一种反应等离子熔覆原位合成TiN涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应等离子熔覆原位合成TiN复合涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)Ti粉原料处理；(2)模具表面预处理；(3)熔覆，由Ti粉原料和送粉气N2在熔覆过程中发生反应原位合成反应；(4)制得TiN复合涂层，熔覆后制得涂层相成分主要包括TiN、α-Fe、Ti相，且无氧化物相的复合涂层。本发明利用反应等离子熔覆技术原位合成TiN涂层可以在短时间内制备出较厚的涂层，大大提高了粉末的沉积效率，节约了成本；涂层内孔隙率低，涂层质量好，涂层与基体可以形成冶金结合，大大提高了涂层的性能。
【专利说明】一种反应等离子溶覆原位合成TiN涂层的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料技术研究领域，具体的涉及涂层制备方法。
【背景技术】
[0002] 反应熔覆技术是在等离子或激光等高能量束熔覆过程中通过元素或化合物间的 化学反应"原位合成"金属陶瓷等涂层的一种新型涂层技术。原位合成工艺是在一定条件 下，通过元素和元素之间的物理化学反应，在基体内部原位形成一种或多种高强度、高硬度 的增强颗粒，从而起到强化基体的作用。等离子熔覆技术是通过等离子束流熔化涂层材料 及基体表面的薄层，可在普通金属材料表面获得与基体呈冶金结合的表面功能涂层，从而 显著改善基体材料的耐磨、耐蚀、耐热性能。由于等离子熔覆技术得到的涂层相比其它方法 得到的涂层，具有熔覆层厚，与基体形成冶金结合、基体不需要前处理、效率高、成本低、涂 层质量好等优点，已广泛应用于电力、煤炭、冶金和机械等工业领域。利用反应等离子熔覆 技术原位合成TiN涂层可以在短时间内制备出较厚的涂层，大大提高了粉末的沉积效率， 节约了成本；涂层内孔隙率低，涂层质量好，涂层与基体可以形成冶金结合，大大提高了涂 层的性能。
[0003] TiN涂层具有低的摩擦系数和高的硬度，以及良好的耐腐蚀性被广泛应用为装饰 涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层。目前，许多研究者通过反应热喷涂、化学气相沉积（CVD)、物 理气相沉积（PVD)、电弧镀、等技术制备了 TiN涂层，并对涂层的沉积过程，显微结构和性能 进行了研究。采用CVD、PVD等技术制备的TiN涂层厚度较薄，降低涂层的机械性能；而利用 热喷涂反应技术可以制备较厚的TiN涂层，但涂层内含有较多的孔隙，脆性较大，涂层质量 不易控制。可以利用等离子熔覆技术，采用同轴送粉方式，在熔覆过程中，使熔覆粉末与送 粉气N 2发生反应，原位生成TiN，采用反应等离子熔覆技术原位合成制备的TiN涂层厚度较 厚，与基体结合良好，可以达到冶金结合，同时熔覆层内缺陷较少，涂层性能较好。
[0004] 目前，许多研究者通过反应热喷涂、化学气相沉积（CVD)、物理气相沉积（PVD)、电 弧镀、等技术制备了 TiN涂层，并对涂层的沉积过程，显微结构和性能进行了研究。采用 CVD、PVD等技术制备的TiN涂层厚度较薄，降低涂层的机械性能；而利用热喷涂反应技术可 以制备较厚的TiN涂层，但涂层内含有较多的孔隙，脆性较大，涂层质量不易控制。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种反应等离子熔覆原位合成TiN涂层 的制备方法。
[0006] 为了实现本发明的目的，本发明提供了一种反应等离子熔覆原位合成TiN涂层的 制备方法，该方法包括以下步骤：
[0007] (I)Ti粉原料处理；
[0008] (2)模具表面预处理；
[0009] (3)熔覆，由Ti粉原料和送粉气N2在熔覆过程中发生反应原位合成反应；
[0010] (4)制得TiN复合涂层，熔覆后制得涂层相成分主要包括TiN、α-Fe、Ti相，且无 氧化物相的复合涂层。
