CN116640471A - 激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法，涉及激光冲击强化领域，以所述约束层材料的总体积计，所述约束层材料包括以下体积百分数的原料：丙烯酸：78％‑86％；硅烷偶联剂：3％‑5％；羧基丁腈橡胶：5％‑7％；丙二醇海藻酸酯：6％‑10％。本发明激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法，所述约束层材料透光性和约束性能好，使用时由流体喷涂再固化成型，可贴合各种复杂型面，适用范围广，制作方便，成本低，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及激光冲击强化领域，具体涉及一种激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法。
背景技术
激光冲击强化技术(Laser Shock Peeni ng,LSP)是一种表面塑性强化技术，是通过短脉冲(纳秒量级、甚至皮秒/飞秒量级)、高功率(GW级)激光与物质相互作用产生高压(GPa量级)等离子体冲击波，利用冲击波力学效应使金属材料表层发生塑性变形，形成残余压应力和微观组织改善，从而显著提升材料的抗疲劳、抗磨损、抗应力腐蚀等性能。
激光冲击强化技术的组成由脉冲激光、吸光的吸收保护层、透明的约束层和金属材料/工件等组成；吸收保护层贴覆在金属材料/工件的表面，吸收保护层主要功能是吸收激光能量、保护金属材料/工件不被激光烧蚀；约束层施加在吸收保护层上，主要功能是约束等离子体膨胀过程、显著提升金属材料/工件所受的冲击波压力幅值。激光冲击强化的基本物理过程是脉冲激光穿过透明约束层辐照在吸收保护层上，激光能量被吸收保护层吸收，发生爆炸性气化蒸发形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量膨胀，在约束层作用下形成向材料内部传播的高压冲击波，当冲击波压力高于材料动态屈服极限即会造成塑性变形。
飞机主承力结构主要采用钛合金、铝合金等金属材料，在服役过程中会在交变载荷作用下容易发生疲劳裂纹故障，尤其军用飞机，影响结构强度、甚至飞行安全，可利用激光冲击强化对疲劳裂纹发生部位进行预处理，实现抗疲劳延寿。但是，飞机主承力结构位于飞机内部、甚至属于隔舱、油箱等，激光冲击强化常用的水约束层虽对复杂型面结构贴合性很好，但存在水层流淌、飞溅等问题，不再适用；另外，玻璃约束层则存在复杂型面结构贴合性不好、破裂等问题。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供一种激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法，以改善现有约束层对复杂型面贴合性不好，以及水基约束层强化时存在液体飞溅的技术问题。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种激光冲击强化的约束层材料，以所述约束层材料的总体积计，所述约束层材料包括以下体积百分数的原料：丙烯酸：78％-86％；硅烷偶联剂：3％-5％；羧基丁腈橡胶：5％-7％；丙二醇海藻酸酯：6％-10％。
在本发明激光冲击强化的约束层材料一示例中，以所述约束层材料的总体积计，所述约束层材料包括以下体积百分数的原料：丙烯酸：82％；硅烷偶联剂：4％；羧基丁腈橡胶：6％；丙二醇海藻酸酯：8％。
本发明还提供一种激光冲击强化的约束层材料的制备方法，包括以下步骤：
将各原料进行计量；
在丙烯酸中加入硅烷偶联剂，搅拌至混合均匀，得到第一混合物；
将羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌至混合均匀，得到第二混合物；
将丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到所述约束层材料。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的制备方法一示例中，所述的激光冲击强化的约束层材料的制备方法中，各步骤搅拌温度为18-25℃。
本发明还提供一种激光冲击强化的约束层材料的使用方法，包括以下步骤：
将所述约束层材料装入喷涂装置；
将所述约束层材料均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层；
通过所述约束层对待处理部位进行激光冲击强化；
激光冲击强化结束后去除所述约束层。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述喷涂装置上设有与待处理部位的表面形状相匹配的喷头。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，喷涂时，所述喷头相对于待处理部位的表面的高度保持不变。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述喷头相对于待处理部位的表面的高度与所述约束层厚度一致。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述约束层材料均匀喷涂在待处理部位表面的保护层上。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述约束层完全覆盖所述保护层。
本发明激光冲击强化的约束层材料中各组分的作用如下：
丙烯酸为速干性液态树脂基体，增加激光冲击强化的约束层材料的固化速度。
硅烷偶联剂作为透光剂，增强激光冲击强化的约束层材料的透光性，保证激光冲击效果。
羧基丁腈橡胶作为增韧剂，提高激光冲击强化的约束层材料的韧性，增加约束效果。
丙二醇海藻酸酯作为增稠剂，增加激光冲击强化的约束层材料使用时的喷涂效果。
本发明激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法，所述约束层材料透光性和约束性能好，使用时由流体喷涂再固化成型，可贴合各种复杂型面，适用范围广，制作方便，成本低，应用前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明激光冲击强化的约束层材料的使用示意图。
