本发明涉及耐烧蚀涂层制备技术领域，特别涉及一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法。
背景技术：
用于舰船、装甲车、飞行器等行业甲板结构件的耐高温烧蚀性是评价其使用性能的关键指标。涂层技术是提高甲板结构件耐高温烧蚀性能的经济、有效手段，但薄弱界面在高温热应力易出现开裂破坏。因此，寻找一种新方法，在强化高温耐烧蚀性能的同时，提高其层与基体界面强度至关重要。
技术实现要素：
本发明是针对常见手段难以有效解决薄弱界面在高温热应力易出现开裂破坏问题的研发领域现状，提供一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现耐烧蚀涂层的强界面和高性能。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)用双碳源在碳钢表面沉积类石墨碳膜；然后在还原气氛中进行膜-基界面强化处理，得到类石墨碳膜碳钢基体；
2)将单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜碳钢基体表面，将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面；然后再平铺单层碳纤维毡并喷涂纳米钨粉，重复上述步骤，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置进行压应力处理，最后进行多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
作为本发明的进一步改进，所述碳钢为45#碳钢。
作为本发明的进一步改进，表面沉积类石墨碳膜是在双碳源气态化学共沉积装置中进行的；双碳源气态化学共沉积装置的碳源为甲烷和乙炔，沉积温度840～1020℃，类石墨碳膜厚度1.1～2.6微米。
作为本发明的进一步改进，膜-基界面强化处理是在高气压还原气氛处理炉内进行的；高气压还原气氛处理炉内为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.4～4.5倍，处理温度395～520℃。
作为本发明的进一步改进，单层碳纤维毡的碳纤维截面直径86纳米，纤维毡网格尺寸为169纳米*172纳米，平均厚度105纳米。
作为本发明的进一步改进，纳米钨粉是采用中温高速气动频振喷涂装置喷涂的；中温高速气动频振喷涂装置的气体介质为氦气，流速286～363米/秒，温度465～579℃，喷枪振动频率12～23赫兹，单次喷涂厚度160纳米。
作为本发明的进一步改进，涂层预制厚度满足：碳纤维毡和纳米钨层数为7～11层。
作为本发明的进一步改进，压应力处理温度342～417℃，压力45～57mpa。
作为本发明的进一步改进，多频感应表面处理温度1740～1930℃。
作为本发明的进一步改进，制得的纳米钨基耐烧蚀涂层的表面硬度大于等于67hrc，界面结合强度大于等于260mpa，涂层厚度误差小于等于0.34微米，1100℃丙烷火焰烧蚀涂层速率小于等于0.01微米/小时。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：
本发明先用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，再将单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，然后重复上述步骤，直至达到涂层预制厚度后，进行压应力处理，最后进行多频感应表面处理；通过在碳钢基体表面沉积有类石墨碳膜，类石墨碳膜表面设置纳米钨基涂层；纳米钨基涂层由单层碳纤维毡和纳米钨粉喷涂间隔层叠而成，其中双碳源气态化学共沉积装置通过两种碳源的协同作用，增大类石墨碳膜密度及界面结合力。单层碳纤维毡与纳米钨粉的均匀复合，利于形成强钨碳化物纳米晶界，优化细晶强化效果。多频感应表面处理采用多频集肤电流实现超薄超硬涂层的收缩致密化及界面强化。本发明制得的纳米钨基耐烧蚀涂层的表面硬度大于等于67hrc，界面结合强度大于等于260mpa，涂层厚度误差小于等于0.34微米，1100℃丙烷火焰烧蚀涂层速率小于等于0.01微米/小时。
进一步，通过过渡膜层强化、纳米碳纤维-钨粉复合技术与多频感应致密化技术，充分发挥碳纤维与钨的良好导热性和高温强度优势，是有效解决薄弱界面在高温热应力易出现开裂破坏问题的关键手段。
进一步，在制备纳米钨基耐烧蚀涂层过程中，本发明为解决已有难以解决薄弱界面在高温热应力易出现开裂破坏问题，而是采用一种过渡膜层强化、纳米碳纤维-钨粉复合技术与多频感应致密化技术，此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现纳米钨基耐烧蚀涂层的强界面和高性能。
具体实施方式
本发明一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法，包括下述步骤：
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度840～1020℃，类石墨碳膜厚度1.1～2.6微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.4～4.5倍，处理温度395～520℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速286～363米/秒，温度465～579℃，喷枪振动频率12～23赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤7～11次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行342～417℃、45～57mpa压应力处理，最后进行1740～1930℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
以下通过具体实施例对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度840℃，类石墨碳膜厚度1.1微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.4倍，处理温度395℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速286米/秒，温度465℃，喷枪振动频率12赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤7次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行342℃、45mpa压应力处理，最后进行1740℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例2
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度850℃，类石墨碳膜厚度1.3微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.5倍，处理温度415℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速293米/秒，温度479℃，喷枪振动频率13赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤8次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行357℃、47mpa压应力处理，最后进行1760℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例3
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度860℃，类石墨碳膜厚度1.5微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.6倍，处理温度420℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速298米/秒，温度489℃，喷枪振动频率16赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤9次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行367℃、48mpa压应力处理，最后进行1790℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例4
