專利名稱：一種快速制備Ti₃Al/TiN復(fù)合涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈦合金表面改性領(lǐng)域，具體為一種激光原位快速制備Ti3AVTiN陶瓷 基復(fù)合涂層的方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，如良好的耐蝕性、高強(qiáng)度以及良好的生物相容性，使 其在航天、航空、化工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鈦合金的硬度較低、耐磨 性能差，且難以潤(rùn)滑，使其在眾多關(guān)鍵部件的應(yīng)用受到極大限制。因此采用有效的表面改性 手段來提高鈦合金構(gòu)件的耐磨性能及使用壽命便成為航空等工業(yè)發(fā)展中的重要研究方向。Ti3Al涂層由于具有較高的硬度及較好的高溫穩(wěn)定性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于提高鈦合 金的耐磨性及抗高溫氧化性能。但是Ti3Al屬于一種金屬間化合物，其硬度相對(duì)陶瓷較低， 不能在軸、齒輪等傳動(dòng)零部件上長(zhǎng)期服役。如何制備包含Ti3Al的高硬度金屬/陶瓷復(fù)合涂 層，是業(yè)內(nèi)人士近年來廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。有研究表明在Ti3Al植入TiN陶瓷增強(qiáng)相， 形成具有高硬度、高耐磨性及高抗氧化性能的復(fù)合涂層，能夠明顯的改善Ti3Al涂層及鈦合 金的耐磨性與高溫穩(wěn)定性。目前傳統(tǒng)的有關(guān)TiN基復(fù)合涂層的制備方法主要有磁控濺射法(MS)、空心陰極離 子鍍(HCD)、多弧離子鍍、射頻濺射和離子束輔助沉積法(IBAD)等，它們均能得到厚度較低 的硬質(zhì)薄膜。但上述方法都有一些共同的缺點(diǎn)。一方面，采用上述設(shè)備制備Ti3AVTiN時(shí) 間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成本較高、沉積效率低，一次完成復(fù)合涂層的合成，還很難實(shí)現(xiàn)；另一方面， 傳統(tǒng)的方法制備的薄膜厚度只能維持在亞微米級(jí)別，薄膜與基體之間存有明顯的界面，結(jié) 合性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決鈦合金關(guān)鍵零部件表面磨損問題，本發(fā)明的目的在于提供一種快速制備 Ti3AVTiN復(fù)合涂層的工藝方法。采用本工藝方法可以針對(duì)鈦合金制備的關(guān)鍵零部件(如 軸、葉片)進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，也可以對(duì)磨損減少尺寸的鈦合金零部件進(jìn)行局部幾何尺寸 及性能恢復(fù)，并達(dá)到再制造延壽的目的。本發(fā)明提供的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，包括A)、在Ti6Al4V基體表面等離子噴涂鋁粉，預(yù)置一層純鋁涂層；B)、將預(yù)置所述純鋁涂層的所述基體置于純氮?dú)鈿夥罩?，利用激光束?duì)所述純鋁 涂層進(jìn)行掃描，在所述基體表面快速原位生成Ti3AVTiN復(fù)合涂層。優(yōu)選的，所述氮?dú)獾募兌?gt; 99. 99%。進(jìn)一步的，本發(fā)明的方法還包括在所述步驟A前將所述基體放置于丙酮溶液中進(jìn) 行表面化學(xué)超聲波清洗，然后進(jìn)行表面噴砂處理的步驟。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述鋁粉的純度高于99%，顆粒度大小為50 100 μ m。所述純鋁涂層的厚度為150 200 μ m。所述等離子噴涂的試驗(yàn)參數(shù)為工作電流
