[发明专利]钛合金表面TiSiN纳米复合涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明钛合金表面TiSiN纳米复合涂层的制备方法，属于涂层材料制备技术领域，特别是涉及一种TiSiN纳米晶超硬涂层的制备方法。

背景技术

钛合金由于具有抗腐蚀性强、强度高、耐热性高、生物相容性高等突出优点，被广泛应用于航空航天、化工、冶金、核能、医疗以及原子能等各个技术领域。然而，其硬度低、耐磨性能差，严重影响了钛合金的使用性能及应用范围。因此，提高钛合金的表面硬度及耐磨性能一直是国内外钛合金研究与应用领域所关注的焦点。

为了提高钛合金的使用性能，学者们采用表面改性技术来提高其耐磨性。其中激光气体氮化工艺又称为激光气体合金化技术，是属于激光表面合金化的一种。其主要工作原理是利用高能激光束作为热源，照射工件表面使其熔化形成液相金属熔池;同时将氮气中的氮分子激活为活性氮原子，使其在熔池中与金属液体发生强烈的化学、冶金反应，并随着热源的移动而快速冷却、凝固，形成枝晶状的氮化物表层，从而提高基材的表面硬度和耐磨性，是近年来发展起来的一种比较热门的表面改性技术。人们虽然在激光表面氮化工艺方面做了大量的研究工作，但工艺参数的重现性和可信度不大，试验结果往往难以相互引用，工艺理论研究尚不成熟，目前还有一些十分突出、急需解决的问题。氮化层中裂纹的存在就是其中一个最主要的问题。

近年来，国内外学者对激光氮化工艺的研究热点之一是如何避免氮化层开裂以及优化涂层质量，对其相关工艺采取了许多相应的调整措施并积累了丰富的经验，取得了一定的成果。激光氮化过程一般在室温下进行，抑制涂层开裂对开拓激光氮化技术的生产应用有着十分重要的现实意义。为了得到厚度均匀且无裂纹的氮化涂层，研究人员通常从以下几个方面着手：

（1）调整涂层的应力状态，尽可能的降低涂层中的拉应力；

（2）优化工艺方法和工艺参数，从而减少涂层的开裂；

（3）添加合金元素，提高涂层的抗开裂能力。该方法主要通过两种途径来减缓涂层的开裂：一种是在涂层中添加韧性相，通过添加某种或几种合金元素，在满足某种使用性能的基础上，添加新的韧性相，提高涂层的韧性。这种方法对抑制涂层热裂纹的产生是一种有效的方法，但同时也会降低涂层的硬度以及其使用性能。另外一种途径是改变其组织状态。通过添加某相对原涂层中有害夹杂有更大的固溶度的相来减少原来有害夹杂物在晶界处的偏析，从而减少涂层由于夹杂偏析所造成的热裂倾向；

（4）基体预热及渗氮后热处理。基体预热对抑制涂层的开裂十分有效，可以降低激光氮化过程中产生的热应力，防止马氏体发生相变，进而诱发裂纹的产生。但是该方法也削弱了激光处理本身快热快冷的优势，使得涂层中组织晶粒变的粗大，同时也降低了生产效率。激光渗氮后续热处理则是为了降低和消除残余应力，避免涂层在使用过程中因外界因素而导致裂纹的产生，防止空冷淬火的基体发生马氏体相变。后续热处理中除了退火外还可以进行中温回火，该方法可以消除涂层中的微观偏析，降低其微观应力。

TiSiN复合涂层，其特有的纳米复合结构使得其硬度比其它涂层要高，具有超硬性。组成TiSiN复合涂层的TiN相和Si₃N₄相在高温和腐蚀环境下都不相溶，可维持其纳米复合结构，更适应恶劣的工作环境。

现有TiSiN复合涂层一般是用在刀具的表面改性上，且用的是反应磁控溅射法，这种方法制得的涂层硬度较高，但涂层与基体的结合强度不高，均匀性也不好，力学性能有时候不能满足工作要求，在工作中容易脱落。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种通过添加Si元素来提高组织的稳定性，消除熔覆层中裂纹及适度降低脆性相含量，从而改善熔覆层耐磨性能的钛合金表面TiSiN纳米复合涂层的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：钛合金表面TiSiN纳米复合涂层的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步，将钛合金试样放入激光表面处理装置的密封箱中；

第二步，通过所述密封箱上与真空发生装置相连的出气口将密封箱抽真空，通过密封箱上与氮气源相连的进气口向与密封箱相连的保护气通道通入氮气，使保护气通道与密封箱中保持纯氮气氛围；