碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用。具体地，本发明专利技术提供一种碳化钛耐磨陶瓷涂层，所述涂层含有微孪晶与层错的复合结构。本发明专利技术所述涂层的复合结构可以有效改善碳化钛涂层的韧性并降低涂层内应力，且化学气相沉积法制备的碳化钛耐磨陶瓷涂层可有效提高膜基结合力，增强涂层晶化程度。

Titanium Carbide Wear Resistant Ceramic Coating and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用
本专利技术涉及陶瓷耐磨涂层领域，具体涉及一种碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
碳化钛涂层具有高硬度、耐腐蚀、化学稳定性好等优点，常用作硬质合金、高速钢等刀具、模具表面耐磨涂层以提高其切削性能及使用寿命。但是，采用传统方法制备的碳化钛涂层通常存在膜基结合力弱、晶化程度低、结构应力大、韧性差等缺点，从而导致涂层工模具在使用过程中出现崩裂、脱落等现象，其对硬质合金与高速钢工模具性能的提升效果受到限制。针对上述不足，目前的改进方法由两类：(1)引入N元素来制备TiCxN1-x涂层，通过调整涂层组成中N与C元素的比例，降低涂层的脆性并提高涂层的韧性，增强涂层的耐磨性能；该方法一定程度上减少了崩裂现象，提高了涂层的使用寿命；但是N元素引入降低了涂层的硬度并增加了涂层的摩擦系数，在加工硬度较高的材料时,会随着时间的增加而加深涂层粘结磨损的程度，导致工模具耐磨性能下降、使用寿命降低。(2)制备TiC复合涂层。如TiC/TiCN、TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN复合涂层等。其中TiC/TiCN/TiN复合涂层在强度和韧性方面取得较好的结果。然而复合涂层的摩擦磨损性能容易受到各子涂层的厚度、界面结合、相组成与分布的影响，必须通过涂层制备参数的精确控制才能获得具有较好耐磨性能的涂层结构。同时，复合涂层的厚度一般大于单一涂层，因此其加工尺寸的精密度相比于单一涂层略低；另外，与单一涂层相比，复合涂层的制备工艺繁琐、生产成本高等。因此，本领域亟需开一种兼具高硬度、强韧性、高耐磨性能的新型碳化钛涂层，从而克服现有技术缺点，提高性能，扩大碳化钛涂层的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有良好耐磨性的碳化钛耐磨陶瓷涂层及其制备方法和应用。本专利技术的第一方面，提供一种碳化钛耐磨陶瓷涂层，所述涂层含有碳元素和钛元素形成的碳化钛，且所述涂层中的碳化钛含有微孪晶与层错复合结构。在另一优选例中，所述的涂层基本上由碳元素和钛元素形成的碳化钛构成。在另一优选例中，所述的涂层由碳元素和钛元素组成。在另一优选例中，所述的涂层为微孪晶与层错复合结构。在另一优选例中，所述涂层中，C和Ti的总含量≥95％，较佳地≥98％，更佳地≥99％，或≥99.5％，最佳地≥99.9％，按所述涂层的总重量计。在另一优选例中，所述的微孪晶与层错复合结构的体积V1与所述涂层的体积V0之比(V1/V0)≥50％，较佳地≥80％，更佳地≥90％，最佳地≥99％。在另一优选例中，所述涂层中碳元素的原子百分比为20-60％，钛元素的原子百分比为40-80％，按所述涂层中原子的总数计。在另一优选例中，所述涂层中含有碳化钛晶粒。在另一优选例中，所述碳化钛晶粒的平均粒径为300-600nm。在另一优选例中，所述微孪晶的尺寸大小为10-150nm，较佳地50-80nm；和/或所述层错长度为30-100nm，较佳地50-80nm。在另一优选例中，所述的涂层的厚度为1-20μm，较佳地2-10μm，更佳地5-7.5μm。在另一优选例中，所述的涂层包括选自下组的一种或多种特征：(i)所述的涂层的摩擦系数为0.16-0.25；和/或(ii)所述的涂层的平均磨损率为2.0×10-6-3.0×10-6mm3N-1m-1。本专利技术第二方面，提供一种制备如本专利技术第一方面所述碳化钛耐磨陶瓷涂层的方法，所述的方法包括步骤：(1)提供一基材；(2)通过化学气相沉积法，在碳源和钛源存在下，在所述的基材表面进行化学气相沉积，从而在所述基材表面形成所述的涂层。在另一优选例中，所述步骤(1)中，所述的基材选自：钢材、硬质合金、碳基复合材料，或其组合。在另一优选例中，所述的钢材为高速钢。在另一优选例中，所述的钢材为M42高速钢。在另一优选例中，在所述的步骤(1)中，所述的基材包括未经处理或经过预处理的基材。在另一优选例中，所述的步骤(1)中，所述基材为经过预处理的基材，所述的预处理包括步骤：(a)依次在所述基材表面进行喷砂、表面清洗、表面抛光和烘干处理。在另一优选例中，所述步骤(a)中，选用下组的材料进行喷砂：棕刚玉砂(氧化铝砂)、石英砂，或其组合。在另一优选例中，所述棕刚玉砂的粒径大小为100-200目。在另一优选例中，所述步骤(a)中，所述表面清洗为超声波清洗。在另一优选例中，所述步骤(a)中，表面清洗所用的清洗试剂选自下组：酒精、丙酮、水，或其组合。在另一优选例中，所述的水选自下组：蒸馏水、去离子水，或其组合。在另一优选例中，所述超声波清洗的时间为30-50分钟。