金属基质陶瓷丝材制造技术及应用的制作方法

专利名称：金属基质陶瓷丝材制造技术及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电弧喷涂エ艺或热喷涂エ艺的丝材原料并且尤其涉及具有多个层的复合丝材原料。2.背景信息论述
在美国专利5，514，422号中公开了ー种用于热焰应用的复合丝材，该公开通过引用方式明确地整体并入本文。该复合丝材包括围绕固体丝芯镀上的共沉积金属、固体润滑剂和耐磨颗粒的复合涂层。可设置任选的铜保护套管来防止复合涂层的氧化并改善进料穿过夹紧辊和射孔。该复合丝材用于制备沿气缸孔壁的金属基质复合涂层。由美国专利7，449，249号得知用于以金属基质涂覆基材的喷涂粉末。根据提到的专利，金属基质可以作为金属间相或金属间化合物涂敷到，例如轴承部件。该美国专利7，449，249号的公开内容通过引用方式明确地整体并入本文。发明概述
本发明的多种实施方式制备了热喷涂丝材，它能够用于双丝电弧喷涂或任何其它喷涂エ艺，例如等离子转移电弧喷涂(PTWA)，其中按照传统这些喷涂エ艺不能使用陶瓷、金属陶瓷或其它半导电的或绝缘的丝材(即，陶瓷或金属基质，即陶瓷-金属材料)，因为喷涂技术依靠丝材的导电性来构成回路，并且也因为难以由具有足以进料穿过加工设备的结构完整性的这些绝缘材料和/或半导电材料来制备丝材材料。最終的材料组合可以使它们也能够用于非常规的或非典型性的焊接应用。该技术使得能够将低或非导电性的材料用于那些由于依赖丝材原料的导电性而通常依靠导电性涂层材料来完成涂覆功能的方法。在实施方式中，第一种丝材类型可以形成为填充的中空丝材，其中该中空丝材填充有基质并且该基质是绝缘的和/或半导电的粉末材料。可设置外部导电合金(或纯金属)壳以在涂敷喷枪内构成电路使所述过程能够进行。在另ー种实施方式中，外部导电合金(或纯金属)壳可以设计成在涂敷过程中完全消耗从而不会给所涂敷涂层中的芯材基质材料増加任何(或者尽可能少的)金属成分。该壳导电足够好以使其它丝材成分在电弧等离子体中熔化并在基材上产生涂层。本技术的ー个实例可以是设置在薄铝壳内部的氧化铝层。在喷涂过程中，该外壳会被高操作电流汽化，而氧化铝副产物涂敷到基材上。得到的涂层主要为氧化铝，夹杂有极少的痕量的纯铝。而且，使用氧雾化气体可以增加氧化物的产率并减少纯金属夹杂物。可以预见导电壳的厚度介于I密耳(O. 025mm)到约10密耳(O. 250mm)之间，优选厚度约2-5密耳(O. 50-0. 125mm)。也可以预见丝材的内径由壳的厚度決定。在结合使用金属和陶瓷的金属基质涂层的情形中，制成的丝材具有导电材料的外“売”，而该材料也要求作为最终涂层的基质中的金属部分(制备方法不同于MetcO405丝材)。该外部导电壳可以为基本上纯的金属或合金。该丝材的内芯既可以是纯陶瓷(绝缘体)，也可以是陶瓷-金属掺混物(半导体)，其金属部分既可以是所需组成的最終合金，也可以是预定比例的基本上纯的金属，以在与来自该丝材的导电外壳的剰余材料结合时在最終涂层中产生所需的金属合金成分。在其它实施方式中，在上述第一种类型丝材的基础上通过增加中心纤丝或中心丝来构造第二种类型的丝材。在这种方式中，该中心丝可与其它两层基本同轴。由此，例如， 该中心丝可以被绝缘的和/或半导电的基质，和导电的合金(或是基本上纯的金属)外壳围绕。该“中心丝”根本无需为金属丝，因为取决于涂敷エ艺和所需涂层，该元件的导电性可能是无关紧要的。使用该丝材，可以使用那些在常规条件下不能或不会形成合金的材料，或者那些在受成本限制不能以粉末形式使用时能够以“丝”或“纤丝”形式实施的非导电元件，来在基材上生成涂层。