CN105531391A - 含纤维的复合材料 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中提供的是一种生产组合物的方法，所述方法包括使用一第一材料和一第二材料在基板上形成一涂层材料；其中所述涂层材料包括一非晶态合金和所述第二材料，所述第一材料适于形成所述非晶态合金，所述第一材料在形成过程中是在第一温度下，以及所述第一温度比所述第二材料的熔化温度低。

Description

含纤维的复合材料
交叉引用相关的申请
此申请要求于2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/791,728优先权，该申请的全部内容包在此被包含引用。
发明背景
耐磨涂层提供的许多优点已导致其在多种应用中的普遍使用。以工业工具为应用的耐磨涂层提供的优点包括改进的服务寿命和对经常不断检查的需求的减少。尽管常规耐磨涂层提供有许多优点，这些涂层不提供许多应用所需的硬度和耐磨性。
因此，还需要一个涂层材料，其可提供改进的例如硬度和耐磨性的性能。
发明小结
在一些实施例中，本文提供一涂层材料，其包含一非晶态合金和一第二材料，一个制造该涂层材料的方法，和改进包含非晶态合金的涂层的性能的方法。所述涂层材料比常规涂层材料提供更加改善的性能。
一个实施例提供一种方法，其包括：使用一第一材料和一第二材料在基板上形成一涂层材料。所述涂层材料可包括一非晶态合金和所述第二材料，所述第一材料可以适于形成所述非晶态合金。所述第一材料在形成过程中可以在第一温度下进行处理，并且所述第一温度可以比所述第二材料的熔化温度低。
另一个实施例提供一种方法，包括在一第一涂层材料中分散第二材料的颗粒，以形成一第二涂层材料，所述第二涂层材料包括所述第一涂层材料和所述第二材料。相比于第一涂层材料，所述第二涂层材料可以具有至少一种改进的性能。
另一个实施例提供一种组合物，该组合物包含一涂层材料，和一基板。该涂层材料可以被沉积在基板上，并且该涂层材料可以包括一非晶态合金和一第二材料的颗粒。
应当理解的是，前述概念和在下面更详细讨论的其它概念的所有组合(只要这些概念不互相矛盾)都被认为是本文公开的本发明主题的一部分。特别是，出现在本公开内容末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想作为此公开的发明主题的一部分。还应当理解的是，本文明确采用的术语，若其也出现在通过引用并入的任何公开内容中，则其应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
本领域技术人员将理解的是，附图主要是为了说明的目的，而并非旨在限制本文所描述的发明主题的范围。附图不一定是按比例绘制；在一些情况下，本文这里所公开的发明主题的各个方面可以在附图中被夸大或放大，以方便不同特征的理解。在附图中，相似的参考字符通常指的是相似的功能(例如，功能上相似和/或结构相似的元件)。
图1(a)－1(b)分别描述了在一个实施例中包含一非晶态合金的一涂层材料，和包含所述非晶态合金和碳化钨颗粒的一涂层材料。
图2(a)－2(b)分别描述了在一个实施例中包含一非晶态合金的一涂层材料，和包含所述非晶态合金和碳化钨颗粒的一涂层材料。
图3描述了根据一个实施例的沉积在一基板上的涂层材料的横截面。
图4描述了根据一个实施例的一个涂层材料的微观结构。
详细说明
一个实施例涉及一种方法，该方法用于形成一个涂层材料，其包含一非晶态合金和在第一温度下的一第二材料，其中，所述第一材料可以适于形成所述非晶态合金，并且所述第一温度可以比所述第二材料的熔化温度低。另一个实施例涉及改善包含非晶态合金的一涂层材料的性能的方法，该方法包括在所述涂层材料中分散第二材料的颗粒。另一个实施例涉及被沉积于基板材料上的涂层材料，其中所述涂层材料可包括一非晶态合金和第二材料的颗粒。
非晶态合金
合金可以指两种或更多种，例如至少2、3、4、5或更多的元素的金属元素的混合物，其包括固溶体。术语“元素”在本文中可以指在一个周期表中可以找到的元素。金属可以指任何碱金属、碱土金属、过渡金属、过渡后金属、镧系元素、和锕系元素。
非晶态合金可以指具有非晶态、非晶体原子结构或微观结构的合金。非晶结构可以指一个没有可观察到的长程有序的玻璃状结构；在一些情况下，非晶结构可以呈现某些短程有序。因此，非晶态合金有时可以被称为“金属玻璃”。非晶态合金可指一合金，其中至少有约50％为非晶相-例如，至少约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、约99％或更多为非晶相。取决于上下文，百分比在本文中可以指体积百分比或重量百分比。在本文中术语“相”在此可以指物质的物理上独特的形态，如微结构。例如，固体和液体都是不同的相。类似地，非晶相是和结晶相不同的。
非晶态合金可以含有多种金属元素。在一些实施例中，非晶态合金可包括铁、铬、硅、硼、锰、镍、钼、铌、铜、钴、碳、锆、钛、铍、铝、金、铂、钯、磷、或它们的组合。在一些实施例中，所述非晶态合金可以是锆基、钛基、铁基、铜基、镍基、金基、铂基、钯基、或铝基。术语“M-基”当指一种合金时可以指合金包含至少约30％的“M”元素-例如，约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约95％、或更多的“M”元素。百分比在本文中取决于上下文可以指体积百分比或重量百分比。
