利用熔盐歧化反应原位制备Ti制造技术

本发明专利技术公开了一种利用熔盐歧化反应原位制备Ti

【技术实现步骤摘要】
利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法及其制品
本专利技术涉及过渡金属氮化物涂层
，具体涉及一种利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法及其制品。
技术介绍
TixNy由于具有硬度高、耐磨性好、电导率高以及化学稳定性好等优点受到人们的广泛关注，其可以用作切削刀具的耐磨涂层、苛刻环境中部件的保护涂层以及抗氧化涂层等。目前TixNy涂层的制备方法主要有反应磁控溅射、离子束辅助沉积、滤波电弧沉积、脉冲激光沉积、多弧离子镀等，这些方法具有设备较复杂，维护困难以及部分方法制备的涂层存在微观缺陷等缺点，从而影响其性能。此外，这些方法只能在工件的外表面沉积涂层，对于内表面或复杂表面的样品，其制备过程的复杂性大大增加，甚至无法通过这些方法沉积涂层。因此，探索新的过渡金属氮化物涂层制备技术无疑具有重要意义。以熔融盐为介质的电镀或化学镀技术具有设备及合成路线简单、可以获得致密、粘附性良好的涂层等优点，更重要的是化学镀特别适用于不规则工件表面涂层的沉积。在熔融盐中多价态金属离子发生歧化反应而沉积在预镀件表面的过程在本质上就是一种化学镀。基于熔盐歧化反应的诸多优点，研究人员已成功制备Ti、Cr-Si等金属及合金涂层，但尚无关于金属氮化物涂层制备的相关报道。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种制备工艺简单，易于实现的利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法。该采用该方法能获得均匀、致密、粘附性良好的TixNy涂层。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：一种利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法，其包括以下步骤：(1)将原料粉与碱金属盐在坩埚中相混合均匀形成混合物；(2)以氮气作为氮源，氩气作为载气，在氮气与氩气的混合气氛中，将混合物升温至目标温度熔化后，将基材浸入熔融态熔浴中，借助所述原料粉在熔融盐中的歧化特性生成的金属原子与熔融盐中溶解的氮在基材表面原位化合形成过渡金属氮化物；(3)反应结束后将基材提升至反应器内脱离熔融态化合物的位置并随炉冷却至室温；将基材取出用水超声清洗以去除涂层表面残留的固态盐，在基材表面上得到TixNy涂层，其中，x≤5,y≤6。作为本专利技术的一种优选方案，所述原料粉包括单质钛和钛化合物，其中，单质钛为Ti粉，钛化合物为TiCl3、TiCl4和K2TiF6中的一种，所述反应的方程式如下：式1：M+Mi+→Mj+；式2：Mj++xN→Mi++MNx；其中，Mi+表示M的高价态离子，Mj+表示M的中间价态离子，且i大于j。作为本专利技术的一种优选方案，所述氮气在混合气氛中的体积百分比为0.5～30％。通过控制氮气与氩气的混合气氛中氮气的比例可控制熔融盐中氮气的浓度，即基材表面的氮势，从而调控TixNy涂层的成分。作为本专利技术的一种优选方案，所述碱金属盐为一元或二元及以上的金属氯化物盐或氟化物盐或氯化物和氟化物的混合盐。作为本专利技术的一种优选方案，所述基材为在所述熔融态化合物中不溶解的金属或合金。对所述基材进行预处理，预处理包括对基材的表面打磨，然后进行清洗和干燥。作为本专利技术的一种优选方案，所述原料粉的重量为熔融态熔盐重量的2～30％。作为本专利技术的一种优选方案，所述目标温度不低于700℃，优选为700～950℃。一种具有TixNy涂层的制品，其包括表面包覆有上述的利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法制得的TixNy涂层的金属件或合金件。本专利技术的有益效果为：本专利技术合理利用中间价态的钛离子在熔融盐中的歧化特性生成的钛原子与熔融盐中溶解的氮在基材表面原位化合形成TixNy涂层，所获得的TixNy涂层连续致密，厚度均匀，与基材结合良好，而且整个制备流程步骤简单，易于实现，有效解决现有的过渡金属氮化物涂层制备技术所需设备和工艺路线复杂、难以在工件内表面或复杂表面沉积涂层、涂层存在微观缺陷以及涂层与基材粘附性差等问题，并且具有高效、节能、环保、成本低廉又易于实现大规模生产等优点。本专利技术制品具有TixNy涂层，且该TixNy涂层的硬度高、耐磨性好、化学稳定性好，不易脱落，使用寿命长，综合性能好下面结合附图与实施例，对本专利技术进一步说明。