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CN117070933A - 一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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CN117070933A
CN117070933A CN202311041568.3A CN202311041568A CN117070933A CN 117070933 A CN117070933 A CN 117070933A CN 202311041568 A CN202311041568 A CN 202311041568A CN 117070933 A CN117070933 A CN 117070933A
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Chongqing University
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Chongqing Samhida Grinding Machine Co ltd
Chongqing University
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Abstract

本发明提供了一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用。本发明提供的雷达吸波涂层包括依次层叠沉积于基底表面的功能梯度层、损耗层和匹配层；所述层叠沉积的方式为激光直接沉积，沉积所述功能梯度层、损耗层和匹配层所使用的原料依次为Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末。本发明提供的雷达吸波涂层具有良好的吸波性、耐高温性、耐磨性、硬度和抗弯强度，将其应用于飞行器表面能够使飞行器具备良好的隐身性能。

Description

一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于吸波涂层技术领域，尤其涉及一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用。
背景技术
雷达隐身技术对于提高武器战场生存与突防能力具有十分重要的军事意义。雷达隐身技术是指利用先进的技术手段，将武器装备的雷达反射信号精确控制并降低，使其在探测环境中不易被发现、识别和攻击，从而实现对目标的有效保护。实现雷达隐身技术的途径主要有外形技术和雷达吸波材料技术。外形技术是通过对目标外观的设计来减小雷达散射截面(Radar cross section,RCS)，雷达吸波材料技术是在目标上应用雷达吸波材料(Radar absorbing materials,RAM)将电磁波转化为热能而衰减雷达波，实现雷达隐身。与外形隐身技术相比，雷达吸波涂层(Radar absorbing coatings，RACs)吸波效果好、工艺简单，设计难度低，因此成为隐身技术中的研究热点。
随着现代战机的速度越来越快，飞行器与空气摩擦导致的表面温度达到700℃甚至更高，高温工况下的空速管对雷达波反射较强，严重影响了战机的隐身性能。磁性吸收剂填充聚合物基复合材料在高温下会失去磁性、聚合物基体分解，无法应用于上述高温部件的雷达吸波隐身。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用，本发明提供的雷达吸波涂层具有良好的吸波性、耐高温性、耐磨性、硬度和抗弯强度，将其应用于飞行器表面能够使飞行器具备良好的隐身性能。
本发明提供了一种雷达吸波涂层，包括：依次层叠沉积于基底表面的功能梯度层、损耗层和匹配层；
所述层叠沉积的方式为激光直接沉积，沉积所述功能梯度层、损耗层和匹配层所使用的原料依次为Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末。
优选的，所述Ti在混合粉末中的含量为5～15wt％；所述Mo在混合粉末中含量为5～15wt％；所述Si3N4在混合粉末中含量为70～90wt％。
优选的，所述Ti在混合粉末中的含量为10wt％；所述Mo在混合粉末中的含量为10wt％；所述Si3N4在混合粉末中的含量为80wt％。
优选的，所述功能梯度层的厚度为0.1～1.5mm。
优选的，所述损耗层的厚度为0.1～1.5mm。
优选的，所述匹配层的厚度为0.1～1.5mm。
本发明提供了一种上述技术方案所述的雷达吸波涂层的制备方法，包括以下步骤：
依次以Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末作为原料，采用激光直接沉积技术在基底表面层叠沉积功能梯度层、损耗层和匹配层，得到雷达吸波涂层。
