[發明專利]一種鈦合金表面原位制備TiCN涂層的方法

有效

• 申請號: 201810333193.0
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108251789B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 李斌;林小輝
• 申請（專利權）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號: C23C8/74
• 分類號: C23C8/74;C23C8/30
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

本發明公開了一種鈦合金表面原位制備TiCN涂層的方法，該方法為：將鈦合金工件的表面進行機械清理，直至鈦合金工件的表面粗糙度小于3.2μm后均勻涂抹一層凡士林膏；二、所述鈦合金工件涂抹有凡士林膏的區域在氮氣氣氛保護下，置于脈沖YAG激光器下，接通脈沖YAG激光器的電源，對鈦合金工件涂抹有凡士林膏的區域進行激光輻照，最后經清洗風干在鈦合金工件表面得到TiCN涂層。本發明方法簡單，TiCN涂層厚度主要由涂抹凡士林膏厚度和激光功率控制，并且所使用的碳源為凡士林膏，不僅成本低而且可以在表面反應發生時隔絕工藝微區環境，防止鈦合金表面氧化。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理技術領域，具體涉及一種鈦合金表面原位制備TiCN涂層的方法。

背景技術

鈦合金具有密度低、比強度高、力學性能優異等特點已在航空航天、石油化工、造船、汽車、醫藥等領域得到了廣泛的應用。在醫療器械領域，選用與人體生物相容性優異的鈦合金通過微弧氧化處理可獲得易于組織細胞附著的多孔性生物涂層；在石油化工、造船行業，通過鈦合金表面脈沖陽極化處理獲得約幾微米厚的氧化物層可隔絕因為異質金屬連接所帶來的電偶腐蝕問題。

目前，隨鈦合金在船舶行業的大量應用，針對復雜的服役環境和較高的使用性能之要求，急需解決諸如鈦合金導熱散熱性不佳、抗沖蝕耐磨性不好、局部表面功能化修復困難等問題。現有解決上述難題的方法之一是在鈦合金表面鍍一層由鈦的碳化物、鈦的氮化物及鈦的碳氮化物組成的TiCN層。目前，鈦合金表面制備TiCN層的方法主要有化學鍍、熱噴涂和真空磁控濺射等，這些方法都有一定局限性，比如，化學鍍法對環境污染嚴重；熱噴涂制備的TiCN鍍層結合力雖然好但鍍層不致密，導致其抗腐蝕性能不佳；磁控濺射法制備的TiCN鍍層結合力普遍較低，并且由于采用的碳源為CH₄或石墨靶材導致鍍層生長緩慢、內應力高，制備鍍層厚度較低(1μm～3μm)。因此，亟待在鈦合金表面開發一種冶金結合好、散熱性好、耐磨性佳和可局部修復的原位涂層制備技術，進一步擴寬鈦合金于海洋工程領域的應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供了一種鈦合金表面原位制備TiCN涂層的方法。該方法制備工序簡化、涂層生長更快、涂層厚度更大、表面處理施工方便等特點，并且制備的TiCN涂層具有冶金結合、散熱性好、耐磨性佳和可局部修復等特點，該方法擴寬了鈦合金在海洋工程領域的應用，賦予各類海洋工程用鈦合金更優的服役性能和更長的服役壽命。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種鈦合金表面原位制備TiCN涂層的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、將鈦合金工件的表面進行機械清理，直至鈦合金工件的表面粗糙度小于3.2μm后均勻涂抹一層凡士林膏；

步驟二、將步驟一中所述鈦合金工件涂抹有凡士林膏的區域在氮氣氣氛保護下置于脈沖YAG激光器下，接通脈沖YAG激光器的電源，對鈦合金工件涂抹有凡士林膏的區域進行激光輻照，在所述激光輻照過程中控制脈沖YAG激光器輸出的脈沖寬度為20ns～200ns，頻率為100kHz～1000kHz，光斑移動速率為200mm/s～2000mm/s，激光間距為2μm～15μm，輸出功率為20W～500W；最后經清洗風干在鈦合金工件表面得到TiCN涂層。

本發明利用激光處理技術制備TiCN涂層，采用凡士林膏作為制備TiCN涂層的碳源，凡士林膏是一種烷系烴或飽和烴類半液態的混合物，一般用作藥品和化妝品原料，也可用于機器潤滑，但是本發明開發了凡士林膏的其他應用，將其作為制備TiCN涂層的碳源，非常方便地涂抹在鈦合金工件的表面，再利用氮氣作為制備TiCN涂層的氮源，并且氮氣還起到激光輻照時隔絕空氣的作用，有效地防止鈦合金表面被氧化，最后通過脈沖YAG激光器的激光輻照在鈦合金工件表面得到TiCN涂層，該方法具有工序簡化、涂層生長更快、涂層厚度更大、涂層和基體為物理冶金結合、表面處理施工方便等特點，而且本發明對異形鈦合金工件仍然適用。