3為600A,工作電壓為60V,氬氣壓力0. 4MPa，氫氣壓力0. 25MPa，送粉速度為3. 086g/min, 噴涂距離為150mm。所述利用激光束對(duì)所述純鋁涂層進(jìn)行掃描的過程參數(shù)為激光功率為 2. 0 3. 5KW，掃描速度為100 300mm/min，離焦量為0mm，氮?dú)饬髁繛?0 100L/min。本發(fā)明的方法，可以提高鈦及鈦合金表面硬度、耐磨性及抗氧化性。方法簡(jiǎn)單、成 本低，時(shí)間短，易于操作，得到的復(fù)合涂層厚度較大，涂層與基體之間為冶金結(jié)合，且無明顯 界面。


圖1為激光表面處理裝置示意圖。圖2為實(shí)施例1反應(yīng)產(chǎn)物的X-ray衍射圖。圖3為實(shí)施例1反應(yīng)產(chǎn)物的光學(xué)顯微鏡照片。圖4為實(shí)施例2反應(yīng)產(chǎn)物的X-ray衍射圖。圖5為實(shí)施例2反應(yīng)產(chǎn)物的光學(xué)顯微鏡照片。圖6為實(shí)施例3反應(yīng)產(chǎn)物的X-ray衍射圖。圖7為實(shí)施例3反應(yīng)產(chǎn)物的光學(xué)顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本 發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例1-3中，用于等離子噴涂的Al粉的純度高于99%，顆粒度大小為 50 100 μ m,由北京礦冶研究總院金屬材料研究所生產(chǎn)；Al涂層的等離子噴涂在北京航空 工藝研究所生產(chǎn)的APS-2000型等離子噴涂裝置上進(jìn)行；采用如圖1所示的上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪 激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CP4000型CO2激光加工系統(tǒng)作為激光表面處理裝置在氮?dú)猸h(huán)境 下激光原位合成復(fù)合涂層。實(shí)施例1將厚度為5mm的鈦合金基體(Ti6Al4V)表面進(jìn)行化學(xué)超聲波清洗，并進(jìn)行表面噴砂 處理；然后采用等離子噴涂裝置在基體表面沉積厚度為150 200 μ m的純Al涂層，噴涂 工藝參數(shù)為工作電流為600A，工作電壓為60V，氬氣壓力0. 4MPa,氫氣壓力0. 25MPa,送粉 速度為3. 086g/min，噴涂距離為150mm，所用鋁粉顆粒度大小為50 100 μ m。采用如圖1 所示的激光表面處理裝置，將Al涂層表面打磨至0. 15mm后將涂層試樣3放入激光加工系 統(tǒng)的密閉的反應(yīng)室2中，抽真空，反應(yīng)室2內(nèi)的氣體從出氣口 5排出，形成真空環(huán)境，然后不 斷地從進(jìn)氣口 6通入氮?dú)?，充氣時(shí)間> 5分鐘，使反應(yīng)室2內(nèi)充滿氮?dú)?；將產(chǎn)生CO2激光束 的環(huán)形激光噴嘴放入真空的反應(yīng)室，并對(duì)準(zhǔn)涂層邊緣；開啟CO2激光器1，激光束7經(jīng)積分鏡 8折射后經(jīng)環(huán)形噴嘴輸出，同時(shí)在激光光束7周圍的保護(hù)氣通道中通入氮?dú)?，讓激光光束?速掃過涂層4，使N在高溫環(huán)境下與Al、Ti反應(yīng)，在基體表面快速原位生成Ti3AVTiN復(fù)合 涂層。激光功率為3. 5KW，掃描速度為200mm/min，氮?dú)饬髁繛?0L/min。當(dāng)激光噴嘴掃描速度為200mm/min時(shí)，制備的復(fù)合涂層表面X_ray衍射圖如圖2 所示，X射線衍射物相分析的分析結(jié)果表明涂層中的主要成分為TiN和Ti3Al兩種物相。 其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡照片如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層表面光滑平亮，呈金黃色，涂層表面及內(nèi)部無氣孔、裂紋，涂層與鈦合金基體之間為冶金結(jié)合，組織均勻，無冶金缺陷 存在；復(fù)合涂層的厚度約為700mm。