CN112840052A - 具有增强的导热性和耐磨性的铜合金组合物 - Google Patents

Abstract

本公开涉及由含铜合金制成的粉末和线。含铜合金是铜‑镍‑锡合金或铜‑镍‑硅‑铬合金。由金属粉末形成的制品展现出高导热性、高耐磨性和热稳定性。粉末和线也用作用于热喷涂的进料，并公开了含铜涂层。当含铜合金材料用作内燃机中的圆柱形衬垫时，提高了发动机部件的寿命和燃油效率。

Description

具有增强的导热性和耐磨性的铜合金组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月27日提交的美国临时专利申请第62/648,567号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开涉及粉末或线形式的铜合金组合物、制造和使用粉末形式的这种组合物的工艺、由其形成的制品，以及它们用作用于热喷涂涂层和等离子喷涂涂层的进料的用途。该合金是展现出高导热性和高耐磨性的含铜合金。热喷涂涂层展现出高导热性、良好的耐磨性和热稳定性。该涂层与内燃机的衬垫和涂层结合在一起具有特殊的应用。

对用于燃烧式发动机的部件的要求很高。特别重要的是，这些部件同时展现出高导热性和高耐磨性。包含一些添加剂(例如润滑剂)往往会降低导热性。期望开发展现出高导热性和耐磨性的新型组合物。

热喷涂技术(例如冷喷涂或电弧喷涂)是将经过温度处理的材料喷涂到表面上的工艺。可用于热喷涂的前体材料包括金属、合金、陶瓷、塑料和复合材料。它们以粉末或线形式进料，被加热至熔融或半熔融状态，并以微米级细颗粒的形式朝着基材加速。燃烧放电或电弧放电通常用作热喷涂的能量源。将细颗粒或细滴在基材处喷涂/在基材之上喷涂/喷涂至基材上以形成涂层。当前的喷涂材料需要以机械粗加工或施加粘合剂/底漆的形式对沉积表面进行预处理。期望提供一种无需预处理步骤就足以粘附于表面的涂层。

发明内容

本公开涉及包含粉末或线形式的含铜合金的铜合金组合物。由含铜合金粉末形成的制品和涂覆有含铜合金粉末的制品展现出高导热性和高耐磨性。在一些实施方式中，粉末形式与固体润滑剂在可用于形成制品的组合物中组合。

线和粉末也可以用作常规热喷涂设备中的进料，以产生含铜合金涂层。涂层展现出高导热性、良好的耐磨性和热稳定性。还公开了涂覆含铜合金的方法以及采用该含Cu合金的发动机孔、机械部件和发动机组件。

在本文的各种实施方式中公开了包含含铜合金的组合物，其中该含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬，并且其中该合金为颗粒或线形式。

在一些实施方式中，含铜合金可以为铜-镍-硅-铬合金，其包含：约5wt％至约9wt％的镍；约1wt％至约3wt％的硅；约0.2wt％至约2.0wt％的铬；和其余为铜。

在其他实施方式中，含铜合金可以为铜-镍-锡合金，其包含：约5wt％至约20wt％的镍；约5wt％至约10wt％的锡；和其余为铜。

含铜合金可以是平均粒径为约2微米至约500微米的颗粒。

当合金为颗粒形式，该组合物还可以包含润滑剂。润滑剂可以包括石墨、滑石、MoS2、云母或氮化硼。

本文还公开了通过烧结含铜合金颗粒组合物形成的制品，其中含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬。制品可以为，例如，用于燃烧式发动机、阀座、阀导向件、活塞环或衬套的部件。

本文还公开了形成制品的方法，其包括：使包含含铜合金颗粒的组合物成形为前体制品；及在约500℃至约1100℃温度加热该前体制品；其中该含铜合金颗粒包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬。

组合物可以被均质化。成形和加热可以包括以下中的一个或多个：温压、等规热压、粉末锻造、粉末注射成型、粉末轧制和粉末挤出。

在一些实施方式中，在加热步骤之后执行以下步骤中的至少一个步骤：二次热处理；接合；再压；调整大小；机械加工；或表面处理。

还公开和描述了由含铜合金形成涂层的方法，其包括：接收包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬的含铜合金；将含铜合金加热至熔融或半熔融状态；并且将该熔融或半熔融的含铜合金喷涂到基材上以形成涂层。

在本文的各种实施方式中还公开了发动机组件，其包括：活塞；活塞环；和具有衬垫的圆柱形孔，该衬垫由包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬的含铜合金形成。

