CN104372284A - 一种硬度和韧性较好的等离子喷涂TiN涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备TiN涂层的方法，其包括如下步骤：(1)制备TiN团聚粉末：(2)模具表面预处理；(3)喷涂：利用等离子喷枪进行喷涂，喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1-42L·min^-1；次气为氢气气体流量为12L·min^-1-16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为100-140mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为41KW-50KW；喷涂电流为500A-600A；(4)制得TiN涂层。本发明采用等离子喷涂TiN粉末制备的TiN涂层，该方法可以采用粉末直接喷涂，操作方便，易于推广，大大的节约了成本。本发明采用超音速等离子喷涂TiN涂层，硬度较高，可以达到1210HV_0.1，高的硬度可以提高涂层的耐磨性，涂层的断裂韧性较大，可以提高涂层内断裂力学性能，延长涂层的疲劳寿命。

Description

一种硬度和韧性较好的等离子喷涂TiN涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术研究领域，具体的涉及一种等离子涂层的制备方法。 

背景技术

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)、电孤镀、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。采用等离子喷技术直接喷涂TiN粉末可以在短时间内制备较厚的涂层，同时在喷涂过程TiN发生氧化，产生Ti的氧化物相，可以提高涂层的韧性。 

等离子喷涂技术被广泛应用于制备金属、陶瓷和复合涂层以抵抗磨损、腐蚀和高温。在喷涂过程中，易产生氧化物和孔隙等微观缺陷，这是由于熔融颗粒在熔化和飞行以及与基体表面接触过程中与周围介质发生了化学反应，使得喷涂材料出现氧化，而且还由于熔融颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失，在颗粒之间不可避免的出现孔隙。涂层内氧化物含量和孔隙率等微观缺陷是评判涂层质量的重要标准，有学者对等离子喷涂过程中氧化物的控制和孔隙率对涂层性能的影响进行了研究，通过控制合适的工艺参数能够显著改善涂层的微观结构和性能。TiN高温下易分解氧化，的活性较大，在等离子喷涂过程中与其它介质反应生成Ti的氧化物，Ti的氧化物相相比TiN相硬度和强度较低，TiN涂层内氧化物含量直接影响了涂层性能。断裂韧性是材料抵抗断裂破坏的能力，采用压痕法对涂层断裂韧性的测量已得到广泛应用，涂层硬度和断裂韧性是涂层抵抗裂纹增殖和发生断裂的主要指标，直接影响了涂层的服役性能和 寿命。 

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。而采用等离子直接喷涂TiN粉末，即可以保证涂层的厚度，同时，TiN涂层内Ti的氧化物相可以提高涂层的韧性，从而得到韧性和硬度都较好的TiN涂层。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种TiN涂层的制备方法。 

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种制备TiN涂层的方法，其包括如下步骤： 

(1)制备TiN团聚粉末：该粉末包括原子分数为Ti-72％和N-28％，其团聚后形成粒径为40～80μm球状团聚体； 

(2)模具表面预处理； 

(3)喷涂：利用等离子喷枪进行喷涂，喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1-42L·min^-1；次气为氢气气体流量为12L·min^-1-16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为100-140mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为41KW-50KW；喷涂电流为500A-600A； 

(4)制得TiN涂层：该涂层三强峰相为TiN相，还存在部分TiO、TiO₂和Ti₃O氧化物相。 

优选地，制备TiN涂层的方法中步骤(1)具体为： 

(1-1)TiN粉末原料进行雾化，粉末粒径为1-5μm； 

(1-2)对雾化后的TiN粉末和粘结剂进行混料加入到团聚设备内进行团聚，并对团聚后的粉末进行干燥，造粒成形； 

(1-3)将团聚后的粉末通过-200目～400目粉末筛，得到的TiN团聚粉末粒径为40-80微米球状团聚体。 

更优选地，采用聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，粘结剂加入一般不超过1％(质量比)，其可以用来调节粉末自由流动性。 

