DE102012022921A1

DE102012022921A1 - Funktional abgestufte Beschichtung

Info

Publication number: DE102012022921A1
Application number: DE102012022921A
Authority: DE
Inventors: Quingjun Zheng; Piyamanee Komolwit; Yixiong Liu; Jim Faust; Jonathan W. Bitler; Srinivasarao Boddapati
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-05-29
Also published as: US20140342173A1; US8808870B2; US20130136941A1; CN103132074A; CN103132074B

Abstract

In einem Aspekt werden Verbundgegenstände beschrieben, die multifunktionale Beschichtungen umfassen. Hier wird ein Verbundgegenstand beschrieben, der in einigen Ausführungsformen ein Substrat und eine haftend darauf aufgebrachte Beschichtung mit einer Innenschicht und einer Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen und insbesondere multifunktionale Beschichtungen für Metallsubstrate.
HINTERGRUND
Es wird häufig versucht, die Lebensdauer von strengen Umgebungen oder Betriebsbedingungen ausgesetzten Einrichtungen durch Aufbringen von Beschichtungen zu verlängern. Je nach dem zu inhibierenden Versagensmodus stehen verschiedene Beschichtungsidentitäten und -konstruktionen zur Verfügung. So sind zum Beispiel abriebfeste, erosionsbeständige und korrosionsbeständige Beschichtungen für Metallsubstrate entwickelt worden.
Ein bei Beschichtungsanwendungen anzutreffendes erhebliches Problem besteht in vorzeitigem Versagen oder vorzeitiger Degradation der Beschichtung. Beschichtungen von Metallsubstraten können gemäß einer Reihe von Mechanismen versagen, einschließlich Delamination und Rissbildung/Bruch. In einigen Fällen unterliegt ein beschichtetes Metallsubstrat einer Temperaturwechselbeanspruchung, die die Bindung der Beschichtung an das Substrat beeinträchtigen kann. Bei einigen Anwendungen wird das Metallsubstrat zum Beispiel nach der Beschichtung einer Wärmebehandlung wie Warmbadhärten oder Normalglühen unterworfen, um die mechanischen Eigenschaften des Substrats zu verbessern, wobei es zu Brüchen in der Beschichtung kommt. Außerdem können sich in einigen Fällen Risse in der Beschichtung in das Substrat fortpflanzen, was zu zusätzlichen Problemen führt. 1 illustriert den aus Beschichtungsprozessen und/oder einer Wärmebehandlung des Substrats resultierenden Bruch einer an ein Metallsubstrat gebundenen abriebfesten Beschichtung des Standes der Technik. Wie in 1 illustriert, überspannte der Riss die gesamte abriebfeste Beschichtung.
Es sind bereits Versuche zur Bereitstellung von Beschichtungsarchitekturen unternommen worden, die gegenüber vorzeitigem Versagen infolge von Wärmebehandlung, Plattierungsverfahren und anderen Umweltfaktoren beständig sind. So wird zum Beispiel in der US-Patentschrift 5,352,526 eine Verbundbeschichtung mit einer weichen Metallschicht unter einer Hartmetallbeschichtung bereitgestellt, wobei die weiche Metallschicht eine Rissauffangfunktionalität aufweist. Die Verbundbeschichtung der US-Patentschrift 5,352,526 wird durch bereinanderstapeln von Vorformschichten auf der Metallsubstratoberfläche und Erhitzen der Vorformschichten in einem einzigen Schritt zur Bereitstellung der Verbundbeschichtung gebildet. Eine Vorform, die Teilchen der weichen Metallunterschicht umfasst, wird auf das Substrat aufgebracht, wonach eine Vorform aus Feuerfestmaterialteilchen, wie Wolframcarbid, aufgebracht wird. Eine Hartlotfüllervorform wird auf die Feuerfestmaterialteilchenvorform aufgebracht, und alle drei Vorformen werden gleichzeitig erhitzt, was die Beschichtung ergibt. Die Hartlotfüllermaterial-Oberschicht wird durch Kapillarwirkung sowohl in die poröse Feuerfestmaterialteilchenschicht als auch in die poröse weiche Metallteilchenschicht infundiert, was eine im Wesentlichen hohlraumfreie Beschichtung ergibt. Die weiche Schicht zeigt zwar ausreichende Rissauffangeigenschaften, ließ aber eine Rissfortpflanzung über die Grenzfläche mit der Hartteilchenschicht hinaus zu und kompromittierte dadurch die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der weichen Schicht.
KURZE DARSTELLUNG
In einem Aspekt werden hierin Verbundgegenstände beschrieben, die multifunktionale Beschichtungen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die multifunktionalen Beschichtungen von Verbundgegenständen, die hierin beschrieben werden, zur Erhöhung der Abrieb-/Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Gegenstände bei gleichzeitiger Inhibierung von Beschichtungsversagensmodi einschließlich Delamination und/oder Bruch dienen.
Ein hierin beschriebener Verbundgegenstand umfasst in einigen Ausführungsformen ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht eine Metall- oder Legierungsschicht mit einer Porosität von weniger als 40 Vol.-% umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.
in einer anderen Ausführungsform umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die Innenschicht aus vorgesintertem Metall bzw. vorgesinterter Legierung volldicht oder weitgehend volldicht. Alternativ dazu weist die Innenschicht aus vorgesintertem Metall bzw. vorgesinterter Legierung in einigen Ausführungsformen durch die Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht durchdrungene Porosität auf.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht, eine Außenschicht und eine Grenzflächenübergangsregion zwischen der Innenschicht und der Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht ein weitgehend volldichtes Metall oder eine weitgehend volldichte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst. In einigen Ausführungsformen zeigt die Grenzflächenübergangsregion eine von der Innenschicht und der Außenschicht verschiedene Struktur.
In einigen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verbundgegenstände umfasst das Substrat ein Metall oder eine Legierung. Außerdem sind in einigen Ausführungsformen hierin beschriebene Beschichtungen metallurgisch an das Metall- oder Legierungssubstrat gebunden.
In einem anderen Aspekt werden hierin Verfahren zur Herstellung von Verbundgegenständen beschrieben. In einigen Ausführungsformen geht man bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstands so vor, dass man über einer Oberfläche eines Substrats ein Flächengebilde, das eine Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, anordnet, das Flächengebilde zur Bereitstellung einer Innenschicht, die ein haftend auf dem Substrat aufgebrachtes Sintermetall bzw. eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Sinterlegierung umfasst, erhitzt. Über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht wird eine teilchenförmige Zusammensetzung, die in einem Träger angeordnete harte Teilchen umfasst, angeordnet, und über der teilchenförmigen Zusammensetzung wird eine Hartlotlegierungszusammensetzung angeordnet. Die teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung werden zur Bereitstellung einer Außenschicht, die die in einer Legierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt. In einigen Ausführungsformen wird die Außenschicht metallurgisch an die Innenschicht gebunden.
In einigen Ausführungsformen wird das Flächengebilde, das die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, unter zur Bereitstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Sintermetall- oder Sinterlegierungsinnenschicht ausreichenden Bedingungen erhitzt. Alternativ dazu wird das Flächengebilde, das die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, in einigen Ausführungsformen unter Bedingungen zum Erhalt einer Sintermetall- oder Sinterlegierungsinnenschicht mit Porosität erhitzt. In einigen Ausführungsformen, bei denen die Sintermetall- oder Sinterlegierungsinnenschicht Porosität zeigt, wird die Porosität zur Bereitstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Innenschicht durch die Legierungsmatrix der Außenschicht permeiert.
