CN113529008A - 一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法采用激光气体合金化方法，在钛或钛合金表面制备得到氮含量呈梯度变化且无明显界面的复合耐磨涂层。本发明采用低能量的激光束进行预热和激光气体合金化的双重氮化，在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层，有效改善了基体与涂层热膨胀系数失配，降低了残余应力，避免了涂层存在气孔、裂纹等缺陷，提高了梯度复合耐磨涂层的质量，在显著提高了钛或钛合金表面耐磨性能的同时克服了钛或钛合金表面裂纹的产生。
Description
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法。
背景技术
钛及钛合金因具有密度低、比强度高、无磁性、良好的耐蚀性、优异的生物相容性、优良的低温韧性和高温机械性能等优点。在航空航天、化工和生物医学等领域得到了广泛的应用。然而，钛及钛合金的硬度较低，纯钛的硬度仅为200HV左右，摩擦性能较差，特别是摩擦和磨损抗力相当低，在摩擦过程中非常容易发生粘着磨损，在很多工况下，不能满足实际使用的要求，严重地限制了其应用。因此，进一步提高钛及钛合金的耐磨性能就成了亟需解决的问题。由于钛的氮化物和碳化物具有高的硬度和优异的耐磨性，而且在快速凝固条件下往往具有发达的特殊生长形态，被广泛地用于改善钛及钛合金表面的抗磨损性能。
虽然激光氮化能明显提高钛及钛合金的耐磨性能，但陶瓷材料的热物理性能与金属基体差别较大，使得纯陶瓷涂层与基体的结合力不强，容易出现裂纹甚至脱落等现象。加之高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用,使熔覆层中产生极大的热应力，当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时,就会产生裂纹，因此激光表面氮化处理的裂纹一直是阻碍该技术应用难题。
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，提供一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法。该方法采用低能量的激光束进行预热和激光气体合金化的双重氮化，在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层，有效改善了基体与涂层热膨胀系数失配，降低了残余应力，避免了涂层存在气孔、裂纹等缺陷，提高了梯度复合耐磨涂层的质量，在显著提高了钛或钛合金表面耐磨性能的同时克服了钛或钛合金表面裂纹的产生。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法采用激光气体合金化方法，在钛或钛合金表面制备得到氮含量呈梯度变化且无明显界面的复合耐磨涂层。
本发明采用激光气体合金化方法，在钛或钛合金表面制备得到成分呈梯度变化且无明显界面的复合耐磨涂层，通过复合耐磨涂层中成分呈梯度变化，减少了复合耐磨涂层与基体钛或钛合金的热物理性能差异，提高了复合耐磨涂层与基体的结合力，避免了复合耐磨涂层中出现裂纹或脱落现象。
上述的一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛或钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在基体表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的基体；所述气体的通入压力为1.0×103Pa～1.0×104Pa，气体由Ar和N2组成，且Ar的通入流量为25L/min～40L/min，N2的通入流量为5L/min～10L/min，所述激光束的输出功率为500W～800W；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的钛或钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa～1.0×104Pa，气体由N2和CO2组成，且N2的通入流量为15L/min～35L/min，CO2的通入流量为15L/min～35L/min，所述激光的输出功率为800W～1000W。
本发明针对如何减缓温差变化环境下的热应力突变及分布的问题，对激光氮化层的结构、制备工艺及气体组元成分的选取与匹配进行了研究，采用激光气体合金化方法，对钛或钛合金基体分别进行预热和激光气体合金化，先在钛或钛合金基体表面形成成分为TiNx(x值小于1)的低N含量涂层，然后形成成分为TiNy(y值接近或等于1)和TiC高N含量涂层，从而生成TiN(减摩相)+TiC(耐磨相)的梯度复合耐磨涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的钛或钛合金，该梯度复合耐磨涂层为典型的波浪状双层梯度组织，涂层中N元素的含量从里层到外层逐渐增加，且涂层组织较致密，梯度涂层间结合情况良好。同时，由于本发明采用低能量的激光束进行双重氮化，相较于单次激光氮化需要的热量输入大大降低，且预先采用激光束对钛或钛合金基体进行预热，有效改善了基体与涂层热膨胀系数失配，降低了残余应力，避免了涂层存在气孔、裂纹等缺陷，提高了梯度复合耐磨涂层的质量，在显著提高了钛或钛合金表面耐磨性能的同时克服了钛或钛合金表面裂纹的产生。
本发明的预热和激光气体合金化过程中发生下列反应：
[Ti]+[N]–TiN；[Ti]+[C]-TiC
由于TiN和TiC两种陶瓷颗粒不仅在晶体结构方面保持一致性,均为面心立方结构,而且两者的晶格常数非常接近，具有良好的互溶性，进一步提高了梯度复合耐磨涂层的致密性，减少了结合抗力，进一步提高了梯度复合耐磨涂层的质量。
上述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述Ar和N2、步骤二中所述N2和CO2的质量纯度均不小于99.99％。
上述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中和步骤二中所述预热和激光气体合金化采用的激光束光斑直径均为0.2mm～1mm，搭接率均为10％～30％，扫描速度均为50mm/min～300mm/min，且激光束输出前均预通气5min～10min。
上述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述表面具有梯度复合耐磨涂层的钛或钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为50μm～180μm。该厚度的梯度复合耐磨涂层厚度适宜，与基体的结合力以及梯度复合耐磨涂层的耐磨性能达到了最佳匹配，既提高了钛或钛合金表面耐磨性能又改善了钛或钛合金的表面质量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用低能量的激光束进行预热和激光气体合金化的双重氮化，在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层，有效改善了基体与涂层热膨胀系数失配，降低了残余应力，避免了涂层存在气孔、裂纹等缺陷，提高了梯度复合耐磨涂层的质量，在显著提高了钛或钛合金表面耐磨性能的同时克服了钛或钛合金表面裂纹的产生。
