一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置的制作方法

1.本发明涉及金属陶瓷涂层加工技术领域，更具体地说，它涉及一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置。


背景技术：

2.随着航空燃气涡轮机向着高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，涡轮前进口温度不断提高，目前已接近2000k。为提高涡轮机外环、叶片等高温热端部件的使用寿命，保证燃气涡轮机安全稳定运行，除改进高温合金的成分、制备工艺以及叶片设计外，使用防护性热障涂层是目前最有效的方法。
3.目前，在高温合金热端部件表面制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂 (plasma spraying)、电子束-物理气相沉积(eb-pvd)、激光熔覆(laser cladding)等。其中，等离子喷涂热障涂层技术具有工艺成熟、操作简单与效率高等优点，但制备的热障涂层与基材呈机械结合，其内部存在大量的气孔与微裂纹，导致涂层在服役的过程中易剥落。电子束-物理气相沉积技术制备的热障涂层具有柱状晶结构，其工作寿命相对于等离子喷涂层大幅度提高，但是该技术操作复杂、沉积效率低、技术难度大、涂层与基材的结合强度也不高。激光熔覆技术制备的热障涂层具有组织致密，稀释率低，与基材形成结合强度高的冶金结合，优异的抗高温氧化与抗热震性能。但是，激光熔覆效率较低以及熔覆层易产生裂纹等冶金缺陷极大地限制了该技术的工业化应用范围。
4.此外，热障涂层通常采用结构简单的陶瓷层-粘结层的双层结构，使各层间界面明显，不同的热膨胀系数易在层间产生热应力，导致涂层退化与失效。采用粘结金属层、多层隔热层和阻氧层以及陶瓷顶层构成的多层结构，虽然可以获得相对双层结构更厚的涂层以及更好的抗氧化性能，但对涂层的抗热震性能改善不大，且工艺复杂，重复性与可靠性较差。因此，随着热障涂层应用要求的不断提高，必须开发具有热应力缓冲功能的梯度功能热障涂层。
5.专利文献cn201020124422.7公开了一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，其工作原理是，激光器发出的激光束经过导光系统传输到聚焦系统后被聚焦成圆形光斑并辐射到基材的表面；与惰性保护气体源相连的导气管的出气口位于聚焦系统与基材之间，并对准在基材表面的感应加热区，自动送粉装置利用粉末喷嘴将含有不同质量百分比陶瓷相的复合粉末吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池内，复合粉末在熔池内熔化并在基材的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层；利用该装置制备的梯度功能热障涂层具有化学成分、组织结构以及力学性能沿涂层厚度方向呈梯度连续变化的特点，避免了基体和陶瓷层热膨胀系数不匹配而导致的热应力，可大幅度提高涂层的抗热震性能与使用寿命。
6.现有技术存在的问题是：在进行基材表面金属陶瓷涂层熔注制备过程中，无法对基材表面形成的熔池进行半封闭保护，因而在制备时空气中的灰尘杂质会因重力落入熔池区，导致制备形成涂层含有一定的杂质，进而导致基体涂层的化学成分以及力学性能较为
低下，涂层的使用寿命较短；况且，在基体涂层制备过程中或完成后，无法对基材表面制备后的熔池内区域(涂层区域)进行放大检测，以观察熔池内区域(涂层区域)在熔注制备过程中是否存在激光没有照射到的区域，不然很容易造成熔铸缝隙而导致涂层部分区域在基材表面粘附力不足，进而发生部分脱落。


