CN104203565A - 带涂层的钛合金表面 - Google Patents

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CN104203565A CN201380017269.4A CN201380017269A CN104203565A CN 104203565 A CN104203565 A CN 104203565A CN 201380017269 A CN201380017269 A CN 201380017269A CN 104203565 A CN104203565 A CN 104203565A
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Abstract

在一个方面，本文描述了包括轻质高强度金属基底和粘附到所述基底上的耐磨涂层的复合材料制品。在一些实施例中，本文所述的复合材料制品包括钛或钛合金基底和粘附到所述基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒。

Description

带涂层的钛合金表面
相关专利申请资料
本专利申请特此根据35U.S.C.§120要求提交于2012年4月2日的美国专利申请No.13/437,301的优先权，该专利全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于金属基底的涂层，并且具体地讲，涉及用于钛和钛合金基底的涂层。
背景技术
涂层通常被施加到经受苛刻环境或工作条件的设备上，以尽量延长设备的使用寿命。根据基底特性和要抑制的失效模式，可使用多种涂层构造。例如，已经开发了用于厚重耐用的铸铁、低碳钢、合金钢和工具钢基底的耐磨损、耐侵蚀和耐腐蚀的包层。然而，给定的二价金属化学性质、被证明对钢有效的包覆技术通常不适用于轻质金属系统，其会通过多种机制导致不可取的包覆性质和包层过早失效。
发明内容
在一个方面，本文描述了包括轻质高强度金属基底和粘附到基底上的耐磨损涂层的复合材料制品。在一些实施例中，复合材料制品包括钛或钛合金基底和粘附到基底上的涂层，涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒，其中涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法(Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel)的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
在另一个方面，描述了为钛或钛合金基底提供合金基质复合材料涂层的复合材料片材。复合材料片材包括有机粘合剂或载体以及包含30-50重量％的锆、0-30重量％的铜、0-30重量％的镍、0-5重量％的钼和余量钛的粉末钛基合金，其中铜和镍的结合量在钛基合金的25-40重量％范围内。在一些实施例中，复合材料片材还可以包含硬颗粒。
在另一个方面，本文描述了制备复合材料制品的方法。在一些实施例中，制备复合材料制品的方法包括提供钛或钛合金基底，在基底表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物，以及加热颗粒组合物，以提供粘附到钛或钛合金基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒，其中涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
在另一个实施例中，制备复合材料制品的方法包括提供钛或钛合金基底，在基底表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒的颗粒组合物，以及在颗粒组合物上放置金属或合金基质前体组合物。加热颗粒组合物和金属或合金基质前体组合物，以提供粘附到钛或钛合金基底上的涂层，涂层包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒，其中涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。在一些实施例中，颗粒组合物的载体包括聚合物材料片材。在一些实施例中，颗粒组合物的载体为液体。
这些和其他实施例在下文的具体实施方式中更详细地描述。
附图说明
图1为根据本文所述的一个实施例的复合材料制品的剖面金相。
图2示出了根据本文所述的一个实施例的合金基质复合材料包覆的钛基底，以及比较的包覆钛基底。
图3提供了根据本文所述的一个实施例的复合材料制品的剖面金相。
图4提供了根据本文所述的一个实施例的复合材料制品的剖面金相。
具体实施方式
通过参考以下具体实施方式和实例以及它们以前和下面的描述可以更容易地理解本文所述的实施例。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于具体实施方式和实例中所述的具体实施例。应当认识到，这些实施例只是示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
I.复合材料制品
