CN102676982B

CN102676982B - TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法

Info

Publication number: CN102676982B
Application number: CN201210183506.1A
Authority: CN
Inventors: 张显程; 张辉; 陈晓卿; 刘正道; 刘兴; 许金沙; 涂善东
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: CN102676982A

Abstract

本发明提供一种TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，通过激光器发射的激光束经由保护气通道进入纯氮气氛围的密封箱中并且匀速扫过钛合金试样表面，同时，同步送粉器向钛合金试样表面传输铝粉，从而在钛合金试样表面形成TiN/Al复合涂层。该复合涂层内部结构优良，与基体为冶金结合，提高了涂层的抗开裂能力及耐磨性，延长了使用寿命，同时提高涂层的抗高温氧化性。此外，通过采用同轴送粉方式的同步送粉器，大大提高了合金化质量，降低了合金化层的稀释率和基材的热影响，而且便于实现自动控制。

Description

TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金表面改性领域，具体涉及一种TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性优异、耐热性高、生物相容性高等突出优点。在航空航天、生物医学、化工工业等领域中得到了广泛应用，但钛合金存在耐磨性低的致命缺点，严重影响了钛合金的使用性能及应用范围。自上世纪八十年代以来，人们对钛合金气体激光氮化进行了一系列研究。研究结果表明，激光气体氮化对钛合金表面氮化效果非常明显，是钛合金表面强化的有效方法，并有其独特的优点。

激光气体氮化工艺的研究始1983年，它是利用高能激光束为热源，照射工件表面使其熔化形成液相金属熔池；同时，在高纯氮气气氛下，高能激光束将氮气的三键打开，将其激活为活性氮原子，进而在熔池中与金属液体发生强烈化学／冶金反应，随着热源的移动，快速冷却凝固，形成枝晶状的氮化物表层，最终达到提高表面硬度和耐磨性的目的。人们虽然在激光表面氮化工艺方面做了大量的研究工作，但工艺参数的重现性和可信度不大，试验结果往往难以相互引用，工艺理论研究尚不成熟，目前还有一些十分突出、急需解决的问题。氮化层中裂纹的存在就是其中一个最主要的问题。

研究表明,通过向涂层中添加合金元素，可以增加涂层中的增强相，从而提高涂层的抗开裂能力，同时也能获得增强相的其他一些优良性能。例如，通过向激光氮化过程中添加Al，能明显的提高涂层的抗开裂能力，而且Al在高温下能与氧气生成一层致密的Al₂O₃氧化膜，从而提高的涂层的抗高温氧化性。

发明内容

本发明提出一种TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，提高涂层的抗开裂能力，增强涂层耐磨性，同时提高涂层的抗高温氧化性。

为了达到上述目的，本发明的所采用的技术方案是：

一种TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，包括：步骤（1）：将钛合金试样放入激光表面处理装置的密封箱中，将铝粉放入与密封箱相通的同步送粉器；步骤（2）：通过与真空发生装置相连的出气口将密封箱抽真空，通过与氮气源相连的进气口向与密封箱相连的保护气通道通入氮气，使保护气通道与密封箱中保持纯氮气氛围；步骤（3）：开启与保护气通道相连的激光器，激光器发射的激光束经由保护气通道进入密封箱中并且匀速扫过钛合金试样表面，同时，开启同步送粉器向钛合金试样表面传输铝粉，从而在钛合金试样表面形成TiN/Al复合涂层。

