Способ получения покрытия, поглощающего лазерное излучение, и состав для его нанесения
Владельцы патента RU 2708720:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение может быть использовано при лазерной обработке материалов, в том числе керамических, в частности при формировании отверстий и резке. Очистку поверхности проводят кипячением в хромовой смеси. На очищенную поверхность наносят поглощающий лазерное излучение состав в виде суспензии, которую получают смешиванием глинозема и акрилового лака, одним слоем методом центрифугирования. Высушивают состав в печи с постепенным подъемом температуры. В качестве поглощающего вещества упомянутого состава использован глинозем, измельченный до мелкодисперсного состояния, а в качестве связующего компонента использован акриловый лак, предварительно доведенный до рабочей вязкости растворителем, смешанные в соотношении 1:2 объемных частей. Техническим результатом является повышение качества формирования лазером прецизионных отверстий в полированных материалах. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к получению покрытия, поглощающего лазерного излучение, применяемого при лазерной обработке материалов, в том числе керамических, включающей формирование отверстий и резку.
Одной из проблем лазерной обработки материалов является потеря энергии вследствие отражений лазерного луча от поверхности. Для устранения данного недостатка необходимо повышать поглощающую способность материалов, например путем изменения шероховатости поверхности или образования оксидных пленок. Наиболее эффективным является способ нанесения поглощающих покрытий.
Известно поглощающее покрытие (а.с. №1033520, С09К 3/00, опубл. 07.08.93, Бюл. №29), включающее окись цинка, метилцеллюлозу, силикат щелочного металла, воду, поверхностно активные вещества, пенногаситель, краситель или пигмент. Способ получения покрытия включает приготовление состава смешением ингредиентов до однородной консистенции, нанесение кистью или пневмораспылением на детали из стали без предварительной обработки поверхности при комнатной температуре. Толщина покрытия 20-100 мкм, оптимальная толщина 30-50 мкм. Детали после нанесения высушиваются в течение 30 мин при комнатной температуре и подвергаются лазерной обработке. Недостатком покрытия, получаемого данным способом является сложность состава, низкая адгезия к полированной поверхности, при охлаждении данное покрытие будет сдуваться воздушной струей.
Известен способ получения покрытия (патент РФ №2467094, С23С 18/36, C23F 1/00, G02B 1/11, опубл. 20.11.2012, Бюл. №32), включающий последовательное проведение операций химической подготовки поверхности, нанесение никелевого покрытия из раствора, содержащего ионы никеля и гипофосфит-ионы, и последующее чернение полученного никелевого покрытия, в три стадии, первую и третью стадии которого осуществляют в водном растворе травителя, содержащем азотную кислоту, ортофосфорную кислоту и уксусную кислоту, а вторую - в водном растворе травителя, содержащем сульфат церия и соляную кислоту. Недостатком данного способа получения покрытия является узкая область применения и ухудшение качества поверхности вследствие воздействия кислот.
Наиболее близким по технической сути и назначению к заявляемому изобретению является поглощающее покрытие и способ его получения, описанный в патенте (патент РФ №2615851, С23С 28/00, G02B, опубл. 11.04.2017, Бюл. №11). Согласно данному патенту поглощающее покрытие состоит из двух слоев, первый слой содержит смесь органического связующего лак АС-82 с сажей в объемном соотношении 3:1 и имеет толщину 30…40 мкм, а второй слой содержит смесь органического связующего лак АС-82 с растворителем Р-647 в объемном соотношении 1:3…4 и имеет толщину 3…5 мкм. Покрытие используется для обработки металлической поверхности СО2-лазером, а нанесение его включает подготовку металлической поверхности, обезжиривание, нанесение первого слоя пульверизатором или кистью, сушку его, нанесение второго слоя окунанием и сушку.
Недостатком данного покрытия является трудноудалимость его компонентов с поверхности после лазерной обработки, а наличие компонента сажи обуславливает появление различных дефектов на поверхности в виде темных пятен, прижогов. Кроме того покрытие этого состава нельзя использовать для керамических материалов, вследствие пористости их поверхности, что повлечет при оплавлении внедрение сажи в модифицированный слой керамики. Использование способа нанесения окунанием дает большую неравномерность слоя по толщине.
Основная задача заявленного изобретения заключается в создании способа получения эффективного поглощающего покрытия, применяемого при формировании отверстий в полированных материалах, в том числе керамических, лазерным излучением.
Техническим результатом является повышение качества формирования прецизионных отверстий в полированных материалах, в том числе керамических, лазерным излучением.
Данный результат достигается тем, что в способе получения покрытия, поглощающего лазерное излучение, заключающемся в нанесении на очищенную поверхность поглощающего состава с последующем высушиванием, очистку поверхности проводят кипячением в хромовой смеси, затем на очищенную поверхность наносят поглощающий состав в виде суспензии, которую получают смешиванием глинозема и акрилового лака, одним слоем методом центрифугирования и высушивают состав в печи с постепенным подъемом температуры.
Состав для нанесения покрытия, поглощающего лазерное излучения, включающий поглощающее вещество и связующий компонент, представляет суспензию, в которой в качестве поглощающего вещества использован глинозем, измельченный до мелкодисперсного состояния, а в качестве связующего компонента использован акриловый лак, предварительно доведенный до рабочей вязкости растворителем, смешанные в соотношении 1:2 объемных частей.
