專(zhuān)利名稱(chēng)：制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法及由其制備的涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法和使用該方 法制備的涂層，更具體地是，涉及提供下述耐磨涂層的方法以及由此方 法制備的涂層，所述耐磨涂層具有很高的抗基材表面出現(xiàn)疲勞裂紋的性 能，并且不會(huì)在涂層形成過(guò)程中導(dǎo)致熱應(yīng)變等對(duì)基材的破壞。
背景技術(shù)：
為延長(zhǎng)在諸如摩擦、疲勞、腐蝕或磨損等磨蝕環(huán)境中使用的機(jī)械部 件的壽命，已經(jīng)采取的方法有硬化部件表面或向其上涂覆耐磨材料。作為改善耐磨性的涂覆材料，應(yīng)用最廣的是具有高硬度的材料，即諸如氧化物(例如氧化鋁)、碳化物(例如SiC或TiC)和氮化物(例如 Si3N4、 TiN)等陶瓷材料。作為具有耐磨涂覆結(jié)構(gòu)的典型機(jī)械部件，可以提到的有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 組和相關(guān)部件，具體說(shuō)來(lái)，為抑制缸膛內(nèi)壁的磨蝕，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了非常 多的技術(shù)。例如，可以提到的有韓國(guó)專(zhuān)利第1997-0045010號(hào)公報(bào)、第 1998-017171號(hào)公報(bào)和第2003-0095739號(hào)公報(bào)。具體地，韓國(guó)專(zhuān)利第 1997-0045010號(hào)公報(bào)披露了一種形成涂覆膜的方法，所述涂覆膜可以取 代缸膛內(nèi)壁上的現(xiàn)有的鑄鐵襯套，在該方法中，通過(guò)在膛內(nèi)壁上通過(guò)使 用等離子體或電弧作為熱源的噴射熱解形成含有陶瓷及其混合物的涂覆 粉末而使耐磨性得到改善。韓國(guó)專(zhuān)利第1998-017171號(hào)公報(bào)披露了一種通過(guò)利用碳化硅顆粒的等離子體噴射熱解在鋁缸體的膛側(cè)上形成耐磨涂覆層的方法。韓國(guó)專(zhuān)利第2003-0095739號(hào)公報(bào)則披露了一種通過(guò)在不銹鋼氣缸膛內(nèi)壁上噴射噴涂用粉末組合物，同時(shí)利用高溫?zé)嵩磳⑵淙廴趶亩纬赏?br> 覆膜的方法，所述噴涂用粉末組合物是氧化鋁和氧化鋯的混合物。如上所述，關(guān)于使用具有優(yōu)異的耐磨性的陶瓷材料在金屬基材上形 成耐磨涂層已經(jīng)進(jìn)行了大量嘗試，但是所有這些方法主要都是以等離子 體或電弧噴射熱解為基礎(chǔ)。這些噴射方法通過(guò)將待涂覆的粉末顆粒加熱 到約等于或高于熔點(diǎn)，由此使它們至少部分熔融，從而在基材上提供粉 末顆粒。因此，由于將要在基材上涂覆的陶瓷顆粒加熱到普通陶瓷顆粒的熔 融溫度，即100(TC左右的高溫，然后通過(guò)接觸將其提供到基材上，因而 在涂覆過(guò)程中這些陶瓷顆粒會(huì)因熱沖擊而引起對(duì)基材的破壞，導(dǎo)致冷卻 過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，由此使粘合性降低，部件壽命縮短。此外，由于高溫顆粒噴射，增大了使用噴射機(jī)器處理的風(fēng)險(xiǎn)，并且 將不可避免地使用復(fù)雜的作業(yè)線(xiàn)。另外，高溫熔融顆?？赡軙?huì)與金屬基 體或其表面上的雜質(zhì)反應(yīng)，形成其它化合物，由此對(duì)材料性能產(chǎn)生不良 影響。同時(shí)，周期循環(huán)將產(chǎn)生周期性應(yīng)力，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，往復(fù) 機(jī)械和相關(guān)部件會(huì)連續(xù)重復(fù)地接收到發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的多次循環(huán)應(yīng)力， 結(jié)果，周期性應(yīng)力將使熱機(jī)的相關(guān)部件和局部受熱的部件出現(xiàn)疲勞裂紋， 最終縮短部件壽命。