Außerdem wird in einigen Ausführungsformen von hierin beschriebenen Verfahren die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung nicht in einem Flächengebilde, sondern in einem flüssigen Träger angeordnet und auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Danach wird die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zur Bereitstellung einer haftend auf dem Substrat aufgebrachten Innenschicht, die das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung umfasst, erhitzt. Das Sintermetall oder die Sinterlegierung kann je nach den Erhitzungsbedingungen volldicht sein oder Porosität zeigen. Danach können die teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung über der Sintermetall- bzw. Sinterlegierungsinnenschicht aufgebracht und zur Bereitstellung einer Außenschicht, die die in einer Legierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt werden.
Hierin beschriebene Beschichtungen von Verbundgegenständen und Verfahren sind in einigen Ausführungsformen multifunktional. In einigen Ausführungsformen zeigt zum Beispiel eine Metall- oder Legierungsinnenschicht Rissauffang- und/oder Korrosionsbeständigkeitsfunktionalität. Außerdem ist die Beschichtungsaußenschicht, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst, in einigen Ausführungsformen abriebfest und/oder erosionsbeständig.
Diese und andere Ausführungsformen werden in der folgenden näheren Beschreibung näher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert eine auf ein Metallsubstrat aufgebrachte abriebfeste Beschichtung des Standes der Technik, wobei die abriebfeste Beschichtung infolge von während Beschichtungsprozessen und/oder nach dem Beschichten erfolgender Wärmebehandlung des Metallsubstrats induzierten lokalen Spannungen gebrochen ist.
2 illustriert eine Beschichtung mit einer Grenzflächenübergangsregion gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
3 illustriert die Verdichtung einer Pulverlegierung einer Beschichtungsinnenschicht als Funktion der Erhitzungs- oder Sintertemperatur gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittsmetallographie einer kontinuierlichen Sinterlegierung einer metallurgisch an ein Substrat gebundenen Beschichtungsinnenschicht gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
5 ist eine Querschnittsmetallographie eines Verbundgegenstands gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
6 ist eine Querschnittsmetallographie eines Verbundgegenstands gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
7 ist eine Querschnittsmetallographie einer porösen Sinterlegierung einer Beschichtungsinnenschicht gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
8 ist eine Querschnittsmetallographie der Sinterlegierung von 7 nach Aufbringen einer abrasiven Außenschicht auf die Sinterlegierung gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
9 ist eine Querschnittsmetallographie einer Sinterlegierung einer korrosionsbeständigen und rissauffangenden Innenschicht eines Verbundgegenstands gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
10 ist eine Querschnittsmetallographie eines Verbundgegenstands gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
NÄHERE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgende nähere Beschreibung und der folgenden Beispiele und ihrer vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Apparaturen und Verfahren sind jedoch nicht auf die in der ausführlichen Beschreibung und den Beispielen dargelegten spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichend sind. Für den Fachmann ergeben sich ohne Weiteres zahlreiche Modifikationen und Adaptationen, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
In einem Aspekt werden hierin Verbundgegenstände beschrieben, die multifunktionale Beschichtungen umfassen. In einigen Ausführungsformen können multifunktionale Beschichtungen von Verbundgegenständen, die hierin beschrieben werden, zur Erhöhung der Abrieb-/Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Gegenstände bei gleichzeitiger Inhibierung von Beschichtungsversagensmodi einschließlich Delamination und/oder Bruch dienen.
Ein hierin beschriebener Verbundgegenstand umfasst in einigen Ausführungsformen ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht eine Metall- oder Legierungsschicht mit einer Porosität von weniger als 40 Vol.-% umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst. Wie hierin weiterhin beschrieben, umfasst das Metall bzw. die Legierung der Innenschicht in einigen Ausführungsformen ein vorgesintertes Metall bzw. eine vorgesinterte Legierung. Alternativ dazu umfasst das Metall bzw. die Legierung ein Metall bzw. eine Legierung, das bzw. die durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen oder Laser-Cladding abgeschieden ist. In einigen Ausführungsformen schließt das Auftragsschweißen Stab-Auftragsschweißen, Draht-Auftragsschweißen oder Pulver-Auftragsschweißen ein. In einigen Ausführungsformen ist das Metall bzw. die Legierung der Innenschicht durch Infrarot-Cladding oder Induktions-Cladding aufgebracht.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.
Was die Komponenten von hierin beschriebenen Verbundgegenständen angeht, so umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ein Substrat. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Substrat ein Metall oder eine Legierung. Ein Substrat kann zum Beispiel Eisenlegierungen, Nickellegierungen, Cobaltlegierungen oder andere Legierungen umfassen. In einigen Ausführungsformen umfassen Substrate Gusseisen, kohlenstoffarme Stähle, Legierungsstähle, Werkzeugstähle oder nichtrostende Stähle. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Substrat ein Feuerfestmaterial. Außerdem können Substrate verschiedene Geometrien umfassen. In einigen Ausführungsformen weist ein Substrat eine zylindrische Geometrie auf, wobei die Innendurchmesser-Oberfläche (ID-Oberfläche) und/oder die Außendurchmesser-Oberfläche (OD-Oberfläche) mit einer hierin beschriebenen Beschichtung beschichtet sind. In einigen Ausführungsformen umfassen Substrate zum Beispiel Lager, Extruderzylinder, Extruderschnecken, Durchflussregulierungskomponenten, Rollenmeißel, feststehende Schneidmeißel, Rohrleitungen oder Röhren. In einigen Ausführungsformen umfassen Rohrleitungen Kesselrohrleitungen oder Rohrleitungen/Röhren, die strengen Umweltbedingungen einschließlich hocherodierenden Bedingungen unterliegen.
Ein hierin beschriebener Verbundgegenstand umfasst eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, wobei die Beschichtung in einigen Ausführungsformen eine Innenschicht, die ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung umfasst, aufweist. In derartigen Ausführungsformen wird das Metall bzw. die Legierung der Innenschicht als ”vorgesintert” bezeichnet, da Metall- oder Legierungsteilchen zur Bereitstellung der Innenschicht der Beschichtung vor dem Aufbringen oder der Bildung der Außenschicht der Beschichtung gesintert werden. Das Sintern von Metall- oder Legierungsteilchen zur Bereitstellung einer haftend auf dem Substrat aufgebrachten Sintermetall- oder Sinterlegierungsinnenschicht vor dem Aufbringen der Beschichtungsaußenschicht ist eine fundamentale strukturelle Abweichung von vorbekannten Beschichtungen, bei denen Metall- oder Legierungsteilchen bei der gleichzeitigen Herstellung der Innen- und Außenschicht der Beschichtung mit einer Hartlotlegierung infiltriert und/oder verkapselt werden.
Geeignete Metalle oder Legierungen für die Beschichtungsinnenschicht können gemäß verschiedenen Überlegungen, einschließlich u. a. der Zusammensetzung des Substrats, der gewünschten Härte der Innenschicht und/oder der gewünschten Zusammensetzung der Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht, gewählt werden.