一种非晶态合金可以是块体固化非晶态合金。块体固化非晶态合金，块体金属玻璃(“BMG”)，或块体非晶态合金可指一种非晶态合金，其可适于具有在毫米范围的至少一个尺度。在一个实施例中，该尺度可以指最小尺寸。根据不同的几何形状，尺度可以指厚度、高度、长度、宽度、半径、和类似物。在一些实施例中，这个最小尺度可为至少约0.5毫米-例如，约1毫米、约2毫米、约3毫米、约4毫米、约5毫米、约6毫米、约8毫米、约10毫米、约12毫米或更多。最大尺度的大小是没有限制，可以是在毫米范围，厘米范围，或者甚至米范围。
本文所述的非晶态合金，包括块体非晶态合金，可具有大约500K/sec或更小的临界冷却速度。术语“临界冷却速度”在此可以指在低于该温度时非晶态结构能量不具优势，因此不可能在一个制造过程中形成。在一些实施例中，非晶态合金的临界冷却速度可以是，例如大约400K/秒或更小-例如，约300K/sec或更小、约250K/sec或更小、约200K/秒或小。
非晶态合金可具有多种化学组分。在一个实施例中，非晶态合金是锆基合金，如锆-钛基合金，如((Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c，其中，a、b、c的每一个为独立的表示原子百分比(atomic％)的数字，a是在从30到75的范围内，b是在从5到60的范围内，c是在0至50的范围内。其它偶然的不可避免的微量杂质也可能存在。在一些实施例中，这些合金可以容纳显著量的其他过渡金属，如铌、铬、钒、钴。在一个实施例中，“显著量”可指约原子百分比为5％或更多-例如，原子百分比为10％、原子百分比为20％、原子百分比为30％或更多。
在一个实施例中，本文中的非晶态合金可具有化学式(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)c，其中a，b和c的每一个为独立的表示原子百分比的数字，a是在从40至75的范围内，b是在从5至50的范围内，c是在从5到50的范围内。其它偶然的不可避免的微量杂质也可能存在。在另一个实施例中，合金可具有组分(Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)c，其中a，b和c的每一个为独立的表示原子百分比的数字，a是在从45至65的范围内，b是在从7.5至35的范围内，c是在从10到37.5的范围内。
在另一个实施例中，非晶态合金可具有化学式(Zr)a(Nb,Ti)b(Ni,Cu)c(Al)d，其中a，b，c和d的每一个是独立地表示原子百分比的数字，a是在从45至65的范围内，b是在从0至10的范围内，c是在从20到40的范围内，d是在从7.5到15的范围内。其它偶然的不可避免的微量杂质也可能存在。
在一些实施例中，所述非晶态合金可以是铁基金属合金，如(铁、镍、钴)基金属的组分。这类组合物的例子公开于美国专利专利号6,325,868和出版物(作者A.Inoue等，应用物理快报，第71册，第464页(1997))，(作者Shen等，Mater.Trans.,JIM，第42卷，第2136页(2001))，和日本专利申请2000126277(公共号#2001303218A)。例如，该合金可以是Fe72A15Ga2P11C6B4，或Fe72Al7Zr10Mo5W2B15。
在一些实施例中，所述非晶态合金可以是如下中的至少一个：铁-铬-硼-钼-碳的合金、镍-铬-硅-硼-钼-铜-钴的合金、铁-铬-硼-锰-硅的合金、铁-铬-硼-硅的合金、铁-铬-硼-锰-硅-铜-镍-钼的合金、铁-铬-硼-锰-硅-镍的合金、铁-铬-硅-硼-锰-镍-碳化钨-碳化钛的合金、或铁-铬-硅-锰-碳-钕-钛的合金。在至少一个实施例中，所述非晶态合金可以是铁基合金或镍/铬基合金。
非晶态合金，包括块体固化飞晶态合金，可具有高强度和高硬度。根据上下文，强度可以指拉伸或压缩强度。例如，锆基和钛基非晶态合金可具有约250ksi或更高的拉伸屈服强度和约450HV或更高的硬度值，或两者皆有。在一些实施例中，拉伸屈服强度可为约300ksi或更高–例如，至少大约400ksi、大约500ksi、大约600ksi、大约800ksi、或更高。在一些实施例中，硬度值可以是至少约500HV-例如，至少约550HV、约600HV、约700HV、约800HV、约900HV、约1000HV、或更高。
在一个实施例中，铁金属基非晶态合金，包括铁金属基块体固化非晶态合金，可具有约500ksi或更高的拉伸屈服强度，和为约1000HV或更高的硬度值。在一些实施例中，其拉伸屈服强度可为约550ksi或更高-例如，至少约600ksi、约700ksi、约800ksi、约900ksi、或更高。在一些实施例中，硬度值可以是至少约1000HV-例如，至少约1100HV、约1200HV、约1400HV、约1500HV、约1600HV、或更高。
这样，任何上述非晶态合金可具有所需的强度-重量比。此外，非晶态合金，特别是锆基或钛基合金，可显示出良好的耐腐蚀性和环境耐久性。本文中腐蚀可以指化学腐蚀、应力腐蚀、或它们的组合。
本文所述的包括块体非晶态合金的非晶态合金可具有至少约0.5％的高弹性应变极限，包括至少约1％、约1.2％、约1.5％、约1.6％、约1.8％、约2％、或更多-该值比迄今已知的任何其它金属合金高得多。
