涂布主體的方法，用于該方法的顆粒和制備顆粒的方法與流程
本公開大體涉及涂布主體的方法，特別但不排他性地用于提供硬涂層，適用于這種方法的顆粒，以及制備顆粒的方法。
背景技術：
國際專利申請公開號wo/2013/178550公開了一種制造包括用相對較硬材料層噴涂的鋼基底(substrate)主體的構件(construction)的方法。該方法可以包括提供一批含有鐵(fe)、硅(si)和碳(c)源的顆粒，其中選擇鐵、硅的相對量使得鐵、硅和碳的組合具有至多約1280攝氏度的液相線溫度(phaseliquidustemperature)；以及借助于熱噴涂組件(thermalsprayassembly)將所述顆粒沉積到所述基底主體上。熱噴涂工藝涉及以至少每秒約100攝氏度的平均加熱速率將顆粒加熱到至少約1350攝氏度的溫度，并且在與基底主體接觸時以至少約每秒20攝氏度的平均速率將顆粒冷卻至低于1000攝氏度。
需要提供一種用于將材料熱沉積的方法，并提供在熱噴涂工藝中用作原料的含有前體材料的顆粒，同時提供制造顆粒的方法，特別地但不排他性地，其中前體材料可在相對低的溫度下形成熔融相。
技術實現(xiàn)要素：
從第一方面看，提供了一種涂布主體的方法，所述方法包括提供一批顆粒，每個顆粒包含硅(si)，碳(c)，鉻(cr)和鐵族金屬，所述鐵族金屬選自鐵(fe)、鈷(co)和鎳(ni)；其中當至少鐵族金屬的閾值量可從硅、碳和鉻中獲得時，硅、碳和鉻的相對量可使得包含硅、碳、鉻和鐵族金屬的熔融相可在低于1300攝氏度的熔化溫度下形成；每個顆粒包含基本上低于鐵族金屬的閾值量；提供所述鐵族金屬的至少一個第二源；形成所述顆粒和所述第二源的混合物，使得至少所述的鐵族金屬的閾值量可從硅、碳和鉻中獲得；將顆粒和第二源加熱到至少熔化溫度以形成與主體接觸的熔融相；和除去熱量以允許熔融相固化并提供涂布主體。
在一些示例中，熔化溫度可至多約1280攝氏度或至多約1200攝氏度。
在一些示例中，該方法可以包含使用激光熔覆工藝，其中通過激光束實現(xiàn)加熱；電子束工藝，其中通過電子束實現(xiàn)加熱；或電弧等離子體噴涂工藝，其中通過電弧等離子體實現(xiàn)加熱。
在一些示例中，該方法可包含使用增材制造工藝(additivemanufacturingprocess)通過構建連續(xù)的涂層的層來制造制品，所述層構造用于制造制品。例如，增材制造工藝可以包含直接金屬激光燒結(directmetallasersintering,dmls)、選擇性激光燒結(selectivelasersintering,sls)或電子束熔煉(electronbeammelting,ebm)。
在一些示例中，包含在顆粒中的鐵族金屬的含量可以是閾值量的20％至60％，或閾值量的30％至50％。在一些示例中，顆?？砂辽偌s5％重量或至少約10％重量的鐵族金屬。在一些示例中，顆?？砂炼嗉s30％重量或至多約20％重量的鐵族金屬。
在一些示例中，顆?？删哂兄辽偌s50微米的平均晶粒尺寸。在一些示例中，顆粒可以有至多約500微米或至多約220微米的平均晶粒尺寸。顆粒可以具有50至500微米的平均尺寸(如果顆粒近似為球形，則晶粒尺寸近似為平均直徑)。
在一些示例中，顆?？删哂兄辽?0或至少200兆帕(mpa)的平均抗壓強度。顆粒的平均抗壓強度可為至多約1000mpa或至多約600mpa。
在一些示例中，顆?？删哂兄辽偌s800的hv10維氏硬度；和/或至多約1500的hv10維氏硬度。
在一些示例中，鐵族元素的第二源可以顆粒形式提供。鐵族金屬的第二源可是包含鐵族金屬或由鐵族金屬組成(除了少量雜質)的顆粒形式；晶粒尺寸可為約50至約500微米。在一些示例中，主體可包含鐵族金屬的源。
在一些示例中，顆?？砂?0至60％的鐵族金屬的閾值量。
在一些示例中，顆?？砂喾N碳化物材料晶粒，例如碳化鎢(wc)晶粒，其可具有至少0.1微米且至多10微米的平均尺寸。顆?？砂喾N碳化鉻顆粒和/或超硬材料。在一些示例中，顆粒可包含平均尺寸為0.5至5微米的鐵(fe)晶粒和平均晶粒為0.5至5微米的碳化鉻(cr3c2)晶粒。
在一些示例中，每個顆?？砂?si)、碳化鉻(cr3c2)和鐵(fe)；所述碳化鉻(cr3c2)的質量為所述硅的質量的1.5至7倍，所述鐵的質量為所述硅質量的2至8倍。在一些示例中，碳化鉻的質量可以是硅的質量的1.5至5倍，并且鐵的質量可以是硅的質量的4至6倍。
在一些示例中，每個顆?？砂辽偌s13％重量的碳化鎢晶粒，0.1％至10％重量的硅(以元素或化合物形式)和至少0.1％至10％重量的鉻(以元素或化合物形式)和鐵族金屬。在一些示例中，每個顆?？砂?％至5％重量的硅(si)，5％至15％重量的碳化鉻(cr3c2)，10％至30％重量的鐵族金屬和50％至95％重量的金屬碳化物，金屬碳化物可選自碳化鎢(wc)、碳化鈦(tic)或碳化鉭(tac)。
在一些示例中，顆粒可包含一種或多種碳化物，碳氮化物或氮化物，或者兩種或多種該類的化合物的混合物。該化合物包含一種或多種金屬，金屬可選自鈦(ti)、釩(v)、錳(mn)、鋯(zr)、鈮(nb)、鉬(mo)、鉿(hf)、鉭(ta)和鎢(w)中的一種或多種。顆?？砂辽僖环N超硬材料的晶粒，例如金剛石或立方氮化硼(cbn)。
