鎳基熱噴涂粉末和涂層及其制備方法
【專利說明】鎮(zhèn)基熱噴涂粉末和涂層及其制備方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年2月1日，名稱為"鑲基熱噴涂粉末和涂層及其制備方 法"的中國(guó)專利申請(qǐng)201180013534. 2的分案申請(qǐng)。
[000引相關(guān)申請(qǐng)
[0003] 本申請(qǐng)要求2010年2月1日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)No. 61/300,381的優(yōu)先 權(quán)，通過引用W其全文并入本文。
[0004] 通過引用將本說明書中引用的所有出版物、專利和專利申請(qǐng)W其全部?jī)?nèi)容并入本 文。
【背景技術(shù)】
[0005] 通常將熱噴涂工藝稱為使用熱將烙化或半烙化的材料沉積到基材上W保護(hù)基材 免受磨損和腐蝕的工藝。在熱噴涂工藝中例如W粉末形式供應(yīng)待沉積的材料。該樣的粉末 包括小顆粒例如100目美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)（149微米）和約2微米之間。
[0006] 熱噴涂工藝通常包括=個(gè)不同的步驟；第一步是將材料烙化，第二步使材料霧化， 并且第=步是將材料沉積到基材上。例如，電弧噴涂工藝使用電弧將材料烙化并且使用壓 縮氣體將材料霧化并沉積到基材上。
[0007] 可使用稱之為表面硬化合金的材料用于例如通過熱噴涂制備的涂層。通常，合金 涂層用于表面硬化W提供耐磨性，特別是在需要所需的表面光潔度的地方。然而，設(shè)計(jì)在提 高的溫度下操作并且提供腐蝕和磨損性質(zhì)的很多涂層經(jīng)常由于差的涂層密度而失效，該導(dǎo) 致達(dá)到基材并且造成剝落的腐蝕性產(chǎn)物。例如，設(shè)計(jì)用于磨損保護(hù)的復(fù)合物涂層經(jīng)常由于 基體沖蝕而失效，導(dǎo)致復(fù)合物硬質(zhì)相的損耗。因此，存在對(duì)熱噴涂涂層中使用的改進(jìn)材料的 需求。
[0008] 概述
[0009] -些實(shí)施方案所提供的包括使用完全合金化的粉末通過熱噴涂工藝在基材上形 成耐磨損和耐腐蝕的涂層來涂覆基材的方法和目前描述的方法所得的涂層。
[0010] 一個(gè)實(shí)施方案提供了一種涂層，其包含；包含合金的含粉末組合物，該合金包含含 有鑲的固溶體相和含有至少一種過渡金屬元素和至少一種非金屬元素的第一組分相。
[0011] 替代性的實(shí)施方案提供了含粉末組合物，其包含由式；(Ni共ry)g(MbN。）表示的合 金，其中；M表示第一組分相中的過渡金屬元素；N表示第一組分相中的非金屬元素；a、b和 C每個(gè)均大于0并且獨(dú)立地表示重量百分比；并且X和y每個(gè)大于0并且獨(dú)立地表示含有Ni 的固溶體相的重量百分比。在一些實(shí)施方案中，a為約85-95,b為約0. 1-10,C為約5-10， 并且X和y的比值為0.5-1. 9。
[0012] 一個(gè)實(shí)施方案提供了形成涂層的方法，該方法包括：提供基材；并且在基材上布 置涂層，該涂層包含；包含合金的含粉末組合物，該合金包含含有鑲的固溶體相和含有至少 一種過渡金屬元素和至少一種非金屬元素的第一組分相。
[0013] 另一個(gè)實(shí)施方案提供了形成涂層的方法，其包括；提供包含鑲、至少一種不是鑲的 過渡金屬元素和至少一種非金屬元素的混合物；使混合物形成含粉末組合物，其中該組合 物包含合金，該合金包含含有鑲的固溶體相和含有過渡金屬元素和非金屬元素的第一組分 相；W及將含粉末組合物布置到基材上W形成涂層。
