專利名稱：高級抗侵蝕碳氮化物金屬陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及金屬陶瓷，特別是含有金屬碳氮化物的金屬陶瓷復(fù)合物。這些金屬陶瓷適用于需要具有優(yōu)異的抗侵蝕和抗腐蝕性的材料的高溫應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
抗侵蝕材料可用于表面受到侵蝕力的許多應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在各種化學(xué)和石油環(huán)境中，暴露在含有堅硬的固體粒子(例如催化劑粒子)的侵蝕性流體中的精煉工藝容器壁和內(nèi)件會受到侵蝕和腐蝕。保護這些容器和內(nèi)件免受由侵蝕和腐蝕引起的材料降解(尤其是在高溫下)是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。對于需要保護以免受到最嚴(yán)重的侵蝕和腐蝕的組件，例如用于將固體粒子與流體流分離的內(nèi)部旋風(fēng)分離器(例如用于將催化劑粒子與工藝流體分離的流化床催化裂化裝置(FCCU)中的內(nèi)部旋風(fēng)分離器)的內(nèi)壁，目前使用的是耐火襯里。抗侵蝕材料的現(xiàn)有技術(shù)是將可鑄氧化鋁耐火材料進行化學(xué)結(jié)合。將這些可鑄氧化鋁耐火材料施用到需要保護的表面上，并在熱固化時硬化并通過金屬錨栓(anchor)或金屬加強件粘附到表面上。其也容易結(jié)合到其它耐火表面上。市售耐火材料的典型化學(xué)組成是80.0重量％Al2O3、7.2重量％SiO2、1.0重量％Fe2O3、4.8重量％MgO/CaO、4.5重量％P2O5?，F(xiàn)有技術(shù)狀況下的耐火襯里的使用壽命受到由高速粒子撞擊、機械破裂和散裂(spallation)引起的襯里過度機械磨耗的極大限制。因此，對于高溫應(yīng)用領(lǐng)域，需要具有優(yōu)異的抗侵蝕和抗腐蝕性質(zhì)的材料。本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合物滿足了這一需要。
陶瓷-金屬復(fù)合材料被稱作金屬陶瓷。為高硬度和斷裂韌性適當(dāng)設(shè)計的具有足夠化學(xué)穩(wěn)定性的金屬陶瓷可以提供比現(xiàn)有技術(shù)中已知的耐火材料高得多的抗侵蝕性。金屬陶瓷通常含有陶瓷相和粘合劑相，并且一般使用粉末冶金技術(shù)制得，其中將金屬和陶瓷粉末混合、壓制并高溫?zé)Y(jié)以形成密實的壓塊。
本發(fā)明包括新型且改進的金屬陶瓷復(fù)合物。
本發(fā)明還包括適合在高溫下使用的金屬陶瓷復(fù)合物。
此外，本發(fā)明包括一種改進的保護金屬表面在高溫條件下免受侵蝕和腐蝕的方法。
根據(jù)下列詳細描述，可以清楚地了解這些目的和其它目的。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種式(PQ)(RS)所示的金屬陶瓷復(fù)合物，其包含陶瓷相(PQ)和粘合劑相(RS)，其中P是選自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物組成的組的金屬，Q是碳氮化物，R是選自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物組成的組的金屬，S包括選自Cr、Al、Si和Y的至少一種元素。
附圖的簡要說明

圖1是使用30體積％的304不銹鋼(304SS)粘合劑制造的TiC0.7N0.3金屬陶瓷的掃描電子顯微鏡(SEM)圖，顯示了分散在粘合劑中的Ti(C，N)陶瓷相粒子、和新相M2(C，N)(其中M主要是Cr、Fe和Ti)和M(C，N)碳氮化物(其中M主要是Ti和Ta)的再沉淀。該顯微照片中還顯示出在Ti(C，N)陶瓷周圍形成M(C，N)邊緣。
