CN100484360C - 用于生产浸渍复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产具有浸渍的金属表面的复合材料的方法，其中热喷涂金属材料层(10)被涂覆(8)到隔离剂(6)涂覆的模型(4)、模具或者器具表面(2)上，然后施加复合材料衬垫结构(14)。所述复合材料衬垫结构(14)可以由树脂浸渍的纤维或者相似的填料生产。当与模型(4)、模具或者器具表面(2)分离时，热喷涂材料(10)和复合材料衬垫结构(14)形成金属表面浸渍的复合材料物品。

Description

用于生产浸渍复合材料的方法
技术领域
本发明涉及生产具有浸渍的金属表面的复合材料物品的方法，其中将热喷涂金属材料层涂覆到用隔离剂涂覆的模型、模具或者器具表面，然后施加复合材料衬垫结构。所述复合材料衬垫结构可以由树脂浸渍的纤维或者相似的填料生产。当与所述模型、模具或者器具表面分离时，由所述热喷涂材料和复合材料衬垫结构得到了金属表面浸渍的复合材料物品。
背景技术
可用于喷涂金属的热喷涂方法的实例是电弧丝喷涂、火焰喷涂、HVOF、等离子体喷涂、D-喷枪、冷喷涂(气体动力)等等。通常，用于在复合材料物品上涂覆金属的方法包括利用真空金属喷镀、金属套管、被覆或者电镀直接将金属(涂)层施加到表面上.这些方法都是局部的，并且以机械方式结合到物品的外表面。本发明涉及这样一种方法，其中在制造复合材料物品期间，用树脂浸渗或者浸渍所述喷涂金属材料层。
本发明的目的是提供一种新的方法，其中在模型、优选(但不局限于)低耐热性模型上喷涂金属材料，然后用纤维衬垫所喷涂的材料层并且用树脂浸渍，从而在与所述模型分离时得到金属表面浸渍的复合材料物品。
发明内容
在至少一个实施方案中，本发明涉及生产金属表面的复合材料物品的方法，其包括：
制造具有希望的形状的外形的模型；
将隔离剂施涂到所述模型的至少一部分上；
在隔离剂层上施涂热喷涂材料；
通过用树脂衬垫和浸渍所喷涂的材料层，将热喷涂材料层结合到复合材料物品中；和
将复合材料物品与隔离剂涂覆的模型分离，得到喷涂的材料表面浸渍的复合材料物品。
优选将步骤(d)替换为如下的步骤(d’)：通过用纤维衬垫所喷涂的材料层和用树脂浸渍，将热喷涂材料层结合到复合材料物品中。
所述隔离剂应该是这样一种具有热和化学特征的材料，其与被喷涂的材料例如金属是相容的，并且不使模型、特别是低耐热性基材的表面外形和细部变形。适合的隔离剂可以选自环氧树脂、丙烯酸系树脂、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯(PVA)等等。适合的溶剂可用于产生粘性的表面。优选的隔离剂是聚氨酯、环氧树脂和聚醋酸乙烯酯(PVA)。对于大多数应用，隔离剂层的厚度可以为0.0001英寸到0.020英寸，优选0.0005英寸到0.005英寸。当使用水基的隔离剂时，水可以被用作溶剂。其他隔离溶液是任何相容的化学溶液，其能削弱所述隔离剂，并借此促进复合材料物品与模型的分离。
热喷涂涂料可以使用高喷枪-基材线速度涂覆，以平衡输入基材的热量。高的线速度将产生薄的低应力层.通常线速度大于0.5米/秒，或者功率输入因子为0.5到45瓦/毫米/秒。基材耐热性越低，喷枪的线速度越大。热喷涂涂覆的层的厚度可以为0.0001英寸到3.0英寸，优选0.005英寸到0.125英寸。热喷涂层的材料优选是金属，并且可以选自钢、不锈钢、镍、不胀钢、铬、钨、铝、锌、其合金和化合物.
