CN104593712B - 复合金属合金材料 - Google Patents

Abstract

提供了一种复合金属合金材料，该合金复合材料包括铝合金层和具有按重量计20％至40％的Mn及47％至76％的Fe的与铝合金层覆盖接触的热喷涂合金层。一种合金复合材料包括铝合金层或基体层和具有按重量计20％至40％的Mn及47％至76％的Fe的与铝合金层或基体层覆盖接触的热喷涂合金层。如使用ASTM C633测试规定的测试所确定的，铝合金层或基体层与热喷涂合金层彼此的机械相容性为20MPa–60MPa。一种热喷涂工艺包括：提供基体层和具有20％至40％的Mn及47％至76％的Fe的原料合金；以及将原料合金热喷涂到基体层上，以形成合金复合材料。

Description

复合金属合金材料

技术领域

本发明的一方面涉及一种复合金属合金，具体地讲，涉及一种第一金属合金的基体层和热喷涂合金表面层，第一金属合金的基体层支撑热喷涂合金表面层，热喷涂合金表面层具有按重量计20％至40％的Mn和47％至76％的Fe。

背景技术

汽车零部件的减重可以提高燃料经济性并减少排放。一种减重的方法涉及用重量轻的材料来代替诸如钢和铸铁的传统材料。然而，在某些应用中，这些重量轻的材料不具有传统材料所要求的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能。期望一种应具有必要的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的新的金属合金复合物。喷涂技术的使用可以用于沉积金属、陶瓷和聚合涂层，以在减重应用中提供增强的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能。然而，目前的热喷涂合金在它们拥有的物理性能和机械性能方面都有重大局限。因此，存在开发一种能够在重量轻的基材中提供传统材料的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的可热喷涂钢基合金的需要。

发明内容

本发明的实施例通过在至少一个实施例中提供了一种重量轻还具有必要的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的复合金属合金材料，解决了现有技术中的一个或更多个问题。所述复合金属合金材料包括第一金属合金的基体层和具有按重量计20％至40％的锰以及47％至76％的铁的热喷涂合金表面层。

在另一实施例中，提供了一种合金复合物。合金复合物包括铝合金层或基体层。具有按重量计20％至40％的锰以及47％至76％的Fe的热喷涂合金层与铝合金层或基体层覆盖接触。如使用ASTM C633测试规定的测试所确定的，铝合金层或基体层与热喷涂合金层的彼此的机械相容性为20MPa–60MPa。

在又一实施例中，提供了一种热喷涂的工艺。热喷涂工艺包括提供基体层和具有20％至40％的Mn及47％至76％的Fe的原料合金。将原料合金热喷涂到基体层上，以形成合金复合材料。

热喷涂合金层在所述温度范围内基本上由FCC晶格结构组成。

热喷涂合金层还可以包括3％至5％的Cr。

热喷涂合金层还可以包括1％至6％的Al。

热喷涂合金层还可以包括0％至2％的C。

热喷涂合金层可以包括30％至40％的Mn。

如使用500g的维氏显微硬度范围所测量的，热喷涂合金层的硬度可以为168-368。

热喷涂合金层可以具有不大于0.075V的电偶腐蚀电位。

热喷涂合金层可以具有0.3至0.4之间的摩擦系数值。

在又一实施例中，提供了一种合金复合材料，所述合金复合材料包括：铝合金层或基体层；以及热喷涂合金层，具有按重量计20％至40％的Mn和47％至76％的Fe，与铝合金层或基体层覆盖接触，如使用ASTM C633测试规定的测试所确定的，铝合金层或基体层与热喷涂合金层的彼此的机械相容性为20MPa–60MPa。

