CN1302221A - 有电弧喷涂基材的催化剂部件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

将金属电弧喷涂到基材上,在基材上产生一层锚层,该锚层用作催化材料沉积在上面的令人吃惊优越的中间层。甚至在小型发动机或在大型发动机紧密连接的位置中产生的苛刻条件下也能防止催化材料剥落。

Description

有电弧喷涂基材的催化剂部件及其制备方法 相关申请的相互参照

本申请书为Michael P.Galligan等于1998年5月1日提交的题目为“有电弧喷涂基材的催化剂部件及其制备方法”的共同未决的美国专利申请No.09/071663的部分继续申请，上述申请书在这里作为参考并入，以及为Michael P.Galligan等于1999年4月16日提交的题目为“有电弧喷涂基材的催化剂部件及其制备方法”的共同未决的美国专利申请No.09/293216的部分继续申请，上述申请书在这里作为参考并入，并且它也是所述的美国专利申请No.09/071663的部分继续申请。

发明背景

发明范围

本发明涉及有催化作用的基材，也就是涉及含有上面涂有催化材料的基材的催化剂部件，以及涉及制备这样的有催化作用的基材的方法。更具体地说，本发明涉及含有用金属锚层涂覆的基材的有催化作用的基材，金属锚层使催化材料对基材的附着性增加或使催化剂部件在金属容器中的安装更容易。

相关技术

1993年4月20日颁发给I.V.Gorynin等的US5204302题目为“催化剂组合物及其制备方法”，下文称为“’302专利”。’302专利公开了一种负载在金属基材上的多层催化剂材料。金属基材(第4列，第64-68行)可为任何一种热稳定的金属，包括不锈钢和低合金钢，’302专利指出，不管使用什么类型的基材，粘合层的性能没有明显的差别。正如在该专利的图1和第4列、第32行以下各行中描述的，使用火焰喷涂或等离子体喷涂设备(图2和第5列、第32行以下各行)将附着的亚层12涂覆到金属基材11上，它在实断面中表示为致密(实心的)板状结构。附着的亚层12含有由许多金属配对中任何一种(包括铝和镍)形成的自粘合的金属间化合物，如在’302专利的第5列、第1-6行描述的。据说火焰或等离子体喷涂操作的高温通过基材11和亚层12的材料穿过其界面的扩散产生扩散层(图1中的13)(第4列、第37-41行)。将催化活性层14(图1)喷涂到亚层12上；随着不断远离界面，形成催化活性材料的含量不断增加的梯度组成(第5列、第7-24行)。催化活性层可为氧化铝、优选γ-氧化铝；还可含有指定的金属氧化物稳定剂，例如CaO、Cr₂O₃等以及金属氧化物催化材料，例如ZrO₂、Ce₂O₃等。多孔层18(图1和第5列、第25-32行)含有某些催化活性组分和过渡金属氧化物作为成孔化合物的例如MnCO₃、Na₂CO₃等的分解产物，估计当成孔化合物热分解时(参见第7列、第37-45行)，由碳酸盐或氢氧化物放出气体，由此成孔化合物形成孔(第7列、第40-45行)。正如在第5行、第44行以下各行和第7列、第37行以下各行描述的，亚层12、催化活性层14和多孔层18可用连续等离子体喷涂操作涂覆，其中按预选的次序和预选的间隔将不同的粉末21、28和33(图2)送入等离子体喷涂。优选用磁溅射法将任选的活化剂涂层19涂覆到多孔层上(参见第4列、第56-63行和第8列、第24行以下各行)。

1977年6月7日颁发给H.S.Rondeau的US4027367题目为“镍铝合金和镍钛合金的喷涂粘合”，下文称为“’367专利”，在这里作为参考并入。’367专利公开了一种通过将金属组分丝送入电弧喷枪进行自粘合材料具体地说是镍铝合金或镍钛合金的电弧喷涂方法(第1列、第6-13行)。’367专利从第1列、第25行开始提出燃烧火焰喷枪例如送入氧和乙炔的喷枪使送入火焰的粉末熔融。据说这样的燃烧火焰喷枪在相对低的温度下操作，它常常不能喷涂熔点大于5000°F(2760℃)的材料。’367专利还提出(第1列、第32行开始)，等离子体弧喷枪是最贵类型的热喷涂设备，它比燃烧型火焰喷枪产生高得多的温度，高达约30000°F(16649℃)。在’367专利中进一步指出，等离子体弧喷枪需要用于产生等离子体的惰性气体源以及对气体流速和用于适合操作的电源的极准确的控制。相反，从第1列，第39行开始，说明电弧喷枪仅需要电源和供应压缩空气或其他用于雾化和推动在电弧中熔融的材料到基材或靶材上的气体。从第5列、第28行开始列举了用镍铝合金或镍钛合金的金属丝进料电弧喷涂到适合的基材上的应用，基材包括光滑的钢和铝基材，但是未提到开放的、多孔的或蜂窝型的基材或陶瓷基材，也未提到将制得的制品用作催化材料的载体。

授予Ball的1963年11月19日的US3111396(下文称“’396专利”)公开了一种制备多孔金属材料或“金属泡沫体”的方法。基本上，该法包括制成多孔的有机结构物例如网、布或固化的泡沫体结构物例如开孔海绵；用粉末金属在液体媒液中的流体悬浮液浸渍该结构物；干燥和加热经受渍的结构物，以便除去液体媒液；然后进一步加热有机结构物使它分解并使金属粉末烧结成连续形式。生成的金属结构物虽然在制备过程中未泡沫化，但仍称为泡沫结构物，因为它的最终结构类似泡沫材料的结构。

SAE(汽车工程师协会)技术论文971032由Arun D.Jatkar在国际会议和博览会，底特律，密歇根，1997年2月24-27日发表，题目为“汽车催化转化器用新型催化剂载体结构物”。这篇论文公开了金属泡沫体作为汽车催化剂基材的应用。该论文描述了各种金属泡沫体作为催化剂基材的应用，并指出由于在汽车废气催化剂的环境中遇到的腐蚀问题，由纯镍或镍-铬合金制成的泡沫体都不能成功用作汽车催化剂的基材。据说由FeCrAlloy和ALFA-Ⅳ^铁素体不锈钢粉末制成的金属泡沫体对于用作汽车催化剂的基材是成功的，至少在初步试验中是这样。将有贵金属负载量的陶瓷高比表面积涂层沉积到AstroMet公司生产的ALFA-Ⅳ^金属泡沫体盘上。高比表面积涂层含有γ-氧化铝和氧化铈，其上分散有比例为4∶1的铂和铑，使负载量为40克贵金属/英尺³泡沫体负载的催化剂。据说这样的有催化作用的基材在处理烃类排放物中是有效的。

Pestryakov等在先进材料杂志，1994,1(5)471-476中发表的题为“基于泡沫金属的催化剂”中提出泡沫金属作为催化中和汽车发动机废气的催化材料的载体基材的应用。推荐通过直接沉积在泡沫载体上的方法将高表面积氧化铝的中间层用于金属泡沫体和催化材料之间。除了提高基材的表面积外，氧化铝还能防止基材表面腐蚀。

EMITECH,GmbH的Reck等的题为“用于客车、二轮车和三轮车的催化转化器的金属基材和热管”的SAE论文962473强调催化转化器和热管用于处理小型摩托车和摩托车(特别是那些有两冲程发动机的)废气的应用。

大家熟悉的用于催化材料的金属丝网载体的供应商OptiCat销售在金属丝网上已经等离子体喷涂形成粗糙表面的金属丝网，以改进沉积在上面的催化材料的附着性。

为了将催化材料附着到金属基材上，现有技术的努力包括使用含铝的铁基合金。将该合金形成基材结构中，并在氧化条件下热处理。铝氧化，形成氧化铝晶须，从基材表面突出出来，被认为能为催化材料提供锚定。为了这一目的，其他合金元素例如铪用在铁基金属中已知在氧化处理时也得到这样的晶须。

发明概述

本发明涉及应用电弧喷涂将金属喷涂到用于制备催化剂部件的各种基材上的应用。

本发明的一个方面涉及一种含有通过电弧喷涂将锚层(anchorlayer)沉积在上面的载体基材和沉积在载体基材上的催化材料的催化剂部件。

根据本发明的一个方面，锚层可通过电弧喷涂选自Ni、Ni/Al、Ni/Cr、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr、Co/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Al、Fe/Cr、Fe/Cr/Al、Fe/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Al、Fe/Ni/Cr、300系列不锈钢、400系列不锈钢及其两种或两种以上的混合物的金属原料来沉积。在一个实施方案中，锚层可含镍和铝。在锚层中，铝可为镍和铝的总重的约3至10％、任选约4至6％。

根据本发明的另一个方面，可将催化材料沉积在锚层上。催化材料可含有难熔的金属氧化物载体，一种或多种催化金属组分分散在该载体上。

任选的是，基材可包括至少两个不同密度的区域，其上可有不同的催化材料的有效载量。两个区域可为泡沫金属、金属丝网和/或波纹金属箔蜂窝状基材。

废气处理设备可包括这里所描述的连接到内燃机的废气流路中的催化剂部件。在一类实施方案中，催化剂部件的基材可包括内燃机废气排放前它流过的导管的内表面。

本发明另一广义方面涉及一种含有载体和分散在载体上的催化材料的催化剂部件，所述的载体包括选自泡沫金属基材和蜂窝状整体基材的开放式基材并具有通过热喷涂分布在基材上的锚层。在一特定的实施方案中，基材可为有3-80个孔/英寸(ppi)的泡沫金属。另一方面，泡沫金属基材可有3-30ppi或3-10ppi，或者10-80ppi。任选的是，泡沫金属基材的密度为制作它的金属的密度的约6％。

在本发明的催化剂部件中的载体基材可为金属基材或陶瓷基材或两者的组合。

本发明还提供一种制备催化剂部件的方法。该法包括通过电弧喷涂将金属原料沉积到基材上，以便在基材上得到金属锚层；以及将催化材料沉积到该基材上。任选的是，催化材料也可通过与电弧喷涂不同的方法沉积。催化材料的沉积可包括用含有一种或多种催化组分分散在上面的难熔金属氧化物载体的催化材料涂覆金属锚层。任选的是，该法可包括在使熔融金属冲击到基材表面上时凝固成不规则表面结构的温度下电弧喷涂熔融的金属原料，例如在不大于约10000°F的电弧温度下电弧喷涂熔融的金属。