In einigen Ausführungsformen umfasst die Innenschicht vorgesintertes Nickel. Die Innenschicht umfasst in einigen Ausführungsformen eine vorgesinterte Nickelbasislegierung. Nickelbasislegierungen zur Verwendung in einigen Ausführungsformen einer Beschichtungsinnenschicht enthalten Additivelemente in variierenden Gehalten. Additivelemente können Bor, Aluminium, Kohlenstoff, Silicium, Phosphor, Titan, Zirconium, Yttrium, Seltenerdelemente, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Kupfer oder Silber oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen haben vorgesinterte Nickelbasislegierungen, die für eine Innenschicht geeignet sind, aus Tabelle I abgeleitete Zusammensetzungsparameter: Tabelle I – Zusammensetzung von vorgesinterter Ni-Legierung

Element	Menge (Gew.-%)
Cobalt	0–15
Chrom	1–30
Molybdän	2–28
Wolfram	0–5
Eisen	0–50
Niob	0–6
Silicium	0–1
Mangan	0–2
Kupfer	0–3
Aluminium	0–1
Titan	0–2
Nickel	Rest

In einigen Ausführungsformen umfasst eine vorgesinterte Nickelbasislegierung einer Innenschicht eine Nickel-Eisen-legierung, wie Ni-30Fe, oder eine Nickel-Chrom-Legierung, wie Ni-20Cr oder Ni-10Cr. Außerdem umfasst eine vorgesinterte Nickelbasislegierung in einigen Ausführungsformen eine Nickel-Kupfer-Legierung wie Ni-55Cu oder Ni-30Cu. In einer Ausführungsform umfasst eine Nickelbasislegierung Ni-2Mn-2Al-1Si. Nickelbasislegierungen sind in einigen Ausführungsformen unter den Handelsbezeichnungen HASTELLOY^®, INCONEL^® und/oder BALCO^® kommerziell erhältlich.
Eine vorgesinterte Legierung einer Innenschicht umfasst in einigen Ausführungsformen Kupferbasislegierungen. Additivelemente für Kupferbasislegierungen können Beryllium, Aluminium, Nickel, Chrom, Cobalt, Mangan, Eisen, Silicium, Zink, Zirconium, Blei, Wolfram, Titan, Tantal, Niob, Bor oder Phosphor oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen umfasst eine vorgesinterte Kupferlegierung einer Innenschicht Cu-45Ni, Cu-10Ni, Cu-(18–27)Ni-(18–27)Mn oder Cu-(29–32)Ni-(1,7–2,3)Fe-(1,5–2,5)Mn.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Innenschicht vorgesintertes Cobalt oder eine vorgesinterte Cobaltbasislegierung. Additivelemente für Cobaltbasislegierungen können Chrom, Molybdän, Wolfram, Nickel, Eisen, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Aluminium, Silicium, Mangan, Titan, Vanadium, Niob, Tantal, Zirconium, Yttrium oder Kupfer oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen sind Cobaltlegierungen unter der Handelsbezeichnung STELLITE^® und/oder MEGALLIUM^® kommerziell erhältlich.
Außerdem umfasst die Innenschicht in einigen Ausführungsformen vorgesinterten nichtrostenden Stahl. In einigen Ausführungsformen umfassen nichtrostende Stähle der Innenschicht austenitische nichtrostende Stähle, einschließlich nichtrostenden Stählen der 300er-Reihe (z. B. 304, 316, 317, 321, 347) und nichtrostenden Stählen der 600er-Reihe (z. B. 630–635, 650–653, 660–665). In einigen Ausführungsformen umfassen nichtrostende Stähle der Innenschicht ferritische nichtrostende Stähle, wie diejenigen, die 10–27% Chrom mit marginalen Nickelgehalten enthalten. Nichtrostende Stähle der Innenschicht umfassen in einigen Ausführungsformen nichtrostende Duplexstähle oder Eisenbasis-Speziallegierungen einschließlich Fe-24Ni-20,5Cr-6,2Mo, Fe-Ni(32,5–35)-Cr(19–21)-Cu(3–4)-Mo(2–3)-Mn(< 2)-Si(< 1).
Wie hierin beschrieben, ist das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung der Beschichtungsinnenschicht in einigen Ausführungsformen vor dem Aufbringen und/oder der Bildung der Außenschicht der Beschichtung volldicht oder weitgehend volldicht. Alternativ dazu weist das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung der Innenschicht in einigen Ausführungsformen Porosität auf. Die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung beträgt in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 40 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen beträgt die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht weniger als etwa 30 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen beträgt die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht weniger als etwa 20 Vol.-%. Die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung beträgt in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 10 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen beträgt die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht weniger als etwa 5 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen ist die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht weitgehend einheitlich. In einigen Ausführungsformen ist die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht zusammenhängend.
Wie hierin weiter erörtert, ist die Porosität eines vorgesinterten Metalls bzw. einer vorgesinterten Legierung der Innenschicht in einigen Ausführungsformen durch die Hartlotmetall- bzw. Hartlotlegierungsmatrix der Außenschicht durchdrungen. In einigen Ausführungsformen ist die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht zur Bereitstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Innenschicht mit der Hartlotmetall- oder Hartlotlegierungsmatrix der Außenschicht permeiert oder infiltriert.
In einigen Ausführungsformen eines hierin beschriebenen Verbundgegenstands umfasst die Innenschicht der Beschichtung ferner Teilchen, die in dem vorgesinterten Metall bzw. der vorgesinterten Legierung angeordnet sind. In derartigen Ausführungsformen fungiert das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung als Matrix für die Teilchen. Zur Verwendung mit der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Innenschicht geeignete Teilchen können harte Teilchen einschließlich u. a. Teilchen von Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallboriden, Metallsiliciden, Keramiken, Sintercarbiden oder Gusscarbiden oder Mischungen davon umfassen. Hierin beschriebene harte Teilchen können Ausscheidungen und/oder Additivteilchen umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfassen harte Teilchen Carbide von Wolfram, Titan, Chrom, Molybdän, Zirconium, Hafnium, Tantal, Niob, Rhenium, Vanadium, Eisen, Bor oder Silicium oder Mischungen davon. Harte Teilchen umfassen in einigen Ausführungsformen Nitride von Aluminium, Bor, Silicium, Titan, Zirconium, Hafnium, Tantal oder Niob oder Mischungen davon. Außerdem umfassen harte Teilchen in einigen Ausführungsformen Boride wie Titandiborid und Tantalboride oder Silicide wie MoSi₂. Harte Teilchen umfassen in einigen Ausführungsformen gebrochenes Sintercarbid, gebrochenes Carbid, gebrochenes Nitrid, gebrochenes Bond oder gebrochenes Silicid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen harte Teilchen intermetallische Verbindungen wie Nickelaluminid.
Harte Teilchen können in der vorgesinterten Metall- bzw. Legierungsmatrix einer Beschichtungsinnenschicht in einer beliebigen Menge vorliegen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in der Metall- bzw. Legierungsmatrix in einer Menge von weniger als etwa 20 Volumenprozent vor. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in der Metall- bzw. Legierungsmatrix in einer Menge von weniger als etwa 10 Volumenprozent vor. Harte Teilchen liegen in einigen Ausführungsformen in einer Menge von weniger als etwa 5 Volumenprozent vor.
Die Innenschicht der Beschichtung mit einer hierin beschriebenen Konstruktion kann eine beliebige Dicke aufweisen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Dicke von mindestens etwa 100 μm. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 200 μm bis etwa 5 mm. Die Innenschicht hat in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 500 μm bis etwa 2 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 500 μm bis etwa 1 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 200 μm bis etwa 1 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 300 μm bis etwa 800 μm.
In einigen Ausführungsformen ist die Innenschicht der Beschichtung mit einer hierin beschriebenen Konstruktion metallurgisch an das Substrat gebunden. Außerdem hat die Innenschicht der Beschichtung mit einer hierin beschriebenen Konstruktion in einigen Ausführungsformen eine Härte gemäß der Rockwell-C-Skala (HRC) von weniger als etwa 40. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht der Beschichtung eine Härte von weniger als etwa 36 HRC. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht der Beschichtung eine Härte von weniger als etwa 30 HRC. In Ausführungsformen, bei denen in dem vorgesinterten Metall bzw. der vorgesinterten Legierung harte Teilchen vorliegen, werden die obigen HRC-Werte an dem Metall bzw. der Legierung bestimmt. Hierin angegebene HRC-Werte werden gemäß ASTM E18-08b Standard Test Method for Rockwell Hardness of Metallic Materials bestimmt.
Die Innenschicht der Beschichtung hat in einigen Ausführungsformen vor dem Aufbringen oder Abscheiden der Außenschicht eine weitgehend einheitliche Oberflächenbeschaffenheit. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht zum Beispiel eine Oberflächenrauigkeit (Ra_μZoll) von weniger als etwa 250 vor der Abscheidung der Außenschicht. In einigen Ausführungsformen hat die Innenschicht eine Oberflächenrauigkeit von weniger als etwa 200 Ra oder weniger als etwa 100 Ra vor der Abscheidung der Außenschicht. Die Innenschicht hat in einigen Ausführungsformen eine Oberflächenrauigkeit im Bereich von etwa 20 Ra bis etwa 250 Ra oder von etwa 30 Ra bis etwa 125 Ra vor der Abscheidung der Außenschicht. In einigen Ausführungsformen wird die Innenschicht vor der Abscheidung der Außenschicht mit mechanischen Mitteln wie Schleifen, Sandstrahlen oder Kombinationen davon mit der gewünschten Oberflächenrauigkeit versehen. Hierin angegebene Oberflächenrauigkeitswerte werden gemäß ASTM D7125-05 Standard Test Method for Measurement of Surface Roughness of Abrasive Blast Cleaned Metal Surfaces Using a Portable Stylus Instrument bestimmt.
Die Innenschicht einer hierin beschriebenen Beschichtung fungiert in einigen Ausführungsformen als Rissauffangschicht. In einigen Ausführungsformen fungiert die Innenschicht als korrosionsbeständige Schicht. Außerdem fungiert die Innenschicht in einigen Ausführungsformen als Rissauffangschicht und korrosionsbeständige Schicht.
Eine Beschichtung eines hierin beschriebenen Verbundgegenstands umfasst auch eine Außenschicht. In einigen Ausführungsformen fungiert die Beschichtungsaußenschicht als abriebfeste und/oder erosionsbeständige Schicht. Die Außenschicht einer hierin beschriebenen Beschichtung umfasst in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen. Die Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht kann gemäß verschiedenen Überlegungen, einschließlich u. a. der Zusammensetzung des Metalls bzw. der Legierung der Innenschicht, der Zusammensetzung des Substrats und/oder der Zusammensetzung der in der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht anzuordnenden Teilchen, gewählt werden. In einigen Ausführungsformen hat die Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht zum Beispiel einen niedrigeren Schmelzpunkt oder eine niedrigere Solidustemperatur als die Metall- bzw. Legierungsinnenschicht, das Substrat und/oder die in der Metall- bzw. Legierungsmatrix angeordneten Teilchen. Der Schmelzpunkt der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht ist in einigen Ausführungsformen mindestens 100°C niedriger als der Schmelzpunkt der Metall- bzw. Legierungsinnenschicht. In einigen Ausführungsformen ist der Schmelzpunkt der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht mindestens 200°C niedriger als der Schmelzpunkt der Metall- bzw. Legierungsinnenschicht.

In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht um ein Hartlotmetall oder eine Hartlotlegierung. Als Matrix der Außenschicht können alle Hartlotmetalle oder Hartlotlegierungen verwendet werden, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar sind. In einigen Ausführungsformen umfasst die Legierungsmatrix der Außenschicht zum Beispiel Nickelbasislegierungen mit aus Tabelle II abgeleiteten Zusammensetzungsparametern: Tabelle II – Zusammensetzungsparameter für Ni-Basislegierungsmatrix der Außenschicht

Element	Menge (Gew.-%)
Chrom	3–28
Bor	0–6
Silicium	0–15
Phosphor	0–12
Eisen	0–6
Kohlenstoff	0–1
Kupfer	0–50
Molybdän	0–5
Niob	0–5
Tantal	0–5
Wolfram	0–20
Nickel	Rest

In einigen Ausführungsformen ist die Legierungsmatrix der Außenschicht aus den Ni-Basislegierungen von Tabelle III ausgewählt. Tabelle III – Zusammensetzungsparameter für Ni-Basislegierungsmatrix der Außenschicht

Ni-Basislegierung	Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
1	Ni-15% Cr-3% B-0,06% C
2	Ni-14% Cr-4,5% Si-4,5% Fe-3,0% B-C
3	Ni-4,5% Si-3,5% B-C
4	Ni-14% Cr-10% P-C
5	Ni-25% Cr-10% P
6	Ni-19% Cr-10,2% Si-C
7	Ni-22% Cr-6,5% Si-4,5% P
8	Ni-15% Cr-8% Si
9	Ni-17% Cr-9% Si-0,1% B
10	Ni-7,0% Cr-5,0% P-50% Cu
11	Ni-4,9% Cr-65% Cu-3,5% P
12	Ni-(13–15)% Cr-(2,75–3,5)% B-(4,5–5,0)% Si-(4,5–5,0)% Fe-(0,6–0,9)% C
13	Ni-(18,6–19,5)% Cr-(9,7–10,5)% Si