例如，在柴油機(jī)組中，將用于插入電熱塞的插入槽形成在氣缸洼窩(cylinder groove)附近，其中插入槽和氣缸洼窩之間的 區(qū)域很可能會(huì)被因減小的間距和高溫所產(chǎn)生的疲勞裂紋破壞。因此，在許多場(chǎng)合中，在諸如活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等熱機(jī)中使 用的部件都需要具有良好的抗疲勞裂紋性和耐磨性。然而，在多數(shù)現(xiàn)有 涂覆技術(shù)中僅單獨(dú)涂覆陶瓷。在這些情況下，向金屬基體的熱傳遞不能 很好地進(jìn)行，因而保持了高溫。結(jié)果，雖然耐磨性可能會(huì)得到改善，但 是因疲勞而產(chǎn)生的裂紋會(huì)增加，因而抗疲勞性降低。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種制備 最佳涂層的方法及所述涂層，所述涂層不會(huì)使基體材料因受到熱沖擊而 產(chǎn)生熱應(yīng)變或損壞，同時(shí)具有優(yōu)異的耐磨性。此外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制備下述涂層的方法及所述 涂層，所述涂層具有優(yōu)異的抗因所述涂層的疲勞而產(chǎn)生裂紋的性能，其 方式是防止所述涂層中熱量聚集，抑制基材和所述涂層之間或所述涂層 內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備含有金屬基體復(fù)合物的耐 磨涂層的方法，所述方法包括下述步驟 提供基材；制備含有平均直徑為50 pm 100 pm的金屬、合金或其混合物顆粒 和平均直徑為25 (im 50 iam的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，二者 的體積比為1:1 3:1;將所述混合物粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；和通過(guò)利用在所述噴嘴中流動(dòng)的輸送氣流，以300m/s l，200m/s的速 率對(duì)處于非熔融狀態(tài)的混合物粉末進(jìn)行加速，由此將所述混合物粉末涂 覆在所述基材的表面上。此外，本發(fā)明還提供了通過(guò)上述方法制備的含有金屬基體復(fù)合物的 耐磨涂層。有利效果根據(jù)本發(fā)明中的制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法和使用 該方法制備的涂層，可以獲得具有最佳耐磨性和優(yōu)異的抗疲勞裂紋性的 涂層，另外，該涂層的熱疲勞性能也可以得到改善。所制備的涂層可以 用作在磨蝕環(huán)境中使用的機(jī)械部件或在周期性熱應(yīng)力環(huán)境下運(yùn)行的發(fā)動(dòng) 機(jī)部件的表面涂層。該涂層可以通過(guò)抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張改善耐磨性 能和疲勞性能，另外，還可以通過(guò)控制熱膨脹系數(shù)和改善導(dǎo)熱性使該涂 層和基材之間的剝離或該涂層中的裂紋最小化，由此改善抗熱疲勞裂紋 的性能。另外，還可以通過(guò)使用較低的混合物粉末注射壓力和較低的輸送氣
體溫度來(lái)制備該涂層，因而具有可以低成本生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。具體是，可以在利用使用鋁金屬顆粒和SiC陶瓷顆粒的冷噴涂方法在基材上形成含有金屬基體復(fù)合物的涂層的過(guò)程中獲得最佳耐磨性。此外，本發(fā)明的方法是通過(guò)涂覆顆粒的動(dòng)能而非熱能來(lái)形成涂層。因此，不會(huì)對(duì)基材產(chǎn)生熱沖擊或生成熱應(yīng)變，此外，也不會(huì)通過(guò)與基材發(fā)生反應(yīng)而形成對(duì)于基材特性具有不良影響的新相。


