用于形成涂层的高活性液态熔体制造技术

提供一种适合涂覆金属表面的合金，其中，该合金提供含有一定比例分数的溶解的氧化物形成添加剂作脱氧剂的液态熔体。在该液态熔体中，元素的合金组合可抵抗化合物的形成，因此保持各个元素的化学活性。在涂层应用中，这种合金可以形成这样的涂层，其能与要涂覆的基底金属上的氧化物或者残余氧化物涂层发生反应并将它们去除，即，将金属表面清洁干净。这样的结果是提高了涂层的结合强度，以及与通常难以形成保护性氧化层的合金，比如不锈钢，难熔金属（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ等）或者铝合金之间形成有效结合能力。

【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表面的涂层，更具体的，涉及当应用时可去除表面氧化的涂层。因此，本专利技术提供在金属组合物中分布的还原剂，其可有计划的(strategically)与表面氧化层相结合，在金属组合物和氧化的金属表面之间提供改良的结合性能。
技术介绍
除了金之外的所有金属都会形成自生氧化物层，起到钝化金属表面的作用。在一些金属，比如铝上，自生氧化物层是粘着的，可以防止氧化了的表面再受腐蚀性攻击。然而，其它的材料，比如铁形成的自生氧化物层是不粘着的，破碎脱落后会留下对进一步氧化敏感的基底金属，即会生锈。由于生成的氧化物具有高的热动力学稳定性，金属形成自生氧化物层的趋势都很强。当原始金属表面暴露在含氧气氛中时，通常会在短时间内就形成完整厚度的自生氧化物层。对于活性非常高的金属，比如铝或者铬，不管是以金属形式存在还是溶解在不锈钢中，氧化在几秒钟内就能发生。即使在高真空，比如10-9Torr下做实验，这些活性金属的原始金属表面也会迅速形成自生氧化物层。不幸的，金属的化学结合本质使金属材料一般不能与陶瓷材料很好结合，陶瓷材料包括金属氧化物，比如氧化了的金属表面，其形成包含了离子键。这种差的结合归因于金属键与离子键不兼容的本性，金属键可以模型化为被共有自由电子云包围的离子核，而离子键是由从特定的阳离子原子向特定阴离子原子的定向电子转移产生的。金属在其表面上形成氧化物的趋势以及金属与陶瓷结合的不兼容在金属涂层领域形成了严重障碍。例如，在金属涂层热喷涂中，通常很难向活性金属或者合金，比如不锈钢合金，铝合金，以及难熔合金，比如钨，锆，和钛上结合金属涂层。甚至对基底活性金属进行脱脂，接着进行喷砂处理以暴露出原始金属表面时，在开始热沉积涂层之前，自生氧化物层也会以非常快的速度重新生成。为了克服这个问题，经常是样品准备以及后续的喷涂都在真空室中的高真空下进行。这显著增加了涂层操作的成本，并且对高活性金属只是略微有效。
技术实现思路
一种用来涂覆金属表面的金属合金，其含有一种脱氧元素或者脱氧元素的组合，其中所述的脱氧元素可以将所述金属表面上的金属氧化物层还原。以方法的方式描述，本专利技术涉及一种在金属表面上形成金属涂层的方法，包括提供含有一种脱氧元素或者脱氧元素组合的金属涂层合金，将所述金属涂层合金熔融成液态，或者部分液态，并将所述金属涂层合金的液态熔体应用到所述的金属表面上。在一个进一步的方法实施方案中，本专利技术涉及一种在金属表面上形成金属涂层的方法，包括提供含有脱氧元素的金属涂层合金，将所述的金属涂层合金熔融成液态，将所述的金属涂层合金的所述液态熔体应用到所述的金属表面上，其中所述的金属表面含有氧化的表面层，将所述氧化的表面层还原；并在已被所述脱氧元素还原的所述氧化的表面层处形成冶金结合。附图简述这里部分参照优选和典型的实施方案对本专利技术进行公开，该描述应该结合相应的附图来理解，其中附图说明图1是说明用高速氧燃料喷涂技术制备涂层时，结合强度与基底材料和涂层厚度之间的关系的图表。优选实施方案描述依据第一个方面，本专利技术涉及适合涂覆金属表面的金属合金。该金属合金可形成高活性的液态熔体，其可以与要涂覆的金属基底上的表面氧化物发生反应并将其去除。优选的，该金属合金包括活性氧化物形成/脱氧的元素的组合。作为例子的活性元素包括锰，铬，硅，碳和硼。依据本专利技术另一个方面的是涂覆金属表面的方法，包括向金属表面应用含有涂层金属合金和至少一种氧化物形成/脱氧元素的熔体。