Die Legierungsmatrix der Außenschicht umfasst in einigen Ausführungsformen Kupferbasislegierungen. Geeignete Kupferbasislegierungen können als Additivelemente Nickel (0–50%), Mangan (0–30%), Zink (0–45%), Aluminium (0–10%), Silicium (0–5%), Eisen (0–5%) sowie andere Elemente einschließlich Phosphor, Chrom, Beryllium, Titan und/oder Blei umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Legierungsmatrix der Außenschicht aus den Cu-Basislegierungen von Tabelle IV ausgewählt. Tabelle IV – Zusammensetzungsparameter für Cu-Basislegierungsmatrix der Außenschicht

Cu-Basislegierung	Zusammensetzungsparameter
1	Cu-25% Ni-25% Mn
2	Cu-20% Ni-20% Mn
3	Cu-10% Ni
4	Cu-(29–32)% Ni-(1,7–2,3)% Fe-(1,5–2,5)% Mn
5	Cu-(2,8–4,0)% Si-1,5% Mn-1,0% Zn-1,0% Sn-Fe-Pb
6	Cu-(7,0–8,5)Al-(11-14)% Mn-(2-4)% Fe-(1,5–3,0)% Ni

Die Legierungsmatrix der Außenschicht umfasst in einigen Ausführungsformen Cobaltbasislegierungen. Geeignete Cobaltbasislegierungen können als Additivelemente Chrom, Nickel, Bor, Silicium, Wolfram, Kohlenstoff, Phosphor sowie andere Elemente umfassen. In einer Ausführungsform hat eine Cobaltbasislegierung der Außenschicht die Zusammensetzungsparameter Co-17% Ni-19% Cr-4,0% W-8,0% Si-0,8% B-0,4% C.
Wie hierin beschrieben, umfasst die Außenschicht der Beschichtung in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen. Teilchen, die zur Verwendung in der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht geeignet sind, können harte Teilchen umfassen. Harte Teilchen der Außenschicht umfassen in einigen Ausführungsformen Teilchen von Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallcarbonitriden, Metallboriden, Metallsiliciden, Sintercarbiden, Gusscarbiden oder anderen Keramiken oder Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen metallische Elemente von harten Teilchen der Außenschicht Aluminium, Bor und/oder ein oder mehrere metallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems. Hierin beschriebene Gruppen des Periodensystems werden gemäß der CAS-Bezeichnung identifiziert. Harte Teilchen umfassen in einigen Ausführungsformen Wolframcarbid, Bornitrid oder Titannitrid oder Mischungen davon.
Harte Teilchen der Außenschicht können eine beliebige Größe aufweisen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen der Außenschicht eine Größenverteilung im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 1 mm. Harte Teilchen haben in einigen Ausführungsformen eine Größenverteilung im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 500 μm. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine Größenverteilung im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 300 μm. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine Größenverteilung im Bereich von etwa 50 μm bis etwa 150 μm. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine Größenverteilung im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 50 μm. Harte Teilchen zeigen in einigen Ausführungsformen bimodale oder multimodale Größenverteilungen.
Harte Teilchen der Außenschicht können eine beliebige gewünschte Gestalt oder Geometrie aufweisen. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine sphärische oder elliptische Geometrie. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine polygonale Geometrie. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine unregelmäßige Gestalt, einschließlich Gestalten mit scharfen Kanten.
Harte Teilchen können in der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht in einer beliebigen Menge vorliegen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. Die Beladung der Außenschicht mit harten Teilchen kann gemäß mehreren Überlegungen einschließlich u. a. der gewünschten Härte, Abriebfestigkeit und/oder Zähigkeit der Außenschicht variiert werden. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht in einer Menge im Bereich von etwa 20 Volumenprozent bis etwa 90 Volumenprozent vor. Harte Teilchen liegen in einigen Ausführungsformen in der Außenschicht in einer Menge im Bereich von etwa 30 Volumenprozent bis etwa 85 Volumenprozent vor. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in der Außenschicht in einer Menge im Bereich von etwa 40 Volumenprozent bis etwa 70 Volumenprozent vor.
In einigen Ausführungsformen kann die Außenschicht ferner abriebfeste Keramikplatten, Metallmatrixverbundplatten, gebrochene Sintercarbide oder Mischungen davon in der Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht zur Erhöhung der Abriebfestigkeit der Außenschicht umfassen. Keramik- und/oder Metallmatrixverbundplatten und gebrochene Sintercarbide haben in einigen Ausführungsformen eine Größe im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 50 mm in mindestens einer Abmessung.
Die Außenschicht der Beschichtung kann eine beliebige Dicke aufweisen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen wird die Außenschichtdicke gemäß mehreren Überlegungen, wie den gewünschten Abrieb-/Erosionseigenschaften und/oder der gewünschten Lebensdauer der Außenschicht, ausgewählt. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Dicke von mindestens etwa 100 μm oder mindestens etwa 500 μm. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Dicke von mindestens etwa 750 μm oder mindestens etwa 1 mm. Die Außenschicht hat in einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 100 μm bis etwa 5 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Dicke von etwa 500 μm bis etwa 2 mm.
Die Außenschicht der Beschichtung, die in einer Metall- bzw. Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst, ist in einigen Ausführungsformen metallurgisch an die Metall- bzw. Legierungsinnenschicht gebunden. Wie hierin beschrieben, ist ein vorgesintertes Metall bzw. eine vorgesinterte Legierung der Innenschicht in einigen Ausführungsformen vor dem Aufbringen oder der Bildung der Außenschicht volldicht oder weitgehend volldicht. In einigen Ausführungsformen, bei denen das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung der Innenschicht volldicht oder weitgehend volldicht ist, ergibt die Herstellung der Außenschicht über der vorgesinterten Innenschicht eine Grenzflächenübergangsregion zwischen der Außenschicht und der Innenschicht. In einigen Ausführungsformen diffundiert zum Beispiel die Hartlotmetall- bzw. Hartlotlegierungsmatrix der Außenschicht in eine Oberflächenregion des volldichten vorgesinterten Metalls bzw. der volldichten vorgesinterten Legierung der Innenschicht, wodurch sich die Grenzflächenübergangsregion ergibt. Die Grenzflächenübergangsregion hat in einigen Ausführungsformen eine von der Außenschicht und von der Innenschicht verschiedene Struktur. Außerdem hat die Grenzflächenübergangsregion in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 200 μm oder von etwa 5 μm bis etwa 100 μm. In einigen Ausführungsformen hat die Grenzflächenübergangsregion eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 50 μm.
2 illustriert eine Beschichtung mit einer Grenzflächenübergangsregion gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform. Die Beschichtung von 2 umfasst eine korrosions- und rissbeständige Innenschicht, die eine volldichte vorgesinterte Legierung umfasst, und eine abriebfeste Außenschicht, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete harte Teilchen umfasst und metallurgisch an die Innenschicht gebunden ist. Zwischen der abriebfesten Außenschicht und der korrosions-/rissbeständigen Innenschicht ist eine Grenzflächenübergangsregion angeordnet, wobei die Grenzflächenübergangsregion eine von der Außenschicht und der Innenschicht verschiedene Struktur aufweist.
Alternativ dazu hat ein vorgesintertes Metall bzw. eine vorgesinterte Legierung der Innenschicht in einigen Ausführungsformen vor dem Aufbringen oder der Bildung der Außenschicht Porosität. Die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung wird in einigen Ausführungsformen während der Bildung oder Konstruktion der Außenschicht über der Innenschicht durch die Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht durchdrungen. In einigen Ausführungsformen permeiert oder infiltriert die Metall- bzw. Legierungsmatrix der Außenschicht zum Beispiel die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung zur Bereitstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Innenschicht.
Die Außenschicht einer Beschichtung mit einer hierin beschriebenen Konstruktion hat in einigen Ausführungsformen eine größere Härte (HRC) als die Innenschicht der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Härte von mindestens etwa 30 HRC. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Härte von mindestens etwa 35 HRC. Die Außenschicht hat in einigen Ausführungsformen eine Härte von mindestens etwa 40 HRC. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Härte von mindestens etwa 45 HRC. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht eine Härte im Bereich von etwa 40 HRC bis etwa 75 HRC.
Außerdem hat die Außenschicht einer Beschichtung mit einer hierin beschriebenen Konstruktion in einigen Ausführungsformen eine größere Abriebfestigkeit als die Innenschicht und/oder das Substrat. Die hierin angegebene Abriebfestigkeit wird auf der Basis des gemäß Procedure A der ASTM G65 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel gemessenen adjustierten Volumenverlusts bestimmt. In einigen Ausführungsformen hat die Außenschicht einen adjustierten Volumenverlust von weniger als 0,02 cm³ oder weniger als etwa 0,012 cm³. Die Außenschicht hat in einigen Ausführungsformen einen adjustierten Volumenverlust von weniger als 0,01 cm³ oder weniger als etwa 0,008 cm³.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ferner eine oder mehrere über der Außenschicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder Kombinationen davon abgeschiedene Schichten aus Feuerfestmaterial. Über der Außenschicht abgeschiedene CVD- und/oder PVD-Schicht(en) umfassen in einigen Ausführungsformen Keramik, Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, Wolframcarbid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen die über der Außenschicht abgeschiedenen CVD- und/oder PVD-Schicht(en) Aluminium und/oder ein oder mehrere metallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente aus der Gruppe bestehend aus nichtmetallischen Elementen der Gruppen IIIA, IVA und VIA des Periodensystems. In einigen Ausführungsformen werden die Feuerfestmaterialschicht(en) durch Tieftemperatur- oder Mitteltemperatur-CVD über der Außenschicht abgeschieden.
