具有优异的抗高温腐蚀性的高级抗侵蚀碳化物金属陶瓷制造技术

提供了下述金属陶瓷：其中基本为化学计量的金属碳化物陶瓷相与式Ｍ↓［ｘ］Ｃ↓［ｙ］所示的再沉淀的金属碳化物相一起分散在金属粘合剂相中。在Ｍ↓［ｘ］Ｃ↓［ｙ］中，Ｍ是Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ或其混合物，ｘ和ｙ是整数或分数值，ｘ在１至３０之间，ｙ在１至６之间。这些金属陶瓷特别适用于保护表面免受高温下的侵蚀和腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金属陶瓷复合物。更具体地，本专利技术涉及含有金属碳化物的金属陶瓷复合物和它们在高温侵蚀和腐蚀环境中的应用。
技术介绍
耐磨损和耐化学材料可用于许多应用领域，在这些领域中，金属表面要使用一些物质，否则，金属表面的侵蚀或腐蚀就会加快。各种化学和石油工艺中使用的反应器容器和输送管路是具有下述金属表面的设备的例子这些金属表面通常提供有保护该表面免受材料降解的材料。由于这些容器和输送管路通常在高温下使用，因此，保护它们免受降解是一项技术挑战。目前使用耐火衬里保护在高温下暴露在侵蚀或腐蚀环境中的金属表面。然而，这些耐火衬里的使用寿命受到衬里机械磨耗的极大限制，尤其是暴露在高速微粒中(这在石油和石化产品加工中经常遇到)时。耐火衬里一般还出现破裂和散裂(spallation)。因此，需要在高温下更能抵抗侵蚀和腐蚀的衬里材料。已知陶瓷金属复合材料或金属陶瓷具有陶瓷的硬度和金属的断裂韧性的特征，但只有在相对适中的温度，例如25℃至不超过大约300℃的温度下使用时才如此。碳化钨(WC)基金属陶瓷，例如，既具有硬度也具有断裂韧性，这使它们可用于高磨损应用领域，例如用流体冷却的切割工具和钻头。然而，WC基金属陶瓷在高于大约600°F(315℃)的持续高温下会降解。本专利技术的目的是提供新型的、改进的金属陶瓷复合物。本专利技术的另一目的是提供适合在高温下使用的金属陶瓷复合物。本专利技术的又一目的是提供一种改进的保护金属表面在高温条件下免受侵蚀和腐蚀的方法。根据下列详细描述，可以清楚地了解这些目的和其它目的。专利技术概要粗略地说，本专利技术是一种金属陶瓷复合物，其含有分散在粘合剂相(RS)中的陶瓷相(PQ)以及分散在(RS)中的被称作再沉淀相的第三相G。陶瓷相(PQ)构成金属陶瓷复合物总体积的大约30体积％至大约95体积％，至少50体积％的(PQ)是选自由Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo及其混合物组成的组的金属的碳化物。粘合剂相(RS)包含选自Fe、Ni、Co、Mn及其混合物的金属R，和合金元素S，S包括占粘合剂总重量至少12重量％的Cr和最高可达大约35重量％的选自由Al、Si、Y及其混合物组成的组的元素。再沉淀相G含有占金属陶瓷复合物总体积大约0.1体积％至大约10体积％的式MxCy所示的金属碳化物，其中M是Cr、Fe、Ni、Co、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo或其混合物，C是碳，x和y是整数或分数值，x在1至30之间，y在1至6之间。在下列详细描述中将阐明本专利技术的这种和其它具体实施方案，包括优选适用的那些。附图的简要说明附图说明图1是使用30体积％的347不锈钢(347SS)粘合剂制造的TiC(碳化钛)金属陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)图，显示了分散在粘合剂中的TiC陶瓷相粒子和再沉淀的相M7C3(其中M包括Cr、Fe和Ti)。图2是使用30体积％的Inconel 718合金粘合剂制造的TiC(碳化钛)金属陶瓷的SEM图，显示了分散在粘合剂中的TiC陶瓷相粒子和再沉淀的相M7C3(其中M包括Cr、Fe和Ti)。该显微照片中还显示了在TiC核心周围形成MC壳。图3a是使用30体积％的FeCrAlY合金粘合剂制造的TiC(碳化钛)金属陶瓷的SEM图，显示了分散在粘合剂中的TiC陶瓷相粒子、再沉淀的相M7C3和Y/Al氧化物粒子。图3b是与图3a所示相同的选定粘合剂区域的透射式电子显微镜(TEM)图，显示了作为深色区域的Y/Al氧化物分散体。图4是显示氧化物层厚度(微米)的图，该厚度用于测量使用30体积％的粘合剂制造的TiC(碳化钛)金属陶瓷在800℃下在空气中暴露65小时后的抗氧化性。专利技术详述在一个具体实施方案中，本专利技术是可以由通式(PQ)(RS)G表示的金属陶瓷复合物，其中(PQ)是分散在连续的粘合剂相(RS)中的陶瓷相，G是分散在(RS)中的被称作可再沉淀相的第三相。陶瓷相(PQ)构成金属陶瓷复合物总体积的大约30体积％至大约95体积％。优选地，陶瓷相构成金属陶瓷复合物的大约65体积％至大约95体积％。