一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：1)将粉体烧结块体金属电极及工件电极置入煤油中；2)将脉冲电源的阳极与粉体烧结块体金属电极连接，将脉冲电源的阴极与工件电极连接；3)接通脉冲电源，粉体烧结块体金属电极在液相介质中放电而释放出的Ti及其它金属Me离子与煤油中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成碳化钛基多元陶瓷涂层，并沉积在工件电极的表面；上述步骤1)中粉体烧结块体金属电极是采用金属Ti和Me按重量比为70～90∶30～10的粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成，Me是Al，W或Zr；本发明强化层成分不均匀，工艺稳定性高，不需大型镀膜装置，不必抽真空，镀膜成本低。

权利要求

1.一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：

1)将粉体烧结块体金属电极(1)及工件电极(4)置入煤油(2)中；

2)将脉冲电源(3)的阳极与粉体烧结块体金属电极(1)连接，将脉冲电源(3)的阴极与工件电极(4)连接；

3)接通脉冲电源(3)，粉体烧结块体金属电极(1)在液相介质中放电而释放出的Ti及其它金属Me离子与煤油(2)中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成碳化钛基多元陶瓷涂层(5)，并沉积在工件电极(4)的表面；

其特征在于：上述步骤1)中粉体烧结块体金属电极(1)是采用金属Ti粉体与其它金属Me粉体按重量比为70～90∶30～10的粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成，Me是指Al、W或Zr元素。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述粉体烧结块体金属电极(1)与工件电极(4)之间的间距为30～50μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述脉冲电源(3)为直流脉冲电源，其峰值电流15～30A，脉冲宽度8～25μs，加工时间10～30min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述粉体烧结块体金属电极模压成2

型压力为5.0t/cm，粉体粒度为50μm，直径φ10mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述粉体烧结块体金属电极烧结工艺为：粉体模压成型后在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程分四个阶段，第一段手动加热至200℃，所用时间为10min，温度到达200℃后启动自动加热；第二段加热时间为2h温度达到1270℃；第三段温度达到1270℃时开始保温，保温时间为2h，保温过程中最高温度为

1279℃，最低温度为1269℃；第四段为冷却过程，电极在真空烧结炉中缓慢冷却，温度降至

200℃后关闭真空烧结炉，待温度降至室温取出电极。

说明书

一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法，属于高耐磨性陶瓷涂层制备方法。

背景技术

[0002] 耐磨镀层制备是当前材料表面技术中最活跃的研究领域。利用各种技术制备的多元陶瓷涂层具有高的耐磨性、硬度和耐蚀性，在工模具和材料装饰上有广泛的应用。多元涂层与单一涂层相比在工模具中所具有的主要特性是：

[0003] (1)多元涂层具有比单一涂层更高的硬度；

[0004] (2)多元涂层具有比单一涂层更高的耐热性及高温抗氧化性；

[0005] (3)多元涂层具有比单一涂层更低的摩擦系数，耐磨性能更加显著；

[0006] (4)多元涂层具有非常好的致密性；

[0007] (5)有些组元的加入还有助于提高涂层与基体的结合力；

[0008] (6)多元涂层使得工模具的加工性能进一步提高，耐用度增加。

[0009] 当前，金属碳、氮化合物多元陶瓷涂层的制备方法主要有：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)、自蔓延高温合成(SHS)等技术，当采用这些技术形成金属-多元陶瓷表面复合材料时，由于沉积温度高(一般情况下PVD高于500℃，CVD高于800℃，SHS高于800℃)，而在一定程度上限制了他们的应用范围，因此，低温沉积技术引起了世界范围内的广泛兴趣，人们迫切需要寻求一种低温沉积多元陶瓷涂层的技术来弥补上述技术方法的不足。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于克服上述多元陶瓷涂层的制备方法缺点而提供一种膜基结合力高，膜层硬度高，基体不会产生变形，不需大型专用镀膜装置，不必抽真空，制备成本低的碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法。

[0011] 本发明提供的一种碳化钛基多元陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：

[0012] 1)将粉体烧结块体金属电极1及工件电极4置入煤油2中；

[0013] 2)将脉冲电源3的阳极与粉体烧结块体金属电极1连接，将脉冲电源3的阴极与工件电极4连接；

[0014] 3)接通脉冲电源3，粉体烧结块体金属电极1在液相介质中放电而释放出的Ti及其它金属Me离子与煤油2中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成碳化钛基多元陶瓷涂层5，并沉积在工件电极4的表面；

[0015] 上述步骤1)中粉体烧结块体金属电极1是采用金属Ti粉体与其它金属Me粉体按重量比为70～90∶30～10的粉体模压成型后在真空烧结炉中进行高温烧结制成，Me是指Al、W或Zr元素。