所述步骤（1）中，在放入密封箱之前，对钛合金试样进行包括磨削、清洗和吹干的前处理。

所述步骤（1）中，所述磨削步骤包括采用砂纸打磨钛合金试样。

所述步骤（1）中，所述清洗步骤依次包括将钛合金试样置于丙酮溶液中进行超声波清洗、无水乙醇清洗和去离子水清洗。

所述步骤（1）中，采用颗粒度大小为50-100μm且纯度大于99%的铝粉。

所述步骤（1）中，在放入同步送粉器之前，对铝粉进行烘干处理。

所述步骤（2）中，通入氮气的流量为20～100L/min。

所述步骤（3）中，所述激光束的功率为2.0～3.0Kw。

所述步骤（3）中，所述激光束的扫描速度为240～600mm/min。

所述步骤（3）中，所述同步送粉器的送粉量为1.8～3.0g/min。

所述步骤（3）中，所述同步送粉器采用同轴送粉方式传输铝粉。

所述步骤（3）中，所述同步送粉器采用高纯氮气作为送粉气体。

所述步骤（3）中，所述激光束经过位于保护气通道中的积分镜反射后通过伸入密封箱中的喷嘴照射到钛合金试样表面。

本发明的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，通过激光器发射的激光束经由保护气通道进入纯氮气氛围的密封箱中并且匀速扫过钛合金试样表面，同时，同步送粉器向钛合金试样表面传输铝粉，从而在钛合金试样表面形成TiN/Al复合涂层。该复合涂层内部结构优良，与基体为冶金结合，提高了涂层的抗开裂能力及耐磨性，延长了使用寿命，同时提高涂层的抗高温氧化性。此外，通过采用同轴送粉方式的同步送粉器，大大提高了合金化质量，降低了合金化层的稀释率和基材的热影响，而且便于实现自动控制。

附图说明

图1为本发明所采用的激光表面处理装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1所得TiN/Al复合涂层的X-ray衍射图；

图3为本发明实施例1所得TiN/Al复合涂层的SEM照片；

图4为本发明实施例2所得TiN/Al复合涂层的X-ray衍射图；

图5为本发明实施例2所得TiN/Al复合涂层的SEM照片；

图6为本发明实施例3所得TiN/Al复合涂层的X-ray衍射图；

图7为本发明实施例3所得TiN/Al复合涂层的SEM照片。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步说明。

本发明采用如图1所示的激光表面处理装置，例如可采用上海团结普瑞玛激光设备有限公司生产的CP4000型CO₂激光加工系统作为激光表面处理装置。该激光表面处理装置包括用于容纳钛合金试样3的密封箱2，以及通过保护气通道8与密封箱2相连的激光器1，其中，保护气通道8上设有与氮气源相连的进气口5，密封箱2上设有与真空发生装置相连的出气口7。本发明所采用的设备还包括通过设于保护气通道8上的入粉口10与密封箱2相通以向钛合金试样3表面传输铝粉的同步送粉器（未示出）。

本发明的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，包括：

首先，将钛合金通过线切割成尺寸为22mm×13mm×5mm的激光处理试样。在进行激光合金化前，试样需经过磨削、清洗和吹干等前处理，例如，先将试样用砂纸打磨，然后放入丙酮溶液中进行超声波清洗，再用无水乙醇清洗以及去离子水清洗，最后用吹风机吹干后放入密封箱中。采用北京矿冶研究总院金属材料研究所生产的颗粒度大小为200目、纯度大于99%的纯铝粉，预先用筛网选出颗粒度大小为50-100μm的铝粉，放入烘箱中烘干处理12小时，然后放入同步送粉器中。

接下来，通过与真空发生装置相连的出气口7将密封箱2抽真空，通过与氮气源相连的进气口5向保护气通道8通入氮气，使保护气通道8与密封箱2中保持纯氮气氛围。

然后，开启与保护气通道8相连的激光器1。优选地，保护气通道8与密封箱2相连的一端设有环形喷嘴9，该喷嘴9伸入密封箱2中且与试样3的表面相对，控制离焦量为10mm。另外，保护气通道8中设有积分镜4，激光器1发射的激光束经过积分镜4反射后通过喷嘴9照射到试样表面，并且匀速扫过试样表面。

同时，开启同步送粉器向钛合金试样表面传输铝粉，送粉气体为高纯氮气。优选地，所述同步送粉器为采用同轴送粉方式的同步送粉器。它将粉末直接送入激光熔池中进行添料，由于粉末比基体预先受热，使得粉末与基体结合时为熔融状态，所以基体升温较低，从而减少基体的稀释率，因此具有稀释率低、热变形小、粉末利用率高、合金化带表面光滑、合金化区组织精细等优点，可以大大提高合金化质量，降低合金化层的稀释率和基材的热影响。另外，由于同步送粉器可以自动化控制，因而可以通过控制同步送粉而使激光氮化在工业上的应用更加自动化。

于是，在高能激光束的作用下，密封箱中的N、试样表面的Ti以及同步送粉器所传输的Al发生反应，在试样表面快速原位生成TiN/Al复合涂层6。

基于前人激光氮化研究的基础，可将复合涂层制备过程中的参数设置如下：激光功率为2.0～3.0Kw，扫描速度为240～600mm/min，经由进气口5通入的氮气流量为20～100L/min。另外，同步送粉器的送粉量设置为1.8～3.0g/min，若送粉量过低，试样表面的Al粉过少，无法与N、Ti有效反应以生成复合涂层；若送粉量过高，则可能影响复合涂层中的Al元素含量进而影响该复合涂层的相关性能。

