一种激光防护涂层及其制备方法与流程

本发明涉及一种激光防护涂层及其制备方法，属于防护涂层技术领域。

背景技术：

高功率(高能)固体激光器以其峰值功率高、结构紧凑等特点,在民用(如工业激光材料加工、切割、热处理)、军用(如测距、激光雷达、光电对抗)和空间通信等方面具有重要的应用前景。高能激光武器具有传播速度高、转移火力快、发射无后坐力、发射精度高、杀伤威力大、抗干扰能力强等特点成为飞行器等各类武器装的致命杀手。2012年12月10日，美国洛克西德马丁公司对adam区域激光武器原型机进行了测试，成功摧毁了一枚从1.6公里外飞来的火箭弹，高能激光从照射开始，到击毁火箭弹，仅用了3秒，拦截时间几乎只有预计时间的一半。

随着高能激光武器逐渐进入实战应用阶段，激光防护技术研究备受关注。通过材料技术进行激光防护主要包括薄膜、结构加固和涂层等三种类型。薄膜类主要针对卫星光学系统和光电传感器的反激光防护，主要采用在光学和传感器表面镀制薄膜的方法，这些薄膜反射能力甚至高达99.8％，可有效的抵抗高能激光的长时辐照，然而薄膜沉积技术对设备要求高，加工成本很高，无法满足大尺寸异型件的工程化制备。

结构加固类主要指通过结构设计实现结构功能一体化，达到激光防护目的，如美国98年报道的对飞机某些敏感部位设计为板材外加金属网来实现激光防护，金属网根据需求可设计为多层。通用电器公司生产的一种抗激光加固材料由多层薄的可反射激光的石墨组成，每层石墨就如同镜面，能将激光能量反射掉，但石墨易氧化导致表面粗糙度降低，反射性能降低。

涂层技术是激光防护最有效的方式之一，并且可采用等离子喷涂进行施工，其应用成本最低。目前，通常采用常规大气等离子喷涂以zro2为有效成分的涂料的方式形成防护涂层，实现对高能激光的防护。现有防护涂层中夹杂有杂相与基体结合力较差(约为10mpa)，经1kw/cm²激光辐照30s后，易出现开裂、翘起或者剥落等缺陷；涂层激光反射效果不理想(反射率约50％左右)。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光防护涂层及其制备方法，该涂层能有效抵御1kw/cm²激光辐照，经30s激光辐照后，涂层保持完好，仅出现轻微烧蚀，涂层无开裂、翘起或者剥落等缺陷产生，同时涂层中不含有杂相，与设计成分保持高度的一致，涂层与基体界面结合紧密，具有较高的结合强度，可达到12mpa。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供了一种激光防护涂层，包括依次层叠的ni/al层、al2o3层、al/al2o3复合层及al层，其中，所述ni/al层由镍包铝粉末制成，所述al/al2o3复合层由al和al2o3的混合粉末制成。

在一可选实施例中，所述ni/al层厚度为0.05～0.5mm，孔隙率≤5％。

在一可选实施例中，所述ni/al层中镍和铝的质量比为1:0.25～4。

在一可选实施例中，所述al2o3层厚度为0.2～1.0mm，孔隙率为5～10％。

在一可选实施例中，所述al/al2o3复合层厚度为0.2～1.0mm，孔隙率为5～10％。

在一可选实施例中，所述al/al2o3复合层中al和al2o3的质量比为1:1～10:1。

在一可选实施例中，所述al层的厚度为0.1～0.2mm，孔隙率≤3％。

一种激光防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)在基材表面喷涂镍包铝粉末，制成ni/al层；

(2)在所述ni/al层表面喷涂al2o3粉末，制成al2o3层；

(3)在所述al2o3层表面喷涂al和al2o3的混合粉末，制成al/al2o3复合层；

(4)在所述al/al2o3复合层表面喷涂al粉末，制成al层，从而得到激光防护涂层。

在一可选实施例中，采用低压等离子喷涂方式制成各层。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的在基材表面喷涂镍包铝粉末之前，还包括：

对基材表面进行喷砂处理，其中，砂粒尺寸为16-64目，喷砂压力为0.1-0.6mpa，喷砂距离为70-200mm，喷砂角度为60～90°；

采用等离子弧对喷砂处理后的基材进行预热处理，预热温度为50～130℃。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的在基材表面喷涂镍包铝粉末，包括：