[0016] 上述粉体烧结块体金属电极1与工件电极4之间的间距为30～50μm。

[0017] 上述脉冲电源3为直流脉冲电源，其峰值电流15～30A，脉冲宽度8～25μs，加工时间10～30min。

[0018] 上述粉体烧结块体金属电极模压成型压力为5.0t/cm2，粉体粒度为50μm，直径φ10mm。

[0019] 上述粉体烧结块体金属电极烧结工艺为：粉末压结成型后在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程分四个阶段，第一段手动加热至200℃，所用时间为10min，温度到达200℃后启动自动加热；第二段加热时间为2h温度达到1270℃；第三段温度达到1270℃时开始保温，保温时间为2h，保温过程中最高温度为1279℃，最低温度为1269℃；第四段为冷却过程，电极在真空烧结炉中缓慢冷却，温度降至200℃后关闭真空烧结炉，待温度降至室温取出电极。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0021] (1)本发明将特制的Ti、Me粉末烧结体复合电极置入含C的液体介质中。利用电极在液相介质中放电而释放出的金属离子与液相电离出来的非金属离子C合成(Ti，Me)C复合陶瓷涂层，它改变了传统的电火化强化涂层材料仅由阳极提供，无液相反应存在，放电在空气中进行，涂层表面粗糙、厚度与表面粗糙度不易协调，强化层成分不均匀、沉积效率低下的缺点。

[0022] (2)本方法在保持液相沉积在常温下成膜，基体不会产生变形，无残余应力，无氧化，薄膜均匀的优点的同时，克服了其液相反应影响因素多，工业稳定性差的缺点。与液相沉积技术相比，沉积过程不是单纯依靠液中的化学反应，本方法中液相提供非金属离子，而金属离子则由阳极提供，依靠液中放电产生的低温高能等离子体进行薄膜合成并沉积，因此工艺稳定性高。

[0023] a)膜基结合力高，因为它不是单纯地在基体表面沉积陶瓷涂层，而是有过渡层的产生，当脉冲等离子体刚开始轰击基体材料表面时，会产生离子注入效应，并可以溅射出基体材料的原子和离子，从而使等离子体也可以与基体材料发生化学反应，在界面处形成化合物过渡层，使薄膜与基体的结合力得到保证；

[0024] c)由于放电通道极小，对整个液体而言，其整体温度并不高，因此，可在常温下成膜，基体不会产生变形；

[0025] d)不需大型镀膜装置，不必抽真空，因此镀膜成本低。

附图说明

[0026] 图1为本发明的原理图。

[0027] 图2为粉体烧结块体金属电极烧结工艺曲线图。

[0028] 图3为多元陶瓷涂层组织图(白亮色部分)。

具体实施方式

[0029] 实施例

[0030] 本发明的原理图如图1所示，制备过程在普通电火花成型机床上进行，液体介质为工业用航空煤油；放电电极采用金属(Ti，W)电极，被沉积基体即工件电极为45#碳钢。2
沉积面积为80mm，本发明(Ti，W)C陶瓷涂层的制备方法，包括有下列步骤：

[0031] 1)粉体烧结块体金属电极(Ti，W)及工件电极置入煤油中；

[0032] 2)将脉冲电源的阳极与粉体烧结块体金属电极(Ti，W)连接，将脉冲电源的阴极与工件电极连接；

[0033] 3)接通脉冲电源，粉体烧结块体金属电极(Ti，W)在液相介质中放电而释放出的Ti、W金属离子与煤油中电离出来的C离子在等离子体作用下进行电化学反应，合成陶瓷薄膜(Ti，W)C陶瓷涂层，并沉积在工件电极的表面。

[0034] 上述粉体烧结块体金属电极(Ti，W)是采用金属Ti、W粉体模压成型后在真空烧结2
炉中进行高温烧结制成粉末烧结体电极，本试验采用电极成型压力5.0t/cm，粉体粒度为
50μm，直径φ10mm。Ti与W的重量比例为70∶30，

[0035] 上述粉体烧结块体金属电极(Ti，W)与工件电极之间的间距为30～50μm。本实施例中，粉体烧结块体金属电极(Ti，W)与工件电极之间的间距为40μm。

[0036] 上述脉冲电源为直流脉冲电源，其峰值电流为15～30A，脉冲宽度为8-25μs。本实施例中，直流脉冲电源的峰值电流为20A，脉冲宽度为16μs。加工时间15min。

[0037] 上述(Ti，Me)多元陶瓷涂层的累计沉积时间为10min～30min。本实施例中，(Ti，W)C陶瓷涂层的累计沉积时间为15min。结果获得(Ti，W)C涂层厚度为约8μm。涂层组织如图3所示。

[0038] 当制备步骤与上述相同，仅Me改变时的实施例如下表

[0039]Me种类 Ti/Me 峰值电 脉冲宽 沉积时 涂层厚 涂层硬
(重量 流密度 度(μs) 间(min) 度(μ 度(Hv)
比) (A) m)
Al 90/10 16 10 30 26 1430
Zr 80/20 26 25 10 20 1560

[0040] 本发明的制备原理是：接通高功率的脉冲电源，当液相介质被击穿而放电时，将在液相介质中产生放电通道，通道中的介质以等离子体状态存在，因极间电压作用使液体电离形成等离子体，同时巨大的脉冲电流使阳极材料表面熔化、汽化溅射而形成阳极材料的等离子体，因此等离子体是液相介质和阳极材料两种等离子体组成的。因为等离子通道内的电子将奔向阳极，由于运动速度高，动能大而使阳极表面产生局部瞬时高温而熔化，而电极溶解下来的Ti及其它金属离子Me在电场力的作用下奔向阴极，与液体中电离出来的C离子合成(Ti，Me)C陶瓷薄膜层。