[发明专利]一种快速制备Ti3Al/TiN复合涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金表面改性领域，具体为一种激光原位快速制备Ti₃Al/TiN陶瓷基复合涂层的方法。

背景技术

钛合金具有优异的综合性能，如良好的耐蚀性、高强度以及良好的生物相容性，使其在航天、航空、化工和生物医学领域具有广泛的应用前景。然而，钛合金的硬度较低、耐磨性能差，且难以润滑，使其在众多关键部件的应用受到极大限制。因此采用有效的表面改性手段来提高钛合金构件的耐磨性能及使用寿命便成为航空等工业发展中的重要研究方向。

Ti₃Al涂层由于具有较高的硬度及较好的高温稳定性，已经广泛应用于提高钛合金的耐磨性及抗高温氧化性能。但是Ti₃Al属于一种金属间化合物，其硬度相对陶瓷较低，不能在轴、齿轮等传动零部件上长期服役。如何制备包含Ti₃Al的高硬度金属/陶瓷复合涂层，是业内人士近年来广泛关注的热点问题。有研究表明：在Ti₃Al植入TiN陶瓷增强相，形成具有高硬度、高耐磨性及高抗氧化性能的复合涂层，能够明显的改善Ti₃Al涂层及钛合金的耐磨性与高温稳定性。

目前传统的有关TiN基复合涂层的制备方法主要有磁控溅射法(MS)、空心阴极离子镀(HCD)、多弧离子镀、射频溅射和离子束辅助沉积法(IBAD)等，它们均能得到厚度较低的硬质薄膜。但上述方法都有一些共同的缺点。一方面，采用上述设备制备Ti₃Al/TiN时间长、工艺复杂、成本较高、沉积效率低，一次完成复合涂层的合成，还很难实现；另一方面，传统的方法制备的薄膜厚度只能维持在亚微米级别，薄膜与基体之间存有明显的界面，结合性能较差。

发明内容

为了解决钛合金关键零部件表面磨损问题，本发明的目的在于提供一种快速制备Ti₃Al/TiN复合涂层的工艺方法。采用本工艺方法可以针对钛合金制备的关键零部件(如轴、叶片)进行表面强化处理，也可以对磨损减少尺寸的钛合金零部件进行局部几何尺寸及性能恢复，并达到再制造延寿的目的。

本发明提供的快速制备Ti₃Al/TiN复合涂层的方法，包括：

A)、在Ti₆Al₄V基体表面等离子喷涂铝粉，预置一层纯铝涂层；

B)、将预置所述纯铝涂层的所述基体置于纯氮气气氛中，利用激光束对所述纯铝涂层进行扫描，在所述基体表面快速原位生成Ti₃Al/TiN复合涂层。

优选的，所述氮气的纯度＞99.99％。

进一步的，本发明的方法还包括在所述步骤A前将所述基体放置于丙酮溶液中进行表面化学超声波清洗，然后进行表面喷砂处理的步骤。

根据本发明的优选实施例，所述铝粉的纯度高于99％，颗粒度大小为50～100μm。所述纯铝涂层的厚度为150～200μm。所述等离子喷涂的试验参数为：工作电流为600A，工作电压为60V，氩气压力0.4MPa，氢气压力0.25MPa，送粉速度为：3.086g/min，喷涂距离为150mm。所述利用激光束对所述纯铝涂层进行扫描的过程参数为：激光功率为2.0～3.5KW，扫描速度为100～300mm/min，离焦量为0mm，氮气流量为40～100L/min。

本发明的方法，可以提高钛及钛合金表面硬度、耐磨性及抗氧化性。方法简单、成本低，时间短，易于操作，得到的复合涂层厚度较大，涂层与基体之间为冶金结合，且无明显界面。

附图说明

图1为激光表面处理装置示意图。

图2为实施例1反应产物的X-ray衍射图。

图3为实施例1反应产物的光学显微镜照片。

图4为实施例2反应产物的X-ray衍射图。

图5为实施例2反应产物的光学显微镜照片。

图6为实施例3反应产物的X-ray衍射图。

图7为实施例3反应产物的光学显微镜照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。