一种高温防护涂层的制备方法技术

本发明专利技术属于高温防护涂层的制备技术领域，特别涉及一种高温防护涂层的制备方法。以激光为能量源，利用送粉式激光快速成形设备，通过设置合理的工艺参数，以市售的Ti3Al粉作为原料，在预热后的成形基板上直接熔化沉积获得TiAlN涂层，得到的TiAlN涂层致密无缺陷，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在。本方法制备TiAlN涂层过程无需模具，涂层成形质量好，组织均匀，具有较好的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高温防护涂层的制备方法
本专利技术属于高温防护涂层的制备
，涉及一种送粉式激光快速成形技术，具体涉及一种高温防护涂层的制备方法，特别涉及一种TiAlN高温防护涂层的制备方法。
技术介绍
为满足航空航天相关材料在高温下服役的要求，高温防护涂层在该领域已被广泛应用。氮化物硬质膜层由于其具备拥有高硬度、高耐磨性、高熔点、良好的热稳定性、优越的高温强度以及优异的化学惰性等特点的潜力，已经成为国内外研究热点。目前已形成产业化且广泛应用的氮化物硬质涂层为TiN涂层。该涂层具备良好的耐磨性能和机械性能，但是当使用温度达到临界氧化温度时，该涂层会快速氧化失效进而失去防护能力。与TiN涂层相比，TiAlN涂层具有更高的氧化温度、热硬性以及高温耐磨性，在航空航天领域有望部分或完全取代TiN涂层，具有广泛的应用前景。专利(CN00136042.6)采用阴极电弧离子镀方法制备一种用于海军航空发动机压气机叶片的TiAlN涂层。专利(CN200510046367.8)采用多弧离子镀的方法制备多层TiAlN/TiN防护涂层。阴极电弧离子镀即为多弧离子镀，其原理是在真空环境下，阴极和阳极的电弧使阴极表面发生蒸发，若通入反应气体，阴极产生的等离子体使之离化并发生反应，离子在外加磁场和电场作用下沉积至工件表面，形成涂层。该方法金属离化率高，沉积速率快，但是该方法受到密闭环境的限制，工件形状尺寸受限，制备的涂层厚度薄，使用寿命短，涂层表面粗糙度高。因此，开发出一种能够解决上述问题的TiAlN高温防护涂层的制备方法非常有必要。r>
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供了一种以高能激光束为热源，制备TiAlN高温防护涂层的方法。为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：一种高温防护涂层的制备方法，所述高温防护涂层的制备方法以Ti3Al粉末为原材料，采用送粉式激光快速技术制备TiAlN高温防护涂层，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在，制备过程包括以下步骤：(1)将市售的Ti3Al粉末通过金属筛筛分，获得粒度均匀的Ti3Al粉末；步骤一、将粒度均匀的Ti3Al粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；步骤二、对基板进行预热；步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，Ti3Al粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；步骤五、重复步骤四，直到制备完成一层所需面积的TiAlN涂层；步骤六、将粉末和激光的同轴头移至起始点，再沿垂直于第一层涂层的第一道次的方向移至第一层涂层的第一道次和第二道次之间，重复步骤三；步骤七、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤六的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；步骤八、重复步骤七，直到第二层所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层和基板温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的合金。步骤一中混合气体中的氮气占比为20％～80％。优选地，步骤一中Ti3Al粉末的平均粒径为50～100μm。优选地，步骤一中载粉气流流速为5～10L/min，保护气流速为10～30L/min。优选地，步骤二中基板的预热温度为200℃。优选地，步骤三中送粉速率为5～15g/min。优选地，步骤三中激光功率为500～1500W，激光处于离焦状态，离焦距离为3～15mm，激光扫描速率为800～1500mm/min。优选地，步骤四中道次间距为0.2～0.6mm。优选地，步骤七中道次间距与步骤四中道次间距相同。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用送粉式激光快速成形技术制备TiAlN高温防护涂层。以市售的Ti3Al粉末作为原材料，并以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气，通过激光作用，在成形基板表面发生反应，从而制备出TiAlN涂层。对基板进行预热处理，改善了涂层冷却速度过快导致的涂层开裂问题。相比于其他氮化工艺，采用激光作为涂覆热源，加强了涂层与基板表面的结合力，从而延长了涂层的使用寿命；激光作用深度深，氮化层可达几百微米；激光作用区域小，基体热变形小，可实现构件的局部氮化以及复杂形状构件的表面氮化；可通过调整激光条件(激光功率、扫描速度等)和气体条件(气体流速、混合气体中氮气占比等)获得不同厚度和不同成分的氮化涂层；该工艺可以在大气环境下进行，制备效率高。本专利技术在基体表面涂覆两层涂层，其中第二层涂层的每道次位于第一层涂层的相邻两道次之间，改善了道次之间产生的应力集中，从而缓解了涂层开裂问题。本专利技术涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在，分布均匀，具有较好的综合性能。