CN107099656A - 一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法 - Google Patents

一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，该方法为：将石墨颗粒、乙醇和丙二醇混合并在室温条件下搅拌10min～20min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，将混合溶液置于恒温水浴器中升温至40℃～50℃，再向所述混合溶液中加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡10min～15min，得到油性涂层溶液；再将所述油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成吸收层。本发明制备的吸收层为有机油性涂层，不仅能够对倒角，不规则曲面和粗糙度较大表面有效贴合，而且吸收层不溶于水，与基体吸附性好，涂覆简单，厚度可以根据激光能量进行调整，是在涂覆结束未干燥的情况下即可进行激光冲击强化处理，节约了干燥时间，大大提高了生产效率。

Description

一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法
技术领域
本发明属于激光冲击吸收层的制备技术领域，具体涉及一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法。
背景技术
激光冲击过程中，金属材料表面受到高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光冲击，需要在金属材料表面涂覆约束层和吸收层。其原理是：吸收涂层吸收高能激光能量而在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在，使等离子体的膨胀受到限制，导致等离子体压力迅速升高，施于基体表面一个冲击加载，产生向金属内部传播的强冲击波。冲击波压力一般能够达到GPa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和冷塑性变形，同时在冲击区域产生残余压应力，改善基体表面的疲劳性能和腐蚀性能。
在进行激光冲击强化处理之前，工件上一般会涂覆吸收层。吸收层可以用来保护金属表层不受热效应的影响被烧蚀，并且还可以用来增大金属表面冲击波的振幅。金属材料对激光的反射率很高，室温下钕玻璃激光(波长1.054微米)对钛合金的反射率达90％以上，为了提高对激光的吸收率，激光冲击用能量吸收涂层材料受到广泛的重视。人们试图通过激光冲击处理技术在钛合金工件表面得到较大的残余压应力，从而提高飞机和航空器件上关键零部件的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能。在激光冲击过程中，能量吸收涂层作为激光吸收物质，其性能质量一直是难以解决的问题，获得高质量、高性能的能量吸收涂层是涂层制备工艺研究的一个重要方向。普通涂层的质量差，与基体的结合强度低，对激光的吸收率低这些缺点都大大限制了涂层材料的使用及发展。研究开发适合于高功率下激光冲击工作的吸收涂层，来提高激光冲击、激光热处理过程中的吸收性能和热保护性能，就成为国内外十分关注的，迫切需要解决的问题。
目前吸收层一般采用特种黑漆、黑胶带或者铝箔。采用黑漆作为吸收层，表面的贴合性能好，特别针对倒角，不规则曲面和粗糙度较大表面，冲击效果很好。黑漆涂层的缺点是在喷涂后需要等待2～3小时才能干燥，然后才可以施加约束层进行冲击强化，生产效率低下；黑漆不能很好的保护靶面，连续冲击会造成表面烧蚀；涂层厚度难以控制。若采用黑胶带或铝箔等固体涂层，涂覆简便，无需干燥可直接进行激光冲击。但固体涂层对倒角、不规则曲面的贴合性不好，影响强化质量；而且由于其固态特征，在完成1～2次冲击之后便彻底烧损，再重新粘贴后，由于部件激光冲击后表面不平滑造成重新粘贴的黑胶带与部件之间有空隙，严重影响冲击效果，所以无法进行多次冲击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法。该方法制备的吸收层为有机油性涂层，不仅能够对倒角，不规则曲面和粗糙度较大表面有效贴合，而且吸收层不溶于水，与基体吸附性好，涂覆简单，厚度可以根据激光能量进行调整，是在涂覆结束未干燥的情况下即可进行激光冲击强化处理，节约了干燥时间，大大提高了生产效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，该方法为：首先将石墨颗粒、乙醇和丙二醇混合后并在室温条件下搅拌10min～20min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至40℃～50℃，静置保温3min～5min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡10min～15min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：(1.5～2.5)：(0.7～1)：(1.8～2.5)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：2：1：2：1：1：1：1。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒的粒径为50nm～500nm。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述吸收层的厚度为30μm～100μm。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet26。