基体层可以是铝合金、金属合金或诸如陶瓷、聚合物或复合物的非金属材料。

附图说明

通过具体实施方式和附图，示例性实施例将被更充分地理解，在附图中：

图1是至少一个实施例中的基体层和与基体层覆盖接触的热喷涂合金层的示意图；

图2是证明在高锰铁合金中合金含量对电偶腐蚀电位的影响的图；

图3是证明高锰铁合金的摩擦特性的图；

图4是证明材料对开路电位电压的影响的图；

图5是证明在高锰铁合金中合金含量对相稳定性的影响的图。

具体实施方式

根据需要，在此公开了本发明的详细的实施例；然而，将理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代形式实施。附图未必是按比例绘制的；一些特征可能被夸大或最小化，以显示具体组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能上的细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。

现在，将详细地参考本发明的目前优选的组成、实施例和方法，这些组成、实施例和方法构成了发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。附图未必是按比例绘制的。然而，将理解的是公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代形式实施。因此，在此公开的具体细节不应该被解释为限制，而仅仅作为本发明的任何方面的代表性基础和/或用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。

还将被理解的是，因为具体的组件和/或条件当然可以变化，所以本发明不局限于如下描述的具体实施例和方法。此外，在此使用的术语仅被用于描述本发明的具体实施例的目的，而不意图以任何方式成为限制。

还必须注意，如说明书和权利要求书中所使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一种”、“一个”、“该”和“所述”包括复数的所指物。例如，以单数形式提到组件意图包括多个组件。

贯穿本申请，在引用出版物时，这些出版物的全部公开内容在此通过引用全部包含于本申请中，以更全面地描述本发明所属领域的情况。

下面使用的术语或短语具有与至少一个实施例有关的下列示例性含义：

“合金钢”指包含为了影响基体材料的性能变化所添加的特定量的合金元素(除了碳和锰)的钢。

“合金系统”指通过将两种或更多种组分(其中，至少一种是金属)的任意组按不同比例进行混合而产生的完整的一系列组成。

“奥氏体”指分布在铁合金中的结构或相。它是面心立方铁(伽马铁)中的一个或更多个元素的固溶体。

“奥氏体钢”，一种合金钢，在室温下其结构通常为奥氏体。

“BCC”指体心立方。原子布置在立方体的角上，另一个原子位于立方体的中心。密集堆积面沿半对角线切割单位立方体。一个晶胞中有两个原子。

“脆的”指在断裂之前允许极少的或不允许塑性(永久)变形。

“脆性”指材料在没有首先经受显著的塑性变形的情况下断裂的趋势。

“布氏硬度数”指与施加的载荷有关并与由球压头造成的永久压痕的表面面积有关的数。

“布氏硬度试验”指通过在特定的载荷下将特定直径(具体地，10mm或0.4英寸)的硬钢球或硬质合金球压入到材料中来确定材料的硬度的试验。结果被表示为布氏硬度数。

“韧性”指材料在没有断裂的情况下塑性变形的能力。

“摩擦系数”指表示两个表面之间的摩擦力的数。在两个同样的表面之间，摩擦系数将是相同的。通常用作摩擦系数的符号是μ。最大摩擦力(当主体滑动或处于极限平衡时)等于摩擦系数×法向反力。F＝μR，其中，μ是摩擦系数，R是法向反力。这个摩擦力F将与接触表面平行并且沿着与正在运动或试图发生的运动相反的方向。

“热膨胀系数”指响应于热胀冷缩效应的固体膨胀。不同物质的膨胀量不同。在小的温度范围内，均匀线性物体的热膨胀与温度变化成比例。这种对温度变化的响应被表示为它的热膨胀系数。关于“线性热膨胀”，当物体被加热或冷却时，它的长度的改变的量与原始长度和温度的改变成比例。线性热膨胀系数由α表示，在20℃，α为10^-6/K。

