專利名稱：制備金屬基體復合物的方法以及由其制備的涂層和散料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備金屬基體復合物的方法，以及使用該方法制備的金屬基體復合物涂層和金屬基體復合物散料(bulk)。更具體地是，本發(fā)明 涉及通過金屬間化合物和陶瓷顆粒的分散制備涂層的方法，所述涂層通 過確保高硬度而具有耐磨性和優(yōu)異的抗疲勞裂紋性能，并且不會在涂層 的制備過程中對基材造成諸如熱應變等破壞；本發(fā)明涉及提供通過將所 述涂層從基材上分離而制備的散料的方法；以及涉及由此制備的涂層和 散料。
背景技術：
分散強化法(dispersion reinforcement method)用于改善合金或金屬 的強度、硬度、耐磨性。所述分散強化法形成金屬間化合物被分散在合 金或金屬基體中的結構，其代表性例子有析出硬化或高硬度顆粒的分散。 史具體地是，通過鋁基體內金屬間化合物的析出硬化可以容易地分散強 化所述鋁合金，因此，可有助于改善其機械性質。所述鋁合金具有優(yōu)異 的強度、耐熱性和耐用性以及歸因于鋁自身的輕重量，因此它們廣泛用 作用于航空器的熱、機械部件或者汽車發(fā)動機部件的材料。所述分散強化法可以以鋁為例進行描述?，F(xiàn)有的經分散強化的鋁合金可通過鑄造、粉末冶金、熱噴涂等方法 制備。在通過鑄造制備的鋁合金中，其中析出精細析出物的析出相均勻分 布在鋁基體相中，因此在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異強度，但由于所述析出相在 暴露于高溫時的急劇粗化導致其強度在高于20(TC的溫度下顯著降低。因 此，作為析出硬化的該分散強化不適于耐熱性鋁合金。相反，粉末冶金是通過將鋁和作為添加劑的分散體(金屬粉末或陶
瓷粉末)制成粉末形式并對其進行燒結從而制備鋁合金的方法，由此制 備的合金的特征在于精細分散相均勻地分散在所述合金中，在陶瓷粉末 的情況下，在高溫下不會發(fā)生分散相的粗化，因此在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異 的特性。然而，在含有金屬粉末作為分散體的情況下，需要附加的熱處理以 形成金屬間化合物。然而，即使在室溫下，在處于空氣中的所述鋁金屬 粉末的表面上也會形成薄的鋁氧化物(A1203)，該表面鋁氧化物膜阻礙了 鋁和其他金屬元素的反應并因此抑制了金屬間化合物的形成。故而，由 于所述粉末冶金要求在高于合金的熔點的高溫下的熱處理以制造金屬間 化合物，因此其提出了高溫操作所帶來的高成本以及設備的安全保護問 題。此外，所述粉末冶金牽涉到復雜的制造過程，包括燒結氣氛的適當 控制以防止高溫下鋁在燒結過程中的氧化，并且根據(jù)所述粉末冶金，已知與具有高熔點的過渡金屬如Ti或Ni形成金屬間化合物是非常困難的。 此外，在粉末冶金屮，由于是通過模具制備所需形狀，因此將花費巨大 成本以準備所述模具并且還具有尺寸上的局限。所述熱噴涂是通過噴涂熔融的金屬并使其冷卻而制備分散強化鋁合 金的方法。該方法會產生與鑄造法中相同的問題。具體而言，當通過熱 噴涂制備鋁-過渡金屬合金時，在鋁基體中形成粗二次相并表現(xiàn)出劣質的 合金特性。因此，根據(jù)涉及分散強化鋁合金，尤其是鋁-過渡金屬合金的現(xiàn)有技 術，難以得到其中均勻分散有精細金屬間化合物的鋁合金，并且只有在 所述合金熔融溫度以上的熱處理才能形成金屬間化合物。通過以鋁為例進行的討論，現(xiàn)有的分散強化法均要求導致高成本的 高溫處理，并且在熱處理過程中在高溫下在必須防止高反應性方面存在 困難，在粉末冶金的情況下，還因模具制備而導致具有尺寸限制并導致 高成本。同樣，為延長在諸如摩擦、疲勞、腐蝕或磨損等磨蝕環(huán)境中使用的 機械部件的壽命，已經采取了硬化部件表面或向其上涂覆耐磨材料的方
法。作為改善耐磨性的涂覆材料，應用最廣的是具有高硬度的材料，即 諸如氧化物(例如氧化鋁)、碳化物(例如SiC或TiC)和氮化物(例如Si3N4、 TiN)等陶瓷材料。具體地，韓國專利第1997-0045010號公報披露了一種形成涂覆膜的 方法，所述涂覆膜可以取代缸膛內壁上的現(xiàn)有的鑄鐵襯套，在該方法中， 通過在膛內壁上使用等離子體或電弧作為熱源的熱噴射形成含有陶瓷及 其混合物的涂覆粉末而使耐磨性得到改善。韓國專利第1998-017171號公報披露了一種通過利用碳化硅顆粒的 等離子體噴射在鋁缸體的膛側上形成耐磨涂覆層的方法。韓國專利第2003-0095739號公報則披露了一種通過在不銹鋼氣缸膛 內壁上噴射噴涂用粉末組合物，同時利用高溫熱源將其熔融從而形成涂 覆膜的方法，所述噴涂用粉末組合物是氧化鋁和氧化鋯的混合物。如上所述，關于使用具有優(yōu)異的耐磨性的陶瓷材料在金屬基材上形 成耐磨涂層已經進行了大量嘗試，但是所有這些方法主要都是以等離子 休或電弧噴射為基礎。這些熱噴射方法通過將待涂覆的粉末顆粒加熱到 約等于或高于熔點，由此使它們至少部分熔融，從而在基材上提供粉末 顆粒。因此，由于將要在基材上涂覆的陶瓷顆粒加熱到普通陶瓷顆粒的熔 融溫度，即100(TC左右的高溫，然后通過接觸將其提供到基材上，因而 在涂覆過程中這些陶瓷顆粒會因熱沖擊而對基材造成破壞，導致冷卻過 程中產生殘余應力，由此使粘合性降低，部件壽命縮短。此外，由于高溫顆粒噴射，增大了使用噴射機器處理的風險，并且 將不可避免地使用復雜的作業(yè)線。另外，高溫熔融顆粒可能會與金屬基 體或其表面上的雜質反應，形成其它化合物，由此對材料性能產生不良 影響。
