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用于形成涂层的高活性液态熔体

阅读:1023发布:2020-08-18

专利汇可以提供用于形成涂层的高活性液态熔体专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供一种适合涂覆金属表面的 合金 ,其中,该合金提供含有一定比例分数的溶解的 氧 化物形成添加剂作 脱氧剂 的液态熔体。在该液态熔体中,元素的合金组合可抵抗化合物的形成,因此保持各个元素的化学活性。在涂层应用中,这种合金可以形成这样的涂层,其能与要涂覆的基底金属上的氧化物或者残余氧化物涂层发生反应并将它们去除,即,将金属表面清洁干净。这样的结果是提高了涂层的结合强度,以及与通常难以形成保护性氧化层的合金,比如不锈 钢 ,难熔金属(W,Ti,Ta等)或者 铝 合金 之间形成有效结合能 力 。,下面是用于形成涂层的高活性液态熔体专利的具体信息内容。

1.一种用于涂覆金属表面的金属合金,其包括脱元素,其中 所述的脱氧元素还原所述金属表面上的金属氧化物层。
2.依据权利要求1中的金属合金,其中所述的脱氧元素是过渡 金属,选自锰,铬,,锆,铪,铌,钽,,镧系金属,并结 合有吸氧的非金属/半金属,其选自,磷,硫以及它们的组 合。
3.依据权利要求1中的金属合金,其中所述的脱氧元素的进一 步的特征在于其不与所述的金属合金发生化学互作用。
4.依据权利要求1中的金属合金,其中所述的金属合金基底金 属选自,镍,钴,锰,铬,钛,钒,锆,铌,铪,钽,钨和铝。
5.依据权利要求1中的金属合金,其中所述的脱氧元素存在的 平为5-70%。
6.一种在金属表面上形成金属涂层的方法,包括:
(a)提供含有脱氧元素的金属涂层合金;
(b)将所述的金属涂层合金熔融成液态;
(c)将所述的金属涂层合金的液态熔体应用到所述的金属表 面上。
7.依据权利要求6中的方法,其中所述的将所述合金熔融成液 态的步骤包括形成在所述液态中没有所述脱氧元素的沉淀的液态。
8.依据权利要求6中的方法,其中所述的脱氧元素选自锰,铬, 硅,碳,硼以及它们的组合。
9.依据权利要求6的形成金属涂层的方法,其中将所述的金属 涂层合金熔融并应用所述的液态熔体包括将所述的金属涂层合金热喷 涂到所述的金属表面上。
10.依据权利要求9的形成金属涂层的方法,其中喷涂所述的 金属涂层合金至少包括线弧喷涂,等离子体喷涂,火焰喷涂和高速氧 燃料喷涂中的一种,将所述的金属涂层合金喷涂到所述的金属表面上。
11.一种在金属表面上形成金属涂层的方法,包括:
(a)提供含有脱氧元素的金属涂层合金;
(b)将所述的金属涂层合金熔融成液态;
(c)将所述的金属涂层合金的所述液态熔体应用到所述的金 属表面上,其中所述的金属表面上含有氧化的表面层
(d)将所述氧化的表面层还原;并
(e)在被所述脱氧元素还原的所述氧化的表面层的位置形成 冶金结合。

说明书全文

发明领域

本发明涉及金属表面的涂层,更具体的,涉及当应用时可去除表 面化的涂层。因此,本发明提供在金属组合物中分布的还原剂,其 可有计划的(strategically)与表面氧化层相结合,在金属组合物和 氧化的金属表面之间提供改良的结合性能。

发明背景

除了金之外的所有金属都会形成自生氧化物层,起到钝化金属表 面的作用。在一些金属,比如上,自生氧化物层是粘着的,可以防 止氧化了的表面再受腐蚀性攻击。然而,其它的材料,比如形成的 自生氧化物层是不粘着的,破碎脱落后会留下对进一步氧化敏感的基 底金属,即会生锈。由于生成的氧化物具有高的热动稳定性,金 属形成自生氧化物层的趋势都很强。当原始金属表面暴露在含氧气氛 中时,通常会在短时间内就形成完整厚度的自生氧化物层。对于活性 非常高的金属,比如铝或者铬,不管是以金属形式存在还是溶解在不 锈中,氧化在几秒钟内就能发生。即使在高真空,比如10-9Torr下 做实验,这些活性金属的原始金属表面也会迅速形成自生氧化物层。
不幸的,金属的化学结合本质使金属材料一般不能与陶瓷材料很 好结合,陶瓷材料包括金属氧化物,比如氧化了的金属表面,其形成 包含了离子键。这种差的结合归因于金属键与离子键不兼容的本性, 金属键可以模型化为被共有自由电子包围的离子核,而离子键是由 从特定的阳离子原子向特定阴离子原子的定向电子转移产生的。
金属在其表面上形成氧化物的趋势以及金属与陶瓷结合的不兼容 在金属涂层领域形成了严重障碍。例如,在金属涂层喷涂中,通常 很难向活性金属或者合金,比如不锈钢合金,铝合金,以及难熔合金, 比如钨,锆,和上结合金属涂层。甚至对基底活性金属进行脱脂, 接着进行喷砂处理以暴露出原始金属表面时,在开始热沉积涂层之前, 自生氧化物层也会以非常快的速度重新生成。为了克服这个问题,经 常是样品准备以及后续的喷涂都在真空室中的高真空下进行。这显著 增加了涂层操作的成本,并且对高活性金属只是略微有效。