[0011] 优选地，步骤（1)具体步骤为：以Ti粉为原料，对粉末进行过筛处理，筛子选用 125目-300目，得到流动性较好，粒径为80-100微米，较均匀的Ti粉。
[0012] 优选地，步骤（2)具模具表面预处理包括模具的磨削和清洗喷砂。
[0013] 更优选地，步骤（2)具体步骤为：
[0014] (2-1)对模具表面首先进行磨削处理，使模具表面的粗糙度达到Ra = 0. 8 μ m ;
[0015] (2-2)然后对模具表面进行酒精或丙酮清洗，去除模具表面的油污。
[0016] 优选地，步骤（3)具体步骤为：
[0017] (3-1)熔覆设备采用PAW-I等离子熔覆平台，熔覆参数为，电流80A-100A，电压 220V，送粉量20g/min，扫描速度4mm/s ;工作气为氩气，Ar流量2L/min ;保护气为氩气，Ar 流量6L/min ;送粉气为氮气，N2流量2L-4L/min ;
[0018] (3-2)在喷涂参数下，利用超音速等离子喷枪对工件表面进行熔覆，扫描过程采用 单道扫描，扫描速度为3m/s ;得到厚度约为800 μ m，宽度为6mm的涂层。
[0019] 优选地，步骤（4)具体为：在等离子熔覆枪的离子束下，Ti粉受热熔化，部分熔融 状态的Ti粉与送粉气N 2反应原位合成了 TiN相，TiN相与Ti在基体上形成了 TiN复合涂 层，该涂层相成分主要包括TiN、a -Fe、Ti相，且无氧化物相。
[0020] 本发明的有益效果如下：
[0021] 本发明直接对Ti粉末进行熔覆，可以再零件表面直接制备耐磨陶瓷涂层，涂层的 硬度较高，（Ti, Fe)共晶相提高了涂层的韧性。反应等离子熔覆原位合成的TiN复合涂层 避免传统的采用反应喷涂TiN层较大的脆性和工艺复杂，需要较多的人力和物力资源。
[0022] 本发明采用反应等离子熔覆制备TiN复合涂层，涂层较致密，与基体结合良好，达 到冶金结合，厚度约800 μ m，采用压痕法测量涂层断裂韧性为5.15ΜΡβ.·^。
[0023] 本发明采用等离子熔覆Ti粉末制备的原位合成TiN复合涂层，该方法可以采用粉 末直接熔覆，操作方便，易于推广，大大的节约了成本。
[0024] 本发明采用反应等离子熔覆技术制备TiN复合涂层，硬度较高，达到996HV0. 3,高 的硬度可以提高涂层的耐磨性，涂层的断裂韧性较大，可以达到5.15#?_>^，可以提高涂 层内断裂力学性能，延长涂层的疲劳寿命。
[0025] 总之，利用反应等离子熔覆技术原位合成TiN涂层可以在短时间内制备出较厚的 涂层，大大提高了粉末的沉积效率，节约了成本；涂层内孔隙率低，涂层质量好，涂层与基体 可以形成冶金结合，大大提高了涂层的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1本发明实施案例1中得的反应等离子熔覆原位合成TiN复合涂层；
[0027] 图2涂层的SEM扫描形貌；
[0028] 图3涂层的XRD测试结果；
[0029] 图4涂层硬度测试结果；
[0030] 图5断裂韧性测试压痕形貌；
[0031] 图6不同电流对熔覆层成形性形貌影响；
[0032] 图7不同送粉量对熔覆层形貌和TiN含量的影响。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图及其【具体实施方式】详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不局限 于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
[0034] 以下实施例中所使用的均为常规仪器和设备。
[0035] 实施例1涂层的制备
[0036] 涂层的制备过程分为制备Ti粉末，模具表面预处理，熔覆，原位合成TiN复合涂层 四个阶段，四个阶段步骤如下：
[0037] (1)以Ti粉为原料，Ti粉的粒径为80-100 μ m。
[0038] 以Ti粉为原料，对粉末进行过筛处理，筛子选用125目-300目，得到流动性较好， 粒径为80-100微米，较均匀的Ti粉。
