本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种低压等离子喷涂-物理气相沉积tin涂层的方法。
背景技术：
tin涂层作为一种金属陶瓷材料，具有高硬度、高熔点、耐腐蚀等特点，已被广泛应用于切削刀具、高温结构材料和抗磨抗蚀部件上。将tin涂层沉积在钛及钛合金表面上，可以提高其表面的力学性能、耐蚀性能和生物兼容性能，有利于钛及钛合金在航空航天、舰船兵器、石油化工、生物医学等领域的应用。
目前，国内外制备tin涂层一般采用镀膜的工艺，如物理气相沉积和化学气相沉积。这些方法可制备纯净，致密的tin涂层。但其沉积效率低，难以沉积厚涂层，这会影响tin涂层的耐磨、耐蚀性能。为了提高tin涂层沉积效率，研究者尝试使用等离子喷涂工艺制备tin厚涂层。fengw（fengw,yand,hej,etal.microhardnessandtoughnessofthetincoatingpreparedbyreactiveplasmaspraying[j].appliedsurfacescience,2005,243(1):204-213）采用大气反应等离子喷涂制备tin涂层，厚度超过了500μm，但涂层不致密，且含有杂质ti3o，一定程度上降低了tin涂层的硬度。vautherinb（vautherinb,planchemp,queta,etal.manufacturingofcompositetitanium-titaniumnitridecoatingsbyreactiveverylowpressureplasmaspraying(r-vlpps)[c]//journalofphysics:conferenceseries.ioppublishing,2014,550(1):012035）采用低压反应等离子喷涂制备tin涂层，厚度为25μm，无氧化且组织致密，但由于等离子喷枪功率不高（54kw），涂层中存在未熔的ti颗粒以及未完全氮化的tin0.3和ti2n杂质。因此，一般的等离子喷涂工艺虽然可以有效提高tin涂层的沉积效率，但却很难得到纯净的、无氧化的致密tin涂层。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低压等离子喷涂tin涂层的方法。本发明克服了传统镀膜和等离子喷涂工艺制备tin涂层存在的不足，不仅可以制备纯净、无氧化的致密tin涂层，而且还能提高tin涂层的沉积效率，是一种快速制备tin涂层的等离子喷涂新工艺。所述制备方法由以下步骤组成：
①选用钛或者钛合金作为基体，表面预处理后用酒精进行超声波清洗；
②将基体置于喷涂设备内，抽真空至压力＜0.5mbar下；
③填充ar至＞40mbar，点枪后，抽真空至压力＜2mbar，利用等离子焰流将基体预热至800~900℃；
④待焰流稳定后，进行ti粉和氮气反应喷涂；
⑤喷涂结束，保持低压状态直至冷却至室温，得到tin涂层。
所述表面预处理为喷砂或者砂纸研磨。所述ti粉为球形粉末，粒径为5~25μm。所述制备的tin涂层厚度为5~50μm。
步骤④中喷涂压力＜2mbar；喷枪功率为100~130kw以上，电流为1800~2000a；工作气体流量ar30~45splm，he40~60slpm，n210~20slpm，送粉n2和外加n2环流量：40~50slpm；送粉量为1.0~3.0g/min；喷涂距离为500~900mm。
本发明适用于制备ti、al、cr、w等金属的氮化物涂层。
本发明为制备tin涂层开辟了新途径。相比于传统镀膜工艺制备tin涂层，本发明保留了传统等离子喷涂工艺简单，沉积效率高的优点。而相比于传统等离子喷涂制备tin涂层，本发明又有以下方面的改进：（1）在喷涂过程中提供真空环境，不仅能有效避免ti粉发生氧化，而且可以使等离子焰流变得更宽更长，有利于生成组织致密的纯tin涂层；（2）喷涂功率更高（可达100kw以上），能宽化等离子焰流，有效汽化ti粉和离化n2，使两者充分反应，实现气相沉积tin涂层；（3）等离子焰流和基体温度更高，使tin涂层与工件之间存在渗氮层，可有效提高涂层与工件的结合强度。
附图说明
图1是实施例1中tin涂层的x射线衍射谱线。
图2是实施例1中tin涂层扫描电镜表面形貌。
图3是实施例1中tin涂层扫描电镜截面形貌。
图4是实施例1中tin涂层扫描电镜断面形貌。
图5和图6是实施例1中tin涂层元素线扫描分析。
图7是实施例2中tin涂层的x射线衍射谱线。
图8是实施例2中tin涂层扫描电镜表面形貌。
图9是实施例2中tin涂层扫描电镜截面形貌。
图10是实施例2中tin涂层扫描电镜断面形貌。
具体实施方式
实施例1
①选用ti-6al-4v作为基体，用60#sic进行喷砂，然后用酒精进行超声波清洗。把200g，5~25μm的球形ti粉装入送粉器；
②将ti-6al-4v基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力＜0.5mbar；
③填充ar至＞40mbar后点枪，点枪后抽真空至压力＜2mbar，利用等离子焰流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到900℃；
④调整等离子喷涂参数：喷涂压力为1mbar；喷枪功率为120kw，电流为2000a；工作气体流量为ar35splm，he45slpm，n215slpm，送粉n2和外加n2环流量：40~50slpm。待焰流稳定后，将ti粉和n2注入高温高速等离子焰流进行反应喷涂。送粉量为1.25g/min；喷涂距离为700mm；喷涂次数为200次；喷涂时间为23min；
⑤喷涂结束，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到tin涂层，经检测：涂层厚度为5μm。
图1是tin涂层的x射线衍射谱线。涂层成分全部为tin，不含钛粉及其氧化物。表明采用低压等离子喷涂-物理气相沉积制备tin涂层不仅可以防止钛粉氧化，其大功率喷枪还可以使ti粉和n2充分反应生成tin涂层。
图2、3、4分别是tin涂层的表面、截面和断面形貌。tin涂层呈现出典型的以气相形式沉积的柱状结构。该结构晶粒细小且组织致密，并含有纳米级的片状晶粒，能有效改善ti-6al-4v的表面性能。
图5和图6是tin涂层元素线扫描分析。其中红色曲线为氮含量，其变化趋势表明在基体内表面存在渗氮层，能有效提高tin涂层与工件的结合强度。
实施例2
①选用ti-6al-4v作为基体，用2000#砂纸研磨其表面，用酒精进行超声波清洗。把200g，5~25μm的球形ti粉装入送粉器；
②将ti-6al-4v基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力＜0.5mbar；
③填充ar至＞40mbar后点枪，点枪后抽真空至压力＜2mbar，利用等离子焰流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到900℃；
④调整等离子喷涂参数：喷涂压力为1mbar；喷枪功率为120kw，电流为2000a；工作气体流量为ar35splm，he45slpm，n215slpm，送粉n2和外加n2环流量：40~50slpm。待焰流稳定后，将ti粉和n2注入高温高速等离子焰流进行反应喷涂。送粉量为2.5g/min；喷涂距离为500mm；喷涂次数为200次；喷涂时间为23min；
⑤喷涂结束，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到tin涂层，经检测：涂层厚度为40μm。
图7是tin涂层x射线衍射谱线。涂层成分仍为tin，表明大功率低压等离子喷涂-物理气相沉积可以在更大送粉量的情况下，使ti粉与n2充分反应生成tin涂层。
图8、9、10分别是tin涂层的表面、截面和断面形貌。tin涂层仍以气相形式沉积的柱状结构为主，但由于送粉量的加大，使得涂层中还存在一些以液相形式沉积的层状结构。