本發明屬于零件再制造技術領域，具體涉及一種基于激光加工技術制備熱噴涂涂層的方法和裝置。本方法首先采用激光沖擊的方法在待噴涂的工件表面形成微凹坑，再使用激光熔化噴涂絲的方法在沖擊處理后的工件表面形成涂層。使用該方法提高了涂層與基體界面的結合強度，提高了涂層的質量，從而大大延長了工件的使用壽命。

背景技術：
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涂層是涂覆在工件表面的一薄層物質，起著隔熱、防腐和抗磨損等作用。熱噴涂涂層在使用過程中的多種失效形式，如涂層的層離、脫落、開裂等，都和涂層與基體的結合力以及殘余應力狀態有關。影響涂層與工件表面的結合力主要因素有：工件表面狀態、結合面積、殘余應力等。工件表面狀態包括表面的清潔度和表面粗糙度，表面的油污、銹跡和氧化物都會降低涂層質量和結合強度。在熱噴涂過程中，由于涂層和工件基材間熱物理性能的差異及高溫急冷急熱等原因，得到的涂層中會形成殘余拉應力，拉應力的存在對涂層的使用性能是非常有害的，過大的拉應力不僅會導致涂層開裂，還會使涂層從基體上剝落下來。為了增大涂層與基體的結合力，有效地提高涂層的性能和使用壽命。在噴涂前，對工件表面進行粗化處理預處理，增大其表面的不平度，從而增加涂層與基體的結合面積，使噴涂顆粒形成交疊連鎖狀態，以增強結合力。目前，待噴涂工件表面粗化處理主要方法有噴砂、電火花拉毛等。

噴砂處理是把砂粒或磨料定向噴射到待噴涂的工件表面，通過磨料的沖刷、鑿削和錘擊作用，使得工件表面粗化。噴砂的操作產生較大的粉塵和噪聲，對環境污染較大；噴砂的強度不易控制，沙粒大小不一致，得到的凹坑深度不一致，容易導致表面粗糙度難以符合要求，深坑還會導致應力集中，產生有害的殘余拉應力，使涂層的疲勞特性降低，特別是帶有尖角的異型沙粒對工件表面損傷更大，嚴重地損害了涂層質量。

電火花拉毛粗化是在工件表面凈化后，用鎳(或鋁)片或絲束作電極，以工件表面作為另一電極，用手工電弧焊進行輕微焊接，在工件表面形成粗糙的薄焊層而達到粗化目的。雖然電火花拉毛粗化處理的設備簡單，操作簡便，但其手工操作效率較低，在焊接放電的毛化的過程中會形成拉應力，降低工件的抗疲勞性能。

熱噴涂是借助某種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態或半熔融狀態，再通過高速氣流使之霧化，并以一定速度噴射和沉積到工件表面，形成具有各種功能的覆蓋層的一種表面工程技術。目前主要的熱噴涂方法有火焰線材噴涂、電弧噴涂等。

火焰線材噴涂是較早出現的噴涂方法，其噴涂原理是以合適的速度將線材送入燃燒的火焰中，受熱的線材端部熔化，并由壓縮空氣對熔流噴射霧化、加速，然后噴射到工件表面形成涂層。該噴涂方法由于熔融微粒所攜帶的熱量不足，致使涂層與工件表面以機械結合為主，結合強度偏低；另外，線材的熔斷、噴射不均勻造成涂層的組織不均勻，使得噴涂層的組織疏松、多孔，涂層內部的應力較大。

電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，輸送直流或交流電，利用絲材端部產生的電弧作熱源來熔化金屬，用壓縮氣流霧化熔滴并噴射到基材表面形成涂層。電弧噴涂只能噴涂導電材料，在線材的熔斷處產生積垢，使噴涂顆粒大小懸殊，涂層質地不均；另外，由于電弧熱源溫度高，造成元素的燒損量比采用火焰噴涂大，易導致涂層硬度有所下降。

技術實現要素：
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本發明針對現有技術存在的上述技術問題，提供一種基于激光加工技術制備涂層的方法和裝置。本發明所述提供的一種基于激光加工技術制備涂層的方法具體步驟如下：