本发明提供的另一方法涉及一种制备催化剂部件的方法，该法包括将金属原料电弧喷涂到至少一种基材上，以便得到至少一种锚层涂覆的基材；将一种或多种催化活性组分分散在上面的体相难熔金属氧化物组成的催化材料沉积在所述至少一种锚层涂覆的基材上，以便得到至少一种有催化作用的基材；以及将所述至少一种有催化作用的基材结合到其结构确定入口和出口的壳体中，从而在入口和出口之间构成和放置所述至少一个有催化作用的基材，在入口和出口之间确定许多流体流动通道。

所以，本发明可提供这样一种废气处理设备，它包括一种有催化作用的基材，它包括有许多流体流动通道通过它的和其上有电弧喷涂的锚层的金属基材。可能有沉积在锚层上的催化材料，该催化材料包括一种或多种催化活性金属组分分散在上面的体相难熔金属氧化物。可将有该催化作用的基材装在有入口和出口的金属容器中，并放在入口和出口之间，因此至少一部分在入口和出口之间通过金属容器的流体被强制流过流体流动通道，从而与有催化作用的金属基材接触。可将有催化作用的金属基材成形和放置在金属容器内，因此使基本上所有在入口和出口之间通过金属容器流动的流体被强制流过流体流动通道，从而与有催化作用的金属基材接触。

本发明还提供一种通过废气流与这里所述的催化剂部件接触来处理发动机废气流的方法。

本发明还提供一种制备与安装容器一致的催化剂部件的方法，该法包括将锚层沉积到易弯曲的基材上，以便得到锚层涂覆的基材；将催化材料沉积到该基材上；以及在至少一锚层沉积在上面以后将基材再成型，以便与容器一致。锚层的沉积可包括将金属原料热喷涂到基材上，例如通过电弧喷涂和/或等离子体喷涂。该法可任选包括催化材料沉积在上面以后将基材再成型。使基材与容器一致的步骤可包括将基材插在容器中。

本发明可对各种使用有废气处理设备的小型发动机和柴油发动机驱动的设备提供改进，其改进在于，废气处理设备包含这里描述的催化部件。这样的发明包括但不限于摩托车、割草机、燃气动力发电机、碎石增压机等。

附图简介

图1A-1D为放大倍数分别为38倍、55倍、152倍和436倍的没有锚层沉积在上面的泡沫金属基材的显微照片；

图2A-2D为放大倍数分别为38倍、55倍、153倍和434倍的有电弧喷涂的锚层的泡沫金属基材的显微照片；

图2E-2G为放大倍数分别为500倍、1510倍和2980倍的平板金属基材和电弧喷涂在基材上的锚层的横截面显微照片；

图2H为多孔的管状金属基材的正视图；

图2I为本发明含有图2H的基材的催化部件的正视图；

图2J为本发明有喷涂在上面的锚层的金属丝网基材的示意图；

图3A为本发明的一个实施方案有电弧喷涂在上面的锚层的金属基材的示意横截面图；

图3B为加工成波纹结构并放置在另一喷涂过的基材上以后的图3A基材的示意横截面图；

图3C为再加工使基材卷成蜂窝状物以后的图1B基材的示意横截面图；

图3D为说明本发明一特定实施方案制备催化剂部件的示意流程图；

图3E为说明用于本发明的斜波纹长条片断的平面图；

图3F为图3E中所示的波纹长条放大的局部侧面剖视图；

图3G为说明由折叠图3E所示的长条形成的蜂窝状载体芯子的透视图；

图3H为说明芯子与套管的组件的分解透视图；

图3I为图3G所示的芯子的放大局部侧视图；

图3J为类似图3I的放大局部侧视图，但说明组装以后的芯子和套管；

图3K为说明将本发明的芯子插入套管的优选方式的局部横截面图；

图3L为说明组装以后经组装的芯子和套管的挤压操作的横截面图；

图3M为说明将芯子和套管组装的另一供选择方式的平面图；

图3N为说明完成组装以后图3M的芯子和套管的平面图；

图3P为说明本发明的蜂窝状载体产品的平面图；

图3Q为图11中说明的载体的侧视图；

图3R、3S、3T和3U为可在本发明中制备的和使用的另一供选择的芯子结构的平面图；

图4A为装有包括本发明一实施方案的催化部件的废气处理设备的小型发动机的消音器的示意横截面图；

图4B为图4A的设备中A部分的示图；

图5为本发明另一实施方案有锚层沉积在其光滑的外表面上的陶瓷蜂窝状基材的透视图；

图6A为本发明有两个不同密度的泡沫金属区域的废气处理设备的示意横截面图；

图6B为本发明另一实施方案安装在锥形套管中的经涂覆的泡沫金属基材的示意横截面图；

图6C为本发明一实施方案用于催化剂部件的安装套管的示意正视图；

图6D为沿6D-6D线所取的图6C套管的示意横截面图；

图7A为装有本发明的催化剂部件的小型发动机驱动的两轮拖拉机的透视图；

图7B为装有本发明的催化剂部件的摩托车的示意正视图；

图7C为装有本发明的催化剂部件的多用途发动机(utilityengine)的汽油发电机的示意透视图。

发明详述和优选实施方案

本发明涉及通过将金属锚层热喷涂到基材上的方法制备用于催化材料的载体。然后可将催化材料沉积在该载体上。

本发明一个广义方面涉及热喷涂用于将金属锚层涂覆到有开放式结构的基材上，即“开放式基材”。开放式基材形成有许多小眼、孔、孔道或类似的结构特点，它们使液体和/或气体以紊流的方式或基本上非层流的方式通过它们流动并使基材的通过基材流动的流体流路的每单位总体积有高的表面积，例如说使流体在基材中有高传质区的特征结构。相反，致密的基材例如板、管、箔等每单位通过基材的流路的总体积有相对小的表面积，不管基材是否打孔，并且基本上不破坏经其流动的层流。开放式基材可以许多种形式和结构提供，例如包括蜂窝状整体物、纺织网或无纺网、衬垫纤维制品、泡沫的或网状的或格状的三维结构物等。因为这些结构物比致密的基材有更高的表面积以及因为它们能让流体通过它流动，因此它们特别适合用于制备催化处理液体或气体稀释的材料的催化剂部件。本发明的这一广义方面涉及热喷涂法，通常包括等离子体喷涂、单丝等离子体喷涂、高速氧燃料(oxy-fuel)喷涂、燃烧金属丝和/或粉末喷涂、电弧喷涂等，它们以前都未用于开放式基材。热喷涂未用于开放式基材的一个原因是这样一种看法：为了得到很好的结果，基本上所有要喷涂的基材表面都必需相对喷涂头可接近即喷涂头“可见”的位置，而开放式基材有如此大的表面积不能用这种方式接近，也就是开放式基材有这样高比例的表面积不能被喷涂头接触到(即其视线之外)，从而不能得到令人满意的喷涂。但是，本发明揭示，事实上开放式基材可用热喷涂法得到令人满意地涂覆。

本发明的另一方面由这样一发现产生：金属(如在这里使用的和在权利要求书中使用的，该术语包括各金属的混合物，包括但不限于金属合金、假合金和其他的金属间组合物)在金属基材或陶瓷基材上的电弧喷涂例如双金属丝电弧喷涂可得到在催化剂部件领域中作为催化材料的载体有意想不到优越实用性的结构物，不管基材是开放式基材还是致密的基材。双金属丝电弧喷涂(在这里包含术语“金属丝电弧喷涂”和更广义的术语“电弧喷涂”)是一种已知的方法，如上面提及的US4027367所述，该专利在这里作为参考并入。简介地说，在双金属丝电弧喷涂法中，两种原料金属丝作为两种消耗电极。这些金属丝当它们以类似金属丝火焰枪的方式送入喷枪的喷嘴时彼此是绝缘的。金属丝相遇在喷嘴中产生的气流的中心。在金属丝之间引发电弧，通过金属丝流过的电流使其末端熔融。通过喷嘴送入压缩的雾化气体，通常为空气，并穿过电弧区，剪切出熔融的金属滴，形成喷射流，并被推到基材上。只有金属丝原料可用于电弧喷涂体系，因为原料必需是导电的。由喷枪产生的高的颗粒温度在金属基材上的冲击点处产生微小的焊接区。因此，这样的电弧喷涂涂层(本文有时称为“锚层”)具有良好的结合强度和对基材有极好的附着性。

在金属丝电弧喷涂中的主要操作参数包括电弧的电压和电流强度、雾化气体的压缩、喷嘴结构和离基材的距离。电压通常为18-40伏，代表性的为28-32伏；电流为约100至400安培。可将雾化气体压缩到约30至70磅/英寸²。喷嘴结构(例如缝口或十字口)和喷涂类型随所希望的锚层的性质变化，或可选择与其他参数或基材的特性相适应。从基材到喷嘴的适合距离一般为约4至10英寸。另一操作参数为原料的喷涂速度，其典型例子为100磅/小时/100安培(4.5公斤/小时/100安培)。另一参数为涂覆率或原料消耗率，给出一个特定的例子，它可为0.9盎司/英尺²/0.001英寸锚层厚度。(通常有70％(例如对板的喷涂)或更小的沉积效率。)

电弧喷涂涂层比其他热喷涂法的涂层通常更难以精制(例如研磨)，并且通常有更高的喷涂速率。不同电极金属丝可用来产生含有两种或两种以上不同金属材料的锚层，称为“假合金”。任选的是，反应性气体可用来雾化熔融的原料以改变涂覆的锚层的组成或性质。另一方面，使用惰性气体或至少一种不含氧或其他氧化物质的气体可能是有好处的。例如，氧可使金属基材的表面氧化或在原料中引起氧化，从而削弱锚层和基材之间的粘合。

根据本发明，通过使用但不限于以下金属和金属混合物原料可将不同组成的锚层沉积在基材上：Ni、Ni/Al、Ni/Cr、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr、Co/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Al、Fe/Cr、Fe/Cr/Al、Fe/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Al、Fe/Ni/Cr、300系列不锈钢、400系列不锈钢，以及任选它们的一种或多种的混合物。本发明适用于金属丝电弧喷涂到基材上的金属的一个具体的例子是镍/铝合金，它通常含有至少约90％(重量)镍和约3至10％(重量)铝、优选约4至6％(重量)铝。这样的合金可含有少量这里称为“杂质”的其他金属，其总量不大于合金的约2％。一种优选的具体原料合金含有约95％镍和5％铝，其熔点为约2642°F。为了不同的目的，某些这样的杂质可含在合金中，例如加工助剂，它使金属线电弧喷涂过程或锚层的形成更容易或得到有利性质的锚层。

