CN101864231A - 激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料及其制备、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料及其制备、使用方法，涂料组分含有树脂、固化剂、颜料、填料、助剂、溶剂。使用时，将涂料以喷涂方法涂覆于被保护工件的表面；采用自干或烘干的方法，使涂层于燥，形成干涂层，即用功率密度10⁹W/cm²以上的激光作用于工件之涂层表面，即可。本发明，将涂料涂装于工件表面并予以干燥固化，形成干涂层，对工件形成完整而有效的保护。该涂层对金属底材具有及强的附着力和极高的机械强度，该涂层能避免金属被高能量(50J)激光辐照而产生的瞬间高温(1～2万K)所融化，进而避免等离子体气体爆炸产生的高压(GPa级)使金属表面产生“火山口”和金属飞溅；能充分吸收激光能量并在瞬间(几十纳秒)急剧产生等离子体形成爆炸；当爆炸冲击波产生的高压使金属下陷时，涂层不产生剥落、起层、起泡等现象，而且要能在同一部位承受4次以上。

Description

激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料及其制备、使用方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化金属用的专用保护涂料及其制备方法和使用方法。

背景技术

激光冲击强化(laser shock peening/processing，简称LSP)技术：采用短脉冲(几十纳米)高峰值功率密度(10⁹W/cm²以上)的激光辐射金属表面，在金属表面涂覆的涂覆层吸收激光能量发生爆炸性等离子体气体，爆炸产生的高压(GPa级)等离子体冲击波，作用于涂层及金属表面并向金属内部传播，深达1mm。当冲击波的峰值压力超过金属底材动态屈服强度时，材料表面就会产生应变硬化，同时微观组织发生很大变化，显著提高材料的抗疲劳、耐磨损和防应力腐蚀等性能。金属强度可提高2～3.2倍。目前，世界上只有美国对该项技术实现了工程化应用。

在上述冲击强化过程中，如果没有保护涂层，强化过程是无法实现的，金属底材将被激光产生的高温所融化，金属表面产生“火山口”和飞溅的金属点。因此，保护涂料是激光冲击强化技术得以工程化应用的关键技术之一。

大功率激光强化金属底材的保护技术——“湿涂层法”，是美国目前使用的激光冲击强化金属底材之保护技术，其方法是：金属底材在激光冲击强化之前，由控制系统向工件表面喷出一个直径与激光光柱相似直径的“涂料点”。随后“趁湿”在这个点的部位进行激光冲击，然后立即将残余的涂料点擦(洗)掉，即：喷涂料点→激光冲击→擦洗。如此往复，以1～5Hz的速度进行激光冲击强化作业，一个作业面要重复成千上万次，直至当前工件作业面完成冲击强化作业为止。由于此时涂层必须是“湿的”，姑且称作“湿涂层法”。该“湿涂层法”在激光冲击强化的工艺过程中，喷点频率与激光冲击频率是一致的，频率很高，控制系统极为复杂，可控性差，会影响冲击强化质量的一致性。该方法虽能解决异形工件，如：飞机发动机叶片的端面、锥形面、焊接面、键、槽等的冲击强化保护的难题，但该方法仍存在诸多缺点，如：激光冲击强化系统结构复杂，造价高，应用灵活性差，工作效率低，不可控因素多，冲击强化质量稳定性差等。

发明内容

本发明的目的在于，针对美国现有“湿涂层法”之激光强化金属保护技术之不足，提供一种简单易行、激光冲击强化系统简单、造价低、工作效率高的“干涂层法”的激光冲击强化保护涂料及其制备技术及使用方法，更有利于激光冲击强化系统大规模工程化应用。

本发明涉及两个方面：

1.干涂层法：所谓“干涂层法”，是本发明开创的一个新方法。即，将本发明研制的一种涂料，一次性涂覆于待加工工件表面，并予以干燥固化，形成“干涂层”。然后进行激光冲击强化工作，直至待加工面全面完成。

2.专用保护涂料：如果没有保护涂层，在爆炸冲击波压力高达GPa级，激光辐照温度高达1～2万K的苛刻条件下，金属会被高温所融化，再被爆炸冲击波“炸飞”，使金属表面形成“火山口”，并伴有飞溅金属点出现，导致工件被报废。“干涂层法”得以实施，完全依赖于本发明中专门研制的一种专用涂料，该涂料对金属底材必须具有极强的附着力，极强的机械强度，极好的耐温性，从而能够承受由高能量激光辐照于涂层表面而急剧产生的等离子气体爆炸冲击波的冲击。