发明内容

一种用来涂覆金属表面的金属合金,其含有一种脱氧元素或者脱 氧元素的组合,其中所述的脱氧元素可以将所述金属表面上的金属氧 化物层还原。以方法的方式描述,本发明涉及一种在金属表面上形成 金属涂层的方法,包括提供含有一种脱氧元素或者脱氧元素组合的金 属涂层合金,将所述金属涂层合金熔融成液态,或者部分液态,并将 所述金属涂层合金的液态熔体应用到所述的金属表面上。在一个进一 步的方法实施方案中,本发明涉及一种在金属表面上形成金属涂层的 方法,包括提供含有脱氧元素的金属涂层合金,将所述的金属涂层合 金熔融成液态,将所述的金属涂层合金的所述液态熔体应用到所述的 金属表面上,其中所述的金属表面含有氧化的表面层,将所述氧化的 表面层还原;并在已被所述脱氧元素还原的所述氧化的表面层处形成 冶金结合。
附图简述
这里部分参照优选和典型的实施方案对本发明进行公开,该描述 应该结合相应的附图来理解,其中:
图1是说明用高速氧燃料喷涂技术制备涂层时,结合强度与基底 材料和涂层厚度之间的关系的图表。
优选实施方案描述
依据第一个方面,本发明涉及适合涂覆金属表面的金属合金。该 金属合金可形成高活性的液态熔体,其可以与要涂覆的金属基底上的 表面氧化物发生反应并将其去除。优选的,该金属合金包括活性氧化 物形成/脱氧的元素的组合。作为例子的活性元素包括锰,铬,
依据本发明另一个方面的是涂覆金属表面的方法,包括向金属表 面应用含有涂层金属合金和至少一种氧化物形成/脱氧元素的熔体。可 以用包括线弧喷涂,等离子体喷涂,高速氧燃料喷涂火焰喷涂以及 相似的应用技术来应用该熔体。氧化物形成/脱氧元素可以包括,例如 锰,铬,硅,碳和硼。
本发明涉及含有选定比例分数的脱氧即吸氧元素的活性液态熔 体。更一般的,这些元素可以归类为还原剂。因此,这些液态熔体可 以提高金属涂层与具有氧化表面特征的金属之间的结合能力。脱氧添 加剂的存在起到了与氧化的表面特征反应的作用,这是重要的,因为 氧化的表面特征会降低结合强度。
当高活性的液态熔体与金属的自生氧化物层接触时,自生氧化物 可以被还原,由此去掉了基底金属表面的氧。这使得金属合金熔体与 要涂覆的试样,部件,器件或者机器的基底金属之间形成更高程度的 冶金结合。与物理结合(由于表面不规则性的机械相互作用)相比, 冶金结合是一种金属化学结合机制。因此,在活性合金基底金属和涂 层之间可形成相对较多数量的冶金结合以及物理/机械结合的能力,使 得这些金属的涂层更加有效。另外,依据本发明,利用活性液体的涂 层工艺使得可在比如铁和钢的金属上形成高的结合强度。
依据本发明,特别设计的合金熔体中含有氧化物形成/脱氧的过渡 金属的组合,包括锰(Mn),铬(Cr),(V),钛(Ti),锆(Zr), 铪(Hf),铌(Nb),钽(Ta),铝(Al)以及镧系金属(镧>>镥), 并结合有吸氧的非金属/半金属比如硅(Si),碳(C),硼(B),磷 (P)和硫(S),它们全部可用在涂层工艺中。所希望的,所提供的 液态熔体中含有选定比例分数的脱氧合金化元素。脱氧元素的比例分 数在5-70%之间,以及在此之间的所有的增量。
含有如此比例分数的脱氧元素的液态熔体在合金化组分之间形成 化合物的趋势通常很弱,因此保持了其还原给定基底上的氧化物的能 力。另外,在本发明的一个优选实施方案中,使用这样的脱氧元素, 在液态熔体中没有初始沉淀。这样,在此优选情况下,脱氧元素的全 部都保持溶解在合金熔体中,所形成的合金熔体保持了对氧的高活性 和亲和力。然而,应该明白,依据本发明的液态熔体可以形成少量的 初始沉淀,这将导致液态熔体总体活性的下降。
高活性的液态熔体可以是在基底上制备涂层的实际过程中形成, 包括当粉末或者丝通过等离子体,高速氧燃料(HVOF),火焰喷涂, 或者线弧热喷涂系统时变为熔融。这些活性熔体可以对准/应用到要涂 覆的金属表面。当熔体被应用到要涂覆的金属的氧化表面上时,至少 部分由于存在选定浓度的自由的氧化物形成元素,其表面上的自生或 者残余的氧化物会被清除干净。这样,相对干净的金属表面可能对接 受金属涂层变得敏感,金属涂层可以通过强的冶金结合和传统的但较 弱的物理/机械结合的组合而结合到金属表面上。
通过活性液态熔体所提供的清除/脱氧作用甚至使得可在通常特 别难以结合的金属表面上喷涂相对强的结合涂层,这些金属包括,不 锈钢合金,铝合金,以及难熔金属比如钨,锆和钛。
实施例
依据本发明制备包括高活性材料的实施例涂层合金,包括Super Hard SteelTM涂层组合物,其是形成铁基玻璃的合金,当用多种方法 加工成高性能涂层时,呈现出极高的硬度。