“腐蚀”指材料(通常是金属)和材料的环境之间的引起材料和材料的性能的劣化的化学反应或电化学反应。

“晶态的”指物质的主要由晶体构成的形式，与玻璃的或无定形的相反。

“晶体”指由一种特定的有序几何阵列(周期性地重复并被称为晶格或晶胞)组成的三维原子、离子或分子结构。

“沉积”指将喷涂材料施用到基质的工艺。

“沉积速率”指在单位时间内沉积的材料的重量。通常将它表示为千克每小时(kg/h)或磅每小时(lb/h)。

“FCC”指面心立方。原子布置在晶胞的每个立方体的面的角和中心上。密集堆积面：位于立方体的每个面上。假设原子沿面的对角线接触。一个晶胞中有四个原子。

“摩擦力”指当在外力的作用下，一个主体相对于另一主体的表面移动或趋向移动时与两个主体的共边界相切的阻力。

“电偶腐蚀”指与由电解质中的两种不同的导体或不同的电解质中的两种相似的导体组成的原电池的电流有关的腐蚀。

“硬度”指材料抵抗表面压痕或磨损的程度。可以通过布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验、努普硬度试验和肖氏硬度试验来测量压痕硬度。

“孪晶”指晶体中的被定义为晶体的一部分相对于剩余部分共同切变的变形过程。

“维氏硬度数”指与施加的载荷和通过具有136°的面角的金刚石压痕计得到的永久压痕的表面面积相关的数。

“维氏硬度试验”指采用136金刚石锥体压痕计(维氏)和可变的载荷的微小压痕硬度试验。也被称为金刚石锥体硬度试验。热喷涂可以增加地且选择地将材料沉积成薄的二维的层。可以按照许多方式来完成形状沉积。使用热喷涂法(即，等离子体、电弧或燃烧)，以沉积材料的薄的平面的层。使用一次性的、激光制造的掩模谨慎地使这些层中的每一层成形。所制造的工件在牺牲的支撑结构内被生长为一系列的热喷涂的截面层。

使用喷涂技术可以用来沉积金属的、陶瓷的和聚合物的涂层，以在减重应用中提供增强的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能。然而，现有的热喷涂合金在它们拥有的物理性能和机械性能方面都有重大局限。因此，存在开发一种能够在轻质量的基材中提供传统材料的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的可热喷涂钢基合金的需要。

热喷涂是对用于施用金属的或非金属的涂层的一组涂覆工艺的通称。可以将这些工艺分为三种主要的类别：火焰喷涂、电弧喷涂和等离子体弧喷涂。这些能量源用于将涂覆材料(呈粉末、线或杆的形式)加热至熔融态或半熔融态。得到的加热的颗粒被加速并通过工艺气体或雾化喷嘴朝准备好的表面被推进。一旦碰撞，随着后来的颗粒引起厚度增长并形成层状结构，与表面形成键。薄的“溅射物(splat)”经历非常高的冷却速率，典型地，对于金属，冷却速率超过10⁶K/s。

工业上使用热喷涂涂层，因为它们对下述内容提供了改善：耐磨性；耐热性(热障涂层)；尺寸控制；耐腐蚀性和/或抗氧化性；和/或电性质(电阻和电导率)。

术语“热喷涂”描述了包括热喷涂和冷喷涂的同族工艺。热喷涂使用通过化学(燃烧)或电学(等离子体或弧)法产生的热能，使颗粒或液滴的细分散体熔化或变软并加速到50m/s至>1000m/s(165ft/s至>3300ft/s)的范围内的速度。获得的高的颗粒温度和速度在表面碰撞时导致液滴明显变形，产生与基底表面共形并附着到基底表面的薄层或薄片(通常被称作“溅射物”)。随着液滴的连续流的碰撞，固化的液滴快速地、逐颗粒地积累，从而连续快速地形成固化层。个体的溅射物通常是薄的(～1μm至20μm)，每滴液滴以非常高的速率(就金属而言，冷却速率>10⁶K/s)冷却，以形成均匀的、晶粒非常细小的、多晶的涂层或沉积物。与热喷涂相反，使用冷喷涂技术的原料不被加热，或者被加热得仅够使颗粒塑性地变软。使用高压气体将粉末颗粒加速到高速度，以随后碰撞到基底上。与碰撞事件有关的能量引起高程度的塑性变形，这使颗粒与基底结合，因此建立层状结构。