圖2是與圖1所示相同的金屬陶瓷的透射電子顯微鏡(TEM)圖。
圖3是使用25體積％Haynes556合金粘合劑制造的TiC0.7N0.3金屬陶瓷的SEM圖，顯示了分散在粘合劑中的Ti(C，N)陶瓷相粒子、和新相M2(C，N)(其中M主要是Cr、Fe和Ti)和M2(C，N)(其中M主要是Mo、Nb、Cr和Ti)的再沉淀。
圖4是與圖3所示相同的金屬陶瓷的透射電子顯微鏡(TEM)圖。
圖5是顯示氧化物層厚度(微米)的圖，其為使用30體積％粘合劑制造的本發(fā)明的碳氮化鈦金屬陶瓷在800℃的空氣中暴露65小時后抗氧化性的量度。還顯示了碳化鈦和氮化鈦金屬陶瓷的抗氧化性作對比。
發(fā)明詳述式(PQ)(RS)所示的金屬陶瓷復(fù)合物的一個組分是標(biāo)作(PQ)的陶瓷相。在陶瓷相(PQ)中，P是選自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物組成的組的金屬。Q是碳氮化物。由此，碳氮化物金屬陶瓷復(fù)合物中的陶瓷相(PQ)是金屬碳氮化物。(PQ)中P與Q的摩爾比可為1∶3至3∶1不等，優(yōu)選在1∶2至2∶1范圍內(nèi)。作為非限制性示例性例子，當(dāng)P＝Ti時，(PQ)可以是Ti(C，N)，其中P∶Q為1∶1。當(dāng)P＝Cr時，(PQ)可以是Cr2(C，N)，其中P∶Q為2∶1。陶瓷相使碳氮化物金屬陶瓷具有硬度，并在最高達大約1000℃下具有抗侵蝕性。
金屬陶瓷的陶瓷相(PQ)優(yōu)選分散在粘合劑相(RS)中。分散陶瓷粒子的直徑優(yōu)選為0.5至3000微米。更優(yōu)選地，直徑為0.5至100微米。分散陶瓷粒子可以具有任何形狀。一些非限制性例子包括球形、橢圓形、多面體、扭曲球形、扭曲橢圓形和扭曲多面體。粒子直徑是指3D形狀粒子最長軸的測量結(jié)果。可以使用顯微鏡方法，例如光學(xué)顯微法(OM)、掃描電子顯微法(SEM)和透射電子顯微法(TEM)測量粒子大小。在本發(fā)明的另一具體實施方式
中，陶瓷相(PQ)以具有給定縱橫比(片狀物的長度與厚度的比)的片狀物分散。長度∶厚度的比可以為5∶1至20∶1不等。片狀物微結(jié)構(gòu)通過在侵蝕過程中將載荷從粘合劑相(RS)有效地傳遞到陶瓷相(PQ)來使其具有優(yōu)異的機械性能。
式(PQ)(RS)所示的碳氮化物金屬陶瓷復(fù)合物的另一組分是標(biāo)作(RS)的粘合劑相。在該粘合劑相(RS)中，R是選自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物組成的組的基底金屬。S是包括選自由Cr、Al、Si和Y組成的組的至少一種元素的合金金屬。S可以進一步包括選自由Y、Ti、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Cr、Mo、W及其混合物組成的組的異價(aliovalent)元素。Cr、Al、Si、Y及其混合物的總重量為粘合劑(RS)重量的至少大約12重量％。異價元素是粘合劑重量的大約0.01重量％至大約5重量％，優(yōu)選大約0.01重量％至大約2重量％。元素Ti、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Cr、Mo、W是特征為在氧化態(tài)時呈多價態(tài)的異價元素。這些元素降低了氧化物層(oxidescale)中的瑕疵傳遞(defect transport)，由此提供改進的抗腐蝕性。
在碳氮化物金屬陶瓷復(fù)合物中，粘合劑相(RS)占金屬陶瓷體積的5至50體積％，優(yōu)選5至30體積％。R與S的質(zhì)量比為50/50至90/10不等。在一個優(yōu)選具體實施方式
中，粘合劑相(RS)中鉻含量為粘合劑(RS)重量的至少12重量％。在另一優(yōu)選具體實施方式
