CN116462996A - 一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116462996A CN116462996A CN202310419151.XA CN202310419151A CN116462996A CN 116462996 A CN116462996 A CN 116462996A CN 202310419151 A CN202310419151 A CN 202310419151A CN 116462996 A CN116462996 A CN 116462996A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- protective coating
- laser
- heat
- insulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000009413 insulation Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 title claims description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 106
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 35
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 18
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 16
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 claims description 9
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 6-oxabicyclo[3.2.1]oct-3-en-7-one Chemical compound C1C2C(=O)OC1C=CC2 TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003310 Ni-Al Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 34
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 34
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 5
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 8
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010288 cold spraying Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 239000012720 thermal barrier coating Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
- B05D1/36—Successively applying liquids or other fluent materials, e.g. without intermediate treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
- B05D3/12—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by mechanical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
- B05D7/14—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
- B05D7/50—Multilayers
- B05D7/56—Three layers or more
- B05D7/58—No clear coat specified
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
- C09D5/004—Reflecting paints; Signal paints
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
- C09J1/00—Adhesives based on inorganic constituents
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用，属于高能激光防护领域，采用由下至上依次喷涂在基材上的粘结层、隔热层和反射层的层叠结构，在反射层表层设计平行于基材表面的楔形片层结构，能够增加防护效果。同时要求楔形片层结构的厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5，利用激光在涂层片层结构中的二级及二级以上的多级反射，降低能量吸收。通过复合涂层结构与表层楔形层状结构的设计，解决目前激光防护领域出现的金属材料氧化反射率降低、烧蚀材料存在质量损失以及隔热材料隔热能力不足的问题。
Description
技术领域
本发明专利属于高能激光防护领域，具体涉及一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用。
背景技术