在一些实施例中，包括块体非晶态合金的非晶态合金还可以包括一些晶体材料，例如结晶合金。该晶体材料可具有与所述非晶态合金相同的或不同的化学性能。例如，在结晶合金和非晶态合金具有相同的化学组成的情况下，它们可能彼此仅在微结构上不同。
在一些实施例中，非晶态合金的结晶析出可能对非晶态合金的性能，特别是对这些合金的韧性和强度具有不期望的影响，因此，通常优选是减少这些析出物的体积比例。其中，可能存在这样的情况，非晶态合金的处理过程中，延性结晶相在原位析出，其可以是非晶态合金特别是对合金的韧性和延展性有利的特性。一个示例性情况在作者为C.C.Hays等的物理学评论快报第84册2901页(2000)中公开。在本文中的至少一种实施例中，结晶析出可以包括金属或合金，其中该合金组分可与所述非晶态合金的组分相同或不同，含有这些有益结晶析出的该非晶态合金可以被在本文所述的至少一个实施例中采用。
涂层材料
本文所述的涂层材料可以被沉积在基板上。一个实施例提供了一种涂层材料，其包含非晶态合金和一第二材料的颗粒。
所述非晶态合金可以是任何本文所述的非晶态合金。在至少一个实施例中，所述非晶态合金可以是块体非晶态合金。在另一个实施例中，所述非晶态合金可以不是块体非晶态合金。
所述涂层材料还可以包括一结晶材料。该结晶材料的化学组分可以是与该非晶态合金的化学组分相同或不同。该结晶材料可具有低于第二材料降解温度的熔化温度。本文中的材料降解温度可指在该温度下时，材料开始表现出至少一种性能的改变。例如，取决于上下文和材料，降解可以是熔化温度、玻璃化转变温度、结晶温度、或其它温度。在另一个实施例中，降解可以指在温度下时，该材料开始与另一种材料发生化学作用(例如，化学反应)。
在至少一个实施例中，该结晶材料包括尺寸在纳米范围内、微米范围、毫米范围、厘米范围、或者任何它们的组合的晶体(或“颗粒”)。例如，该第一材料可包括纳米晶体材料。该结晶材料可包含与涂层材料中的非晶态合金的组分相同的一合金、与涂层材料中的非晶态合金的组分不相同的一合金、一金属、一非金属、或它们的任何组合。
该第二材料可以是硬质相的材料。在一个实施例中，该第二材料可以是陶瓷或金属制成。在至少一个实施例中，该第二材料可以是难熔金属-例如，钨、钽、钼、任何其它合适的难熔金属、或它们的组合。在另一个实施例中，该第二材料可以是陶瓷-例如，碳化物材料或硼化物材料。陶瓷可以是碳化硅、碳化钨、碳化铬、硼化硅、硼化钨、硼化铬、或它们的组合。
该涂层材料可包括以颗粒形式分散在包含所述非晶态合金的一种基体材料中的第二材料。该第二材料颗粒可以均匀地分布在整个涂层材料。所述颗粒可具有任何合适的几何形状。在一个实施例中，颗粒可以是球形、球状体、立方体、长方体、圆锥体、小板、针、或棒的形状。
在一个实施例中，该第二材料的熔化温度比所述非晶态合金的熔化温度更高。在另一个实施例中，该第二材料比包含所述非晶态合金的基体材料的韧性更低。
该第二材料可为存在于该涂层材料中的任何合适尺寸的颗粒。在一个实施例中，所述颗粒大小可具有约10目至约325目-例如，约14目至约270目、约18目至约230目、约20目至约200目、约25目至约170目、约30目至约140目、约35目至约120目、约40目至约100目、约45目至约80目、约45目至约70目，或者约50目至约60目。
基板可以是金属或金属合金。在一个实施例中，该基板是钢材、铝合金、或任何其它合适的金属或合金材料。该基板可以是需要其中增加耐磨性的工具或装置的一部分。在一个实施例中，基板可以是一个工业工具、钻井设备、或者采矿设备的一部分。在另一个实施例中，基板可以是一种研磨工具或设备的一部分。
本文所述的涂层材料可具有大于约50GPa的拉伸刚度-例如，大于约为100GPa、约为150GPa、约为200GPa、约为250GPa、约300GPa、约350GPa、约400GPa、约450GPa、或更多。在至少一个实施例中，拉伸刚度为约100至约500GPa的范围-例如，约150至约450GPa、约200至约400GPa、或约250至约350GPa。
本文描述的涂层材料可具有约400HV至约1000HV的维氏硬度-例如，约450HV至约950HV、约500HV至约900HV、约550HV至约850HV、约600HV至约800HV、或约650HV至约750HV。在至少一个实施例中，该涂层材料具有约500HV的维氏硬度。在一个实施例中，该涂层材料表现出至少约400HV的维氏硬度-例如，至少约425HV、约450HV、约475HV、约500HV、约525HV、约550HV、约575HV、约600HV、约625HV、约650HV、约675HV、约700HV、约725HV、约750HV、约775HV、约800HV、约825HV、约850HV、约875HV、约900HV、约925HV、约950HV、大约975HV、约1000HV、或更多。
本文所述的涂层材料可以是具耐磨损性和/或耐腐蚀性的。在一个实施例中，腐蚀可以指化学腐蚀、应力腐蚀、或两者兼而有之。耐磨损性可以是直接关系到该材料的硬度，其耐磨损性随硬度增加而提高。在至少一种实施例中，其耐磨损性比包含非晶态合金而不包含所述第二材料的涂层材料的耐磨损性高至少约一倍-例如，至少约三倍高、约四倍高、或约五倍高。
