CN115322016B - 一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，包括：对Al2O3陶瓷基体进行喷砂粗化处理；进行表面浮尘清理、清洗、烘干；在处理后的Al2O3陶瓷基体表面制备Ni/Al过渡层；再在其之上制备TiCN/Ni叠层复合涂层，所述TiCN/Ni叠层复合涂层包括至少两组依次叠加的复合层组，每组复合层组包括自下而上依次叠加的Ni韧性层和TiCN硬质层。本发明可实现应力波多级反射和透射，使得弹丸能量在叠层中被消耗，削弱应力波的影响，提高防弹能力；叠层复合涂层削弱应力波影响的同时，表面的硬质层增大材料整体的抗压强度，提高破坏弹丸能力；且涂层的断裂可带动陶瓷裂纹走向，增大裂纹扩展面积，提高韧性。

Description

一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法
技术领域
本发明涉及装甲防护材料领域，具体涉及一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法。
背景技术
Al2O3(氧化铝)防弹陶瓷由于其优越的性价比，广泛应用于装甲车辆和单兵单警用防护产品。研究发现，高速弹丸接触装甲瞬间,能量首先以冲击波的形式传播，并且冲击波的速度大于高速弹丸的侵彻速度。在高速弹丸尚未到达的区域，装甲材料由于冲击波的作用而产生早期裂纹，此外，装甲界面由于拉伸应力波的作用将被破坏。因此，应力波将大大降低装甲的抗侵彻能力。
现有技术中，多通过调整复合装甲中各结构材料来降低应力波是伤害，然而各结构材料通常以有机胶粘接，其结构材料的调整对界面影响甚微。
涂层技术在表面防护领域一直受到推崇，本发明利用应力波传播原理，在陶瓷表面制备叠层涂层，以此来削弱应力波对装甲影响，提高装甲防弹能力。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，具体为：
步骤一：对Al2O3陶瓷基体进行喷砂粗化处理；
步骤二：喷砂处理后的Al2O3陶瓷基体采用压缩空气进行表面浮尘清理，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干；
步骤三：在处理后的Al2O3陶瓷基体表面制备Ni/Al过渡层；
步骤四：在Ni/Al过渡层表面之上制备TiCN/Ni叠层复合涂层，所述TiCN/Ni叠层复合涂层包括至少两组依次叠加的复合层组，每组复合层组包括自下而上依次叠加的Ni韧性层和TiCN硬质层。
高速弹丸接触装甲瞬间，能量首先以应力波的形式传播。波传播到界面时将会发生反射和透射，透射的波强度越小，能量穿透的越少，造成的损伤越小。并且，应力波在传播过程中由波阻抗小的介质向波阻抗大的介质传播时，反射波强度大于透射波强度，能量以反射为主。本发明利用应力波的传播规律，设计上述涂层材料和结构，将波阻抗小的TiCN硬质层和波阻抗大的Ni韧性层制备叠层复合涂层，且波阻抗小的TiCN 硬质层为表面层。应力波在传播到TiCN硬质层和Ni韧性层界面时，Ni 韧性层的波阻抗大于TiCN硬质层的波阻抗，大部分能量以反射波进行传播，少部分能量通过透射波传播，应力波的能量被降低。并且本叠层复合涂层结构拥有叠加的多组复合层组，即拥有多个界面，可使应力波发生多次反射和透射，大大削弱能量，从而降低应力波对装甲的影响，提高防弹能力。
优选的，所述Ni/Al过渡层采用超音速火焰喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为镍包铝复合粉，Ni/Al过渡层厚度为60～80μm。
优选的，所述Ni韧性层采用超音速火焰喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为商用Ni粉，粒度为30～45μm。
优选的，所述TiCN硬质层采用反应等离子喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为Ti/C混合粉，自蔓延反应生成TiCN硬质层。
进一步，所述Ti/C混合粉的制备方法为：将Ti粉和石墨粉按质量比6:1进行混合，其中Ti粉粒度为30～45μm，石墨粉粒度为1～3μm；将混合后的粉制备成浆料，然后采用喷雾造粒方法制备形成Ti/C混合粉。
优选的，涂层的总厚度为300～400μm。
进一步，每组复合层组中的Ni韧性层厚度为50～120μm，每组复合层组中的TiCN硬质层厚度为50～120μm。
涂层喷涂制备完成后，进行真空热处理，置于真空箱中保温，温度为400℃，保温时长为4h。
所述超音速火焰喷涂的工艺参数为：燃气(C2H2)流量为20～26L/min，氧气流量为200～230L/min，喷涂距离为150～300mm。
所述反应等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400～600A，喷涂电压为50～70V，喷涂距离为100～130mm。
本发明的有益效果：
(1)、通过叠层材料波阻抗差异设计、叠层结构的层数设计，实现应力波多级反射和透射，使得弹丸能量在叠层中被消耗，削弱应力波的影响，提高防弹能力。
(2)、叠层复合涂层削弱应力波影响的同时，表面的硬质层增大材料整体的抗压强度，提高破坏弹丸能力；另外涂层的断裂可带动陶瓷裂纹走向，增大裂纹扩展面积，提高韧性。
(3)、复合涂层厚度小，在提高抗侵彻能力的同时，对于复合装甲整体的重量影响小。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为TiCN/Ni叠层复合涂层由两组复合层组组成的实施例的结构示意图；
图2为试样应力波形对照图。图中(a)为未加涂层的试样，(b)为加有涂层的试样。
图中的附图标记，1-Al2O3陶瓷基体；2-Ni/Al过渡层；3-TiCN/Ni叠层复合涂层；31-Ni韧性层；32-TiCN硬质层。
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。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明基于叠层结构设计和热喷涂技术，以Al2O3陶瓷为基体，采用热喷涂方法分别制备Ni/Al过渡层，以及的各个复合层组中的Ni韧性层和TiCN硬质层，每组的Ni韧性层和TiCN硬质层交替制备，并且至少两组复合层组叠加从而形成TiCN/Ni叠层复合涂层的叠层结构，阻碍应力波的传播。
实施例1
制备总厚度为300μm的涂层：
对Al2O3陶瓷喷砂粗化处理；
喷砂处理后的Al2O3陶瓷基体采用压缩空气进行表面浮尘清理，并用超声波清洗表面，之后用吹风机烘干；
在处理后的Al2O3陶瓷基体表面制备Ni/Al过渡层；所述Ni/Al过渡层采用超音速火焰喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为镍包铝复合粉， Ni/Al过渡层厚度为80μm；
在Ni/Al过渡层表面之上制备TiCN/Ni叠层复合涂层，所述TiCN/Ni 叠层复合涂层包括两组依次叠加的复合层组；
每组复合层组中，先采用超音速火焰喷涂法喷涂制备Ni韧性层，单个Ni韧性层厚度为55μm，所用喷涂原料为商用Ni粉，粒度为30μm；超音速火焰喷涂的工艺参数为：燃气(C2H2)流量为22L/min，氧气流量为200L/min，喷涂距离为160mm；
再制备同一复合层组中的TiCN硬质层，单个TiCN硬质层的厚度为 55μmTiCN硬质层采用反应等离子喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为Ti/C 混合粉，反应等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400A，喷涂电压为55 V，喷涂距离为110mm。Ti/C混合粉的制备方法为：将Ti粉和石墨粉按质量比6:1进行混合，其中Ti粉粒度为30～45μm，石墨粉粒度为1～3μm；将混合后的粉制备成浆料，然后采用喷雾造粒方法制备形成Ti/C混合粉。
涂层喷涂制备完成后，进行真空热处理，置于真空箱中保温，温度为400℃，保温时长为4h。
图2以及下表中给出了本实施例的试样与未加涂层的试样的应力波等试验结果的对照，可以看出相应性能有较大提升。
Figure BDA0003817128500000041
Figure BDA0003817128500000051
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 (10)