In einem anderen Aspekt umfasst ein hierin beschriebener Verbundgegenstand ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung mit einer Innenschicht, einer Außenschicht und einer Grenzflächenübergangsregion zwischen der Innenschicht und der Außenschicht, wobei die Innenschicht ein volldichtes oder weitgehend volldichtes Metall oder eine volldichte oder weitgehend volldichte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.
In einigen Ausführungsformen zeigt das volldichte oder weitgehend volldichte Metall bzw. die volldichte oder weitgehend volldichte Legierung der Innenschicht eine Struktur oder Konstruktion, die mit der Abscheidung durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding, Induktions-Cladding oder andere Cladding-Techniken im Einklang steht. Die Abscheidung des Metalls bzw. der Legierung der Innenschicht durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding, Induktions-Cladding oder anderen Cladding-Techniken verleiht der Innenschicht eine von den obigen Ausführungsformen, in denen das Metall bzw. die Legierung der Innenschicht vorgesintert ist, abweichende Struktur. Die Außenschicht der Beschichtung, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst, kann jedoch eine beliebige Konstruktion haben, die mit der oben für die Außenschicht angegebenen Konstruktion im Einklang steht.
Die Grenzflächenübergangsregion zwischen der Innenschicht und der Außenschicht hat in einigen Ausführungsformen eine von der Innenschicht und von der Außenschicht verschiedene Struktur. Außerdem hat die Grenzflächenübergangsregion in einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 150 μm. In einigen Ausführungsformen hat die Grenzflächenübergangsregion zwischen der Innenschicht und der Außenschicht eine Dicke im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm. In einigen Ausführungsformen hat die Grenzflächenübergangsregion eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 50 μm.
In einem anderen Aspekt werden hierin Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstands beschrieben. In einigen Ausführungsformen geht man bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstands so vor, dass man über einer Oberfläche eines Substrats ein Flächengebilde, das eine Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, anordnet, das Flächengebilde zur Bereitstellung einer Innenschicht, die ein haftend auf dem Substrat aufgebrachtes Sintermetall bzw. eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Sinterlegierung umfasst, erhitzt. Über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht wird eine teilchenförmige Zusammensetzung, die in einem Träger angeordnete harte Teilchen umfasst, angeordnet, und über der teilchenförmigen Zusammensetzung wird eine Hartlotlegierungszusammensetzung angeordnet. Die teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung werden zur Bereitstellung einer Außenschicht, die die in einer Legierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt. In einigen Ausführungsformen wird die Außenschicht haftend auf der Innenschicht aufgebracht.
Was die Schritte von hierin beschriebenen Verfahren angeht, wird bei einem hierin beschriebenen Verfahren über der Oberfläche eines Substrats ein Flächengebilde, das eine Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist das Flächengebilde, das die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, tuchartig. Das Flächengebilde umfasst in einigen Ausführungsformen ein organisches Material. In einigen Ausführungsformen umfasst das Flächengebilde ein oder mehrere Polymermaterialien. Geeignete Polymermaterialien zur Verwendung in dem Flächengebilde umfassen in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Fluorpolymere einschließlich u. a. Polytetrafluorethylen (PTFE).
In einigen Ausführungsformen wird die gewünschte Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung der Beschichtungsinnenschicht des Verbundgegenstands gewählt und zur Bildung des Flächengebildes mit einem organischen Material, wie einem Polymerpulver, kombiniert. Zur Bildung des Flächengebildes kann man eine beliebige hierin für die Innenschicht angegebene Metall- oder Legierungszusammensetzung mit einem organischen Material kombinieren oder mischen. In einigen Ausführungsformen wird zum Beispiel eine Pulverlegierung mit aus Tabelle I ausgewählten Zusammensetzungsparametern mit einem organischen Material kombiniert. Das organische Material und die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung werden mechanisch bearbeitet oder verarbeitet, um das Metall- oder Legierungspulver in dem organischen Material einzuschließen. In einigen Ausführungsformen wird die gewünschte Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zum Beispiel mit 3–10 Vol.-% PTFE gemischt und mechanisch bearbeitet, um das PTFE zu fibrillieren und das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung einzuschließen. Die mechanische Bearbeitung kann Walzen, Mahlen in einer Kugelmühle, Strecken, Dehnen, Spreiten oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen wird das die Pulvermetall- bzw. Pulverlegierungszusammensetzung umfassende Flächengebilde kaltisostatischem Pressen unterworfen. In einigen Ausführungsformen hat das resultierende Flächengebilde, das das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung umfasst, einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Grünfestigkeit. In einigen Ausführungsformen wird ein eine Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfassendes Flächengebilde der Innenschicht gemäß der Offenbarung einer oder mehrerer der US-Patentschriften 3,743,556 , 3,864,124 , 3,916,506 , 4,194,040 und 5,352,526 , auf die hiermit jeweils in vollem Umfang ausdrücklich Bezug genommen wird, hergestellt.
Alternativ dazu wird die gewünschte Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zum Aufbringen auf das Substrat mit einem flüssigen Träger kombiniert. In einigen Ausführungsformen wird das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung zum Beispiel in einem flüssigen Träger angeordnet, was eine Aufschlämmung oder ein Anstrichmittel zum Aufbringen auf das Substrat ergibt. Geeignete flüssige Träger für hierin beschriebene Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzungen umfassen mehrere Komponenten einschließlich Dispergiermitteln, Verdickungsmitteln, Haftmitteln, Mitteln zur Verringerung der Oberflächenspannung und/oder Mittel zur Schaumverringerung. In einigen Ausführungsformen basieren geeignete flüssige Träger auf Wasser.
In einem flüssigen Träger angeordnete Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzungen können durch mehrere Techniken einschließlich u. a. Spritzen, Streichen, Fluten, Tauchen und/oder verwandte Techniken auf Oberflächen des Substrats aufgebracht werden. Die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung kann je nach der gewünschten Dicke der Beschichtungsinnenschicht in einem einzigen Gang oder in mehreren Gängen auf die Substratoberfläche aufgebracht werden.
Außerdem können in einigen Ausführungsformen in einem flüssigen Träger angeordnete Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzungen gemäß der Offenbarung der US-Patentschrift 6,649,682 , auf die hiermit in vollem Umfang ausdrücklich Bezug genommen wird, hergestellt und auf Substratoberflächen aufgebracht werden.
Nach dem Anordnen über einer Oberfläche des Substrats wird das Flächengebilde bzw. der flüssige Träger, das bzw. der das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung umfasst, zur Bereitstellung der Innenschicht der Beschichtung, die das haftend auf das Substrat aufgebrachte Sintermetall bzw. die haftend auf das Substrat aufgebrachte Sinterlegierung umfasst, erhitzt. Das Flächengebilde bzw. der flüssige Träger wird während des Erhitzungsprozesses zersetzt oder abgebrannt. Das sich aus dem Erhitzungsprozess ergebende Sintermetall bzw. die sich aus dem Erhitzungsprozess ergebende Sinterlegierung kann eine beliebige hierin für ein Sintermetall bzw. eine Sinterlegierung der Innenschicht angegebene Eigenschaft oder Kombination von Eigenschaften aufweisen. In einigen Ausführungsformen werden das Substrat und das Flächengebilde bzw. der flüssige Träger, das bzw. der die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, in einem Vakuum oder einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre auf eine solche Temperatur und über einen solchen Zeitraum erhitzt, dass die Integrität des Substrats gewahrt bleibt und das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung bis zum gewünschten Maß verdichtet wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, hängen Erhitzungsbedingungen einschließlich Temperaturen, Atmosphäre und Zeit von mehreren Überlegungen einschließlich der Beschaffenheit des Substrats, der Beschaffenheit des Pulvermetalls bzw. der Pulverlegierung und der gewünschten Struktur der resultierenden Sinterschicht ab.
