[发明专利]一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法

说明书

本发明属于高温防护涂层的制备技术领域，特别涉及一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法。以激光为能量源，利用送粉式激光快速成形设备，通过设置合理的工艺参数，以市售的TiAl粉作为原料，在喷丸处理后的钛合金基板上直接熔化沉积获得TiAlN涂层，得到的TiAlN涂层致密无缺陷，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在。本方法制备TiAlN涂层过程无需模具，涂层成形质量好，组织均匀，具有较好的综合力学性能。

技术领域

本发明属于高温防护涂层的制备技术领域，涉及一种送粉式激光快速成形技术，特别涉及一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法。

背景技术

钛及钛合金由于其密度小、比强度高、耐腐蚀性强以及生物相容性好等特点，已经被广泛应用于航空、航天、交通、医疗、能源等领域。然而，钛及钛合金硬度低、耐磨性能差等不足使该类材料在很多情况下很难达到实际生产应用要求。因此，在不降低金属整体性能的前提下，改性、涂覆等表面强化技术是弥补这些致命弱点的有效途径。目前，在钛及钛合金表面制备具有高硬度、高耐磨性、高熔点、良好的热稳定性、优越的高温强度以及优异的化学惰性等特点的涂层已经引起国内外专家学者的广泛关注。氮化物硬质膜层具备拥有这些特点的潜力，已然成为国内外研究热点并被广泛应用。

目前已形成产业化且广泛应用的钛及钛合金表面氮化物硬质涂层为TiN涂层。该涂层具备良好的耐磨性能和机械性能，但是当使用温度达到临界氧化温度时，该涂层会快速氧化失效进而失去防护能力。TiAlN涂层作为TiN涂层最具有前景的代替材料，其高温硬度、高温稳定性、高温抗氧化性、高温耐磨性均优于TiN涂层，已得到国内外专家学者的广泛关注。

专利(CN00136042.6)采用阴极离子镀技术先沉积TiAl合金涂层，再进行渗氮，得到Al-(Ti,Al)N-TiN无界面梯度涂层。专利(CN200510046367.8)用多弧离子镀技术，通过调整涂层靶材中的Al含量，得到多层TiAlN/TiN涂层。多弧离子镀即为阴极离子镀，其原理是当真空室内气压降低至一定程度时，金属靶材发生蒸发电离形成离子、电子等粒子，在磁场和电场的作用下，直接沉积或者与工件表面附近气体发生反应随后沉积至工件表面形成涂层。该方法金属离化率高，设备简单，但是受到密闭空间的限制，工件尺寸受限，涂层表面粗糙度高，涂层厚度较薄(一般至多几十微米)，不适合低熔点阴极材料。

因此，开发出一种能够解决上述问题的TiAlN涂层制备方法非常有必要。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种以高能激光束为热源，在钛合金表面制备TiAlN涂层的方法。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种钛合金表面的TiAlN涂层的制备方法，采用送粉式激光成形技术在钛合金表面制备TiAlN涂层，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在，制备过程包括以下步骤：

步骤一、将钛合金基板进行喷丸处理，使其一面应力状态为压应力状态；

步骤二、将粒度均匀的TiAl粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；

步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，TiAl粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应；随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成一个道次的涂层；

步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；

步骤五、重复步骤四，直到所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的钛合金。

步骤二中混合气体中的氮气占比为20％～80％。

优选地，步骤二中TiAl粉末的平均粒径为50～100μm。