專利名稱：反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法
技術領域：
本發明涉及一種大厚度碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備技術，特別涉及一 種在鈦及鈦合金基體表面制備碳氮化鈦增強鈦基復合涂層的方法。
背景技術：
鈦及其合金因其輕質、較高的機械性能和優良的耐蝕性，在化學工業、能 源、航空、醫學等領域得到廣泛應用。但鈦及其合金硬度低、耐磨性差，限制 了其更加廣泛的應用，因此有必要提高鈦及其合金表面的耐磨性。碳氮化鈦是 一種性能優良、用途廣泛的非氧化物材料，也是一種性能優異的涂層材料，它 兼有氮化鈦和碳化鈦的特性和優點。與碳化鈦相比，碳氣化鈦的塑性、耐磨性
更優異；與氮化鈦相比，碳氮化鈦具有更好的抗粘著磨損和抗磨粒磨損性能、 更低的摩擦因數。目前，碳氮化鈦增強金屬基復合涂層的等離子體化學氣相沉 積、中溫化學氣相沉積、空心陰極離子鍍、離子束輔助沉積、粉末冶金真空燒 結、激光熔覆等制備技術得到了廣泛的應用和研究。分析上述方法，會發現它 們一般都具有設備價格昂貴，工藝復雜，制備的涂層薄，涂層制備效率低、生 產成本高等一種或幾種缺點，因此限制了其在工業生產中的普遍應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種在鈦及鈦合金基體表面制備工藝簡單、生產成本 低、制備效率高的碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法。
本發明的目的通過以下措施實現，反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂 層制備方法，采用傳統直流錫極氮弧焊焊機，以錫電極作為陰極，以表面預涂 石墨粉的鈦及鈦合金基體作為陽極，氮弧作用在將陽極熔化形成熔池的同時使 部分氮氣電離，電離的氮氣及未被電離的氮氣與熔池內的石墨及鈦反應[7! + [iV] j71N， + C — 式中[iV]可以是氣原子、氮分子或氮離子(N-、 N+)]
生成碳氣化鈦，熔池凝固后生成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層。
(1 )備料用丙酮稀釋自制的粘結劑將粒度100~800目，含碳99. 9%~99. 99%的高純石墨粉調成糊狀，備用。
(2) 打磨用砂紙打磨試件表面直到出現金屬光澤，徹底去除試件表面的氧化皮、銹蝕及其它污染物。
(3) 清洗用丙酮酒精溶液清洗打磨后的試件表面，徹底去除試件表面的油污。
(4 )預涂將預先調制好的糊狀石墨粉涂覆在經打磨和清洗后的試件表面，涂覆厚度1. 0~2. Omm,涂覆過程中不斷壓實涂覆層。
(5) 干燥將涂覆好石墨的試件自然陰干24 30小時后再將其放置在真空干燥箱中100 150'C下烘干2~3小時。
(6) 堆焊用氮弧焊機進行堆焊，工藝參數為鎢極直徑1 3mm,堆焊電壓10~12V，堆焊電流30 120A，氮氣流量10~15L/min，氮氣純度99. 5%~99. 99%,堆焊速度2 5mm/s，所述氮弧能量使部分氮氣電離并使陽極熔化(熔融)，所述電離的氮氣及未電離的氮氣與熔化(熔融)的陽極反應合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層。
(7) 保溫堆焊結東后將試件放入保溫箱中隨爐冷卻至室溫。
上述的反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法，通過對石墨粒度、石墨純度、氮氣純度、氮氣供給量、預涂厚度、鎢極直徑、堆焊電流、堆焊電壓、堆焊速度等的調整，可獲得厚度、硬度、耐磨性等不同要求的涂層。
本發明具有積極的效果本發明提供的反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法，由于釆用鈦及鈦合金作為特定基體，在氮氣保護下，采用常規氮弧堆焊工藝在鈦及鈦合金表面反應合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層。本發明不需要預先合成碳氮化鈦粉體，而是利用碳氮化鈦形成元素在氮弧堆焊過程中通過反應直接合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層，方法簡單，成本低，提高了碳氮化鈦增強鈦基復合涂層的制備效率，從根本上解決了等離子體化學氣相沉 積、中溫化學氣相沉積、空心陰極離子鍍、離子東輔助沉積、粉末冶金真空燒 結、激光熔覆等方法存在的問題，開辟了碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備的新 途徑。本發明可通過調整石墨粒度、石墨純度、氮氣純度、氮氣供給量、預涂 厚度、鎢極直徑、堆焊電流、堆焊電壓、堆焊速度等以獲得厚度、硬度、耐磨 性等不同要求的涂層。本發明綜合利用堆焊和反應合成技術，可在鈦及鈦合金