实例是外部氧化铝壳、碳化铬基质(压缩粉末)和中心聚酯丝。在其它的实施方式中，该丝材可以具有导电的金属外壳、容纳在其内的低导电性或基本没有导电性的陶瓷基质、和単一的金属合金芯，根据需要调整粉芯丝材的规格和化学组成来产生所需的最终涂层性能。其它的实施方式仅依赖于最外层壳是导电的，而其它丝材成分根本无需是金属或金属合金，并且根本不要求是导电的。之前提到的塑料(聚酷)在本实施方式中作为可用的中心丝。在进ー步的实施方式中，导电外壳具有适当的厚度以在该过程中完全汽化(例如，铝)，由此将最终涂层中的金属成分降低到零，或接近零。该技术的非限定性的实例是在填实的氧化铝粉末上的铝壳。可以预见导电外壳的厚度介于I密耳(O. 025mm)到约10密耳(O. 250mm)之间，优选厚度约2-5密耳(O. 50-0. 125mm)。也可以预见该中心丝或中心纤维/纤丝具有介于约I密耳和最大直径之间的直径，该最大直径由导电外壳的内径决定和限制。在其它的实施方式中，在包入壳内之前用基质材料涂覆中心丝或中心纤维/纤丝。在其它的实施方式中，用基质材料涂覆中心丝或中心纤维/纤丝，然后用金属或合金涂覆该复合物以形成导电外売。本发明的实施方式涉及热喷涂丝材，其包括纵向延伸的内层、具有同轴地围绕该内层的填实的粉末材料的第一层、和同轴地围绕第一层的第二层。该内层包括金属和聚合物中的至少ー种，第一层是导电层或者非导电层，而第二层是导电的。根据实施方式，第一层可以是陶瓷、半导电层、和陶瓷-金属掺混物中的至少ー种。根据其它的实施方式，第二层可以包括金属，该金属是最终涂层的基质的金属部分的成分。
更进一歩地，第二层可以是与第一层成预定比例的纯金属。根据本发明的其它实施方式，所述内层、第一层和第二层可以包含待涂敷到气缸孔(cylinder bore)上的涂层的成分。本发明的实施方式涉及热喷涂丝材，其包括内层、围绕该内层的粉末材料层、和同轴地围绕该粉末材料层并将其围绕内层压实的外层。在实施方式中，所述粉末材料可以包含导电材料或者非导电材料，而且所述外层可以是导电材料。根据实施方式，所述热喷涂丝材可以是气缸孔上的涂层的前体。根据进ー步的实施方式，所述内层可以包含金属和聚合物中的至少ー种。 更进一歩地，所述内层可以包含陶瓷、半导电层、和陶瓷-金属掺混物中的至少ー种。根据其它的实施方式，所述内层可以包含液体和气体中的至少ー种。更进一歩地，所述内层的端部可以是可耦联到液体和气体中至少ー种的供应源的。这些液体和气体可以在涂覆过程中用作反应剂或还原剂。根据本发明其它的实施方式，所述外层可以是金属，该金属是最终涂层的基质的金属部分的成分。根据其它实施方式，所述外层可以是与粉末材料层成预定比例的纯金属。此外，所述内层、粉末材料层和外层可以包含待涂敷到发动机气缸孔上的涂层的成分。在进ー步的实施方式中，所述内层、粉末材料层和外层中的至少ー个可以不是待涂敷到气缸孔上的涂层的成分。根据本发明的其它实施方式，所述内层可以是非导电的。在其它实施方式中，该内层可以是具有非圆形横截面形状的成型(shaped)元件或异形(profiled)元件。仍然更进ー步地，内层的尺寸限定了给定横截面上的组成材料的比例。在其它实施方式中，该内层可以是中空的。本发明的实施方式涉及形成热喷涂丝材的方法，其包括用粉末材料层围绕内层；和压紧围绕该粉末材料层的导电套管使得该粉末材料层围绕内层填实。所述内层、粉末材料层、和导电套管中的至少ー个包含待涂敷到发动机气缸孔上的涂层的成分。