(1)在干燥潔凈的工件11待噴涂的表面涂覆厚度0.05mm的黑色有機物，作為吸收層。再將工件11固定在工作臺12上，開啟水噴頭17的水閥18，在工件11待噴涂的表面形成2mm厚的流動水層，水流速度為2～5m/s；激光脈沖束7經過聚焦透鏡33后會聚，通過工作臺12及聚焦透鏡33的上下運動，在工件11表面形成直徑為0.2～1.5mm的光斑，功率密度為GW/cm²的激光脈沖束7穿過流動的水層照射到工件11待處理表面的吸收層上，吸收層吸收激光能量后氣化、電離，形成高溫高壓等離子體，等離子體在極短時間內膨脹，并受到水層的約束作用，產生GPa量級的沖擊波。沖擊波使工件11表面發生塑性變形，產生殘余壓應力和塑性變形的微凹坑；移動工作臺12，在工件11待處理表面的另一位置產生塑性的沖擊凹坑和殘余壓應力，工作臺12移動的速度由激光脈沖束7的頻率和相鄰沖擊坑的距離確定，因此在待噴涂的工件11表面產生呈現一定密度點陣分布的凹坑。

(2)開啟儲氣罐5的氣閥9，使壓力為0.5-1.5MPa的保護氣體進入噴槍8內，并調節水閥18的開合度，使水流速度在30m/s以上，通過氣體和高壓水流共同沖刷和沖洗，清除工件11表面殘余的未被燒蝕的吸收層，隨后關閉水閥18，等氣體吹干工件11待噴涂的表面后，移動聚焦透鏡的底座39，調節聚焦透鏡33位置，使激光脈沖束7聚焦在左右對稱設置的噴涂絲15交匯的位置上，噴涂絲15由送絲電機20帶動減速器19通過送絲滾輪14送入，調整激光脈沖束7的脈沖能量，使其功率密度為10⁴～10⁶W/cm²，噴涂絲15被激光脈沖束7輻照后，迅速熔化為液態熔滴，高壓保護氣將液態熔滴迅速霧化成顆粒，形成高速運動的粒子流10撞擊工件11表面，在表面形成涂層21，實現一次噴涂。通過工作臺12的水平面運動進行多次噴涂，從而完成工件11整個表面的噴涂。

本發明提供一種基于激光加工技術制備涂層的裝置，該裝置包括激光發生器1、導光及調焦系統、控制系統、儲氣系統、噴水系統、工件裝夾系統及送絲系統；所述激光發生器1能夠發出短脈沖激光和連續激光；所述導光及調焦系統包括全反鏡6、聚焦透鏡33、底座39、上固定板32、雙頭螺柱41、帶臺肩雙頭螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三墊片31、第四墊片34、開合螺母36、絲杠13、電機27、電機安裝支架24、螺栓25、第二墊片26及電機底座28；所述聚焦透鏡33放入底座39中，通過上固定板32與底座39的螺紋連接，將聚焦透鏡33固定在底座39上，所述帶臺肩雙頭螺柱29的一端通過螺紋與所述底座39連接，通過第二螺母38和第三墊片31擰緊，所述帶臺肩雙頭螺柱29的另一端設有第一薄螺母30和第二薄螺母37，第一薄螺母30和第二薄螺母37依靠它們之間的摩擦力相互并緊并使它們位置固定，噴槍8壁與帶臺肩雙頭螺柱29的臺肩及第二薄螺母37之間留有間隙，使帶臺肩雙頭螺柱29能夠上下自由運動；雙頭螺柱41的一端通過螺紋與底座39連接，通過第三螺母40和第四墊片34擰緊，雙頭螺柱41的另一端通過螺紋連接著開合螺母36，并通過第一螺母35擰緊固定，絲杠13與開合螺母36螺紋連接，絲杠13的另一端與電機27連接并受它驅動，電機底座28通過螺栓25和第二墊片26將電機27固定在直角狀的電機安裝支架24上，電機安裝支架24通過螺釘23和第一墊片22固定在噴槍8壁上，聚焦透鏡33的位置通過電機27和絲杠13轉動驅動開合螺母36的上下移動來調節。