圖1是用于制備本發(fā)明的含有金屬基體復(fù)合物的涂層的冷噴涂裝置 的示意圖。圖2至圖4顯示的是本發(fā)明中涂層的硬度隨粒徑和比例的變化。 圖5至圖8顯示的是本發(fā)明中涂層的精細(xì)結(jié)構(gòu)隨粒徑和比例的變化。 圖9至圖12顯示的是本發(fā)明中涂層的磨蝕量隨粒徑和比例的變化。 圖13至圖16說(shuō)明了用于制備本發(fā)明的涂層的噴嘴的實(shí)施方式。 附圖標(biāo)記說(shuō)明4:喉部8:出口柱 12:注射口基點(diǎn)2:收縮部分 6:擴(kuò)張/平直部分 10:噴嘴部分 20:注射管 24:連接部分 110:氣體壓縮機(jī)130:粉末加料器22: 30:120:氣體加熱器 140:噴嘴具體實(shí)施方式
下面將參考附圖和優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明。本發(fā)明涉及一種制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法，所述方法包括下述步驟提供基材S;制備含有平均直徑為50 pm 100 pm 的金屬、合金或其混合物顆粒和平均直徑為25 pm 50 jim的陶瓷或其混 合物顆粒的混合物粉末，其中二者的體積比為1:1 1:3;將該混合物粉末
注射到用于涂覆的噴嘴中；和通過(guò)利用在噴嘴中流動(dòng)的輸送氣流，以300 m/s 1,200 m/s的速率對(duì)處于非熔融狀態(tài)的混合物粉末進(jìn)行加速，由 此將所述混合物粉末涂覆在所述基材的表面上。因此，本發(fā)明致力于在使用冷噴涂在基材上制備含有金屬基體復(fù)合 物的涂層的方法中改善涂層的耐磨性，并專(zhuān)注于能夠進(jìn)行上述改善的最 佳處理?xiàng)l件和由此制備的涂層。冷噴涂方法本身是已知的，用于該冷噴涂的裝置的示意圖如圖1所 示。換言之，圖1顯示了本發(fā)明中用于在基材S上制備涂層的冷噴涂裝 置100的示意圖。該噴涂裝置100通過(guò)將粉末加速到亞音速或超音速，將其提供在基 材S上以形成涂層。為此目的，該噴射裝置100包括氣體壓縮機(jī)110、氣 體加熱器120、粉末加料器130和噴射用噴嘴140。通過(guò)噴射用噴嘴140，以約300 m/s 1200 m/s的速率噴出由氣體壓 縮機(jī)110提供的約5 kgf/cm2 20 kgf/cm2的壓縮氣體和由粉末加料器130 提供的粉末，從而涂布所述粉末。對(duì)于圖1中所示的噴嘴140，為產(chǎn)生亞 音速或超音速氣流，可以使用收縮-擴(kuò)張噴嘴(de Laval型)，通過(guò)這種收 縮和擴(kuò)張?zhí)幚砜梢援a(chǎn)生超音速氣流。在供給壓縮氣體的管路上的氣體加熱器120是用于加熱壓縮氣體， 從而通過(guò)增加其動(dòng)能提高其在噴射用噴嘴處的噴射速度的附加裝置，它 不是非有不可的。此外，如圖中所示，為增強(qiáng)對(duì)噴射用噴嘴140的粉末 供應(yīng)，氣體壓縮機(jī)110中的部分壓縮氣體可以供應(yīng)到粉末加料器130中。對(duì)于該裝置中的壓縮氣體，可以使用諸如氦氣、氮?dú)?、氬氣和空?等普通氣體，可以根據(jù)噴射用噴嘴140處的噴射速度和成本進(jìn)行適當(dāng)選 擇。有關(guān)此處所示的裝置的操作和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述，請(qǐng)參見(jiàn)Alkhimov等 的美國(guó)專(zhuān)利US 5,302,414。在使用該裝置的冷噴涂中，第一步是提供基材?；腟可以是需要 具有耐磨性的各種已知材料。具體是，基材可以是鋁、鋁合金，特別是 Al-Si或Al-Mg鋁合金，或者諸如鑄鐵等鐵合金，或者諸如廣泛地用作熱、200680011456.1說(shuō)明書(shū)第6/ll頁(yè)機(jī)械元件的硅(silicone)等半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，基材是鋁或鋁合金，因?yàn)橥ㄟ^(guò)形成本發(fā)明的涂層，它們很差的耐磨性可以得到顯著改善。本發(fā)明中使用的金屬、合金或其混合物顆?？梢赃x自由鐵、鎳、鋁、 鉬、鈦和它們的組合組成的組。此外，所述金屬還可以選自由鐵合金、 鎳合金、銅合金、鋁合金、鉬合金、鈦合金和它們的組合組成的組，例 如，所述金屬可以是鋁、鋁合金、鋁和鋁合金的混合物、鋁和鈦的混合 物、鋁和鈦合金的混合物和鋁合金和鈦合金的混合物。尤其可以是經(jīng)常 用作普通熱、機(jī)械元件的鋁合金或鈦合金。