在一些示例中，該方法可包括提供顆粒形式的鐵族金屬的第二源，將顆粒和第二源引入電弧等離子體噴涂設備的進料機構中，通過電弧等離子體加熱顆粒和第二源，并且通過所述設備涂布所述主體；其中電弧等離子體噴涂設備包含用于從等離子體噴嘴產生等離子體射流的等離子體焰炬和用于將顆粒引導到使用中的等離子體射流中的進料機構，并且當處于打開狀態(tài)時能夠提供進料孔；所述進料機構包括引導室和可移動引導機構；并且構造成使得所述引導室能夠將所述顆粒引導至所述進料孔，所述顆粒能夠通過所述進料孔從所述引導室移動，并且響應于所述引導機構的移動，以與所述等離子體噴嘴可變的平均距離進入所述等離子體射流；該方法包括調節(jié)引導機構的位置，使得熔融相基本上不接觸使用中的設備。在一些示例中，熱噴涂機構可包括等離子體轉移電弧(pta)裝置。
在一些示例中，引導機構可包含一個套筒，該套筒圍繞等離子體焰炬所有方向延伸并且可相對于等離子體焰炬軸向地可移動，進料孔可以作為環(huán)形軸向間隙，其邊界與套筒的邊界是相連(coterminous)的，使得所述軸向間隙響應于所述套筒的軸向移動而是可變的；并且所述方法可包括配置所述套筒使得所述進料孔的軸向間隙在0.2至0.5毫米以內。
在一些示例中，方法可以包括對顆粒應用激光熔覆，其可以包括在要涂布的主體上散焦合適的激光束以產生具有選擇區(qū)域的激光照射點，激光入射在整個點區(qū)域上提供足夠的功率以快速熔化前體材料。該方法可包括通過流動的惰性氣體將顆粒通過噴嘴輸送到被照射區(qū)域內的主體表面上，其中前體材料(包含在顆粒中)可能與包含在基底主體中材料熔融和/或快速進行反應。熔融材料可能很快速地固化成所需的一個或多個相，并且當它在激光照射區(qū)域內仍處于熔融或部分熔融相時可被稱為“熔池(meltpool)”。激光束可以在待涂布的主體的表面的區(qū)域上移動，如此做時前體材料被引入到移動的照射區(qū)域上，因此產生沉積材料層，該沉積材料層可牢固地接合基底主體。如果重復沉積工藝，則多個沉積層可彼此上堆疊。
在一些示例中，該方法可包括在彼此的頂部上沉積多個層，其中顆粒被轉變成多個沉積材料層。在一些示例中，該方法可包含沉積多個順序層以形成具有期望形狀的制品。特別地，該方法可包含使用增材制造工藝(其也可以稱為“3d打印”)以將顆粒轉變?yōu)槌练e材料的連續(xù)層。特別地，該方法可包含利用激光裝置將顆粒轉變成沉積材料，其中激光束可具有足夠的功率以熔化鄰近主體或前層的顆粒。
從第二方面看，提供了一種用于在所公開的涂布主體方法中使用的顆粒，其包含硅(si)、碳(c)源、鉻(cr)源和鐵族金屬，鐵族金屬選自從以下組成的組：鐵(fe)、鈷(co)和鎳(ni)；其中當至少鐵族金屬的閾值量可用于硅、碳和鉻時，硅，碳和鉻的相對量使得包含硅，碳，鉻和鐵族金屬的熔融相在低于1300攝氏度的熔化溫度下形成；并且所述顆粒包含基本上低于所述鐵族金屬的閾值量。碳和鉻的源可以是化學化合物形式的元素。
示例性顆?？梢匀缦惹瓣P于涂布主體的方法所述。
從第三方面看，提供了一種用于在所公開的涂布主體的方法中使用的一批顆粒的制備方法，所述方法包括將硅(si)、碳(c)源、鉻cr)源和鐵族金屬源與粘合劑材料在液體介質中混合以提供漿料；當至少閾值量的鐵族金屬可用于硅、碳和鉻時，硅、碳和鉻的相對量使得包含硅、碳、鉻和鐵族金屬的熔融相在低于1300攝氏度的熔融溫度下形成；在漿料中的鐵族金屬的含量基本上低于所述閾值量；干燥所述漿料以形成粉末晶粒的聚集體；使所述聚集體在第一溫度下經受第一熱處理，所述第一溫度足夠低，使得在所述粉末晶粒之間基本上不發(fā)生液相燒結，并且第一溫度足夠高以使得粘結劑材料從所述聚集體中除去，并且對于將被相互接合的粉末晶粒的大部分，在所述粉末晶粒之間發(fā)生充分的(固態(tài))燒結；使所述聚集體在基本上高于所述第一溫度的第二溫度下經受第二熱處理；并且破碎所述燒結主體以提供所述一批顆粒。
在一些示例中，第二溫度可足夠高引起粉末晶粒之間發(fā)生液相燒結，從而形成燒結主體。
在一些示例中，該方法可包括在第一熱處理之后破碎聚集體，以提供一批具有50至500微米尺寸的未燒結顆粒，然后將它們經受第二熱處理。
在一些示例中，該方法可以包括破碎燒結主體并篩選顆粒以提供具有50至500微米尺寸的一批顆粒。
在一些示例中，該方法可以包括將碳化鎢晶?；旌系綕{料中。
在一些示例中，粘合劑材料可包括包含羥基基團的聚乙烯基化合物材料。
在一些示例中，第一溫度可以是900至1050攝氏度，和/或第二溫度可以是1050至1200攝氏度。
通過熱噴涂、激光熔覆或電子束焊接產生的涂層可以化學地或冶金地熔合到主體上。在一些示例中，涂層可以通過包含沉積材料和來自主體的材料的混合的中間層連接到主體。
在一些示例，顆粒適于沉積在具有硬度基本上大于包含在主體中的鋼的材料的硬質層上。沉積材料可形成能夠降低使用的工具主體的腐蝕速率和/或機械磨損的層。
附圖說明
下面參照附圖描述非限制性示例，
圖1顯示了使用中熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性截面圖；
圖2顯示了等離子體轉移電弧(pta)熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性側視圖；
圖3顯示了圖2中使用中的等離子體轉移電弧(pta)熱噴涂組件的實施方案的示意性截面圖a-a；
圖4a顯示了在封閉狀態(tài)下熱噴涂組件處于處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性截面圖；圖4b顯示了在使用中的熱噴涂組件處于打開狀態(tài)的示例；
