CN112159949B - 氮化钛涂层的制备方法、基材及应用 - Google Patents

氮化钛涂层的制备方法、基材及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化钛涂层的制备方法、基材及应用，该氮化钛涂层的制备方法包括：对基体的表面进行第一次低压等离子喷涂，以在基体表面形成含钛涂层，含钛涂层为钛涂层或氮化钛涂层；对含钛涂层进行第二次低压等离子喷涂氮气，以对所述钛涂层进行氮化处理。通过改变现有的直接采用低压等离子喷涂氮化钛涂层的方式，先低压等离子喷涂含钛涂层，再低压等离子喷涂氮化，低压环境下长且宽的等离子焰流具有高反应性激发态(N2*)，自由基(N*)和气体分子(N2)可分别与处于高温状态的含钛涂层发生氮化反应，形成氮化钛涂层比低压等离子喷涂直接制备氮化钛涂层具有更高的氮化率，氮化率得到大幅度提高。

Description

氮化钛涂层的制备方法、基材及应用
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体而言，涉及一种氮化钛涂层的制备方法、基材及应用。
背景技术
不锈钢具有优异耐腐蚀性能、综合力学性能和工艺性能，从而在石油、化工、纺织、造纸、医药、原子能、航空以及海洋开发等工业中得到广泛应用。但不锈钢强度、硬度偏低、耐磨性差、摩擦系数大；不宜用于承受较重负荷及对硬度和耐磨性有较高要求的设备或部件。尤其是在腐蚀、磨损和外载等多种因素同时存在的条件下，相互作用结果将会显著加速不锈钢材料的破坏过程，缩短不锈钢零部件的使用寿命。不锈钢的这些弱点严重地限制了其应用。因此，进一步提高不锈钢耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等表面性能就成了亟需解决的问题。除改进不锈钢的制备工艺外，利用表面改性技术在不锈钢表面制备改性涂层是提高不锈钢表面硬度、抗磨损性能和耐腐蚀性能等综合性能的重要手段。
其中，氮化钛涂层作为一种新型陶瓷涂层，由于具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性、高耐磨性及高耐腐蚀性能等优点，已被广泛应用于切削刀具、高温结构材料和抗磨抗蚀部件上。在不锈钢表面制备一层氮化钛涂层来进行表面改性，可有效提高其表面力学性能、耐蚀性能和生物兼容性能，有利于不锈钢在航空航天、舰船兵器、石油化工、生物医学等领域应用。
目前，国内外制备氮化钛涂层一般采用镀膜工艺，传统制备TiN涂层方法为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)工艺。这些方法制备氮化钛涂层纯度高、致密性好。但其沉积效率低，涂层厚度过薄(仅几个μm)，严重限制了氮化钛涂层在磨、蚀服役条件下的应用。
为满足不断提高的氮化钛工业需求，高沉积效率的等离子喷涂工艺被用于氮化钛涂层的制备。采用大气反应等离子喷涂制备的TiN涂层，厚度超过了500μm，但涂层疏松多孔，且含有杂质Ti3O，一定程度上降低了TiN涂层硬度。随着等离子喷涂技术不断发展，采用低压反应等离子喷涂技术(F4-VB)制备了氮化钛涂层，涂层呈致密层状结构，厚度能够达到70μm左右，但是其涂层物相组成为TiN0.3、Ti2N和TiN相，涂层中存在未被氮化的钛颗粒，涂层氮化率仅为25％左右，影响TiN涂层的硬度及耐磨性。
因此，如何提高低压等离子喷涂制备氮化钛涂层中的涂层氮化率是亟需解决的问题。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化钛涂层的制备方法、基材及应用，以改善上述问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种氮化钛涂层的制备方法，其包括：对基体的表面进行第一次低压等离子喷涂，以在基体表面形成含钛涂层，含钛涂层为钛涂层或氮化钛涂层；对钛涂层进行第二次低压等离子喷涂氮气，以对所述钛涂层进行氮化处理。
可选地，含钛涂层为钛涂层或氮化钛涂层，优选地，含钛涂层为钛涂层；
可选地，当含钛涂层为钛涂层时，第一次低压等离子喷涂的参数为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～51kW，电流为600～700A；等离子气体流量Ar：30～45splm，H2：10～12slpm,送粉率为1.0～3.0g/min；喷涂距离为500～800mm。
当含钛涂层为氮化钛涂层时，第一次低压等离子喷涂的参数为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～54kW，电流为600～750A；等离子气体流量Ar：30～45splm，H2：10～12slpm，N2：4～8slpm，送粉率为1.0～3.0g/min；喷涂距离为500～800mm。
