CN101590558B - 反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，该方法采用传统直流钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂石墨粉的钛及钛合金基体作为阳极，在氮气保护下利用氮弧堆焊，在钛及钛合金基体表面反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层。用本发明制备的碳氮化钛增强钛基复合涂层厚度大，与基体呈冶金结合，结合强度高，涂层硬度高，耐磨性好。

Description

反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种大厚度碳氮化钛增强钛基复合涂层制备技术，特别涉及一种在钛及钛合金基体表面制备碳氮化钛增强钛基复合涂层的方法。
背景技术
钛及其合金因其轻质、较高的机械性能和优良的耐蚀性，在化学工业、能源、航空、医学等领域得到广泛应用。但钛及其合金硬度低、耐磨性差，限制了其更加广泛的应用，因此有必要提高钛及其合金表面的耐磨性。碳氮化钛是一种性能优良、用途广泛的非氧化物材料，也是一种性能优异的涂层材料，它兼有氮化钛和碳化钛的特性和优点。与碳化钛相比，碳氮化钛的塑性、耐磨性更优异；与氮化钛相比，碳氮化钛具有更好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能、更低的摩擦因数。目前，碳氮化钛增强金属基复合涂层的等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆等制备技术得到了广泛的应用和研究。分析上述方法，会发现它们一般都具有设备价格昂贵，工艺复杂，制备的涂层薄，涂层制备效率低、生产成本高等一种或几种缺点，因此限制了其在工业生产中的普遍应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种在钛及钛合金基体表面制备工艺简单、生产成本低、制备效率高的碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法。
本发明的目的通过以下措施实现，反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，采用传统直流钨极氮弧焊焊机，以钨电极作为阴极，以表面预涂石墨粉的钛及钛合金基体作为阳极，氮弧作用在将阳极熔化形成熔池的同时使部分氮气电离，电离的氮气及未被电离的氮气与熔池内的石墨及钛反应[Ti+[N]→TiN，Ti+C→TiC，式中[N]可以是氮原子、氮分子或氮离子(N-、N+)]生成碳氮化钛，熔池凝固后生成碳氮化钛增强钛基复合涂层。
(1)备料：用丙酮稀释自制的粘结剂将粒度100～800目，含碳99.9％～99.99％的高纯石墨粉调成糊状，备用。
(2)打磨：用砂纸打磨试件表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物。
(3)清洗：用丙酮酒精溶液清洗打磨后的试件表面，彻底去除试件表面的油污。
(4)预涂：将预先调制好的糊状石墨粉涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度1.0～2.0mm，涂覆过程中不断压实涂覆层。
(5)干燥：将涂覆好石墨的试件自然阴干24～30小时后再将其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小时。
(6)堆焊：用氮弧焊机进行堆焊，工艺参数为钨极直径1～3mm，堆焊电压10～12V，堆焊电流30～120A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，堆焊速度2～5mm/s，所述氮弧能量使部分氮气电离并使阳极熔化(熔融)，所述电离的氮气及未电离的氮气与熔化(熔融)的阳极反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层。
(7)保温：堆焊结束后将试件放入保温箱中随炉冷却至室温。
上述的反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，通过对石墨粒度、石墨纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、堆焊电流、堆焊电压、堆焊速度等的调整，可获得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂层。
本发明具有积极的效果：本发明提供的反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，由于采用钛及钛合金作为特定基体，在氮气保护下，采用常规氮弧堆焊工艺在钛及钛合金表面反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层。本发明不需要预先合成碳氮化钛粉体，而是利用碳氮化钛形成元素在氮弧堆焊过程中通过反应直接合成碳氮化钛增强钛基复合涂层，方法简单，成本低，提高了碳氮化钛增强钛基复合涂层的制备效率，从根本上解决了等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、空心阴极离子镀、离子束辅助沉积、粉末冶金真空烧结、激光熔覆等方法存在的问题，开辟了碳氮化钛增强钛基复合涂层制备的新途径。本发明可通过调整石墨粒度、石墨纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、堆焊电流、堆焊电压、堆焊速度等以获得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂层。本发明综合利用堆焊和反应合成技术，可在钛及钛合金基体表面获得厚度达2mm、硬度高达2950Hv、与基体呈冶金结合的碳氮化钛增强钛基复合涂层，该涂层的硬度约是钛及钛合金基体硬度的10倍，耐磨性约是钛及钛合金基体的7～9倍。本发明提供的反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法对改善钛及其合金零件的表面耐磨性有很高的实用价值。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中，分别在30mm×15mm ×10mm的工业纯钛TA2和TC4钛合金试件表面制备碳氮化钛增强耐磨涂层，具体实施方式如下：
(1)用丙酮稀释自制的粘结剂将粒度200目，含碳99.99％的高纯石墨粉调成糊状。
(2)用200目砂纸打磨试件表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物。
(3)用丙酮酒精溶液清洗打磨后的试件表面，彻底去除试件表面的油污。
(4)将预先调制好的糊状石墨粉涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度1.5mm，涂覆过程中不断压实涂覆层。
(5)将涂覆好石墨的试件自然阴干24小时后再将其放置在150℃真空干燥箱中烘干2小时。
(6)用TIG-315型氮弧焊机进行堆焊，工艺参数为钨极直径2mm，堆焊电压10-12V，堆焊电流120A，氮气流量15L/min，氮气纯度99.99％，堆焊速度3mm/s。
(7)堆焊结束后将试件放入保温箱中缓冷至室温。

Claims (2)

1.一种反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，其特征在于采用传统直流钨极氮弧焊设备，以钨电极作为阴极，以表面预涂石墨粉的钛及钛合金基体作为阳极，在氮气保护下利用氮弧堆焊，在钛及钛合金基体表面反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层，包括以下步骤：
(1)备料：用丙酮稀释自制的粘结剂将粒度100～800目，含碳99.9％～99.99％的高纯石墨粉调成糊状，备用；
(2)打磨：用砂纸打磨试件表面直到出现金属光泽，彻底去除试件表面的氧化皮、锈蚀及其它污染物；
(3)清洗：用丙酮酒精溶液清洗打磨后的试件表面，彻底去除试件表面的油污；
(4)预涂：将预先调制好的糊状石墨粉涂覆在经打磨和清洗后的试件表面，涂覆厚度1.0～2.0mm，涂覆过程中不断压实涂覆层；
(5)干燥：将涂覆好石墨的试件自然阴干24～30小时后再将其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小时；
(6)堆焊：用氮弧焊机进行堆焊，工艺参数为钨极直径1～3mm，堆焊电压10～12V，堆焊电流30～120A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，堆焊速度2～5mm/s，所述氮弧能量使部分氮气电离并使阳极熔化，所述电离的氮气及未电离的氮气与熔化的阳极反应合成碳氮化钛增强钛基复合涂层；
(7)保温：堆焊结束后将试件放入保温箱中随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的反应氮弧堆焊碳氮化钛增强钛基复合涂层制备方法，其特征在于调整石墨粒度、石墨纯度、氮气纯度、氮气供给量、预涂厚度、钨极直径、堆焊电流、堆焊电压、堆焊速度，可以获得厚度、硬度、耐磨性不同要求的涂层。
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