CN111057988A - 一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，包括：步骤一：采用喷砂设备对陶瓷基体表面喷砂粗化处理；步骤二：对步骤一喷砂处理后的陶瓷基体清理表面浮尘，并用超声波清洗陶瓷基体表面，然后烘干；步骤三：将喷涂原料粉碎成粉末，称取250g，待喷涂使用；步骤四：对陶瓷基体表面进行喷涂处理，其包含等离子喷涂和超音速火焰喷涂。本发明的涂层与陶瓷具备高的结合强度，陶瓷在受到冲击时，涂层随陶瓷发生断裂，吸收能量，阻止裂纹扩展；另外涂层的断裂可改变陶瓷裂纹走向，增大裂纹扩展面积，提高韧性。

Description

一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法
技术领域
本发明是一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，属于陶瓷表面涂层制备技术领域。
背景技术
陶瓷硬度高、密度低，是制备轻量化装甲材料的极佳选择。但其韧性差，在受到弹头冲击后容易发生脆断，使其硬度高的优势难以发挥，从而制约了在装甲防护领域的应用。为了提高其防护性能，研究人员通过微观结构调整对陶瓷增韧以及制备陶瓷基复材改善其韧性。然而，通过微观结构调整对陶瓷增韧效果不明显；制备陶瓷基复材韧性得到提高，但硬度降低，削弱了其毁坏弹丸的能力。
弹丸在侵彻陶瓷时，弹头的冲击使陶瓷产生裂纹，随后由于应力波的作用使陶瓷受拉应力，使得裂纹得以扩展，陶瓷发生碎裂。研究表明，对陶瓷增加三维约束可对陶瓷施加压应力，从而抵消应力波产生的拉应力。上述方法保证了陶瓷的高硬度，同时提高陶瓷的抗裂纹扩展能力，从而提高其抗侵彻能力。传统的陶瓷约束主要由面板、侧板和背板共同构成，材料为装甲钢，但这种方式不能很好地约束陶瓷内部裂纹的扩展。微观上，固体表面由许多微凸体构成，固体间的接触只依赖于若干个微凸体的接触，故难以有效控制裂纹扩展；其次，装甲钢的硬度尤其是动态硬度远低于陶瓷，导致刚性约束不足，使得中弹后被约束的陶瓷破碎。中国专利“多孔金属封装陶瓷复合防护板及其制备方法”(公开号：CN102774075A)提供了一种陶瓷三维约束的方法，该方法中将陶瓷芯板与混合粉末置于模具中进行压制成型，对于脆性的陶瓷，这可能会使陶瓷产生微裂纹或发生断裂，影响其防护性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，包括：
步骤一：采用喷砂设备对陶瓷基体表面喷砂粗化处理；
步骤二：对步骤一喷砂处理后的陶瓷基体清理表面浮尘，并用超声波清洗陶瓷基体表面，然后烘干；
还包括：
步骤三：将喷涂原料粉碎成粉末，称取250g，待喷涂使用；
步骤四：对陶瓷基体表面进行喷涂处理，喷涂处理为等离子喷涂或超音速火焰喷涂。
优选的，步骤一中的喷砂处理参数具体为：喷砂压力为0.5-0.6MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为60-80目，喷砂距离为20-30cm，喷砂角度为45°-90°，喷砂时间为5-10s。
采用上述技术方案，喷砂处理可以达到使产器外观去毛刺、污物、氧化层的目的，也可以提升产品表面粗糙度，增加涂装附着力的作用；且，棕刚玉具有较好的强度和韧性，喷砂处理后能去除陶瓷表面附着不紧的颗粒，使喷砂更细腻。同时可以使陶瓷表面形成压力层，增加陶瓷的抗弯曲强度和表面硬度。
优选的，步骤三与步骤四之间还包括：将喷涂原料置于鼓风干燥箱中120℃处理2h。
采用上述技术方案，干燥后的喷涂原料在喷涂过程中流动性更好，使其喷涂效果更加。
优选的，所述喷涂原料粉碎后的粉末粒径为25-105μm。
优选的，所述喷涂原料粉碎后的粉末粒径为45-65μm。
采用上述技术方案，涂层结合强度随粉末粒径的增大而减小，涂层气孔率随粉末粒径的增大而增大。
优选的，所述喷涂原料为金属、合金或陶瓷粉料中的一种或几种。
采用上述技术方案，本技术方案选取的喷涂原料具有如下特点：(1)热稳定性好，喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐高温，即在高温下不改变性能；(2)固态流动性好，为保证送粉的均匀，要求粉末材料具备良好的固态流动性，粉末固态流动性与粉末形状、湿度和粒径因素有关。
优选的，所述陶瓷粉料包括金属氧化物，碳化物，硼化物，氮化物，硅化物或复合材料粉料。
采用上述技术方案，本技术方案选取的陶瓷粉料具有良好的使用性能，陶瓷粉料的熔点和硬度都很高，最高熔点可达3500-4000℃，硬度可达HRC60以上，因此，具有很高的耐热、绝热、抗氧化、耐磨和耐蚀性能。
优选的，所述喷涂原料的热膨胀系数与陶瓷基体的热膨胀系数比值为0.8-1.2。
采用上述技术方案，喷涂原料应与陶瓷基体有近似的热膨胀系数，如果涂层与工件热胀系数相差甚远，则可能导致工件在由喷涂后冷却过程中引起涂层龟裂。
优选的，所述陶瓷基体为碳化硼(B4C)、氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
