一种多孔TiC涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷涂层技术，具体涉及一种多孔TiC涂层的制备方法。

背景技术

多孔碳化钛(TiC)陶瓷材料同时具有TiC陶瓷和多孔材料的特性，既拥有TiC陶瓷优异的物理化学特性，如熔点高、强度高、硬度高、导热性好、导电性好、生物相容性好、优异的物理和化学稳定性能，又兼备多孔材料的超低密度、高比面积、高比强度、优良的流体渗透性等一系列特性，这些优异的特性使得多孔TiC陶瓷作为表面涂层材料在电极材料、过滤装置、催化剂载体、换热材料、生物医用等领域具有广泛的应用前景。

然而，现有的研究主要集中在多孔陶瓷材料(例如公开号为CN108440014B和CN106830980A的专利中所公开的技术)和多孔金属涂层材料方面(例如公开文献：崔付龙,洪芳军,林涛等,烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾[J].科学通报,2020,65(17):1760–1769.)，而关于多孔TiC涂层制备方法的研究很少。多孔陶瓷涂层主要制备方法包括烧结法、热喷涂法、微弧氧化法等，但这些方法存在诸多问题，烧结法、热喷涂法所制备涂层结合力差，且难以涂覆小型内腔结构，工艺复杂；微弧氧化法只能形成氧化物涂层，且涂层厚度和孔隙率有限。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的烧结法、热喷涂法所制备涂层结合力差，且难以涂覆小型内腔结构，工艺复杂，以及微弧氧化法形成的氧化涂层厚度和孔隙率有限的不足之处，而提供一种多孔TiC涂层的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种多孔TiC涂层的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1.1.将金属基体和造孔剂的粉料加入反应容器中，造孔剂粉料将金属基体完全覆盖；

S1.2.将反应容器置于加热炉内，进行原位反应；所述原位反应在Ar气氛或Ar和O

S2.待步骤S1的原位反应结束后，加热炉内保持Ar气氛或Ar和O

进一步地，步骤S1.2中，所述混合气氛中O

进一步地，步骤S1.2中，所述反应温度为1000～1300℃。

进一步地，步骤S1.2中，所述反应时间为1～5h。

进一步地，步骤S1.1中，所述金属基体经过预处理，预处理依次包括抛光、超声清洗以及干燥。

进一步地，步骤S1.1中，所述造孔剂由碳化硅与二氧化硅组成，其中，碳化硅的质量百分数为95％～99％，二氧化硅的质量百分数为1％～5％。

进一步地，所述造孔剂中碳化硅和二氧化硅的纯度均为99.9％，碳化硅粉料的粒度为0.05～50微米，二氧化硅粉料的粒度为0.03～0.5微米。

进一步地，步骤S1.1中，所述造孔剂中碳化硅的质量百分数为95％，粒度为2微米，二氧化硅的质量百分数为5％，粒度为0.1微米；

步骤S1.2中，所述原位反应在Ar气氛中进行，所述反应温度为1200℃，升温速率为5℃/min，反应时间为5h。

进一步地，所述钛合金为TC4或TA15。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明一种多孔TiC涂层的制备方法通过原位反应形成涂层，产生的涂层与基体的结合力好，利用原位反应不仅可以在基体外表面制备涂层，同时可以实现在基体的内腔表面进行涂层制备。

2.本发明制备的多孔涂层空隙均匀，应用过程孔位的同步性、一致性、可控性好，对实验、工程应用都有着非常重要的作用。

3.本发明中的TiC涂层物理和化学性能稳定，在高温、强腐蚀等环境下保持稳定，可以广泛应用在污水过滤装置、换热材料及生物医用等方面。

4.本发明通过包埋法制备多孔TiC涂层，方法简单、可靠。

附图说明

图1是现有技术制备的多孔涂层的扫描电子显微镜图；其中，a为崔付龙等制备多孔表面扫描电子显微镜图(科学通报，2020，65(17):1160)，b为黄传辉等制备多孔表面扫描电子显微镜图(稀有金属材料与工程，2012,41(7):1161)；

图2是本发明实施例一中得到的TiC涂层的结构示意图；其中，a为TC4基体，b为多孔TiC涂层；

图3是本发明实施例一中得到的TiC涂层表面及其截面的扫描电镜图；其中，a为TiC涂层表面的结构示意图，b为TiC涂层及TC4基体的截面图；

图4是本发明实施例一中TiC涂层的XRD谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

实施例一

本发明多孔TiC涂层的制备方法，基于造孔剂、气氛与金属基体反应形成低沸点物质，通过低沸点物质的挥发在金属基体表面形成孔洞钛结构，孔洞钛结构同时与SiC等反应形成多孔碳化钛结构。钛或钛合金与造孔剂、气氛反应在金属基体表面形成TiC涂层，涉及的主要反应包括Ti+SiC+SiO

本发明通过原位反应形成多孔碳化钛结构，样品表面各个微小区域初始化学反应的概率相当，因此所制备孔隙分布均匀，且空隙较大；而烧结法、热喷涂法是通过目标粉料在基体表面粘附制备的，但粉料中不可避免出现团聚现象，如图1中a所示，所制备多孔结构均匀性差，且因涂层属于粘附所得导致涂层结合力差，难以涂覆小型内腔结构；微弧氧化法、阳极氧化是基于对基体的氧化时导电效应留下的孔洞，如图1中b所示，孔洞大多表现为2微米以下的小孔，孔隙率低，且受限于制备方法，涂层厚度有限。