優(yōu)選所述金屬或合金是鋁或 鋁合金，因?yàn)樗鼈兣c鋁基材或鋁合金基材相似，通過(guò)形成本發(fā)明的涂層， 可以表現(xiàn)出改善的耐磨性。本發(fā)明中的陶瓷或其混合物可以是具有優(yōu)異的耐磨性的各種已知的 陶瓷和其混合物，可以是氧化物、碳化物或氮化物。具體地是，對(duì)于陶 瓷，可以使用金屬氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物，更具體地是，可以使用諸如氧化硅、氧化鋯、氧化鋁等氧化物；諸如TiN和Si3N4等氮化 物；和諸如TiC和SiC等碳化物。優(yōu)選使用氧化鋁或SiC來(lái)增強(qiáng)耐磨性。本發(fā)明中要被混合成混合物粉末的陶瓷顆粒可以以聚集粉末的形式 提供。聚集粉末容易粉碎成微粒，這樣在涂覆處理中當(dāng)粉末顆粒與基質(zhì) 碰撞時(shí)可以變成微粒。因此，這對(duì)于陶瓷微粒均勻分布于其中的涂層的 形成是非常有利的。要被混合成混合物粉末的金屬、合金或其混合物顆粒和陶瓷或其混 合物顆粒的平均直徑分別在50 pm 100 和25 pm 50 [im的范圍內(nèi)， 以使其作為耐磨相對(duì)指標(biāo)的顯微維氏硬度值最大化，金屬:陶瓷的混合體 積比為1:1 3:1。例如，當(dāng)在下述條件下混合鋁和SiC時(shí)鋁的粒徑從 100目(平均直徑約140iim)、 200目(平均直徑約77 jim)到325目 (平均直徑約44^im)變化，SiC的粒徑為從150目(平均直徑約 106 pim)、 400目(平均直徑約35 j_im)、 1000目(平均直徑約13 pm) 到2000目(平均直徑約6 pm)變化，并且總混合物粉末中SiC的體積 混合比為從10%、 25%到50%變化，冷噴涂后測(cè)量它們的顯微維氏硬度 值，結(jié)果如圖2 (使用的是IOO目的鋁)、圖3 (使用的是200目的鋁)9
和圖4 (使用的是325目的鋁)所示。從這些圖中可以看出，當(dāng)以25體 積％ 50體積％的比例將200目的鋁和400目的SiC混合時(shí)，可以獲得 大于或等于80 Hv的高硬度值。由相對(duì)于具有等同平均直徑的鋁粉，根據(jù)SiC的尺寸和量的形態(tài)變 化，可以推導(dǎo)出上述結(jié)果。SiC的量分別為25體積％和50體積Q/^的涂層 的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5 (使用的是200目的鋁+150目的SiC)、圖6 (使用的 是200目的鋁+400目的SiC)、圖7 (使用的是200目的鋁+ 1000目的 SiC)和圖8 (使用的是200目的鋁+2000目的810所示。如圖7和圖 8中所示，當(dāng)SiC的尺寸太大時(shí)，SiC在金屬基體復(fù)合物中的分散無(wú)法適 當(dāng)進(jìn)行；當(dāng)尺寸太小時(shí)，由于SiC顆粒之間將因相互吸引而具有紋理式 形態(tài)，因此分散效果下降。此外，當(dāng)顆粒尺寸太小時(shí)，顆粒的重量更輕，因此當(dāng)它們與涂層撞 擊時(shí)，雖然他們的速度很快，但是沖量還是變小了，結(jié)果諸如噴丸硬化 等加工硬化較少產(chǎn)生。另一方面，當(dāng)顆粒尺寸太大時(shí)，雖然沖量很大， 但是撞擊頻率和面積較小，這樣加工硬化也較少產(chǎn)生。因此，存在使加 工硬化最大化的最佳平均尺寸范圍。此外，還評(píng)價(jià)了耐磨性隨顆粒的尺寸和混合比例的變化。所測(cè)量的 磨蝕量如圖9 (使用的是200目的鋁+25體積％的3^)、圖10 (使用的 是200目的鋁+50體積％的5^)、圖11 (使用的是325目的鋁+ 25體 積X的SiC)和圖12 (使用的是325目的鋁+50體積％的310所示， 它們是指相對(duì)于所使用的SiC的目徑的磨蝕量。根據(jù)所述結(jié)果可以看出， 當(dāng)將200目的鋁和比例為25體積％ 50體積。％的SiC混合時(shí)磨損性能十. 分優(yōu)異，特別是當(dāng)將200目的鋁和比例為50體積％的400目的SiC混合 時(shí)，可以獲得優(yōu)異的磨損性能。因此，根據(jù)磨蝕量、形態(tài)學(xué)和硬度測(cè)試結(jié)果，使用含有平均直徑為 50 (im 100 |im的金屬、合金或其混合物顆粒和平均直徑為25 (im 50 jim 的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，其中二者的體積比為1:1 3:1，可 以有利地形成優(yōu)異的耐磨涂層，優(yōu)選地是，使用含有平均直徑為50拜 100 pm的鋁顆粒和平均直徑為25 nm 50 pm的SiC顆粒的混合物粉末，