可选地，进行第一次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，运动速度为200～400mm/s，运动350～450个来回。
可选地，在通入钛粉末进行喷涂之前，将基体置于喷涂设备，并抽真空至压力＜0.5mbar，填充氩气至＞35mbar，点枪后，抽真空至压力＜2mbar，然后利用等离子射流将基体预热至650～700℃。
可选地，第一次低压等离子喷涂所用的钛粉为球形粉末，可选地，钛粉的粒径为7～23μm。
可选地，含钛涂层的厚度为60～100μm。
可选地，第二次低压等离子喷涂的参数为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～51kW，电流为600～700A；等离子气体流量Ar：30～45splm，H2：10～12slpm，反应气体流量N2：4～8slpm。
可选地，进行第二次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200～400mm/s，运动90～110个来回。
可选地，基体包括但不限于不锈钢、钛基体或钛合金、铝合金等，可选地，不锈钢为奥氏体不锈钢。
可选地，在对基体喷涂含钛涂层之前，对基体进行表面预处理，表面预处理为先对表面研磨，再进行喷砂处理。
可选地，采用砂纸进行研磨，再喷砂至表面粗糙度为3～4μm。
可选地，在喷砂处理后，进行超声波清洗。
可选地，氮化处理后，保持低压状态直至冷却至室温。
第二方面，本发明还提供了一种基材，其包括基材和基材表面附着的氮化钛涂层，氮化钛涂层由前述制备方法制备得到。
第三方面，本发明还提供了前述氮化钛涂层的制备方法或前述基材在制备切削刀具、结构材料或抗磨抗蚀部件上的应用。
本发明的技术方案具有以下有益效果：通过将现有的直接采用低压等离子喷涂氮化钛涂层的方式，改变为先通过低压等离子喷涂含钛涂层，然后对含钛涂层再次采用低压等离子喷涂氮化，低压环境下长且宽的等离子焰流具有高反应性激发态(N2*)，自由基(N*)和气体分子(N2)可分别与处于高温状态的含钛涂层发生氮化反应，形成氮化钛涂层具有比低压等离子喷涂直接制备氮化钛涂层更高的氮化率，进而使得能够充分使得低压等离子喷涂形成氮化钛的涂层氮化率大幅度提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1中钛涂层和TiN涂层的X射线衍射谱线；
图2为实施例1中TiN涂层扫描电镜表面形貌；
图3为实施例1中TiN涂层扫描电镜截面形貌；
图4中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛涂层的X射线衍射谱线，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层的X射线衍射谱线；
图5中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛表面形貌，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层表面形貌；
图6中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛截面形貌，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层截面形貌；
图7为实施例5中喷涂距离为400mm和900mm获得的氮化钛涂层的X射线衍射谱线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的一种氮化钛涂层的制备方法、基材及应用进行具体说明。
现有技术中，低压等离子喷涂制备氮化钛涂层虽然能够在一定程度上获得厚度较大(70μm左右)的涂层，但是其涂层物相组成为TiN0.3、Ti2N和TiN相，涂层中存在未被氮化的钛颗粒，涂层氮化率仅为25％左右，影响TiN涂层的硬度及耐磨性。发明人发现虽然改变通入反应气体氮气的方式及氮气流速等能够在一定程度上提高涂层氮化率，然而其还是会受到低压等离子喷涂F4-VB枪最大功率(51KW)的约束，进而使得涂层氮化率的提高受限。基于此，在经过大量研究和实践后，发明人提出了以下技术方案。
本发明的一些实施方式提供了一种氮化钛涂层的制备方法，其包括：对基体的表面进行第一次低压等离子喷涂，以在基体表面形成含钛涂层，含钛涂层为钛涂层或氮化钛涂层；对钛涂层进行第二次低压等离子喷涂氮气，以对钛涂层进行氮化处理。
通过以上技术方案创造性地改善了采用低压等离子喷涂制备氮化钛的涂层氮化率，进而使得其操作简单，快速经济，并且制备得到的涂层致密纯净。其原因可能在于，先通过低压等离子喷涂钛涂层，然后对钛涂层再次采用低压等离子喷涂，两个过程均采用低压等离子喷涂的方式进行，其操作简单快速。低压环境下长且宽的等离子焰流具有高反应性激发态(N2*)，自由基(N*)和气体分子(N2)可分别与处于高温状态的Ti涂层发生氮化反应，形成氮化钛涂层具有比低压等离子喷涂直接制备氮化钛涂层更高的氮化率，进而能够充分使得低压等离子喷涂形成氮化钛的涂层氮化率大幅度提高。