根据喷涂工艺、颗粒速度和颗粒尺寸分布以及喷涂距离，热喷涂涂层可以包含不同水平的孔隙率。孔隙率可以通过保留润滑油膜而对应用是有益的。孔隙率还对在生物医学移植物上的涂层是有益的。热喷涂涂层的孔隙率按体积计通常<5％。尤其是在“喷涂态(as-sprayed)”材料没有进行后沉积热处理或熔化的情况下，保留的一些未熔化和/或再固化的颗粒会导致低的沉积内聚强度。热喷涂沉积物的其他关键特征在于，通常，它们的晶粒结构非常细小并且呈柱状取向。有报道称，例如，在后沉积热处理之前，热喷涂金属的晶粒尺寸<1μm。由于获得的高冷却速率(～10⁶K/s)，遍及个体的溅射物的晶粒结构通常在10μm至50μm的范围内，典型的晶粒直径为0.25μm至0.5μm。

与其他涂覆工艺相比热喷涂的好处很多。成本降低是一个好处。维修组件的成本低于购买新的组件。通常，涂层实际上比使用的原始材料持续更长时间。另一好处是热输入低。除了少数例外，热喷涂工艺不干涉组件的热史。另一好处是通用性。几乎任何的金属、陶瓷或塑料可以被热喷涂。厚度范围是另一好处。根据材料和喷涂系统，涂层可以被喷涂得从0.001英寸至大于1英寸厚。厚度典型的范围是0.005英寸-0.1英寸。处理速度是另一好处。根据材料和喷涂系统，喷涂速率的范围为3lb/hr-60lb/hr。材料适用的典型速率是在每0.01英寸厚度下，每平方英尺为1/2lb-2lb的材料。

关于涂层材料的通用性，该涂层材料可以是呈粉末、杆或线的形式的金属、金属陶瓷、陶瓷和聚合物。涂层材料有广泛的选择，以满足广泛应用的需求，尤其是起到保护作用不受磨损和腐蚀损坏的影响。可以将金属、金属陶瓷、陶瓷和塑料的涂层施用到不会因碰撞颗粒或气体喷雾的热而劣化的任何基底。利用基底的最小热量形成涂层，并且涂层并不需要与基底熔合以形成键。基底温度几乎不超过300℃。因此，可以在很少或几乎没有前热处理或后热处理的情况下将涂层施用到组件，并且组件的变形是最小的。还可以将涂层施用到热敏基底，诸如低熔点金属和塑料。可以施用厚涂层(典型地，厚达10mm)并且通常以高的沉积速率施用厚涂层。这意味着热喷涂还可以用于组件再利用和喷涂形成。可以快速地并且低成本地(通常以更换价格的小部分)重建部件。

热喷涂有在宽范围的基底上形成屏障涂层和功能涂层的能力。

下面的参考文献其全部内容被包含于：“Handbook of Thermal SprayTechnology”(热喷涂技术手册)，J.R.Davis(Oct 30，2004)，ISBN-10：0871707950。

期望一种除了能够被热喷涂和/或冷喷涂的金属合金组成之外还将具有必要的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的新的金属合金组成。然而，目前的热喷涂合金在它们拥有的物理性能和机械性能方面都有重大局限。典型的钢合金没有被设计为使合金和支撑基底之间具有协同作用。现有技术关注将合金制成杆的形式或铸件的形式。因此，现有技术没有着手获得可以被喷涂的原料以及热膨胀系数与基底匹配的合金。