其中二者的體積比為1:1 3:1更為有利。陶瓷或其混合物顆粒和金屬、合金或其混合物顆粒的混合物粉末可 以通過(guò)傳統(tǒng)方法制備。作為一種簡(jiǎn)單的方法，可以使用V型磨干混陶瓷 顆粒和金屬顆粒。干混粉末可以不經(jīng)進(jìn)一步處理即用在粉末加料器中。 在這些混合物中，陶瓷粉末和金屬粉末的混合比可以根據(jù)用途適當(dāng)調(diào)整， 但是為了優(yōu)化耐磨性，它們的混合比應(yīng)在上述范圍內(nèi)。例如，當(dāng)陶瓷顆 粒的體積比超過(guò)50%時(shí)，涂層可能無(wú)法增加到超過(guò)一定厚度。通常將收縮-擴(kuò)張噴嘴用于本發(fā)明中的噴嘴，在具有此常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的情 況中，向混合物粉末中供給約5kgf/ciT^ 20kgf/cr^的壓縮氣體。關(guān)于壓 縮氣體，可以使用氦氣、氮?dú)?、氬氣或空氣。所述氣體使用空氣壓縮機(jī) 壓縮至約5kgf/ci^ 20kgf/crr^而供應(yīng)。如果需要，可以供應(yīng)處于使用諸 如圖1中所示的氣體加熱器120等加熱單元加熱到約20(TC 50(rC的溫 度的狀態(tài)的壓縮氣體。冷噴涂處理具有諸如對(duì)粉末的壓縮壓力、輸送氣體的流速和輸送氣 體的溫度等各種控制參數(shù)，但為了改善耐磨性，優(yōu)選從噴嘴中噴出的至 多50%的粉末參與了實(shí)際的涂覆處理，其它粉末則在碰撞后落下，從而 在根據(jù)涂層的加工硬化改善硬度和提高耐磨性方面，有助于在涂層表面 上的諸如噴丸硬化等加工硬化，優(yōu)于使所有噴射粉末都用于涂覆的情況。 更優(yōu)選地是，在改善硬度并提高耐磨性方面，涂覆效率優(yōu)選在10% 20%的范圍內(nèi)。因此，如果保持上述涂覆效率，則優(yōu)選在混合物粉末撞擊時(shí)，使它 們保持較低的速度。因?yàn)樗俣却笾屡c輸送氣體的溫度的平方根成正比， 因此當(dāng)混合物粉末通過(guò)噴嘴涂覆時(shí)，可以將供應(yīng)到噴嘴的輸送氣體的溫 度保持較低。優(yōu)選的是，輸送氣體的溫度為28(TC士 5'C。更優(yōu)選地是， 所述輸送氣體的溫度對(duì)于鋁金屬和陶瓷的混合物粉末非常有利，因?yàn)槠?顯示出了適當(dāng)?shù)耐扛残?。此外，在金屬是鋁或鋁合金的情況中，如果要涂覆在基材上的粉末 的速度保持在300 m/s 500 m/s，則可以獲得與陶瓷顆粒類(lèi)型無(wú)關(guān)的前述 涂層加工硬化效果，因此可以使耐磨性得到最大化。 關(guān)于冷噴涂裝置的噴嘴，除了前述的de Laval型普通收縮-擴(kuò)張噴嘴 之外，還可以使用如圖13至圖16所示的具有喉部的收縮-擴(kuò)張噴嘴或收 縮-平直噴嘴?；旌衔锓勰┑淖⑸淇梢越?jīng)由貫穿喉部的注射管，在噴嘴的 擴(kuò)張或平直部分中進(jìn)行。由于混合物粉末的注射在壓力較低的擴(kuò)張或平 直部分進(jìn)行，因此混合物粉末的注射壓力可以保持較低，因此可以設(shè)計(jì) 低成本的冷噴涂裝置，此外，由于粉末在擴(kuò)張或平直部分中注射，因此 可以防止粉末涂覆在噴嘴內(nèi)側(cè)，特別是喉部，因此可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間操作。因此，在使用前述噴嘴和注射管的情況中，優(yōu)選當(dāng)將混合物粉末注 射到噴嘴內(nèi)時(shí)壓力低至90psi 120psi，這比常壓低很多。更優(yōu)選地是，在使用上述形式的噴嘴和注射管的情況中，在形成具 有優(yōu)異耐磨性的涂層方面，尤其是金屬為鋁且陶瓷為SiC時(shí)，當(dāng)將混合 物粉末注射到噴嘴內(nèi)時(shí)壓力為90psi 120psi，輸送氣體的溫度為280°C 士5。C。此外，在涂覆階段中，在涂覆含有體積比為1:1 3:1的金屬、合金 或其混合物顆粒和陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末之前，可以預(yù)先涂 覆含有比例低于所述比例的陶瓷或混合物顆粒的混合物粉末。