調控碳化鈦涂層制備的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鈦合金材料表面改性處理的范疇，其表面改性處理目的是提高鈦合金 材料表面的耐蝕性和涂層的致密性。
【背景技術】
[0002] 由于航空航天技術的迫切需要，鈦工業得到了迅速的發展，鈦及鈦合金不僅是航 空航天工業中不可缺少的結構材料，在造船、化工、冶金、醫療等方面也獲得了廣泛的應 用，因此目前工業界對鈦及鈦合金提出了更高的要求。其中鈦合金面臨的主要問題是復雜 的環境容易造成鈦及鈦合金的腐蝕。目前解決鈦合金表面發生腐蝕的有效方法是對其進行 表面處理。主要的表面處理方法如化學鍍、熱噴涂、離子滲氮、等離子噴涂等。化學鍍是一個 催化的還原過程，還原作用只發生在催化表面上，不管形狀如何復雜、鍍層厚度比較均勻、 晶粒細、耐蝕性好；其缺點是溶液穩定性差，使用溫度高，壽命短。熱噴涂是將欲噴涂的固體 涂層材料加熱至熔化或熔融狀態，借助于高速氣流的霧化效果，使其形成微細熔滴，噴射沉 積到經過預處理的工件基體表面上得到的涂層存在孔隙，基體與涂層之間為機械結合，結 合強度受一定限制，涂層質量受多種因素影響，須嚴格控制生產工藝。離子滲氮具有熱效率 高、滲氮速度快、材料選擇范圍寬和可以進行低溫滲氮等優點。但形成的氮化層不連續不均 勻、硬度偏低，滲層具有較多微觀缺陷，反而導致在腐蝕環境中的腐蝕電流升高。
[0003] 與前面這些表面處理技術相比，等離子噴涂是一種應用更為廣泛的表面改性技 術，可以使基體表面獲得具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、防輻射、減磨和密封等性能。 它具有如下特點：（1)由于等離子體焰流擁有極高的溫度，任何材料都可以在焰流中加熱 熔化后沉積在基體上形成涂層，因此可按照實際要求制備各種性能要求的涂層；（2)涂層 厚度可以精確控制，并且涂層表面平滑便于后續的精加工工序處理；（3)涂層致密、雜質含 量少、涂層與基體結合強度高達50-70Mpa; (4)工件熱影響小，因此變形小。（5)噴涂工藝 簡單，規范可控，工藝重復性好，相對于其它涂層制備技術，能夠獲得高質量的涂層材料。由 于等離子噴涂以上這些諸多獨特的優點，因此本專利發明針對鈦合金表面腐蝕等問題，采 用等離子噴涂對鈦合金進行表面改性，并通過在TiC涂層添加稀土元素，利用稀土元素效 應，進一步改進涂層質量，從而獲得致密、均勻，具有良好的耐蝕能力復合碳化物涂層，擴展 鈦合金材料的應用范圍，使得鈦合金材料增值。
【發明內容】
[0004] 本發明為了改善鈦合金與碳化鈦涂層的結合力、均勻性以及耐蝕性等問題，通過 La2O3含量的不同調控碳化鈦涂層的制備工藝過程，進一步改善了基材與復合TiC陶瓷涂層 間的結合狀況，并獲得了均勻致密的涂層，提高了基材的抗腐蝕性能。
[0005] 本發明采用的技術方案具體過程如下：
[0006] 首先將鈦合金樣品線切割成10 X 10 X 1mm3,在預磨機上打磨去除氧化層，然后用 丙酮和乙醇對基材進行超聲清洗，去除表面油污。然后采用吸入式噴砂機對鈦合金基體表 面進行粗化處理，所用砂為棕剛玉（Al203,40目），以增加表面粗糙度，從而提高涂層與對基 材表面的結合強度。稱量不同質量比的TiC粉末和La2O3粉末后加入球磨罐（50g/罐），選 擇不同直徑的磨球按照質量進行配比：Φ5_: Φ3_: Φ Imm為1:2:4加入磨料中，同時加入 50ml聚乙稀醇溶液（5wt. % )，混合均勾后放入球磨機中，在380r/min下球磨240min。