[發明專利]一種TiAlN涂層的制備方法

有效

• 申請號: 202010727571.0
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111945150B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 趙梓鈞;劉偉;孫兵兵;雷楊;熊華平;周標
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明屬于高溫防護涂層的制備技術領域，涉及一種TiAlN涂層的制備方法。以激光為能量源，利用送粉式激光快速成形設備，通過設置合理的工藝參數，以市售的純Ti粉和純Al粉作為原料，在加熱至一定溫度的基板上直接熔化沉積獲得TiAlN涂層，得到的TiAlN涂層致密無缺陷，涂層中氮化物主要以枝晶的形式存在。本方法制備TiAlN涂層過程無需模具，涂層成形質量好，組織均勻，具有較好的綜合力學性能。

技術領域

本發明屬于高溫防護涂層的制備技術領域，涉及一種送粉式激光快速成形技術，特別涉及一種TiAlN涂層的制備方法。

背景技術

隨著制造業領域的發展，人們對金屬性能的要求愈來愈高。目前，在不降低金屬整體性能的前提下，改性、涂覆等表面強化技術是提高金屬使用壽命的有效途徑。氮化物硬質膜層具備擁有高硬度、高耐磨性、高熔點、良好的熱穩定性、優越的高溫強度以及優異的化學惰性等特點的潛力，適用于高速切削高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等材料，已然成為國內外研究熱點并被廣泛應用。

目前已形成產業化且廣泛應用的氮化物硬質涂層為TiN涂層。該涂層具備良好的耐磨性能和機械性能，但是當使用溫度達到臨界氧化溫度時，該涂層會快速氧化失效進而失去防護能力。相比于TiN涂層，TiAlN涂層在高溫下具有更高的硬度、抗高溫氧化性、高溫穩定性、耐磨性，是TiN涂層最具有前景的替代材料。

專利CN00136042.6公布了一種用于海軍航空發動機壓氣機葉片的離子鍍TiAlN涂層。離子鍍技術的原理是在真空腔內，對基體與蒸發源之間施加電場，當腔內壓力合適時，基體與蒸發源之間會發生弧光放電或輝光放電，在與電子碰撞的過程中，會產生靶材(涂層材料)離子和氣體離子，離子在電場作用下高速飛向并轟擊基體，從而形成涂層，該方法安全無污染，但受到高真空條件的制約，產品尺寸形狀受限，氮化效率低，氮化層厚度薄，使用壽命較短。

專利CN201910285352.9公布了一種鈦合金表面的TiAlN復合涂層及其制備方法。該專利中先對鈦合金表面進行滲鋁，再采用雙輝離子滲技術對滲鋁層表面進行滲氮。雙輝離子滲技術原理是當真空室內惰性氣體氣壓一定時，陽極和陰極以及陽極和源極之間發生輝光放電，即雙層輝光放電，源極元素原子在離子轟擊的作用下濺射出來，并高速飛向工件表面，從而工件表面形成涂層。該方法滲速快、涂層厚度可控、膜基結合力高，但是源極和工件必須為導體，材料受限，且該過程需在密閉空間中進行，工件尺寸形狀受限。

因此，開發出一種能夠解決上述問題的TiAlN涂層的制備方法非常有必要。

發明內容

本發明的目的是：提供了一種以高能激光束為熱源，制備TiAlN涂層的方法，以解決涂覆后開裂現象以及無法獲得大尺寸工件的問題。

為解決此技術問題，本發明的技術方案是：

一種TiAlN涂層的制備方法，所述制備方法以純Ti粉末和純Al粉末為原料，采用雙通道送粉式激光成形技術制備TiAlN涂層，涂層中氮化物主要以枝晶的形式存在，制備過程包括以下步驟：

步驟一、將粒度均勻的純Ti粉末和純Al粉末分別置于激光快速成形系統的兩個獨立的送粉器中，以氮氣和氬氣的混合氣體為載粉氣體和保護氣；

步驟二、按照所需制備的TiAlN涂層的成分，調節純Ti粉和純Al粉的送粉速率以及混合氣體中的氮氣占比；

步驟三、對基板加熱并維持至制備涂層結束；

步驟四、激光和粉末同軸送出，且同步移動，且僅在一個方向上掃描一個道次，純Ti粉末和純Al粉末在成形基板上熔化形成熔池，并與氮氣發生反應；隨著粉末與激光向前運動，熔池凝固，形成一道次的涂層；

步驟五、粉末和激光的同軸頭沿垂直于步驟四的涂覆方向移動道次間距，重復步驟四獲得另一道次的涂層；

步驟六、重復步驟五，直到所需面積的TiAlN涂層制備完成；