元件标号说明
100 约束层
110 喷涂装置
120 喷头
130 约束层材料
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种激光冲击强化的约束层材料，以所述约束层材料130的总体积计，所述约束层材料130包括以下体积百分数的原料：丙烯酸：78％-86％，所述丙烯酸的体积分数可以是78％-86％之间的任意值，例如：78％、80％、82％、84％、86％；所述丙烯酸为速干性液态树脂基体，增加激光冲击强化的约束层材料的固化速度；硅烷偶联剂：3％-5％，所述硅烷偶联剂的体积分数可以是3％-5％之间的任意值，例如，3％、3.5％、4％、4.5％、5％；所述硅烷偶联剂作为透光剂，增强激光冲击强化的约束层材料的透光性，保证激光冲击效果；羧基丁腈橡胶：5％-7％，所述羧基丁腈橡胶的体积分数可以是5％-7％之间的任意值，例如，5％、5.5％、6％、6.5％、7％；所述羧基丁腈橡胶作为增韧剂，提高激光冲击强化的约束层材料的韧性，增加约束效果；丙二醇海藻酸酯：6％-10％，所述丙二醇海藻酸酯的体积分数可以是6％-10％之间的任意值，例如，6％、7％、8％、9％、10％；所述丙二醇海藻酸酯作为增稠剂，增加激光冲击强化的约束层材料使用时的喷涂效果。
在本发明激光冲击强化的约束层材料一示例中，所述丙烯酸、所述硅烷偶联剂、所述羧基丁腈橡胶、所述丙二醇海藻酸酯的纯度均大于或等于99％。
在本发明激光冲击强化的约束层材料一示例中，以所述约束层材料130的总体积计，丙烯酸的加入量为82％，硅烷偶联剂的加入量为4％，羧基丁腈橡胶的加入量为6％，丙二醇海藻酸酯的加入量为8％。此时所述约束层材料130的约束能力、透光性、韧性等效果均较佳。
本发明还提供一种激光冲击强化的约束层材料的制备方法，包括以下步骤：
将各原料进行计量；
在丙烯酸中加入硅烷偶联剂，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到第一混合物；
将羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到第二混合物；
将丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到所述约束层材料130。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的制备方法一示例中，所述的激光冲击强化的约束层材料的制备方法中，各步骤搅拌温度为16-28℃。
本发明还提供一种激光冲击强化的约束层材料的使用方法，包括以下步骤：
将所述约束层材料130装入喷涂装置110；
将所述约束层材料130均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层100；
通过所述约束层100对待处理部位进行激光冲击强化；
激光冲击强化结束后去除所述约束层100。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述喷涂装置110上设有与待处理部位的表面形状相匹配的喷头120。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，喷涂时，所述喷头120相对于待处理部位的表面的高度保持不变。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述喷头120相对于待处理部位的表面的高度与所述约束层100厚度一致,所述约束层100厚度为1-10mm。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述约束层材料130均匀喷涂在待处理部位表面的保护层上。
在本发明激光冲击强化的约束层材料的使用方法一示例中，所述约束层100完全覆盖所述保护层。
上述各原料的配比不同，可以构成不同的实施例，具体实施例如下所示：
实施例1
以激光冲击强化的约束层材料总体积计，各组分的体积百分数：丙烯酸：82％；硅烷偶联剂：4％；羧基丁腈橡胶：6％；丙二醇海藻酸酯：8％。
采用上述激光冲击强化的约束层材料组分制备激光冲击强化的约束层材料并使用的方法包括以下过程：
将各原料进行计量，取820m l丙烯酸、40m l硅烷偶联剂、60m l羧基丁腈橡胶和80m l丙二醇海藻酸酯；
在820m l丙烯酸中加入40m l硅烷偶联剂，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到860m l第一混合物；
将60m l羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到920m l第二混合物；
将80m l丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到1000m l所述约束层材料130；
将所述约束层材料130装入喷涂装置110；
将所述约束层材料130均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层100，厚度为2mm。
实施例2
以激光冲击强化的约束层材料总体积计，各组分的体积百分数：丙烯酸：80％；硅烷偶联剂：3％；羧基丁腈橡胶：7％；丙二醇海藻酸酯：10％。
采用上述激光冲击强化的约束层材料组分制备激光冲击强化的约束层材料的方法包括以下过程：
将各原料进行计量，取800m l丙烯酸、30m l硅烷偶联剂、70m l羧基丁腈橡胶和100m l丙二醇海藻酸酯；
在800m l丙烯酸中加入30m l硅烷偶联剂，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到830m l第一混合物；
将70m l羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到900m l第二混合物；
