專利名稱：真空冷噴涂工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將金屬合金沉積到基底上的方法。
背景技術(shù)：
冷氣體動力噴涂或“冷噴涂”最近已被引入作為一種新型金屬化噴涂技術(shù)。已被引入的冷氣體噴涂工藝是一種室外工藝，所述工藝使用氣體例如氦氣以加速金屬微粒。冷噴涂的部分優(yōu)點在于，即使在室外條件下，在沉積過程中也未吸收氧氣，這是因為微粒未被熔化且被包含在氦氣體流內(nèi)。
在多操作循環(huán)涂層中存在一些問題，即在初始和隨后的操作循環(huán)之間可存在剝離區(qū)域。一些人相信，一旦初始操作循環(huán)被沉積，且噴槍離開該位置，那么沉積材料的外層發(fā)生氧化且隨后的操作循環(huán)未充分噴砂或要不然除去該氧化層且因此導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)合較差的界面。
如果冷噴涂要與用于具有低“購買的原料重量與最終成分重量(buy-to-fly)”比的技術(shù)或附加技術(shù)例如激光工程化凈成型技術(shù)的其它工藝競爭，那么需要克服剝離問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種利用冷噴涂用于在基底上形成一個或多個沉積層的方法，所述方法避免在沉積過程中最外沉積層產(chǎn)生氧化。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種如上所述的方法，所述方法避免當(dāng)沉積多層時產(chǎn)生剝離。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種用于將金屬材料沉積到基底上的改進型系統(tǒng)。
前述目的通過本發(fā)明的方法得以實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于將金屬材料沉積到基底上的方法廣泛包括以下步驟即將基底安放在真空室中、將噴槍噴嘴插入真空室的孔口內(nèi)以及在不熔化粉末狀金屬材料的情況下將粉末狀金屬材料沉積到基底表面上。沉積步驟包括將真空室內(nèi)的粉末狀金屬材料微粒加速至一定速度，以使得撞擊后微粒進行塑性變形且粘結(jié)到基底表面上。
進一步根據(jù)本發(fā)明，一種用于將金屬材料沉積到基底上的系統(tǒng)廣泛包括其中放置有基底的真空室和用于在不熔化粉末狀金屬材料的情況下將粉末狀金屬材料沉積到基底表面上的裝置。沉積裝置包括設(shè)置在真空室孔口內(nèi)的噴槍噴嘴。
在下列詳細(xì)描述和附圖中闡述了真空冷噴涂工藝的其它細(xì)節(jié)及其所附的其它目的和優(yōu)點，在所述附圖中使用相似的參考標(biāo)記表示相似的元件。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于將金屬材料沉積到基底上的系統(tǒng)。
具體實施例方式
正如上面指出地，在過去數(shù)年中，已經(jīng)開發(fā)出一種公知為冷氣體動力噴涂(“冷噴涂”)的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點在于所述技術(shù)提供了足夠大的能量以將微粒加速至足夠高的速度，以使得微粒在碰撞后產(chǎn)生塑性變形并粘結(jié)到正進行沉積所述微粒的部件表面上，以便形成相對致密的涂層或結(jié)構(gòu)沉積物。冷噴涂并沒有在冶金學(xué)意義上轉(zhuǎn)變微粒的固體狀態(tài)。因此，冷噴涂工藝在多種有必要將金屬材料沉積到基底上的工藝中有很大的實用性。
現(xiàn)在參見圖1，圖中示出了用于在基底上形成金屬材料沉積物的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有收縮/擴張噴嘴20的噴槍22，修補材料通過所述收縮/擴張噴嘴被噴涂到基底10的表面24上。所述基底10可保持靜止或可通過本領(lǐng)域已公知的任何適當(dāng)裝置(未示出)使所述基底10進行旋轉(zhuǎn)。
噴槍噴嘴20被插入真空室52的孔口50內(nèi)，基底10位于所述真空室中以便密封所述基底防止其發(fā)生潛在氧化。即使經(jīng)由噴嘴20注入室52內(nèi)的氣體克服了初始真空壓力，但如果所述氣體是惰性氣體例如氦氣、氮氣或其混合物，那么將是無關(guān)緊要的。利用本發(fā)明的系統(tǒng)，技術(shù)人員可在多次操作循環(huán)中將材料施加到基底10上，而在沉積操作循環(huán)之間不會發(fā)生任何氧化。本發(fā)明的系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于所用的氣體可易于通過真空系統(tǒng)進行回收、壓縮和再循環(huán)。這對于成本是氮氣成本12倍的氦氣而言特別有利。
