CN106222600B - 一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法 - Google Patents
一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti‑TiN梯度涂层的方法,包括如下步骤:步骤一、在超音速等离子喷枪中输入Ti粉,以He为次级气,以Ar为保护气,对基材表面进行喷涂;步骤二、以N2为次级气,以Ar为保护气,进行喷涂;步骤三、在保护气中通入N2,并使N2的流量从零开始逐渐增大,继续进行喷涂;步骤四、在喷涂过程中,逐渐降低保护气中Ar的流量;步骤五、使保护气中Ar的流量为零,以N2为保护气,并逐渐增大喷涂距离。本发明涂层制备效率高。底层至面层的成分连续梯度变化,形成的涂层残余应力也连续梯度变化,涂层结合强度高,最高达60MPa,能承受的温度冲击次数高、温度高。
Description
技术领域
本发明涉涂层制备技术领域,特别涉及一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法。
背景技术
氮化钛(TiN)具有优异的耐磨性能,目前主要采用气相沉积的方法制备TiN薄膜。这种方法制备TiN薄膜主要存在以下不足:(1)需在真空环境中制备TiN薄膜,制备工艺复杂;(2)受真空炉限制,工件的尺寸不能太大,对形状复杂的工件亦较难制备TiN薄膜;(3)成产效率低;(4)制备TiN薄膜厚度小,一般<10μm。
采用热喷涂的方法,在喷涂Ti金属材料时,Ti粒子与环境中的N2发生反应生成TiN,并沉积在基体上,从而可以获得TiN涂层。但是这种TiN涂层孔隙率较高,涂层陶瓷与金属基体的热膨胀系数差别较大,制备涂层时残余应力大,结合强度低,涂层易剥落。
发明内容
本发明设计开发了一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,解决了单一TiN涂层结合强度低的缺陷,通过使涂层从底层至表面层TiN含量连续逐渐增加,增强TiN涂层的结合强度。
本发明提供的技术方案为:
大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,包括如下步骤:
步骤一、在超音速等离子喷枪中输入Ti粉,以He为次级气,以Ar为保护气,对基材表面进行喷涂;
步骤二、以N2为次级气,以Ar为保护气,进行喷涂;
步骤三、在保护气中通入N2,并使N2的流量从零开始逐渐增大,继续进行喷涂;
步骤四、在喷涂过程中,逐渐降低保护气中Ar的流量;
步骤五、使保护气中Ar的流量为零,以N2为保护气,并逐渐增大喷涂距离。
优选的是,在步骤一之前,还包括对基材表面进行清洗及喷砂操作。
优选的是,所述喷涂材料为Ti破碎粉,粉末粒径为14~45μm。
优选的是,Ti破碎粉中Ti含量不低于99.5%。
优选的是,喷砂的砂砾为24#白刚玉砂,喷砂距离为100~150mm。
优选的是,步骤五中,所述喷涂距离为65~150mm。
优选的是,喷涂过程中Ti粉的送粉量为10~50g/min。
优选的是,保护气中Ar的流量为0~150L/min。
优选的是,保护气中N2的流量为0~150L/min。
优选的是,涂层的总厚度为0.05~1mm。
本发明的有益效果体现在以下方面:
(1)底层Ti至面层TiN是在同一台喷涂设备,同一种喷涂粉末,在不停弧、不停粉的条件下获得的,涂层制备效率高。
(2)底层至面层的成分连续梯度变化,形成的涂层残余应力也连续梯度变化,涂层结合强度高,最高达60MPa,能承受的温度冲击次数高、温度高。
(3)超音速等离子喷涂的粒子飞行速度高,涂层撞击基体后变形充分,涂层致密,孔隙率低,截面结合强度和涂层内聚力都较高。
(4)采用的HEPJet喷涂系统的喷涂气氛、次气种类和流量易调节和控制,对TiN成分的控制能力较强。
(5)梯度复合涂层的厚度可在0.05~1mm精确控制。涂层明显比气相沉积TiN薄膜厚。
(6)喷涂送粉量可在较大范围内调节(10~50g/min),与气相沉积TiN薄膜相比较,涂层制备效率高。
(7喷枪小巧,可由工作人员手持操作,也可由机械手夹持操作。
(8)待喷涂工件形状、尺寸几乎不受限制。甚至可在室外操作,针对大型零部件实施喷涂作业。
(9)本发明可在大气环境中实施喷涂,而气相沉积则需在真空环境中制备薄膜,相比之下,该工艺更简单,易操作,成本低,工件形状和大小不受限。
附图说明
图1为本发明所述的喷涂装置结构示意图。
图2为本发明所述的涂层Ti和TiN含量示意图。
图3为本发明所述的涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示,本发明提供了一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,在喷枪1前端安装送粉架2,所述送粉架2上设置有送粉孔6,用于输送喷涂用粉末。保护气管3通过三通分别与Ar气阀4和N2气阀5连接。
制备Ti-TiN梯度涂层的方法步骤如下:
步骤一:以He为次级气,关闭N2气阀,打开Ar气阀,即以Ar为保护气,喷涂涂层。此时喷涂气氛为惰性,制备的涂层中Ti含量高,基本为纯Ti涂层,其与金属基体的结合强度高,一般为45~60MPa。
