发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种可耐温600℃的雷达/红外兼容隐身涂层及其制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种耐高温雷达/红外兼容隐身涂层,所述隐身涂层位于金属基材表面,从金属基材表面开始,从下至上,依次包括粘结层、8YSZ-Al2O3陶瓷底层、高温电阻涂层、8YSZ隔离层和高温导体涂层。8YSZ是指8%氧化钇稳定氧化锆(8%Y2O3-ZrO2)。
上述的隐身涂层,优选的,所述粘结层为NiCrAlY涂层或CoCrAlY涂层;其厚度为0.05~0.15mm;所述8YSZ隔离层的厚度为0.05~0.2mm。
上述的隐身涂层,优选的,所述8YSZ-Al2O3陶瓷底层中8YSZ与Al2O3的质量比为5:95~20:80;所述8YSZ-Al2O3陶瓷底层厚度为0.8~1.5mm。选择8YSZ-Al2O3陶瓷底层具有增韧、抗热震性好等优势;同时,双相涂层体系可以具有较宽的电性能调控空间,有利于隐身性能设计。
上述的隐身涂层,优选的,所述高温电阻涂层为贴片形式,所述贴片呈周期性排列结构;所述贴片的周期尺寸为5~30mm;所述高温电阻涂层厚度为0.01~0.05mm;所述高温电阻涂层是以二氧化钌为导电相,以Bi2O3-SiO2-B2O3系低熔点无铅玻璃为粘结相,其中,导电相占导电相与粘结相总质量的48%~52%。
上述的隐身涂层,优选的,所述高温导体涂层为贴片形式,所述贴片呈周期性排列结构;所述贴片的周期尺寸为1~3mm;所述高温导体涂层的厚度为0.01~0.05mm;所述高温导体涂层以Ag-Pd合金为导电相,Bi2O3-B2O3-ZnO低熔点无铅玻璃为粘结相,其中,导电相占导电相与粘结相总质量的80%~90%;所述Ag-Pd合金中Pd的质量分数为5%~20%。Ag-Pd合金具有抑制银高温迁移的作用,热稳定性好,并且相对高Pd含量的合金,成本较低;并具有低红外发射率。
作为一个总的发明构思,本发明还提供一种上述的隐身涂层的制备方法,包括以下步骤:
(1)对金属基材进行喷砂处理;
(2)采用等离子喷涂工艺在步骤(1)喷砂处理后的金属基板表面喷涂一层粘结层;
(3)采用等离子喷涂工艺在步骤(2)得到的粘结层表面喷涂一层8YSZ-Al2O3陶瓷底层;
(4)将高温电阻浆料采用丝网印刷工艺,并按照周期型贴片结构设计图案印制于所述8YSZ-Al2O3陶瓷底层表面,再经干燥和烧结工艺,在8YSZ-Al2O3陶瓷底层表面制备出高温电阻涂层;
(5)采用等离子喷涂工艺在所述高温电阻涂层表面制备8YSZ隔离层;
(6)将高温导体浆料采用丝网印刷工艺,并按照周期型贴片结构设计图案印制于所述8YSZ隔离层表面,再经干燥和烧结工艺,在8YSZ隔离层表面制备出高温导体涂层,完成耐高温雷达/红外兼容隐身涂层的制备。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(2)中,等离子喷涂工艺参数为:Ar的通气流量为30~50L/min,H2的通气流量为8~12L/min;送粉气流Ar为2.0~3.2L/min,送粉量为10%~30%;电流大小为500~600A,功率为30~50kW;喷涂距离为80~150mm;
