CN113088172B - 一种石墨烯改性的激光吸收层涂料及其涂覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种石墨烯改性的激光吸收层涂料及其涂覆方法；该涂料主要由聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水组成；本发明通过石墨烯改性后，在零件表面产生更高幅值和更深层的表面残余压应力分布。将激光吸收层涂料通过高压气体驱动喷涂的方式涂覆在零件表面，经干燥后在复杂零件表面获得了厚度均匀的涂层，且涂层与零件之间的结合力较好，在激光冲击完成后可通过手剥去除。该方法具有涂覆效率高、质量可靠性好、去除效率高等优点，有利于复杂零件的加工及其大批量生产。

Description

一种石墨烯改性的激光吸收层涂料及其涂覆方法
技术领域
本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种石墨烯改性的激光吸收层涂料及其涂覆方法。
背景技术
激光冲击强化是一种先进的表面强化技术，利用激光诱导产生的高能等离子冲击波的力学效应，使零件表面产生塑性变形层和残余压应力层，从而提高零件的疲劳性能。激光脉冲并不是直接辐照在零件表面，而是间接地辐照在零件表面的激光吸收层上。该吸收层具有高的激光能量吸收率、隔热性和优异的综合力学性能。目前，常用的激光吸收层为黑色胶带或铝箔，通过人工手工粘贴的方式涂覆在零件表面，该方法具有操作简单、适应性好等优点，适合于简单零件的实验室研究或小批量试制。而对于复杂零件的加工及其大批量生产，黑色胶带或铝箔存在局限性：1)采用手工粘贴的方式，加工效率低、质量一致性不佳；2)复杂零件的粘贴过程中，易产生气泡、鼓包等缺陷，导致后续激光冲击过程中胶带、铝箔较高的破损率，从而提高了零件表面损伤的几率；2)相比黑色胶带，铝箔对激光的反射率较高，激光能量利用率低。
发明内容
本发明的目的是：提出了一种石墨烯改性的激光吸收层涂料及其涂覆方法，可解决复杂零件激光吸收层涂覆质量不佳、效率低下、质量均匀性不佳的难题，降低激光吸收层破损的几率，提高复杂零件的激光冲击强化表面质量，满足高品质复杂零件抗疲劳的需求。
本发明的技术方案是：
一种石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：该涂料主要由聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水组成。
所述涂料的聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水的含量分别为X、Y、Z和R，其中，X+Y+Z+R＝1，X＝50％～70％，Y＝10％～30％，Z＝1％～10％，R＝0％～20％，均为质量百分比。
所述聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为10％～60％(质量百分比)。
所述黑色辅料为包含水性石墨烯浆料(或石墨烯粉末)的炭黑或氧化铁黑，石墨烯的含量为0.1～5.0％(质量百分比)。
所述功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。
所述激光吸收层涂料固化时间为常温下1～3h，200℃条件下0.5～1h。
所述激光吸收层涂料激光能量利用率：与传统黑色胶带相比，在相同工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大10％及以上。
所述激光吸收层涂料延伸率为100％～200％，在激光功率密度为8～10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％。
一种石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，其特征在于：使用如权利要求1－5所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料，涂覆的步骤如下：
(1)零件表面清洁：采用酒精蘸纱布擦拭或超声清洗的方式，清洁待激光冲击强化的零件表面；
(2)涂料制备：将包含水性石墨烯浆料(或石墨烯粉末)加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将炭黑或氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料；
(3)涂料的涂覆：采用高压气体驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在零件表面，经室温下干燥后，涂层的厚度为100μm～1000μm。
所述涂料的涂覆采用高压气体驱动喷涂的方式。
所述高压气体驱动喷涂流量50ml/min～500ml/min，喷枪与零件表面距离为10cm～30cm进行喷涂。
本发明的优点是：
其一，本发明提出了一种石墨烯改性的激光吸收层涂料，该涂料通过石墨烯改性后，材料的激光吸收率显著提升，激光能量利用率显著提高，有利于提高冲击力，从而在零件表面产生更高幅值和更深层的表面残余压应力分布。
其二，该涂层具有适当的厚度及综合力学性能，有利于提高抗激光烧蚀能力，还具有良好的延伸率，降低破损率。
其三，将激光吸收层涂料通过高压气体驱动喷涂的方式涂覆在零件表面，经干燥后在复杂零件表面获得了厚度均匀的涂层，且涂层与零件之间的结合力较好，在激光冲击完成后可通过手剥去除。该方法具有涂覆效率高、质量可靠性好、去除效率高等优点，有利于复杂零件的加工及其大批量生产。
附图说明
图1黑色胶带、铝箔及本发明涂料在在激光功率密度为10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下冲击1000个点后的破损率
图2采用黑色胶带、铝箔和某叶盘激光冲击强化加工时长对比图
图3在相同工艺参数下黑色胶带、本发明涂料、铝箔在钛合金产生的表面残余压应力分布
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
一种石墨烯改性的激光吸收层涂料，该涂料主要由聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水组成。其中，聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水的含量分别为X、Y、Z和R，其中，X+Y+Z+R＝1，X＝50％～70％，Y＝10％～30％，Z＝1％～10％，R＝0％～20％，均为质量百分比；聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为10％～60％(质量百分比)；黑色辅料为包含水性石墨烯浆料(或石墨烯粉末)的炭黑或氧化铁黑，石墨烯的含量为0.1～5.0％(质量百分比)；功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。
所述石墨烯改性的激光吸收层涂料固化时间为常温下1～3h，200℃条件下0.5～1h。
所述石墨烯改性的激光吸收层的性能如下：(1)激光能量利用率：与传统黑色胶带相比，在相同工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大10％及以上。(2)延伸率为100％～200％；(3)在激光功率密度为8～10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％。
一种石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，涂覆的步骤如下：
(1)零件表面清洁：采用酒精蘸纱布擦拭或超声清洗的方式，清洁待激光冲击强化的零件表面；
(2)涂料制备：将包含水性石墨烯浆料(或石墨烯粉末)加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将炭黑或氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料。
(3)涂料的涂覆：采用高压气体驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在零件表面，流量50ml/min～500ml/min，喷枪与零件表面距离为10cm～30cm，经室温下干燥后，涂层的厚度为100μm～1000μm。
本发明的工作原理是：
可剥涂料是一种优异的表面防护涂料，具有固化时间短、施工简单、可快速剥离无残留等优点。本项目提出了一种高激光能量利用率、优异综合力学性能的可剥涂料及其涂覆方法。该涂料为黑色，具有高激光吸收率，并通过石墨烯改性后，激光能量利用率进一步提升，有利于提高冲击力幅值，在零件表面产生更深层的残余压应力层。另外，该涂层具有适当的厚度，有利于提高抗激光烧蚀能力，还具有良好的延伸率和断裂强度，有利于降低激光冲击过程中的破损率。而在涂覆时，将激光吸收层涂料通过高压气体驱动喷涂的方式涂覆在零件表面，可实现高效率地涂覆。涂料中的功能助剂具有可剥、流平和消泡的功能，可在复杂零件表面获得均匀、光滑的涂层，并使涂层与零件表面粘附良好，又可通过手剥去除，具有涂覆效率高、质量可靠性好、去除效率高等优点，有利于复杂零件的加工及其大批量生产。
实施例1
一种石墨烯改性的激光吸收层涂料，该涂料主要由聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水组成。其中，聚氨酯树脂(50％)、黑色辅料(20％)、功能助剂(10％)及去离子水(20％)，均为质量百分比；聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为10％(质量百分比)；黑色辅料为包含石墨烯粉末的炭黑，石墨烯的含量为1.0％(质量百分比)；功能助剂为硬脂酸钠。
该石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，涂覆的步骤如下：
(1)零件表面清洁：采用酒精超声清洗的方式，清洁待激光冲击强化的零件表面；
(2)涂料制备：将石墨烯粉末加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将炭黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入硬脂酸钠，再次分散均匀制备涂料。
(3)涂料的涂覆：采用高压气体驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在零件表面，流量50ml/min，喷枪与零件表面距离为10cm，经室温下干燥后，涂层的厚度为100μm。
如图1所示，采用本实施例的石墨烯改性的激光吸收层，在激光功率密度为10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下的冲击1000个点后的破损率为0％。如图2所示，采用本实施例的石墨烯改性的激光吸收层，某整体叶盘激光冲击强化加工时长由黑色胶带的20h、铝箔的22h降低为15h，显著提高了加工效率。如图3所示，相比黑色胶带和铝箔，采用本实施例的石墨烯改性的激光吸收层，在钛合金产生的表面残余压应力层深度更大。
实施例2
所述涂料的聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水的含量分别为X、Y、Z和R，其中，X＝70％，Y＝15％，Z＝10％，R＝5％，均为质量百分比。另外，聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为60％(质量百分比)；黑色辅料为包含水性石墨烯浆料氧化铁黑，石墨烯的含量为5.0％(质量百分比)；
该石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，涂覆的步骤如下：
(1)零件表面清洁：采用酒精蘸纱布擦拭的方式，清洁待激光冲击强化的零件表面；
(2)涂料制备：将包含水性石墨烯浆料加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入油酸钠，再次分散均匀制备涂料。
(3)涂料的涂覆：采用高压气体驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在零件表面，流量500ml/min，喷枪与零件表面距离为30cm，经室温下干燥后，涂层的厚度为1000μm。

