含金属涂层以及其使用和制备方法
【专利说明】含金属涂层以及其使用和制备方法
[0001]相关申请
该申请请求2012年8月3日提交的序列号为61/679，399的U.S.临时申请的优先权，通过引用其全部来将所述临时申请并入于此。
【背景技术】
[0002]工业用具通常具有布置(dispose)在它们上方的涂层以提供对腐蚀和其他环境损害的保护。通常地，涂层含有金属合金，通过在合金化过程中在升高的温度下混合个体合金元素来制造所述金属合金。然而，这种制造过程通常在合金化过程中产生大量的作为副产物的烟气(或“放气”)。该烟气不仅可危害健康，还使制造过程更加难以控制。
[0003]在合金化过程中生成的气体可导致具有高水平孔隙率的涂层产品，其不合需要地阻止了致密涂层的形成。并且，在合金化过程中涉及的高温可导致在涂层产品中的热应力，其最后可在最终涂层产品中带来裂纹。
[0004]通过之前存在的方法来制造的涂层还面临缺乏通用性的挑战。具体地，可能需要为待将涂层布置于其上方的特定基体定制涂层。不是为基体特别定制的涂层通常导致涂层从基体脱层。
【发明内容】
[0005]鉴于前述内容，发明人已经认可并赞成通用含金属涂层的优点以及制备和使用该涂层的方法。在此描述的涂层相对于可将涂层布置于其上方的任何基体可以是通用的。并且，在此描述的方法可制备前述的涂层，而不用面对之前存在的涂层制备技术中的挑战。
[0006]因此，在一种实施方式中提供了制备涂层组合物的方法，所述方法包括:使第一材料同第二空心材料的内表面接触以形成预制体(preform)，所述第一材料包含至少一种第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一种含铁第二合金；并加热至少部分的预制体以促进第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂层组合物。
[0007]另一种实施方式提供了制备涂层组合物的方法，所述方法包括:形成管状的预制体，所述预制体具有第一直径且包含芯和在芯外部的鞘，其中所述芯包含第一材料，所述第一材料包含至少一种第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，且所述鞘包含至少一种第二含铁合金；拉伸至少部分的预制体使得预制体的经拉伸的部分具有第二直径，其中所述第二直径小于第一直径；将预制体的至少经拉伸的部分布置在基体上方；且加热经布置的预制体的经拉伸部分以促进第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以在基体上方形成涂层组合物。
[0008]另一种实施方式提供了涂层组合物，其中所述涂层组合物通过包括如下步骤的方法来形成:使第一材料同第二空心材料的内表面接触以形成预制体，所述第一材料包含至少一种第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一种含铁第二合金；并加热至少部分的预制体以促进第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂层组合物。
[0009]应意识到的是前述的概念和在下面更为详尽讨论的另外的概念(假设这些概念不是相互矛盾的)的全部组合被认为是在此公开的发明主题的部分。特别地，在该公开的结尾出现的请求保护的主题的全部组合被认为是在此公开的发明主题的部分。还应意识到的是应当使在此明确采用的术语(其还可出现在通过引用并入的任何公开中)应当同在此公开的特定概念最为一致的意思相符合。
【附图说明】
[0010]本领域技术人员将理解附图主要为了说明性的目的，而不旨在限制在此描述的发明主题的范围。附图不必是按比例绘制的；在一些实例中，可在附图中夸张或扩大显示在此公开的发明主题的各种方面，以促进对不同特征的理解。在附图中，同样的附图标记通常指代同样的特征(例如，功能相似和/或结构相似的元素)。
[0011]图1提供了在一种示例性实施方式中的预制体的示意图。
[0012]图2提供了显示在一种示例性实施方式中制备预制体的过程的示意流程图。
[0013]图3提供了显示在一种示例性实施方式中制备预制体的过程的示意流程图。
[0014]图4 (a)-4 (b)分别提供了在一种示例性实施方式中的通过之前存在的方法制备和通过在此描述的方法制备的涂层样品的显微图。
[0015]发明详述
以下是对发明的含金属涂层以及制备和使用涂层的方法涉及的各种概念的更加详细的说明，以及发明的含金属涂层以及制备和使用涂层的方法的实施方式。应意识到的是上面引入的以及下面更为详细讨论的各种概念可以若干种途径中的任意途径来执行，因为所公开的概念不受限于任何特定的执行方式。提供的具体执行和应用的实施例主要是为了说明性的目的。
