一種利用激光沖擊波提高自修復材料修復效果的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)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(fā)現(xiàn)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】
[0002]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。
[0003]根據(jù)裂紋擴展機制，我們發(fā)現(xiàn)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(xù)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(guī)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。
[0004]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(fā)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(fā)生反應，粘接裂紋。研究數(shù)據(jù)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(qū)域的微膠囊數(shù)量較少時，極易造成修復液無法填充整個裂紋，導致修復區(qū)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(xù)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(qū)域新裂紋的萌生。
[0005]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(fā)明內容】

[0006]為了解決自修復材料修復效果不理想的問題，本發(fā)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Imm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(qū)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。
[0007]具體步驟為:
[0008](I)選取激光沖擊強化工藝參數(shù)，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。
[0009]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。
[0010]激光沖擊強化實驗過程中的工藝參數(shù)范圍為:激光脈沖能量3-9J，脈寬5-20ns，光斑直徑I_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。
[0011](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。
[0012]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。
[0013](3)對損傷件裂紋及周圍區(qū)域的基體表面進行打磨，打磨時使用由粗到細的金相砂紙，確保打磨后裂紋周圍區(qū)域的基體表面平整光滑，粗糙度小于或等于Ra0.3;然后使用丙酮清洗裂紋，去除殘留的油漬。
[0014]所述周圍區(qū)域是指損傷件裂紋周圍3mm范圍區(qū)域，進一步的，指以裂紋輪廓線為基準，向外擴展3mm的區(qū)域。
[0015](4)在材料上表面貼一層鋁箔作為吸收層，鋁箔需覆蓋整個裂紋區(qū)域及裂紋周圍區(qū)域基體材料的表面;然后用流水作為透明約束層，對其進行大面積搭接的激光沖擊強化。
[0016]其中激光沖擊強化的參數(shù)與步驟(I)中測定H時所用的激光參數(shù)一致，同樣為:激光脈沖能量3-9J，脈寬5-20ns，光斑直徑l_3mm，橫向搭接率和縱向搭接率均為30 % -50 %。吸收層的厚度為0.1mm，透明約束層的厚度為1mm。
[0017](5)內嵌式微膠囊在沖擊波壓力的作用下，囊壁幾乎完全破裂，修復劑流出。將沖擊強化后的損傷件試樣在溫度為25°C，壓力為20MPa的條件下進行固化，為了達到最佳粘合效果，選擇固化時間為24小時。
[0018](6)去除鋁箔，打磨并清洗固化后的損傷件裂紋及周圍區(qū)域的基體表面，至此完成損傷件的修復工作。
[0019]本發(fā)明的有益效果:若采用上述方法對自修復損傷件進行激光沖擊強化，則高達GPa量級的激光沖擊波壓力，能使自修復材料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，導致材料表層產生塑性變形，使得微膠囊因修復劑流出而產生的中空部分被壓實而消失，對于未穿過微膠囊的微裂紋也得到愈合;另外，由于激光沖擊的作用，使得裂紋及周圍區(qū)域的表層晶粒得到細化，表層組織更加緊密，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。
【附圖說明】
[0020]圖1為本文所述方法提高自修復材料修復效果的加工流程圖。
[0021 ]圖2為自修復材料自修復效果的示意圖。
[0022]圖3為采用本文所述方法提高自修復材料修復效果的示意圖。
[0023]圖4為自修復AM50鎂合金裂紋周圍區(qū)域未經激光沖擊強化表層的金相組織圖。
[0024]圖5為自修復AM50鎂合金裂紋周圍區(qū)域經過激光沖擊強化后表層的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明，但本發(fā)明不應僅限于實施例。
[0026]本實施例所采用的試樣為萌生有微裂紋的自修復AM50鎂合金，既材料在生產時，在其內部嵌入了包含修復劑的微膠囊和固化反應所需的催化劑。自修復AM50鎂合金的幾何尺寸為 I OOmm X 30mm X 1 Omnin
[0027]—種使用上述加工方法修復試樣的實例，其步驟為:<