[0039] (2)模具表面预处理。
[0040] (2-1)对模具表面首先进行磨削处理，使模具表面的粗糙度达到Ra = 0. 8 μ m ;
[0041] (2-2)然后对模具表面进行酒精或丙酮清洗，去除模具表面的油污；
[0042] (3)进行熔覆。
[0043] (3-1)熔覆设备采用PAW-I等离子熔覆平台，熔覆参数为，电流80A，电压220V，送 粉量20g/min，扫描速度4mm/s，工作气（Ar)流量2L/min，保护气（Ar)流量6L/min，送粉气 (N 2)流量 3L/min，
[0044] (3-2)在喷涂参数下，利用超音速等离子喷枪对工件表面进行熔覆，扫描过程采用 单道扫描，扫描速度为3m/s ;得到厚度约为400 μ m，宽度为6mm的涂层；
[0045] (4)反应等离子熔覆原位合成TiN复合涂层。
[0046] 在等离子熔覆枪的离子束下，Ti粉受热熔化，部分熔融状态的Ti粉与送粉气N2反 应原位合成了 TiN相，TiN相与Ti在基体上形成了 TiN复合涂层，该涂层相成分主要包括 TiN、a -Fe、Ti相，且无氧化物相。
[0047] 制得的TiN复合涂层如图1所示，涂层较致密，与基体结合良好，厚度约800 μ m，采 用压痕法测量涂层断裂韧性为5.15ΜΛ?·>^。
[0048] 熔覆电流是影响熔覆层成形性的重要因素，采取了 3种工艺参数对熔覆层的成形 性进行优化，表1是不同电流对熔覆层成形性的优化工艺参数。
[0049] 表1不同电流对熔覆成形性的影响
【权利要求】
1. 一种反应等离子熔覆原位合成TiN涂层的制备方法，该方法包括以下步骤： (1) Ti粉原料处理； (2) 模具表面预处理； (3) 熔覆，由Ti粉原料和送粉气N2在熔覆过程中发生反应原位合成反应； (4) 制得TiN复合涂层，熔覆后制得涂层相成分主要包括TiN、a-Fe、Ti相，且无氧化 物相的复合涂层。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1)具体步骤为： 以Ti粉为原料，对粉末进行过筛处理，筛子选用125目-300目，得到流动性较好，粒径 为80-100微米，较均匀的Ti粉。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2)具模具表面预处理包括模具的磨削 和清洗喷砂。
4. 如权利要求3述的方法，其特征在于，步骤（2)具体步骤为： (2-1)对模具表面首先进行磨削处理，使模具表面的粗糙度达到Ra = 0. 8 μ m ; (2-2)然后对模具表面进行酒精或丙酮清洗，去除模具表面的油污。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3)具体步骤为： (3-1)电流80A-100A，电压220V，送粉量20g/min，扫描速度4mm/s ;工作气为氩气，Ar 流量2L/min ;保护气为氩气，Ar流量6L/min ;送粉气为氮气，N2流量2L-4L/min ; (3-2)在喷涂参数下，利用超音速等离子喷枪对工件表面进行熔覆，扫描过程采用单道 扫描，扫描速度为3m/s ;得到厚度约为800 μ m，宽度为6mm的涂层。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4)具体步骤为：在等离子熔覆枪的离 子束下，Ti粉受热熔化，部分熔融状态的Ti粉与送粉气N 2反应原位合成了 TiN相，TiN相 与Ti在基体上形成了 TiN复合涂层，该涂层相成分主要包括TiN、a-Fe、Ti相，且无氧化物 相。
【文档编号】C23C24/10GK104264151SQ201410539877
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】王海斗, 邢志国, 崔华威, 金国 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院