在一个方面，本文描述了包括轻质高强度金属基底和粘附到基底上的耐磨损涂层的复合材料制品。在一些实施例中，复合材料制品包括钛或钛合金基底和粘附到基底上的涂层，涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒，其中涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
现在转向制品的组分，本文所述的复合材料制品包括钛或钛合金基底。在一些实施例中，钛或钛合金基底具有六方密堆积(hcp)α相晶体结构。在一些实施例中，基底的钛与一种或多种包含选自周期表IIIA-VIA族元素的α稳定剂形成合金。本文所述的周期表的族是根据CAS名称标识的。在一些实施例中，例如，钛与铝、氮、氧、碳、镓或锗中的一者或多者形成合金。
或者，在一些实施例中，钛或钛合金基底具有体心立方(bcc)β相晶体结构。在一些实施例中，基底的钛与一种或多种包含选自周期表IVA、IB和IVB-VIIIB族的元素的β稳定剂形成合金。在一些实施例中，例如，基底的钛与钼、钒、钽、铌、锰、铁、铬、钴、镍、铜或硅中的一者或多者形成合金。
另外，在一些实施例中，钛合金基底为α/β合金。在一些实施例中，钛与一种或多种α稳定剂和一种或多种β稳定剂形成合金。在一个实施例中，例如，α/β钛合金基底为Ti6Al4V。
本文所述的复合材料制品的钛或钛合金基底可以显示具有各种几何形状。在一些实施例中，基底具有弯曲的、圆形的或圆柱形的几何形状。在一些实施例中，基底具有多边形或平面几何形状。在一些实施例中，基底具有适用于一种或多种主要磨损应用的几何形状。在一些实施例中，例如，本文所述的复合材料制品的钛或钛合金基底包含流控制组件，包括但不限于阀、叶轮、叶片、齿轮、轴承、喷嘴、耐磨组件和/或密封件。
本文所述的复合材料制品包括粘附到基底上的涂层，涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒。可以根据各种考虑因素选择涂层的金属或合金基质，包括但不限于基底的成分特性和/或要设置在金属或合金基质中的颗粒的成分特性。在一些实施例中，例如，金属或合金基质具有低于钛或钛合金基底的β转变线的熔点或固相线温度。此外，在一些实施例中，金属或合金基质不溶解、部分溶解和/或与设置在金属或合金基质中的颗粒形成界面反应产物。在一些实施例中，例如，在100x放大倍率的光学显微镜下，金属或合金基质与设置在基质中的颗粒之间的界面反应产物是不明显的
在一些实施例中，涂层的金属或合金基质包含钎焊金属或钎焊合金。不违背本发明目的的任何钎焊金属或合金都可以用作涂层的基质。在一些实施例中，例如，涂层的合金基质为具有由表I的成分参数得到的钛基合金。
表I-涂层Ti基合金基质成分参数
在一些实施例中，涂层的合金基质选自表II的钛基合金。
表II-涂层Ti基合金基质成分参数
在一些实施例中，形成本文所述涂层基质的钛基合金显示具有在25-40重量％范围内的铜和镍的结合量。例如，表I-表II中所列的钛基合金组合物中的任一种可以包含25-40重量％范围内的铜和镍的结合量。在一个实施例中，钛基合金基质包含35-45重量％的锆、0-30重量％的铜、0-30重量％的镍、0.5重量％的钼和余量钛，其中钛基合金中的铜和镍的结合量在25-40重量％范围内。
通过将钛基合金中铜的重量％和镍的重量％相加确定铜和镍的结合量。另外，在其中钛基合金中不存在镍的实施例中，铜和镍的结合量等于合金中铜的量。相似地，在其中钛基合金中不存在铜的实施例中，铜和镍的结合量等于合金中镍的量。
合适的钛基合金钎焊可从俄亥俄州克利夫兰的钛合金钎焊公司(TitaniumBrazing,Inc.or Cleveland,Ohio)商购获得。
如本文所述，粘附到基底上的涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒。可根据若干考虑因素选择适用于涂层中的颗粒，所述考虑因素包括但不限于所需的耐磨损性、耐磨性、耐侵蚀性或涂层的硬度和/或金属或合金基质的成分特性。在一些实施例中，合适的颗粒不溶于或基本上不溶于金属或合金基质中并且具有抑制或阻止颗粒团聚的所需润湿特性。另外，在一些实施例中，涂层的颗粒未显示具有与金属或合金基质的界面反应产物。在一个实施例中，例如，在100x放大倍率的光学显微镜下，颗粒与金属或合金基质之间的界面反应产物是不明显的。
适用于涂层的金属或合金基质的颗粒可以包括硬颗粒。在一些实施例中，涂层的硬颗粒包括金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属氧化物、金属硼化物、金属硅化物、烧结碳化物、铸造碳化物或其他陶瓷或它们的混合物的颗粒。在一些实施例中，涂层的硬颗粒的金属元素包括铝、硼和/或选自周期表IVB、VB和/或VIB族的一种或多种金属元素。在一些实施例中，硬颗粒包含铝、硼、硅、钛、锆、铪、钽或铌或它们的混合物的氮化物或碳氮化物。在一些实施例中，硬颗粒包含钛、钨、硅、硼或它们的混合物的碳化物。另外，在一些实施例中，硬颗粒包含硼化物(如二硼化钛和硼化钽)、硅化物(如MoSi2)或氧化铝。在一些实施例中，硬颗粒包含压碎的烧结碳化物、压碎的碳化物、压碎的氮化物、压碎的硼化物或压碎的硅化物或它们的组合。在一些实施例中，硬颗粒包含金属间化合物，如铝化镍。
涂层的硬颗粒可以具有不违背本发明目的的任何粒度。在一些实施例中，涂层的硬颗粒具有约0.1μm至约1mm范围内的粒度分布。在一些实施例中，硬颗粒具有约1μm至约500μm范围内的粒度分布。在一些实施例中，硬颗粒具有约10μm至约300μm或约30μm至约150μm范围内的粒度分布。在一些实施例中，硬颗粒具有10μm至100μm范围内的粒度分布。硬颗粒还可以显示具有双峰或者多峰粒度分布。