In einigen Ausführungsformen wird das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung unter zur Herstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Sintermetall- bzw. Sinterlegierungsinnenschicht ausreichenden Bedingungen erhitzt. Alternativ dazu wird die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung in einigen Ausführungsformen unter zur Herstellung einer Sintermetall- bzw. Sinterlegierungsinnenschicht mit einer gewünschten Porosität ausreichenden Bedingungen erhitzt. In einigen Ausführungsformen wird die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zum Beispiel unter zur Herstellung eines Sintermetalls bzw. einer Sinterlegierung mit hierin beschriebener Porosität ausreichenden Bedingungen erhitzt. In einigen Ausführungsformen wird die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zur Erzielung der gewünschten Verdichtung heißisostatischem Pressen und/oder anderer mechanischer Verarbeitung unterworfen.
3 illustriert die Verdichtung einer Pulverlegierung der Innenschicht als Funktion der Erhitzungs- oder Sintertemperatur gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Die zur Erstellung der Kurve in 3 verwendete Pulverlegierung hatte die folgenden Zusammensetzungsparameter: 20–23% Chrom, 8–10% Molybdän, bis zu 5% Eisen, 3,15–4,15% Niob und Tantal insgesamt, und Rest Nickel. Ähnliche Kurven wie die in 3 illustrierte können bei der Wahl von Erhitzungs- oder Sinterbedingungen für Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzungen zur Bereitstellung einer Sintermetall- oder Sinterlegierungsinnenschicht mit der gewünschten Verdichtung verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird durch das Erhitzen des Substrats und der Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung das resultierende Sintermetall bzw. die resultierende Sinterlegierung der Innenschicht metallurgisch an das Substrat gebunden. Außerdem wird in einigen Ausführungsformen das Substrat vor dem Aufbringen des Flächengebildes bzw. des flüssigen Trägers, das bzw. der die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, gereinigt. Die Reinigung des Substrats kann durch chemische Behandlung und/oder mechanische Behandlung erfolgen. In einigen Ausführungsformen wird ein Substrat zum Beispiel mit Natriumhydroxidlösung gereinigt und/oder gesandstrahlt.
Danach wird über der Innenschicht eine Außenschicht der Beschichtung aufgebracht. Danach wird über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht eine teilchenförmige Zusammensetzung in einem Träger aufgebracht und über der teilchenförmigen Zusammensetzung eine Hartlotlegierungszusammensetzung aufgebracht. In einigen Ausführungsformen umfasst die teilchenförmige Zusammensetzung harte Teilchen. Geeignete harte Teilchen können beliebige der hier aufgeführten harten Teilchen umfassen. In einigen Ausführungsformen umfassen harte Teilchen der teilchenförmigen Zusammensetzung zum Beispiel Teilchen von Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallboriden, Metallsiliciden, Sintercarbiden oder Gusscarbiden oder anderen Keramiken oder Mischungen davon.
Ein geeigneter Träger für die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst in einigen Ausführungsformen ein wie oben für das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung der Innenschicht beschriebenes Flächengebilde. So wird in einer Ausführungsform zum Beispiel eine abrasive harte teilchenförmige Zusammensetzung, die 94 Volumenprozent gebrochene Sintercarbidteilchen, Wolframcarbidteilchen oder Titancarbidteilchen oder Kombinationen davon umfasst, mit 6 Vol.-% PTFE gemischt und dann zur Bereitstellung des Flächengebildes mechanisch bearbeitet.
Alternativ dazu handelt es sich in einigen Ausführungsformen bei einem geeigneten Träger für die harte Teilchen umfassende teilchenförmige Zusammensetzung um einen wie oben für das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung der Innenschicht beschriebenen flüssigen Träger. In einigen Ausführungsformen werden zum Beispiel in einem flüssigen Träger angeordnete harte Teilchen durch Spritzen, Streichen, Fluten und/oder Tauchen und/oder verwandte Techniken auf das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht aufgebracht. In einigen Ausführungsformen können in einem flüssigen Träger angeordnete harte Teilchen gemäß der Offenbarung der US-Patentschrift 6,649,682 hergestellt und aufgebracht werden.
Die über der teilchenförmigen Zusammensetzung von harten Teilchen angeordnete Hartlotlegierungszusammensetzung umfasst in einigen Ausführungsformen eine hierin beschriebene Hartlotlegierung. In einigen Ausführungsformen wird die Hartlotlegierungszusammensetzung zum Beispiel aus Tabelle II, Tabelle III oder Tabelle IV hierin ausgewählt. In einigen Ausführungsformen wird die Hartlotlegierungszusammensetzung als in einem wie oben für das Pulvermetall bzw. die Pulverlegierung der Beschichtungsinnenschicht beschriebenen Flächengebilde angeordnetes Hartlotlegierungspulver bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen wird die Hartlotlegierungszusammensetzung als dünnes Flächengebilde aus der Hartlotlegierungszusammensetzung selbst bereitgestellt.
Die harte Teilchen umfassende teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung werden zur Bereitstellung einer Außenschicht des Verbundgegenstands, die die in einer Hartlotlegierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt. Die sich aus dem Erhitzungsprozess ergebende Außenschicht kann eine beliebige hierin für eine Außenschicht angegebene Eigenschaft oder Kombination von Eigenschaften aufweisen. Da die Hartlotlegierungszusammensetzung einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht aufweist, werden die Hartlotlegierung und die teilchenförmige Zusammensetzung auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Sintermetalls bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht erhitzt. In einigen Ausführungsformen werden die Hartlotlegierung und die teilchenförmige Zusammensetzung auf eine Temperatur von mindestens 100°C unterhalb des Schmelzpunkts des Sintermetalls bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht erhitzt.
In einigen Ausführungsformen wird die Außenschicht, die in der Hartlotlegierungsmatrix angeordnete harte Teilchen umfasst, metallurgisch an das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht gebunden. Außerdem durchdringt die Hartlotlegierung der Außenschicht in einigen Ausführungsformen, in denen das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht vor dem Aufbringen der Außenschicht Porosität aufweist, die Porosität. In einigen Ausführungsformen permeiert oder infiltriert die Hartlotlegierung der Außenschicht zum Beispiel Porosität des Sintermetalls bzw. der Sinterlegierung zur Bereitstellung einer volldichten oder weitgehend volldichten Innenschicht.
In einigen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren wird das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht zur Bereitstellung einer gewünschten Oberflächenrauigkeit des Metalls bzw. der Legierung vor dem Aufbringen bzw. der Abscheidung der Außenschicht verarbeitet. Das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht wird in einigen Ausführungsformen zur Bereitstellung einer Oberflächenrauigkeit (Ra_μZoll) von weniger als etwa 250 Ra verarbeitet. In einigen Ausführungsformen wird das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht zur Bereitstellung einer Oberflächenrauigkeit von weniger als etwa 200 Ra oder weniger als etwa 100 Ra verarbeitet. Das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht wird in einigen Ausführungsformen zur Bereitstellung einer Oberflächenrauigkeit im Bereich von etwa 20 Ra bis etwa 250 Ra oder von etwa 30 Ra bis etwa 125 Ra verarbeitet. Das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht kann gemäß einer Reihe von Techniken einschließlich mechanischen Mitteln wie Schleifen, Sandstrahlen oder Kombinationen davon verarbeitet werden.
In einigen Ausführungsformen von hier beschriebenen Verfahren wird die Metall- bzw. Legierungsinnenschicht durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding, Induktions-Cladding oder andere Cladding-Techniken abgeschieden. Wie in den folgenden Beispielen weiter erläutert, wird der Innenschicht durch die Abscheidung des Metalls bzw. der Legierung der Innenschicht durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding, Induktions-Cladding oder andere Cladding-Techniken eine von den vorhergehenden Ausführungsformen, in denen das Metall bzw. die Legierung der Innenschicht gesintert ist, abweichende Struktur verliehen.
Außerdem wird in einigen Ausführungsformen, bei denen die Metall- bzw. Legierungsinnenschicht durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding, Induktions-Cladding oder andere Cladding-Techniken abgeschieden wird, die Außenschicht gemäß hier ausgeführten Verfahrensweisen aufgebracht bzw. abgeschieden.
Diese und andere Ausführungsformen werden anhand der folgenden nichteinschränkenden Beispiele näher erläutert.
BEISPIEL 1
Verbundgegenstand mit funktional abgestufter Beschichtung
Ein Verbundgegenstand mit einer hierin beschriebenen Konstruktion wurde folgendermaßen hergestellt. Wolframcarbidpulver (40 Vol.-% Teilchen mit einer Größe von 2 bis 5 Mikron und 60 Vol.-% Teilchen mit einer Größe von 325 mesh) wurde mit 6 Vol.-% PTFE gemischt. Die Mischung wurde mechanisch bearbeitet, um das PTFE zu fibrillieren und die Wolframcarbidteilchen einzuschließen, und dann gewalzt, was ein tuchartiges flexibles abrasives Carbidflächengebilde ergab, wie vollständig in der US-Patentschrift 4,194,040 beschrieben. Ein Hartlotmetallfüllerpulver mit der Zusammensetzung 79–84 Gew.-% Nickel, 13–19 Gew.-% Chrom und 2–5 Gew.-% Bor wurde zur Bildung eines tuchartigen Lotflächengebildes ähnlich wie das oben aufgeführte Wolframcarbidflächengebilde mit 6 Vol.-% PTFE gemischt.
Ein Pulver aus korrosionsbeständiger und rissbeständiger Legierung mit der Zusammensetzung 20–23 Gew.-% Chrom, 8–10 Gew.-% Molybdän, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 3,15–4,15 Gew.-% Niob und Tantal insgesamt und Rest Nickel wurde zur Bildung eines tuchartigen Flächengebildes aus korrosionsbeständiger und rissbeständiger Legierung auf ähnliche Weise wie das oben aufgeführte Wolframcarbidflächengebilde mit 6 Vol.-% PTFE gemischt.