气缸衬垫可以为插件的形式，或者为施涂至气缸孔的表面的涂层的形式。涂层可以是热喷涂的。

还公开了制品，其包含：基材，该基材具有至少一个表面；和含铜合金涂层，该含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬，其中，将该含铜合金涂层施涂到基材的至少一个表面上。

含铜合金可以热喷涂到基材的所述至少一个表面上。制品可以是发动机部件、衬套或轴承。

下面更具体地公开本公开的这些和其他非限制性特征。

附图说明

以下是附图说明，其给出是为了示出本文公开的示例性实施方式，而不是为了限制实施方式。

图1是示出根据本公开的一些实施方式的形成制品的方法的流程图；

图2是热喷涂的示意图；

图3是示出使用本公开的铜粉来涂覆基材表面的喷涂工艺的示例性方法的流程图；

图4是用于示出本公开的一些实施方式的内燃室和发动机孔的横截面示意图；

图5是用于示出本公开的一些实施方式的气缸盖组件的横截面示意图；

图6A是示出在热喷涂沉积含铜合金之前的铝基材的横截面的图片；

图6B是示出在热喷涂沉积含铜合金之后的铝基材的横截面的图片。

具体实施方式

可以参考附图获得对本文公开的部件、工艺和装置的更完整的理解。这些图仅仅是基于方便和易于展示本公开的示意性表示，并且因此，不旨在表明本公开的设备或部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方式的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代选择用于附图中图示的实施方式的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，应当理解的是，相同的附图标记指代相同功能的部件。

除非内容另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代对象。

如在说明书和权利要求书中所使用的，术语“包含”可以包括实施方式“由……组成”和“基本上由……组成”。如本文所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“可以”、“含有”及其变体旨在是开放式的、需要存在指定成分/步骤并允许存在其他成分/步骤的过渡短语、术语或词汇。然而，这种描述应该被解释为也将组合物或工艺描述为由所列举的成分/步骤的“组成”和“基本上由其组成”，这允许仅存在指定的成分/步骤除了可能由此产生的任何杂质，并且排除其他成分/步骤。

在本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括以下数值：与当减少到有效数字的相同数量时相同的数值，和与指定的值相差小于用于测定该值的本申请所描述的常规测量技术类型的实验误差的数值。

本文公开的所有范围均包括所记载的端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。

由一个或多个术语(例如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于所指定的精确值。修饰词“约”也应视为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了范围“2至4”。通常，术语“约”和“大约”可以指所指示数字的正10％或负10％。

本公开涉及含有至少50wt％的量的铜的铜合金。在这些含铜合金中还存在其他元素。当以“A-B-C合金”的形式描述合金时，该合金基本上由元素A、B、C等组成，并且任何其他元素作为不可避免的杂质存在。例如，如本领域普通技术人员所理解的，短语“铜-镍-硅合金”描述了一种合金，该合金含有铜、镍和硅，并且除了作为未列出的不可避免的杂质外不含有其他元素。当以“含A合金”的形式描述合金时，该合金含有元素A，并且也可以含有其他元素。例如，短语“含铜合金”描述了含有铜的合金，并且也可以含有其他元素。

本公开涉及包括含铜合金的铜合金组合物。含铜合金可以以粉末或颗粒的形式或以线的形式存在。含铜合金(颗粒或线)可用于形成制品，或者可用于热喷涂涂层工艺中以涂覆制品的表面。含铜合金含有铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬。由含铜合金形成的制品和涂覆有含铜合金的制品展现出高导热性和高耐磨性。

根据本公开，含铜合金含有约68wt％或更多的铜。在特定的实施方式中，合金含有约88.7wt％至约91.5wt％的铜。在一些示例性实施方式中，含铜合金包括铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬两者。

含铜合金可以是铜-镍-锡(Cu-Ni-Sn)合金。在一些实施方式中，本文所用的铜-镍-锡合金通常包括约5wt％至约20wt％的镍和约5wt％至约10wt％的锡，其余为铜。该合金可以是硬化的，并且更容易形成可用于各种工业和商业应用的高屈服强度的产品。该高性能合金旨在提供与铜铍合金相似的性能。

更特别地，本公开的铜-镍-锡合金包括约5wt％至约20wt％的镍和约5wt％至约10wt％的锡，其余为铜。甚至更特别地，本公开的铜-镍-锡合金包括约9wt％至约15wt％的镍和约6wt％至约9wt％的锡，其余为铜。在更具体的实施方式中，铜-镍-锡合金包括约14.5wt％至约15.5wt％的镍和约7.5wt％至约8.5wt％的锡，其余为铜。