涂层的硬颗粒可以具有任何所需的形状或几何形状。在一些实施例中，硬颗粒具有球形或椭圆形几何形状。在一些实施例中，硬颗粒具有多边形几何形状。在一些实施例中，硬颗粒具有不规则形状，包括具有锋利边缘的形状。
硬颗粒可以不违背本发明目的的任何量存在于涂层的金属或合金基质中。根据若干考虑因素，包括但不限于涂层所需的硬度、耐磨损性和/或韧性，硬颗粒填充可以有所不同。在一些实施例中，硬颗粒以约20体积％至约90体积％范围内的量存在于金属或合金基质中。在一些实施例中，硬颗粒以约30体积％至约85体积％范围内的量存在。在一些实施例中，硬颗粒以约40体积％至约70体积％范围内的量存在。另外，在一些实施例中，硬颗粒均匀地或基本上均匀地分布在金属或合金基质中。
本文所述的复合材料制品的涂层可以具有不违背本发明目的的任何厚度。在一些实施例中，根据若干考虑因素选择涂层厚度，如涂层所需的耐磨损/耐磨特性和/或使用寿命。在一些实施例中，涂层具有至少约100μm或至少约500μm的厚度。在一些实施例中，涂层具有至少约750μm或至少约1mm的厚度。在一些实施例中，涂层具有约100μm至约5mm范围内的厚度。在一些实施例中，涂层具有约200μm至约2mm或约500μm至约1mm范围内的厚度。
在一些实施例中，涂层是完全致密的或基本上完全致密的。或者，在一些实施例中，涂层具有孔隙率。在一些实施例中，涂层的孔隙率小于约15体积％。在一些实施例中，涂层的孔隙率小于约10体积％或小于约5体积％。在一些实施例中，涂层的孔隙率在约1体积％至约10体积％范围内。在一些实施例中，涂层的孔隙率在约1体积％至5体积％范围内。在一些实施例中，涂层的孔隙率是均一的或基本上均一的。
在一些实施例中，本文所述复合材料制品的涂层以冶金方式结合到钛或钛合金基底上。在一些实施例中，复合材料制品包括钛或钛合金基底与涂层之间的界面过渡区域。在一些实施例中，界面过渡区域具有不同于基底和涂层的微观结构或晶体结构。或者，在一些实施例中，界面过渡区域具有约50μm至约300μm或约75μm至约250μm范围内的厚度。
如本文所述，在一些实施例中，复合材料制品的涂层显示出小于20mm3的调整后体积损失。本文所述涂层的调整后体积损失的值根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定。在一些实施例中，涂层显示具有小于15mm3或小于12mm3的调整后体积损失。在一些实施例中，涂层具有小于10mm3或小于6mm3的调整后体积损失。在一些实施例中，涂层具有约0.5mm3至约20mm3或约0.5mm3至约12mm3范围内的调整后体积损失。在一些实施例中，涂层具有约0.5mm3至约6mm3范围内的调整后体积损失。可以设想出，各种硬颗粒和金属或合金基质的组合将产生具有不同的调整后体积损失值的涂层。
鉴于本文的公开，选择制备具有与本文所述值中的一者或多者一致的调整后体积损失的涂层的硬颗粒和金属或合金基质的组合是在本领域技术人员的技术范围之内的。在一些情况下，例如，显示具有界面反应产物和/或被基质溶解的硬颗粒的硬颗粒/基质合金组合提供调整后体积损失值与本文所述值不一致的受损涂层。
设想了包含与本文所述金属或合金基质结合的本文所述硬颗粒、具有与本文所列值中的一者或多者一致的调整后体积损失的各种涂层实施例。在一些实施例中，例如，本文所述的涂层包含碳化钛颗粒和/或碳化钨颗粒与Ti-(18-22)％Zr-(18-22)％Cu-(18-22)％Ni钛基合金的硬颗粒与合金基质组合。在一些实施例中，本文所述的涂层包含碳化钛颗粒与Ti-37.5％Zr-15％Cu-10％Ni钛基合金的硬颗粒与合金基质组合。另外，本文所述的涂层可以包含碳化钛颗粒与Ti-(35-45)％Zr-(12-25)％Cu-(5-25％)Ni-(0-5)％Mo钛基合金或Ti-(36-39)％Zr-(12-18)％Cu-(8-12)％Ni-(0-5)％Mo钛基合金的硬颗粒与合金基质组合。
在一些实施例中，本文所述的复合材料制品还包括通过CVD、PVD或它们的组合沉积在硬颗粒涂层上的一个或多个耐火材料层，其中硬颗粒设置在金属或合金基质中。在一些实施例中，沉积在涂层上的CVD和/或PVD层包含陶瓷、金刚石、类金刚石碳、碳化钨或它们的组合。在一些实施例中，沉积在涂层上的CVD和/或PVD层包含铝和/或一种或多种选自周期表IVB、VB和/或VIB族的金属元素和一种或多种选自周期表IIIA、IVA、VA和/或VIA族的非金属元素。在一些实施例中，通过低温或中温CVD将耐火层沉积在涂层上。
II.复合材料片材
在另一个方面，描述了为钛或钛合金基底提供合金基质复合材料包层的复合材料片材。复合材料片材包含有机粘合剂或载体和含有30-50重量％锆、0-30重量％铜、0-30重量％镍、0-5重量％钼和余量钛的钛基合金粉末，其中铜和镍的结合量在钛基合金的25-40重量％范围内。
现在转向具体组分，复合材料片材包含有机粘合剂或载体。复合材料片材的有机粘合剂可包含一种或多种聚合物材料。适用于片材中的聚合物材料可包含一种或多种含氟聚合物，包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)。由于包含有机粘合剂，本文所述的复合材料片材可以是织物状的和/或性质是柔性的。
