專利名稱：合金涂覆裝置及電解電鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體上涉及對(duì)基體(base)金屬成分進(jìn)行涂覆，特別涉及采用兩種或更多 種預(yù)選的金屬在熔鹽浴中對(duì)基體金屬成分進(jìn)行包括擴(kuò)散的電解電鍍。
背景技術(shù)：
正如本領(lǐng)域所熟知以及如Newell C. Cook于1969年8月在kientific American 上發(fā)表的關(guān)于他在通用電氣研究和發(fā)展中心所做工作的文章“電解電鍍”(通過(guò)引用以其全 文并入本文)中所討論的，一種金屬和另一種金屬的結(jié)合經(jīng)常產(chǎn)生優(yōu)于這些金屬中單獨(dú)任 一種金屬的性能。除了傳統(tǒng)的合金化(在熔融狀態(tài)混合模具金屬)和鍍覆(將一種金屬附 著到另一種金屬表面)，電解電鍍也使一種金屬的原子擴(kuò)散到另一種金屬的表面。擴(kuò)散的金 屬成為其它金屬表面的整體部分，而非像在鍍覆中只是機(jī)械地附著在表面。電解電鍍是合 金化的形式之一，除了合金僅在表面處。擴(kuò)散通過(guò)高溫電解方法得以完成。作為陽(yáng)極的擴(kuò)散金屬和作為陰極的受體金屬懸 置在熔融氟化物鹽浴中。當(dāng)直流電流從陽(yáng)極流到陰極時(shí)，陽(yáng)極材料溶解并且被運(yùn)送到陰極。 在那里陽(yáng)極材料擴(kuò)散入陰極，導(dǎo)致合金化的表面。因此，許多所需要的性能變化得以實(shí)現(xiàn)。例如，硼擴(kuò)散入鉬表面產(chǎn)生具有接近金剛石硬度的表面。如果硅擴(kuò)散入鉬，則所產(chǎn) 生的材料在白熱時(shí)能在空氣中使用數(shù)百個(gè)小時(shí)，而沒(méi)有處理的鉬在赤熱時(shí)就在空氣中燃燒 并迅速毀壞。當(dāng)鈹擴(kuò)散入銅時(shí)，在保留其優(yōu)異導(dǎo)電性的同時(shí)，銅變得更強(qiáng)，更有彈性，更堅(jiān)硬 以及更抗氧化。硼化鋼可以制作成與碳化鎢一樣堅(jiān)硬，鈦化銅抵制沸騰的硝酸和在空氣中 的腐蝕，并且鉭化鎳變得幾乎與純鉭一樣耐腐蝕氧化。正如Cook的文章所說(shuō)，如果鋼和其它金屬可浸入熔融的硼、硅、鉻、鈦、鉭等等就 能夠獲得許多好處，但是所有這些金屬均在如此高的溫度下熔化以至于鋼在浸入它們時(shí)自 身也會(huì)熔化。電解電鍍提供了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用以及應(yīng)用廣泛的合金化金屬表面的方法。此外，Cook所揭露的熔鹽技術(shù)能夠使用元件周期表中的大部分金屬作為擴(kuò)散金屬 或基體。熔融氟化物的助熔作用溶解了陰極金屬表面的氧化物膜，該氧化物膜在空氣中形 成于除金和可能的鉬以外的所有金屬上。金屬表面上的空氣氧化物膜通常是其它金屬擴(kuò)散 入基材的一個(gè)障礙。氟化物溶劑所帶來(lái)的清潔表面使電解沉積中的原子能夠與陰極表面的 原子直接接觸并且允許在最大速率下進(jìn)行擴(kuò)散。硼和硅的反應(yīng)性相似，因而它們作為電解電鍍?cè)噭┑膽?yīng)用范圍也是相似的。能夠 硼化(bonded)和硅化的金屬包括釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、锝、釕、銠、鈀、銀、鉭、鎢、 錸、鋨、銥、鉬和金。上述清單包括了大多數(shù)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)金屬。分層(Bedding)和硅化可以 在許多鹽類混合物中完成，但是通常在包括(al)氟化鋰、氟化鈉和氟化鉀的三元組合物中 完成。硼化物涂層特別堅(jiān)硬。在鋼上，它們通常落入努氏硬度標(biāo)度1500-2500之間，并且 它們經(jīng)常超過(guò)3000。在普通碳鋼和許多合金鋼上，由于硼的擴(kuò)散進(jìn)入，涂層形成根狀附著物；涂層得到緊密的錨緊，并且即使在材料受到相當(dāng)大的變形時(shí)仍維持其整體性。硼化物涂 層通常具有較差的耐腐蝕性能(除在不銹鋼上以外)，但這可以通過(guò)使硼化物層輕度鉻化 和硅化進(jìn)行補(bǔ)救。硼化鋼顯示出應(yīng)用于軸承和模具的巨大希望。在其發(fā)展的現(xiàn)階段，它們 太脆弱以至于還不能用于切割工具。合金表面得到牢固結(jié)合，因?yàn)閿U(kuò)散的原子滲入原始結(jié)構(gòu)并成為其一部分。