CN109306445B - 钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钛或钛合金表面Ti‑Al‑C系MAX相涂层的制备方法，该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗；二、采用无氢渗碳处理在经除油清洗后的钛或钛合金的表面渗碳形成TiC层；三、采用真空物理气相沉积法镀Al制备Al\TiC涂层；四、采用原位扩散法使Al\TiC涂层形成Ti‑Al‑C系MAX相涂层。本发明采用逐步镀层方法，利用Al的高活性使其渗入TiC层，提高了Ti‑Al‑C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti‑Al‑C系MAX相涂层的优良性能，提高了Ti‑Al‑C系MAX相涂层与钛或钛合金基体之间的结合程度，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题，方法简便且易于实现。

Description

钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法。

背景技术

钛及其合金具有重量轻、比强度大、耐热性强、耐腐蚀等优异的综合性能，被誉为“未来的金属”，是一类具有发展前途的新型结构材料。钛合金已广泛用于国民经济各部门。它是火箭、导弹和航天飞机中不可缺少的材料，不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在船舶、冶金、石油、化工、轻工、发电等许多工业部门中广泛应用。

尽管钛及钛合金具有许多优异的性能，在各个领域得到广泛应用，但其也存在一些缺点。钛及钛合金的普遍缺点是表面硬度低(纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金通常不超过350HV)，摩擦系数大，耐磨性差，在两个对磨的接触面上容易产生粘着，并且对微动磨损非常敏感。此外，钛合金还存在容易导致与其接触的其他金属发生电偶腐蚀，在还原性酸性环境中耐蚀性差，对氢脆及液态金属致脆敏感等问题。为了提高钛及钛合金的耐磨性，有效地利用钛合金的优良性能，国内外学者作了大量的研究工作，其中最主要的是采用表面强化技术对钛及钛合金进行表面改性。以提高其耐磨性、耐蚀性、高温抗氧化性、抗微动磨损性等，此途径能进一步有效地扩大钛合金的应用范围。

MAX相材料是一种备受人们关注的新型的可加工陶瓷材料，由于兼具了金属材料和陶瓷材料的优良性能，被称为金属陶瓷材料。这类三元层状的过渡族金属的碳化物或者氮化物的概念，最早是由Nowotny教授等人在上个世纪60年代提出的。人们在而后的研究中，又连续发现了很多与这类材料具备相似构造的化合物。在1996年，Barsoum教授课题组在美国的Drexel大学开始利用热压法合成了化合物Ti₃SiC₂，并且他们从中发现了该化合物所具有的优异性能。由于这类材料具备特殊的纳米层状的晶体结构，因此具有良好的导电性、较高的韧性、良好的自润滑性等性能。此后，欧洲、日本和中国的研究者们也相继开展了对这类材料的研究工作。在2000年，经Barsoum教授研究之后，又发表了一篇关于表述这类陶瓷材料的综述性的文章，并率先引入“M_n+1AX_n相”(简称MAX相)的概念来统称这类陶瓷材料.在M_n+1AX_n相材料中，M为过渡族的金属元素，A为主族元素，X为碳元素或者氮元素。

Ti₂AlC和Ti₃AlC₂是MAX相中最为典型的化合物，综合了金属与陶瓷的性能：既具有金属的高电导率、高断裂韧性、又具有陶瓷的高强度、优异的抗氧化性能、同时它还具有良好的可加工性能，因此Ti₂AlC和Ti₃AlC₂的应用前景非常广阔。目前，国内一些科研院所对MAX相的研究工作主要集中在对MAX相本体材料的合成制备、结构特征、物理性能方面，在钛合金表面进行MAX相涂层制备的研究未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法。该方法采用逐步镀层方法，利用Al的高活性使其向TiC层渗入形成Ti-Al-C系MAX相涂层，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的优良性能，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层与钛或钛合金基体之间的结合程度，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题，避免了表面具有Ti-Al-C系MAX相涂层的钛或钛合金在应用该过程中的涂层开裂或剥落损坏现象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的钛或钛合金放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的钛或钛合金进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在钛或钛合金的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的钛或钛合金放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使钛或钛合金表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层。

本发明先通过无氢渗碳法在钛或钛合金表面渗入碳原子使钛或钛合金表面预先形成TiC层，避免了氢原子渗入钛或钛合金中产生“氢脆”从而影响基体性能，导致渗碳后钛或钛合金塑性、韧性和抗拉强度的下降，然后将渗碳后的钛合金通过真空物理气相沉积法(PVD)在TiC层表面镀Al层，形成Al\TiC涂层，减少了杂质元素的干扰，保证了铝层的纯净度，为后续扩散反应提供高纯的铝源，最后在真空热处理炉中进行原位扩散反应合成，利用Al的高活性使其向TiC层渗入并与TiC层反应，形成Ti-Al-C系MAX相涂层，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的优良性能；由于在钛或钛合金表面逐步形成TiC层、Al\TiC涂层和Ti-Al-C系MAX相涂层，最终得到的Ti-Al-C系MAX相涂层与钛或钛合金基体之间的结合较为紧密且无明显的界面，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题，避免了表面具有Ti-Al-C系MAX相涂层的钛或钛合金在应用该过程中的涂层开裂或剥落损坏现象。