更优选地，铜-镍-锡合金包含约14wt％至约16wt％的镍(包括约15wt％的镍)；和约7wt％至约9wt％的锡(包括约8wt％的锡)；其余为铜，不包括杂质和微量添加物。在其他优选实施方式中，铜-镍-锡合金包含约8wt％至约10wt％的镍和约5wt％至约7wt％的锡；并且其余为铜，不包括杂质和微量添加物。

微量添加物包括硼、锆、铁和铌，其进一步增强了等轴晶体的形成，并且还缩减了固溶热处理期间基体中Ni和Sn的扩散速率的差异。其他微量添加物包括镁和锰，其可以用作脱氧剂和/或可对最终状态下的合金的机械性能产生影响。也可以存在其他元素。杂质包括铍、钴、硅、铝、锌、铬、铅、镓或钛。为了本公开的目的，少于0.01wt％的量的这些元素应被认为是不可避免的杂质，即其存在不是有意的或是不希望的。在铜-镍-锡合金中存在的上述元素中的每种元素的重量不超过约0.3％。

在更具体的实施方式中，铜-镍-锡合金可具有：约90ksi(620MPa)至约150ksi(1034MPa)的0.2％偏移屈服强度；约105ksi(724MPa)至约160ksi(1103MPa)的极限抗拉强度；约22HRC至约36HRC的洛氏硬度C；小于0.3的摩擦系数；约11ft-lbs至大于30ft-lbs的夏比V型缺口(Charpy V-notch，CVN)韧性。0.2％的偏移屈服强度和极限抗拉强度是根据ASTME8测量的。洛氏C硬度根据ASTM E18测量的。CVN韧性是根据ASTM E23测量的。该合金还可以抵抗CO₂腐蚀、氯化物SCC、点蚀和缝隙腐蚀。

替代地，含铜合金可以是含铜-镍-硅-铬(Cu-Ni-Si-Cr)合金。含Cu-Ni-Si-Cr合金中镍的量可以为合金的约5wt％至约9wt％。在更具体的实施方式中，镍的量可以为约6wt％至约8wt％；或约6.4wt％至约7.6wt％。

含铜-镍-硅-铬合金中硅的量可以为合金的约1wt％至约3wt％。在更具体的实施方式中，硅的量可以为约1.5wt％至约2.5wt％。

含铜-镍-硅-铬合金中铬的量可以为合金的约0.2wt％至约2.0wt％。在更具体的实施方式中，锆的量可以为约0.3wt％至约1.5wt％；或约0.6wt％至约1.2wt％。

这些列出的铜、镍、硅和铬的量可以以任何组合彼此结合。

在特定的实施方式中，含铜合金是铜-镍-硅-铬合金，其含有：约5wt％至约9wt％的镍；约1wt％至约3wt％的硅；约0.2wt％至约2.0wt％的铬；且其余为铜。

在进一步的实施方式中，铜-镍-硅-铬合金含有：约6wt％至约8wt％的镍；约1.5wt％至约2.5wt％的硅；约0.3wt％至约1.5wt％的铬；且其余为铜。

在更具体的实施方式中，铜-镍-硅-铬合金含有：约6.4wt％至约7.6wt％的镍；约1.5wt％至约2.5wt％的硅；约0.6wt％至约1.2wt％的铬；且其余为铜。

Cu-Ni-Si-Cr合金可以具有：约130GPa的弹性模量；约8.69g/cc的密度；在100℃为约160W/(m·K)和在300℃为约为200W/(m·K)的热导率。Cu-Ni-Si-Cr合金还可以具有：约790MPa(115ksi)的典型的最小0.2％偏移屈服强度；和约860MPa(125ksi)的最小极限抗拉强度。这些合金展现出高耐磨性(环磨损率1/psi不超过10^-10)。

本公开还涉及形成含铜合金粉末/颗粒的方法、由含铜合金粉末形成的制品以及形成和涂覆制品的方法。

如本文所讨论的，含铜粉末合金的使用破坏了微观结构以允许更均匀的性能，并在保持高热导率的同时添加固体润滑剂。

图1是示出根据本公开的一些方面的形成制品的示例性方法100的流程图。方法100包括形成含铜合金粉末110；处理含铜合金粉末120；使含铜合金粉末与一种或多种添加剂混合130；使组合物均质化140；使均质化的组合物成形以形成前体制品150；加热该前体制品以形成产品制品160；并执行一个或多个二次操作以形成成品170。