發(fā)明內容
技術問題為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種制備
金屬基體復合物涂層或散料的方法，以及由此制備的涂層或散料，其中， 所述金屬基體復合物涂層或散料不會使基體因受到熱沖擊而產生熱應變 或損壞，同時具有優(yōu)異的耐磨性。此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備金屬基體復合物涂層或 散料的方法，以及由此制備的涂層或散料，所述金屬基體復合物涂層或 散料能低成本地在相對較低溫度下獲得分散強化并且可用于規(guī)?；a。此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備金屬基體復合物涂層或 散料的方法，以及由此制備的涂層或散料，所述金屬基體復合物涂層或 散料具有優(yōu)異的抗因所述涂層的疲勞而產生裂紋的性能，其方式是防止 所述涂層上熱量聚集，抑制基材和所述涂層之間或所述涂層內部產生裂紋。技術方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備金屬基體復合物的方法， 所述方法包括下述歩驟 提供基材；制備含有以下粉末的混合粉末i)含有金屬、合金或其混合物顆粒的 第 -金屬粉末，ii)含有形成金屬間化合物的金屬顆粒的第二金屬粉末， 所述金屬顆粒與所述金屬或所述合金的合金元素形成金屬間化合物，和iii)含有陶瓷或其混合物顆粒的陶瓷粉末；將如上制備的所述混合粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；通過利用在所述噴嘴中流動的輸送氣流，以300m/s l，200m/s的速 率對處于非熔融狀態(tài)的所述混合粉末進行加速，由此將所述混合粉末涂 覆在所述基材的表面上；和通過所述已涂覆的涂層的熱處理形成金屬間化合物。 此外，本發(fā)明提供金屬基體復合物涂層，其特征在于其是通過所述 金屬基體復合物制備方法而制備本發(fā)明還提供金屬基體復合物散料， 其特征在于其通過從基材上分離涂層而制備，所述涂層通過所述金屬基 體復合物制備方法而制備。
有利效果根據(jù)本發(fā)明的制備金屬基體復合物的方法以及由其制備的金屬基體 復合物涂層和散料，與現(xiàn)有技術相比，其中分散有金屬間化合物和陶瓷 粉末的金屬基體復合物的制造可在低溫下進行，因此不存在因熱應力或 熱沖擊而對基材造成破壞的可能性，金屬間化合物的生長受到抑制，使 得諸如高溫強度等機械性質得以改善，在涂層上的熱量積累得以防止， 基材和涂層間或者涂層內的裂紋產生得以抑制，因此涂層抗因疲勞而產 生裂紋的性能得以改善。此外，本發(fā)明可用于制備具有優(yōu)異機械強度的元件，并且也可用于 分散強化已有元件的表面。具體地說，由于本發(fā)明在低熱處理溫度下進 行，因此在表面硬化時對所述元件的性質造成不利影響的可能性很小。此外，由于本發(fā)明使之能在相對較低溫度的熱處理溫度、混合粉末 的低注射壓力以及低輸送氣體溫度的環(huán)境下進行處理，因此可低成本地 進行生產并可容易地規(guī)?；a。


圖1是用于制備本發(fā)明的金屬基體復合物的低溫噴涂(冷噴涂)裝 置的示意圖。圖2至圖5是描繪通過本發(fā)明的制備金屬基體復合物的方法相對于Al基體的金屬間化合物的形成性的相圖。圖6至圖9說明了在制備本發(fā)明的涂層的方法中所使用的噴嘴的實 施方式。圖10是顯示其中鋁粉末和鎳粉末之比為9:1時，根據(jù)熱處理溫度， 金屬間化合物是否生成以及生成多少的X-射線衍射測試結果。圖11是顯示其中鋁粉末和鎳粉末之比為75:25時，根據(jù)熱處理溫度， 金屬間化合物是否生成以及生成多少的X-射線衍射測試結果。圖12是其中鋁粉末和鎳粉末之比為75:25，熱處理溫度為55(TC時， 各部份的EDX照片結果。圖13是其中鋁粉末和鎳粉末之比為75:25，熱處理溫度為50(TC時， 各部分的EDX照片結果。圖14是顯示其中鋁粉末和鈦粉末之比為9:1時，根據(jù)熱處理溫度， 金屬間化合物是否生成以及生成多少的X-射線衍射測試結果。圖15是顯示其中鋁粉末和鈦粉末之比為75:25時，根據(jù)熱處理溫度， 金屬間化合物是否生成以及生成多少的X-射線衍射測試結果。圖16是其中鋁粉末和鈦粉末之比為75:25，熱處理溫度為630。C時， 各部分的EDX照片結果。