CN117107186B - 梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层及其制备方法，涉及金属镀覆技术领域。梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；基础层、过渡层和顶层均包括陶瓷和银；基础层的陶瓷含量为50‑70vol%，过渡层的陶瓷含量为30‑50vol%，顶层的陶瓷含量为5‑15vol%。其制备方法包括：对金属基体进行预处理，然后采用超速火焰喷涂技术对所述金属基体进行喷涂处理；喷涂处理的过程中，陶瓷粉和银粉同时且独立送粉。本申请提供的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，孔隙率低、结合强度高，具有高温环境稳定性和低发射率特性，实现物体高温环境下长期有效的红外隐身能力。
Description
技术领域
本申请涉及金属镀覆技术领域，尤其涉及一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层及其制备方法。
背景技术
任何物体都时刻向外界释放红外辐射，红外制导作为一种以目标物辐射的红外线为信号的主动制导技术，可对目标物体进行探测、追踪，使武器装备的生存面临非常严重的威胁。目前，在武器表面涂覆低红外发射率涂层是有效抑制物体红外辐射强度，提高其应对红外制导导弹威胁的有效措施。金属材料通常表现出较低的红外发射率特性，所以使用金属材料制备的涂层可有效实现军事物体的红外隐身能力。
其中金属银作为一种贵金属，具有耐氧化、熔点高等特点，武器的某些热端部位通常采用银制涂层来实现其红外隐身。但是，纯银涂层在超过900℃温度的服役环境中，在服役过程中会发生软化、起皱、剥落现象，无法保证长期有效的服役。
发明内容
本申请的目的在于提供一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层及其制备方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；所述基础层、所述过渡层和所述顶层均包括陶瓷和银；所述陶瓷包括CeO2、Y2O3、ZrO2、Al2O3中的一种或多种；
所述基础层的陶瓷含量为50-70vol%，所述过渡层的陶瓷含量为30-50vol%，所述顶层的陶瓷含量为5-15vol%。
优选地，所述基础层的厚度为50-150μm，所述过渡层的厚度为50-100μm，所述顶层的厚度为50-100μm。
优选地，所述陶瓷为CeO2。
本申请还提供一种所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，包括：
对金属基体进行预处理，然后采用超音速火焰喷涂技术对所述金属基体进行喷涂处理，得到所述梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层；
所述喷涂处理的过程中，陶瓷粉和银粉同时且独立送粉；
制备所述基础层时，所述银粉的送粉速率为20-25g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为30-40g/min；制备所述过渡层时，所述银粉的送粉速率为25-35g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为20-30g/min；制备所述顶层时，所述银粉的送粉速率为35-45g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为10-20g/min。
优选地，所述预处理包括依次进行的除油处理和粗化喷砂处理。
优选地，所述喷涂处理的喷枪的喷嘴至作业面的距离为300-420mm，所述喷枪的移动速度为5-20mm/s。
优选地，所述喷涂处理采用煤油作为燃料；
所述煤油的流量为15-30L/h，氧气的流量为600-950L/min。
优选地，所述送粉载气为Ar气，流量为3-7L/min。
优选地，所述银粉为球形，所述陶瓷粉为不规则形状。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，使用陶瓷材料与银制备复合涂层，可有效的抑制纯银在高温下的扩散、软化，增强涂层高温下的结合性能以及耐温性能，从而延长涂层的服役寿命。其中，在涂层底部设计高陶瓷相含量的基础层，陶瓷颗粒在金属银中均匀分布，可抑制涂层内金属银在高温下的扩散、软化、起皱，从而提高涂层与基体的高温结合稳定性；在涂层顶部设计低陶瓷相含量的顶层，利用陶瓷材料提高涂层耐温性的基础上，保证涂层表面发挥金属银的低发射率特性，在基础层和顶层中间设计陶瓷含量为30vol%-50vol%的过渡层，以实现陶瓷材料含量的平稳过渡，提高涂层的稳定性。本申请提供的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，结合强度高、高温稳定性强、孔隙率低、红外发射率低，能够满足武器装备高温下的红外隐身需求。本申请使用陶瓷材料对金属银进行增强，可有效的抑制纯银在高温下的扩散、软化，增强涂层高温下的结合性能以及耐温性能，从而提高涂层在高温环境下的稳定性与服役寿命；通过陶瓷材料在金属银中呈浓度梯度分布状态，实现涂层界面处高结合强度以及涂层在高温环境下的耐温性能。