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度920℃，类石墨碳膜厚度2.1微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的3.5倍，处理温度420℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速313米/秒，温度579℃，喷枪振动频率16赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤9次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行417℃、57mpa压应力处理，最后进行1930℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例1～4制备纳米钨基耐烧蚀涂层的性能参数见表1所示：
表1
从上表可以得出，本发明制得的纳米钨基耐烧蚀涂层的表面硬度大于等于67hrc，界面结合强度大于等于260mpa，涂层厚度误差小于等于0.34微米，1100℃丙烷火焰烧蚀涂层速率小于等于0.01微米/小时。
实施例5
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度1020℃，类石墨碳膜厚度2.6微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.4倍，处理温度395℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速286米/秒，温度465℃，喷枪振动频率23赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤11次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行417℃、45mpa压应力处理，最后进行1740℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例6
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度920℃，类石墨碳膜厚度1.7微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.8倍，处理温度510℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速353米/秒，温度529℃，喷枪振动频率19赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤10次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行407℃、52mpa压应力处理，最后进行1830℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例7
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度1000℃，类石墨碳膜厚度2.4微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的3.5倍，处理温度450℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速363米/秒，温度579℃，喷枪振动频率23赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤8次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行397℃、47mpa压应力处理，最后进行1840℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例8
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度965℃，类石墨碳膜厚度2.5微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的3.6倍，处理温度486℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速363米/秒，温度479℃，喷枪振动频率23赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤11次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行417℃、45mpa压应力处理，最后进行1740℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例9
本发明一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法，包括下述步骤：
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度840℃，类石墨碳膜厚度1.1微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的2.4倍，处理温度395℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速286米/秒，温度465℃，喷枪振动频率12赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤7次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行342℃、45mpa压应力处理，最后进行1740℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例10
本发明一种纳米钨基耐烧蚀涂层的制备方法，包括下述步骤：
1)用双碳源气态化学共沉积装置在45#碳钢表面沉积类石墨碳膜，碳源为甲烷和乙炔，沉积温度1020℃，类石墨碳膜厚度2.6微米，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，气氛为体积二比一氢气、一氧化碳混合气，气压为标准大气压的4.5倍，处理温度520℃，得到类石墨碳膜45#碳钢基体；
2)将截面直径86纳米、网格尺寸169纳米*172纳米、平均厚度105纳米的单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜45#碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，气体介质为氦气，流速363米/秒，温度579℃，喷枪振动频率23赫兹，单次喷涂厚度160纳米，然后重复上述步骤11次，直至达到涂层预制厚度，得到预制纳米钨基涂层；
3)将预制纳米钨基涂层置于温压模具进行417℃、57mpa压应力处理，最后进行1930℃多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。
实施例5～10制备纳米钨基耐烧蚀涂层的性能参数见表2所示：
表2
本发明先用双碳源气态化学共沉积装置在碳钢表面沉积类石墨碳膜，然后装入高气压还原气氛处理炉中进行膜-基界面强化处理，再将单层碳纤维毡平铺于类石墨碳膜碳钢基体表面，用中温高速气动频振喷涂装置将纳米钨粉喷涂在单层碳纤维毡表面，然后重复上述步骤，直至达到涂层预制厚度后，进行压应力处理，最后进行多频感应表面处理，最终得到纳米钨基耐烧蚀涂层。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现纳米钨基耐烧蚀涂层的强界面和高性能。
通过研究双碳源气态化学共沉积参数、中温高速气动频振喷涂工艺、多频感应表面处理技术和纳米钨基耐烧蚀涂层界面及高温耐烧蚀性能的关系，即：对于纳米钨基耐烧蚀涂层，保持较高界面强度及高温耐烧蚀性能的最佳双碳源气态化学共沉积参数、中温高速气动频振喷涂工艺、多频感应表面处理技术，获得了纳米钨基耐烧蚀涂层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。