2、本发明采用低能量的激光束进行双重氮化，大大降低了热量输入，得到TiN含量呈梯度变化的复合耐磨涂层，各涂层组织较致密且梯度涂层间结合情况良好，大大减少了复合耐磨涂层产生缺陷的倾向。
3、本发明的梯度复合耐磨涂层中形成的TiN和TiC具有良好的互溶性，提高了梯度复合耐磨涂层的致密性，且硬度更高，减磨效果显著，梯度复合耐磨涂层的综合性能优良。
4、本发明采用低能量的激光束进行双重氮化，制备得到的梯度复合耐磨涂层中的TiN和TiC的晶体均呈树枝状，且晶体完整性好，与基体结合良好，进一步提高了梯度复合耐磨涂层的综合性能。
5、本发明的梯度复合耐磨涂层制备工艺简单、可靠性好，且有效降低能源消耗，生产效率更高，适用于钛或钛合金表面耐磨涂层的批量生产。
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为本发明实施例1制备的表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛的截面组织形貌图。
图2为本发明实施例1制备的表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将TA2钛作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在TA2钛表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的TA2钛；所述气体的通入压力为1.0×104Pa，气体由Ar和N2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且Ar的通入流量为30L/min，N2的通入流量为10L/min，所述激光束的输出功率为800W，激光束光斑直径为1mm，搭接率为20％，扫描速度为50mm/min，且激光束输出前预通气5min；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的TA2钛放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛；所述气体的通入压力为1.0×104Pa，气体由N2和CO2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且N2的通入流量为30L/min，CO2的通入流量为30L/min，所述激光的输出功率为1000W，激光束光斑直径为0.5mm，搭接率为10％，扫描速度为300mm/min，且激光束输出前预通气5min。
经检测，本实施例得到的表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛中梯度复合耐磨涂层的厚度为96μm，硬度达到772HV；采用GCr15摩擦副，载荷200g，在室温干摩擦磨损方式测得该表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛的平均摩擦系数为0.2082。
图1为本实施例制备的表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛的截面组织形貌图，从图1可知，该梯度复合耐磨涂层中的组织主体为方向杂乱的细树枝晶，并掺杂少量的细等轴晶。
图2为本发明实施例1制备的表面具有梯度复合耐磨涂层的TA2钛的摩擦系数曲线图，从图2可知，该梯度复合耐磨涂层的摩擦磨损系数数值波动较小，且随着磨损时间的延长，摩擦磨损系数数值趋于稳定。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将TC4钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在TC4钛合金表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的TC4钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由Ar和N2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且Ar的通入流量为25L/min，N2的通入流量为5L/min，所述激光束的输出功率为500W，激光束光斑直径为0.5mm，搭接率为10％，扫描速度为100mm/min，且激光束输出前预通气10min；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的TC4钛合金放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由N2和CO2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且N2的通入流量为15L/min，CO2的通入流量为15L/min，所述激光的输出功率为800W，激光束光斑直径为0.5mm，搭接率为30％，扫描速度为50mm/min，且激光束输出前预通气10min。
经检测，本实施例得到的表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为53μm，硬度达到776HV；采用GCr15摩擦副，载荷200g，在室温干摩擦磨损方式测得该表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金的平均摩擦系数为0.1923。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将TC4钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在TC4钛合金表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的TC4钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由Ar和N2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且Ar的通入流量为40L/min，N2的通入流量为10L/min，所述激光束的输出功率为650W，激光束光斑直径为0.8mm，搭接率为15％，扫描速度为150mm/min，且激光束输出前预通气5min；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的TC4钛合金放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由N2和CO2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且N2的通入流量为35L/min，CO2的通入流量为35L/min，所述激光的输出功率为950W，激光束光斑直径为1.0mm，搭接率为20％，扫描速度为100mm/min，且激光束输出前预通气5min。
