CN108474098A - 氧化控制的双丝电弧喷涂材料 - Google Patents

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Abstract

本文公开了在双丝电弧喷涂方法中用于基材涂覆可以特别有利的合金的实施方案。在一些实施方案中，可以使用多种合金以在表面上形成硬颗粒和软颗粒。在一些实施方案中，铬可以被最小化或消除。

Description

氧化控制的双丝电弧喷涂材料
通过参考任何优先权申请的引入
本申请要求2015年11月10日提交的题为“氧化控制的双丝电弧喷涂材料”的第62/253,622号美国临时申请和2016年10月11日提交的题为“氧化控制的双丝电弧喷涂材料”的第62/406,573号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本公开的实施方案通常涉及热喷涂原材料，如双丝电弧喷涂原材料以及得到的喷涂涂层。
背景技术
电弧喷涂涂层是通过在两种线上产生的电弧生成的，所述电弧使所述线熔化。然后气体供应使熔融的金属雾化并将其推进到表面上，形成涂层。电弧喷涂涂层用于许多目的，因此在电弧喷涂工艺中使用许多不同的材料。电弧喷涂涂层由许多小的金属液滴组成，这些金属液滴堆积在基材上并彼此形成所需的涂层厚度。电弧喷涂工艺可以形成具有一定孔隙度的涂层以及涂层结构内的氧化物。
金属包芯线(cored wires)是双丝电弧喷涂工艺中的常见原料。在金属包芯线中，金属护套被卷成充满金属粉末的圆柱体。在电弧喷涂工艺中，护套和金属粉末熔融在一起以产生相对均匀的混合物。
在硬涂层的具体应用中，铬是用于热喷涂应用的金属粉末中常用的元素。然而，避免在合金中使用铬以避免当原料合金熔化时在电弧喷涂工艺过程中可能发生的六价Cr的生成会是有利的。在既用于焊接也用于电弧喷涂的无铬表面硬化涂层的开发中有现有技术。在无铬表面硬化中使用的常见合金元素是难熔元素，其可以包括Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、V和W。已知这些合金对于增加Fe基涂层的硬度是有效的并因此已被证明在生产无铬表面硬化合金方面是有效的。
第4,673,550号美国专利详细描述了使用分散在金属基质中的TiB2晶体的无Cr表面硬化合金，其全部内容通过引用并入本申请。除了再铺设在Ti上之外，该合金还使用与电弧喷涂工艺无关的特定的热处理和加工以生产TiB2晶体。可以使用特定的加工条件传送坚硬、耐磨的颗粒，且这生成坚硬、耐磨的涂层。
第7,569,286号美国专利详细描述了无Cr表面硬化合金，所述合金再次使用4.5至6.5重量％Nb以通过焊接工艺产生特定的晶体结构，其全部内容通过引用并入本申请。第8,268,453号美国专利教导了再使用5.63％至10.38重量％的Mo以通过焊接工艺产生表面硬化，其全部内容通过引用并入本申请。美国专利公开号2012/0097658教导使用1％至6％铌和至少0.1％钨以通过焊接工艺产生表面硬化收益，其全部内容通过引用并入本申请。在这种情况下的每个例子都利用难熔元素来生产无Cr硬涂层。而且，这些例子中的每一个都详述了产生根本不同的微观结构并且不能用于理解电弧喷涂涂层的微观结构或性能的焊接工艺。
美国专利公开号2016/0024628确实教导了与电弧喷涂涂层相关的无Cr硬涂层，其全部内容通过引用并入本申请。该专利教导使用5重量％至23重量％范围的Mo。该申请特别教导使用最小量的大原子半径元素种类，其主要包括难熔元素。
金属包芯线也可以用作电弧喷涂工艺中的原料以生产软涂层。在本公开中，“软”是指与特定的磁性能相反的低硬度。软涂层可以是有利的，因为它们可以被便捷且快速地加工。软涂层用于尺寸修复应用。传统上，Ni-Al用作尺寸修复合金。Ni-Al由于高附着力而非常有效，但是因为它是Ni基合金而昂贵。还使用的有标准的钢合金如低碳钢、400系列不锈钢和300系列不锈钢的实心线。常用的钢实心线非常便宜，但在大多数应用中不具备功能必需的高附着力。
发明内容
本文公开了制造成包芯线的金属合金组合物的实施方案，所述组合物具有大于2重量％的加权溶质原料浓度和小于2重量％的加权溶质涂层浓度。
在一些实施方案中，加权溶质原料浓度可以大于10重量％。在一些实施方案中，加权溶质涂层浓度可以低于1重量％。
在一些实施方案中，可以给出以重量百分比包含以下组成之一的组合物：Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25或Al约4，C约1，Mn约1，其中余量为Fe。
在一些实施方案中，由金属合金形成的涂层可以包括5,000psi以上的涂层附着力，500Vickers以下的显微硬度和涂层中加权摩尔分数超过20重量％的固溶强化元素。
在一些实施方案中，氧化后的金属合金组合物可以进一步包含低于1000K的奥氏体至铁素体温度。
在一些实施方案中，可以给出以重量百分比包含以下组成之一的组合物：Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25，或B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11，其中余量为Fe。
本文还公开了以重量百分比给出的金属合金组合物的实施方案，所述组合物包含以下组成之一：Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约8，Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12，Al约4，C约1，Mn约1，Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25，和B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11，其中Fe为余量。
在一些实施方案中，所述金属合金组合物可以进一步包含大于2重量％的加权溶质原料浓度和奥氏体至铁素体温度低于1000K。在一些实施方案中，所述金属合金组合物可以形成涂层，所述涂层包含5,000psi以上的涂层附着力，500Vickers以下的显微硬度，小于2重量％的加权溶质浓度，和加权摩尔分数超过20重量％的固溶强化元素。在一些实施方案中，所述组合物可以是包括粉末和包围粉末的护套二者的包芯线的组合物。
本文还公开了用于施加到基材的软金属涂层的实施方案，所述软金属涂层包含5,000psi以上的涂层附着力，500Vickers以下的显微硬度，加权摩尔分数超过20重量％的固溶强化元素，和低于2重量％的加权溶质浓度，其中形成所述涂层的粉末和/或粉末和护套组合包含大于2重量％的加权溶质原料浓度，并且其中氧化后的粉末和/或粉末和护套组合包含低于1000K的奥氏体至铁素体温度。
在一些实施方案中，粉末和/或粉末和护套组合的组合物可以包含以重量百分比计的以下组成之一，余量为Fe：Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约8，Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12，Al约4，C约1，Mn约1，Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25，和B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11。
本文还公开了将涂料热喷涂到基材上的方法的实施方案，所述方法包括提供以重量百分比给出的金属合金组合物，和将所述金属合金组合物热喷涂到基材上以形成涂层，所述金属合金组合物包含以下组成之一，余量为Fe：Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约8，Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25，Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12，Al约4，C约1，Mn约1，Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25，和B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11。
在一些实施方案中，所述涂层可以包含5,000psi以上的涂层附着力，500Vickers以下的显微硬度，加权摩尔分数超过20重量％的固溶强化元素，和小于2重量％的加权溶质浓度。