随着激光技术的飞速发展，激光武器逐渐进入实战应用阶段。相比于传统武器，激光武器是运用波长1.06～10.6μm(以2.7μm和3.8μm为主)，持续功率1～10MW的激光辐射能束来摧毁目标或使之失效的定向硬杀伤武器，具有攻击速度快、打击精度高、杀伤力大、抗干扰能力强的特点。激光武器的破坏形式主要有热效应破坏、力学破坏及辐射破坏，能够直接摧毁敌方的飞行器、导弹、卫星等。为了保证空天武器的战略威慑力，通过在基材表面制备激光防护涂层是主要的防护手段。
从激光入射到材料表面能量的去向，常见的防护类型主要有反射型、隔热型及烧蚀型，随着高能激光防护技术要求的不断提高，目前激光防护材料的研究还存在一些不足。以金属材料为主的反射型防护，如Al、Cu、Ag等，具有超高的反射率，但是普遍存在熔点低、高温易氧化的特点，金属氧化物大大降低反射率，进而限制金属材料在反射型激光防护的应用；以聚四氟乙烯、C/C复合材料、纤维增强酚醛树脂基复合材料等有机材料为主的烧蚀型防护，按照烧蚀机理分为升华型、熔化型和碳化型三类，在消耗激光能量的同时存在着明显的质量损失，使用周期大大缩短；以热障涂层为主的隔热型防护，利用材料的低热导率降低激光能量的纵向传递，但防护能力有限，强激光长时间作用下涂层局部烧蚀破坏。激光高功率长时间辐照，能量的沉积逐步降低单一涂层的防护效果，造成如金属反射层氧化反射率降低、烧蚀层质量损失、隔热层隔热能力不足等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用，通过复合涂层结构与表层楔形层状结构的设计，解决目前激光防护领域出现的金属材料氧化反射率降低、烧蚀材料存在质量损失以及隔热材料隔热能力不足的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种高反射高隔热激光防护涂层，沿远离基材表面方向，包括由下至上依次层叠设置的粘结层、隔热层和反射层；
所述隔热层采用低热导率为0.4～1.3W/(m·K)的陶瓷涂层；
所述反射层采用反射率不低于70％的陶瓷涂层，且反射层表层结构为平行于基材表面的楔形片层结构，楔形片层结构的厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5。
优选地，所述粘结层的材料为Ni-Al自粘结粉末、Ni-Mo-Al、Ni CrAlY、Co CrAlY、NiCoCrAlY、Cu合金、Zn合金、Ti合金和Al合金粉末中的一种。
优选地，所述隔热层的材料为低热导率的YSZ、YGYZ、La 2Zr2O7、Nd2Zr2O7、Gd2Zr2O7、La 2Ce2O7、Y2Ce2O7、Sm2Ce2O7、Dy3NbO7、Lu3NbO7和Yb3NbO7中的一种。
优选地，所述反射层的材料ReTaO4、ReScO3、Re2Hf2O7或Ba2SmTaO6，其中Re表示稀土元素Eu、Sm或Dy。
优选地，所述的粘结层的热膨胀系数介于基材的热膨胀系数与所述隔热层热膨胀系数之间。
优选地，该高反射高隔热激光防护涂层的厚度在200μm～1000μm之间。
进一步优选地，所述粘结层的厚度取值范围在50～300μm之间。
进一步优选地，所述隔热层的厚度取值范围在50～600μm之间。
进一步优选地，所述反射层的厚度取值范围在50～500μm之间。
本发明还公开了上述的高反射高隔热激光防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)在基材表面喷涂粘结层；
2)在基体表面上的粘结层表面喷涂陶瓷隔热层；
3)在喷涂的陶瓷隔热层表面喷涂反射层；
4)在反射层表面进行磨抛处理，去除喷涂表面凸起，在反射层表面形成楔形层状结构，反射层表面粗糙度小于Ra0.9。
优选地，所述基材采用金属基材，喷涂粘结层之前先对其进行清洗、粗糙化处理，去除氧化层，使表面粗糙度Ra值达到1μm-30μm。
本发明还公开了上述的高反射高隔热激光防护涂层在制备激光武器防护涂层材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的高反射高隔热激光防护涂层，采用由下至上依次喷涂在基材上的粘结层、隔热层和反射层的层叠结构，粘结层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，能够抑制因热膨胀不匹配较大导致涂层脱落的现象发生，提供一个较强的结合界面，增强涂层体系的结合强度，提供环境屏障，抑制基体氧化或腐蚀损伤；隔热层采用低导热隔热材料，降低能量的纵向传递；反射层采用高反射率且耐高温稳定性好的金属涂层或陶瓷涂层，综合利用反射与热障原理降低基材的热响应，提升防护效果。特别地，在反射层表层设计平行于基材表面的楔形片层结构，能够增加防护效果。同时要求楔形片层结构的厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5，利用激光在涂层片层结构中的二级及二级以上的多级反射，降低能量吸收。可见，本发明通过复合涂层结构与表层楔形层状结构的设计，能够有效提升防护效果和隔热能力，从而解决目前激光防护领域出现的金属材料氧化反射率降低、烧蚀材料存在质量损失以及隔热材料隔热能力不足的问题。
本发明公开的上述高反射高隔热激光防护涂层方法，采用等离子喷涂制备涂层具有高隔热的层状多孔结构，表面反射层制备的层状结构，结合表面磨抛处理(磨抛的过程是先去除喷涂表面形成的球状、饼状与馒头状凸起，减少漫反射，缺陷都被磨抛掉之后，随着磨抛进行会出现楔形层状结构)，制备楔形层状结构，提供更多反射界面，降低激光能量的输入，有效保护基体。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高反射高隔热激光防护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反射高隔热激光防护涂层制备方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的高反射高隔热激光防护涂层反射层特有的楔形层状结构示意图；
图4为本发明实施例提供的高反射高隔热激光防护涂层楔形层状结构形成能量吸收减少百分比。
其中：100-金属基材；200-粘结层；300-隔热层；400-反射层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明提供的一种高反射高隔热激光防护涂层结构，远离基材表面方向，包括由下至上依次层叠金属基材100、粘结层200、隔热层300和反射层400；
粘结层200用于缓解陶瓷涂层与基体的热膨胀差异、提高陶瓷涂层结合强度，延长涂层的服役寿命；
隔热层300是低热导率为0.4～1.3W/(m·K)的陶瓷涂层；
反射层400是反射率不低于70％的陶瓷涂层；
反射层400表层结构为平行于涂层表面的楔形片层结构，楔形厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5，利用激光在涂层片层结构中的二级及二级以上的多级反射，降低能量吸收。
进一步的，根据基体材料的不同，粘结层200的材料为Ni-Al自粘结粉末、Ni-Mo-Al、M(Ni、Co、NiCr)CrAlY、Cu合金、Zn合金、Ti合金、Al合金粉末中的一种。
进一步的，隔热层300的材料为低热导率的YSZ、YGYZ、M(La、Nd、Gd)2Zr2O7、M(La、Y、Sm)2Ce2O7、M(Dy、Lu、Yb)3NbO7中的一种。
进一步的，反射层400的材料为ReTaO4、ReScO3、Re2Hf2O7、Ba2SmTaO6高反射且耐高温稳定的新型陶瓷材料中的一种，其中Re表示稀土元素Eu、Sm、Dy。
进一步的，反射层400陶瓷材料在服役温度下不发生相变、分解反应。
本发明的一个实施例中，采用上述组合方式，形成高反射高隔热激光防护涂层结构，粘结层200、隔热层300、反射层400由下至上依次喷涂在金属基材100上。
粘结层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，抑制因热膨胀不匹配较大导致涂层脱落。同时，提供一个较强的结合界面与环境屏障，增强涂层体系的结合强度，抑制基体氧化或腐蚀损伤。在本实施例中，粘结层200的材料采用NiCoCrAlTaY合金粉末，成分为Ni-23Co-20Cr-8.5Al-5.0Ta-0.6Y。隔热层300采用低热导率材料，降低激光能量的纵向传递。在本实施例中，隔热层300的材料采用强韧性YSZ。反射层400采用高反射率且耐高温稳定性好的SmTaO4，通过稀土元素在禁带的分布，提升电子跃迁几率，进一步提升反射率；同时，利用稀土钽酸盐自身的铁弹性机理增强其韧性，力学性能良好。本发明采用上述多层复合结构，综合利用反射与热障原理综合实现强激光的防护。
进一步的，粘结层200的厚度取值范围在50～300μm之间；
隔热层300的厚度取值范围在50～600μm之间；
反射层400的厚度取值范围在50～500μm之间。
在本实施例中，粘结层200的厚度取值为0.15mm，隔热层300的厚度取值为0.4mm，反射层400的厚度取值为0.1mm。
如图2所示，本发明还提供一种高反射高隔热激光防护涂层的制备方法，采用等离子喷涂工艺进行涂层制备，等离子喷涂是使用等离子焰流将待喷涂粉末加热至熔融或半熔融状态，高速撞击工件表面，经过扁平化、冷却得到层状涂层的方法。等离子喷涂制备的涂层是一种具有横向层间孔隙和纵向裂纹的层状堆叠多孔隙结构。包括如下步骤：
步骤一、处理金属基材：对金属基材的待喷涂表面进行清洗，并对该表面进行粗糙化处理，去除氧化层，使表面粗糙度达到1μm-30μm。本实施例中，金属基材100采用航空铝合金7075，对金属基材100表面进行喷砂处理，喷砂压力的取值范围在0.6MPa～0.7MPa之间，在本实例中，喷砂压力值为0.6MPa，喷砂距离的取值范围在60mm～80mm之间，在本实例中，喷砂距离为80mm，砂子的颗粒度的取值为24目-46目，在本实施例中，砂子的颗粒度为46目；
步骤二、喷涂粘结层：在金属基材100的表面喷涂粘结层200，在本实施例中，使用超音速火焰喷涂制备粘结层200，超音速火焰喷涂是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气与空气或者氧气在特殊的拉瓦尔型喷嘴中燃烧产生的高温、高速火焰来加热、加速喷涂粒子从而实现涂层沉积的一种技术。相比于等离子喷涂，超音速火焰喷涂制备粘结层200具有更高的涂层致密度与结合强度。粘结层200的材料采用NiCoCrAlTaY合金粉末，成分为Ni-23Co-20Cr-8.5Al-5.0Ta-0.6Y，粒度分布在10μm～40μm之间，主要用于缓解金属基材100与隔热层300热膨胀系数匹配问题，延长涂层整体服役寿命。
喷涂时，送粉量的取值范围在60g/min-80g/min之间，本实施例中送粉量为70g/min，喷涂距离的取值范围在350mm-400mm之间，本实施例中喷涂距离为380mm，煤油流量为5.5GPH，氧气流量为1800GPH，送粉器气体为13SLM，喷涂速度为1000mm/s，喷涂厚度的取值为150μm。
步骤三、喷涂隔热层：在粘结层200的表面使用等离子喷涂低热导率材料制备隔热层300。隔热层主要利用材料的低热导率降低激光能量的纵向传递保护基体，喷涂常用低热导率材料有YSZ、YGYZ、M(La、Nd、Gd)2Zr2O7、M(La、Y、Sm)2Ce2O7、M(Dy、Lu、Yb)3NbO7，考虑到实际服役环境产生较大热应力，本实施例选用的热导率且强韧性的YSZ，颗粒粒径分布在40um～80um之间。
喷涂时，送粉速度的取值范围在2.5r/min-3r/min之间，喷涂功率的取值范围在35kw-42kw之间，喷涂速度取值范围在600mm/s-800mm/s之间，喷涂距离的取值范围在80mm-110mm之间，本实施例中，送粉速度为3r/min，喷涂功率为42kw，喷涂速度为600mm/s，喷涂距离为100mm，氩气流量为50SLM，氢气流量为7SLM，隔热层300厚度为400μm。
步骤四、喷涂反射层：在隔热层300的表面使用等离子喷涂高反射率且耐高温稳定的新型陶瓷材料制备反射层400。反射层主要利用其近似金属的反射率反射绝大半部分激光能量，降低能量输入。常用高反射材料有ReTaO4、ReScO3、Re2Hf2O7(Re：Eu，Sm，Dy)、Ba2SmTaO6，本实施例选用高反射率且耐高温稳定的SmTaO4，颗粒粒径分布在40um～80um之间。