一些较佳的实施例中，含钛涂层为纯钛粉形成的钛涂层，先制备与基体(例如不锈钢)热膨胀系数相当的Ti涂层，再通过等离子氮化处理生成TiN，还可有效解决因低压反应等离子喷涂直接制备TiN涂层与基体热膨胀系数相差较大而导致的涂层剥落问题。
为了使得喷涂的钛涂层比较致密均匀，且具有较佳的结合性能，一些实施方式中，第一次低压等离子喷涂的参数可为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～51kW，电流为600～700A；等离子气体流量Ar：30～45splm，H2：10～12slpm,送粉率为1.0～3.0g/min；喷涂距离为500～800mm。通过上述参数的选择，使得形成钛涂层的质量的质量得到了有效保障。
进一步地，进行第一次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，运动速度为200～400mm/s，运动350～450个来回。通过以上操作能够使得喷涂的钛涂层具有很好的均匀性以及其厚度合适。
一些实施方式中，在通入钛粉末进行喷涂之前，将基体置于喷涂设备，并抽真空至压力＜0.5mbar，填充氩气至＞35mbar，点枪后，抽真空至压力＜2mbar，然后利用等离子射流将基体预热至650～700℃，即之后的低压等离子喷涂也在该真空环境中进行。低压真空环境喷涂避免了Ti粉末的氧化，同时促成了长且宽等离子焰流的形成，增加了Ti粉末被加热处理的时间，有助于提高Ti涂层的质量。
具体地，一些实施方式中，为了使得喷涂效果更佳，钛粉选择球形粉末，钛粉的粒径为7～23μm。同时为了保障最终获得氮化钛涂层的厚度能够达到预期的要求，先喷涂形成的钛涂层的厚度为60～100μm，例如可以为60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm或95μm等。需要说明的是，钛涂层的厚度由等离子枪来回运动的次数或运动时间来控制。
进一步地，为了使得对钛涂层的氮化率达到较佳，并且在氮化过程中不对涂层的性能造成影响，一些实施方式中，第二次低压等离子喷涂的参数可为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～51kW，电流为600～700A；等离子气体流量Ar：30～45splm，H2：10～12slpm，反应气体流量N2：4～8slpm。
一些实施方式中，进行第二次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200～400mm/s，运动90～110个来回。通过以上操作使得氮化过程能够有效进行，并且满足充分氮化的需求。
一些实施方式中，基体为不锈钢，优选地，不锈钢可为奥氏体不锈钢。需要说明的是，在其他实施方式中，基体也可以选择和钛热膨胀系数较为接近的其他金属或合金材料。
基体表面的表观性能，对于涂层的结合强度有很大的影响，因此，在一些实施方式中，在对基体喷涂钛涂层之前，对基体进行表面预处理，表面预处理为先对表面研磨，再进行喷砂处理。
具体地，采用砂纸进行研磨，砂纸可以选用碳化硅的砂纸，型号可以为60#SiC，再喷砂至表面粗糙度为3～4μm，喷砂所用的砂可以为Al2O3。需要说明的是，也可以采用其他方式获得需要的表面粗糙度，例如磁控溅射等等。
进一步地，在喷砂处理后，进行超声波清洗，例如，可以采用酒精进行超声波清洗。
一些实施方式中，氮化处理后，保持低压状态直至冷却至室温。通过在低压状态冷却，可以使得涂层不会因为压力的急剧变化而导致涂层的性能降低。
本发明的一些实施方式提供的氮化钛涂层的制备方法还可具体包括：
(1)选用不锈钢作为基体，表面预处理后用酒精进行超声波清洗。
(2)将基体置于喷涂设备内，抽真空至压力＜0.5mbar下。
(3)填充Ar至＞35mbar，点枪后，抽真空至压力＜2mbar，利用等离子射流将基体预热至650～700℃。
(4)待射流稳定后，通入钛粉末，制备钛涂层。
(5)钛涂层制备完成，停下送Ti粉末的同时通入氮气到等离子射流中，以等离子射流(Ar/H2/N2)为热源即刻对步骤(4)中的钛涂层进行原位等离子氮化处理。
(6)氮化处理结束，保持低压状态直至冷却至室温，得到TiN涂层。
本发明的一些实施方式还提供了一种基材，其包括基材和基材表面附着的氮化钛涂层，氮化钛涂层由前述任一实施方式的氮化钛涂层的制备方法制备得到。
本发明的一些实施方式还提供了前述氮化钛涂层的制备方法或前述基材在制备切削刀具、结构材料或抗磨抗蚀部件上的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
(1)选用不锈钢作为基体，用60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm，然后用酒精进行超声波清洗。把400g，7～23μm的球形Ti粉末装入送粉器中。
