金属基体复合材料铸件制造技术

一种金属基体复合铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的至少一种、和典型地两种或更多种的难熔粒子的分散体。

Metal Matrix Composite Castings

A metal matrix composite casting includes (a) one or more of the following main metals: titanium, zirconium, hafnium and tantalum, and (b) at least one carbide and/or nitride and/or boride dispersions of at least one, and typically two or more refractory particles of the main metal.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属基体复合材料铸件
本专利技术涉及耐腐蚀的且耐磨的金属基体复合材料的铸件。本专利技术还涉及铸造金属基体复合材料的方法。
技术介绍
本专利技术的金属基体复合材料铸件尤其适于作为需要耐严重腐蚀性和耐磨性的组合的组件使用。适合的组件的实例包括，例如在高压酸浸(HPAL)设备(工厂，plant)中的组件，其暴露于输送在HPAL设备中的在高的温度和压力条件下的高度腐蚀和侵蚀的矿物淤浆。所述组件包括例如搅动机桨叶。所述组件还包括例如用于在HPAL设备中典型地在高至200-250℃的温度、高至5MPa的压力和高至340m/s的速度下运送淤浆的阀门的内部件(即统称为阀内件(valvetrim))。HPAL设备中高的温度和压力使矿物淤浆的腐蚀性显著增大。矿物淤浆中夹带的固体和高的速度导致搅动机桨叶、阀门的内部件和与矿物淤浆接触的其它组件的暴露表面的侵蚀。这些条件的整体(综合)效果为所述组件的内部件的暴露表面的高的磨损速率。总的来说，HPAL设备中与上述的矿物淤浆接触的搅动机桨叶、阀门的内部件和其它组件需要耐热冲击性、耐侵蚀性和耐严重腐蚀性。HPAL设备中的这些组件典型地由如下制造：(a)选自碳化钨、碳化硅和部分稳定氧化锆(PSZ)的经由烧结的难熔材料，(b)合金，其包括基于钴的合金(例如合金6)，和(c)硬面(表面硬化的，hardfaced)钛合金。对于所述设备，一直渴望找到这些材料的替代物的，因为这些材料无法表现得令人满意或是过于昂贵的。本专利技术提供这些材料的替代物。
技术实现思路
本专利技术提供一种金属基体复合材料铸件，其包括主体金属(主要金属，hostmetal)钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的分散在所述主体金属的至少一种的基体中的碳化物和/或氮化物和/或硼化物粒子。更具体地，本专利技术提供金属基体复合材料铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的难熔粒子的分散体。术语“难熔粒子”在本文中被理解为意指熔点>2900℃的材料的粒子。在基体的上下文中使用的术语“主体金属”可包括所述主体金属之一而不包括其它主体金属。在基体的上下文中使用的术语“主体金属”还可包括金属钛和/或锆和/或铪和/或钽的合金。主体金属还可包含浓度小的(典型地至多6重量％、更典型地至多2重量％)作为故意添加物或作为无法避免的杂质的其它元素。例如，主体金属还可包含浓度小的用于机械性质增强的铝、钒、铌、镍、钼、铬和钴以及用于腐蚀性能提升的钯、钌的任意一种或不止一种。优选的是，所述铸件不含浓度大于0.005重量％的铂族元素。所述铸件可包括所述四种主体金属之一的在该主体金属的基体中的碳化物和/或氮化物和/或硼化物。例如，所述铸件可包括在钛基体中钛的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。例如，所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的碳化物和钛的硼化物。所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的碳化物和钛的氮化物。所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的硼化物和钛的氮化物。所述铸件可包括所述四种主体金属之一的在所述主体金属的另一种的基体中的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物。例如，所述铸件可包括在钛基体中钽的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。所述铸件可包括5-60体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括5-50体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括5-40体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括大于10体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括大于15体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括小于30体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括小于25体积％在所述基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括小于20体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。所述铸件可包括在铸件总重量的5重量％-65重量％范围中的难熔粒子。所述铸件可包括在铸件总重量的12重量％-45重量％范围中的难熔粒子。所述铸件可包括在铸件总重量的12重量％-25重量％范围中的难熔粒子。所述难熔粒子的主尺寸(majordimension)可小于400微米。所述难熔粒子的主尺寸可小于200微米。所述难熔粒子的主尺寸可小于150微米。所述难熔粒子的主尺寸可小于100微米。所述难熔粒子的主尺寸可小于50微米。所述难熔粒子的主尺寸可大于5微米。碳、硼和氮的至少两种的浓度可为铸件总重量的至多10重量％。碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的8重量％。碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的7重量％。碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的6重量％。所述主体金属可为纯金属。所述主体金属可为工业级金属，即作为非100％纯金属但是基本上为纯金属的金属。例如，所述主体金属可为等级12(Grade)的钛。钛的等级12为在还原和氧化环境中具有优异的耐腐蚀性的与钼和镍合金化的钛的等级。以下规格涵盖钛等级12：ASTMB265(12)、ASTMB337(12)、ASTMB338(12)、ASTMB348(12)、ASTMB381(F-12)和UNSR53400。