一种修复金属裂纹的方法
【技术领域】
[0001] 本发明方法涉及激光加工领域，特指一种激光冲击强化与微胶囊粘合剂复合作用 修复金属裂纹的方法，适合于修复机床导轨工作面，航空关键件，及其他金属零部件表面的 浅划伤及其他微损伤裂纹。
【背景技术】
[0002] 激光冲击强化(又叫激光喷丸）是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导 的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，其形成的 残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高 金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力，大量的研宄证明激光冲击强化技术是延长 裂纹萌生时间，降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。
[0003] 工业零部件大部分是由金属材料构成，金属合金部件在工作中，由于受磨损、冲 击、疲劳等作用，易产生裂纹，致使材料报废，采用修复技术对存在裂纹缺陷的部件进行修 复，延长其使用寿命，可获得可观的经济效益；目前的裂纹修补方法有手工电弧焊，埋弧焊， 振动堆焊，镀铬，金属喷涂，金属胶粘等方式，其中手工电弧焊、埋弧焊、振动堆焊，适合于修 复较深较宽的金属损伤，对于较窄较浅的金属表面裂纹焊接效果并不理想，焊接部分常常 高于金属基体表面，而且会对焊缝周围区域造成热损伤；镀铬和金属喷涂会造成基体材料 表面厚度增加，超过工作设计要求，而且镀铬和喷涂层承受接触应力的能力都不高；金属粘 合剂膏状，流动性差，不能充分填满裂纹缝隙，并且粘合剂在混合均匀后填充裂纹前就已经 发生部分固化反应，从而降低修复效果；在实际工业生产工程中，大部分裂纹是较窄、较浅、 不规则的微损伤裂纹，此时修复能够及时避免裂纹加深，最易恢复机械性能，达到继续工作 生产的需求，而且经济花费最廉价；微胶囊金属粘合剂是颗粒状物质，能够充分填充裂纹缝 隙的每个角落，在修复金属零部件的微损伤时，操作方便，快捷，具有非常重要的实际意义， 然而微胶囊粘合剂在一般加压法下囊壁破裂的微胶囊数量有限，流出的粘合剂量少，因而 修复效果一般，并且无法避免裂纹扩散及周围区域新裂纹的生成。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种利用激光冲击强化与微胶囊粘合剂复合作 用修复金属裂纹的方法，主要针对金属器件表面不规则微损伤裂纹采用微胶囊粘合剂填 充，再用激光冲击强化的方法进行修复；微胶囊粘合剂在激光冲击波压力的作用下，绝大部 分囊壁发生破裂，修复剂和固化剂流出混合从而粘接裂纹，相比普通加压法，囊壁破裂的微 胶囊数量明显增多，从而显著提升粘合效果；同时由于激光冲击的作用，使得裂纹及周围区 域的表层晶粒得到细化，表层组织更加紧密，残余应力显著增强，机械性能显著提升，从而 有效的防止裂纹扩散及新裂纹的生成；激光冲击强化既能使绝大部分微胶囊破裂，提升粘 接效果，又能强化裂纹及周围区域，防止裂纹扩散和新裂纹生成，具有双重效果。
[0005] 具体步骤为： (1)测定金属损伤件裂纹的最大深度h，最大宽度a，根据基体材料确定激光冲击强化 的最大影响深度H，若满足0〈h〈H，0〈a〈h这两个条件，则可以采用本文所述方法进行修复。
[0006] (2)对金属损伤件裂纹周围区域的基体表面进行打磨，确保打磨后裂纹周围区域 的基体表面平整光滑，粗糙度小于或等于RaO. 3 ;然后用软毛刷刷去裂纹内松动的杂质，再 用重铬酸钾与浓硫酸的混合溶液冲洗3~4分钟，以达到除锈、去除杂质的目的，之后在进 行水洗、干燥；最后使用丙酮清洗裂纹，去除残留的油渍，接着清洁表面。
[0007] (3)将洗刷处理后并晾干的试件固定在机械振动台上，设定震动频率为3Hz,振幅 为2mm,振动方向垂直于裂纹在基体表面的走向，此时振动台开关处于关闭状态。
