一种厚度柔性可变吸收层及其制备和使用方法
【专利摘要】本发明涉及激光表面冲击强化技术，其特指一种用于小齿距齿轮表面激光冲击强化的厚度柔性可变吸收层及其使用方法。将三种不同材料的规定厚度粘稠液体在特制模具中逐层平铺，适当加热后形成半固态厚度柔性可变吸收层，之后将其粘贴于齿轮齿面，并使其柔性部分填满齿间空隙，且吸收层外壁形成平滑柱面，后加热该吸收层使其完全固化，再使用大面积搭接激光冲击方法实现对齿轮的均匀强化处理。本方法的优点在于该吸收层厚度柔性可变，粘贴于齿轮齿面后吸收层外壁形成平滑柱面，方便对齿轮进行大面积搭接激光冲击处理，实现了对小齿距齿轮及类似工件的表面均匀强化；冲击处理后吸收层易于清理，满足了大规模生产的需求。
【专利说明】
一种厚度柔性可变吸收层及其制备和使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及激光表面冲击强化技术，其特指一种用于小齿距齿轮表面激光冲击强化的厚度柔性可变吸收层及其使用方法，该吸收层及其使用方法可以拓展到小齿距花键凸模和小螺距螺纹的表面强化。
【背景技术】
[0002]随着激光技术的日益成熟，激光已开始应用于零件的表面强化。激光冲击强化处理齿轮表面，既能提高齿轮表面质量和疲劳强度、耐磨性能，又能使工序简单，变形小，表面粗糙度低，光整度好。因此，它具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。
[0003]20世纪70年代初，美国的Fairand等人首次利用强脉冲激光诱导的冲击波压力实施材料的改性实验研究，使7075铝合金的显微结构组织和力学性能明显改善。之后，各国学者对于激光冲击强化技术的研究纷纷展开。1999年Ruschau等人对具有微小裂纹已经报废的Ti6A14V航空发动机叶片进行激光冲击强化试验，航空发动机叶片受到FOD损伤后，疲劳强度从75ksi降至小于20ksi，激光冲击再制造后疲劳强度上升至75-lOOksi，其疲劳强度超过了新叶片，而成本约为新叶片的1/10?1/4，节约生产成本75%-90%，这带来了巨大的技术经济效益。2002年开始，美国金属改性公司(MIC)将激光冲击强化技术商业化推广，对波音、空客、湾流等公司飞机发动机风扇叶盘、叶片进行强化处理，并拓展到汽轮机叶片的强化处理上，取得了显著的强化效果和经济效益。2003年美国Lawrence Livermore国家实验室采用激光冲击强化处理传动齿轮，增加传动齿轮的接触疲劳强度和高周疲劳寿命。冲击强化后的汽车传动齿轮高应力疲劳寿命提高2-6倍，直升机传动齿轮的疲劳寿命甚至能够提高10倍以上。
[0004]目前，对于大齿距的花键凸模和齿轮类零件进行激光冲击强化时，虽然加工表面为复杂曲面，但由于齿距较宽，产生的等离子体冲击波不会屏蔽激光向下辐射，因此可直接使用铝箔等常用材料作为吸收层，使其粘贴于齿轮齿面，之后采用多光斑搭接激光冲击处理全齿面，仍可实现对齿轮全齿面的完全覆盖，且获得良好的均匀强化效果。但对于小齿距的花键凸模和齿轮类零件，激光束直径为2-8_，当花键凸模或传动齿轮齿距小于1mm时，在仍使用普通吸收层的条件下，激光束先辐射到齿侧面，侧面上粘贴的吸收层吸收激光能量气化后形成等离子体，屏蔽了激光束向下辐射齿槽，齿槽部分不能够被强化。且在大面积冲击时搭接区域吸收层易出现翘曲、剥落的问题。因此，使用普通吸收层以无法实现对此类工件表面的整体强化，严重削弱了激光冲击强化后工件表面的各项性能，且无法达到均匀强化的效果。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明提出了一种用于小齿距齿轮表面激光冲击强化的厚度柔性可变吸收层及其使用方法:即通过得到一种厚度柔性可变吸收层直接粘贴于齿轮齿面，该吸收层柔性部分完全填充齿轮齿间空隙，且吸收层外壁可形成平滑柱面，便于对齿轮进行大面积搭接激光冲击强化处理，实现了对此类齿轮表面的均匀强化，增强了激光冲击强化后齿轮表面各个部位的各项性能。需要说明的是，该厚度柔性可变吸收层特指用于一类直径为30-50mm，模数为l-2mm，齿距为l-4mm的小齿距齿轮类工件。同时该吸收层及其使用方法可以拓展到小齿距花键凸模和小螺距螺纹等类似工件的表面强化。
[0006]该厚度柔性可变吸收层由三种不同材料在模具内通过分层平铺后加热的方法制备形成。该厚度柔性可变吸收层每层的厚度应满足如下条件:待处理齿轮的全齿高为h，底层厚度3 = 0.611，过渡层厚度6 = 0.111，表层厚度(3 = 0.111;因为考虑到底层是厚度柔性可变的，及可以像橡皮泥一样变形填充齿间间隙，且齿轮的齿部分会占掉一部分空间，为了让最终突出齿面的吸收层高度尽可能低，所以刻意减小了制备时的吸收层的厚度。