中，粘合劑相(RS)中鋯和鉿總含量為粘合劑相(RS)總重量的大約0.01重量％至大約2.0重量％。
金屬陶瓷復(fù)合物可以進一步包括第二碳氮化物(P’Q)，其中P’選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Ni、Co、Mn、Al、Si、Y及其混合物。換言之，第二碳氮化物是由來自金屬陶瓷復(fù)合物(PQ)(RS)的P、R、S及其組合的金屬元素形成的。(P’Q)中P’與Q的比率可為3∶1至1∶3不等。本發(fā)明的金屬陶瓷中總陶瓷相體積包括(PQ)和第二碳氮化物(P’Q)。在碳氮化物金屬陶瓷復(fù)合物中，(PQ)+(P’Q)占金屬陶瓷體積的大約50至95體積％。
金屬陶瓷相(和金屬陶瓷組分)的體積百分比不包括由多孔性造成的孔體積。金屬陶瓷可以通過0.1至15體積％的多孔表征。優(yōu)選地，多孔的體積占金屬陶瓷體積的0.1至低于10％。包含多孔的這些孔優(yōu)選不相連而是作為離散的孔分布在金屬陶瓷體中。平均孔隙大小優(yōu)選等于或小于陶瓷相(PQ)的平均粒度。
本發(fā)明的一個方面是金屬陶瓷的微觀形態(tài)學(xué)。陶瓷相可以作為球形、橢圓形、多面體、扭曲球形、扭曲橢圓形和扭曲多面體形的粒子或片狀物分散。金屬陶瓷還可以包括層狀結(jié)構(gòu)，其中芯層碳氮化物被第二碳氮化物層包圍。優(yōu)選地，至少50％的分散粒子是各個碳氮化物陶瓷粒子之間的粒子-粒子間距為至少1納米的分散粒子?？梢岳缤ㄟ^如SEM和TEM之類的顯微法測定粒子-粒子間距。
在例如金屬和陶瓷之類的結(jié)晶固體中，各原子或離子的排列方式是它們在被稱作晶格的排列上顯示出三維周期性。例如金屬碳化物和金屬氮化物之類的陶瓷相分別是含有互相滲透的金屬原子和非金屬原子亞晶格的結(jié)晶固體。例如，在TiC陶瓷相中，有兩個亞晶格，一個是Ti金屬，另一個是C非金屬，其中不允許Ti和C的晶格位置互換。然而，在許多碳化物和氮化物中，對于所有可能的化學(xué)物，碳和氮可以輕易地在非金屬亞晶格上互相取代，也就是從純碳化物至純氮化物。因此，在這些情況下，存在完全的互溶性，其中在從純碳化物至純氮化物的整個范圍內(nèi)，相同金屬的碳化物和氮化物都互相溶解。例如，TiC和TiN可以互相溶解，產(chǎn)生通常稱作碳氮化物相的混合的碳化物-氮化物，其標(biāo)作Ti(C，N)。在這種情況下，碳和氮在碳原子或氮原子亞晶格中自由地互相取代。然而，在這些碳氮化物中，總金屬原子與總非金屬原子的比率仍然保持在1∶1。類似地，也會發(fā)生Ti被其它金屬原子取代的情況。例如，Nb可以部分或完全取代Ti，形成(Ti，Nb)(C，N)。在這些混合碳氮化物中總的金屬與總的非金屬原子的比率仍然保持在1∶1。這是族IV(Ti、Zr、Hf)和族V(V、Nb、Tb)元素的主要單碳化物和單氮化物的特征，也就是，總的金屬與總的非金屬原子的比率為1∶1。一個例外是VC和VN，它們僅可以部分互溶。碳氮化物(C，N)中碳含量為大約0.01至大約0.99、優(yōu)選大約0.1至大約0.9、更優(yōu)選大約0.3至大約0.7不等，并被簡寫為(C，N)。
本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合物具有提高的抗侵蝕和腐蝕性能。通過本公開的實施例部分中描述的熱侵蝕和磨耗試驗(HEAT)測定侵蝕速率。本發(fā)明的碳氮化物金屬陶瓷的侵蝕速率低于每克SiC侵蝕物1.0×10-6立方厘米。通過本公開的實施例部分中描述的熱解重量分析法(TGA)測定腐蝕速率。本發(fā)明的碳氮化物金屬陶瓷的腐蝕速率低于1×10-10克2/厘米4·秒。
優(yōu)選地，該金屬陶瓷具有大于大約3MPa·m1/2、優(yōu)選大于大約5MPa·m1/2、最優(yōu)選大于大約10MPa·m1/2的斷裂韌性。斷裂韌性是在單調(diào)負載條件下抵抗材料中裂紋擴展的能力。斷裂韌性是指裂紋開始以不穩(wěn)定方式在材料中擴散時的臨界應(yīng)力強度因數(shù)。優(yōu)選使用三點彎曲幾何形式的加載(其中在彎曲樣品的受拉側(cè)上有預(yù)制裂紋)以斷裂力學(xué)理論測量斷裂韌性。主要由前面段落所述的本發(fā)明金屬陶瓷的(RS)相使金屬陶瓷具有這種特性。