本申请提供的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，在超音速火焰喷涂过程中，由于焰流温度无法使陶瓷材料完全熔化，陶瓷颗粒一般通过高速焰流沉积镶嵌在金属粒子之间，加之后续粒子的夯实作用，形成陶瓷分布在金属材料中的复合涂层。相对涂层孔隙率较高的等离子喷涂涂层，在喷涂过程中粒子速度更高的超音速喷涂技术制备的涂层更加致密，从而可以实现致密涂层制备，从结构上保证涂层的红外隐身能力。采用金属与陶瓷独立同时送粉工艺，在喷涂过程中实现陶瓷相在涂层中的梯度分布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为涂层截面中陶瓷含量梯度分布示意图；
图2同时独立送粉示意图；
图3为实施例制得的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的截面SEM照片。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；所述基础层、所述过渡层和所述顶层均包括陶瓷和银；所述陶瓷包括CeO2、Y2O3、ZrO2、Al2O3中的一种或多种；
所述基础层的陶瓷含量为50-70vol%，所述过渡层的陶瓷含量为30-50vol%，所述顶层的陶瓷含量为5-15vol%。
可选的，所述基础层的陶瓷含量可以为50vol%、55vol%、60vol%、65vol%、70vol%或者50-70vol%之间的任一值，所述过渡层的陶瓷含量可以为30vol%、35vol%、40vol%、45vol%、50vol%或者30-50vol%之间的任一值，所述顶层的陶瓷含量可以为5vol%、6vol%、7vol%、8vol%、9vol%、10vol%、11vol%、12vol%、13vol%、14vol%、15vol%或者5-15vol%之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述基础层的厚度为50-150μm，所述过渡层的厚度为50-100μm，所述顶层的厚度为50-100μm。
可选的，所述基础层的厚度可以为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm或者50-150μm之间的任一值，所述过渡层的厚度可以为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm 或者50-100μm之间的任一值，所述顶层的厚度可以为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm 或者50-100μm之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述陶瓷为CeO2。
本申请还提供一种所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，包括：
对金属基体进行预处理，然后采用超音速火焰喷涂技术对所述金属基体进行喷涂处理，得到所述梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层；
所述喷涂处理的过程中，陶瓷粉和银粉同时且独立送粉；
制备所述基础层时，所述银粉的送粉速率为20-25g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为30-40g/min；制备所述过渡层时，所述银粉的送粉速率为25-35g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为20-30g/min；制备所述顶层时，所述银粉的送粉速率为35-45g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为10-20g/min。
可选的，制备所述基础层时，所述银粉的送粉速率可以为20g/min、21g/min、22g/min、23g/min、24g/min、25g/min或者20-25g/min之间的任一值，所述陶瓷粉的送粉速率可以为30g/min、31g/min、32g/min、33g/min、34g/min、35g/min、36g/min、37g/min、38g/min、39g/min、40g/min或者30-40g/min之间的任一值；制备所述过渡层时，所述银粉的送粉速率可以为25g/min、26g/min、27g/min、28g/min、29g/min、30g/min、31g/min、32g/min、33g/min、34g/min、35g/min或者25-35g/min之间的任一值，所述陶瓷粉的送粉速率可以为20g/min、21g/min、22g/min、23g/min、24g/min、25g/min、26g/min、27g/min、28g/min、29g/min、30g/min或者20-30g/min之间的任一值；制备所述顶层时，所述银粉的送粉速率可以为35g/min、36g/min、37g/min、38g/min、39g/min、40g/min、41g/min、42g/min、43g/min、44g/min、45g/min或者35-45g/min之间的任一值，所述陶瓷粉的送粉速率可以为10g/min、11g/min、12g/min、13g/min、14g/min、15g/min、16g/min、17g/min、18g/min、19g/min、20g/min或者10-20g/min之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述预处理包括依次进行的除油处理和粗化喷砂处理。