优选地，步骤(2)具模具表面预处理包括模具的磨削、清洗和喷砂。 

更优选地，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＝0.8μm； 

(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； 

(2-3)对模具表面进行喷砂处理，喷砂材料选用粒径小于700μm的棕刚玉，喷砂气压为0.7MPa，喷砂角度为45°，喷枪离模具表面距离为0.15m。 

优选地，步骤(3)具体步骤为： 

(3-1)在喷涂参数下，利用超音速等离子喷枪对工件表面进行喷涂，扫描过程采用“井”字扫描，扫描速度为1.25m/min； 

(3-2)根据沉积速度对工件表面进行4～6次“井”字扫描，得到厚度约为200μm厚度的涂层。 

更优选地，步骤(3)中喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1；次气为氢气气体流量为16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为125mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为46KW；喷涂电流为540A。 

优选地，制备TiN涂层的方法中步骤(4)具体为： 

(4-1)TiN粉末熔点约为2950℃，喷涂粉末TiN团聚粉末在等离子束的高温下熔化，超音速等离子喷涂设备可以使熔化粉末具有高的飞行速度，可以形成较致密的涂层； 

(4-2)喷涂粉末由于沉积到基体上，熔化颗粒在飞行过程中，与周围的空气发生了反应，产生了氧化，生成了TiO，Ti₃O，TiO₂氧化物，Ti的氧化物相比TiN相强度和硬度较低，可以提高涂层的韧性。 

本发明的有益效果如下： 

本发明直接对TiN粉末进行喷涂，可以再零件表面直接制备耐磨陶瓷涂层，涂层中Ti氧化物的出现，提高了涂层的韧性。直接喷涂TiN涂层可以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。 

本发明采用超音速喷涂TiN涂层，涂层较致密，有少量空隙，与基体结合良好，厚度约200μm，采用压痕法测量涂层断裂韧性为

本发明采用等离子喷涂TiN粉末制备的TiN涂层，该方法可以采用粉末直接喷涂，操作方便，易于推广，大大的节约了成本。 

本发明采用超音速等离子喷涂TiN涂层，硬度较高，可以达到1210HV_0.1，高的硬度可以提高涂层的耐磨性，涂层的断裂韧性较大，可以提高涂层内断裂力学性能，延长涂层的疲劳寿命。 

附图说明

图1本发明实施例1制得的TiN涂层； 

图2喷涂功率对孔隙率的影响趋势图； 

图3喷涂距离对氧化物含量的影响； 

图4涂层的XRD测试结果； 

图5涂层的SEM扫描形貌； 

图6涂层硬度测试结果； 

图7断裂韧性测试压痕形貌； 

图8不同孔隙率对涂层硬度的影响； 

图9不同氧化物含量对涂层断裂韧性的影响。 

具体实施方式

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。 

以下实施例中所使用的常规仪器，所用的发酵罐型号为BIOSTAR Bplus，Germany。 

实施例1涂层的制备 

涂层的制备过程分为制备TiN团聚粉末，模具表面预处理，喷涂参数优化，喷涂四个阶段，四个阶段步骤如下： 

(1)制备TiN团聚粉末； 

(1-1)以粉末粒径为1-5μm的TiN粉末为原料进行雾化； 

(1-2)对雾化后的TiN粉末和粘结剂进行混料加入到团聚设备内进行团聚，并对团聚后的粉末进行干燥，冷却； 

(1-3)将团聚后的粉末通过-200目～400目粉末筛，得到的TiN团聚粉末粒径为40-80微米的微米球状团聚体。 

该粉末包括原子分数为Ti-72％和N-28％，其团聚后形成粒径为40～80μm球状团聚体。 

(2)模具表面预处理； 

(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＝0.8μm； 

(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； 

(2-3)对模具表面进行喷砂处理，喷砂材料选用粒径小于700μm的棕刚玉，喷砂气压为0.7MPa，喷砂角度为45°，喷枪离模具表面距离为0.15m。 

(3)喷涂 

(3-1)喷涂设备采用超音速等离子喷枪，喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1；次气为氢气气体流量为16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为125mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为46KW；喷涂电流为540A； 

(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喷涂，扫描过程采用“井”字扫描，扫描速度为1.25m/min； 