圖5顯示了熱噴涂組件處于部分未組裝狀態(tài)的熱噴涂組件的示意性側面透視圖元素；
圖6顯示了示例性熱噴涂組件的示例性進料機構的一部分的示意性側視透視圖；
圖7和圖8顯示了用于道路銑削或采礦的示例性挖掘工具，每個挖掘工具設置有一個示例性的保護層；
圖9顯示了示例性顆粒的硬度的數(shù)量頻數(shù)分布(numberfrequencydistribution)的曲線圖；
圖10顯示了多種示例性混合的第一和第二批顆粒的照片；和
圖11顯示了利用熱噴涂組件進行沉積的示例性材料的掃描電子顯微(sem)圖像。
具體實施方式
參照圖1，顯示了一個示例性熱噴涂組件10(以組裝狀態(tài)顯示，定義為熱噴涂設備10)將前體材料60轉變成接合到基底主體(未顯示)的沉積材料的層；其包括等離子體焰炬20和進料機構30，其構造成使得等離子體焰炬20能夠產生等離子體射流進入到等離子體區(qū)域50，在使用中該組件被等離子體射流占據(jù)，并從等離子體噴嘴28延伸。進料機構30能夠將顆粒60引導進入等離子體區(qū)域50中。進料機構30能夠在處于打開狀態(tài)下(如圖1所示)時提供進料孔70，其包括一個引導室34和一個可移動引導機構32。該進料機構30可以構造成使得引導室34能夠引導顆粒60進入到進料孔70，顆粒60通過從引導室34移動，進入到等離子體區(qū)域50中的等離子體射流中，顆粒60對引導機構32的移動做出響應，以可變平均距離從等離子體噴嘴28進入到等離子體射流中。
進料孔70的配置是可變的，使得顆粒60可以選擇性地進料到等離子體區(qū)域50內的任何不同的區(qū)域中，顆粒60與等離子體噴嘴28具有各自不同的平均軸向距離(圖1描述了一個示例區(qū)域80)。換句話說，顆粒60可在距離等離子體焰炬20的噴射端12以選定的軸向距離處進料到等離子體區(qū)域50的一個區(qū)域80，等離子體射流從等離子體焰炬20通過等離子體噴嘴28發(fā)射。在一些配置示例中，縱軸l可以由等離子體焰炬20的圓柱形軸線、等離子體射流(在使用中)、等離子體噴嘴28、引導機構32或進料機構30所形成的噴孔40，或這些特征功能中的多個同軸配置功能所限定。例如，縱軸可與噴孔40和等離子體焰炬20同軸。
在圖1所示的特定示例中，引導機構32可為可移動的保持殼體，其構造成容納取決于噴射端12的等離子體焰炬20的一部分。殼體體32可相對于等離子體焰炬20軸向移動，并且進料孔70的配置可響應于保持殼體32沿著縱軸l通過噴孔40的移動，并且與使用中的等離子體射流對齊而可變的。由進料孔70限定的區(qū)域響應于保持殼體32的移動而變化，進料孔70的軸向長度可響應于保持殼體32的移動而變化。例如，進料孔70可以在0和0.5毫米之間調整變化；0毫米的距離對應于未顯示在圖1中的熱噴涂組件10的封閉狀態(tài)，其中保持殼體32接觸等離子體焰炬20并阻止顆粒60被進料到等離子體射流中。在該示例中，進料孔70圍繞等離子體區(qū)域50沿所有方向周向延伸，進料機構30能夠使顆粒60沿著圍繞等離子體區(qū)域50所有方向的會聚方向延展的方位角引入到等離子體射流中。
所示的示例，如圖1所示，在圍繞等離子體焰炬20和保持殼體32之間之間形成引導室34，沿周向延伸的等離子體焰炬20。保持殼體32包括與等離子體焰炬的錐形外表面23間隔開的錐形內表面33，在其兩者之間形成了引導室34。保持殼體32和等離子體焰炬20沿著縱軸l基本上同軸。在一些示例中，由保持殼體32的內錐形表面33限定的錐角可大于由等離子體焰炬20的錐形外表面23限定的錐角，并導致它們之間的引導室34隨著靠近進料口70而變得更窄。
圖2顯示了示例性熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的側視圖；其包括等離子體焰炬20和可移動保持殼體32(在該示例中為引導機構)，等離子體焰炬20的一部分(在圖2中不可見)被容納在由保持殼體32形成的協(xié)作構造的空腔內。入口孔31a被配備用于顆粒前體材料引入到進料機構中，并隨后其輸送到由等離子體焰炬20產生的等離子體射流(未示出)中從而產生射流90，該射流90包含有從熱噴涂組件10的噴涂端12的噴孔40噴射的材料和等離子體。
圖3示意性地示出了用于將材料沉積到基底100上的等離子體轉移電弧(pta)熱噴涂組件的操作，其中在陰極24和周圍的陽極29以及基底100之間建立電勢差(potentialdifference)。在所示的特定示例中，等離子體焰炬20的一部分位于由可移動保持殼體32(在該示例中為引導機構)形成的空腔內，構造為使得保持殼體32的內表面31與等離子體焰炬20的外表面23間隔開以提供導向室34，顆粒前體材料60可通過該導向室34向由處于打開狀態(tài)的進料機構30提供的進料孔70輸送，并最終進入使用中的導向等離子體50a和轉移等離子體50b。等離子體焰炬20和保持殼體32構造成使得進料孔70位于等離子體焰炬20的等離子體噴嘴28(其也可以稱為“收縮形噴嘴”)附近。等離子體噴嘴28和噴孔40可以是同軸的，使得在收縮形噴嘴28附近產生的導向等離子體50a可以伸入(或通過)噴孔40并朝向基底主體100。
