[发明专利]钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法

说明书

本发明公开了钛或钛合金表面Ti‑Al‑C系MAX相涂层的制备方法，该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗；二、采用无氢渗碳处理在经除油清洗后的钛或钛合金的表面渗碳形成TiC层；三、采用真空物理气相沉积法镀Al制备Al\TiC涂层；四、采用原位扩散法使Al\TiC涂层形成Ti‑Al‑C系MAX相涂层。本发明采用逐步镀层方法，利用Al的高活性使其渗入TiC层，提高了Ti‑Al‑C系MAX相涂层中各成分的均匀性，保证了Ti‑Al‑C系MAX相涂层的优良性能，提高了Ti‑Al‑C系MAX相涂层与钛或钛合金基体之间的结合程度，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题，方法简便且易于实现。

技术领域

本发明属于钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种钛或钛合金表面Ti-Al-C系MAX相涂层的制备方法。

背景技术

钛及其合金具有重量轻、比强度大、耐热性强、耐腐蚀等优异的综合性能，被誉为“未来的金属”，是一类具有发展前途的新型结构材料。钛合金已广泛用于国民经济各部门。它是火箭、导弹和航天飞机中不可缺少的材料，不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在船舶、冶金、石油、化工、轻工、发电等许多工业部门中广泛应用。

尽管钛及钛合金具有许多优异的性能，在各个领域得到广泛应用，但其也存在一些缺点。钛及钛合金的普遍缺点是表面硬度低(纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金通常不超过350HV)，摩擦系数大，耐磨性差，在两个对磨的接触面上容易产生粘着，并且对微动磨损非常敏感。此外，钛合金还存在容易导致与其接触的其他金属发生电偶腐蚀，在还原性酸性环境中耐蚀性差，对氢脆及液态金属致脆敏感等问题。为了提高钛及钛合金的耐磨性，有效地利用钛合金的优良性能，国内外学者作了大量的研究工作，其中最主要的是采用表面强化技术对钛及钛合金进行表面改性。以提高其耐磨性、耐蚀性、高温抗氧化性、抗微动磨损性等，此途径能进一步有效地扩大钛合金的应用范围。

MAX相材料是一种备受人们关注的新型的可加工陶瓷材料，由于兼具了金属材料和陶瓷材料的优良性能，被称为金属陶瓷材料。这类三元层状的过渡族金属的碳化物或者氮化物的概念，最早是由Nowotny教授等人在上个世纪60年代提出的。人们在而后的研究中，又连续发现了很多与这类材料具备相似构造的化合物。在1996年，Barsoum教授课题组在美国的Drexel大学开始利用热压法合成了化合物Ti₃SiC₂，并且他们从中发现了该化合物所具有的优异性能。由于这类材料具备特殊的纳米层状的晶体结构，因此具有良好的导电性、较高的韧性、良好的自润滑性等性能。此后，欧洲、日本和中国的研究者们也相继开展了对这类材料的研究工作。在2000年，经Barsoum教授研究之后，又发表了一篇关于表述这类陶瓷材料的综述性的文章，并率先引入“M_n+1AX_n相”(简称MAX相)的概念来统称这类陶瓷材料.在M_n+1AX_n相材料中，M为过渡族的金属元素，A为主族元素，X为碳元素或者氮元素。

Ti₂AlC和Ti₃AlC₂是MAX相中最为典型的化合物，综合了金属与陶瓷的性能：既具有金属的高电导率、高断裂韧性、又具有陶瓷的高强度、优异的抗氧化性能、同时它还具有良好的可加工性能，因此Ti₂AlC和Ti₃AlC₂的应用前景非常广阔。目前，国内一些科研院所对MAX相的研究工作主要集中在对MAX相本体材料的合成制备、结构特征、物理性能方面，在钛合金表面进行MAX相涂层制备的研究未见报道。

发明内容