[0016]在一些实施方式中在此公开的方法涉及制备涂层组合物，可将所述涂层组合物(或简述为“涂层”)布置在任意的基体上方(over)(或在一些实例中直接在上面(on))。所述基体可为任何结构部件的部分。所述结构部件可为用具或者装置或建筑结构的部分。所述用具可为工业用具，例如在油或气体工业中，电力工业，航空工业，产能工业等之中的用具。例如，所述结构部件可为钻头，钻杆，用具接头等。在一些实施方式中，所述结构部件可为用具或装置的任意部分，其中所述部分经受侵蚀，磨损，和/或腐蚀，且可受益于具有涂层以有助于延长其使用寿命。
[0017]在一种实施方式中，所述方法包括使第一材料同第二空心材料的内表面接触以形成预制体，所述第一材料包含至少一种第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一种含铁第二合金；并加热至少部分的预制体以促进第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂层组合物。术语“第一”，“第二”等仅用于表示不同的实体并且不旨在限制实体的顺序和性质。
[0018]合金可指两种或更多种金属元素(例如，至少2种，3种，4种，5种或更多种元素)的固溶体或金属间化合物(包含至少一种金属元素和至少一种非金属元素)。术语“元素”在此可指可在元素周期表中找到的元素。金属可指任何的碱金属，碱土金属，过渡金属，后过渡金属，镧系元素，锕系元素，和类金属。
[0019]第一合金可具有任何合适的化学组成，取决于应用。在一些实例中，在此描述的方法中的第一合金可被称为“预合金”或“中间合金(master alloy)”，因为在使其同第二材料接触之前第一合金的元素已经被预合金化。可使用制造预合金的任何的合金化技术一例如球磨，研磨等。所述第一合金可含有两种，三种，或更多种元素。所述元素可为在元素周期表中找到的任何非气体和非液体元素。例如，元素可为金属或类金属元素。在一些实例中，还可能为非金属元素，例如C，P，S等。
[0020]第一合金可为含铁合金(或“铁合金”)，然而还可使用其他类型的合金。含铁合金可包括 Fe，Al，B，Ce，Cr, Mg，Mn，Mo，Nb，Ni，P，Si，Ti，U，V，W，或其组合。在其中第一合金具有至少两种元素的一种实施方式中，第一元素和第二元素中的至少一种是Fe，Cr，Mo，Mn，B，C，P，S，Mn，Si，Zr，和Ti之一。在一种实施方式中，第一合金包括基于Mn-S1-Fe，Fe-B,Fe-Mo, Fe-V, Fe-Nb, Fe-Ti, Fe-Al, Fe-P, Fe_Si，或其组合的合金。也可能是其他类型的铁合金。注意到在前描述的合金中的符号旨在表示在合金中存在的元素，且不是它们在合金中的各自的含量。在一种实施方式中，“XY-基”合金在此可指包含显著部分的元素X和Y的合金；显著部分可指至少5% -例如至少10%，15%，20%，25%或更多。百分数在此可指体积百分数或重量百分数，取决于上下文。
[0021]第一材料可包含第一合金，基本上由第一合金组成，或由第一合金组成，取决于应用。第一材料可含有多于一种的合金。例如，第一材料可含有至少两种，三种，四种，五种，或更多种合金。在一种实施方式中，第一材料可基本上由或由这些合金组成。第一材料可含有不为合金形式的另外的元素。例如。第一材料可含有为它们的元素形式的另外的金属和/或非金属元素。
[0022]当第一材料和第二材料一起不为预制体和/或最终涂层组合物提供所需的某些元素时，可使用另外的金属元素。换句话说，另外的元素可充当用于预制体和/或最终涂层的另外的(相对于第一和第二材料)元素源。因此，另外的元素可为所需的任何元素且不以任何方式受限。在一种实施方式中，另外的元素可为C，Cr，Mn，或其组合。在其中存在另外的元素的一种实施方式中，所述另外的元素不为Mn。在其中第一合金(或第一材料的其他另外的合金)和第二材料提供在预制体中和/或涂层组合物中需要的全部元素的实例中，不需要另外的元素。
[0023]第一材料可具有任意的几何形状。在一种实施方式中，第一材料包括混合物，所述混合物包含第一合金和/或其他另外的元素中的至少一种。所述混合物可为粉末或任意其他几何形状。第一材料可含有多于一种的合金，例如至少两种，三种，四种，或更多种合金。在一种实施方式中，至少部分的第一材料为粉末的形式。在一种实施方式中，所述至少第一合金和/或另外的元素可为任意合适尺寸的粉末。在一些实施方式中，第一材料的粉末的筛目大小为约28-约2400，例如，约30-约2000，约50-约1500，约100-约1000，约200-约800，约300-约600，约400-约500等。在一种实施方式中，筛目大小为约60/325-约60/200ο \\第一合金的粉末尺寸可等于、大于或小于另外的元素的粉末尺寸，取决于应用。
[0024]第一材料可含有Mn作为元素。Mn元素可为第一合金的一种元素，而不是另外的元素，然而其也可为另外的元素。在一种实施方式中，以合金形式而不是另外的元素形式具有Mn (例如作为至少一种第一合金的部分)是与之前存在的将所有的个体元素包括Mn混合在一起的涂层制造方法截然不同的。在一种实施方式中，所述至少一种第一合金可包括Fe-Mn, Fe-Mn_Si，或两者。不受任何特定理论束缚，但以其元素形式