CN113549862B - 一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法，属于高能强激光防护的技术领域。高能激光防护多层复合材料涂层结构包括，在金属基材上，由下至上依次喷涂的粘接层、隔热层、热疏散层和反射层；粘接层的热膨胀系数介于金属基材与隔热层之间；隔热层采用低热导率隔热材料；热疏散层采用高热导率材料；反射层采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合。解决了反射型防护的熔点低，高温时易氧化；热烧蚀型防护产生明火造成质量缺失；隔热型防护导致涂层局部、基体材料热烧蚀破坏，降低热导率的问题。本发明在金属基材上依次喷涂粘接层、隔热层、热疏散层、反射层，有效的降低了基材的热相应速度。

Description

一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及高能强激光防护的技术领域，具体的涉及一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法。
背景技术
随着科技的不断进步，在防护设备上采用激光防护材料，以解决防护设备的激光安全与防护的问题。按照激光功率的密度不同，防护设备的防护类型分为软杀伤防护和硬杀伤防护：软杀伤防护主要用于实现光电设备或者人眼在低激光功率密度作用的条件下防护，广泛应用在薄膜材料的防护技术中；硬杀伤防护主要是针对高能激光武器的攻击对象，广泛应用在飞行器、导弹、卫星等装备上。
高能激光防护设备的结构为底部的金属基材和喷涂在基材上部的激光防护材料。随着高能激光防护要求的不断提高，目前激光防护材料的研究还存在一些不足。例如：
以金属材料为主的反射型防护，在金属基材的上部喷涂金属防护层，虽然对激光具有较高的反射能力，但因其熔点相对较低，高温时易发生氧化等缺点，限制了金属材料在高能激光防护领域中的应用。
以有机材料为主的热烧蚀型防护，在金属基材的上部喷涂有机材料防护层，但是其在耗散激光能量时，将伴随产生明火燃烧现象，造成明显的质量损失问题。
以热障涂层为主的隔热型防护，在金属基材的上部喷涂热障涂层防护层，材料自身的低热导率可达到降低基体温度的效果，但是，随着激光加载的时间延长，低的热导率使光斑作用区域因热量聚集而迅速升温，导致涂层局部甚至基体材料率先发生热烧蚀破坏，且热导率降低有限，致使防护效率低，防护效果差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高能激光防护多层复合材料涂层结构，以解决现有技术中存在的，以金属材料为主的反射型防护，熔点低，高温时易氧化；以有机材料为主的热烧蚀型防护，在耗散激光能量时产生明火燃烧现象，造成质量缺失的问题；以热障涂层为主的隔热型防护，随着激光记载的时间延长，低的热导率使光斑作用区域因热量聚集迅速升温，导致涂层局部、基体材料热烧蚀破坏，降低热导率，最终致使防护效率低，防护效果差的技术问题。
本发明提供的一种高能激光防护多层复合材料涂层结构，包括金属基材、粘接层、隔热层、热疏散层和反射层；
粘接层、隔热层、热疏散层、反射层由下至上依次喷涂在金属基材上；
粘接层的热膨胀系数介于金属基材的热膨胀系数与隔热层的热膨胀系数之间；
隔热层采用低热导率隔热材料；
热疏散层采用高热导率材料；
反射层采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合。
进一步的，粘接层的材料为CoNiCrAlY、NiCrAlY、MCoAlY中的任意一种。
进一步的，隔热层的材料为LCZ、YSZ、Sm2Zr2O7、LaMgAll1O19中的任意一种。
进一步的，热疏散层的材料为金属材料。
进一步的，粘接层的厚度取值范围在0.1～0.4mm之间；
隔热层的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间；
热疏散层的厚度取值范围在0.1～1.5mm之间；
反射层的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间。
本发明提供还一种高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，包括如下步骤：
a.处理金属基材
对金属基材进行吹砂处理，吹砂压力的取值范围在0.3MPa～0.4MPa之间，吹砂距离的取值范围在100mm～120mm之间，砂子的颗粒度的取值为60 目；
b.喷涂粘接层
在金属基材的表面采用等离子喷涂的方式喷涂粘接层材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，喷涂粘接层材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.4mm之间，以形成粘接层；
c.喷涂隔热层
在粘接层的表面采用等离子喷涂的方式喷涂低热导率材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，低热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在60mm～90mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，以形成隔热层；
d.喷涂热疏散层
在隔热层的表面采用等离子喷涂的方式喷涂热导流高的金属材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～1.5mm之间，以形成热疏散层；