[0014] 替代性的實(shí)施方案提供了形成涂層的方法，該方法包括：在基材上沉積涂層，該涂 層包含：包含合金的含粉末組合物，該合金由式；(Ni,化y),(MbN。）表示，其中；M表示第一組 分相中的過渡金屬元素；N表示第一組分相中的非金屬元素；a、b和C獨(dú)立地表示重量百分 比；并且X和y每個(gè)獨(dú)立地表示含有鑲的固溶體相的重量百分比；并且（i)a為約85-約95， (ii)b為約0. 1-約10,（iii)c為約5-約10,并且（iv)x和y的比值為約0.5-約1.9。
【附圖說明】
[00巧]圖1顯示了高速氧燃料化V0F)工藝的示意圖。
[0016] 圖2顯示了電弧絲熱噴涂工藝的示意圖。
[0017] 圖3顯示了等離子熱噴涂工藝的示意圖。
[0018] 圖4顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的涂層橫截面的沈M顯微照片。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 一種實(shí)施方案提供了涂層，該涂層包含具有合金的含粉末組合物，該合金具有含 有鑲的固溶體相和含有至少一種過渡金屬和至少一種非金屬的第一組分?？蓪⒃摻M合物施 加至基材W形成涂層。在一個(gè)實(shí)施方案中，該合金可由式；(Ni共ry),(MbN。）表示，其中；M表 示第一組分相中的過渡金屬元素；N表示第一組分相中的非金屬元素；a、b和C每個(gè)均大于 0并且獨(dú)立地表示重量百分比；并且X和y每個(gè)均大于0并且獨(dú)立地表示Ni-化固溶體相 的重量百分比。在一個(gè)實(shí)施方案中，a可為約85-95,b可為約0. 1-10,C可為約5-10,并且 X和y的比值可為0. 5-1. 9。
[0020] 含粉末組合物
[0021] 術(shù)語"含粉末組合物"意指其中包含粉末的任何組合物。術(shù)語"粉末"意指包含研 磨、粉碎或W其它形式細(xì)分散的固體顆粒的物質(zhì)。
[0022] 相
[0023]本文中的術(shù)語"相"可W意指在熱動(dòng)力學(xué)相圖中可發(fā)現(xiàn)的相。相是在其中材料所 有的物理性質(zhì)基本上是均勻的空間（熱動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)）區(qū)域。物理性質(zhì)的例子包括密度、折 射率、化學(xué)組成和晶格周期性。簡(jiǎn)單的描述是，相為化學(xué)上均勻、物理上獨(dú)特并且（經(jīng)常） 機(jī)械可分離的材料區(qū)域。例如，在玻璃罐子中由冰和水組成的系統(tǒng)中，小方冰塊是一種相， 水是第二相，并且水上方的潮濕空氣是第=相。罐子玻璃是另一種單獨(dú)的相。相可意指固 溶體，其可為二元、=元、四元或更多元的溶體或化合物，如金屬間化合物。
[0024] 雖然本文中描述的合金化的含粉末組合物可為單相，但需要使組合物為多相的。 例如，該組合物可具有至少兩種相、至少=種相、至少四種相或更多種相。在一個(gè)實(shí)施方案 中，該合金組合物可包含金屬固溶體相W及額外相，該額外相可為另一種金屬固溶體相或 不是金屬固溶體的相。例如，該額外相可為化合物相。金屬固溶體相可為任何類型的金屬 固溶體，該取決于溶體的化學(xué)組成。例如，其可為金屬基溶體，該金屬為過渡金屬，例如鑲。 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬溶體可包括鑲-銘（Ni-化）金屬溶體。
[0025]第二相可為例如化合物相。該化合物可為二元化合物、=元化合物、四元化合物或 具有多于四種元素的化合物。參考上述式子，化合物可為金屬-非金屬化合物（例如MN)。M可表示金屬，例如過渡金屬，而N可表示非金屬。還如上描述的，該化合物可具有多種M和 /或N。在一個(gè)實(shí)施方案中，取決于化學(xué)組成，特別是取決于N，額外的相可為例如碳化物、棚 化物或兩者。因此，第二相可為碳化物化合物，并且第S相如果存在，則可為棚化物，或反之 亦然?；蛘?，第二和第=相可W是碳化物或棚化物。在一個(gè)實(shí)施方案中，（一種或多種）額 外的相可包括化合物；棚化鑲、碳化銘、棚化銘或其組合。
