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激光吸光涂料配制及工艺优应用 |
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摘要：激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术，目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。金属基体表面反光严重，在激光加工过程中造成了大量光能损失。在激光相变硬化或熔凝处理中，吸光涂料在提高光能利用率方面起到了重要作用。本文介绍了吸光涂料应具有的性能要求、成分选择及工艺选择；并利用正交试验方法对涂料配比及工艺进行了优化，得出最优涂料，并利用红外吸收光谱对试验结果进行了验证，最终确定了最优涂料。
关键词：吸光涂料；正交试验；吸收光谱；激光
引言
由于CO2激光器具有输出功率高、稳定、连续可调、寿命长等优点，所以金属材料的激光表面处理多利用高功率CO2激光加热金属[1]。大多数金属对CO2激光都有很高的反射率，一般高于70%，而光亮的金属甚至可达80%～90%[2]。这是对金属材料进行激光表面改性处理的一大障碍[3]。这不仅造成了大部分宝贵的激光能量的损失，而且也严重威胁着操作人员的身体健康。因此，在激光热处理中，如何提高金属表面对激光辐照能量的吸收率，从而使宝贵的激光能量得到充分的利用，降低激光热处理的生产成本是一个非常重要的问题。在金属表面预置涂覆层，可以显著提高激光吸收率[4-5]。国内外曾采用的磷化及涂敷炭黑或石墨的黑化方法存在一系列问题，如吸收率较低、热稳定性差、随温度升高吸收率下降、清除困难、有污染等缺点。国内几种涂料由于技术还未成熟，价格也比较昂贵，不适合工业化生产。因此研制一种性能良好，价格低廉的新型激光表面处理吸收涂料，对推动激光处理工业化发展无疑具有十分重要的现实意义和经济价值。
1 涂料成分及工艺选择
1.1 涂料成分确定
激光吸光涂料的成分按其功能分主要有：基料(包括稀释剂与粘结剂)、骨料、增稠剂、助剂等。其中，基料主要起到稀释与粘结作用，骨料是吸光的主要成分；增稠剂可以调节涂料的喷涂工艺性能，其与基料相结合，能满足涂料表面成膜的要求，而不同的助剂有不同的功能，在容易出现闪锈的水性涂料中，选用适当的助剂可以避免闪锈的产生，在不产生闪锈的涂料体系中，也可以选用适当的助剂，以改善涂料的吸光性能。总体而言，激光表面处理用吸收涂料应具有：预涂敷工艺性好，表面平整、厚度均匀，涂层与基体材料附着力好，预涂敷及__激光处理时不污染环境，不腐蚀基体金属，激光处理后涂料容易清除，价格较低等特点。
1.1.1 基料的选用
在涂料预涂敷后，涂料应在较短时间内干燥，即要求稀释剂有较好的挥发性。同时为使涂层与基体材料有较好的附着力，应使涂料具有一定的黏度。据此选用工业酒精作为稀释剂，市售虫胶作为吸收涂料的粘结剂。选用工业酒精作为稀释剂，可以避免闪锈的出现，因此，在助剂选择中，不需考虑抗闪锈剂。
1.1.2 骨料的选用
涂料体系中骨料是重要组成部分，也是吸光有效成分用量最大的部分，对用于激光表面处理的吸收涂料至关重要。SiO2涂料被认为除对激光有较高的吸收率外，还具有在激光辐射下变成液态，均匀覆盖于材料表面，冷却后形成固态薄膜[6]，热处理后容易去除的优点。除此之外，SiO2做为涂料骨料还具有来源广泛、价格低廉、受热不反喷等特点。因此，在本试验中选用SiO2做为吸光涂料的骨料。
1.1.3 增稠体系的选用
为满足吸收涂料的涂敷工艺性及贮存稳定性等要求，需在吸收涂料中添加适当的增稠剂。本文中选用膨润土为增稠剂。