等離子體焰炬20可以包括中心陰極24和等離子體噴嘴28，其中中心陰極24可以包括鎢(w)金屬，等離子體噴嘴28至少部分包圍陰極24并且限定陰極24位于腔室27的至少一部分當中，陰極24和等離子體噴嘴28構造成使其可以在它們兩者之間產生電弧。在使用中，惰性氣體25，例如氬氣(ar)經過陰極24朝向等離子體噴嘴28流動。陰極24、等離子體噴嘴28和腔室27構造成使得惰性氣體25可被電離，并且等離子體噴嘴28附近產生引導等離子體射流50a，引導等離子體射流50a從腔室27向外噴射進入到噴孔40中并朝向基底100。當熱噴涂組件定位在足夠靠近基底100并且完成操作條件時，生成轉移等離子體射流50b，轉移等離子體射流50b在陰極24和基底100之間延伸，噴射超過噴孔40。導向等離子體射流50a內部的溫度可為大約15000攝氏度，轉移等離子體射流50b內的溫度可為大約3000至大約4000攝氏度。通常，等離子體射流50a和50b隨著等離子體射流中的軸向位置的不同，即與等離子體噴嘴28的軸向距離不同，其內部溫度有所變化。
通常，前體材料60可為顆粒形式，并很可能被選擇使其可通過熱噴涂操作轉變成沉積到基底100上的材料。在使用中，顆粒60被引入到熱噴涂組件中并被輸送到引導室34中，在引導室34中，其可以沿著會聚路徑朝進料孔70進一步被輸送，并最終被輸送到等離子體射流50b。會聚在等離子體射流50b上的顆粒60的流量通常是可控的。在本文所述的，顆粒的流量可以根據(jù)每單位時間通過平面的顆粒數(shù)量來表示，并包括顆粒的速度和空間密度的方面。被注入到等離子體射流50b的顆粒60的流量受到由區(qū)域的影響，該區(qū)域是由進料孔70、載氣(carriergas)內顆粒60的密度和朝向等離子體射流50b的顆粒60的速度限定的。顆粒60的速度可通過載流體(carrierfluid)的流速和引導室34的會聚構造來控制。
當顆粒60注入等離子體射流50b中時，它們的溫度非?？焖俚厣?，從而可能允許前體材料經歷相變和化學反應，對于要沉積到基底100上的期望材料，以上工藝可能是必要的。材料的射流90可以相對高的速度從熱噴涂組件朝基底100噴射。當材料撞擊基底100時，其可能傾向于“濺射(splat)”到基底上，開始冷卻，并且根據(jù)反應和相變動力學，形成固態(tài)的期望材料，并連接到基底100上。
控制以下參數(shù)可能是重要的，例如顆粒的組成和機械性能、載流體的流速、載流體內的顆粒的數(shù)量密度、注入等離子體的顆粒的流量、陰極和陽極與基底之間的電勢差、導向和轉移等離子體電弧的電流、惰性氣體的流速、顆粒在等離子體焰炬和進料孔周圍方位角的分散、以及引導室的構造。
參照圖4a和4b，處于組裝狀態(tài)的示例性熱噴涂組件(換句話說，熱噴涂設備)可以通過由m表示的其中一個方向調整保持殼體32的位置(在圖示示例中為可移動引導機構)，從而使得該組件處于封閉狀態(tài)，如圖4a所示，或者打開狀態(tài)，如圖4b所示。在其它配置示例中，保持殼體32可以在其它方向上移動，例如旋轉和/或橫向移動。保持殼體32可相對于等離子體噴嘴28移動，其位置能夠調整朝向或遠離等離子體噴嘴28和等離子體焰炬20的外表面23，從而減小或增加引導室34的體積和顆粒前體材料向使用中等離子體射流的潛在流量。熱噴涂組件可配備有調節(jié)機構(未示出)來進行該調節(jié)。
如圖4a所示的封閉狀態(tài)下，可處在引導室34中的顆粒前體材料(未示出)不能退出引導室34并朝噴孔40和等離子體區(qū)域(未示出)移動。在圖4a所示的例子中，可以通過調節(jié)保持殼體32的位置來實現(xiàn)，使得保持殼體32的內表面33的至少一部分與接近噴孔40的等離子體焰炬20的外表面23的至少一部分鄰接(abut)，從而將它們之間的空間基本上減小到零。在圖4a所示的特定示例中，保持殼體32的內表面33和接近噴孔40的等離子體焰炬20的外表面23都是基本上錐形的，每個錐形限定稍微不同的錐角，前者大于后者的錐角，相差2θ。在一些示例中，2θ可以為大約7.4度，θ可以為3.7度。換句話說，引導室34可朝噴孔40會聚。在封閉狀態(tài)下，這些相互會聚的錐形表面33,23可以在噴孔40附近彼此鄰接。當進料機構處于如圖4b所示的打開狀態(tài)時，引導室34朝噴孔40的變窄效果可加速和聚焦顆粒的流量。
在如圖4b所示的打開狀態(tài)下，保持殼體32已被調整到一個位置，使得其內表面33進一步遠離等離子體焰炬20的相應外表面23。因此，在這些表面23,33之間，以它們間的最窄間隔，靠近噴孔40和等離子體區(qū)域(未示出)配備有進料孔70。進料孔70允許顆粒從引導室34出來并進入等離子體區(qū)域，在使用中等離子體射流(在pta設備中，這是轉移等離子體)存在在該等離子體區(qū)域中。在所示的示例中，進料孔70的形狀通常為圓柱形并與等離子體焰炬20同軸。因此，可通過相對于等離子體焰炬20軸向移動保持殼體32來控制在使用中到達等離子體區(qū)域的顆粒的流量,并由此通過改變由保持殼體32的內表面33的一部分形成的進料孔70的下端的位置來改變進料孔70的面積和軸向間隔。
在一些示例中，可通過流體載體介質(例如ar氣體)將顆粒連續(xù)地引入到熱噴涂組件中，其中顆?？梢栽谄渲蟹稚⒑蛻腋?。顆粒和載流體可以通過進料機構中進行分布，將顆粒在引導室34內方位角地分散，從而圍繞使用中的噴孔40和等離子體射流方位角地分布。保護氣體室39通過圍繞使用中等離子體射流的多個孔提供氣體，用于屏蔽等離子體射流和從空氣中的氧氣噴射的材料。
