一种用于高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴的制作方法

1.本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种用于高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴。


背景技术：

2.在材料表面制备具有特殊性能的涂层是工业中最常用有效的方法，表面涂层往往能够满足极端恶劣的服役条件，尽可能的保证机械设备持续运转，极大地延长机械设备的服役时间。因此，表面涂层技术是在工业生产中具有举足轻重的地位。激光熔覆技术是指利用激光束快速加热熔化添料，凝固后在基材表面形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、高温抗氧化等性能的工艺方法。激光熔覆具有孔隙率低、冶金结合等显著的优势，在工业生产中得到了广泛应用。为了提高轴类等回转体零件的熔覆效率，高速激光熔覆(德语：ehla)技术是近年来在激光熔覆基础上发展起来的一项高效涂层制造技术。该技术是利用激光同轴送粉设备，通过调整粉末汇聚焦点与激光汇聚焦点的相对位置，使熔覆粉末在熔池的上方被激光束加热或熔化，均匀熔覆在高速旋转的轴类等回转体零件表面，熔覆涂层稀释率极低且与基材呈冶金结合。该技术是德国fraunhofer激光工程研究所发明，熔覆的线速度可以达到6～200m/min，极大的提高了熔覆效率。
3.高速激光熔覆涂层成形的核心问题是激光能量的分配和粉末颗粒进入熔池的状态。粉末汇聚于熔池的上方，激光束先加热粉末，然后加热基材。期间粉末的吸收激光能量并衰减了激光的能量，当激光功率和送粉速率一定的前提下，粉末加热时间决定了粉末的加热程度。当粉末颗粒飞行速度很小时，加热时间较长，激光束加热粉末的能量可能足以达到粉末颗粒的熔点甚至沸点，导致粉末颗粒烧损，形成黑烟。当粉末颗粒飞行速度很大时，粉末颗粒被激光束加热时间较短，粉末被加热程度较低，粉末熔化需要依靠熔池热，从而导致了效率降低，难以实现高速激光熔覆。所以粉末颗粒的飞行速度是能否实现高速激光熔覆的关键因素之一。目前报道的资料中，尚无关于粉末颗粒飞行速度对高速激光熔覆的影响。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种窄间隙的高速激光熔覆送粉喷嘴，窄间隙环形送粉喷嘴减小粉末出口的面积，提高了粉末颗粒的飞行速度，可以有效减少粉末颗粒被激光束烧损，同时又能最大程度的实现激光束对粉末颗粒的加热。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种用于高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴，：包括激光通道、送粉通道和冷却水腔，喷嘴主体的内腔开设有所述激光通道，所述激光通道的末端连接激光出口；喷嘴主体内开设有所述冷却水腔；喷嘴主体的顶部开设有粉末入口，所述粉末入口与所述送粉通道相连，所述送粉通道的末端与位于喷嘴主体底部的环形出口相连通；所述环形出口处内圆的尺寸为φin＝6-11.5mm，外圆的尺寸为φout＝6.5-12mm，且0.25mm≤φout-φin
≤1.0mm，出口间隙为环形出口处内外圆的直径差。
7.优选地，所述喷嘴主体的顶部开设有四个所述粉末入口，粉末入口即为送粉通道接口，所述粉末入口处采用螺纹与气管接头相连。
8.优选地，所述送粉通道包括顺次连通的混粉腔和锥形通道，所述锥形通道的末端与喷嘴主体底部的环形出口连通。
9.优选地，喷嘴主体的材质为紫铜。
10.优选地，所述送粉通道中的送粉方式为载气式送粉，载气种类为氮气或者氩气。
11.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
12.本发明提供的用于高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴具有以下优势，其一是环形喷嘴送粉的精度高，其二是粉末颗粒的飞行速度合适，既能保证粒子被提前加热实现高速激光熔覆，又能避免粉末烧损。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴的剖面图；