(3-3)根据沉积速度对工件表面进行4～6次“井”字扫描，得到厚度约为200μm厚度的涂层； 

(4)制得TiN涂层 

(4-1)TiN粉末熔点约为2950℃，喷涂粉末TiN团聚粉末在等离子束的高温下熔化，超音速等离子喷涂设备可以使熔化粉末具有高的飞行速度，可以形成较致密的涂层； 

(4-2)喷涂粉末由于沉积到基体上，熔化颗粒在飞行过程中，与周围的空气发生了反应，产生了氧化，生成了TiO，Ti₃O，TiO₂氧化物，Ti的氧化物相比TiN相强度和硬度较低，可以提高涂层的韧性。 

制得的TiN涂层如图1所示，涂层较致密，有少量空隙，与基体结合良好，厚度约200μm，采用压痕法测量涂层断裂韧性为

实施例2喷涂参数的影响 

喷涂参数中的喷涂功率，喷涂距离是影响涂层的主要指标，采用了10种不同工艺参数来对涂层进行优化，具体如表1和表2所示，优化指标的评判标准为硬度和断裂韧性。 

表1 不同喷涂功率下喷涂参数 

表2 不同喷涂距离下喷涂参数 

通过改变ST1-ST5五种工艺参数，不同喷涂功率对硬度的结果如下，在ST4工艺参数下，喷涂功率为46KW时，涂层硬度最高，为1402HV0.1，ST5，ST3，ST1，ST2工艺下，涂层的硬度依次减小，分别为1248HV0.1，1096HV0.1，1012HV0.1，985HV0.1。 

通过改变ST6-ST10五种工艺参数，在最佳喷涂功率下，不同喷涂距离是造成涂层中氧化物含量不同的主要原因，从而导致了涂层的断裂韧性差异。在ST8工艺参数下，涂层的氧化物含量为16％左右时，涂层的断裂韧性最大，为 在ST10，ST7，ST9，ST6工艺参数下，涂层的断裂韧性依次降 低，分别为

通过改变涂层的喷涂参数，喷涂功率的改变对涂层中孔隙率有直接影响，影响结果如3所示： 

表3 不同喷涂功率下涂层孔隙率的大小 

喷涂功率的减小，涂层内孔隙率出现先增大后减小的趋势，喷涂功率为46KW时涂层内孔隙率最小，具体如图2所示。 

实施例3 喷涂距离对氧化物含量的影响 

利用三种参数检测喷涂距离对氧化物含量的影响，具体如表4所示。 

表4 喷涂距离对氧化物含量的影响三种参数下涂层FDS结果 

喷涂距离的增大，涂层内氧化物出现先减小后增大的趋势，喷涂距离为125mm时涂层内氧化物含量最少，具体参见图3。 

实施例4 实施例1中涂层的性能 

为了测量涂层中相成分和相结构，采用BRUKER公司D8型X射线分析衍射仪(XRD)对实施例1制得的涂层进行相成分分析，衍射靶材为Cu靶，波长为0.154056nm，测试结果如图4所示所示。 

图4所示为TiN涂层XRD图谱，经过对比PDF卡片，图中的三强峰相为TiN相，TiN相具有强烈的(200)取向，存在部分TiO、TiO₂和Ti₃O氧化物相，这是由于等离子喷涂过程中TiN高温下发生了氧化，生成了Ti的氧化物。涂 层内TiO和Ti₃O亚稳相的存在是由于等离子喷涂过程中TiN的氧化不充分沉积形成。TiN相三强峰的强度远大于氧化物相的强度，说明涂层中主要为TiN相。 

为了确定涂层中各元素的分布情况，采用Nova NanoSEM450型扫描电子显微镜所采用的EDS能谱仪对TiN涂层进行了元素分析，具体如图5和表5所示，以确定涂层中各相之间的结合情况。 

表5涂层EDS结果 

从截面扫描照片图5中可以看出，涂层中存在明暗相层状分布，在层状结构内部和层状结构结合处有少量孔隙。从元素面扫描分布图中可以看出Ti元素在整个截面中分布较均匀，N元素和O元素呈区域性分布，SEM图片中颜色较暗的A区富含成分为Ti和N，以及少量的O，相反，颜色较亮的B区富含成分为Ti、O和少量的N。结合XRD结果，可以分析A区主要成分为TiN相，而B区的主要成分为Ti氧化物相和少量TiN相。A和B颜色的不同，主要可能是氧化物相含量的不同所致。 