以下是本发明的几个具体实施例。

实施例1

本实施例中，采用以下工艺参数：激光功率为3000W，扫描速度为240mm/min，氮气流量为80L/min，送粉量为2.4g/min。制备得到的复合涂层表面X-ray衍射图如图2所示。X射线衍射物相分析的分析结果表明：涂层中的主要成分为TiN和Al两种物相。其内部微观结构的SEM照片如图3所示。可以发现：涂层表面及内部无气孔、裂纹，涂层与钛合金基体之间为冶金结合，组织均匀，无冶金缺陷存在；复合涂层的厚度约为400μm。

实施例2

本实施例中，采用以下工艺参数：激光功率为2800W，扫描速度为240mm/min，氮气流量为80L/min，送粉量为2.4g/min。制备得到的复合涂层表面X-ray衍射图如图4所示，X射线衍射物相分析的分析结果表明：涂层中的主要成分为TiN和Al两种物相。其内部微观结构的SEM照片如图5所示。可以发现：涂层表面及内部无气孔、裂纹，涂层与钛合金基体之间为冶金结合，组织均匀，无冶金缺陷存在；复合涂层的厚度约为300μm。

实施例3

本实施例中，采用以下工艺参数：激光功率为2500W，扫描速度为240mm/min，氮气流量为80L/min，送粉量为2.4g/min。制备得到的复合涂层表面X-ray衍射图如图6所示，X射线衍射物相分析的分析结果表明：涂层中的主要成分为TiN和Al两种物相。其内部微观结构的SEM照片如图7所示。可以发现：涂层表面及内部无气孔、裂纹，涂层与钛合金基体之间为冶金结合，组织均匀，无冶金缺陷存在；复合涂层的厚度约为100μm。

此外，本申请的发明人还采用了其它一些工艺参数进行了试验，例如，激光功率分别为2.0、2.2、2.5、2.8、3.0Kw，扫描速度分别为240、360、480、600mm/min，氮气流量分别为20、40、60、80、100L/min，送粉量分别为1.8、2.2、2.5、3.0g/min。X射线衍射分析和SEM测试的结果表明，上述实施例皆可得到所需的TiN/Al复合涂层，并且涂层表面及内部无气孔、裂纹，涂层与钛合金基体之间为冶金结合，组织均匀，无冶金缺陷存在。另外，采用不同的激光功率，涂层内部的微观组织及涂层的厚度均有所不同，但是涂层与基体之间无明显界面，为冶金结合。因此，可以根据基体厚度的不同及涂层厚度的需要，适当选取激光工艺参数。

因此，采用本发明的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，可以针对钛合金制备的关键零部件（如轴、叶片）进行表面强化处理，也可以对磨损减少尺寸的钛合金零部件进行局部几何尺寸及性能恢复，并达到再制造延寿的目的。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims

1.一种TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，该方法包括：

步骤（1）：将钛合金试样放入激光表面处理装置的密封箱中，将铝粉放入与密封箱相通的同步送粉器；

步骤（2）：通过与真空发生装置相连的出气口将密封箱抽真空，通过与氮气源相连的进气口向与密封箱相连的保护气通道通入氮气，使保护气通道与密封箱中保持纯氮气氛围，其中，氮气的流量为20～100L/min；

步骤（3）：开启与保护气通道相连的激光器，激光器发射的激光束经由保护气通道进入密封箱中并且匀速扫过钛合金试样表面，同时，开启同步送粉器采用同轴送粉方式向钛合金试样表面传输铝粉，从而在钛合金试样表面形成TiN/Al复合涂层，其中，激光束的功率为2.0～3.0Kw，扫描速度为240～600mm/min，离焦量为10mm，同步送粉器的送粉量为1.8～3.0g/min。

2.如权利要求1所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在放入密封箱之前，对钛合金试样进行包括磨削、清洗和吹干的前处理。

3.如权利要求2所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述磨削步骤包括采用砂纸打磨钛合金试样。

4.如权利要求2所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述清洗步骤依次包括将钛合金试样置于丙酮溶液中进行超声波清洗、无水乙醇清洗和去离子水清洗。

5.如权利要求1所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，采用颗粒度大小为50-100μm且纯度大于99%的铝粉。

6.如权利要求1所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在放入同步送粉器之前，对铝粉进行烘干处理。

7.如权利要求1所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述同步送粉器采用高纯氮气作为送粉气体。

8.如权利要求1所述的TiN/Al复合涂层的快速原位制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述激光束经过位于保护气通道中的积分镜反射后通过伸入密封箱中的喷嘴照射到钛合金试样表面。