Claims (7)

1.一种石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：该涂料主要由聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水组成；所述涂料的聚氨酯树脂、黑色辅料、功能助剂及去离子水的质量百分比含量分别为X、Y、Z和R，其中，X+Y+Z+R＝1，X＝50％～70％，Y＝10％～30％，Z＝1％～10％，R＝0％～20％；
所述聚氨酯树脂为水性乳液，质量百分比固含量为10％～60％；
所述黑色辅料为包含水性石墨烯浆料或石墨烯粉末的炭黑或氧化铁黑，石墨烯的质量百分比含量为0.1～5.0％。
2.如权利要求1所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：所述功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。
3.如权利要求1所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：所述激光吸收层涂料固化时间为常温下1～3h，200℃条件下0.5～1h。
4.如权利要求1所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：所述激光吸收层涂料激光能量利用率与传统黑色胶带相比，在相同激光工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大10％及以上。
5.如权利要求1所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料，其特征在于：所述激光吸收层涂料的延伸率为100％～200％，在激光功率密度为8～10GW/cm2，搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％。
6.如权利要求1－5任意一项所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，其特征在于：涂覆的步骤如下：
6.1、零件表面清洁：采用酒精蘸纱布擦拭或超声清洗的方式，清洁待激光冲击强化的零件表面；
6.2、涂料制备：将水性石墨烯浆料或石墨烯粉末加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将炭黑或氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料；
6.3、涂料的涂覆：采用高压气体驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在零件表面，经室温下干燥后，涂层的厚度为100μm～1000μm。
7.如权利要求6所述的石墨烯改性的激光吸收层涂料的涂覆方法，其特征在于：高压气体驱动喷涂流量50mL/min～500mL/min，喷枪与零件表面距离为10cm～30cm进行喷涂。
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