含铜合金颗粒可以通过机械工艺、化学工艺和电化学工艺或这些类型的工艺中的至少两种工艺的任何组合来形成110。机械工艺的非限制性实例包括研磨、粉碎和雾化。雾化是指熔体的机械崩解。在一些实施方式中，用高压水或气体进行雾化。雾化可以是离心雾化、真空雾化或超声雾化。

化学工艺的非限制性实例包括氧化物还原、从溶液中沉淀出来和热分解。在氧化物还原中，将还原气体引入金属氧化物组合物中以引发反应。沉淀方法可以包括浸提矿石或矿石精矿，随后从浸出溶液中沉淀出金属(例如，通过胶结、电解或化学还原)。可以引入添加剂来控制pH和/或成核。合金/复合粉末可通过不同金属的共沉淀和/或连续沉淀来产生。热分解方法可以包括羰基的热分解。

电化学工艺的非限制性实例可以包括将金属沉积在阴极上(例如，作为粉末状沉积物或作为光滑、致密且脆性的沉积物)，随后研磨。可以控制电解池条件以获得所需的颗粒形状和大小。颗粒材料的直径可以为约2微米至约500微米。在特定的实施方式中，颗粒材料的直径可以为约2微米至约90微米，其中至少50vol％的颗粒的直径小于80微米。在一些更具体的实施方式中，颗粒材料的直径可以为约2微米至约90微米，其中至少85vol％的颗粒的直径小于80微米。在其他期望的实施方式中，颗粒的直径为约5微米至约100微米。

可以在压实之前、期间或之后对含铜合金颗粒进行处理120。处理的非限制性实例包括分类/筛选、分离、稳定、退火和润滑。分类/筛选可以涉及对颗粒进行过滤以获得期望的粒径和/或粒径分布。分离/均质化防止材料的分布不均，分布不均导致不希望的局部差异。稳定化防止颗粒的团聚。退火是一种通过消除应变使金属变软的热处理。润滑剂可影响粉末的压实和烧结性能，同时也有利于零件从模具中弹出。各种处理120可以在添加添加剂130和/或均质化140之前、期间或之后进行。

粉末可以在添加添加剂之后、或在添加添加剂之前的处理步骤120中进行均质化140。添加剂的一个实例是润滑剂。润滑剂的非限制性实例包括石墨、滑石或二硫化钼(MoS₂)、云母、六方氮化硼等。

通过使粉末/颗粒成形并加热，可以由含铜合金粉末形成制品。成形150和加热160可以同时或依次进行。可以使用压制和烧结。在特定的实施方式中，在约500℃至约1100℃温度进行加热。由于金属粉末通过压实变形，其密度增加并且发生加工硬化。在一些实施方式中，在模具提供侧向支撑的同时，将粉末/颗粒压在两个冲头之间(例如，上部和下部)。压力机可以是液压、机械、气动、旋转或等规压力机。烧结是一种通过该工艺压实过程中的颗粒接触增加并且零件的特性(例如物理和机械)得以设定的工艺。可以在小于或等于材料熔点的约三分之二的温度进行烧结。烧结可发生在约20分钟至约60分钟的时间段内。烧结可以发生在保护性气氛中。保护性气氛的非限制性实例包括吸热气体、放热气体、离解的氨、氢、氢-氮混合物和真空。保护性气氛可以保护零件免受氧化或氮化(常在空气中加热时发生)。在液相烧结中，在至少一部分烧结期间，液体与固相共存。与固态系统的烧结和致密化相比，液体能够实现更快速的烧结和更快的致密化。在活化烧结中，使用添加剂来提高扩散速率。

烧结可以发生在传动皮带、推进器或步进梁式炉中。

在温压中，将粉末/颗粒和模具在保护性气氛下加热，然后压实。

全密度工艺包括粉末锻造、金属注射成型、等规热压、辊压、热压、挤压和喷涂成型。

在粉末锻造中，通过在升高的温度在密闭模具中的简单吹制来锻造预成型坯。预成型坯经历物料在热镦锻中横向流动，或者沿再热压中的压制方向流动。

在金属注射成型中，将金属粉末和粘合剂的均质混合物注入模具中。然后，除去粘合剂，并将零件烧结至全密度或几乎全密度。

在等规热压中，将粉末或颗粒填充到气密的金属或陶瓷容器中，然后加热并真空脱气以除去挥发性污染物。然后，在容器中用惰性气体(例如，Ar或N₂)进一步对组合物进行加热和加压。由于各向同性的压力，固结的粉末呈原始容器的形状，但尺寸稍小。可以使用机械加工或化学溶解来移除容器。

辊压是指旋转以将粉末(例如，在室温)压实为多孔(例如，理论值的60％-90％)带材。可以将粉末进料(例如，通过重力)至两个辊之间的间隙中。柔性生带进入烧结炉，然后进入热辊。

