專利名稱：用于涂覆基板的復合絲材和使用方法
技術領域：
本申請要求在2003年6月6日提交的美國臨時申請No.60/476,875的優(yōu)先權。本發(fā)明涉及用于基板、尤其是金屬基板的涂層。更具體而言，本發(fā)明涉及用于通過熱噴涂法、噴熔(spray and fuse)法或焊接技術在金屬基板上形成耐磨和耐腐蝕涂層的復合絲材或帶芯絲材。本發(fā)明還涉及利用該復合絲材或帶芯絲材將耐磨和耐腐蝕涂層涂覆到基板上的方法。
背景技術：
熱噴涂是對允許將熔融或半熔融材料沉積到基板上以形成耐磨或耐腐蝕涂層的一類方法的總稱，多年來已知其具有多種形式。熱噴涂法包括等離子體、火焰、電弧等離子體、電弧和燃燒噴涂。電弧噴涂是熱噴涂的一種形式，其包括放入兩個相互面對的導電絲材，以便在絲材頂端之間觸發(fā)電弧，從而使絲材頂端熔融。然后利用壓縮氣體使熔融物質粉化并噴涂到基板上。
這種形式的熱噴涂廣泛用于在各種金屬物件上提供耐腐蝕涂層。例如美國專利No.6,156,443(Dallaire等人)公開了通過電弧噴涂帶芯絲材到暴露于腐蝕劑顆粒的金屬物件上形成的涂層。該帶芯絲材由延性金屬例如鐵、低碳鋼或延性不銹鋼護套和包含粗鐵硼合金顆粒的芯組成。所形成的涂層設計為包含平均尺寸等于或大于腐蝕劑顆粒尺寸的硼化鐵相。
在美國專利No.5,837,326(Dallaire等人)中描述了另一種熱噴涂方法，其公開了一種通過電弧噴涂帶芯絲材到金屬基板上而制造包含遍布于不銹鋼基體的細小二硼化鈦顆?；蚓w的復合涂層的方法。所述帶芯絲材通常包含不銹鋼外護套以及包含二硼化鈦和金屬或金屬合金的壓實粉末的內芯。這些涂層中的顆粒或晶體為軟質不銹鋼基體提供硬度并提高涂層對硬研磨介質的抵抗性。
在美國專利No.6,156,443(Dallaire等人)和5,837,326(Dallaire等人)中公開的用于形成涂層的帶芯絲材的金屬成分沒有高度熔合，因此在某些高溫腐蝕條件下該涂層容易受到腐蝕的侵蝕，例如在鍋爐應用中。
通常，在腐蝕條件下例如在鍋爐中遇到的條件下，耐磨涂層中的粘合金屬(即外護套的金屬)對于涂層的性能至為關鍵。例如，具有鐵基粘合合金的涂層，如ArmacorMTM，在鍋爐條件下表現(xiàn)出大范圍的粘合材料腐蝕，導致涂層的加速磨損。因此而產(chǎn)生的粘結弱化還可由于保護層的完全剝落而導致過早的涂層失效。另外，這些涂層的磁特征阻撓了利用標準設備例如Elcometer進行厚度的測量。
美國專利No.4,741,974(Longo等人)公開了一種用于形成耐磨涂層的復合絲材，其中絲材由具有鐵、鎳或鈷作為主要成分的合金護套形成。復合絲材的芯由包含硼或碳化硼的粉末形成。碳化硼由于其超高硬度而被用于首先考慮磨耗或磨損的涂層中。但是，正如其它傳統(tǒng)復合絲材，在高溫腐蝕環(huán)境中，該耐磨涂層會經(jīng)歷加速磨損。

發(fā)明內容
因此，提供一種用于通過熱噴涂、噴熔或焊接技術在基板上制造耐磨和耐腐蝕涂層的復合絲材。雖然利用本發(fā)明的復合絲材制造的涂層適合于所有溫度范圍，但是涂層的物理性能尤其適合于高溫沖蝕環(huán)境。所產(chǎn)生的涂層表現(xiàn)出良好的硬度、韌性和粘合特性。該復合絲材一般包含金屬外護套和含有碳化硼(BC)和碳化鉻(CrC)的內芯。該金屬外護套可由基本純的金屬或合金形成。如上所述，通常認為粘合劑對于涂層性能是至為關鍵的，粘合劑的選擇將取決于包括所涂覆基板將暴露的環(huán)境在內的幾個因素。通過傳統(tǒng)技術來制造本發(fā)明的復合絲材，其中用外護套包封特別配制的粉末芯。術語“復合絲材”和“帶芯絲材”在本文中同義，用于描述這種絲材。內芯的碳化鉻/碳化硼配方提供了相對于利用傳統(tǒng)復合絲材沉積的傳統(tǒng)涂層的重大改進。碳化鉻和碳化硼的組合使耐磨性提高、增加了金屬粘合硬度、提高了涂層對基板的粘合，并抑制氧化物形成。