在优选的应用中，所述隔离剂材料应该具有良好的粘合特征，这将充分地将金属喷涂物结合和固定到模型上，但是可以借助于能使隔离剂分解的化学品进行剥离，或者通过适合的力进行剥离，以将模型与复合材料浸渍喷涂材料物品分离.例如，成品金属表面浸渍复合材料物品可以选自器具、飞机部件、汽车部件、电气部件、娱乐设施(recreation)部件、家用产品或者任何暴露于磨损、侵蚀、腐蚀、电流、电磁场等等的复合材料部件。
实质上，几乎所有可以被制成粉末或者丝的金属或者合金都可以被喷涂，包括钢、不锈钢、镍、不胀钢、铬、钨、铝、锌、其合金和化合物。热喷涂材料可以优选为金属基质陶瓷复合材料。
热喷涂参数可以变化，以在模型表面产生致密的喷涂材料层，并且当材料厚度增加时产生更多孔的层.优选地，材料层的较外部，例如层厚度的大约5％到大约50％，可以具有大约5到大约95％的孔隙率，或者优选大约25到大约75％的孔隙率，并且在模型表面处的所述层的较内侧，例如层厚度的5％到大约50％，可以具有大约99.9到大约95％的理论密度。在某些应用中，整个沉积金属层可以是高孔隙度的，或者超过5％，并且优选孔隙率在大约25％到大约75％之间。在其他应用中，当复合材料浸渍物品从模型中分离出来时，初始致密层将产生硬的外表面。
为了使树脂浸渍或者浸渗到沉积的外部金属表面的多孔部分中，在树脂材料上施加压力的力是必要的，因此一部分树脂材料将被驱使进入沉积的多孔表面的孔中。浸渍所需的力可以是来自真空源、机械源、液压源等等的压力。优选地，可以使接触外部多孔喷涂材料的树脂和纤维经受真空作用，其中的力将导致至少一部分树脂被浸渍到多孔喷涂材料表面的孔中，借此将树脂浸渍到沉积的喷涂金属层中.树脂、碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、预浸处理材料及其他类型的纤维、织物和树脂可用于这种工艺。
附图说明
将参考附图对本发明进行描述，其中图1A到1F是显示生产金属表面浸渗的复合材料的方法的示意图。
优选实施方案的描述
如附图所示，所述方法的基本步骤包括：
制造模型4的适合的模具、器具或者模型表面(2)，其需要真实再现金属表面浸渍的复合材料物品.模型4可以是低耐热性材料例如木材。如果必要，模型表面2必须被充分净化，除去所有蜡、油、指纹及其他杂质，因为在该表面上的疵点将被复制到最终复合材料物品上.在很多情况下，污染将阻碍在喷涂的早期阶段中喷涂金属的结合。在某些情况下，模型表面2的密封可能是需要的，以促进复合材料物品的取出；
隔离剂6被施加到模型表面2上。这对于保证喷涂金属的第一涂层的粘合和在完成之后促进金属表面浸渍复合材料物品的脱除是需要的。已经发现聚醋酸乙烯酯最适合于这种应用.所述隔离剂必须具有适当的热和化学特征，以与喷涂金属相容，并且不显著地减少表面细部。应当小心地施涂聚醋酸乙烯酯以产生均匀的薄膜。在某些应用中，可以通过将聚醋酸乙烯酯加温来增强表面细部，并且在微观上将隔离剂压实来保证表面细部的真实再现；
将聚醋酸乙烯酯干燥几分钟，然后涂覆喷涂材料8、例如不锈钢材料10的涂层.可以涂覆初始材料沉积层，产生致密层，然后涂覆随后的材料沉积层，产生多孔的外表面层。对于金属丝电弧喷涂工艺，热喷涂材料可以120amps(10磅/小时/喷枪)的喷涂速率进行喷涂，并且注意将整个表面6覆盖。一旦热喷涂材料达到适合的厚度，根据被喷涂表面的尺寸、喷涂材料的类型和孔隙率范围，喷涂速率可以被提高到最高30磅/小时/枪。在所有情况下，在整个喷涂工艺期间，必须小心操作以保证所述表面不变得过热.在小的模型上，为了消除过热，将压缩空气或者其他气体吹送到部件上以促进冷却。通常，喷涂继续到达到0.030英寸的金属厚度或者某些其他厚度.在某些情况下，部件被喷涂到最大0.25英寸厚度，以获得附加强度或者机械加工的材料.使用层合工艺，可以将纤维和树脂14施加到喷涂沉积的层上.根据需要，用于加热或者冷却的管子、增强材料等等可以被引入所述纤维/树脂.虽然没有显示，可以将2-6-10-14的组合体经受真空，其将迫使一部分树脂14进入喷涂材料层10的多孔的部分.也可以使用机械压力力或者其他方法，使树脂材料14浸渍到多孔金属层10中.当使用真空方法进行浸渍时，围绕复合材料物品的周边的密封装置或者表面12是必要的.然后允许树脂14固化和/或硬化.通过隔离剂6将模型与金属表面浸渗的复合材料2-10分离，并且除去所述复合材料物品，得到独立的金属表面浸渍的复合材料物品.在某些应用中，可以将复合材料物品的外表面净化，以除去任何隔离剂及其他污染物.此外，模型的表面可以被充分净化，然后重复使用，以生产其他金属表面浸渍的复合材料物品。
所公开的方法的其他变化也在如以下要求保护的本发明范围之内。如上所述，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的例证，本发明可以在各种形式中被体现。

Claims (18)