可以在具有单轴压力的刚性模具中进行热压。可以使用保护性气氛来防止氧化。粉末也可以或可替代地被封装在容器中。

在挤出中，通常将粉末罐装、脱气并在升高的温度(例如，超过材料的绝对熔点的三分之二)挤出。

在喷涂成型中，将惰性气体雾化粉末引导到基材上。雾化液滴可以以半固体形式到达基材表面并飞溅以形成全密度或几乎全密度材料。

二次操作170可以选自：热处理、接合、再压、调整大小、机械加工和表面处理。热处理可以包括加热、冷却、热加工和/或冷加工。热处理可以增加制品的表面硬度。接合涉及将两个相似的部分组合在一起。调整大小涉及更改制品的尺寸。再压涉及压制以增加制品的密度。表面处理可以包括选自倒角、打磨、抛光、密封和喷丸处理中的一种或多种处理。

根据本公开的另一方面，并且在图2中示出的，含铜合金(粉末或颗粒或线形式)是用于热喷涂系统的进料。热喷涂系统可以由进料产生制品，并且可以在制品/基材上形成进料的涂层。热喷涂技术将粉末/线从固态变为熔融和半熔融状态。

图2示出了用于将熔融和半熔融进料加速到基材以形成涂层的涂覆系统的示例性实施方式。尽管本文描述了热丝喷涂和大气等离子喷涂技术，但是应注意，这些仅仅是示例性实施方式，并且可以采用任何类似的方法和系统来涂覆含铜进料。在本文中，热喷涂将意指用于使固体进料熔化成熔融或半熔融状态并使熔融或半熔融材料朝着基材加速以形成涂层的任何方法。通常，与诸如电镀、物理和化学气相沉积的其他涂覆工艺相比，热喷涂可以以高沉积速率在大面积上提供涂层。取决于所使用的工艺和材料，所得涂层的厚度范围可以为约20微米至3或更多毫米。已知的热喷涂技术包括冷喷涂、等离子喷涂、温喷涂、爆炸喷涂、高速氧燃料喷涂和电弧喷涂。特别地，使用电弧喷涂工艺或火焰枪来将涂层沉积在基材上。

在一些示例性实施方式中，关于图2，将进料210提供给用于沉积涂覆层的等离子转移弧(Plasma Transfer Arc，PTA)涂覆系统200。根据本公开，进料210是粉末/颗粒形式的含铜合金。示例性PTA涂覆系统200利用喷嘴212，喷嘴212包括电极214和通道216，通道216配置为引导工艺气体。工艺气体通过通道216加速并从喷嘴212出去。在一些实施方式中，通过施加电压222在电极214和喷嘴212之间产生电弧。

工艺气体流经通道到达所生成的电弧，该电弧使工艺气体电离并将其变为等离子体状态，从而产生等离子体射流218。工艺气体通常包括但不限于：氩气、氢气、氦气、其他惰性气体或其混合物。进料210连续转移到等离子体射流218中。进料210熔化，并且熔融材料220朝着基材102飞溅。熔融材料120沉积并快速固化在基材210上。沉积并固化的熔融材料220的积累在基材210的表面上形成进料的涂层204。

如上所述，进料210可以是被连续进料到等离子体射流218中的颗粒或粉末208。粉末材料的直径可以优选为约2微米至约100微米，或为约5μm至约500μm，或约2μm至约500μm。粉末可以与载气混合以促进和控制粉末材料的运动。

替代地，进料210可以是线206的形式，线206被连续地进料到等离子体射流中。线206可以由材料线轴供应，并通过轮子或其他已知部件行进。在这些实施方式中，线可以是带电的以与电极214产生电弧。线的直径为约1mm至约5mm。在一些实施方式中，线的直径为约1.62mm。在更具体的实施方式中，线的直径为1.6mm+/-0.03mm。

进料210和形成的涂层204是本文公开的含铜合金材料。

根据本公开的另一方面并且在图3中示出的，描述了用于热喷涂涂覆含铜合金(以粉末或线形式提供)的方法。最初，提供进料(粉末或线)300。先前描述的含铜合金被认为是用于涂覆工艺的进料。该涂覆工艺使用热喷涂器材。该器材适用于各种已知的热喷涂技术，例如冷喷涂、等离子喷涂、温喷涂、爆炸喷涂、高速氧燃料喷涂和电弧喷涂。