附圖標記說明2:收縮部分6:擴張/平直部分10:噴嘴部分 20:注射管 24:連接部分 110:氣體壓縮機 130:粉末加料器4:喉部8:出口柱12:注射口22:基點30:緩沖室120:氣體加熱器140:噴嘴只-休實施方式下面將參考附圖和優(yōu)選實施方式詳細描述本發(fā)明。本發(fā)明涉及一種制備金屬基體復合物的方法，所述方法包括下述步 驟提供基材；制備含有以下粉末的混合粉末i)含有金屬、合金或其混合 物顆粒的第一金屬粉末，ii)含有形成金屬間化合物的金屬顆粒的第二金 屬粉末，所述金屬顆粒與所述金屬或所述合金的合金元素形成金屬間化 合物，和iii)含有陶瓷或其混合物顆粒的陶瓷粉末；將如上制備的混合粉 末注射到用于涂覆的噴嘴中；通過利用在所述噴嘴中流動的輸送氣流， 以300 m/s 1，200 m/s的速率對處于非熔融狀態(tài)的混合粉末進行加速，由 此將所述混合粉末涂覆在所述基材的表面上；通過所述已涂覆的涂層的 熱處理形成金屬間化合物。艮口，本發(fā)明致力于在使用冷噴涂(低溫噴涂)法在基材上制備金屬 基體復合物的方法中改善涂層的機械性質，包括疲勞特性、耐磨性和硬
度，以獲得最大程度的改善，本發(fā)明的特征在于，除將作為已有金屬基 體復合物成分的金屬基體與陶瓷顆?；旌弦酝?，進一步含有形成金屬間 化合物的金屬顆粒，所述金屬顆粒與構成所述金屬基體的合金的合金元 素或金屬形成金屬間化合物，在與熱噴涂或燒結溫度相比較低的溫度下， 該混合粉末通過冷噴涂方法噴涂并成層。冷噴涂方法本身是已知的，用于該冷噴涂的裝置的示意圖如圖1所 示。換言之，圖1顯示了本發(fā)明中用于在基材S上制備涂層的低溫噴涂(冷噴涂)裝置ioo的示意圖。該噴涂裝置100通過將粉末加速到亞音速或超音速，將其提供在基 材S上以形成涂層。為此目的，該噴射裝置100包括氣體壓縮機110、氣 體加熱器120、粉末加料器130和噴射用噴嘴140。通過噴射用噴嘴140，利用約300 m/s 1200 m/s的氣體提供約 5 kgf/cr^ 20kgf/cn^的壓縮氣體。為產生該亞音速或超音速的氣流，通 常使用如圖1中所示的收縮-擴張噴嘴(de Laval型)作為噴射用噴嘴140， 通過這種收縮和擴張過程可以產生超音速氣流。在裝置100中在供給壓縮氣體的管路上的氣體加熱器120是用于加 熱壓縮氣休，從而通過增加其動能而提高其在噴射用噴嘴處的噴射速度 的附加裝置，它不是非有不可的。此外，如圖中所示，為增強對噴射用 噴嘴140的粉末供應，氣體壓縮機110中的部分壓縮氣休可以供應到粉 未加料器130屮。對于該裝置中的壓縮氣體，可以使用諸如氦氣、氮氣、氬氣和空氣 等普通氣體，可以根據(jù)噴射用噴嘴140處的噴射速度和成本進行適當選 擇。對于詳細描述該裝置，第一步是提供基材?；腟可以是各種已知 材料，所述材料可以是需要具有耐磨性的部件的基材，其中以對要求具 有耐磨性的部件的耐磨性進行改善為目的，此外，其可以包含任意其他 材料。具體是，基材可以是廣泛地用作熱、機械元件的鋁、鋁合金，特 別是Al-Si或Al-Mg鋁合金；或者可以是諸如鑄鐵等鐵合金；或者可以 是諸如硅(silicone)等半導體材料。優(yōu)選地，基材是具有較差耐磨性的 鋁或鋁合金，因為根據(jù)本發(fā)明涂層的制備，所述耐磨性可以得到顯著改 善。而且，與含有涂層的基材不同，在制備僅含有金屬基體復合物的散 料形式的情況下，由于需要從基材上分離所述涂層，因此所述基材優(yōu)選 為與金屬粉末反應性低的陶瓷材料或者能在熱處理步驟中被破壞并因此 消失的樹脂材料。至于在本發(fā)明的第一金屬粉末中使用的金屬、合金或其混合物顆粒， 可以使用各種己知的金屬、合金或其混合物顆粒，并優(yōu)選為，可以使用 鐵、鎳、銅、鋁、鉬、鈦或其合金或其混合物。更具體地是，在鋁和鈦 的情況下，可以提及鋁、鋁合金、鋁和鋁合金的混合物、鋁和鈦的混合 物、鋁和鈦合金的混合物和鋁合金和鈦合金的混合物，尤其可以是經常 用作普通熱、機械元件的鋁合金或鈦合金。更優(yōu)選所述金屬或合金是鋁 或鋁合金，因為它們與鋁基材或鋁合金基材相似，根據(jù)本發(fā)明的涂層的 制備，它們可以表現(xiàn)出良好改善的耐磨性。在所述第二金屬粉末中使用的與金屬或者合金的合金元素共同形成 金屬間化合物的形成金屬間化合物金屬顆粒是由所述第一金屬粉末中的 金屬、合金或其混合物顆粒所決定。即，例如當所述第一金屬粉末是鋁或其合金時，過渡金屬中熔點比 鋁高的金屬可作為第二金屬粉末，作為具體的例子，可以是選自由鈦、 鎳、鉻、鐵以及它們的組合所組成的組的金屬。從圖2 圖5中展示的各 系統(tǒng)的相圖可以看到，鋁可分別與鈦、鎳、鉻和鐵形成金屬間化合物。下文中，基于相圖描述了能與Al金屬形成金屬間化合物的過渡金屬 的例子。圖2 圖5是作為通過本發(fā)明的方法可形成的鋁合金的例子的雙 元素鋁合金的相圖。首先，圖2是A1-Ti型的相圖。參考圖2，當以數(shù)十個重量n/。加入Ti 時，在低于664卩(937K)的溫度下，其中Ti是以少量溶解在合金中的 固體的Al相和作為Al-Ti金屬間化合物的TiAb相以穩(wěn)定相存在。當Ti 含量增加時(即，加入量超過38重量％)， AbTi相和AbTi相以合金的 穩(wěn)定相存在。依照所述金屬粉末的混合比例，存在于合金中的A1、 Al3Ti 和Al2Ti相的相對重量比由所謂的"杠桿原理"所確定，這為本發(fā)明所屬領