将钛基粉末合金与有机粘合剂混合，以构造复合材料片材。对有机粘合剂和粉末合金进行机械加工或处理，以便使合金粉末陷入有机粘合剂中。在一个实施例中，例如，将钛基粉末合金与3-15体积％的PTFE混合并进行机械加工，以便使PTFE原纤化并使粉末合金陷入。机械加工可包括轧制、球磨、拉伸、拉长、延展或它们的组合。在一些实施例中，包含粉末合金的片材经受冷等静压。所得的复合材料片材可具有低弹性模量和高生坯强度。在一些实施例中，包含有机粘合剂和粉末合金的片材根据美国专利3,743,556、3,864,124、3,916,506、4,194,040和5,352,526中的一者或多者的公开内容制备，所述专利中的每一个全文以引用方式并入本文。
除了包括铜和镍在内的其他合金元素之外，合适的粉末钛基合金可包含至少30重量％的锆。与有机粘合剂结合的钛基合金粉末可具有选自表III的组合物。
表III-复合材料片材的钛基合金
如本文所述，用于与有机粘合剂结合的粉末钛基合金可具有合金的25-40重量％范围内的铜和镍结合量。表III的钛基合金组合物中的任一种(例如)可显示具有合金的25-40重量％范围内的铜和镍结合量。
另外，本文所述的复合材料片材还可以包含与有机粘合剂和粉末钛基合金结合的硬颗粒。复合材料片材的硬颗粒可包括上文第I部分中所述的硬颗粒中的任一种。硬颗粒(例如)可包括金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属氧化物、金属硼化物、金属硅化物、烧结碳化物、铸造碳化物或其他陶瓷或它们的混合物的颗粒。在一些实施例中，硬颗粒的金属元素包括铝、硼和/或一种或多种选自周期表IVB、VB和/或VIB族的金属元素。在一个实施例中，硬颗粒包含碳化钛。
硬颗粒可以不违背本发明目的的任何量存在于复合材料片材中。在一些实施例中，硬颗粒以足以为所得的涂层或包层提供所需的硬颗粒填充的量存在。例如，硬颗粒可以足以为以冶金方式结合到钛基底上的涂层或包层提供20-90体积％或40-70体积％的硬颗粒含量的量存在于复合材料片材中。
另外如本文所述，可将复合材料片材施加到钛基底的表面上并加热。加热使片材的有机粘合剂分解并至少部分地使钛基合金粉末熔化，从而渗入硬颗粒之间的间距，得到以冶金方式结合到钛基底上的合金基质复合物。用复合材料片材形成的合金基质复合材料涂层或包层可具有第I部分中所述的涂层或包层性质中的任一种，包括为完全致密的或基本上完全致密的以及具有小于20mm3的调整后体积损失。
III.制备复合材料制品的方法
在另一个方面，本文描述了制备复合材料制品的方法。在一些实施例中，制备复合材料制品的方法包括提供钛或钛合金基底，在基底表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物，以及加热颗粒组合物以提供粘附到钛或钛合金基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒，其中涂层具有小于20mm3的调整后体积损失。
现在转向方法步骤，本文所述的方法包括提供钛或钛合金基底。在一些实施例中，合适的钛或钛合金基底包括上文第I部分中所述的钛或钛合金基底中的任一种。在一些实施例中，例如，钛合金基底为Ti6Al4V。
选择钛或钛合金基底之后，将包含设置在载体中的硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物放置在基底上。在一些实施例中，设置在载体中的硬颗粒可包括上文第I部分中所述的硬颗粒中的任一种。相似地，在一些实施例中，设置在载体中的金属或合金粉末可包括上文第I和II部分中所述的任何金属或合金，包括表I、II和III中提供的合金。
颗粒组合物的载体可包含有机粘合剂，如聚合物材料。在此类实施例中，金属或合金粉末可作为如第II部分中所述的复合材料片材提供。在一些实施例中，将硬颗粒和金属或合金粉末以反映成品涂层中硬颗粒和金属或合金的所需成分百分比的量与聚合物材料混合。在一些实施例中，例如，将硬颗粒和金属或合金粉末以与上文第I部分中所述涂层中的硬颗粒和金属或合金的成分百分比中的任一种一致的量与聚合物材料混合。
或者，将包含硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物与液体载体混合，以便施加到基底上。在一些实施例中，例如，将颗粒组合物设置在液体载体中，以提供用于施加到基底上的浆液或油漆。适用于本文所述颗粒组合物的液体载体包含若干组分，包括分散剂、增稠剂、粘合剂、表面张力降低剂和/或消泡剂。在一些实施例中，合适的液体载体是水基的。
可通过若干技术将设置在液体载体中的颗粒组合物施加到基底表面上，所述技术包括但不限于喷涂、刷涂、流涂、浸涂和/或相关技术。可根据所需的涂层厚度通过单次施加或多次施加将颗粒组合物施加到基底表面上。此外，在一些实施例中，可以根据美国专利6,649,682的公开内容制备设置在液体载体中的颗粒组合物并将其施加到基底表面上，该专利据此全文以引用方式并入。
设置在基底表面上之后，加热包含颗粒组合物的片材或液体载体，以提供粘附到基底上的涂层，所述涂层包含通过使金属或合金粉末组合物熔化而设置在金属或合金基质中的硬颗粒。片材或液体载体在加热过程中分解或燃烧掉。在一些实施例中，在真空、惰性或还原气氛下，以保持基底完整性和粉末金属或粉末合金被致密化到所需量的温度和时间段加热基底和包含颗粒组合物的片材或液体载体。在一些实施例中，例如，将基底和包含颗粒组合物的片材或液体载体加热至低于钛或钛合金基底的β转变线但高于金属或合金粉末的液相线温度的温度。