鉴于上述问题，本发明的一个实施例中涉及一种含特定锰添加的复合铁基金属合金，该合金复合物具有期望的耐磨性和耐电偶腐蚀性并且具有类似的摩擦系数和热膨胀系数。本发明的另一实施例的目的在于提供一种重量轻的复合金属合金，该重量轻的复合金属合金在减重应用中提供增强的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和润滑性的性能。本发明的又一实施例在于提供了一种适用于热喷涂应用的重量轻的金属合金组成。

参照图1，复合金属合金材料包括基体层和热喷涂合金层。基体层，或在可选择的方案中，是基底支撑。合适的基体层包括金属合金，例如但不限于：铝合金、铋合金、铬合金、钴合金、铜合金、镓合金、金合金、铟合金、铁合金、铅合金、镁合金、汞合金、镍合金、钾合金、钚合金、稀土合金、铑合金、钪合金、银合金、钠合金、钛合金、锡合金、铀合金、锌合金、锆合金以及它们的组合。应理解的是，基体层可以是可以支撑热喷涂层的任何合适的材料，包括但不限于：木材、纸、玻璃、陶瓷和布等。在一个实施例中，基体层是具有按重量计80％至100％的铝的铝合金层。

在热喷涂合金领域中，铁-锰的使用是不常见的。传统上对于添加锰的认知仅是为了硬度这单一原因。在这些利用锰的应用中，由于针对期望的应用实现必要的高硬度，所以存在典型地15％的锰或更少的锰。因此，在15％或更少的条件下实现了具有必要的硬度的益处。在至少一个实施例中，提供一种锰超过15％的热喷涂合金。锰的增加不仅仅是为了硬度和耐磨性，额外的锰使得热膨胀系数与其他元素匹配。在一个实施例中，热喷涂合金表面包括按重量计20％至40％的锰和按重量计47％至76％的铁并与铝合金层覆盖接触。

为了提供良好的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和/或润滑性的性能的特性，研究了铝合金层、基底以及锰和铁的热喷涂合金层之间的协同作用。具有各向异性结构的材料，诸如晶体(对称性低于立方体对称)，在不同方向上通常将具有不同的线性热膨胀系数αL。

其中，L是具体长度的测量值，dL/dT是每单位温度变化下线性尺寸变化的速率。因此，在三个轴中，总体积膨胀分布不均匀。如果晶体对称性是单斜的或三斜的，那么甚至这些轴之间的角度都要经历热变化。在这种情况下，需要将热膨胀系数作为具有多达六个独立要素的张量处理。铝及其合金随温度变化的尺寸变化大体上是铁金属的两倍。工业纯金属的平均热膨胀系数为24×10^-6/K(13×10^-6/℉)。使热喷涂合金层的热膨胀系数与铝合金层匹配降低了热喷涂合金层与铝合金层的电偶腐蚀电位。在一个实施例中，铝合金层和热喷涂层具有在20℃至300℃范围内的热膨胀系数。在一个实施例中，为匹配铝合金层，热膨胀系数优化为每摄氏度20–24/°(11.1–13.4/°F)之间的范围内。在另一实施例中，铝合金层和热喷涂层的热膨胀系数的不同小于40℃。在另一改进实施例中，热喷涂层和铝合金层之间的热膨胀系数的范围小于或等于下述范围：按优选程度递增的顺序，20℃至300℃、20℃至200℃、20℃至100℃、20℃至50℃和20℃至30℃。在另一改进实施例中，铝合金层和热喷涂层之间的热膨胀系数的差异小于或等于下述值：按优选程度递增的顺序，40℃、30℃、20℃、10℃、5℃、3℃、1℃和0℃。针对于匹配热膨胀系数的钢基底，热膨胀系数将为大约15，或者在14-18.5的范围内。在替代方案中，通过改变材料的相，钢的热膨胀系数可以增大到20-24/℃。