實(shí)施例2將厚度為5mm的鈦合金基體(Ti6Al4V)表面進(jìn)行化學(xué)超聲波清洗，并進(jìn)行表面噴砂 處理；然后采用等離子噴涂裝置在基體表面沉積厚度為150 200 μ m的純Al涂層，噴涂 工藝參數(shù)為工作電流為600A，工作電壓為60V，氬氣壓力0. 4MPa，氫氣壓力0. 25MPa，送粉 速度為3. 086g/min，噴涂距離為150mm，所用鋁粉顆粒度大小為50 100 μ m。采用如圖1 所示的激光表面處理裝置，將Al涂層表面打磨至0. 15mm后將涂層試樣3放入激光加工系 統(tǒng)的密閉的反應(yīng)室2中，抽真空，反應(yīng)室2內(nèi)的氣體從出氣口 5排出，形成真空環(huán)境，然后不 斷地從進(jìn)氣口 6通入氮?dú)?，充氣時(shí)間> 5分鐘，使反應(yīng)室2內(nèi)充滿氮?dú)?；將產(chǎn)生CO2激光束 的環(huán)形激光噴嘴放入真空的反應(yīng)室，并對(duì)準(zhǔn)涂層邊緣；開啟CO2激光器1，激光束7經(jīng)積分鏡 8折射后經(jīng)環(huán)形噴嘴輸出，同時(shí)在激光光束7周圍的保護(hù)氣通道中通入氮?dú)?，讓激光光束?速掃過涂層4，使N在高溫環(huán)境下與Al、Ti反應(yīng)，在基體表面快速原位生成Ti3AVTiN復(fù)合 涂層。激光功率為3. 5KW，掃描速度為300mm/min，氮?dú)饬髁繛?0L/min。當(dāng)激光噴嘴掃描速度為300mm/min時(shí)，制備的復(fù)合涂層表面X_ray衍射圖如圖4 所示，X射線衍射物相分析的分析結(jié)果表明涂層中的主要成分為TiN和Ti3Al兩種物相。 其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡照片如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)涂層表面光滑平亮，呈金黃色， 涂層表面及內(nèi)部無氣孔、裂紋，涂層與鈦合金基體之間為冶金結(jié)合，組織均勻，無冶金缺陷 存在；復(fù)合涂層的厚度約為600mm。實(shí)施例3將厚度為5mm的鈦合金基體(Ti6Al4V)表面進(jìn)行化學(xué)超聲波清洗，并進(jìn)行表面噴砂 處理；然后采用等離子噴涂裝置在基體表面沉積厚度為150 200 μ m的純Al涂層，噴涂 工藝參數(shù)為工作電流為600A，工作電壓為60V，氬氣壓力0. 4MPa，氫氣壓力0. 25MPa，送粉 速度為3. 086g/min，噴涂距離為150mm，所用鋁粉顆粒度大小為50 100 μ m。采用如圖1 所示的激光表面處理裝置，將Al涂層表面打磨至0. 15mm后將涂層試樣3放入激光加工系 統(tǒng)的密閉的反應(yīng)室2中，抽真空，反應(yīng)室2內(nèi)的氣體從出氣口 5排出，形成真空環(huán)境，然后不 斷地從進(jìn)氣口 6通入氮?dú)?，充氣時(shí)間> 5分鐘，使反應(yīng)室2內(nèi)充滿氮?dú)猓粚a(chǎn)生CO2激光束 的環(huán)形激光噴嘴放入真空的反應(yīng)室，并對(duì)準(zhǔn)涂層邊緣；開啟CO2激光器1，激光束7經(jīng)積分鏡 8折射后經(jīng)環(huán)形噴嘴輸出，同時(shí)在激光光束7周圍的保護(hù)氣通道中通入氮?dú)?，讓激光光束?速掃過涂層4，使N在高溫環(huán)境下與Al、Ti反應(yīng)，在基體表面快速原位生成Ti3AVTiN復(fù)合 涂層。激光功率為3. 5KW，掃描速度為400mm/min，氮?dú)饬髁繛?0L/min。當(dāng)激光噴嘴掃描速度為400mm/min時(shí)，制備的復(fù)合涂層表面X_ray衍射圖如圖6 所示，X射線衍射物相分析的分析結(jié)果表明涂層中的主要成分為TiN和Ti3Al兩種物相。 其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡照片如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層表面光滑平亮，呈金黃色， 涂層表面及內(nèi)部無氣孔、裂紋，涂層與鈦合金基體之間為冶金結(jié)合，組織均勻，無冶金缺陷 存在；復(fù)合涂層的厚度約為500mm。