优选的，所述混合粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm；所述SiC粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm；所述Si3N4粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm。
优选的，所述沉积时的激光功率为200～400W，激光扫描速度为30～50mm/s，光斑直径为2～3mm，保护气体流量为3～8L/min，相邻两次沉积操作间的冷却时间为20～40s。
本发明提供了一种飞行器，所述飞行器的外表面设置有上述技术方案所述的雷达吸波涂层或上述技术方案所述制备方法制得的雷达吸波涂层。
与现有技术相比，本发明提供了一种雷达吸波涂层及其制备方法和应用。本发明提供的雷达吸波涂层包括依次层叠沉积于基底表面的功能梯度层、损耗层和匹配层；所述层叠沉积的方式为激光直接沉积，沉积所述功能梯度层、损耗层和匹配层所使用的原料依次为Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末。在本发明中，最外层匹配层用于调整材料的复磁导率、复介电常数，尽可能使电磁波无反射的透过；中间的损耗层用于将透过匹配层的电磁波损耗为热能并进行有效的吸收；靠近基底表面的功能梯度层可以有效改善热膨胀系数失配以及温度梯度引起的热应力问题，且当采用激光直接沉积技术制备雷达吸波涂层时，功能梯度层还能够改善沉积过程中基底金属元素析出到雷达吸波涂层的情况；基底表面相当于反射层，能够将透过损耗层的少量电磁波重新反射回损耗层，再次进行吸收。本发明提供的雷达吸波涂层具有良好的吸波性、耐高温性、耐磨性、硬度和抗弯强度，将其应用于飞行器表面能够使飞行器具备良好的隐身性能。
而且，本发明提供的雷达吸波涂层采用激光直接沉积技术制备得到，激光直接沉积技术作为一种快速成形技术，冷却速度快；可以通过多个送粉装置一次性原位沉积多种材料；可实现金属-陶瓷过渡区的控制；热源输入和畸变较小；涂层的稀释率较低；与基底呈冶金结合；涂层的厚度可控；能进行选区沉积，材料消耗少，具备一次性利用粉末材料制备出致密的3D结构的能力，实现金属基材上一次性制备多层陶瓷复合结构，并且无需对成形件进行后处理；因此，激光直接沉积技术非常适配于制备本发明提供的多层复合结构的雷达吸波涂层，能够对各层结构的沉积进行有效控制，提高成品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的雷达吸波涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的功能梯度层、损耗层和匹配层的宏观形貌图；
图3为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层表面的XRD图；
图4为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的载荷-位移曲线图；
图5为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的断裂形态图；
图6为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样对应图5的A1区域的断裂形貌微观图；
图7为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样对应图5的A2区域的断裂形貌微观图；
图8为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的断口形貌图；
图9为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的涂层的断裂形貌图；
图10为本发明实施例提供的RACs及基底与Si3N4球的滑动时间-摩擦系数曲线图；
图11为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损情况图；
图12为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损速率柱形图；
图13为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损表面的SEM图；
