一种双路送粉激光熔覆送粉嘴及送粉方法

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，涉及一种双路送粉激光熔覆送粉嘴及送粉方法。

背景技术

同轴送粉的激光熔覆技术又称粉末激光定向能量沉积(DED)，是增材制造(AM)工艺的一个分支，是通过和激光同步且同轴的方式，将外部粉末材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固成型的材料加工方法。与其他工艺相比，激光熔覆由于稀释率低、热影响区小、熔覆产生的热应力和热变形也比较小等一系列优势使其在零件表面改性尤其是在制备抗磨耐蚀涂层方面表现出了极大潜力，是表面工程领域研究的热点，特别是近些年发展起来的高速激光熔覆技术，粉末汇聚点位于基体上面一定距离，粉末提前加入激光束进行预热，可以以极低的稀释率(＜1％)制备超薄的涂层(100微米)，极大扩宽了激光熔覆技术在表面工程领域的应用。同时由于独特的材料输送方式，粉末激光定向能量沉积(DED)更适合用于特定位置的沉积和修复、合金设计和复杂形状的三维打印，被广泛应用于表面改性、增材制造及再制造。送粉嘴是同轴送粉激光熔覆设备的重要组成部分，是实现激光、粉末及气体耦合的最终载体，直接决定了熔覆过程的稳定性和熔覆层的质量。同轴送粉技术主要包含环形圆状送粉和同轴多通道送粉方式，其中环形送粉会比多通道送粉利用率会高一些，多通道的送粉形式会比环形的适用粉末粒度更广泛一些且粉末不同送粉角度可达性更好。

现有技术中的送粉嘴结构为中间孔为激光通道，同时加入惰性保护气，对熔覆头的光学结构和和熔池进行保护，送粉通道只有一路，为同轴环形圆状送粉或同轴多通道送粉，如图3所示。为了满足不同的需求，经常需要配备环形圆状送粉和同轴多通道送粉嘴各一个，根据不同的使用场景进行更换。现有的同轴送粉嘴在实际使用中存在一些问题。首先，保护气只需保持微正压即可对熔覆头内的光学组件起到有效保护，过高的保护气流量会对粉末的汇聚产生明显影响从而影响熔覆质量，对熔池特别是已经凝固还处于高温的熔覆层保护效果有限，熔覆层存在明显氧化现象，过高的氧增量使得熔覆层的力学性能特别是冲击韧性急剧降低，不利于激光熔覆增材层整体性能的调控。其次，对于环形送粉嘴，由于较大的贯通环形粉末混合区域，受重力影响比较明显，只能以和地面垂直或者以较小倾斜角度(20°)进行送粉，而多通道送粉嘴相当于几根互不联通的细管子，能够以更大倾斜角度(90°)进行送粉，目前的环形送粉和多通道送粉嘴相互独立，根据需要进行更换，增加了送粉嘴购置费用且更换校正送粉嘴也比较复杂。再次，对于不同熔点材料混合的复合粉末材料，在当前送粉工艺下，只能处于相同的温度场内，有可能引起低熔点材料的挥发，对熔覆层质量带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的送粉嘴结构只能实现单一的气氛保护、环形送粉嘴和多通道送粉嘴相互独立和当前送粉工艺使粉末材料只能处于相同的温度场内的技术问题，提供一种双路送粉激光熔覆送粉嘴及送粉方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种双路送粉激光熔覆送粉嘴，包括一个圆台，所述圆台的轴向设置有激光束通道、内送粉通道和外送粉通道；所述内送粉通道为环形同轴送粉通道；所述外送粉通道为多束同轴送粉通道；所述内送粉通道和外送粉通道与激光束通道同轴。

本发明的进一步改进在于：

所述激光束通道的中心线与所述圆台的轴线重合。

所述圆台上还设置有冷却水通道，所述冷却水通道的冷却水入口和冷却水出口设置在所述圆台的周向壁面上。

所述圆台上还设置有保护气通道，所述保护气通道与激光束通道为同一通道，用于输送保护气。

所述激光束通道为锥形孔。

所述内送粉通道的外壁面以所述圆台的轴线上的点为圆心形成的截面圆的直径自激光入口端依次递减；所述内送粉通道的内壁面与外壁面平行；所述外送粉通道的外壁面以所述圆台的轴线上的点为圆心形成的截面圆的直径自激光入口端依次递减；所述外送粉通道的内壁面与外壁面平行；所述截面圆的径向垂直与所述圆台的轴线。

所述内送粉通道喷出粉末的焦点位置相较于外送粉通道喷出粉末的焦点位置距离送粉嘴更近。

所述圆台的材质为铜合金。

所述圆台由锥台代替；所述锥台的大端为所述激光束通道的入口端。

第二方面，本发明提供一种使用上述的双路送粉激光熔覆送粉嘴的送粉方法，包括：

环形同轴送粉模式：内送粉通道输送送粉气和粉末，外送粉通道输送保护气；

多束同轴送粉模式：外送粉通道输送送粉气和粉末，内送粉通道无介质或者输送保护气；

双通道送粉模式：内送粉通道和外送粉通道均输送送粉气和粉末，根据实际工况分别选择内送粉通道和外送粉通道的粉末材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种双路送粉激光熔覆送粉嘴，在一个送粉嘴上同时设置环形同轴送粉通道和多束同轴送粉通道，采用一个熔覆头实现同轴环形送粉和多束送粉功能，满足不同的应用需求，减少购置费用，避免更换和校正送粉嘴的时间花费；并且新型送粉嘴可采用额外同步气氛保护功能，进一步避免熔覆过程的氧化，提高熔覆层性能可调控性；内外送粉流道可输送不同熔点材料，具有不同的加热时间，可避免低熔点材料挥发；一个送粉嘴可实现普通激光和高速激光熔覆，且可以实现两个复合，减少购置费用，避免更换和校正送粉嘴的时间花费；一个送粉嘴可实现熔覆高度的调节，满足不同产品及工艺对熔覆高度的要求，减少购置费用，避免更换和校正送粉嘴的时间花费。