涂層從 不是多孔的，因?yàn)橥耆旅艿幕牡脑急砻娌皇嵌嗫椎?，并且在適應(yīng)新原子中，基材結(jié)構(gòu) 僅是重排(rear-arranged)和膨脹的。合金涂層通常能采用高效率的電解來(lái)形成。涂層厚 度的控制可以相當(dāng)精確。大部分涂層在2-3個(gè)小時(shí)內(nèi)以1密爾(.001英寸)-5密爾的厚度 形成。有些涂層形成得較快，僅在幾分鐘內(nèi)就形成幾個(gè)密爾的厚度，而其它涂層形成得相當(dāng) 慢，需要兩或三天的時(shí)間來(lái)達(dá)到1或2密爾的厚度?；旧蠜](méi)有例外，增高溫度加速涂覆過(guò) 程。在較高溫度下形成的合金經(jīng)常具有不同的性能，并且有時(shí)比在較低溫度下形成的合金 少一些所需的性能。當(dāng)溫度接近基材金屬的熔點(diǎn)或形成中的合金表面的熔點(diǎn)時(shí)，擴(kuò)散速率 通常迅速增加。氟化物溶劑系統(tǒng)還具有許多其它的優(yōu)點(diǎn)。第一，它們?cè)谌芤褐斜３蛛娊怆婂冸x子。 堿金屬和堿土金屬的氟化物與所有其它金屬的氟化物結(jié)合以產(chǎn)生可溶且高度穩(wěn)定的氟化 金屬鹽(fluometallate)陰離子(負(fù)離子)。因此，無(wú)論這些試劑是具有高熔點(diǎn)的固體還是 氣體，試劑均溶于熔融氟化物中，通常只需要少量的(少于百分之一)氟化物溶于溶劑氟化 物中用于發(fā)生電解電鍍反應(yīng)。根據(jù)所需反應(yīng)的類型，溶劑系統(tǒng)可以改變。例如，對(duì)于硅化和 硼化反應(yīng)，在溶劑系統(tǒng)中包括氟化鉀通常是有利的，與鈉離子和鋰離子相比，氟硅酸鹽和氟 硼酸鹽離子與鉀離子結(jié)合更為緊密。第二，堿金屬和堿土金屬的氟化物不形成干擾合金化反應(yīng)的溶劑陽(yáng)離子。一般地， I A族和II A族金屬不溶于結(jié)構(gòu)金屬或與其形成化合物，這主要是因?yàn)镮 A族和IIA族金 屬具有相對(duì)較大直徑的原子。因此，這些金屬的氟化物鹽對(duì)于大部分電解電鍍反應(yīng)來(lái)說(shuō)是 惰性溶劑，因?yàn)橛甥}電解產(chǎn)生的金屬原子不溶于陰極表面或與其反應(yīng)。在它們從陰極表面 移動(dòng)多個(gè)原子直徑之前，它們與氟金屬鹽陽(yáng)離子碰撞并且迅速帶走氟原子。這釋放了原子， 所述原子進(jìn)而擴(kuò)散入陰極表面。第三，氟化物溶劑是優(yōu)良的導(dǎo)電體。它們?cè)谌廴跔顟B(tài)完全離子化以至于在形成擴(kuò) 散涂層時(shí)載流能力從不成為限制性考慮因素。此外，溶劑氟化物基本上是非腐蝕性的，特 別是當(dāng)它們?cè)诤艽蟪潭壬先毖鯐r(shí)。它們還有其它的優(yōu)點(diǎn)它們?cè)诓僮鳒囟认戮哂械偷恼羝?壓，它們抵抗陽(yáng)極金屬的置換反應(yīng)并且它們具有高的表面張力(因此當(dāng)從電解電鍍?cè)≈腥?出涂覆件(coaled piece)時(shí)，很少部分被移除)。氟化物溶劑的性能和功能是電解電鍍方法的顯著技術(shù)特征。盡管通過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生的 電動(dòng)勢(shì)的蓄電池類作用大部分電解電鍍反應(yīng)自身會(huì)持續(xù)，然而，通常在內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)上施加 具有同樣流向的外部電流以獲得更均勻和更高(相比蓄電池作用所提供的)的電流密度。 這樣，電解電鍍的進(jìn)行速度可以是自生蓄電池作用的3-10倍，而不超過(guò)合金化試劑能夠擴(kuò) 散入陰極基材的速度。當(dāng)電解電鍍槽(cell)作為蓄電池來(lái)操作時(shí)，與陽(yáng)極相比，陰極的極性實(shí)際上是正 的，然而在鍍覆中陰極總是比陽(yáng)極更具有負(fù)性。當(dāng)在電解電鍍中由外部電源以足夠低的電 流(電流強(qiáng)度)施加額外電流以及擴(kuò)散迅速發(fā)生時(shí)，整個(gè)反應(yīng)可以在陰極不變負(fù)的情況下進(jìn)行。在應(yīng)用的電流反應(yīng)過(guò)程中如果電流中斷，則陰極快速回歸正的極性說(shuō)明擴(kuò)散跟上了 沉積。陰極沒(méi)有能夠回歸正的極性則說(shuō)明陽(yáng)極金屬開(kāi)始鍍覆陰極而不是擴(kuò)散入陰極了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于基體金屬成分的電解電鍍的改進(jìn)方法。