采用HVS-1000型数显维氏硬度计测试涂层显微硬度，显微硬度加载载荷为100g，加载时间15S，测试点个数为10个点，涂层的平均硬度达到1210HV_0.1，可以看出涂层具有较高的硬度，具体如图6所示。 

采用HVS-1000型数显维氏硬度计压出压痕，如图7和表6所示，并利用压痕法的如下公式计算了涂层的断裂韧性： 

$\mathrm{Hv}=\frac{0.4636P}{a^2}---\left(1\right)$

$K_{\mathrm{IC}}=\frac{0.016{(E/H)}^{\frac{1}{2}}P}{c^{\frac{3}{2}}}---\left(2\right)$

式(1)中：a为对角线压痕长度的一半；P为加载载荷；式(2)中：E为杨氏模量；c为从压痕中心到裂纹边径向裂纹的长度。 

表6 涂层断裂韧性K_IC计算参数 

涂层内喷涂参数对孔隙率和氧化物的影响，对硬度和断裂韧性也有影响 

涂层内孔隙率对硬度的影响趋势图如图8所示，可以看出，三种工艺下，随涂层内孔隙率增大，涂层硬度呈明显降低趋势。孔隙率较小时涂层的硬度最高，为1402HV0.1。 

涂层内氧化物对断裂韧性的影响趋势，如图9所示。可以看出，随氧化物含量增加涂层的断裂韧性呈先增加后降低的趋势，，在氧化物含量为16％左右时，涂层的断裂韧性值最大，为

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种制备TiN涂层的方法，其包括如下步骤：

(1)制备TiN团聚粉末：该粉末包括原子分数为Ti-72％和N-28％，其团聚后形成粒径为40～80μm球状团聚体；

(2)模具表面预处理；

(3)喷涂：利用等离子喷枪进行喷涂，喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1-42L·min^-1；次气为氢气气体流量为12L·min^-1-16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为100-140mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为41KW-50KW；喷涂电流为500A-600A；

(4)制得TiN涂层：该涂层三强峰相为TiN相，还存在部分TiO、TiO₂和Ti₃O氧化物相。

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：

(1-1)TiN粉末原料进行雾化；

(1-2)对雾化后的TiN粉末和粘结剂进行混料加入到团聚设备内进行团聚，并对团聚后的粉末进行干燥，冷却；

(1-3)将团聚后的粉末通过-200目～400目粉末筛，得到的TiN团聚粉末粒径为40-80微米球状团聚体。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇，粘结剂加入不超过TiN粉末质量的1％。

4.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、清洗和喷砂。

5.如权利要求4所述的方法，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＝0.8μm；

(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；

(2-3)对模具表面进行喷砂处理，喷砂材料选用粒径小于700μm的棕刚玉，喷砂气压为0.7MPa，喷砂角度为45°，喷枪离模具表面距离为0.15m。

6.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)在喷涂参数下，利用超音速等离子喷枪对工件表面进行喷涂，扫描过程采用“井”字扫描，扫描速度为1.25m/min；

(3-2)根据沉积速度对工件表面进行4～6次“井”字扫描，得到厚度约为200μm厚度的涂层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中：喷涂参数为，喷涂主气为氩气，气体流量为38L·min^-1；次气为氢气气体流量为16L·min^-1；送粉气为氩气，喷涂距离为125mm；送粉量为40g·min^-1，喷涂电压为46KW；喷涂电流为540A。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体步骤为：

(4-1)TiN粉末熔点约为2950℃，喷涂粉末TiN团聚粉末在等离子束的高温下熔化，超音速等离子喷涂设备可以使熔化粉末具有高的飞行速度，可以形成较致密的涂层；

(4-2)喷涂粉末由于沉积到基体上，熔化颗粒在飞行过程中，与周围的空气发生了反应，产生了氧化，生成了TiO，Ti₃O，TiO₂氧化物，Ti的氧化物相比TiN相强度和硬度较低，可以提高涂层的韧性。