在一些实施方案中，用于形成涂层的粉末和/或粉末和护套的组合可以包含大于2重量％的加权溶质原料浓度。在一些实施方案中，氧化后的粉末和/或粉末和护套的组合可以包含低于1000K的奥氏体至铁素体温度。在一些实施方案中，所述金属合金组合物作为一个或多个包芯线提供。
本文公开了以重量百分比给出的金属合金组合物的实施方案，所述组合物包含Fe和以下组成之一：
Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8；
Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12；
Al约4，C约1，Mn约1；
Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25；
B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11；
Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3；或
Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，和Si约3.3。
本文另外公开了用于施加到基材的软金属合金的实施方案，所述软金属合金被配置以形成涂层，所述涂层包含7,000psi以上的涂层附着力、300Vickers以下的显微硬度和在所述合金的熔化温度下合金的涂层化学成分中小于10重量％的加权溶质分数。
在一些实施方案中，软金属涂层可以由粉末和/或粉末和护套的组合形成，其中粉末和/或粉末和护套组合的组合物包含Fe和以重量百分比计的以下组成之一：
Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12；或
Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，和Si约3.3。
本文进一步公开了用于施加到基材的硬金属合金的实施方案，所述硬金属被配置以形成涂层，所述涂层包含7,000psi以上的涂层附着力，1,000Vickers以下的显微硬度，<1重量％Cr，和在所述硬金属合金的熔化温度下硬金属合金的化学成分中大于50重量％的加权溶质分数。
在一些实施方案中，涂层可以由粉末和/或粉末和护套的组合物形成，其中粉末和/或粉末和护套组合的组合物包含Fe和以重量百分比计的以下组成之一：
Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8；
Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25；
B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11；或
Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3。
本文还公开了生产涂层的方法的实施方案，所述方法包括喷涂能够产生1,000Vickers或更高硬度颗粒的第一种铁基金属包芯线和喷涂能够产生200Vickers的较低硬度颗粒的第二种铁基金属包芯线，其中第一种线和第二种线一起被喷涂，并且其中所述涂层被配置成待抛光至2微米Ra或更好的光洁度(finish)。
在一些实施方案中，第一种线可以包含包含铁和以重量百分比计的下列成分的化学成分之一：
Al约2，B约4，Cr约13，Nb约6；
Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8；
Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25；
B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11；或
Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3。
在一些实施方案中，第二种线可以包含包含铁和以重量百分比计的下列成分的化学成分之一：
Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12；或
Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，和Si约3.3。
本文还公开了生产涂层的方法的实施方案，所述方法包括喷涂含有1重量％或更少Cr的第一种线和喷涂包含铝和/或锌的第二种线，其中将第一种线和第二种线一起喷涂，并且其中所述涂层不生锈。
在一些实施方案中，所述第一种线可以包含Fe和以重量百分比计的Al：约1.5，C：约1，Mn：约1和Si：约3.25。
在一些实施方案中，所述涂层可以包含1重量％或更少的Cr。
在一些实施方案中，所述涂层可以不含Cr。
本文进一步公开的是被配置用于双丝电弧热喷涂应用的铁基包芯线合金原料的实施方案，所述包芯线合金原料包含粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列组成的组合物：Al：约0-2.5；Cr：约10-15；Mn：约0-2；Ni：约15-25；和Si：约0-5，其中所述包芯线合金原料被配置以由双丝电弧热喷涂形成铁基软金属涂层，所述涂层包括7,000ps以上的涂层附着力，400Vickers以下的显微硬度，在所述合金的熔化温度下合金的涂层化学成分中小于10重量％的加权溶质分数，和1000K以下铁素体至奥氏体的转变温度。在一些实施方案中，铁基包芯线合金原料可以被配置以在双丝电弧热喷涂应用中氧化后形成涂层。
在一些实施方案中，护套可以具有1/16”的直径和粉末与护套的比率可以为约20-40重量％。
在一些实施方案中，涂层的显微硬度可以是300Vickers以下。在一些实施方案中，涂层的显微硬度可以是200Vickers以下。在一些实施方案中，涂层的显微硬度可以是100Vickers以下。在一些实施方案中，在合金的熔化温度下，涂层的加权溶质分数可以小于6重量％。在一些实施方案中，在合金的熔化温度下，涂层的加权溶质分数可以小于2重量％。
在一些实施方案中，所述组合物可以包含Fe和以重量％计的下列组成：Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，和Si约3.3。在一些实施方案中，所述组合物可以包含Fe和以重量％计的下列组成：Al：约1.5，C：约1，Mn：约1，Si：约3.25；Al：约1.5，C：约1.5，Mn：约1，Ni：约12；或Al：约1.5，Cr约11.27，Mn：约1.03，Ni：约20，和Si：约3.3。在一些实施方案中，奥氏体铁素体转变温度可以是低于约950K。
本文进一步公开了被配置用于双丝电弧热喷涂应用的铁基包芯线合金原料的实施方案，所述包芯线合金原料包含粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列组成的组合物：Al：约0-2.5；B：约3-6；C：约3-5；Mn：约0-2；Ni：约0-2；和Si：约0-5，其中所述包芯线合金原料被配置以由双丝电弧热喷涂形成铁基硬金属涂层，所述涂层包含7,000psi以上的涂层附着力，1,000Vickers以上的显微硬度，<1重量％Cr，和在硬金属合金的熔化温度下，硬金属合金的化学成分中的加权溶质分数大于50重量％。
在一些实施方案中，在硬金属合金的熔化温度下，涂层的加权溶质分数可以大于70重量％。在一些实施方案中，所述组合物可以包含Fe和以重量％计的下列组成：Al：约1.5，B：约5，C：约4，Mn：约1，和Si：约3.3。在一些实施方案中，所述组合物可以包含Fe和以重量％计的下列组成：Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8，Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25；Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25；B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11；或Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3。
本文还公开了被配置用于双丝电弧热喷涂应用的铁基包芯线合金原料的实施方案，所述包芯线合金原料包含粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列组成的组合物：Al约0-2.5，Cr约10-15，Mn约0-2，Ni约15-25，和Si约0-5。在一些实施方案中，护套可以具有1/16”的直径且粉末与护套的比率为约20-40重量％。
本文进一步公开了被配置用于双丝电弧热喷涂应用的铁基包芯线合金原料的实施方案，所述包芯线合金原料包含粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列组成的组合物：Al约0-2.5；B约3-6；C约3-5；Mn约0-2；Ni约0-2；和Si约0-5。在一些实施方案中，护套可以具有1/16”的直径且粉末与护套的比率为约20-40重量％。
本文还公开了使用具有原料合金组合物的包芯线将涂层双丝电弧热喷涂到基材上的方法的实施方案，其中所述方法包括将包芯线热喷涂到基材上以形成具有至少7,000psi的附着力的涂层，其中所述涂层是软涂层或是硬涂层，其中所述软涂层包含400Vickers以下的显微硬度，在所述合金的熔化温度下所述合金的涂层化学成分中的加权溶质分数小于10重量％，以及铁素体至奥氏体的转变温度为1000K以下，其中所述硬涂层包含1000Vickers以上的显微硬度，<1重量％Cr，和在所述硬金属合金的熔化温度下所述硬金属合金的化学成分中的加权溶质分数大于50重量％。
在一些实施方案中，原料合金组合物可以包含Fe和以重量％计的下列物质：Al约0-2.5，Cr约10-15，Mn约0-2，Ni约15-25，和Si约0-5；其中包芯线被配置以形成软涂层。在一些实施方案中，原料合金组合物可以包含Fe和以重量％计的下列物质：Al：约1.5；Cr：约11.27；Mn：约1.03；Ni：约20；和Si：约3.3，其中包芯线被配置以形成软涂层。在一些实施方案中，原料合金组合物可以包含Fe和以重量％计的下列物质：Al：约0-2.5；B：约3-6；C：约3-5；Mn：约0-2；Ni：约0-2；和Si：约0-5，其中包芯线被配置以形成硬涂层。
在一些实施方案中，原料合金组合物可以包含Fe和以重量％计的下列物质：Al：约1.5；B：约5；C：约4；Mn：约1；和Si：约3.3，其中包芯线被配置以形成硬涂层。在一些实施方案中，两种包芯线可以被喷涂并且具有相同的组成。在一些实施方案中，仅形成软涂层或硬涂层之一。
进一步公开了使用任何上下文公开的原料合金组成形成的涂层的实施方案。还公开了使用本文公开的包芯线合金原料的双丝电弧喷涂法的实施方案。另外公开了纸浆和纸卷、发电锅炉和液压缸的实施方案，其每一个均可以具有本文公开的涂层或由本文公开的原料形成的涂层。
附图说明
图1示出了双丝热喷涂应用工艺的实施方案。
图2示出了合金X1的凝固图的实施方案。
图3示出了合金X9的凝固图的实施方案。
图4示出了合金X9的X射线衍射曲线的实施方案。
图5示出了使用合金X9的涂层的实施方案的显微照片。
图6示出了合金X8的X射线衍射曲线的实施方案。
图7示出了使用合金X8的涂层的实施方案的显微照片。
具体实施方式
本文公开了电弧喷涂涂层的实施方案，其中基于电弧喷涂法的氧化热力学具体设计了涂层化学成分。具体而言，本文公开了软合金和硬合金的实施方案，其中的每一个均可以使用热喷涂法，例如双弧热喷涂法作为涂层应用。这两种合金都可以具有高粘合性能，使其有利地作为涂层。硬合金的实施方案可以大部分或完全不含铬，其一直难以被结合到热喷涂法中。
在本公开中，公开了模拟从原料合金到涂层合金的化学变化的技术。这种化学变化可能由于原料合金中某些物质的优先氧化而发生。如本文所公开的，这种优先氧化可以用于合金设计以获得高性能合金涂层。
当原料材料是包芯线时，可发生优先氧化。包芯线由含有金属合金粉末的物理混合物的金属护套组成。根据本文公开的设计工艺的实施方案，该具体的制品可以允许包芯线的单一物质优先氧化。相反，实心线由预合金化的均匀原料化学成分组成，并因此会以单一组分氧化。总之，使用实心线不能实现热力学设计标准、合金对电弧喷涂工艺的反应以及本文所述的合金的最终性能。
包芯线也可以用于焊接应用。但是，由于使用保护气体和脱氧剂，氧化现象并不普遍。
用于热喷涂的线的例子是1/16”直径的线。但是也可以使用其它尺寸，诸如3/16”、1/8”、3/32”和1/15”，并且不限制特定的尺寸。尽管不限制特定的组成，但是依据填充中使用的具体粉末，这种共混物的粉末与线的比例为30-45重量％。例如，粉末与线的比例可以是20-40重量％。在一些实施方案中，该比例可以是约30重量％。在一些实施方案中，护套可以是软钢、420SS或304SS条，然而可以使用其他类型的护套。
在热喷涂法中，可以以29-32伏(或约29-约32伏)、100-250安培(或约100-约250安培)和60-100psi(或约60-约100psi)的空气压力使用热喷涂设备。如本文所讨论，电压或安培数的变化可能不会影响最终的涂层参数。空气压力的变化可以调整涂层颗粒的大小，但不影响该颗粒的化学性质。热喷涂应用的其他变量包括喷涂距离(4”-8”)和单程涂层厚度(2-3mils)。这些参数都不影响化学性质，但会影响涂层的宏观完整性。因此，将这些参数保持在该方法工作的合理范围内会是有利的。
本公开的实施方案对于双丝电弧喷涂工艺可以是特别有利的。在双丝电弧喷涂工艺固有的快速固化情况下，所述组合物可以是有效的。然而，以这些合金生成的焊接件可能产生太脆以至于不能实用的本公开之外的材料。然而，本公开的实施方案可以以其他热喷涂工艺使用，诸如不使用护套而是仅包括粉末的等离子体喷涂。也可以使用其他喷涂技术，这些技术可能包括粉末/护套组合或者仅仅是粉末。因此，本文讨论的原料组合物可以仅涵盖粉末如对于不使用护套的应用，或是粉末和护套的组合。
此外，本公开的实施方案可以限制或避免使用Cr和/或难熔元素(Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、V和W)。避免这些昂贵的且抬高合金的原材料成本的元素会是有利的。另一方面，Cr是用于生产硬涂层的相对便宜的合金元素。当设计无Cr时，维持与工业常用的现有含Cr合金等价或相似的原材料成本可以是有利的。
电弧喷涂涂层的一种常见应用是使用软合金的表面改造(reclamation)。在本公开的实施方案中，电弧喷涂涂层可以施加到部件上以便将部件恢复到期望的尺寸。一般地，对于本公开的电弧喷涂涂层，既可机械加工又高度粘附会是有利的。对于表面恢复最广泛使用的材料是镍铝合金。
电弧喷涂涂层的第二种常见应用是硬表面的沉积以作为耐磨涂层。在本公开中，涂层尽可能的硬并且高度粘附会是有利的。有多种含Cr材料现在可用于此应用，这些材料包括420SS、Fe-Cr-B和Fe-Cr-C型合金。
如本文所公开的，术语合金可以指形成粉末的化学组合物、粉末本身、粉末和护套的组合以及通过粉末的加热和/或沉积形成的金属部件(例如涂层)的组合物。
可以使用热力学、微观结构和组成标准来生产这样的合金。在一些实施方案中，可以仅使用其中一个标准以形成合金，和在一些实施方案中可以使用多个标准以形成合金。
金属合金组合物
在一些实施方案中，合金(粉末或粉末/护套)和/或最终涂层可以通过展现本文所述的热力学和性能特征的元素的标称组成来描述。表1中的化学成分显示了原料化学成分(例如，当被制造时的包芯线的合金组合物，包括金属护套和金属合金粉末)。在经受本文所述的电弧喷涂工艺和固有的优先氧化之后，每种合金将形成不同的涂层化学成分。表1中所示的合金可以被配置以形成例如硬涂层。
表1：以重量％计的制造成包芯线的实验合金化学成分，在所有配置以形成硬涂层的情况下Fe是余量
从表1中可以看出，在这些实施方案的合金组合物中没有铬或基本没有铬。在一些实施方案中，可能特别避免铬。当经受任何电弧工艺时，铬产生六价铬烟雾。六价铬具有致癌性，希望避免其产生。最硬和最耐磨的电弧喷涂涂层属于Fe-Cr-B和Fe-Cr-C系列，并因此含有铬。
减少或消除昂贵的过渡元素/难熔元素：Nb、Ti、Mo、V、Zr和W的合金含量是更有利的。通常使用这些元素代替Cr，因为已知这些元素是碳化物和/或硼化物形成元素。在一些实施方案中，过渡金属合金含量(Nb+Ti+Mo+V+Mo)等于或低于5重量％(或等于或低于约5重量％)。在一些实施方案中，过渡金属合金含量(Nb+Ti+Mo+V+Mo)可以等于或低于3重量％(或等于或低于约3重量％)。在一些实施方案中，过渡金属合金含量(Nb+Ti+Mo+V+Mo)可以等于或低于约1重量％(或等于或低于约1重量％)。
表1中的化学成分显示了原料化学成分(例如，当被制造时的包芯线的合金组合物，包括金属护套和金属合金粉末)。在经受本文所述的电弧喷涂工艺和氧化之后，每种合金将形成不同的涂层化学成分。
表2中所示的原料合金被配置以使用热喷涂技术形成例如软涂层。
表2：制造成包芯线的以重量％计的实验合金化学成分，在所有配置以形成软涂层的情况下Fe是余量