在另一优选例中，所述步骤(a)中，表面抛光后的基材表面粗糙度为Ra<0.2，较佳地0.05-0.2。在另一优选例中，所述步骤(a)中，所述烘干的温度为60-90℃。在另一优选例中，所述步骤(a)中，所述烘干的时间为2-12小时。在另一优选例中，所述的方法还包括步骤：(b)在所述的步骤(2)进行之前，在真空条件下，通入第一辅助气体，对所述的基材进行预热。在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述真空条件下的真空度为≤0.1MPa，优选0.05-0.08MPa。在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述的第一辅助气体选自下组：氩气、氮气、氦气、氢气，或其组合。在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述的第一辅助气体的流量为100-600sccm。在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述的第一辅助气体为氢气和氩气。在另一优选例中，所述的氢气的流量为100-200sccm。在另一优选例中，所述的氩气的流量为100-200sccm。在另一优选例中，所述的氢气的纯度为99.999％。在另一优选例中，所述的氩气的流量为99.9％sccm在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述的预热步骤中，加热的速率为3-6℃/min。在另一优选例中，所述的步骤(b)中，所述的预热的温度为50-80℃。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述化学气相沉积法包括步骤：通入碳源、钛源和第二辅助气体，在所述的基材表面上沉积得到所述涂层。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述钛源以第三辅助气体为载体通入。在另一优选例中，所述第三辅助气体选自下组：氩气、氮气、氦气、氢气，或其组合。在另一优选例中，所述第三辅助气体的流量为2500-4000sccm。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述的钛源选自下组：四氯化钛、三氯化钛、钛酸丁酯、钛粉，或其组合。在另一优选例中，以5-10℃/min的速率加热至沉积温度。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述的沉积的条件包括：沉积温度为1000-1020℃。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述的沉积的条件还包括：沉积时间为20-60min，较佳地30-50min，更佳地35-40min。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述的沉积的条件还包括：所述沉积压力为0.03-0.04MPa。在另一优选例中，所述的第一辅助气体、第二辅助气体和第三辅助气体中的任何二个或三个是相同的或不同的。在另一优选例中，所述的步骤(2)中，所述的碳源为气体源，且所述碳源的流量为500-800sccm。在另一优选例中，所述的碳源选自下组：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、甲醇、丙醇、乙炔，或其组合。在另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化钛耐磨陶瓷涂层，其特征在于，所述涂层含有碳元素和钛元素形成的碳化钛，且所述涂层中的碳化钛含有微孪晶与层错复合结构。

【技术特征摘要】
1.一种碳化钛耐磨陶瓷涂层，其特征在于，所述涂层含有碳元素和钛元素形成的碳化钛，且所述涂层中的碳化钛含有微孪晶与层错复合结构。2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层中碳元素的原子百分比为20-60％，钛元素的原子百分比为40-80％，按所述涂层中原子的总数计。3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层中含有碳化钛晶粒。4.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述微孪晶的尺寸大小为10-150nm，较佳地50-80nm；和/或所述层错长度为30-100nm，较佳地50-80nm。5.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述的涂层包括选自下组的一种或多种特征：(i)所述的涂层的摩擦系数为0.16-0.25；和/或(ii)所述的涂层的平均磨损率为2.0×10-6-3.0×10-6mm3N-1m-1。6.一种制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨科，王少龙，江南，易剑，褚伍波，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33