所述儲氣系統包括儲氣罐5、氣閥9及導氣管4；導氣管4的一端連接儲氣罐5，導氣管4的另一端通過氣閥9連接噴槍8，氣閥9開啟后，保護氣由儲氣罐5經導氣管4進入噴槍8內。

所述噴水系統由水噴頭17、水閥18及連接它們的水管組成；所述噴水系統設置在工作臺12的上方。

所述送絲系統包括左右對稱的送絲電機20、減速器19、噴涂絲15、送絲滾輪14及絲盤16；送絲電機20開啟后，輸出的轉速經減速器19降速后，帶動送絲滾輪14轉動，將繞在絲盤16中的噴涂絲15向前移動，實現送絲。

所述工件裝夾系統包括噴槍8、工件11及工作臺12，噴槍8位于工作臺12的正上方，且兩側開有窄槽，便于帶臺肩雙頭螺柱29和雙頭螺柱41通過，工件11固定在工作臺12上，并隨同工作臺12一起運動。

所述控制系統包括計算機2和控制器3；控制器3信息由計算機2輸入，控制激光發生器1的發出的激光脈沖束7的頻率和能量，控制工作臺12移動的方向和速度，控制送絲電機20和電機27的轉速及轉數，控制水閥18和氣閥9的開關及開合度的大小。

本發明具有以下技術特點：

1、利用激光沖擊進行工件表面預處理，由于激光參數精確可控，光斑直徑尺寸可以精確到微米量級，在預處理時可以根據要求產生塑性的凹坑，而且凹坑的大小和深度以及凹坑的分布密度可以控制，不會對工件表面產生劃傷，從而有效地控制基材表面粗糙度，增大涂層與基體的結合面積。

2、利用激光沖擊對工件表面進行預處理，在工件表面發生塑性變形，形成了一定厚度分布的殘余壓應力層，能夠有效地抵消在熱噴涂形成涂層的過程產生的殘余拉應力，能大大降低殘余拉應力對涂層質量的危害。

3、激光沖擊作為預處理的手段，能夠細化工件表層的晶粒。在熱噴涂時，基體表層細化的晶粒受熱長大，但成才的速度變緩，降低了熱噴涂過程中基體晶粒粗大的傾向，提高了涂層的質量。

4、采用激光對線材加熱，由于激光輸出的能量精確可控，光斑的大小精確可調。因此線材的加熱位置精確可調，加熱的溫度精確可控。既可實現粗大的線材加熱，也可實現微細的線材加熱，實現精細化操作；既可實現高熔點材料的加熱，也可實現低熔點材料的加熱，具有較大的加工的柔性。

5、本發明采用激光加工技術將預處理和噴涂工序等多個工序集中起來，代替了繁瑣的表面噴砂粗化處理工序再噴涂，不僅裝置簡單，操作簡單方便，容易實現自動化生產，而且可以精確控制，加工速度快，大大提高噴涂的加工效率。

附圖說明：

圖1是本發明裝置結構示意圖；

圖2是圖1中I局部放大結構示意圖；

圖3是圖1中Ⅱ局部放大結構示意圖；

圖4是圖3中A-A向剖視結構示意圖圖。

圖中：1：激光發生器；2：計算機；3：控制器；4：導氣管；5：儲氣罐；6：全反鏡；7：激光脈沖束；8：噴槍；9：氣閥；10：粒子流；11：工件；12：工作臺；13：絲杠；14：送絲滾輪；15：噴涂絲；16：絲盤；17：水噴頭；18：水閥；19：減速器；20：送絲電機；21：涂層；22：第一墊片；23：螺釘；24：電機安裝支架；25：螺栓；26：第二墊片；27：電機；28：電機底座；29：帶臺肩雙頭螺柱；30：第一薄螺母；31：第三墊片；32：上固定板；33：聚焦透鏡；34：第四墊片；35：第一螺母；36：開合螺母；37：第二薄螺母；38：第二螺母；39：底座；40：第三螺母；41：雙頭螺柱。