e.喷涂反射层
在热疏散层的表面采用等离子喷涂的方式喷涂金属或高反射率陶瓷形成的高反射层材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高反射材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，以形成喷涂反射层。
进一步的，在步骤(d)中，等离子喷涂的方式采用火焰喷涂、电镀喷涂、电铸喷涂中的任意一种替代。
进一步的，在步骤(e)中，等离子喷涂的方式采用浆料涂刷的方式代替。
进一步的，涂刷厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间。
相对于现有技术，本发明的高能激光防护多层复合材料涂层结构具有以下优势：
本发明采用由下至上依次喷涂在金属基材上的粘接层、隔热层、热疏散层、反射层的结构，上述组合方式，使整个复合材料形成多层结构；粘接层的热膨胀系数介于金属基材的热膨胀系数与隔热层的热膨胀系数之间，以提高金属基材与隔热层之间的物理化学相容性，缓和热应力；隔热层采用低导热隔热材料，以阻挡高能激光热量向涂层内部传递，降低热量向金属基材传递；热疏散层采用高热导率材料，以便能够快速导热，以降低涂层表面温度，确保反射层在长时间激光辐照的过程中保持稳定；反射层采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合方式，确保产品的表面处理工艺；采用上述的多层结构，有效的降低基材的热响应速度，提高了防护效率，防护效果好，有效的解决了现有技术的熔点低、高温易燃烧、热导率低，导致防护效率低，防护效果差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高能激光防护多层复合材料涂层结构的层间结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法流程图。
附图标记说明：
100-金属基材； 200-粘接层；
300-隔热层； 400-热疏散层；
500-反射层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种高能激光防护多层复合材料涂层结构，包括金属基材100、粘接层200、隔热层300、热疏散层400和反射层500；
粘接层200、隔热层300、热疏散层400、反射层500由下至上依次喷涂在金属基材100上；
粘接层200的热膨胀系数介于金属基材100的热膨胀系数与隔热层300 的热膨胀系数之间；
隔热层300采用低热导率隔热材料；
热疏散层400采用高热导率材料；
反射层500采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合。
进一步的，粘接层200的材料为CoNiCrAlY、NiCrAlY、MCoAlY中的任意一种。
进一步的，隔热层300的材料为LCZ、YSZ、Sm2Zr2O7、LaMgAll1O19中的任意一种。
进一步的，热疏散层400的材料为金属材料。
本发明的一个实施例中，采用上述组合方式，使整个复合材料形成多层结构；粘接层200的热膨胀系数介于金属基材的热膨胀系数与隔热层的热膨胀系数之间，由于粘接层具有一定的塑韧性，作为中间过渡层可以很好的缓解基体与陶瓷层乃至整个涂层结构体系中热膨胀系数不匹配等问题，有效降低热喷涂过程中产生的热应力，在本实施例中，粘接层200的材料采用 MCoAlY合金粉末。隔热层300主要起连接金属基材100与外层的作用，采用低导热隔热材料，以阻挡高能激光热量向涂层内部传递，降低热量向金属基材传递，在本实施例中，隔热层300的材料采用Sm2Zr2O7。涂层内部传热的方式以热传导为主，所以，热疏散层400采用高热导率材料，以便能够快速导热，以降低涂层表面温度，确保反射层在长时间激光辐照的过程中保持稳定。反射层500采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合方式，确保产品的表面处理工艺，在本实施例中，反射层500的金属材料选用Ag、 Cu、Au、Al、W等中的任意一种。本发明采用上述的多层梯度结构，可协同防护高能激光，并且易于工程化实现的涂层，结合力强，成本低，有效的降低基材的热响应速度，提高了防护效率，防护效果好。
进一步的，粘接层200的厚度取值范围在0.1～0.4mm之间；
隔热层300的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间；
热疏散层400的厚度取值范围在0.1～1.5mm之间；
反射层500的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间。
在本实施例中，粘接层200的厚度取值为0.4mm，隔热层300的厚度取值为0.5mm，热疏散层400的厚度取值为1.0mm，反射层500的厚度取值为 0.5mm。
