CN116334525A - 一种高发射率的涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高发射率的涂层及其制备方法。所述高发射率的涂层包括：依次形成于基材表面的金属过渡层和TiC陶瓷层；所述金属过渡层为NiCr合金层或W金属层，优选为W金属层。
Description
技术领域
本发明涉及一种高发射率涂层及其制备方法，属于等离子体喷涂涂层技术领域。
背景技术
高发射率涂层是一种热防护材料，可增强工件表面的辐射散热特性，起到调控工件温度，提升工件寿命和可靠性的目的。高速飞行器、航天推力器、工业窑炉等国防、航空、航天、冶金领域装备均对高发射率涂层有较大的需求。工件在服役过程中，表面会产生很高的热量并快速升温。要求涂层在高温下也具有较高的发射率，能够快速散射。并且工件会经历多次热冲击，要求涂层具有较佳的抗高低温冲击能力。研究开发该类高发射率涂层具有重要的科学意义和应用价值。在涂层的制备技术方面，等离子体喷涂技术对基体要求少、可喷涂异形件或零件内壁，喷涂材料适用范围广，涂层厚度可控且范围宽(几微米至几毫米)，工艺稳定性好，涂层与基体结合强度高，涂层质量可靠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高发射率涂层，具有较高的发射率，良好的抗高低温冲击能力，并且与基体结合较好。能够将积聚在工件表面的热量通过辐射形式散热，有效提高工件的可靠服役寿命。
本发明的另一目的在于提供一种高发射率涂层的制备方法，其是采用等离子体喷涂技术制备熔融效果好、与基体结合强度高的NiCr或W金属层和TiC陶瓷层。
一方面，本发明提供了一种高发射率的涂层，包括：依次形成于基材表面的金属过渡层和TiC陶瓷层；所述金属过渡层为NiCr合金层或W金属层，优选为W金属层。
在本发明中，TiC陶瓷层具有较高的室温和高温发射率，可赋予零部件良好的表面辐射散热性能，NiCr或W金属层作为基体和TiC陶瓷层之间的粘结层，可以改善基体与陶瓷表层的物理相容性。NiCr或W金属层和TiC陶瓷层之间、NiCr或W金属层和基体之间均具有好的结合性能。优选，Cr含量在19wt.％～21wt.％的NiCr涂层具有良好的粘结性能和韧性，能够提升涂层体系的抗热震性能。W具有高熔点和极低的高温饱和蒸气压，能够减少甚至避免过渡层在高温高真空应用环境下快速耗散而导致涂层失效的风险。并且，在高温下，W具有较好的塑性(纯W的韧脆转变温度约为550℃)，不会因热失配而产生过大的剥离应力，保证TiC能够持续附着在表面而不发生脱落。
较佳的，所述TiC陶瓷层中主相为TiC相，含有不超过3wt％的TiOx相，其中1≤x≤2。
较佳的，所述NiCr合金层中Cr含量为19wt.％～21wt.％，余量为Ni。
较佳的，所述金属过渡层的厚度为10～80μm。其中，过渡层的作用是使基材与TiC层紧密结合，提高抗热震性能。
较佳的，所述TiC陶瓷层的厚度为40～120μm。
较佳的，所述金属过渡层和TiC陶瓷层的总厚度为50～200μm。
较佳的，所述基体包括金属基体、石墨基体和陶瓷基体中的一种。所述基体的种类不受到限制，包括但不限于高温合金、不锈钢、软铁、钨铼合金中的一种。
较佳的，所述高发射率的涂层的高温发射率≥0.8(500℃法向发射率)；所述高发射率的涂层和基体的结合强度≥40MPa。
另一方面，本发明提供了一种高发射率涂层的制备方法，以NiCr或W粉体中一种为喷涂原料，采用等离子体喷涂方法在基材表面制备过渡金属层；
以TiC粉体为喷涂原料，采用等离子体喷涂方法在过度金属层表面制备TiC陶瓷层，得到所述高发射率涂层。本发明的制备方法可以得到熔融效果好、与基体结合好的NiCr或W金属层和TiC陶瓷层。
较佳的，所述NiCr粉体的组成包括：Cr：19wt.％～21wt.％，余量为Ni；所述W粉体的组成包括：W≥99wt.％；所述TiC粉体的组成包括：TiC≥97wt.％。
较佳的，所述NiCr粉体的中位粒径为30～75μm；所述W粉体的中位粒径为30～60μm；所述TiC粉体的中位粒径为10～55μm。
较佳的，所述等离子体喷涂方法包括：大气等离子体喷涂、真空等离子体喷涂；优选为大气等离子体喷涂。
又，较佳的，所述大气等离子体喷涂的工艺参数包括：氩气流量43～53slpm，氢气流量7～10slpm，电流600～700A，送粉载气流量3～5slpm，喷涂距离115～135mm。
有益效果：
本发明中，高发射率涂层的高温发射率可达0.8以上(500℃法向发射率)，与金属基体的结合强度可达40MPa以上。涂层具有优越的抗高低温冲击能力，涂层在经历200次液氮～200℃冷热交替后仍保持完好。
附图说明
图1为TiC陶瓷粉体和实施例1中喷涂态涂层试样的XRD图谱照片；
图2为实施例1中喷涂态涂层试样的照片；
图3为实施例2中喷涂态涂层试样的照片；
图4为实施例4中喷涂态涂层试样照片；
图5为实施例5中喷涂态涂层试样照片。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本公开中，高发射率涂层为双层结构，包括形成于基体表面的金属过渡层和(例如，NiCr或W金属层)和TiC陶瓷层。
在可选的实施方式中，所述TiC陶瓷层主要为TiC相，允许含有少量的TiOx相。
在本发明一实施方式中，利用大气等离子体喷涂技术，在金属基体表面依次制备W金属层和TiC陶瓷层。以下示例性地说明高发射率涂层的制备方法。
NiCr或W粉体的沉积。具体，采用等离子体喷涂技术将NiCr粉体或W粉体沉积于基体表面。喷涂前对基体进行清洗和喷砂处理。