图14为本发明实施例提供的维氏硬度柱形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种雷达吸波涂层，参见图1，包括：依次层叠沉积于基底表面的功能梯度层(FGC)、损耗层和匹配层。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述层叠沉积的方式为激光直接沉积，沉积所述功能梯度层、损耗层和匹配层所使用的原料依次为Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述功能梯度层(FGC)可以有效改善热膨胀系数失配以及温度梯度引起的热应力问题，且当采用激光直接沉积技术制备雷达吸波涂层时，功能梯度层还能够改善沉积过程中基底金属元素析出到雷达吸波涂层的情况。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，沉积所述功能梯度层所用混合粉末的成分包括Ti、Mo和Si3N4；所述Ti在混合粉末中的含量优选为5～15wt％，具体可为5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％、10.5wt％、11wt％、11.5wt％、12wt％、12.5wt％、13wt％、13.5wt％、14wt％、14.5wt％或15wt％，最优选为10wt％；所述Mo在混合粉末中的含量优选为5～15wt％，具体可为5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％、10.5wt％、11wt％、11.5wt％、12wt％、12.5wt％、13wt％、13.5wt％、14wt％、14.5wt％或15wt％，最优选为10wt％；所述Si3N4在混合粉末中的含量优选为70～90wt％，具体可为70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、74wt％、75wt％、76wt％、77wt％、78wt％、79wt％、80wt％、81wt％、82wt％、83wt％、84wt％、85wt％、86wt％、87wt％、88wt％、89wt％或90wt％，最优选为80wt％。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述功能梯度层的厚度优选为0.1～1.5mm，具体可为0.1mm、0.13mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述损耗层用于将透过匹配层的电磁波损耗为热能并进行有效的吸收；所述损耗层的厚度优选为0.1～1.5mm，具体可为0.1mm、0.13mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述匹配层用于调整材料的复磁导率、复介电常数，尽可能使电磁波无反射的透过；所述匹配层的厚度优选为0.1～1.5mm，具体可为0.1mm、0.13mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm。
在本发明提供的雷达吸波涂层中，所述基底相当于反射层，能够将透过损耗层的少量电磁波重新反射回损耗层，再次进行吸收；所述基底的材料包括但不限于镍基高温合金、钛合金或不锈钢，具体可为IN718高温合金。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的雷达吸波涂层的制备方法，包括以下步骤：
依次以Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末作为原料，采用激光直接沉积技术在基底表面层叠沉积功能梯度层、损耗层和匹配层，得到雷达吸波涂层。
在本发明提供的制备方法中，所述混合粉末中Ti、Mo和Si3N4的含量在前文中已经介绍，在此不再赘述；所述混合粉末的松装密度优选为2.5～3.5g/cm3，具体可为2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3、3g/cm3、3.1g/cm3、3.2g/cm3、3.3g/cm3、3.4g/cm3或3.5g/cm3；所述混合粉末的粒径优选为50～150μm，具体可为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm或150μm。
在本发明提供的制备方法中，所述SiC粉末的松装密度优选为2.5～3.5g/cm3，具体可为2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3、3g/cm3、3.1g/cm3、3.2g/cm3、3.3g/cm3、3.4g/cm3或3.5g/cm3；所述SiC粉末的粒径优选为50～150μm，具体可为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm或150μm。
在本发明提供的制备方法中，所述Si3N4粉末的松装密度优选为2.5～3.5g/cm3，具体可为2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3、3g/cm3、3.1g/cm3、3.2g/cm3、3.3g/cm3、3.4g/cm3或3.5g/cm3；所述Si3N4粉末的粒径优选为50～150μm，具体可为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm或150μm。