球 磨結束后，烘干漿料獲得復合粉，后將復合粉研磨篩分，取200目的細粉作為噴涂材料。噴 涂前將復合粉置于干燥箱中，在80°C下保留60min，然后將鈦合金片裝夾在直徑約為165_ 的轉筒上，噴涂時轉筒以90rpm的轉速轉動，使涂層有短暫的時間進行冷卻，同時利用壓縮 空氣在轉筒的背面進行強制風冷。最后進行等離子噴涂，噴涂過程中選擇的工藝條件：功 率設定為40-50kw ;Ar氣流量40L/min ;H2氣流量15-20L/min ;送粉率30g/min ;噴涂距離 80-120mm,冷卻氣體5bar ;既可在鈦合金表面獲得致密、均勾，具有良好的耐蝕能力復合碳 化物涂層。
[0007] 所述的制備方法中，主要針對一種鈦合金（Ti-6A1_4V)，其化學成分大致為（原子 比）：鋁（Al) :5· 5 ~6. 8 ;釩（V) :3· 5 ~4. 5 ;鐵（Fe):彡 0· 30 ;碳（C):彡 0· 10 ;氮（N): 彡0· 05 ;氫⑶：< 0· 015 ;氧（0):彡0· 2,余量為鈦（Ti)。
[0008] 所述的制備方法中，噴涂前，用丙酮和乙醇對基材進行超聲清洗，去除表面油污， 然后用棕剛玉砂進行噴砂處理來增加基材表面的粗糙度，以提高基材與涂層之間的結合強 度，其中選擇的棕剛玉砂為Al2O3，顆粒尺寸40目。
[0009] 所述的制備方法中，稱量不同配比的TiC粉末和La2O3粉末，按質量百分數進行 配置（wt. % ):稀土 La2O3含量變化范圍為0~35wt. %，余量為TiC。然后將粉末加入 到50g/罐球磨罐，并加入不同直徑的剛玉球，不同直徑的磨球按照如下進行質量配比： C>5mm: C>3mm: ΦΙι?πι為1:2:4,同時加入50ml聚乙稀醇溶液，濃度為5wt. %，混合均勾后放 入球磨機中，球磨過程選擇在380r/min下球磨240min。
[0010] 所述的制備方法中，球磨結束后烘干漿料，得到復合粉。然后將復合粉研磨篩分， 取200目的粉末作為噴涂材料，噴涂前將復合粉置鼓風式干燥箱中在80°C下持續烘60min， 以改善其流動性。
[0011] 所述的制備方法中，在噴涂過程中，將鈦合金基體材料裝夾在直徑約為165mm的 轉筒上，噴涂時轉筒以90rpm的轉速轉動，并利用壓縮空氣在轉筒的背面進行強制風冷，以 保證基體材料有間隙的冷卻時間。噴涂過程中選擇的工藝條件：功率設定為40-50kw ;Ar氣 流量40L/min ;H2氣流量15_20L/min ;送粉率30g/min ;噴涂距離80-120mm,冷卻氣體5bar ; 既可在鈦合金表面獲得致密、均勻，具有良好的耐蝕能力復合碳化物涂層。
[0012] 本發明技術方法對鈦合金（Ti-6A1_4V)表面進行改性具有成本低、效率高、操作 簡單、涂層質量好以及適合規模化大批量生產等諸多優點。經過改性處理后的鈦合金，由于 稀土元素 La2O3的摻雜，得到的復合陶瓷涂層致密均勻，缺陷少，硬度高，耐磨性好。陶瓷涂 層與基體結合的部位脆性降低，增加了其使用壽命。且復合碳化鈦涂層腐蝕電位升高，腐蝕 電流降低；改性處理后的鈦合金對基體可長期提供有效的保護作用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為鈦合金（Ti-6A1-4V)金屬陶瓷復合涂層截面形貌圖。
[0014] 圖2為鈦合金（Ti-6A1-4V)與表面處理后的動電位極化曲線。