參照圖5和圖6，一個示例中熱噴涂組件可包含第一、第二、第三和第四元件20、120、130、140，其中第一元件由等離子體焰炬20組成。第一元件20可連接第二元件120，第二元件120包含上殼體空腔122,上殼體空腔122可通過從取決于等離子體焰炬20的連接端12a懸垂的螺紋連接組件連接。第三元件130可包括用于容納等離子體焰炬20的相對噴射端12的下殼體體腔132，并且第三元件130可構造成第二元件120的殼體部分124。換句話說，第二元件120的一部分124可在其內側上“夾在”等離子體焰炬20和在其外側上“夾在”下外殼體腔132的壁之間。第四元件140，其包括冷卻機構和/或保護氣體供應機構，第四元件可構造成可容納所述第三元件130的一部分，并包圍等離子體焰炬20的噴射端12。
當組裝時進料機構可包括第一、第二和第三元20，120，130的某些特征功能，可通過這些元件之間的聯(lián)通空間形成的通道或腔室來運輸該顆粒。例如，第二元件120可包括一個圓周通道，當容納在第三元件130的殼體空腔132內，這限定一個分配室36的一部分，這便形成了分配室36的邊界。分配室36能圍繞等離子炬20基本上方位角地引導顆粒。多個相互隔開的偏轉器結構38，其圍繞所述等離子炬20方位角地配置，鄰近分配室36并以第二殼體120的徑向突起的形式使循環(huán)顆粒60c偏轉到偏轉通道37中，并將偏轉的顆粒62大致軸向地引導到引導室中。第三元件130可包括用于引入顆粒和一種載流體進入分配室36的一個入口孔31a，和出口孔31b，出口孔31b用于在可能重新使用的工藝中允許載流體和潛在的一些顆粒從熱噴涂組件逸出。
在使用中，顆粒60a和載流體可被引入分配室36，并被引導到分配室36內循環(huán)，作為循環(huán)的顆粒60c。在分配室36內前顆粒60c的循環(huán)效果很可能使顆粒66c基本上均勻一致地分布在等離子炬20(方位角)周圍。一些循環(huán)的顆粒60撞擊偏轉器結構38的側面，并在偏轉通道37內沿大致軸向路徑62輸送，進入引導腔(在圖5和圖6中未示出)。如果偏轉器結構38，和隨后的偏轉通道38，被配置以規(guī)則的間距間隔圍繞等離子炬20所有方向，前體材料顆粒60c可能會被引入到同樣規(guī)則隔開間隔的引導室中。導向室內的顆粒的流量沿周向均勻性可能取決于偏轉器結構38的寬度和數(shù)量,偏轉器結構38如果數(shù)量越多，充填越密集，顆?？赡茉谝龑曳植嫉脑骄鶆?。
參照圖7，一個示例性用于采礦的挖掘工具(picktool)400，其包括一個鋼基底405和熔合到鋼基底405上的硬面層406。硬面層可通過公開的熱噴涂設備沉積到鋼基底405上。挖掘工具400可包括具有一個沖擊點(strikepoint)404的硬質合金尖端(cementedcarbidetip)402，并接合到鋼基底405。在一些示例的尖端402可包括金剛石材料如pcd材料或碳化硅鍵合的金剛石材料。硬面層406可被配置圍繞硬質合金尖端402，以防止該鋼基底405在使用中的磨料磨損。例如在使用中破裂巖層包括煤或鉀鹽，巖石材料硬面層很可能降低鋼基底405的磨損，顯著地降低挖掘工具400過早失效的風險。
參照圖8，一個示例性用于路面銑削的挖掘工具500包括設置有孔的鋼支架505和沖擊尖端504，沖擊尖端504通過收縮配合或壓配合入孔中，接合到硬質合金基底502。硬面層506可被熔合到鋼支架505，被配置圍繞孔以保護鋼支架主體505不受到使用中的磨損。硬面層可使用所公開的熱噴涂設備，通過等離子體轉移電弧(pta)的熱噴涂方法沉積到鋼支架505上。沖擊尖端504可包括一個接合至硬質碳化鎢基底的pcd結構。
顆粒的抗壓強度可通過在相對窄的尺寸范圍內選擇多個基本上為球形的顆粒并對每個顆粒進行壓縮試驗來測量，一次一個(因為顆粒的某些機械性能可能取決于顆粒尺寸)。每個顆?？梢苑胖迷谝粚ζ桨逯g，其中一個板保持靜止，另一個板以恒定的位移速率驅動抵靠顆粒，直到顆粒破裂(假設板可以被驅動的最大力大于顆粒的抗壓強度)。在測量期間可記錄時間、板位移和力度數(shù)據(jù)。顆粒的抗壓強度可以根據(jù)其直徑和其變形(應變)的數(shù)據(jù)作為所施加的力(應力)的函數(shù)進行計算，直到力足夠大以破壞顆粒。
熱噴涂設備及其相對硬質層材料沉淀到鋼體上的非限制性示例應用在下面進行更詳細地描述。
第一批總重量200千克(kg)顆粒的制備如下：
a.混合：144千克具有平均顆粒尺寸0.8微米的碳化鎢(wc)、30千克具有平均顆粒尺寸1微米鐵(fe)粉、15千克平均具有顆粒尺寸1到2微米的碳化鉻(cr3c2)粉末、6千克硅(si)粉末和4千克石蠟，并通過磨碎機(attritormill)使用乙醇(alcohol)作為研磨介質，將粉末一起研磨三小時，使混合在一起，和多個具有800千克總質量的燒結碳化鎢球，以提供前體材料漿料(slurry)。干燥漿料以提供混合粉末，并破碎團聚體(agglomeration)以提供松散粉末。
b.第一次制粒(granulation)：粉末在旋轉鼓中滾動制粒，與粘合劑材料結合，然后過篩以提供一批顆粒，其具有平均尺寸約75至約225微米，以提供多個“生(green)”顆粒(換句話說，通過粘合劑材料將含有粉末晶粒的顆粒聚結在一起)。
c.初步熱處理：生顆粒置于石墨盒中，并加熱至1020的溫度。對于基本上不發(fā)生液相燒結的材料，該溫度足夠低；對于基本上要除去的所有粘合劑材料而言，該溫度足夠高，并且粉末具有足夠程度的固相燒結，以使顆粒具有足夠的強度去便于處理。
d.第二次制粒：在熱處理之后，顆粒過篩以選擇一批顆粒，其直徑為約75至225微米。
