[发明专利]钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层的制备方法

说明书

一种钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层的制备方法，属于金属陶瓷涂层制备技术领域，可用于提升钛合金表面的耐磨性。本发明以钛粉、石墨和蔗糖为原料，经雾化造粒/前驱体碳化复合工艺制备钛‑碳复合粉末；采用等离子喷涂工艺在钛合金表面沉积纳米碳化钛增强的钛基复合涂层。本发明提出利用反应喷涂制备纳米碳化钛强化相的工艺，制备的复合涂层内部具有纳米级的碳化钛增强相，因此具有高的硬度和耐磨性，可以用于各种钛合金表面以提高其耐磨性。

技术领域

本发明属于金属陶瓷涂层制备技术领域，尤其涉及一种用于钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层的制备方法。

背景技术

钛合金具有低的密度、高的比强度、良好的耐蚀性和耐热性以及优异的生物相容性，在航空航天、石油化工、医用设备、体育器材等领域得到广泛应用。但钛合金存在硬度低、耐磨性差的缺点，阻碍了其在摩擦磨损环境中的应用。因此，钛合金表面的耐磨涂层具有重要的应用价值和工业前景。

金属陶瓷涂层是一种陶瓷强化相弥散分布于基体金属相的复合涂层，兼具陶瓷相高的硬度和耐磨性以及金属相高的韧性，因此是一种具有潜力的表面耐磨涂层。其中，碳化钛增强的钛基复合涂层以碳化钛为强化相，以钛基固溶体为粘结相，具有高的硬度和耐磨性，且与钛合金有较好的相容性，是一种受到广泛关注的钛合金表面耐磨涂层。

目前，常用来制备碳化钛增强钛基复合涂层的技术有激光熔覆、电弧熔覆和高频感应熔覆等。这些方法制备的涂层中，碳化钛增强相的尺寸都在微米级别。而碳化钛的尺寸，是影响金属陶瓷涂层性能的重要因素。碳化钛尺寸越小，涂层的硬度也就越高，耐磨性也就越好。因此，为了继续提升涂层的耐磨性，有必要进一步减小涂层中碳化钛强化相的尺寸，也即开发一种纳米碳化钛增强的钛基复合涂层。

反应喷涂是一种新型热喷涂工艺，其利用喷涂过程中，原料粉末组元之间的反应生成强化相，从而在基板表面获得颗粒强化的复合涂层。相比于上述的复合涂层制备方法，在反应喷涂过程中，反应进行时间极短，形成的强化相来不及长大，从而在涂层中形成纳米尺寸的强化相。这种瞬时反应的机制，使得纳米尺寸碳化钛增强钛基复合涂层的制备成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层的制备方法，以进一步提升钛合金表面耐磨性。

一种钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层的制备方法，以钛粉、石墨和蔗糖为原料，采用雾化造粒/前驱体碳化复合工艺制备钛-碳复合粉末；采用反应等离子喷涂工艺沉积复合粉末制备复合涂层。在等离子喷涂过程中，喷涂粉末在高温的等离子焰流中升温熔化，并且发生钛与碳的反应，原位生成碳化钛相。当熔化液滴撞击基板时，在极高的冷却速度下，液滴中的碳化钛来不及长大，从而在涂层中形成纳米尺寸的碳化钛。以此制备的涂层结构为纳米碳化钛弥散分布于钛基固溶体中；涂层显微硬度在1000HV_0.2以上。

钛合金表面的纳米碳化钛增强的钛基复合涂层制备的原料粉末质量百分比如下：钛粉：65％～85％，石墨：0～20％，蔗糖15％～35％，钛粉粒径为1～20μm，石墨粒径为2～5μm。

进一步地，具体制备工艺流程包含以下步骤：

1)将钛粉、石墨和蔗糖按比例混合，在行星球磨机中湿磨，球磨介质为无水乙醇，球料比为10:1，球磨时间为0.5-1.5小时；

2)向球磨后的浆料中加入去离子水调节其固含量为50％～60％，按每千克浆料5ml加入水性分散剂A15溶液，按每千克原料粉末40～50g加入粘结剂10％PVA溶液，按每千克浆料0.5～1g加入消泡剂正丁醇，并采用机械搅拌器，搅拌1～2小时，获得均匀悬浊浆料，水性分散剂A15为含颜料亲和基团的聚合物溶液，成分为固含量：40％，丙二醇含量：20％，水含量：40％；