在一个可选的实施方式中，所述喷涂处理的喷枪的喷嘴至作业面的距离为300-420mm，所述喷枪的移动速度为5-20mm/s。
可选的，所述喷涂处理的喷枪的喷嘴至作业面的距离可以为300mm、310mm、320mm、330mm、340mm、350mm、360mm、370mm、380mm、390mm、400mm、410mm、420mm或者300-420mm之间的任一值，所述喷枪的移动速度可以为5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s或者5-20mm/s之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述喷涂处理采用煤油作为燃料；
所述煤油的流量为15-30L/h，氧气的流量为600-950L/min。
可选的，所述煤油的流量可以为15L/h、20L/h、25L/h、30L/h或者15-30L/h之间的任一值，氧气的流量可以为600L/min、650L/min、700L/min、750L/min、800L/min、850L/min、900L/min、950L/min或者600-950L/min之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述送粉载气为Ar气，流量为3-7L/min。
在一个可选的实施方式中，所述银粉为球形，所述陶瓷粉为不规则形状。
超音速火焰喷涂过程中，由于焰流温度无法使陶瓷材料完全熔化，陶瓷颗粒一般通过高速焰流沉积镶嵌在金属粒子之间，加上后续粒子的夯实作用，形成陶瓷分布在金属材料中的复合涂层；因此多边的不规则陶瓷粉体较球形粉体可以更容易镶嵌在金属粒子之间，实现较高沉积效率的复合涂层的制备，并得到致密涂层，相同材料制备的致密涂层的红外发射率较疏松涂层的低，所以选用不规则的陶瓷粉体作为喷涂材料。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；基础层、过渡层和顶层均包括陶瓷CeO2和银；基础层的陶瓷含量高，过渡层的陶瓷含量适中，顶层的陶瓷含量低（图1为涂层截面中陶瓷含量梯度分布示意图）。
上述梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）对金属基体进行除油处理；
（2）将步骤（1）得到金属基体进行粗化喷砂处理；
（3）采用超音速火焰喷涂技术，基于CeO2与Ag独立同时送粉工艺（如图2所示），通过控制喷涂过程中Ag与CeO2送粉速率，在步骤（2）得到的金属表面制备梯度CeO2增强Ag基复合涂层，即梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层（涂层的截面SEM照片如图3所示）。
喷涂工艺参数为：
喷涂距离：360mm，煤油流量：15 L/h，氧气流量：750 L/min，送粉载气流量：7L/min，喷枪移速：10mm/s；其中喷涂基础层时金属银送粉速率：20g/min，CeO2送粉速率：40g/min，喷涂过渡层时金属银送粉速率：35g/min，CeO2送粉速率：30g/min，喷涂顶层时金属银送粉速率：45g/min，CeO2送粉速率：15g/min。
本实施例制备的涂层中CeO2陶瓷颗粒在Ag中呈梯度分布，其中涂层下部基础层CeO2含量为70 vol%，涂层中部过渡层CeO2含量为40 vol%，涂层顶层CeO2含量为10 vol%；涂层整体孔隙率<3%；涂层结合强度达28.6 MPa；涂层经过900℃空冷热震100次，涂层无软化、起皱、鼓包、剥落等缺陷产生；涂层900℃温度下3-5μm波段红外发射率为0.28。
实施例2
本实施例提供一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；基础层、过渡层和顶层均包括陶瓷ZrO2和银；基础层的陶瓷含量高，过渡层的陶瓷含量适中，顶层的陶瓷含量低。
上述梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法包括以下步骤：
（1）对金属基体进行除油处理；
（2）将步骤（1）得到金属基体进行粗化喷砂处理；
（3）采用超速火焰喷涂技术，基于ZrO2与Ag独立同时送粉工艺，通过控制喷涂过程中Ag与ZrO2送粉速率，在步骤（2）得到的金属表面制备梯度ZrO2增强Ag基复合涂层。
喷涂工艺参数为：喷涂距离：380mm，煤油流量：16L/h，氧气流量：800 L/min，送粉载气流量：6L/min，喷枪移速：10mm/s；其中喷涂基础层时金属银送粉速率：20g/min，ZrO2送粉速率：35g/min，喷涂过渡层时金属银送粉速率：35g/min，ZrO2送粉速率：25g/min，喷涂顶层时金属银送粉速率：45g/min，ZrO2送粉速率：10g/min。