1.一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，包括：
步骤一：对Al2O3陶瓷基体进行喷砂粗化处理；
步骤二：喷砂粗化处理后的Al2O3陶瓷基体进行表面浮尘清理，并用超声波清洗表面，烘干；
其特征在于，还包括：
步骤三：在处理后的Al2O3陶瓷基体表面制备Ni/Al过渡层；
步骤四：在Ni/Al过渡层表面之上制备TiCN/Ni叠层复合涂层，所述TiCN/Ni叠层复合涂层包括至少两组依次叠加的复合层组，每组复合层组包括自下而上依次叠加的Ni韧性层和TiCN硬质层。
2.根据权利要求1所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述Ni/Al过渡层采用超音速火焰喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为镍包铝复合粉，Ni/Al过渡层厚度为60～80μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述Ni韧性层采用超音速火焰喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为商用Ni粉，粒度为30～45μm。
4.根据权利要求2或3所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂的工艺参数为：燃气(C2H2)流量为20～26L/min，氧气流量为200～230L/min，喷涂距离为150～300mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述TiCN硬质层采用反应等离子喷涂法喷涂制备，所用喷涂原料为Ti/C混合粉，自蔓延反应生成TiCN硬质层。
6.根据权利要求5所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述Ti/C混合粉的制备方法为：将Ti粉和石墨粉按质量比6:1进行混合，其中Ti粉粒度为30～45μm，石墨粉粒度为1～3μm；将混合后的粉制备成浆料，然后采用喷雾造粒方法制备形成Ti/C混合粉。
7.根据权利要求5所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，所述反应等离子喷涂工艺参数为：喷涂电流为400～600A，喷涂电压为50～70V，喷涂距离为100～130mm。
8.根据权利要求1所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，涂层的总厚度为300～400μm。
9.根据权利要求8所述的一种提高Al2O3陶瓷防弹能力的涂层制备方法，其特征在于，每组复合层组中的Ni韧性层厚度为50～120μm，每组复合层组中的TiCN硬质层厚度为50～120μm。
10.采用权利要求1-9任一所述的方法制备的涂层，其特征在于，自下而上依次为Ni/Al过渡层和TiCN/Ni叠层复合涂层，所述TiCN/Ni叠层复合涂层包括至少两组依次叠加的复合层组，每组复合层组包括自下而上依次叠加的Ni韧性层和TiCN硬质层。
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