在陶瓷相(PQ)中，P是选自由元素周期表(Merck Index，第20版，1983)的IV族、V族、VI族元素及其混合物的金属；Q选自由碳化物、氮化物、硼化物、碳氮化物、氧化物及其混合物组成的组，然而，条件是至少50体积％的(PQ)是选自由Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo及其混合物组成的组的金属的碳化物。优选地，(PQ)是至少70体积％金属碳化物，更优选地，至少90体积％金属碳化物。金属碳化物的优选金属是Ti。在陶瓷相(PQ)中，P和Q通常以化学计量存在(例如TiC)；然而，少量(PQ)可以具有非化学计量的P与Q比率(例如TiC0.9)。陶瓷相的粒度直径通常低于大约3毫米，优选低于大约100微米，更优选低于大约50微米。分散的陶瓷粒子可以具有任何形状。一些非限制性例子包括球形、椭圆形、多面体、扭曲球形、扭曲椭圆形和扭曲多面体。粒度直径是指对3D形状的粒子最长轴的测量结果。可以使用显微镜方法测量粒度，例如光学显微术(OM)、扫描电子显微术(SEM)和透射式电子显微术(TEM)。在金属陶瓷复合物的粘合剂相(RS)中R是选自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物组成的组的金属，S是合金元素，其中基于粘合剂的总重量，S包括至少12重量％的Cr，优选大约18重量％至大约35重量％的Cr，和0重量％至大约35重量％的选自由Al、Si、Y及其混合物组成的组的元素。R∶S的质量比为50∶50至大约88∶12。粘合剂相(RS)低于70体积％。粘合剂(RS)中优选包括占(RS)总重量大约0.02重量％至大约15重量％的选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W及其混合物组成的组的异价(aliovalent)元素。作为优选粘合剂类型的铁和镍基不锈钢的代表性例子列在表1中。表1 在表1中，“Bal”代表“余量”。HAYNES556TM合金(HaynesInternational，Inc.，Kokomo，IN)是UNS NO.R30556，HAYNES188合金是UNS NO.R30188。INCONEL 625TM(Inco Ltd.，Inco Alloys/SpecialMetals，Toronto，Ontario，Canada)是UNS N06625，INCONEL 718TM是UNS N07718。TRIBALOY 700TM(E.I.Du Pont De Nemours & Co.，DE)可以获自Deloro Stellite Company Inc.，Goshen，IN。本专利技术的金属陶瓷复合物还包括被称作再沉淀相的第三相G。G含有占金属陶瓷复合物总体积大约0.1体积％至大约10体积％、优选大约0.1体积％至大约5体积％的式MxCy所示的金属碳化物，其中M是Cr、Fe、Ni、Co、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo或其混合物，C是碳，x和y是整数或分数值，x在1至30之间，y在1至6之间。非限制性例子包括Cr7C3、Cr23C6、(CrFeTi)7C3和(CrFeTa)7C3。在本专利技术的一个具体实施方案中，陶瓷相(PQ)的金属碳化物包括仅一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种式（ＰＱ）（ＲＳ）Ｇ所示的金属陶瓷复合物，其中（ＰＱ）是陶瓷相；（ＲＳ）是粘合剂相；Ｇ是再沉淀相；且其中（ＰＱ）和Ｇ分散在（ＲＳ）中，该复合物含有：（ａ）大约３０体积％至大约９５体积％的（ＰＱ）陶瓷相，至少５０体积％的所述陶瓷相是选自由Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及其混合物组成的组的金属的碳化物，（ｂ）占金属陶瓷复合物总体积的大约０．１体积％至大约１０体积％的金属碳化物Ｍ↓［ｘ］Ｃ↓［ｙ］的Ｇ再沉淀相，其中Ｍ是Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ或其混合物；Ｃ是碳，ｘ和ｙ是整数或分数值，ｘ在１至３０之间，ｙ在１至６之间；和（ｃ）剩余的体积百分数包括粘合剂相（ＲＳ），其中Ｒ是选自由Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ及其混合物组成的组的金属，Ｓ含有占粘合剂总重量至少１２重量％的Ｃｒ和最高可达大约３５重量％的选自由Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ及其混合物组成的组的元素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：全昌旻，NRV班加罗，陈炫佑，具滋荣，JR彼得松，RL安特拉姆，CJ福勒，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]