取决于应用，本文描述的组合物可包含含有非晶态合金的基体材料的任何量。例如，该组合物可包含约10％至约99％体积百分比的所述基体材料-例如，约15％至约95％、约20％至约90％、约25％至约80％、约30％至约75％、约35％至约70％、或约40％至约60％。在至少一种实施例中，该组合物包含大于约10％体积百分比的所述基体材料-例如，大于约15％、约20％、约25％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约75％、约80％、约90％、约95％、或更多。在至少一种实施例中，该组合物包含小于约99％体积百分比的所述基体材料-例如，小于约95％、约90％、约85％、约80％、约75％、约60％、约50％、约40％、约30％、约25％、约15％、或更少。所述基体材料在组合物中的体积比可影响材料的机械性能，如拉伸强度、拉伸刚度和硬度。取决于应用，所述基体材料的体积百分比可以是和该第二材料的百分比相同，比其大，或比其小。
取决于应用，本文描述的组合物可包含所述第二材料的任何量。例如，该组合物包含约1％至约90％体积百分比的所述第二材料-例如，约5％至约85％、约10％至约80％、约20％至约75％、约25％到约70％、约30％至约65％、或约40％至约60％。在至少一种实施例中，该组合物包含大于约1％体积百分比的所述第二材料-例如，大于约2％、约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约75％、约80％、约85％、或更多。在至少一个实施例中，组合物包含小于约90％体积百分比的所述第二材料-例如，小于约85％、约80％、约75％、约60％、约50％、约40％、约30％、约25％、约15％、约10％、约5％、或更少。第二材料在组合物中的体积比可影响材料的机械性能，如拉伸强度、拉伸刚度和硬度。根据不同的应用，第二材料的体积百分比可和包含非晶态合金的基体材料的百分比相同，比其大，或比其小。
该涂层材料可以是沉积在基板上的一个层的形式。在一个实施例中，该涂层材料层的厚度为至少约75微米-例如，至少约100微米、约200微米、约300微米、约400微米、约500微米、约600微米、约700微米、约800微米、约900微米、约1毫米、约5毫米、约1厘米、或更多。在至少一个实施例中，涂层材料层的厚度为约75微米至约1厘米-例如，约100微米至约5毫米、约200微米至约1毫米、约300微米至约900微米、约400微米至约800微米、或约500微米至约700微米。
相比包含沉积在不含非晶态合金的基体材料的所述第二材料的涂层材料而言，所述涂层材料可以表现出改善的性能。在一个实施例中，该涂层材料显示出改进的第二材料拉拔保护。在另一个实施例中，涂层材料表现出改进的与基板的粘合。
相比于包括非晶态合金而基本上不含所述第二材料的涂层材料而言，该涂层材料可以表现出改善的性能。在一个实施例中，该涂层材料显示出改进的硬度和耐磨性。
生产一涂层材料的方法
本文所提供的一些实施例是制备上述任何组合物的方法。以下的说明适用于制备本文所述的涂层材料的方法的至少一些实施例。
在一个实施例中，该涂层材料可以使用一第一材料和一第二材料在基板上形成。该涂层材料可包括一非晶态合金和第二材料，该第一材料可以适合于形成所述非晶态合金。在形成过程中，该第一材料可以是在第一温度下，并且所述第一温度可以小于所述第二材料的熔化温度。通过采用第一温度可以小于所述第二材料的熔化温度，第二材料可以基本上不变的或不变状态地在该涂层材料中被结合。
第一温度可取决于包含在涂层材料中的非晶态合金。非晶态合金的组成可影响Tg，结晶温度(Tx)，和熔化温度(Tm)。在至少一个实施例中，Tg可以比Tx低，Tx可以比Tm较低。
在一个实施例中，该第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tg。该实施例包括温度在约100℃至约1500℃的范围-例如，约100℃至约1000℃、约100℃至约900℃、约100℃至约800℃、或约100℃至约700℃。在至少一个实施例中，该第一温度为至少约100℃-例如，至少约150℃、约200℃、约250℃、约300℃、约350℃、约400℃、约450℃、约500℃、约550℃、约600℃、约650℃、约700℃、或更高。在至少一个实施例中，该第一温度高于所述非晶态合金的Tg。例如，在至少一个实施例中，该第一温度比非晶态合金的Tg高至少约0.5℃-例如，比Tg高至少约1℃、约2℃、约3℃、约4℃、约5℃、约10℃、约15℃、约20℃、或更高。
所述的非晶态合金的Tg的范围可以在从对于金基非晶态合金的大约100℃至对于铁基或难熔非晶态合金的高达约700℃。对于锆基和钛基的非晶态合金Tg可为约300℃至约450℃。Tg可根据非晶态合金的组成而发生变化。
在一个实施例中，该第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tg，而低于第二材料的降解温度。该第二材料的降解温度可以是在该温度下，第二材料与第一材料开始反应(例如，化学反应)的温度，或在一个实施例中可以是第二材料的熔化温度。在至少一种实施例中，利用第一温度比第二材料的降解温度低，可以防止或减少第一和第二材料之间的化学反应。
在另一个实施例中，该第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tg，而且比非晶态合金的Tx低。这个实施例至少提供了结晶材料形成的最小化，同时使非晶态金属在形成过程中可以以粘性方式流动的优点。