外護套可由任意金屬或合金構成。合適的粘合劑材料包括但不限于鐵、碳和低合金鋼、不銹鋼、鎳、諸如鎳銅、鎳鉻、鎳鉻鐵和鎳鉬合金的鎳合金、銅、黃銅、青銅、鋁銅、鋁、鋁合金(1xxx-7xxx)、鈦、鈦合金、鈷合金、鉬和鉬合金、鉭和鉭合金。本發(fā)明的內芯粉末與這些粘合劑的組合產(chǎn)生了具有優(yōu)于傳統(tǒng)涂層的物理性能的涂層。
除了上述復合絲材之外，還提供在基板上形成耐磨和耐腐蝕涂層的方法。該方法通常包括以下步驟提供具有由金屬或合金形成的外護套和包含碳化硼和碳化鉻的內芯的復合絲材；利用該復合絲材并結合熱噴涂、噴熔或焊接技術來涂覆基板。


圖1是625合金電弧噴涂涂層橫截面的電子顯微鏡照片。
圖2是625合金/BC-CrC電弧噴涂涂層橫截面的電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
在下列優(yōu)選實施方案的詳細描述中，應該理解的是，也可以采用其它實施方案而且可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下進行結構變化。
根據(jù)本發(fā)明的涂層具體設計用于經(jīng)受磨損或/和腐蝕的物件。這些物件包括例如鍋爐管、液壓活塞桿、泵殼、紙和鋼鐵工業(yè)中的輥、耐磨板、軸頸和軸承以及渦輪機葉片和外殼。
在一個應用中，設計涂層以保護鍋爐管免受沖蝕相關的損耗并且利用傳統(tǒng)電弧噴涂設備涂覆到鍋爐管上。但是，從下列描述中應該理解，利用以絲材為原料并采用熔化裝置的其它熱噴涂設備，或利用合適的焊接技術也可以將涂層涂覆到鍋爐管上。電弧噴涂方法和設備在本領域中有充分的記載，例如參見美國專利No.6,156,443(Dallaire等人)；5,837,326(Dallaire等人)；歐洲專利No.EP 0 522 438(Zurecki等人)；和PCT專利No.WO 98/00574(Seitz)，其公開內容通過參考并入本文。
本發(fā)明的涂層由復合絲材形成，該復合絲材供給通過傳統(tǒng)的電弧噴涂設備例如在PCT專利No.WO 01/08810(Seitz)中所公開的設備，該專利的公開內容通過參考并入本文。
本發(fā)明的復合絲材包含由金屬或合金形成的外護套。在本發(fā)明一個特別適合于在鍋爐應用中存在的高溫沖蝕環(huán)境的實施方案中，帶芯絲材包含由鉻軸承、鎳基合金例如625合金形成的管狀外護套以及包含碳化硼和碳化鉻的內芯。
優(yōu)選的內芯配方優(yōu)選包含相對于碳化硼的量為約25wt％-約400wt％的碳化鉻。換言之，碳化鉻與碳化硼的比率優(yōu)選在約1∶4-約4∶1的范圍內。更優(yōu)選地，內芯包含相對于碳化硼的量為約67wt％-約230wt％的碳化鉻。換言之，碳化鉻與碳化硼的比率優(yōu)選在約1∶1.5-約2.3∶1的范圍內。在一個優(yōu)選實施方案中，內芯包含相對于碳化硼的量為約100wt％的碳化鉻，換言之，碳化鉻與碳化硼的量基本相等。
內芯中的碳化鉻提高了沉積涂層或焊接覆層的耐磨性。在熱噴涂或焊接期間保留碳化鉻，并且在涂覆期間以熔融形式存在于涂層結構中。但是，這種好處是按比例增加的——使用的碳化鉻越多，效果就越好，但這是以取代碳化硼及其有益效果為代價的。相反，在涂覆涂層期間，大多數(shù)碳化硼不再繼續(xù)作為碳化物而存在。碳化硼在電弧中分解為無雜質的硼和碳，二者均具有顯著的硬化作用。該硬化作用通過熔合和/或擴散過程增加外護套金屬的硬度。碳化硼的一些較大顆?？梢越?jīng)受得住電弧。這些顆粒增加了耐磨性，很像碳化鉻，但是使用碳化硼大顆粒得到的耐磨性不如使用碳化鉻得到的耐磨性有效。另外，在噴涂期間，碳化硼抑制熔融外護套內氧化物的形成。為了實現(xiàn)該效果，內芯中應存在足夠量的碳化硼。優(yōu)選地，至少約35wt％的內芯應由碳化硼組成，以使得形成極少的氧化物。但是，這種好處是按比例增加的——使用的碳化硼越多，效果就越好，但這是以取代碳化鉻及其有益效果為代價的。