本发明的一个方面是由这样一发现得出，将金属电弧喷涂到金属基材上可得到比具有用其他方法涂覆的金属锚层的载体有意想不到更优越的催化材料的载体。已观测到催化材料要比附着到没有涂覆中间层的基材的载体上更好地附着到有电弧喷涂锚层的载体上，甚至比附着到有等离子体喷涂法沉积的金属层的基材的载体上更好。本发明以前，沉积在基材和催化材料之间有或没有中间层的金属基材上的催化材料常常不能十分好地附着到基材上，得到商业上可接受的产品。例如，有等离子体喷涂的金属中间层和有涂覆到中间层上的催化材料的金属基材不能保留住催化材料，这些催化材料在日常操作时剥落，显然是由于中间层与基材的粘合受损坏。观测到在其他载体上的催化材料在正常使用时剥落，显然是由于受到高的气流速率、热循环、高温物流和废气流的其他组分的侵蚀性接触、振动等的作用。所以，本发明通过提高催化材料耐用性改进了含有负载在载体基材上的催化材料的催化剂部件的耐用性。也可将这样的催化剂部件用于象涡轮增压器这样的敏感设备的上游位置，这样的设备会由于现有技术催化剂部件的催化材料和/或锚层材料剥落而损坏。

令人吃惊的是，申请人发现，金属喷涂在金属基材上的电弧喷涂(其中金属丝电弧喷涂是一特定的实施方案)相对于等离子体喷涂在生成的锚层和基材之间产生更好的粘合。据认为电弧喷涂的锚层有至少两个与用等离子体喷涂涂覆的锚层不同的特点：更好的锚层-金属基材界面粘合以及高度不规则的表面或“粗糙”表面。据认为，锚层-金属基材界面粘合可能是在界面处进行的喷涂的金属和金属基材之间的扩散的结果，尽管金属丝电弧喷涂在相对低的温度下进行。例如，电弧温度可能不大于10000°F。在这样的情况下，预计熔融的原料的温度不大于约5000°F、优选1000-4000°F、更优选不大于约2000°F。还认为这样的低温是造成特别不平的锚层表面的原因，因为喷涂的材料在基材上(无论金属或是陶瓷)如此迅速地冷却到凝固温度，以致它在基材表面上没有明显流动，所以不会变平。而是凝固成不规则的表面结构。因此，锚层的表面有粗糙的外形，为沉积在上面的催化组分和材料提供了很好的实际锚定。粗糙的外形看来是“柱状物形成”的结果，由原料的一个熔融的液滴在另一液滴顶端上连续的沉积和凝固形成小的柱状的结构。

电弧喷涂法可用于在各种基材上形成锚层，这些基材可改变其组成和/或物理结构。例如，基材可为开放式基材或致密的基材；它可为金属板、管、箔、丝、丝网、刚性的或可展延的泡沫金属等，陶瓷结构物或其两种或两种以上的组合物。喷涂的金属与基材金属的匹配看来是不重要的。

正如上述，泡沫金属可提供一种用于本发明的开放式基材的物质。制备泡沫金属的方法在本专业中是已知的，正如上面讨论的US3111396证明的，以及泡沫金属作为催化材料的载体的应用在本专业中已提出，如上述SAF技术论文971032(上面所引)和Pestryakov等的杂志论文(上面所引)认识到的。泡沫金属可用各种方法表征，其中一些方法涉及布置金属的初始有机基质的性质。在本专业中认识的泡沫金属基材的某些特征包括泡孔尺寸、密度、自由体积和比表面积。例如，表面积可为与泡沫体基材有相同大尺寸的致密基材的1500倍。正如Pestryakov等提出的，适用作催化剂部件的载体的泡沫金属基材的平均泡孔直径可在0.5-5毫米范围内，它们的自由体积可为约80至98％，例如泡沫基材占有的3-15％体积可由金属构成。基材的孔隙率可为3-80ppi，例如3-30ppi或3-10ppi或另一方面为10-80ppi。例如，已发现有5ppi的金属泡沫体适用作摩托车发动机用催化剂部件的催化材料的载体。在10-80ppi的例证性范围内，其他特性例如每平方英寸的泡孔数可在100-6400范围内变化和估计的网径可在0.01至0.004英寸范围内变化。这样的泡沫体可有开孔网状结构，以网状的/相互连接的网前体为基础。它们的表面积通常随孔隙率从大约700米²/英尺³泡沫体(在大约10ppi下)增加到4000米²/英尺³(在大约60ppi下)等。其他适合的泡沫金属基材的表面积为约200英尺²/英尺³泡沫金属(在约10ppi下)至约1900英尺²/英尺³(在约80ppi下)。一种这样的基材在厚度为约1.6±0.2毫米和孔隙率为110ppi下的比重为500克/米²。它们的体积密度可为0.1-0.3克/厘米³。可将泡沫金属板卷压、层压等，制成任何所需尺寸的基材。

可用它实施本发明的泡沫镍为商购的约1.6毫米厚的挤压成型板。其纵向拉伸强度可至少为3公斤/厘米²，而横向为9％。在1.3-2.5毫米的厚度下，其比重为350-1000克/米²，而孔径为60-110个孔/英寸(ppi)。一种特定材料的比重为500克/米²和孔径为80ppi。

一种适合用于本发明的泡沫金属基材的密度为约6％。泡沫金属基材可由各种金属制成，包括铁、钛、钽、钨、贵金属、普通可烧结的金属(例如铜、镍、青铜等)、铝、锆等及其组合物和合金(例如钢、不锈钢、Hastalloy、Ni/Cr、因科内尔(Inconel)(Ni/Cr/Fe)和Monel(Ni/Cu)。

不锈钢泡沫体是对板状基材和更贵的合金泡沫体例如FeCrAlloy(FeCrAl)的一种良好的低价的替换物。

Pestryakov等指出，纯泡沫金属的比表面积等于约0.01-0.1米²/克，但这不足以生产用于在反应动力学区进行的各种催化过程的活性催化剂。所以，他们推荐通过将表面积为20-50米²/克的γ-氧化铝直接沉积在泡沫金属上来提高比表面积，虽然他们指出低表面积的泡沫金属可用于高温外扩散过程。而本发明提出将优选含有铝化镍的金属锚层不采用热喷涂而采用例如电弧喷涂到金属泡沫基材上。

为了说明按本发明涂覆的锚层表面与没有锚层的金属基材表面的明显差别，在这里涉及到图1A至图1D，并与图2A至图2D比较。图1A至1D为在不同放大倍数下拍摄的泡沫金属基材的照片。这些图表明基材具有平滑表面的三维网状结构。相比较，图2A至2D为将锚层电弧喷涂在上面以后在相应的放大倍数下拍摄的泡沫金属基材的照片。图1A至1D与相应的图2A至2D的肉眼比较说明将锚层电弧喷涂到基材上得到粗糙的表面，正如这里所述。图2E、2F和2G表示分别在500倍、1510倍和2980倍放大倍数下拍摄的高温钢板基材100和电弧喷涂在上的铝化镍锚层110的断面图。正如由这些图证明的，锚层110在基材100上提供了高度不规则的表面。因此，相对于未喷涂的基材来说，锚层110有效地提高了催化材料可沉积在载体上的表面积，它提供了一些结构特性例如裂缝、岬角等，它们有助于防止催化材料从锚层上剥落。图2E至2G说明电弧喷涂法的相对低的温度使用于锚层的金属原料沉积在基材上，在这样的温度下当原料冲击在基材上时使它凝固，而不是仍然是熔融的并流动成更平滑的结构。

开放式基材的另一类型可用纺织金属丝网或无纺金属丝网提供。本发明使用的纺织金属丝网可以任何适合的组织形式制成，例如平纹、斜纹、平纹Dutch编织形式、斜纹Dutch编织形式、钩编等。金属丝网通常以留下约18至78％开孔面积、更通常留下约30至70％开孔面积的组织形式得到。在本专业中“开孔面积”已知作为开放空间的总丝网面积的量度。这样的材料的网目数(在一英寸中的开孔数)在2个/英寸×2个/英寸(2×2)至635×635之间变化。该丝网可由包括铝、黄铜、青铜、铜、镍、不锈钢、钛等以及它们的组合物和合金的金属丝织成。可用作本发明的开放式基材的无纺金属丝网可由象纺织金属丝网相同的材料制成。金属丝网基材可包括一层或多层用钎焊、焊接或任何其他适合的方法结合在一起的金属线网。

在实施本发明的另一实施例中，如图2H中所示的有孔不锈钢管基材用铝化镍原料电弧喷涂，使锚层沉积在上面；然后可将催化材料沉积在锚层上。得到的催化剂部件的一个样品在图2I中示出。当它用来制备本发明的催化剂部件时，锚层将为催化材料对载体提供很好的附着。如此制成的催化剂部件适用于废气处理设备，例如用作商售的可安装在废气流中，例如在废气管内的管状催化剂部件的替代品。管状催化剂部件可任选安装在传统催化转化器上游的某一处。在一供选择的实施方案中，未打孔的管状基材的内部可用金属丝电弧喷涂，然后用催化材料涂覆。得到的内部涂覆的管状催化剂部件可用来代替现有技术的发动机废气处理设备的传统的没有催化作用的管状部分，例如作为一段废气管。任选的是，直通式催化剂部件可安装在管状催化剂部件内。

用电弧喷涂达到的锚层的强粘合使得到的基材能用各种方法进行机械加工，使基材再成型，而又不使基材的质量减少，也就是机械加工不包括切削、研磨或其他除去基材的加工。例如，锚层沉积在基材上以后，柔韧的(即有展延性的和/或柔性的)锚层涂覆的基材可弯曲、压缩、折叠、滚压、编织等，但切削、研磨等除外。正如这里和权利要求书中使用的，术语“再成型”指能使基材变形但不通过切削、研磨等减少它的质量的所有这样的加工。例如，金属丝电弧喷涂的箔基材可通过用平的箔打折和滚压得到波纹状箔蜂窝状物而再成型。金属丝可通过喷涂，然后与其他金属丝纺织制成用作催化材料的载体的网来再成型。同样，本发明已金属丝电弧喷涂的平金属丝网基材然后可通过卷曲成圆柱形结构或通过制成波纹板进行再成型，任选可与其他基材组合成载体或可单独使用。可任选用这些方法再成型的上面有锚层的多层金属丝网基材示于图2J中。同样，上面有锚层的泡沫金属也可通过压缩再成型，改变它的形状和/或密度，如这里所述的。这样的再成型可在催化材料沉积在泡沫金属基材以前或者甚至以后进行。本发明能制造可以很容易成型装在废气处理设备某一部分的载体和/或催化剂部件，该设备作为催化剂部件的一个容器，例如在特别设计用来放置催化剂部件的金属容器中或在设备的另一部分例如废气集气管、废气流管、高传质面积导管等中。例如，按这里描述的喷涂法和涂覆法制备的平的有催化作用的金属丝网板为了安装在废气管中可通过滚压成螺旋结构进行再成型。任选的是，该基材可能是有弹性的，当插入到装它的结构物中，它可能展开或释放出再成型力而松开，使它压在装它的结构物的内表面上，从而与该结构物相适合。