從實(shí)施例1-3的結(jié)果可以看出采用不用的激光噴嘴掃描速度，涂層內(nèi)部的微觀 組織及涂層的厚度均有所改變，但是涂層與基體之間均是冶金結(jié)合。因此，可以根據(jù)基體厚 度的不同及涂層厚度的需要，適當(dāng)選取激光工藝參數(shù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)Ti-Al和Ti-N兩個(gè)體系同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，并相互作用，可一次性合成Ti3Al-TiN 復(fù)合涂層，簡(jiǎn)化合成過程；(2)激光加熱方式無污染、無接觸，加熱及冷卻速率高；基體熱變形小，可以通過 改變激光工藝參數(shù)及氮?dú)饬髁繉?shí)現(xiàn)不同厚度涂層的制備；(3)能夠有選擇的對(duì)零部件局部區(qū)域進(jìn)行修復(fù)或延壽，操作時(shí)間短，制備工藝簡(jiǎn) 單，易于操作；(4)本發(fā)明制的Ti3AVTiN復(fù)合涂層厚度較大，涂層與基體之間為冶金結(jié)合，無明 顯界面。
權(quán)利要求
一種快速制備Ti3Al/TiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，包括A)、在Ti6Al4V基體表面等離子噴涂鋁粉，預(yù)置一層純鋁涂層；B)、將預(yù)置所述純鋁涂層的所述基體置于純氮?dú)鈿夥罩?，利用激光束?duì)所述純鋁涂層進(jìn)行掃描，在所述基體表面快速原位生成Ti3Al/TiN復(fù)合涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，還包括在所 述步驟A前將所述基體放置于丙酮溶液中進(jìn)行表面化學(xué)超聲波清洗，然后進(jìn)行表面噴砂處 理的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，所述鋁粉的 純度高于99%，顆粒度大小為50 100 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，所述純鋁涂 層的厚度為150 200 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，所述等離子噴 涂的試驗(yàn)參數(shù)為工作電流為600A，工作電壓為60V，氬氣壓力0. 4MPa，氫氣壓力0. 25MPa, 送粉速度為3. 086g/min，噴涂距離為150mm。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，所述利用激 光束對(duì)所述純鋁涂層進(jìn)行掃描的過程參數(shù)為激光功率為2. 0 3. 5KW，掃描速度為100 300mm/min，離焦量為0mm，氮?dú)饬髁繛?0 100L/min。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的快速制備Ti3AVTiN復(fù)合涂層的方法，其特征在于，所述氮?dú)獾募?度> 99. 99%。
全文摘要
本發(fā)明公開了快速制備Ti3Al/TiN復(fù)合涂層的方法，先在Ti6Al4V基體表面等離子噴涂鋁粉，預(yù)置一層純鋁涂層；然后在純氮真空環(huán)境下，利用激光束對(duì)所述純鋁涂層進(jìn)行掃描，使Al、Ti、N之間發(fā)生反應(yīng)，在所述基體表面快速原位生成Ti3Al/TiN復(fù)合涂層。本發(fā)明的方法時(shí)間短，成本低，且工藝簡(jiǎn)單，易于操作，復(fù)合涂層厚度較大，涂層與基體之間為冶金結(jié)合，無明顯界面。
文檔編號(hào)C23C28/00GK101906631SQ20101025466
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者張顯程, 涂善東, 王正東, 軒福貞, 邵冬冬 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)