DE112013001870T5

DE112013001870T5 - Beschichtete Titanlegierungsoberflächen

Info

Publication number: DE112013001870T5
Application number: DE112013001870.5T
Authority: DE
Inventors: Paul Dehnhardt Prichard; Joel Thomas Dawson; Mark Rowe
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-12-24
Also published as: CN104203565A; US20130260172A1; WO2013151865A1

Abstract

Unter einem Gesichtspunkt werden hierin Verbundwerkstoffartikel beschrieben, die ein leichtes, hochfestes Metallsubstrat und eine abriebbeständige Beschichtung, die an dem Substrat haftet, umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein hierin beschriebener Verbundwerkstoffartikel ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind.

Description

DATEN VERWANDTER ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht hiermit Priorität gemäß 35 U.S.C. § 120 an US-Patentanmeldung Eingangsnr. 13/437,301, eingereicht am 2. April 2012, das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für metallische Substrate und insbesondere Beschichtungen für Titan- und Titanlegierungssubstrate.
HINTERGRUND
Beschichtungen werden oftmals auf Vorrichtungen, die anspruchsvollen Umgebungen oder Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, aufgetragen, um die Nutzungsdauer der Vorrichtung zu verlängern. Verschiedene Beschichtungsaufbauten sind je nach der Art des Substrats und der zu verhindernden Fehlerart erhältlich. Zum Beispiel wurden verschleißfeste, erosionsbeständige und korrosionsbeständige Überzüge für schwere und haltbare Substrate aus Gusseisen, kohlenstoffarmem Stahl, Legierungsstählen und Werkzeugstählen entwickelt. Jedoch sind in Anbetracht abweichender chemischer Metalleigenschaften Technologien, die sich für Stähle als effektiv erwiesen haben, für leichte Metallsysteme im Allgemeinen ungeeignet, was zu unerwünschten Überzugseigenschaften und vorzeitigem Versagen des Überzugs durch eine Vielfalt von Mechanismen führt.
KURZDARSTELLUNG
Unter einem Gesichtspunkt werden hierin Verbundwerkstoffartikel beschrieben, die ein leichtes, hochfestes Metallsubstrat und eine verschleißfeste Beschichtung, die an dem Substrat haftet, umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verbundwerkstoff ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Unter einem anderen Gesichtspunkt werden Verbundwerkstoffplatten zum Bereitstellen von Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffbeschichtungen für Titan oder Titanlegierungssubstrate beschrieben. Eine Verbundwerkstoffplatte umfasst ein organisches Bindemittel oder einen organischen Träger und eine pulverförmige titanbasierte Legierung, die zu 30–50 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst, wobei eine kombinierte Menge des Kupfers und des Nickels im Bereich von 25–40 Gew.-% der titanbasierten Legierung liegt. Die Verbundwerkstoffplatte kann in einigen Ausführungsformen auch harte Teilchen umfassen.
Unter einem anderen Gesichtspunkt werden hierin Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffartikeln beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels das Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats und Erwärmen der teilchenförmigen Zusammensetzung, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels das Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats und Positionieren einer Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung über der teilchenförmigen Zusammensetzung. Die teilchenförmige Zusammensetzung und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung werden erwärmt, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an das Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”. In einigen Ausführungsformen umfasst der Träger der teilchenförmigen Zusammensetzung eine Lage aus Polymermaterial. Der Träger der teilchenförmigen Zusammensetzung ist in einigen Ausführungsformen eine Flüssigkeit.
Diese und andere Ausführungsformen sind in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnitt-Metallographie eines Verbundwerkstoffartikels gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
2 zeigt ein mit Legierungsmatrix-Verbundwerkstoff überzogenes Titansubstrat gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform relativ zu überzogenen Vergleichstitansubstraten.
3 zeigt Querschnitt-Metallographen eines Verbundwerkstoffartikels gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
4 zeigt Querschnitt-Metallographen eines Verbundwerkstoffartikels gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und Beispiele und deren vorherige und folgende Beschreibungen leichter verständlich. Elemente, Vorrichtungen und Verfahren, die hierin beschrieben sind, sind jedoch nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, die in der detaillierten Beschreibung und den Beispielen angegeben sind. Es sollte sich verstehen, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für Fachleute ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
