CN100469946C - 一种TiC陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种TiC陶瓷涂层的制备方法。本发明TiC陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：1)块体金属Ti电极(1)及工件电极(4)置入煤油(2)中；2)将脉冲电源(3)的阳极与块体金属Ti电极(1)连接，将脉冲电源(3)的阴极与工件电极(4)连接；3)接通脉冲电源(3)，金属Ti电极(1)在液相介质中放电而释放出的Ti金属离子与煤油(2)中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成陶瓷薄膜TiC陶瓷涂层(5)，并沉积在工件电极(4)的表面。本发明工艺稳定性高，膜基结合力高，膜层硬度高，基体不会产生变形，不需大型镀膜装置，不必抽真空，镀膜成本低。

Description

一种TiC陶瓷涂层的制备方法

1、技术领域：

本发明是一种TiC陶瓷涂层的制备方法，属于TiC陶瓷涂层制备方法的创新技术。

2、背景技术：

现有的随着高新技术的不断发展，工程机械，设备及构件的工作条件日益苛刻，许多场合要求材料具有耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗震动、抗温度急变等性能，以致于单纯的金属材料已不能满足使用要求因此用金属表面加涂陶瓷涂层的方法来制备既具有金属的强度和韧性又具备陶瓷材料高硬度、高耐磨性、高化学稳定性以及其他多方面的优越性的研究工作越来越多地受到人们的重视，世界各国对陶瓷涂层制备技术、性能和应用进行了大量的研究，其中金属碳、氮化合物是获得最为广泛应用的陶瓷涂层之一，当前，金属碳、氮化合物涂层的制备方法主要有：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)、自蔓延高温合成(SHS)等技术，当采用这些技术形成金属-陶瓷表面复合材料时，由于沉积温度高(一般情况下PVD高于500℃，CVD高于800℃，SHS高于800℃)，而在一定程度上限制了他们的应用范围，因此，低温沉积技术引起了世界范围内的广泛兴趣，人们迫切需要寻求一种低温沉积陶瓷涂层的技术来弥补上述技术方法的不足。

由于低温甚至室温的沉积条件，液相沉积法(LPD)是近年来发展起来的一种湿化学制膜法，1988年由Nagayama首次报导，用此法只需在适当反应液中浸入基片，在基片上就会沉积出氧化物或氢氧化物的均匀致密的薄膜由于成膜过程不需热处理，不需昂贵的设备，操作简单，可以在形状复杂的基片上制膜，因此LPD法正广泛地应用于功能性薄膜的制备需要强调指出的是：在该方法中薄膜的获得主要依靠液相中的化学反应即金属离子与非金属离子都由事先配制的溶液提供，因此，存在溶液浓度反应前后不一致，液相反应影响因素多，工艺稳定性不高的缺点。

电火花表面强化概念由前苏联学者于1943年提出，在俄罗斯称为电火花表面合金化，在日本则称为电火花表面沉积/堆焊。其基本原理是储能电源通过电极以10-1000HZ的频率在电极与工件之间产生火花放电。将电极材料溶化，并在放电作用力的作用下扩散到工件表面，形成强化涂层。在国内，中国矿业大学利用该工艺强化和修复了数百件零部件；清华大学和沈阳工业大学分别研制了新型强化设备获得了一些实验结果，北京科技大学设计了一种新型的高频电脉冲沉积设备在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面沉积了含Y₂O₃的MGH7540DS合金微晶涂层。但应当指出的是该方法的缺点是涂层材料仅由单一阳极提供，放电在空气中进行，无液相反应生成，强化层成分不均匀且存在显微裂纹，强化层厚度与表面粗糙度不易协调，生产效率低下(一般为5-10min/cm²)，工艺稳定性差，这些问题的存在限制了该技术在工具、模具强化方面的应用。

3、发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种膜基结合力高，膜层硬度高，基体不会产生变形，不需大型专用镀膜装置，不必抽真空，镀膜成本低的TiC陶瓷涂层的制备方法。

本发明的原理图如图1所示，本发明TiC陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：

1)块体金属Ti电极(1)及工件电极(4)置入煤油(2)中；

2)将脉冲电源(3)的阳极与块体金属Ti电极(1)连接，将脉冲电源(3)的阴极与工件电极(4)连接；

3)接通脉冲电源(3)，金属Ti电极(1)在液相介质中放电而释放出的Ti金属离子与煤油(2)中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成陶瓷薄膜TiC陶瓷涂层(5)，并沉积在工件电极(4)的表面。

上述金属Ti电极(1)与工件电极(4)之间的间距为30-50μm。上述脉冲电源(3)为直流脉冲电源，其峰值电流为3-12A，脉冲宽度为5-10μs，占空比为3～6。