本發(fā)明的另一方面是避免使金屬間沉淀物(例如冶金領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的δ相)脆化。本發(fā)明的碳氮化物金屬陶瓷含有優(yōu)選低于大約5體積％的這種脆化相。主要是含有前面段落所述的(PQ)和(RS)相的本發(fā)明的金屬陶瓷使其具有這種特性。
以所需體積比使用合適的陶瓷粉末和粘合劑粉末作原材料，通過一般的粉末冶金技術(shù)(例如混合、研磨、壓制、燒結(jié)和冷卻)制造金屬陶瓷復(fù)合物。將這些粉末在存在有機液體(例如乙醇)的球磨中研磨，至足以使這些粉末互相充分分散的時間。去除液體并將磨碎的粉末干燥，置于沖模中并壓成生坯。然后將所得生坯在高于大約1200℃至最高達大約1750℃的溫度下燒結(jié)大約10分鐘至大約4小時。該燒結(jié)操作優(yōu)選在惰性氣氛或還原氣氛或在真空下進行。例如，惰性氣氛可以是氬氣，還原氣氛可以是氫氣。此后，使燒結(jié)體冷卻，通常冷卻至環(huán)境條件。按照本發(fā)明方法制備金屬陶瓷，可以制造厚度超過5毫米的金屬陶瓷材料塊。
本發(fā)明的金屬陶瓷的一個特征是它們的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即使在升高的溫度下也是如此，這使得它們特別適合用于保護金屬表面在大約300℃至大約850℃下免受侵蝕。這種穩(wěn)定性使它們可以使用超過2年的時間，例如大約2年至大約10年。相反，許多已知的金屬陶瓷在升高的溫度下會發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成對金屬陶瓷的性質(zhì)具有不利影響的相。
本發(fā)明的金屬陶瓷的高溫穩(wěn)定性使它們適用于目前使用耐火材料的應(yīng)用領(lǐng)域。合適用途的非限制性列舉包括用于工藝容器、輸送管路、旋風(fēng)分離器(例如在精煉工業(yè)所用的流化床催化裂化裝置的旋風(fēng)分離器中的流體-固體旋風(fēng)分離器)、柵格嵌件、溫度計套管、閥體、滑閥閥門和導(dǎo)管、催化劑再生器等的襯里。由此，通過給該表面提供一層本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合物層來保護暴露在侵蝕或腐蝕環(huán)境下、尤其是大約300℃至大約850℃下的金屬表面?？梢酝ㄟ^機械方法或通過焊接將本發(fā)明的金屬陶瓷固定到金屬表面上。
實施例體積百分比的測定通過掃描電子顯微法由2維面積分?jǐn)?shù)測定各相、組分和孔體積(或孔隙率)的體積百分比。在燒結(jié)的金屬陶瓷樣品上進行掃描電子顯微(SEM)以獲得優(yōu)選放大1000倍的二次電子圖像。對于SEM掃描的區(qū)域，使用能量分散式X射線光譜法(EDXS)獲得X射線點象。在樣品的五個相鄰區(qū)域進行SEM和EDXS分析。然后使用圖像分析軟件EDXImaging/Mapping版本3.2(EDAX Inc.Mahwah，New Jersey 07430，USA)對每一區(qū)域測定各相的2維面積分?jǐn)?shù)。由五次測量結(jié)果確定面積分?jǐn)?shù)的算術(shù)平均值。然后通過將平均面積分?jǐn)?shù)乘以100來確定體積百分比(體積％)。實施例中所示的體積％對于測得低于2體積％的相量具有+/-50％的精度，對于測得等于大于2體積％的相量具有+/-20％的精度。
重量百分比的測定通過標(biāo)準(zhǔn)EDXS分析法測定金屬陶瓷相中各元素的重量百分比。
