了一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法,其通
过在喷涂过程中对喷涂部位进行激光照射的方式,来降低冷喷涂的喷涂速度,实际上等于
提高了工作温度,并且冷喷涂的工作气采用惰性气体,以保护喷嘴所喷涂出的粉料。这种实
现方式实质与激光喷涂非常类似,只是工作温度比激光喷涂低,属于冷喷涂结合热喷涂的
实现方式。该种实现方式要求激光与喷涂速度有合适的匹配度,并且两者需要同时进行,整
体实现难度相对较大。

发明内容

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种金属表面涂层制备装置,该制备装置对激
光与喷涂速度的匹配度要求不高,且能够实现相对较佳的涂层质量。

依据本发明的实施例,提供一种金属表面涂层制备装置,包括:

工作台,该工作台安装有工件夹具;

冷喷涂设备,该冷喷涂设备的喷枪用于对工件夹具上的工件进行冷喷涂;

激光器,配有镜筒和位于镜筒末端的激光头,其中镜筒配有旁路,激光头设有喷口;以

保护气气源,通过旁路连通至所述喷口,以对激光熔覆位置提供保护性气氛。

上述金属表面涂层制备装置,可选地,工作台下形成容置腔;

激光器的激光发生器以及保护气气源的罐瓶位于所述容置腔内;

镜筒位于容置腔外的部分包含挠性镜筒。

可选地,镜筒为双管嵌套管式镜筒,双管中位于内部的管用于安装激光器镜组;

内管与外管间确定出连通道。

可选地,激光头围绕输出透镜均置有构成所述喷口的喷孔。

可选地,喷孔的轴线外飘,而与输出透镜的轴线呈一夹角,该夹角为15~30度。

可选地,冷喷涂设备包括:

气体发生器,用于产生工作气;

送气管,连接所述气体发生器;

前气室,连接在送气管;

送粉器,安装在前气室上,用于向前气室给料;

喷枪,设置在送气管的末端。

可选地,所述送气管具有两个支路,其中的第一支路用于安装所述前气室,第二支
路与第一支路都连通至喷枪;

其中,第二支路设有对所流通气体加热的加热器。

可选地,第一支路与第二支路分路处设有三通分配阀。

可选地,所述激光器为二氧化碳激光器。

可选地,所述喷口为拉瓦尔喷口。

相对于常规的金属表面冷喷涂设备,依据本发明实施例的金属表面制备装置,在
冷喷涂设备的基础上,提供激光器对冷喷涂后的涂层进行激光熔覆,提高涂层与基体表面
的结合力。在激光熔覆时,通过设置在激光器激光头的喷口喷出的保护性气体对熔覆位置
进行保护,同时对熔覆位置进行适当的降温,使涂层温度尽快降低,从而降低氧化量。

附图说明

图1为一实施例中金属表面涂层制备装置结构示意图。

图2为一实施例中气体分配结构示意图。

图中:1.激光发生器,2.工作台,3.镜组,4.镜筒,5.激光头,6.喷枪,7.送粉管,8.
前气室,9.送粉器,10.加热器,11.送气管,12.工件,13.氩气瓶,14.气体发生器。

具体实施方式

可以理解的是,激光熔覆工艺在冷喷涂层制备领域已经属于比较成熟的技术,激
光发生器1所产生激光通过镜筒4导出,镜筒4的固定设置部分内设置镜组3,以通过反射原
理出射激光。对于镜筒4中可动的部分,可以采用能够产生挠曲的光纤输出激光。尽管光纤
容许挠度有限,但足够满足激光头5的移动范围对镜筒4可动量的要求,毕竟激光头5的动作
范围非常简单,主要是在二维平面内的移动。

激光头5可动控制最常见的是激光雕刻机。

关于激光,其种类繁多,对于切割、雕刻、加热等应用,所应用的是激光的热效应,
普遍采用红光、红外或远红外波段的激光。

参见说明书附图1和图2所示的一种金属表面涂层制备装置,图中主要以示意的方
式表示该制备装置,图中可见,其基本结构包括工作台2、激光器部分和气体发生器14部分。

其中,工作台2,由于其主要用于涂层制备,不像激光切割器那样需要考虑落料等
附加的技术问题,结构要求相对简单。

在工作台2安装有工件夹具,以定位夹紧工件12。

可以理解的是,对于表面加工,除了回转体外,普遍采用在一个工位时对其一个方
向进行加工,如需对其他方向进行加工,则需重新装夹,以调整工位,因此,可以理解的是,
在本发明的实施例中,工件12属于此类应用,以满足在一个定位状态时,能够对工件12的一
个方向进行涂覆即可。

同样地,关于冷喷涂设备,也属于比较成熟的设备,尽管其比传统的热喷涂设备出
现晚,但也相对比较成熟,并且针对冷喷涂设备所制备涂层与基体表面,如工件12给定的表
面结合力不足的问题,当前也存在着多种处理工艺,如激光熔覆技术。