[0008] (4)调制微胶囊粘合剂：为了达到较高的修复效果，本文所选取的微胶囊粘合剂 是由修复剂微胶囊和固化剂微胶囊混合配制而成；修复剂微胶囊是以双酚A型环氧树脂 DGEBA及其活性稀释剂为囊芯，脲醛树脂为囊壁通过原位聚合法制备的粒径为10~50um 的颗粒状物质；固化剂微胶囊是以阴离子催化剂DMP-30为囊芯，聚苯乙烯为囊壁通过复相 乳液法制备的粒径为20~60um的颗粒状物质，将修复剂微胶囊和固化剂微胶囊按规定的 15:2的体积比进行充分混合。
[0009] (5)微胶囊粘合剂填充裂纹：首先将混合好的微胶囊装入漏斗中，漏斗口径为 200um，然后打开机械振动台的开关，用漏斗将混合好的微胶囊沿着裂纹在基体表面的走向 分N层缓慢撒入裂纹缝隙内，其中
，，N取整数，其中b为每一层微胶囊的厚度，b 的取值范围是〇. 15~0. 25mm;由于洒入的微胶囊是沿着裂纹的水平走向，因此与机械振动 的方向垂直，这种垂直方向的震动能够使得每一层的微胶囊充分的填充裂纹的每个角落， 而且使得每一层微胶囊表面平整均匀。
[0010] (6 )重复步骤（5 )，撒第二层微胶囊，第三层微胶囊……直至第N层。
[0011] (7)关掉机械振动台开关，用摸刀按压微胶囊表面，将微胶囊压实，然后将多余部 分抹去，使得微胶囊上表面与集体材料表面平齐。
[0012] (8)在微胶囊上表面贴一层铝箔作为吸收层，铝箔需覆盖整个裂纹区域及裂纹周 围基体材料的表面；然后用流水作为透明约束层，对其进行大面积搭接激光冲击强化。
[0013] (9)微胶囊粘合剂在冲击波压力的作用下，囊壁发生破裂，修复剂和固化剂流出； 将冲击强化后的损伤件试样在温度为25°C，压力为20MPa的条件下进行固化，为了达到最 佳粘合效果，选择固化时间为24小时。
[0014] (10)去除铝箔，打磨固化后的粘合剂上表面；在金属损伤件裂纹得到修复的同时， 由于激光冲击的作用，使得裂纹及周围基体材料的表层晶粒得到细化，表层组织更加紧密， 残余应力显著增强，机械性能显著提升。
[0015] 因此这种方法既能够达到较理想的修复效果，又能够有效的防止裂纹扩散及周围 区域新裂纹的生成，具有双重效果。
[0016]至此完成损伤件的修复工作。
[0017] 本发明所采用的激光冲击强化过程中激光能量在6~8J范围内，搭接率为30%~ 70%。吸收层为1mm厚的铝箔，透明约束层的厚度为1mm;打磨时使用的是由粗到细的金相 砂纸。修复剂微胶囊及固化剂微胶囊囊壁所能承受的压力均大于lOOMPa，小于500MPa。
[0018] 本发明的有益效果：微胶囊粘合剂是粒径为10~60um范围内的颗粒状物质，流动 性好，在机械振动的作用下能够充分填充损伤件裂纹缝隙的每个角落；微胶囊粘合剂在高 达GPa量级的冲击波压力作用下，囊壁几乎全部破裂，释放出修复剂和固化剂，从而粘接修 复裂纹。同时，由于激光冲击的作用，使得裂纹及周围基体材料的表层晶粒得到细化，表层 组织更加紧密，残余应力显著增强，机械性能显著提升，因此这种方法既能够达到较理想的 修复效果，又能够有效的防止裂纹扩散及周围区域新裂纹的生成，具有双重效果。
【附图说明】
[0019]图1为本文所述方法修复金属表面裂纹的加工流程图。
[0020] 图2为本文所述方法修复金属表面裂纹的示意图。
[0021] 图3为普通加压法（a)和激光冲击强化法（b)所得裂纹修复层的截面对比图。
[0022] 图4为裂纹周围区域未经激光冲击强化表层的截面金相组织图。
[0023] 图5为裂纹周围区域经过激光冲击强化后表层的截面金相组织图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0025] 本实施例所采用的试样基体材料为316L不锈钢，其几何尺寸为 100mmX50mmX10mm，在其中间部位用线切割开一道上宽0. 4mm、深0. 7mm、长10mm的不规则 裂纹槽。
[0026] -种使用上述加工方法修复试样的实例，其步骤为： (1)据有关研宄表明激光冲击强化在不锈钢中的最大影响深度H为0. 8mm，由裂纹尺 寸可知h=0. 7mm，a=0. 4mm;满足0〈h〈H，0〈a〈h这两个条件，因此可以采用本文所述方法进行 修复。
[0027] (2)对金属损伤件裂纹周围区域的基体表面进行打磨，确保打磨后裂纹周围区域 的基体表面平整光