加入下列非限制性實施例以進一步闡述本發(fā)明。
實施例1在HDPE研磨罐中用乙醇分散70體積％的平均直徑為1.3微米的TiC0.7N0.3粉末(來自Japan New Metals Company)和30體積％平均直徑為6.7微米的304不銹鋼(SS)粉末(Osprey Metals，F(xiàn)e(余量)18.5Cr9.6Ni1.4Mn0.63Si，95.9％在-16微米以下篩出)。在球磨中用氧化釔強化的氧化鋯(YTZ)球(直徑10毫米，來自Tosoh Ceramics)以100rpm將粉末在乙醇中混合24小時。通過在真空烘箱中以130℃加熱24小時從混合粉末中去除乙醇。在單軸水壓機(SPEX 3630 AutomatedX-press)中的40毫米直徑的沖模中以5,000psi將干燥的粉末壓實。在氬氣中將制成的盤片生坯以25℃/分鐘的速度升溫至400℃，并在400℃保持30分鐘以去除殘余溶劑。然后在氬氣中以15℃/分鐘的速度將盤片加熱至1500℃并在1500℃保持2小時。然后以-15℃/分鐘的速度將溫度降至低于100℃。
所得金屬陶瓷含有i)69體積％的平均粒度約為1.5微米的TiC0.7N0.3ii)2體積％的平均粒度約為0.5微米的第二碳氮化物M2(C，N)，其中M＝63Cr∶24Fe∶13Ti(重量％)iii)29體積％的貧Cr合金粘合劑。
圖1是按照本實施例加工的TiC0.7N0.3金屬陶瓷的SEM圖像，其中比例條代表2微米。在該圖像中，TiC0.7N0.3相呈深色，粘合劑相呈淺色。在粘合劑相中也顯示出了富Cr的第二M2(C，N)相。富M，例如富Cr，是指金屬M的比例高于包括M的其它組分金屬。M主要是Ti和Ta的M(C，N)碳氮化物作為圍繞TiC0.7N0.3核心的邊緣形成。Ta被認為是來自TiC0.7N0.3粉末的雜質(zhì)。圖2是按照本實施例加工的TiC0.7N0.3金屬陶瓷的TEM圖像，其中比例條代表0.5微米。在該圖像中TiC0.7N0.3相呈淺色，粘合劑相呈深色。在粘合劑相中也顯示出了富Cr的第二M2(C，N)相。M(C，N)邊緣圍繞TiC0.7N0.3核心形成。粘合劑相的化學(xué)性質(zhì)是貧Cr的(由于沉淀了富Cr的第二M2(C，N)相)和富Ti的(由于溶解了TiC0.7N0.3)。
實施例2使用75體積％平均直徑為1.3微米的TiC0.3N0.7粉末(來自Japan NewMetals Company)和25體積％平均直徑為6.7微米的Haynes566合金粉末(Osprey Metals，F(xiàn)e(余量)20.5Cr20.3Ni17.3Co2.9Mo2.5W0.92Mn0.45Si0.47Ta，96.2％在-16微米以下篩出)，如實施例1中所述加工金屬陶瓷盤片。然后將金屬陶瓷盤片在氬氣中以15℃/分鐘的速度加熱至1500℃并在1500℃保持2小時。然后以-15℃/分鐘的速度將溫度降至低于100℃。
所得金屬陶瓷含有i)74體積％的平均粒度約為2微米的TiC0.3N0.7ii)2體積％的平均粒度約為0.5微米的第二碳氮化物M2(C，N)，其中M＝65Cr∶9Mo∶12Ti∶10Fe∶3Co∶1Ni(重量％)iii)1體積％的平均粒度約為0.5微米的第二碳氮化物M2(C，N)，其中M＝49Cr∶30Mo∶7Ti∶10Fe∶3Co∶1Ni(重量％)iv)23體積％的貧Cr合金粘合劑(36Fe∶18Cr∶22Ni∶21Co∶3Ti，重量％)。
圖3是按照該實施例加工的TiC0.3C0.7金屬陶瓷的SEM圖像，其中比例條代表2微米。在該圖像中，TiC0.3C0.7相呈深色，粘合劑相呈淺色。在粘合劑相中還顯示出富Cr的第二M2(C，N)相和富Mo的第二M2(C，N)相。圖4是按照該實施例加工的TiC0.3C0.7金屬陶瓷的TEM圖像，其中比例條代表0.5微米。在該圖像中，TiC0.3C0.7相呈淺色，粘合劑相呈深色。在粘合劑相中還顯示出富Cr的第二M2(C，N)相。在粘合劑相中還顯示出富Cr的第二M2(C，N)相和富Mo的第二M2(C，N)相。粘合劑相的化學(xué)性質(zhì)是貧Cr和富Ti的。