1.一种用于生产热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品的方法，其包括：
(a)制造具有希望的形状的外形的模型；
(b)将隔离剂施涂到所述模型的至少一部分上，其中所述隔离剂施涂的厚度为大约0.0001英寸到大约0.020英寸之间；
(c)通过热喷涂方法在隔离剂层上施涂热喷涂金属或金属合金材料层，所述热喷涂方法包括控制热喷涂参数以产生在隔离剂层上的热喷涂金属或金属合金材料的致密层的较内侧和当热喷涂金属或金属合金材料层增加时产生更多孔的层的较外部；其中所述的热喷涂金属或金属合金材料以大于0.5米/秒的喷枪-基材线速度或者功率输入因子为0.5到45瓦/毫米/秒涂覆，所述的热喷涂金属或金属合金材料层施涂的厚度为0.0001到大约3英寸之间，所述层的较内侧的理论密度为大约95％到大约99.9％，并包括所述热喷涂金属或金属合金材料层厚度的大约5％到大约50％，且所述层的较外部的孔隙率为大约5％到大约95％，并包括所述热喷涂金属或金属合金材料层厚度的大约5％到大约50％；
(d)通过用树脂衬垫和浸渍热喷涂金属或金属合金材料层，将热喷涂金属或金属合金材料层结合到复合材料物品中；和
(e)将浸渍的或浸渗的复合材料涂覆的喷涂材料与隔离剂涂覆的模型分离，得到所述热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品。
2.如权利要求1的方法，其中步骤(d)作如下改变：(d’)包括通过用纤维衬垫所述热喷涂金属或金属合金材料层和用树脂浸渍，将所述热喷涂金属或金属合金材料层结合到复合材料物品中。
3.如权利要求2的方法，其中所述热喷涂金属或金属合金材料是金属基质陶瓷复合材料。
4.如权利要求1的方法，其中热喷涂金属或金属合金材料选自钢、不锈钢、铜、锡、镍、不胀钢、铬、钨、铝、锌、其合金或其化合物。
5.如权利要求2的方法，其中所述隔离剂选自环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸系树脂或聚醋酸乙烯酯。
6.如权利要求2的方法，其中所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维或者尼龙纤维；并且所述树脂选自环氧树脂或者预浸处理材料。
7.如权利要求2的方法，其中在步骤(c)中，热喷涂金属或金属合金材料的致密的层的较内侧具有至少95％理论密度的密度。
8.如权利要求2的方法，其中在步骤(c)中整个热喷涂材料层的孔隙率在大约5％到大约75％之间。
9.如权利要求2的方法，其中步骤(c)后，增加下列的步骤：(c’)用密封物将模型周边围住；(c”)在该周边的密封中和在所述热喷涂金属或金属合金材料层上分散纤维和树脂材料。
10.如权利要求9的方法，其中在步骤(d)中，通过使用真空力将树脂浸渗或者浸渍到所述沉积的热喷涂金属或金属合金材料的至少层的较外部中。
11.如权利要求9的方法，其中在步骤(d)中，通过使用机械力或者液压力将树脂浸渗或者浸渍到所述沉积的热喷涂金属或金属合金材料的至少层的较外部中。
12.如权利要求2的方法，其中步骤(e)后，增加下列的步骤：(e’)净化所述模型上的污染物，并且(e”)重复步骤(a)-(e’)至少一次。
13.如权利要求12的方法，其中步骤(c)后，增加下列的步骤：(c’)用密封物将模型周边围住；(c”)在该周边的密封中和在所述热喷涂金属或金属合金材料层上分散纤维和树脂材料。
14.如权利要求1的方法，其中更多孔的层的较外部的空隙率为大约25％到大约75％。
15.热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品，其包含纤维和树脂的固体复合材料，其中至少一部分树脂复合材料浸渍或者浸渗到热喷涂金属或金属合金材料层的热喷涂金属或金属合金材料表面中，所述热喷涂金属或金属合金材料层具有热喷涂金属或金属合金材料的致密层的较内侧和当热喷涂金属或金属合金材料层增加时产生更多孔的层的较外部；其中所述的热喷涂金属或金属合金材料层的厚度为0.0001到大约3英寸之间，所述层的较内侧的理论密度为大约95％到大约99.9％，并包括所述热喷涂金属或金属合金材料层厚度的大约5％到大约50％，且所述层的较外部的孔隙率为大约5％到大约95％，并包括所述热喷涂金属或金属合金材料层厚度的大约5％到大约50％。
16.如权利要求15的热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品，其中热喷涂金属或金属合金材料表面的多孔部分的理论密度为大约25％到大约95％。
17.根据权利要求1的方法制备的热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品。
18.根据权利要求2的方法制备的热喷涂金属或金属合金材料表面浸渍的或者浸渗的复合材料物品。
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