镍基热喷涂粉末和涂层及其制备方法
【专利说明】镇基热喷涂粉末和涂层及其制备方法
[0001] 本申请是申请日为2011年2月1日，名称为"镶基热喷涂粉末和涂层及其制备方 法"的中国专利申请201180013534. 2的分案申请。
[000引相关申请
[0003] 本申请要求2010年2月1日提交的美国临时申请序列号No. 61/300,381的优先 权，通过引用W其全文并入本文。
[0004] 通过引用将本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请W其全部内容并入本 文。
【背景技术】
[0005] 通常将热喷涂工艺称为使用热将烙化或半烙化的材料沉积到基材上W保护基材 免受磨损和腐蚀的工艺。在热喷涂工艺中例如W粉末形式供应待沉积的材料。该样的粉末 包括小颗粒例如100目美国标准筛号（149微米）和约2微米之间。
[0006] 热喷涂工艺通常包括=个不同的步骤；第一步是将材料烙化，第二步使材料雾化， 并且第=步是将材料沉积到基材上。例如，电弧喷涂工艺使用电弧将材料烙化并且使用压 缩气体将材料雾化并沉积到基材上。
[0007] 可使用称之为表面硬化合金的材料用于例如通过热喷涂制备的涂层。通常，合金 涂层用于表面硬化W提供耐磨性，特别是在需要所需的表面光洁度的地方。然而，设计在提 高的温度下操作并且提供腐蚀和磨损性质的很多涂层经常由于差的涂层密度而失效，该导 致达到基材并且造成剥落的腐蚀性产物。例如，设计用于磨损保护的复合物涂层经常由于 基体冲蚀而失效，导致复合物硬质相的损耗。因此，存在对热喷涂涂层中使用的改进材料的 需求。
[0008] 概述
[0009] -些实施方案所提供的包括使用完全合金化的粉末通过热喷涂工艺在基材上形 成耐磨损和耐腐蚀的涂层来涂覆基材的方法和目前描述的方法所得的涂层。
[0010] 一个实施方案提供了一种涂层，其包含；包含合金的含粉末组合物，该合金包含含 有镶的固溶体相和含有至少一种过渡金属元素和至少一种非金属元素的第一组分相。
[0011] 替代性的实施方案提供了含粉末组合物，其包含由式；(Ni共ry)g(MbN。）表示的合 金，其中；M表示第一组分相中的过渡金属元素；N表示第一组分相中的非金属元素；a、b和 C每个均大于0并且独立地表示重量百分比；并且X和y每个大于0并且独立地表示含有Ni 的固溶体相的重量百分比。在一些实施方案中，a为约85-95,b为约0. 1-10,C为约5-10， 并且X和y的比值为0.5-1. 9。
[0012] 一个实施方案提供了形成涂层的方法，该方法包括：提供基材；并且在基材上布 置涂层，该涂层包含；包含合金的含粉末组合物，该合金包含含有镶的固溶体相和含有至少 一种过渡金属元素和至少一种非金属元素的第一组分相。
[0013] 另一个实施方案提供了形成涂层的方法，其包括；提供包含镶、至少一种不是镶的 过渡金属元素和至少一种非金属元素的混合物；使混合物形成含粉末组合物，其中该组合 物包含合金，该合金包含含有镶的固溶体相和含有过渡金属元素和非金属元素的第一组分 相；W及将含粉末组合物布置到基材上W形成涂层。
[0014] 替代性的实施方案提供了形成涂层的方法，该方法包括：在基材上沉积涂层，该涂 层包含：包含合金的含粉末组合物，该合金由式；(Ni,化y),(MbN。）表示，其中；M表示第一组 分相中的过渡金属元素；N表示第一组分相中的非金属元素；a、b和C独立地表示重量百分 比；并且X和y每个独立地表示含有镶的固溶体相的重量百分比；并且（i)a为约85-约95， (ii)b为约0. 1-约10,（iii)c为约5-约10,并且（iv)x和y的比值为约0.5-约1.9。
【附图说明】
[00巧]图1显示了高速氧燃料化V0F)工艺的示意图。
[0016] 图2显示了电弧丝热喷涂工艺的示意图。
[0017] 图3显示了等离子热喷涂工艺的示意图。
[0018] 图4显示了根据一个实施方案的涂层横截面的沈M显微照片。
【具体实施方式】
[0019] 一种实施方案提供了涂层，该涂层包含具有合金的含粉末组合物，该合金具有含 有镶的固溶体相和含有至少一种过渡金属和至少一种非金属的第一组分。可将该组合物施 加至基材W形成涂层。在一个实施方案中，该合金可由式；(Ni共ry),(MbN。）表示，其中；M表 示第一组分相中的过渡金属元素；N表示第一组分相中的非金属元素；a、b和C每个均大于 0并且独立地表示重量百分比；并且X和y每个均大于0并且独立地表示Ni-化固溶体相 的重量百分比。在一个实施方案中，a可为约85-95,b可为约0. 1-10,C可为约5-10,并且 X和y的比值可为0. 5-1. 9。
[0020] 含粉末组合物
[0021] 术语"含粉末组合物"意指其中包含粉末的任何组合物。术语"粉末"意指包含研 磨、粉碎或W其它形式细分散的固体颗粒的物质。
[0022] 相