将100m l丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到1000m l所述约束层材料130；
将所述约束层材料130装入喷涂装置110；
将所述约束层材料130均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层100，厚度为2mm。
实施例3
以激光冲击强化的约束层材料总体积计，各组分的体积百分数：丙烯酸：86％；硅烷偶联剂：3％；羧基丁腈橡胶：5％；丙二醇海藻酸酯：6％。
采用上述激光冲击强化的约束层材料组分制备激光冲击强化的约束层材料的方法包括以下过程：
将各原料进行计量，取860m l丙烯酸、30m l硅烷偶联剂、50m l羧基丁腈橡胶和60m l丙二醇海藻酸酯；
在860m l丙烯酸中加入30m l硅烷偶联剂，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到890m l第一混合物；
将50m l羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到940m l第二混合物；
将60m l丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到1000m l所述约束层材料130；
将所述约束层材料130装入喷涂装置110；
将所述约束层材料130均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层100，厚度为2mm。
实施例4
以激光冲击强化的约束层材料总体积计，各组分的体积百分数：丙烯酸：78％；硅烷偶联剂：5％；羧基丁腈橡胶：7％；丙二醇海藻酸酯：10％。
采用上述激光冲击强化的约束层材料组分制备激光冲击强化的约束层材料的方法包括以下过程：
将各原料进行计量，取780m l丙烯酸、50m l硅烷偶联剂、70m l羧基丁腈橡胶和100m l丙二醇海藻酸酯；
在780m l丙烯酸中加入50m l硅烷偶联剂，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到830m l第一混合物；
将70m l羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌3-5mi n至混合均匀，得到900m l第二混合物；
将100m l丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到1000m l所述约束层材料130；
将所述约束层材料130装入喷涂装置110；
将所述约束层材料130均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层100，厚度为2mm。
为保证实验条件一致，上述实施例1-4均在23℃下进行。
将本发明的激光冲击强化的约束层材料，按相关标准进行激光冲击强化试验，激光器输出脉宽为18-20ns的激光，激光半径2mm，激光能量3.6-4J，使用黑胶带作为吸收层，以激光冲击后的冲击凹坑深度表示约束层100的约束效果。
各实施例激光冲击强化后的冲击凹坑深度如下表1：
表1冲击凹坑深度
由上表1可知，本发明激光冲击后的冲击凹坑深度较深，约束效果好。
本发明提供一种激光冲击强化的约束层材料、制备方法及使用方法，具有约束性能好，适用型面范围广，制作方便的有益效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种激光冲击强化的约束层材料，其特征在于，以所述约束层材料的总体积计，所述约束层材料包括以下体积百分数的原料：
丙烯酸：78％-86％；
硅烷偶联剂：3％-5％；
羧基丁腈橡胶：5％-7％；
丙二醇海藻酸酯：6％-10％。
2.根据权利要求1所述的约束层材料，其特征在于，以所述约束层材料的总体积计，所述约束层材料包括以下体积百分数的原料：
丙烯酸：82％；
硅烷偶联剂：4％；
羧基丁腈橡胶：6％；
丙二醇海藻酸酯：8％。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的约束层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将各原料进行计量；
在丙烯酸中加入硅烷偶联剂，搅拌至混合均匀，得到第一混合物；
将羧基丁腈橡胶加入第一混合物中，搅拌至混合均匀，得到第二混合物；将丙二醇海藻酸酯加入第二混合物，搅拌至混合均匀，得到所述约束层材料。
4.根据权利要求3所述的约束层材料的制备方法，其特征在于，所述的激光冲击强化的约束层材料的制备方法中，各步骤搅拌温度为18-25℃。
5.根据权利要求1-2任一项所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述约束层材料装入喷涂装置；
将所述约束层材料均匀喷涂至待处理部位的表面；
待固化后，得到约束层；
通过所述约束层对待处理部位进行激光冲击强化；
激光冲击强化结束后去除所述约束层。
6.根据权利要求5所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，所述喷涂装置上设有与待处理部位的表面形状相匹配的喷头。
7.根据权利要求6所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，喷涂时，所述喷头相对于待处理部位的表面的距离保持不变。
8.根据权利要求6所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，所述喷头相对于待处理部位的表面的距离与所述约束层厚度一致。
9.根据权利要求5所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，所述约束层材料均匀喷涂在待处理部位表面的保护层上。
10.根据权利要求9所述的约束层材料的使用方法，其特征在于，所述约束层完全覆盖所述保护层。
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