在本发明提供的制备方法中，为了使粉末获得良好的流动性，所述Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末在进行沉积之前，优选先进行干燥处理；所述干燥的温度优选为100～150℃，具体可为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃；所述干的时间优选为60～180min，具体可为60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min、130min、140min、150min、160min、170min或180min。
在本发明提供的制备方法中，所述Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末先加入到激光直接沉积设备的送粉器中，随后再通过所述送粉器送料进行激光直接沉积；其中，为防止粉末被氧化，所述粉末在加入到所述送粉器的同时，优选向送粉器中充入高纯惰性气体以排除送粉器中的氧气，所述高纯惰性气体优选为氩气。
在本发明提供的制备方法中，所述基底表面在进行沉积之前，优选先对其表面进行预处理，所述预处理的过程优选包括基底表面依次进行磨削、擦拭和干燥；其中，所述磨削使用的砂带优选为金刚石砂带；所述磨削的转速优选为13～15m/s，具体可为14.6m/s；所述磨削的下压力优选为12～13N，具体可为12.4N；所述磨削的进给速度优选为10～12mm/s，具体可为10.7mm/s；所述磨削后的基底表面粗糙度优选为≤0.8μm，更优选为≤0.7μm，具体可为0.6717μm；所述擦拭的试剂优选为无水乙醇。
在本发明提供的制备方法中，所述沉积时的激光功率优选为200～400W，具体可为200W、210W、220W、230W、240W、250W、260W、270W、280W、290W、300W、310W、320W、330W、340W、350W、360W、370W、380W、390W或400W，最优选为300W；所述沉积时的激光扫描速度优选为30～50mm/s，具体可为30mm/s、31mm/s、32mm/s、33mm/s、34mm/s、35mm/s、36mm/s、37mm/s、38mm/s、39mm/s、40mm/s、41mm/s、42mm/s、43mm/s、44mm/s、45mm/s、46mm/s、47mm/s、48mm/s、49mm/s或50mm/s，最优选为40mm/s；所述沉积时的光斑直径优选为2～3mm，具体可为2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3mm，最优选为2.5mm。
在本发明提供的制备方法中，所述沉积时的保护气体流量优选为3～8L/min，具体可为3L/min、3.5L/min、4L/min、4.5L/min、5L/min、5.5L/min、6L/min、6.5L/min、7L/min、7.5L/min或8L/min，最优选为5L/min。
在本发明提供的制备方法中，通过控制沉积功能梯度层、损耗层和匹配层时的沉积层数来调控相应功能层的厚度，相邻两次沉积操作间的冷却时间优选为20～40s，具体可为20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、34s、35s、36s、37s、38s、39s或40s，最优选为30s。
本发明还提供了一种飞行器，所述飞行器的外表面设置有上述技术方案所述的雷达吸波涂层或上述技术方案所述制备方法制得的雷达吸波涂层。
本发明提供的技术方案通过对雷达吸波涂层的结构进行优化设计，能够使雷达吸波涂层具有良好的吸波性、耐高温性、耐磨性、硬度和抗弯强度，将其应用于飞行器表面能够使飞行器具备良好的隐身性能。而且，本发明提供的雷达吸波涂层采用激光直接沉积技术制备得到，激光直接沉积技术作为一种快速成形技术，冷却速度快；可以通过多个送粉装置一次性原位沉积多种材料；可实现金属-陶瓷过渡区的控制；热源输入和畸变较小；涂层的稀释率较低；与基底呈冶金结合；涂层的厚度可控；能进行选区沉积，材料消耗少，具备一次性利用粉末材料制备出致密的3D结构的能力，实现金属基材上一次性制备多层陶瓷复合结构，并且无需对成形件进行后处理；因此，激光直接沉积技术非常适配于制备本发明提供的多层复合结构的雷达吸波涂层，能够对各层结构的沉积进行有效控制，提高成品质量。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
制备图1所示结构雷达吸波涂层，具体过程如下：
将Ti粉末、Mo粉末和Si3N4的粉末按照Ti:Mo:Si3N4＝10％:10％:80％的质量百分配比放入卧式球磨机中研磨12h，使粉末充分混合，得到Ti、Mo和Si3N4的混合粉末(简记为FGC粉末)，备用；并准备SiC粉末和Si3N4粉末，备用；三种粉末的性能指标如表1所示。