(2)将不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力0.2mbar。
(3)填充Ar至43mbar后点枪，点枪后抽真空至压力1mbar，利用等离子射流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到700℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备钛涂层：喷涂压力为1.5mbar；喷枪功率为51kW，电流为650A；工作气体流量为Ar：45splm，H2：12slpm。待焰流稳定后，以2.5g/min的送分率将Ti粉送入等离子焰流。喷涂距离为700mm；等离子枪水平方向运动，运动速度为400mm/s，运动时间为30分钟。
(5)调整等离子喷涂参数即刻对(4)中制备的钛涂层进行等离子氮化处理：Ar：45splm，H2：12slpm，反应气体流量N2：4slpm，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200mm/s，运动时间为5分钟。
(6)氮化处理结束后，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到TiN涂层，经检测：涂层厚度为70μm。
实施例2
(1)选用不锈钢作为基体，60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm。把400g，7～23μm的球形Ti粉放入送粉器。
(2)将不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力为0.2mbar。
(3)填充Ar至43mbar后点枪，点枪后抽真空至压力至1mbar，利用等离子焰流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到750℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备氮化钛涂层：喷涂压力为1.5mbar；喷枪功率为54kW，电流为750A；工作气体流量为Ar：45splm，H2：12slpm；N2：4slpm；待焰流稳定后，将Ti粉末注入等离子焰流进行反应喷涂。送粉量为2.5g/min；喷涂距离为600mm；运动速度为200mm/s，喷涂时间为30分钟。
(5)利用等离子射流(Ar/H2/N2)对(4)中制备的氮化钛涂层即刻进行氮化处理，其中，Ar：45splm，H2：12slpm，反应气体流量N2：4slpm，等离子枪水平方向运动，且运动速度为400mm/s，氮化处理时间为5分钟。
(6)氮化处理结束，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到TiN涂层，经检测：涂层厚度为110μm。
实施例3
(1)选用不锈钢作为基体，60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm。把400g，7～23μm的球形Ti粉放入送粉器。
(2)将不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力0.4mbar。
(3)填充Ar至45mbar时点枪，点枪后抽真空至压力1.5mbar，利用等离子焰流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到620℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备钛涂层：喷涂压力为2.0mbar；喷枪功率为43kW，电流为630A；工作气体流量为Ar：33splm，H2：10slpm；待焰流稳定后，将Ti粉末注入等离子焰流进行反应喷涂。送粉量为2.5g/min；喷涂距离为700mm；运动速度为190mm/s，喷涂时间为30分钟。
(5)利用等离子射流(Ar/H2/N2)对(4)中制备的氮化钛涂层即刻进行氮化处理，其中，Ar：43splm，H2：10slpm，反应气体流量N2：4slpm，等离子枪水平方向运动，且运动速度为400mm/s，氮化处理时间为5分钟。
(6)氮化处理结束，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到TiN涂层。
实施例4
(1)选用不锈钢作为基体，用60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm，然后用酒精进行超声波清洗。把400g，7～23μm的球形Ti粉末装入送粉器中。
(2)将不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力为0.3mbar。