實施例3對實施例1和2的各金屬陶瓷進行氧化試驗。所用程序如下1)將大約10平方毫米大小且大約1毫米厚的金屬陶瓷樣品拋光到600粒度金剛石精加工表面，并在丙酮中清洗。
2)然后在熱重分析儀(TGA)中將該樣品在800℃下暴露在100立方厘米/分鐘的空氣中。
3)將步驟(2)在800℃下進行65小時。
4)在65小時后，使樣品冷卻至環(huán)境溫度。
5)通過腐蝕表面的截面顯微鏡檢查法測定氧化物層的厚度。
6)在圖5中任何低于150微米的值都代表可接受的抗腐蝕性。
圖5顯示了在TiC、Ti(C，N)和TiN金屬陶瓷表面形成的氧化物層的厚度。很明顯，Ti(C，N)金屬陶瓷具有優(yōu)于TiC或TiN金屬陶瓷的抗氧化性。對于Ti(C，N)金屬陶瓷，不考慮較低的粘合劑含量，在使用Haynes556合金粘合劑制造的金屬陶瓷上形成的氧化物層的厚度略低于使用304SS制造的金屬陶瓷。這種改進是由于Haynes556合金粘合劑中存在的異價元素。TiC金屬陶瓷的氧化機制是TiO2的生成，其受到TiO2晶格中隙間Ti+4離子向外擴散的控制。由于異價元素的陽離子大小(例如Nb+5＝0.070納米)與Ti+4的(0.068納米)相當(dāng)，因此，當(dāng)氧化開始時，碳化物或金屬相中存在的異價元素取代性地溶入TiO2晶格。由于充分溶解的Nb+5離子提高了TiO2晶格的電子濃度，因此，TiO2中隙間Ti+4離子的濃度降低，由此抑制氧化。該實施例表明異價元素提供優(yōu)異抗氧化性的有利作用。
實施例4對實施例1和2的各金屬陶瓷熱侵蝕和磨耗試驗(HEAT)。所用程序如下1)將直徑約為35毫米、厚度約為5毫米的金屬陶瓷盤片樣品稱重。
2)然后使盤片一面的中心經(jīng)受由熱空氣夾帶的1200克/分鐘的SiC粒子(220粒度，#1級黑色碳化硅，UK磨料，Northbrook，IL)的處理，該熱空氣出自直徑為0.5英寸的管子，其末端以45°角距離目標(biāo)1英寸。SiC的速度為45.7米/秒。
3)將步驟(2)在732℃下進行7小時。
4)在7小時后，使樣品冷卻至環(huán)境溫度并稱重，測量重量損失。
5)測量市售的可鑄耐火材料樣品的侵蝕并用作對照標(biāo)準(zhǔn)。將對照標(biāo)準(zhǔn)的侵蝕定為值1，并將金屬陶瓷樣品的結(jié)果與對照標(biāo)準(zhǔn)進行比較。
權(quán)利要求
1.一種式(PQ)(RS)所示的金屬陶瓷復(fù)合物，其包含陶瓷相(PQ)和粘合劑相(RS)，其中P是選自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物組成的組的金屬，Q是碳氮化物，R是選自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物組成的組的金屬，S包括至少一種選自Cr、Al、Si和Y的元素。
2.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其中陶瓷相(PQ)占金屬陶瓷體積的大約50至95體積％。
3.權(quán)利要求2的金屬陶瓷復(fù)合物，其中陶瓷相(PQ)中P∶Q的摩爾比可以為1∶3至3∶1不等。
4.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其中所述陶瓷相(PQ)作為直徑為0.5微米至3000微米的球形粒子分散在粘合劑相(RS)中。
5.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其中粘合劑相(RS)占金屬陶瓷體積的5至50體積％，而且R與S的質(zhì)量比為50/50至90/10。
6.權(quán)利要求5的金屬陶瓷復(fù)合物，其中所述Cr、Al、Si、Y及其混合物的總重量為粘合劑相(RS)重量的至少12重量％。
