一种TiCN-Al制造技术

本发明专利技术为一种TiCN‑Al

A preparation method of TiCN Al2O3 ceramic composite coatings

【技术实现步骤摘要】
一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法
本专利技术涉及一种喷涂涂层的制备方法，尤其涉及一种具有高硬度和高耐磨性的等离子喷涂涂层及其制备方法。
技术介绍
TiCN作为TiN和TiC的固溶体，是一种三元超硬陶瓷材料。它具有陶瓷材料的高硬度(HV＝2472kg/mm2)良好的化学稳定性，优异的耐磨性及耐高温性能，在机械化工、汽车制造和航空航天等许多领域得到了广泛的应用。目前，TiCN涂层普遍采用等离子辅助气相沉积法(PACVD)、化学气相沉积法(CVD)和离子注入等表面处理方法，尽管这些方法在制备TiCN涂层上取得了突出的进展，但由于这些方法存在沉积效率较低(2～10μm/h)，膜厚度过薄(10～50μm)，涂层与基体的结合效果较差，难以制备出复杂结构件等缺点(PanYJ,ChenSH,Xin-JieWU,etal.PreparationandAnti-OxidationPropertiesofTi(CN)FilmsDepositedbyPCVD[J].材料热处理学报,2004,25(5):851-853.)，难以适应重载荷等服役环境下的磨损，不能充分发挥其固有的特性，从而制约了TiCN涂层的应用。等离子喷涂具有工艺简单、灵活方便、工件无需重新设计等特点。反应等离子喷涂是集等离子喷涂和自蔓延技术于一体的新型热喷涂技术，具有高的沉积效率，较低的生产成本，且适用于各种尺寸的零部件。以廉价的石墨或碳黑为碳源与微米级Ti粉混合制备成适于喷涂的复合粉，送入含氮的高温等离子焰流，Ti与C、N2发生自蔓延反应，制备TiCN涂层(米鹏博,何继宁，阎殿然等.石墨和炭黑制备的TiCV涂层及其磨损性能[J].材料热处理学报，2017,36(11):188–192)。一方面,由于TiCN涂层的红硬度随温度升高而降低,在摩擦热的作用下涂层的硬度和耐磨性明显降低；另一方面受喷涂工艺的影响，涂层中不可避免存在大量的孔隙或孔洞，磨损过程中,裂纹容易在这些区域萌生及扩展,降低涂层的耐磨性。鉴于以上2个原因，TiCN涂层难以满足高载荷、高速等条件下的工业生产需求。
技术实现思路
本专利技术的技术目的在于针对上述等离子喷涂TiCN涂层的不足，提供一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法。该方法通过喷雾造粒法分别获得团聚的Ti-C和Al2O3粉，并通过机械搅拌法将两种团聚粉充分混合，采用两种不同颗粒同时作为喷涂材料进行喷涂。本专利技术利用高温稳定，抗氧化性强的Al2O3颗粒作为第二相颗粒，弥散分布在TiCN颗粒的周围，等离子喷涂制备一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层，从而克服单一TiCN陶瓷涂层在高速，高载荷下，结构和性能稳性差的缺点，使复合陶瓷涂层用于高速、高载荷条件下的磨损。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1、对基体试样进行表面粗糙化处理；所述的基体材料为金属或非金属材料；步骤2、通过喷雾造粒法将Ti粉和C粉制成Ti-C团聚粉、通过喷雾造粒法将Al2O3粉制成Al2O3团聚粉；并将所得两种团聚粉分别过筛，得到粒度为38～74μm的球形团聚粉；其中，Ti粉粒度为5～20μm,C粉粒度为2～5μm，Al2O3粉粒度为2～5μm，Ti-C团聚粉中Ti与C质量比为4：1，所述C为石墨；步骤3、利用机械搅拌将上面得到的两种团聚粉充分混合，得到喷涂喂料复合粉；其中，Al2O3团聚粉的质量为喷涂喂料复合粉质量的10％～30％；步骤4、在基体表面预先喷Ni-Al自熔性合金粉，得到厚度为90～120μm的粘结底层；步骤5、通过送粉器将喷涂喂料复合粉送入等离子焰流，喷涂到粘结底层表面,得到TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层，涂层的厚度为300～500μm；其中，喷涂参数设置为：工作电流480～500A；电弧电压50～75V；氩气流量18～48L/min，压力0.5～0.8MPa；氮气流量3～9L/min，压力0.5～0.8MPa；送粉速率2～5L/min；喷涂距离80～120mm；喷涂角度为90°；其中氮气作为送粉气及反应气，氩气作为保护气体。所述的步骤1中的基体的粗糙化处理方法为喷砂、砂纸打磨或机械加工粗糙化。所述的步骤1中的金属为碳钢、不锈钢或耐热钢。所述的步骤1中非金属为陶瓷、玻璃或高分子材料。所述的步骤4中Ni-Al自熔性合金粉中，优选Al的质量为粉体质量的10％，粉粒度为-150目～+350目，即该粉末粒径在38μm～74μm。本专利技术通过上述过程制备的TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层，充分利用了Al2O3的高温稳定性和抗氧化性，将Al2O3均匀的添加到TiCN涂层中，获得结构和性能稳定的TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层。本专利技术的有益效果是：(1)通过喷雾造粒法将粒度细小，流动性差的原始Ti粉和原始C粉团聚为流动性好的球形Ti-C团聚粉,流动性差的原始Al2O3粉团聚为流动性好的球形Al2O3团聚粉，并将所得球形团聚粉过200目网筛，得到粒度均为38～74μm的球形团聚粉，其中原始Ti粉粒度为5～20μm,原始C粉粒度为2～5μm，原始Al2O3粉粒度为2～5μm，Ti-C球形团聚粉中Ti与C质量比为4：1，所述C为石墨；(2)通过机械搅拌法将喷雾造粒得到的球形Ti-C团聚粉与不同质量分数的球形Al2O3团聚粉充分混合，得到包含两种球形团聚粉的喷涂喂料复合粉，球形Al2O3团聚粉的质量分别为喷涂喂料复合粉质量的10％～30％；(3)利用高温稳定，抗氧化的Al2O3作为弥散第二相，均匀分布在TiCN的周围，或填补孔洞或层片间隙，提高涂层结构的致密性，获得致密的涂层；(4)由于Al2O3具有优异的化学稳定性和耐高温性，作为弥散分布的第二相能有效缓解磨损过程中的应力集中，减少裂纹的产生，提高涂层的耐热性和耐磨性，获得性能稳定的陶瓷复合涂层；(5)本专利技术通过上述过程制备的复合涂层是由TiC0.7N0.3及Al2O3相组成，工艺简单，成本低，所得涂层中TiC0.7N0.3作为主相，Al2O3作为强化相弥散分布在涂层中，形成TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层，提高涂层的硬度和耐磨性。与单一的TiCN涂层相比，该方法制备的TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的孔隙率由9.1％降低到6.7％；与单一的TiCN涂层相比，相同摩擦实验后涂层的磨损量由0.27g降低为0.14g，即磨损量降低了48％左右，耐磨性显著提高；(6)等离子喷涂TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层形成过程中，利用送粉器将喷涂喂料复合粉送入到等离子焰流，沉积到粘结层表面获得涂层时，喷涂喂料复合粉中的Al2O3可均匀的分布在TiCN周围，避免了涂层成分和结构的不均匀性，得到优异性能的TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层；(7)本专利技术所提供的等离子喷涂TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层具有高硬度，耐磨防腐的优异性能，适用磨损、腐蚀的工况环境工件，例如切削刀具、钻头、模具等机械、汽车制造和航空航天等领域，具有极其广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例1中45#钢基体表面TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的SEM图；图2是本专利技术实施例1中45#钢基体表面TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的XRD图谱；图3是本专利技术实施例1中45#钢基体表面TiCN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiCN‑Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征为包括以下步骤：步骤1、对基体试样进行表面粗糙化处理；所述的基体材料为金属或非金属材料；步骤2、通过喷雾造粒法将Ti粉和C粉制成Ti‑C团聚粉、通过喷雾造粒法将Al2O3粉制成Al2O3团聚粉；并将所得两种团聚粉分别过筛，得到粒度为38~74μm的球形团聚粉；其中， Ti粉粒度为5~20μm, C粉粒度为2~5μm， Al2O3粉粒度为2~5μm，Ti‑C团聚粉中Ti与C质量比为4：1，所述C为石墨；步骤3、利用机械搅拌将上面得到的两种团聚粉充分混合，得到喷涂喂料复合粉； 其中，Al2O3团聚粉的质量为喷涂喂料复合粉质量的10%~30%；步骤4、在基体表面预先喷Ni‑Al自熔性合金粉，得到厚度为90~120μm的粘结底层；步骤5、通过送粉器将喷涂喂料复合粉送入等离子焰流，喷涂到粘结底层表面,得到TiCN‑Al2O3的陶瓷复合涂层，涂层的厚度为300~500μm；其中，喷涂参数设置为：工作电流480~500A；电弧电压50~75V；氩气流量18~48L/min，压力0.5~0.8MPa；氮气流量3~9L/min，压力0.5~0.8MPa；送粉速率2~5 L/min；喷涂距离80~120mm；喷涂角度为90°；其中氮气作为送粉气及反应气，氩气作为保护气体。...