由于工艺原因，也为了增加冲击强化效果，在涂层表面的同一位置，必须进行四次或四次以上的这种爆炸冲击波的叠加冲击。因为激光光柱是圆形的，要使工件表面无遗漏地被全面加工，有的部位必须要重复冲击四次，因为目前采用的是1/2叠加方法，即每次激光光斑与上次光斑重叠1/2面积。据称美国为了提高工作效率，试图将激光光柱改成方形的。

本发明之专用保护涂料的配方是：

采用树脂、固化剂、颜料、填料、助剂、混合溶剂，

原料名称重量百分比

树脂基料           28～50

颜料               5～25

填料               5～15

助剂               0.5～2

混合溶剂           余量

各组分的作用如下：

(1)树脂、固化剂(固化剂实际为树脂基料的组成之一，有的体系不需要使用，以下统称为树脂)的作用：在涂装后起化学反应，形成“网”状结构。而不加固化剂的体系，涂层干燥后，高分子物(树脂)则呈“无规线团”状分布。作为粘结料也是涂层的基本成膜物质，起到的作用如下：1.将各类颜料、填料粘合在一起。2.充分包覆于每个颜料、填料颗粒的表面。3.在涂层于燥固化后，使涂层成为连续而密实的膜。4.使涂层牢固附着于底材表面。5.高温不分解。6.在高温下耐水。7.具有极好的机械强度，在涂层表面瞬间产生大量的等离子体而形成的爆炸冲击波，对涂层产生破坏性冲击，同一位置，能承受这种冲击波至少四次以上，而涂层不被破坏。

(2)颜料的基本作用：

a.使涂料具有指定的颜色，如黑色等。

b.是涂料次要成膜物的一种。

c.对涂层起到一定的增强作用。

(3)填料的基本作用：

a.涂料的次要成膜物质。

b.对涂层起增强作用。

c.对涂层有次要的消光作用。

(4)助剂的基本作用：

a.消光剂：使涂层干燥固化后，光泽符合要求。

b.流平助剂：使涂层平整光滑，避免产生火山口、贝纳德漩涡等“漆病”。

c.分散助剂：使颜料、填料能很好湿润分散，促使每个颗粒表面被树脂均匀包覆。

d.附着力促进剂：使涂层对底材具有更好的附着力。

(5)混合溶剂的基本作用：

a.使树脂溶解成均一相液体。

b.将粘稠状涂料稀释到适合涂装的粘度。

上述树脂：系丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酯树脂、氨基树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。采用其中一种或两种进行共混改性或组合型树脂基料。

上述颜料：系黑色颜料为碳黑，白色颜料为二氧化钛，兰(绿)色颜料为酞青颜料，红色为永固红，黄色为柠檬黄。

上述填料：系1250目滑石粉，325目重晶石粉，800目云母粉。采用一种或两种组合使用。

上述助剂：系流平剂、附着力促进剂、消泡剂、消光剂、分散剂。

上述溶剂：系醋酸丁酯、醋酸乙酯、甲苯、二甲苯、乙醇、环己酮、乙二醇乙醚乙酸酯、丁醇。依各类溶剂对树脂的溶解特性、适用性及施工环境温度(季节)，而选择各种不同挥发速度的溶剂，组合调配成的混合溶剂。

该涂料的制备方法是：

1)将配方量40-60％的树脂、分散助剂、配方量25-35％的混合溶剂按量加入容器内，搅拌均匀。

2)按量加入颜料、填料，边加边搅拌，待无可见干粉后，采用2000转/分钟以上的高速进行分散处理。

3)将上述浆料用研磨机研磨成细度达到≤25μm的色浆。

4)将剩余树脂、混合溶剂、其它助剂加入容器中，再在搅拌状态下加入色浆，搅拌均匀，即为成品涂料。

5)用200目丝绢过滤，即可。

本发明的涂装方法和原理是：

将制成的涂料，以喷涂方法涂覆于被保护工件的表面；采用自干或烘干(80～100℃)的方法使涂层干燥，形成干涂层；用功率密度10⁹W/cm²以上的激光作用于工件之涂层表面。

