CN111945152A - 一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温防护涂层的制备技术领域，特别涉及一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法。以激光为能量源，利用送粉式激光快速成形设备，通过设置合理的工艺参数，以市售的TiAl粉作为原料，在喷丸处理后的钛合金基板上直接熔化沉积获得TiAlN涂层，得到的TiAlN涂层致密无缺陷，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在。本方法制备TiAlN涂层过程无需模具，涂层成形质量好，组织均匀，具有较好的综合力学性能。

Description

一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法
技术领域
本发明属于高温防护涂层的制备技术领域，涉及一种送粉式激光快速成形技术，特别涉及一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法。
背景技术
钛及钛合金由于其密度小、比强度高、耐腐蚀性强以及生物相容性好等特点，已经被广泛应用于航空、航天、交通、医疗、能源等领域。然而，钛及钛合金硬度低、耐磨性能差等不足使该类材料在很多情况下很难达到实际生产应用要求。因此，在不降低金属整体性能的前提下，改性、涂覆等表面强化技术是弥补这些致命弱点的有效途径。目前，在钛及钛合金表面制备具有高硬度、高耐磨性、高熔点、良好的热稳定性、优越的高温强度以及优异的化学惰性等特点的涂层已经引起国内外专家学者的广泛关注。氮化物硬质膜层具备拥有这些特点的潜力，已然成为国内外研究热点并被广泛应用。
目前已形成产业化且广泛应用的钛及钛合金表面氮化物硬质涂层为TiN涂层。该涂层具备良好的耐磨性能和机械性能，但是当使用温度达到临界氧化温度时，该涂层会快速氧化失效进而失去防护能力。TiAlN涂层作为TiN涂层最具有前景的代替材料，其高温硬度、高温稳定性、高温抗氧化性、高温耐磨性均优于TiN涂层，已得到国内外专家学者的广泛关注。
专利(CN00136042.6)采用阴极离子镀技术先沉积TiAl合金涂层，再进行渗氮，得到Al-(Ti,Al)N-TiN无界面梯度涂层。专利(CN200510046367.8)用多弧离子镀技术，通过调整涂层靶材中的Al含量，得到多层TiAlN/TiN涂层。多弧离子镀即为阴极离子镀，其原理是当真空室内气压降低至一定程度时，金属靶材发生蒸发电离形成离子、电子等粒子，在磁场和电场的作用下，直接沉积或者与工件表面附近气体发生反应随后沉积至工件表面形成涂层。该方法金属离化率高，设备简单，但是受到密闭空间的限制，工件尺寸受限，涂层表面粗糙度高，涂层厚度较薄(一般至多几十微米)，不适合低熔点阴极材料。
因此，开发出一种能够解决上述问题的TiAlN涂层制备方法非常有必要。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种以高能激光束为热源，在钛合金表面制备TiAlN涂层的方法。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，采用送粉式激光成形技术在钛合金表面制备TiAlN涂层，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在，制备过程包括以下步骤：
步骤一、将钛合金基板进行喷丸处理，使其一面应力状态为压应力状态；
步骤二、将粒度均匀的TiAl粉末置于激光快速成形***的送粉器中，以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；
步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，TiAl粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应；随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成一个道次的涂层；
步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；
步骤五、重复步骤四，直到所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的钛合金。
步骤二中混合气体中的氮气占比为20％～80％。
优选地，步骤二中TiAl粉末的平均粒径为50～100μm。
优选地，步骤一中喷丸采用铸钢丸介质干喷法，喷丸强度为0.15～0.30mmA，覆盖率为200％。
优选地，步骤二中载粉气体流速为5～10L/min，保护气流速为10～30L/min。
优选地，步骤三中送粉速率为5～15g/min。
优选地，步骤三中激光功率为500～1500W，激光处于离焦状态，离焦距离为3～15mm，激光扫描速率为800～1500mm/min。
优选地，步骤四中道次间距为0.2～0.6mm。
本发明的有益效果是：本发明采用送粉式激光快速成形技术在钛合金表面制备TiAlN涂层。以市售的TiAl粉末作为原料，并以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气，通过激光作用，在钛合金基体表面发生反应形成TiAlN涂层。采用喷丸处理的钛合金作为基板，改善了涂覆后发生开裂的问题。过程中涂层与基体发生冶金反应，具有较高的结合力，涂层的使用寿命提高。采用激光作为涂覆热源，基体的热变形小，进一步缓解涂层开裂问题。涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在，分布均匀，且由于激光作用深度深，可制得较厚涂层(可达几百微米)。本发明可以通过改变激光条件(激光功率、扫描速度等)和气体条件(氮气和氩气比例、气体流速等)控制氮化层深度，并且涂层制备效率高，可在大气环境下进行涂层制备，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。本发明的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法具体实施例如下：
实施例1
(1)将市售的TiAl粉经过金属筛筛分，获得平均粒度为80μm的TiAl粉末；
(2)以100mm×100mm×5mm的TC4钛合金为成形基板，采用铸钢丸介质干喷法对基板进行喷丸处理，喷丸强度为0.25mmA，覆盖率为200％，使基板一面应力状态为压应力状态；
(3)将步骤(1)获得的TiAl粉末至于激光快速成形***的送粉器中，以氮气和氩气的混合气体作为载粉气体和保护气，通过调整氮气和氩气的流速，将混合气体中氮气占比调整为60％，载粉气流流速为8L/min，保护气流速为25L/min；
(4)激光和粉末同轴送出，并同步移动，且尽在一个方向上扫描一个道次，送粉速率为10g/min，激光功率为600W，激光处于离焦状态，离焦距离为5mm，激光扫描速率为900mm/min，在激光作用下，TiAl粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；
(5)粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤(4)的涂覆方向移动一定距离(即道次间距)，道次间距为0.4mm，重复步骤(4)获得另一道次的涂层；
(6)重复步骤(5)，直到制备完成面积为100mm×100mm的TiAlN涂层，待涂层温度降至室温后去除，得到表面具有TiAlN涂层的TC4钛合金。
实施例2
(1)将市售的TiAl粉经过金属筛筛分，获得平均粒度为90μm的TiAl粉末；