具體實施方式：

本發明裝置包括激光發生器1、導光及調焦系統、控制系統、儲氣系統、噴水系統、工件裝夾系統及送絲系統。其中所述導光及調焦系統包括全反鏡6、聚焦透鏡33、底座39、上固定板32、雙頭螺柱41、帶臺肩雙頭螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三墊片31、第四墊片34、開合螺母36、絲杠13、電機27、電機安裝支架24、螺栓25、第二墊片26及電機底座28。所述儲氣系統包括儲氣罐5、氣閥9、導氣管4。所述噴水系統由水噴頭17、水閥18以及連接它們的水管組成。所述送絲系統包括左右對稱的送絲電機20、減速器19、噴涂絲15、送絲滾輪14及絲盤16。所述工件裝夾系統包括噴槍8、工件11和工作臺12。所述控制系統包括計算機2和控制器3。電機27通過絲杠13、開合螺母36和雙頭螺柱41能夠帶動底座39和聚焦透鏡33等上下運動自如。

上述系統各部件安裝完畢后，對工件11待噴涂的表面進行潔凈化處理，除去表面的油脂、氧化皮和其他污物。在潔凈后的工件11表面涂覆一層厚度約為100μm黑色有機物，作為激光能量吸收層，再將帶有吸收層的工件11固定安裝在工作臺12上，能量吸收層對著噴槍8口。

控制器3接受計算機2指令，電機27通過絲杠13的轉動來驅動開合螺母36上下移動，以調節聚焦透鏡33的高度，使激光脈沖束7通過聚焦透鏡33后輻照在吸收層的表面形成直徑在0.2～1.5mm范圍內的光斑，并開啟水噴頭17，以在工件11待處理的表面形成2mm厚度的流動水層。激光發生器1發出經過優化的激光脈沖束7，激光脈沖束7的光束模式可以是基模、多模等各種模式，光束模式、輸出的能量和頻率受控制器3調節和控制。激光脈沖束7經過全反鏡6改變傳播方向，通過聚焦透鏡33、噴槍8和流動的水層后，照射到吸收層上，吸收層材料迅速氣化、電離，形成高溫高壓等離子體，等離子體受到約束層作用，在工件11待噴涂的表面產生壓力為GPa量級的沖擊波，使工件11表面發生塑性變形，形成微凹坑，并在產生一定厚度的殘余壓應力層。工作臺12接受控制器3的指令后在水平面內移動，保證在整個工件11待噴涂的表面形成一定間距的微凹坑。

此后，氣閥9收到指令后開啟，保護氣體進入噴槍8，水閥18的開度也增加，使水流速度在30m/s以上，在氣體和高壓水流共同沖刷和沖洗下，工件11表面殘留的吸收層被清除干凈，隨后水閥18關閉，氣體吹干工件11待噴涂的表面后，電機27收到控制器3的指令后轉動，驅動絲杠13的轉動使開合螺母36上下移動，用以調節聚焦透鏡33的高度，使激光脈沖束7通過聚焦透鏡33后聚焦在噴涂絲15交匯的位置，根據噴涂絲15的直徑和材料的熔點，調節激光脈沖束7的能量，由控制器3調節激光的功率密度為10⁴～10⁶W/cm²，調整工作臺12上下位置，使工件11待噴涂的表面與噴槍8的出口距離為10～15mm。送絲電機20開啟，噴涂絲15由送絲電機20帶動減速器19通過送絲滾輪14不斷送至噴槍8出口。噴涂絲15被激光脈沖束7輻照后，迅速熔化為液態熔滴，高壓保護氣將液態熔滴迅速霧化，并吹動霧化的粒子流10高速撞擊到工件11表面上，在工件11表面形成涂層21，實現噴涂。工作臺12在水平面內運動，完成一層涂層的噴涂，根據涂層21厚度要求，增加工作臺12運動循環次數以增加其厚度，當其厚度滿足要求后，關閉激光發生器1、送絲電機20和氣閥9，取下工件11，完成噴涂。