[发明专利]一种具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件，包括工件基体以及设置在所述工件基体上的铝掺杂二硼化钛涂层，所述铝掺杂二硼化钛涂层包括二硼化钛硬质相，以及掺杂在所述二硼化钛硬质相中的铝元素。该具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件，通过在二硼化钛中掺杂铝，提高了二硼化钛涂层材料在高速切削或者干切削时的热稳定性，提高了涂层耐高温氧化性能，优化了二硼化钛陶瓷的性能，不仅能够提高涂层的断裂韧性，延长涂层材料的使用寿命，增加工件的加工精度，而且掺杂铝金属元素大大节约了加工成本。本发明还提供了该具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件的制备方法。

技术领域

本发明涉及陶瓷涂层技术领域，特别是涉及一种具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件及其制备方法。

背景技术

金属材料的工作环境日益复杂多变，在长期服役过程中，总是容易在材料的表层或者亚表层产生磨损、腐蚀和韧性差等缺陷。为了提高金属材料的综合机械性能，业内通常在金属材料表面真空涂覆一层硬质防护涂层，这类涂层主要是以陶瓷材料为主的硬质涂层，虽然拥有高强度、高硬度、高熔点、极好的化学稳定性和良好的导电性等特性，但涂层的断裂韧性往往不尽人意，在材料的工作过程中容易产生剥落、脱离等失效现象，严重的阻碍了这类硬质防护涂层的应用。

其中，二硼化钛(TiB₂)涂层由于具有高熔点、良好的硬度、较好的化学稳定性、良好的抗腐蚀性能以及良好的导热和导电性能，成为加工某些难加工材料(镁合金、钛合金等)的极为优异的刀模具涂层材料之一。然而TiB₂的脆性较大，热膨胀系数表现为各向异性，热稳定性和耐高温氧化均不够好，不适合高速切削，且加工精度比较低，使用寿命较短，这样严重的阻碍了TiB₂涂层在高速切削及干切削等领域的应用。为了综合利用TiB₂陶瓷优异的性能，人们开始采取在TiB₂中掺杂其他元素制备成复合涂层的方式来优化TiB₂涂层的性能。如掺杂铜元素制备出二硼化钛-铜硬质涂层，该涂层具有高硬度、高韧性的特点，但是铜在高温下会生成氧化铜，使得涂层热稳定性不够好，最终进一步影响到涂层的使用寿命。又如通过激光熔覆原位合成技术制备出了TiC-TiB₂微米复相陶瓷涂层，但是这种制备方法需要对纳米TiC和稀土氧化物粉末前驱体均匀混合后进行等离子致密化造粒处理，还需要在45号钢上喷涂镍基合金打底层，其制备工序极为复杂，难以实现工业化生产。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件及其制备方法，旨在解决现有基于TiB₂的复合涂层热稳定性差，耐高温氧化性能不够好，加工工艺复杂，使用寿命短的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种具有铝掺杂二硼化钛涂层的工件，包括工件基体以及设置在所述工件基体上的铝掺杂二硼化钛涂层，所述铝掺杂二硼化钛涂层包括二硼化钛硬质相，以及掺杂在所述二硼化钛硬质相中的铝元素。

本发明中的铝掺杂二硼化钛涂层，利用TiB₂陶瓷材料作为硬质相，能使涂层具有高硬度、高耐磨的性能，在该硬质相中掺杂的铝元素能够生成含铝的致密的氧化物(如Al₂O₃等)，防止涂层材料被进一步氧化腐蚀，提高了涂层的热稳定性和耐高温性能，对TiB₂硬质相起到了保护作用。因此，本发明的铝掺杂二硼化钛涂层极大地优化了TiB₂陶瓷的性能，不仅能够提高涂层的断裂韧性，延长涂层材料的使用寿命，增加工件的加工精度，而且掺杂铝金属元素大大节约了加工成本。

本发明实施方式中，所述铝掺杂二硼化钛涂层包括二硼化钛硬质相，以及均匀掺杂在所述二硼化钛硬质相中的铝元素。本发明实施方式中，所述铝元素也可以是不均匀掺杂在所述二硼化钛硬质相中。

本发明一实施方式中，所述铝元素在所述二硼化钛硬质相中以(Ti,Al)B₂固溶体形式存在。