[0023]本文中的术语"相"可W意指在热动力学相图中可发现的相。相是在其中材料所 有的物理性质基本上是均匀的空间（热动力学系统）区域。物理性质的例子包括密度、折 射率、化学组成和晶格周期性。简单的描述是，相为化学上均匀、物理上独特并且（经常） 机械可分离的材料区域。例如，在玻璃罐子中由冰和水组成的系统中，小方冰块是一种相， 水是第二相，并且水上方的潮湿空气是第=相。罐子玻璃是另一种单独的相。相可意指固 溶体，其可为二元、=元、四元或更多元的溶体或化合物，如金属间化合物。
[0024] 虽然本文中描述的合金化的含粉末组合物可为单相，但需要使组合物为多相的。 例如，该组合物可具有至少两种相、至少=种相、至少四种相或更多种相。在一个实施方案 中，该合金组合物可包含金属固溶体相W及额外相，该额外相可为另一种金属固溶体相或 不是金属固溶体的相。例如，该额外相可为化合物相。金属固溶体相可为任何类型的金属 固溶体，该取决于溶体的化学组成。例如，其可为金属基溶体，该金属为过渡金属，例如镶。 在一个实施方案中，金属溶体可包括镶-铭（Ni-化）金属溶体。
[0025]第二相可为例如化合物相。该化合物可为二元化合物、=元化合物、四元化合物或 具有多于四种元素的化合物。参考上述式子，化合物可为金属-非金属化合物（例如MN)。M可表示金属，例如过渡金属，而N可表示非金属。还如上描述的，该化合物可具有多种M和 /或N。在一个实施方案中，取决于化学组成，特别是取决于N，额外的相可为例如碳化物、棚 化物或两者。因此，第二相可为碳化物化合物，并且第S相如果存在，则可为棚化物，或反之 亦然。或者，第二和第=相可W是碳化物或棚化物。在一个实施方案中，（一种或多种）额 外的相可包括化合物；棚化镶、碳化铭、棚化铭或其组合。
[0026] 金属、过渡金属和非金属
[0027] 术语"金属"意指电正性的化学元素。本说明书中的术语"元素"通常意指在元素 周期表中可找到的元素。物理上，处于基态的金属原子包含具有接近于已占据态的空态的 部分填充带。化学上，在进入溶体时，金属原子释放电子变成正离子。术语"过渡金属"是 元素周期表中3-12族中具有不完整的内电子壳层并且充当一系列元素中最多和最少电正 性的过渡连接的任何金属元素。过渡金属的特征是多种化合价、着色的化合物和形成稳定 的络合离子的能力。术语"非金属"意指不具有丢失电子并形成正离子能力的化学元素。
[0028] 符号N代表一种或多种非金属元素。取决于应用，可使用任何合适的非金属元素 或其组合。该合金组合物还可包含多种非金属元素，例如至少两种、至少=种、至少四种或 更多种的非金属元素。在该情况下，符号"N"表示并且包括多种非金属元素，并且化学式可 具有Ni、N2、Ns等。非金属元素可为元素周期表中13-17族中发现的任何元素。例如，非金 属元素可为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 一种。有时，非金属元素还可意指13-17族中的一些类金属（例如B、Si、Ge、As、Sb、Te和 化）。在一个实施方案中，非金属元素可包括B、Si、C、P或其组合。因此，所述合金组合物 包含棚化物、碳化物或两者。
[0029] 符号M表示一种或多种过渡金属元素。例如，M可为轨、铁、饥、铭、铺、铁、钻、镶、 铜、锋、锭、错、魄、钢、得、钉、锭、钮、银、簡、給、粗、鹤、鍊、饿、银、销、金、隶、104号元素、105 号元素、106号元素、107号元素、108号元素、109号元素、110号元素、111号元素、112号元 素中的任何。在一个实施方案中，M可表示Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、册、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中的至少一种。取决 于应用，可使用任何合适的过渡金属元素或其组合。所述合金组合物可包含多种过渡金属 元素，例如至少两种、至少S种、至少四种或更多种的过渡金属元素。在该情况下，符号"M" 表示并且包括多种过渡金属元素，并且化学式可具有Mi、M2、Ms等。在一个实施方案中，过渡 金属元素包括化、Ti、Zr或其组合。
[0030] 含粉末组合物中的合金可为任何形状或尺寸，例如，该合金可具有粒料的形状，其 可具有例如球形、楠球形、线形、杆形、片形、薄片形的形状或不规则的形状。该粒料可具有 任何合适的尺寸。例如，其可具有约1微米-约100微米、如约5微米-约80微米、如约10 微米-约60微米、如约15微米-约50微米、如约15微米-约45微米、如约20微米-约 40微米、如约25微米-约35微米的平均直径。在一些实施方案中，可使用较小的粒料如处 于纳米范围的那些或较大的粒料如大于100微米的那些。
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