域里的普通技術人員所知。圖3是Al-Ni型的相圖。參考圖3，在低于636。C的溫度下，根據(jù) Ni的量，Al3Ni、 Al3Ni2、 AlNi、 AlNi3等形成合金的穩(wěn)定相。圖4是Al-Cr 型的相圖。參考圖4，在低于663。C (936K)的溫度下，根據(jù)Cr的加入， 金屬間化合物CrAl7形成穩(wěn)定相。同時，圖5是Al-Fe型的相圖并且如圖 所示，即使在A1-Fe型的情況下，在低于654匸(927K)的溫度下也能形 成亞穩(wěn)定相的金屬間化合物如FeAl3。參考這些相圖進行描述，由于A1-Ti、 Al-Ni、 Al-Cr和Al-Fe雙元素 系統(tǒng)中的金屬間化合物在低于某一溫度下以穩(wěn)定相存在，因此通過將Al 金屬粉末與Ti、 Ni、 Cr或Fe金屬粉末混合可在所述合金中形成金屬間化 合物。此外，所述第二金屬成分可含有從已有Al合金中通過析出硬化而得 到的合金元素。即，作為析出硬化型鋁合金，各種合金系統(tǒng)如Al-Cu、 A1-Li和Al-Mg是可能的，并且在這些情況下，通過析出的析出物(即金 屬間化合物)，所述合金可以獲得分散強化效果，因此，當本發(fā)明的金屬 基體復合物涂層或散料應用于較低溫度時，所述第二金屬成分可含有Cu、 Lu或Mg。作為本發(fā)明中的陶瓷粉末的陶瓷或其混合物可以是為獲得已知的改 善而用在金屬基體復合物中的各種己知的陶瓷和其混合物，可以使用氧 化鋁、諸如TiN和Si3N4等氮化物、和諸如TiC和SiC等碳化物，優(yōu)選使 用氧化鋁或SiC來增強耐磨性。本發(fā)明中要被混合成混合粉末的陶瓷顆?？梢砸跃奂勰┑男问教?供。聚集粉末容易粉碎成微粒，這樣在涂覆處理中當粉末顆粒與基材碰 撞時可以變成微粒。因此，這對于陶瓷微粒均勻分布于其中的涂層的形 成是非常有利的。對于要被混合成混合粉末的第一金屬粉末、第二金屬粉末和陶瓷粉 末的粒徑，可以使用在已知的冷噴涂中使用的具有各種尺寸的顆粒，并 且優(yōu)選的是，具有1 (am 100 (am大小的顆粒對于分散和混合是有利的。 更優(yōu)選的是，由于所述第二金屬粉末經過隨后的熱處理步驟變?yōu)榻饘匍g
化合物，更精細的顆粒是可取的以獲得均勻、強的分散強化效果，并優(yōu) 選為具有比第一金屬粉末更小的粒徑。特別是，優(yōu)選在混合鋁粉和Ni粉的情況下，所述鋁粉為50 |im 100 (im，鎳粉為1 pm 100 )am，優(yōu)選為 1 |im 50 在混合鋁粉和Ti粉的情況下，所述鋁粉為50 pm 100 (iim， Ti粉為1 |im 100 |im，優(yōu)選為1 (im 50 |mi。至于將混合至一起的陶瓷 粉末，可以采用在已知的金屬基體復合物制備中所使用的具有各種尺寸 的粉末，并且優(yōu)選的是，具有1 ^m 100iim大小的顆粒對于分散和混合 是有利的。在將鋁粉用作第一金屬粉末的情況下，所述陶瓷粉末優(yōu)選為 SiC或氧化鋁，這是因為根據(jù)反應性和分散效果以及其它們的尺寸，它們 是有利的，其中所述鋁粉為50 pm 100 ^m，所述陶瓷粉末優(yōu)選為1 pm 50|im。 g卩，在第一金屬粉末和陶瓷粉末的情況下，當顆粒尺寸太小時， 顆粒的重量更輕，因此當它們與涂層撞擊時，雖然他們的速度很快，但 是沖量還是變小了，結果諸如噴丸硬化等加工硬化較少產生。另一方面， 當顆粒尺寸太大時，分散強化效果下降。因此，存在使加工硬化和分散 強化最大化的上述的最佳平均尺寸范圍。對于所述第一金屬粉末、第二金屬粉末和陶瓷粉末的混合比，可以 選擇各種混合比例，并且在第二金屬粉末的情況中，由于其在隨后的熱 處理步驟中幾乎全變?yōu)榻饘匍g化合物，因此當設計金屬基體復合物時以 對應于所要求的分散體量的比例進行混合，而在所述陶瓷粉末的情況中， 由于其本身作為分散體而不需要其他反應，因此當設計金屬基體復合物 時以對應于分散體量的比例進行混合。具體地說，所述第一金屬粉末和 所述陶瓷粉末的混合比例優(yōu)選為1:1 3:1的金屬:陶瓷體積比，以使顯微 維氏硬度值最大化，所述顯微維氏硬度是耐磨性的相對指數(shù)。所述第一金屬粉末、第二金屬粉末和陶瓷粉末的混合粉末可以通過 普通方法制備。作為一種簡單的方法，可以使用V型磨干混這些粉末。 千混粉末本身可以不經其他處理即用在粉末加料器中。盡管所述混合粉 末中的每種粉末的混合比例可以根據(jù)其用途適當控制，但應根據(jù)其為優(yōu) 化諸如耐磨性等機械性質的設計值而在適當范圍內進行混合。當陶瓷顆 粒的體積比超過50%時，出現(xiàn)涂層可能無法增加到超過一定厚度的問題，