根据实施方式，该方法进ー步包括确定热喷涂丝材横截面上的组成材料的比例，和调整至少所述内层的尺寸和几何形状中的至少ー者以达到该比例。根据其它实施方式，所述内层可以包括成型元件或异形元件。本发明的实施方式涉及用于涂覆气缸孔的热喷涂丝材。该热喷涂丝材包括纵向延伸的内层，围绕该内层的第一层，和包括压紧填实的粉末材料的第二层，该粉末材料容纳在第一层内并同轴地围绕所述内层。该内层包含金属和聚合物中的至少ー种，第二层是导电层或非导电层，且第一层是导电材料，该导电材料构造并布置成从热喷涂设备传导足够的电流以使第一层、第二层、和内层熔化用于涂覆气缸孔。根据本发明的其它实施方式，第二层可以是陶瓷、半导电层、和陶瓷-金属掺混物中的至少ー种，并且内层可以是导体和非导体中的至少ー种。本发明的其它示例性的实施方式和优点可以通过阅读本公开和附图加以确定。附图简介下文的详细说明參照附图并通过本发明的非限制性的示范性的实施方式对本发明作了进ー步描述，其中。图I显示了按照实施方式的粉芯丝材的示意 图2显示了内层的ー种可供选择的实施方式；
图3显示了内层的另ー种可供选择的实施方式；
图4显示了内层的另ー种可供选择的实施方式；和 图5显示了内层的又ー种可供选择的实施方式。实施方式详述
在此显示的详细内容是以示例的方式并且仅用作本发明实施方式的说明性论述并且是为了提供对于本发明原理和概念的最有用和易于理解的说明。由此，除去理解本发明所必须的内容之外，并未试图显示出本发明更多的结构细节。參照附图的说明使得如何在实践中实施本发明的若干形式对于本领域技术人员而言是显而易见的。图I显示了本发明的一种示例性的实施方式。尤其是，粉芯丝材I包括三个同轴层2、3和4。粉芯丝材I可以形成为具有例如约1/8〃(3. 2_)的外径，这使其能够用于常规的双丝电弧设备，例如等离子转移电弧(PTWA)喷涂或其它常规的丝材涂敷设备。当然，应当理解粉芯丝材I的外径尺寸可以选择为用于其它的常规热喷涂或等离子体喷涂设备而不会偏离本发明的精髄和范围。外层2由导电外壳构造而成，非限定性的例子是Al、Ni、Cr、Cu、Ti、Fe、Mo、Mb、钢或它们的合金。当然，如下文所论述地，用于最外层2的具体材料和厚度的选择取决于粉芯丝材I待使用的场合。在实施方式中，外层2可优选为Al、Ni、Cr、Cu、Fe或它们的合金，并且更优选为Al、Ni、Cu或它们的合金。中间层3可优选为非导电的绝缘层如陶瓷，非限定性的例子包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，或者半导电层如陶瓷-金属掺混物，非限定性的例子包括氧化铝。中间层3的陶瓷或陶瓷-金属掺混物可以是位于外层2内的填实粉末层的形式。取决于粉芯丝材I的具体应用，中间层3还可以由以下物质形成或者包含以下物质作为填充粉末的组成部分，非限定性的例子包括塑料如聚酯或聚氨酯、石墨、聚四氟こ烯(PTFE)、固体润滑剂如六方氮化硼(HBN)或聚结的(agglomerated)氮化硼(ABN)。在实施方式中，可优选使用陶瓷-金属掺混物(金属基质材料)作为中间层。在进ー步的实施方式中，可更优选额外地包括塑料或固体润滑剂作为中间层的一部分。作为非限定性的例子，内层4可以形成为导电丝，例如固体金属如Al、Ni、Cr、Cu、Ti、Fe、Mo、Mb、钢或它们的合金;优选Al、Ni、Cr、Cu、Fe或它们的合金；更优选Al、Ni、Cu或它们的合金。作为其它非限定性的例子，内层4可以形成为非导电纤丝或多纤丝，例如塑料如聚こ烯或聚氨酯，或其它有机或无机基的纤维。