Das tuchartige Flächengebilde aus korrosionsbeständiger und rissbeständiger Legierung wurde als Vorbereitung für die Bildung einer Innenschicht der Beschichtung mit Hilfe eines Klebstoffs auf die Außendurchmesser-Oberfläche (OD-Oberfläche) eines Rohrsubstrats aus 4140-Stahl aufgebracht. Die Probe wurde im Vakuumofen auf 1330°C erhitzt und ungefähr 60 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, wobei das Legierungspulver sich zu einer im Wesentlichen porenfreien kontinuierlichen Sinterlegierungsinnenschicht verdichtete, die beim Abkühlen metallurgisch an den Substratstahl gebunden wurde. 4 ist eine Querschnittsmetallographie der kontinuierlichen Sinterlegierungsinnenschicht, die die Porenfreiheit der Sinterlegierung und die metallurgische Bindung der Sinterlegierungsinnenschicht an das Substrat illustriert. Nach dem Abkühlen wurde die Oberfläche der Sinterlegierung mechanisch zu einer Oberflächenbeschaffenheit für das Aufbringen der abrasiven resistenten Schicht bearbeitet.
Die Wolframcarbidflächengebildevorform wurde mit Hilfe eines Klebstoffs auf die Oberfläche der korrosions- und rissbeständigen Legierung der Innenschicht aufgebracht, und eine Hartlotfüllerflächengebildevorform wurde über der Wolframcarbidflächengebildevorform in Position geklebt. Dann wurde die Probe im Vakuumofen ungefähr 15 Minuten bis 4 Stunden auf 1100°C–1160°C erhitzt, wobei die Hartlotvorform schmolz und die Wolframcarbidvorform infiltrierte, und nach dem Abkühlen bildete sich eine funktional abgestufte Beschichtung/Plattierung, die eine abrasive Wolframcarbid-Außenschicht umfasste, die metallurgisch an die korrosions- und rissbeständige Sinterlegierungsinnenschicht gebunden war.
Der resultierende Verbundgegenstand mit der funktional abgestuften Beschichtung/Plattierung wurde durch Erhitzen auf 800°C–950°C und 1–4 Stunden Halten in einem Salzbad wärmebehandelt und danach in einem Bad aus schmelzflüssigem Salz auf 150°C–250°C abgeschreckt. Dann wurde der Verbundgegenstand an der Luft 3 Stunden bei 550°C–750°C getempert. Die Härte des Stahlsubstrats nach der Wärmebehandlung betrug etwa 32 HRC. Eine visuelle Untersuchung der Oberfläche der Beschichtung/Plattierung zeigte eine signifikante Verringerung von sichtbaren Rissen an der Oberfläche der abrasiven Carbidaußenschicht im Vergleich zu Beschichtungen des Standes der Technik ohne Sinterlegierungsinnenschicht, wie denjenigen gemäß einer oder mehreren der US-Patentschriften 3,743,556 , 3,864,124 , 3,916,506 , 4,194,040 , 5,236,116 , 5,164,247 und 5,352,526 .
Des Weiteren zeigte die metallographische Untersuchung des Querschnitts der Beschichtung/Plattierung des vorliegenden Beispiels, wie in 5 illustriert, die Abwesenheit von Rissen, die in die korrosionsbeständige/rissauffangende Sinterlegierungsinnenschicht eindringen. Die Querschnittsmetallographie zeigte auch eine metallurgische Bindung an den Grenzflächen zwischen der abrasiven Außenschicht, der korrosions-/rissbeständigen Innenschicht und dem Substrat.
BEISPIEL 2
Verbundgegenstand mit funktional abgestufter Beschichtung
Ein Verbundgegenstand mit einer hierin beschriebenen Konstruktion wurde gemäß der Verfahrensweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei der Unterschied darin bestand, dass die korrosions- und rissbeständige Legierung der Innenschicht zur Verdichtung und metallurgischen Bindung an die Oberfläche des Stahlsubstrats im Vakuumofen auf eine Temperatur von 1300°C erhitzt und 60 Minuten gehalten wurde. Die resultierende Sinterlegierung der Innenschicht zeigte eine Porosität im Bereich von 3–7 Vol-%.
Wie in Beispiel 1 wurde die Wolframcarbidflächengebildevorform dann mit Hilfe eines Klebstoffs auf die Oberfläche der Sinterlegierung aufgebracht, und die Hartlotfüllerflächengebildevorform wurde über der Wolframcarbidflächengebildevorform in Position geklebt, wonach im Vakuumofen ungefähr 15 Minuten bis 4 Stunden auf 1100°C–1160°C erhitzt wurde. Dadurch schmolz die Hartlotvorform und infiltrierte die Legierungsinnenschicht sowie die Carbidvorform. Durch die Infiltration der Sinterlegierung der Innenschicht durch die Hartlotlegierung wurde die Porosität der Sinterlegierung verringert, was eine volldichte oder weitgehend volldichte Innenschicht ergab. Dadurch wurde die Legierungsinnenschicht metallurgisch sowohl an die abrasive Carbidaußenschicht als auch an das darunterliegende Stahlsubstrat gebunden. Die kontinuierliche, im Wesentlichen porenfreie Legierungsinnenschicht wies zwar eine andere Mikrostruktur als die in Beispiel 1 gebildete (wie in 4 gezeigt) auf, war aber während einer wie in Beispiel 1 beschriebenen Wärmebehandlung ebenfalls rissbeständig. 6 ist eine Querschnittsmetallographie des Verbundgegenstands des vorliegenden Beispiels, das die Abwesenheit von Rissen, die nach Wärmebehandlung des Verbundgegenstands in die korrosionsbeständige/rissauffangende Sinterlegierungsinnenschicht eindringen, zeigt.
BEISPIEL 3
Verbundgegenstand mit funktional abgestufter Beschichtung
Ein Verbundgegenstand mit einer hierin beschriebenen Konstruktion wurde gemäß der Verfahrensweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei der Unterschied darin bestand, dass die korrosions- und rissbeständige Legierung der Innenschicht im Vakuumofen auf eine Temperatur von 1200°C erhitzt und 60 Minuten gehalten wurde. Die resultierende Sinterlegierung der Innenschicht zeigte eine höhere Porosität im Bereich von 28–34 Vol-%. Die Sinterlegierungsinnenschicht verband sich wie in 7 gezeigt mit dem Stahlsubstrat. 7 zeigt zusätzlich die Porosität der Sinterlegierung.
Die abrasive Wolframcarbidaußenschicht wurde gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 auf die poröse Sinterlegierung der inneren korrosions- und rissbeständigen Innenschicht aufgebracht. Dadurch schmolz die Hartlotlegierungsvorform und infiltrierte die Legierungsinnenschicht sowie die Carbidvorform. Durch die Infiltration der Sinterlegierung der Innenschicht durch die Hartlotlegierung wurde die Porosität der Sinterlegierung verringert, was eine volldichte oder weitgehend volldichte Innenschicht ergab. Dadurch wurde die Legierungsinnenschicht metallurgisch sowohl an die abrasive Carbidaußenschicht als auch an das darunterliegende Stahlsubstrat gebunden. 8 ist eine Querschnittsmetallographie des Verbundgegenstands des vorliegenden Beispiels, das die abrasive Carbidaußenschicht und die durch Infiltration der porösen Sinterlegierung durch das Hartlot der Außenschicht gebildete volldichte oder weitgehend volldichte Legierung der korrosions-/rissbeständigen Innenschicht zeigt.
Die funktional abgestufte Beschichtung des vorliegenden Beispiels war im Vergleich mit den Beispielen 1 und 2 bei Wärmebehandlung weniger rissbeständig. Nach Verabreichung einer Wärmebehandlung gemäß Beispiel 1 gingen von der abrasiven Außenschicht mehrere Risse aus, die an der Grenzfläche mit dem inneren Riss und der korrosionsbeständigen Legierungsschicht endeten. Die funktional abgestufte Beschichtung des vorliegenden Beispiels zeigte zwar weniger Rissbeständigkeit, war aber eine Verbesserung gegenüber Beschichtungen des Standes der Technik.
BEISPIEL 4
Verbundgegenstand mit funktional abgestufter Beschichtung
Ein Verbundgegenstand mit einer hierin beschriebenen Konstruktion wurde gemäß der Verfahrensweise von Beispiel 1 hergestellt, wobei der Unterschied darin bestand, dass der Innendurchmesser (ID) des Stahlsubstratrohrs beschichtet wurde. Die Querschnittsmetallographie der funktional abgestuften Beschichtung/Plattierung auf dem ID nach Wärmebehandlung lieferte Belege für die gleiche Mikrostruktur wie die Beschichtung auf dem OD in Beispiel 1. Außerdem drangen Risse nicht in die korrosions-/rissbeständige Innenschicht ein. 9 zeigt eine Querschnittsmetallographie der Sinterlegierung der korrosionsbeständigen und rissauffangenden Innenschicht.
BEISPIEL 5
Verbundgegenstand mit funktional abgestufter Beschichtung
Wie hierin beschrieben, kann eine kontinuierliche korrosions- und rissbeständige Innenschicht eines Verbundgegenstands auch durch Laser-Cladding, PTA (Plasma Transferred Arc), Auftragsschweißen und andere Techniken hergestellt werden, bevor durch Verkleiden eine abrasive Außenschicht hinzugefügt wird. Im vorliegenden Beispiel wurde eine korrosions- und rissbeständige Schicht mit einer Dicke von etwa 750 μm durch PTA (Plasma Transferred Arc) unter Verwendung von –325/120-mesh von Legierungspulver der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 (es kann auch Legierungsdraht der gleichen Zusammensetzung verwendet werden) auf der Oberfläche eines 4140-Stahlsubstrats abgeschieden. Die Oberfläche der resultierenden Legierungsschicht wurde geschliffen und gesandstrahlt, wonach gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren eine abrasive Carbidaußenschicht hinzugefügt wurde. 10 zeigt die Querschnittsmetallographie nach Wärmebehandlung des Verbundgegenstands des vorliegenden Beispiels wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Legierungsinnenschicht war volldicht oder weitgehend volldicht und rissfrei.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in Erfüllung der verschiedenen Aufgaben der Erfindung beschrieben worden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsformen für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichend sind. Für den Fachmann ergeben sich ohne Weiteres zahlreiche Modifikationen und Adaptationen, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5352526 [0004, 0004, 0068, 0090]
US 3743556 [0068, 0090]
US 3864124 [0068, 0090]
US 3916506 [0068, 0090]
US 4194040 [0068, 0086, 0090]
US 6649682 [0071, 0078]
US 5236116 [0090]
US 5164247 [0090]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E18-08b Standard Test Method for Rockwell Hardness of Metallic Materials [0043]
ASTM D7125-05 Standard Test Method for Measurement of Surface Roughness of Abrasive Blast Cleaned Metal Surfaces Using a Portable Stylus Instrument [0044]
ASTM G65 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel [0061]