该方法，使涂层表面最大限度地吸收激光能量并迅速产生等离子体，由于瞬间能最巨大，等离子气体发生急剧膨胀，即形成爆炸，爆炸冲击波被约束层(特定厚度的“水幕”)约束，使爆炸冲击波几乎单向作用于涂层，并通过涂层作用于金属底材，使不锈钢等金属组织密度提高，从而使金属强度提高2～3.2倍，提高其抗应力腐蚀性、抗磨损性、抗疲劳性等性能。要求在涂层的同一位置，能抵抗四次以上爆炸冲击，而涂层完好，不被激光烧蚀、不剥落、不起层、不起泡等。激光对底材冲击强化完成后，而金属表面完好无损。保护作用完成后，该涂层能在丝毫不伤害底材的情况下被轻易去除。

具体实施方式

下面叙述四个实施例，对本发明做进一步说明

实施例1一种专用保护涂料的生产配方、制备工艺、使用方法   一、配方

原料名称           重量百分比

改性树脂           28

颜料               5

填料               15

助剂               2

混合溶剂           50

二、制备方法：

1)将配方量50％的树脂、分散助剂、配方量30％的混合溶剂按量加入容器内，搅拌均匀。

2)按量加入颜料、填料，边加边搅拌，待无可见干粉后，采用2000转/分钟的高速进行分散处理。

3)将上述浆料用研磨机研磨成细度达到＜20μm的色浆。

4)将剩余树脂、混合溶剂、其它助剂加入容器中，再在搅拌状态下加入色浆，搅拌均匀，即成成品涂料。

5)200目丝绢过滤，包装。

三、使用方法

将制成的涂料，以喷涂方法涂覆于被保护工件的表面；采用80～100℃烘干，使涂层干燥，形成干涂层。即可用大功率激光作用于工件之涂层表面。

实施例2一种专用保护涂料的生产配方、制备工艺、使用方法

原料名称             重量百分比

环氧树脂             50

颜料                 25

填料                 5

助剂                 0.5

混合溶剂             19.5

本实施例的制备工艺和使用方法与实施例1相似。

实施例3一种专用保护涂料的生产配方、制备工艺、使用方法

原料名称             重量百分比

乙烯基树脂           15

丙烯酸树脂           28

颜料                 15

填料                 8

助剂                 1.3

混合溶剂             32.7

本实施例的制备工艺和使用方法与实施例1相似。

实施例4一种专用保护涂料的生产配方、制备工艺、使用方法

原料名称            重量百分比

树脂                50

颜料                25

填料                14

助剂                1

混合溶剂            10

本实施例的制备工艺和使用方法与实施例1相似。

测试：

通过试验及小批量加工，结果如下：

1.涂层在飞机不锈钢叶片表面附着良好。

2.涂层对叶片保护良好，未见烧蚀。

3.飞机发动机不锈钢叶片被强化后性能达到要求。

4.激光冲击强化完成后，涂层可以被轻易去掉，且对底材无任何伤害。

5.同一部位能承受4次高功率密度激光冲击强化涂层不剥落、不起层、不起泡。

6.涂层干燥固化后不溶于水。

7.涂层厚度不大于100μm

8.涂层光泽(60°)不大于5％。

9.涂层适用期大于48h。

10.干燥固化时间不大于24h。

11.涂层耐水性25℃×1h无异常。

Claims (3)

1.激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料，其特征在于，涂料配方采用树脂、固化剂、颜料、填料、助剂、溶剂，各组分之比例是：

原料名称             重量百分比

树脂基料             28～50

颜料                 5～25

填料                 5～15

助剂                 0.5～2

混合溶剂             余量

2.根据权利要求1所述激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)将配方量40-60％的树脂、助剂、配方量25-35％的稀释剂按量加入容器内，搅拌均匀。

2)按量加入颜料、填料，边加边搅拌，待无可见干粉后，采用2000转/分钟以上的高速进行分散处理。

3)将上述浆料用研磨机研磨成细度达到＜20μm的色浆。

4)将剩余树脂、混合溶剂加入容器中，再在搅拌状态下加入色浆，搅拌均匀，即成成品涂料。

5)200目丝绢过滤，即可。

3.根据权利要求1所述激光冲击强化不锈钢的专用保护涂料的使用方法，其特征在于，将制成的涂料，以喷涂方法涂覆于被保护工件的表面；采用自干或80～100℃烘干的方法使涂层干燥，形成干涂层；用功率密度10⁹W/cm²以上的激光作用于工件之涂层表面。