经检测，本实施例得到的表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为135μm，硬度达到828HV；采用GCr15摩擦副，载荷200g，在室温干摩擦磨损方式测得该表面具有梯度复合耐磨涂层的TC4钛合金的平均摩擦系数为0.1469。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将TC6钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在TC6钛合金表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的TC6钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由Ar和N2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且Ar的通入流量为35L/min，N2的通入流量为7L/min，所述激光束的输出功率为500W，激光束光斑直径为0.2mm，搭接率为30％，扫描速度为300mm/min，且激光束输出前预通气5min；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的TC6钛合金放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa，气体由N2和CO2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且N2的通入流量为35L/min，CO2的通入流量为20L/min，所述激光的输出功率为800W，激光束光斑直径为0.2mm，搭接率为10％，扫描速度为150mm/min，且激光束输出前预通气5min。
经检测，本实施例得到的表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为176μm，硬度达到889HV；采用GCr15摩擦副，载荷200g，在室温干摩擦磨损方式测得该表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金的平均摩擦系数为0.1594。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将TC6钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在TC6钛合金表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的TC6钛合金；所述气体的通入压力为1.0×104Pa，气体由Ar和N2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且Ar的通入流量为30L/min，N2的通入流量为10L/min，所述激光束的输出功率为700W，激光束光斑直径为0.2mm，搭接率为10％，扫描速度为300mm/min，且激光束输出前预通气5min；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的TC6钛合金放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金；所述气体的通入压力为1.0×104Pa，气体由N2和CO2组成，Ar和N2的质量纯度均不小于99.99％，且N2的通入流量为25L/min，CO2的通入流量为35L/min，所述激光的输出功率为800W，激光束光斑直径为0.6mm，搭接率为20％，扫描速度为150mm/min，且激光束输出前预通气5min。
经检测，本实施例得到的表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为108μm，硬度达到750.6HV；采用GCr15摩擦副，载荷200g，在室温干摩擦磨损方式测得该表面具有梯度复合耐磨涂层的TC6钛合金的平均摩擦系数为0.1829。
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 (5)
1.一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法采用激光气体合金化方法，在钛或钛合金表面制备得到氮含量呈梯度变化且无明显界面的复合耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在钛或钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛或钛合金作为基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行预热，在基体表面形成低N含量的合金化层，得到表面具有低N含量涂层的基体；所述气体的通入压力为1.0×103Pa～1.0×104Pa，气体由Ar和N2组成，且Ar的通入流量为25L/min～40L/min，N2的通入流量为5L/min～10L/min，所述激光束的输出功率为500W～800W；
步骤二、将步骤一中表面具有低N含量涂层的基体放置于激光器的保护箱体内并通入气体，然后启动激光束进行激光气体合金化，在低N含量涂层上形成高N含量的涂层，得到表面具有梯度复合耐磨涂层的钛或钛合金；所述气体的通入压力为1.0×103Pa～1.0×104Pa，气体由N2和CO2组成，且N2的通入流量为15L/min～35L/min，CO2的通入流量为15L/min～35L/min，所述激光的输出功率为800W～1000W。
3.根据权利要求2所述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中所述Ar和N2、步骤二中所述N2和CO2的质量纯度均不小于99.99％。
4.根据权利要求2所述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤一中和步骤二中所述预热和激光气体合金化采用的激光束光斑直径均为0.2mm～1mm，搭接率均为10％～30％，扫描速度均为50mm/min～300mm/min，且激光束输出前均预通气5min～10min。
5.根据权利要求2所述的一种在钛及钛合金表面制备梯度复合耐磨涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述表面具有梯度复合耐磨涂层的钛或钛合金中梯度复合耐磨涂层的厚度为50μm～180μm。
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