專利名稱：激光沖擊強(qiáng)化不銹鋼的專用保護(hù)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(qiáng)化金屬用的專用保護(hù)涂料及其制備方法和使用方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)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(dá)1mm。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬底材動(dòng) 態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表面就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變硬化，同時(shí)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(qiáng)度可提高2 3. 2倍。目前，世界上只有美國 對該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。在上述沖擊強(qiáng)化過程中，如果沒有保護(hù)涂層，強(qiáng)化過程是無法實(shí)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(diǎn)。因此，保護(hù)涂料是激 光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化金屬底材的保護(hù)技術(shù)——“濕涂層法”，是美國目前使用的激光沖 擊強(qiáng)化金屬底材之保護(hù)技術(shù)，其方法是金屬底材在激光沖擊強(qiáng)化之前，由控制系統(tǒng)向工件 表面噴出一個(gè)直徑與激光光柱相似直徑的“涂料點(diǎn)”。隨后“趁濕”在這個(gè)點(diǎn)的部位進(jìn)行激 光沖擊，然后立即將殘余的涂料點(diǎn)擦(洗)掉，即噴涂料點(diǎn)一激光沖擊一擦洗。如此往復(fù)， 以1 5Hz的速度進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化作業(yè)，一個(gè)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(qiáng)化作業(yè)為止。由于此時(shí)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(qiáng)化的工藝過程中，噴點(diǎn)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(huì)影響沖擊強(qiáng)化質(zhì)量的一致性。該方法雖能解決異形工件，如 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的端面、錐形面、焊接面、鍵、槽等的沖擊強(qiáng)化保護(hù)的難題，但該方法仍存在 諸多缺點(diǎn)，如激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，應(yīng)用靈活性差，工作效率低，不可控因 素多，沖擊強(qiáng)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(qiáng)化金屬保護(hù)技術(shù)之不足， 提供一種簡單易行、激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)簡單、造價(jià)低、工作效率高的“干涂層法”的激光沖擊 強(qiáng)化保護(hù)涂料及其制備技術(shù)及使用方法，更有利于激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)大規(guī)模工程化應(yīng)用。本發(fā)明涉及兩個(gè)方面1.干涂層法所謂“干涂層法”，是本發(fā)明開創(chuàng)的一個(gè)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(jìn)行激光 沖擊強(qiáng)化工作，直至待加工面全面完成。2.專用保護(hù)涂料如果沒有保護(hù)涂層，在爆炸沖擊波壓力高達(dá)GPa級，激光輻照溫 度高達(dá)1 2萬K的苛刻條件下，金屬會(huì)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(diǎn)出現(xiàn)，導(dǎo)致工件被報(bào)廢?！案赏繉臃ā钡靡詫?shí)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(qiáng)的附著力，極強(qiáng) 的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)化效果，在涂層表面的同一位置，必須進(jìn)行四次 或四次以上的這種爆炸沖擊波的疊加沖擊。因?yàn)榧す夤庵菆A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?yàn)槟壳安捎玫氖?/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(hù)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(shí)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(tuán)”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(gè)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(shí)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)顆粒表面被樹脂均勻包覆。d.附著力促進(jìn)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(jī)硅樹脂等。采用其中一種或兩種進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分散處理。3)將上述漿料用研磨機(jī)研磨成細(xì)度達(dá)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(hù)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(qiáng)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(qiáng)化完成后，而金屬表面完好無損。保護(hù)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(shí)施例方式下面敘述四個(gè)實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明實(shí)施例1 一種專用保護(hù)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(jìn)行分散處理。3)將上述漿料用研磨機(jī)研磨成細(xì)度達(dá)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(hù)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(shí)施例2 —種專用保護(hù)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(shí)施例的制備工藝和使用方法與實(shí)施例1相似。實(shí)施例3 —種專用保護(hù)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(shí)施例的制備工藝和使用方法與實(shí)施例1相似。實(shí)施例4 一種專用保護(hù)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(shí)施例的制備工藝和使用方法與實(shí)施例1相似。測試通過試驗(yàn)及小批量加工，結(jié)果如下1.涂層在飛機(jī)不銹鋼葉片表面附著良好。2.涂層對葉片保護(hù)良好，未見燒蝕。3.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不銹鋼葉片被強(qiáng)化后性能達(dá)到要求。4.激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)化不銹鋼的專用保護(hù)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(qiáng)化不銹鋼的專用保護(hù)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(jìn)行分散處理。3)將上述漿料用研磨機(jī)研磨成細(xì)度達(dá)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(qiáng)化不銹鋼的專用保護(hù)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(hù)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(qiáng)化不銹鋼的專用保護(hù)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(shí)，將涂料以噴涂方法涂覆于被保護(hù)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(hù)。該涂層對金屬底材具有及強(qiáng)的附著力和極高的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(shí)，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