一种铝合金隔热耐冲刷复合涂层及其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金的抗烧蚀防护技术领域，具体涉及一种铝合金隔热耐冲刷复合涂层及其制备方法。


背景技术：

2.传统弹药采用的是铜或钢弹壳，铜和钢密度大，造成整弹重量大，导致士兵和武器装备弹药负载较重。铝合金密度小，比强度高，采用铝合金代替铜和钢制造弹壳/药筒，可实现弹药大幅减重。但是，弹药发射时，铝合金弹壳/药筒需承受内部火药爆炸后产生的高温高压燃气冲刷，而铝合金熔点低，再加上薄壁筒体热容量小，易出现烧熔、烧穿等问题，必须采用涂层进行抗烧蚀防护。
3.筒体内火药爆炸后产生的燃气瞬时温度可高达2000k，冲击压力达到400mpa以上，在瞬时高温高压火药燃气的冲刷下，传统抗烧蚀涂层存在因结合力不足而被冲刷脱落失效的问题；其次，在面临火药爆炸产生的极大能量导致筒体产生高应变速率变形，也会导致树脂层发生开裂、破损甚至从筒体脱落导致防护失效，最后，抗烧蚀防护涂层越厚，其抗烧蚀性能越好，但是在薄壁小口径收口筒体结构的弹壳内应用，要求抗烧蚀涂层越薄越好，但是抗烧蚀涂层越薄，其致密性越不可控，力学性能(抗拉强度、韧性、抗撕裂强度等)越差，抗烧蚀性能也大打折扣，这也是本领域面临的一个瓶颈问题。因此，在制备铝合金弹壳筒体抗烧蚀涂层过程中，如何解决上述技术问题，制备出在高温高压燃气冲刷下具有优异抗烧蚀性能，同时厚度较薄，致密性、力学性能优异的涂层结构具有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种铝合金隔热耐冲刷复合涂层。该复合涂层隔热性好和耐冲刷性能强，可以耐2000k、400mpa以上的高温高压燃气冲刷而不产生烧熔、烧穿，与基体结合力优异，不发生脱落。
5.本发明另一目的是提供上述铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法。
6.本发明目的通过如下技术方案实现：
7.一种铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层，其特征在于：所述复合涂层从铝合金基体表面向外依次包括隔热陶瓷层和封闭树脂层，所述隔热陶瓷层是al2o3陶瓷层，封闭树脂层由聚酯树脂、聚天门冬氨酸酯树脂、纳米al2o3陶瓷粉、固化剂和稀释剂组成。
8.进一步，上述固化剂为脂肪族异氰酸酯，稀释剂为乙二醇乙醚醋酸酯与二甲苯按照质量比为1:2～2:1混合形成。
9.进一步，上述al2o3陶瓷层厚度为10～60μm，封闭树脂层厚度为10～200μm。
10.进一步，上述封闭树脂层中各成分按照质量份为聚酯树脂200～300份，聚天门冬氨酸酯树脂50～150份，纳米al2o3陶瓷粉10～100份，稀释剂100～300份，固化剂200～400份。
11.上述铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法，其特征在于：是在铝合金表面
制备al2o3陶瓷层，经增孔处理形成al2o3多孔陶瓷层，再将由聚酯树脂、聚天门冬氨酸酯树脂、纳米al2o3陶瓷粉、固化剂和稀释剂组成的混合树脂液喷涂在al2o3多孔陶瓷层表面，随后进行真空渗处理和加热固化。
12.在混合树脂中加入纳米al2o3陶瓷粉体，作为隔热阻燃成分，同时也具有补强的作用。但是由于纳米材料本身性质导致纳米al2o3陶瓷粉体容易团聚，且在树脂体系中，由于树脂的粘度过高，导致纳米al2o3陶瓷粉体在体系中难以分散，团聚现象更明显，很难发挥其隔热阻燃和补强作用，这使得封闭树脂层喷涂较薄时，团聚的纳米al2o3陶瓷粉体导致树脂层的密封性能下降，力学性能受损，抗烧蚀性能降低。
13.本发明中通过采用了性质差异大的聚酯树脂和聚天门冬氨酸酯树脂混合，在具有低挥发速率的乙二醇乙醚醋酸酯与具有高挥发速率的二甲苯组成的稀释剂作用下，调节了混合树脂液的粘度和弹性，使其作为封闭层时具有优异的密封性，同时混合树脂液中适宜的粘度下，稀释剂的加入也降低了纳米al2o3陶瓷粉体的表面能，通过在真空渗过程中施加了静电场，在混合树脂液快速渗入al2o3多孔陶瓷层的过程中，由于静电场作用，al2o3多孔陶瓷层促进低表面能的纳米al2o3陶瓷粉体均匀分散在al2o3陶瓷层的表面和孔道中，抑制了纳米al2o3陶瓷粉体的团聚，使得纳米al2o3陶瓷粉体主要在al2o3多孔陶瓷层和封闭树脂层的界面附近，在封闭树脂层和al2o3多孔陶瓷层的界面之间形成了均匀缓冲过渡成分，增加了封闭树脂层和al2o3多孔陶瓷层之间的结合稳定性。
