CN111005015A - 一种钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，首先在钢表面冷喷涂钛合金粉末制成钛合金涂层，然后进行***体氮化，在扫描位置同轴、侧向送氮气、氩气混合工作气体，利用激光作用在钢表面制备Ti/TiN梯度涂层；本发明所有过程无需在密封环境下进行，加工环境要求低，加工过程效率高，制得的是陶瓷相的复合涂层，相较于原基体表面，其耐蚀性、耐磨性、硬度及化学稳定性都有了一定的提高，且涂层表面致密光滑，具有良好的机械性能。
Description
技术领域
本发明属于钢表面改性领域，涉及一种冷喷涂、***体氮化结合的Ti/TiN梯度涂层的制备方法。
背景技术
钢因其高强度、高韧性、耐腐蚀等特点被广泛地应用，同时它也是工业生产中的重要材料。但是钢的工作环境通常十分恶劣，在温度波动大、腐蚀严重的工况下，其表面亦会受到一定程度的破坏。这种损耗通常会影响工件的工作状态且会大幅地降低工作寿命。因此，为其制备保护涂层是一种有效的防护措施。
冷喷涂是一种陶瓷喷涂工艺，通常主要由高压气体缩放管、送料器、喷枪等部件组成。因为进行喷涂时其表面温度相对不高，所以金属粉末都是以固态沉积到基体表面，因此该种工艺对基体材料的限制较小，可将陶瓷涂层喷涂在多数基体材料上。但由于冷喷涂工艺中基体与涂层间的冶金结合小，会产生较多的孔隙，有时会影响喷涂后含涂层基体的工业性能。
氮化是指将氮元素在一定条件下渗入基体材料中，以使其获得耐磨耐蚀的性能。对钛金属进行氮化能使其表面生成一层高硬度膜层。相对与传统的液体氮化或是离子氮化，***体氮化可在局部进行且热影响区域小，因此可以使氮化的效率大大提高。
表面合金化是指在金属表面形成金属化合物或是形成金属沉积层的方法。依赖于不同金属的特性，通过这种表面改性方法来提高原基体金属表面的耐蚀耐磨性能，以提高金属零件的使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法。本发明首先在钢表面冷喷涂钛合金粉末制成钛合金涂层，然后进行***体氮化，在扫描位置同轴、侧向送氮气、氩气混合工作气体，利用激光作用在钢表面制备Ti/TiN梯度涂层。
本发明涉及冷喷涂技术和***体氮化技术，不仅是两种技术的有效结合，而且还能克服钢表面单一冷喷涂或激光氮化制备强化涂层的缺点。一方面，非致密的冷喷涂钛合金涂层表面更易生成氮化层；另一方面，激光辐照还会使得钛合金涂层更致密。相比与钢基体，新的梯度涂层表面硬度、耐磨性、耐蚀性得到了很大的增强，提高了其在复杂工作环境中的适应能力。
本发明的技术方案如下：
一种钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将钛合金粉末喷涂于钢基体表面，在钢基体表面得到一层钛合金涂层；
所述钢基体为合金钢或低碳钢，在喷涂之前，钢基体经过如下预处理：依次用240#、500#、1000#、1500#、2000#的砂纸对其表面进行打磨，然后除油处理并清洗干净，自然风干备用；
所述钛合金粉末为Ti-6Al-4V(成分为Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Fe≤0.3％；C≤0.1％；H≤0.015％；N≤0.05％；O≤0.2％；余量为Ti)，粒径为45～106μm，该粉末为气雾法制成的球状粉末，粉末纯度为99.9％，使用前在80～90℃的真空干燥箱中烘干20～30min；
喷涂的工作条件为：喷涂温度500～700℃、喷涂压力1～3MPa、喷涂距离20～40mm、喷枪移动速度15～25mm/s、送粉量10～30g/min、工作气体为氮气；
(2)将喷涂了钛合金涂层的钢基体放入工作台，在扫描路径上同轴、侧向送气，送气流量为30L/min，工作气体为氮气和氩气体积比1：3的混合气体，打开激光器进行气体氮化处理，激光器参数设置为：激光聚焦镜中心距样品加工表面为240～320mm，激光功率为1500～2500w，光斑速度为460～500mm/s，搭接率为10～50％，激光处理时间为10～15s，制得Ti/TiN梯度涂层；
所述激光器为光纤耦合全固态激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.通过将冷喷涂技术、***体氮化技术的结合，利用***体氮化后形成的致密TiN涂层有效弥补了冷喷涂工艺孔隙率相对较高的缺陷。
2.在激光扫描过程中，高密度高功率的激光束影响至喷涂面，合金钢基体和喷涂钛合金层出现冶金结合，增强了其结合力。
3.所有过程无需在密封环境下进行，加工环境要求低，加工过程效率高。
4.本发明制得的是陶瓷相的复合涂层，相较于原基体表面，其耐蚀性、耐磨性、硬度及化学稳定性都有了一定的提高，且涂层表面致密光滑，具有良好的机械性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