除了防止氧化物的形成，碳化硼還降低粘合劑材料(已經(jīng)具有低熔點的鋁除外)的熔化溫度并提高組成沉積涂層的金屬基體的固化特性。這給涂層提供了熔化和自熔合性能。另外，增加了固-液相的溫度范圍(即熔融或凝固過程)。該增加的范圍提高噴涂特性，還提高熔化特性。
除了上述性質之外，本發(fā)明的涂層還更容易安裝和維護。在金屬粘合劑基體中的硼添加劑和碳化鉻硬質相形態(tài)使得涂層的修補相對容易。除此之外，高粘合強度和低涂層殘余壓力使得現(xiàn)有涂層可以經(jīng)過噴砂處理而不會使周圍物質脫膠。
雖然本發(fā)明的內芯配方主要是碳化鉻和碳化硼，但內芯也可以包含其它材料。所述其它材料可包括碳化物例如碳化鎢、碳化鈦、碳化釩等；氧化物例如氧化鋁、氧化鉻、氧化鋯等；和硼化物例如硼化鉻、硼化鎳、硼化鐵等。內芯還可以包括其它金屬粉末例如鋁、鎳、鉻或合金粉末，或復合粉末例如碳化鎢鎳和碳化鉻鎳鉻粉末。
碳化鉻和碳化硼的粒徑會對所涂覆涂層的物理特性有影響。一般，碳化物的顆粒越細，涂層就會越均勻，并且通常耐磨和耐腐蝕性能也越好。但是，成本和制造方面的約束將限制粒徑范圍的下限。美國專利No.4,741,974(Longo等人)公開了關于碳化硼的粒徑的影響，其公開內容通過參考并入本文。
實施例實施例1本發(fā)明復合絲材由包含INCONEL625合金的外護套和包含基本等量的碳化鉻和碳化硼混合物的內芯形成。INCONEL625合金是Special Metals Corporation的產(chǎn)品，含有0.1％C、0.5％Mn、5.0％Fe、0.02％P、0.015％S、0.5％Si、0.5％Cu、至少58％Ni、0.4％Al、0.4％Ti、20.0％-23.0％Cr、3.15％-4.15％Nb+Ta、8.0％-10.0％Mo。由于內芯的新碳化物配方，該復合絲材提供具有良好韌性、低氧化物和良好耐磨性的涂層。另外，由于硼的含量增加了金屬粘合劑的硬度。涂層還表現(xiàn)出良好的粘合特性。如下表所示，與其它涂層相比，由本發(fā)明的復合絲材所沉積涂層(3行和4行)的耐磨性得到提高ASTM G65磨損試驗(15公鐘).

應該注意，如上所述的本發(fā)明的涂層具有低氧化物含量并因此具有較好的熔化特征。CrC/BC-625合金涂層和CrC/BC-FeCr涂層的耐磨性基于熔化而明顯改善。
除了改善耐磨性，金屬粘合劑的總體強度也明顯增加。用CrC/BC-625合金復合絲材沉積的涂層表現(xiàn)出803.2100g/Vickers/10秒的平均硬度測量值。而純625合金的涂層通常為約280-350100g/Vickers/10秒。
實施例2為了說明粘合強度，涂覆沒有任何粗糙度的潔凈光滑的不銹鋼試樣，以確定在剝落發(fā)生(即粘合失效)前可以噴涂多厚的涂層。用純625合金電弧噴涂第一試樣，用包含625合金外護套和內芯的復合絲材噴涂第二試樣，所述內芯包含40wt％的碳化硼和60wt％的碳化鉻。第一試樣在300μm時出現(xiàn)分層，而根據(jù)本發(fā)明涂覆的涂層可以噴涂至高達2000μm，而沒有發(fā)生任何剝落。
實施例3涂覆兩個具有噴砂處理表面的潔凈鋼試樣；用純625合金涂覆第一試樣，用包含625合金外護套和內芯的復合絲材涂覆第二試樣，所述內芯包含40wt％的碳化硼和60wt％的碳化鉻。用錘和鑿使涂層剝脫從而機械破壞所述試樣。純625涂層作為連續(xù)的層從第一試樣剝落，而復合絲材噴涂的涂層不能夠從試樣上分離。更確切地說，復合絲材噴涂的試樣僅在沖擊位置遭受損傷，因而說明了高粘合強度。