I. Verbundwerkstoffartikel
Unter einem Gesichtspunkt werden hierin Verbundwerkstoffartikel beschrieben, die ein leichtes, hochfestes Metallsubstrat und eine verschleißfeste Beschichtung, die an dem Substrat haftet, umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verbundwerkstoff ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Bezugnehmend auf Bestandteile von Artikeln umfasst nun ein hierin beschriebener Verbundwerkstoffartikel ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat. In einigen Ausführungsformen weist ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat eine hexagonal dichtest gepackte (hcp) Kristallstruktur in der α-Phase auf. In einigen Ausführungsformen ist Titan des Substrats mit einem oder mehreren α-Stabilisierungsmitteln legiert, die Elemente umfassen, die aus den Gruppen IIIA–VIA des Periodensystems ausgewählt sind. Hierin beschriebene Gruppen des Periodensystems werden gemäß der CAS-Bezeichnung gekennzeichnet. In einigen Ausführungsformen ist zum Beispiel Titan mit einem oder mehreren von Aluminium, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Gallium oder Germanium legiert.
Alternativ weist in einigen Ausführungsformen ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat eine kubisch raumzentrierte (bcc) Kristallstruktur in der β-Phase auf. In einigen Ausführungsformen ist Titan des Substrats mit einem oder mehreren β-Stabilisierungsmitteln legiert, die Elemente umfassen, die aus den Gruppen IVA, IB und IVB–VIIIB des Periodensystems ausgewählt sind. In einigen Ausführungsformen ist zum Beispiel Titan des Substrats mit einem oder mehreren von Molybdän, Vanadium, Tantal, Niobium, Mangan, Eisen, Chrom, Cobalt, Nickel, Kupfer oder Silicium legiert.
Ferner ist ein Titanlegierungssubstrat in einigen Ausführungsformen eine α/β-Legierung. In einigen Ausführungsformen ist Titan mit einem oder mehreren α-Stabilisierungsmitteln und einem oder mehreren β-Stabilisierungsmitteln legiert. In einer Ausführungsform ist zum Beispiel ein α/β-Titanlegierungssubstrat Ti6Al4V.
Titan- oder Titanlegierungssubstrate von Verbundwerkstoffartikeln, die hierin beschrieben sind, können verschiedene Geometrien aufweisen. In einigen Ausführungsformen hat ein Substrat eine gekrümmte, kreisförmige oder zylindrische Geometrie. Ein Substrat hat in einigen Ausführungsformen eine vieleckige oder ebene Geometrie. In einigen Ausführungsformen hat ein Substrat eine Geometrie, die für eine oder mehrere verschleißkritische Anwendungen geeignet ist. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel umfassen Titan- oder Titanlegierungssubstrate von Verbundwerkstoffartikeln, die hierin beschrieben sind, Flusssteuerungskomponenten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Ventile, Flügelräder, Klingen, Zahnräder, Lager, Düsen, Verschleißkomponenten und/oder Dichtungen.
Ein hierin beschriebener Verbundwerkstoffartikel umfasst eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind. Die Metall- oder Legierungsmatrix der Beschichtung kann gemäß verschiedenen Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Zusammensetzungsidentität des Substrats und/oder die Zusammensetzungsidentität der Teilchen, die in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet werden sollen. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel hat die Metall- oder Legierungsmatrix einen Schmelzpunkt oder eine Solidustemperatur unter dem β-Transus des Titan- oder Titanlegierungssubstrats. Zudem löst sich in einigen Ausführungsformen die Metall- oder Legierungsmatrix nicht, löst sich nicht teilweise und/oder bildet kein Grenzflächenreaktionsprodukt mit den Teilchen, die in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel ist das Grenzflächenreaktionsprodukt zwischen der Metall- oder Legierungsmatrix und den Teilchen, die in der Matrix angeordnet sind, durch optische Mikroskopie bei einer Vergrößerung von 100× nicht ersichtlich.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Metall- oder Legierungsmatrix der Beschichtung ein Hartlötmetall oder eine Hartlötlegierung. Jedes Hartlötmetall oder jede Hartlötlegierung, das bzw. die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist, kann als Matrix der Beschichtung verwendet werden. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel ist eine Legierungsmatrix der Beschichtung eine titanbasierte Legierung mit Zusammensetzungsparametern, die aus Tabelle I abgeleitet sind. Tabelle I – Zusammensetzungsparameter der Ti-basierten Legierungsmatrix der Beschichtung