在实施方式中，内层4还可以包括单个或多个纤维例如石墨、聚四氟こ烯(PTFE)，固体润滑剂例如HBN或ABN等。在内层4为非导电的更进ー步的实施方式中，内层4可优选是塑料、PTFE或固体润滑剤，并且更优选是聚こ烯、聚氨酷、HBN或ABN。外层2的厚度介于约I密耳(O. 025mm)到约10密耳(O. 250mm)之间，并厚度优选介于约2到5密耳(O. 050-0. 125_)之间。通过导电外层3的厚度和选用作涂层的特定材料的电导率来调整粉芯丝材I的エ艺温度。在实施方式中，外层2传导电弧喷涂设备内产生的电流，该电流加热外层2并由此加热中间层3然后是内层4。当外层2加热至エ艺温度时，外层2的导电材料熔化并且熔融的材料被导向目标基材。进ー步地，中间层3被电弧喷涂设备加热以使绝缘材料熔化并且额外地将熔融的绝缘材料导向目标基材。这样，金属-基质涂层便可以涂敷到基材上，例如气缸孔上。当在基材上的涂层中期望有额外的金属时，内层4可以是导电层，它被加热到其熔点使得熔融的材料能够沉积在基材上。作为示例，内层4的导电材料可以与形成外层2的导电层相同或不同。这种示范性的实施方式的有利之处在于能够通过调节外层2的厚度和通过内层4的导电材料的横截面积来控制涂敷到基材上的导电材料的数量。此外，在其它的实施方式中，导电外层2可以是以预定厚度设置的基本上纯的金 属，以相对于形成中间层3的陶瓷或陶瓷-金属掺混物达到预定的比例，以在最终涂层中产生所需的合金成分。仍然更进ー步的，可以通过将中间层3形成为牺牲层如纤维素或泡沫来在基材上的形成复合金属涂层，该牺牲层适用于在涂敷过程中汽化或消耗棹。通过这种方式，来自外层2的熔融导电材料可以与来自内层4的熔融导电材料结合以在基材上获得复合金属涂层。根据其它的实施方式，外层2可以是中空的丝材，如图2所示。在这一点上，内层4的外径可以增加或降低，以对于给定厚度的外层2，例如约1/8" (3. 2mm)，相应地減少或増加绝缘材料的横截面积。在这样的实施方式中，内层4可以是导电丝或非导电纤丝，取决于待涂敷的涂层中所需的材料性质。由于粉芯丝材I的外径沿其长度保持基本恒定并且与常规电弧喷涂设备中使用的常规粉芯丝材或多种丝材的外径相一致是有益的，例如1/8〃(3. 2mm),因此可以通过调节内层4的外径(有时调节其内径)和/或外层2的厚度来控制导电材料与绝缘材料的比例。在进ー步的实施方式中，内层3可以是成型的丝或纤丝。成型或异形的丝材进料，如图3所示，在2007年I月25日申请的美国专利申请11/657，664号中进行了描述，其公开内容通过引用方式明确地整体并入本文。如上述应用中所述，通过将丝材进料成型或压型，例如包括倒圆的凸角，由于增大了丝材暴露于燃烧器喷嘴的横截面的表面积，因而可以增加丝材的进料率并且可以改善热效率。至于中空丝或纤丝，可以通过调节内层4的几何形状和/或尺寸和/或外层2的厚度来控制导电材料与绝缘材料的比例。更进一歩的，如图4所示，成型的丝材或纤丝4可以是中空的以辅助调节导电材料/绝缘材料的比例。在其它的实施方式中，外层2的エ艺温度可以设定为使得外层2的导电材料能够熔化并汽化，而不是将该导电材料与基质材料一起涂敷到目标基材上，由此将最终涂层中的金属成分減少至零，或接近零。作为非限定性的例子，这样的涂层可以通过铝氧化物中间层和牺牲内层4上的铝外层3形成。进ー步地，内层4可以是要沉积到基材上的导电材料，如