表1粉末的性能指标
为了使粉末获得良好的流动性，将SiC粉末、Si3N4粉末和FGC粉末放入干燥箱中，120℃下保温120min；待粉末随干燥箱冷却后立即放入送粉器中，同时充入高纯氩气排除送粉器中的氧气防止粉末被氧化。
采用砂带磨削技术对基底(IN718高温合金)表面进行磨削处理，磨削工艺参数如表2所示，磨削处理后表面更平整，光泽感更强，粗糙度变小，约为0.6717μm；然后利用无水乙醇擦拭表面的污渍，放入干燥箱中干燥备用。
表2磨削处理工艺参数
基底表面磨削处理后，依次以上述加入送粉器中的FGC粉末、SiC粉末和Si3N4粉末作为原料，采用表3中所列工艺参数在基底表面进行激光直接沉积，依次形成功能梯度层(FGC)、损耗层和匹配层，得到图1所示结构的雷达吸波涂层。
表3激光直接沉积雷达吸波涂层工艺参数
在本实施例中，所述雷达吸波涂层的三层的宏观形貌如图2所示，图2为本发明实施例1提供的功能梯度层、损耗层和匹配层的宏观形貌图。
在本实施例中，所得雷达吸波涂层的功能梯度层厚度为550.4μm，损耗层厚度为420μm，匹配层厚度为132.2μm。
实施例2
对实施例1制备的雷达吸波涂层进行分析表征，具体如下：
(1)物相分析
图3为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层表面的XRD图。由图3可知，雷达吸波涂层表面的物相主要有SiC，SiCN和Si，样品中Si的衍射峰相对较低，SiC与SiCN的衍射峰相对较高；可见在高温下，样品中激光直接沉积的Si3N4与Si直接氮化生成的氮化硅一起参与反应，在非晶碳的作用下完全向SiCN转变。
(2)介电常数
高温雷达吸波涂层(RACs)通常是介电损耗RACs，极化损耗是介电损耗的RACs的吸收和衰减机制的类型之一；复介电常数ε是反应介电损耗RACs在电磁场中极化能力的一个重要参数；复介电常数一般用复数形式表示如公式(1)所示，其实部反映电磁波传播时状态的改变，如相位、相速、波阻抗等的改变；其虚部代表材料在外加电场作用下材料电偶矩产生重排引起损耗的量度，表征材料的电损耗特征，反映物质的电磁波衰减和能量损耗特性。
ε＝ε′-jε″ 式(1)。
本实施例通过网络分析仪，根据GB/T1409-2006在15GHz的频率下测得实施例1所制备的RACs的介电常数ε为7.382，介电常数的实部ε′为7.254，虚部ε″为4.32125，损耗因子tanδ＝0.5833；介电常数的虚部越大，tanδ损耗因子越大，则电磁波的能量损耗越大，越有利于对电磁波的吸收，由此可知，实施例1通过激光直接沉积制备的RACs具有隐身性能。
(3)抗弯强度及断口形貌分析
评估涂层-基底机械强度的最简单方法之一是三点弯曲试验，图4为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的载荷-位移曲线图，观察载荷-位移曲线，在A点之前载荷呈线性增长趋势；在这个阶段，涂层与基体材料弹性协调变形，材料内部有持续细小裂纹产生，形成内部缺陷，但表面裂纹并未产生，到达A点(弹性极限点)后，预置裂纹处开始出现裂纹的萌生，A点之后，曲线的斜率开始降低，材料发生弹性变形到塑性变形转变；A点到B点期间，材料内部分子粘聚力抵抗外界载荷力，裂纹并未扩展。到达B点之后，出现脆响，涂层达到断裂阈值，涂层失去抵抗裂纹的扩展能力，此时载荷即为涂层断裂的临界载荷3072N，由于涂层与基体是冶金结合，因此涂层断裂后不会从界面剥落；继续施加作用力，裂纹继续向下扩展，伴随裂尖多条裂纹的产生，基底多次断裂导致载荷-位移曲线多次出现突变的现象，试验过程中每当载荷曲线呈现突变下降状态的时候，可明显听到断裂的声音；在弯曲位移为4.2mm，弯曲载荷为3078N的时候完全断裂；抗弯强度为1282.5MPa比烧结工艺制备的Si3N4/SiC梯度材料的抗弯强度1038MPa高了约23.5％。
图5～9为对RACs试样三点弯曲后的断口进行SEM分析获得的分析结果，其中，图5为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的断裂形态图，图6为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样对应图5的A1区域的断裂形貌微观图，图7为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样对应图5的A2区域的断裂形貌微观图，图8为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的断口形貌图，图9为本发明提供的实施例1雷达吸波涂层试样的涂层的断裂形貌图。
通过图5可以观察出明显的颈缩现象，在断裂形态的边缘形成浅缺口；A1区域是基底的断裂形貌微观图(图6)，能明显观察到孔隙和裂纹；A2区域是涂层的断裂形貌微观图(图7)，观察发现有一道十分明显的裂纹，这条裂纹在未熔颗粒表面，说明未熔颗粒会导致组织应力集中，促发裂纹的萌生与扩展。