本实施例中，多孔TiC涂层的制备方法包括以下步骤：

S1.对钛合金(TC4)基体进行预处理：将TC4基体抛光后，在清洗剂中超声清洗，并进行干燥；

S2.将预处理好的TC4基体和造孔剂粉料均加入反应容器中，造孔剂粉料将TC4基体完全覆盖；造孔剂粉料中碳化硅的质量百分数为95％，粒度为2微米，二氧化硅的质量百分数为5％，粒度为0.1微米；反应容器为石墨坩埚；碳化硅和二氧化硅的纯度均为99.9％；

S3.将S2中的石墨坩埚置于加热炉中，在Ar气氛下进行反应，反应温度为1200℃，升温速率为5℃/min，反应时间为5h，即温度上升至1200℃后，持续保温5h；

S4.反应结束后，加热炉内Ar气氛的状态降至室温，取出TC4基体，清除其表面附着的碳化硅和二氧化硅粉料，获得覆盖有多孔TiC涂层的TC4基体，多孔TiC涂层厚度为150微米。

本实施例中制备的TiC涂层结构如图2所示，其中a为TC4基体，b为多孔TiC涂层；图3为本实施例所得多孔TiC涂层表面和截面的扫描电镜图，从图3中a可以看出，TiC涂层表面分布有均匀孔隙结构，图3中b可以看出多孔涂层的厚度为150微米；图4为本实施例中涂层的XRD谱图，根据图谱可以看出涂层由TiC组成。

实施例二

本发明的一种多孔TiC涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.对纯钛(TA2)基体进行预处理：将TA2基体抛光后，在清洗剂中超声清洗，并进行干燥；

S2.将预处理好的TA2基体和造孔剂粉料均加入石墨坩埚中，造孔剂粉料将TA2基体完全覆盖；造孔剂粉料中碳化硅的质量百分数为99％，粒度为0.05微米，二氧化硅的质量百分数为1％，粒度为0.5微米；

S3.将S2中的石墨坩埚置于加热炉中，在Ar气氛下进行反应，反应温度为900℃，升温速率为5℃/min，反应时间为0.5h；

S4.反应结束后，加热炉内Ar气氛的温度降至室温，取出TA2基体，清除其表面附着的碳化硅粉料，获得覆盖有多孔TiC涂层的TA2基体，多孔TiC涂层厚度为1微米。

实施例三

本发明的一种多孔TiC涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.对钛合金(TA15)基体进行预处理：将TA15基体抛光后，在清洗剂中超声清洗，并进行干燥；

S2.将预处理好的TA15基体和造孔剂粉料均加入石墨坩埚中，造孔剂粉料将TA15基体完全覆盖；造孔剂粉料中碳化硅的质量百分数为97％，粒度为50微米，二氧化硅的质量百分数为3％，粒度为0.03微米；

S3.将S2中的石墨坩埚置于加热炉中，在Ar和O

S4.反应结束后，加热炉内混合气氛的温度降至室温，取出TA15基体，清除其表面附着的碳化硅粉料，获得覆盖有多孔TiC涂层的TA15基体，多孔TiC涂层厚度为50微米。

实施例四

本发明的一种多孔TiC涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.对钛合金(TA15)基体进行预处理：将TA15基体抛光后，在清洗剂中超声清洗，并进行干燥；

S2.将预处理好的TA15基体和造孔剂粉料均加入石墨坩埚中，造孔剂粉料将TA15基体完全覆盖；造孔剂粉料中碳化硅的质量百分数为98％，粒度为1微米，二氧化硅的质量百分数为2％，粒度为0.2微米；

S3.将S2中的石墨坩埚置于加热炉中，在Ar和O

S4.反应结束后，加热炉内混合气氛的温度降至室温，取出TA15基体，清除其表面附着的碳化硅粉料，获得覆盖有多孔TiC涂层的TA15基体，多孔TiC涂层厚度为350微米。

实施例五

本发明的一种多孔TiC涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.对钛合金(TC4)基体进行预处理：将TC4基体抛光后，在清洗剂中超声清洗，并进行干燥；

S2.将预处理好的TC4基体和造孔剂粉料均加入石墨坩埚中，造孔剂粉料将TC4基体完全覆盖；造孔剂粉料中碳化硅的质量百分数为96％，粒度为5微米，二氧化硅的质量百分数为4％，粒度为0.03微米；

S3.将S2中的石墨坩埚置于加热炉中，在Ar气氛下进行反应，反应温度为1300℃，升温速率为5℃/min，反应时间为20h；

S4.反应结束后，加热炉内Ar气氛的温度降至室温，取出TC4基体，清除其表面附着的碳化硅粉料，获得覆盖有多孔TiC涂层的TC4基体，多孔TiC涂层厚度为300微米。

本发明适用于纯钛及不同钛合金，可以通过参数调整得到不同厚度等参数的多孔涂层，造孔剂包括碳化硅，也可以是碳化硅和二氧化硅的混合物，或者是碳化硅和其它氧化物的混合物。