本發(fā)明進(jìn)一步針對(duì)于采用 兩種或更多種預(yù)選的金屬在熔鹽浴中對(duì)基體金屬成分進(jìn)行涂覆和/或擴(kuò)散的方法。通過(guò)采 用基本無(wú)氧的氣氛和處在該氣氛中的電解質(zhì)浴的電解電鍍方法，可對(duì)材料進(jìn)行涂覆用以提 高和增加所需的性能。將待涂覆的導(dǎo)電基材作為陰極和多個(gè)陽(yáng)極一起浸入該浴中，每個(gè)陽(yáng) 極都具有彼此不同的成分。可變的電源為每個(gè)陽(yáng)極提供不同選定的電流密度，從而通過(guò)與 所施加的電流密度成比例地由每種陽(yáng)極材料形成基材的涂層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種非常堅(jiān)硬、耐 腐蝕和侵蝕、均勻、粘附的合金涂層可以通過(guò)采用多個(gè)低電流密度(就是說(shuō)總電流密度在 0. 05-10A/dm2之間的范圍)形成在特定的一組金屬上或擴(kuò)散入其中。本發(fā)明在這里描述了一種裝置，其可以包含基本無(wú)氧的氣氛和處在該氣氛中的電 解質(zhì)浴。使導(dǎo)電性基材(具有其表面)至少部分地浸入浴中，如同多個(gè)元件那樣。每種元 件都是導(dǎo)電的，并且每種都具有彼此不同的成分。外電源對(duì)于基材和多個(gè)元件中的每一個(gè) 均是能操作的。電源為每個(gè)元件和基材提供選定的電流密度，從而通過(guò)與施加于此的電流 密度成比例地由來(lái)自于浴中的多個(gè)元件中的每個(gè)元件的材料產(chǎn)生基材的涂層。本發(fā)明中將涂層施加到基材上的方法方面可包括提供基本無(wú)氧的氣氛和處在該 氣氛中的電解質(zhì)浴，將導(dǎo)電性基材浸入該浴中，將多個(gè)導(dǎo)電性元件浸入該浴中，每個(gè)元件都 具有彼此不同的成分，并且對(duì)多個(gè)元件中的每個(gè)提供電流密度。充分地施加電流密度，用于 與施加于多個(gè)元件中的每個(gè)的電流密度成比例地使基體涂覆有來(lái)自所述浴中的多個(gè)元件 中的每個(gè)的材料。例如，鈮、鉭、鈦、硅和其它金屬的硼化物金屬間化合物涂層和合金涂層以及擴(kuò)散 體(diffussion)可以通過(guò)形成電池在特定的金屬基材成分上形成，該電池含有作為陰極 的金屬成分，其通過(guò)具有多個(gè)外部電連接的電路與兩個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極相連。例如，對(duì)于在這 里描述的實(shí)施方案，一個(gè)陽(yáng)極可以是硼而(一個(gè)或多個(gè))其它的陽(yáng)極可以包括形成合金所 需的(一種或多種)金屬。例如，使用一種預(yù)選的熔融電解質(zhì)并可維持其溫度在至少600°C， 但是低于金屬成分的熔點(diǎn)。該電池產(chǎn)生電，但是將單個(gè)可變電磁場(chǎng)或力(EMF)施加于每個(gè) 陽(yáng)極電路部分以確定沉積于陰極金屬上的每種陽(yáng)極金屬的合金百分?jǐn)?shù)。在特定的應(yīng)用中直流波形的變化被證明是有利的?？偟年帢O電流密度優(yōu)選地不超 過(guò)ΙΟΑ/dm2。陽(yáng)極金屬擴(kuò)散到基體金屬之內(nèi)或之上以形成合金涂層或者到基材之內(nèi)或之上 的擴(kuò)散體，其由陽(yáng)極金屬和/或基材金屬組成。這種方法在基材金屬上制備涂層中非常有 用。


為了更全面地理解本發(fā)明，參考如下詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)合說(shuō)明本發(fā)明的不同實(shí)施方案 的附圖，其中圖1是說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的概略性示意圖，該實(shí)施方案包括形成陽(yáng)極的多 個(gè)元件，每個(gè)都能用電壓控制器操作，用于對(duì)作為陰極的基材提供預(yù)選的合金涂層；