以下实施例中，合金钢基体的预处理：用线切割取60*100*10mm的合金钢基体，依次用240#、500#、1000#、1500#、2000#的砂纸对合金钢进行表面打磨，然后用超声波清洗仪清洗15min后自然风干。
粉末选择：冷喷涂中所用的粉末为采用气雾法制粉工艺制备而成的Ti-6Al-4V钛合金粉末，成分为Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Fe≤0.3％；C≤0.1％；H≤0.015％；N≤0.05％；O≤0.2％；余量为Ti，粒径为45～106μm，粉末形貌为球形。
激光器选择：Laserline半导体光纤耦合激光器(6kW)。
实施例1
1.冷喷涂处理；打开冷喷涂设备，将合金钢基体固定在喷涂板上，以氮气作为工作气体，喷涂温度为600℃，喷涂压力为2MPa，喷涂距离30mm，喷枪移动速度20mm/s，送粉量20g/min，喷涂后制备得到平均厚度1000μm左右的钛合金涂层。
2.送气处理；将经过冷喷涂后有钛合金涂层的合金钢基体固定在工作台中，控制同轴、侧向送气流量为30L/min，混合工作气体为比例1：3的氮气、氩气。
3.***体氮化处理；打开光纤耦合全固态激光器对涂层面进行***体氮化处理。激光器参数为：焦距280mm，激光功率2000w，光斑速度为480mm/s，搭接率为30％，激光处理时间为10s，制得Ti/TiN梯度涂层。
实施例2
1.冷喷涂处理；打开冷喷涂设备，将合金钢基体固定在喷涂板上，以氮气作为工作气体，喷涂温度为500℃，喷涂压力为1MPa，喷涂距离20mm，喷枪移动速度20mm/s，送粉量20g/min，喷涂后制备得到平均厚度1000μm左右的钛合金涂层。
2.送气处理；将经过冷喷涂后有钛合金涂层的合金钢基体固定在工作台中，控制同轴、侧向送气流量为30L/min，混合工作气体为比例1：3的氮气、氩气。
3.***体氮化、合金化处理；打开光纤耦合全固态激光器对涂层面进行***体氮化、合金化处理。激光器参数为：焦距280mm，激光功率1500w，光斑速度为460mm/s，搭接率为30％，激光处理时间为10s，制得Ti/TiN梯度涂层。
实施例3
1.冷喷涂处理；打开冷喷涂设备，将合金钢基体固定在喷涂板上，以氮气作为工作气体，喷涂温度为700℃，喷涂压力为3MPa，喷涂距离40mm，喷枪移动速度20mm/s，送粉量20g/min，喷涂后制备得到平均厚度1000μm左右的钛合金涂层。
2.送气处理；将经过冷喷涂后有钛合金涂层的合金钢基体固定在工作台中，控制同轴、侧向送气流量为30L/min，混合工作气体为比例1：3的氮气、氩气。
3.***体氮化、合金化处理；打开光纤耦合全固态激光器对涂层面进行***体氮化、合金化处理。激光器参数为：焦距280mm，激光功率2500w，光斑速度为500mm/s，搭接率为30％，激光处理时间为10s，制得Ti/TiN梯度涂层。
Claims (5)
1.一种钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将钛合金粉末喷涂于钢基体表面，在钢基体表面得到一层钛合金涂层；
喷涂的工作条件为：喷涂温度500～700℃、喷涂压力1～3MPa、喷涂距离20～40mm、喷枪移动速度15～25mm/s、送粉量10～30g/min、工作气体为氮气；
(2)将喷涂了钛合金涂层的钢基体放入工作台，在扫描路径上同轴、侧向送气，送气流量为30L/min，工作气体为氮气和氩气体积比1：3的混合气体，打开激光器进行气体氮化处理，激光器参数设置为：激光聚焦镜中心距样品加工表面为240～320mm，激光功率为1500～2500w，光斑速度为460～500mm/s，搭接率为10～50％，激光处理时间为10～15s，制得Ti/TiN梯度涂层。
2.如权利要求1所述钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钢基体为合金钢或低碳钢。
3.如权利要求1所述钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，在喷涂之前，钢基体经过如下预处理：依次用240#、500#、1000#、1500#、2000#的砂纸对其表面进行打磨，然后除油处理并清洗干净，自然风干备用。
4.如权利要求1所述钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛合金粉末为Ti-6Al-4V，粒径为45～106μm，该粉末为气雾法制成的球状粉末，粉末纯度为99.9％，使用前在80～90℃的真空干燥箱中烘干20～30min。
5.如权利要求1所述钢表面冷喷涂/***体氮化复合制备梯度涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光器为光纤耦合全固态激光器。
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