所述步骤(3)和(5)中,等离子喷涂工艺参数为:Ar的通气流量为20~40L/min,H2的通气流量为8~12L/min;送粉气流Ar为2.5~4.0L/min,送粉量为10%~30%;电流大小为500~600A,功率为30~50kW;喷涂距离为100~150mm。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(1)中,在喷砂机中对金属基材进行喷砂处理,喷砂过程的工艺参数为:压力控制为0.3~0.5MPa,喷砂距离为30~50mm,砂子粒径为50~100μm,喷砂时间为3~10min。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(4)和步骤(6)中,丝网印刷工艺过程中,丝网目数为180目~300目,印制遍数为1遍~2遍;干燥温度为150℃~250℃,干燥时间为0.5h~1h;烧结过程中的烧结温度为550℃~600℃,升温速度为10℃/min~30℃/min,烧结时间为30min~60min,烧结气氛为空气。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(4)中,高温电阻浆料是由以下方法制备而成:将玻璃原料粉体A混合均匀后经1200℃~1300℃的温度熔炼2h~4h,得到玻璃熔体,然后将得到的玻璃熔体倒入去离子水中进行淬冷,得到玻璃渣,再将玻璃渣球磨成玻璃粉后与二氧化钌粉混合均匀,最后与有机载体混合均匀并研磨,即得到高温电阻浆料;
所述玻璃原料粉体A主要由以下质量百分比的组分组成:SiO2 20%~30%、Al2O32%~5%、Bi2O3 40%~55%、B2O3 8%~15%和Li2O 1%~3%;
所述高温电阻浆料中有机载体的质量分数为20%~25%;玻璃粉与二氧化钌粉的混合过程在行星式重力搅拌机中混合,行星式重力搅拌机的公转速度1200rpm~1500rpm,自转速度为公转速度的30%~60%,搅拌时间30min~60min;玻璃粉后与二氧化钌粉的混合粉料与有机载体的混合过程在三辊研磨机中进行,三辊研磨机的转速为250r/min~450r/min,研磨混料时间为1h~2h;
上述制备方法制备得到的高温电阻浆料的粘度为100pa·s~300pa·s。
所述步骤(6)中,高温导体浆料是由以下制备方法制备而成:将玻璃原料粉体B混合均匀后经1100℃~1200℃的温度熔炼2h~4h,得到玻璃熔体,然后将得到的玻璃熔体倒入去离子水中进行淬冷,得到玻璃渣,再将玻璃渣球磨成玻璃粉后与Ag-Pd合金粉混合均匀,最后与有机载体混合均匀并研磨,即得到高温导体浆料;
所述玻璃原料粉体B主要由以下质量百分比的组分组成:SiO2 3%~8%、Bi2O355%~70%、B2O3 10%~20%、ZnO 10%~20%和Li2O 1%~3%;
所述高温导体浆料中有机载体的质量分数为20%~25%;玻璃粉与Ag-Pd合金粉的混合过程在行星式重力搅拌机中混合,行星式重力搅拌机的公转速度1200rpm~1500rpm,自转速度为公转速度的30%~60%,搅拌时间30min~60min;玻璃与导电相的混合粉料与有机载体的混合过程在三辊研磨机中进行,三辊研磨机的转速为250r/min~450r/min,研磨混料时间为1h~2h;
上述制备方法制备得到的高温导体浆料的粘度为100pa·s~300pa·s;
所述有机载体主要由质量分数为80%~90%的柠檬酸三丁酯、2%~5%的硝酸纤维素和10%~15%卵磷脂组成。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明提出的涂层结构具备雷达、红外兼容隐身功能,由于引入了电阻型周期结构,可以具备较好的吸波性能,突破了传统吸波涂层需要添加吸收剂造成的吸波性能不理想、对工艺影响大、性能不稳定的不足;表层引入导体型周期结构,利用其红外波段高反射、雷达波段高透过特性实现雷达/红外兼容隐身功能。
