形成具有功能梯度材料的新颖组合物的金属或陶瓷制品的方法和包含所述组合物的制品的制作方法
【专利说明】形成具有功能梯度材料的新颖组合物的金属或陶瓷制品的 方法和包含所述组合物的制品
[0001] 发明描述
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2012年9月27日提交的美国临时申请第61/706, 693号和2012年12 月13日提交的美国临时申请第61/736, 791号的权益，这两件临时申请的公开内容均以引 用方式并入本文中。 发明领域
[0004] 本发明涉及一种通过形成不同组成的粉末的生坯体并压实和烧结此类生坯体来 制备具有非均匀组成的金属和陶瓷制品（例如钻机、磨机、切削和成形工具、线模和机械组 件）的方法。
[0005] 发明背景
[0006] 工具寿命是由工具对若干种类型的磨损的耐性和其对重负荷和冲击的反应来决 定，而现实是耐磨性的增加通常以牺牲强度为代价。现今，最佳工具呈现最佳折衷，因此在 特殊应用中的使用受限。为限制此类折衷，已使用涂布技术来不仅提供较长的工具寿命，而 且还提供增加的切削速度和进料。粉末冶金和烧结已引起开发具有提高硬度和韧性的新 材料。例如通过化学气相沉积（CVD)、物理气相沉积（PVD)或等离子体辅助化学气相沉积 (PACVD)向烧结合金中添加硬涂层会增加耐磨性。
[0007] 通过各种工程改造（包括层压、部件几何形状）和通过额外机械和/或热过程以 提高局部耐磨性来改善机械性能。然而，这些额外过程会增加成本且耗费时间，并且通常需 要更多工艺步骤，例如铜焊、锻造、热处理、研磨或磨光。
[0008] 外部涂布溶液具有若干主要缺点，包括在使用中涂层脱层和开裂（由不同涂层和 基底热膨胀率以及弯曲和表面负荷所致）并且所需高CVD工艺温度（900°C至1200°C)可 能不符合烧结部分的强度或几何形状所需的热处理。
[0009] 此外，即使在工具表面上使用高性能涂层，涂层最终仍会失效，并且由于基础材料 的性质不足以在切削速度下操作，因此工具会极快地失效。尽管此类工具可通过重新施加 CVD涂层得以恢复，但一个涂层或多个涂层的重新施加通常在经济上不可行。
[0010] 因此，本发明的一个目的是提供一种新颖功能梯度材料（FGM)，其具有可在工具或 制品中的不同位置处进行改变而在工具或制品中的不同区域间的界面处不表现出失效的 性质。此新颖FGM由可烧结生坯粉末（其可为增塑粉末）与常见或相容基质和粘合剂材料 组合而成，所述基质和粘合剂材料使得经设计的界面具有过渡型梯度并且结合强度是常规 层状界面中的结合强度的许多倍。
[0011] 本发明的另一目的是相对于常规磨损层压体使得工具或制品的工作表面和切削 边缘处的可用磨损极限、摩擦系数和韧性性质增加。
[0012] 本发明的另一目的是提供除接受中性或较弱界面外的性质的经设计和改造的过 渡。本发明的另一目的是提供经济的制造，其通过以下方式实现：(a)减少所需昂贵材料的 量，（b)使用连续挤出、粉末注射模制（PIM)、或增塑粉末金属和陶瓷的压延或粉末金属和 陶瓷的干燥粉末层覆，和（c)通过减少工艺步骤或生产工具或部件所需的工艺步骤的数量 来降低成本。
[0013] 这些目的是通过由不同类型的压实和烧结材料（例如坚韧涂布硬质粉末（TCHP)) 形成工具或制品来实现，如美国专利6, 372, 346中所公开，该专利全文以引用方式并入本 文中。此类材料表现出提供优异金属切削工具和制品所需的性质的组合。由于将粒子结合 至由TCHP构成的烧结制品中的粘结剂材料的性质，层压体之间的界面异常强。此强度通过 使用挤出或注射模具、辊或模具形式使材料逐渐过渡而得以进一步增强，此类形式提供在 其层状界面处互锁不同材料的独特凹槽。