Element Menge (Gew.-%)

Zirconium 0–50

Kupfer 0–30

Nickel 0–30

Molybdän 0–5

Titan Rest

In einigen Ausführungsformen ist die Legierungsmatrix der Beschichtung aus den titanbasierten Legierungen von Tabelle II ausgewählt. Tabelle II – Zusammensetzungsparameter der Ti-basierten Legierungsmatrix der Beschichtung

Ti-basierte Legierung	Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
1	Ti-(0–50)%Zr-(0–30)%Cu-(0–30%)Ni-(0–5)%Mo
2	Ti-(30–50)%Zr-(0–25)%Cu-(0–25%)Ni-(0–5)%Mo
3	Ti-(35–45)%Zr-(18–25)%Cu-(5–25%)Ni-(0–5)%Mo
4	Ti-(35–45)%Zr-(12–25)%Cu-(5–25%)Ni-(0–5)%Mo
5	Ti-(36–39)%Zr-(12–25)%Cu-(5–25%)Ni-(0–5)%Mo
6	Ti-(36–39)%Zr-(12–18)%Cu-(5–15%)Ni-(0–5)%Mo
7	Ti-(36–39)%Zr-(12–18)%Cu-(8–12%)Ni-(0–5)%Mo
8	Ti-(36–39)%Zr-(14–16)%Cu-(9–11%)Ni-(0–5)%Mo
9	Ti-37,5%Zr-15%Cu-10%Ni
10	Ti-37,5%Zr-15%Cu-10%Ni-1%Mo
11	Ti-24%Zr-16%Cu-16%Ni-0,5%Mo
12	Ti-26%Zr-14%Cu-14%Ni-0,5%Mo
13	Ti-(18–22)%Zr-(18–22)%Cu-(18–22)Ni
14	Ti-(18–22)%Zr-(18–22)%Cu-(18–22)%Ni-1%Mo
15	Ti-15%Cu-25%Ni
16	Ti-15%Cu-15%Ni