Claims

Verbundgegenstand, umfassend: ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht eine Metall- oder Legierungsschicht mit einer Porosität von weniger als 40 Vol.-% umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.
Verbundgegenstand nach Anspruch 1, wobei die Metall- oder Legierungsschicht weitgehend volldicht ist.
Verbundgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Porosität der Metall- oder Legierungsschicht zur Bildung einer weitgehend volldichten Innenschicht mit der Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht infiltriert ist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Innenschicht metallurgisch an das Substrat gebunden ist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei der Metall- oder Legierungsschicht um ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung handelt.
Verbundgegenstand nach Anspruch 2, wobei die Abscheidung der Metall- oder Legierungsschicht durch Auftragsschweißen, PTA (Plasma Transferred Arc), thermisches Spritzen, kaltes Spritzen, Laser-Cladding, Infrarot-Cladding oder Induktions-Cladding erfolgt.
Verbundgegenstand nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Grenzflächenübergangsregion zwischen der Innenschicht und der Außenschicht.
Verbundgegenstand nach Anspruch 7, wobei die Grenzflächenübergangsregion eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 150 μm aufweist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Teilchen der Außenschicht ein oder mehrere Metallcarbide, Metallnitride, Metallboride, Metallsilicide, Sintercarbide, Gusscarbide oder Mischungen davon umfassen.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat Stahl umfasst.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Porosität weniger als 10 Vol.-% beträgt.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Beschichtung ferner mindestens eine über der Außenschicht durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung oder eine Kombination davon abgeschiedene Schicht aus Feuerfestmaterial umfasst.
Verbundgegenstand, umfassend: ein Substrat und eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung, die eine Innenschicht und eine Außenschicht umfasst, wobei die Innenschicht ein vorgesintertes Metall oder eine vorgesinterte Legierung umfasst und die Außenschicht in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Teilchen umfasst.
Verbundgegenstand nach Anspruch 13, wobei das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung der Innenschicht weitgehend volldicht ist.
Verbundgegenstand nach Anspruch 13 oder 14, wobei das vorgesinterte Metall bzw. die vorgesinterte Legierung der Innenschicht durch die Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht durchdrungene Porosität umfasst.
Verbundgegenstand nach Anspruch 15, wobei die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht weniger als 40 Vol.-% beträgt.
Verbundgegenstand nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Porosität des vorgesinterten Metalls bzw. der vorgesinterten Legierung der Innenschicht zur Bildung einer weitgehend volldichten Innenschicht mit der Metall- oder Legierungsmatrix der Außenschicht infiltriert ist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Innenschicht metallurgisch an das Substrat gebunden ist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Teilchen der Außenschicht ein oder mehrere Metallcarbide, Metallnitride, Metallboride, Metallsilicide, Keramiken, Sintercarbide, Gusscarbide oder Mischungen davon umfassen.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Innenschicht eine kleinere Härte auf der Rockwell-C-Skala als die Außenschicht aufweist.
Verbundgegenstand nach Anspruch 20, wobei die Außenschicht eine größere Abriebfestigkeit als die Innenschicht laut Messung gemäß ASTM G65-04 aufweist.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei das Substrat Stahl umfasst.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei die Außenschicht ferner in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnete Metallcarbidplatten oder Keramikplatten umfasst.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die Innenschicht ferner in dem vorgesinterten Metall bzw. der vorgesinterten Legierung angeordnete Teilchen umfasst, wobei die Teilchen aus der Gruppe bestehend aus Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallboriden, Metallsiliciden, Keramiken, Sintercarbiden und Gusscarbiden und Mischungen davon ausgewählt sind.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 24, wobei die Beschichtung ferner mindestens eine über der Außenschicht durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung oder eine Kombination davon abgeschiedene Schicht aus Feuerfestmaterial umfasst.
Verbundgegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 25, wobei die Innenschicht der Beschichtung Korrosionsbeständigkeits- und Rissauffangfunktionalität aufweist und die Außenschicht der Beschichtung eine Abriebfestigkeitsfunktionalität, Erosionsbeständigkeitsfunktionalität oder eine Kombination davon aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstands, bei dem man: über einer Oberfläche eines Substrats ein Flächengebilde, das eine Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, anordnet; das Flächengebilde zur Bereitstellung einer Innenschicht, die ein haftend auf dem Substrat aufgebrachtes Sintermetall bzw. eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Sinterlegierung umfasst, erhitzt; über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht eine teilchenförmige Zusammensetzung, die in einem Träger angeordnete harte Teilchen umfasst, anordnet; über der teilchenförmigen Zusammensetzung eine Hartlotlegierungszusammensetzung anordnet und die teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung zur Bereitstellung einer Außenschicht, die die in einer Legierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die harten Teilchen der teilchenförmigen Zusammensetzung ein oder mehrere Metallcarbide, Metallnitride, Metallboride, Metallsilicide, Sintercarbide, Gusscarbide oder Mischungen davon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, bei dem das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht weitgehend volldicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, bei dem man ferner das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht zur Bereitstellung eines weitgehend volldichten Sintermetalls bzw. einer weitgehend volldichten Sinterlegierung heißisostatischem Pressen unterwirft.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht vor der Bildung der Außenschicht Porosität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die Porosität des Sintermetalls bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht weniger als etwa 40 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Porosität des Sintermetalls bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht zur Bildung einer weitgehend volldichten Innenschicht mit der Legierungsmatrix der Außenschicht infiltriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, bei dem die Innenschicht eine kleinere HRC als die Außenschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 34, bei dem man ferner die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen des Flächengebildes, das die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung umfasst, mechanisch bearbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 35, bei dem man ferner das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht vor dem Anordnen der teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen umfasst, über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung mechanisch bearbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 36, bei dem der Träger der harten Teilchen ein Flächengebilde, das ein organisches Material umfasst, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 36, bei dem es sich bei dem Träger der harten Teilchen um eine Flüssigkeit handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 38, bei dem es sich bei der Hartlotlegierungszusammensetzung um ein Flächengebilde handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 39, bei dem die Hartlotlegierungszusammensetzung in einem Träger angeordnetes Hartlotlegierungspulver umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40, bei dem der Träger des Hartlotlegierungspulvers ein Flächengebilde, das ein organisches Material umfasst, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 41, bei dem das Sintermetall bzw. die Sinterlegierung der Innenschicht metallurgisch an das Substrat gebunden wird und metallurgisch an die Außenschicht gebunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 42, bei dem man ferner über der Außenschicht durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung oder eine Kombination davon eine Schicht aus Feuerfestmaterial abscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 43, bei dem die Innenschicht der Beschichtung Korrosionsbeständigkeits- und Rissauffangfunktionalität aufweist und die Außenschicht der Beschichtung Abriebfestigkeits- und Erosionsbeständigkeitsfunktionalität aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstands, bei dem man: auf eine Oberfläche eines Substrats eine in einem flüssigen Träger angeordnete Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung aufbringt; die Pulvermetall- oder Pulverlegierungszusammensetzung zur Bereitstellung einer Innenschicht, die ein haftend auf dem Substrat aufgebrachtes Sintermetall bzw. eine haftend auf dem Substrat aufgebrachte Sinterlegierung umfasst, erhitzt; über dem Sintermetall bzw. der Sinterlegierung der Innenschicht eine teilchenförmige Zusammensetzung, die in einem Träger angeordnete harte Teilchen umfasst, anordnet; über der teilchenförmigen Zusammensetzung eine Hartlotlegierungszusammensetzung anordnet und die teilchenförmige Zusammensetzung und die Hartlotlegierungszusammensetzung zur Bereitstellung einer Außenschicht, die die in einer Legierungsmatrix angeordneten harten Teilchen umfasst, erhitzt.