[发明专利]一种氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构的制备方法

说明书

本发明涉及金属表面处理技术领域，为解决现有的方法无法低成本且高效地制备氮化钛铌纳米管结构并在此基础上制备基体过渡渗氮层的问题，本发明提供了一种氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构的制备方法。所述方法包括：1)预处理；2)阳极氧化；3)退火；4)高温氮化。其首先在合金表面形成纳米管阵列结构，随后进行渗氮和氮扩散处理，使得氧化物纳米管阵列转变为氮化物纳米管阵列，同时阻挡层以及基体表面形成渗氮层。本发明所制得纳米管结构可控、结合力强，工艺简单、成本较低，具有良好的电化学性能、耐蚀性能和力学性能。

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构的制备方法。

背景技术

钛铌合金具有熔点高、耐腐蚀性能好、导电性优良、化学性能稳定等优点，通过阳极氧化工艺在钛铌合金表面原位生长出有序排列的氧化钛铌纳米管阵列，可大幅提高其比表面积，增加电化学反应的活性位点，可作为优异的电极材料。但是，氧化钛铌的电阻较大，且耐酸碱腐蚀性较差。

钛铌的氮化物具有导电性能高、耐酸碱腐蚀性强、摩擦系数低、强度高等特点。因此，对阳极氧化处理的钛铌合金进行渗氮处理，不仅可以提高膜层的导电性能，还增强了其耐酸碱腐蚀性能。目前，在合金表面进行渗氮处理的主要方法有磁控溅射、离子渗氮、气体渗氮、激光渗氮等。其中，离子渗氮可实现局部渗氮，渗氮层厚度及组织可控，但是设备控制复杂，成本较高，且不能对形状复杂的零件进行处理。磁控溅射可形成一定厚度的氮化层，但是氮化膜层和基体之间结合力较差，性能效果不佳。激光渗氮形成的氮化物组织较细，氮化膜层与基体间结合力好，但易在激光快速熔融下形成裂纹与气孔。气体渗氮操作简单，成本低廉，氮化膜层与基体间的结合力好，可用于氧化钛铌纳米管阵列的氮化处理。

此外，氮化膜层属于陶瓷相，与合金基体存在较大的物理性能上的差异，如热膨胀系数、硬度、密度以及电学性能，容易造成膜层与基体在结构和性能上的不完全匹配。通过气体渗氮控制渗氮程度，可以在钛铌基体和氮化膜层中间形成一层具有氮元素梯度的过渡渗氮层，从而进一步提高膜层和基体的匹配性，优化膜层的结合力，并改善基体的耐腐蚀性。

中国专利局于2003年12月3日公开了一种用电弧离子镀沉积氮化钛铌硬质薄膜的方法的发明专利授权，授权公开号为CN1129679C，其通过控制电弧离子镀纯钛、纯铌阴极靶在镀膜过程中的弧电流来控制薄膜的成分，在工模具钢基体上沉积合成硬度高于常用的氮化钛的氮化钛铌硬质薄膜，操作简便、控制容易。但该方法只能制备氮化钛铌的合金镀层，而无法制备具有纳米管阵列结构的氮化钛铌，更无法进一步地在基体表面制备具有纳米管阵列和渗氮层的复合结构。

发明内容

为解决现有的方法无法低成本且高效地制备氮化钛铌纳米管结构并在基体和膜层中间制备过渡渗氮层的问题，本发明提供了一种氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构的制备方法。其首先要实现在钛铌合金基体上制备氮化钛铌纳米管阵列的同时在基体上获得过渡渗氮层的目的，并在此基础上降低制备方法的成本并大幅度简化制备工艺，实现高效低成本地制备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)预处理：对钛铌合金进行表面处理；

2)阳极氧化：以经过表面处理的钛铌合金作为阳极、石墨作为阴极，置于电解液中在恒电压条件下进行阳极氧化，结束后清洗并干燥；

3)退火：将阳极氧化后的钛铌合金置于空气中进行退火处理；

4)高温氮化：将经过退火的钛铌合金依次进行通入氮气升温、通入氨气保温和通入氮气降温，即在钛铌合金表面得到氮化钛铌纳米管阵列及渗氮层复合结构。