技术实现要素：

7.本发明提供一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，能够有效防止空气中的灰尘杂质会因重力落入熔池区，进而导致基体涂层的化学成分以及力学性能较为低下，涂层的使用寿命较短；并且该装置能够对基材表面制备后的熔池内区域进行放大检测，以观察熔池内区域在熔注制备过程中是否存在激光没有照射到的区域，以便及时补充加工，保障了基体涂层的加工质量，可以解决相关技术中的技术问题。
8.根据本发明的一个方面，提供了一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，包括承载底架，固定安装于承载底架顶部的两轴电动滑台模组以及焊接于承载底架顶部一端的安装架，所述两轴电动滑台模组顶端滑行端安装有工作台，且工作台上放置有基材，所述安装架上安装有用于基材表面金属陶瓷涂层熔注制备的激光器系统、自动送粉系统、感应加热系统、惰性气体供给系统和用于控制前述各系统的上位控制机，所述安装架前侧还安装有呈半封闭的防尘盖，其包裹在激光器系统的激光头和自动送粉系统的粉末喷嘴底端外围，用于防止空气中的杂质落入基材表面的熔池区，所述安装架前侧底部还固定安装有用于放大检测基材表面熔池区的放大检测系统，且该放大检测系统由相连的上位控制机控制工作。
9.进一步地，所述防尘盖底部焊接有防止外表面灰尘滑落的裙部。
10.进一步地，所述放大检测系统由用于放大检测的熔池区的电子放大镜和用于检测时补光照明的led补光灯组成。
11.进一步地，所述激光器系统由激光器、导光系统和聚焦系统组成，且它们位于同一光路上，所述导光系统底部连接激光头，且聚焦系统位于激光头内，在工作过程中，激光器发出的激光束经过导光系统传输到聚焦系统后被聚焦成圆形光斑并辐射到基材的表面。
12.进一步地，所述自动送粉系统由自动送粉器和与自动送粉器出粉端连接的粉末喷嘴组成，所述粉末喷嘴的上半段固定在安装架上，且粉末喷嘴的下半段倾斜贯穿防尘盖。
13.进一步地，所述感应加热系统由感应加热电源和与其相连的感应加热线圈组成，前述两者配合用于对基材进行熔注过程的加热，其中，感应加热线圈位于激光头的外围，且通过一升降调节组件驱动升降。
14.进一步地，所述感应加热线圈上还安装有用于提高对基材加热效率的导磁体。
15.进一步地，所述升降调节组件包括电动升降杆，所述电动升降杆固定安装于防尘盖前侧，且电动升降杆的底部输出端焊接有用于安装感应加热线圈的升降支架。
16.进一步地，所述惰性气体供给系统包括惰性气体存储罐，所述惰性气体存储罐的出气端通过导气管与激光头的下半段相连通，所述导气管上用于调节惰性气体流量的电磁阀。
17.进一步地，该装置还包括用于对基材进行冷却的冷却组件，所述冷却组件由固定安装于工作台内的循环冷却水管，用于供给循环冷却水管冷却水的冷水机，以及用于连接
前述两者的进水管和输水管组成。
18.本发明的有益效果在于：
19.本发明，通过在安装架前侧还安装有呈半封闭的防尘盖，其包裹在激光器系统的激光头和自动送粉系统的粉末喷嘴底端外围，能够有效防止空气中的灰尘杂质会因重力落入熔池区，进而导致基体涂层的化学成分以及力学性能较为低下，涂层的使用寿命较短；
20.本发明，通过在安装架前侧底部还固定安装有用于放大检测基材表面熔池区的放大检测系统，从而该装置能够对基材表面制备后的熔池内区域进行放大检测，以观察熔池内区域在熔注制备过程中是否存在激光没有照射到的区域，以便及时补充加工，保障了基体涂层的加工质量。
附图说明
21.图1是本发明实施例的整体结构示意图；
22.图2是本发明实施例的防尘盖背部结构示意图；
23.图3是本发明实施例的感应加热线圈侧视图；
24.图4是本发明实施例的电路连接图；
具体实施方式
25.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