铝合金受硅和铜以及锰的存在的影响，其中，硅和铜抑制膨胀，锰促进膨胀。

热喷涂合金层和铝合金层均具有温度范围。定义根据温度的可操作性，其中，在该温度下合金仍为固态并且能够提供用于特定应用所需要的机械性能。例如，特定应用是在旋转器上的制动表面。对于具有20％至40％的Mn和47％至76％的Fe的热喷涂合金层，温度范围至少为-60℃至+1250℃。然而，具有热喷涂合金层和基底的系统的最大温度可以取决于基底的材料。作为非限制性示例，Al作为基底，系统不应超过大约500℃，因为Al会开始融化；碳纤维作为基底，则会要求更低的温度，因为在大约500℃的温度下，在损害热喷涂之前会对碳纤维材料造成损坏。在改进的实施例中，单独的热喷涂合金能够在400℃、500℃、600℃、700℃和800℃下持续工作无穷小时。

电偶腐蚀会使腐蚀加快。不同的金属和合金的电极电位不同，当两种或更多种金属在电解质中接触时，一种金属作为阳极，另一种金属作为阴极。电偶腐蚀是发生在这样的结合方式中的阳极构件处的局部的腐蚀，并且根据法拉第定律电偶腐蚀与伽伐尼电流直接相关。不同的金属之间的电势差是加速对电偶的阳极构件损害的驱动力。阳极金属溶解到电解质中，沉积物在阴极金属上积累。电解质提供一种离子迁移的方式，从而金属离子在金属内从阳极移动到阴极。这导致阳极处的金属比其将要被腐蚀的情况更快地腐蚀，并且在阴极的腐蚀会抑制。电解质的存在和金属之间的导电通路对于电偶腐蚀的发生是必要的。添加铬和铝给予更好的耐电偶腐蚀性。在参照图4的另一实施例中，当热喷涂合金层结合到低铜铸造铝合金时，在创造了原电池时将具有不大于0.075V的电压差。图4示出了与存在电解质时使两种材料彼此接触的情况有关的电偶电位。两条线越近，腐蚀的可能性越小。因此，因为热喷涂合金和铝之间的差小，所以与一起使用这两种材料有关的腐蚀的程度低。

为了进一步改善热喷涂层的耐腐蚀性，热喷涂层在其整个温度范围内几乎或100％是奥氏体。在另一实施例中，热喷涂合金层具有至少30％的Mn。具有小于大约30％的Mn的热喷涂合金层在整个温度范围内会无法保持100％的奥氏体。随着热喷涂合金层的Mn的百分比降低为低于大约30％，热喷涂层的温度上限将由此降低。在另一实施例中，热喷涂合金层在上述温度范围内基本上是100％的面心立方(FCC)晶格结构。添加超过大约30％的Mn导致稳定奥氏体微观结构的形成。在又一实施例中，热喷涂合金层在所述温度范围内基本上不具有体心立方(BCC)晶格结构。

镁合金的摩擦力和耐磨性的性质很重要，尤其是在它们被用在关键的工业应用中时。虽然镁合金通常不适合用作轴承或齿轮，但是存在下述情形：金属表面可以与其他材料接触从而使得镁合金的摩擦力和耐磨性的行为成为感兴趣的话题。例如，镁合金经历汽车刹车、发动机活塞和气缸内径中的滑动运动。另外，镁合金的摩擦力和耐磨性的性能在它们被轧制、挤出、锻造等加工的过程中是重要的考虑因素。通过使用与本领域已知的适当的抗磨和减摩的添加剂结合的润滑剂，镁合金的摩擦力和耐磨性通常会降低。为了进一步改善摩擦系数，增大热喷涂合金层的温度范围，以抵抗导致摩擦系数减小的熔化。在另一实施例中，热喷涂合金的摩擦系数的范围为0.3至0.4。