圖2是說(shuō)明一個(gè)實(shí)施方案的概略性示意圖，該實(shí)施方案在浴中包括第一硼元件和 第二鈮元件的二元件陽(yáng)極，用于涂覆不銹鋼渦輪機(jī)葉片；圖3是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的二元素合金的顯微照片示意圖，其說(shuō)明了鋼上的鈮和 硼；圖4根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具有合金涂層的單一葉片的透視圖；和圖5是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的二元素合金的顯微照片示意圖，其說(shuō)明了鋼上的鉭和 硼。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在根據(jù)附圖在下文對(duì)本發(fā)明作更完整地描述，其中顯示了本發(fā)明的可選實(shí)施方 案。然而，本發(fā)明可以以多種不同的方式實(shí)施并且不應(yīng)該理解為局限于此處提出的實(shí)施方 案。相反，提供這些實(shí)施方案以使本公開(kāi)充分和完整，并且對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員充分表述了本 發(fā)明的范圍。首先參考圖1，在這里以裝置10描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該裝置10包含其 中具有基本無(wú)氧的氣氛14的外殼12。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)惰性氣氛和真空對(duì)于支持電解電鍍方法提 供了有效的環(huán)境。置于外殼12中的容器16包括電解質(zhì)浴18。導(dǎo)電性基材20包括浸入浴 18中的要涂覆的表面22。正如這里說(shuō)明的，基材20是電路M中的陰極，而多個(gè)導(dǎo)電性元 件沈是電路中的陽(yáng)極。陽(yáng)極中的每個(gè)元件J6b、26c都具有彼此不同的成分，這將在本 部分后面進(jìn)一步描述，并且每個(gè)元件都具有浸入浴18中的表面觀。繼續(xù)參考圖1，電源30與基材(陰極)20和多個(gè)元件(陽(yáng)極)26中的每個(gè)元件相 連。此外，電源30能用可變電阻器32操作用于為多個(gè)元件沈中的每個(gè)分別提供預(yù)選的 電流。例如，在這里描述的三個(gè)可變電阻器32a、32b、32c分別對(duì)它們相應(yīng)的陽(yáng)極元件^a、 ^b、26c提供預(yù)選的電流，用于對(duì)元件沈中的每個(gè)和基材20產(chǎn)生電流密度。因而，產(chǎn)生了 電解電鍍反應(yīng)，并且與施加于多個(gè)元件沈中的每個(gè)的電流密度成比例地使基材20涂覆有 從浴18中的多個(gè)元件沈中的每個(gè)擴(kuò)散到基材20上的材料。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的 理解，對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的陽(yáng)極元件26，可以采用單獨(dú)的電源。此外，施加電流所需的時(shí)間取決 于電源形式(profile)。例如，相比恒定直流電源，半波直流電源需要兩倍的時(shí)間以施加電 流密度。例如，形成陽(yáng)極的元件沈可以包括原子元素、金屬、非金屬材料和/或合金。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)以及繼續(xù)參考圖1，一種方法包括將預(yù)選金屬用作陽(yáng)極沈并浸 入熔鹽浴中，該浴包含堿金屬氟化物的混合物，或者堿金屬氟化物與氟化鈣、氟化鍶、氟化 鋇、氟化鉀、氟化鈉或氟化鋰的混合物(其含有0. 1-15摩爾％的適當(dāng)陽(yáng)極氟化物)，這將在 本部分后面進(jìn)一步描述。對(duì)于一個(gè)實(shí)施方案，電解質(zhì)浴包含氟化物鹽。例如，該浴可以是鈣、 鋰、鈉、鉀、銣和銫的氟化物。采用的陰極20是基體金屬，要在其上制備所需的沉積物。在這種情況下，陽(yáng)極金 屬溶于熔鹽浴中并且陽(yáng)極金屬離子在基體金屬陰極表面處放電，在基體金屬陰極表面處它 們形成到基體金屬之上或之中的合金沉積物和/或擴(kuò)散體以形成金屬或金屬間化合物涂 層和/或擴(kuò)散體。正如前面引用的Newell C. Cook的努力所支持的那樣，用于電解電鍍反 應(yīng)的圖1的裝置10包括作為陽(yáng)極沈的電解電鍍?cè)噭?，其溶于熔融氟化物?8中從而變成CN 102131961 A
說(shuō)明書