在图3A中可看到锚层沉积在上面以后再成型的基材的一个例子，该图表示已经金属丝电弧喷涂使锚层110沉积在金属基材100上。然后将喷涂过的基材111折叠，并放在第二个任选喷涂过的基材112上，如图3B所示。可象图3C所示那样，通过将两基材卷曲在一起进一步加工它们，以便制成用于将催化材料沉积在上面的载体114。在图3D中图示说明由这样的载体生产催化剂部件的一种方法，由平的金属箔基材100开始，它通过一波纹工段210，以便生产波纹箔基材100a。波纹基材100a通过有两个电弧喷涂设备212a、212b的电弧喷涂工段212，一个电弧喷涂设备用于喷涂基材100a的一个面。每设备都有一对通电的原料金属丝212d和212e，它们可包括铝化镍合金或其他金属，以及有一喷枪212c，用于使电荷通过电极金属丝之间生成的熔融金属雾化。喷枪将熔融金属原料喷涂到基材上。另外，在工段212′中的平基材100′有电弧喷涂在基材两侧面上的锚层。在步骤214中，将波纹的电弧喷涂过的基材111放置在平的电弧喷涂过的基材112上，再将两个基材缠绕(再成型)，然后在步骤216中以本专业通常已知的方式将它们固定在一起，制成金属蜂窝状载体。在涂覆工段218中，将载体216a浸在装有催化材料浆液的浴218a中。在步骤220中，气刀220a用来从载体上吹掉过量的催化材料。在固定步骤222中，将涂覆过的载体放在炉222a中，在那里干燥和任选焙烧载体，以便除去浆液的液体部分并使催化材料粘合到载体上，从而生产含有沉积在电弧喷涂过的载体基材上的催化材料的催化剂部件。可通过将催化剂部件安装在放置在发动机的废气流中的壳体或金属容器中将它结合在废气处理设备中。

优选的金属蜂窝状载体可按这样一种方法制成，它使用有对边棱的和相对边棱成斜角排列的波纹的波纹箔长条。将箔长条垂直于边棱折叠，得到在两端有流体通道和由波纹长条中平行的外折确定的有形周边的芯子。将如此制成的芯子插入套管，  以致在芯子周边的折与套管处于受压接触，从而使芯子的周边与套管连接在一起。1996年10月10日提交的美国专利申请No.08/728641中详细公开了生产这样的载体的方法以及由此制得的载体，其公开内容在这里作为参考并入。简单地说，一种优选的蜂窝状载体芯子可由这样一种波纹箔长条制成，其中波纹相对于长条的边棱成斜角排列。这样的箔长条的一个实施方案在图3E和3F中示出，通常用参考号数110表示。

说明性长条110最初有不确定的或连续的长度，并有对边棱112和114，以确定长条宽度W，W可在1-9英寸之间，它与要制成的芯子大小有关。长条110是“斜波纹的”，也就是波纹116在边棱112和114之间呈直线通道伸长，并相对于边棱成斜角β倾斜。理想上，所有波纹的角β是相同的，角β优选在4°-15°范围内。在实践中，单个波纹的斜角可相对于其他波纹的斜角有变化，虽然所有的波纹的角β都在优选的范围内。

在图3F中，箔长条110的侧视图放大示出，以便说明波纹116的例证性形状和相对尺寸。正如所示，每一波纹116有高h和间距长1。制作长条110的箔材料的厚度用t表示。

在某些应用中，波纹的高度h优选为约0.01至约0.15英寸，间距长1优选为约0.02至约0.25英寸。波纹的高度和间距长按方程式(1)决定泡孔密度，也就是在转化器中每单位截面积的泡孔数目：

(1)C=cosβ/h·l

通常，泡孔密度C以每平方英寸的泡孔数(cpsi)表示，在某些应用中，可在约50至1000cpsi之间变化。

箔长条110可由“铁素体”不锈钢制成，例如US4414023(Aggen)中公开的。一种适用的铁素体不锈钢合金含有20％铬、5％铝和0.002-0.05％至少一种选自铈、镧、钕、钇和镨的稀土金属或两种或两种以上这样的稀土金属的混合物，其余为铁和制钢的微量杂质。铁素体不锈钢在商业上由Allegheny Ludlum Steel Co.以商品名“Alfa Ⅳ”提供。

另一种适用的商购不锈钢金属合金标记为Haynes 214合金。该合金和其他适用的镍铁合金在US4671931(Herchenroeder等)中公开。这些合金的特征是高耐氧化性和高耐高温性。一个特定的例子含有75％镍、16％铬、4.5％铝、3％铁、任选微量的一种或多种除钇外的稀土金属、0.05％碳，以及制钢的杂质。另一适合的合金为Haynes 230合金，它含有22％铬、14％钨、2％钼、0.10％碳、微量镧，其余为镍。

铁素体不锈钢和Haynes 214和230合金都认为是不锈钢，它们是适用于制造本发明的箔长条和芯子片元件以及它们的多孔蜂窝状转化器主体的耐高温、耐氧化(或耐腐蚀)的金属合金的例子。适合的金属合金必需能长期经受住“高”温，例如900-1200℃(1652-2012°F)。

其他耐高温、耐氧化的金属合金也是已知的，也可使用。对于大多数应用以及特殊的汽车应用来说，这些合金作为“薄”金属或箔使用，也就是其厚度为约0.001至约0.005英寸、优选0.0015至约0.0037英寸。

根据本发明的这一方面，将斜波纹箔长条按垂直于它的边棱线折叠，得到有主要由波纹长条中的平行外折确定的有形周边的芯子。具体地说，箔长条在隔开得到所需的芯体周边形状所选的间隔的折线上以摺的方式反正折叠。在折之间重叠的长条的相邻部分在芯子的两端之间有流体通道。

在图3E中，用参考号数118、119、120、121和122表示例证性平行的折线。这些折线还表明在图3E中从右至左间隔越来越大，得到有圆周边的芯子25的部分，如图3G所示。虽然图3E中的折线的间距不准确和仅仅是示意性的，已知长条110中波纹的高度h，为了产生图3G中所示的圆周边，例如很容易用已知的算法和计算机控制的折叠设备完成长条的折叠。由于折叠操作的结果，长条110的相邻的弦状部分在芯子周边126处的一对外折128之间伸开。同样，相邻长条的片段波纹116以非嵌套的关系相互交叉，在芯子125的两端之间得到流体通道网络。

波纹的交叉在相邻的长条部分产生许多接触点，并对单个箔段或层在垂直于放置它们的弦的方向提供支承。所以，在芯子125中每一长条段或层之间接触点的数目表示贡献给在制成的蜂窝状载体中使用的芯子125的强度和耐用性的参数。在一长条段或层中的每一波纹与相邻层中的波纹交叉有至少6个接触点是优选的，更优选有8个接触点。接触点的数目N_p与长条110的宽度W、斜波纹的角β和波纹的间距长度l有关，如方程式(2)所示：

(2)N_p=2W sinβ/l

将芯子折叠并组装到图3G所示的结构中以后，例如用绳绑扎或放橡胶带或其他绑扎线在芯子周边将它暂时固定。清洗芯子125的周边126、特别是外折128，在每一外折128处露出清洁的金属表面。通过清洗至少外折128，除去涂覆到长条110上的所有涂料。清洗例如可用氧化铝颗粒在高速压缩空气流中喷砂清理芯子125的周边上的表面来完成。也可用碳化硅喷砂清理。也可用其他清洗方法从折叠芯子125的周边除去涂层和其他外来材料。例如，可用大家熟悉的工具例如锉、磨石、钢丝轮刷等刮去或研磨芯子的周边。同样在涂覆以前在折叠处掩盖折线来提供清洁的金属表面也在本发明的范围内。

在如所述的组装和清洗以后，将折叠的芯子插入套管中，以致在芯子周边的折优选在受压下与套管的内表面接触，从而使芯子的周边与套管连接。

在例证性实施方案中和如在图3H中所示，将芯子125轴向插入圆柱形结构的套管130中，与芯子125的外形配套。套管130有内表面132，它优选用厚度为约0.03至约0.08英寸、优选0.04至0.06英寸的不锈钢制成。插入以前，用钎焊合金例如AMDRY Alloy 770涂覆套管130的内表面132，涂层厚度为0.002英寸。另一方面，如图3H中所示，可将芯子125包裹在钎料箔134中，使芯子125的外周边126和套管130的内表面132之间有一层钎料合金。

在芯子125的周边126处有足够数目的外折128与套管130的内表面132接触是重要的，以便确保折128牢固连接到套管的内表面132上。这样的接触优选通过将芯子125压缩使它的直径减小大约1-3％来达到。从图3I和3J的说明中可理解这一压缩和伴随的芯子125直径的减小的原因。

如图3I所示，波纹长条的相邻层或段(表示为110a和110b)在预定的周长126处通过折线128a、128b和128c连接。由于箔长条110用目前已知的折叠设备折叠的不完备性，将折128准确放在芯子125的预定周边126上是不可能的。例如，如图3I所示，折128a放在预定的周边126外，折128b放在预定的周边126外，而折128c放在预定的周边126内。如图3J所示，将芯子125插入套管130并使其处于上面有钎焊合金134的内表面133的压缩作用下，折128a和128b被压缩向内绷紧或变形，以致所有三个折都牢固地与钎焊合金134接触。应当理解，图3I和3J中的说明仅仅是为了解释，以及在实践中，在芯子的周边外各个折128按其折叠态将随机偏离预定的周边或它们与套管130的内表面132相配套。

在图3K中示出将芯子125插入套管130中的一优选的方法。正如所示，将套管130安装在底座136上，并在其上端装配一有截头锥形内表面139的环状锥体模具138，该内表面向下缩小到其内径等于套管130的内径。冲头140用来强制芯子125通过模具138的锥形内表面139，以致当芯子进入套管125时，它受压使芯子周边126的直径减小如上述的约1-3％。

从用3K的说明应理解到，在插入套管130时芯子125的外周边被挤压，并在此后保持在与套管的内表面132的压缩接触中。或者在插入时芯子125可在没有压缩的条件下插入到套管130中，如图3F所示。然后通过用模具138a挤压套管的外部来减小套管130的周边，如图3L所示。用这一方法减小套管130的周边直径以后，使芯子处于与套管130的压缩接触下。