通过图8可以观察发现大韧窝周围聚集着许多的小韧窝，同时还观察到撕裂脊，表明在受到外力拉伸时，不会立即发生断裂而是先在材料内部发生撕裂、拉伸、变形；通过图9可以明显观察到解理面，在断裂过程中树枝状析出物会导致应力增大，当材料的裂纹扩展临界应力低于屈服强度的时候，裂纹就会随着解离面扩展，先后产生的孪晶之间发生碰撞，产生位错滑移；韧窝和撕裂脊是韧性断裂模形的经典特征，解理面是脆性断裂模形的典形特征，所以基底的主要断裂模式为韧性断裂，涂层的主要断裂模式为脆性断裂。
(4)摩擦磨损
(4.1)摩擦系数
为了评估RACs摩擦磨损性能，对实施例1制备的RACs和未进行沉积的基底材料在40N条件下进行了干摩擦实验，结果如图10所示，图10为本发明实施例提供的RACs及基底与Si3N4球的滑动时间-摩擦系数曲线图。
试样的摩擦过程一般包含磨合阶段和稳定阶段，观察图10中的滑动时间-摩擦系数曲线符合这一点，可以看出RACs和基底的摩擦系数都先增大然后趋于平稳；在开始的磨合阶段摩擦系数急剧升高，这是由于摩擦接触表面的粗糙度较高造成的，随着磨损距离的增加进入稳定阶段，摩擦系数稳定在一个范围内发生波动并表现出动态平衡的状态；对RACs和基底的摩擦系数进行拟合后发现涂层的摩擦系数稳定在0.0708上下，基底的摩擦系数稳定在0.1432上下，RACs的摩擦系数比基底的摩擦系数小了约50％；说明RACs具有较好的耐磨性。
(4.2)磨损量
涂层的耐磨性是评价激光直接沉积涂层性能得重要指标之一；可以通过磨损率的大小评估耐磨性，测量磨损率的方法有两种：用磨损体积代表磨损率，利用仪器和公式计算出试样的磨损体积；另一种是用失重量代表试样的磨损率，利用电子天平测量试样摩擦磨损前后质量，得出试样磨损失重量。由于磨损过程中，摩擦移动距离较少，摩擦时间短，涂层的失重量相对较少，且电子天平的精度极易受到电压、温度、气流震动、操作者等因素的影响，所以采用电子天平获得磨损失重量去评估试样的耐磨性是不准确的；因此本专利采用计算磨损体积的方法去评估耐磨性，当对磨副SiC陶瓷球与试样接触时，试样表面作为一个平面与球相交，相交的图形为圆形，磨痕的宽度就是圆形的直径，通过计算SiC陶瓷球截面以下的体积作为磨损体积，并定量计算单位时间的磨损体积损失量作为体积磨损率的表征，磨损体积(WV)以及磨损速率(WR)按照公式(2)、(3)计算。
式(2)～(3)中，R是对磨副SiC陶瓷球半径，R＝4.7625mm，b是磨损宽度，l是滑动距离，N是加载载荷。
实施例1制备的RACs和未进行沉积的基底材料磨损后磨痕的微观形貌如图11所示，图11为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损情况图，其中(a)图为RACs，(b)图为基底。通过图11可以看出，相比涂层的划痕，未进行涂层沉积的基底的磨损痕迹更大，磨损情况更严重；取RACs和基底磨损宽度较均匀的部分测得磨损宽度h，并保证所取部分的滑动距离相同；然后带入公式，估算磨损量的大小。
实施例1制备的RACs和未进行沉积的基底材料的磨损速率如图12所示，图12为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损速率柱形图。通过图12可以看出，实施例1制备的RACs的磨损率为7.9×10-4mm3N-1mm-1，未进行沉积的基底材料的磨损率为11.3×10-4mm3N-1mm-1；显而易见，RACs的磨损率比基底的磨损率低约30.08％；这是由于涂层中有SiC、SiCN等硬质相，这些硬质相提高涂层硬度的同时降低了摩擦过程中SiC摩擦副与沉积层表面的黏着，当发生剧烈磨损的时候，硬质相的颗粒首先发生硬质相颗粒的破裂，对RACs的磨损有抗磨作用，因此RACs具有较好的耐磨性。
(4.3)磨损机理
参见图13，图13为本发明实施例提供的RACs和基底的磨损表面的SEM图，其中，(a)图为未进行沉积的基底材料的磨损表面SEM图，(b)图为(a)图的局部放大图，(c)图为实施例1制备的RACs的磨损表面SEM图，(d)图为(c)图的局部放大图。
结合图13(a)和图13(b)可以看出，基底的磨痕清晰，在磨痕的边缘部分存在明显的磨削粘着现象；在干摩擦的过程中，摩擦热的产生速度远快于其传导速度，强烈的局部热在磨损表面产生严重的粘附，导致材料转移，使得SiC颗粒存在于磨削中，从而大幅增加摩擦系数，并导致磨损率的提高；观察图13(b)发现磨痕中有较大的裂纹且方向与磨损滑动的方向垂直；另外还发现基底在滑动摩擦的过程中产生大量的磨粒，被法向载荷压入摩擦表面，这些微凸峰能够相互嵌合并产生撞击，材料因塑性变形产生槽状磨痕形成犁沟效应，在反复摩擦过程中，褶皱破碎成碎片并脱落；可以看出基底的磨损机理以犁沟效应、粘着磨损、磨粒磨损为主。
