CN112695194B - 用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶及其在激光冲击强化中的应用 - Google Patents

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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing

Abstract

本发明公开了一种用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶及其在激光冲击强化中的应用，属于激光冲击强化技术领域。该液体强化胶的原料组成：丁腈橡胶为20‑40％；苯乙烯为30‑50％；全氯乙烯5‑15％；二氧化硅5‑15％；炭黑0.5％‑1％。该液体强化胶在激光冲击强化中的应用过程为：先根据激光冲击强化工艺参数计算工件表面待强化区域所需液体牺牲层的体积，在待加工区域进行液体强化胶的涂覆，凝固后进行激光冲击强化；撕掉凝固后的牺牲层，完成强化过程。本发明牺牲层与传统激光冲击强化牺牲层黑胶或者铝箔相比可以更好的强化复杂曲面，更有利于工程运用。

Description

用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶及其在激光冲击强化 中的应用
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体涉及一种用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶及其在激光冲击强化中的应用。
背景技术
激光冲击强化是一种先进的表面处理冲击技术，能够使材料表面形成一层较深的残余压应力层，从而抑制裂纹的萌生和扩展，大幅提高材料的使用寿命，在航空航天、汽车、核电产业中具有广阔的应用前景。其原理为通过高能量、短脉冲激光照射到材料表面的牺牲层上(通常为黑胶带或铝箔)，形成高密度等离子体在上表面透明约束层(通常为水)的约束下产生GPA级别的压力，并以冲击波的形式向材料内部传播，由于压力超过材料的屈服强度，从而使材料表面产生塑性变形，形成残余压应力层，这种在材料内部相互平衡的残余应力，在与外部载荷所施加在材料的应力进行叠加，对于承受着交变载荷且对疲劳寿命要求高的零件而言，可使表面平均应力产生相应的减小，实现强化材料的目的(如申请号为201710204760.8的中国发明专利)。
现有激光冲击强化中用的牺牲层通常为黑胶带或铝箔，使用时要求牺牲层与材料表面紧密贴合。由于是现有牺牲层为固体状态，对于某些复杂零件，尤其是大曲率零件，通过贴胶带或者铝箔容易产生气泡，且两条胶带衔接的地方厚度不容易控制，影响强化效果，效率较低。因此迫切需要一种强化效果好且易去除的液体牺牲层材料。
发明内容
针对现有激光冲击强化中牺牲层存在的粘接等问题，本发明的目的在于提供一种用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶及其在激光冲击强化中的应用，该液体强化胶作为牺牲层强化效果好且易去除，本发明牺牲层与传统激光冲击强化牺牲层黑胶或者铝箔相比可以更好的强化复杂曲面，更有利于工程运用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶，按重量百分含量计，该液体强化胶的原料组成如下：
Figure BDA0002243933020000021
所述液体强化胶的制备过程如下：将原料中各组分按所需比例混合，搅拌2-3小时使混合均匀并形成胶状，即获得所述液体强化胶。
所述液体强化胶在常温条件下自然放置一段时间后即凝固，放置时间可根据涂覆层厚度进行计算，即，
Figure BDA0002243933020000022
所述液体强化胶在激光冲击强化中作为牺牲层的应用，包括如下步骤：
(1)制定激光冲击强化工艺参数；
(2)根据步骤(1)中制定的激光冲击强化工艺参数计算工件表面待强化区域所需液体牺牲层的体积，根据公式(1)进行计算；
Figure BDA0002243933020000023
公式(1)中，V表示待强化区域所需液体强化胶的体积，l2表示液体强化胶凝固后厚度，S表示待强化区域的表面积，ρ1表示液体强化胶密度，ρ2表示液体强化胶凝固后的密度，β为液体强化胶中不挥发物的重量百分含量；
所述液体强化胶凝固后厚度l2应大于或等于1.2l1，l1为汽化涂层厚度；根据在激光强化中所选用的激光强化参数，由公式(2)对l1进行计算；
Figure BDA0002243933020000031
公式(2)中，l1表示汽化涂层厚度，dk表示表面能量反射比，cs为液体强化胶凝固后比热容，cv为液体强化胶比热容，Tv为牺牲层在激光强化过程中相应压强条件下的沸点，Ln为牺牲层熔化热，Lv为牺牲层汽化热，I0为激光功率密度，ρ2为液体强化胶凝固后(牺牲层)密度，t为激光脉冲时间。
(3)使用涂覆工具对工件的待加工区域进行液体强化胶的涂覆，强化胶的涂覆体积为步骤(1)中的计算值V；
(4)待液体强化胶凝固后，按选定的工艺参数进行激光冲击强化；
(5)撕掉凝固后的牺牲层，完成强化过程。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、本发明设计的牺牲层材料，用于激光冲击强化能有效吸收激光能量，提高强化效果。
2、本发明设计的牺牲层材料，不溶于通常用于约束层的水，保证强化质量。
3、使用本发明牺牲层材料，在激光加工前不需要清理。
4、本发明牺牲层材料允许连续加工。
5、本发明牺牲层材料不堵塞喷涂工具。
6、本发明设计的牺牲层材料为环境友好型，易于清除。
7、本发明设计的牺牲层材料对工件无损伤。
附图说明
图1为本发明液体强化胶在激光冲击强化中的应用流程。
图2为撕掉后的牺牲层及其试件；其中：(a)激光加工后的工件；(b)撕掉的剩余牺牲层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种强化效果好且易去除的液体牺牲层，按重量百分含量计，该液体强化胶的原料组成如下：
Figure BDA0002243933020000041
将原料中各组分按上述比例混合，搅拌2.5小时混合均匀并形成胶状，即获得所述液体强化胶。所述液体强化胶在常温条件下自然放置一段时间后即凝固，放置时间可根据涂覆层厚度进行计算，即，
Figure BDA0002243933020000042
实施例2：
将实施例1制备的液体强化胶应用于激光冲击强化中的牺牲层，应用过程如下：
1、选用铝合金7075的试件，矩形板状试件尺寸为30mm*30mm*5mm，制定的激光冲击强化工艺参数为：激光能量为6J，光斑直径2.5mm，脉冲宽度12ns。
2、根据选用的激光参数，计算出功率密度为9.17GW/cm2。液体强化胶涂覆工件表面并凝固后形成厚度l2的牺牲层，激光冲击强化后，牺牲层部分发生汽化被去除，发生汽化这部分的厚度称为汽化涂层厚度；根据在激光强化中所选用的激光强化参数，由公式(2)对l1进行计算；
Figure BDA0002243933020000043
公式(2)中，l1表示汽化涂层厚度，dk表示表面能量反射比，本发明的液体强化胶的dk为0.15，cs为液体强化胶凝固后比热容，cv为液体强化胶比热容，Tv为牺牲层在激光强化过程中相应压强条件下的沸点，Ln为牺牲层熔化热，Lv为牺牲层汽化热，I0为激光功率密度，ρ2为液体强化胶凝固后(牺牲层)密度，t为激光脉冲时间。
本实施例计算得出汽化的牺牲层厚度为195.3μm。
3、计算工件表面待强化区域所需液体牺牲层的体积，根据公式(1)进行计算；
Figure BDA0002243933020000051
公式(1)中，V表示待强化区域所需液体强化胶的体积，l2表示液体强化胶凝固后厚度，S表示待强化区域的表面积，ρ1表示液体强化胶密度，ρ2表示液体强化胶凝固后的密度，β为液体强化胶中不挥发物的重量百分含量。
所述液体强化胶凝固后厚度l2应大于或等于1.2l1，l1为汽化涂层厚度。喷涂牺牲层为液体状，不挥发物含量为42.3％。因此试样表面尺寸为30mm*30mm、厚度为0.25mm的约需0.6ml的液体强化胶。
4、使用胶头滴管吸入计算量的液体强化胶涂到试件上；
5、待液体强化胶凝固后，按选定的工艺参数进行激光冲击强化；
6、撕掉凝固后的牺牲层，完成强化过程。牺牲层及其工件如图2所示。
针对使用新型强化胶前后的基体性能进行显微硬度和残余应力的测试测试结果如下表1所示：
表1
显微硬度 残余应力
激光冲击前 145.7Hv -34.5MPa
激光冲击后 167.5Hv -128.1MPa