附图说明图1是本专利技术的流程示意图。图2是实施例1制得的TixNy涂层的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表强度。图3是图2中的TixNy涂层的表面SEM图。图4是实施例2中316L不锈钢和TixNy涂层在3.5wt.％NaCl溶液中的动电位极化曲线。图5是实施例3制得的TixNy涂层的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表强度。图6是图5中的TixNy涂层的表面SEM图。图7是图5中的TixNy涂层的截面SEM图。图8是实施例4制得的TixNy涂层的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表强度。图9是图8中的TixNy涂层的表面SEM图。图10是图8中的TixNy涂层的截面SEM图。具体实施方式实施例1：本实施例提供的一种利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法，参见图1，其包括以下步骤：(1)基材的预处理选用金属镍、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和钛合金等作为待镀基材。然而，本专利技术包括但不限于上述金属或合金材料，对于其他金属或合金材料，只要在所述熔盐体系中不溶解即可。对基材进行预处理，依次用240#、600#和1000#的SiC砂纸对所有样品进行机械打磨，然后，分别用水、丙酮和无水乙醇超声清洗，干燥备用。(2)形成混合物将单质钛和钛化合物与所述碱金属盐在坩埚中混合均匀，获得混合物。在本实施例中，单质钛为Ti粉，钛化合物为高价态Ti的化合物。在形成混合物的过程中，直接将单质钛和钛化合物与碱金属盐混合搅匀，且无需对原料及其混合物进行预处理(例如，球磨、预烧结、压制成型)，也无需形成前驱体。这有利于提高生产效率，降低生产成本。具体的，单质钛为粒径从纳米级到微米级的Ti粉，钛化合物为TiCl3、TiCl4和K2TiF6中的一种，即高价态Ti的化合物。通过Ti(0)与高价态Ti离子的反歧化反应生成中间价态的金属离子，中间价态的金属离子在金属或合金基材表面进一步发生歧化反应生成Ti原子。所述反应的方程式如下：式1：M+Mi+→Mj+；式2：Mj++xN→Mi++MNx；其中，Mi+表示M的高价态离子，Mj+表示M的中间价态离子，且i大于j。例如，在制备TixNy涂层时，原料可以为(1)Ti粉和K2TiF6；(2)Ti粉和TiCl3；(3)Ti粉和TiCl4等中的一种或多种。(3)在熔融盐中反应将装有步骤(2)中的混合物的坩埚置于密闭反应器的底部，同时将基材置于反应器内但脱离混合物的位置。在氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用熔盐歧化反应原位制备Ti

【技术特征摘要】
1.一种利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)将原料粉与碱金属盐混合均匀形成混合物；
(2)以氮气作为氮源，氩气作为载气，在氮气与氩气的混合气氛中，将混合物升温至目标温度熔化后，将基材浸入熔融态化合物中进行反应，以在基材表面原位化合形成过渡金属氮化物；
(3)反应结束后取出冷却，在基材表面上得到TixNy涂层，其中，x≤5,y≤6。


2.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)反应结束后将基材提升至反应器内脱离熔融态化合物的位置并随炉冷却至室温；
(3.2)将基材取出用水超声清洗以去除涂层表面残留的固态盐，在基材表面上得到TixNy涂层。


3.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备TixNy涂层方法，其特征在于：所述原料粉包括单质钛和钛化合物，其中，单质钛为Ti粉，钛化合物为TiCl3、TiCl4和K2TiF6中的一种，所述反应的方程式如下：
式1：M+Mi+→Mj+；
式2：Mj++xN→Mi++MNx；
其中，Mi+表示M的高价态离子，Mj+表示M的中间价态离子，且i大于j。


4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌旭，刘会军，曾潮流，付超，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44