喷涂时，送粉速度的取值范围在2.5r/min-3r/min之间，喷涂功率的取值范围在35kw-42kw之间，喷涂速度取值范围在600mm/s-800mm/s之间，喷涂距离的取值范围在80mm-110mm之间，本实施例中，送粉速度为3r/min，喷涂功率为39kw，喷涂速度为600mm/s，喷涂距离为80mm，氩气流量为45SLM，氢气流量为7SLM，反射层厚度为100μm。
步骤五、表面磨抛处理：在所述反射层400表面进行磨抛处理，用于去除喷涂表面形成的球状、饼状、馒头状凸起，减少漫反射。经过磨抛，反射层400表层结构为平行于涂层表面的楔形片层结构，如图3所示，楔形厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5，利用激光在涂层片层结构中的二级及二级以上的多级反射，降低能量吸收。
在所述反射层400表面使用自动磨抛机进行磨抛处理，研磨时，磨盘转速为300r/min，SiC砂纸依次使用#400、#800、#1000、#2000，压力15N,时间为30s，同向转动；抛光时，转速为200r/min，使用无毛抛光布，压力15N,时间为180s，反向转动，以形成楔形层状结构，楔形层状机构主要通过提供反射界面进一步提升涂层反射能力，通过以下公式计算该结构对能量的降低效果，以η表示楔形层状结构形成的能量吸收减少百分比。
该激光防护涂层体系除利用表层材料的高反射之外，引入的楔形层状结构提供更多的反射界面，进一步提升整个涂层体系的反射率，降低基体的能量吸收，通过计算，楔形厚度d与吸收系数α的乘积与能量吸收减少百分比的关系图如图4所示，即当d＝1/α时，能量吸收减少百分比约为2.5％；通过对图4曲线进行拟合，结合楔形的厚度分布特征，楔形层状结构能够进一步降低约6％-10％的能量。
进一步的，步骤二中，制备方式采用超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂、冷喷涂中的任意一种。
进一步的，步骤四与步骤五中，制备方式采用大气等离子喷涂。
进一步的，步骤六中，工程应用可以使用金刚石砂带或砂纸或软性砂轮进行磨削。
本发明的上述制备方法，依次采用处理金属基材、喷涂粘结层、预氧化处理、喷涂隔热层、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。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，沿远离基材表面方向，包括由下至上依次层叠设置的粘结层、隔热层和反射层；
所述隔热层采用低热导率为0.4～1.3W/(m·K)的陶瓷涂层；
所述反射层采用反射率不低于70％的陶瓷涂层，且反射层表层结构为平行于基材表面的楔形片层结构，楔形片层结构的厚度与激光趋肤深度的比值不超过2.5。
2.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，所述粘结层的材料为Ni-Al自粘结粉末、Ni-Mo-Al、Ni CrAlY、Co CrAlY、NiCoCrAlY、Cu合金、Zn合金、Ti合金和Al合金粉末中的一种。
3.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，所述隔热层的材料为低热导率的YSZ、YGYZ、La 2Zr2O7、Nd2Zr2O7、Gd 2Zr2O7、La2Ce2O7、Y2Ce2O7、Sm2Ce2O7、Dy3NbO7、Lu3NbO7和Yb3NbO7中的一种。
4.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，所述反射层的材料为ReTaO4、ReScO3、Re2Hf2O7或Ba2SmTaO6，其中Re表示稀土元素Eu、Sm或Dy。
5.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，所述的粘结层的热膨胀系数介于基材的热膨胀系数与所述隔热层热膨胀系数之间。
6.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，所述粘结层的厚度取值范围在50～300μm之间；所述隔热层的厚度取值范围在50～600μm之间；所述反射层的厚度取值范围在50～500μm之间。
7.根据权利要求1所述的高反射高隔热激光防护涂层，其特征在于，该高反射高隔热激光防护涂层的厚度在200μm～1000μm之间。
8.权利要求1～7中任意一项所述的高反射高隔热激光防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在基材表面喷涂粘结层；
2)在基体表面上的粘结层表面喷涂陶瓷隔热层；
3)在喷涂的陶瓷隔热层表面喷涂反射层；
4)在反射层表面进行磨抛处理，去除喷涂表面凸起，在反射层表面形成楔形层状结构，反射层表面粗糙度小于Ra0.9。
9.根据权利要求8所述的高反射高隔热激光防护涂层的制备方法，其特征在于，所述基材采用金属基材，喷涂粘结层之前先对其进行清洗、粗糙化处理，去除氧化层，使表面粗糙度Ra值达到1μm-30μm。
10.权利要求1～7中任意一项所述的高反射高隔热激光防护涂层在制备激光武器防护涂层材料中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310419151.XA CN116462996A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310419151.XA CN116462996A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116462996A true CN116462996A (zh) | 2023-07-21 |
Family
