專利名稱：在激光噴丸期間用燒蝕層防止點(diǎn)蝕的激光噴丸方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光噴丸，更具體而言，本發(fā)明涉及應(yīng)用在進(jìn)行激 光噴丸時不會產(chǎn)生點(diǎn)蝕的燒蝕層的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在激光噴丸中使用燒蝕層是公知的。例如，參見下文中簡要論 述的美國專利4937421和C.S. Montross等。在題為 "Laser peening system and method " 的美國專利 4937421中記栽了一種利用激光束噴丸處理工件的激光噴丸設(shè)備和 方法。該系統(tǒng)包括對準(zhǔn)待噴丸工件表面的箔并用激光照射對準(zhǔn)的箔 表面。箔從光束吸收能量，并蒸發(fā)部分箔，這在箔內(nèi)產(chǎn)生熱等離子 體。等離子體產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波穿過箔并噴丸處理工件表面。在C.S. Montross等人的題為"The Influence of Coating on Subsurface Mechanical Properties of Laser Peened 2011-T3 Aluminum" ( Journal of Material Science 36 (2001) 1801-1807 )的 論文中，討論一種用于防止鋁元件被激光脈沖表面熔化的諸如涂料 或金屬箔的燒蝕犧牲涂層，表面熔化對疲勞壽命產(chǎn)生有害影響。該 論文利用納米壓痕分析涂料和箔涂層對沖擊波傳播到鋁樣品中的 影響、以及所產(chǎn)生的機(jī)械性能相對于深度的變化。在接近表面處， 發(fā)現(xiàn)激光噴丸處理增加了硬度，但是該處理降低了測得的彈性模 量。發(fā)現(xiàn)激光脈沖的能量密度和箔的性質(zhì)(包括其對鋁合金的附著 力)影響表面機(jī)械性能的變化。在激光噴丸的過程中，高能激光入射到金屬表面上、燒蝕薄的 表面層、產(chǎn)生等離子體和隨后的強(qiáng)烈沖擊。這種強(qiáng)烈沖擊使得產(chǎn)生材料塑性變形并在表面內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的壓縮層.為避免熱等離子 體接觸金屬表面，將一個或更多個材料層施加到基材表面以作為燒 蝕材料源并隔絕等離子體的熱量。該等離子體是成形所述材料的并 是隨后噴丸處理所述材料的沖擊波源。起初，將涂料用作燒蝕層， 但是涂料不具有足夠的抗拉強(qiáng)度以在沖擊波局部壓縮表面時避免 產(chǎn)生局部剪切。在沖擊結(jié)束和表面回彈時，涂料還會破裂并脫粘。 已經(jīng)證實(shí)具有粘合劑背襯的帶是較佳的燒蝕材料。它們易于施加、 牢固地附著于表面并具有足夠的抗拉強(qiáng)度以允許連續(xù)并排地(side-by-side)噴丸， 一般不發(fā)生剪切或脫粘。然而，已經(jīng)意識到， 在將帶施加到表面的過程中，在帶下方可能截留半球尺寸經(jīng)常小至 20jim的與金屬表面接觸的小氣泡。當(dāng)沖擊波壓縮這些氣泡時，它 們以絕熱方式加熱并將該熱量傳遞給金屬。對于在低溫下熔化的金 屬(例如鋁)，該傳遞的熱量可能足以局部熔化金屬并產(chǎn)生隨后固 化成固體弧坑的熔化材料的小蝕坑。因?yàn)樵撔∥g坑在張力狀態(tài)下固 化，在金屬表面上形成應(yīng)力冒口，并且可能降低噴丸處理樣品的疲 勞壽命和耐腐蝕性，所以該小蝕坑是不希望的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的提供一種用于激光噴丸的方法，該方法防止 噴丸工藝在待噴丸處理材料內(nèi)產(chǎn)生蝕坑。本發(fā)明的另一目的是提供混合燒蝕層，用于應(yīng)用到待激光噴丸處 理的材料上以防止噴丸處理的材料形成蝕坑。基于本公開，這些和其它目的對于本領(lǐng)域技術(shù)人員會是顯而易見的。為防止由激光噴丸形成點(diǎn)蝕，將包含單獨(dú)底層的混合燒蝕層施加 到待噴丸處理的材料上。該底層接觸待噴丸處理的表面，并且以不具 有超過可接受尺寸的氣泡和空隙的方式施加該底層。將一個或更多個 諸如金屬箔或帶的面層施加在底層上。底層例如可以為以無氣泡的方 式形成的噴涂粘合劑層或噴涂涂料層。隨后將在面層之下形成的任何 氣泡與待噴丸處理的表面隔開。已經(jīng)測試該工藝，其顯著降^f氐噴丸處 理表面上的蝕坑發(fā)生率。本發(fā)明可以用于多種激光噴丸應(yīng)用中，例如 金屬的激光噴丸、金屬的激光噴丸成形、和金屬的激光噴丸標(biāo)記(peenmarking )。


附圖并入本公開并形成其一部分，它舉例說明本發(fā)明的一個實(shí) 施方案，并與本說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖1顯示具有根據(jù)本發(fā)明制得的表面的材料。
具體實(shí)施方式
將包含兩個或更多個層的混合燒蝕層施加到待激光噴丸處理的 表面。該混合燒蝕層由底層和一個或更多個面層形成.參照圖1， 底層10必須是可以施加為使得氣泡或空隙的最大尺寸不超過如下 文討論的限定值的層。施加該底層以接觸待噴丸處理的表面12，然 后應(yīng)用提供所需抗拉強(qiáng)度的諸如金屬箔或帶的一個或更多個面層 14。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，底層不包含直徑大于10微米的 空隙或氣泡。在一個實(shí)施方案中，應(yīng)用約3密耳厚并具有約1密耳 粘合劑的鋁帶?？梢允褂脙蓪訋АＳ捎趪娡康男再|(zhì)，底層例如可以 為以無氣泡的方式形成的噴涂粘合劑層或噴涂涂料層。涂料可以為 約4~5密耳厚。其它方法是浸涂底層并使其固化，或者，例如通 過在烘箱內(nèi)應(yīng)用合適的加熱或利用加熱燈來使其固化。涂料應(yīng)是4艮 好地結(jié)合到表面的類型。這種涂料可以包括高品質(zhì)金屬底漆和熱固 化環(huán)氧樹脂?？梢允沟脟娡空澈蟿├?M公司生產(chǎn)的噴涂粘合劑 (3M Metal Primer EC3901 、 3M Structural Adhesive Primer EC-1593或EC1660)均勻地覆蓋表面，并將不具有粘合劑的帶應(yīng) 用到上面。在噴涂底層并由此以無氣泡的方式應(yīng)用底層之后，可以 應(yīng)用一個或更多個箔層。通常地，在將固體帶層應(yīng)用至表面的過程 中，氣泡會截留在表面下。由于氣泡被截留，因此幾乎不可能通過 真空泵吸將其除去。然而，對于無氣泡應(yīng)用的底層，在底層和面層 之間形成的任何氣泡與待噴丸處理的表面隔開。當(dāng)這些氣泡由于沖 擊壓縮而壓縮時，這些氣泡內(nèi)產(chǎn)生的熱量會在底層中耗散，因此不 會接觸或熔化或點(diǎn)蝕待噴丸處理的表面。已經(jīng)測試了該工藝，并且 顯著降低了噴丸處理表面的蝕坑發(fā)生率。可以計(jì)算在激光噴丸過程中截留在帶下方以產(chǎn)生蝕坑的氣泡的可能性。為考察在激光噴丸過程中氣泡是否具有足夠的熱容和溫度升高以在帶下方熔化小的蝕坑，計(jì)算直徑1mm的半球形氣泡的熱 容和溫度升高，并且估算熔化適當(dāng)尺寸蝕坑所需的熱能以及出現(xiàn)這 種熱傳遞的可能性。例如，利用直徑l mm的半球形氣泡的體積、質(zhì)量和動能，進(jìn) 行下列計(jì)算。1111111氣泡的體積是￥ = 2/3丌1"3 = 2.6乂10-1°1113。從PV 二nRT開始，我們可以計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)的室內(nèi)條件 起點(diǎn)下氣泡中有多少摩爾氣體和多少質(zhì)量。在STP下，P-l個大 氣壓=105N/m2， T = 300 K。 R是值為8314.4 J/kmol*K度的普適氣 體常數(shù)。n = PV/RT = (105*2.6 x 10"°)/( 831*300 ) = 1 x 10"° kmol。 由于空氣的質(zhì)量約為28 kg/kmo1，所以該氣泡具有2.8 x 109 kg的 質(zhì)量。氣泡中的分子動能約為E-n (5/2) RT = 17mJ。計(jì)算激光沖擊壓縮過程中氣泡的溫度升高。當(dāng)源自激光噴丸工 藝的沖擊波沖擊帶和氣泡時，壓力從1個大氣壓升至105個大氣壓。 氣體幾乎以絕熱方式升至T/To= (p/po)(r""的溫度。在該方程中，Y是恒定體積下比熱與恒定壓力下比熱的比。對于諸如空氣的 雙原子氣體，Y約為5/3?？紤]少量鋁的熔化。因此，對于由激光引 起的壓力急劇增大105倍，溫度可能升至T-300 (10s) 2/5 = 30000。 由于限制壓縮的如Rayleigh Tayor不穩(wěn)定性的其它減輕效應(yīng)和從氣 體到金屬的有限擴(kuò)散速率，溫度幾乎肯定不會升至該高的溫度。然 而，預(yù)期溫度明顯升高到高于鋁的熔點(diǎn)650°C。為確定需要多少能量熔化蝕坑，進(jìn)行以下計(jì)算。如果小蝕坑的 直徑為20微米，深5微米，則熔化的鋁的體積和質(zhì)量為V = ( d*7t*(直徑)2 )/4 = ( 5 x 10_6*p*( 20 x l(T6 )2 )/2 = 1.6 x 1015m3。 m = 2700 kg/m3*1.6 x 1015m3=4 x 1012kg。熔化該鋁所需的熱量等于 材料的溫度升至熔點(diǎn)650'C所需的熱量加上金屬從固態(tài)變成液態(tài)所 需的熔化熱。取鋁的熱容為C = 0.212 kcal/kg-C，我們?nèi)缦掠?jì)算升 溫至650'C所需的熱量Q ( AT ) = m*C*AT = 4 x 10 12kg*0.212 kcal/K度*650 K度=5 x 1010kcal = 2.2 x 106J。 Q (熔化熱)=93 kcal/kg*4 x 1012kg*lJ/2.4x 10"kcal = 1.5 x 10-6J。因此，所需總熱量是3.7 fiJ，其遠(yuǎn)小于氣 體動能中可利用的17mJ。因此，氣體中有大量的熱量用于熔化蝕 坑。測定在激光脈沖期間擴(kuò)散到鋁中的熱量。由熱導(dǎo)率k與密度p 和比熱容Cp的積的比給出材料的擴(kuò)散率，即熱量能夠擴(kuò)散到其中 的速率。對于鋁，這些值為k = .048kcal/s*m*°C， p = 2700kg/m3， Cp = 0.212 kcal/kg*。C。D = k/(p*Cp) = 8.2 x l(T5m2/s。由于擴(kuò)散是無規(guī)行走問題，因此熱量按照擴(kuò)散率與沖擊脈沖持 續(xù)時間t=100 ns的乘積的平方根擴(kuò)散。擴(kuò)散深度=2*平方根(Dt) =2*平方根(8.4X1012) =6微米。 該擴(kuò)散深度與觀察到的蝕坑深度大致匹配。從該樣品分析中，可以得出結(jié)論在小氣泡的氣體中存在足夠 的能量以熔化蝕坑，并且在沖擊壓力增加的周期期間，氣體經(jīng)歷適 當(dāng)?shù)纳郎亍４嬖谄渌梢詫_擊波的能量集中到局部區(qū)域和升高溫度或壓 力與擠出液流的效應(yīng)。表面之下的氣泡是低密度區(qū)，其折射并傾向 于聚焦沖擊波，如同光學(xué)透鏡一樣。這種增加的沖擊強(qiáng)度可能引起 熔化。無氣泡地施加在金屬上面的保護(hù)層會擴(kuò)散聚焦的沖擊波強(qiáng)度 并降低產(chǎn)生引起蝕坑的沖擊的可能性。本發(fā)明的前述說明的目的是舉例說明和描述，不意欲窮舉或?qū)⒈?發(fā)明限定于所公開的確切形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，能夠進(jìn)行許多修改和 變化。所公開的實(shí)施方案僅用于解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，由 此使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在各種實(shí)施方案中最佳使用本發(fā)明，并且預(yù) 期適合于具體用途的各種修改。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種激光噴丸方法，包括提供工件；在所述工件上附著第一層；在所述第一層上附著第二層；和使激光脈沖傳播到所述第二層上，其中所述脈沖包括足以燒蝕所述第二層的一部分的能量密度，由此噴射出等離子體，其中所述等離子體產(chǎn)生沖擊波，所述沖擊波傳播到所述第一層上和所述工件上，由此噴丸處理所述工件，其中所述第一層不含有具有空隙尺寸的空隙或具有氣泡尺寸的氣泡，所述空隙尺寸或氣泡尺寸至少大至足以在所述沖擊波的影響下產(chǎn)生至少一個具有不可接受的蝕坑尺寸的蝕坑。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中所述第二層對于所述激光脈沖的波長是 不透明的。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述氣泡尺寸或所述蝕坑尺寸包括10微 米的直徑。
4. 權(quán)利要求1的方法