Claims (4)

1.一种用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶的应用，其特征在于：该液体强化胶作为牺牲层应用于激光冲击强化中；按重量百分含量计，该液体强化胶的原料组成如下：
Figure FDA0003419529480000011
该液体强化胶作为牺牲层的应用过程包括如下步骤：
(1)制定激光冲击强化工艺参数；
(2)根据步骤(1)中制定的激光冲击强化工艺参数计算工件表面待强化区域所需液体强化胶层的体积；所述液体强化胶的体积；根据公式(1)进行计算；
Figure FDA0003419529480000012
公式(1)中，V表示待强化区域所需液体强化胶的体积，l2表示液体强化胶凝固后厚度，S表示待强化区域的表面积，ρ1表示液体强化胶密度，ρ2表示液体强化胶凝固后的密度，β为液体强化胶中不挥发物的重量百分含量；
所述液体强化胶凝固后厚度l2应大于或等于1.2l1，l1为汽化涂层厚度；根据在激光强化中所选用的激光强化参数，由公式(2)对l1进行计算；
Figure FDA0003419529480000013
公式(2)中，dk表示表面能量反射比，cs为液体强化胶凝固后比热容，cv为液体强化胶比热容，Tv为牺牲层在激光强化过程中相应压强条件下的沸点，Ln为牺牲层熔化热，Lv为牺牲层汽化热，I0为激光功率密度，ρ2为液体强化胶凝固后密度，t为激光脉冲时间；
(3)使用涂覆工具对工件的待加工区域进行液体强化胶的涂覆；
(4)待液体强化胶凝固后，按选定的工艺参数进行激光冲击强化；
(5)撕掉凝固后的牺牲层，完成强化过程。
2.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶的应用，其特征在于：所述液体强化胶的制备过程如下：将原料中各组分按所需比例混合，搅拌2-3小时使混合均匀并形成胶状，即获得所述液体强化胶。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光冲击强化牺牲层的液体强化胶的应用，其特征在于：所述液体强化胶在常温条件下自然放置一段时间后即凝固，放置时间根据涂覆层厚度进行计算，即，
Figure FDA0003419529480000021
4.根据权利要求1所述的液体强化胶在激光冲击强化中的应用，其特征在于：步骤(3)中，强化胶的涂覆体积为步骤(1)中的计算值V。
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