可以用包括线弧喷涂，等离子体喷涂，高速氧燃料喷涂，火焰喷涂以及相似的应用技术来应用该熔体。氧化物形成/脱氧元素可以包括，例如锰，铬，硅，碳和硼。本专利技术涉及含有选定比例分数的脱氧即吸氧元素的活性液态熔体。更一般的，这些元素可以归类为还原剂。因此，这些液态熔体可以提高金属涂层与具有氧化表面特征的金属之间的结合能力。脱氧添加剂的存在起到了与氧化的表面特征反应的作用，这是重要的，因为氧化的表面特征会降低结合强度。当高活性的液态熔体与金属的自生氧化物层接触时，自生氧化物可以被还原，由此去掉了基底金属表面的氧。这使得金属合金熔体与要涂覆的试样，部件，器件或者机器的基底金属之间形成更高程度的冶金结合。与物理结合(由于表面不规则性的机械相互作用)相比，冶金结合是一种金属化学结合机制。因此，在活性合金基底金属和涂层之间可形成相对较多数量的冶金结合以及物理/机械结合的能力，使得这些金属的涂层更加有效。另外，依据本专利技术，利用活性液体的涂层工艺使得可在比如铁和钢的金属上形成高的结合强度。依据本专利技术，特别设计的合金熔体中含有氧化物形成/脱氧的过渡金属的组合，包括锰(Mn)，铬(Cr)，钒(V)，钛(Ti)，锆(Zr)，铪(Hf)，铌(Nb)，钽(Ta)，铝(Al)以及镧系金属(镧＞＞镥)，并结合有吸氧的非金属/半金属比如硅(Si)，碳(C)，硼(B)，磷(P)和硫(S)，它们全部可用在涂层工艺中。所希望的，所提供的液态熔体中含有选定比例分数的脱氧合金化元素。脱氧元素的比例分数在5-70％之间，以及在此之间的所有的增量。含有如此比例分数的脱氧元素的液态熔体在合金化组分之间形成化合物的趋势通常很弱，因此保持了其还原给定基底上的氧化物的能力。另外，在本专利技术的一个优选实施方案中，使用这样的脱氧元素，在液态熔体中没有初始沉淀。这样，在此优选情况下，脱氧元素的全部都保持溶解在合金熔体中，所形成的合金熔体保持了对氧的高活性和亲和力。然而，应该明白，依据本专利技术的液态熔体可以形成少量的初始沉淀，这将导致液态熔体总体活性的下降。高活性的液态熔体可以是在基底上制备涂层的实际过程中形成，包括当粉末或者丝通过等离子体，高速氧燃料(HVOF)，火焰喷涂，或者线弧热喷涂系统时变为熔融。这些活性熔体可以对准/应用到要涂覆的金属表面。当熔体被应用到要涂覆的金属的氧化表面上时，至少部分由于存在选定浓度的自由的氧化物形成元素，其表面上的自生或者残余的氧化物会被清除干净。这样，相对干净的金属表面可能对接受金属涂层变得敏感，金属涂层可以通过强的冶金结合和传统的但较弱的物理/机械结合的组合而结合到金属表面上。通过活性液态熔体所提供的清除/脱氧作用甚至使得可在通常特别难以结合的金属表面上喷涂相对强的结合涂层，这些金属包括，不锈钢合金，铝合金，以及难熔金属比如钨，锆和钛。实施例依据本专利技术制备包括高活性材料的实施例涂层合金，包括SuperHard SteelTM涂层组合物，其是形成铁基玻璃的合金，当用多种方法加工成高性能涂层时，呈现出极高的硬度。采用两种原料进行结合强度测试。第一种，用组成为60.1wt％的铁，2.3wt％的锰，20.3wt％的铬，4.9wt％的钼，6.4wt％的钨，3.6wt％的硼，1.0wt％的碳和1.4wt％的硅，名义颗粒尺寸在22至53微米的雾化粉末向基底上提供高速氧燃料喷涂涂层。第二种，用直径为1/16英寸，组成为68.0wt％的铁，23.2wt％的铬，1.2wt％的钼，1.5wt％的钨，3.6wt％的硼，0.9wt％的碳，0.7wt％的硅和0.8wt％的锰的带芯线(coredwire)向基底上施用线弧喷涂涂层。依据ASTM c633进行结合强度测试。结合强度的测试结果在下面的表1中给出表1 结合强度数据总结(ASTM c633) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于涂覆金属表面的金属合金，其包括脱氧元素，其中所述的脱氧元素还原所述金属表面上的金属氧化物层。

【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：DJ布拉那根，
申请(专利权)人：纳米钢公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]