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正離子，這是因?yàn)樵谌軇┲蟹飪A向于捕獲電子。在陰極20 (其包括要涂覆的浸入金屬) 處，來(lái)自從外部流過(guò)裝置的電流的電子將離子還原成陽(yáng)極金屬的原子，然后所述原子擴(kuò)散 入陰極20的表面22，賦予陰極/基材20新的性能。雖然在這里舉例描述的是采用兩個(gè)陽(yáng) 極元件的例子，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，在需要的情況下也可以采用多個(gè)陽(yáng)極元件。沉積材料的溶解和沉積速率不是自調(diào)節(jié)的，因?yàn)閺拿總€(gè)陽(yáng)極材料元件沈沉積到 基體金屬陰極20之上和之內(nèi)的速率取決于外部施加的單個(gè)電流。根據(jù)本方法所使用的堿金屬氟化物可以包括鋰、鈉、鉀、銣和銫的氟化物。然而，當(dāng) 可獲得時(shí)，期望采用共晶混合物從而在相對(duì)較低溫度下實(shí)施該方法。堿金屬氟化物與氟化 鈣、氟化鍶或氟化鋇的混合物也可以在本發(fā)明的方法中作為熔鹽使用。如果要獲得所需的涂層和/或擴(kuò)散體，對(duì)浴18的化學(xué)成分的關(guān)注是有必要的。例 如，起始鹽應(yīng)該是無(wú)水的并且盡可能不包括所有的雜質(zhì)或是在熔融階段通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱應(yīng) 該易于干燥或純化。由于氧干擾該方法，期望該方法在基本無(wú)氧時(shí)實(shí)施。如上所描述，該方 法也可以在惰性氣氛或真空中實(shí)施。術(shù)語(yǔ)“基本無(wú)氧”是指在熔鹽浴中基本上不存在大氣 氧，也不存在金屬氧化物。又例如，通過(guò)采用試劑等級(jí)的鹽并且在真空或者惰性氣氛如在氬 氣、氦氣、氖氣、氪氣、氮?dú)饣螂瘹鈿夥罩袑?shí)施，獲得了令人滿意的結(jié)果。已發(fā)現(xiàn)，即使是可商購(gòu)的試劑等級(jí)的鹽也可以進(jìn)一步純化從而期望地操作電解電 鍍方法。這種純化易于通過(guò)如下方式完成利用廢金屬制品作為陰極并且在有或無(wú)附加施 加電壓下進(jìn)行初始清洗作業(yè)，從而從浴中鍍出(plating out)和移除那些干擾高品質(zhì)涂層 形成的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的方法涂覆的基體金屬可以包括熔點(diǎn)高于500°C的所有金屬和那些金 屬的合金。陽(yáng)極的形式不重要。為了產(chǎn)生合理快的鍍覆速率和保證到基體金屬之上和/或之中的金屬涂層和/或 擴(kuò)散體以形成合金，期望在約50(TC -1100°C溫度下操作該方法。在60(TC -1100°C溫度下 操作是有用的。進(jìn)行該方法的溫度通常在一定程度上取決于所使用的特定熔鹽浴。因而， 例如，當(dāng)期望低到600°C的溫度時(shí)，可以采用鉀和鋰氟化物的共晶體。因?yàn)樵S多涂層的優(yōu)選 操作范圍是從900°C到1100°C，所以優(yōu)選采用氟化鋰作為熔鹽。再次參考圖1說(shuō)明，加熱器 34對(duì)裝有浴18的容器16是可操作的。施加于每個(gè)元件沈的電流量可以通過(guò)電流表測(cè)量，這就易于計(jì)算沉積到基體金 屬陰極和轉(zhuǎn)化成合金層的(一種或多種)陽(yáng)極材料的量。了解了涂覆/鍍覆中的制品(基 材20)的面積和電性能，就能確定形成的涂層的厚度，因而允許準(zhǔn)確的控制方法來(lái)獲得任 何所需厚度的層。電壓(和因而施加的電流)可以變化，從而在反應(yīng)期間提供變化的電流密度，并且 增加和控制沉積中的合金組元涂層的沉積速率，而不超過(guò)(一種或多種)陽(yáng)極材料在基體 金屬陰極之中和之上的擴(kuò)散和合金化速率。例如在一種電解電鍍過(guò)程中，電壓可以不超過(guò) 1. 0伏并且可以落入0. 1-0. 5伏之間。由于不同的陽(yáng)極材料擴(kuò)散和涂覆到陰極制品之中和之上的速度隨著溫度和形成 中的涂層的厚度對(duì)于材料彼此不同，因此可以使用的電流密度的上限通常有變化。因此，如 果要獲得高效和高品質(zhì)的涂層，那么將合金化試劑的沉積速度調(diào)整到不超過(guò)合金化試劑擴(kuò) 散和涂覆到基材材料之中和之上的速率。當(dāng)在本公開(kāi)的上述的溫度范圍內(nèi)實(shí)施時(shí)，用于所需合金涂覆和/或擴(kuò)散的最大電流密度為ΙΟΑ/dm.2。