專利名稱：激光沖擊強化不銹鋼的專用保護涂料及其制備、使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊強化金屬用的專用保護涂料及其制備方法和使用方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊強化(laser shock peening/processing，簡稱LSP)技術(shù)采用短脈沖 (幾十納米)高峰值功率密度(109W/cm2以上)的激光輻射金屬表面，在金屬表面涂覆的涂 覆層吸收激光能量發(fā)生爆炸性等離子體氣體，爆炸產(chǎn)生的高壓(GPa級)等離子體沖擊波， 作用于涂層及金屬表面并向金屬內(nèi)部傳播，深達1mm。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬底材動 態(tài)屈服強度時，材料表面就會產(chǎn)生應(yīng)變硬化，同時微觀組織發(fā)生很大變化，顯著提高材料的 抗疲勞、耐磨損和防應(yīng)力腐蝕等性能。金屬強度可提高2 3. 2倍。目前，世界上只有美國 對該項技術(shù)實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。在上述沖擊強化過程中，如果沒有保護涂層，強化過程是無法實現(xiàn)的，金屬底材將 被激光產(chǎn)生的高溫所融化，金屬表面產(chǎn)生“火山口 ”和飛濺的金屬點。因此，保護涂料是激 光沖擊強化技術(shù)得以工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。大功率激光強化金屬底材的保護技術(shù)——“濕涂層法”，是美國目前使用的激光沖 擊強化金屬底材之保護技術(shù)，其方法是金屬底材在激光沖擊強化之前，由控制系統(tǒng)向工件 表面噴出一個直徑與激光光柱相似直徑的“涂料點”。隨后“趁濕”在這個點的部位進行激 光沖擊，然后立即將殘余的涂料點擦(洗)掉，即噴涂料點一激光沖擊一擦洗。如此往復(fù)， 以1 5Hz的速度進行激光沖擊強化作業(yè)，一個作業(yè)面要重復(fù)成千上萬次，直至當(dāng)前工件作 業(yè)面完成沖擊強化作業(yè)為止。由于此時涂層必須是“濕的”，姑且稱作“濕涂層法”。該“濕 涂層法”在激光沖擊強化的工藝過程中，噴點頻率與激光沖擊頻率是一致的，頻率很高，控 制系統(tǒng)極為復(fù)雜，可控性差，會影響沖擊強化質(zhì)量的一致性。該方法雖能解決異形工件，如 飛機發(fā)動機葉片的端面、錐形面、焊接面、鍵、槽等的沖擊強化保護的難題，但該方法仍存在 諸多缺點，如激光沖擊強化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，應(yīng)用靈活性差，工作效率低，不可控因 素多，沖擊強化質(zhì)量穩(wěn)定性差等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對美國現(xiàn)有“濕涂層法”之激光強化金屬保護技術(shù)之不足， 提供一種簡單易行、激光沖擊強化系統(tǒng)簡單、造價低、工作效率高的“干涂層法”的激光沖擊 強化保護涂料及其制備技術(shù)及使用方法，更有利于激光沖擊強化系統(tǒng)大規(guī)模工程化應(yīng)用。本發(fā)明涉及兩個方面1.干涂層法所謂“干涂層法”，是本發(fā)明開創(chuàng)的一個新方法。即，將本發(fā)明研制的 一種涂料，一次性涂覆于待加工工件表面，并予以干燥固化，形成“干涂層”。然后進行激光 沖擊強化工作，直至待加工面全面完成。2.專用保護涂料如果沒有保護涂層，在爆炸沖擊波壓力高達GPa級，激光輻照溫 度高達1 2萬K的苛刻條件下，金屬會被高溫所融化，再被爆炸沖擊波“炸飛”，使金屬表面形成“火山口”，并伴有飛濺金屬點出現(xiàn)，導(dǎo)致工件被報廢。“干涂層法”得以實施，完全依賴于本發(fā)明中專門研制的一種專用涂料，該涂料對金屬底材必須具有極強的附著力，極強 的機械強度，極好的耐溫性，從而能夠承受由高能量激光輻照于涂層表面而急劇產(chǎn)生的等 離子氣體爆炸沖擊波的沖擊。由于工藝原因，也為了增加沖擊強化效果，在涂層表面的同一位置，必須進行四次 或四次以上的這種爆炸沖擊波的疊加沖擊。因為激光光柱是圓形的，要使工件表面無遺漏 地被全面加工，有的部位必須要重復(fù)沖擊四次，因為目前采用的是1/2疊加方法，即每次激 光光斑與上次光斑重疊1/2面積。