对于软涂层或者硬涂层，在一些实施方案中，合金的铬含量低于1重量％(或低于约1重量％)。在一些实施方案中，合金的铬含量低于0.5重量％(或低于约0.5重量％)。在一些实施方案中，合金的铬含量低于0.1重量％(或低于约0.1重量％)。在一些实施方案中，合金的铬含量是0重量％(或约0重量％)。
在一些实施方案中，所述合金可以用至少下列组成范围来描述：
Al：0-5，B：0-4，C：0-5，Mn：0-3，Ni：0-15，Si：0-5，或
Al：约0至约5，B：约0至约4，C：约0至约5，Mn：约0至约3，Ni：约0至约15，Si：约0至约5。
在一些实施方案中，所述合金可以通过包含以重量％计的下列元素的具体组合物来描述，其中Fe作为余量：
1.Al 1.5，C 5，Mn 1，Si 8(或Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约8)
2.Al 1.5，C 5，Mn 1，Si 3.25(或Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25)
3.Al 1.5，C 1，Mn 1，Si 3.25(或Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25)
4.Al 1.5，C 1.5，Mn 1，Ni 12(或Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12)
5.Al 4，C 1，Mn 1(或Al约4，C约1，Mn约1)
6.Al 1.5，B 4，C 4，Mn 1，Ni 1，Si 3.25(或Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25)
7.B 1.85，C 2.15，Mo 15.7，V 11(或B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11)
8.Al 1.5，B 5，C 4，Mn 1，Si 3.3(或Al约1.85，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3)
9.Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 20，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，Si约3.3)
10.Al 2.5，C 5，Mn 1，Si 8(或Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8)
合金X9代表形成高度粘附的可机械加工的软合金涂层的示例性实施方案。可以进行一些合金化调整以通过减少镍进一步降低合金成本，或者通过减少或消除Cr来减少或消除六价烟雾排放。此修改具体包括以下内容：
11.Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 18，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约18，Si约3.3)
12.Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 15，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约15，Si约3.3)
13.Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 12，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约12，Si约3.3)
14.Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 10，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约10，Si约3.3)
15.Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 20，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约20，Si约3.3)
16.Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 18，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约18，Si约3.3)
17.Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 15，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约15，Si约3.3)
18.Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 12，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约12，Si约3.3)
19.Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 10，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约10，Si约3.3)
如上所述，用于“表面改造”的最广泛使用的电弧喷涂材料之一是镍铝合金。然而，这是一种生产非常昂贵的合金。因此，本公开中提出的材料是铁基的并且满足经济和性能标准的组合。尽管存在许多用于电弧喷涂工艺的铁基合金，但它们尚未满足用于表面改造应用的Ni-Al的性能特征。先前的铁基合金遭受高氧化物含量和不希望的氧化物形态，因此不能达到表面改造应用的高附着力要求。
Ni-Al合金，最常见的是80重量％Ni/20重量％Al和95重量％Ni/5重量％Al，具有非常高的附着力(被表征为>7,000psi的结合强度)。由于这种高附着力，它们通常被称为粘结涂料，因为它们很好地粘结到基材上。粘结涂料被用于多种应用，特别是因为它们很好地粘附到基材上。大多数电弧喷涂合金，包括较便宜的钢线，具有3,000psi至5,000psi范围内的结合强度。因此，本公开的“软合金”可以生成合适的铁基粘结涂料以替代更昂贵的镍合金。
公开的合金可以加入上述元素成分到总共100重量％。在一些实施方案中，所述合金可能包括，可能限于或可能基本上由上述给出的元素组成。在一些实施方案中，所述合金可能包含2重量％或更少的杂质。杂质可以理解为由于包含在原料组分中通过在制造工艺中引入而可能包含在合金中的元素或组合物。
在一些实施方案中，所述合金可能是铁基的。在一些实施方案中，铁基意思是合金至少为50重量％铁。在一些实施方案中，铁基意思是在合金中铁比任何其他元素都多。
此外，在上述段落中描述的所有组合物中确定的Fe含量可以是如上所述的组合物的余量，或者可选地，组合物的余量可能包含Fe和其它元素。在一些实施方案中，余量可能基本上由Fe组成并且可能包括附带的杂质。此外，合金中的所有铁都可以来自围绕粉末的护套，或者可以包括护套内的铁和粉末中的铁两者的组合。
热力学标准
在一些实施方案中，可以通过热力学标准充分描述合金。如上所述，控制并理解优先氧化行为会是有利的。这种理解水平是广泛的实验和发明工艺的结果。
在一些实施方案中，描述了用于设计高性能电弧喷涂材料的方法。在一些实施方案中，可以使用将氧结合到模拟的化学成分中的公式来模拟热喷涂合金，以便预测合金的氧化行为。所述公式如下：
(原料合金组合物)92O8
该模型用于预测电弧喷涂工艺中潜在的原料合金的行为。为了有效地使用此技术，使用高产量计算冶金学，以便从数百万潜在候选者中有效地确定示例性合金。因此，本公开的实施方案允许选择将给出具体性质的组合物预氧化，以涂层形式的后氧化，如下所述。
该热力学模型预测图1中所示的涂覆工艺。本公开中的合金的一个实施方案是在双丝电弧喷涂工艺[101]中使用的包芯线。所述包芯线[101]根据合金规格制造，并且在本公开中被称为原料化学成分。包芯线[101]是用于双丝电弧喷涂工艺的原料。在电弧喷涂工艺过程中，包芯线[101]熔化并被喷涂到基材上。所述喷涂工艺包括将原料包芯线[101]雾化成穿过空气的微小的熔融颗粒[102]。在此工艺过程中，当使用包芯线作为原料时，某些元素物质与空气的反应超过与其他元素的反应。这种“优先氧化”的结果是熔融颗粒[102]的化学成分已经由原料化学成分发生了改变。正如此工艺的意图一样，熔融颗粒冲击到基材上并形成涂层。构成涂层[103]的颗粒的化学成分等同于熔融颗粒[102]的化学成分，其与原料线[101]的化学成分不同。在本公开中描述的建模技术预测双丝电弧喷涂工艺固有的由原料化学成分到涂层化学成分的化学演变，使得可以设计合适的原料化学成分以产生需要的涂层化学成分。