将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在基材表面喷涂镍包铝粉末，其中真空室压力为400～800mbar，主气ar流量为50～80l/min，辅气he流量为5～20l/min，工作电压78～85v，工作电流450～520a，送粉载气流量为4～6l/min，送粉量为30～80g/min，喷涂距离为90～200mm，喷涂角度为70°～90°。

在一可选实施例中，步骤(2)所述的在所述ni/al层表面喷涂al2o3粉末，包括：

将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述ni/al层表面喷涂al2o3粉末，其中真空室压力200～600mbar，主气ar流量为45～85l/min，辅气he流量为5～25l/min，工作电压75～90v，电流450～520a，送粉载气ar气流量为2～5l/min，送粉量为25～60g/min，喷涂距离为100～240mm，喷涂角度为70°～90°。

在一可选实施例中，步骤(3)所述的在所述al2o3层表面喷涂al和al2o3的混合粉末，包括：

将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述al2o3层表面喷涂al和al2o3混合粉末，其中真空室压力300～800mbar，主气ar流量为45～80l/min，辅气he流量为5～15l/min，工作电压72～85v，电流430～510a，送粉载气ar气流量为3～6l/min，送粉量为30～70g/min，喷涂距离为80～200mm，喷涂角度为70°～90°。

在一可选实施例中，步骤(4)所述的在所述al/al2o3复合层表面喷涂al粉末，包括：

将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述al/al2o3复合层表面喷涂al粉末，其中真空室压力300～800mbar，主气ar流量为70～110l/min，辅气he流量为2～7l/min，工作电压40～65v，电流300～450a，送粉载气ar气流量为3～8l/min，送粉量为50～80g/min，喷涂距离为150～260mm，喷涂角度为70°～90°。

在一可选实施例中，所述镍包铝粉末的粒径为30～75μm；所述al2o3粉末的粒径为20～75μm；所述al粉末的粒径为45～105μm。

在一可选实施例中，所述ni/al层厚度为0.05～0.5mm，孔隙率≤5％；所述al2o3层厚度为0.2～1.0mm，孔隙率为5～10％；所述al/al2o3复合层的厚度为0.2～1.0mm，孔隙率为5～10％；所述al层的厚度为0.1～0.2mm，孔隙率≤3％。

本发明具有如下有益效果：

(1)如图1和2所示，本发明提供的激光防护涂层能有效抵御1kw/cm²激光，经激光辐照30s后，涂层保持完好，仅出现轻微烧蚀，涂层无开裂、翘起或者剥落等缺陷产生；

(2)如图3和4所示，本发明提供的激光防护涂层纯度高、不含有杂相，与设计成分保持高度的一致；

(3)本发明提供的激光防护涂层界面结合紧密，具有较高的结合强度，可达到12mpa；

(4)本发明提供的激光防护涂层具有良好的隔热性能，经过30s辐照后，基体背温约141℃，可有效保障低熔点铝合金基体的结构稳定。

(5)本发明提供的激光防护涂层对激光具有良好的反射性能，涂层反射率达到80％以上；

(6)本发明提供的激光防护涂层具有良好的“三防”性能，有效抵御盐雾、湿热和霉菌的腐蚀；

(7)采用低压等离子喷涂制备的涂层，工艺稳定性高、可重复性高，可满足大面积部件的连续生产要求；

(8)涂层沉积效率高、周期短、制备成本低，有利于大规模工程化应用。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的涂层外观形貌图；

图2为本发明实施例1提供的涂层经过高能(1kw/cm²)激光辐照30s后的表面形貌图；

图3为本发明实施例1提供的涂层截面金相照片；

图4为本发明实施例1提供的al层xrd照片。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图3所示，本发明实施例提供了一种激光防护涂层，包括依次层叠的ni/al层、al2o3层、al/al2o3复合层及al层，其中，所述ni/al层由镍包铝粉末制成，所述al2o3层由al2o3粉末制成，所述al/al2o3复合层由al和al2o3的混合粉末制成,所述al层是由al粉末制成。

本发明实施例提供的激光防护涂层，通过采用依次层叠的ni/al层、al2o3层、al/al2o3复合层及al层，充分利用各层间的协同作用，使所得激光防护涂层能有效抵御1kw/cm²激光辐照，经30s激光辐照后，涂层保持完好，仅出现轻微烧蚀，涂层无开裂、翘起或者剥落等缺陷产生，同时涂层中不含有杂相，与设计成分保持高度的一致，涂层与基体界面结合紧密，具有较高的结合强度，可达到12mpa。