所述的非晶态合金的Tx的范围可以在从对于金基非晶态合金的大约120℃至对于铁基或难熔非晶态合金的高达约750℃或800℃。对于锆基和钛基的非晶态合金Tx可为约350℃至约500℃。Tx可根据非晶态合金的组成而发生变化。
在一个实施例中，第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tx，并且低于非晶态合金的Tm。在该本实施例中，较为重要的是冷却非晶态合金的速度控制到足以形成其至少部分是非晶态的合金。例如，该速度可以等于或大于所述非晶态合金的临界冷却速度。在一个实施例中，冷却速度足以产生合金，其组成至少基本上都是非晶态合金。冷却速度可以通过采用压缩气体或空气吹送、水浴、液体溶液浴、散热器、冷却装置、或它们的组合来实现。如果块体固化非晶态合金被用在本实施例中，则可能不需要主动冷却过程。在至少一个实施例中，第一温度为至少比非晶态合金Tx高约1℃-例如，至少高约5℃、约10℃、约15℃、约20℃、约25℃、约30℃、约35℃、或更高。
所述的非晶态合金的Tm的范围可以在从对于金基非晶态合金的大约200℃至对于铁基或难熔非晶态合金的高达约1500℃。对于锆基和钛基的非晶态合金Tm可为约650℃至约900℃。Tm可根据非晶态合金的组成而发生变化。
在一个实施例中，第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tm。在本实施例中，较为重要的是冷却非晶态合金的速度控制到足以形成其至少部分是非晶态的合金。在一个实施例中，该过程足够快以避免结晶。这样的现象可以通过具有足够快的冷却速度，以绕过该合金的时间-温度转变(TTT)图的结晶曲线来捕获。在一个实施例中，冷却速度足以产生合金，其组成至少基本上是非晶态合金。冷却速度可以通过采用压缩气体或空气吹送、水浴、液体溶液浴、散热器或冷却装置来实现。如果块体固化非晶态合金被用在本实施例中，则可能不需要主动冷却过程。在至少一个实施例中，该第一温度比非晶态合金的Tm高至少约1℃-例如，高至少约5℃、约10℃、约15℃、约20℃、约25℃、约30℃、约35℃、或更高。
在另一个实施例中，在涂层材料形成所需的最小量时间内保持该第一温度。较长的时间也可以使用于此。在至少一个实施例中，使得第一和/或第二材料位于或高于第一温度的时间最小化，可以防止或减少第一和第二材料之间的化学反应。此外，这样的方法可以进一步防止第二材料的降解。所述第一温度可维持一段时间，这将确保非晶态合金材料中没有(或基本上没有)晶体材料形成。例如，第一温度可以保持的时间为不会与相关时间-温度转变图上的结晶曲线相交一次。
该第一材料可包括非晶态合金。在一个实施例中，该第一材料组成为至少基本上是非晶态合金。在另一个实施例中，第一材料是基本上不含非晶态合金。
该第一材料可包括作为形成过程的结果任何适合形成非晶态合金的材料。在一个实施例中，第一材料可包括铁、铬、硅、硼、锰、镍、钼、铌、铜、钴、碳、锆、钛、铍、铝、金、铂、钯、磷、或它们的组合。在另一个实施例中，该第一材料可包括结晶材料。
该第二材料可以是硬质相的材料。在一个实施例中，该第二材料可以是陶瓷、金属、或两者兼而有之。在至少一个实施例中，该第二材料可以是难熔金属-例如，钨、钽、钼、任何其它合适的难熔金属、或它们的组合。在另一个实施例中，第二材料可以是陶瓷-例如，碳化物或硼化物。陶瓷可以是碳化硅、碳化钨、碳化铬、硼化硅、硼化钨、硼化铬、或它们的组合。
该第二材料可以是颗粒，其大小在约10目至约325目-例如，约14目至约270目、约18目至约230目、约20目至约200目、约25目至约170目、约30目至约140目、约35目至约120目、约40目至约100目、约45目至约80目、约45目至约70目、或约50目至约60目。所述颗粒可具有任何合适的几何形状。在一个实施例中，颗粒可以是球形、球状体、立方体、长方体、圆锥体、小板、针、或棒的形状。
所述形成过程可以采用一原料材料，其包括第一材料、第二材料、或者两者皆有。在至少一个实施例中，该第一材料和该第二材料可以是同一原料材料的一部分。在另一个实施例中，该第一材料和该第二材料可以被组合以形成原料材料。原料材料可以是适用于所述形成过程中使用的任何形式-例如，粉末或细丝。在一个实施例中，原料材料还可以包括任何合适的载体材料。
所述形成过程可以是任何能产生包含一种非晶态合金和沉积在基板上的第二材料的涂层材料的过程。在一个实施例中，形成过程可以是热喷涂工艺。热喷涂工艺可以是双丝电弧喷涂(TWAS)、高速氧燃料(HVOF)喷涂、高速空气燃料(HVAF)喷涂和等离子体喷涂中的至少一者。在另一实施例中，形成过程可以是焊接工艺。该焊接过程可以是金属惰性气体(MIG)焊接和钨极惰性气体(TIG)焊接中的至少一者。在另一实施例中，形成过程可以是激光熔覆工艺。
该涂层材料的制造可包括加热步骤。在一个实施例中，该第一材料和该第二材料中的至少一者可在形成过程中或之前被加热。在一个实施例中，该第一材料是在形成过程之前加热到第一温度。
