专利名称：将热喷涂层粘合到非粗糙铝表面的方法
技术领域：
本发明涉及将金属粘合到铝被处理物的技术，特别是涉及将稳定的熔剂置于这种被处理物以熔解表面的氧化物并促进与喷射金属的牢固的冶金/化学的粘合的工艺。
迄今为止，表面粗糙度是将热喷涂层粘合到铸铝表面的主要方法。这种粗糙度是借助于诸如喷丸、高压水的机械方法；电解加工或化学蚀剂等方法完成的。这种技术表明有一系列的缺点，这既因为是成本，也因为被处理物的分裂或者是因为对环境的影响。如果能找到一种方法，它能免除对铸铝被处理物粗糙度的要求，还能使金属涂层在被处理物上粘合，那是我们所需希望的。
铝和铝合金一般反应强烈并容易与镍、钛、铜和铁在中等温度下形成互化金属合金。为了抵销这种反应性，铝或铝合金在常温下曝露于空气中时会形成钝化的表面氧化膜(厚度5～100毫微米)。这种氧化膜会抑制金属与非粗糙铝表面的粘合。于是，为了使铝或铝合金与其它金属产生冶金术的、化学的或金属互化的粘合，经常必须去除、溶解或分离这种氧化膜。当如此剥离氧化物时，铝或铝合金将容易在500℃那样低的温度下与喷涂层进行合金化的粘合。
容易采用熔剂去除这种氧化膜。作为范例，采用现有工业上将两片铝合金进行钎焊的实践(通常用低温钎焊金属同时滚压)，它们是这样结合的，首先将两片金属以连接关系装配在一起，然后用室温下应用的熔剂浸透结合区。当积极地加热时，熔剂便熔化并剥离表面氧化膜，从而使熔剂层与铝形成两面间的合金化结合(见美国专利US4911351)。熔剂的成分往往具有氟化基或氯化基(见美国专利3667111)；氟化或氯化碱金属铝盐具有的熔点(熔化温度)基本上是或稍低于铝的熔点(熔化温度)。实践表明，当采用滚压铝片时，这很有效，但采用铸铝合金则有问题，这是因为铸铝有气孔、不均匀，它没有任何硬壳层，并会在与这种熔剂熔化温度重叠的较低温度下熔化。在以下两种情况下，存在严重的缺点，(i)待与铸造金属粘合的金属是热喷涂金属，该金属与铸造金属不相同；以及(ii)金属作为热微滴来应用而不存在低熔解温度的钎焊金属。
因而，本发明的主要目的是获得一种经济、可靠、即时的粘合方法，将热喷涂金属微滴或微粒粘合到非粗糙铸造轻金属基的被处理物上而不存在传统的钎焊材料。该方法会提供在这种轻金属与热喷涂金属层之间冶金学和(或)化学的粘合，优于现有技术获得的机械互锁连接。
满足上述目的本发明是一种将热喷涂层与非粗糙的铸造轻金属(即铝基)表面粘合，具有所要求质量的方法。本方法包括(a)将熔剂材料沉积在净化后实质无黄油和机油的铸造轻金属基的表面上，这种沉积提供一种干燥的熔剂涂覆表面，熔剂能够去除轻金属表面的氧化物，并具有低于轻金属基表面熔解温度的熔解温度；(b)热激活熔剂涂覆表面中的熔剂，从而熔化遗留在轻金属基表面的任何氧化物；以及(c)与步(b)同时或随后，热喷涂金属微滴或微粒到熔剂涂覆过的表面，以形成与铝基表面至少是冶金术粘合的金属涂层。
对铝基被处理物有利的是，熔剂为含有至多50％(体积比)其它氟化盐的氟化钾铝低共熔物，熔剂最好作为用水或酒精作溶剂的溶液来应用；氟化盐微粒的大小最好控制在10μm以内，这种盐中至少70％的微粒大小为2～4μm，从而按容积计，20～30％的微粒在整个时间内呈悬浮态而不需搅拌。
以下结合附图进一步说明本发明。
附
图1为作为AlF3体积百分比函数的氟化钾铝盐的温度-金相图；附图2为用来将熔剂材料涂覆到发动机铝气缸体气缸孔内的熔剂喷射装置示意立体图；附图3为用来将金属微滴或微粒施加到铸铝发动机气缸体气缸孔内表面的热喷射装置示意立体图；附图4为喷枪和紧邻的涂覆表面部分横截面放大图；附图5为根据本发明处理过的涂覆铸铝表面显微照相图(放大100倍)；附图6为采用粗糙技术(水喷射)然后在这种粗糙表面上、热喷射金属微粒而涂覆准备的铸铝表面显微照相图(放大倍数85)；以及附图7为表示附图5涂层中金属微滴或微粒粒子大小分布的曲线图最佳模式详细描述如下凭采用氟化铝熔剂的经验，通常用于熔解温度的范围为640～660℃的压制铝片合金材料。而本发明最好涉及含有Si、Cu、Mn或Fe混合物量范围为0.5～5％(按重量)的铸铝合金(例如319、356、380和390)成功的熔化，于是当它与例如含有0.5～1.5％Mn、Mg和Fe混合物的3000系列压制铝片含合金比较时，具有稍低的熔解温度(大约580～600℃)。这种铸造合金表面粗糙度通常大约为1～3μmRa，它自己不足以提供与其上面热喷涂层机械互锁连接的能力。