1.1.4 助剂的选用
稀土可以提高涂料颗粒的表面活性，增加对光的吸收[7]，因此，选择稀土氧化物作为涂料助剂。
1.2 处理工艺选择
在吸光涂料的试验过程中发现，不经任何处理，直接混合各成分所配置的涂料，喷涂性能不好，涂层蓬松，且厚度不均匀，成型很差。由于表面蓬松，涂层中必定存在较多空隙，空隙的存在会大大阻碍热量的传递。因此，选择球磨对涂料进行处理，以改善涂料的成型及吸光性能。球磨可以显著细化粉体，随着物质的超细化，其表面分子排列、电子分布结构和晶体结构均发生了变化，产生了奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，从而使得超细粉体与常规材料相比具有一系列优异的物理、化学及表面与界面性质[8]。球磨前，应将各成分按比例混合，球料比(质量)15∶1，然后选择较低的球磨转速300r/min进行球磨，这样可以防止较高能量下球磨时超细粉体易发生的“反粉碎”现象。图1(a)为未球磨时的显微照片，可以看出，未经球磨的粉末颗粒大小很不均匀，在小颗粒团聚层上面，散布着可以用肉眼看到的大颗粒，颗粒最大直径可达2～3μm。并且增稠剂降低了涂料的流动性，是涂料表面成型不好的重要原因。
图1 涂料球磨后微观形貌
图1(b)为球磨3h后的粉末颗粒显微照片。球磨3h后粉末整体体积减小为未球磨时的1/3。由图1(b)可以看出，粉体颗粒均匀程度大为改善，最大可见粒径已降至1μm左右。该涂料喷涂层致密，厚度均匀，成型很好。由此得出：球磨改变了涂料性质，改善了其表面成型能力。图1(c)是球磨12h后的粉末颗粒显微照片，由照片可以看出，除团聚外，已看不出颗粒形貌，无法判断最大颗粒尺寸。说明长时间低能球磨，大大细化了粉体，且未出现“反粉碎”现象。综上所述：球磨使粒径不均匀的粉体细化、均匀化，大大改善了涂料的喷涂工艺性能及表面成型能力。
2正交试验
2.1正交试验组合
激光参数选定P=2100W，扫描速度F=1000mm/min，光斑为10mm×1mm的矩形光斑。
正交试验确定的涂料，在以上工艺参数下，经CO2激光扫描后，表面发生相变硬化。由于不同吸光涂料的吸光性能不同，各试样表面硬度也会不同。由于冷却速度相同，因此，对相变硬化组织产生影响的主要是能量吸收的多少。所以，在未发生熔凝的情况下，吸光涂料的吸光率越高，相变硬化层的表面硬度也越高。本试验中，用HT500洛氏硬度计对激光处理后的试样沿宽度方向等距离测试表面硬度，测试结果如表1所示。
2.2试验数据分析
根据正交实验方差法进行数据处理，见表2。
表1 正交试验组合及表面硬度(HRC)测试
 表2 各因子各水平的指标平均值
 注：极差：D1=2.14；D2=1.80；D3=0.88。
计算得：
误差列：Se=S总-(S1+S2+S3)=4.1295，
方差之比：
查F分布表：
对于F1
F(α=0.025，f1=3，f2=6)=6.5988>F1
F(α=0.05，f1=3，f2=6)=4.7571
对于F2
F(α=0.05，f1=3，f2=6)=4.7571>F2
F(α=0.10，f1=3，f2=6)=3.2888
对于F3
F(α=0.40，f1=3，f2=6)=1.1581>F3
F(α=0.45，f1=3，f2=6)=1.0127
由以上数据计算可得：
(1)显著性分析
由各方差比可知：氧化钇含量对指标表面硬度的影响在0.05水平上显著；膨润土含量对指标的影响在在0.1水平上显著；而球磨时间对指标的影响在0.45水平上才显著，说明此列可信度较低。
(2)指标随各因素的变化规律
图2是根据表1及表2绘制的试验指标随各因素的变化趋势图。