【技术特征摘要】
1.一种TiCN-Al2O3陶瓷复合涂层的制备方法，其特征为包括以下步骤：步骤1、对基体试样进行表面粗糙化处理；所述的基体材料为金属或非金属材料；步骤2、通过喷雾造粒法将Ti粉和C粉制成Ti-C团聚粉、通过喷雾造粒法将Al2O3粉制成Al2O3团聚粉；并将所得两种团聚粉分别过筛，得到粒度为38~74μm的球形团聚粉；其中，Ti粉粒度为5~20μm,C粉粒度为2~5μm，Al2O3粉粒度为2~5μm，Ti-C团聚粉中Ti与C质量比为4：1，所述C为石墨；步骤3、利用机械搅拌将上面得到的两种团聚粉充分混合，得到喷涂喂料复合粉；其中，Al2O3团聚粉的质量为喷涂喂料复合粉质量的10%~30%；步骤4、在基体表面预先喷Ni-Al自熔性合金粉，得到厚度为90~120μm的粘结底层；步骤5、通过送粉器将喷涂喂料复合粉送入等离子焰流，喷涂到粘结底层表面,得到TiCN-Al2O3的陶瓷复合涂层，涂层的厚度为300~500μm；其中，喷涂参数设置为：工作电流48...

【专利技术属性】
技术研发人员：何继宁，秦艳芳，朱玲艳，南召帅，张建新，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12