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

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。