因此，在上述范圍內進行混合。通常將收縮-擴張噴嘴用于本發(fā)明中的噴嘴，在具有此常見結構的情況中，向混合粉末中供給約5kgf/cr^ 20kgf/cn^的壓縮氣體。關于壓縮 氣體，可以使用氦氣、氮氣、氬氣或空氣。所述氣體使用氣體壓縮機壓 縮至約5kgf7cn^ 20kgf/cn^而供應。如果需要，可以供應處于使用諸如 圖1中所示的氣體加熱器120等加熱單元加熱到約20(TC 50(rC的溫度 的狀態(tài)的壓縮氣體。在冷噴涂處理中具有諸如對粉末的壓縮壓力、輸送氣體的流速和輸 送氣體的溫度等大量控制參數(shù)，但為了改善耐磨性，優(yōu)選從噴嘴中噴出 的約50%的粉末參與了實際的涂覆處理，其它粉末則在碰撞后落下，從 而在根據(jù)涂層的加工硬化改善硬度和提高耐磨性方面，有助于在涂層表 面上的諸如噴丸硬化等加工硬化，來代替使所有噴射粉末都被用于涂覆 的情況。為改善硬度并提高耐磨性，涂覆效率更優(yōu)選在10。％ 20。％的范 圍內。l天l此，如果保持上述涂覆效率，則優(yōu)選在混合粉末撞擊時，使它們 保持較低的速度。因為速度大致與輸送氣體的溫度的平方根成正比，因 此當混合粉末通過噴嘴涂覆時，可以將供應到噴嘴的輸送氣休的溫度保 持較低。優(yōu)選的是，輸送氣體的溫度為280°C± 5°C。更優(yōu)選地是，在使 用鋁作為第一金屬粉末的情況中，所述輸送氣體的溫度是可取的，因為 其顯示出了適當?shù)耐扛残?。此外，在所述第一金屬粉末是鋁或鋁合金的情況中，在第二金屬粉 末中的形成金屬間化合物的金屬顆粒是選自由鈦、鎳、絡、鐵及其組合 所組成的組的金屬，如果要涂覆在基材上的粉末的速度保持在300 m/s 500 m/s，則可以獲得與陶瓷顆粒類型無關的前述涂層加工硬化效果，因 此可以使耐磨性得到最大化。關于冷噴涂裝置的噴嘴，除了前述的de Laval型普通收縮-擴張噴嘴 之外，還可以使用如圖6至圖9所示的具有喉部的收縮-平直噴嘴或收縮-擴張噴嘴?；旌戏勰┑淖⑸淇梢越浻韶灤┖聿康淖⑸涔?，在噴嘴的擴張 或平直部分中進行。由于混合粉末的注射在壓力相對較低的擴張或平直
部分進行，因此混合粉末的注射壓力可以保持較低，因此可以設計低成 本的冷噴涂裝置，此外，由于粉末在擴張或平直部分中注射，因此可以 防止粉末涂覆在噴嘴內側，特別是喉部，因此可以進行長時間操作。因此，在使用前述噴嘴和注射管的情況中，優(yōu)選當將混合粉末注射到噴嘴內時壓力低至90 psi 120 psi，這比常壓低很多。更優(yōu)選地是，在使用上述形式的噴嘴和注射管的情況中，為形成具有優(yōu)異耐磨性的涂層，尤其是當所述第一金屬粉末為鋁且陶瓷為SiC時， 當將混合粉末注射到噴嘴內時壓力為90psi 120psi，輸送氣體的溫度為 280°C 士5。C。此外，在涂覆步驟中，從所述基材表面至外表面，相對于所述第一 金屬粉末，所述陶瓷粉末的混合比例或者所述第二金屬粉末的混合比例 可具有濃度梯度；從所述基材表面至外表面，所述陶瓷粉末的粒徑或第 二金屬粉末的粒徑具有與粒徑相關的恒定梯度。即，所述第二金屬粉末與所述第一金屬粉末的混合比例可設計為具 有各種濃度梯度，如i)從基材表面至外表面增加，ii)從基材表面至外 表面減小，iii)在中間最大并向基材表面和外表面減小，iv)在中間最小 并向基材表面和外表面增加等。該混合比例濃度梯度可同樣應用于陶瓷 粉末，并且可以共同調節(jié)所述陶瓷粉末和所述第二金屬粉末的濃度，所 述陶瓷粉末和所述第二金屬粉末的濃度梯度方向可設計為不同或相反。此外，與該濃度梯度一起或與其相獨立，粒徑也可以具有梯度，并 且在陶瓷粉末的情況中，其粒徑可以i)從基材表面至外表面增加，ii) 從基材表面至外表面減小，iii)在中間最大并向基材表面和外表面減小， iv)在中間最小并向基材表面和外表面增加等。該粒徑梯度可同樣應用于 第二金屬粉末，并且可以共同調節(jié)所述陶瓷粉末和所述第二金屬粉末的 粒徑，所述陶瓷粉末和所述第二金屬粉末的粒徑梯度方向可設計為不同 或相反。該梯度可以使因基材和涂層之間的熱膨脹系數(shù)而產生的熱應力最小 化，還可以通過促進熱傳遞，由此使因熱循環(huán)而可能發(fā)生的剝落、殘余 應力等最小化。
當所述第一金屬粉末是鋁而陶瓷是SiC時，優(yōu)選形成該額外的中間層。高速噴涂的混合粉末在與基材的碰撞后形成高密度的涂層。在進行 涂覆步驟后直至獲得具有所需厚度的涂層時，所述已涂覆的涂層經過熱 處理，期間形成金屬間化合物，這是在混合粉末的制備步驟中計劃好的。 本發(fā)明中的熱處理步驟的特征在于其在低溫下進行。而在先前的鑄造和熱噴涂中，所述金屬混合粉末在大約90(TC 120(TC的高溫下進行熱處 理，而在本發(fā)明的方法中的熱處理在不超過90(TC的溫度下進行。更具體 而言，所述熱處理優(yōu)選在低于可以獲得不同的第一金屬粉末和第二金屬 粉末的混合結合的最低液相形成溫度，即低于低共熔溫度下進行。在本 發(fā)明中，術語"低共熔溫度"包括轉熔溫度。