[0014] 发明概述
[0015] 根据本发明，提供一种制备功能梯度材料的制品的方法。所述方法包括：提供复合 粉末，例如此前提及的TCHP和至少一种〃载体"粉末。
[0016] 在一个实施方案中，第一粉末由多个核粒子构成，所述核粒子基本上由具有式MaXb 的第一金属化合物或多种金属化合物组成，其中M为选自以下的金属：钛、锆、铪、钒、铌、 钽、铬、钼、钨、铝、镁、铜和娃；X为选自氮、碳、硼、硫和氧的元素；并且a和b为大于0至高 达且包括14的数。
[0017] 在一个非限制性实施方案中，核粒子材料选自：TiN、Ti(C，N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、 ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、A1203、Si3N4、SiB6、SiAICB、B4C、B203、W2B5、WB2、 WS2、AIN、AHfeB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2、MoFeB(硼化铁钼）、金刚石及其混合物。
[0018] 所述核粒子上具有基本上由第二金属化合物组成的中间层，所述第二金属化合物 的组成不同于第一金属化合物且具有更高的相对断裂韧性。所述第二金属化合物能够与所 述第一金属化合物结合且能够与选自铁、钴、镍、铜、钛、铝、镁、锂、铍、银、金和铂的金属结 合。所述核粒子与所述中间层的组合形成被涂布粒子。
[0019] 第一粘结剂覆盖被涂布粒子上的中间层并且粘结剂包含铁、钴、镍、其混合物、其 合金或其金属间化合物中的至少一者。在一个实施方案中，第二粉末混合物（例如具有核 粒子或不同于第一TCHP粉末的其它组分的TCHP粉末）可形成第二粉末混合物。
[0020] 为制备TCHP颗粒物质的第一粉末和第二粉末以用于经由异形模具或辊挤出、注 射或压延至预压实模具中，可将其增塑成高粘度但可流动且可模制状态。通常用于增加本 文所述粉末的流动性的增塑粘结剂包括但不限于石蜡、硬脂酸、乙烯双-硬脂酰胺（EBS)、 乙烯-醋酸乙烯酯、增塑剂（例如聚乙烯醇、聚乙二醇或合成树脂）和混合或共混的类似有 关有机化合物，例如上述共聚物。这些增塑剂可在添加或不添加最通常30°C至150°C范围 内的热的情况下在挤出、注射或压延之前或同时与多个组分粒子混合。就干燥粉末层覆而 言，将粉末质流控制传送至其组合点并在不借助挤出机、注射机或压延机的情况下在模具 中压实。可使用蜡作为固结和脱模助剂。
[0021] 坚韧涂布硬质粒子（TCHP)是通过用极坚韧材料（包括碳化钨+钴或钢）包封极 硬核粒子（包括立方氮化硼、金刚石、氧化铝、碳化硅和氮化钛）而形成的经设计的微结构， 并且在一些情形下为纳米结构，所述极坚韧材料在固结过程中变成邻接基质。在单一TCHP 变型中，可共存的期望性质与存在于其均匀坚韧基底中的不同核粒子材料一样多。在一个 优选实施方案中，TCHP粉末含有9-10重量％范围内的Co。此优选材料的烧结收缩率为约 16%〇
[0022] 第一塑性粉末混合物中的邻接基质提供将耐磨粒子保持在原位的坚韧载体基质。 此塑性粉末混合物位于主要功能为耐磨性、低摩擦系数和/或其它期望性质或性质组合 (例如导热性和导电性、耐腐蚀性或热膨胀系数）的区中或表面上。
[0023] 第二塑性粉末混合物的功能是提供主要功能为提供增加的断裂韧性和/或其它 期望性质或性质组合（例如导热性和导电性、耐腐蚀性或热膨胀系数）并降低成本的基底 层或区。在一个实施方案中，第二复合粉末的化学组成极类似于第一塑性粉末混合物的邻 接基质（或至少与其可结合且可烧结）。这产生提供与两个基底相比不减少的界面强度的 冶金或化学结合。
