基于超音速激光沉积的原位动态检测残余应力的喷涂设备及方法

本发明属于材料表面处理，具体涉及一种基于超音速激光沉积的原位动态检测残余应力的喷涂设备及方法。

背景技术：

1、冷喷涂（cold spray, cs）技术是一种基于微米尺度（10-70 μm）金属颗粒在高压气流携带下经laval喷管加速后与基材高速碰撞的再制造技术。该技术通过颗粒剧烈塑性变形实现与基材的结合，可逐层沉积制备涂层或进行快速修复。其独特的低温特性有效避免了传统热加工中的热变形和开裂等问题。超音速激光沉积技术是将激光辐射与冷喷涂相结合，以激光作为辅助热源，沉积过程中激光辐照光斑和喷涂粉斑同步，实现对喷涂颗粒、基材同步加热，从而使两者得到有效软化，增强颗粒的变形能力，大大降低颗粒所需的临界沉积速度，实现了宽范围材料的沉积，并获得了特殊的微观组织和性能。超音速激光沉积技术在制备涂层过程中能够利用激光软化基体与粉粒，增强颗粒变形能力，降低颗粒所需沉积速度；载气采用廉价的氮气或压缩空气代替昂贵的氦气，实现硬质材料的沉积，在降低成本的同时扩大了冷喷涂可沉积材料的范围；与其他技术技术相比不存在熔化凝固引起的冶金相变，可保持原始粉末成分不变。

2、残余应力在修复金属构件中属于一种十分重要的机械性能，深刻影响着金属构件的疲劳寿命，现残余应力过大等现象容易导致疲劳裂纹的生长，从而影响疲劳寿命。所以在喷涂过程中控制残余应力大小以及分布十分重要。

3、传统的纯冷喷涂技术在喷涂修复金属构件时容易出现结合强度不足、残余应力分布不均匀的问题，导致修复后性能相较原部件有所下降，出现疲劳寿命下降等问题。

技术实现思路

1、为解决现有纯冷喷涂技术在喷涂修复金属构件时容易出现结合强度不足、残余应力分布不均匀的问题，从而导致修复后性能相较原部件有所下降，出现疲劳寿命下降等的技术问题，本发明提供一种基于超音速激光沉积的原位动态检测残余应力的喷涂设备及方法。本发明大大缩短激光辅助冷喷涂工艺残余应力的优化周期，延长修复零件的使用寿命。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明的第一个方面涉及一种基于超音速激光沉积的原位检测残余应力的喷涂设备，包括l型机架（1），其特征在于，还包括：

4、y轴模块（2），设置于l型机架（1）的水平部上；

5、icp传感器（3），设置于y轴模块（2）上，基体（9）通过夹具安装在icp传感器（3）上；

6、z轴模块（4），设置于l型机架（1）的竖直部上；

7、x轴模块（5），滑动连接在z轴模块（4）上；

8、旋转模块（6），设置于x轴模块（5）上，用于承载喷涂设备（7）和激光器模块（8），所述旋转模块（6）包括y轴旋转控制模块和x轴旋转控制模块；

9、喷涂设备（7），旋转设置于旋转模块（6）上，喷涂设备（7）的喷嘴（701）在所述y轴旋转控制模块和x轴旋转控制模块的控制下，分别绕y轴和x轴转动，用以实现多角度喷涂；

10、激光器模块（8），旋转设置于旋转模块（6）上，所述激光器模块（8）可绕y轴旋转和沿着y轴移动；

11、y轴模块（2）、z轴模块（4）、x轴模块（5）以及旋转模块（6）分别与一控制器连接。

12、进一步的，所述y轴模块（2）包括安装在l型机架上的第一直线模组（201），所述第一直线模组（201）的一端固定安装有第一步进电机（204），所述第一步进电机（204）的驱动端与第一直线模组（201）驱动连接；所述第一直线模组的两侧沿y轴方向对称布置有第一滚珠式线性导轨（202）和第二滚珠式线性导轨（203），所述第一滚珠式线性导轨（202）和第二滚珠式线性导轨（203）均安装在l型机架上；所述第一直线模组（201）设置有一用于承载icp传感器（3）的连接板（205），所述连接板（205）的两侧分别滑动连接在第一滚珠式线性导轨（202）和第二滚珠式线性导轨（203）上。

13、进一步的，所述z轴模块（4）包括安装在l型机架上的第二直线模组（401），所述第二直线模组（401）的一端固定安装有第二步进电机（404），所述第二步进电机（404）的驱动端与第二直线模组（401）驱动连接；所述第二直线模组的两侧沿z轴方向对称布置有第三滚珠式线性导轨（402）和第二滚珠式线性导轨（403），所述第三滚珠式线性导轨（402）和第二滚珠式线性导轨（403）均安装在l型机架上；所述第二直线模组（401）设置有一用于承载x轴模块（5）的x轴连接板（405），所述x轴连接板（405）的两侧分别滑动连接在第三滚珠式线性导轨（402）和第二滚珠式线性导轨（403）上。

14、进一步的，所述x轴模块（5）包括第三直线模组（501），所述第三直线模组（501）的一端固定安装有第三步进电机（502），所述第三步进电机（502）的驱动端与第三直线模组（501）驱动连接；所述旋转模块（6）安装在第三直线模组（501）上，用以实现旋转模块（6）沿x轴方向移动。

15、进一步的，所述y轴旋转控制模块包括第四步进电机（601）和传送带（602），所述传动带（602）的一端套设在所述第四步进电机的驱动端，另一端套设在xy旋转连接件（605），所述xy旋转连接件（605）固定设置在喷涂模块（7）上；所述x轴旋转模块包括第五步进电机（603），所述第五步进电机（603）的驱动端通过联轴器（604）与喷嘴夹具（606）连接，用以控制冷喷涂喷嘴绕x轴转动。