另外，如本领域技术人员所知，包括温度、气氛和时间在内的加热条件取决于若干考虑因素，包括基底的特性、粉末金属或粉末合金的特性和所得涂层的所需结构。
在一些实施例中，在足以产生完全致密或基本上完全致密的涂层的条件下加热包含硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物。或者，在一些实施例中，在产生具有孔隙率的涂层的条件下加热颗粒组合物。在一些实施例中，例如，在产生具有上文第I部分中所述孔隙率的涂层的条件下加热颗粒组合物。在一些实施例中，颗粒组合物经受热等静压和/或其他机械处理，以实现所需的致密化。然而，在一些实施例中，可以在不使颗粒组合物经受热等静压和/或其他机械处理的情况下提供完全致密或基本上完全致密的涂层。
在一些实施例中，加热基底和颗粒组合物使所得的涂层以冶金方式结合到基底上。在一些实施例中，涂层与钛或钛合金基底之间建立界面过渡区域。界面过渡区域可具有上文第I部分中所述的界面过渡区域的任何性质。
另外，在一些实施例中，在施加包含颗粒组合物的片材或液体载体之前清洁基底。可通过化学处理、机械处理或两者兼用对基底进行清洁。在一些实施例中，例如，基底经受喷砂或颗粒喷射。
在另一个实施例中，本文所述的制备复合材料制品的方法包括提供钛或钛合金基底，在基底表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒的颗粒组合物，以及在颗粒组合物上放置金属或合金基质前体组合物。加热颗粒组合物和金属或合金基质前体组合物，以提供粘附到钛或钛合金基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒。
钛或钛合金基底可包括上文第I部分中所述的钛或钛合金基底中的任一种。此外，设置在载体中的硬颗粒可包括上文第I部分中所述的硬颗粒中的任一种。如该第III部分中所述，在一些实施例中，硬颗粒的载体包括有机粘合剂，如聚合物材料。可将硬颗粒和聚合物粘合剂混合并形成为如本文第II部分中所述的片材。或者，硬颗粒的载体为如该第III部分中所述的液体。
将金属或合金基质前体组合物放置在设置在载体中的硬颗粒的颗粒组合物上。在一些实施例中，金属或合金基质前体组合物包括金属或合金箔或片材。例如，在一些实施例中，将所需的金属或合金组合物的箔或薄片材放置在颗粒组合物上。在一些实施例中，合金箔或片材为上文第I部分中所述的任何合金，包括表I、II和III中提供的合金。
或者，金属或合金基质前体组合物包含设置在载体中的金属或合金粉末。在一些实施例中，金属或合金粉末的载体包括有机粘合剂，如聚合物材料。例如，可将金属或合金粉末和聚合物粘合剂混合并形成为如第II部分中所述的复合材料片材。在一些实施例中，金属或合金粉末的载体为液体。
加热钛或钛合金基底、颗粒组合物和金属或合金基质前体组合物，以提供粘附到基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒，所述金属或合金基质是通过使金属或合金基质前体组合物熔化而形成的。在加热过程中，颗粒组合物和/或基质前体组合物的有机和/或液体组分分解或燃烧掉。在一些实施例中，在真空、惰性或还原气氛下，以保持基底完整性和将金属或合金基质前体组合物致密化到所需量的温度和时间段进行加热处理。例如，在一些实施例中，将钛或钛合金基底、颗粒组合物和金属或合金基质前体组合物加热至低于基底的β转变线但高于金属或合金基质前体组合物的液相线温度的温度。
在一些实施例中，在足以产生完全致密或基本上完全致密的涂层的条件下加热颗粒组合物和基质前体组合物。或者，在一些实施例中，在产生具有孔隙率的涂层的条件下加热颗粒组合物和基质前体组合物。在一些实施例中，例如，在产生具有上文第I部分中所述孔隙率的涂层的条件下加热颗粒组合物和基质前体组合物。在一些实施例中，颗粒组合物和基质前体组合物经受热等静压和/或其他机械处理，以实现所需的致密化。然而，在一些实施例中，可以在不使颗粒组合物和金属或合金基质前体组合物经受热等静压和/或其他机械处理的情况下提供完全致密或基本上完全致密的涂层。
在一些实施例中，加热基底、颗粒组合物和基质前体组合物使所得的涂层以冶金方式结合到基底上。在一些实施例中，涂层与钛或钛合金基底之间建立界面过渡区域。界面过渡区域可具有上文第I部分中所述的界面过渡区域的任何性质。
在一些实施例中，根据本文所述方法制备的涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。在一些实施例中，根据本文所述方法制备的涂层具有上文第I部分中针对涂层所述的任何调整后体积损失值。
另外，在一些实施例中，根据本文所述方法制备的涂层的硬颗粒均匀地或基本上均匀地分布在金属或合金基质中。在一些实施例中，硬颗粒不溶于或基本上不溶于金属或合金基质。另外，在一些实施例中，在100x倍放大倍率的光学显微镜下，硬颗粒与金属或合金基质之间的界面反应产物不明显。
在一些实施例中，本文所述的方法还包括将一个或多个耐火材料层沉积在包含设置在金属或合金基质中的硬颗粒的涂层上。在一些实施例中，通过CVD、PVD或它们的组合沉积一个或多个耐火材料层。在一些实施例中，一个或多个耐火层包含陶瓷、金刚石、类金刚石碳、碳化钨或它们的组合。在一些实施例中，沉积在涂层上的CVD和/或PVD层包含铝和/或一种或多种选自周期表IVB、VB和/或VIB族的金属元素和一种或多种选自周期表IIIA、IVA、VA和/或VIA族的非金属元素。在一些实施例中，通过低温或中温CVD将耐火层沉积在涂层上。