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术的实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面将详细描述本专利技术实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本专利技术的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本专利技术也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本专利技术的示例对本专利技术更好的理解。本专利技术不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本专利技术精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本专利技术造成不必要的模糊。本专利技术的TiAlN高温防护涂层的制备方法具体实施例如下：实施例1(1)将市售的Ti3Al粉末通过金属筛筛分，获得平均粒径为80μm的Ti3Al粉末；(2)将步骤(1)获得的Ti3Al粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以一定比例的氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气，混合气体中的氮气占比为60％，载粉气流流速为8L/min，保护气流速为25L/min；(3)以100mm×100mm×5mm的TC4钛合金为成形基板，对基板进行预热，预热温度为200℃；(4)激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，送粉速率为10g/min，激光功率为600W，激光处于离焦状态，离焦距离为5mm，激光扫描速率为900mm/min，在激光作用下，Ti3Al粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；(5)粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤(4)的涂覆方向移动一定距离(即道次间距)，道次间距为0.4mm，重复步骤(4)获得另一道次的涂层；(6)重复步骤(5)，直到制备完成面积为100mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温防护涂层的制备方法，其特征在于：所述高温防护涂层的制备方法以Ti3Al粉末为原材料，采用送粉式激光技术制备TiAlN高温防护涂层，制备过程包括以下步骤：/n步骤一、将粒度均匀的Ti3Al粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；/n步骤二、对基板进行预热；/n步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，Ti3Al粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；/n步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；/n步骤五、重复步骤四，直到制备完成一层所需面积的TiAlN涂层；/n步骤六、将粉末和激光的同轴头移至起始点，再沿垂直于第一层涂层的第一道次的方向移至第一层涂层的第一道次和第二道次之间，重复步骤三；/n步骤七、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤六的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；/n步骤八、重复步骤七，直到第二层所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层和基板温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的合金。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高温防护涂层的制备方法，其特征在于：所述高温防护涂层的制备方法以Ti3Al粉末为原材料，采用送粉式激光技术制备TiAlN高温防护涂层，制备过程包括以下步骤：
步骤一、将粒度均匀的Ti3Al粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以氮气和氩气的混合气体为载粉气体和保护气；
步骤二、对基板进行预热；
步骤三、激光和粉末同轴送出，并同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光作用下，Ti3Al粉末在成形基板上熔化形成熔池，并与氮气发生反应。随着粉末与激光向前运动，熔池凝固，形成涂层；
步骤四、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤三的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；
步骤五、重复步骤四，直到制备完成一层所需面积的TiAlN涂层；
步骤六、将粉末和激光的同轴头移至起始点，再沿垂直于第一层涂层的第一道次的方向移至第一层涂层的第一道次和第二道次之间，重复步骤三；
步骤七、粉末和激光的同轴头沿垂直于步骤六的涂覆方向移动一个道次间距，重复步骤三获得另一道次的涂层；
步骤八、重复步骤七，直到第二层所需面积的TiAlN涂层制备完成，待涂层和基板温度降至室温后取出，得到表面具有TiAlN涂层的合金。


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【专利技术属性】
技术研发人员：孙兵兵，赵梓钧，刘伟，雷杨，熊华平，周标，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11