16、进一步的，所述喷涂设备（7）包括冷喷涂喷嘴（701）和测温设备（702），其中：

17、所述冷喷涂喷嘴（701）包括进气口（703）、粉末进口（704）和气粉混合出口（705），所述进气口（703）与高压气罐连接，所述粉末进口（704）与粉末箱连接，所述进气口（703）、粉末进口（704）的出口最终与气粉混合出口（705）重合；

18、所述测温设备（702）通过测温设备旋转连接件（707）连接在测温设备固定连接件（706）上，所述测温设备固定连接件（706）与旋转模块（6）相连，通过手动转动测温设备旋转连接件（707）对测温设备进行俯仰旋转和绕z轴旋转，并通过蝶形螺母进行手动固定。

19、进一步的，所述激光模块（8）包括激光器（801），所述激光器（801）与喷嘴连接，所述激光器（801）安装在激光器连接支架（802）上，所述激光器连接支架（802）上转动连接在激光器移动滑轨（803）内，所述激光器移动滑轨（803）上开设有一弧形滑槽，所述所述激光器连接支架（802）滑动连接在所述弧形滑槽内，通过手动转动激光连接支架（802）实现激光器绕y轴的转动，并蝶形螺母进行固定；所述激光器移动滑轨（803）的底部设置有一u型卡槽，所述u型卡槽移动设置在一导轨内，通过移动激光器移动滑轨对激光器实施沿y轴的移动。

20、进一步的，所述喷嘴为拉瓦尔喷嘴，出口形状为圆形，用于激光清洗、软化基体以及软化喷涂粉末。

21、本发明的第二个方面涉及一种基于超音速激光沉积的原位检测残余应力的喷涂设备的检测残余应力工艺方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

22、1）沉积设备自检，检测x、y、z轴模块以及旋转模块是否正常运行，喷涂设备是否正常运行，并进行x、y、z模块归零操作；

23、2）安装基材至icp传感器，开启传感器，检查传感器是否正常运行；

24、3）手动移动激光器位置，使其光斑与喷枪的粉斑能够重合，并调整激光功率与激光入射角，设定旋转装置角度以修改喷涂角度；

25、4）设定喷涂粉末，对装置进行参数设置，调整好载气压力、喷涂距离、送份速率、以及初始气体温度；

26、5）输入初始工艺参数；

27、6）根据基板尺寸设定喷涂路线，划分喷涂区域；

28、7）激光器和喷枪在x、y、z模块驱动下按照分区逐个喷涂，在喷涂过程中测量基板曲率变化，每层图层喷涂完成，计算机根据公式计算出该层的演化应力，直至完成喷涂；

29、8）喷涂完成后，将演化应力叠加得到整个喷涂过程的沉积应力，待涂层冷却后根据温度差计算得到热应力，将演化应力与热应力相加得到沉积残余应力。

30、进一步的，在步骤3）中设定的激光入射角为60°，光斑直径3mm；在步骤4）中设定喷涂粉末粒径在15~53μm，粉末形状为球形或不规则形状；设定喷涂载气为氮气或是氦气，载气压力在0.5~5mpa，预设温度范围在25~1000℃，喷涂距离在30mm。

31、具体的，在步骤2）中，基材的尺寸为200mm×30mm×10mm。

32、具体的，在步骤3）中，设定激光入射角为60°，光斑直径3mm。

33、具体的，在步骤4）中，喷涂粉末形状为球形或不规则形状。

34、具体的，在步骤6）中，喷涂路线为z字型。

35、本发明的创新点：

36、1、通过引入icp传感器，能够在不制样的情况下原位快速检测涂层的残余应力分布，这种方法相比传统检测方法既高效又能够保留原始的残余应力变化，使检测更加准确，克服了传统优化参数时间长，成本高的缺点。

37、2、通过记录多层涂层沉积过程的总曲率变化，利用相关方程计算得到多层涂层的沉积应力，再利用沉积应力与热应力的叠加得到该图层的残余应力的大小。

38、3、通过设置x、y、z直线模组，电机驱动丝杆实现激光器方向能够在xyz三个方向得到调整。

39、本发明的工作原理是：在激光辅助冷喷涂过程中，位于原位涂层传感器上的基体会因为粉末冲击形成弯曲，弯曲的曲率样貌会被三台激光器在线检测样板检测并记录下来，通过单层的曲率变化情况，利用斯托尼公式计算得到涂层形成的演化应力，这个演化应力是即时的，不断变化的。等到多层涂层沉积完成后，通过记录多层涂层沉积过程的总曲率变化，利用brenner-senderoff方程计算得到多层涂层总的沉积应力。在喷涂结束之后，在冷却阶段，热电偶检测降温到室温的温度的变化情况与样品的曲率回弹变化情况，利用brenner-senderoff方程计算出涂层的热应力变化，再利用沉积应力与热应力的叠加得到该图层的残余应力的大小。

40、与现有的技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

41、（1）能够第一时间获取涂层喷涂后的原位残余应力，相比传统制样之后进行测量，采用该设备能够更加快速精准地获取涂层残余应力信息；

42、（2）克服了传统优化参数时间长，成本高的缺点；

43、（3）无需离线使用x射线衍射仪测量残余应力，对更新优化喷涂工艺参数、研究冷喷涂过程中残余应力的形成过程有很大的帮助；

44、（4）相比传统冷喷涂工艺，激光辅助的冷喷涂工艺应力分布更加均匀，有助于抑制疲劳裂纹的产生与生长；

45、（5）该设备有效集成激光、icp传感器等，而且自由度高，适合多种冷喷涂相关实验的进行。