14.进一步，上述制备al2o3陶瓷层是采用微弧氧化工艺，其正电流密度为2～8a/dm2，负电流密度1～4a/dm2，频率300～800hz，占空比10％～30％，时间30～120min。
15.进一步，上述增孔处理的正电流密度为6～10a/dm2，负电流密度为1～5a/dm2，频率为10～100hz，占空比为20％～30％，处理时间为5～30min，在高压电场的作用下，al2o3陶瓷层形成微弧放电，提高单次脉冲能量，增加al2o3陶瓷层表面的放电通道，形成新的孔道，并对陶瓷层表面原有的孔道形成扩孔，在陶瓷表面形成大量的5～20μm不等的微孔结构，增大了陶瓷层表面的微孔数、微孔孔径分布和孔隙率，为混合树脂液的渗入提供通道。
16.上述正电流是负载的电源电压为正电源时的工作电流，负电流是负载的电源电压为负电源时的工作电流。
17.进一步，上述喷涂的喷涂压力为0.2～0.6mpa，工件自转速度100～500r/min，喷枪移动速度2～10mm/s，喷涂次数1～20次。
18.进一步，上述真空渗是将喷涂了混合树脂液的铝合金材料置于真空环境下，保持真空度为0.01～10pa，在外加静电场下升温至50～60℃，保持5～10min，所述静电场的静电电流5～30μa。该环境促进了混合树脂液快速渗入陶瓷层的不同孔径分布的多孔表面，与al2o3陶瓷层形成互相嵌合，融为一体，并在静电场的作用下，促进混合树脂液中的al2o3陶瓷粉体均匀分散在al2o3陶瓷层界面附近，形成成分的缓冲过渡。
19.进一步，所述加热固化是以不高于2℃/min的升温速率升温至80～120℃，保温30～120min。
20.最具体的，一种铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
21.步骤1、制备al2o3多孔陶瓷层
22.(1)陶瓷层制备电参数为正电流密度2～8a/dm2，负电流密度1～4a/dm2，频率300～
800hz，占空比10％～30％，时间30～120min，生成的al2o3陶瓷层厚度为10～60μm；
23.(2)对步骤1处理后的铝合金基体施加正电流密度6～10a/dm2，负电流密度1～5a/dm2，频率10～100hz，占空比20％～30％，处理时间5～30min；
24.步骤2、制备封闭树脂层
25.(1)按照质量组分采用聚酯树脂200～300份、聚天门冬氨酸酯树脂50～150份，纳米al2o3陶瓷粉10～100份、脂肪族异氰酸酯200～400份、乙二醇乙醚醋酸酯与二甲苯质量比为1:2～2:1组成的稀释剂100～300份混合形成混合树脂液；
26.(2)将步骤1处理后的铝合金基体进行清洗后，将混合树脂液喷涂在al2o3多孔陶瓷层表面，喷涂压力为0.2～0.6mpa，工件自转速度100～500r/min，喷枪移动速度2～10mm/s，喷涂次数1～20次，喷涂厚度为10～200μm；
27.(3)在0.01～10pa的真空度下，将步骤(2)处理后的铝合金基体加热至50～60℃，保温5～10min；然后以不高于2℃/min的速率升温至80～120℃，保温30～120min，之后在常温环境中自然冷却。
28.本发明中采用了性质差异大的聚酯树脂和聚天门冬氨酸酯树脂混合，在具有低挥发速率的乙二醇乙醚醋酸酯与具有高挥发速率的二甲苯组成的稀释剂作用下，调节了混合树脂液的粘度和弹性，制备的封闭树脂层具有适宜的延伸率和抗拉强度，且在经过增孔处理后的陶瓷层表面通过真空渗处理，固化形成的封闭树脂层由于与al2o3层融为一体，结构稳定好，使得复合涂层即使在较薄的状态下也具有优异的致密性，显著提高了复合涂层在高温高压环境下的抗烧蚀能力，抵抗铝合金收口筒体内瞬时爆发的能量产生高应变速率变形时不发生破裂、脱落。
29.本发明具有如下技术效果：
