[发明专利]一种钛或钛合金表面制备Ti-Al系中间相/Ti-Al-N系MAX相复合涂层的方法

说明书

本发明公开了一种钛或钛合金表面制备Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑N系MAX相复合涂层的方法。该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗、助镀；二、采用热浸镀铝技术在钛或钛合金表面形成Ti‑Al系中间相层和纯铝层；三、将热浸镀后的钛或钛合金浸入NaOH热溶液中，溶解掉纯铝层，露出TiAl₃中间相层；四、将露出TiAl₃中间相层的钛或钛合金进行气体渗氮，最终形成Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑N系MAX相复合涂层。本发明适合复杂结构的钛或钛合金工件制备Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑N系MAX相复合涂层，涂层与基体结合紧密，制备方法简便、成本低、易于实现。

技术领域

本发明涉及钛或钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种钛或钛合金表面制备Ti-Al系中间相/Ti-Al-N系MAX相复合涂层的方法。

背景技术

钛及其合金具有重量轻、比强度大、耐热性强、耐腐蚀等优异的综合性能，被誉为“未来的金属”，是一类具有发展前途的新型结构材料。钛合金已广泛应用于国民经济各部门。它是火箭、导弹和航天飞机中不可缺少的材料。现如今也已经在船舶、化工、发电等许多工业部门中被广泛应用。

气体渗氮技术是一种化学热处理的方法，气体渗氮法能使工件获得高的表面硬度、耐磨性和疲劳强度。同时氮化还可以提高工件的抗腐蚀能力。一般情况下，气体渗氮的温度比较低，所以氮化后工件的畸变较小。因为气体渗氮能使工件具有良好的表面性能并且变形较小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。所以气体渗氮技术被广泛用于机械制造业中。

钛合金因具有强度高、硬度高、密度小、耐蚀耐热性能好等优点。目前已广泛应用于先进航空发动机中，高温钛合金用量已占到发动机总重量的25％-40％，尽管钛及钛合金具有许多优异的性能，在各个领域得到广泛应用，但其也存在一些缺点。钛及钛合金的普遍缺点是表面硬度低(纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金通常不超过350HV)，摩擦系数大，耐磨性差。钛合金在600℃存在“热障”温度。即当钛合金的服役温度高于600℃时，钛合金的抗高温氧化性能急剧下降，这是限制钛合金发展的重要原因之一。为了提高钛合金的抗高温氧化性能，人们采用了多种方法对钛合金进行表面改性，最初选择在钛合金表面形成一层镀铝涂层，目的是希望得到致密的TiAl₃相层，而TiAl₃是所有Ti-Al系中间化合物中一种相对容易通过渗氮处理得到Ti-Al-N系MAX相涂层的钛铝化合物。

MAX相是一类新型三元层状化合物，由M、A和X三种元素组成，其化学通式表达为MN+1AXN，(其中，M：前过渡金属，A：A族元素，X：氮或碳，N＝1,2,3…)，兼具金属材料(优异的导电、导热性，机械加工性能，抗热震性能等)和陶瓷材料(高模量、耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性等)的优良性能。MAX相材料是一种新型可加工陶瓷材料，由于其独特的纳米层状的晶体结构,这类材料具有自润滑、高韧性的特点。

Ti₂AlN和Ti₃AlN₂是MAX相中最为典型的化合物，综合了金属与陶瓷的性能：既具有金属的高电导率、高断裂韧性、又具有陶瓷的高强度、优异的抗高温氧化性能、同时它还具有良好的可加工性能，因此Ti₂AlN和Ti₃AlN₂的应用前景非常广阔。这类特殊材料应用于钛铝合金上不仅可以大大减少涂层开裂等危害，还可以提高涂层抗高温氧化性能。

发明内容