为了改善热喷涂合金的性能，除了按重量计20％至40％的Mn和47％至76％的Fe之外，热喷涂合金层还可以包括3％至5％的铬(Cr)、1％至6％的铝(Al)、0％至2％的碳(C)和它们的组合中的至少一种成分。参照图2和图3，与传统的铸铁相比，具有Fe、Mn、Cr、Al和/或碳的热喷涂合金提供了相当的对磨损和电偶腐蚀的耐受性(见图2)并且具有相似的摩擦系数(见图3)。添加Cr和/或Al提供了热喷涂合金的更好的耐电偶腐蚀性。此外，添加Cr、Al和/或C元素提供了优化的导热性以散热。添加碳为了提供更好的高温配合。在另一实施例中，为了限制电偶腐蚀，可以将诸如亚硝酸钠或钼酸钠的腐蚀抑制剂与合金混合。这些抑制剂可以被混合到按重量计等于或小于30％的量。

为了帮助增大热喷涂合金的硬度，选择了六方晶格结构的锰。孪晶导致瞬时硬化率(n值)的高值，同时微观结构变得更越来越细。得到的孪晶界的行为类似于晶粒边界，因此强化合金。在另一实施例中，锰含量按重量计等于或大于15％，在一个变化的情形中，按重量计为17％至24％。选择这些量，以诱发孪晶，这使得合金在室温下完全是奥氏体。

当物质被加热时，它的颗粒开始更快地移动，由此通常保持较高的平均分离度。热膨胀是物体响应于温度改变的体积的改变的趋势。按照温度的改变划分的膨胀度被称作材料的热膨胀系数。增加锰到按重量计超过15％，在另一变形方案中按重量计为20％至40％，使热膨胀系数与铝匹配。

合金的耐磨性和硬度在室温下的行为与“高温”(诸如超过300℃)相比可以不同。化学组分对合金的高温性能的影响是重要的，以优化高温应用的合金组分。硬度被认为是对于合金重要的材料性质，因为它经常用来与材料的耐磨性相互关联。合金在室温下的耐磨性主要取决于它们的碳含量。铁与锰元素给予高温(超过300℃)硬度。为了稳定合金，可以添加碳以在室温下和低于200℃的温度下使合金稳定。在高温下碳含量对于合金的耐磨性的影响不如在室温下明显，因此，为了给予在超过200℃的温度下更强的合金稳定性，增加铬含量来增强高温抗氧化性。在另一实施例中，热喷涂合金包括按重量计0％至2％的碳。如果在低温条件下使用合金，可以使合金组分不具有碳或者使碳含量小于0.5％。

参照图5，图5示出了合金元素对Fe/30％-40％Mn/0.1％-0.3％C铁合金的相发展的影响。图5确定了，当化学组分超出通过在下述界限的组分建立的限制时，微观结构将不再100％是奥氏体：按重量计20％至40％的Mn、47％至76％的Fe，或者添加3％至5％的Cr、1％至6％的Al和0％至2％的碳中的至少一种组分。例如，包含按重量计6％的Cr的合金(在3％至5％的Cr之外)具有铁素体相和马氏体相，如在奥氏体之间的中间峰所示(见图5)。此外，包含按重量计8％的Al的合金(在1％至6％的Al之外)具有铁素体相和马氏体相。在另一实施例中，热喷涂合金基本上没有铁素体相和/或马氏体相。因此，铁素体相和/或马氏体相的存在使大量有益性能消失(降低了腐蚀电位、匹配的热膨胀系数和在大的温度范围内的材料稳定性)，得到的合金将不再对高耐磨性、稳定的摩擦力应用(如制动旋转器)有效。

合金的硬度可以是令人期待的特性，因为合金有抵抗塑性变形或磨损的能力。在一个实施例中，热喷涂合金层具有168至368的硬度(使用500g的维氏显微硬度计测量范围进行测量)。