換言之， 可以包括一個(gè)或多個(gè)具有低陶瓷含量的層。此外，作為另外一種選擇， 可以在涂覆含有體積比為1:1 3:1的金屬、合金或其混合物顆粒和陶瓷 或其混合物顆粒的混合物粉末之前，先涂覆含有比例低于所述比例的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，然后隨著從基材表面至涂層表面涂布 混合物粉末，將比例提高，以更高的比率含有陶瓷或其混合物顆粒，直 至最終的體積達(dá)到1:1 3:1的比例。換言之，可以進(jìn)行這樣的涂覆，使 得根據(jù)從基材到涂層邊緣的厚度產(chǎn)生陶瓷顆粒的濃度梯度。這種附加層的形成可以使因基材和涂層之間的熱膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的 熱應(yīng)力最小化，還可以促進(jìn)熱傳遞，由此使因熱循環(huán)而可能發(fā)生的剝落、 殘余應(yīng)力等最小化。關(guān)于該附加中間層的形成，優(yōu)選金屬是鋁，陶瓷是SiC，因?yàn)殇X和 SiC的熱膨脹系數(shù)的差異可以得到克服。此外，在進(jìn)行該涂覆處理后，本發(fā)明還可以包括一個(gè)熱處理步驟， 在該步驟中，在金屬、合金或其混合物的退火溫度下進(jìn)行熱退火處理。 換言之，如果需要，可以對(duì)通過(guò)前述方法形成的涂層進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚怼＠?，后處理可以包括用于表面照度控?surface illumination control) 的機(jī)械處理或用于改善涂層粘合性的熱處理。此外，本發(fā)明還提供了通過(guò)上述方法制備的含有金屬基體復(fù)合物的 耐磨涂層。涂層的厚度優(yōu)選為10 pm 1 mm。如果太薄，則耐磨性會(huì)降 低，如果太厚，則制備該涂層的成本太高，并且容易因熱膨脹發(fā)生剝落 或產(chǎn)生熱應(yīng)力。更優(yōu)選地是，金屬是鋁，并且陶瓷是SiC，以顯微維氏硬度計(jì)，由 此制備的涂層的硬度大于或等于80 Hv。通過(guò)本發(fā)明的方法制備的含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層增強(qiáng)了基 材或涂層本身的特性。首先，通過(guò)在涂層中包含高硬度的陶瓷顆粒，可以改善元件的耐磨性。其次，通過(guò)本發(fā)明制備的涂層增強(qiáng)了具有涂層的部件的疲勞性能。 因此，涂層和基材之間的強(qiáng)力連接防止了裂紋的產(chǎn)生，并且，由于涂層 具有金屬基體復(fù)合物的特性，其精細(xì)結(jié)構(gòu)降低了裂紋的產(chǎn)生及其擴(kuò)張率， 因此增強(qiáng)了疲勞性能。另外，本發(fā)明的涂層還有助于部件具有很高的抗 熱疲勞破壞性。在諸如燃?xì)廨啓C(jī)等耐熱發(fā)動(dòng)機(jī)中所使用的部件中，裂紋 產(chǎn)生和擴(kuò)張的主要原因之一是因局部溫差而造成的熱應(yīng)力。此外，在發(fā) 動(dòng)機(jī)組中，因發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒使得靠近氣缸的部分具有高溫，遠(yuǎn)離氣缸的 部分具有低溫。這種溫差產(chǎn)生了熱應(yīng)力，后者會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)組表面出現(xiàn) 裂紋。具體地是，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)中，在發(fā)生周期性燃燒和冷卻的位置處， 對(duì)于因周期性熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱疲勞破壞性能的控制非常重要。在本發(fā)明 中通過(guò)使用諸如作為金屬的鋁或鋁合金和作為陶瓷的SiC等具有高導(dǎo)熱 性的顆粒制備涂層，可以增強(qiáng)元件的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的改善將降低元件 中存在的溫差，由此導(dǎo)致元件的熱疲勞破壞性能的改善。此外，由于復(fù) 合物的形成可以降低基材的熱膨脹系數(shù)的差異，因此可以減小加熱過(guò)程 中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，由此使涂層的剝落和裂紋的產(chǎn)生最小化。