15.图2为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴的俯视图；
16.图3为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴的仰视图；
17.图4为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴出口间隙为1.0mm的高速摄影照片；
18.图5为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴出口间隙为1.5mm的高速摄影照片；
19.图6为高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴不同出口间隙的粉末速度；
20.图中，1—激光通道，2—粉末入口，3—混粉腔，4—锥形通道，5—环形出口，6—冷却水腔，7—激光出口。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供一种窄间隙的高速激光熔覆送粉喷嘴，窄间隙环形送粉喷嘴减小粉末出口的面积，提高了粉末颗粒的飞行速度，可以有效减少粉末颗粒被激光束烧损，同时又能最大程度的实现激光束对粉末颗粒的加热。
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
24.如图1-图6所示，本实施例提供一种用于高速激光熔覆的窄间隙送粉喷嘴，窄间隙高速激光熔覆送粉喷嘴的材质为紫铜，主要是由于紫铜良好的导热性。喷嘴主要由激光通道1、送粉通道和冷却水腔6组成，用于实现高速激光熔覆。送粉的方式为载气式送粉，载气
种类为氮气或者氩气。
25.如图1和图2所示，喷嘴的上部设有四个送粉通道接口为粉末入口2，采用螺纹连接气管接头。粉末从入口进入喷嘴，在混粉腔3内混合均匀，然后进入喷嘴内的锥形通道4，最后从喷嘴底部的环形出口5射出。喷嘴各部分均通过螺丝固定。本发明所指的间隙即喷嘴底部的环形出口间隙。出口间隙主要涉及的参数有喷嘴底部内外圆的直径。环形出口5可以保证较高的送粉精度和均匀性。
26.在高速激光熔覆实验中，从喷嘴底部射出的粉末，在工件上方汇聚，被激光束加热或者熔化，加热或者熔化的粉末落入工件表面的熔池，凝固后形成高速激光熔覆涂层。
27.从以上的分析可知，激光束的能量主要分为两部分，一部分用于加热熔化粉末，另一部分用于熔化工件，在工件表面形成熔池。当过多的激光能量用于熔化粉末时，激光束加热粉末的能量可能足以达到粉末颗粒的熔点甚至沸点，导致粉末颗粒烧损，形成黑烟，影响成形的质量。当粉末颗粒飞行速度很大时，粉末颗粒被激光束加热时间较短，粉末被加热程度较低，粉末熔化需要依靠熔池热，从而导致了效率降低，难以实现高速激光熔覆。而在激光功率和送粉速率一定的前提下，粉末加热时间决定了粉末的加热程度，粉末颗粒飞行的速度又决定了粉末加热的时间。因此环形出口5的粉末颗粒飞行速度对成形质量至关重要。
28.环形出口5间隙的大小对粉末颗粒的飞行速度有决定性作用。本发明提出：出口间隙内圆的尺寸为φin＝6-11.5mm，出口间隙外圆的尺寸为φout＝6.5-12mm，且需要满足0.25mm≤φout-φin≤1.0mm。此时粉末颗粒飞行的速度合适用于高速激光熔覆。
29.验证案例
30.如图4和图5所示，采用高速摄影(20000帧/s)观察粉末颗粒从喷嘴的环形出口间隙的飞出的运动状态。首先可以看到出口间隙为1.5mm时，高速摄影中出现了很多的粉末烧损导致黑烟。而出口间隙为1.0mm时，高速摄影中粉末颗粒的运动状态非常清晰。通过测量连续两帧照片中，粉末颗粒的位移，从而得到粉末颗粒的飞行速度。如图6所示是计算得到的不同出口间隙的粉末颗粒飞行速度。出口间隙为1.0mm时，粉末颗粒的飞行速度显著高于当出口间隙为1.5mm时。
31.本发明中窄间隙高速激光熔覆环形送粉喷嘴具有以下优势，其一是环形喷嘴送粉的精度高，其二是粉末颗粒的飞行速度合适，既能保证粒子被提前加热实现高速激光熔覆，又能避免粉末烧损。
32.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
33.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。