e.燒結熱處理：然后所選的顆粒再次放入石墨盒中并在1160攝氏度的溫度下在真空中燒結45分鐘，以允許顆?；旧弦合酂Y并提供燒結顆粒。在燒結工藝中，雖然一定量的碳化鉻(cr3c2)可能分解，但是僅有相對少量的碳化鎢可溶解到粘合劑材料中。雖然不希望受到特定假設的約束，但是潛在地基本上所有的碳化鉻(cr3c2)可以溶解在液態(tài)粘合劑材料中，并且混合碳化物材料其包含鐵族金屬(例如鐵或鈷)、鉻和碳，該混合碳化物材料可在材料的凝固期間產生結晶。溶解的碳化鎢的量可能約為5至8％(質量)，對應于至多約1.5至2.5％(原子)，其可能基本上不影響粘合劑材料的熔化溫度。如果顆粒含有比它們實質上更多的鐵，則顆粒明顯熔化的風險很高，導致在燒結熱處理結束時鐵基材料產生較大的、堅硬的聚集體(aggregation)，這使聚集體很難破壞從而提供第一批顆粒。但是，如果顆粒中的鐵太少時，就出現(xiàn)了材料的不充分液相燒結，顆粒很可能缺乏足夠的強度。例如，如果嘗試為熱噴涂工藝提供和使用僅僅一批顆粒，避免引入另外一批富鐵顆粒的需求，則顆粒需要包含約69％(質量)鐵，取代本示例中使用的15％(質量)，這導致可能產生較硬的、基于鐵的主體，該主體不可行地難以制粒。
f.第三次制粒：燒結顆粒在氬氣(ar)50巴的壓力下熱等靜壓(hotiso-staticallypressed,hip)，得到致密主體(compactedbody)。然后破碎致密主體，通過篩分選擇尺寸為約60至180微米的顆粒，以提供第一批顆粒。
所述第一批顆粒(其也可以稱為“第一顆?！?基本上缺乏鐵，其在熱噴涂和成功融合它們到基底主體是不可行的，即使主體含有鋼。雖然理論上可以將缺乏鐵的第一顆粒噴涂到基底上而不引入額外包含鐵的顆粒，但使用存在于鋼板中的鐵，在其上噴涂顆粒，這樣做所需的能量可能非常高。
第一顆粒的尺寸分布使得d(10)值為90微米，中值尺寸(d(50))為141微米，d(90)尺寸為221微米(換句話說為10％、50％和90％的顆粒的直徑尺寸分別小于或等于90、141和221微米)。隨機選擇五個顆粒的樣品用于破壞性機械測試。每個顆粒放置在一個剛性平臺和將一個剛性板以恒定速度緩慢壓在顆粒上，從而用盡可能少的50毫牛頓(millinewton,mn)和最大為2000牛頓(n)的增加的力壓縮它，直到顆粒破裂。由于顆粒的機械性能可能取決于顆粒的尺寸，所以測試的顆粒直徑尺寸為125至160微米。平均141±14微米直徑。測定顆粒的破壞載荷(failureload)為6.0±2.3牛頓(n)，并且考慮到顆粒的負載變形(loadingdeformation)，顆粒的平均抗壓強度(compressivestrength)為402.6±187.9兆帕(mpa)。圖10中顆粒的數(shù)量頻率n分布作為維氏硬度h(hv10)的一種圖形展示。用于制造顆粒的方法成功地制造了相對堅硬、致密和強大的顆粒。
第二批顆粒包含有由以被提供水霧化法(wateratomisation)制備的市售的鐵晶粒(特別是，使用了赫格納斯tm
第一和第二顆粒以75:25的質量比混合在一起，以提供一批混合的顆粒，其含有總體約35％重量的鐵。圖11顯示了第一批顆粒200和第二批顆粒的混合的顯微照片。第一和第二批顆粒中的每種顆粒的組成總結在表1中?；旌系念w粒適合于熱噴涂，其在焊接容易性和硬度兩個方面具有良好的平衡。
然后借助于如以上描述參照圖4a和4b的示例性的等離子體轉移電弧(pta)熱噴涂設備將混合的顆粒噴涂到鋼板上，從而在其上沉積相對硬且耐磨的材料層。鋼板為100毫米(mm)長，60毫米寬，10毫米厚。調節(jié)保持殼體32相對于等離子體焰炬20的軸向位置，使得進料孔70在保持殼體32和等離子體焰炬20之間限定0.2毫米至0.4毫米的軸向間隙。pta熱噴涂設備的其它操作參數(shù)如表2中所概述。
表1
表2
沉積層的厚度為約3毫米(mm)，且具有1000±100維氏單位的硬度。圖12示出了層的微觀結構的顯微照片。它包括在基質(matrix)304內的樹枝狀η相(dendriticeta-phase)碳化物相302，小碳化鎢(wc)晶粒和基于鐵(fe)的基質，該基質采用以納米級晶須(nano-scalewhisker)和納米級圓盤(nano-scaledisc)形式沉淀的納米級η相碳化物的納米晶粒進行強化。
使用astmg65試驗測量沉積層的耐磨性，并與三種不同等級的鈷-硬質碳化鎢(co-wc)材料比較，其材料包含8、10和15重量百分數(shù)(％)的鈷(co)。在該試驗中，使用包含上述各種級別的硬質合金的三個機床刀片(machinetoolinsert)來加工在上述示例中沉積在鋼板上的材料層。當包含8％重量百分比鈷co的工具用于加工沉積層時，從工具和層中除去基本上相同體積的材料(約3.8立方毫米)，表明如上所述示例沉積的材料的耐磨性與該等級的硬質合金材料相當。從包含10％和15％質量百分比％鈷(co)的硬質合金等級中去除的體積分別為9.1立方毫米和12.2立方毫米，表明包含在該層中的材料顯著比這些等級更加耐磨損。
在第二示例中，與上述第一示例中的15％質量百分比相比，鐵(fe)的相對含量增加至20％質量百分比，用于制造第二示例中的顆粒的前體材料包含20％質量百分比的鐵、13％質量百分比的碳化鉻(cr3c2)、3％質量百分比的硅和約64％質量百分比的碳化鎢晶粒。盡管有可能在第二示例中制造和熱噴涂第一顆粒，但是基本上更難以破碎在燒結熱處理步驟中產生的燒結聚集體。