该形成过程可产生沉积在所述基板上的一个涂层材料层。该涂层材料层的厚度至少为约75微米，例如，至少约100微米、约200微米、约300微米、约400微米、约500微米、约600微米、约700微米、约800微米、约900微米、约1毫米、约5毫米、约1厘米、或更多。在至少一个实施例中，该涂层材料层的厚度为从约75微米至约1厘米-例如，约100微米至约5毫米、约200微米至约1毫米、约300微米至约900微米、约400微米至约800微米、或约500微米至约700微米。
该形成过程可在空气中，在环境大气中、受控的气体气氛中、惰性气体气氛中、加压气氛中、或真空中进行。
在一个实施例中本文提供提高包含沉积在基板上的非晶态合金的该第一涂层材料的性能的方法。该方法可包括在该第一涂层材料中分散第二材料的颗粒，以形成第二涂层材料。
相比于该第一材料，该第二涂层材料可以具有至少一种改进的性能。改进的性能此处可指耐腐蚀性、耐磨性、拉伸强度、拉伸刚度、维氏硬度、韧性、或它们的任意组合。
在比较另一种材料时，该性能对任何给定的应用来说是更理想的，则一个性能被认为是改进的。例如，在抗张强度的情况下，改进可以指增加幅度。
非限制性实施例
以下非限制性实施例已被制造和进行分析。
例1
包括作为基体的非晶态合金A和碳化钨(WC)颗粒的一个涂层材料由HVOF热喷涂工艺在铝合金基板上被形成。非晶态合金A的组分为25-27％重量百分比(wt％)的铬，2.0-2.2％重量百分比的硼，16-18％重量百分比的钼，2.0-2.5％重量百分比的碳和余量的铁，并且是由具有相同组分的第一材料形成。该第一材料是完全非晶态的，且该基体材料也是完全非晶态的。该涂层材料由包括WC颗粒混合的所述第一材料的粉末的原料形成。该WC颗粒具有325/15目的大小。该涂层材料包括20％体积百分比的WC颗粒，该涂层材料在基板上形成一个厚度为15-30mil的层。该涂层材料的硬度和杨氏模量比非晶态合金A的硬度和杨氏模量更高。
如图1(a)中所示，X射线衍射(XRD)分析表明，该非晶态合金A为完全非晶态，且不含结晶材料。如图1(a)中所示该涂层材料的XRD分析表明，该非晶态合金A和WC颗粒都存在。
沉积在基板200上的该涂层材料100的横截面被图3所示。该涂层材料100包括非晶态基体、暗相、WC颗粒、亮相。在涂层材料的显微镜图像中，如图4中所示，非晶态基体220和WC颗粒210都可被观察。该WC颗粒均匀分布在整个非晶态基体中。
例2
包括一基体B和碳化钨(WC)颗粒的一个涂层材料由HVOF热喷涂工艺在铝合金基板上被形成。基体材料B的组分为43-46％重量百分比的铬，1.75-2.25％重量百分比的硅，5.6-6.2％重量百分比的硼，和余量的铁，并且是由具有相同组分的第一材料形成。该第一材料是几乎完全结晶的，并在上形成的基体材料B包括一个非晶态合金和结晶相两者。该涂层材料由包括WC颗粒混合的所述第一材料的粉末的原料形成。该WC颗粒具有325/15目的大小。该涂层材料包括30％体积百分比的WC颗粒，该涂层材料在基板上形成一个厚度为15-30mil的层。该涂层材料的硬度和杨氏模量比基体材料B的硬度和杨氏模量更高。
如图2(a)中所示，X射线衍射分析表明，该基体材料B为部分非晶态，并且包含非晶相和结晶相。涂层材料的XRD分析表明基体材料B和WC粒子两者皆存在，如图2(b)中所示。
样品 杨氏模量(Gpa) 硬度(Gpa)
A 109.745 6.789
B 170.829 7.87
(A)80(WC)20 173.286 11.618
(B)70(WC)30 180.669 8.642
表格1：例1和例2的微硬度测试小结
结论
本申请中引用的所有文献和类似材料，包括但不限于，专利、专利申请、文章、书籍、论文和网页，无论这些文献和类似材料的形式，都明确地被引入作为整体引用。倘若一个或多个被引入的文献和类似材料和本申请具有不同或矛盾，包括但不限于定义的术语、术语的用法、所描述的技术、或类似的内容，则以本申请为准。
尽管本发明的说明已经结合了各种实施例和示例进行了描述，但并不意味着本文被这些实施例或示例限制。与此相反，本发明包括各种替代方案、修改和等同物，这些将被本领域的技术人员所理解的。
虽然本文已经描述和示出各种发明实施例，但是本领域的技术人员将容易想到各种其他手段和/或结构，用于执行文中所述的功能，和/或获得文中所述结果，和/或获得本文中所述的一个或一个以上的优点，并且每个这样的变化和/或修改应被认为是本文中所描述的本发明实施例的范围之内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解的是，本文中所述的所有参数、尺寸、材料和构造意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于本发明所用于的具体的应用。熟练的技术人员将认识到许多等同于本文描述的特定发明实施例。因此，可以理解的是，前述实施例是仅通过示例的方式，并且，所附的权利要求和等同物的范围之内，本发明的实施例可以以不同于具体描述和要求保护的形式而实施。本文公开的发明实施例针对每个单独的特征、系统、制品、材料、套件、和/或本文中所述的方法。此外，两种或更多种这类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合，如果这类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则其都被包括在所述的本公开内容的发明范围内。