基體表面獲得厚度達2,、硬度高達2950Hv、與基體呈冶金結合的碳氮化鈥增
強鈦基復合涂層，該涂層的硬度約是鈦及鈦合金基體硬度的io倍，耐磨性約是
鈦及鈦合金基體的7 9倍。本發明提供的反應氮弧堆焊碳氮化鈥增強鈥基復合 涂層制備方法對改善鈦及其合金零件的表面耐磨性有很高的實用價值。
具體實施例方式
實施例1:
本實施例中，分別在30mm x 15咖x 10mm的工業純鈦TA2和TC4鈦合金試件 表面制備碳氮化鈦增強耐磨涂層，具體實施方式
如下
(1) 用丙酮稀釋自制的粘結劑將粒度200目，含碳99.99%的高純石墨粉調
成糊狀。
(2) 用200目砂紙打磨試件表面直到出現金屬光澤，徹底去除試件表面的 氧化皮、銹蝕及其它污染物。
(3) 用丙酮酒精溶液清洗打磨后的試件表面，徹底去除試件表面的油污。
(4) 將預先調制好的糊狀石墨粉涂覆在經打磨和清洗后的試件表面，涂覆 厚度1.5mm，涂覆過程中不斷壓實涂覆層。
(5) 將涂覆好石墨的試件自然陰干24小時后再將其放置在15(TC真空干燥 箱中烘干2小時。
(6 )用TIG-315型氮弧焊機進行堆焊，工藝參數為錫極直徑2mm，堆焊電壓 14V，堆焊電流120A，氮氣流量15L/min,氮氣純度99. 99%，堆焊速度3mm/s。 (7)堆焊結東后將試件放入保溫箱中緩冷至室溫。
權利要求
1.一種反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法，其特征在于采用傳統直流鎢極氮弧焊設備，以鎢電極作為陰極，以表面預涂石墨粉的鈦及鈦合金基體作為陽極，在氮氣保護下利用氮弧堆焊，在鈦及鈦合金基體表面反應合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層，包括以下步驟(1)備料用丙酮稀釋自制的粘結劑將粒度100～800目，含碳99.9％～99.99％的高純石墨粉調成糊狀，備用；(2)打磨用砂紙打磨試件表面直到出現金屬光澤，徹底去除試件表面的氧化皮、銹蝕及其它污染物；(3)清洗用丙酮酒精溶液清洗打磨后的試件表面，徹底去除試件表面的油污；(4)預涂將預先調制好的糊狀石墨粉涂覆在經打磨和清洗后的試件表面，涂覆厚度1.0～2.0mm，涂覆過程中不斷壓實涂覆層；(5)干燥將涂覆好石墨的試件自然陰干24～30小時后再將其放置在真空干燥箱中100～150℃下烘干2～3小時；(6)堆焊用氮弧焊機進行堆焊，工藝參數為鎢極直徑1～3mm，堆焊電壓10～12V，堆焊電流30～120A，氮氣流量10～15L/min，氮氣純度99.5％～99.99％，堆焊速度2～5mm/s，所述氮弧能量使部分氮氣電離并使陽極熔化(熔融)，所述電離的氮氣及未電離的氮氣與熔化(熔融)的陽極反應合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層；(7)保溫堆焊結束后將試件放入保溫箱中隨爐冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方 法，其特征在于調整石墨粒度、石墨純度、氮氣純度、氮氣供給量、預涂厚度、 鎢極直徑、堆焊電流、堆焊電壓、堆焊速度等，可以獲得厚度、硬度、耐磨性 等不同要求的涂層。
全文摘要
本發明提供一種反應氮弧堆焊碳氮化鈦增強鈦基復合涂層制備方法，該方法采用傳統直流鎢極氮弧焊設備，以鎢電極作為陰極，以表面預涂石墨粉的鈦及鈦合金基體作為陽極，在氮氣保護下利用氮弧堆焊，在鈦及鈦合金基體表面反應合成碳氮化鈦增強鈦基復合涂層。用本發明制備的碳氮化鈦增強鈦基復合涂層厚度大，與基體呈冶金結合，結合強度高，涂層硬度高，耐磨性好。
文檔編號B23K9/04GK101590558SQ20091007459
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者張淑云, 李建昌, 趙建國, 郝建軍, 馬璐萍, 馬躍進 申請人:河北農業大學