一种轻金(Al、Mg)铸件形成以后，例如铸铝发动机气缸体10，它具有众多的气缸孔11，具有粗糙度大约为0.5～2μm的内表面12，这种表面清除掉任何黄油或机油以后，基本上采用三个步骤。首先，将熔解温度显著低于铸铝合金熔解温度的熔剂材料(大约低60～80℃)沉积于内表面并干燥。其次，热激活熔剂，引起气缸孔表面任何氧化铝膜的分解。最后，金属微滴或微粒热喷到被激活的熔剂表面，以形成金属涂层，它至少冶金术地与无氧化铝的表面粘合。
如附图1所示，最好选择熔剂为低共熔物13，它包含具有金相结构式γ·K3AlF6+KAlF4的双氟化盐。这种低共熔物含有大约45％(体积比)双氟化盐的AlF3，KF大约为55％(体积比)。低共熔物具有大约560℃的熔解温度(沿着线14)，它大约低于被处理物铸造合金熔解温度40℃左右。如果双氟化盐具有实质上不同的AlF3体积百分比(不是低共熔物)，那末熔解温度将沿着附图1的线15快速上升。其它双氟化盐，以及其它的氟化或氯化碱金属盐，只要它们具有能被加热激活而不干扰铸铝合金的熔解温度也可被使用。氯化盐是有用的，但不希望用，因为它们不具备对铝制品的抗腐蚀性，并可能有害于铝合金晶粒的界限。
为了沉积熔剂，金属盐需分解或悬浮在诸如水或酒精可喷射介质中，其浓度大约为0.5～5.0％(容积比)或者沉积表面每平方米最少5克熔剂。溶液可含诸如5896化工品的弱碱洗涤剂，通过降低表面张力使熔剂更均匀地散布。溶液也可含其它诸如LiF或CsF附加的混合物，至多50％(重量比)，它便利于其它诸如含氧化镁膜的镁被处理物的处理。
双氟化盐加入到喷射介质要严格控制微粒的大小，使对于搅拌的要求减至最小，至少保持25％(容积比)的盐在整个时间内处于浮悬状态。为此，盐微粒的大小等于或小于10μm，大约70％为2～4μm。盐喷射沉积的密度大约每平方米3～7克(最好大约每平方米5克)。太多的盐将抑制熔剂的熔解；而太少将不能达到熔解的作用。
沉积最好利用喷枪17来完成(见附图2)，它旋转的同时顺着气缸孔轴向向上和向下移动，应用熔剂溶液完成所希望的覆盖和涂覆的一致性。沉积以后，最好将熔剂涂覆的被处理物置于去湿的环境中进行干燥并去除溶剂；让精细的滑石状粉末留在被处理物上。
熔剂的热激活(对于它的低共熔物熔解温度为500～580℃)最好借助于热喷射金属微滴或微粒(它们处于1000℃以上的温度)对熔剂涂覆表面的所产生热的即时传送来完成，或也可借助于诸如火焰、电阻或感应装置等独立的方法进行热激活。
金属微滴或微粒的热喷射可采用如附图3和4的装置来完成。金属线材18馈送到热枪20的等离子或火焰中，于是，金属线材18的顶尖21熔化并借助高速气体喷射流23和24喷雾成微滴22。气体喷射流将各喷雾25投射到气缸体气缸孔的壁12上，从而将涂层26沉积在壁上。热枪20可由一内喷嘴27组成，它将火焰或等离子流19聚焦。等离子流19是这样产生的，当主要气体23通过阳极28与阴极29之间时，剥离掉来自气体中的电子，结果产生极热的离子流19。热源熔解线材顶尖21，产生的微滴22由主要气体23引导以极高的速度射向目标。受压的次要主体24可用来进一步控制喷射模式25。这种次要气体被引导通过阴极29与壳体31之间形成的通道30。次要气体24相对于离子流的轴的径向向内被导向。作为阳极的线材18当它撞击弧时与阴极连接，使线材18的熔解成为可能。产生的涂层26由微滴层或微粒33组成。在详细描述线材的使用时，其中，由热喷射装置馈送的粉末可用来产生相同的粘合作用。
喷涂微粒当它们与被涂覆的铝被处理物接触时，其热容量很大，大约1200～2000℃。这种热容量即时激活熔剂，从而分解被处理物上的任何氧化物并促进与其上的热喷射微粒的冶金术的粘合。为了进一步便于在无化物铝被处理物与热喷射微粒之间进行冶金术的粘合，在其上最初热喷一粘合层，它由镍-铝或青铜-铝组成；粘合层的微粒大小最好为2.5～8μm，它使涂覆的表面具有大约6μmRa的表面光洁度。提供最终的顶层为低碳合金钢或最好是钢和FeO的合成物。如果希望一种合成的顶层，线材由低碳低合金钢组成，并控制次要气体，使氧气与微滴22接触，以便氧化并形成具选择性的氧化铁FexO(具有自润滑特性的抗磨硬质氧化相)。于是合成的涂层能够非常像铸铁那样起作用，它包括具有内在自润滑性能的石墨。含有的气体组成可在100％的空气(或氧气)与100％惰性气体(如氩气或氮气)之间变化它对应于Fe的氧化程度。次要气体的流速应在30-120标准立方英尺/每分钟范围之内，以确保元素包封所有的微滴，并控制钢的微滴曝露在这种气体中。