在一些实施方式中，当进料为粉末时，将进料粉末与载气混合以将进料粉末输送至加热位置。载气是用于将熔融材料推向基材的任何气体。本公开不限于所用气体的类型，但是所用的典型气体是空气、氮气、氦气和氩气。载气可以由单独的压缩气体系统提供，或者可以与进料一起引入到系统中。在其他实施方式中，用于产生等离子体射流的工艺气体是载气。在其他实施方式中，等离子体射流是载气。

接下来，通过暴露于高温来加热含铜合金(附图标记310)。热源可包括燃烧火焰、电弧和离子体射流。然而，应当理解的是，可以使用本领域中已知的任何热源。使含铜合金进料暴露于高温下熔化全部或部分进料。在一些工艺中，使合金暴露于约350℃至约700℃，或约400℃至约600℃的温度范围。在其他工艺中，使合金暴露于约780℃至约1115℃的温度。在一些工艺中，使合金暴露于产生约2,500℃至约3,000℃温度的热源。在又一其他工艺中，使合金暴露于产生约5,500℃至约6650℃温度的热源。在又一其他工艺中，使合金暴露于产生约16,000℃至约30,000℃温度的热源。在一些实施方式中，使合金暴露于产生约25,000℃温度的热源。在其他工艺中，使合金暴露于约780℃至约1115℃的温度以熔化合金。通常，取决于所使用的热喷涂工艺，热源的温度可在约350℃至约30,000℃的范围内，但是期望地在约350℃至约3000℃的范围内。合金进料可以描述为半熔融或熔融的。在一些实施方式中，仅进料粉末颗粒的外部被认为是熔融的。

将熔融或半熔融的合金粉末喷涂/加速到基材表面320。喷涂可以发生在约20巴至约40巴，或约30巴至约40巴的压力。这导致半熔融的原料被吹/分离成颗粒或液滴。这些颗粒或液滴可以非常细，平均直径通常为约1微米至约20微米。可以根据需要改变颗粒的类型和大小以产生具有所需特征的涂层。

然后将熔融和半熔融的材料沉积在所需的基材上330。合金颗粒/液滴迅速冷却至约250℃至约350℃的温度并形成涂层。在与基材碰撞期间，合金颗粒经历塑性变形并粘附到基材上。通过载气膨胀提供的颗粒动能在结合过程中转化为塑性变形能。当然，喷涂可在同一区域中多次发生，从而导致涂层由多个层构成。每层可以具有约100微米至约200微米的厚度。在特定实施方式中，所得涂层可以具有约100微米至约3000微米的厚度。该厚度将取决于用于构成涂层的层数。在特定实施方式中，含Cu合金涂层具有约500微米至约1500微米的厚度。

根据本公开的另一方面并且在图4和图5中示出的，描述了由本公开的含铜合金制成或涂覆的发动机部件。活塞是在燃烧过程中在孔(通常是圆柱形孔)中来回往复运动的发动机部件(通常是圆柱形部件)。活塞可以由铸造铝合金制成以实现期望的重量和导热率。导热率是对特定材料导热如何的度量，其SI单位为瓦特/(米·开尔文)。铝和其他活塞体材料在加热时会膨胀。必须包括适当量的间隙，以保持孔中的自由运动。间隙太小会导致活塞卡在气缸中。间隙太大可能导致压缩损耗和噪音增加。通常，活塞直径短于孔的直径。因此，设置活塞环以确保当活塞环与气缸壁连续滑动接触时在活塞与气缸壁之间的密封。

图4是发动机300的典型气缸的垂直截面。示出了活塞头420在相关的气缸440内往复运动。活塞环426有效地扩大了活塞420的直径。上活塞环通过与包括衬垫452的气缸壁450接触而提供压缩密封。下活塞环将气缸与曲轴周围的油隔离。活塞头中的销孔430垂直延伸穿过活塞头的侧面。销钉(不可见)穿过销钉孔430，以将活塞头420连接到活塞杆428。活塞头420在操作期间在气缸440内往复运动，其所谓的上止点位置如阴影轮廓所示。这可以从枢转地固定到活塞头420的活塞杆428的近乎垂直的位置来确定，所示的另一个位置在下止点附近，但不在下止点。

活塞杆428的下端枢转地接合到形成曲轴一部分的连杆轴颈458。轴颈458安装到配重部454，配重部454绕着主轴颈轴承456旋转，主轴颈轴承456与曲轴的旋转轴线对准。配重部454提供动量，用于以在发动机的循环的排气冲程中向上驱动活塞杆428。

活塞环426密封燃烧室，将热量从活塞传递到气缸壁，并且将油返回到曲轴箱。活塞环的类型包括压缩环、清洁环和油环。可以设想，活塞环由本公开的含铜合金制成或涂覆有本公开的含铜合金。