如上所述，除了良好的韌性、耐磨性、增加的金屬粘合劑硬度和提高的涂層對基板的粘合，本發(fā)明的內芯配方還抑制氧化物的形成。碳化硼/碳化鉻配方的這種特性如圖1和2所示。
圖1表示純625合金噴涂的涂層的橫截面電子顯微鏡照片。涂層表現(xiàn)出高氧化物含量，其在顯微鏡照片中表現(xiàn)為灰色帶。由于高氧化物含量，625合金涂層將不會像不含氧化物的625合金那樣熔化或熔融。相反，從圖2可以看出，625合金/碳化硼-碳化鉻復合絲材噴涂的涂層表現(xiàn)出少得多的氧化物含量并且可容易在再次熔融和熔化。
雖然625合金是在某些高溫沖蝕應用中用于外護套的優(yōu)選合金，但是也可以使用作為替代方案的金屬和合金。例如，可作為替代方案的鉻承軸鎳基合金包括C-276合金、686合金或690合金。全部由Special Metals Corporation生產(chǎn)的INCONELC-276、686合金和690合金含有0.02％C、1.0％Mn、4.0％-7.0％Fe、0.04％P、0.03％S、0.08％Si、0.5％Cu、余量為Ni、2.5％Co、14.5％-16.5％Cr、15.0％-17.0％Mo、3.0％-4.5％W(INCONELC-276)；0.01％C、1.0％Mn、5.0％Fe、0.02％P、0.02％S、0.08％Si、0.5％Cu、余量為Ni、0.5％Al、0.25％Ti、19.0％23.0％Cr、15.0％-17.0％Mo、3.0％-4.4％W(INCONEL686合金)；和0.02％C、1.0％Mn、7.0％-11.0％Fe、0.015％S、0.5％Si、0.5％Cu、余量為Ni、27％-31％Cr(INCONEL690合金)。也可以根據(jù)產(chǎn)生的涂層所需要的物理性能和涂層將暴露的環(huán)境來使用下列物質鎳銅合金例如400合金、R-405合金等，和鎳鉬合金例如B合金、B-2合金等。
如上所述，金屬粘合劑材料不限于鎳基合金，更確切地說，外護套可以由任意金屬和合金構成。其它合適的粘合劑材料包括但不限于鐵、碳和低合金鋼、不銹鋼、鎳、銅、銅合金(例如黃銅、青銅和鋁銅)、鋁、鋁合金(例如鋁-銅、鋁-錳、鋁-錳-鎂、鋁-硅、鋁-錳-鎂-鉻、鋁-鎂-硅和鋁-鋅-錳-鎂-銅)、鈦、鈦合金(例如鈦與鈀、鉬、鎳、鋁、釩、鈮、鉭、錫、鋯、鉻和鐵的合金)、鈷、鈷合金(例如鈷與鉻、鎳、鉬和鎢的合金)、鋯、鋯合金、鉭和鉭合金。本發(fā)明內芯粉末與這些粘合劑中任意粘合劑的組合產(chǎn)生了具有優(yōu)于傳統(tǒng)涂層的物理性能的涂層。
帶芯絲材可以用傳統(tǒng)的方法形成，通過將不一定是聚集成團的混合物的碳化物混合物置于625合金條或某些其它外護套合金條上，并使其穿過多個拉線模而連續(xù)拉出從而在碳化物內芯周圍形成外護套絲材。根據(jù)應用來決定帶芯絲材的最終外徑。對于大多數(shù)應用，帶芯絲材的最終外徑在約0.8mm-約6.4mm的范圍內。美國專利申請No.6,156,443(Dallaire等人)和6,513,728(Hughes等人)中公開了傳統(tǒng)帶芯絲材的制造方法，其公開內容通過參考并入本文。
雖然根據(jù)具體實施方案對本發(fā)明進行了描述，但是應該理解，對本領域技術人員來說，可以毫無疑問地進行改變和修正。因此，所附權利要求應解釋為覆蓋在本發(fā)明的實質和范圍內的所有改變和修正。
權利要求
1.用于在基板上產(chǎn)生耐磨和耐腐蝕涂層的復合絲材，其包含金屬外護套和含有碳化硼和碳化鉻的內芯。
2.權利要求1的復合絲材，其中外護套由基本純的金屬形成。
3.權利要求1的復合絲材，其中外護套由合金形成。
4.權利要求3的復合絲材，其中合金的基底金屬選自鐵、鎳、鋁、鉬、鉭、銅和鈦。
5.權利要求3的復合絲材，其中合金是鎳基合金。
6.權利要求5的復合絲材，其中鎳基合金包含鉻。
7.權利要求6的復合絲材，其中鎳基合金包含至少約40wt％的鎳。