(3)填充Ar至45mbar后点枪，点枪后抽真空至压力为1mbar，利用等离子射流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到650℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备钛涂层：喷涂压力为1.5mbar；喷枪功率为51kW，电流为650A；工作气体流量为Ar：35splm，H2：10slpm。待焰流稳定后，以2g/min的送分率将Ti粉送入等离子焰流。喷涂距离为600mm；等离子枪水平方向运动，运动速度为400mm/s，运动时间为30分钟。
(5)调整等离子喷涂参数即刻对(4)中制备的钛涂层进行等离子氮化处理：Ar：45splm，H2：12slpm，反应气体流量N2：4slpm，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200mm/s，运动时间为5分钟。
(6)氮化处理结束后，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到TiN涂层。
实施例5
(1)选用316L奥氏体不锈钢作为基体，用60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm，然后用酒精进行超声波清洗。把400g，7～23μm的球形Ti粉末装入送粉器中。
(2)将不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力为0.3mbar。
(3)填充Ar至45mbar后点枪，点枪后抽真空至压力为1mbar，利用等离子射流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到650℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备钛涂层：喷涂压力为1.5mbar；喷枪功率为51kW，电流为650A；工作气体流量为Ar：45splm，H2：12slpm。待焰流稳定后，以2.5g/min的送分率将Ti粉送入等离子焰流。喷涂距离分别为400mm，900mm；等离子枪水平方向运动，运动速度为400mm/s，运动时间为30分钟。
(5)调整等离子喷涂参数即刻对(4)中制备的钛涂层进行等离子氮化处理：Ar：45splm，H2：12slpm，反应气体流量N2：4slpm，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200mm/s，运动时间为5分钟。
(6)氮化处理结束后，保持低压状态直至冷却至室温，取出基体，得到TiN涂层。
对比例1
(1)选用316L奥氏体不锈钢作为基体，60#SiC进行打磨表面，再用Al2O3进行喷砂至表面粗糙度为Ra＝3～4μm。把400g，7～23μm的球形Ti粉放入送粉器。
(2)将316L奥氏体不锈钢基体放入真空室并关闭低压等离子体设备舱门，抽取真空至压力为0.2mbar。
(3)填充Ar至43mbar后点枪，点枪后抽真空至压力为1mbar，利用等离子焰流对基体进行预热，用红外测温仪探测基体温度，直至基体温度达到750℃。
(4)调整等离子喷涂参数制备氮化钛涂层：喷涂压力为1.5mbar；喷枪功率为54kW，电流为750A；工作气体流量为Ar：45splm，H2：12slpm；N2：4slpm；待焰流稳定后，将Ti粉末注入等离子焰流进行反应喷涂。送粉量为2.5g/min；喷涂距离为600mm；运动速度为200mm/s，喷涂时间为30分钟。
试验例1
对实施例1的钛涂层和氮化处理后的氮化钛涂层进行X射线衍射分析，如图1所示，涂层物相为TiN相，表明基于低压等离子喷涂制备的Ti涂层可获得较纯TiN涂层(氮化率约99％)，这是一种可行的低压等离子喷涂制备氮化钛涂层的新工艺。
对实施例1的氮化钛涂层的截面和表面形貌通过扫描电镜进行观察，如图2和图3所示。TiN涂层截面呈现致密层状结构，通过涂层与基体接触处观察可知涂层与基体结合较好，没有裂纹及孔隙。涂层表面呈现众多微纳米晶粒堆叠，并含有纳米级的晶粒。这是等离子氮化过程中形成的TiN相。
将实施例2和对比例1的氮化钛涂层进行X射线衍射分析，其中，图4中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛XRD，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层的XRD。通过物相分析可知：涂层(a)物相组成为TiN和TiN0.3相，氮化率为34.2％。涂层(b)物相成分主要为TiN相，氮化率为93.1％，表明采用等离子射流对低压等离子喷涂制备的氮化钛涂层即刻进行氮化处理，可有效提高涂层的氮化率，这是一种可行的低压等离子喷涂制备氮化钛涂层的新工艺。
