CN115874173A

CN115874173A - 一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN115874173A
Application number: CN202211478624.5A
Authority: CN
Inventors: 刘光; 王晓霞; 陈秀勇; 崔烺; 陈杰; 贾利; 郝恩康; 王守勇; 李华
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-31

Abstract

本发明公开了一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层及其制备方法，利用激光刻蚀工艺对陶瓷表面进行有效粗化，利用冷喷涂技术在经粗化的陶瓷表面沉积金属涂层，制备出复合陶瓷装甲样件。优点：(1)利用激光刻蚀工艺对陶瓷表面进行织构化，表面粗糙度(Ra)可控，达到20.5～23.9μm，提高了金属涂层与陶瓷基体的结合强度(为20～23Mpa)，解决了陶瓷表面不易粗化、不易喷涂的难题；(2)冷喷涂金属涂层结构致密，内聚强度达到97～113MPa，有利于约束裂纹扩展；(3)冷喷涂操作简单，获得的复合陶瓷装甲防多发弹性能优异，受8发弹后未被击穿，且复合陶瓷装甲增重仅为原重量的4.127％，符合装备轻量化要求。

Description

一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层及其制备方法。

背景技术

高强度陶瓷外壳是航空、航天、兵器等装备中防弹装甲的重要组成部分，陶瓷外壳的防弹机制主要体现在两方面：一方面，陶瓷的高硬度使子弹弹头变形而转向；另一方面，陶瓷通过局部破碎和粉化吸收子弹动能。目前，我国防弹装甲防单发弹性能较好，但防多发弹性能较差，其主要是由于装甲整体韧性较差，首发弹着弹时，陶瓷裂纹过度扩展，导致陶瓷靶面破碎严重，无法对后续子弹提供防护。

从目前的公开报道来看，通常采用将多块陶瓷模块拼接的方式制备防多发弹陶瓷装甲，如专利号为202023227593.5的中国专利《一种防多发弹的嵌套整板式陶瓷复合板》，是将陶瓷模块化，拼接成嵌套式结构，胶粘后热压成整板的外形，再将其与PE或芳纶背板再次热压形成一体式结构，该专利获得的复合板具有防多发弹的性能。然而，模块拼接法需要分别单独制备陶瓷模块，生产效率低，不利于批量生产。且模块拼接配合处的凹槽和凸起处模具设计复杂，成本高，维修复杂。

利用冷喷涂技术在陶瓷表面制备金属涂层，可在不影响防弹装甲核心强度、粉化特性、防弹性能的同时，抑制着弹点外围裂纹的扩展，保持未着弹区域的完整性，进而提升防弹装甲的防多发弹性能。然而，陶瓷材料硬度高、脆性大，采用传统喷砂方法难以对其进行有效粗化，导致金属涂层难以沉积。因此，选择合理的粗化方式是在陶瓷表面获得较高结合强度金属涂层的重点和难点。本发明利用激光刻蚀工艺使陶瓷表面吸收激光能量，局部区域发生汽化，形成织构化表面，从而提高金属涂层与陶瓷基体之间的结合强度，增强涂层的裂纹约束能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层及其制备方法，制备的金属涂层具有结合好、内聚强度高的特点，能有效约束陶瓷表面裂纹扩展，提高陶瓷装甲防多发弹性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的金属涂层，其特征在于在陶瓷装甲的表面进行激光刻蚀的粗化处理后再采用冷喷涂方法形成的金属涂层。

作为优选，所述陶瓷选用氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷的一种；进一步所述陶瓷材料选用Si₃N₄、SiC、Al₂O₃的一种。

作为优选，所述金属涂层材料选用铝、铜的一种，粉末粒径范围为8～48μm，金属涂层厚度为100～300μm。

作为优选，所述粗化处理后粗化形貌深度为80～100μm，直径为0.1～0.3μm，间距为0.1～0.3μm，表面粗糙度Ra为15～25μm。

一种上述提高陶瓷装甲防多发弹性能的金属涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对陶瓷表面进行除油、干燥处理；