在第三示例中，與上述第一示例中的15％質量百分比相比，鐵(fe)的相對含量減少至10％質量百分比，用于制造第二示例中的顆粒的前體材料包含10％質量百分比的鐵、6.67％質量百分比的碳化鉻(cr3c2)、3％質量百分比的硅和80％質量百分比的碳化鎢晶粒。盡管相對更容易破碎在燒結熱處理中產生的燒結聚集體，但是實質上更難以達到顆粒的密度。
在第四示例中，如第一示例中所述的第一和第二顆粒以60:40的比例(與第一示例中的比率為75:25相反)混合，因此導致基本上更大量的鐵被包含在被熱噴涂的混合前體材料中。這會導致基本上更軟的沉積層。
在第五示例中，如第一示例中所述的第一和第二顆粒以90:10的比例(與第一示例中的比率為75:25相反)混合，因此導致基本上更少量的鐵被包含在被熱噴涂的混合前體材料中。在一些情況下，這可能導致基本上更軟的沉積層。然而，基底的確切組成以及其在與所沉積的材料接觸時可能熔化的程度。
在一些示例中，鋼基底可以相對小和/或薄，并且在熱噴涂工藝中需要使用相對低水平的功率，以避免或降低損壞鋼的風險。在這種情況下，來自鋼的熔融鐵族金屬不可能有效地與噴涂材料反應，并可能使用相對較高比例的第二批顆粒(包含鐵族金屬)。
在其它示例中，鋼基底可以相對較大，因此，有可能在熱噴涂工藝中采用相對高水平的功率。在這種情況下，更高的功率可能導致來自鋼的熔融鐵族金屬在基底上形成，其可與噴涂材料有效地進行反應。由于更高的熱噴涂功率，更大的基底也不太可能由于加熱的增加而顯著變形。在這種情況下，可以使用相對較低比例的第二批顆粒(包含鐵族金屬)。
通常，第一和第二批顆粒的混合(其中第二批顆粒包含或由鐵族金屬如鐵或鈷組成)可以根據(jù)被涂布的基底形狀、尺寸和組成進行調整。如果在基底表面上提供過多的熔融鐵族金屬，則涂層可能不夠硬。例如，如果包含或由鐵族金屬組成的顆粒的比例太高，或者如果由于過高的熱噴涂功率而導致基底的熔化過多，則可能出現(xiàn)過量的鐵族金屬。
所公開的示例性配置、顆粒和方法中的至少某些的各種潛在方面將進行簡要討論。
某些公開的示例性前體材料，其包括化學元素和/或化合物的各種混合并可能適合于涂布主體，該前體材料在低于1300攝氏度條件下(共晶相溫度可低于1300攝氏度)，可以在較低熔化溫度下形成熔融相(換言之，基本上處于液態(tài)的相)。當在涉及加熱前體材料的某些涂布工藝中使用前體材料時，可能出現(xiàn)某些技術挑戰(zhàn)。例如，過早形成熔融相可導致其在涂布設備上發(fā)生沉積。所公開的方法的某些示例具有改進對熔融相形成的控制的方面，因此可能改進對熱沉積工藝的控制和性能。示例性公開的方法包括將前體材料的化學組分的多個不同源混合以使得熔融相在期望區(qū)域內形成。例如，前體材料的化學組分可分離為兩個或更多批原料顆粒，每批顆粒具有不同的化學組成，并且具有比混合的化學組分相對更高的熔化溫度。
某些示例性公開的方法可包括提供前體材料作為至少兩批原料顆粒，并加熱顆粒的混合物以形成熔融相，其中顆粒(以及前體材料的化學成分的可能的其它源)可以具有期望的機械性能或其它性能，例如硬度、韌性和/或流動特性。例如，當被引導到加熱位置時，相對堅硬顆粒可表現(xiàn)出改進的流動行為，并且示例性公開的制備顆粒的方法可具有產生相對堅硬和強大的顆粒的方面。在某些示例性涂布方法中，可通過調節(jié)設備和操作條件使得熔融相的形成離設備有足夠遠的距離，從而降低熔融相材料連接到涂布設備的風險。設備的布置和/或操作參數(shù)可受顆粒的平均尺寸和尺寸變化(varianceinsize)的影響。相對堅硬且強大的顆粒的一個方面可以降低其破碎的風險，因此能夠改進對涂布工藝的控制。
在提供前體材料作為具有不同組成的多于一批顆粒的示例中，如果不同批顆粒具有相似的尺寸特性，則所有批顆粒具有相似流動特性的可能性將可能增加。足夠大的顆粒更可能均勻且可預測地流動，并且滯留在涂布設備內的角落或小空間中的風險將可能降低。如果晶?；蝾w粒太大，它們不可能通過涂布設備的孔、通道和腔室，并可能導致堵塞。
在某些公開的示例中，當前體材料的化學組分被分離成多于一批顆粒時，可能更容易提供更堅硬和更強大的顆粒。特別地，在鐵族金屬是前體材料的主要化學組分的情況下，可提供基本上缺乏鐵族金屬的第一批顆粒，并且公開的示例性方法可用于提供具有相對高的硬度和抗壓強度的顆粒。如果顆粒中鐵族金屬的含量太高，則在該方法中生產的粉末的中間聚集體可能易受顆粒制造工藝的加熱步驟中不期望的熔化。當聚集體冷卻并且金屬固化時，其所得的固化聚集體可能非常難破碎以提供顆粒。如果顆粒中的鐵族金屬的含量太低，則聚集體可能強度不足，并且可能難以生產具有足夠強度和所需尺寸的顆粒。包含由鐵族金屬組成的第二批堅硬強大的晶?？赏ㄟ^已知的方法提供或者商業(yè)采購方式獲得。
使用具有低于1300攝氏度的相對低的熔融溫度的前體材料生產的金屬基涂層可具有相對致密和堅硬的方面，具有很少或沒有孔隙并可包含碳化物晶粒(其可以與前體材料相混合)。在一些示例中，通過所公開的方法生產的涂層可具有與本體基本上不同的性質。例如，該涂層可比本體(其可包含鋼)更堅硬或更耐磨損。示例性涂層可保護本體以免在使用中磨損和腐蝕。
所公開的示例性涂布方法的其它方面可包括在相對長的時段內的增強涂布均勻性。例如，包含等離子體轉移電弧熱噴涂的涂布方法可以在操作中表現(xiàn)出減小的等離子體和引導電流，使得可沉積相對薄的層(4-5mm)并且根據(jù)需要改變參數(shù)。示例性熱噴涂方法可以表現(xiàn)出增加的粉末向等離子體射流的的傳輸速率(以每單位時間的質量計)，使得在單次操作中沉積高達7至8mm的層變得可行。公開的示例性熱噴涂裝置和熱噴涂或激光熔覆的方法可具有以下方面：具有至少約30厘米(cm)的橫截面尺寸的相對大的主體和/或具有相對復雜形狀的主體，可用保護材料相對有效地涂布，特別但不排他性地用于防止磨損或腐蝕性磨損。有可能提供具有相對均勻的厚度和質量的涂層。