通过对实施例2和对比例1的涂层进行扫描电镜观察形貌。图5中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛表面形貌，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层表面形貌。观察可知经等离子射流氮化处理后的TiN涂层表面呈现许多纳米晶粒堆叠而成，结合XRD结果可知，这是等离子氮化过程中生成的TiN相。
图6中的(a)为对比例1通过低压等离子喷涂直接形成氮化钛未经过氮化处理的氮化钛截面形貌，(b)是实施例2经等离子射流氮化处理后的TiN涂层截面形貌。对比分析可知等离子氮化处理后的TiN涂层呈现更加致密的层状结构。
对实施例5中喷涂距离为400，900mm的氮化钛涂层进行XRD分析，结果如图7所示。当喷涂距离为400mm，900mm时，钛涂层氮化后氮化率分别为51.1％和92.5％。与实施例1中喷涂距离为700mm时的氮化率99.5％，相比较，可知：当喷涂距离为700mm时，氮化率最高。氮化钛涂层的机械性能与其氮化率成线性关系，实施例1中喷涂距离为700mm是较佳的喷涂距离。
试验例2
对实施例1和实施例2以及对比例1的氮化钛涂层进行纳米压痕测试，采用Hysitron纳米压痕仪系统(Hysitron,Minneapolis,MN,USA)。测试过程选用10mN载荷，加载速度20mN/min,加载时间10S，测试10个点，最后获得涂层硬度和弹性模量的测试平均值。测试结果如表1所示。
表1
组别 TiN(％) 硬度(GPa) 弹性模量(GPa)
实施例1 99.9 16.03±1.40 215.73±15.70
实施例2 94.2 14.34±1.03 212.37±8.43
对比例1 34.2 13.41±2.74 182.17±12.34
通过表1可知，等离子射流氮化后的TiN涂层硬度从13.41±2.74Gpa增加到14.34±1.03Gpa，弹性模量从182.17±12.34Gpa增加到212.37±8.43Gpa。等离子氮化后的氮化钛涂层具有更多的硬质相TiN，这一结果与涂层XRD及SEM结果相一致。而相比于先进行直接制备氮化钛涂层，再通过低压等离子氮化处理，先制备钛涂层，再氮化，其氮化率以及机械性能得到进一步明显提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，其包括：对基体的表面进行第一次低压等离子喷涂，以在基体表面形成含钛涂层，所述含钛涂层为钛涂层；所述含钛涂层的厚度为60～100μm；
钛涂层制备完成，停下送Ti粉末的同时通入氮气到等离子射流中，对所述钛涂层进行第二次低压等离子喷涂氮气，以对所述钛涂层进行氮化处理；
在通入钛粉末进行第一次低压等离子喷涂之前，将所述基体置于喷涂设备，并抽真空至压力＜0.5mbar，填充氩气至＞35mbar，点枪后，抽真空至压力＜2mbar，然后利用等离子射流将基体预热至650～700℃；
所述第一次低压等离子喷涂的参数为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5～2mbar；喷枪功率为40～54kW，电流为600～750A；等离子气体流量Ar：30～45slpm，H2：10～12slpm,送粉率为1.0～3.0g/min；喷涂距离为700mm；
进行第一次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，运动速度为200～400mm/s，运动350～450个来回；
所述第二次低压等离子喷涂的参数为：喷涂压力＜2mbar；喷涂压强为1.5mbar；喷枪功率为51kW，电流为650A；等离子气体流量Ar：45slpm，H2：12slpm,反应气体流量N2：4slpm；
进行第二次低压等离子喷涂时，等离子枪水平方向运动，且运动速度为200mm/s，运动90～110个来回，运动时间为5min；
所述第一次低压等离子喷涂所用的钛粉为球形粉末，所述钛粉的粒径为7～23μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体为不锈钢、钛基体或钛合金。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体为奥氏体不锈钢。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在对基体喷涂含钛涂层之前，对所述基体进行表面预处理，所述表面预处理为先对表面研磨，再进行喷砂处理；
采用砂纸进行研磨，再喷砂至表面粗糙度为3～4μm；
在喷砂处理后，进行超声波清洗。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氮化处理后，保持低压状态直至冷却至室温。
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