冷喷涂设备的喷枪6在工作台2的上方,并且基于例如二轴或者三轴机构控制喷枪
6对工件12目标表面进行冷喷涂。

如果只是对简单的平面进行喷涂,可以仅仅使用二轴驱动机构控制喷枪6,对于较
为复杂的轮廓面,可以使用五轴驱动总成控制喷枪6。

在本发明的实施例中所配激光器的激光发生器1与现有技术中的激光发生器1可
以完全一样,激光器所配镜筒4的末端配置激光头5。区别于现有技术,镜筒4配有旁路,激光
头5设有喷口,相应地,旁路的末端构造出所述喷口。

提供保护气气源,对于保护气气源,在本领域的全称是保护气气源设备,简称保护
气气源。保护气气源通过旁路连通至所述喷口,在激光器对涂层进行熔覆时,提供保护性气
氛。

保护气采用惰性气体,例如氮气或者氩气。

保护性气氛不以静态的方式提供,在于在制备涂层时不是在密闭的空间里进行制
备,工作环境是一个开放的环境,通过流动的气体将涂覆区域附近的空气推挤开,从而形成
一个相对的保护性环境。

保护性气氛由保护气气源的流动气体所提供,能够加速涂层的冷却,从而降低涂
层在相对高温区时的时间。

可以理解的是,由于熔覆条件下的涂层与周围环境存在较大的温阶,在流动性气
体条件下,有利于快速冷却。

为方便操作,工作台2普遍具备一定的高度,为充分利用工作台2下的空间,在工作
台2构造出箱体结构,箱体内空间记为容置腔,该容置腔用于安装激光器的主体部分,还可
以把保护气气源设备放置在容置腔内。

如前所述,镜筒4位于容置腔外的部分包含挠性镜筒,以满足激光头5对自由度的
要求。

一般而言,镜筒4位于容置腔外的部分多采用例如金属波纹管,用于导出激光的部
分为装入金属波纹管的光纤束。

在一些实施例中,利用例如金属波纹管与光纤束之间的间隙构成连通道,用于旁
路与喷口的连通,但在更多应用中,金属保温管与光纤束之间结合比较紧密。因此,在优选
的实施例中,镜筒4采用双管嵌套管式镜筒,如此一来,双管中的内管,即位于内部的管用于
安装激光器镜组,不影响例如光纤束在镜筒4中的集成。

进而,内管与外管间确定出连通道,用于旁路与喷口的连通。

可以理解的是,受例如镜组、光纤束的影响,喷口不可能设置在输出透镜上,但可
以设置在输出透镜的外围,例如镜筒4采用单管结构时的作为镜组3壳体的管体上。

当采用内外管嵌套结构时,输出镜头处,即激光头5处会有相对较大的端头空间,
从而激光头5围绕输出透镜均置有构成所述喷口的喷孔,这些喷孔不直接影响熔覆位置,而
是围绕熔覆位置,不会直接影响激光的热效应,但位于激光头5行进方向后侧的喷孔在构件
保护性气氛的条件下,还可以对熔覆过的涂层部分冷却。

在优选的实施例中,喷孔的轴线外飘,即向下向外倾斜,从而与输出透镜的轴线呈
一夹角,该夹角为15~30度,保护性形成一个向下逐渐扩大的锥形射流,冲击到涂层表面向
外蔓延,对熔覆位置的激光热效应影响较小,并且有利于熔覆后的涂层部分的快速冷却。

对于冷喷涂设备包括:

气体发生器14,用于产生工作气,工作气一般是氮气,直接由氮气罐作为气源,通过减
压阀供气。

送气管11,连接所述气体发生器14。

前气室8,连接在送气管11。

送粉器9,安装在前气室8上,用于向前气室8给料。关于送粉器9,可以利用重力送
料,不过在优选的实施例中采用螺旋送料器送料,送料精度高。

喷枪6,设置在送气管11的末端。

一般而言,冷喷涂设备只有一根管,在图1和2所示的结构中,采用并联的两根管,
记为第一支路和第二支路,两条支路通过总管连接到气体发生器14,第一支路用于安装所
述前气室8,使用部分气体用于送粉,第二支路与第一支路都连通至喷枪6,第二支路主要提
供工作气体,该种结构有利于控制送粉量,从而能够有效的控制冷喷涂质量。

进一步地,第二支路设有对所流通气体加热的加热器10。

关于冷喷涂,在背景技术中已经进行了说明,冷喷涂是相对于热喷涂而言的喷涂
工艺,其仍然需要对粉料进行加热,只是加热的目标温度相对较低。在本发明的实施例中,
送粉和加热分开,在喷枪6处进行混合,能够提高喷涂质量。

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图1
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