В отличие от прототипа, в котором в качестве поглощающего вещества применяется сажа, в предлагаемом покрытии был взят глинозем в порошкообразном состоянии, позволяющий проводить прошивку отверстий в полированных поверхностях, в том числе керамических, оптоволоконным лазером с длиной волны 1,06 мкм. Глинозем - это термостойкий материал с температурой плавления 2010°С, не загрязняющий обрабатываемые поверхности. Порошкообразное состояние глинозема в сочетании с мелкодисперсным гранулометрическим составом обеспечивают высокую поглощающую способность, а также сохранение чистоты поверхности в процессе лазерной обработки.
В качестве жидких веществ был взят акриловый лак, обеспечивающий высокую адгезию к керамической поверхности и легкое удаление после обработки замачиванием в ацетоне.
Покрытие получают путем нанесения на предварительно очищенную поверхность суспензии, подготовка которой включает измельчение порошка глинозема до мелкодисперсного состояния с размером частиц до 1-2 мкм и смешивание с акриловым лаком, предварительно доведенным до рабочей вязкости растворителем, в соотношении 1:2, что обеспечивает равномерное распределение глинозема.
В отличие от прототипа нанесение покрытия проводится одним слоем методом центрифугирования, что обеспечивает высокую равномерность толщины по всей поверхности. А сушку проводят ступенчато в печи с постепенным подъемом температуры, что позволяет обеспечить равномерное, высыхание покрытия с меньшими внутренними напряжениями.
Предложенный способ получения поглощающего лазерное излучение покрытия и состав для его осуществления поясняется конкретным примером.
Пример
Поглощающее покрытие, для лазерной обработки керамической поверхности импульсным иттербиевым оптоволоконным лазером с диодной накачкой, получают следующим образом. В начале приготавливают суспензию путем измельчения в шаровой мельнице исходного кристаллического порошка глинозема, в качестве которого применялся глинозем неметаллургический марки ГН (ГОСТ 30559-98), до мелкодисперсного состояния с размером частиц 1-2 мкм и смешивания его с акриловым лаком, в качестве которого применялся лак АК-113 (ГОСТ 23832-79), предварительно доведенным до рабочей вязкости растворителем, например ацетоном, в объемном соотношении 1:2, тщательно перемешивают до однородной консистенции, затем очищают полированную до шероховатости Rz 0,1 мкм поверхность, например из керамического материала ВК 100-1, кипячением в хромовой смеси, например на основе калия двухромовокислого и серной кислоты, и наносят суспензию методом центрифугирования, после нанесения покрытие высушивают в печи ступенчато при постепенном подъеме температуры в течение (5-10) мин.
Оптимальные пропорции компонентов, входящих в суспензию, были подобраны экспериментально. Для получения состава суспензии с требуемыми свойствами пропорции компонентов должны быть следующими:
- глинозем ГН - 1 объемная часть,
- лак АК-113 (разбавленный до рабочей вязкости растворителем) - 2 объемные части.
Изменения указанных пропорций ухудшает свойства суспензии: если увеличивать долю глинозема ГН, то суспензия загущается и, следовательно, затрудняется ее растекание при нанесении на обрабатываемую поверхность, также неоправданно повышается расход глинозема ГН-1; если увеличивать, долю лака АК-113, то на поверхности обрабатываемой детали образуется неравномерный по толщине слой суспензии.
Результаты применения поглощающего покрытия (с различным объемным соотношением компонентов в суспензии) для формирования отверстий в материале ВК 100-1 импульсным иттербиевым оптоволоконным лазером с мощностью излучения 1600 Вт приведены в таблице 1.
Таким образом, покрытие, получаемое с помощью предлагаемого способа, обладает высокой поглощающей способностью излучения, хорошей теплопроводностью и термической стойкостью, высокой адгезией к полированной поверхности, легкостью снятия с поверхности, технологичностью, а также обладает и защитными свойствами, так как обеспечивает формирование отверстий без грата и сколов по всему периметру отверстий и не загрязняет обрабатываемую поверхность.
После лазерной обработки покрытие легко снимается с поверхности замачиванием в ацетоне.
1. Способ получения покрытия, поглощающего лазерное излучение, включающий нанесение на очищенную поверхность поглощающего лазерное излучение состава с последующим высушиванием, отличающийся тем, что проводят очистку поверхности кипячением в хромовой смеси, затем на очищенную поверхность наносят поглощающий состав в виде суспензии, которую получают смешиванием глинозема и акрилового лака, одним слоем методом центрифугирования, и высушивают в печи с постепенным подъемом температуры.
2. Состав для получения покрытия, поглощающего лазерное излучение, содержащий поглощающее вещество и связующий компонент, отличающийся тем, что он представляет собой суспензию, в которой в качестве поглощающего вещества использован глинозем, измельченный до мелкодисперсного состояния, а в качестве связующего компонента использован акриловый лак, предварительно доведенный до рабочей вязкости растворителем, смешанные в соотношении 1:2 объемных частей.