又例如，當(dāng)擴(kuò)散和涂覆速率相應(yīng)地較低且期望非常稀釋的表面溶解或非常薄的涂 層時(shí)，經(jīng)常采用相對(duì)較低的電流密度(.01-. ΙΑ/dm.2)。為了制備適用于一種應(yīng)用的成分，通 過(guò)改變單個(gè)陽(yáng)極的電流密度來(lái)改變擴(kuò)散涂層的組成。由于包括寬范圍的元素原子尺寸的因 素，因此最超硬、耐腐蝕和侵蝕的合金不能通過(guò)使元素在彼此頂部成層而產(chǎn)生，但是必須以 正確的比例將原子逐一傳遞到陰極基材表面來(lái)產(chǎn)生所需的合金涂層。本發(fā)明的教導(dǎo)提供了 這樣的所需的合金涂層。通常，對(duì)于在這里公開(kāi)的溫度范圍內(nèi)，用于形成主觀上所需品質(zhì)的合金涂層和/ 或擴(kuò)散體的電流密度落入.5和10A/dm.2之間。例如，當(dāng)期望對(duì)電路施加額外電壓以縮短 操作時(shí)間時(shí)，總電流密度不超過(guò)10A/dm.2。電源30 (例如蓄電池或其它直流電源)連接在電路M中，使得負(fù)極終端與涂覆 中的基體金屬、陰極20相連，而正極終端與陽(yáng)極沈相連。兩個(gè)電源的電壓是代數(shù)相加的。 正如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的那樣，在電路中可以包括測(cè)量設(shè)備如電壓表、電流表、電阻 計(jì)、計(jì)時(shí)器等以協(xié)助該過(guò)程的控制。因?yàn)闃O其堅(jiān)硬、堅(jiān)韌、無(wú)孔和粘附的耐腐蝕和侵蝕性能的涂層和擴(kuò)散體在整個(gè)經(jīng) 處理的區(qū)域中是均勻的，所以通過(guò)在這里描述的電解電鍍方法制備的涂覆金屬成分具有廣 泛的用途。例如，上面描述的裝置10可用于生產(chǎn)原子力結(jié)合的表面涂層如鈮、鈦、鉭和鋯的 硼化物，用于耐磨損和腐蝕、核燃料棒層狀鋯硼用途以及很多本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮到上 述教導(dǎo)容易想到的其它用途與對(duì)本發(fā)明的其它改進(jìn)和變化。參考圖2，例如本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括一個(gè)為鈮^(Nb)而一個(gè)為硼^(B)的 二元件陽(yáng)極元件，對(duì)于作為基材20的氣體渦輪機(jī)葉片38的表面提供了硼化鈮涂層。這樣 的渦輪機(jī)葉片38通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的前壓縮機(jī)部分。采用本發(fā)明教導(dǎo)所施加的硼化鈮涂 層40在1015不銹鋼基材/陰極20上提供了原子結(jié)合的厚的鈮和硼的涂層(以硼化鈮合 金(NbB)形式)，參考圖3所說(shuō)明的。參考圖4所說(shuō)明，該涂層20在覆蓋馬氏體不銹鋼葉片 和鈦葉片中是有用的。例如，如果需要鈮和硼的合金涂層(以硼化鈮(NbB)形式)，則對(duì)每個(gè)陽(yáng)極 26 (Nb), 26 (B)施加相同的電流密度。對(duì)于在浴中具有相同表面積的陽(yáng)極，將施加相同的電 流?；蛘撸鸹?NbB2)的合金涂層(也稱為二硼化鈮)可能是需要的。對(duì)于這種情況， 對(duì)于硼陽(yáng)極26(B)的電流密度通常是施加于鈮陽(yáng)極沈(Nb)的兩倍。結(jié)果表明，電流密度通 常與所施加的陽(yáng)極材料的量具有線性關(guān)系。這種涂層給飛機(jī)工業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)每8，000-15，000 小時(shí)就需要改造，其取決于制造、模型和年限。由于壓縮機(jī)效率的損失，在周期中從全新到 改造或從改造到改造，其燃料消耗的增加是5%或2. 5%。這種損失是由壓縮機(jī)葉片的機(jī)翼 性能的侵蝕造成的。這種侵蝕是因?yàn)榇髿庵械念w粒的攝入，特別是在降落和起飛過(guò)程中。 NbB的耐磨性大概是未防護(hù)葉片的10倍，并且由于某些技術(shù)原因，(涂層是原子力結(jié)合的事 實(shí))會(huì)在不到兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)得到授予FAA鑒定。這種燃料節(jié)省每年僅給美國(guó)航空公司某 處(700架飛機(jī))就節(jié)約了大約3億美元。