[0007]该吸收层每层的组分及作用如下:
[0008](I)底层采用GN-521D型双组份硅凝胶，该材料市售，购自蓝星新材料有限公司；其按体积比例配比为:硅凝胶组分M 50?65%，硅凝胶组分N 35?50%;该层在半固态下具有良好的厚度柔性可变性及良好的粘性，可用以实现与齿轮齿面的无缝粘接。
[0009](2)表层采用混合黑色颜料的ZJ-460型丙烯酸树脂，该材料市售，购自苏州市盛嘉树脂有限公司；该层固化后有良好的柔韧性，且耐冲击，用于吸收激光能量从而产生等离子爆炸区。
[0010](3)为增强表层与底层的结合强度，在两者之间采用G-901型PVC溶胶作为过渡层，该材料市售，购自东莞市景舜胶业有限公司。
[0011 ]上述厚度柔性可变吸收层的具体制备流程如下:
[0012](I)将GN-521D型双组份硅凝胶的M、N组分按配比混合，并充分搅拌后灌入由有机玻璃制作的模具中，其厚度为a。
[0013](2)将G-901型PVC溶胶平铺于上述硅凝胶表面，其厚度为b。
[0014](3)将混合黑色颜料的ZJ-460型丙烯酸树脂平铺于上述PVC溶胶表面，其厚度视C。
[0015](4)将盛放在模具中的胶液放入真空中排出其中的气泡。
[0016](5)将排气后的胶液加热使其半固化。
[0017](6)将该半固化的胶液从有机玻璃模具中取出，得到半固态厚度柔性可变吸收层。
[0018]进一步地，步骤(4)中，排气时间30min，相对真空度为_50KPa。
[0019]进一步地，步骤(5)中，加热条件为80°C的条件下加热2h。
[0020]使用上述半固态厚度柔性可变吸收层进行小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法如下:
[0021](I)将半固化的厚度柔性可变吸收层底部的厚度柔性可变部分压入并完全填充齿间间隙，且粘贴于齿轮齿面，使粘贴后的齿轮外壁为平整圆柱面，之后加热使该吸收层完全固化。
[0022](2)以流水为约束层的条件下，对齿轮齿面进行大面积搭接激光冲击强化处理。
[0023](3)处理完成后，直接将上述吸收层从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清洗齿轮表面。
[0024]进一步地，步骤(I)中，加热条件为80°C的条件下加热2h。
[0025]进一步地，步骤(2)中，流水约束层厚度为I?2mm，使用的激光冲击参数为:光斑直径2?8_，横向和纵向光斑搭接率均为50%?70%，脉冲能量6?12J，脉宽8?30ns。
[0026]本发明的有益效果为:该吸收层厚度柔性可变，粘贴于齿轮齿面后吸收层外壁形成平滑柱面，方便对齿轮进行大面积搭接激光冲击处理，实现了对小齿距齿轮及类似工件的表面均匀强化;冲击处理后吸收层易于清理，满足了大规模生产的需求;本方法解决了对小齿距齿轮表面大面积搭接冲击时搭接区域吸收层易翘曲、易剥落的难题。同时该吸收层制作工艺简单，成本低，可大大降低激光冲击强化的成本。
【附图说明】
[0027]图1为厚度柔性可变吸收层示意图。图中:1.表层，2.过渡层，3.底层。
[0028]图2为已附着吸收层的待冲击齿轮剖面示意图，图中:1.齿轮，2.吸收层底层，3.吸收层过渡层，4.吸收层表层。
[0029]图3为激光冲击强化处理前后齿轮齿槽处残余应力对比折线图。
[0030]图4为齿轮齿槽处基体原始态微观形貌图。
[0031 ]图5为齿轮齿槽处冲击处理后微观形貌图。
[0032]图6为厚度柔性可变吸收层制备流程及使用方法步骤图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于实施例。
[0034]本实施例采用一种用于汽车发动机端的，材质为304不锈钢的小齿距齿轮，其几何尺寸为:齿数50，模数Imm，齿距3mm，全齿高3mm。
[0035]—种使用上述工件做激光冲击强化的实例，其具体步骤为:
[0036](1)将615210型双组份硅凝胶的1_且分按体积比1:1配比混合，并充分搅拌，后灌入由有机玻璃制作的模具中，其厚度为1.8mm。
[0037](2)将G-901型PVC溶胶平铺于上述硅凝胶表面，其厚度为0.3mm。
[0038](3)将混合黑色颜料的ZJ-460型丙烯酸树脂平铺于上述PVC溶胶表面，其厚度为
0.3mm ο
[0039](4)将盛放在模具中的胶液放入真空中排出其中的气泡，排气时间30min，相对真空度为_50KPa。
[0040 ] (5)将排气后的胶液在80 0C的条件下加热2h，使其半固化。
[0041](6)将该半固化的胶液从有机玻璃模具中取出，形成半固态厚度柔性可变吸收层。