2)对陶瓷表面进行激光刻蚀的粗化处理；

3)采用冷喷涂技术在经步骤1)和2)处理的陶瓷表面沉积金属涂层。

作为优选，所述步骤1)的陶瓷材料选用氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷的一种，进一步优选，所述陶瓷材料选用Si₃N₄、SiC、Al₂O₃的一种。

作为优选，所述步骤2)的粗化方法中激光刻蚀，工艺参数为：激光功率30～80W，扫描速度1000～3000mm/s，光斑直径50～80μm，激光重复频率15～30kHz。

作为优选，所述步骤2)的粗化形貌深度为80～100μm，直径为0.1～0.3μm，间距为0.1～0.3μm，表面粗糙度Ra为15～25μm。

作为优选，所述步骤3)沉积金属涂层的冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力2～4MPa，温度200～300℃，送粉率15～25g/min，喷枪移动速度15～25mm/s，喷涂距离15～25mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、利用激光刻蚀工艺对陶瓷表面进行织构化，表面粗糙度(Ra)可控，达到20.5～23.9μm，提高了金属涂层与陶瓷基体的结合强度(为20～23Mpa)，解决了陶瓷表面不易粗化、不易喷涂的难题；

2、冷喷涂金属涂层结构致密，内聚强度达到97～113MPa，有利于约束裂纹扩展；

3、冷喷涂操作简单，获得的复合陶瓷装甲防多发弹性能优异，受8发弹后未被击穿，且复合陶瓷装甲增重仅为原重量的4.127％，符合装备轻量化要求。

附图说明

图1为实施例1中陶瓷表面激光刻蚀后的形貌及轮廓；

图2为实施例1中陶瓷表面冷喷涂铝涂层样件的表面宏观形貌及掰断面微观形貌；

图3为实施例1中无涂层的陶瓷装甲靶试试验结果；

图4为实施例1中冷喷涂铝涂层复合陶瓷装甲靶试试验结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

a)对Si₃N₄陶瓷表面进行除油、干燥处理；

b)采用激光刻蚀工艺对经步骤a)处理的Si₃N₄陶瓷表面进行粗化处理；具体工艺参数为：激光功率80W，扫描速度3000mm/s，光斑直径80μm，激光重复频率30kHz。

c)采用冷喷涂技术在经步骤a)和b)处理的Si₃N₄陶瓷表面沉积Al涂层，所用的Al粉粒度范围为8～48μm，获得的涂层厚度为300μm。冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力2.5MPa，温度250℃，送粉率20g/min，喷枪移动速度20mm/s，喷涂距离18mm。

对该实施例制备的试样及样件进行性能测试。

图1为Si₃N₄陶瓷表面激光刻蚀后的形貌及轮廓，形貌深度为80～100μm，直径为0.1～0.3μm，间距为0.1～0.3μm，表面粗糙度Ra可以达到20.5μm，与Si₃N₄陶瓷原始表面(Ra＝1.55μm)及喷砂粗化表面(Ra＝4.56μm)相比，粗糙度有明显提高，有助于提高涂层结合强度。

表1为冷喷涂铝涂层的内聚强度及其与Si₃N₄陶瓷基体的结合强度，表明冷喷涂技术在Si₃N₄陶瓷基体表面制备的Al涂层具有优良的力学性能。

表1冷喷涂铝涂层内聚强度及其与基体结合强度

图2为Si₃N₄陶瓷表面冷喷涂铝涂层样件的表面宏观形貌及掰断面微观形貌，涂层均匀致密，无明显孔隙。

对冷喷涂Al涂层的陶瓷进行封装，用95式5.8mm普通弹在自然环境下开展靶试试验，并与无涂层的陶瓷装甲进行对比。图3为无涂层的陶瓷装甲靶试试验结果，5号位、7号位均被击穿。图4为冷喷涂Al涂层复合陶瓷装甲靶试试验结果，经8发实弹试验后未被击穿。表明经冷喷涂Al涂层后，有效提高了复合陶瓷装甲防多发弹性能。通过称重计算，冷喷涂后样件增重4.127％，满足轻量化要求。