鈦上的這種NbB涂層還有其它潛在的應(yīng)用。鈦是一種邊緣(suburb)材料，但是其 具有很差的耐侵蝕性能以及一些腐蝕和摩擦(軸承)的問(wèn)題。千分之0. 5的涂層將解決這些問(wèn)題中的很多種，因?yàn)镹bB比碳化鎢硬很多并且非常、非常耐腐蝕。參考圖5的進(jìn)一步說(shuō) 明，鋼基材20上的硼化鉭涂層40提供了令人滿意的結(jié)果。對(duì)于從實(shí)際顯微照片獲得的圖 3和圖5的兩種顯微照片示意圖，也顯示了在測(cè)試涂覆基材時(shí)使用的夾具42，但是并不旨在 成為本發(fā)明所要求的一部分。 受益于前面的描述和附圖給出的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到本發(fā)明的許多改進(jìn) 和其它的實(shí)施方案。因此，需要理解的是，本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的特定實(shí)施方案，旨在 將這些改進(jìn)和替代性的實(shí)施方案包括于在此提出的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包含基本無(wú)氧的氣氛；處在該氣氛中的電解質(zhì)浴；導(dǎo)電性基材，其具有浸入該浴中的表面；多個(gè)元件，每個(gè)元件都是導(dǎo)電性的，且每個(gè)元件都具有彼此不同的成分，并且每個(gè)元件 都具有浸入浴中的表面；和能對(duì)基材和多個(gè)元件中的每個(gè)元件進(jìn)行操作的電源，電源向元件中的每個(gè)和基材提供 電流密度，從而通過(guò)與施加于此的電流密度成比例地由來(lái)自在該浴中的多個(gè)元件中的每個(gè) 元件的材料產(chǎn)生基材的涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)元件中的至少一個(gè)包含原子元素、金屬、非金 屬材料和合金中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中元件選自于由硅(Si)、鈮(Nb)、硼⑶和鉭(Ta) 組成的原子元素組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)元件包含包括第一硼元件和第二鈮元件的兩 元件，并且其中施加于第一元件和第二元件的電流密度對(duì)基材提供硼化鈮的合金涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該基材包含鋼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中電解質(zhì)浴包含氟化物鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中氟化物鹽選自鋰、鈉、鉀、銣和銫的氟化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中氣氛包含惰性氣氛和真空中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中能操作的電源與基材和多個(gè)元件形成電路，其中 多個(gè)元件構(gòu)成陽(yáng)極，而基材構(gòu)成陰極。
10.一種將涂層施加到基材的裝置，該裝置包括外殼，該外殼在其中具有基本無(wú)氧的氣氛；處在外殼中的電解質(zhì)??；導(dǎo)電性基材，其具有浸入浴中的表面；多個(gè)導(dǎo)電性元件，每個(gè)元件都具有彼此不同的成分，并且每個(gè)元件都具有浸入浴中的 表面；和電源與基材和多個(gè)元件中的每個(gè)元件相連從而形成電路，該電路具有電路中的形成陽(yáng) 極的多個(gè)元件和形成陰極的基材，其中電源是能操作的，用于向多個(gè)元件中的每個(gè)元件分 別提供預(yù)選的電流從而對(duì)于每個(gè)元件和基材產(chǎn)生電流密度，并且其中電解電鍍反應(yīng)導(dǎo)致與 施加于多個(gè)元件中的每個(gè)元件的電流密度成比例地使基材涂覆有從浴中的多個(gè)元件擴(kuò)散 到基材上的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中電源包含多個(gè)能對(duì)多個(gè)元件進(jìn)行操作的電源， 