本发明公开了一种使用双路送粉激光熔覆送粉嘴的送粉方法，当采用环形同轴送粉模式时，内送粉通道输送送粉气和粉末，外送粉通道输送保护气，对熔池、基体和熔覆层提供更大的保护范围，减少同轴环形送粉激光熔覆过程中的氧化；当采用多束同轴送粉模式时，外送粉通道输送送粉气和粉末，内送粉通道无介质或者输送少量保护气；当采用双通道送粉模时，内送粉通道和外送粉通道均输送送粉气和粉末，根据实际工况分别选择内送粉通道和外送粉通道的粉末材料，实现对熔覆过程和性能的大范围调控。并且，通过调节两个送粉通道的焦点距工件表面的距离，可实现普通熔覆与高速熔覆模式的切换或者复合，增加熔覆工艺的调控性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明中一种双路送粉激光熔覆送粉嘴的结构示意图；

图2为本发明中一种双路送粉激光熔覆送粉嘴的仰视图；

图3为现有技术中的激光熔覆送粉嘴的结构示意图。

其中：1-激光束通道；2-保护气通道；3-内送粉流道；4-外送粉流道；5-内粉末束；6-外粉末束；7-基板；8-冷却水入口；9-冷却水出口；10-冷却水通道；101-现有冷却水入口；102-现有冷却水出口；103-现有送粉通道；104-现有保护气通道；105-现有激光束通道；106-现有粉末流。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明实施例公开了一种种双路送粉激光熔覆送粉嘴，包括一个锥台，所述锥台由中心向边缘依次轴向设置有激光束通道1、内送粉通道3和外送粉通道4；所述激光束通道1也为保护气通道2；所述内送粉通道3为环形同轴送粉通道；所述外送粉通道4为多束同轴送粉通道；所述内送粉通道3和外送粉通道4与激光束通道1同轴，所述激光束通道1的中心线与所述锥台的轴线重合。所述圆台上还设置有冷却水通道10，所述冷却水通道10的冷却水入口8和冷却水出口9设置在所述锥台的周向壁面上。所述激光束通道1为锥形孔，所述内送粉通道3的外壁面以所述圆台的轴线上的点为圆心形成的截面圆的直径自激光入口端依次递减；所述内送粉通道3的内壁面与外壁面平行；所述外送粉通道4的外壁面以所述圆台的轴线上的点为圆心形成的截面圆的直径自激光入口端依次递减；所述外送粉通道4的内壁面与外壁面平行；所述截面圆的径向垂直与所述圆台的轴线。所述内送粉通道3喷出粉末的焦点位置相较于外送粉通道4喷出粉末的焦点位置距离送粉嘴近，两个焦点位置同轴。所述锥台的材质为铜合金，所述锥台的大端为所述激光束通道1的入口端。

本发明实施例还公开了一种使用上述的双路送粉激光熔覆送粉嘴的送粉方法，包括：

环形同轴送粉模式：内送粉通道3输送送粉气和粉末，外送粉通道4输送保护气，对熔池、基体和熔覆层提供更大的保护范围，减少同轴环形送粉激光熔覆过程中的氧化；采用环形同轴送粉模式时，内同轴环形流道送粉，粉末材料为2Cr13马氏体不锈钢，以氩气为送粉气，外送粉流道输送氩气保护气，在其他工艺条件相同的情况下，最终测试表面，与不采用外流道保护相比，熔覆层的氧含量降低了500ppm，冲击韧性提升了约1/3，表面了该喷嘴对熔覆层保护的有效性；

多束同轴送粉模式：外送粉通道4输送送粉气和粉末，内送粉通道3无介质或者输送少量保护气；采用多束同轴送粉模式时，熔覆结构较复杂工件，需要熔覆头和地面先垂直后平行，熔覆材料为in625高温合金，前一部分采用内同轴环形流道送粉的高速激光工艺，熔覆层厚度0.2-0.25mm，稀释率小于1％，后一部分采用外多通道流道送粉普通，熔覆层厚度0.8-1.0mm，稀释率5％，无需更换熔覆头和停机，通过熔覆程序设定对应不同的工艺，兼顾效率、材料利用率、表面质量和工艺需求，完成了工件的不同部位的激光熔覆；

双通道送粉模式：内送粉通道3和外送粉通道4均输送送粉气和粉末，根据实际工况分别选择内送粉通道3和外送粉通道4的粉末材料，根据实际工况分别选择内送粉通道和外送粉通道的粉末材料，实现对熔覆过程和性能的大范围调控。并且，通过调节两个送粉通道的焦点距工件表面的距离，可实现普通熔覆与高速熔覆模式的切换或者复合，增加熔覆工艺的调控性。采用双通道送粉模式时，激光熔覆制备Ni+WC+MoS

参见图3，图3为现有技术中的激光熔覆送粉嘴的结构示意图，送粉嘴上设置有现有冷却水入口101、现有冷却水出口102、现有送粉通道103、现有保护气通道104、现有激光束通道105；送粉嘴结构为中间孔为激光通道，同时加入惰性保护气，对熔覆头的光学结构和和熔池进行保护，送粉通道只有一路，为同轴环形圆状送粉或同轴多通道送粉，输送如图所示的现有粉末流。为了满足不同的需求，经常需要配备环形圆状送粉和同轴多通道送粉嘴各一个，根据不同的使用场景进行更换。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。