实施例2

a)对SiC陶瓷表面进行除油、干燥处理；

b)采用激光刻蚀工艺对经步骤a)处理的SiC陶瓷表面进行粗化处理；具体工艺参数为：激光功率60W，扫描速度2000mm/s，光斑直径70μm，激光重复频率25kHz。

c)采用冷喷涂技术在经步骤a)和b)处理的SiC陶瓷表面沉积Al涂层，所用的Al粉粒度范围为8～48μm，获得的涂层厚度为250μm。冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力3MPa，温度300℃，送粉率20g/min，喷枪移动速度25mm/s，喷涂距离20mm。

对该实施例制备的试样及样件进行性能测试。涂层形貌结构、内聚强度、涂层与基体的结合强度、防弹性能与实例1类似。

实施例3

a)对Al₂O₃陶瓷表面进行除油、干燥处理；

b)采用激光刻蚀工艺对经步骤a)处理的Al₂O₃陶瓷表面进行粗化处理；具体工艺参数为：激光功率40W，扫描速度1800mm/s，光斑直径65μm，激光重复频率20kHz。

c)采用冷喷涂技术在经步骤a)和b)处理的Al₂O₃陶瓷表面沉积Al涂层，所用的Al粉粒度范围为8～48μm，获得的涂层厚度为280μm。冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力3.5MPa，温度280℃，送粉率18g/min，喷枪移动速度22mm/s，喷涂距离18mm。

实施例4

a)对SiC陶瓷表面进行除油、干燥处理；

b)采用激光刻蚀工艺对经步骤a)处理的SiC陶瓷表面进行粗化处理；具体工艺参数为：激光功率70W，扫描速度2500mm/s，光斑直径80μm，激光重复频率25kHz。

c)采用冷喷涂技术在经步骤a)和b)处理的SiC陶瓷表面沉积Cu涂层，所用的Cu粉粒度范围为10～45μm，获得的涂层厚度为200μm。冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力2.5MPa，温度250℃，送粉率18g/min，喷枪移动速度20mm/s，喷涂距离18mm。

Claims

1.一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层，其特征在于在陶瓷装甲的表面进行激光刻蚀的粗化处理后再采用冷喷涂方法形成的金属涂层。

2.根据权利要求1所述的金属涂层，其特征在于所述陶瓷选用氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷的一种。

3.根据权利要求1所述的金属涂层，其特征在于所述金属涂层材料选用铝、铜的一种，粉末粒径范围为8～48μm，金属涂层厚度为100～300μm。

4.根据权利要求1所述的金属涂层，其特征在于所述粗化处理后粗化形貌深度为80～100μm，直径为0.1～0.3μm，间距为0.1～0.3μm，表面粗糙度Ra为15～25μm。

5.一种提高陶瓷装甲防多发弹性能的冷喷涂金属涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对陶瓷表面进行除油、干燥处理；

2)对陶瓷表面进行激光刻蚀的粗化处理；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的陶瓷材料选用氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷的一种；进一步所述陶瓷材料选用Si₃N₄、SiC、Al₂O₃的一种。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述金属涂层材料选用铝、铜的一种，粉末粒径范围为8～48μm，金属涂层厚度为100～300μm。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的粗化处理中激光刻蚀，工艺参数为：激光功率30～80W，扫描速度1000～3000mm/s，光斑直径50～80μm，激光重复频率15～30kHz。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的粗化形貌深度为80～100μm，直径为0.1～0.3μm，间距为0.1～0.3μm，表面粗糙度Ra为15～25μm。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)沉积金属涂层的冷喷涂工艺参数为：载气为N₂，气体压力2～4MPa，温度200～300℃，送粉率15～25g/min，喷枪移动速度15～25mm/s，喷涂距离15～25mm。