碳化硼，别名黑钻石，分子式为B4C，通常为灰黑色微粉。是已知最坚硬的三种材料之一(其他两种为金刚石、立方相氮化硼)，用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的摩氏硬度为9.3。因具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点。在耐磨材料、陶瓷增强相，尤其在轻质装甲，反应堆中子吸收剂等方面使用。
氧化铝分为煅烧氧化铝和普通工业氧化铝，煅烧氧化铝是生产仿古砖的必备原料，而工业氧化铝则可用于生产微晶石，在传统釉料中，氧化铝常用作增白。由于仿古砖和微晶石受到了市场青睐，氧化铝的用量也是逐年增长。
氧化铝陶瓷在陶瓷行业中应运而生-氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉为主晶相的陶瓷材料。因其具有机械强度高，硬度大，高频介电损耗小，高温绝缘电阻高，耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能等优势。
碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20-3.25，显微硬度为2840-3320kg/mm2。
优选的，所述等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400-600A，喷涂电压为40-70V，喷涂距离为100-130mm；所述超音速火焰喷涂工艺参数为：燃气(C2H2)流量为20-26L/min，氧气流量为200-230L/min，喷涂距离为150-300mm。
等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。
超音速火焰喷涂是由小孔进入燃烧室的液体燃烧，如煤油，经雾化与氧气混合后点燃，发生强烈的气相反应，燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀，此膨胀气体流经Laval喷嘴时受喷嘴的约束形成超音速高温焰流。此焰流加热加速喷涂材料至基体表面，形成高质量涂层。
本发明的有益效果：
(1)陶瓷表面是由许多微凸体构成的，通过陶瓷表面制备涂层可以实现涂层与陶瓷微观上的机械或冶金结合，涂层的硬度大，对陶瓷形成较强的刚性约束。
(2)本发明喷涂结束后，涂层在冷却过程中收缩，对陶瓷基体产生压应力，有助于抵消弹头侵彻时应力波产生的拉应力，并且喷涂过程对陶瓷影响。
(3)本发明的涂层与陶瓷具备高的结合强度，陶瓷在受到冲击时，涂层随陶瓷发生断裂，吸收能量，阻止裂纹扩展；另外涂层的断裂可改变陶瓷裂纹走向，增大裂纹扩展面积，提高韧性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1中的喷涂粉末粒径对涂层结合度的影响。
图2为本发明实施例1中的喷涂粉末粒径对气孔率的影响。
图3为本发明实施例2的产品在300μm下的电镜扫描图。
图4为本发明实施例3的产品在100μm下的电镜扫描图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1：
B4C表面喷砂处理，喷砂压力为0.5MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为60目。喷砂距离为25cm，喷砂角度为60°，喷砂时间为5s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取Ti粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为500A，喷涂电压为70V，喷涂距离为100mm。
采用本实施例制备方法研究喷涂原料的粉末粒径对涂层结合强度和气孔率的影响，根据Ti粉粒径大小将其分为4组，具体如表1。
表1Ti粉粒径
组别 粒径/μm
实验组1 25-45
实验组2 45-65
实验组3 65-85
实验组4 85-105
如图1所示，涂层结合强度随着喷涂粉末粒径的增大而降低，如图2所示，孔隙率随着喷涂粉末粒径的增大而增大，综合考虑，本申请选取粉末粒径在45-65μm为最佳。
实施例2：
Al2O3表面喷砂处理，喷砂压力为0.6MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为70目。喷砂距离为20cm，喷砂角度为90°，喷砂时间为8s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取AT40粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为500A，喷涂电压为65V，喷涂距离为100mm。如图3所示，喷涂后的产品在300μm下的电镜扫描图。
实施例3：