26.在本实施例中提供了一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，如图1所示，包括承载底架1，固定安装于承载底架1顶部的两轴电动滑台模组2以及焊接于承载底架1顶部一端的安装架13，所述两轴电动滑台模组2顶端滑行端安装有工作台3，且工作台3上放置有基材20，所述安装架 13上安装有用于基材20表面金属陶瓷涂层熔注制备的激光器系统、自动送粉系统、感应加热系统、惰性气体供给系统和用于控制前述各系统的上位控制机12，所述安装架13前侧还安装有呈半封闭的防尘盖24，其包裹在激光器系统的激光头29和自动送粉系统的粉末喷嘴9底端外围，用于防止空气中的杂质落入基材20表面的熔池区6，所述安装架13前侧底部还固定安装有用于放大检测基材20表面熔池区6的放大检测系统，且该放大检测系统由相连的上位控制机12控制工作。
27.作为本发明的一个实施例，所述防尘盖24底部焊接有防止外表面灰尘滑落的裙部27。裙部27可以收集从防尘盖24外表面聚集后滑落的灰尘，避免灰尘落入基材20上而需要暂停进行清理，进而影响基材20激光感应熔注制备的进行效率。
28.作为本发明的一个实施例，所述放大检测系统由用于放大检测的熔池区6 的电子放大镜5和用于检测时补光照明的led补光灯28组成。因放大检测系统与上位控制机12相连接，当需要制备后熔池区6进行放大检测时，上位控制机12可控制led补光灯28进行补光照明，并控制电子放大镜5进行工作，在此后过程中，电子放大镜5放大检测后的图像被传输至上位控制机12显示，以便于加工人员熔池区6在熔注制备过程中是否存在激光没有照射到的区域。
29.作为本发明的一个实施例，所述激光器系统由激光器27、导光系统14和聚焦系统
25组成，且它们位于同一光路上，所述导光系统14底部连接激光头29，且聚焦系统25位于激光头29内，在工作过程中，激光器27发出的激光束经过导光系统14传输到聚焦系统25后被聚焦成圆形光斑并辐射到基材 20的表面。
30.作为本发明的一个实施例，所述自动送粉系统由自动送粉器10和与自动送粉器10出粉端连接的粉末喷嘴9组成，所述粉末喷嘴9的上半段固定在安装架13上，且粉末喷嘴9的下半段倾斜贯穿防尘盖24。
31.作为本发明的一个实施例，所述感应加热系统由感应加热电源16和与其相连的感应加热线圈19组成，前述两者配合用于对基材20进行熔注过程的加热，其中，感应加热线圈19位于激光头29的外围，且通过一升降调节组件驱动升降。
32.作为本发明的一个实施例，所述感应加热线圈19上还安装有用于提高对基材20加热效率的导磁体26。
33.作为本发明的一个实施例，所述升降调节组件包括电动升降杆8，所述电动升降杆8固定安装于防尘盖24前侧，且电动升降杆8的底部输出端焊接有用于安装感应加热线圈19的升降支架7。加工人员可以根据基材20加工涂层 4的厚度，而使用上位控制机12控制电动升降杆8工作，以通过升降支架7 驱动感应加热线圈19升降运动，进而促使感应加热线圈19抵靠在基材20上，完成对基材20进行加热。
34.作为本发明的一个实施例，所述惰性气体供给系统包括惰性气体存储罐 17，所述惰性气体存储罐17的出气端通过导气管15与激光头29的下半段相连通，所述导气管15上用于调节惰性气体流量的电磁阀18。加工人员可以根据熔池区6的大小等情况，使用上位控制机12控制电磁阀18工作，进而调整导气管15的输出惰性气体流量，进而排出熔池区6的空气，避免空气影响基材20表面的涂层4激光感应复合熔注质量。
35.需要说明的是，本发明实施例中涉及到的电路、电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
36.本实施例的作为一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，需要考虑的是，如何能够快速对工作台3上激光感应复合熔注涂层4后的基材20进行快速冷却，以便对基材20实施下一道加工工序：
37.因此进一步提供以下基材20处理方式，该装置还包括用于对基材20进行冷却的冷却组件，所述冷却组件由固定安装于工作台3内的循环冷却水管 30，用于供给循环冷却水管30冷却水的冷水机23，以及用于连接前述两者的进水管21和输水管22组成。
38.本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
42.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
43.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。