ID=87183845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310419151.XA Pending CN116462996A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116462996A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3951721A (en) * | 1971-04-21 | 1976-04-20 | Hitachi, Ltd. | Method of forming a mechanically strong reflective surface |
| JPH03112636A (ja) * | 1989-09-27 | 1991-05-14 | Baruun Buero Kk | 化粧鋼板及びその製造方法 |
| CN109487195A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-19 | 昆明理工大学 | 一种超极限铁合金及其制备方法 |
| CN113549862A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-26 | 北京理工大学 | 一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法 |
-
2023
- 2023-04-18 CN CN202310419151.XA patent/CN116462996A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3951721A (en) * | 1971-04-21 | 1976-04-20 | Hitachi, Ltd. | Method of forming a mechanically strong reflective surface |
| JPH03112636A (ja) * | 1989-09-27 | 1991-05-14 | Baruun Buero Kk | 化粧鋼板及びその製造方法 |
| CN109487195A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-19 | 昆明理工大学 | 一种超极限铁合金及其制备方法 |
| CN113549862A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-26 | 北京理工大学 | 一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108060384B (zh) | 一种双陶瓷层热障涂层体系及其复合制备工艺 | |
| US6679157B2 (en) | Lightweight armor system and process for producing the same | |
| CN111593341B (zh) | 一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法 | |
| CN104451655A (zh) | 抗高温材料用表面合金涂层复合材料、涂层及其制备方法 | |
| CN103668191A (zh) | 一种热障涂层的制备方法 | |
| CN109930102B (zh) | 一种新型热障涂层制备工艺 | |
| CN113151772A (zh) | 一种新型高温耐蚀的双陶瓷层结构热障涂层及其制备方法 | |
| JP7242867B2 (ja) | 超合金及びその製造方法 | |
| CN111004990A (zh) | 用于热障涂层抗熔融cmas腐蚀的max相涂层及热喷涂制备方法 | |
| CN108715987B (zh) | 一种提高热障涂层结合强度的方法 | |
| CN113549862B (zh) | 一种高能激光防护多层复合材料涂层结构及其制造方法 | |
| CN103911620A (zh) | 一种抗热冲击金属基涂层的制备方法 | |
| CN109457210A (zh) | 一种耐高温低发射率涂层及其制备方法 | |
| CN110863167A (zh) | 一种铌钨合金超高温抗氧化涂层结构及其制备方法 | |
| CN110453171B (zh) | 一种非晶涂层、具有该涂层的基体及其制备工艺 | |
| CN101294284A (zh) | 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法 | |
| CN109023203B (zh) | 稳定结晶态六铝酸盐热障涂层的制备方法 | |
| CN102776512B (zh) | 一种梯度热障涂层的制备方法 | |
| CN116462996A (zh) | 一种高反射高隔热激光防护涂层及其制备方法和应用 | |
| Li et al. | Preparation, modification and characterization of plasma sprayed graphite/SiO2 powder and related coating | |
| CN109536870B (zh) | 一种激光防护涂层及其制备方法 | |
| CN113529065A (zh) | 一种基于冷喷涂高速沉积增材制造技术制备金属铱涂层的方法及装置 | |
| CN114807822A (zh) | 延缓界面tgo生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺 | |
| CN113996783A (zh) | 裂纹愈合热障涂层粉体材料的制备方法 | |
| CN105349817A (zh) | 一种复合材料的制备工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |