[發明專利]一種利用激光沖擊波提高自修復材料修復效果的方法

在審

• 申請號: 201610172157.1
• 申請日: 2016-03-24
• 公開（公告）號: CN105648201A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 羅開玉;劉波;魯金忠;景祥
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及再制造領域，特指一種利用激光沖擊波提高自修復材料修復效果的方法。微 裂紋的早期發現并及時修復對材料在航空航天、汽車制造、電子科技等領域的應用至關重要。

背景技術

在汽車制造、航空航天、電子科技等領域，核心零部件在工作中，由于受載荷、磨損、 沖擊、疲勞等作用，易產生裂紋，致使材料報廢。因此采用修復技術對存在裂紋缺陷的部件 進行修復，延長其使用壽命，可獲得可觀的經濟效益。目前的裂紋修補方法有手工電弧焊， 埋弧焊，振動堆焊，鍍鉻，金屬噴涂，金屬膠粘等方式，然而這些修復方式都只是單一的從 外部表面進行修復，雖然手動操作性強，但誤差較大，修復后留有疤痕，表面不平整，修復 效果不理想，且只適用于修復較大的肉眼可見的裂紋。

根據裂紋擴展機制，我們發現裂紋一旦形成后，擴展速度會越來越快。因此在裂紋萌生 的初期對其進行修復就顯得十分重要。此時修復能夠及時避免裂紋擴展，最易恢復機械性能， 達到繼續工作生產的需求，而且經濟花費最廉價。然而裂紋形成初期大部分是較窄、較淺、 不規則的，且尺寸非常細微，達到微米量級，肉眼難以辨別，因此難以適用上述修復方法。

最近剛剛興起的一種使用內嵌式微膠囊技術修復材料表層微裂紋的方法能有效的解決這 個難題。這項技術的原理是材料生產初期時在其內部填充一種包含修復劑的微膠囊和固化反 應所需的催化劑，由于修復劑包裹在微膠囊內與催化劑不接觸，因此不發生固化反應。當裂 紋入侵到一定程度時微膠囊囊壁就會破裂，然后釋放修復液，被釋放的修復液填充裂紋并與 催化劑接觸發生反應，粘接裂紋。研究數據表明這項技術能使材料裂紋處大部分的韌性復蘇。 但這項技術也有其缺點：由于微裂紋的擴展壓力較小，不能使微膠囊囊壁完全破裂，導致內 含的修復液不能完全流出，尤其是當裂紋萌生區域的微膠囊數量較少時，極易造成修復液無 法填充整個裂紋，導致修復區域含有大量氣孔，且修復液流出后，膠囊內部也將產生中空的 氣孔，從而大大降低修復效果；當微裂紋較淺，未穿過微膠囊時，則無法得到自修復，因此 該類裂紋還會繼續擴展；并且自修復材料只能修復已生成的裂紋，無法防止裂紋周圍區域新 裂紋的萌生。

激光沖擊強化(又叫激光噴丸)是一種新型的材料表面強化技術，利用強激光誘導的沖 擊波力學效應對材料進行加工，其形成的殘余壓應力層能有效地消除材料內部的應力集中和 抑制裂紋的萌生和擴展，能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命，大量的研究證明激光沖擊強化 技術是延長裂紋萌生時間，降低裂紋擴展速度提高材料壽命的有效手段。

發明內容

為了解決自修復材料修復效果不理想的問題，本發明提供了一種利用激光沖擊波提高自 修復材料修復效果的方法；高達GPa量級的激光沖擊波壓力，能使自修復材料表層(高達1mm 左右深度范圍)微裂紋處微膠囊囊壁完全破裂，修復液完全流出與催化劑充分混合粘接裂紋， 提升粘合效果；同時由于激光沖擊的作用，使得裂紋及周圍區域的表層晶粒得到細化，表層 組織更加緊密，且其誘導產生的殘余壓應力層能有效地平衡材料使用過程中的拉應力，因而 有效的防止裂紋擴散及新裂紋的生成。

具體步驟為：

(1)選取激光沖擊強化工藝參數，包括激光脈沖能量、脈寬、光斑直徑、橫向搭接率和 縱向搭接率，對自修復基體材料進行激光沖擊強化試驗，獲得激光沖擊強化的影響深度H。

在該步驟中，由于激光沖擊強化可有效提高材料的力學性能，其影響深度即為力學性能 提高的深度。因此所述的激光沖擊自修復材料的影響深度H可通過測量實驗后深度方向上材 料的硬度變化方式獲得。

激光沖擊強化實驗過程中的工藝參數范圍為：激光脈沖能量3-9J，脈寬5-20ns，光斑直 徑1-3mm，橫向搭接率和縱向搭接率均為30％-50％。鋁箔作為吸收層，厚度為0.1mm；流 水作為透明約束層，厚度為1mm。

(2)測定金屬損傷件裂紋的最大深度h，為了達到最佳修復效果，要求滿足0<h<3H/4這 個條件，則可以采用本文所述方法。

由于微膠囊囊壁比較脆弱，微小裂紋的擴展壓力(通常小于20MPa)都能使其破裂，而 激光沖擊波所產生的沖擊壓力高達GPa量級，雖然在深度方向上傳播時會有所衰減，但當滿 足0<h<3H/4這個條件時，激光沖擊波所產生的壓力在h深度范圍內也遠大于微膠囊囊壁破裂 所需壓力，因此囊壁破裂所需具體壓力值不必考慮。