上述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述TiC层的厚度为50μm～150μm。上述厚度范围的TiC层可保证后续的原位扩散反应过程中Al层充分渗入TiC层中完全形成成分均匀的Ti-Al-C系MAX相涂层，有利于Ti-Al-C系MAX相涂层性能的发挥，避免了原料的浪费。

上述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述Al层的厚度为10μm～30μm。上述厚度的Al层不仅满足了后续原位扩散反应对Al量的需要，从而得到成分均一的Ti-Al-C系MAX相涂层，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层的性能，并且避免了Al层过厚导致的起皮、脱落等缺陷，节省了原料及制备能耗。

上述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述原位扩散反应的温度为550℃～650℃，时间为8h～20h，真空度大于4×10^-2Pa。上述原位扩散反应的温度范围有利于Al层匀速扩散到TiC层中进行充分反应，避免了温度过高使Al层快速熔化渗入TiC层中，出现Al分布不均的问题；上述真空度范围有效防止了炉内的氧进入原位扩散反应过程中参与反应生成不良的含氧杂质，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的性能；上述原位扩散反应的时间保证了Al层完全渗入TiC层中，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的充分生成。

本发明的无氢渗碳处理的方法参见申请号为CN200710188530.3的《一种钛及钛合金表面氧碳共渗的设备及方法》的专利。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明先在钛或钛合金表面形成TiC层再镀Al层，利用Al的高活性使其向TiC层渗入形成Ti-Al-C系MAX相涂层，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的优良性能，由于逐步制备涂层，提高了Ti-Al-C系MAX相涂层与钛或钛合金基体之间的结合程度，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题，避免了表面具有Ti-Al-C系MAX相涂层的钛或钛合金在应用该过程中的涂层开裂或剥落损坏现象。

2、本发明通过对TiC层厚度以及Al层厚度的控制，保证了Al完全渗入TiC层中进行充分的扩散反应，进一步提高了Ti-Al-C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti-Al-C系MAX相涂层的性能，避免原料和能耗的浪费。

3、本发明的方法简便且易于实现，可有效推广适用至对钛或钛合金有耐磨、耐蚀、减磨、抗氧化等综合性能高要求的领域。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法的技术原理示意图。

具体实施方式

图1是本发明的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法的技术原理示意图，从图1可以看出，本发明先在钛或钛合金表面进行无氢渗碳，使钛或钛合金表面形成TiC层，然后通过真空物理气相沉积法(PVD)在TiC层上镀铝，使钛或钛合金表面形成Al\TiC涂层，再进行原位扩散反应，使钛或钛合金中的Ti与Al\TiC涂层进行渗透扩散并反应，生成以Ti₂AlC、Ti₃AlC₂和TiC等成分为主的Ti-Al-C系MAX相涂层。

实施例1

如图1所示，本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对TA2钛合金块进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的TA2钛合金块放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；所述TiC层的厚度为50μm；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的TA2钛合金块进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在TA2钛合金块的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；所述Al层的厚度为10μm；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的TA2钛合金块放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使TA2钛合金块的表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层；所述原位扩散反应的温度为550℃，时间为20h，真空度大于4×10^-2Pa。

实施例2

如图1所示，本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对TC4钛合金块进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的TC4钛合金块放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；所述TiC层的厚度为100μm；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的TC4钛合金块进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在TC4钛合金块的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；所述Al层的厚度为20μm；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的TC4钛合金块放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使TC4钛合金块的表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层；所述原位扩散反应的温度为650℃，时间为8h，真空度大于4×10^-2Pa。

实施例3

如图1所示，本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对TC6钛合金块进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的TC6钛合金块放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；所述TiC层的厚度为150μm；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的TC6钛合金块进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在TC6钛合金块的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；所述Al层的厚度为30μm；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的TC6钛合金块放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使TC6钛合金块的表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层；所述原位扩散反应的温度为600℃，时间为15h，真空度大于4×10^-2Pa。

实施例4

如图1所示，本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对TC11钛合金块进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的TC11钛合金块放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；所述TiC层的厚度为120μm；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的TC11钛合金块进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在TC11钛合金块的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；所述Al层的厚度为25μm；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的TC11钛合金块放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使TC11钛合金块的表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层；所述原位扩散反应的温度为630℃，时间为18h，真空度大于4×10^-2Pa。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金进行表面除油清洗；

步骤二、将步骤一中经表面除油清洗后的钛或钛合金放置于无氢渗碳炉中进行无氢渗碳处理，使经表面除油清洗后的钛或钛合金的表面形成TiC层；

步骤三、将步骤二中经无氢渗碳处理后的钛或钛合金进行表面清洗，然后放置于真空物理气相沉积设备中进行真空物理气相沉积，在钛或钛合金的表面的TiC层上镀Al层，形成Al\TiC涂层；

步骤四、将步骤三中经真空物理气相沉积后的钛或钛合金放置于真空热处理炉中进行原位扩散反应，使钛或钛合金表面的Al\TiC涂层形成Ti-Al-C系MAX相涂层。

2.根据权利要求1所述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述TiC层的厚度为50μm～150μm。

3.根据权利要求1所述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述Al层的厚度为10μm～30μm。

4.根据权利要求1所述的钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述原位扩散反应的温度为550℃～650℃，时间为8h～20h，真空度大于4×10^-2Pa。

Images