[0026] 金屬、過渡金屬和非金屬
[0027] 術(shù)語"金屬"意指電正性的化學(xué)元素。本說明書中的術(shù)語"元素"通常意指在元素 周期表中可找到的元素。物理上，處于基態(tài)的金屬原子包含具有接近于已占據(jù)態(tài)的空態(tài)的 部分填充帶?；瘜W(xué)上，在進(jìn)入溶體時(shí)，金屬原子釋放電子變成正離子。術(shù)語"過渡金屬"是 元素周期表中3-12族中具有不完整的內(nèi)電子殼層并且充當(dāng)一系列元素中最多和最少電正 性的過渡連接的任何金屬元素。過渡金屬的特征是多種化合價(jià)、著色的化合物和形成穩(wěn)定 的絡(luò)合離子的能力。術(shù)語"非金屬"意指不具有丟失電子并形成正離子能力的化學(xué)元素。
[0028] 符號(hào)N代表一種或多種非金屬元素。取決于應(yīng)用，可使用任何合適的非金屬元素 或其組合。該合金組合物還可包含多種非金屬元素，例如至少兩種、至少=種、至少四種或 更多種的非金屬元素。在該情況下，符號(hào)"N"表示并且包括多種非金屬元素，并且化學(xué)式可 具有Ni、N2、Ns等。非金屬元素可為元素周期表中13-17族中發(fā)現(xiàn)的任何元素。例如，非金 屬元素可為F、Cl、Br、I、At、0、S、Se、Te、Po、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、Sn、化和B中的任 一種。有時(shí)，非金屬元素還可意指13-17族中的一些類金屬（例如B、Si、Ge、As、Sb、Te和 化）。在一個(gè)實(shí)施方案中，非金屬元素可包括B、Si、C、P或其組合。因此，所述合金組合物 包含棚化物、碳化物或兩者。
[0029] 符號(hào)M表示一種或多種過渡金屬元素。例如，M可為軌、鐵、饑、銘、鋪、鐵、鉆、鑲、 銅、鋒、錠、錯(cuò)、魄、鋼、得、釘、錠、鈕、銀、簡(jiǎn)、給、粗、鶴、鍊、餓、銀、銷、金、隸、104號(hào)元素、105 號(hào)元素、106號(hào)元素、107號(hào)元素、108號(hào)元素、109號(hào)元素、110號(hào)元素、111號(hào)元素、112號(hào)元 素中的任何。在一個(gè)實(shí)施方案中，M可表示Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、冊(cè)、V、佩、Ta、Cr、Mo、W、 Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、化、Ir、Ni、Pd、Pt、Qi、Ag、Au、Zn、Cd和Hg中的至少一種。取決 于應(yīng)用，可使用任何合適的過渡金屬元素或其組合。所述合金組合物可包含多種過渡金屬 元素，例如至少兩種、至少S種、至少四種或更多種的過渡金屬元素。在該情況下，符號(hào)"M" 表示并且包括多種過渡金屬元素，并且化學(xué)式可具有Mi、M2、Ms等。在一個(gè)實(shí)施方案中，過渡 金屬元素包括化、Ti、Zr或其組合。
[0030] 含粉末組合物中的合金可為任何形狀或尺寸，例如，該合金可具有粒料的形狀，其 可具有例如球形、楠球形、線形、桿形、片形、薄片形的形狀或不規(guī)則的形狀。該粒料可具有 任何合適的尺寸。例如，其可具有約1微米-約100微米、如約5微米-約80微米、如約10 微米-約60微米、如約15微米-約50微米、如約15微米-約45微米、如約20微米-約 40微米、如約25微米-約35微米的平均直徑。在一些實(shí)施方案中，可使用較小的粒料如處 于納米范圍的那些或較大的粒料如大于100微米的那些。
[0031]