图2 指标随各因素的变化趋势
从图2可以看出：随着氧化钇含量的增加，指标先降低后升高；而对膨润土来说，随着其含量的增加，指标先升高后降低；对于球磨时间对指标的影响规律，在0.45水平上才具有显著性，所以已不具备可信度。
(3)最优配比及工艺
由极差D可知以上各因子对指标影响的大小依次为Y2O3含量、膨润土含量、球磨时间，同时，由显著性分析可知，氧化钇及膨润土百分含量对指标的影响具有较高的可信度，所以，由正交试验可以首先确定此系列涂料的最佳配比为A4B3。而对于球磨工艺，由于球磨时间对指标的影响最小，且由方差计算可知，其对指标的影响规律曲线可信度较低，所以，在工艺上可以不限定其球磨时间。最佳涂料的工艺及配比可以确定为：A4B3CX。但是，对于涂料的成型工艺性能来说，球磨后其表面成型能力得到改善，且随着球磨时间增加，表面成型能力越好，表面平整。在工业化机械喷涂中，表面成型能力对吸光效果有很大影响。因此，在吸光性能影响不大的情况下，选择成型能力较强的3h球磨时间做为涂料的最优工艺，即A4B3C4为最优涂料。对此，本研究也通过红外吸收光谱试验进行了验证，配比相同时，球磨3h的涂料具有比球磨1h的涂料更强的吸光性能。
3 红外吸收光谱试验
为了验证A4B3C4组合优于A4B3C2组合，进行了红外吸收光谱试验。红外吸收光谱试验可以测定某些特征峰值光的透过率，透过率越低，说明吸光效果越好。对于CO2激光涂料，主要看在10.6μm峰值处光的透过率。
图3 不同球磨时间涂料的红外吸收光谱曲线
由图3可以看出，两条曲线完全一致，且在10.6μm(对应波数943cm-1)附近都有较低的透过率，说明此系列涂料都具有较好的吸光性能。但球磨3h后涂料的红外吸收光谱曲线整体要低于1h的谱线，说明球磨3h的涂料吸光性能优于球磨1h的涂料，即验证了以上试验的推断：由表面成型能力及吸光性能综合评价，A4B3C4为此正交试验中的最优涂料。
4 涂料的应用
用本试验所确定的最优涂料A4B3C4进行油管内壁激光强化处理，适当调节涂料的黏度，并用自制的内壁喷涂机进行喷涂，喷涂效果如图4所示，表面平整，成型良好。喷涂后，用DL-HL-T5000CO2激光器及其导光系统对油管内壁进行扫描，采用圆形光斑，15mm离焦量，扫描后取样分析，功率参数如表3所示。表3 不同试样的试验参数
 对所取试样进行强化层断面显微硬度分析，由于激光处理后组织非常细小，所以沿深度方向等距离打显微硬度可以比较准确地表示硬化层由表及里的硬度变化。溶凝层显微硬度曲线如图5所示。
图4 油管内壁涂料喷涂
图5 熔凝层显微硬度曲线
对于试样A，由于功率较高，冷却速度较功率低的慢，所以，A的最高硬度较B低。但其硬化层已达0.55mm厚，对于油管的长期综合耐磨性能是有利的。综上所述，本试验确定的涂料达到了市售其他涂料的吸光效果，且能满足工业激光加工的要求。
5 结语
(1)球磨使粒径不均匀的粉体细化、均匀化，大大改善了涂料的喷涂工艺性能及表面成型能力，且球磨时间越长，涂料喷涂成型越好。
(2)由红外吸收光谱可以看出，单纯增加球磨时间，使颗粒细化，粉体的吸光性能有所增加，这是由超细颗粒所具有的表面效应、小尺寸效应等引起的。
(3)在一定的水平范围之内，由正交试验确定了最优配比为：A4B3，有表面成型能力的判定及红外吸收光谱试验共同确定，C4为最优工艺，由此确定：A4B3C4为本试验的最优涂料。
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(9/8/2011) |
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