如图2所示，本发明还提供一种高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，在本发明的下述等离子喷涂的所有实施例中，等离子喷涂，是指将金属或陶瓷等粉体材料送入等离子体焰流中，利用该焰流将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，高速撞击工件表面并在基体上迅速铺展凝固，通过层片叠加形成具有各种功能的涂层。等离子喷涂选用氮气或者氩气等惰性气体作为主气的工作气体，由于氩气是单原子气体且热焓值较低，在热电离过程中可直接吸收热量进行电离。同时温度升高较快，氩气比较适合作为起弧气体。喷涂功率与送粉量是相互影响的两个参数，在确定这两个工艺参数时，必须要保证二者相互协同。当喷涂功率恒定时，送粉量过多容易引起喷涂粉体熔化不完全，使涂层中形成夹杂生粉及熔融颗粒不能与基体表面充分接触。同时，未充分熔化的颗粒将导致沉积效率低且与基体结合不紧密。相反，少的送粉量虽然使喷涂粉体熔化完全且充分铺展，但可能出现过熔现象导致其受热烧损过多。
本发明的高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，包括如下步骤：
a.处理金属基材
在本实施例中，金属基材100采用金属铝壳体。
先对金属基材100进行吹砂处理，即，对金属铝壳体采用吹砂处理，表面壳体采用普通吹砂设备，吹砂压力的取值范围在0.3MPa～0.4MPa之间，在本实施例中，吹砂压力值为0.3MPa，吹砂距离的取值范围在100mm～120mm 之间，在本实施例中，吹砂距离的取值为100mm，砂子的颗粒度的取值为60 目；
b.喷涂粘接层
在金属基材100的表面采用等离子喷涂的方式喷涂粘接层材料，由于粘接层200主要起连接基体和外层的作用，应选择热膨胀系数介于基体和外层之间的材料，目前适用于等离子喷涂的粘接层材料主要有CoNiCrAlY、 NiCrAlY、MCoAlY等。
在本实施例中，粘接层200的材料采用MCoAlY合金粉末，其化学成分 Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y，粒度分布在20μm～80μm之间；该材料在喷涂的过程中与基体产生有效的机械结合或部分冶金结合，获得高结合强度、致密性好的涂层。此外，由于粘接层200具有一定的塑韧性，作为中间过渡层可以很好的缓解基体与陶瓷层乃至整个涂层结构体系中热膨胀系数不匹配等问题，有效降低热喷涂过程中产生的热应力；
喷涂时，采用电流500-600A，主气100Ar/SCFH，辅气10-15He/SCFH，载气10Ar/SCFH，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，喷涂粘接层材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在 100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.4mm之间，在本实施例中，喷涂厚度取值为0.4mm，以形成粘接层200；
c.喷涂隔热层
在粘接层200的表面采用等离子喷涂的方式喷涂低热导率材料，由于隔热层300主要用于阻挡高能激光热量向涂层内部传递，以降低热量朝铝基体传递，同时考虑隔热层300与热疏散层400之间热膨胀系数，采用等离子喷涂方式；喷涂材料采用低热导率隔热材料，如LCZ、YSZ、Sm2Zr2O7、 LaMgAll1O19等，在本实施例中，喷涂材料采用Sm2Zr2O7。
喷涂时，采用电流650-800A，主气100Ar/SCFH，辅气15-25He/SCFH，载气10Ar/SCFH，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，低热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在 60mm～90mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，在本实施例中，喷涂厚度取值为0.5mm，以形成隔热层300；
d.喷涂热疏散层
在隔热层300的表面采用等离子喷涂的方式喷涂热导流高的金属材料，采用等离子方式喷涂热疏散层400，用来快速导热，以降低涂层表面温度，确保反射材料在长时间激光辐照的过程中稳定；由于涂层的内部传热的方式以热传导为主，因此选择热导率相对高的金属材料作为热疏散层，同时，为了降低涂层之间的热失配，考虑与反射层500的热膨胀系数最为接近的材料作为热疏散层材料；
喷涂时，采用电流500-600A，主气100Ar/SCFH，辅气10-15He/SCFH，载气10Ar/SCFH，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在 100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～1.5mm之间，在本实施例中，喷涂厚度取值为1.0mm，以形成热疏散层400；
e.喷涂反射层
在热疏散层400的表面采用等离子喷涂的方式喷涂高反射率的金属或高反射率陶瓷形成的高反射层材料，金属可采用Ag、Cu、Au、Al、W……等；制备过程中，陶瓷采用等离子喷涂、电子束蒸发沉积或者浆料刷涂工艺，然后再进行打磨抛光；
喷涂时，采用电流500-600A，主气100Ar/SCFH，辅气10-15He/SCFH，载气10Ar/SCFH，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高反射材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在 100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，在本实施例中，喷涂厚度取值为0.5mm，以形成喷涂反射层500；
最后，将喷涂后的产品送入固化炉内进行烘烤，烘烤温度的取值范围在 270℃～500℃之间，在本实施例中，烘烤温度取值为400℃，烘烤时间的取值范围在20min～30min之间，在本实施例中，烘烤时间取值为25min；烘烤时间结束时，从固化炉内取出产品，待银浆固化后，表面打磨处理，形成所需的产品。
进一步的，在步骤(d)中，等离子喷涂的方式采用火焰喷涂、电镀喷涂、电铸喷涂中的任意一种替代。
进一步的，在步骤(e)中，等离子喷涂的方式采用浆料涂刷的方式代替。具体的，在热疏散层400上继续刷涂，采用涂刷银浆进行涂刷。
进一步的，涂刷厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间。
在本实施例中，涂刷的厚度取值为0.5mm。
相比现有技术的制造方法，制作过程简单，制作效率低，产品效果差。本发明的上述制造方法，依次采用处理金属基材、喷涂粘接层、喷涂隔热层、喷涂热疏散层、喷涂反射层等步骤，从而制得具有高效率、结合力强、低成本，并且易于工程化实现的涂层，制作后的产品可协同防护高能激光，有效的降低基材的热响应速度，提高了防护效率，防护效果好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高能激光防护多层复合材料涂层结构，其特征在于，包括金属基材(100)、粘接层(200)、隔热层(300)、热疏散层(400)和反射层(500)；
所述粘接层(200)、隔热层(300)、热疏散层(400)、反射层(500)由下至上依次喷涂在所述金属基材(100)上；
所述粘接层(200)的热膨胀系数介于所述金属基材(100)的热膨胀系数与所述隔热层(300)的热膨胀系数之间；
所述隔热层(300)采用低热导率隔热材料；
所述热疏散层(400)采用高热导率材料；
所述反射层(500)采用高反射率的金属材料与高反射率陶瓷材料的混合；
所述粘接层(200)的材料为CoNiCrAlY、NiCrAlY中的任意一种；
所述隔热层(300)的材料为LCZ、YSZ、Sm2Zr2O7、LaMgAll1O19中的任意一种；
所述热疏散层(400)的材料为金属材料。
2.根据权利要求1所述的高能激光防护多层复合材料涂层结构，其特征在于，所述粘接层(200)的厚度取值范围在0.1～0.4mm之间；
所述隔热层(300)的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间；
所述热疏散层(400)的厚度取值范围在0.1～1.5mm之间；
所述反射层(500)的厚度取值范围在0.1～0.5mm之间。
3.一种高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.处理金属基材
对金属基材(100)进行吹砂处理，吹砂压力的取值范围在0.3MPa～0.4MPa之间，吹砂距离的取值范围在100mm～120mm之间，砂子的颗粒度的取值为60目；
b.喷涂粘接层
在所述金属基材(100)的表面采用等离子喷涂的方式喷涂粘接层材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，喷涂粘接层材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.4mm之间，以形成粘接层(200)；
c.喷涂隔热层
在所述粘接层(200)的表面采用等离子喷涂的方式喷涂低热导率材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，低热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在60mm～90mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，以形成隔热层(300)；
d.喷涂热疏散层
在所述隔热层(300)的表面采用等离子喷涂的方式喷涂热导流高的金属材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高热导率材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～1.5mm之间，以形成热疏散层(400)；
e.喷涂反射层
在所述热疏散层(400)的表面采用等离子喷涂的方式喷涂金属或高反射率陶瓷形成的高反射层材料，喷涂时，送粉量的取值范围在40g/min～50g/min之间，高反射材料的颗粒粒径的取值范围在20um～80um之间，喷涂距离的取值范围在100mm～120mm之间，喷涂厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间，以形成喷涂反射层(500)。
4.根据权利要求3所述的高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，等离子喷涂的方式采用火焰喷涂、电镀喷涂、电铸喷涂中的任意一种替代。
5.根据权利要求3所述的高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，其特征在于，在所述步骤(e)中，等离子喷涂的方式采用浆料涂刷的方式代替。
6.根据权利要求5所述的高能激光防护多层复合材料涂层结构的制造方法，其特征在于，所述涂刷厚度的取值范围在0.1mm～0.5mm之间。
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