本发明的金属电极是采用冶炼而成的Ti金属块经机械加工而成，不是模压粉体电极，且本发明涂层形成原理不是靠压制而成的金属陶瓷粉体电极的熔化，而是靠液相放电时形成的等离子体通道内的电化学反应另外，本发明不用特制的专用脉冲电源，可在普通电火花成型机床上实现沉积过程因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

a)膜基结合力高，因为它不是单纯地在基体表面沉积陶瓷涂层，而是有过渡层的产生，当脉冲等离子体刚开始轰击基体材料表面时，会产生离子注入效应，并可以溅射出基体材料的原子和离子，从而使等离子体也可以与基体材料发生化学反应，在界面处形成化合物过渡层，使薄膜与基体的结合力得到保证；

b)膜层硬度高，薄膜生成时存在液相反应，薄膜组织为单一TiC金属陶瓷，且膜层组织结构细小，硬度高于传统的电火花强化；且它改变了传统的电火化强化涂层材料仅由阳极提供，无液相反应存在，沉积效率低下的缺点。

c)由于放电通道极小，对整个液体而言，其整体温度并不高，因此，可在常温下成膜，基体不会产生变形；

d)不需大型镀膜装置，不必抽真空，因此镀膜成本低；

e)与液相沉积技术相比，沉积过程不是单纯依靠液中的化学反应，本方法中液相仅提供非金属离子，而金属离子则由阳极提供，依靠液中放电产生的低温高能等离子体进行薄膜合成并沉积，因此工艺稳定性高。克服了普通液相反应影响因素多，工业稳定性差的缺点。

本发明是一种工艺稳定性高，膜基结合力高，膜层硬度高，基体不会产生变形，不需大型镀膜装置，不必抽真空，镀膜成本低的TiC陶瓷涂层的制备方法。

4、附图说明：

图1为本发明的原理图；

图2为用本发明所得TiC涂层组织的示意图。

5、具体实施方式：

实施例：

本发明的原理图如图1所示，制备过程在普通电火花成型机床上进行，液体介质为工业用航空煤油；放电电极采用金属Ti电极，被沉积基体即工件电极(4)为45#碳钢。沉积面积为80mm²，本发明TiC陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：

1)块体金属Ti电极(1)及工件电极(4)置入煤油(2)中；

2)将脉冲电源(3)的阳极与块体金属Ti电极(1)连接，将脉冲电源(3)的阴极与工件电极(4)连接；

3)接通脉冲电源(3)，金属Ti电极(1)在液相介质中放电而释放出的Ti金属离子与煤油(2)中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成陶瓷薄膜TiC陶瓷涂层(5)，并沉积在工件电极(4)的表面。

上述金属Ti电极(1)是冶炼而成的Ti金属块经机械加工而成。金属Ti电极(1)的直径为φ8mm～φ12mm。本实施例中，金属Ti电极(1)的直径为φ10mm。

上述金属Ti电极(1)与工件电极(4)之间的间距为30-50μm。本实施例中，金属Ti电极(1)与工件电极(4)之间的间距为40μm。

上述脉冲电源(3)为直流脉冲电源，其峰值电流为3-12A，脉冲宽度为5-10μs，占空比为3～6。本实施例中，直流脉冲电源的峰值电流为8A，脉冲宽度为7μs，占空比为5。

上述TiC陶瓷涂层(5)的累计沉积时间为20min～40min。本实施例中，TiC陶瓷涂层(5)的累计沉积时间为30min。结果获得TiC涂层厚度为35μm。涂层组织如图2所示。

本发明的制备原理是：接通高功率的脉冲电源，当液相介质被击穿而放电时，将在液相介质中产生放电通道，通道中的介质以等离子体状态存在因极间电压作用使液体电离形成等离子体，同时巨大的脉冲电流使阳极材料表面熔化、汽化溅射而形成阳极材料的等离子体，因此等离子体是液相介质和阳极材料两种等离子体组成的。因为等离子通道内的电子将奔向阳极，由于运动速度高，动能大而使阳极表面产生局部瞬时高温而熔化，而电极溶解下来的金属离子在电场力的作用下奔向阴极，与液体中电离出来的C离子合成TiC陶瓷薄膜层。

Claims (7)

1、一种TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于包括有下列步骤：

1)块体金属Ti电极(1)及工件电极(4)置入煤油(2)中；

2)将脉冲电源(3)的阳极与块体金属Ti电极(1)连接，将脉冲电源(3)的阴极与工件电极(4)连接；

3)接通脉冲电源(3)，金属Ti电极(1)在液相介质中放电而释放出的Ti金属离子与煤油(2)中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成陶瓷薄膜TiC陶瓷涂层(5)，并沉积在工件电极(4)的表面。

2、根据权利要求1所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述金属Ti电极(1)是冶炼而成的Ti金属块经机械加工而成。

3、根据权利要求1所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述煤油(2)为航空煤油。

4、根据权利要求1所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述金属Ti电极(1)与工件电极(4)之间的间距为30-50μm。

5、根据权利要求1所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述脉冲电源(3)为直流脉冲电源，其峰值电流为3-12A，脉冲宽度为5-10μs，占空比为3～6。

6、根据权利要求1所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述工件电极(4)为普通碳素钢。

7、根据权利要求1至6任一项所述的TiC陶瓷涂层的制备方法，其特征在于上述制备过程在普通电火花成型机床上进行。

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