所公開的方法的示例可具有可沉積相對堅硬，耐磨和致密的材料的方面。在多個層相互沉積以形成制品的示例中，例如在增材制造工藝中，，所得制品可具有這些方面。雖然不希望受到特定理論的束縛，但前體材料的相對低的共晶溫度可允許通過3d打印工藝制造包含碳化物化合物材料的相對堅硬且致密的制品。
下面簡要解釋本文使用的某些術語和概念。
如本文所述的，熱噴涂工藝包括用材料層涂布主體，其中通過將前體材料(其也可以稱為涂層前體或“原料(feedstock)”)加熱而產生的熔融相材料噴涂到表面上，從而將涂布層材料沉積到所述主體的表面上。原料材料可以通過各種方式進行加熱，如等離子體或電弧、或化學手段。一般來說，熱噴涂可能在高沉積速率下在相對大的面積上提供約20微米至幾毫米(取決于工藝和原料)的相對厚的涂層。前體材料可以是顆粒形式，并且其被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并且熔融或半熔融材料的細分的(也稱為“霧化(atomised)”)液滴droplet)朝將被涂布的主體方向被加速。涂層可能來自于液滴在主體上的積聚，其凝固為多個扁平晶粒，其可以稱為薄片(lamellae)。各種操作參數(shù)可能影響涂層的性質，包括前體材料的組成、形式和物理性質、等離子體氣體組成和流速、能量輸入、焰炬和基底之間的距離(其也可以被稱為偏移距離)和基底的冷卻。
在電弧等離子體噴涂方法中，可以通過電弧放電(arcdischarge)和適當?shù)臍怏w通過在陽極和陰極之間的離子化而產生從等離子體焰炬發(fā)出的高溫等離子體射流。等離子體內的溫度可能改變并可能超過約10000攝氏度。包含前體材料的原料可以是粉末或顆粒的形式，并通過一個進料機構輸送到電弧等離子體。鎢電極可以位于等離子體焰炬的腔室內，并且可以迫使惰性氣體流過電極并通過收縮形噴嘴的孔，產生延伸通過該孔的等離子體射流?？梢試@收縮形噴嘴引入保護氣體，以保護等離子體射流免受環(huán)境大氣的影響。原料顆?？梢苑稚⒃诙栊暂d氣中，例如氬(ar)中，并被引導到等離子體射流中。其它熱噴涂方法包括爆炸噴涂(detonationspraying)、電弧噴涂(wirearcspraying)、高速氧-燃料涂層噴涂(highvelocitoxy-fuelcoatingspraying,hvof)。
在等離子體轉移電弧(pta)工藝中，可以在中心電極和含有銅的周圍水冷噴嘴之間產生“引導電弧(pilotarc)”，并且可以在電極和被涂布的主體之間產生“轉移電弧(transferredarc)”。在pta工藝中通過引導電弧的氬(ar)氣的電離可以達到相對高的等離子體電弧密度，引導電弧通常在熱噴涂操作期間永久燃燒?？梢酝ㄟ^“節(jié)流(throttling)”增加轉移電弧的溫度，以獲得具有約8,000至18,000攝氏度的等離子體柱(plasmacolumn)，并且如果轉移電弧等離子體射流包含金屬，例如含有鋼，則可導致主體的表面區(qū)域熔化。電弧點火機構可能用于在接近收縮形噴嘴的陰極和陽極之間產生火花，使得當氣體流過收縮形噴嘴，產生導向等離子體(也可稱為“非轉移電弧(non-transferredarc)”)。引導電弧在陰極和基底之間形成低電阻路徑，以便于隨后產生轉移電弧?？梢愿鶕?jù)焰炬、粉末和應用，可以調節(jié)pta操作參數(shù)，從而以1至13千克每小時(kg/h)的速率提供具有約1到至少約3毫米厚度的層。
如本文所述的，激光熔覆工藝涉及借助于激光裝置將前體材料焊接到主體上，并且可以被視為對等離子體轉移電弧(pta)工藝的互補涂布技術。兩種方法都包括快速加熱原料材料以形成熔融相，將其沉積到主體的表面上。例如，原料可以在小于1秒或小于約5秒內加熱至約2000攝氏度的溫度。
如本文所使用的，“3d打印”，也稱為“增材制造”或“快速成型”，是一種通過順序涂布沉積材料的層來制造幾乎任何形狀物體的工藝(換句話說，多個涂層可以通過一個疊在另一個之上沉積以形成三維制品)。根據(jù)層系列中的層的位置和待制造的物體的形狀來構造每層中的材料的分布。材料的分布通常由計算機程序控制?！?d打印機裝置”能夠在計算機控制下根據(jù)特定配置在層中沉積材料，并且可包括機器人能力。不同種的增材工藝是可能的，不同的是層沉積的方式。涉及加熱前體材料的示例性工藝包括選擇性激光熔融(slm)，直接金屬激光燒結(dmls)，選擇性激光燒結(sls)和熔融沉積成型(fdm)。如果用于增材制造工藝的材料原料包括顆粒形式的金屬或金屬合金材料，則直接金屬激光燒結(dmls)或選擇性激光燒結(sls)可能是適合的。根據(jù)金屬或合金材料的類型，電子束熔煉(ebm)，選擇性激光熔融(slm)可能是適合的。3d打印的一種方法涉及將顆粒材料選擇性地熔合到下面的層，這通常涉及顆粒層的目標加熱，其可以通過激光裝置(選擇性激光燒結)和直接金屬激光燒結(dmls)來實現(xiàn)。在選擇性激光熔融(slm)中，顆粒被熔化而不是使用高功率激光燒結以產生完全致密材料層。
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