TiC陶瓷粉体的沉积。具体，采用等离子体喷涂技术将TiC粉体沉积于金属层表面。
本发明中，依据《GJB 2502.3-2006航天器热控涂层试验方法第3部分：发射率测试》测试所得高发射率涂层的高温发射率可达0.8以上(500℃法向发射率)。
本发明中，依据《GB/T 8642-2002热喷涂-抗拉结合强度的测定》测试所得高发射率涂层的与金属基体的结合强度可达40MPa以上。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
(1)试样基体为不锈钢(方形试片)。待喷涂金属基体表面的预处理：喷砂、超声清洗、压缩空气吹干；
(2)以W粉体为原料，采用大气等离子喷涂工艺将W涂层沉积于金属基体表面。W粉体杂质含量≤1wt.％。喷涂参数为：氩气流量46±3slpm，氢气流量8.5±1.5slpm，电流650±10A，送粉载气流量4±1slpm，喷涂距离120±5mm。
(3)以TiC陶瓷粉体为原料，采用大气等离子体喷涂工艺将TiC陶瓷涂层沉积于W金属层表面。陶瓷粉体杂质含量≤3wt.％。喷涂参数为：氩气流量50±3slpm，氢气流量8.5±1.5slpm，电流650±10A，送粉载气流量4±1slpm，喷涂距离130±5mm。
图1为TiC陶瓷粉体和喷涂态涂层样品的XRD图谱。图2为喷涂态涂层样品的照片。W金属层的厚度约为20μm，TiC涂层的厚度约为60μm；W金属层和TiC涂层的总厚度为100±50μm。对试样在室温进行发射率测试(波长4～25μm)，测试值为0.70。
实施例2
与实施例1不同之处在于：基体形状尺寸不同(圆形试片)，金属层为NiCr合金层(厚度约为20μm)，制备方法同实施例1。图3为其照片。对涂层的高温发射率进行测试。样品加热至500℃，测试波长4～25μm，法向发射率为0.88。
实施例3
与实施例1不同之处在于：基体形状尺寸不同(圆柱形试样)，制备方法同实施例1。对试样进行结合强度测试，测试值为47.7±4.8MPa。
实施例4
与实施例3不同之处在于：基体材料不同，基体为高温合金(GH3128)。制备方法同实施例3。图4为其照片。对试样进行液氮～200℃高低温冲击测试，10次后涂层完好。液氮～200℃高低温冲击10次后，结合强度测试值为46.9±3.9MPa。与实施例3对比可得，涂层经历10次液氮～200℃冷热交替后，不锈钢基体和高温合金基体表面喷涂W和TiC双层结构涂层，结合强度的测值无明显差异，涂层与基体仍具有较高的结合力。
实施例5
与实施例1不同之处在于：基体材料和形状尺寸不同(圆形和圆环试样)，基体为钨铼合金。图5为其照片。对试样进行液氮～200℃高低温冲击测试，200次后涂层完好。
对比例1
与实施例4不同之处在于：无W金属层，仅TiC涂层的厚度约为60μm。对试样进行液氮～200℃高低温冲击测试，5次后涂层脱落。
Claims (10)
1.一种高发射率的涂层，其特征在于，包括：依次形成于基材表面的金属过渡层和TiC陶瓷层；所述金属过渡层为NiCr合金层或W金属层，优选为W金属层。
2.根据权利要求1所述的高发射率涂层，其特征在于，所述TiC陶瓷层中主相为TiC相，含有不超过3wt％的TiOx相，其中1≤x≤2；所述NiCr合金层中Cr含量为19wt.％～21wt.％，余量为Ni。
3.根据权利要求1所述的高发射率涂层，其特征在于，所述金属过渡层的厚度为10～80μm，所述TiC陶瓷层的厚度为40～120μm；
优选地，所述金属过渡层和TiC陶瓷层的总厚度为50～200μm。
4.根据权利要求1所述的高发射率涂层，其特征在于，所述基体包括金属基体、石墨基体和陶瓷基体中的一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的高发射率涂层，其特征在于，所述高发射率的涂层的高温发射率≥0.8(500℃法向发射率)；所述高发射率的涂层和基体的结合强度≥40MPa。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的高发射率涂层的制备方法，其特征在于，以NiCr或W粉体中一种为喷涂原料，采用等离子体喷涂方法在基材表面制备过渡金属层；
以TiC粉体为喷涂原料，采用等离子体喷涂方法在过渡金属层表面制备TiC陶瓷层，得到所述高发射率涂层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述NiCr粉体的组成包括：Cr：19wt.％～21wt.％，余量为Ni；所述W粉体的组成包括：W≥99wt.％；所述TiC粉体的组成包括：TiC≥97wt.％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述NiCr粉体的中位粒径为30～75μm；所述W粉体的中位粒径为30～60μm；所述TiC粉体的中位粒径为10～55μm。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体喷涂方法包括：大气等离子体喷涂、真空等离子体喷涂；优选为大气等离子体喷涂。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述大气等离子体喷涂的工艺参数包括：氩气流量43～53slpm，氢气流量7～10slpm，电流600～700A，送粉载气流量3～5slpm，喷涂距离115～135mm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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