例如，在其中第一金屬粉 末是A1，第二金屬粉末是Ti的混合粉末的情況下，本發(fā)明的熱處理優(yōu)選 在如圖2所示的不超過664。C的溫度下進行。同樣，當所述第一金屬粉末 和所述第二金屬粉末的混合粉末是Al-Ni、 Al-Cr或Al-Fe時，所述熱處 理步驟分別優(yōu)選在不超過636'C、 663。C或654" (927K)的溫度下進行。 更優(yōu)選為，由于熱處理的容易性以及形成金屬間化合物的合適的保留時 間，則所述熱處理步驟在高于大約50(TC下進行。通過熱處理步驟在基材上形成的涂層形成Al基體復合物，其中分散 有金屬間化合物和陶瓷粉末。在如本發(fā)明中的在低于低共熔溫度下進行 熱處理的情況下，通過固相反應，金屬間化合物由固相擴散而形成。因 此，由于不像鑄造或熱噴涂中那樣在金屬間化合物的形成中涉及到液相， 因此可獲得精細金屬間化合物分散在Al基體相中的Al基體復合物。同時，在現(xiàn)有的粉末冶金中，在不高于90(TC的低溫下，尤其是在 低于低共熔溫度下由鋁和其他金屬形成金屬間化合物己知是非常困難 的。這似乎是因為在鋁粉表面上形成的氧化物阻止了鋁與其他金屬的反 應。因此，在現(xiàn)有的粉末冶金中，難以通過A1和其他金屬的反應形成金 屬間化合物，除非形成足夠多量的液相以破壞表面膜。然而，根據(jù)本發(fā)明，Al和其他金屬的反應可在更低的溫度下發(fā)生。 可認為這是如下事實的結果，即在本發(fā)明中噴涂的鋁粉的表面膜在與所 述基材表面碰撞時由于碰撞能而破裂，因此Al粉和其他金屬粉之間的充 分接觸成為可能。同樣，通過本發(fā)明的方法形成的涂層具有非常高的密度。因此，盡 管在熱處理過程中其暴露在空氣中或氛圍氣體中的氧氣下，但在單獨的 Al粉顆粒表面上形成氧化膜的可能性降低。為此原因，本發(fā)明的熱處理 步驟不僅可以在惰性氣體氛圍如氮氣和氬氣中進行，而且也可在空氣中 進行。如上所述，本發(fā)明的熱處理優(yōu)選在低于低共熔溫度(包括轉熔溫度) 下進行的原因在于在該溫度以下，熱動力平衡態(tài)中不涉及液相，因此可 以適當?shù)孬@得所述金屬間化合物的精細分散相。然而，在實際系統(tǒng)中，由于在稍微超過所述低共熔溫度(包括轉熔 溫度)的溫度下，涉及的液相較少，實際上，液相對所述金屬間化合物 的形成的影響作用可以忽略。因此，在所附權利要求中所述的"低于低 共熔溫度"并不是指通過字面上的解釋而排除包括上述變化的溫度范圍。所述熱處理步驟對所述涂層粘合性的改善或者對于表面照度控制的 機械處理以及金屬間化合物的形成均具有熱處理效果。此外，本發(fā)明的制備金屬基體復合物的方法可進一步包括從基材上 分離在涂覆步驟中形成的涂層的步驟，并因此可以提供單獨含有所述金 屬基體復合物的金屬基體復合物散料。同樣，本發(fā)明提供了金屬基體復合物涂層，其特征在于其通過上述制備金屬基體復合物的方法制備。所述涂層的厚度優(yōu)選為10pm 1 mm， 如果太薄，則耐磨性會降低，如果太厚，則制備該涂層的成本太高，并 且容易因熱膨脹發(fā)生剝落或產生熱應力。此外，本發(fā)明提供了金屬基體復合物散料，其特征在于其由通過上 述制備金屬基體復合物的方法制備的金屬基體復合物涂層制備，其中進 一步包括從基材上分離在涂覆步驟中形成的涂層的步驟。由本發(fā)明的方法獲得的耐磨金屬基體復合物涂層或散料改善了所述 基材、涂層或散料的機械性質。首先，通過在涂層或散料中包含高硬度的金屬間化合物和陶瓷顆粒，
可以改善元件的耐磨性。其次，通過本發(fā)明制備的涂層或散料增強了被涂覆部件的疲勞性能。 因此，涂層和基材之間的強力連接防止了裂紋的產生，并且，由于涂層 具有金屬基體復合物的特性，其精細結構降低了裂紋的產生及其擴張率， 因此增強了疲勞性能。另外，其有助于部件具有很高的抗熱疲勞破壞性。 在諸如燃氣輪機等耐熱發(fā)動機中所使用的部件中，裂紋產生和擴張的主 要原因之一是因局部溫差而造成的熱應力。在發(fā)動機組中，因發(fā)動機的 燃燒使得靠近氣缸的部分具有高溫，遠離氣缸的部分具有低溫。這種溫 差產生了熱應力，后者會導致發(fā)動機組表面出現(xiàn)裂紋。具體地是，例如 在發(fā)動機中，在發(fā)生周期性燃燒和冷卻的位置處，對于因周期性熱應力 產生的熱疲勞破壞性能的控制非常重要。在本發(fā)明中，通過使用諸如作 為金屬的鋁或鋁合金和作為陶瓷的SiC等具有高導熱性的顆粒制備涂層， 口丁以增強元件的導熱性。導熱性的改善將降低存在于部件中的溫差，由 此導致部件的熱疲勞破壞性能的改善。此外，由于復合物的形成可以降 低基材的熱膨脹系數(shù)的差異，因此可以減小加熱過程中產生的熱應力， 由此使涂層的剝落和裂紋的產生最小化。通過本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進一步詳細描述本發(fā)明。實施例實施例1制備混合金屬粉末，其中平均粒徑77 pm的Al粉和平均粒徑3 )im 的Ni粉的重量比例分別為90:10 (Al-10%Ni)和75:25(Al-25%Ni)，然后以所述混合金屬粉末的量為100重量份，將5軍量份的平均粒徑為35 pni 的SiC粉末與之混合，由此制得最終的混合粉末。