图1-4所示，其构造并且布置在绝缘材料中以调节导电/绝缘材料的比例。在进ー步的可供选择的实施方式中，内层4可以是非导电纤丝，例如塑料，其充当汽化而不涂敷到基材上的牺牲层。由于该可供选择的实施方式中的内层4并不用于涂敷到基材上，因此其几何形状和/或尺寸可以调节以确立所需的导电材料与绝缘材料的比例。根据其它的实施方式，非导电内层4可以是聚合物或塑料，该聚合物或塑料熔化并与金属和/或绝缘材料一起涂敷到基材上以在涂层中形成夹杂物或孔穴，例如可磨耗(abradabIe)涂层。
在实施方式中，作为非限定性的例子，内层4可以是气体或液体。如图5所示，在外层2内部可以提供中空的绝缘中间层3。而且，中间层3的中空部分可以填充有气体，例如空气。可以进ー步预期将供应源5与粉芯丝材I的和火焰相对的一端耦联使得可以供给一种或更多种气体作为内层4通过中间层3的中空部分。具体的气体(多种气体)和/或压力可以由用户选择以便进一步优化粉芯丝材I中组成材料的熔化和/或汽化。作为例子，这些液体和气体可以在涂覆过程中用作反应剂或还原剂。在另ー种变型中，内层4可以由玻璃、粘稠的导电或非导电液体、或用户所期望的用于加强基材涂层的其它液体形成。此夕卜，应当理解供应源5也可以布置成与粉芯丝材的和火焰相对的一端耦联使得可以供给一种或更多种液体作为内层4通过中间层3的中空部分。通过这种方式，具体的液体(多种液体)和/或压カ可以由用户选择以便进一步优化粉芯丝材I中组成材料的熔化和/或汽化。根据其它实施方式，内层4可以由固体、液体和气体成分的各种组合形成。从这ー点看来，參照图2中的实施方式,应当理解气体或液体可以供应到或穿过内层4的中空开孔以加强涂层到基材上的涂敷。进ー步地，參照图3所示的实施方式，可以预期当中间层3布置成围绕内层4时，可以在中间层3与位于倒圆凸角的底部会聚处的夹点之间形成小的沟 槽。应当理解可以通过这些沟槽按上文所述的方式供给气体和液体，从而给用户提供基材涂覆方式上的额外的选择。在具体实施方式
中，外层2可以是由金属形成的导电壳，该金属也需要作为最终涂层的基质的金属部分。在另ー种实施方式中，该导电壳可以是与陶瓷或陶瓷-金属掺混物第一层成预定比例的基本上纯的金属以在最终涂层中形成所需的合金成分。作为示例，本发明的粉芯丝材可以通过如下方式来形成，围绕所需的内层4材料填充中间层3的组成材料，然后围绕这些成分夯下形成外层2的管。这样，中间层材料的成分围绕内层材料的成分填充在外层内并被外层以机械方式压实，而不是通过镀层方法附着到内层材料上。当然，虽然可以预期其它エ艺来生产本申请的粉芯丝材而不会偏离本发明的精髄和范围，但是围绕内层填实的涂层较内层上的镀层更为优选。根据实施方式的粉芯丝材可用于给内燃机的气缸孔、天然气压缩机气缸孔等等的内部部分涂敷涂层。当然，由于所公开的粉芯丝材的各层可以根据用户所需的应用而变化，在此描述的粉芯丝材可以用于几乎任何通过热喷涂设备向基材涂敷涂层的应用中。应当说明的是前述的实施例仅作说明之用，不应以任何方式解释为对本发明的限制。尽管參照一些示范性的实施方式对本发明进行了说明，应当理解在此使用的表述是说明性的表述，而不是限定性的表述。在所附权利要求的范围内可以按照本文所述方式或修改的方式做出各种更改而不会偏离本方面各方面的精髓或范围。尽管在本文中參照具体的装置、材料和实施方式对本发明进行了说明，但是并不意欲将本发明限定到本文公开的具体细节；相反，本发明延伸到所有功能等同的结构、方法和应用，例如落入权利要求范围内的那些。
权利要求
1.热喷涂丝材，包括 内层； 围绕内层的粉末材料层；和 外层，该外层同轴地围绕并且压紧围绕内层的粉末材料层。
2.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述粉末材料包含导电材料或非导电材料并且所述外层是导电材料。