用于向形成陽(yáng)極的元件中的每個(gè)元件施加預(yù)選的電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，還包含能對(duì)電解質(zhì)浴操作的加熱器，用于對(duì)該電解質(zhì)浴 提供加熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中形成陽(yáng)極的多個(gè)元件中的至少一個(gè)包含原子元素、 金屬、非金屬材料和合金中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中基材包含金屬渦輪葉片和單一葉片中的至少一種，并且其中形成陽(yáng)極的多個(gè)元件構(gòu)成第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極，第一陽(yáng)極包括鈮，第二陽(yáng)極包 括硼。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中電解質(zhì)浴包含氟化物鹽，并且其中氟化物鹽選 自鋰、鈉、鉀、銣和銫的氟化物。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中氣氛包含惰性氣氛和真空中的至少一種。
17.—種將涂層施加到基材的方法，該方法包括提供基本無(wú)氧的氣氛和處在該氣氛中的電解質(zhì)浴；將導(dǎo)電性基材浸入浴中；將多個(gè)導(dǎo)電性元件浸入電解質(zhì)浴中，其中每個(gè)元件都具有彼此不同的成分；對(duì)多個(gè)元件中的每個(gè)元件施加電流密度；和充分地施加電流密度，用于與施加于多個(gè)元件中的每個(gè)元件的電流密度成比例地使基 材涂覆有來(lái)自于浴中的多個(gè)元件中的每個(gè)元件的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括從原子元素、金屬、非金屬材料和合金中的至 少一種選擇多個(gè)元件中的每個(gè)元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中施加電流密度包括在電解質(zhì)浴中形成作為陽(yáng)極 的多個(gè)元件中的每個(gè)元件以及作為陰極的基材，并且其中電解質(zhì)浴包含熔融的氟化物鹽。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中陰極包括金屬渦輪式葉片和單一葉片中的至少 一種，并且其中形成陽(yáng)極的多個(gè)導(dǎo)電性元件包含包括鈮的第一陽(yáng)極和包括硼的第二陽(yáng)極， 因而該方法使金屬葉片涂覆有鈮和硼的合金。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中多個(gè)元件包含包括第一硼元件和第二鈮元件的 兩元件，并且其中電流密度施加步驟包括向第一元件和第二元件中的每個(gè)元件施加電流密 度，用于向基材提供硼化鈮的合金涂層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中施加于第一硼元件的電流密度基本上與施加于 第二鈮元件的電流密度相同，從而在基材上形成NbB的合金涂層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中施加于第一硼元件的電流密度是施加于第二鈮 元件的電流密度的兩倍，從而在基材上形成NbB2的合金涂層。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在電流密度施加步驟中加熱電解質(zhì)浴和控制 其溫度的步驟。
全文摘要
通過(guò)采用基本無(wú)氧的氣氛(14)和處在該氣氛(14)中的電解質(zhì)浴(18)的電解電鍍方法涂覆材料(20)用以提高和增加所需的性能。將待涂覆的導(dǎo)電基材(20)作為陰極(20)和多個(gè)陽(yáng)極(26)一起浸入(18)中，每個(gè)陽(yáng)極(26a，26b，26c)具有彼此不同的成分。可變電源(30)對(duì)每個(gè)陽(yáng)極(26)提供不同的選定電流密度，從而通過(guò)每種陽(yáng)極材料(26a，26b，26c)形成基材(20)的涂層，所述材料與所施加的電流密度成比例。
文檔編號(hào)C25D17/10GK102131961SQ200980132920
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月29日
發(fā)明者威廉·D·赫斯特 申請(qǐng)人:威廉·D·赫斯特