结合图13(c)和图13(d)可以发现，RACs的磨损表面表现出平整的形貌且磨痕边缘处无磨削堆积，因此具有较低的摩擦系数；观察图13(d)发现磨损表面存在大小不同、深浅不一的凹坑，这是由于对磨副SiC陶瓷球在RACs表面滑动时，在接触区域的循环应力超过材料的疲劳强度，表面层引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂并剥落，这种特征是典形的疲劳磨损；另外还发现磨损表面存在许多磨粒，磨损过程中产生的小颗粒的磨粒可以形成硬质微凸体，在摩擦副的推动下，硬质磨粒在涂层表面滑动引起表面材料脱落，因为部分陶瓷发生了偏聚导致结合力下降，呈现出典形的磨粒磨损现象；但这些硬质微凸体可以有效的承载载荷并在抵抗涂层塑性变形方面发挥重要作用；因此在基体上沉积RACs可以有效提高其耐磨性能。
(5)维氏硬度
采用纳米压痕仪对RACs涂层的维氏硬度进行检测，涂层与基体的结合区域以及基底的维氏硬度如图14所示，图14为本发明实施例提供的维氏硬度柱形图。通过图14可以看出，RACs涂层的维氏硬度为852.28HV，涂层与基底的结合区域的维氏硬度为531.76HV，基底的维氏硬度为168.39HV，RACs的维氏硬度比基底高了约4倍；随着沉积方向硬度值越大，说明FGC很好的改善了基底金属元素析出到涂层的情况。
实施例3
参照实施例1的具体过程制备雷达吸波涂层，其区别在于，将FGC粉末的成分调整为：15％Ti、15％Mo和70％Si3N4。
按照实施例2提供的评价方式对本实施例制备的吸波涂层进行性能评价，结果显示，虽然该雷达吸波涂层也具备吸波性和耐高温性，但综合性能不及实施例1。
实施例4
参照实施例1的具体过程制备雷达吸波涂层，其区别在于，将FGC粉末的成分调整为：5％Ti、5％Mo和90％Si3N4。
按照实施例2提供的评价方式对本实施例制备的吸波涂层进行性能评价，结果显示，虽然该雷达吸波涂层也具备吸波性和耐高温性，但综合性能不及实施例1。
对比例1
参照实施例1的具体过程制备雷达吸波涂层，其区别在于，将损耗层和匹配层合并为一层，即，将依次沉积SiC粉末和Si3N4粉末，调整为直接沉积SiC和Si3N4的混合粉末；在本对比例中，SiC在混合粉末中的含量为15wt％，混合粉末的总沉积厚度约为550μm。
按照实施例2提供的评价方式对本对比例制备的吸波涂层进行性能评价，结果显示，该雷达吸波涂层的吸波性能远不及实施例1。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种雷达吸波涂层，其特征在于，包括：依次层叠沉积于基底表面的功能梯度层、损耗层和匹配层；
所述层叠沉积的方式为激光直接沉积，沉积所述功能梯度层、损耗层和匹配层所使用的原料依次为Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末。
2.根据权利要求1所述的雷达吸波涂层，其特征在于，所述Ti在混合粉末中的含量为5～15wt％；所述Mo在混合粉末中含量为5～15wt％；所述Si3N4在混合粉末中含量为70～90wt％。
3.根据权利要求2所述的雷达吸波涂层，其特征在于，所述Ti在混合粉末中的含量为10wt％；所述Mo在混合粉末中的含量为10wt％；所述Si3N4在混合粉末中的含量为80wt％。
4.根据权利要求1所述的雷达吸波涂层，其特征在于，所述功能梯度层的厚度为0.1～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的雷达吸波涂层，其特征在于，所述损耗层的厚度为0.1～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的雷达吸波涂层，其特征在于，所述匹配层的厚度为0.1～1.5mm。
7.一种权利要求1～6任一项所述的雷达吸波涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
依次以Ti、Mo和Si3N4的混合粉末、SiC粉末和Si3N4粉末作为原料，采用激光直接沉积技术在基底表面层叠沉积功能梯度层、损耗层和匹配层，得到雷达吸波涂层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm；所述SiC粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm；所述Si3N4粉末的松装密度为2.5～3.5g/cm3，粒径为50～150μm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述沉积时的激光功率为200～400W，激光扫描速度为30～50mm/s，光斑直径为2～3mm，保护气体流量为3～8L/min，相邻两次沉积操作间的冷却时间为20～40s。
10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器的外表面设置有权利要求1～6任一项所述的雷达吸波涂层或权利要求7～9任一项所述制备方法制得的雷达吸波涂层。
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