ASTM C633测试方法用于通过使热喷涂物经受垂直于表面的张力来确定热喷涂物的粘着强度或内聚强度(ASTM International，100 Barr Harbor Drive，PO Box C700，West Conshohocken，PA，19428-2959 USA)。在一个实施例中，如使用ASTM C633检测所确定的，热喷涂合金层和铝合金层或基体层彼此的机械相容性为20MPa至60Mpa。

热喷涂合金可以呈混合元素粉末、预合金粉末的形式和/或熔化并铸造成诸如线或杆的期望的形状的形式。

通常，在热喷涂工艺中，为了提供热喷涂合金层的令人满意的粘着力，可以要求对基体层进行表面处理。基体结构和热喷涂合金之间存在机械相容性。通常通过使用诸如喷砂或加工几何形槽(诸如方波图案)的标准表面处理技术来获得机械相容性。例如，通过机械方式(例如，比如通过喷砂或通过粗加工技术)对由硬度小于大约300DPN的材料制成的基体层执行粗糙化。然而，这样的粗糙化处理对于硬度大于300DPN的基底材料可能是无效的，可能必须将中间结合涂层施用到基底，其中，可以将金属结合涂层或陶瓷涂层热喷涂在该基底上。在替代方案中，有时铺上热喷涂合金层的行为将在基体层中创建特定水平的残余应力，以有助于热喷涂合金层的附着。在又一替代方案中，退火是可选择的处理方式。在又一实施例中，如果基体层的几何形状足够简单且热喷涂合金粉末足够薄，则可以不需要退火步骤。

用Mn代替更昂贵的镍和铬的元素的热喷涂合金使得合金的成本降低。此外，待热喷涂(使用多种的热沉积工艺、冷沉积工艺和直接金属沉积工艺)的热喷涂合金的能力也将有助于使加工的成本最小化。因此，Fe、Mn、Cr、Al和C的合金化添加剂的成分组合导致可热喷涂合金提供无以伦比的耐磨性、摩擦力、耐腐蚀性和润滑性的性能的结合。

一种将热喷涂合金层施用在基体层上的方法包括：通过对基体层直接执行热喷涂、气体动力冷喷涂、等离子体喷涂、线弧喷涂、火焰喷涂、高速度氧燃料涂覆喷涂或加温喷涂来提供并施用热喷涂合金。在施用热喷涂合金层之前，可以对基体层进行表面处理，以有助于热喷涂合金层的粘着。可以将热喷涂合金层以达到3mm的厚度施用到基体层。

示例

表1提供了若干热喷涂合金组分和重量％的测定值。

虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但是并不意在这些实施例示出并描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的而不是限制性的，应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。

Claims (9)

1.一种合金复合材料，所述合金复合材料包括：

铝合金层；以及

热喷涂合金层，具有按重量计20％至40％的Mn、大于1％且小于或等于6％的Al、47％至76％的Fe和3％至5％的Cr，与铝合金层覆盖接触，

其中，热喷涂合金层基本上没有马氏体相。

2.根据权利要求1所述的合金复合材料，

其中，热喷涂合金层基本上没有铁素体相和马氏体相。

3.根据权利要求1或2所述的合金复合材料，其中，铝合金层和热喷涂合金层的热膨胀系数的差异小于或等于40℃。

4.根据权利要求1或2所述的合金复合材料，其中，铝合金层和热喷涂合金层具有彼此相等的热膨胀系数。

5.根据权利要求1或2所述的合金复合材料，其中，铝合金层包括按重量计80％-100％的Al。

6.根据权利要求1或2所述的合金复合材料，其中，热喷涂合金层在热喷涂合金层的温度范围内具有奥氏体相。

7.根据权利要求6所述的合金复合材料，其中，热喷涂合金层在热喷涂合金层的温度范围内基本上由奥氏体相组成。

8.根据权利要求7所述的合金复合材料，其中，热喷涂合金层基本上没有体心立方晶格结构。

9.根据权利要求7所述的合金复合材料，其中，热喷涂合金层具有-60℃至1250℃的温度范围。

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