[0042](7)将半固化的厚度柔性可变吸收层底部的厚度柔性可变部分压入并完全填充齿间间隙，且粘贴于齿轮齿面，使粘贴后的齿轮外壁为平整柱面，之后在80°C的条件下加热2h，使该吸收层完全固化。
[0043](8)以流水为约束层的条件下，对齿轮齿面进行大面积搭接激光冲击强化处理，流水约束层厚度为I?2mm，使用的激光冲击参数为:光斑直径3mm，横向和纵向光斑搭接率均为50%，脉冲能量9J，脉宽20ns。
[0044](9)处理完成后，直接将上述吸收层从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清洗齿轮表面。
[0045]本实施例对激光冲击处理前后齿轮齿槽部位的表层残余应力进行了测定；图2为激光冲击处理前后齿轮齿槽处表层残余应力在深度方向上的变化趋势，可以看到，基体表层残余应力平均值很小，且在深度方向上基本没有明显变化;而激光冲击强化处理后，齿槽表面残余应力值可达到300MPa。残余应力深度达到0.9mm;并且对处理前后齿轮齿槽处微观形貌进行表征，图2为基体原始态微观形貌，图3为冲击处理后微观形貌，可以看到，齿轮齿槽处的基体原始态微观组织晶粒粗大，但在激光冲击处理后，表层组织晶粒得到细化，获得了理想均匀的细小晶粒组织，并形成了大量的孪晶结构，研究结果表明，激光冲击强化处理后，齿轮齿面残余应力得到显著提高，残余应力影响深度深，晶粒细化效果明显，从而证明了本发明中的厚度柔性可变吸收层可以同时起到吸收激光能量与传递等离子冲击波的作用，且可有效地实现对齿轮类工件进行大面积搭接激光冲击强化处理。
【主权项】
1.一种厚度柔性可变吸收层，其特征在于:该厚度柔性可变吸收层由三种不同材料在模具内通过分层平铺后加热的方法制备形成;底层采用GN-521D型双组份硅凝胶，其按体积比例配比为:硅凝胶组分M 50?65%，硅凝胶组分N35?50% ;该层在半固态下具有良好的厚度柔性可变性及良好的粘性，可用以实现与齿轮齿面的无缝粘接;表层采用混合黑色颜料的ZJ-460型丙烯酸树脂，该层固化后有良好的柔韧性，且耐冲击，用于吸收激光能量从而产生等离子爆炸区；为增强表层与底层的结合强度，在两者之间采用G-901型PVC溶胶作为过渡层。2.如权利要求1所述的一种厚度柔性可变吸收层，其特征在于:待处理齿轮的全齿高为h，底层厚度a = 0.6h，过渡层厚度b = 0.1h，表层厚度c = 0.1h03.如权利要求1所述的一种厚度柔性可变吸收层的制备方法，其特征在于: (1)将GN-521D型双组份硅凝胶的M、N组分按配比混合，并充分搅拌后灌入由有机玻璃制作的模具中，其厚度为a; (2)将G-901型PVC溶胶平铺于上述硅凝胶表面，其厚度为b; (3)将混合黑色颜料的ZJ-460型丙烯酸树脂平铺于上述PVC溶胶表面，其厚度视c; (4)将盛放在模具中的胶液放入真空中排出其中的气泡； (5)将排气后的胶液加热使其半固化； (6)将该半固化的胶液从有机玻璃模具中取出，得到半固态厚度柔性可变吸收层。4.如权利要求3所述的一种厚度柔性可变吸收层的制备方法，其特征在于:步骤(4)中，排气时间30min，相对真空度为-50KPa。5.如权利要求3所述的一种厚度柔性可变吸收层的制备方法，其特征在于:步骤(5)中，加热条件为80 °C的条件下加热2h。6.使用如权利要求1所述的一种厚度柔性可变吸收层进行小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于: (1)将半固化的厚度柔性可变吸收层底部的厚度柔性可变部分压入并完全填充齿间间隙，且粘贴于齿轮齿面，使粘贴后的齿轮外壁为平整圆柱面，之后加热使该吸收层完全固化； (2)以流水为约束层的条件下，对齿轮齿面进行大面积搭接激光冲击强化处理； (3)处理完成后，直接将上述吸收层从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清洗齿轮表面。7.如权利要求6所述的激光冲击强化方法，其特征在于:步骤(I)中，加热条件为800C的条件下加热2h。8.如权利要求6所述的激光冲击强化方法，其特征在于:步骤(2)中，流水约束层厚度为I?2mm，使用的激光冲击参数为:光斑直径2?8mm，横向和纵向光斑搭接率均为50 %?70%，脉冲能量6?12J，脉宽8?30ns。9.如权利要求6所述的激光冲击强化方法，其特征在于:所述方法适用于一类直径为30-50mm，模数为l-2mm，齿距为l-4mm的齿轮类工件的表面强化，或用于小齿距花键凸模和小螺距螺纹类似工件的表面强化。
【文档编号】C21D1/09GK105936961SQ201610247695
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】鲁金忠, 赵钊, 曹海迪
【申请人】江苏大学