步骤二:以N2为次级气,仍然关闭N2气阀,打开Ar气阀,即以Ar为保护气,喷涂涂层。由于采用了N2作次级气,喷涂气氛中N含量增加,部分N与Ti反应生成TiN,故涂层中TiN含量开始增加。
步骤三:以N2为次级气,逐渐打开N2气阀,继续保持打开Ar气阀,即以N2和Ar同时为保护气,喷涂涂层。由于保护气中N含量逐渐增加,逐渐有更多的N与Ti反应生成TiN,故涂层中TiN含量持续增加。
步骤四:以N2为次级气,打开N2气阀,逐渐关闭Ar气阀,即逐渐以N2为保护气,喷涂涂层。同样是由于保护气中N含量增加,涂层中TiN含量持续增加。
步骤五:以N2为次级气,以N2为保护气,逐渐增大喷涂距离,喷涂涂层。喷涂距离增加,Ti粒子在射流中的滞留时间增加,与喷涂气氛中的N2反应的几率和时间增加,故涂层中的TiN含量仍然继续增加。
最终获得底层为纯Ti,表面为高纯度TiN,成连续变化的连续梯度功能Ti-TiN涂层。
以某次喷涂试验为例,首先制备45钢或铝合金基体,基体尺寸为40×80×5mm。通过超声波和酒精清洗,去除基体表面油污和杂质,通过喷砂粗化、活化基体表面。喷砂的砂砾为24#白刚玉砂,喷砂距离为100~150mm。喷涂材料为Ti破碎粉,粉末粒径为14~45μm,Ti含量为99.5%。
进行喷涂时,首先以He为次级气,关闭N2气阀,打开Ar气阀,即以Ar为保护气,喷涂Ti涂层,厚度约100μm。
以N2为次级气,仍然关闭N2气阀,打开Ar气阀,即以Ar为保护气,喷涂涂层,厚度约50μm。
以N2为次级气,打开N2气阀,打开Ar气阀,即以N2和Ar同时为保护气,喷涂涂层,厚度约50μm。
以N2为次级气,打开N2气阀,逐渐关闭Ar气阀,即逐渐以N2为保护气,喷涂涂层,厚度约50μm。
N2为次级气,以N2为保护气,逐渐增大喷涂距离,其中喷涂距离最大为150mm,喷涂涂层厚度约50μm。
如图2、图3所示,经过上述喷涂过程后,在基材7的上表面覆盖有涂层8。在基材7与涂层8的交界面9处,Ti的含量为100%,随着涂层向外延伸,Ti的含量逐渐降低,TiN的含量逐渐增加,直到涂层最外层Ti的含量降低到20%,TiN的含量为80%。
本发明提供的制备Ti-TiN涂层的方法优点是:
(1)底层Ti至面层TiN是在同一台喷涂设备,同一种喷涂粉末,在不停弧、不停粉的条件下获得的,涂层制备效率高。
(2)底层至面层的成分连续梯度变化,形成的涂层残余应力也连续梯度变化,涂层结合强度高,最高达60MPa,能承受的温度冲击次数高、温度高。
(3)超音速等离子喷涂的粒子飞行速度高,涂层撞击基体后变形充分,涂层致密,孔隙率低,截面结合强度和涂层内聚力都较高。
(4)采用的HEPJet喷涂系统的喷涂气氛、次气种类和流量易调节和控制,对TiN成分的控制能力较强。
(5)梯度复合涂层的厚度可在0.05~1mm精确控制。涂层明显比气相沉积TiN薄膜厚。
(6)喷涂送粉量可在较大范围内调节(10~50g/min),与气相沉积TiN薄膜相比较,涂层制备效率高。
(7)喷枪小巧,可由工作人员手持操作,也可由机械手夹持操作。
(8)待喷涂工件形状、尺寸几乎不受限制。甚至可在室外操作,针对大型零部件实施喷涂作业。
(9)本发明可在大气环境中实施喷涂,而气相沉积则需在真空环境中制备薄膜,相比之下,该工艺更简单,易操作,成本低,工件形状和大小不受限。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、在超音速等离子喷枪中输入Ti粉,以He为次级气,以Ar为保护气,对基材表面进行喷涂;
步骤二、以N2为次级气,以Ar为保护气,进行喷涂;
步骤三、在保护气中通入N2,并使N2的流量从零开始逐渐增大,继续进行喷涂;
步骤四、在喷涂过程中,逐渐降低保护气中Ar的流量;
步骤五、使保护气中Ar的流量为零,以N2为保护气,并逐渐增大喷涂距离。
2.根据权利要求1所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,在步骤一之前,还包括对基材表面进行清洗及喷砂操作。
3.根据权利要求1所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,所述喷涂材料为Ti破碎粉,粉末粒径为14~45μm。
4.根据权利要求3所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,Ti破碎粉中Ti含量不低于99.5%。
5.根据权利要求2所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,喷砂的砂砾为24#白刚玉砂,喷砂距离为100~150mm。
6.根据权利要求1所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,步骤五中,所述喷涂距离为65~150mm。
7.根据权利要求1所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,喷涂过程中Ti粉的送粉量为10~50g/min。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的大气环境中超音速等离子喷涂制备Ti-TiN梯度涂层的方法,其特征在于,涂层的总厚度为0.05~1mm。
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