通过以下非限制性实例对这些和其他实施例进行进一步说明。
实例1–复合材料制品
如下制备具有本文所述构造的复合材料制品。将碳化钛粉末(-325目)与10体积％的PTFE混合。对混合物进行机械加工，以使PTFE原纤化并使碳化钛颗粒陷入，然后进行碾压，从而制备如美国专利4,194,040中所述的织物状柔性研磨碳化物片。将厚度为200至300微米、组成为18-22重量％的锆、18-22重量％的铜、18-22重量％的镍和余量钛的粉末状箔用作钎焊材料。
用粘合剂将碳化钛片材施加到Ti6Al4V基底的表面上，并将粉末状钎焊箔粘到碳化钛片材上的适当位置处。在真空炉中以5-10℃/min的速率将样品加热至940-980℃，加热时间为大约15分钟至60分钟，在这个过程中钎焊箔熔化并渗透碳化钛片。在冷却时，形成包含以冶金方式结合到Ti6Al4V基底上的碳化钛耐磨层的复合材料涂层/包层。
将所得的复合材料制品的涂层/包层均匀地粘合到基底上，使其没有显著的视觉缺陷(裂纹、气孔、皱纹)。图1中所示的本实例的涂层/包层的横截面的100x倍金相检验表明涂层/包层与基底之间的界面处不存在明显的缺陷。此外，涂层显示具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E的4mm3的调整后体积损失。
实例2–复合材料片材
如下制备本文所述的复合材料片材。将具有Ti-(36-39)重量％Zr-(14-16)重量％Cu-(9-11)重量％Ni组合物的钛基钎焊粉末(-200目)与4.8体积％的PTFE混合，并进行机械加工，以使PTFE原纤化并使钛基合金粉末陷入。然后碾压合金粉末/PTFE混合物，从而制备织物状柔性复合材料片材。
实例3–复合材料制品
如下制备具有本文所述构造的复合材料制品。用粘合剂将根据实例1形成的碳化钛片材施加到Ti6Al4V(复合物A)和工业纯钛(复合物B)基底的表面上。随后将根据实例2形成的复合材料片材施加到复合物A和B的碳化钛片材上。还用相同的工序制备比较复合物C-F，不同的是比较复合物C和D的复合材料片材使用具有组合物Ti-25重量％Cu-15重量％Ni的钛基合金粉末，而比较复合物E和F的复合材料片材使用具有组合物Ti-20重量％Zr-20重量％Cu-15-20重量％Ni的钛基合金粉末。表IV总结了复合物A-F在加热之前的构造。
表IV
*比较复合物
将复合物A和B以及比较复合物C-F分别放入真空炉(<10-5托)中，在920-960℃的温度和2-5℃/min的速率下加热，并保温55-70分钟的时间段。
复合物A和B显示具有以冶金方式结合到Ti6Al4V和Ti基底上的合金基质复合材料包层。A和B的每一个中的TiC颗粒的硬颗粒层完全被钛基合金渗透，以提供合金基质复合材料包层。通过磨削移除由于包覆操作而导致的包覆表面上的过量合金基质，以提供均匀光滑的表面。复合物A和B的合金基质复合材料包层各自显示具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E的3.38mm3的平均调整后体积损失。作为参考，未包覆的Ti6Al4V显示具有147.7mm3的调整后体积损失。
与复合物A和B相比，比较复合物C-F显示具有有显著结构问题的包层。比较复合物C(例如)显示出不足的合金基质渗透和相当多的剥落，而比较复合物E的钛基合金也未能渗透TiC硬颗粒层。另外，将基底特性变为工业纯钛没有改善包层性质，因为比较复合物D和F也显示具有不足的渗透和相关的结构问题。
图2示出了相对于复合物A的比较复合物C和E。图2(a)中示出了比较复合物C的显著剥落，图2(b)中示出了比较复合物E的基质合金渗透的缺乏。然而，图2(c)的复合物A显示TiC硬颗粒层被钛基基质合金完全渗透，从而提供以冶金方式结合到钛基底上的基本上致密的包层。图3的横截面金相中也示出了TiC硬颗粒层被复合物A的钛基基质合金完全渗透。图3(a)显示具有以冶金方式结合到Ti6Al4V基底上的钛合金基质复合材料包层的基本上均匀的性质。另外，图3(b)是在更高的放大倍率下拍摄的，细化了在钛合金基质复合材料包层与Ti6Al4V基底之间建立的界面过渡区域。图4示出了使用工业纯钛基底的复合物B的类似结果。图4(a)显示出以冶金方式结合到工业纯钛基底上的钛合金基质复合材料包层的基本上均匀的性质，而图4(b)进一步描绘了在钛合金基质复合材料包层与工业纯钛基底之间建立的界面过渡区域。
已就本发明各个目的的实现描述了本发明的各个实施例。应当认识到，这些实施例只是示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的情况下，其多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (48)

1.一种复合材料制品，其包括：
钛或钛合金基底；和
粘附到所述基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的颗粒，其中所述涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
2.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层具有根据ASTMG65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E的小于12mm3的调整后体积损失。