图2示出了例如经受优先氧化模式的硬合金的合金X1的凝固图。当建模合金X1的电弧喷涂时，我们使用上面的公式并计算以下组合物(其不是X1线原料化学成分的组合物)的模拟图：
(合金X1原料组合物)92O8＝Al：1.4％，C：4.6％，Mn：0.9％，O：8％，Si：7.4％
图2的示意图包含许多相，它们被分成以虚线表示的氧化物物质(202)和金属物质(201)。在此实施方案中，氧化物物质包括CO2气体、FeO液体、刚玉、蔷薇辉石、尖晶石和鳞石英。在此实施方案中，示出的金属物质是铁基液体、石墨和奥氏体。为了计算涂层化学成分的目的，特定的相仅与它们作为氧化物或金属的分类有关。根据金属物质之间的混合物规则，仅基于每种物质的摩尔分数和各相的元素化学成分来计算涂层化学成分。
在一些实施方案中，在1300K下计算所述涂层化学成分。在一些实施方案中，在合金的熔化温度下计算涂层化学成分，所述熔化温度定义为合金的金属组分为100％液体时的最低温度。在一些实施方案中，涂层化学成分是在熔化温度下金属液体的化学成分。
以这种方式，计算由每种实验线组合物形成的涂层化学成分并示于表3-4中，其包括硬合金和软合金。与表1比较将会明显的是，合金的涂层化学成分与上面讨论的原料化学成分不同。这是由于优先氧化的原理。例如，合金X1的原料中的Al完全氧化，就不存在于涂层化学成分中。优先氧化可以降低一些物质的元素浓度并增加其他物质的元素浓度。
表3：在1300K下计算的合金的涂层化学成分，不包括石墨或金刚石形成
表4：在合金熔化温度下计算的以重量百分比计的合金的涂层化学成分
一旦已经确定了合金的涂层化学成分，可以将所述合金评定为单均质的固溶材料。忽略在凝固图中产生的相并且将每个电弧喷涂合金候选物看作单相固溶体是广泛的实验和发明的工艺的结果。
在一些实施方案中，对于软涂层，合金几乎不具有固溶强化可以是有利的。固溶强化增加了涂层的硬度并使其更难加工。尽管如此，为了产生无氧化物夹杂物的高质量清洁涂层，使原料线中的脱氧元素的量最大化可以是有利的。氧化物夹杂物降低涂层的附着力且它们自身硬并难于加工。
与金属元素相比，碳和硼以及其他非金属的固溶强化作用可以是相对有影响的。因此，为了预测固溶强化作用，当评估合金的摩尔分数时，施加10倍乘数于非金属的浓度是更为准确的。进行此计算可将溶质的摩尔分数转换成溶质的加权摩尔分数。考虑到与Fe相似的原子半径和Ni促进奥氏体-较软形式的钢-的倾向，Ni的固溶强化作用实际上为0。因此，为了本公开的目的，在加权固溶强化中不考虑Ni。然而，Ni的确影响FCC-BCC转变温度，它是确定最佳软电弧喷涂涂层的组分。
在一些实施方案中，特别是对于软合金，涂层中溶质元素的加权摩尔分数可以低于20重量％(或低于约20重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数可以低于10重量％(或低于约10重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数低于2重量％(或低于约2重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数低于1重量％(或低于约1重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数低于0.5重量％(或低于约0.5重量％)。
在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数高于2重量％(或高于约2重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数高于5重量％(或高于约5重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数高于10重量％(或高于约10重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数高于15重量％(或高于约15重量％)。在一些实施方案中，涂层中溶质元素的加权摩尔分数高于20重量％(或高于约20重量％)。包含一些溶质元素可以改善软合金的一些性能。
为了制造可以被加工的软电弧喷涂线，生产了合金X3和X5。已经计算了这两种合金的合金的原料和涂层化学成分的加权摩尔分数并示于表5。如所示，尽管对于这两种合金来说，原料中溶质的加权摩尔分数高于15重量％，但涂层化学成分中溶质的加权摩尔分数低于1重量％。这些合金在引入的合金元素以产生清洁的低氧化物喷涂环境和生产几乎没有硬化剂的涂层之间达成平衡。为了找到同时表现出这两种热力学特征的特定的合金，有必要使用高产量计算冶金学来评估含有数千种合金候选物的大组成范围。
表5：涂层中加权摩尔分数
(在熔化温度下计算涂层化学成分)
在一些实施方案中，特别是对于软合金，合金是奥氏体可以是有利的。钢的奥氏体相是最软的形式，因此这种类型的合金用在表面改造应用中也可以是有利的。为了模拟这种类型的合金，可以使用涂层化学成分以预测奥氏体至铁素体的转变温度。合金X4旨在形成奥氏体涂层合金以获得涂层中的低硬度。如表3所示，涂层化学成分含有13.53％镍和0.05％C，二者都是奥氏体稳定化元素。这些合金元素使奥氏体转变成铁素体的温度降至低于1000K(或低于约1000K)。随着奥氏体至铁素体转变温度降低，涂层逐渐易于形成奥氏体结构。
在一些实施方案中，软合金可以具有等于或大于90体积％(或等于或大于约90体积％)的奥氏体相分数。在一些实施方案中，软合金可以具有等于或大于95体积％(或大于约95体积％)的奥氏体相分数。在一些实施方案中，软合金可以具有等于或大于99体积％(或等于或大于99体积％)的奥氏体相分数。在一些实施方案中，软合金可以具有100体积％(或约100体积％)的奥氏体相分数。
合金X9可以被配置以形成奥氏体涂层以获得涂层中的低硬度。如上表3所示，在1300K下计算的合金X9中的涂层化学成分的Ni含量为23％。如表4所示，在熔化温度下计算的合金X9的涂层化学成分的Ni含量为23.1％。为了预测合金X9如何表现作为涂层，通过熔化温度技术计算的涂层化学成分如图3所示。如图3所示，相图包含三相，液相、奥氏体[301]和铁素体[302]。奥氏体转变为铁素体的转变温度[303]可以用来确定喷涂状态形式下涂层的最终相。较低的转变温度表明涂层主要包含奥氏体的可能性增加。合金X9的转变温度[303]为850K，这表明完全奥氏体涂层结构的可能性很高。在一些实施方案中，所公开的材料可以形成90至100％(或约90至约100％)的奥氏体。
在一些实施方案中，合金的奥氏体至铁素体的温度低于1000K(或低于约1000K)。在一些实施方案中，奥氏体至铁素体的温度低于950K(或低于约950K)。在一些实施方案中，奥氏体至铁素体的温度低于900K(或低于约900K)。
在一些实施方案中，为了形成耐磨涂层的目的，合金具有非常高度的固溶强化可以是有利的。在一些实施方案中，在不使用铬作为合金元素的情况下获得这种高度固溶强化可以是有利的。在一些实施方案中，在不使用昂贵的过渡金属如Nb、Ti、Mo、V和Mo作为合金元素的情况下获得这种高度固溶强化可以是有利的。
在一些实施方案中，如对于硬合金，涂层中固溶强化元素的加权摩尔分数高于20重量％(或高于约20重量％)。在一些实施方案中，涂层中固溶强化元素的加权摩尔分数高于30重量％(或高于约30重量％)。在一些实施方案中，涂层中固溶强化元素的加权摩尔分数高于50重量％(或高于约50重量％)。在一些实施方案中，涂层中固溶强化元素的加权摩尔分数高于60重量％(或高于约60重量％)。在一些实施方案中，涂层中固溶强化元素的加权摩尔分数高于70重量％(或高于约70重量％)。表6示出了某些硬合金的涂层中的加权溶质摩尔分数。
表6：涂层的加权涂层摩尔分数
(在熔化温度下计算涂层化学成分)
合金 涂层中加权溶质摩尔分数
X1 58.1％
X2 21.1％
X6 59.4％
X7 43.4％
X8 70.5％
在一些实施方案中，硬合金的显微结构可以是60-90％(或约60-约90％)的纳米晶体或无定形的铁。在一些实施方案中，硬合金的显微结构可以含有10-40％(或约10-约40％)碳化物、硼化物或硼碳化物沉淀物。
表7显示符合旨在形成软涂层的合金的热力学标准的合金。表7示出了合金的涂层化学成分和相应的加权固体摩尔分数(表示为WSS)和FCC-BCC转变温度(表示为TransT)之外，还示出了合金的原料化学成分。
表7：旨在形成软涂层的合金的合金组成(以重量％计，铁为余量)。