據(jù)稱美國為了提高工作效率，試圖將激光光柱改成方形 的。本發(fā)明之專用保護涂料的配方是采用樹脂、固化劑、顏料、填料、助劑、混合溶劑，原料名稱重量百分比樹脂基料28 50顏料5 25填料5 15助劑0.5 2混合溶劑余量各組分的作用如下(1)樹脂、固化劑(固化劑實際為樹脂基料的組成之一，有的體系不需要使用，以 下統(tǒng)稱為樹脂)的作用在涂裝后起化學(xué)反應(yīng)，形成“網(wǎng)”狀結(jié)構(gòu)。而不加固化劑的體系，涂 層干燥后，高分子物(樹脂)則呈“無規(guī)線團”狀分布。作為粘結(jié)料也是涂層的基本成膜物 質(zhì)，起到的作用如下1.將各類顏料、填料粘合在一起。2.充分包覆于每個顏料、填料顆粒 的表面。3.在涂層于燥固化后，使涂層成為連續(xù)而密實的膜。4.使涂層牢固附著于底材表 面。5.高溫不分解。6.在高溫下耐水。7.具有極好的機械強度，在涂層表面瞬間產(chǎn)生大量 的等離子體而形成的爆炸沖擊波，對涂層產(chǎn)生破壞性沖擊，同一位置，能承受這種沖擊波至 少四次以上，而涂層不被破壞。(2)顏料的基本作用a.使涂料具有指定的顏色，如黑色等。b.是涂料次要成膜物的一種。c.對涂層起到一定的增強作用。(3)填料的基本作用a.涂料的次要成膜物質(zhì)。b.對涂層起增強作用。c.對涂層有次要的消光作用。(4)助劑的基本作用a.消光劑使涂層干燥固化后，光澤符合要求。b.流平助劑使涂層平整光滑，避免產(chǎn)生火山口、貝納德漩渦等“漆病”。c.分散助劑使顏料、填料能很好濕潤分散，促使每個顆粒表面被樹脂均勻包覆。d.附著力促進劑使涂層對底材具有更好的附著力。
(5)混合溶劑的基本作用a.使樹脂溶解成均一相液體。b.將粘稠狀涂料稀釋到適合涂裝的粘度。上述樹脂系丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、氨基樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂等。采用其中一種或兩種進行共混改性或組合型樹脂基料。上述顏料系黑色顏料為碳黑，白色顏料為二氧化鈦，蘭(綠)色顏料為酞青顏料， 紅色為永固紅，黃色為檸檬黃。上述填料系1250目滑石粉，325目重晶石粉，800目云母粉。采用一種或兩種組
合使用。上述助劑系流平齊IJ、附著力促進劑、消泡劑、消光齊U、分散劑。上述溶劑系醋酸丁酯、醋酸乙酯、甲苯、二甲苯、乙醇、環(huán)己酮、乙二醇乙醚乙酸 酯、丁醇。依各類溶劑對樹脂的溶解特性、適用性及施工環(huán)境溫度(季節(jié))，而選擇各種不同 揮發(fā)速度的溶劑，組合調(diào)配成的混合溶劑。該涂料的制備方法是1)將配方量40-60%的樹脂、分散助劑、配方量25-35%的混合溶劑按量加入容器 內(nèi)，攪拌均勻。2)按量加入顏料、填料，邊加邊攪拌，待無可見干粉后，采用2000轉(zhuǎn)/分鐘以上的
高速進行分散處理。3)將上述漿料用研磨機研磨成細(xì)度達到彡25 μ m的色漿。4)將剩余樹脂、混合溶劑、其它助劑加入容器中，再在攪拌狀態(tài)下加入色漿，攪拌 均勻，即為成品涂料。5)用200目絲絹過濾，即可。本發(fā)明的涂裝方法和原理是將制成的涂料，以噴涂方法涂覆于被保護工件的表面；采用自干或烘干(80 IOO0C )的方法使涂層干燥，形成干涂層；用功率密度109W/cm2以上的激光作用于工件之涂 層表面。該方法，使涂層表面最大限度地吸收激光能量并迅速產(chǎn)生等離子體，由于瞬間能 最巨大，等離子氣體發(fā)生急劇膨脹，即形成爆炸，爆炸沖擊波被約束層(特定厚度的“水 幕”)約束，使爆炸沖擊波幾乎單向作用于涂層，并通過涂層作用于金屬底材，使不銹鋼等金 屬組織密度提高，從而使金屬強度提高2 3. 2倍，提高其抗應(yīng)力腐蝕性、抗磨損性、抗疲勞 性等性能。要求在涂層的同一位置，能抵抗四次以上爆炸沖擊，而涂層完好，不被激光燒蝕、 不剝落、不起層、不起泡等。激光對底材沖擊強化完成后，而金屬表面完好無損。保護作用 完成后，該涂層能在絲毫不傷害底材的情況下被輕易去除。
具體實施例方式下面敘述四個實施例，對本發(fā)明做進一步說明實施例1 一種專用保護涂料的生產(chǎn)配方、制備工藝、使用方法一、配方原料名稱重量百分比改性樹脂28