(2)以100mm×100mm×5mm的TC4钛合金为成形基板，采用铸钢丸介质干喷法对基板进行喷丸处理，喷丸强度为0.2mmA，覆盖率为200％，使基板一面应力状态为压应力状态；
(3)将步骤(1)获得的TiAl粉末至于激光快速成形***的送粉器中，以氮气和氩气的混合气体作为载粉气体和保护气，通过调整氮气和氩气的流速，将混合气体中氮气占比调整为40％，载粉气流流速为6L/min，保护气流速为20L/min；
(4)激光和粉末同轴送出，并同步移动，且尽在一个方向上扫描一个道次，送粉速率为7.5g/min，激光功率为800W，激光处于离焦状态，离焦距离为8mm，激光扫描速率为1000mm/min，在激光作用下，TiAl粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；
(5)粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤(4)的涂覆方向移动一定距离(即道次间距)，道次间距为0.3mm，重复步骤(4)获得另一道次的涂层；
(6)重复步骤(5)，直到制备完成面积为100mm×100mm的TiAlN涂层，待涂层温度降至室温后去除，得到表面具有TiAlN涂层的TC4钛合金。
本发明通过改变激光条件(激光功率、扫描速度等)和气体条件(氮气和氩气比例、气体流速等)控制氮化层深度，在上述实施例中可制得200μm的TiAlN涂层，相比于现有技术，涂层制备效率高，涂层综合性能(强度、膜基结合力)更好。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：所述钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法采用送粉式激光成形技术在钛合金表面制备TiAlN涂层，制备过程包括以下步骤：
步骤一、将钛合金基板进行喷丸处理，使其一面应力状态为压应力状态；
步骤二、将粒度均匀的TiAl粉末置于激光快速成形***的送粉器中，以氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；
步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，TiAl粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应；随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成一个道次的涂层；
步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；
步骤五、重复步骤四，直到所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的钛合金。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中TiAl粉末的平均粒径为50～100μm。
3.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤一中喷丸采用铸钢丸介质干喷法，喷丸强度为0.15～0.30mmA，覆盖率为200％。
4.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中混合气体中的氮气占比为20％～80％。
5.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中载粉气体流速为5～10L/min，保护气流速为10～30L/min。
6.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤三中送粉速率为5～15g/min。
7.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤三中激光功率为500～1500W，激光处于离焦状态，离焦距离为3～15mm，激光扫描速率为800～1500mm/min。
8.根据权利要求1所述的钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，其特征在于：步骤四中道次间距为0.2～0.6mm。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102618870A (zh) * 2012-04-24 2012-08-01 江苏泽金激光科技有限公司 耐磨和耐腐蚀模具及在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺
US20160303774A1 (en) * 2014-10-13 2016-10-20 Haidou WANG Plasma-sprayed tin coating having excellent hardness and toughness, the preparation method therefor, and a mold coated with said tin coating
CN107737932A (zh) * 2017-10-26 2018-02-27 西北工业大学 一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法
CN108044123A (zh) * 2017-11-14 2018-05-18 中国航发北京航空材料研究院 一种具有定向凝固组织的Nb-Si-Ti合金制备方法
CN109536943A (zh) * 2018-11-02 2019-03-29 昆明理工大学 一种激光熔覆涂层粉末及制备方法
CN109913796A (zh) * 2019-03-29 2019-06-21 长安大学 一种钛合金表面的TiAlN复合涂层及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102618870A (zh) * 2012-04-24 2012-08-01 江苏泽金激光科技有限公司 耐磨和耐腐蚀模具及在该模具基体工作表面形成防护涂层的制备工艺
US20160303774A1 (en) * 2014-10-13 2016-10-20 Haidou WANG Plasma-sprayed tin coating having excellent hardness and toughness, the preparation method therefor, and a mold coated with said tin coating
CN107737932A (zh) * 2017-10-26 2018-02-27 西北工业大学 一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法
CN108044123A (zh) * 2017-11-14 2018-05-18 中国航发北京航空材料研究院 一种具有定向凝固组织的Nb-Si-Ti合金制备方法
CN109536943A (zh) * 2018-11-02 2019-03-29 昆明理工大学 一种激光熔覆涂层粉末及制备方法
CN109913796A (zh) * 2019-03-29 2019-06-21 长安大学 一种钛合金表面的TiAlN复合涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王均涛等: "TiAlN硬质涂层的研究进展", 《材料热处理技术》, vol. 39, no. 20, 31 October 2010 (2010-10-31), pages 104 - 109 *

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