此外，本文所述的技术可体现为方法，其中至少一个示例已经提供。作为该方法的一部分所执行的动作可以以任何合适的方式来排序。因此，顺序与所示的实施例不同的其它实施例也可以被构造，其可包括同时执行某些动作，尽管这些动作在说明性的实施例中为顺序行为。
如本文定义和使用的所有定义，应当被理解为以该定义为准，而不是采用字典定义、通过引用并入的文件、和/或所定义术语的普通含义的定义。
如在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”，除非明确地被指出与下面含义相反，应理解是指“至少一个”。本文引用的所有范围都被全部包含。
用于整个说明书的术语“基本上”和“大约”被用来描述和说明小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。
如本说明书和权利要求中所用的短语“和/或”应当被理解为是指如此联合的元素的“任一个或两者”，即，某些情况下此类元素是结合地存在，和在其他情况下此类元素是分离的存在。用“和/或”列举的多个元素应被同样解释，即“一个或多个”元素是如此联合。其他元素，无论是否与那些明确被指出的元素有关或无关，也可选择性的存在于由“和/或”子句具体确定的元素之外。因此，作为非限制性示例，提及“A和/或B”，当在诸如“包括”的开放式语言连用时，可以指，在一个实施例中为只有A(任选的可包括B之外的其他元素)；在另一个实施例中为只有B(任选的可包括A之外的其他元素)；在另一个实施例中，为A和B两者(任选的可包括其它元素)；等等。
如本文在说明书和权利要求中所用，“或”应被理解为和如上所定义的“和/或”具有相同的含义。例如，当分隔一个列表中列出的项目，“或”或“和/或”应被解释为是包含性的，即，包含至少一个，但也包含多于一个数目或列表元素，和任选的其它未列出的项目。只有明确相反指出的术语，例如“仅一个”，或“一个且仅一个”，或者，在权利要求中使用的“由......组成”，将指代包含列表的元素中的恰好一个元素。在一般情况下，如本文所用的术语“或”，只有之前具有排他性的用词，如“任一”，“之一”，“仅此一“，或者“一个且仅一个”，才应该被解释为排他的(即“这个或者另一个，不是两者都有)。在权利要求中使用的“其基本组成为”应具有如专利法领域中其普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所用，在提及列表中的一个或多个元素的短语“至少一者(至少一个)”，应该被理解为是指从列表的元素中的任何一个或多个中所选择的至少一种元素，但不一定包括元素列表内具体列出的每一个元素的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任意组合。此定义还允许除了短语“至少一个”所指的元素列表内明确指出的元素，其它元素也可以可选的存在，而无论这些其它元素与列表内明确指出的元素相关或无关。因此，作为非限制性的例子，“A和B中的至少一者”(或等价的“A或B中的至少一者，”或等价的“A和/或B中的至少一者”)可以指，在一个实施例中，至少一个A或可任选地包括多于一个A，但是没有B存在(并可任选地包括B之外的元素)；在另一个实施例中，至少一个B或可任选地包括多于一个B，但是没有A存在(并可任选地包括A之外的元素)；在另一个实施例中，至少一个A或可任选地包括多于一个A，和至少一个B或可任选地包括多于一个B，并可任选地包括其它的元素)；等等。
在权利要求中，以及在上述说明书中，所有过渡词语如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“组成”等将被理解为是开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡短语“由......组成”和“基本上由...组成”应被分别理解为是封闭或半封闭的过渡短语，此如美国专利局专利审查程序手册第2111.03章节中所述。
除非陈述为这种效果，权利要求书不应被理解为限于所描述的顺序或元素。但是应当理解的是，在形式和细节上的各种改变可以由一个本领域的普通技术人员在不脱离所附权利要求的精神和范围下进行。在以下权利要求和等同物的精神和范围内所产生的所有实施例都是被要求保护的。

Claims (46)

1.一种方法，包括：
使用一第一材料和一第二材料在基板上形成一涂层材料，
其中所述涂层材料包括一非晶态合金和所述第二材料，所述第一材料适于形成所述非晶态合金，所述第一材料在形成过程中是在第一温度下，以及所述第一温度比所述第二材料的熔化温度低。
2.权利要求1的方法，其中所述第一材料包括一非晶态合金。
3.权利要求1的方法，其中所述第一材料基本上由一非晶态合金组成。
4.权利要求1的方法，其中所述第一材料由一非晶态合金组成。
5.权利要求1的方法，其中所述第一材料基本上不含一非晶态合金。
6.权利要求1的方法，其中所述涂层材料包括一复合材料，所述复合材料包含分散在基体材料中的所述第二材料，并且所述基体材料包括从所述第一材料所形成的所述非晶态合金。
7.权利要求1的方法，其中所述第二材料包括难熔金属、陶瓷材料、或两者皆有。
8.权利要求1的方法，其中所述第二材料包括钨、钽、钼、碳化钨、碳化硅、碳化铬、硼化钨、硼化硅、硼化铬、或它们的组合。
9.权利要求1的方法，其中所述第二材料包括颗粒。
10.权利要求1的方法，其中所述第二材料包括具有约10目至约325目大小的颗粒。