在使用空氣作為壓縮 氣體、7 atm和330。C的輸送氣體的氣流條件下，將所述混合粉末引入作 為標準Laval型噴嘴的孔徑為4X6 mm、喉間距為1 mm的噴嘴中，由此 制備涂層。在約450。C、 50(TC和55(TC下，所制備的涂層經過4小時的 熱處理。在氮氣氛圍下進行所述熱處理。對于經過熱處理的基材的表面， 測定其X-射線衍射圖，結果描繪在圖10(Al-10。/。Ni)和圖11 (Al-25%Ni) 中。根據(jù)X-射線衍射結果，由于Ni的含量增加以及熱處理溫度的提高，大量形成Al3Ni金屬間化合物和Al3Ni2金屬間化合物，但即使所述熱處理溫度較低，也的確能夠制造出所述金屬間化合物。來自Ni粉以及與之相鄰的Al基體的金屬間化合物的形成的EDX照 片結果顯示在圖12中。即，Al3Ni金屬間化合物形成在Ni濃度較低的 Al基材附近，而Al3Ni2金屬間化合物形成在Ni濃度較高的Ni粉顆粒內部。圖13顯示了其中沒有完全進行所述反應，殘余的Ni殘留在Ni粉內部。實施例2制備混合金屬粉末，其中平均粒徑43 (im的Al粉和平均粒徑43 的Ti粉的重量比例分別為90:10 (Al-10%Ti)禾Q 75:25(Al-25%Ti)，然后以所述混合金屬粉末的量為100重量份，將5重量份的平均粒徑35 的SiC粉末與之混合，由此制得最終的混合粉末。在使用空氣作為壓縮 氣體、7 atm和33(TC的輸送氣體的氣流條件下，將所述混合粉末引入作 為標準Laval型噴嘴的孔徑為4X6 mm、喉間距為lmm的噴嘴中，由此 制備涂層。在約45(TC、 500°C、 55(TC和63(TC下，所制備的涂層經過4小 時的熱處理。在氮氣氛圍下進行所述熱處理。對于經過熱處理的基材的 表面，測定其X-射線衍射圖，結果描繪在圖14 (Al-0%Ti)和圖15 (Al-25%Ti)中。根據(jù)X-射線衍射結果，由于Ti的含量增加以及熱處理 溫度的提高，大量形成Al3Ti金屬間化合物，但即使所述熱處理溫度較低， 也的確能夠制造出所述金屬間化合物。在熱處理溫度為63(TC的情況下，來自Ti粉以及與之相鄰的Al基體 的金屬間化合物的形成的EDX照片結果顯示在圖16中。S卩，觀察到通 過AI原子和Ti原子的相互擴散，Al3Ti金屬間化合物形成在粉末的邊緣 區(qū)域。在Ti的情況下，由于其與Ni相比較低的擴散率，金屬間化合物形 成在界面區(qū)域，而沒有完全參與任何反應的殘余的Ti殘留在Ti粉內部。本發(fā)明并不僅限于對本發(fā)明的詳細描述和附圖，對于本領域技術人 員顯而易見的是，可以對其進行各種變化和改進而不會脫離如所附權利 要求中限定的本發(fā)明的范圍。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的制備金屬基體復合物的方法以及由其制備的金屬基體 復合物涂層和散料，與現(xiàn)有技術相比，其中分散有金屬間化合物和陶瓷 粉末的金屬基體復合物的制造可在低溫下進行，因此不存在因熱應力或 熱沖擊而對基材造成破壞的可能性，金屬間化合物的生長受到抑制使得 諸如高溫強度等機械性質得以改善，在涂層上的熱量積累得以防止，基 材和涂層間或者涂層內的裂紋產生得以抑制，因此涂層抗因疲勞而產生 裂紋的性能得以改善。此外，本發(fā)明可用于制備具有優(yōu)異機械強度的元件，并且也可用于 分散強化已有元件的表面。具體地說，由于本發(fā)明在低熱處理溫度下進 行，因此在表面硬化時對所述元件的性質造成不利影響的可能性很小。此外，由于本發(fā)明使之能在相對較低溫度的熱處理溫度、混合粉末 的低注射壓力以及低輸送氣體溫度的環(huán)境下進行處理，因此可低成本地 進行生產并可容易地規(guī)模化生產。
權利要求
1.一種制備金屬基體復合物的方法，所述方法包括下述步驟提供基材；制備含有以下粉末的混合粉末i)含有金屬、合金或其混合物顆粒的第一金屬粉末，ii)含有形成金屬間化合物的金屬顆粒的第二金屬粉末，所述金屬顆粒與所述金屬或所述合金的合金元素形成金屬間化合物，和iii)含有陶瓷或其混合物顆粒的陶瓷粉末；將如上制備的所述混合粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；通過利用在所述噴嘴中流動的輸送氣流，以300m/s～1,200m/s的速率對處于非熔融狀態(tài)的所述混合粉末進行加速，由此將所述混合粉末涂覆在所述基材的表面上；和通過所述已涂覆的涂層的熱處理形成金屬間化合物。
2. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述第一 金屬粉末的金屬是鋁或其合金，所述第二金屬粉末的形成金屬間化合物 的金屬顆粒是選自由鈦、鎳、鉻、鐵和它們的組合組成的組的金屬。
3. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述陶瓷 粉末的陶瓷是氧化物、碳化物、氮化物或其混合物。