本实施例制备的涂层中ZrO2陶瓷颗粒在Ag中呈梯度分布，其中涂层下部基础层ZrO2含量为65 vol%，涂层中部过渡层ZrO2含量为45 vol%，涂层顶层ZrO2含量为12 vol%；涂层整体孔隙率<3%；涂层结合强度达25.3Mpa；涂层经过900℃空冷热震100次，涂层无软化、起皱、鼓包、剥落等缺陷产生；涂层900℃温度下3-5μm波段红外发射率为0.34。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是，喷涂顶层时CeO2送粉速率为20g/min，本实施例制备的涂层中CeO2陶瓷颗粒在Ag中呈梯度分布，其中涂层顶层CeO2含量为15 vol%；涂层900℃温度下3-5μm波段红外发射率为0.32。
实施例结果表明，本申请提出一种具有优异结合强度、高温稳定性、低红外发射率的梯度陶瓷增强Ag基复合涂层的制备方法，该复合涂层中陶瓷颗粒在Ag中呈梯度分布，其中涂层下部陶瓷含量较高，中部陶瓷含量适中，上部陶瓷含量较低；涂层具有较高结合强度（大于25MPa），具有良好的高温稳定性能；在900℃温度下3-5μm波段红外发射率低于0.34。
对比例1
本对比例与实施例1的区别是，整个喷涂过程采用相同的送粉速率，其中，金属银送粉速率为45g/min，CeO2送粉速率为15g/min。该对比例制备的涂层中CeO2含量为10 vol%；涂层900℃温度下3-5μm波段红外发射率为0.28；涂层经过900℃空冷热震32次，涂层与基体结合处发生起皱现象。
对比例2
本对比例与实施例1的区别是，在喷涂过程通过控制送粉速率，制备了自下而上CeO2含量依次为低、中、高的涂层，其中涂层下部CeO2含量为10 vol%，涂层中部CeO2含量为40 vol%，涂层顶层CeO2含量为80 vol%；涂层900℃温度下3-5μm波段红外发射率为0.75；涂层经过900℃空冷热震46次，涂层与基体结合处发生起皱现象。
对比例3
本对比例中采用球形氧化锆陶瓷粉体作为原料进行喷涂，采用球形氧化锆进行喷涂时，氧化锆在涂层中的沉积效率极低，通过调节送粉速率与喷涂参数其在涂层中含量也较难超过40 vol%，且制备涂层中孔隙率大于8%，不利于涂层发挥红外隐身性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，其特征在于，包括依次层叠设置的基础层、过渡层和顶层；所述基础层、所述过渡层和所述顶层均包括陶瓷和银；所述陶瓷包括CeO2、Y2O3、ZrO2、Al2O3中的一种或多种；
所述基础层的陶瓷含量为50-70vol%，所述过渡层的陶瓷含量为30-50vol%，所述顶层的陶瓷含量为5-15vol%；所述基础层的陶瓷含量与所述过渡层的陶瓷含量不同时为50vol%。
2.根据权利要求1所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，其特征在于，所述基础层的厚度为50-150μm，所述过渡层的厚度为50-100μm，所述顶层的厚度为50-100μm。
3.根据权利要求1或2所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层，其特征在于，所述陶瓷为CeO2。
4.一种权利要求1-3任一项所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，包括：
对金属基体进行预处理，然后采用超音速火焰喷涂技术对所述金属基体进行喷涂处理，得到所述梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层；
所述喷涂处理的过程中，陶瓷粉和银粉同时且独立送粉；
制备所述基础层时，所述银粉的送粉速率为20-25g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为30-40g/min；制备所述过渡层时，所述银粉的送粉速率为25-35g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为20-30g/min；制备所述顶层时，所述银粉的送粉速率为35-45g/min，所述陶瓷粉的送粉速率为10-20g/min。
5.根据权利要求4所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，所述预处理包括依次进行的除油处理和粗化喷砂处理。
6.根据权利要求4所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂处理的喷枪的喷嘴至作业面的距离为300-420mm，所述喷枪的移动速度为5-20mm/s。
7.根据权利要求4所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂处理采用煤油作为燃料；
所述煤油的流量为15-30L/h，氧气的流量为600-950L/min。
8.根据权利要求4所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，送粉载气为Ar气，流量为3-7L/min。
9.根据权利要求4-8任一项所述的梯度陶瓷增强银基复合低红外发射率涂层的制备方法，其特征在于，所述银粉为球形，所述陶瓷粉为不规则形状。
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