使芯子周边126对套管130的内表面达到压缩负荷的另一供选择的方法是在套管处于展开状态并在焊接或钎焊封闭以前将芯子125插入到套管中。这一实施方案在图3M和3N中说明。芯子125插入到如图3M所示的开口套管130a以后，然后将开口套管径向对芯子125压缩，沿其长度封闭。然后用钎焊或焊接将以前的开缝连接，以便固定经压缩的芯子125。

如图3L、3M和3N所述，芯子插入套管以后，芯子周边和套管内表面相互之间的压缩负荷为芯子125的周边126机械连接到套管130的内部提供了条件。例如，套管130的内表面132可通过各种形式和形状的表面不规则性，例如周边的条纹、丝状物、毛刺、减少涂料等使之粗糙，以致当套管对插入的芯子压缩时，实现芯子125在套管130内的机械保留。这样的机械保留可与用钎焊为代表的粘合相结合，在某些情况下，还可用作对钎焊的替代。因此，在这里术语“连接”用来表征芯子周边与套管的连接，打算包括机械连接和粘合连接以及两者的组合。

为了将芯子周边处的折128钎焊到套管130的内表面132上，优选将芯子和套管的压缩组装物放入一室中。抽空空气，并用非氧化气体优选惰性气体例如氩反充该室。同样，在没有反充气体的条件下也可用真空，只要保留的气氛是不氧化的。在该室中，围绕套管有一感应线圈，线圈和套管之间有约1/8至1/4英寸的间隙。当感应线圈通电时，它就通过感应使套管和箔的外折加热，通过很局部的加热效应，使芯子周边和套管之间的钎料金属熔融。芯子的外折上面没有涂层，因此它们很好地钎焊到套管的外表面上。

上述的方法得到这样一种蜂窝状载体，它有金属套和在两端有一定长度和由波纹长条中的折形成的周边的芯子；与芯子的周边连接的套的内表面与周边的所有折接触；以及芯子的周边和套的内表面的结合。

在图3P和3Q中说明的实施方案中，圆形截面的芯子125在受压下固定在套管130内，还通过在芯子125的外周边和套管130的内表面之间粘合134优选用钎料固定在套管130内。正如图3Q所示，套管比芯子125稍长，以致芯子的两端隐藏在套管130的两端内。

由于通过沿连续的波纹带选择折的间隔间距制成芯子的方法提供的方便，可得到与图3P和3Q中所示的圆柱形结构不同的结构。例如在图3R中，说明了芯子125的多边形更具体地说六边形的末端结构。在图3S中，示出椭圆形末端结构，其中波纹箔的各层横过椭圆形的短轴延伸。在图3T中说明了图3S中所示的椭圆形末端剖面的一个变通方案。例如，在图3T中，芯子125的末端剖面为长椭圆形或“跑道”形。最后，在图3U中，芯子125表示为正方形末端剖面。在图3P-3U中说明的每一实施方案中，蜂窝状载体的外结构为竖直平行六面体，也就是芯子的周面由相互平行和同时也平行于芯子的中轴的直径的直线形成。

正如这里所述的，沉积在基材上的锚层可为过于易变形的或可延展的金属基材提供某些刚性，它可提供催化材料可沉积在上面的粗糙的表面，以及它可封闭金属基材的表面，从而防止基材在使用过程中表面被氧化。正如上面提到的，如这里提供的，使催化材料强力附着到金属基材上的能力还可允许催化剂部件的结构按需要进行变化以符合由废气处理设备安装催化剂部件的金属容器或其他特性施加的物理限制，而又不造成催化剂部件上面的催化材料有明显损失。

适合用于本发明制备的载体基材上的催化材料可通过将任何一种催化活性组分的化合物和/或配合物，例如一种或多种铂族金属化合物或配合物分散到相对惰性的体相载体材料上来制备。正如这里使用的，术语“化合物”，如“铂族金属化合物”指任何一种催化活性组分(或“催化组分”)的化合物、配合物等，当焙烧或催化剂使用时，它们分解或转化成催化活性形式，后者常常是但不一定是氧化物。可将一种或多种催化组分的化合物或配合物溶于或悬浮于任何一种可润湿或浸渍载体材料的液体中，该液体与催化材料的其他组分没有不良的反应，它在加热和/或抽真空时可通过蒸发或分解从催化剂中除去。通常，从经济和环境方面的观点看，可溶性化合物或配合物的水溶液是优选的。例如，适合的水溶性铂族金属化合物为氯铂酸、胺增溶的氢氧化铂、氯化铑、硝酸铑、六胺氯化铑、硝酸钯或氯化钯等。将含化合物的液体浸渍到催化剂的体相载体颗粒的孔中，然后干燥浸渍过的材料，并优选焙烧，以除去液体并使铂族金属粘合到载体材料上。在某些情况下，一直到催化剂使用并接触高温废气以前还不能完全除去液体(例如它可能作为结晶水存在)。在焙烧步骤过程中，或至少在催化剂使用的最初阶段，这样的化合物被转化成铂族金属或其化合物的催化活性形式。可采用类似的途径将其他组分结合到催化材料中。任选的是，可省去惰性载体材料，催化材料可基本上由用传统的方法直接沉积在喷涂过的载体基材上的催化组分组成。

适合用于催化组分的载体材料包括氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化硅-氧化铝、铝硅酸盐、氧化铝-氧化锆、氧化铝-氧化铬等。优选使用高表面积形式的这类材料。例如，γ-氧化铝比α-氧化铝更优选。通过用稳定剂物质浸渍高表面积载体材料来使所述材料稳定是已知的。例如，通过用铈化合物溶液浸渍γ-氧化铝，然后焙烧浸渍过的材料除去溶剂并将铈化合物转化成氧化铈的方法可使γ-氧化铝对热劣化稳定。稳定剂物质的数量可为载体材料重的例如约5％(重量)。催化材料通常以颗粒形式使用，颗粒的尺寸在微米级范周内，例如直径为10-20微米，以致它们可形成浆液并涂覆到载体上。

用于小型发动机的催化剂部件的典型催化材料含有分散在氧化铝上的铂、钯和铑，还含有钕、锶、镧、钡和锆的氧化物。一些适合的催化剂在1996年12月6日提交的美国专利申请书08/761544中公开，其公开内容在这里作为参考并入。其中公开的一个实施方案中，催化材料含有第一种难熔组分和至少一个第一种铂族组分，优选第一种钯组分以及任选至少一个除钯外的第一种铂族金属组分、一种贮氧组分(它优选在第一层中与铂族金属组分紧密接触)。贮氧组分(“OSC”)在贫油发动机操作期间有效地吸收过量的氧，而在富油发动机操作期间释放氧，从而改善由于发动机在富油操作方式和贫油(即氧过量)操作方式之间操作中变化引起的废气流的氧/烃类化学计量的变化。体相氧化铈已知用作OSC，而其他稀土氧化物也可使用。此外，正如上面所述，共形成的稀土氧化物-氧化锆也可用作OSC。共形成的稀土氧化物-氧化锆可用任何一种适合的技术制成，例如共沉积、共凝胶等。制备共形成的氧化铈-氧化锆材料的一种适合的技术在Luccini,E.,Mariani,S.和Sbaizero,O.(1989)的论文“在有尿素的水中制备氧化锆碳酸铈”Int.J.of Materials and Product Technology，第4卷，第2期，第167-175页中说明，其公开内容在这里作为参考并入。正如在该文第169页开始描述的，用硝酸铵作为缓冲剂来控制pH值，制备其比例有利于得到ZrO₂-10％(摩尔)CeO₂的最终产物下的氯化氧锆和硝酸铈的稀(0.1M)蒸馏水溶液。将该溶液在不断搅拌下煮沸2小时，在任何阶段pH值不超过6.5下使之完全沉淀。

任何一种制备共形成的稀土氧化物-氧化锆的适合技术都可使用，条件是生成的产物在成品中含有基本上分散在整个氧化锆基质上的稀土氧化物，而不是仅仅分散在氧化锆颗粒的表面上或表面层内，从而留下基本上是氧化锆基质而其中没有分散稀土氧化物的核。例如，共沉积的锆盐和铈盐(或其他稀土金属盐)可包括氯化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐等。洗涤后，共沉积物可喷雾干燥或冷冻干燥，除去水分，然后在空气中约500℃下焙烧，制成共形成的稀土氧化物-氧化锆载体。上述申请书No.08/761544的催化材料也可包括第一种锆组分、至少一个第一种碱土金属组分以及至少一个选自各镧金属组分和各钕金属组分的第一种稀土金属组分。该催化材料还可含有至少一种碱土金属组分和至少一种稀土组分以及任选至少一种优选自铂、铑、钌和铱组分的另外的铂族金属组分，优选另外的第一层铂族金属组分选自铂和铑和它们的混合物。

在08/761544中公开的具体催化材料含有约0.3至约3.0份(例如每单元体积的克数)至少一种钯组分；0至约2.0份至少一个第一种铂和/或第一种铑组分；约100至约2000份第一种载体；约50至约1000份在第一层中总计的第一种贮氧组分；从0.0和优选约0.1至约10份至少一个第一种碱土金属组分；从0.0和优选约0.1至约300份第一种锆组分；以及从0.0和优选约0.1至约200份至少一个第一种选自铈金属组分、镧金属组分和钕金属组分的稀土金属组分。其他适合的催化材料在US5597771中公开，其公开内容在这里作为参考并入。

一种适用于本发明的具体催化材料可含有43.2％(重量)γ-氧化铝(氧化铝的表面积为150米²/克和孔体积为0.462厘米³/克)；41.5％(重量)第二种γ-氧化铝(有相同的表面积，但孔体积为0.989厘米³/克)；0.3％(重量)氧化钕；0.6％(重量)氧化镧；2.9％(重量)氧化铈(氧化铈以可溶形式加到浆液中)；3.2％(重量)氧化钡；0.3％(重量)氧化锶；2.9％(重量)氧化锆和5.1％(重量)回收的催化剂组合物。难熔氧化物的粒度可为约12微米。更大孔体积的氧化铝的使用旨在帮助提高顶层的孔隙率和有助于外表面的抗毒性。

优选用于摩托车发动机的另一种催化材料含有分散在含有氧化铝、共形成的氧化铈-氧化锆、氧化钡和氧化锆的难熔氧化物载体组分上的含铂和铑的铂族金属组分，它可制备如下。

首先，将铑分散在氧化铝载体上使总量为1818.34克，氧化铝载体组分通过将等重的低表面积小孔氧化铝(表面积为148-168米²/克和孔体积为约0.6厘米³/克)和高表面积大孔氧化铝(表面积为150-170米²/克和孔体积为1±0.04厘米³/克)组合来制备。氧化铝载体组分用含有11.8克硝酸铑的硝酸铑溶液浸渍。