11.权利要求1的方法，其中所述涂层材料包括处于基本不变状态的所述第二材料。
12.权利要求1的方法，其中所述基板包含一金属和一金属合金中的至少一者。
13.权利要求1的方法，其中所述第一材料和所述第二材料是用于在形成中形成所述涂层材料的原料材料的部分。
14.权利要求1的方法，还包括形成一原料材料，所述原料材料包括所述第一材料和所述第二材料，其中的原料材料用于在形成中形成所述涂层材料。
15.权利要求1的方法，其中所述形成还包括使用一载体材料。
16.权利要求1的方法，还包括在形成之前或期间加热所述第一材料和所述第二材料中的至少一者。
17.权利要求1的方法，其中所述形成包括热喷涂工艺、焊接工艺、和激光熔覆工艺中的至少一者。
18.权利要求1的方法，其中所述第一温度高于所述非晶态合金的Tg。
19.权利要求1的方法，其中所述第一温度低于所述非晶态合金的Tm。
20.权利要求1的方法，其中所述第一温度低于所述非晶态合金的Tx。
21.权利要求1的方法，其中所述第一温度高于或等于所述非晶态合金的Tm。
22.权利要求1的方法，其中所述涂层包括至少10％体积百分比的一基体材料，其包括由所述第一材料形成的所述非晶态合金。
23.权利要求1的方法，其中所述涂层包括至少1％体积百分比的所述第二材料。
24.权利要求1的方法，其中所述第一材料包括块体非晶态合金。
25.权利要求1的方法，其中所述第一材料包括铁、铬、硅、硼、锰、镍、钼、铌、铜、钴、碳、锆、钛、铍、铝、金、铂、钯、磷或它们的组合。
26.权利要求1的方法，其中所述第一材料包括铁-铬-硼-钼-碳的合金、镍-铬-硅-硼-钼-铜-钴的合金、铁-铬-硼-锰-硅的合金、铁-铬-硼-硅的合金、铁-铬-硼-锰-硅-铜-镍-钼的合金、铁-铬-硼-锰-硅-镍的合金、铁-铬-硅-硼-锰-镍-碳化钨-碳化钛的合金、或铁-铬-硅-锰-碳-钕-钛的合金中的至少一者。
27.权利要求1的方法，其中所述第一材料包括结晶材料。
28.权利要求1的方法，进一步包括形成作为基板上的一层的所述涂层材料，所述层的形成厚度至少为75微米。
29.权利要求1的方法，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一者是细丝或粉末的形式。
30.权利要求1的方法所生产的一涂层材料。
31.一种方法，包括：
在一第一涂层材料中分散一第二材料的颗粒，以形成一第二涂层材料，所述第二涂层材料包括所述第一涂层材料和所述第二材料；其中相比所述第一涂层材料，所述第二涂层材料具有至少一个改善的性能。
32.权利要求31的方法，其中所述第二材料包括难熔金属、陶瓷材料、或两者皆有。
33.权利要求31的方法，其中所述第二材料包括钨、钽、钼、碳化钨、碳化硅、碳化铬、硼化钨、硼化硅、硼化铬、或它们的组合。
34.权利要求31的方法、其中所述改进的性能是硬度和耐磨性中的至少一者。
35.一种组合物，包括：
一涂层材料，和
一基板，
其中所述涂层材料被沉积在所述基板上，并且所述涂层材料包括一非晶态合金和一第二材料的颗粒。
36.权利要求35的组合物，其中所述第二材料包括难熔金属、陶瓷材料、或两者皆有。
37.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料包括一复合材料，所述复合材料包含分散在一基体材料中的所述第二材料，并且所述基体材料包含所述非晶态合金。
38.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料的厚度为至少约75微米。
39.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料包括至少10％体积百分比的基体材料，所述基体材料包含所述非晶态合金。
40.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料包括至少1％体积百分比的所述第二材料。
41.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料具有至少约400HV的硬度。
42.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料具有耐磨损性，其比一个包含所述非晶态合金而不包含所述第二材料的不同的涂层材料，和一个包含所述第二材料而不包含所述非晶态合金的不同的涂层材料中的至少一者的耐磨损性更大。
44.权利要求35的组合物，其中所述基板包括一工业工具、一钻头、一采矿设备、或一研磨工具的一部分。
45.权利要求35的组合物，其中所述涂层材料是一种磨料涂层材料。
46.权利要求35的组合物，其中所述非晶态合金包括铁、铬、硅、硼、锰、镍、钼、铌、铜、钴、碳、锆、钛、铍、铝、金、铂、钯、磷或它们的组合。
47.权利要求35的组合物，其中所述非晶态合金包括铁-铬-硼-钼-碳的合金、镍-铬-硅-硼-钼-铜-钴的合金、铁-铬-硼-锰-硅的合金、铁-铬-硼-硅的合金、铁-铬-硼-锰-硅-铜-镍-钼的合金、铁-铬-硼-锰-硅-镍的合金、铁-铬-硅-硼-锰-镍-碳化钨-碳化钛的合金、或铁-铬-硅-锰-碳-钕-钛的合金中的至少一者。
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