8.權利要求7的復合絲材，其中鎳基合金還包含鉬。
9.權利要求8的復合絲材，其中鎳基合金是625合金。
10.權利要求1的復合絲材，其中內芯包含相對于碳化硼的量而言約25wt％-約400wt％的碳化鉻。
11.權利要求10的復合絲材，其中內芯包含相對于碳化硼的量而言約67wt％-約233wt％的碳化鉻。
12.權利要求11的復合絲材，其中內芯包含基本等量的碳化鉻和碳化硼。
13.權利要求1的復合絲材，其中內芯包含至少約35wt％的碳化硼。
14.權利要求10的復合絲材，其中內芯除碳化鉻和碳化硼外還包含其它碳化物。
15.權利要求10的復合絲材，其中內芯還包含選自碳化鎢、碳化釩和碳化鈦的至少一種碳化物。
16.權利要求10的復合絲材，其中內芯還包含金屬粉末。
17.權利要求10的復合絲材，其中內芯還包含復合粉末。
18.權利要求17的復合絲材，其中內芯還包含碳化鎢鎳粉末。
19.權利要求10的復合絲材，其中內芯還包含硼化物。
20.權利要求19的復合絲材，其中內芯還包含選自硼化鉻、硼化鎳和硼化鐵的至少一種硼化物。
21.權利要求10的復合絲材，其中內芯還包含氧化物。
22.權利要求21的復合絲材，其中內芯還包含選自氧化鋁、氧化鉻和氧化鋯的至少一種氧化物。
23.在基板上形成耐磨和耐腐蝕涂層的方法，該方法包括以下步驟提供具有金屬外護套和包含碳化硼和碳化鉻的內芯的復合絲材；和利用所述絲材在基板上形成涂層。
24.權利要求23的方法，其中利用所述絲材形成涂層的步驟包括將所述絲材熱噴涂至基板上。
25.權利要求23的方法，其中利用所述絲材形成涂層的步驟包括將所述絲材噴涂至基板上并熔合涂層。
26.權利要求23的方法，其中利用所述絲材形成涂層的步驟包括利用焊接技術將所述絲材沉積至基板上。
27.權利要求23的方法，其中外護套由基本純的金屬形成。
28.權利要求23的方法，其中外護套由合金形成。
29.權利要求28的方法，其中合金的基底金屬選自鐵、鎳、鋁、鉬、鉭、銅和鈦。
30.權利要求28的方法，其中合金是鎳基合金。
31.權利要求30的方法，其中鎳基合金還包含鉻。
32.權利要求31的方法，其中鎳基合金還包含至少約40wt％的鎳。
33.權利要求32的方法，其中鎳基合金還包含鉬。
34.權利要求33的方法，其中鎳基合金是625合金。
35.權利要求23的方法，其中內芯包含相對于碳化硼的量而言約25wt％-約400wt％的碳化鉻。
36.權利要求35的方法，其中內芯包含相對于碳化硼的量而言約67wt％-約233wt％的碳化鉻。
37.權利要求36的方法，其中內芯包含基本等量的碳化鉻和碳化硼。
38.權利要求23的方法，其中內芯包含至少約35wt％的碳化硼。
39.權利要求38的方法，其中內芯除碳化鉻和碳化硼外還包含其它碳化物。
40.權利要求39的方法，其中內芯還包含選自碳化鎢、碳化釩和碳化鈦的至少一種碳化物。
41.權利要求38的方法，其中內芯還包含金屬粉末。
42.權利要求38的方法，其中內芯還包含復合粉末。
43.權利要求38的方法，其中內芯還包含硼化物。
44.權利要求38的方法，其中內芯還包含氧化物。
45.一種基板，其具有根據(jù)權利要求23的方法形成的涂層。
全文摘要
公開了一種用于通過熱噴涂、噴熔或焊接技術在基板上產(chǎn)生耐磨和耐腐蝕涂層的復合絲材。該涂層的物理性能特別適合于高溫沖蝕環(huán)境。所得涂層表現(xiàn)出良好的硬度、韌性和粘合特性。該復合絲材包含金屬外護套和含有碳化硼和碳化鉻的內芯。
文檔編號B23K35/368GK1802448SQ200480015736
公開日2006年7月12日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權日2003年6月6日
發(fā)明者邁克爾·沃爾特·塞茨 申請人:邁克爾·沃爾特·塞茨