钛等级12具有按重量％计的以下标称化学成分：C:最大0.08％；H:最大0.015％；Fe:最大0.3％；Mo:0.2-0.4％；Ni:0.6-0.9％；N:最大0.03％；O:最大0.25％；和Ti：余量。所述铸件可为具有所需形状的任何合适的组件。所述组件可作为独立的组件或作为更复杂的组件的部分被使用。所述组件可为需要耐热冲击性、耐侵蚀性和耐腐蚀性的在暴露于高的温度和压力下的矿物淤浆的HPAL设备中使用的任何组件。所述组件包括例如搅动机桨叶和阀门的内部件。本专利技术还提供这样的金属基体复合材料：其包括主体金属钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的在该主体金属的至少一种的基体中分散的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的粒子。更具体地，本专利技术还提供这样的金属基体复合材料：其包括主体金属钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的在该主体金属的至少一种的基体中分散的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的粒子。本专利技术还提供形成金属基体复合材料铸件的方法，其包括如下步骤：(a)形成主体金属钛、锆、铪和钽的至少一种与碳、硼和氮的至少两种的液态熔体；和(b)由所述液态熔体形成具有所需形状的组件的铸件，其中经凝固的组件具有包括所述主体金属的在该主体金属的基体中分散的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的分散体的微观结构。申请人在实验室的实验工作中已经发现，当钛与碳、硼和氮的至少两种一起熔融时可在比当钛与碳、硼和氮的仅一种一起熔融时显著更低的温度下形成液态钛熔体。特别地，申请人发现，需要显著高于2000℃的炉温使75重量％等级12的钛和25重量％钛的碳化物的进料材料在电渣重熔炉中熔融，并且在所述温度下的操作对所述炉造成损害。申请人还发现，低于2000℃的炉温可使如下熔融而没有任何炉损害：(a)钛、硼和碳的进料材料，(b)钛、硼和氮的进料材料，(c)钛、氮和碳的进料材料，以及(d)钛、硼、碳和氮的进料材料。换言之，用硼、碳和氮的两种或不止两种的进料材料的操作使对于所述材料的熔融温度显著降低。申请人还发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.金属基体复合铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的难熔粒子的分散体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.04 AU 2016903066;2017.05.05 AU 20179016441.金属基体复合铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的难熔粒子的分散体。2.在权利要求1中限定的铸件，其包括四种主体金属之一的在该主体金属的基体中的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物。3.在权利要求2中限定的铸件，其包括在钛基体中钛的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。4.在权利要求3中限定的铸件，其包括在所述钛基体中的钛的碳化物和钛的硼化物。5.在权利要求3中限定的铸件，其包括在所述钛基体中的钛的碳化物和钛的氮化物。6.在权利要求3中限定的铸件，其包括在所述钛基体中的钛的硼化物和钛的氮化物。7.在权利要求1中限定的铸件，其包括四种主体金属之一的在该主体金属的另一种的基体中的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物。8.在权利要求7中限定的铸件，其包括在钛基体中的钽的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。9.在任一前述权利要求中限定的铸件，其包括5-60体积％的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。10.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括5-40体积％的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。11.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括大于10体积％的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。12.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括大于15体积％的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。13.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子小于30体积％。14.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子小于25体积％。15.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括小于20体积％在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。16.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括在铸件总重量的5重量％-65重量％的范围中的难熔粒子。17.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括在铸件总重量的12重量％-25重量％的范围中的难熔粒子。18.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括主尺寸小于400微米的难熔粒子。19.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括主尺寸小于200微米的难熔粒子。20.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括主尺寸小于150微米的难熔粒子。21.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括主尺寸小于100微米的难熔粒子。22.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其包括主尺寸小于50微米的难熔粒子。23.在前述权利要求的任一项中限定的铸件，其中碳、硼和氮的至少两种的浓度为铸件总重量的至多10重量％...

【专利技术属性】
技术研发人员：KF多尔曼，X唐，
申请(专利权)人：伟尔矿物澳大利亚私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU