CN117279776A

CN117279776A - 沉积效率提高的用于薄而光滑的高速火焰喷涂涂层的材料

Info

Publication number: CN117279776A
Application number: CN202280033394.3A
Authority: CN
Inventors: J·古特勒伯; V·H·埃罗宁; G·雷瑟尔
Original assignee: Oerlikon Metco US Inc
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-12-22
Also published as: JP2024517218A; WO2022235570A1; US20240141472A1; EP4334129A1; CA3215890A1

Abstract

提供了一种用于“快速碳化物”涂层的热喷涂材料原料。快速碳化物涂层为薄、致密且光滑的热喷涂涂层，其将基材自激活。快速碳化物涂层形成并对涂层喷丸以赋予压应力，从而实现良好的附着力和耐腐蚀性。为了实现性质与性能的这种组合，使用包括细、致密且角形颗粒的粉末；然而，单独使用这种粉末会导致沉积效率不良，通常低于20％。本公开通过提供具有特定比率的两种或更多种不同颗粒的组合物来减轻单独使用这种粉末的不良沉积效率，以改善沉积效率，同时充分优化应力和腐蚀性质，并且在一些情况下，提高涂层性能。

Description

沉积效率提高的用于薄而光滑的高速火焰喷涂涂层的材料

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年5月3日提交的美国临时申请号63/183,293的权益和优先权，该申请的公开内容以其整体通过引用明确地并入本文。

发明背景

1.公开领域

本公开涉及具有两种或更多种不同颗粒类型的热喷涂材料原料，其在热喷涂到基材表面上时形成涂层组合物。在示例实施方案中，所述热喷涂材料原料改善沉积效率并保持涂层性能。

2.背景信息

“快速碳化物(flash-carbide)”涂层是薄、致密且光滑的涂层，最近已用于替代硬铬镀以及常规的高速氧燃料(HVOF)和高速空气燃料(HVAF)涂层，后者需要应用磨料来进行尺寸磨削和精加工。用于快速碳化物涂层的常规粉末通常非常细(-15/+5μm)、致密且具有角形形态。然而，常规粉末的这些特性导致大约20％的低沉积效率，因为粉末中未形成涂层的剩余颗粒会激活基材表面并对涂层喷丸而引起压应力。结果，热喷涂这些常规粉末的经济性和效率不良。

此外，常规的快速碳化物涂层由于喷丸效应而表现出高水平的压应力，这使得涂层更致密并且更能抵抗腐蚀性介质穿透该层。为了实现高耐腐蚀性，既需要非常细的颗粒尺寸也需要高的压应力。通过仅使用具有致密、细且角形形态的颗粒的不同粒级来提高沉积效率，由于较低的熔化程度和速度而获得了耐腐蚀性的提高。然而，需要极小的颗粒尺寸(-15/+5μm)，尤其是对于其中火焰温度低并且不会发生完全熔化的HVAF更是如此。此外，涂层的细粒度导致高的堆积密度。而且，具有致密、细且角形形态的颗粒的烧结并压碎的材料不能同时实现高沉积效率和高涂层密度。

本公开提供了一种热喷涂材料原料，与常规粉末相比，该热喷涂材料原料表现出改善的沉积效率，而同时保持涂层性能。

发明内容

本公开的实施方案提供了一种热喷涂材料原料，其通过增加形成涂层的颗粒的百分比来改变高速喷涂涂层的沉积动力学以获得更高的沉积效率。通过在原料粉末中包括两种或更多种不同的颗粒类型来改变涂层的沉积动力学。本公开的发明人发现，所述两种或更多种不同的颗粒类型的形态、尺寸和颗粒强度提供优异的喷丸应力、致密涂层和改善的沉积效率。

在示例实施方案中，原料粉末包括与第二粉末混合的第一粉末，该第一粉末包括具有致密(表观密度范围3-9g/cm³)、细且角形形态的第一颗粒，该第二粉末包括具有类球形态和比第一颗粒低的表观密度(1-7g/cm³)的第二颗粒。这些颗粒类型的混合物比单独的第一颗粒类型实现了更高的沉积效率，同时涂层性能的降低极小。此外，通过仅热喷涂第二颗粒类型获得的涂层不具有与本公开的示例实施方案相同的性质或性能。

在示例实施方案中，较高密度的第一粉末包括具有0％至15％、优选0.01％至15％、更优选0.01％至10％、且最优选0.01％至5％的平均可测量颗粒内孔隙率的第一颗粒。在其他实施方案中，较低密度的第二粉末包括具有5％至35％、优选10％至30％、且更优选12％至22％的平均可测量颗粒内孔隙率的第二颗粒。平均可测量颗粒内孔隙率可以通过使用SEM测量十个独特的粉末颗粒横截面的十个单独的孔隙率测量值来确定。测量热喷涂涂层内孔隙率的标准为ASTM-E2109-确定热喷涂涂层中孔隙率面积百分比的标准测试方法。本公开使用与测量孔隙率的标准类似的方法，不同之处在于测量孔隙率的标准捕捉颗粒的外部，而本公开采用使用SEM从横截面捕捉颗粒的内部的方法。

在示例实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末表现出角形且不规则形态。因此，使用这种粉末可能导致粉末进给不一致。另外，第一粉末颗粒通常较致密且较难熔化，这导致由于热喷涂中颗粒加热不充分而造成沉积效率较低。与由具有内部孔隙率的粉末如团聚粉末、团聚并烧结粉末以及中空炉球形粉末(HOSP)制成的涂层相比，所得涂层的孔隙率可能较低。

在实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末表现出角形且不规则形态。因此，使用这种粉末可能导致粉末进给不一致。另外，第一粉末颗粒通常较致密且较难熔化，这导致由于热喷涂中颗粒加热不充分而造成沉积效率较低。与由具有内部孔隙率的粉末如团聚粉末、团聚并烧结粉末以及中空炉球形粉末(HOSP)制成的涂层相比，所得涂层的孔隙率可能较低。

在示例实施方案中，包括具有类球形态的第二颗粒的第二粉末呈现出低表面积，当与具有不同形态的其他粉末原料组分组合时，其减少摩擦、改善流动性并降低粘度。

在示例实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括优选被烧结并压碎的具有高密度(表观密度范围3-9g/cm³)的碳化钨-钴铬(WC-CoCr)粉末。在实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括来自元素周期系第IV、V、VI族的元素如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W的所有碳化物。在其他实施方案中，碳化物为WC、TiC、Cr₃C₂、VC以及在具有合金组成的金属基质中的其他碳化物的类型，所述合金组成含有Co、Cr、Ni、Fe、Cu和其他成合金元素。

在实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有硼化物。在其他实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括来自元素周期系第IV、V和VI族的至少两种元素的合金化碳化物或硼化物。在一个实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括Al₂O₃。在其他实施方案中，包括第一颗粒的第一粉末包括Si的碳化物和氮化物。

在示例实施方案中，较高密度的第一粉末中的碳化物具有大于1μm、优选大于2μm、且更优选大于2.5μm的一次平均碳化物尺寸。

在示例实施方案中，第二粉末为优选具有比第一粉末低的密度(1-7g/cm³)的碳化钨钴铬(WC-CoCr)粉末，且优选是团聚并烧结的。在示例实施方案中，较低密度的第二粉末中的碳化物具有小于1μm、优选小于0.8μm、且更优选小于0.5μm的一次碳化物尺寸。

在实施方案中，包括第二颗粒的第二粉末包括来自元素周期系第IV、V、VI族的元素如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W的所有碳化物。在其他实施方案中，碳化物为WC、TiC、Cr₃C₂、VC以及在具有合金组成的金属基质中的其他碳化物的类型，所述合金组成含有Co、Cr、Ni、Fe、Cu和其他成合金元素。在实施方案中，包括第二颗粒的第二粉末包括来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有硼化物。在其他实施方案中，包括第二颗粒的第二粉末包括来自元素周期系第IV、V和VI族的至少两种元素的合金化碳化物或硼化物。在一个实施方案中，包括第二颗粒的第二粉末包括Al₂O₃。在其他实施方案中，包括第二颗粒的第二粉末包括Si的碳化物和氮化物。

本公开的示例实施方案包括热喷涂材料原料，其包括共混比分别为约5％至50％的第二粉末和95％至50％的第一粉末，以提高沉积效率并改善涂层性质，如耐磨性、硬度、附着力和耐腐蚀性，而不会不利地影响压应力、自喷砂/激活和低表面粗糙度。在其他实例中，热喷涂材料原料包括共混比分别为约10％至40％的第二粉末和90％至60％的第一粉末，以平衡沉积效率与涂层性能之间的性质。在又其他实例中，热喷涂材料原料包括共混比分别为20％至35％的第二粉末和80％至65％的第一粉末。

热喷涂材料原料可以通过共混或包覆第一粉末和第二粉末来制造。涂层通过将原料材料热喷涂到基材上来形成。

本公开的示例实施方案中的共混粉末实现了高达50％或更高的沉积效率。相反，仅具有第一颗粒的粉末实现大约20％的沉积效率。此外，本公开的示例实施方案中的共混比实现了涂层残余应力控制和改善的效率。

本公开的示例实施方案包括具有一定共混比的第一粉末和第二粉末的热喷涂材料粉末原料，其通过掺入具有更好的变形能力(即，适形于表面并在角形颗粒碎片(splat)之间适形的能力)的第二粉末而同时实现了高的沉积效率和高的涂层密度。在一个实施方案中，在冲击期间，第二颗粒在具有致密、细且角形形态的第一颗粒周围变形，并通过随后撞击可形成涂层的角形颗粒来被喷丸，从而导致该材料内压应力的增大，这可以通过改变第一颗粒和第二颗粒的比率和性质来控制。

示例实施方案包括一种制造碳化钨涂层组合物的方法，其包括将本公开的材料原料热喷涂到基材表面上以形成碳化钨涂层。在示例实施方案中，热喷涂过程为HVAF或HVOF或类似的高速热喷涂过程。

附图说明

在后面的详细描述中将参考所指出的多个附图，通过本公开的优选实施方案的非限制性实例，来进一步描述本公开。

图1示出了根据各种实施方案的改性粉末的磨损和空化数据。

图2示出了根据各种实施方案的改性粉末的沉积效率和Almen挠曲残余应力。

图3示出了根据各种实施方案的改性粉末的涂层硬度和粗糙度。

图4(A)为示出已烧结并压碎的致密、细且角形颗粒的SEM图像。

图4(B)为示出已团聚并烧结的类球颗粒的SEM图像。

图4(C)为示出使用共混比为25％的已团聚并烧结的类球颗粒和75％的已烧结并压碎的致密、细且角形颗粒的涂层结构的SEM图像。

图5(A)为共混原料粉末的较低放大倍数的SEM图像，其示出了两种离散颗粒类型的适形与非适形性质。

图5(B)为共混粉末的热喷涂涂层的较高放大倍数的SEM图像，其示出了涂层结构内两种颗粒类型的适形与非适形性质。

具体实施方式

图1示意了改性粉末的磨损和空化数据，改性粉末包括AE12368、AE12870-1、AE12870-2、AE12870-3和XW0595。AE12368为包含100％已经烧结并压碎的致密、角形颗粒的材料。XW0595为包含100％通过团聚和烧结制造的颗粒的材料，并主要具有通过该制造方法获得的颗粒所典型的类球形态。AE12870-1和AE12870-2分别为包含团聚并烧结颗粒的50％和75％共混物的材料。AE12870-3为包含共混比为25％的已团聚并烧结的类球颗粒和75％的已烧结并压碎的致密、细且角形颗粒的材料。图1的结果显示，AE12870-1、AE12870-2和AE12870-3材料以及所得涂层在磨损和空化方面的表现出乎意料地比单独的团聚并烧结材料(XW0595)或单独的烧结并压碎材料(AE12368)都好。

图2示意了改性粉末(包括AE12368、AE12870-1、AE12870-2、AE12870-3和XW0595)的沉积效率(DE)和Almen挠曲残余应力。图2的结果显示，如由Almen挠曲所示，与单独的烧结并压碎材料(AE12368)相比，AE12870-1、AE12870-2和AE12870-3材料实现了显著更高的沉积效率和压应力。

图3示意了改性粉末(包括AE12368、AE12870-1、AE12870-2、AE12870-3和XW0595)的涂层硬度和粗糙度。图3的结果显示，AE12870-1、AE12870-2和AE12870-3材料保留了与单独的烧结并压碎材料(AE12368)相似的涂层硬度和低表面粗糙度。

图4(A)示出了已烧结并压碎的致密、细且角形颗粒的SEM图像。

图4(B)示出了已团聚并烧结的类球颗粒的SEM图像。

图4(C)示出，AE12870-3材料提供了一种涂层结构，其中已团聚并烧结的类球颗粒(较浅的阴影)在已烧结并压碎的致密、细且角形颗粒(较深的阴影)周围变形。

图5(A)示出了适形与非适形性质的两种颗粒类型的共混原料粉末的较低放大倍数SEM图像。在图5(A)中，较低密度(即，较高颗粒内孔隙率)的第二粉末包括类球第二颗粒501，而较高密度(即，较低颗粒内孔隙率)的第一粉末包括具有角形且不规则形态的第一颗粒502。

图5(B)示出了来自适形与非适形性质的两种颗粒类型的共混粉末的热喷涂涂层的较高放大倍数SEM图像。图5(A)与图5(B)之间的比较显示，球形第二颗粒501在喷涂操作期间变形为较扁平的非球形第二颗粒503。图5(B)中绘示的较扁平的非球形第二颗粒503的轮廓表明球形第二颗粒501已随后变形。在一些实施方案中，球形第二颗粒501在喷涂操作之前具有0.9或更高的球形度而在喷涂操作之后具有0.8或更低的球形度。

相比之下，图5(A)与图5(B)之间的比较显示，在喷涂操作期间第一颗粒502比第二颗粒502更多地保持其形状，如由图5(B)中喷涂操作后第一颗粒504的角形且不规则形态所证实。

考虑数据整体，可以理解，使用20％至30％的已团聚并烧结的类球颗粒的共混物粉末在性能标准的组合方面提供了优异且出乎意料的结果。例如，图2中的结果表明，AE12870-3材料实现了从18.9％至31.6％的沉积效率改善，沉积效率提高了67％。另外，图1中的结果表明，AE12870-3材料实现了耐磨性和抗空化性的实际提高。最后，图3中的结果显示，AE12870-3材料产生了最低的喷涂态(as-sprayed)表面粗糙度(Ra)。

此外，至少因为本发明在本文中以使得人们能够制作和使用它的方式公开，凭借特定示例性实施方案的公开，例如出于简单性或效率，本发明可以在不存在本文未具体公开的任何附加要素或附加结构的情况下实施。

应指出，提供前述实例仅是出于说明的目的而决不应解释为对本发明的限制。虽然已参照示例性实施方案描述了本发明，但应理解，本文所使用的词语是描述和示意性的词语，而不是限制性的词语。可以在如当前所述和如修改的所附权利要求书的范围内做出改变，而不脱离本发明各方面的范围和精神。尽管已参照特定手段、材料和实施方案描述了本发明，但本发明并不旨在限于本文所公开的细节；相反，本发明延伸至如在所附权利要求书的范围内的所有功能上等同的结构、方法和用途。

Claims

1.一种热喷涂材料原料，所述热喷涂材料原料包含：

(a)第一粉末，所述第一粉末包含第一颗粒，所述第一颗粒具有致密且角形形态和0％至15％的平均可测量颗粒内孔隙率；和

(b)第二粉末，所述第二粉末包含第二颗粒，所述第二颗粒具有5％至35％的平均可测量颗粒内孔隙率。

2.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述第二粉末具有主要类球形态。

3.根据权利要求1或2所述的热喷涂材料原料，所述热喷涂材料原料包含共混比分别为5％至50％的所述第二粉末和95％至50％的所述第一粉末。

4.根据权利要求3所述的热喷涂材料原料，其中所述共混比分别为10％至40％的所述第二粉末和90％至60％的所述第一粉末。

5.根据权利要求3所述的热喷涂材料原料，其中所述共混比分别为20％至35％的所述第二粉末和80％至65％的所述第一粉末。

6.根据权利要求3所述的热喷涂材料原料，其中所述共混比为25％的所述第二粉末和75％的所述第一粉末。

7.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述第一颗粒是烧结并压碎的。

8.根据权利要求7所述的热喷涂材料原料，其中所述第一颗粒包含WC-CoCr粉末、碳化物或在金属基质中的其他硬相，其中所述其他硬相包括：来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有碳化物，来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有硼化物，或来自元素周期系第IV、V和VI族的至少两种元素的合金化碳化物或硼化物。

9.根据权利要求8所述的热喷涂材料原料，其中所述碳化物为WC、TiC、Cr₃C₂、VC、具有合金组成的其他碳化物的类型，所述合金组成含有Co、Cr、Ni、Fe、Cu和其他成合金元素。

10.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述第二颗粒是团聚并烧结的。

11.根据权利要求10所述的热喷涂材料原料，其中所述第二颗粒包含WC-CoCr粉末、碳化物或在金属基质中的其他硬相，其中所述其他硬相包括：来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有碳化物，来自元素周期系第IV、V和VI族的元素的所有硼化物，或来自元素周期系第IV、V和VI族的至少两种元素的合金化碳化物或硼化物。

12.根据权利要求11所述的热喷涂材料原料，其中所述碳化物为WC、TiC、Cr₃C₂、VC和在具有合金组成的金属基质中的其他碳化物的类型，所述合金组成含有Co、Cr、Ni、Fe、Cu和其他成合金元素。

13.根据权利要求10所述的热喷涂材料原料，其中所述第二颗粒包含Al₂O₃。

14.根据权利要求10所述的热喷涂材料原料，其中所述第二颗粒包含Si的碳化物和氮化物。

15.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述热喷涂材料原料具有超过20％的沉积效率。

16.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述热喷涂材料原料具有20％至50％的沉积效率。

17.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述热喷涂材料原料具有30％至50％的沉积效率。

18.一种制造快速碳化物涂层的方法，所述方法包括：

向基材表面上热喷涂权利要求1所述的材料原料以形成涂层。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述热喷涂过程通过高速空气燃料(HVAF)或高速氧燃料(HVOF)进行。

20.一种由根据权利要求1所述的热喷涂材料获得的快速碳化物涂层。

21.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述第一颗粒具有0％至15％的平均颗粒内孔隙率，并且所述第二颗粒具有10％至35％的平均颗粒内孔隙率。

22.根据权利要求11所述的热喷涂材料原料，其中所述第一颗粒包含碳化物，并且所述碳化物具有大于1μm的一次平均碳化物尺寸。

23.根据权利要求10所述的热喷涂材料原料，其中所述第二颗粒包含碳化物，并且所述碳化物具有小于1μm的一次平均碳化物尺寸。

24.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中包含所述第一颗粒的所述第一粉末具有0.01％至15％的平均可测量颗粒内孔隙率。