将铂分散在通过等重的VGL氧化铝和共形成的氧化铈-氧化锆混合得到的含有氧化铝和共形成氧化铈-氧化锆的载体组分上，总量为3732.38克。用含有55.38克氢氧化铂胺的氢氧化铂胺水溶液浸渍载体组分。通过将在4700克有1％醋酸的水中的1829克铑浸渍过的氧化铝(干基)和3788克铂浸渍过的氧化铝和氧化铈-氧化锆、含有153克醋酸锆的醋酸锆溶液和230克醋酸钡组合来制备催化材料的浆液。将这些组分混合并在球磨中研磨达到这样一粒度分布，以致使90％颗粒的直径为8微米或更小。该浆液含有约0.3％ Octanol^TM表面活性剂。因此，得到铂和铑的比例为5∶1，而铂构成催化材料的约1.35％(重量)(干基)。据认为共形成的氧化铈-氧化锆起贮氧组分的作用。

用于使催化材料沉积在载体基材上的许多沉积方法在本专业中是已知的，其中大多数都可用于本发明制备的载体。这些方法例如包括将催化材料放在液体媒介中形成浆液，然后通过将载体浸泡在浆液中的方法用浆液润湿载体基材(如上图3D提到的)，或将浆液喷涂到载体上等。另一方面，可将催化材料溶于溶剂中，然后将溶剂润湿到载体基材的表面上，随后除去溶剂在载体基材上留下催化材料或其前体。除去溶剂的步骤可能需要加热润湿的载体和/或使润湿的载体抽真空，通过汽化来除去溶剂。将催化材料沉积到载体上的另一方法是制得催化材料粉末，然后通过静电沉积将它附着到基材上。这一方法适合用于生产用于液相化学反应的催化剂部件。将催化组分涂覆到载体上的这些方法在有关锚层涂覆的制造方法中构成一个单独的步骤，所以它们的应用与US5204302(上面讨论的)公开的有差异，其中用于底涂层涂覆的相同等离子体喷涂法用于催化剂涂覆。这一方法可描述为将锚层电弧喷涂在基材上，中断该基材的喷涂，然后将催化材料沉积在上面。其他一些方法也是已知的，也可使用，包括化学汽相沉积。

本发明的一个方面提供，泡沫金属基材可包含有不同基材密度的区域，所以这些区域在规定的单位体积内有不同的催化材料可沉积的表面积，也就是不同的比表面积。在这里，有均匀比表面积的泡沫金属基材称为“单一密度泡沫基材”，而有不同比表面积区域的基材称为“多密度泡沫基材”。在本专业中已知，单一密度泡沫基材的比表面积可通过适当选择泡沫金属的有机前体来决定。但是，泡沫金属基材在它形成后可能是易变形的和可被压缩的。本发明的电弧喷涂使得在锚层涂覆以后，甚至在催化组分涂覆以后压缩该泡沫体是可行的。

在现有技术中以前未认识到，所给出的用于将催化材料沉积在有不同比表面积区域的开放式基材上的步骤会使不同有效载量的催化材料沉积在不同比表面积的区域中。例如，仅通过压缩一部分单一密度泡沫基材就可作为整体结构物制成多密度泡沫基材，或者它可以用以下方法组装：将有相同催化材料沉积在上面但具有不同比表面积的两个或两个以上单独的单一密度泡沫金属结构物彼此紧密地放置在相同的设备中，也就是彼此有效地连接，以致强制流过一个基材的气体将进入另一基材。例如，催化转化器可包括两个(或两个以上)包括以彼此有效连接的关系放在相同金器容器中的不同密度的单一密度泡沫体的催化部件。本发明有不同比表面积基材的催化剂部件的连接放置可用不同于泡沫金属基材的基材来实施。作为一个例子，本发明的这一方面可用含波纹箔和/或筛网和/或其组合的载体基材来实施。

本发明制备的催化剂部件可用于各种应用场合，这些场合中流体流通过催化剂部件，与其中的催化材料接触。这样的催化剂部件的一个重要的应用是用于流体流中各组分的催化处理的直通式催化剂部件，例如用于发动机废气中的有害组分的催化转化，包括但不限于内燃机例如点燃式汽油发动机例如摩托车发动机、多用途发动机等和压燃式柴油发动机等的废气。这样的废气可含有未燃烧的烃类、一氧化碳CO、氮氧化物NO_x、可溶性油馏分(SOF)、油烟等中的一种或多种，它们被催化材料转化成无害的物质。例如，本发明可在废气再循环(EGR)润滑催化剂中实施，用于从柴油油烟中除去SOF。其他应用包括小汽车驾驶室空气的催化过滤器、可再利用的室内加热空气过滤器、催化灭火器和域市催化水过滤装置。

在上述大多数应用中，都认为提供高表面积的载体，也就是使用开放式基材对于提高流体流和催化剂部件之间的接触是有好处的。对于流体相反应来说，适合的载体通常有许多用于流体从载体的一个面延伸到另一个面流动的流体流动通道。在通常用于气相反应并称为“蜂窝状物”的一种传统载体结构中，通道从载体的入口面到出口面基本上是(但不一定是)直的，它由上面涂覆有催化材料的壁确定，以致通过通道流动的气体都与催化材料接触。载体部件的流动通道可为薄壁孔道，它们可具有任何适合的截面形状和尺寸，例如梯形、长方形、正方形、正弦形、六边形、椭圆形或圆形。这样的结构物每平方英寸截面可有约60至约700个或更多气体入口孔(“泡孔”)(cpsi)、更通常200至400cpsi。这样的蜂窝状载体可用各种方法例如将波纹金属板放在平金属板上，然后将两张板沿芯轴卷在一起的方法由金属基材制成。另一方面，它们可由任何一种适合的难熔材料制成，例如堇青石、堇青石-α-氧化铝、氮化硅、锆莫来石、锂辉石、氧化铝-氧化硅-氧化镁、硅酸锆、硅线石、硅酸镁、氧化锆、透锂长石(petallite)、α-氧化铝和铝硅酸盐。通常，将这样的材料挤压成蜂窝状结构，然后焙烧，从而形成由光滑的内泡孔壁确定的通道和光滑的外表面或“皮肤”。

本发明的金属丝电弧喷涂技术可用来将锚层涂覆到在蜂窝状陶瓷载体中形成的气流通道的光滑内表面上以及载体的前面上，得到待在上面沉积催化材料的优良表面，并使通过催化部件流动的气体的扰动提高，从而使催化活性提高。此外，可使锚层沉积在基材的光滑外表面上，以便使基材在金属容器中的安装更容易，如这里描述的。其他直通式载体也是已知的，例如多孔的泡沫金属、金属丝网等，在这些情况中，气流通道可为非直线的、不规则的或环状的。在许多这样的实施方案中，载体的入口面和出口面分别简单规定为流体进入或离开载体的表面。直通式催化剂部件通常安装一壳体中，例如给通过载体的流体导流的金属容器中。

当沉积到蜂窝状或其他直通式载体上时，特别是那些基于开放式基材的载体，催化材料中各种催化组分的数量常常以每单体积的克数表示，例如克/英尺³(对于铂族金属组分)和克/英寸³(对于整个催化剂部件)，因为这些量度适合不同载体中的不同气流通道结构。适用于处理发动机废气的催化剂部件可含有25.5克/英尺³载量的铂族金属组分，其铂与铑的重量比为5∶1，虽然这些指标可根据设计和性能要求有相当大的变化。最终的催化剂部件可安装在这样的金属容器中，它确定气体的入口和出口，并使催化剂部件安装在发动机的废气管中变得容易。

本发明的催化剂部件很适用于处理小型发动机的废气，特别是两冲程发动机和四冲程发动机，因为催化材料良好地附着到基材上，以及适用于处理柴油发动机废气。与小型发动机相连的废气处理设备与那些用于汽车或其他大型发动机的催化转化器经受的操作条件有很大的不同。这是因为小型发动机驱动的设备比用大型发动机驱动的设备要小得多，例如小型发动机的代表性应用是驱动割草机，而大型的发动机例如驱动汽车。小型发动机也用于机动车辆，例如摩托车、机器脚踏车、雪地汽车、喷气式雪撬、机动船发动机等，以及作为多用途发动机用于链锯、吹雪、吹草和吹叶机、弦线割草机、草坪切边机、园艺拖拉机、发电机等。这样的小型设备吸收和扩散由发动机引起的振动的能力较差，而就催化转化器的放置来说，其设计灵活性较差。由于催化转化器与小型发动机很紧密，催化剂部件受到强烈的振动。此外，虽然发动机的质量小可使废气迅速冷却，但小型发动机的特点是随发动机的负荷增加和减少有高的温度变化。因此，用于处理小型发动机废气的催化剂部件通常比汽车上的催化转化器受到更大的温度变化和更大的振动，因此这些条件使催化材料从现有技术的催化剂部件上剥落。据认为这一问题在处理摩托车废气的设备中更突出，因为在摩托车发动机的每一循环中燃料的燃烧都产生一次爆燃，它通过废气传送出一次冲击波。除了其他小型发动机共有的热和振动外，该冲击波还在催化剂部件上产生周期性的应力，从而对催化材料强力粘合到基材上的需求增加，所以本发明提供的催化剂部件特别有利。

将本发明的催化剂部件结合到象割草机、摩托车、发电机、碎石鼓风机等设备中得到改进的设备。

由于优越的耐用性，本发明的催化剂部件也可以许多现有技术的催化剂部件不适用的方式用于更大型的发动机的废气处理。例如，虽然传统的催化剂部件可放置在所谓的地下位置(underfloor)的发动机的下游适当处，在那里废气的温度和发动机的振动可减小，但本发明的催化剂部件可有利地用在相对于机动车辆发动机紧密连接的位置。紧密连接的位置是比地下位置更靠近发动机得多的位置，它通常在发动机舱中而不是在轿车地板下。紧密连接的位置可离废气集气管数英寸内，或紧邻它。本发明允许这种相对于发动机紧密的放置，而现有技术的催化剂部件不能放在这个地方，由于从发动机产生的强热和振动可使催化剂部件物理损坏，例如催化材料从上面剥落。因此，本发明的催化剂部件的定位更大程度由催化材料的高温耐用性的限制决定，而不是由催化剂部件的物理完整性决定。催化材料从现有技术的催化剂部件上剥落因应力下可柔软或弯曲的金属载体而加剧。由于在金属基材上电弧喷涂锚层的结果，在催化材料和载体之间产生很好的附着，因此本发明在这些应用中是特别有利的。