SiC表面喷砂处理，喷砂压力为0.5MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为80目。喷砂距离为30cm，喷砂角度为45°，喷砂时间为10s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取WC-Co粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。超音速火焰喷涂工艺参数为：燃气(C2H2)流量为25L/min，氧气流量为200L/min，喷涂距离为270mm。如图4所示，喷涂后的产品在100μm下的电镜扫描图。
实施例4：
SiC表面喷砂处理，喷砂压力为0.6MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为60目。喷砂距离为25cm，喷砂角度为60°，喷砂时间为8s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取WC-Co粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。超音速火焰喷涂工艺参数为：燃气(C2H2)流量为20L/min，氧气流量为230L/min，喷涂距离为150mm。
实施例5：
B4C表面喷砂处理，喷砂压力为0.5MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为80目。喷砂距离为30cm，喷砂角度为60°，喷砂时间为7s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取Ti粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为600A，喷涂电压为40V，喷涂距离为120mm。
实施例6：
Al2O3表面喷砂处理，喷砂压力为0.5MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为60目。喷砂距离为20cm，喷砂角度为45°，喷砂时间为8s。喷砂处理后的陶瓷用压缩空气清理表面浮尘，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干。称取AT40粉250g，置于鼓风式干燥箱中在120℃烘2h后取出，待喷涂使用。等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400A，喷涂电压为70V，喷涂距离为130mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，包括：
步骤一：采用喷砂设备对陶瓷基体表面喷砂粗化处理；
步骤二：对步骤一喷砂处理后的陶瓷基体清理表面浮尘，并用超声波清洗陶瓷基体表面，然后烘干；
其特征在于，还包括：
步骤三：将喷涂原料粉碎成粉末，称取250g，待喷涂使用；
步骤四：对陶瓷基体表面进行喷涂处理，喷涂处理为等离子喷涂或超音速火焰喷涂。
2.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中的喷砂处理参数具体为：喷砂压力为0.5-0.6MPa，砂粒选择棕刚玉，粒度为60-80目，喷砂距离为20-30cm，喷砂角度为45°-90°，喷砂时间为5-10s。
3.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，步骤三与步骤四之间还包括：将喷涂原料置于鼓风干燥箱中120℃处理2h。
4.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂原料粉碎后的粉末粒径为25-105μm。
5.根据权利要求4所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂原料粉碎后的粉末粒径优选为45-65μm。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂原料为金属、合金或陶瓷粉料中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉料包括金属氧化物，碳化物，硼化物，氮化物，硅化物或复合材料粉料。
8.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂原料的热膨胀系数与陶瓷基体的热膨胀系数比值为0.8-1.2。
9.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基体为碳化硼(B4C)、氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
10.根据权利要求1所述的一种增强陶瓷三维约束涂层的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400-600A，喷涂电压为40-70V，喷涂距离为100-130mm；所述超音速火焰喷涂工艺参数为：燃气(C2H2)流量为20-26L/min，氧气流量为200-230L/min，喷涂距离为150-300mm。
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