(2)本发明采用等离子喷涂工艺制备陶瓷底层,具有效率高、抗热震性能好、对基材热效应低的优点;陶瓷底层采用了8YSZ-Al2O3体系,在保证Al2O3涂层低密度的基础上,采用8YSZ对其进行增韧,可进一步提升陶瓷底层的可靠性;可以利用涂层较好的隔热性能提高对金属的高温防护能力;并且8YSZ-Al2O3陶瓷底层中的双相涂层体系具有更宽的介电性能调控范围,隐身性能设计空间更大。
(3)本发明采用低熔点的玻璃为高温电阻浆料和高温导体浆料的粘结相,可在600℃以下温度有效烧结,对基材热效应低、损伤小,适用于钛合金等不宜在600℃以上热处理的金属基材。
(4)本发明采用8YSZ为隔离层,一方面可以有效隔离电阻型与导体型高温周期结构,避免两者周期单元间出现电接触造成对电性能的影响;同时利用8YSZ的高温低发射率特性,与导体型高温电磁周期共同作用实现更低的发射率特性。
(5)本发明采用贴片导体型高温周期结构实现涂层的低红外发射率特性,并且采用Ag-Pd合金为导电和低发射率填料,具有成本低、相对Ag填料不易迁移扩散等优点;采用的Bi2O3-B2O3-ZnO系低熔点无铅玻璃为粘结相,利用ZnO成分可以赋予高温导体涂层的高硬度,具有耐磨性好、不易损坏的优点;同时,还通过设计参数的限制,使贴片导体型高温周期结构单元具有相对较大的周期尺度,使之可以采用丝网印刷工艺进行制备,避免了小尺度导体型高温周期结构需要采用激光加工工艺带来的工艺复杂、成本高等不足。
实施例1:
一种本发明的耐高温雷达/红外兼容隐身涂层,其结构如图1所示,从金属基材1(TA15钛合金)表面开始,从下至上,依次包括NiCrAlY粘结层2、8YSZ-Al2O3陶瓷底层3、高温电阻涂层4、8YSZ隔离层5和高温导体涂层6;其中,NiCrAlY粘结层2厚度为0.1mm;8YSZ-Al2O3陶瓷底层3中8YSZ与Al2O3的质量比为10:90,其厚度为1.0mm;高温电阻涂层4为呈周期性排列的贴片形式,其具体结构见图2所示,贴片的周期尺寸为10mm;高温电阻涂层4厚度为0.03mm;高温电阻涂层4的导电相为二氧化钌,粘结相为Bi2O3-SiO2-B2O3系低熔点无铅玻璃,导电相占导电相与粘结相总质量的50.5%;8YSZ隔离层5的厚度为0.1mm;高温导体涂层6为周期结构的贴片形式,周期结构的单元边长为2.0mm,贴片边长为1.59mm;高温导体涂层6厚度为0.03mm;高温导体涂层6的导电相为Ag-Pd合金(Pd的质量含量为10%),粘结相为Bi2O3-B2O3-ZnO系低熔点无铅玻璃,其中,导电相占导电相与粘结相总质量的85%。
本实施例的高温雷达/红外兼容隐身涂层的具体制备方法如下:
(1)TA15钛合金金属基板喷砂处理:将TA15钛合金置于喷砂机中进行喷砂处理,喷砂过程的工艺参数条件为:气压控制为0.4MPa,喷砂距离50mm,砂子粒径为50~100μm,喷砂5min;
(2)粘结层制备:采用等离子喷涂工艺在步骤(1)喷砂处理后的TA15钛合金金属基板表面喷涂NiCrAlY粘结层,其中,等离子喷涂工艺参数为:Ar的通气流量为45L/min,H2的通气流量为9L/min;送粉气流Ar为2.5L/min,送粉量20%;电流大小控制为550A,功率为38kW;喷涂距离为100mm;
(3)陶瓷底层制备:采用等离子喷涂工艺在粘结层表面喷涂10%8YSZ-90%Al2O3,等离子喷涂工艺参数为:Ar的通气流量为32L/min,H2的通气流量为10L/min;送粉气流Ar为3.0L/min,送粉量25%;电流大小控制为580A,功率为40kW;喷涂距离为130mm;