7.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其中S進一步包括選自由Y、Ti、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Cr、Mo、W及其混合物組成的組的至少一種異價元素，其占粘合劑相(RS)總重量的0.01至5重量％。
8.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其進一步包含第二碳氮化物(P’Q)，其中P’選自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Ni、Co、Mn、Al、Si、Y及其混合物組成的組。
9.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其具有大于大約3MPa·m1/2的斷裂韌性。
10.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，當(dāng)在空氣中在沖擊速度為至少大約45.7米/秒(150英尺/秒)、沖擊角度約為45度且溫度為至少大約732℃(1350°F)的1200克/分鐘的10微米至100微米SiC粒子中暴露至少7小時時，其具有低于大約1×10-6立方厘米/克損失的侵蝕速率。
11.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，當(dāng)在800℃下在100立方厘米/分鐘的空氣中暴露至少65小時時，其具有低于大約1×10-10克2/厘米4·秒的腐蝕速率或平均厚度低于150微米的氧化物層。
12.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，當(dāng)在空氣中在沖擊速度為至少大約45.7米/秒(150英尺/秒)、沖擊角度約為45度且溫度為至少大約732℃(1350°F)的1200克/分鐘的10微米至100微米SiC粒子中暴露至少7小時時，其具有低于大約1×10-6立方厘米/克的侵蝕速率，且當(dāng)在800℃下在100立方厘米/分鐘的空氣中暴露至少65小時時，其具有低于大約1×10-10克2/厘米4·秒的腐蝕速率或平均厚度低于150微米的氧化物層。
13.權(quán)利要求1的金屬陶瓷復(fù)合物，其含有低于金屬陶瓷體積的約5體積％的脆化相。
14.一種保護在最高達1000℃的溫度下受到侵蝕的金屬表面的方法，該方法包括為該金屬表面提供按照權(quán)利要求1-13的金屬陶瓷復(fù)合物。
15.一種保護在300℃至1000℃的溫度下受到侵蝕的金屬表面的方法，該方法包括為該金屬表面提供按照權(quán)利要求1-13的金屬陶瓷復(fù)合物。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述表面包括液體-固體旋風(fēng)分離器的內(nèi)表面。
全文摘要
本發(fā)明包括一種式(PQ)(RS)所示的金屬陶瓷復(fù)合物，其包含陶瓷相(PQ)和粘合劑相(RS)，其中P是選自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物組成的組的金屬，Q是碳氮化物，R是選自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物組成的組的金屬，S包括至少一種選自Cr、Al、Si和Y中的元素。
文檔編號C22C29/04GK1795281SQ200480014025
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者金昌旻, N-R·V·班加羅, 陳炫佑, 具滋榮, J·R·彼得松, R·L·安特拉姆, C·J·福勒 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>