错误！不是有效的书签自引用。：显示符合旨在形成硬涂层的合金的热力学标准的合金。表8示出合金的涂层化学成分和相应的加权固体摩尔分数(表示为WSS)之外，还示出了合金的原料化学成分。
表8：旨在形成硬涂层的合金的合金组成(以重量％计，铁为余量)。
性能标准：
在一些实施方案中，可以通过合金具有的性能特征来充分描述它们。在所有电弧喷涂应用中，涂层显示出高附着力并产生最小的六价铬烟雾可以是有利的。
通常通过ASTM 4541或ASTM C633测量涂层附着力，所述两个标准都产生相似的值并可互换使用。ASTM 4541和ASTM C633二者的全部内容均通过引用并入本申请。在一些实施方案中，合金涂层具有5,000psi(或约5,000psi)或更高的附着力。在一些实施方案中，合金涂层具有7,000psi(或约7,000psi)或更高的附着力。在一些实施方案中，合金涂层具有9,000psi(或约9,000psi)或更高的附着力。对于硬合金和软合金可以都是如此，使它们都适用于涂层应用。
使用ASTM-4541标准进行的附着力测量值示于下表9。
表9：ASTM 4541附着力结果
合金 ASTM 4541
X1 7,292
X2 8,772
X3 9,822
X4 10,000+
X5 9,876
X7 6,250
X8 6,000
X9 10,000+
在一些实施方案中，涂层显微硬度低于软合金可加工性的度量的某个值可以是有利的。随着涂层显微硬度降低，涂层可以被更容易地加工。在一些实施方案中，涂层具有500或更低(或约500或更低)的Vickers显微硬度。在一些实施方案中，涂层具有450或更低(或约450或更低)的Vickers显微硬度。在一些实施方案中，涂层具有400或更低(或约400或更低)的Vickers显微硬度。
10中示出了具有良好的可加工性的合金的Vickers显微硬度。
表10：被配置为软涂层的合金的Vickers显微硬度：X3、X4、X5和X9
合金 Vickers硬度
X3 418
X4 366
X5 459
X9 150
合金X9具有上述合金的最低硬度。合金X9的低硬度可以归因于涂层结构的100％奥氏体性质。这已经通过喷涂涂层上的X射线衍射进行了验证。X射线衍射光谱如图4所示。如图所示，涂层中存在的唯一相是奥氏体铁，它占所有5个峰[401]。图5示出了涂层的SEM显微照片。
另一方面，在一些实施方案中，涂层显微硬度尽可能高可以有利的，以提供耐磨的表面硬化表面。随着涂层显微硬度降低，涂层可以被更容易地加工。
在一些实施方案中，涂层具有800或以上(或约800或以上)的Vickers显微硬度。在一些实施方案中，涂层具有950或以上(或约950或以上)的Vickers显微硬度。在一些实施方案中，涂层具有1100或以上(或约1100或以上)的Vickers显微硬度。
下表11中所示的涂层非常硬，因为它们形成非常硬的纳米晶体的/无定形的颗粒，与嵌入有高分数的硬碳化物或硼化物的结构相反。合金X8是本公开的示例性实施方案，并且用X射线衍射技术评估了喷涂涂层的结构。合金X8的X射线衍射图示于图6。该图显示Fe[601]为主要相，峰的宽泛性表明Fe相是无定形的或纳米晶体的。X8涂层的微观结构图示于图7。
表11：被配置为硬涂层的合金的Vickers显微硬度：X1、X2、X7和X8
合金 Vickers硬度
X1 497
X2 354
X7 1,206
X8 1,225
热力学性质、微观结构性质和性能特征之间的关系以前是未知的，并且通过广泛的实验在本研究中被确定。在制造、喷涂和评估许多热喷涂线并将线的微观结构和性能与合金的热力学行为相比后，提出了本发明的示例性实施方案，在硬电弧喷涂涂层的情况下的X8和在软电弧喷涂涂层的情况下的X9。
应用方法
在一些实施方案中，两种不同的合金可以以双丝电弧喷涂工艺同时喷涂，以获得被配置成比单独一种合金更高光洁度的涂层。双丝电弧喷涂工艺可以利用两种线，这两种线通过电弧从一种线到另一种线而熔化并经由压缩气流喷涂到基材上。当同时喷涂两种线时，所得到的涂层可以主要由合金1的颗粒和合金2的颗粒组成。换句话说，在这个过程中两种线之间可能会有非常少的化学混合。喷涂软线与硬线的结合可以产生具有高光洁度的涂层。高光洁度通常等价于低表面粗糙度。对于一些应用如液压缸的修理，低表面粗糙度是有利的。在这种应用中，表面光滑(例如具有高光洁度/低粗糙度)是有利的，以便缸体用O环密封。
在一些实施方案中，可以在双丝电弧喷涂工艺中同时喷涂两种相同的合金。双丝电弧喷涂工艺可以利用两种线，这两种线通过电弧从一种线到另一种线而熔化并经由压缩气流喷涂到基材上。在一些实施方案中，双丝电弧喷涂仅使用单一线。在一些实施方案中，用于两个喷涂的护套可以是不同的材料，但是粉末配置可以允许由每个线喷涂相同的总元素。因此，单一的最终涂层组合物可以由热喷涂工艺形成。
在一些实施方案中，可以使用不同合金的两种金属包芯线来喷涂涂层。在一些实施方案中，一种金属包芯线产生300Vickers或更低显微硬度(或约300Vickers或更低显微硬度)的颗粒。在一些实施方案中，一种金属包芯线产生1,000Vickers或更高显微硬度(或约1,000Vickers或更高显微硬度)的颗粒。
在一些实施方案中，通过喷涂两种不同的金属包芯线生成的涂层可以产生包含>1,000Vickers显微硬度的硬颗粒和<300Vickers显微硬度的软颗粒的涂层。此涂层可以被精加工至3微米Ra或更低。在一些实施方案中，此涂层可以被精加工至2微米Ra或更好。在一些实施方案中，此涂层可以被精加工至1微米Ra或更好。精加工步骤可以包括用越来越低的粗砂研磨介质(例如砂纸中使用的AlO)研磨和抛光热喷涂涂层的粗糙度，直到涂层达到规定的表面粗糙度。
在一些实施方案中，可以使用以下合金作为生成高硬度的颗粒的金属包芯线，尽管将会理解的是也可以使用本文公开的其他合金。下列合金包括铁和以重量百分比计的：
Al 2，B 4，Cr 13，Nb 6(或Al约2，B约4，Cr约13，Nb约6)
Al 2.5，C 5，Mn 1，Si 8(或Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8)
Al 1.5，C 5，Mn 1，Si 3.25(或Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25)
Al 1.5，B 4，C 4，Mn 1，Ni 1，Si 3.25(或Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25)
B 1.85，C 2.15，Mo 15.7，V 11(或B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11)
Al 1.5，B 5，C 4，Mn 1，Si 3.3(或Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3)
在一些实施方案中，可以使用以下合金作为生成低硬度的颗粒的金属包芯线，尽管也可以使用其他合金。下列合金包含铁和以重量百分比计的：
Al 1.5，C 1，Mn 1，Si 3.25(或Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25)
Al 1.5，C 1.5，Mn 1，Ni 12(或Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12)
Al 1.5，Cr 11.27，Mn 1.03，Ni 20，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，Si约3.3)
在一些实施方案中，可以将合金X9与在双丝电弧喷涂工艺中能够产生1,000Vickers显微硬度的硬颗粒的合金结合使用。
在一些实施方案中，可以将一种无Cr的线与第二线合金一起喷涂，由此第二线合金比无Cr线在电位序上更具活性。在这样的实施方案中，两种线都可以是金属包芯线或实心线的形式。这种技术可以用于在不使用Cr的情况下喷涂表面，并且当与水接触时不会导致生锈。第二合金的颗粒的作用是电(galvanically)保护无Cr合金的颗粒。
在一些实施方案中，无铬合金可以是Fe和以重量％计的下列组成：
Al 1.5，C 1，Mn 1，Si 3.25(或Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25)
Al 1.5，C 1.5，Mn 1，Ni 12(或Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12)
Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 20，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约20，Si约3.3)
Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 18，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约18，Si约3.3)
Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 15，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约15，Si约3.3)
Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 12，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约12，Si约3.3)
Al 1.5，Cr 0，Mn 1.03，Ni 10，Si 3.3(或Al约1.5，Cr约0，Mn约1.03，Ni约10，Si约3.3)
在一些实施方案中，电活性合金可以是铝、锌或含铝或锌的合金。
应用和使用工艺：
该专利中描述的合金的实施方案可用于多种应用和工业中。一些用途的非限制性应用实例包括：
露天开采应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：用于浆料管道的耐磨套管和/或耐磨表面硬化层，泥浆泵部件包括泵壳或叶轮或用于泥浆泵部件的表面硬化层，矿石进料槽组件包括槽块或槽块的表面硬化层，分离筛包括但不限于旋转破碎筛、香蕉筛和振动筛，用于自动研磨机和半自动研磨机的衬层，接地工具和用于接地工具的表面硬化层，钻头和钻头镶件(drill bit inserts)，用于铲斗和自卸车衬层的耐磨板，垫块和用于采矿铲上的垫块的表面硬化层，平地机叶片和平地机叶片的表面硬化层，堆取料机，分级破碎机，采矿部件和其它粉碎部件的一般性耐磨包装。
上游石油和天然气应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：井下套管和井下套管，钻杆和用于钻杆包括耐磨带的涂层，泥浆管理组件，泥浆马达，压裂泵套筒，压裂叶轮，压裂搅拌机泵，止动环，钻头和钻头组件，定向钻井设备和用于包括稳定器和扶正器的定向钻井设备的涂层，防喷器和用于防喷器和包括剪切闸板的防喷器组件的涂层，石油工业用管材和用于石油工业用管材的涂层。
下游石油和天然气应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：过程容器和用于包括蒸汽发生设备、胺容器、蒸馏塔、旋风分离器、催化裂化器、一般精炼管道、绝缘保护下的腐蚀、硫回收装置、对流罩、酸汽提管线、洗涤器、烃桶和其他精炼设备和容器的过程容器的涂层。
纸浆和纸张应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：造纸机械中使用的辊筒，其包括杨克烘缸和其他烘干机、压延辊、机械辊、压榨辊、蒸煮器、纸浆混合机、碎浆机、泵、锅炉、碎纸机、薄纸造纸机、卷和打捆机、刮刀、蒸发器、磨浆机、流浆箱、电线配件、压榨部件、光泽烘缸(M.G.cylinders)、卷纸机、复卷机、真空泵、疏解机和其他纸浆和造纸设备。
发电应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：锅炉管、沉淀器、火箱、涡轮机、发电机、冷却塔、冷凝器、管槽、螺旋推运器、集尘室、管道、引风机、煤管道和其他发电组件。
农业应用包括下列部件和用于下列部件涂层：滑槽、底切割机刀片、饲料槽、一次风机叶片、二次风机叶片、螺旋推运器和其他农业应用。
建筑应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：水泥滑槽、水泥管道、集尘室、混合设备和其他建筑应用。
机械元件应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：轴颈、纸辊、齿轮箱、驱动辊、缸体、液压缸、叶轮、通用回收和尺寸恢复应用以及其他机械元件应用。
钢材应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：冷轧机、热轧机、线轧机、镀锌线、连续酸洗线、连铸辊和其他钢材轧辊以及其他钢材应用。
该专利中描述的合金可以有效地以各种技术生产和/或沉积。该工艺的一些非限制性实例包括：
热喷涂工艺，包括例如双丝电弧、喷涂、高速电弧喷涂、燃烧喷涂的使用线原料的工艺以及例如高速氧燃料、高速空气喷涂、等离子体喷涂、爆炸喷涂和冷喷的使用粉末原料的工艺。线原料可以是金属芯线、实心线或药芯焊丝的形式。粉末原料可以是单一的均匀合金或多种合金粉末的组合，当熔化在一起时其产生所需的化学成分。
焊接工艺，包括使用线原料的那些，包括但不限于金属惰性气体(MIG)焊、钨惰性气体(TIG)焊、电弧焊、埋弧焊、明弧焊、本体焊接、激光熔覆，以及使用粉末原料的那些，包括但不限于激光熔覆和等离子体转移弧焊。线原料可以是金属芯线、实心线或药芯焊丝的形式。粉末原料可以是单一的均匀合金或多种合金粉末的组合，当熔化在一起时其产生所需的化学成分。
铸造工艺，包括生产铸铁的典型工艺包括但不限于砂型铸造、永久模铸造、冷硬铸造、熔模铸造、消失模铸造、压铸、离心铸造、玻璃铸造、流铸，和生产锻钢产品的典型工艺包括连续铸造工艺。
后处理技术，包括但不限于轧制，锻造，表面处理如渗碳、渗氮、碳氮共渗、热处理，包括但不限于奥氏体化处理、正火、退火、消除应力、回火、老化、淬火、深冷处理、火焰淬火、感应淬火、差别硬化、表面硬化、脱碳、机加工、研磨、冷加工、加工硬化和焊接。
从上述描述中，将理解的是公开了发明的热喷涂产品和使用方法。虽然已经描述了一些具有一定特殊性的部件、技术和方面，显而易见的是在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下对上面描述的具体设计、结构和方法可以做出许多改变。
在各自实施的背景中，在本公开内容中描述的某些特征也可以在单个实施中组合实现。相反，在单个实施的上下文中描述的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合在多个实施中实现。此外，虽然以上可以将特征描述为以某些组合的方式起作用，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中切离，并且该组合可以作为任何子组合或任何子组合的变体要求保护。
此外，虽然方法可以在附图中描绘或者以特定顺序在说明书中描述，但是这些方法不必以所示的特定顺序或按顺序次序执行，并且不必执行所有方法，来实现期望的结果。没有示出或描述的其它方法可以并入示例性方法和过程中。例如，一个或多个附加方法可以在所描述的任何方法之前、之后、同时或之间执行。此外，可以在其他实施中重新排列或重新排序方法。而且，上述实施中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施中需要这样的分离，并且应当理解为所描述的组件和系统通常可以集成在单个产品中或者被打包成多个产品。另外，其他实施也在本公开内容的范围内。
除非另有明确说明或在所使用的上下文中以其它方式理解，条件语言例如“可以”、“能”、“可能”或“也许”，通常旨在表达某些实施方案包括或不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件语言通常不意图暗示以任何方式对于一个或多个实施方案需要特征、元素和/或步骤。
除非另有明确规定或在所使用的上下文中以其它方式理解，例如短语“X、Y和Z中的至少一个”这样的连接语言通常表达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这样连接语言通常不旨在暗示某些实施方案需要至少一个X、至少一个Y和至少一个Z的存在。
如本文所使用的程度语言，例如本文使用的术语“约”、“大约”、“通常”和“基本上”代表接近所述值、数量或特性的一个值、数量或特性，其仍然执行期望的功能或达到期望的结果。例如，术语中“约”、“大约”、“通常”和“基本上”可以指的这个数量是在所述量的小于或等于10％，小于或等于5％，小于或等于1％，小于或等于0.1％，以及小于或等于0.01％的范围内。如果所述量为0(例如，无，没有)，则上述范围可以是特定范围，而不在该值的特定百分比内。例如，在所述量的小于或等于10重量/体积％，小于或等于5重量/体积％，小于或等于1重量/体积％，小于或等于0.1重量/体积％，小于或等于0.01重量/体积％的范围内。