附图5表示根据本发明对涂覆过的被处理物40电子显微的扫描。界面41是直的，在涂层42与被处理物40之间没有明显的互锁连接区。我们希望不受任何理论原因的束缚，本发明获得的粘合归因于金属间的合金形成，并(或)归因于位于热微滴表面的原子与位于无氧化物铝表面的原子的配对。
附图6表明并比较了采用包括粗糙技术在内的各种工艺所产生的界面形态。请注意在这种粗糙被处理物44上涂覆表面的明显粗糙度和不规则波形，因而需要较大的厚度45待最终珩磨成光滑一致的表面46。在热喷射阶段利用较小直径的线材能够产生较低的平均表面粗糙度(Ra)，最后顶层粗糙度小于5μm。对于粘合涂覆或顶层涂覆，微滴或微粒尺寸的分布表示在附图7中。
可以发现，本发明方法的实践降低三个基本步骤总的循环时间至一分钟或更少。当应用本发明时，可发现，涂层粘合到铝被处理物(例如319)上其有平均界面粘合强度达3200～6000psi。应该指出，一旦熔剂熔解并分解表面氧化层，它根据为防止铝表面的再氧化而进行的冷却会经历相变。
在说明和描述本发明具体的实施例过程中，对于熟悉本技术领域的人员来说，不违背本发明可作出各种变化和修改，这是很明显的，因而在所附的权利要求中我们欲覆盖落入本发明真正精神和范围内的所有这种修改和等同方案。
权利要求
1.一种将热喷涂层与非粗糙的铸造轻金属基表面粘合的方法，包括(a)对于这种实质上无黄油和机油的表面，将熔剂材料沉积在所说的表面上，以提供一种干燥的熔剂涂覆表面，所说的熔剂能够去除轻金属氧化物，并具有低于轻金属被处理物熔解温度的熔解温度；(b)热激活熔剂涂覆表面的所说的熔剂，以熔化和分解遗留在轻金属表面上的任何轻金属氧化物；以及(c)与步骤(b)同时或随其后，喷射金属微滴或微粒到所说的熔剂涂覆过的表面，以形成与轻金属表面至少是冶金术粘合的金属涂层。
2.根据权利要求1所说的方法，其内，所说的熔剂基本上由氟化钾铝组成，其它的混合物成分至多50％(体积比)。
3.根据权利要求1所说的方法，其内，所说的熔剂作为溶液喷射施加到金属类的表面，所说的溶液具有水或酒精溶剂基。
4.根据权利要求3所说的方法，其内，所说的熔剂基本上包括氟化钾铝盐，其微粒大小小于10μm，大约20％的这种微粒大小为2～4μm，使得所说微粒的20-30％(容积比)在整个时间内在溶液中保持悬浮状态而不需搅拌。
5.根据权利要求3所说的方法，其内，处理以后，所说的喷射溶液进行干燥，以去除所说溶液中的溶剂。
6.根据权利要求2所说的方法，其内，所说已沉积的熔剂在温度500～580℃进行热激活。
7.根据权利要求1所说的方法，其内，在热喷射微滴或微粒沉积到轻金属表面的同时，将热喷射微滴或微粒的热传送至干燥的熔剂涂覆层，以便同时热激活熔剂。
8.根据权利要求1所说的方法，其内，至少是所说的金属微滴或微粒的外曝露涂覆层由钢基微粒组成。
9.根据权利要求8所说的方法，其内，所说的最后涂层由钢和FeO组成。
10.根据权利要求8所说的方法，其内，所说的被处理物包含铝基，以及其内，在沉积最后(或即外曝露)热喷射涂层以前，先施加所说的金属微滴或微粒粘合涂层，所说的粘合涂层包含对铝具有强亲合力的金属或诸如镍或青铜的金属合金。
全文摘要
一种热喷涂层与非粗糙轻金属(即铸造铝基)表面粘合的方法。本方法包括三个步骤:(a)熔剂材料沉积在无黄油和机油的这种铸造表面上;(b)热激活熔剂涂覆表面上的溶剂,以熔解和分解遗留在铸造表面上的任何氧化物;(c)与步骤(b)同时或随后,向熔剂涂覆表面热喷射金属微滴或微粒,以形成与铸造表面冶金化粘合的金属涂覆层。
文档编号C23C4/02GK1172864SQ97111819
公开日1998年2月11日 申请日期1997年6月19日 优先权日1996年6月21日
发明者奥卢德勒·O·波普拉, 马修·J·扎卢泽克, 阿曼多·M·华金, 詹姆斯·R·鲍曼, 戴维·J·库克 申请人:福特汽车公司