具体地，所述ni/al层厚度优选0.05～0.5mm，孔隙率优选≤5％；所述ni/al层中镍和铝的质量比优选1:0.25～4；所述al2o3层厚度优选0.2～1.0mm，孔隙率优选5～10％；所述al/al2o3复合层厚度优选0.2～1.0mm，孔隙率优选5～10％；所述al/al2o3复合层中al和al2o3的质量比优选1:1～10:1；所述al层的厚度优选0.1～0.2mm，孔隙率优选≤3％。其中，所述孔隙率是指空隙体积占该层总体积的百分比。

本发明实施例还提供了上述激光防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：在基材表面喷涂镍包铝粉末，制成ni/al层；

具体地，本发明实施例可通过等离子喷涂方式将金属粉末制成涂层，优选采用低压等离子喷涂方式制成各层；该工艺稳定性高，不易形成杂相，且可重复性高，可满足大面积部件的连续生产要求；

为确保涂层和基材表面的良好结合，在喷涂前优选对基材表面进行清洗去油污，然后进行喷砂处理，其中，砂粒尺寸为16-64目，喷砂压力为0.1-0.6mpa，喷砂距离为70-200mm，喷砂角度为60～90°；喷砂后，采用等离子弧对喷砂处理后的基材进行预热处理，预热温度为50～130℃；

进一步地，优选将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在基材表面喷涂镍包铝粉末，其中真空室压力为400～800mbar，主气ar流量为50～80l/min，辅气he流量为5～20l/min，工作电压78～85v，工作电流450～520a，送粉载气流量为4～6l/min，送粉量为30～80g/min，喷涂距离为90～200mm，喷涂角度为70°～90°；该工艺制备的ni/al层孔隙率≤5％。

步骤(2)、在所述ni/al层表面喷涂al2o3粉末，制成al2o3层；

具体地，优选将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述ni/al层表面喷涂al2o3粉末，其中真空室压力200～600mbar，主气ar流量为45～85l/min，辅气he流量为5～25l/min，工作电压75～90v，电流450～520a，送粉载气ar气流量为2～5l/min，送粉量为25～60g/min，喷涂距离为100～240mm，喷涂角度为70°～90°；该工艺制备的al2o3层孔隙率为5～10％。

步骤(3)、在所述al2o3层表面喷涂al和al2o3的混合粉末，制成al/al2o3复合层；

具体地，优选将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述al2o3层表面喷涂al和al2o3混合粉末，其中真空室压力300～800mbar，主气ar流量为45～80l/min，辅气he流量为5～15l/min，工作电压72～85v，电流430～510a，送粉载气ar气流量为3～6l/min，送粉量为30～70g/min，喷涂距离为80～200mm，喷涂角度为70°～90°；该工艺制备的al/al2o3复合层孔隙率为5～10％。

步骤(4)、在所述al/al2o3复合层表面喷涂al粉末，制成al层，从而得到激光防护涂层。

具体地，优选将在基材置于真空室内，采用低压等离子喷涂方式在所述al/al2o3复合层表面喷涂al粉末，其中真空室压力300～800mbar，主气ar流量为70～110l/min，辅气he流量为2～7l/min，工作电压40～65v，电流300～450a，送粉载气ar气流量为3～8l/min，送粉量为50～80g/min，喷涂距离为150～260mm，喷涂角度为70°～90°；该工艺制备的al层孔隙率≤3％。

各层及所用原料的具体描述参见上述涂层实施例，在此不再赘述。

实施例1

本实施例提供了一种高能激光防护涂层，其制备方法包括以下步骤：

(1)采用筛分法筛选出粒度适用于低压等离子喷涂的粉末，具体包括：

ni/al(镍包铝，镍和铝的质量比为1:4)粉末粒径介于30～45μm，al2o3粉末粒径介于20～40μm，al粉末粒径介于45～80μm。

(2)将筛分的粉末采用机械混合法制备al/al2o3复合粉末，其中al和al2o3的质量比为2:1；

(3)对1000*1000*5mm铝合金基体材料进行清洗去油污，并进行喷砂处理，砂粒尺寸24目，喷砂压力0.3mpa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°；