一些实施方案已经结合附图被描述。这些图是按比例绘制的，但是这种比例不应该受到限制，因为超出显示范围的尺寸和比例是设想的并在所公开的发明的范围内。距离、角度等仅仅是说明性的，并不一定与所示设备的实际尺寸和布置具有确切的关系。组件可以添加、删除和/或重新排列。此外，本文中公开的与各种实施方案相关的任何特定特征、方面、方法、性质、特性、质量、属性、元素等可以用于本文所阐述的所有其它所有实施方案中。另外，应当认识到本文所述的任何方法可以使用适用于执行所述步骤的任何装置来实践。
尽管已经详细描述了许多实施方案及其变体，但使用它们的其它修改和方法对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解为在不脱离本文的独特和发明公开内容或权利要求的范围的情况下，各种应用、修改、材料和替换可以由等同内容组成。

Claims (33)

1.一种铁基包芯线合金原料，其被配置用于双丝电弧热喷涂应用，所述包芯线合金原料包含：
粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列物质的组合物：
Al：约0至2.5；
Cr：约10至15；
Mn：约0至2；
Ni：约15至25；和
Si：约0至5；
其中所述包芯线合金原料被配置以由双丝电弧热喷涂形成铁基软金属涂层，所述涂层包含：
7,000psi以上的涂层附着力；
400Vickers以下的显微硬度；
在所述包芯线合金原料的熔化温度下小于10重量％的加权溶质分数；和
1000K以下的铁素体至奥氏体转变温度。
2.由权利要求1的包芯线合金原料形成的涂层。
3.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述包芯线合金原料被配置以在双丝电弧热喷涂应用中在氧化后形成所述涂层。
4.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述护套具有1/16”的直径且粉末与护套的比例为约20-40重量％。
5.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述涂层的显微硬度为300Vickers以下。
6.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述涂层的显微硬度为200Vickers以下。
7.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述涂层的显微硬度为100Vickers以下。
8.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中在所述包芯线合金原料的熔化温度下，所述加权溶质分数小于6重量％。
9.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中在所述合金的熔化温度下，所述涂层的加权溶质分数小于2重量％。
10.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约1.5；
Cr：约11.27；
Mn：约1.03；
Ni：约20；和
Si：约3.3。
11.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al约1.5，C约1，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，C约1.5，Mn约1，Ni约12；或
Al约1.5，Cr约11.27，Mn约1.03，Ni约20，和Si约3.3。
12.权利要求1所述的包芯线合金原料，其中所述奥氏体铁素体转变温度低于约950K。
13.使用权利要求1所述的包芯线合金原料的双丝电弧喷涂工艺。
14.一种铁基包芯线合金原料，其被配置用于双丝电弧热喷涂应用，所述包芯线合金原料包含：
粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列物质的组合物：
Al：约0至2.5；
B：约3至6；
C：约3至5；
Mn：约0至2；
Ni：约0至2；和
Si：约0至5；
其中所述包芯线合金原料被配置以由双丝电弧热喷涂形成铁基硬金属涂层，所述涂层包含：
7,000psi以上的涂层附着力；
1,000Vickers以上的显微硬度；
<1重量％Cr；和
在所述包芯线合金原料的熔化温度下，大于50重量％的加权溶质分数。
15.权利要求14所述的铁基包芯线合金原料，其中在所述包芯线合金原料的熔化温度下，所述加权溶质分数大于70重量％。
16.权利要求14所述的铁基包芯线合金原料，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约1.5；
B：约5；
C：约4；
Mn：约1；和
Si：约3.3。
17.权利要求14所述的铁基包芯线合金原料，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al约2.5，C约5，Mn约1，Si约8；
Al约1.5，C约5，Mn约1，Si约3.25；
Al约1.5，B约4，C约4，Mn约1，Ni约1，Si约3.25；
B约1.85，C约2.15，Mo约15.7，V约11；或
Al约1.5，B约5，C约4，Mn约1，Si约3.3。
18.由权利要求14所述的铁基包芯线合金原料形成的涂层。
19.具有权利要求18的涂层的纸浆和纸卷。
20.具有权利要求18的涂层的发电锅炉。
21.具有权利要求18的涂层的液压缸。
22.使用权利要求14所述的铁基包芯线合金原料的双丝电弧喷涂工艺。
23.一种铁基包芯线合金原料，其被配置用于双丝电弧热喷涂应用，所述包芯线合金原料包含：
粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列物质的组合物：
Al：约0至2.5；
Cr：约10至15；
Mn：约0至2；
Ni：约15至25；和
Si：约0至5。
24.权利要求23所述的铁基包芯线合金原料，其中所述护套具有1/16”的直径且粉末与护套的比例为约20-40重量％。
25.一种铁基包芯线合金原料，其被配置用于双丝电弧热喷涂应用，所述包芯线合金原料包含：
粉末和护套，其中所述粉末和护套的组合具有包含Fe和以重量百分比计的下列物质的组合物：
Al：约0至2.5；
B：约3至6；
C：约3至5；
Mn：约0至2；
Ni：约0至2；和
Si：约0至5。
26.权利要求25的铁基包芯线合金原料，其中所述护套具有1/16”的直径且粉末与护套的比例为约20-40重量％。
27.一种使用具有原料合金组合物的包芯线将涂层双丝电弧热喷涂到基材上的方法，其中所述方法包括：
将所述包芯线热喷涂到基材上以形成具有至少7,000psi附着力的涂层，其中所述涂层是软涂层或硬涂层，所述软涂层包含：
400Vickers以下的显微硬度；
在所述包芯线的熔化温度下小于10重量％的加权溶质分数；和
1000K以下的铁素体至奥氏体的转变温度；
所述硬涂层包含：
1,000Vickers以上的显微硬度；
<1重量％Cr；和
在所述包芯线的熔化温度下大于50重量％的加权溶质分数。
28.权利要求27所述的方法，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约0至2.5；
Cr：约10至15；
Mn：约0至2；
Ni：约15至25；和
Si：约0至5；
其中所述包芯线被配置以形成所述软涂层。
29.权利要求28所述的方法，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约1.5；
Cr：约11.27；
Mn：约1.03；
Ni：约20；和
Si：约3.3；
其中所述包芯线被配置以形成所述软涂层。
30.权利要求27所述的方法，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约0至2.5；
B：约3至6；
C：约3至5；
Mn：约0至2；
Ni：约0至2；和
Si：约0至5；
其中所述包芯线被配置以形成所述硬涂层。
31.权利要求30所述的方法，其中所述组合物包含Fe和以重量百分比计的下列物质：
Al：约1.5；
B：约5；
C：约4；
Mn：约1；和
Si：约3.3；
其中所述包芯线被配置以形成所述硬涂层。
32.权利要求27所述的方法，其中两种包芯线被喷涂并具有相同的组成。
33.权利要求27所述的方法，其中仅形成软涂层或硬涂层之一。
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