4. 如權利要求3所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述陶瓷 是氧化鋁或SiC。
5. 如權利要求3所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述將混 入所述混合粉末的陶瓷顆粒以聚集粉末的形式提供。
6. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述基材 是鋁、鋁合金、鑄鐵、陶瓷或樹脂。
7. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中將所述涂 覆步驟中的涂覆效率保持在小于或等于50%。
8. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述第一 金屬粉末的金屬是鋁或其合金，所述第二金屬粉末的形成金屬間化合物 的金屬顆粒是選自由鈦、鎳、鉻、鐵和它們的組合組成的組的金屬，要 涂覆在所述基材上的粉末的速率是300 m/s 500 m/s。
9. 如權利要求l所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述噴 嘴是具有喉部的收縮-平直型噴嘴或收縮-擴張型噴嘴，所述混合粉末的 注射經由貫穿所述喉部的注射管，在所述噴嘴的擴張或平直部分中進行。
10. 如權利要求9所述的制備金屬基體復合物的方法，其中在將所 述混合粉末注射進所述噴嘴時，注射壓力為90psi 120psi。
11. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中當通過 所述噴嘴涂覆所述混合粉末時，供應至所述噴嘴中的輸送氣體的溫度為 280。C土5。C。
12. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中從所述 基材表面至外表面，相對于所述第一金屬粉末，所述陶瓷粉末的混合比 例或者所述第二金屬粉末的混合比例具有濃度梯度。
13. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中從所述 基材表面節(jié)外表面，所述第二金屬粉末的粒徑或所述陶瓷粉末的粒徑具 冇粒徑相關的恒定梯度。
14. 如權利要求1所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述熱 處理步驟在不高于所述第一金屬粉末和第二金屬粉末的低共熔溫度的溫 度下進行。
15. 如權利要求14所述的制備金屬基體復合物的方法，其中所述第 -金屬粉末的金屬是鋁或其合金，所述第二金屬粉末的形成金屬間化合 物的金屬顆粒是選自由鈦、鎳、鉻、鐵和它們的組合組成的組的金屬， 所述熱處理步驟在大于或等于50(TC下進行。
16. 如權利要求1 15中任一項所述的制備金屬基體復合物的方法， 所述方法在所述熱處理步驟后還包括將在涂覆步驟中形成的部分從所述 基材上分離的步驟。
17. —種金屬基體復合物涂層，所述金屬基體復合物涂層由權利要 求1 15中任一項所述的制備金屬基體復合物的方法制備。
18. 如權利要求17所述的金屬基體復合物涂層，其中所述涂層的厚度為10拜 1 mm。
19. 一種金屬基體復合物散料，所述金屬基體復合物散料由權利要 求16所述的制備金屬基體復合物的方法制備。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備金屬基體復合物的方法以及由其制備的涂層和散料，更具體地是，本發(fā)明提供了制備金屬基體復合物的方法，以及由其制備的涂層和散料，所述方法包括下述步驟提供基材；制備含有以下粉末的混合粉末i)含有金屬、合金或其混合物顆粒的第一金屬粉末，ii)含有形成金屬間化合物的金屬顆粒的第二金屬粉末，所述金屬顆粒與所述金屬或所述合金的合金元素形成金屬間化合物，和iii)含有陶瓷或其混合物顆粒的陶瓷粉末；將如上制備的所述混合粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；通過利用在所述噴嘴中流動的輸送氣流，以300m/s～1,200m/s的速率對處于非熔融狀態(tài)的所述混合粉末進行加速，由此將所述混合粉末涂覆在所述基材的表面上；和通過所述已涂覆的涂層的熱處理形成金屬間化合物，由此提供了下述涂層和散料材料，所述涂層和散料材料具有高耐磨性和優(yōu)異的抗表面出現(xiàn)疲勞裂紋的性能，并且不會在涂層的制備過程中對基材造成諸如熱應變等破壞。
文檔編號C23C4/04GK101160417SQ200680012369
公開日2008年4月9日 申請日期2006年4月6日 優(yōu)先權日2005年4月15日
發(fā)明者劉永鎬, 李在丁, 李在洪, 李夏勇, 高景現(xiàn) 申請人:Snt株式會社