顏料5填料15助劑2混合溶劑50 二、制備方法1)將配方量50%的樹脂、分散助劑、配方量30%的混合溶劑按量加入容器內(nèi)，攪 拌均勻。2)按量加入顏料、填料，邊加邊攪拌，待無可見干粉后，采用2000轉(zhuǎn)/分鐘的高速 進行分散處理。3)將上述漿料用研磨機研磨成細(xì)度達到< 20 μ m的色漿。4)將剩余樹脂、混合溶劑、其它助劑加入容器中，再在攪拌狀態(tài)下加入色漿，攪拌 均勻，即成成品涂料。5)200目絲絹過濾，包裝。三、使用方法將制成的涂料，以噴涂方法涂覆于被保護工件的表面；采用80 100°C烘干，使涂 層干燥，形成干涂層。即可用大功率激光作用于工件之涂層表面。實施例2 —種專用保護涂料的生產(chǎn)配方、制備工藝、使用方法原料名稱重量百分比環(huán)氧樹脂50顏料25填料5助劑0.5混合溶劑19. 5本實施例的制備工藝和使用方法與實施例1相似。實施例3 —種專用保護涂料的生產(chǎn)配方、制備工藝、使用方法原料名稱重量百分比乙烯基樹脂15丙烯酸樹脂28顏料15填料8助劑1. 3混合溶劑32.7本實施例的制備工藝和使用方法與實施例1相似。實施例4 一種專用保護涂料的生產(chǎn)配方、制備工藝、使用方法原料名稱重量百分比樹月旨50顏料25填料14助劑1
混合溶劑10本實施例的制備工藝和使用方法與實施例1相似。測試通過試驗及小批量加工，結(jié)果如下1.涂層在飛機不銹鋼葉片表面附著良好。2.涂層對葉片保護良好，未見燒蝕。3.飛機發(fā)動機不銹鋼葉片被強化后性能達到要求。4.激光沖擊強化完成后，涂層可以被輕易去掉，且對底材無任何傷害。5.同一部位能承受4次高功率密度激光沖擊強化涂層不剝落、不起層、不起泡。6.涂層干燥固化后不溶于水。7.涂層厚度不大于100 μ m8.涂層光澤(60° )不大于5%。9.涂層適用期大于48h。
10.干燥固化時間不大于24h。11.涂層耐水性25°C X Ih無異常。
權(quán)利要求
激光沖擊強化不銹鋼的專用保護涂料，其特征在于，涂料配方采用樹脂、固化劑、顏料、填料、助劑、溶劑，各組分之比例是原料名稱 重量百分比樹脂基料 28～50顏料 5～25填料 5～15助劑 0.5～2混合溶劑 余量
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光沖擊強化不銹鋼的專用保護涂料的制備方法，其特征在于 步驟如下1)將配方量40-60%的樹脂、助劑、配方量25-35 %的稀釋劑按量加入容器內(nèi)，攪拌均勻。2)按量加入顏料、填料，邊加邊攪拌，待無可見干粉后，采用2000轉(zhuǎn)/分鐘以上的高速 進行分散處理。3)將上述漿料用研磨機研磨成細(xì)度達到<20 ym的色漿。4)將剩余樹脂、混合溶劑加入容器中，再在攪拌狀態(tài)下加入色漿，攪拌均勻，即成成品 涂料。5)200目絲絹過濾，即可。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光沖擊強化不銹鋼的專用保護涂料的使用方法，其特征在 于，將制成的涂料，以噴涂方法涂覆于被保護工件的表面；采用自干或80 100°C烘干的方 法使涂層干燥，形成干涂層；用功率密度109W/cm2以上的激光作用于工件之涂層表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光沖擊強化不銹鋼的專用保護涂料及其制備、使用方法，涂料組分含有樹脂、固化劑、顏料、填料、助劑、溶劑。使用時，將涂料以噴涂方法涂覆于被保護工件的表面；采用自干或烘干的方法，使涂層于燥，形成干涂層，即用功率密度109W/cm2以上的激光作用于工件之涂層表面，即可。本發(fā)明，將涂料涂裝于工件表面并予以干燥固化，形成干涂層，對工件形成完整而有效的保護。該涂層對金屬底材具有及強的附著力和極高的機械強度，該涂層能避免金屬被高能量(50J)激光輻照而產(chǎn)生的瞬間高溫(1～2萬K)所融化，進而避免等離子體氣體爆炸產(chǎn)生的高壓(GPa級)使金屬表面產(chǎn)生“火山口”和金屬飛濺；能充分吸收激光能量并在瞬間(幾十納秒)急劇產(chǎn)生等離子體形成爆炸；當(dāng)爆炸沖擊波產(chǎn)生的高壓使金屬下陷時，涂層不產(chǎn)生剝落、起層、起泡等現(xiàn)象，而且要能在同一部位承受4次以上。
文檔編號C09D161/06GK101864231SQ20101019964
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者張德林 申請人:陜西德立特種漆業(yè)有限責(zé)任公司