本發(fā)明并不僅限于對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述和附圖，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人 員顯而易見(jiàn)的是，可以對(duì)其進(jìn)行各種變化和改進(jìn)而不會(huì)脫離如所附權(quán)利 要求中限定的本發(fā)明的范圍。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明的制備含有金屬基體復(fù)合物的涂層的方法和使用該方法 制備的涂層，可以獲得具有最佳耐磨性和優(yōu)異的抗疲勞裂紋性的涂層， 另外，該涂層的熱疲勞性能也可以得到改善。所制備的涂層可以用作在 磨蝕環(huán)境中使用的機(jī)械部件或在周期性熱應(yīng)力環(huán)境下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)部件 的表面涂層。該涂層可以通過(guò)抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張來(lái)改善耐磨性能和 疲勞性能，另外，還可以通過(guò)控制熱膨脹系數(shù)和改善導(dǎo)熱性使該涂層和 基材之間的剝離或涂層中的裂紋最小化，由此改善抗熱疲勞裂紋的性能。另外，還可以通過(guò)使用較低的混合物粉末注射壓力和較低的輸送氣 體溫度來(lái)制備該涂層，因而具有可以低成本生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。具體是，可以在利用使用鋁金屬顆粒和SiC陶瓷顆粒的冷噴涂方法 在基材上形成含有金屬基體復(fù)合物的涂層的過(guò)程中獲得最佳耐磨性。此外，本發(fā)明的方法是通過(guò)涂覆顆粒的動(dòng)能而非熱能來(lái)形成涂層。 因此，不會(huì)對(duì)基材產(chǎn)生熱沖擊或生成熱應(yīng)變，此外，也不會(huì)通過(guò)與基材 發(fā)生反應(yīng)而形成對(duì)于基材特性具有不良影響的新相。
權(quán)利要求
1.一種制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法，所述方法包括下述步驟提供基材；制備含有平均直徑為50μm～100μm的金屬、合金或其混合物顆粒和平均直徑為25μm～50μm的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，二者的體積比為1∶1～3∶1；將所述混合物粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；和通過(guò)利用在所述噴嘴中流動(dòng)的輸送氣流，以300m/s～1,200m/s的速率對(duì)處于非熔融狀態(tài)的混合物粉末進(jìn)行加速，由此將所述混合物粉末涂覆在所述基材的表面上。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬選自由鐵、鎳、鋁、鉬、 鈦和它們的組合組成的組。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬選自由鐵合金、鎳合金、 銅合金、鋁合金、鉬合金、鈦合金和它們的組合組成的組。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陶瓷是氧化物、碳化物或氮 化物。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬是鋁或鋁合金，所述陶 瓷是氧化鋁或SiC。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述陶瓷顆粒以聚集粉末的形式 提供。
7. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述基材是鋁、鋁合金或鑄鐵。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在所述涂覆步驟中，將涂覆效率 保持在小于或等于50%。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金屬是鋁或鋁合金，要涂覆 在所述基材上的粉末的速率是300 m/s 500 m/s。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述噴嘴是收縮-擴(kuò)張型噴嘴或 收縮-平直型噴嘴，所述混合物粉末的注射經(jīng)由貫穿于喉部的注射管，在 所述噴嘴的擴(kuò)張或平直部分中進(jìn)行。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中在將所述混合物粉末注射進(jìn)所述噴嘴時(shí)，壓力為90psi 120psi。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)通過(guò)所述噴嘴涂覆所述混合 物粉末時(shí)，所述噴嘴中提供的輸送氣體的溫度為280°C±5°C。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在涂覆含有體積比為1:1 3:1 的金屬、合金或其混合物顆粒和陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末之前，i) 涂覆含有比例低于所述比例的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，或ii) 先涂覆含有比例低于所述比例的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末， 然后隨著從基材表面至涂層表面涂布混合物粉末，將比例提高，以更高 的比率含有陶瓷或其混合物顆粒，直至最終的體積達(dá)到1:1 3:1的比例。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述涂覆處理后還包括熱處 理步驟，在所述熱處理步驟中，在所述金屬、合金或其混合物的退火溫 度下進(jìn)行熱退火處理。
15. —種通過(guò)如權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述的方法制備的含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層。
16. 如權(quán)利要求15所述的含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層，其中所 述涂層的厚度為10 |im l mm。
17. 如權(quán)利要求15所述的含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層，其中所 述金屬是鋁，所述陶瓷是SiC，所述涂層的硬度至少為80Hv。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法及由其制備的涂層，更具體地是，本發(fā)明提供了制備含有金屬基體復(fù)合物的耐磨涂層的方法，所述方法包括下述步驟提供基材；制備含有平均直徑為50μm～100μm的金屬、合金或其混合物顆粒和平均直徑為25μm～50um的陶瓷或其混合物顆粒的混合物粉末，二者的體積比為1∶1～3∶1；將所述混合物粉末注射到用于涂覆的噴嘴中；和通過(guò)利用在所述噴嘴中流動(dòng)的輸送氣流，以300m/s～1,200m/s的速率對(duì)處于非熔融狀態(tài)的混合物粉末進(jìn)行加速，由此將所述混合物粉末涂覆在所述基材的表面上，還提供了通過(guò)使用所述方法制備的涂層，由此提供了下述涂層，所述涂層具有高耐磨性，并具有很高的抗基材表面出現(xiàn)疲勞裂紋的性能，并且不會(huì)在涂層形成過(guò)程中導(dǎo)致諸如熱應(yīng)變等對(duì)基材的破壞。
文檔編號(hào)C23C26/00GK101155946SQ200680011456
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者劉永鎬, 李在丁, 李在洪, 李夏勇, 高景現(xiàn) 申請(qǐng)人:Snt株式會(huì)社