30.本发明制备的复合涂层，平整度高，陶瓷层和封闭树脂层之间具有良好的结合力具有优异的隔热性能和抗高温高压燃气冲刷性能，采用本发明方法制备了复合涂层的铝合金筒体，承受压力达到400mpa以上，并在400mpa以上，2000k以上的瞬时高温高压燃气冲刷下具有优异的抗烧蚀性能，高速燃气冲刷涂层不发生开裂、破损和脱落等现象，封闭层的拉伸强度达到22mpa以上，延伸率达到300％以上，抵抗铝合金收口筒体内瞬时爆发的能量产生高应变速率变形时不发生破裂、脱落，并抵御弹壳或药筒内的弹药发生爆炸时，瞬时产生的高温、高压燃气冲蚀，制备的复合涂层厚度小至20μm，有效保证了筒体中的弹药性能不受影响。
附图说明
31.图1：本发明微弧氧化工艺制备的al2o3陶瓷层的表面形貌图。
32.图2：本发明经增孔处理后的al2o3陶瓷层的表面形貌图。
具体实施方式
33.下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，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，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
34.实施例1
35.一种铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法，按如下步骤进行：
36.步骤1、制备al2o3多孔陶瓷层
37.(1)将7475铝合金筒体材料与微弧氧化设备的电源正极相连，然后浸没于由磷酸钠18g/l，四硼酸钠10g/l，偏钒酸钠5g/l组成的电解液中，设置制备电参数为正电流密度为2a/dm2，负电流密度1a/dm2，频率300hz，占空比10％，时间120min；
38.(2)对步骤1处理后的铝合金基体施加正电流密度6a/dm2，负电流密度1a/dm2，频率10hz，占空比30％，处理时间30min；
39.步骤2、制备封闭树脂层
40.(1)按照质量组分采用聚酯树脂200份、聚天门冬氨酸酯树脂150份，纳米al2o3陶瓷粉100份、脂肪族异氰酸酯300份、由乙二醇乙醚醋酸酯与二甲苯质量比为1:2组成的稀释剂100份混合形成混合树脂液；
41.(2)将步骤1处理后的铝合金基体进行清洗后，将混合树脂液喷涂在al2o3多孔陶瓷层表面，喷涂压力为0.6mpa，工件自转速度为100r/min，喷枪移动速度为2mm/s，喷涂次数为20次，喷涂厚度为200μm；
42.(3)在5pa的真空度下，将步骤(2)处理后的铝合金基体加热至50℃，保温10min；然后以不高于2℃/min的速率升温至120℃，保温120min，之后在常温环境中自然冷却，复合涂层总厚度为260μm。
43.本实施例制备了隔热耐冲刷复合涂层的铝合金筒体在2000k以上的高温燃气冲刷下，涂层之间结合力优异，涂层没有开裂、脱落等现象，其在高温高压燃气冲刷下具有优异的抗烧蚀性能。封闭树脂层的延伸率达到180％以上，封闭层抗拉强度大于22mpa，复合涂层耐温性≥2000k。
44.实施例2
45.一种铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法，按如下步骤进行：
46.步骤1、制备al2o3多孔陶瓷层
47.(1)将7a04铝合金筒体材料与微弧氧化设备的电源正极相连，然后浸没于由磷酸钠18g/l，四硼酸钠10g/l，偏钒酸钠5g/l组成的电解液中，设置制备电参数为正电流密度为8a/dm2，负电流密度4a/dm2，频率800hz，占空比20％，时间30min；
48.(2)对步骤1处理后的铝合金基体施加正电流密度10a/dm2，负电流密度5a/dm2，频率100hz，占空比20％，处理时间5min；
49.步骤2、制备封闭树脂层
50.(1)按照质量组分采用聚酯树脂300份、聚天门冬氨酸酯树脂50份，纳米al2o3陶瓷粉10份，脂肪族异氰酸酯400份，由乙二醇乙醚醋酸酯与二甲苯质量比为2:1组成的稀释剂300份混合形成混合树脂液；
51.(2)将步骤1处理后的铝合金基体进行清洗后，将混合树脂液喷涂在al2o3多孔陶瓷层表面，喷涂压力0.2mpa，工件自转速度500r/min，喷枪移动速度10mm/s，喷涂次数1次，喷涂厚度10μm；