3.权利要求I的热喷涂丝材，它是气缸孔上的涂层的前体。
4.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层包含金属和聚合物中的至少ー种。
5.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层包含陶瓷、半导电层和陶瓷-金属掺混物中的至少ー种。
6.权利要求I的热喷涂丝材，所述内层包含液体和气体中的至少ー种。
7.权利要求6的热喷涂丝材，其中所述内层的端部是可耦联到液体和气体中至少ー种的供应源的。
8.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述外层是金属，该金属是最终涂层的基质的金属部分的成分。
9.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述外层是与粉末材料层成预定比例的纯金属。
10.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层、粉末材料层、和外层包含待涂敷到发动机气缸孔上的涂层的成分。
11.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层、粉末材料层、和外层中的至少ー个不是待涂敷到气缸孔上的涂层的成分。
12.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层是非导电的。
13.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层是具有非圆形横截面形状的成型元件或异形元件。
14.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层的尺寸限定了给定横截面上的组成材料的比例。
15.权利要求I的热喷涂丝材，其中所述内层是中空的。
16.形成热喷涂丝材的方法，包括 用粉末材料层围绕内层；和 压紧围绕粉末材料层的导电套管使得该粉末材料层围绕内层填实， 其中所述内层、粉末材料层、和导电套管中的至少ー个包含待涂敷到发动机气缸孔上的涂层的成分。
17.权利要求16的方法，进ー步包括 确定热喷涂丝材横截面上的组成材料的比例；和 调整至少所述内层的尺寸和几何形状中的至少ー个以达到该比例。
18.权利要求16的方法，其中所述内层包括成型元件或异形元件。
19.用于涂覆气缸孔的热喷涂丝材，包括 纵向延伸的内层； 围绕内层的第一层；和 包含压紧填实的粉末材料的第二层，该粉末材料容纳在第一层内并且同轴地围绕内层； 其中内层包含金属和聚合物中的至少ー种，第二层是导电层或非导电层，且第一层是导电材料，该导电材料构造并布置为从热喷涂设备传导足够的电流以使第一层、第二层、和内层熔化以用于涂覆气缸孔。
20.权利要求19的热喷涂丝材，其中第二层是陶瓷、半传导层、和陶瓷-金属掺混物中的至少ー种，并且内层是导体和非导体中的至少ー种。
全文摘要
本发明涉及热喷涂丝材和形成热喷涂丝材的方法。该热喷涂丝材包括内层、围绕内层的粉末材料层、和同轴地围绕并且压紧围绕内层的粉末材料层的外层。
文档编号C25D15/00GK102869814SQ201180023335
公开日2013年1月9日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月11日
发明者J.利奇 申请人:苏舍美特科(美国)公司