如上所述，各种金属基材都可用金属原料进行金属丝电弧喷涂，使锚层沉积在上面。因此，锚层可在发动机和/或相关的废气处理设备的各种组件上形成。例如，可将锚层沉积在金属废气集气管的内表面，使催化材料负载在其中。另一方面，也可将活塞帽金属丝电弧喷涂，得到用于将催化材料沉积在上面的锚层。有暴露到发动机废气中的表面的发动机和/或相关废气处理设备任何其他组件都可进行处理，通过将锚层涂覆到组件上，再将催化材料沉积在锚层上制得催化剂部件。

本发明的另一方面涉及用热喷涂使一个基材附着到另一基材上。例如，金属丝电弧喷涂可用于上面已放置有多孔金属网或金属板基材(优选已打孔的)的陶瓷基材，以致锚层将两种基材粘合在一起。因此，可将形成安装片的金属板安装基材牢固连接到陶瓷催化剂部件上，使催化剂部件更容易安装在金属容器中，作为使用昂贵的陶瓷纤维织物安装垫的替代方法。围绕陶瓷催化剂部件的金属安装基材应用的优点在于，金属安装部件比陶瓷整体物或典型的陶瓷纤维织物安装垫有更接近周围的金属容器的热膨胀系数。膨胀性陶瓷纤维织物已用于将陶瓷催化剂部件安装在金属容器中的安装垫，以改善金属容器和催化剂部件的热膨胀的差别，但这样的织物是昂贵的，并在正常的操作条件下质量会变差。金属安装基材比用于催化剂部件固定到容器中的陶瓷纤维织物更耐用，更便宜和更适用，因为它可制成这样的安装片，催化剂部件可通过它铆接、焊接、钎焊等到金属容器上。即使希望继续使用陶瓷纤维织物安装垫，通过本发明的电弧喷涂法沉积的锚层的粗糙表面也可有利地用于使粗糙的附着区域沉积在陶瓷催化剂部件的光滑外表上，以致使催化剂部件更牢固地安装在周围的陶瓷纤维织物内。

连接在废气流路中的有本发明催化剂部件的废气处理设备图示于图4A和4B中。在消音器11中的设备10包括安装在废气管12末端的金属容器15，如箭头13所示，废气管12收集来自小型发动机(未示出)废气出口的废气流。金属容器15为蛤壳型容器，它装有催化剂部件14。在金属容器15中围绕催化剂部件14为一层陶瓷纤维织物16，它作为安装垫，如在本专业中已知的。催化剂部件14在图5中更详细地示出，在那里可看出，催化剂部件14包括形成有许多纵向延伸的气流通道46的挤压成型的陶瓷蜂窝状基材，这些通道在入口面14a和出口面14b之间延伸。催化剂部件14有光滑的外表面14c。催化剂部件14已按本发明进行金属丝电弧喷涂，使其外表面14c上有一锚层区14d。锚层区14d强力附着到陶瓷整体物上，并提供一改进的与陶瓷纤维织物16附着接触的区域。此外，从入口面14a和出口面14b中至少一面喷涂陶瓷整体物，使锚层沉积到气流通道内部，以便提高上面可沉积催化材料的气流通道内的表面积以及得到催化材料和载体之间有强力附着的载体。此外，因为催化剂部件的入口面和出口面被沉积在上面的锚层变得粗糙，气流通道也是这样，所有这些面都倾向于使通过催化剂部件的气体层流扰动，从而提高了废气流中各组分和催化材料之间的接触，使催化剂部件的效率提高。围绕陶瓷纤维织物16周围为任选的金属丝网18。织物16和金属丝网18包裹在催化剂部件14的侧面，并折叠在催化剂部件14的两端14a和14b上。将任选的环状端环20和22焊到容器15上，以便在催化剂部件14的两端14a和14b上施加轴向压力，并有助于将催化剂部件14固定在金属容器15内。在供选择的实施方案中，可这样来构成金属容器15，使端环成为金属容器的一个整体部分。设备10还包括任选的空气入口36a，任选的空气泵38可通过它将空气或其他含氧气体经注入管线40a注入废气流中。消音器11排气到废气管32。在供选择的实施方案中，催化剂部件14可包含金属蜂窝状基材、泡沫金属基材、金属丝网基材或任何一种其他适合的直通式基材。

在操作中，废气通过废气管12进入设备10的金属容器15。气体流过催化剂部件14并进入消音器11的第一室24。当气体流过催化剂部件14时，其中的催化材料促进废气中的某些烃类和CO转化成无害的物质，例如CO2和水。然后气体流过导管26进入第二室28，然后再进入第三室30。气体从消音器11排放到管线32。因此，设备10确定了从管线12经催化剂部件14到管线32的流路。

如上所述，催化剂部件14可由任何一种或多种上述的金属基材制成，例如波纹的滚压金属板、金属箔、金属丝网、泡沫金属等。在图6中说明的一特定实施方案中，催化剂部件14′含有用相同步骤沉积在有不同密度的泡沫金属部分14e和14f上的催化材料。因此，在区域14e中的催化材料载量与区域14f中的不同。如上所述，区域14e和区域14f都可包括单一密度泡沫基材，一个的密度与另一个不同。因此，以类似的方法沉积在上面的催化组分载量可能是不同的。通过将两个彼此紧密接触的所述区域放在金属容器内，可使废气从一个流到另一个。另一方面，催化剂部件14′可含有原来为单一密度的泡沫基材，它在区域14e和14f中的一个区域经压缩，得到不同密度的区域。金属容器15将废气首先导入区域14e的入口面，然后进入区域14f并从区域14f的出口面流出，然后再从金属容器的出口15b流出，如箭头所示。如上所述，本发明包括许多实施方案，其中不同的结构物载有上面有催化材料的锚层。例如，作为本发明的一个实施方案，可将金属管12内部进行电弧喷涂，使锚层沉积在上面，而再将催化材料沉积在锚层上。

图6B中说明了实施本发明的一个优选方式，其中将含有上面沉积有催化材料的经电弧喷涂的泡沫金属基材的催化剂部件14g安装在金属安装套管15′中。套管15′为一锥形结构，例如一截头锥体，其两端是开放的，并从大的一端15a′向小的一端15b′收缩。在一特定的实施方案中，套管圆锥体的锥角可为约5°。可用传统的铸造方法在该套管中制成泡沫金属基材，其中暂时将套管的一端封闭形成一个帽。然后用金属粉末和可膨胀的可除去的材料颗粒的混合物装满套管。然后烧结套管和其中的金属粉末-可除去的颗粒混合物。金属粉末在可除去的颗粒周围形成多孔的基质，然后烧掉可除去的颗粒。生成的泡沫金属基材因此被烧结到套管中。然后基材可具有锚层，而将催化材料沉积在锚层上面。另一方面，泡沫金属基材的制成可与套管无关，然后在用催化材料涂覆以前以及任选但优选在用锚层热喷涂以前用机械方法将它插入到套管中。当泡沫金属基材放置在安装套管内时，可将它烧结、焊接或其他方法固定。优选的是，这样安装锥形催化剂部件，以致废气从大的一端进入，而从小的一端流出，如图6B中流动箭头(没有数字)方向所示。如果在使用过程中金属基材和套管之间的结合变差，那么突缘15c′起到阻止催化剂部件14g被通过的废气从套管15′中吹出的作用。

可按传统的方式将套管15′和其中的催化剂部件14g安装在气体处理设备中。任选的是，可将锥形套管15′安装在安装板115中，以便于废气导管中的催化剂部件的放置。

在一供选择的实施方案中，泡沫金属基材可安装在这样一过渡套管中或在其中制成，该套管有形成为一种几何截面结构的入口部分和形成为不同几何截面结构的出口部分，两者之间有明显的过渡变化。出口部分中至少一部分的半径或直径小于入口部分的相应半径或直径，以致在套管内两部分之间有一突出部分(肩部)。将基材放置在入口部分并压在所述突出部分上，突出部分阻止基材被通过的气体带离入口部分，如果基材与入口部分之间结合被破坏的话。入口部分和出口部分的形状可相同但大小不同，例如两者都为圆柱形部分，在较大的入口圆柱体和较小的出口圆柱体之间有圆环状突出部分。另一方面，如图6C和6D中所见，入口部分与出口部分可有不同的几何结构。图6C和6D示出有正方形管状入口部分15a″和圆管状出口部分15c″的过渡套管15″，圆管状出口部分的内径与入口部分的内边长是相同的。在入口部分和出口部分之间形成四个突出部分15d″，在那里入口部分15a″的对角半径超过出口部分15c″的相应半径。可将有一般正方形截面结构的基材成形在正方形入口部分15a″内并压在突出部分15d″上。使过渡套管这样成形，以致在气体处理设备中可使入口和出口连接到气流导管相应形状的末端。

在另一些实施方案中，本发明经涂覆的基材可用作处理喷气发动机废气的催化剂的载体和/或用作喷气发动机废气催化剂上游的毒物捕集器的载体，以便除去发动机废气中使催化剂活性迅速下降的物质(也就是“毒物”)。

包括装有小型发动机和用于驱动一对车轮43的传动组件的外罩41的两轮园艺拖拉机40示于图7A。把手44从拖拉机向后延伸，以便操纵拖拉机；适合的控制手柄45安装在手把上可接近的位置，以便控制发动机和/或传动设备。两轮拖车48以可拆卸和可转动的方式与拖拉机40的后部相连；有一座位，操作人员可坐在上面驾驶和控制拖拉机40。如图中所见，发动机和传动设备42装有消音器50，发动机废气通过管状催化剂部件52流过消音器50。许多种用具可连接到拖拉车或拖车上，如在本专业中已知的。

图7B示出一种改进的摩托车，它有一小型发动机56，发动机废气流过废气系统58。发动机56安装在框架60上，后者支承在后轮62和前轮64上。前轮以可旋转的方式安装在框架60上，并与把手66相连，把手由坐在框架60座位上的驾驶员操纵。废气系统58的一部分有安装在废气设备的流路中的本发明的管状催化剂部件60。

图7C示出一种安装在支架70上的小型多用途发动机68。发动机68从燃料罐72吸入燃料和从空气过滤器74吸入空气。发动机68的废气通过废气处理系统76，它有安装在发动机出口和消音器80之间的废气管78。废气管78内装有一个或多个催化剂部件，每一个都有直通式基材(例如螺旋状金属丝网)，基材上有电弧喷涂在上面的锚层，而根据本发明催化材料沉积锚层上。在例证性实施方案中，多用途发动机68通过传动单元82连接到发电机84上，后者通过传统的输出接头86提供电力。但是，普通熟悉本专业的技术人员应当理解，多用途的发动机68同样可适用于驱动其他设备，例如泵、压缩机、劈木机等，它们都构成本发明的改进设备。