使用真空室52的又一個優(yōu)點在于微粒速度可增加超過室外系統(tǒng)中可獲得的那些微粒速度。如果微粒速度增加，那么涂層質(zhì)量由于密度和附著力得到改進而增加。
在本發(fā)明的方法中，金屬原材料可以是粉末狀金屬材料，例如粉末金屬合金。粉末狀金屬材料可以是與形成基底的合金相同的合金或其可以是與形成基底10的材料相容的合金材料。例如，粉末金屬材料可以是粉末狀鎳基超合金，例如IN 718、IN 625、IN 100、WASPALOY、IN 939和GATORIZED WASPALOY，或者粉末狀銅基合金例如GRCop-84。用以在基底10的表面24上形成沉積物的粉末狀金屬材料微粒優(yōu)選具有在約5微米至50微米范圍內(nèi)的直徑。更小的微粒尺寸，例如前面提到的那些微粒尺寸，使得能夠獲得更高的微粒速度。在直徑小于5微米的情況下，由于表面24上的弓形激波層，使得微粒有被吹掃離開表面24的風(fēng)險。這是由于質(zhì)量不足以推進微粒通過弓形激波所造成的。微粒尺寸分布越窄，微粒速度就越好。這是因為如果具有大和小兩種微粒(雙模態(tài))，那么小的微粒將碰撞更慢更大的微粒且有效地降低二者的速度。
可利用壓縮氣體，例如氮氣、氮氣、其它惰性氣體及其混合物將要進行沉積的材料的細(xì)微粒加速至超音速。氦氣由于其低分子量且因為其產(chǎn)生了在最高氣體成本下的最高速度因此是優(yōu)選的氣體。
本發(fā)明的方法所采用的用于將粉末狀材料轉(zhuǎn)變成沉積物的粘結(jié)機制是嚴(yán)格的固態(tài)，這意味著微粒進行塑性變形。微粒上形成的任何氧化層發(fā)生破裂且在非常高的壓力下形成新鮮金屬-金屬接觸。
可利用本領(lǐng)域中已公知的任何適當(dāng)裝置，例如改進的熱噴涂進料裝置將用以形成沉積物的粉末狀金屬材料供給至噴槍22。可使用的一種常規(guī)設(shè)計的進料裝置由俄亥俄州克利夫蘭市的Powder FeedDynamics制造。該進料裝置具有螺旋型進料機構(gòu)。還可使用流化床進料裝置和具有有角狹縫的筒形輥進料裝置。
在本發(fā)明的工藝中，可利用從包括氦氣、氮氣、其它惰性氣體及其混合物的組群中選擇出來的氣體對進料裝置進行加壓。進料裝置壓力通常高于主氣體壓力或頭壓(head pressure)，所述主氣體壓力或頭壓通常在250磅/平方英寸至500磅/平方英寸的范圍內(nèi)，這取決于粉末狀材料的組成。主氣體優(yōu)選被加熱以使得氣體溫度在600華氏度至1200華氏度的范圍內(nèi)。如果需要，主氣體可被加熱至高達(dá)約1250華氏度，這取決于被沉積的材料。氣體可被加熱以防止其一旦膨脹通過噴嘴20的喉部則產(chǎn)生快速冷卻和凍結(jié)。凈效應(yīng)是被修補的部分上的表面溫度在沉積過程中為約115華氏度。本領(lǐng)域中已公知的任何適當(dāng)裝置可被用以加熱氣體。
為了沉積金屬材料，噴嘴20可不止一次地在被修補的零件10的表面24上通過。所需的通過次數(shù)是要被施加到表面24上的金屬材料厚度的函數(shù)。本發(fā)明的方法能夠形成具有任何所需厚度的沉積物。如果技術(shù)人員希望形成厚層，那么噴槍22可被保持靜止且被用以在表面24上形成數(shù)英寸高的沉積物。當(dāng)建立起金屬材料的沉積層時，所希望的是限制每次操作循環(huán)的厚度，以避免殘余應(yīng)力的快速累積和沉積層之間所不希望的剝離。
用以將金屬材料微粒沉積到表面24上的主氣體可經(jīng)由入口30和/或入口32以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘(SCFM)至50標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)，優(yōu)選在15標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至35標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速通過噴嘴20。如果使用氦氣作為主氣體，那么前述壓力是優(yōu)選的。如果氮氣被單獨使用或與氦氣組合用作主氣體，那么氮氣可以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，優(yōu)選4標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速下通過噴嘴20。
主氣體溫度可在600華氏度至1200華氏度，優(yōu)選700華氏度至800華氏度，且最優(yōu)選725華氏度至775華氏度的范圍內(nèi)。
