等离子喷焊气固反应原位生成氮化物增强耐磨层及工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面工程领域，涉及等离子喷焊耐磨层及工艺，尤其是一种等离子喷 焊原位生成氮化物增强耐磨层及工艺。
【背景技术】
[0002] 近年来，等离子喷焊因其熔敷率高、稀释率低、粉末适用广、生产效率高等优点，在 表面工程尤其是表面强化与修复领域引起极大重视。目前，对等离子喷焊耐磨层的研宄多 集中在改良粉末配比以及直接添加硬质相等领域，由于现有等离子喷焊技术成本较高、工 艺复杂等问题，使其未能在表面强化与修复领域得到大规模推广应用。TiN作为Ti的二元 氮化物，具有高熔点（2950°C)、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高比强度、高的化学稳定性和热稳 定性等优点，在机械、化工和微电子领域得到广泛应用；而Ca具^Ti是在TiN中固溶了C元 素形成的一种三元化合物，兼具有TiN和TiC的优良性能，广泛应用于耐磨零件及切削刀具 等领域。
[0003] 现有《一种等离子喷焊用自熔性合金粉末》（CN201010158640. 7)，虽然提出了一 种新的合金粉末配方，但与现有的铁基合金粉末成分变化不大，性能提升有限；现有《一 种模具钢基体碳化钨增强复合材料强化层及制备工艺》（CN201110122803. 0)，虽然在现有 附(：池51合金粉末中加入10-20%的呢/(：〇提高了等离子喷焊层的性能，但由于直接添加的 WC硬质相，在喷焊层中粒度较大、分布不均等，不能对喷焊层整体起到弥散强化的作用，喷 焊层性能改善有限；现有《一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层 纳米强化层的工艺》（CN201410349445. 0)，虽然在涂层表层制备出氮化钛涂层，但是采用磁 控溅射技术，涂层与基体的结合强度远达不到等离子喷焊的冶金结合强度；现有《基于微波 技术制备氮化钛/氮化铬/氮化铝涂层的方法》(CN201310752554. 2)，虽然在工件表面涂覆 钛粉等粉末，并在氮气气氛下，采用微波加热技术生成含有氮化钛的涂层，但由于采用简单 的微波加热技术，工件和涂层的结合强度同样远达不到等离子喷焊的冶金结合强度。因此， 采用等离子喷焊技术，设计一套简单工艺，通过气固反应原位生成TiN、Ca3Na7Ti增强耐磨 层极具现实意义及实际应用价值。
【发明内容】
[0004] 为克服以上现有技术的不足，本发明旨在提供一种等离子喷焊气固反应原位生成 氮化物增强耐磨层及工艺，不但满足现有表面强化与修复问题对喷焊层高耐磨性、基体与 喷焊层高结合强度的要求，而且TiN、Ca3Na7Ti增强耐磨层制备工艺更加简单、高效、低成 本。
[0005] 为实现以上发明目的，本发明采取的技术方案是：采用等离子喷焊方法，首先将不 同量、流动性好的Ti粉与Ni60B粉末均匀混合；通入纯Ar或Ar、N2混合气体作为等离子气， 通入纯队或Ar、N2混合气体作为送粉气，通入纯N2或Ar、N2混合气体作为保护气；N2与Ti 粉、Ni60B中的C元素在熔池中发生气固反应，制备得不同含量、弥散分布的TiN、CQ.3Na7Ti 增强耐磨层。
[0006] 流动性好的Ti粉是指可容易通过等离子喷焊枪喷出的粉末，颗粒度为100-300 目。Ni60B中按不同比例掺入Ti粉，Ni60B可用镍基、钴基、铁基、铜基以及复合自熔性合金 粉末替代。在等离子喷焊系统中，Ar的存在利于起弧、稳弧以及保护熔池，添加N2为反应 提供氮源，当通入Ar、N2混合气体作为等离子气时，控制等离子气中Ar所占比例大于2/3 ; 控制三个通路N2总输入量在2L/min以上，保证氮源。氮化物主要包括TiN、以及 少量CrN、BN硬质相，采用等离子喷焊方法，队与Ti粉或1与Ti粉以及Ni60B中的C元 素或队与Ni60B中的Cr元素或N2与Ni60B中的B元素在熔池中发生气固反应，生成TiN、 C0.3NQ.7Ti以及少量CrN、BN硬质相并弥散分布于耐磨层中，并通过改变Ti粉添加量、队输 入量，制备得不同含量的TiN、CQ.具7Ti增强耐磨层。本发明适用于制备Si3N4、BN、CrN、VN、 A1N、ZrN氮化物强化层，只需将不同量、流动性好的Si、B、Cr、V、Al、Zr粉与Ni60B粉末均 匀混合；在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、Njg合气体作为等离子气，通入纯N2或Ar、 N2混合气体作为送粉气，通入纯N2或Ar、N2混合气体作为保护气；采用等离子喷焊方法，N2 与Si、B、Cr、V、Al、Zr粉在熔池中发生气固反应，并通过改变粉末添加比例、N2输入量，制 备得不同含量、弥散分布的Si3N4、BN、CrN、VN、A1N、ZrN强化层。本发明制得了一种原位生 成TiN、CQ.3NQ.7Ti增强耐磨层。
[0007] 本发明与现有技术相比具有以下优点和进步：
[0008] 1、实现了气固反应与等离子喷焊技术的巧妙结合，气固反应原位生成TiN、 Qi.3Na7Ti增强耐磨层；
[0009] 2、Ti粉与Ni60B粉末均匀混合以及熔池中的原位反应，实现了原位生成细小化、 均匀化、弥散化的TiN、Ca具^Ti硬质相，TiN、Ca3Na7Ti硬质相对等离子喷焊层的细晶强化 和弥散强化作用加强，提高了喷焊层的耐磨性、均匀性等综合性能；
[0010] 3、在等离子喷焊系统中，通入纯Ar或Ar、Njg合气体作为等离子气，通入纯1或 Ar、N2混合气体作为送粉气，通入纯N2或Ar、N2混合气体作为保护气；Ar的存在利于起弧、 稳弧以及保护熔池，添加N2为反应提供氮源；
[0011] 4、通过改变Ti粉添加量、N2总输入量等工艺条件，可高效制备不同含量的TiN、 Qi.3Na7Ti增强耐磨层；
[0012] 5、TiN、CO. 3N0. 7Ti硬质增强相均可由Ti粉与现有的其它镍基、钴基、铁基、铜基 以及复合自熔性合金粉末协同使用制得，达到既满足实际性能需要，又成本低廉的目的；
[0013] 6、本发明制备TiN、Q.具^Ti增强耐磨层的工艺更加巧妙、简单、高效、低成本，可 用于表面强化与修复领域，易于实际推广应用；
[0014] 7、本发明易于推广到其