CN103158296B - 一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备方法 - Google Patents

一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于输送各种流体介质的化学工业用耐腐蚀泵领域，特别涉及一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备工艺，叶轮基体材料为25钢，叶轮基体表面为氮化钛涂层，叶轮基体与表面氮化钛涂层之间含有一层黏性碳化钛过渡层。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积黏性碳化钛过渡层、沉积表面氮化钛高硬度层。碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐冲击性和耐磨性，延长叶轮的使用寿命；该制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。用该方法制备的叶轮，与未涂层的叶轮相比，耐磨性和耐腐蚀性能有大幅度提高；该碳化钛/氮化钛纳米多层涂层可广泛用于各种耐腐蚀泵类叶轮的涂层。

Description

一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备方法
技术领域
本发明属于材料涂层领域和化学工业用耐腐蚀泵领域，特别涉及一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备工艺。
背景技术
随着工业的飞速发展和环保治理的加强，腐蚀性和含灰渣液体用离心泵输送越来越多。目前，广泛用于化工、石油、制药、农药、酸洗、染料、油漆、冶炼、造纸、电镀、矿山、冶金、食品等行业输送液体的离心泵有许多种，对于输送腐蚀介质的离心泵的耐腐蚀问题一直是广大科技工作者关注的问题。现有的耐腐蚀泵主要采用钛合金、不锈钢、玻璃钢、硅铁、氟塑料、超高分子量聚乙烯等耐腐蚀材料制成。其中有的材料价格较贵，有的材料制造工艺复杂，尤其是有的材料对强腐蚀介质的抗腐蚀性差或在热加工过程中产生剧毒物质，降低了其使用寿命并严重影响了耐腐蚀泵的推广应用。
    耐腐蚀泵在工作过程中，叶轮表面会受到因汽蚀、腐蚀、冲蚀磨损等破坏，叶片会逐渐磨薄、产生腐蚀坑，甚至出现缺口。这些坑和缺口会慢慢扩大造成结构性破坏，同时严重降低泵的运行效率，最终导致叶轮报废。为提高叶轮的使用寿命，各种表面技术得到普遍应用，涂层技术由于工艺灵活、喷涂材料和涂层厚度选择范围广、生产效率高等特点，既能提供耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同功能的涂层，又能将零件的尺寸恢复和表面功能强化结合起来，因此得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有耐腐蚀泵叶轮材料的上述不足，并克服涂层与叶轮基体结合强度小的不足，提供一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备工艺，提高叶轮的耐腐蚀性能，与现有技术相比，该方法具有节能、制造工艺简单、制造成本低等优点，可明显提高叶轮的使用性能和使用寿命，最大程度的降低叶轮在使用过程中的腐蚀和磨损速度，从而有效延长耐腐蚀泵的维修周期。
本发明通过以下方式实现：
一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备方法，叶轮基体3材料为25钢，涂层为碳化钛和氮化钛，叶轮基体表面为氮化钛涂层1，为了提高氮化钛与叶轮基体之间的结合强度，叶轮基体3与氮化钛涂层1之间含有一层黏性碳化钛过渡层2。
制备所述的碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮的方法是：沉积方式为电弧离子镀沉积300~400nm的碳化钛过渡层，然后沉积厚度为400~500nm的氮化钛，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用水砂纸将叶轮基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，采用封闭式喷砂机对抛光后的叶轮基体进行喷砂粗化处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在50~60℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥20min后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至400℃，保温25~30min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗35min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗25min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流80A，离子轰击钛靶5min；
(3) 沉积碳化钛过渡层：氩气气压0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度350℃，钛靶电流70A，碳靶电流80A，电弧镀碳化钛过渡层15min；
(4) 沉积氮化钛层，氩气气压0.5Pa，偏压200V，沉积温度300℃，钛靶电流90A，反应气体氮气压力为0.8Pa，电弧镀氮化钛层20min；
(5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。
通过上述工艺制备的碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮，叶轮表面为氮化钛涂层，叶轮基体与涂层之间有黏性碳化钛过渡层，以减小残余应力，增加涂层与叶轮基体间的结合强度。
本发明碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮，含有氮化钛涂层和黏性碳化钛过渡层，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与叶轮基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性，这种纳米多层涂层结构，可以有效弥补氮化钛单涂层韧性较差的不足，显著减小叶轮的磨损，延长耐腐蚀泵的使用寿命，该纳米多层涂层叶轮制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。
附图说明
附图中图1是本发明的涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，用来进一步说明技术解决方案。
由附图1看出，一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备方法，叶轮基体3材料为25钢，涂层为碳化钛和氮化钛，叶轮基体表面为氮化钛涂层1，为了提高氮化钛与叶轮基体之间的结合强度，叶轮基体3与氮化钛涂层1之间含有一层黏性碳化钛过渡层2。
制备所述的碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮的方法是：沉积方式为电弧离子镀沉积300~400nm的碳化钛过渡层，然后沉积厚度为400~500nm的氮化钛，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用水砂纸将叶轮基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，采用封闭式喷砂机对抛光后的叶轮基体进行喷砂粗化处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在50~60℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥20min后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至400℃，保温25~30min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗35min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗25min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流80A，离子轰击钛靶5min；
(3) 沉积碳化钛过渡层：氩气气压0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度350℃，钛靶电流70A，碳靶电流80A，电弧镀碳化钛过渡层15min；
(4) 沉积氮化钛层，氩气气压0.5Pa，偏压200V，沉积温度300℃，钛靶电流90A，反应气体氮气压力为0.8Pa，电弧镀氮化钛层20min；
(5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。

Claims (1)

1.一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮的制备方法，其特征在于，沉积方式为电弧离子镀沉积300~400nm的碳化钛过渡层，然后沉积厚度为400~500nm的氮化钛，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用水砂纸将叶轮基体表面抛光，去除表面油污、锈迹杂质，采用封闭式喷砂机对抛光后的叶轮基体进行喷砂粗化处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在50~60℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥20min后迅速放入镀膜机，抽真空至5.0×10-3Pa，加热至400℃，保温25~30min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗35min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗25min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流80A，离子轰击钛靶5min；
(3) 沉积碳化钛过渡层：氩气气压0.5Pa，偏压降至300V，沉积温度350℃，钛靶电流70A，碳靶电流80A，电弧镀碳化钛过渡层15min；
(4) 沉积氮化钛层，氩气气压0.5Pa，偏压200V，沉积温度300℃，钛靶电流90A，反应气体氮气压力为0.8Pa，电弧镀氮化钛层20min；
(5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。
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