(4)制备高温电阻浆料:将玻璃原料粉体A混合均匀后经1200℃的温度在白金坩埚中熔炼2h,然后将得到的玻璃熔体倒入去离子水中进行淬冷,得到玻璃渣,再将玻璃渣球磨成玻璃粉后与导电相二氧化钌粉混合均匀,再与有机载体(主要由质量分数为85%的柠檬酸三丁酯、5%的硝酸纤维素和10%卵磷脂组成)混合均匀制成高温电阻浆料;其中,玻璃原料粉体A主要由以下质量百分比的组分组成:SiO2 27%、Al2O3 3%、Bi2O3 55%、B2O3 12%和Li2O3%;玻璃粉与二氧化钌粉混合过程在行星式重力搅拌机中混合,行星式重力搅拌机的公转速度为1200rpm,自转速度为公转速度的60%,搅拌时间60min;玻璃粉与二氧化钌粉的混合粉料与有机载体的混合过程在三辊研磨机中进行,三辊研磨机的转速为400r/min,研磨混料时间为1h;制备得到的高温电阻浆料的粘度为180pa·s;
高温电阻涂层制备:将制备好的高温电阻浆料采用丝网印刷工艺、并按照贴片周期结构设计图案印制于8YSZ-Al2O3陶瓷底层表面,再经干燥和烧结工艺,制备出贴片形式、周期结构的高温电阻涂层,其中,丝网目数为250目,印制遍数为1遍;干燥温度为200℃,干燥时间为0.5h;烧结温度为550℃,升温速度为20℃/min,烧结时间为60min,烧结气氛为空气;
(5)隔离层制备:采用等离子喷涂工艺在贴片周期结构的高温电阻涂层表面制备出8YSZ隔离层;其中,等离子喷涂工艺参数为:Ar的通气流量为32L/min,H2的通气流量为9L/min;送粉气流Ar为3.0L/min,送粉量25%;电流大小控制为580A,功率为38kW;喷涂距离为140mm;
(6)制备高温导体浆料:将玻璃原料粉体B混合均匀后经1100℃的温度在白金坩埚中熔炼3h,然后将得到的玻璃熔体倒入去离子水中进行淬冷,得到玻璃渣,再将玻璃渣球磨成玻璃粉后与导电相Ag-Pd合金粉混合均匀,再与有机载体(主要由质量分数为85%的柠檬酸三丁酯、2%的硝酸纤维素和13%卵磷脂组成)混合均匀制成高温导体浆料;高温导体浆料中有机载体的质量分数为20%;
玻璃原料粉体B主要由以下质量百分比的组分组成:SiO2 5%、Bi2O3 60%、B2O317%、ZnO 15%、Li2O 3%;玻璃粉与Ag-Pd合金粉的混合过程在行星式重力搅拌机中混合,行星式重力搅拌机的公转速度1500rpm,自转速度为公转速度的40%,搅拌时间30min;玻璃与导电相的混合粉料与有机载体的混合过程在三辊研磨机中进行,三辊研磨机的转速为450r/min,研磨混料时间为1h;制备得到的高温导体浆料的粘度为250pa·s;
高温导体涂层制备:将制备好的高温导体浆料采用丝网印刷工艺,按照贴片型周期结构设计图案印制于隔离层表面,再经干燥和烧结工艺,制备出高温导体涂层,即完成耐高温雷达/红外兼容隐身涂层的制备,其照片见图3所示;丝网印刷工艺过程中,丝网目数为300目,印制遍数为2遍;干燥温度为250℃,干燥时间为0.5h;烧结过程中的烧结温度为550℃,升温速度为30℃/min,烧结时间为45min,烧结气氛为空气。
本实施例制备的雷达/红外兼容隐身涂层在600℃条件下反射率曲线如图4所示,其反射率在8~18GHz基本均低于-5dB,具有优异的高温吸波性能;且涂层厚度约为1.2mm,具有较薄的厚度。实测该雷达/红外兼容隐身涂层在600℃下红外发射率为0.29,具有优异的雷达/红外兼容隐身功能;同时对该涂层进行了室温至600℃的热震试验,经4h×25次的100h热震循环后涂层完整,且维持隐身性能基本无变化,具有较好的综合性能,具有较好的应用前景。