气缸衬垫用作发动机孔的内壁，并形成用于活塞环的滑动表面。由于期望发动机部件的使用寿命长，因此传统的气缸衬垫由展现出色的耐磨特性的铸铁制成。然而，这些基于铸铁和钢的衬垫和插件显著增加了发动机缸体的重量。本公开设想含铜合金可用于形成气缸衬垫452。这些合金提供高导热性、良好的耐磨性和热稳定性。

在一些实施方式中，气缸衬垫452是插件，该插件被压配合到发动机缸体气缸/孔440中以形成气缸壁450。这意味着缸体或气缸孔的大小小于衬垫插件的外径。衬垫插件被“压入”气缸中，并且改变大小将衬垫插件固定就位。通常，套筒对铸铁孔的压配合为.0025”，对于铝孔，压配合为.004”。当前，插件以0.0625”、0.093”和0.125”三种壁厚之一来制造，然而，设想的是，可以将新型含铜合金衬垫材料制造成发动机设计所需的任何厚度。

根据本公开的其他方面，气缸衬垫452是由含铜合金制成的气缸壁450的表面上的涂层。本公开的含铜涂层通过如本文所述的热喷涂工艺施涂到发动机气缸440的内表面。

涂层优于常规衬垫插件，因为其允许重新设计部件以减轻重量，这赋予了汽车更好的燃油经济性。含铜合金涂层还提供了更接近的净成形制造和更紧密的设计间隙。由于较小的硅化镍颗粒(无内部缺口效应)，涂层还展现出高的疲劳极限。薄涂层(与安装在孔中的衬垫插件相反)也为发动机在涂层被磨损时的运转提供了可能性，并因此消除了发动机中的故障机理。

继续参照图4，本公开的含铜合金活塞环426提供了低摩擦表面，从而在活塞420往复运动时允许活塞环426侧靠气缸壁450。

本文公开的含铜合金具有高导热率，在100℃时约为160W/mK。这些含铜合金的导热率可以是与常规材料的导热率相比的几倍。高导热率最终导致发动机部件的较低的温度。例如，热量将通过活塞环426从活塞的环形槽更快地传导出去，并进入气缸壁450。环形槽中的较低温度增加了槽中活塞材料的屈服强度，并且还增加了疲劳强度。

由于使用含铜合金而导致的高导热率和较低的零件温度为发动机系统提供了较低的爆震趋势。更高的压缩比以及增加的燃油经济性也是可能的。在那些利用强制增压进气的发动机中，例如涡轮增压和超级增压，更高的增压压力是可能的。

图5示出了用于内燃机的气缸盖中的阀导向件装置。气缸盖包括壳体510，壳体510具有布置在其中的多个进气和排气提升阀512。提升阀512控制通过单个进气口或排气口514的流量。提升阀512包括阀杆516和阀头520。阀杆适于接收在阀导向件518内。阀导向件518具有外表面528，外表面528设计成与壳体510内的阀导向孔526过盈配合。阀导向件本身具有管状形状(即，具有穿过其中的中空通道)。

阀杆516和阀头520相对于阀导向件的长轴以往复运动的形式运动。阀头520适于接合邻近燃烧缸440的阀座522。阀头520通过压缩弹簧524被迫与阀座522接触。阀座也具有管状形状，并且内表面的一端呈锥形以接合阀头。

往复运动导致阀杆516和阀导向件518之间以及阀头520和阀座522之间的频繁接触和随之的磨损。这些发动机部件还经受内燃机的高温。可以设想，阀座和阀导向件由本文公开的含铜合金构造或涂覆有本文所公开的含铜合金。

根据本公开的其他方面，发动机部件，例如活塞环426、阀座522和阀导向件518涂覆有含铜合金。本公开的含铜涂层通过如本文所述的热喷涂工艺被施涂至发动机部件的表面。

涂层是有利的，因为其允许重新设计部件以减轻重量，这赋予了汽车更好的燃油经济性。含铜合金涂层还提供了更接近的净成形制造和更紧密的设计间隙。由于较小的硅化镍颗粒(无内部缺口效应)，涂层还展现出高的疲劳极限。薄涂层也为发动机在涂层被磨损时的运转提供了可能性，并因此消除了发动机中的故障机理。