3.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层具有根据ASTMG65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E的小于6mm3的调整后体积损失。
4.根据权利要求1所述的复合材料制品，其还包括所述涂层与所述钛或钛合金基底之间的界面过渡区域。
5.根据权利要求4所述的复合材料制品，其中所述界面过渡区域具有约50μm至约250μm范围内的厚度。
6.根据权利要求4所述的复合材料制品，其中所述界面过渡区域具有不同于所述涂层和所述钛或钛合金基底的微观结构。
7.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中在100x放大倍率的光学显微镜下所述颗粒与所述金属或合金基质之间的界面反应产物是不明显的。
8.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述颗粒基本上不溶于所述金属或合金基质。
9.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层的颗粒包含一种或多种金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属氧化物、金属硼化物、金属硅化物、烧结碳化物、铸造碳化物、氮化硼或它们的混合物。
10.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层具有小于10体积％的孔隙率。
11.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层具有小于5体积％的孔隙率。
12.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述涂层为基本上完全致密的。
13.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述颗粒均匀地或基本上均匀地分布在所述金属或合金基质中。
14.根据权利要求1所述的复合材料制品，其中所述钛或钛合金基底包含a/β相本体晶体结构。
15.根据权利要求1所述的复合物，其中所述金属或合金基质为钛基的。
16.根据权利要求1所述的复合物，其中所述钛合金基底为Ti6Al4V。
17.根据权利要求1所述的复合材料制品，其还包括至少一个通过化学气相沉积、物理气相沉积或它们的组合沉积在所述涂层上的耐火材料层。
18.一种制备复合材料制品的方法，其包括：
提供钛或钛合金基底；
在所述基底的表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒和金属或合金粉末的颗粒组合物；以及
加热所述颗粒组合物，以提供粘附到所述钛或钛合金基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的所述硬颗粒，其中所述涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于12mm3的调整后体积损失。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述涂层为基本上完全致密的。
21.根据权利要求20所述的方法，其中在真空下加热所述颗粒组合物。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述颗粒组合物的载体包含聚合物材料。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述颗粒组合物的载体为液体。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述涂层与所述基底形成界面过渡区域。
25.根据权利要求18所述的方法，其中在低于所述钛或钛合金基底的β转变线温度的温度下进行所述加热。
26.根据权利要求18所述的方法，其中在100x放大倍率的光学显微镜下所述硬颗粒与所述金属或合金基质之间的界面反应产物是不明显的。
27.根据权利要求18所述的方法，其中所述硬颗粒基本上不溶于所述金属或合金基质。
28.根据权利要求18所述的方法，其中所述钛合金基底为Ti6Al4V。
29.一种制备复合材料制品的方法，其包括：
提供钛或钛合金基底；
在所述基底的表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒的颗粒组合物；
在所述颗粒组合物上放置金属或合金基质前体组合物；以及
加热所述颗粒组合物和所述金属或合金基质前体组合物，以提供粘附到所述钛或钛合金基底上的涂层，所述涂层包含设置在金属或合金基质中的所述硬颗粒，其中所述涂层具有如根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于12mm3的调整后体积损失。
30.根据权利要求31所述的方法，其中所述金属或合金基质前体组合物包括金属或合金片材或箔。
31.一种复合材料片材，其包含：
有机粘合剂；和