[0015] 具體實施方法：
[0016] 鈦合金（Ti-6A1-4V)表面La2O3調控碳化鈦涂層制備的方法具體實施過程如下：
[0017] 首先將鈦合金樣品線切割成lOXIOXImm3,在預磨機上打磨去除氧化層，然后用 丙酮和乙醇對基材進行超聲清洗，去除表面油污。然后采用吸入式噴砂機對鈦合金基體表 面進行粗化處理，所用砂為棕剛玉（Al203,40目）。以增加表面粗糙度，從而提高涂層與對 基材表面的機械結合強度。
[0018] 實施例1 :稱量IOOwt. % TiC粉末加入球磨罐（共50g/罐），選擇不同直徑的磨 球按照質量進行配比：Φ5ι?πι: Φ3ι?πι: Φ Imm為1:2:4加入磨料中，同時加入50ml聚乙稀醇 溶液（5wt. % )，混合均勾后放入球磨機中，在380r/min下球磨240min。球磨結束后，烘干 漿料獲得復合粉，后將復合粉研磨篩分，取200目的細粉作為噴涂材料。噴涂前將復合粉置 于干燥箱中，在80°C下保留60min，然后將鈦合金片裝夾在直徑約為165mm的轉筒上，噴涂 時轉筒以90rpm的轉速轉動，使涂層有短暫的時間進行冷卻，同時利用壓縮空氣在轉筒的 背面進行強制風冷。最后進行等離子噴涂，噴涂過程中具體工藝條件：功率為40kw ;Ar氣流 量40L/min ;H2氣流量10L/min ;送粉率30g/min ;噴涂距離80mm,冷卻氣體5bar。既可在 鈦合金表面獲得致密、均勻，具有良好的耐蝕能力復合碳化物涂層，所制備的涂層厚度大約 在2μπι左右。
[0019] 實施例2 :稱量5wt. % La2O3粉末和95wt. % TiC粉末加入球磨罐（共50g/罐），選 擇不同直徑的磨球按照質量進行配比：Φ5_: Φ3_: Φ Imm為1:2:4加入磨料中，同時加入 50ml聚乙稀醇溶液（5wt. % )，混合均勾后放入球磨機中，在380r/min下球磨240min。球 磨結束后，烘干漿料獲得復合粉，后將復合粉研磨篩分，取200目的細粉作為噴涂材料。噴 涂前將復合粉置于干燥箱中，在80°C下保留60min，然后將鈦合金片裝夾在直徑約為165_ 的轉筒上，噴涂時轉筒以90rpm的轉速轉動，使涂層有短暫的時間進行冷卻，同時利用壓縮 空氣在轉筒的背面進行強制風冷。最后進行等離子噴涂，噴涂過程中具體工藝條件：功率 為40kw ;Ar氣流量40L/min ;H2氣流量15L/min ;送粉率30g/min ;噴涂距離80mm,冷卻氣 體5bar。既可在鈦合金表面獲得致密、均勻，具有良好的耐蝕能力復合碳化物涂層，所制備 的涂層厚度為2.3 μ m。
[0020] 實施例3 :稱量IOwt. % La2O3粉末和90wt. % TiC粉末加入球磨罐（共50g/罐）， 選擇不同直徑的磨球按照質量進行配比：Φ5_: Φ3_: Φ Imm為1:2:4加入磨料中，同時加 入50ml聚乙稀醇溶液（5wt. % )，混合均勾后放入球磨機中，在380r/min下球磨240min。球 磨結束后，烘干漿料獲得復合粉，后將復合粉研磨篩分，取200目的細粉作為噴涂材料。噴 涂前將復合粉置于干燥箱中，在80°C下保留60min，然后將鈦合金片裝夾在直徑約為165_ 的轉筒上，噴涂時轉筒以90rpm的轉速轉動，使涂層有短暫的時間進行冷卻，同時利用壓縮 空氣在轉筒的背面進行強制風冷。最后進行等離子噴涂，噴涂過程中具體工藝條件：功率為 40kw ;Ar氣流量40L/min ;H2氣流量