噴槍22的壓力可在200磅/平方英寸至350磅/平方英寸，優(yōu)選200磅/平方英寸至250磅/平方英寸的范圍內(nèi)。優(yōu)選通過管線34以在10克/分鐘至100克/分鐘，優(yōu)選15克/分鐘至50克/分鐘范圍內(nèi)的速度將粉末狀金屬材料從料斗供應(yīng)至噴槍22，所述料斗處于在200磅/平方英寸至300磅/平方英寸，優(yōu)選225磅/平方英寸至275磅/平方英寸范圍內(nèi)的壓力下。
優(yōu)選使用載氣將粉末狀金屬材料供給至噴槍22?？山?jīng)由入口30和/或入口32以在0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至50標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，優(yōu)選8標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至15標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速下引入載氣。如果氦氣被用作載氣，那么前述流速是有用的。如果氮氣單獨或與氦氣混合被用作載氣，那么可使用在0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，優(yōu)選4標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至10標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速。
噴涂噴嘴20優(yōu)選與表面24保持一定距離。該距離已公知為噴涂距離。噴涂距離優(yōu)選在10毫米至50毫米的范圍內(nèi)。
離開噴涂噴嘴20的粉末狀金屬材料微粒的速度可在825米/秒至1400米/秒，優(yōu)選850米/秒至1200米/秒的范圍內(nèi)。
每個操作循環(huán)的沉積厚度可在0.001英寸至0.030英寸的范圍內(nèi)。
冷噴涂提供了超過其它金屬化工藝的許多優(yōu)點。由于用于金屬材料的金屬粉末未被加熱至高溫，因此原材料沒有發(fā)生氧化、分解或其它降解。在沉積過程中的粉末氧化還受到控制，這是因為微粒被包含在加速氣體流內(nèi)。冷噴涂還保持住原料的微觀結(jié)構(gòu)。進一步地，因為原料沒有發(fā)生熔化，因此對于由于在冷卻后或在隨后的熱處理過程中脆性金屬間化合物的形成或開裂傾向而因此不能進行常規(guī)噴涂的材料來說，冷噴涂提供了沉積所述材料的能力。
由于冷噴涂是一種固態(tài)工藝，因此冷噴涂不會使基底顯著變熱。結(jié)果是，任何所致扭曲變形被最小化。由于冷噴涂引起壓縮表面殘余應(yīng)力，因此消除了應(yīng)變時效開裂的驅(qū)動力。
權(quán)利要求
1.一種用于將金屬材料沉積到基底上的方法，包括以下步驟將所述基底安放在真空室中；將噴槍噴嘴插入所述真空室的孔口內(nèi)；以及在不熔化所述粉末狀金屬材料的情況下將粉末狀金屬材料沉積到所述基底表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積步驟包括將所述真空室內(nèi)的所述粉末狀金屬材料微粒加速至一定速度，以使得撞擊后微粒進行塑性變形且粘結(jié)到所述基底表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積步驟包括以微粒形式提供所述粉末狀金屬材料，所述微粒具有在5微米至50微米范圍內(nèi)的微粒大小，且進一步包括利用從包括氦氣、氮氣及其混合物的組群中選擇出來的載氣，在200磅/平方英寸至300磅/平方英寸范圍內(nèi)的壓力下，以10克/分鐘至100克/分鐘范圍內(nèi)的進料速度將所述金屬材料粉末供應(yīng)至所述噴槍噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述進料步驟包括以15克/分鐘至50克/分鐘范圍內(nèi)的進料速度將所述金屬粉末供給至所述噴槍噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述載氣包括氦氣且所述進料步驟包括以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至50標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速將所述氦氣供給至所述噴槍噴嘴。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述進料步驟包括以8至15標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速將所述氦氣供給至所述噴槍噴嘴。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述載氣包括氮氣且所述進料步驟包括以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速將所述氮氣供給至所述噴槍噴嘴。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述進料步驟包括以4至10標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的流速將所述氮氣供給至所述噴槍噴嘴。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述沉積步驟進一步包括利用從包括氦氣、氮氣及其混合物的組群中選擇出來的主氣體使所述金屬材料粉末微粒通過所述噴槍噴嘴，所述主氣體處于600華氏度至1200華氏度范圍內(nèi)的主氣體溫度下且處于從200磅/平方英寸至350磅/平方英寸范圍內(nèi)的噴涂壓力下。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述通過步驟包括在700華氏度至800華氏度范圍內(nèi)的主氣體溫度下且在250磅/平方英寸至350磅/平方英寸范圍內(nèi)的噴涂壓力下使所述金屬粉末微粒通過所述噴槍噴嘴。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述主氣體溫度在725華氏度至775華氏度的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述主氣體包括氦氣且所述通過步驟包括以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至50標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的速度將所述氦氣供給至所述噴槍噴嘴。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氦氣供給步驟包括以從15至35標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的速度供給所述氦氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述主氣體包括氮氣且所述通過步驟包括以0.001標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘至30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的速度將所述氮氣供給至所述噴槍噴嘴。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述氮氣供給步驟包括以4至8標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘范圍內(nèi)的速度將所述氮氣供給至所述噴槍噴嘴。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括使所述噴槍噴嘴與所述基底保持10毫米至50毫米的距離。
17.一種用于將金屬材料沉積到基底上的系統(tǒng)，包括真空室，其中放置有所述基底；用于在不熔化粉末狀金屬材料的情況下將所述粉末狀金屬材料沉積到所述基底的表面上的裝置；和包括設(shè)置在所述真空室的孔口內(nèi)的噴槍噴嘴的所述沉積裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述沉積裝置進一步包括將所述粉末狀金屬材料微粒加速至一定速度，以使得撞擊后微粒進行塑性變形且粘結(jié)到所述基底的所述表面上的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，進一步包括用于將從包括氮氣、氦氣及其混合物的組群中選擇出來的氣體供應(yīng)至所述噴槍噴嘴以對所述金屬材料的微粒進行加速的裝置。
全文摘要
一種用于將金屬材料沉積到基底上的方法包括以下步驟即將基底安放在真空室中、將噴槍噴嘴插入真空室的孔口內(nèi)以及在不熔化粉末狀金屬材料的情況下將粉末狀金屬材料沉積到基底表面上。所述沉積步驟包括將真空室內(nèi)的粉末狀金屬材料微粒加速至一定速度，以使得撞擊后微粒進行塑性變形且粘結(jié)到基底表面上。
文檔編號C23C24/00GK1782127SQ200510128948
公開日2006年6月7日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月3日
發(fā)明者J·D·海恩斯, D·A·霍布斯 申請人:聯(lián)合工藝公司