52.(3)在1
×
10
‑1pa的真空度下，将步骤(2)处理后的铝合金基体加热至60℃，保温8min；以不高于2℃/min的速率升温至80℃，保温30min，之后在常温环境中自然冷却，复合涂层总厚度为30μm。
53.本实施例制备了隔热耐冲刷复合涂层的铝合金筒体在2000k以上的高温燃气冲刷下，涂层之间结合力优异，涂层没有开裂、脱落等现象，其在高温高压燃气冲刷下具有优异的抗烧蚀性能。封闭树脂层的延伸率达到300％以上，封闭层抗拉强度大于18mpa，复合涂层耐温性≥1600k。
54.实施例3
55.一种铝合金筒体隔热耐冲刷复合涂层的制备方法，按如下步骤进行：
56.步骤1、制备al2o3多孔陶瓷层
57.(1)将2a12铝合金筒体材料与微弧氧化设备的电源正极相连，然后浸没于由磷酸钠18g/l，四硼酸钠10g/l，偏钒酸钠5g/l组成的电解液中，设置制备电参数为正电流密度为4a/dm2，负电流密度2a/dm2，频率500hz，占空比30％，时间20min；
58.(2)对步骤(1)处理后的铝合金基体施加正电流密度8a/dm2，负电流密度4a/dm2，频率40hz，占空比20％，处理时间15min；
59.步骤2、制备封闭树脂层
60.(1)按照质量组分采用聚酯树脂250份、聚天门冬氨酸酯树脂100份，纳米al2o3陶瓷粉50份，脂肪族异氰酸酯250份，由乙二醇乙醚醋酸酯与二甲苯质量比为1:1组成的稀释剂200份混合形成混合树脂液；
61.(2)将步骤1处理后的铝合金基体进行清洗后，将混合树脂液喷涂在al2o3多孔陶瓷层表面，喷涂压力为0.4mpa，工件自转速度300r/min，喷枪移动速度5mm/s，喷涂次数10次，喷涂厚度为50μm；
62.(3)在2
×
10
‑1pa的真空度下，将步骤(2)处理后的铝合金基体加热至55℃，保温5min，然后以2℃/min的速率升温至110℃，保温60min，之后在常温环境中自然冷却，复合涂层总厚度为70μm。封闭树脂层的延伸率达到240％以上，封闭层抗拉强度大于20mpa，复合涂层耐温性≥1800k。
63.对比例1
64.与实施例3不同的是，对比例1方案不进行增孔处理，通过微弧氧化在铝合金筒体内表面制备出al2o3陶瓷层后，直接喷涂混合树脂液，然后不进行真空渗，直接加热固化，其与步骤与实施例3相同。
65.由于al2o3陶瓷层表面孔结构较少、且孔径较小，且后续封闭树脂层喷涂后没有进行真空渗处理，导致树脂仅仅是在al2o3陶瓷层表面沉积固化，封闭树脂层与al2o3陶瓷层之间的结合力不强，在几十mpa、几百摄氏度较低温度环境下可以发挥其抗烧蚀防护作用，但是在筒体经历火药爆炸产生的瞬时高温燃气冲刷过程中，出现了封闭树脂层从al2o3陶瓷层表面脱落的情况，导致涂层失效。
66.对比例2
67.与实施例3不同的是，对比例2的方案中进行真空渗处理过程中，不外加静电场，其他步骤与实施例3相同。
68.对比例2制备的复合涂层，在筒体经历火药爆炸产生的瞬时高温燃气冲刷过程中，也出现了封闭树脂层从al2o3陶瓷层表面脱落的情况。
69.对比例3
70.与实施例3不同的是，对比例3方案中，混合树脂配方中，采用了甲基硅树脂和环氧
树脂替代了聚酯树脂和聚天门冬氨酸酯树脂的组合，其余步骤与实施例3保持一致。
71.实施例1
‑
3和对比例1
‑
3的各性能对比如表1所示。
72.表1：
[0073] 耐高温性能承受压力封闭层延伸率封闭层抗拉强度实施例1≥2000k≥400mpa≥180％≥22mpa实施例2≥1600k≥400mpa≥300％≥18mpa实施例3≥1800k≥400mpa≥240％≥20mpa对比例1＜800k≤100mpa≥240％≥20mpa对比例2＜1200k≤200mpa≥240％≥20mpa对比例3≥1500k≤100mpa≥30％≥18mpa
[0074]
可见，本发明中聚酯树脂和聚天冬门氨酸酯树脂形成的混合树脂，通过al2o3陶瓷层表面增孔处理后，经真空渗处理，使得其在al2o3陶瓷层表面形成致密封闭层，增加了复合涂层的高温高压抗烧蚀性能，封闭层具有优异的抗拉强度和延伸率，有效抵抗铝合金筒体内瞬时爆发的能量产生高应变速率变形时不发生破裂、脱落。