用于在钛或钛合金基底上提供合金基质复合材料包层的粉末钛基合金，所述粉末钛基合金包含30-50重量％的锆、0-30重量％的铜、0-30重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛，其中所述铜和镍的结合量在所述钛基合金的25-40重量％范围内。
32.根据权利要求31所述的复合材料片材，其中所述有机粘合剂包含聚合物材料。
33.根据权利要求31所述的复合材料片材，其中所述粉末钛基合金包含35-45重量％的锆、18-25重量％的铜、5-25重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
34.根据权利要求31所述的复合材料片材，其中所述粉末钛基合金包含35-45重量％的锆、12-25重量％的铜、5-25重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
35.根据权利要求31所述的复合材料片材，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、12-18重量％的铜、5-15重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
36.根据权利要求31所述的复合材料片材，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、14-16重量％的铜、8-12重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
37.根据权利要求31所述的复合材料片材，其还包含硬颗粒。
38.根据权利要求37所述的复合材料片材，其中所述硬颗粒包含一种或多种金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属氧化物、金属硼化物、金属硅化物、烧结碳化物、铸造碳化物、氮化硼或它们的混合物。
39.一种制备复合材料制品的方法，其包括：
提供钛或钛合金基底；
在所述基底的表面上放置包含设置在载体中的硬颗粒的颗粒组合物；
在所述颗粒组合物上放置包含有机粘合剂和粉末钛基合金的复合材料片材，所述粉末钛基合金包含30-50重量％的锆、0-30重量％的铜、0-30重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛，其中所述铜和镍的结合量在所述钛基合金的25-40重量％范围内；以及
加热所述颗粒组合物和所述复合材料片材，以提供以冶金方式结合到所述钛或钛合金基底上的包层，所述包层包含设置在钛基合金基质中的所述硬颗粒。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述涂层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含35-45重量％的锆、18-25重量％的铜、5-25重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
42.根据权利要求39所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含35-45重量％的锆、12-25重量％的铜、5-25重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
43.根据权利要求39所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、12-18重量％的铜、5-15重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
44.根据权利要求39所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、14-16重量％的铜、8-12重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
45.一种制备复合材料制品的方法，其包括：
提供钛或钛合金基底；
在所述基底的表面上放置包含有机粘合剂、硬颗粒和粉末钛基合金的复合材料片材，所述粉末钛基合金包含30-50重量％的锆、0-30重量％的铜、0-30重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛，其中所述铜和镍的结合量在所述钛基合金的25-40重量％范围内；以及
加热所述复合材料片材，以提供粘附到所述钛或钛合金基底上的包层，所述包层包含设置在钛基合金基质中的所述硬颗粒。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述包层具有根据ASTM G65-用干砂/橡胶轮测量磨损的标准测试方法的工序E测定的小于20mm3的调整后体积损失。
47.根据权利要求45所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、12-18重量％的铜、5-15重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
48.根据权利要求45所述的方法，其中所述粉末钛基合金包含36-39重量％的锆、14-16重量％的铜、8-12重量％的镍、0-5重量％的钼和余量的钛。
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