(4)将经喷砂处理过的铝合金在高压干燥气体中进行表面净化，去除表面滞留的砂粒；

(5)对铝基体进行预热，控制基体温度在100～120℃之间；

(6)采用低压等离子喷涂在经处理铝基体上喷涂ni/al底层，其中真空室压力为600mbar，主气ar流量为80l/min，辅气he流量为5l/min，工作电压80v，电流480a，送粉载气ar气流量为4l/min，送粉量为50g/min，喷涂距离为200mm，喷涂角度为90°，厚度为0.12mm；

(7)采用低压等离子喷涂在ni/al底层上制备al2o3中间层，其中真空室压力为300mbar，主气ar流量为45l/min，辅气he流量为15l/min，工作电压80v，电流510a，送粉载气ar气流量为4l/min，送粉量为45g/min，喷涂距离为240mm，喷涂角度为90°，厚度为1.0mm；

(8)采用低压等离子喷涂在al2o3中间层上制备al/al2o3复合层，其中真空室压力为450mbar，主气ar流量为60l/min，辅气he流量为10l/min，工作电压80v，电流490a，送粉载气ar气流量为4l/min，送粉量为50g/min，喷涂距离为200mm，喷涂角度为90°，厚度为0.4mm，；

(9)采用低压等离子喷涂在al/al2o3复合层上制备al面层，喷涂工艺参数为：真空室压力800mbar，主气ar流量为100l/min，辅气he流量为4l/min，工作电压40v，电流450a，送粉载气ar气流量为4l/min，送粉量为60g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为90°，厚度为0.18mm。

本实施例提供的高能激光防护涂层具有良好的抗激光辐照和环境适应性的综合性能，涂层与基体的结合强度≥14mpa；涂层表面反射率≥86％；经过1kw/cm²的高能激光辐照30s后，铝合金基体稳定可靠，未发生熔融破坏。此外自然存放于海洋大气环境中涂层可保证3年不失效。

实施例2

本实施例提供了一种高能激光防护涂层，其制备方法包括以下步骤：

(1)采用筛分法筛选出粒度适用于超低压等离子喷涂的粉末，具体包括：

ni/al(镍包铝，镍和铝的质量比为1:1)粉末粒径介于45～75μm，al2o3粉末粒径介于40～75μm，al粉末粒径介于80～105μm。

(2)将筛分的粉末采用机械混合法制备al/al2o3复合粉末，其中al和al2o3的质量比为2:1；

(3)对500*500*5mm铝合金基体材料进行清洗去油污，并进行喷砂处理，砂粒尺寸16目，喷砂压力0.5mpa，喷砂距离120mm，喷砂角度90°；

(4)将经喷砂处理过的铝合金在高压干燥气体中进行表面净化，去除表面滞留的砂粒；

(5)对铝基体进行预热，控制基体温度在110～130℃之间；

(6)采用低压等离子喷涂在经处理铝基体上喷涂ni/al层，其中真空室压力为800mbar，主气ar流量为70l/min，辅气he流量为20l/min，工作电压85v，电流520a，送粉载气ar气流量为6l/min，送粉量为60g/min，喷涂距离为160mm，喷涂角度为80°，厚度为0.5mm；

(7)采用低压等离子喷涂在ni/al底层上制备al2o3层，其中真空室压力为600mbar，主气ar流量为85l/min，辅气he流量为25l/min，工作电压90v，电流520a，送粉载气ar气流量为5l/min，送粉量为40g/min，喷涂距离为200mm，喷涂角度为90°，厚度为0.8mm；

(8)采用低压等离子喷涂在al2o3层上制备al/al2o3复合层，其中真空室压力为800mbar，主气ar流量为75l/min，辅气he流量为15l/min，工作电压85v，电流510a，送粉载气ar气流量为5l/min，送粉量为50g/min，喷涂距离为140mm，喷涂角度为70°，厚度为0.8mm，；

(9)采用低压等离子喷涂在al/al2o3层上制备al层，喷涂工艺参数为：真空室压力500mbar，主气ar流量为110l/min，辅气he流量为4l/min，工作电压45v，电流300a，送粉载气ar气流量为4l/min，送粉量为48g/min，喷涂距离为240mm，喷涂角度为90°，厚度为0.1mm。

本实施例提供的高能激光防护涂层具有良好的抗激光辐照和环境适应性的综合性能，涂层的结合强度超过12.5mpa；涂层表面反射率≥81％；经过1kw/cm²的高能激光辐照30s后，铝合金基体稳定可靠，未发生熔融破坏。此外自然存放于海洋大气环境中涂层可保证3年不失效。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。