根据本公开的另一方面，提供了至少一个表面涂覆有含铜合金的制品。含铜合金涂层提供了制品的更接近的净成形制造和更紧密的设计间隙。图6B示出了铝基材制品的图片，该铝基材制品的顶面热喷涂有含铜合金。含铜合金涂层特别适用于通常容易磨损的制品和部件。在一些实施方式中，含铜合金涂覆的制品是发动机部件。在一些示例性实施方式中，含铜合金涂覆的发动机制品是与移动和往复的发动机内部部件结合使用的衬套、轴承、活塞槽涂层。在其他实施方式中，含铜合金涂覆的制品是用于除发动机以外的系统的衬套和轴承，例如由钢制成的轴颈轴承。在一些示例性实施例中，涂覆有本申请材料的衬套和轴承用于海事应用、起落架等。

提供以下实施例以说明本公开的设备和工艺。该实施例仅是说明性的，并且不一定旨在将本公开限制于其中阐述的材料、条件或工艺参数。

实施例1

图6A是机械粗加工的铝基材的表面的横截面图。用含铜合金热喷涂机械粗加工的表面，从而产生约150微米厚的含铜合金层。图6B示出了在热喷涂含Cu合金之后的粗加工的铝基材。

已经参照示例性实施方式描述了本公开。显然，在阅读和理解了前面的详细描述之后，其他人将想到修改和改变。意图将本公开解释为包括所有这种修改和改变，只要这种修改和改变落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (23)

1.包含含铜合金的组合物，其中所述含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬，并且其中所述合金为颗粒或线的形式。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-硅-铬合金：

约5wt％至约9wt％的镍；

约1wt％至约3wt％的硅；

约0.2wt％至约2.0wt％的铬；和

其余为铜。

3.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-锡合金：

约5wt％至约20wt％的镍；

约5wt％至约10wt％的锡；和

其余为铜。

4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述含铜合金是平均粒径为约2微米至约500微米的颗粒。

5.根据权利要求1所述的组合物，进一步包含润滑剂。

6.根据权利要求5所述的组合物，其特征在于，所述润滑剂包括石墨、滑石、MoS₂、云母或氮化硼。

7.通过烧结含铜合金颗粒组合物形成的制品，其特征在于，所述含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬。

8.根据权利要求7所述的制品，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-硅-铬合金：

约5wt％至约9wt％的镍；

约1wt％至约3wt％的硅；

约0.2wt％至约2.0wt％的铬；和

其余为铜。

9.根据权利要求7所述的制品，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-锡合金：

约5wt％至约20wt％的镍；

约5wt％至约10wt％的锡；和

其余为铜。

10.根据权利要求7所述的制品，其特征在于，所述制品是用于燃烧式发动机、阀座、阀导向件、活塞环或衬套的部件。

11.形成制品的方法，包括：

使包含含铜合金颗粒的组合物成形为前体制品；及

在约500℃至约1100℃温度加热所述前体制品；

其中所述含铜合金颗粒包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括均质化所述组合物。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述成形和加热包括以下中的一个或多个：温压、等规热压、粉末锻造、粉末注射成型、粉末轧制和粉末挤出。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述加热步骤之后执行以下步骤中的至少一个步骤：

二次热处理；

接合；再压；

调整大小；

机械加工；及

表面处理。

15.由含铜合金形成涂层的方法，包括：

接收包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬的含铜合金，所述含铜合金为颗粒或线的形式；

将所述含铜合金加热至熔融或半熔融状态；

将所述熔融或半熔融的含铜合金喷涂到基材上以形成涂层。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-硅-铬合金：

约5wt％至约9wt％的镍；

约1wt％至约3wt％的硅；

约0.2wt％至约2.0wt％的铬；和

其余为铜。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述含铜合金是含有以下成分的铜-镍-锡合金：

约5wt％至约20wt％的镍；

约5wt％至约10wt％的锡；且

其余为铜。

18.发动机组件，包括：

活塞；

活塞环；和

具有衬垫的圆柱形孔，所述衬垫由包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬的含铜合金形成。

19.根据权利要求18所述的发动机组件，其特征在于，所述气缸衬垫为插件的形式，或者为施涂至气缸孔的表面的涂层的形式。

20.根据权利要求18所述的发动机组件，其特征在于，所述涂层是热喷涂的。

21.制品，包含：

基材，所述基材具有至少一个表面；和

含铜合金涂层，含铜合金包含铜、镍、和(i)锡或(ii)硅和铬，

其中，将所述含铜合金涂层施涂到所述基材的所述至少一个表面上。

22.根据权利要求21所述的制品，其特征在于，将所述含铜合金热喷涂到所述基材的所述至少一个表面上。

23.根据权利要求21所述的制品，其特征在于，所述制品是发动机部件、衬套或轴承。

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