采用两种原料进行结合强度测试。第一种,用组成为60.1wt%的 铁,2.3wt%的锰,20.3wt%的铬,4.9wt%的钼,6.4wt%的钨,3.6wt% 的硼,1.0wt%的碳和1.4wt%的硅,名义颗粒尺寸在22至53微米的雾 化粉末向基底上提供高速氧燃料喷涂涂层。第二种,用直径为1/16 英寸,组成为68.0wt%的铁,23.2wt%的铬,1.2wt%的钼,1.5wt%的钨, 3.6wt%的硼,0.9wt%的碳,0.7wt%的硅和0.8wt%的锰的带芯线(cored wire)向基底上施用线弧喷涂涂层。
依据ASTM c633进行结合强度测试。结合强度的测试结果在下面 的表1中给出
表1 结合强度数据总结(ASTM c633)   喷涂方法   基底   厚度   结合强度   失效模式     HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF   HVOF     HVOF     HVOF   线弧   线弧   线弧   线弧   线弧   线弧   线弧   线弧   线弧     碳钢   碳钢   碳钢   316不锈钢   316不锈钢   316不锈钢   铝   铝   铝   碳钢     碳钢     碳钢   碳钢   碳钢   碳钢   316不锈钢   316不锈钢   316不锈钢   铝   铝   铝     40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   110mil     110mil     110mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   40mil   (psi)   14307   13864   13591   13958   14502   13368   13132   12436   13205   12738     13059     12052   11199   11396   10386   9562   9643   9530   5492   5501   6461     粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   粘结剂失效   涂层失效-底部   粘结剂失效60%-   涂层破裂40%   粘结剂失效60%-   涂层破裂40%   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部   涂层失效-中部
从上面报告的数据可以看出,采用HVOF喷涂,结合强度不会随基 底材料(即:碳钢,不锈钢或者铝)而改变。另外,随着涂层厚度从 40mil增加到110mil,结合强度只有有限的下降。然而,当采用线 弧喷涂涂层时,发现结合强度依赖于基底材料而有下降。然而,即使 当涂层应用到铝基底上时,较低的5500至6500psi的结合强度与其它 的线弧喷涂到铝上的合金相比,也是非常好的。采用高速氧燃料喷涂 得到的数据在图1中画出。
所得到的结合强度值很高有几个原因。第一,ASTM C633标准需 要涂层的最小厚度为0.015英寸,大多数测试都在厚度非常接近这一 最小值的喷涂涂层上进行,因为涂层变厚,在涂层中产生临界缺陷导 致过早失效的几率就变大。第二,测试结果高是因为当观察到涂层失 效时,涂层失效通常是因为来自喷涂过程中的临界缺陷。这样,当发 现失效时,涂层失效通常不出现在涂层/金属基底界面上,这表明形成 了相当有效的冶金金属-金属结合,这是去除了基底上的自生氧化物层 的结果。这些效果是在以前的热喷涂涂层中没有观察到的。最后,高 速氧燃料涂层的结合强度的量级(12000至>14000psi)对于金属涂层 来讲是不同寻常的,其甚至优于那些特定的用来做中间结合涂层的材 料的结合强度,比如75B镍铝化物,其通常提供的结合强度在大约7000 psi的范围。
相关申请参照
本申请要求2003年2月11日提交的US临时申请No.60/446591 的优先权。
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转炉炼钢脱氧剂 2020-05-13 976
脱氧剂和脱氧剂包装体 2020-05-11 314
瓶装脱氧剂 2020-05-13 288
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