5. 權(quán)利要求l的方法
6. 權(quán)利要求5的方法
7. 權(quán)利要求l的方法
8. 權(quán)利要求7的方法
9. 權(quán)利要求7的方法
10. 權(quán)利要求9的方法
11. 權(quán)利要求1的方法，其中所述第二層包括多個層。，其中所述第二層包括金屬箔。,其中所述金屬箔包含粘合劑。，其中所述第二層包括帶。，其中所述帶包含粘合劑。,其中所述帶包括金屬帶。，其中所述金屬帶包括鋁帶。，其中所述第一層包括噴涂的粘合劑。
12. 權(quán)利要求l的方法，其中所述第一層包括涂料。
13. 權(quán)利要求l的方法，其中所述笫一層包括噴涂的涂料。
14. 權(quán)利要求l的方法，其中所述第一層包括浸涂的涂料。
15. 權(quán)利要求l的方法，其中所述第一層包括金屬底漆。
16. —種設(shè)備，包括 附著至待激光噴丸處理的工件的第一層； 附著至所述第一層的第二層；和其中所述第 一層不含具有空隙尺寸的空隙或具有氣泡尺寸的氣 泡，所述空隙尺寸或氣泡尺寸至少大至足以在特定能量密度的沖擊波 的影響下產(chǎn)生至少一個具有不可接受的蝕坑尺寸的蝕坑。
17. 權(quán)利要求16的設(shè)備，還包括用于使激光脈沖傳播到所述第二層上 的裝置，其中所述脈沖包括足以燒蝕所述第二層的一部分的能量密度， 由此噴射出等離子體，其中所述等離子體產(chǎn)生沖擊波，所述沖擊波傳 播到所述第一層上和所述工件上，由此噴丸處理所述工件。
18. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第二層對于所述激光脈沖的波長是 不透明的。
19. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述氣泡尺寸或所述蝕坑尺寸包括IO 微米的直徑。
20. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第二層包括多個層。
21. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第二層包括金屬箔。
22. 權(quán)利要求21的設(shè)備，其中所述金屬箔包含粘合劑。
23. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第二層包括帶。
24. 權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述帶包含粘合劑。
25. 權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述帶包括金屬帶。
26. 權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述金屬帶包括鋁帶。
27. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第一層包括噴涂的粘合劑。
28. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第一層包括涂料。
29. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第一層包括噴涂的涂料。
30. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第一層包括浸涂的*#。
31. 權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述第一層包括金屬底漆。
全文摘要
將包含單獨(dú)底層(10)的混合燒蝕層(10、14)應(yīng)用于材料(12)以防止由激光噴丸產(chǎn)生點(diǎn)蝕。底層(10)附著至待噴丸處理工件(12)的表面，并且不具有超過可接受尺寸的氣泡或空隙。一個或更多個面層(14)置于底層(12)上，并與底層(12)接觸。面層(14)下形成的任何氣泡與待噴丸處理的表面隔開。該工藝顯著降低噴丸處理表面上蝕坑的發(fā)生率。
文檔編號B23K26/18GK101277780SQ200680036090
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者勞埃德·A·哈克爾 申請人:勞倫斯·利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司