耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層、帶涂層的金屬合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功能涂層及其復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低紅外發(fā)射率復(fù)合涂 層、金屬合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測器對(duì)目標(biāo)在3 y m~5 y m (高溫）和8 y m~14 y m (常溫）波段的紅外 信號(hào)進(jìn)行收集，再利用目標(biāo)與背景的紅外輻射能量差異通過成像來識(shí)別目標(biāo)。根據(jù)紅外輻 射能量差異計(jì)算公式：AW = 〇 egT目4_〇 ea#T背4,式中，為目標(biāo)的紅外發(fā)射率，￡背 為背景的紅外發(fā)射率，Tg為目標(biāo)的表面溫度，T胃為背景溫度。通常，由于發(fā)熱等原因，目標(biāo) 的表面溫度會(huì)高于背景的溫度，因此，降低目標(biāo)表面溫度、在高溫部件上制備低發(fā)射率（e g)涂層是降低目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度差異的有效手段。
[0003] 隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，飛行器的飛行速度越來越快，從亞音速到音速再 到超音速甚至超高音速，導(dǎo)致飛行器在飛行時(shí)，流經(jīng)飛行器表面的氣流由于摩擦等原因受 到阻滯，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽a(chǎn)生氣動(dòng)加熱現(xiàn)象，使飛行器表面溫度急劇升高，產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅 外輻射特征，因此，控制飛行器表面包括一些熱端部件的紅外輻射成為飛行器設(shè)計(jì)和制備 的一個(gè)趨勢，而作為控制紅外輻射最常用的低發(fā)射率涂層技術(shù)，其涂層的耐高溫性能成為 研宄人員迫切需要解決的問題。
[0004] 低發(fā)射率涂層一般由粘結(jié)劑和低發(fā)射率填料組成，分為有機(jī)體系和無機(jī)體系兩 類。有機(jī)體系的低發(fā)射率涂層使用溫度不高，使用溫度一般不超過400°c，因此不適合在 高速飛行器苛刻的環(huán)境下使用。無機(jī)體系的低發(fā)射率涂層使用溫區(qū)較高，其耐溫性甚至可 以超過1000°C，但是，目前大部分無機(jī)體系的低發(fā)射率涂層在高溫環(huán)境下的使用效果并不 理想。造成以上問題的主要原因有：第一、多數(shù)低發(fā)射率填料在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定，容 易發(fā)生迀移現(xiàn)象；第二、飛行器用的金屬或合金材料在高溫下容易往表面紅外涂層擴(kuò)散，從 而導(dǎo)致涂層性能惡化；第三、涂層和基底材料（如航空用合金材料）間的熱膨脹系數(shù)相差 較大，產(chǎn)生熱失配，從而導(dǎo)致涂層的粘附力較差，容易脫落；第四，現(xiàn)有采用的金屬材料例如 Au、Pt等價(jià)格昂貴，成本較高；第五，現(xiàn)有某些涂層的制備工藝往往需要在較苛刻的環(huán)境下 進(jìn)行（如磁控濺射需要在真空環(huán)境），不僅設(shè)備要求高，而且不適合成型制備異形復(fù)雜構(gòu) 件。
[0005] 綜上所述，隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度、低紅外發(fā)射率 涂層的需求日益迫切。因此，設(shè)計(jì)一種具有使用溫度高、結(jié)合強(qiáng)度高、發(fā)射率低且性能穩(wěn)定 的新型涂層，將具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一 種可用于金屬合金材料上、并能在高溫環(huán)境下使用、可有效降低高溫部件紅外輻射、同時(shí)性 能穩(wěn)定、成本低的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，還相應(yīng)提供涂覆有前述低 紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的金屬合金材料，還相應(yīng)提供一種工藝簡單、操作容易、產(chǎn)品性能優(yōu)異 的前述金屬合金材料的制備方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅 外發(fā)射率復(fù)合涂層，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層為多層疊加結(jié)構(gòu)，所述多層疊加結(jié)構(gòu)由 內(nèi)往外依次包括金屬黏結(jié)層、陶瓷過渡層以及低發(fā)射率功能層，其中，所述金屬黏結(jié)層為 NiCrAlY等離子噴涂層，所述陶瓷過渡層為Zr0 2等離子噴涂層，所述低發(fā)射率功能層為含 AgPd合金的Zr02-Al20 3-Si02系玻璃涂層。所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的各層間是以機(jī)械 結(jié)合或化學(xué)鍵合方式連接。
[0008] 上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，優(yōu)選的：所述金屬黏結(jié)層的厚度控制為50~ 150 ym，所述陶瓷過渡層的厚度控制為50~100 ym。
[0009] 上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，優(yōu)選的：所述含AgPd合金的Zr02-Al 203-Si02* 玻璃涂層中，Zr02-Al 203-Si02*玻璃相、金屬Ag和金屬Pd的質(zhì)量比為（15~20) : (50~ 65) : (20~35)。更優(yōu)選的：所述Zr02-Al203-Si02*玻璃相中各組分原料的質(zhì)量百分比 分別為：Zr0 240%~60%;A120310%~25%;Si0215%~25%;CaO 2%~5%;MgO 1%~ 5% ;和 B2031 %~6%〇
[0010] 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種涂覆有上述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的 金屬合金材料，包括金屬合金基體和涂覆在金屬合金基體上的所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂 層，所述金屬合金材料的表面粗糙度Ra小于2. 0 ym，低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度超 過lOMPa，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的耐受溫度在1000 °C以上，在3~5 ym波段的平均 紅外發(fā)射率小于〇. 3 (更優(yōu)選小于0. 2)。
[0011] 上述本發(fā)明的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層及其金屬合金材料的設(shè)計(jì)主要基于以下原 理：首先，該低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的熱膨脹系數(shù)由內(nèi)向外依次遞減，這減弱了各層間的熱 失配，保證了低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的高結(jié)合強(qiáng)度；第二，根據(jù)紅外物理原理，低紅外發(fā)射 率復(fù)合涂層中，控制紅外輻射主要依賴于最外層的低發(fā)射率功能層；本發(fā)明的低發(fā)射率功 能層采用Zr0 2-Al203-Si02*玻璃為粘結(jié)劑，金屬Ag和金屬Pd為低發(fā)射率填料，作為粘結(jié) 劑的Zr0 2-Al203-Si02系玻璃，其耐溫性和抗氧化性很好，可以保證涂層在較高溫度下服役 而不失效；作為填料的金屬Ag和金屬Pd，在燒結(jié)過程中會(huì)形成連續(xù)固溶體合金，即燒結(jié)后 的涂層中金屬Ag和金屬Pd是以合金的形式存在，合金組織非常致密，不會(huì)出現(xiàn)純金屬Ag 的迀移擴(kuò)散現(xiàn)象，從而提高了涂層的高溫穩(wěn)定性，保證高溫下涂層的低紅外發(fā)射率；第三， 本發(fā)明還采用NiCrAlY等離子噴涂層作為金屬黏結(jié)層與金屬合金基體材料直接黏合，這主 要是由于NiCrAlY材料本身的熱膨脹系數(shù)與常用的金屬合金材料最為接近，兩者間的結(jié)合 強(qiáng)度較強(qiáng)，同時(shí)，NiCrAlY材料的抗氧化性能也較好，可以阻止外界空氣氧化金屬合金材料； 第四，本發(fā)明還采用21〇 2等離子噴涂層作為陶瓷過渡層，一方面是為了進(jìn)一步降低熱膨脹 系數(shù)梯度差，防止熱失配帶來的涂層結(jié)合強(qiáng)度差等問題，另一方面，可以阻隔金屬或合金材 料在高溫下往低發(fā)射率功能層擴(kuò)散而導(dǎo)致涂層性能惡化。
[0012] 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的金屬合金材料的制備方法，包 括以下步驟：
[0013] (1)基板噴砂處理：將需要覆蓋低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的金屬合金基體置于噴砂 機(jī)中進(jìn)行噴砂處理；噴砂處理優(yōu)選的工藝參數(shù)條件包括：氣壓控制為3~5MPa，噴砂距離 30~50mm，砂子粒徑為50~100 y m，噴砂時(shí)間20~60min ;
[0014] (2)噴涂金屬黏結(jié)層：采用等離子噴涂工藝在步驟（1)后的金屬合金基體上噴涂 NiCrAlY等離子噴涂層；
[0015] (3)噴涂陶瓷過渡層：采用等離子噴涂工藝在步驟（2)后得到的NiCrAlY等離子 噴涂層上繼續(xù)噴涂21〇 2等離子噴涂層；
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