上述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述钛合金的牌号为TA1、TA2、TA5、TA10、TC4、TC18、TC21、TB2、TB8、Ti31、Ti75或Ti80。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明针对现有液态和固态吸收涂层的不足，结合其优点，公开一种钛合金用激光冲击强化吸收层的制备方法，本发明制备的激光冲击吸收层为有机油性涂层，不仅能够对倒角，不规则曲面和粗糙度较大表面有效贴合，而且吸收层不溶于水，与基体吸附性好，涂覆简单，厚度可以根据激光能量进行调整，最主要的是在涂覆结束未干燥的情况下即可进行激光冲击强化处理，节约了干燥时间，大大提高了生产效率。
2、本发明制备的钛合金用激光冲击吸收层在激光冲击钛合金基体时，起到保护的作用，激光冲击效果明显，基体表面无烧灼现象，油性涂层也无残留，而且可以实现连续多次冲击，解决了现有技术的缺点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的TA1钛合金用激光冲击吸收层的表面SEM形貌图片。
图2为本发明实施例1制备的TA1钛合金用激光冲击吸收层经三次激光冲击后的SEM形貌图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例制备TA1钛合金用激光冲击吸收层的方法为：首先将石墨颗粒置于烧杯中，再加入乙醇和丙二醇混合后，并在室温条件(25℃)下磁性搅拌20min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至40℃，静置保温5min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡10min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
本实施例中，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：2：1：2：1：1：1：1，制备的油性涂层溶液的总质量为100g；所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26；所述石墨颗粒选用粒径为50nm～100nm的石墨颗粒。
本实施例的钛合金基体为1.6mm厚的TA1板材，所述激光冲击吸收层的厚度控制在40μm～50μm，使用的激光器是Nd:YAG高功率激光器，激光器输出参数激光能量4J，脉宽15ns，激光光斑直径2.6mm。约束层使用3mm左右的流动水层，实验共进行三次冲击，每次冲击过后即刻重新涂覆相同厚度的激光冲击吸收层，进行下一次冲击。
本实施例制备的涂覆在TA1钛合金板材上的激光冲击吸收层，经过EDS能谱分析，涂层成分如表1所示，主要成分为碳元素，另外含有少量的氧元素和微量的氮元素，并无其他金属元素成分夹杂。本实施例制备的激光冲击吸收层的表面形貌如图1所示，涂层表面均匀平坦，可以看到微米级的小孔是由于涂层干燥后形成的，在实际应用中并无影响。经过上述激光冲击工艺处理后，得到了TA1钛合金板材表面的截面形貌SEM照片，如图2所示，图中深坑为激光冲击后材料的塑性变形区域。图2中可见，对于该工艺参数，TA1板材涂覆40μm～50μm厚的激光冲击吸收层，激光冲击效果明显，板材表面无烧灼现象，激光冲击吸收层也无残留。
表1实施例钛合金板材涂覆吸收层后的EDS数据
实施例2
本实施例制备TC4钛合金用激光冲击吸收层的方法为：首先将石墨颗粒置于烧杯中，再加入乙醇和丙二醇混合后，并在室温条件(25℃)下磁性搅拌15min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至45℃，静置保温4min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡15min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
本实施例中，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：1.8：0.7：2.2：1：0.8：1：1.2，制备的油性涂层溶液的总质量为200g；所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26；所述石墨颗粒选用粒径为100nm～200nm的石墨颗粒。
本实施例的钛合金基体为2mm厚的TC4钛合金叶片，所述激光冲击吸收层的厚度控制在80μm～100μm，使用的激光器是采用Nd:YAG高功率激光器，激光器输出参数激光能量5J，脉宽20ns，激光光斑直径2.0mm。约束层使用3mm左右的流动水层，实验共进行两次冲击，一次冲击过后即刻重新涂覆吸收层，进行下一次冲击。
本实施例在TC4钛合金叶片上形成的激光冲击吸收层，经过上述激光冲击工艺处理后，激光冲击效果明显，叶片表面无烧灼现象，激光冲击吸收层也无残留，并且TC4钛合金叶片具有不规则的表面，也能很好地有贴合吸收层。
实施例3
本实施例制备Ti80钛合金用激光冲击吸收层的方法为：首先将石墨颗粒置于烧杯中，再加入乙醇和丙二醇混合后，并在室温条件(25℃)下磁性搅拌10min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至50℃，静置保温3min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡12min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
本实施例中，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：1.5：0.7：2：0.8：0.8：0.8：0.8，制备的油性涂层溶液的总质量为150g；所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26；所述石墨颗粒选用粒径为300nm～500nm的石墨颗粒。
本实施例的钛合金基体为3mm厚的Ti80板材，所述激光冲击吸收层的厚度控制在70μm～80μm，使用的激光器是采用Nd:YAG高功率激光器，激光器输出参数激光能量5J，脉宽15ns，激光光斑直径2.0mm。约束层使用3mm左右的流动水层，实验共进行一次冲击。
本实施例在Ti80钛合金板材上形成的激光冲击吸收层，经过上述激光冲击工艺处理后，激光冲击效果明显，板材表面无烧灼现象，激光冲击吸收层也无残留。
实施例4
本实施例制备TB2钛合金用激光冲击吸收层的方法为：首先将石墨颗粒置于烧杯中，再加入乙醇和丙二醇混合后，并在室温条件(25℃)下磁性搅拌15min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至45℃，静置保温5min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡15min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
本实施例中，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：2.5：0.85：2.5：1.2：1.2：1.2：1，制备的油性涂层溶液的总质量为200g；所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26；所述石墨颗粒选用粒径为200nm～300nm的石墨颗粒。
本实施例的钛合金基体为3mm厚的TB2板材，所述激光冲击吸收层的厚度控制在90μm～100μm，使用的激光器是采用Nd:YAG高功率激光器，激光器输出参数激光能量5J，脉宽15ns，激光光斑直径2.0mm。约束层使用3mm左右的流动水层。实验共进行一次冲击。
本实施例在TB2钛合金板材上形成的激光冲击吸收层，经过上述激光冲击工艺处理后，激光冲击效果明显，板材表面无烧灼现象，激光冲击吸收层也无残留。
实施例5
本实施例制备TA5钛合金用激光冲击吸收层的方法为：首先将石墨颗粒置于烧杯中，再加入乙醇和丙二醇混合后，并在室温条件(25℃)下磁性搅拌15min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至45℃，静置保温5min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡15min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
本实施例中，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：2：0.8：1.8：1：1.2：1.2：1，制备的油性涂层溶液的总质量为100g；所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26；所述石墨颗粒选用粒径为200nm～300nm的石墨颗粒。
本实施例的钛合金基体为3mm厚的TA5钛合金板材，所述激光冲击吸收层的厚度控制在50μm～60μm，使用的激光器是采用Nd:YAG高功率激光器，激光器输出参数激光能量5J，脉宽15ns，激光光斑直径2.0mm。约束层使用3mm左右的流动水层，实验共进行三次冲击，每次冲击过后即刻重新涂覆相同厚度的激光冲击吸收层，进行下一次冲击。
本实施例在TA5钛合金板材上形成的激光冲击吸收层，经过上述激光冲击工艺处理后，激光冲击效果明显，板材表面无烧灼现象，激光冲击吸收层也无残留。
本发明的基体所采用的钛合金牌号还可以为TA2、TA10、TC18、TC21、TB2、TB8、Ti31或Ti75。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，该方法为：首先将石墨颗粒、乙醇和丙二醇混合后并在室温条件下搅拌10min～20min，然后加入环氧树脂和聚乙烯甲酯，得到混合溶液，再将混合溶液置于恒温水浴器中升温至40℃～50℃，静置保温3min～5min后，加入平滑剂、消泡剂和底材湿润剂，在超声波震荡器中震荡10min～15min，得到油性涂层溶液，最后将油性涂层溶液多次涂覆在钛合金基体上形成激光冲击吸收层。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：(1.5～2.5)：(0.7～1)：(1.8～2.5)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒、乙醇、丙二醇、环氧树脂、聚乙烯甲酯、平滑剂、消泡剂和底材湿润剂的质量比为1：2：1：2：1：1：1：1。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒的粒径为50nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述吸收层的厚度为30μm～100μm。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述平滑剂的型号为TEGO Glide 100，所述消泡剂的型号为TEGO 815N，所述底材湿润剂的型号为TEGO Wet 26。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金用激光冲击吸收层的制备方法，其特征在于，所述钛合金的牌号为TA1、TA2、TA5、TA10、TC4、TC18、TC21、TB2、TB8、Ti31、Ti75或Ti80。
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