[0024] 在一个实施方案中，第二粉末为钴涂布的WC粒子或WC-Co混合物的复合材料或为 钢、工具钢、不锈钢、钛、铝或基本上与第一粉末的邻接基质相同的其它粉末。
[0025] 或者，第二粉末组合物在化学或冶金上与第一粉末的邻接基质相容且可结合。
[0026] 然而一些层压体需要不同层中存在的粘结剂或结合成分或化合物的量明显不同 以促进在各层之间扩散并结合，因此具有经选择以具有基本上等效的粘结剂或结合相的功 能梯度TCHP基层压体的基底材料层压并不合适。
[0027] 本文所述的方法还可包含如此前所述的额外TCHP粉末的任何数量的混合物。例 如，在一个实施方案中，公开了一种或多种此前所述的载体粉末和至少两种此前所述的 TCHP粉末，例如，基本上由具有式MaXb的金属化合物组成的核粒子，其中M为选自以下的金 属：钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铝、镁、铜和硅；X为选自氮、碳、硼、硫和氧的元素；并且 a和b为大于0至高达且包括14的数。
[0028] 在一个非限制性实施方案中，核粒子材料选自：TiN、Ti(C，N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、 ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、A1203、Si3N4、SiB6、SiAICB、B4C、B203、W2B5、WB2、 WS2、AIN、A頂gB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2、MoFeB、金刚石及其混合物。
[0029] 在一个实施方案中，核粒子材料包含化学计量范围内的混合Fe-Mo-B化合物，其 可被作为类似取代基的Co、Ni取代。
[0030] 在另一非限制性实施方案中，中间层选自：WC、TaC、W2C以及WC与W2C的混合物。
[0031] 第二混合物的核粒子具有至少M、X、a和b中的至少一者，不同于第一塑性混合物 中的M、X、a和b。第二混合物的核粒子上具有基本上由第一塑性混合物的第二金属化合物 组成的中间层。第三化合物的核粒子和其中间层的组合形成第二被涂布粒子。
[0032] 各种粉末混合物成型为生坯体以使得第一粉末形成生坯体的第一部分，第二粉末 混合物形成生坯体的第二部分等等。
[0033] 成型、成形和压制生坯体组合体的非限制性方法包括挤出、共挤出、粉末注射模 制、带式浇注、压延、干燥粉末层覆、浆液浇注、离心浆液浇注和湿粉末喷雾，浆液用于三维 形状，离心用于涂布管，且湿喷雾用以沉积出轴对称形状。
[0034] 为在各层之间实现真实改造的过渡区，可在挤出、注射、压延或干燥粉末递送装置 中提供带有陡峭凹槽的挤出模具，所述挤出模具提供不同生坯层之间的更紧密界面以提供 过渡界面区中不同材料的新颖互锁瓦状重叠。
[0035] 磨损区中所用的一种材料为TCHP。此外，结构区中所用的材料由与降低体积百分 比的核粒子一起或无核粒子用于TCHP中的中间和粘结剂层材料组成。随后可压实生坯体 组合体以形成压实体或可将其直接注射至模具中。然后烧结所述压实体以形成具有不同性 质的区的制品，生坯体的第一部分形成制品的硬的耐磨部分，且生坯体的第二部分形成制 品或组件的坚韧的强负荷承载部分。
[0036] 将作为功能梯度材料的生坯粉末混合物新颖地结合在一起使得术语〃功能梯度" 成为现实。例如，其可以较少操作为通常需要热或物理操作（例如需