小型多用途发动机为本发明的涂覆基材提供了另外的环境和应用方式，在那里它们可用作其上有或没有催化材料的灭火器。灭火器用于小型发动机本身在本专业中是已知的，例如已在1996年7月17日提交的共同未决公开的已共同转让的美国专利申请08/682247中公开，因此在这里作为参考并入。

实施例1

六种钢制金属丝网基材和100cpsi金属蜂窝状物都用铝化镍金属丝作为锚层原料进行金属丝电弧喷涂。铝化镍金属丝的直径为1/16英寸(1.59毫米)。将熔融的铝化镍合金用70psi的气压以11磅/小时速率离6英寸远进行喷涂，使锚层沉积在基材上。在100cpsi整体材料上的喷涂工艺使锚涂层成功地沉积在整体材料的内部气流通道。

金属丝网基材之一在空气中在约100至1000℃进行15小时温度循环。在温度循环后，测试该网，并与参照网比较，未观测到两个样品的表面之间有差别。第二个金属丝网基材通过在Bunsen炉的火焰中加热，从室温至约930℃循环3小时，每一循环约6秒钟。同样与参照网比较，未见锚层的表面有差别。将催化材料涂覆到每一样品上，在每种情况下都观测到极好的附着性。

实施例2

将三种不同的催化剂部件按如下制成适用于小型发动机废气处设备的管状结构以便起本发明的管状催化剂部件作用。首先，如实施例1所述，钢制金属筛网用铝化镍合金进行金属丝电弧喷涂，使锚层沉积在基材上。然后用含有重量比为5∶1的约1-3％(重量)铂和铑作为主催化物质的催化材料涂覆筛网状基材，载量为0.31克/英寸²基材。然后将筛网卷成直径约1.75英寸的管，长度约7.25英寸，然后沿接缝的三个点进行定位焊，使它接连在一起。这一结构物在管的每一侧有约69英寸²表面积，总的表面积为138英寸²。

其次，如实施例1所示，用铝化镍合金金属丝电弧喷涂金属人字形箔，在上面形成锚层。然后用上述相同的催化材料涂覆经喷涂的箔基材，其高比表面涂层载量为0.167克/英寸²。将箔切成6英寸宽、23英寸长，因此每一侧的表面积为约138英寸²。将箔卷成外径2英寸和长6英寸的管子。

实施例1的经喷涂的金属网基材都用上述催化材料涂覆。基材为开放式的和多孔的，因此表面积难以定量。

将每一种上述的催化剂部件安装在长7.75英寸和内径2.375英寸的废气管中，制得管状催化剂部件。将每一个管状催化剂部件与50毫升两冲程发动机的废气管相连，二次空气以10升/分的速率注入废气管。用在各种操作条件或方式下运转的发动机，通过在催化剂部件的一个上游点和一个下游点分别两次取废气样来测试各种管状催化剂部件的效率。对于每一测量来说，发动机在给定的操作方式下运转3分钟。将上游和下游样品的数据平均，平均值用于计算管状催化剂部件中各个催化剂部件的转化率。在空管上进行的测量值作为比较基准。

在约450℃下，每一管状催化剂部件都有显著的烃类转化率。含有六种实施例1的金属丝网基材的管状催化剂部件都有最好的低温(200-325℃)活性。

虽然已参考特定的实施方案详细地描述了本发明，但是显然当阅读和理解了上述内容后，对于普通熟悉本专业的技术人员来说，所述实施方案的许多供选择的方案将出现，在附后的权利要求书的范围内打算包括这些供选择的方案。

Claims (45)

1．一种催化剂部件，包括具有通过电弧喷涂沉积在上面的锚层的载体基材和沉积在载体基材上的催化材料。

2．根据权利要求1的催化剂部件，其中通过电弧喷涂选自Ni、Ni/Al、Ni/Cr、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr、Co/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Al、Fe/Cr、Fe/Cr/Al、Fe/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Al、Fe/Ni/Cr、300系列不锈钢、400系列不锈钢以及其两种或两种以上的混合物的金属原料来沉积锚层。

3．根据权利要求2的催化剂部件，其中锚层含有镍和铝。

4．根据权利要求3的催化剂部件，其中在锚层中铝为镍和铝总重的约3至10％。

5．根据权利要求3的催化剂部件，其中在锚层中铝为镍和铝总重的约4至6％。

6．根据权利要求1的催化剂部件，其中将催化材料沉积在锚层上，该催化材料含有难熔的金属氧化物载体，一种或多种催化金属组分分散在该载体上。

7．根据权利要求1的催化剂部件，其中含有选自金属基材和陶瓷基材的基材。

8．一种连接在内燃机废气流路中的含有权利要求1、3或4的催化剂部件的废气处理设备。

9．根据权利要求8的设备，其中金属基材包括内燃机废气在排放以前流过的导管的内表面。

10．根据权利要求8的设备，其中载体基材包括金属基材。

11．根据权利要求8的设备，其中载体基材包括陶瓷基材。

12．一种催化剂部件，它含有包括开放式基材和该基材上有热喷涂的锚层的载体以及含有涂覆在该载体上的催化材料。

13．根据权利要求12的催化剂部件，其中载体含有选自泡沫金属基材和蜂窝状整体基材的基材。

14．根据权利要求13的催化剂部件，其中基材包括泡沫金属基材。

15．根据权利要求14的催化剂部件，其中泡沫金属基材每英寸有约3至30个孔(“ppi”)。

16．根据权利要求14的催化剂部件，其中泡沫金属基材有约3至10ppi。

17．根据权利要求14的催化剂部件，其中泡沫金属基材有约10至80ppi。

18．根据权利要求14的催化剂部件，其中泡沫金属基材的密度为制成它的金属的密度的约6％。

19．一种催化剂部件，它包括：具有至少两个不同基材密度的区域的载体基材，布置这些区域以使流体从一个区域流到另一区域，以及包括沉积在所述至少两个有不同表面积密度的基材区域上的催化材料。

20．根据权利要求19的催化剂部件，其中至少两个不同基材密度的基材区域上有不同的有效催化材料载量。

21．根据权利要求19或20的催化剂部件，其中至少两个基材区域包括选自泡沫金属、金属丝网和波纹箔蜂窝状物的基材区域。

22．一种制造催化剂部件的方法，该法包括用电弧喷涂法将金属原料沉积到基材上，以便在基材上形成金属锚层；以及将催化材料沉积到该基材上。

23．根据权利要求22的方法，还包括用不同于电弧喷涂的方法沉积催化材料。

24．根据权利要求23的方法，其中催化材料的沉积包括用含有一种或多种催化组分分散在上面的难熔金属氧化物载体的催化材料涂覆金属锚层。

25．根据权利要求22的方法，还包括在熔融金属冲击在基材表面上时凝固成不规则表面结构的温度下电弧喷涂熔融的金属原料。

26．根据权利要求25的方法，还包括用不高于约10000°F的电弧温度喷涂熔融金属。

27．一种制造催化剂部件的方法，该法包括将金属原料电弧喷涂到至少一种基材上，得到至少一种锚层涂覆的基材；将由上面分散有一种或多种催化活性组分的体相难熔金属氧化物组成的催化材料沉积到所述至少一种锚层涂覆的基材上，得到至少一种有催化作用的基材；以及将所述至少一种有催化作用的基材结合到其结构确定了入口和出口的物体中，在入口和出口之间如此形成和布置的所述至少一种有催化作用的基材使得在其间形成有许多流体流路。

28．根据权利要求22-27中任一项的方法，其中通过电弧喷涂选自Ni、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr/Al/Y、Fe/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Cr、Fe/Cr/Al、Ni/Cr、Ni/Al、300系列不锈钢、400系列不锈钢、Fe/Cr、Co/Cr及其两种或两种以上的混合物的金属原料来沉积锚层。

29．根据权利要求28的方法，其中在锚层中铝为镍和铝的总重的约3至10％。

30．根据权利要求28的方法，其中在锚层中，铝为镍和铝的总重的约4至6％。

31．根据权利要求22-27中任一项的方法，其中基材为铁素体钢泡沫体。

32．根据权利要求31的方法，其中金属原料选自Ni、Ni/Cr/Al/Y、Co/Cr/Al/Y、Fe/Cr/Al/Y、Co/Ni/Cr/Al/Y、Fe/Ni/Cr、Fe/Cr/Al、Ni/Cr、Ni/Al、300系列不锈钢、400系列不锈钢、Fe/Cr、Co/Cr及其两种或两种以上的混合物。

33．根据权利要求32的方法，其中在锚层中，铝为镍和铝的总重的约3至10％。

34．一种废气处理设备，它包括有催化作用的基材，该基材包括形成有许多流体流路穿过它的金属基材，该金属基材上有电弧喷涂在上面的锚层，而催化材料分布在锚层上，该催化材料包含其上分散有一种或多种催化活性金属组分的体相难熔金属氧化物；以及包括有入口和出口的金属容器，有催化作用的金属基材包装在该容器中，将有催化作用的金属基材放置在入口和出口之间，因此至少一部分通过金属容器入口和出口之间流动的流体被限制流过所述流体流路，从而与有催化作用的金属基材接触。

35．根据权利要求34的催化剂部件，其中有催化作用的金属基材成形和放置在金属容器中，从而基本上所有通过金属容器入口和出口之间流动的流体都被限制经所述流体流路流动，从而与有催化作用的金属基材接触。

36．一种处理发动机废气流的方法，该法包括使废气流流动与权利要求1或19的催化剂部件接触。

37．具有发动机和废气处理设备的摩托车，其改进包括所述废气处理设备包含权利要求1-6、19或20中任一项的催化剂部件。

38．一种包括有权利要求1-6、18或19中任一项的催化剂部件的废气处理设备的多用途发动机。

39．具有发动机和废气处理设备的割草机，其改进包括发动机包含权利要求38的多用途发动机。

40．一种制造适合于安装容器的催化剂部件的方法，该法包括：将锚层沉积在易变形的基材上，得到锚层涂覆的基材；将催化材料沉积在该基材上；以及在至少所述锚层沉积在上面以后将基材再成型与容器相适合。

41．根据权利要求40的方法，其中锚层的沉积包括将金属原料热喷涂到基材上。

42．根据权利要求40的方法，其中锚层的沉积包括将金属原料电弧喷涂到基材上。

43．根据权利要求40、41或42的方法，还包括在催化材料沉积在基材上面后使基材再成型。

44．根据权利要求40、41或42的方法，还包括将催化剂部件安装在容器中。

45．根据权利要求40的方法，其中锚层的沉积包括将金属原料等离体喷涂到基材上。

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