Titanbasierte Legierungen, die Matrizen von hierin beschriebenen Beschichtungen bilden, weisen in einigen Ausführungsformen eine kombinierte Menge an Kupfer und Nickel im Bereich von 25–40 Gew.-% auf. Zum Beispiel kann jede der in Tabellen I–II aufgeführten titanbasierten Legierungszusammensetzungen eine kombinierte Menge an Kupfer und Nickel im Bereich von 25–40 Gew.-% aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst eine titanbasierte Legierungsmatrix zu 35–45 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0,5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan, wobei die kombinierte Menge an Kupfer und Nickel in der titanbasierten Legierung im Bereich von 25–40 Gew.-% liegt.
Eine kombinierte Menge an Kupfer und Nickel wird durch Addieren der Gew.-% an Kupfer und der Gew.-% an Nickel in der titanbasierten Legierung bestimmt. Ferner ist in Ausführungsformen, in denen kein Nickel in der titanbasierten Legierung vorliegt, die kombinierte Menge an Kupfer und Nickel gleich der Menge an Kupfer in der Legierung. Ähnlich ist in Ausführungsformen, in denen kein Kupfer in der titanbasierten Legierung vorliegt, die kombinierte Menge an Kupfer und Nickel gleich der Menge an Nickel in der Legierung.
Geeignete titanbasierte Legierungslote sind im Handel von Titanium Brazing, Inc., Cleveland, Ohio, USA, erhältlich.
Wie hierin beschrieben umfasst die an das Substrat gehaftete Beschichtung Teilchen, die in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind. Teilchen, die zum Gebrauch in der Beschichtung geeignet sind, können gemäß verschiedenen Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die gewünschte Verschleißfestigkeit, Abriebbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit oder Härte der Beschichtung und/oder der Zusammensetzungsidentität der Metall- oder Legierungsmatrix. In einigen Ausführungsformen sind geeignete Teilchen in der Metall- oder Legierungsmatrix unlöslich oder im Wesentlichen unlöslich und haben wünschenswerte Benetzungseigenschaften, die eine Teilchenagglomeration hemmen oder ausschließen. Außerdem weisen in einigen Ausführungsformen Teilchen der Beschichtung kein Grenzflächenreaktionsprodukt mit der Metall- oder Legierungsmatrix auf. In einer Ausführungsform zum Beispiel ist kein Grenzflächenreaktionsprodukt zwischen den Teilchen und der Metall- oder Legierungsmatrix durch optische Mikroskopie bei einer Vergrößerung von 100× ersichtlich.
Teilchen, die zum Gebrauch in der Metall- oder Legierungsmatrix der Beschichtung geeignet sind, können harte Teilchen umfassen. Harte Teilchen der Beschichtung umfassen in einigen Ausführungsformen Teilchen aus Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallcarbonitriden, Metalloxiden, Metallboriden, Metallsiliciden, Hartmetallen, Gusscarbiden oder anderer Keramik oder Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen metallische Elemente harter Teilchen der Beschichtung Aluminium, Bor und/oder ein oder mehrere metallische Elemente, die aus den Gruppen IVB, VB und/oder VIB des Periodensystems ausgewählt sind. Harte Teilchen umfassen in einigen Ausführungsformen Nitride oder Carbonitride von Aluminium, Bor, Silicium, Titan, Zirconium, Hafnium, Tantal oder Niobium oder Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen harte Teilchen Carbide von Titan, Wolfram, Silicium, Bor oder Mischungen davon. Außerdem umfassen in einigen Ausführungsformen harte Teilchen Boride, wie Titandiborid und Tantalboride, Silicide, wie MoSi₂ oder Aluminiumoxid. Harte Teilchen umfassen in einigen Ausführungsformen zerkleinertes Hartmetall, zerkleinertes Carbid, zerkleinertes Nitrid, zerkleinertes Borid oder zerkleinertes Silicid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen harte Teilchen intermetallische Verbindungen, wie Nickelaluminid.
Harte Teilchen der Beschichtung können jede Größe aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen der Beschichtung eine Größenverteilung im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1 mm. Harte Teilchen haben in einigen Ausführungsformen eine Größenverteilung im Bereich von ungefähr 1 μm bis ungefähr 500 μm. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine Größenverteilung im Bereich von ungefähr 10 μm bis ungefähr 300 μm oder von ungefähr 30 μm bis ungefähr 150 μm. in einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine Größenverteilung im Bereich von 10 μm bis 100 μm. Harte Teilchen können auch eine bimodale oder multimodale Größenverteilung aufweisen.
Harte Teilchen der Beschichtung können jede gewünschte Form oder Geometrie aufweisen. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine kugelförmige oder elliptische Geometrie. In einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen eine vieleckige Geometrie. in einigen Ausführungsformen haben harte Teilchen unregelmäßige Formen, einschließlich Formen mit scharfen Rändern.
Harte Teilchen können in der Metall- oder Legierungsmatrix der Beschichtung in jeder Menge vorliegen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Die Beladung mit harten Teilchen kann gemäß verschiedenen Überlegungen variiert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die gewünschte Härte, Verschleißfestigkeit und/oder Zähigkeit der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in der Metall- oder Legierungsmatrix in einer Menge im Bereich von ungefähr 20 Volumenprozent bis ungefähr 90 Volumenprozent vor. Harte Teilchen liegen in einigen Ausführungsformen in einer Menge im Bereich von ungefähr 30 Volumenprozent bis ungefähr 85 Volumenprozent vor. In einigen Ausführungsformen liegen harte Teilchen in einer Menge im Bereich von ungefähr 40 Volumenprozent bis ungefähr 70 Volumenprozent vor. Ferner sind in einigen Ausführungsformen harte Teilchen gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig in der Metall- oder Legierungsmatrix verteilt.
Die Beschichtung eines hierin beschriebenen Verbundwerkstoffartikels kann jede Dicke aufweisen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. In einigen Ausführungsformen ist die Beschichtungsdicke gemäß verschiedenen Überlegungen ausgewählt, wie den gewünschten Verschleiß/Abriebeigenschaften und/oder der Lebensdauer der Beschichtung. In einigen Ausführungsformen hat die Beschichtung eine Dicke von mindestens ungefähr 100 μm oder mindestens ungefähr 500 μm. Die Beschichtung hat in einigen Ausführungsformen eine Dicke von mindestens ungefähr 750 μm oder mindestens ungefähr 1 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Beschichtung eine Dicke im Bereich von ungefähr 100 μm bis ungefähr 5 mm. In einigen Ausführungsformen hat die Beschichtung eine Dicke im Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 2 mm oder von ungefähr 500 μm bis ungefähr 1 mm.
Die Beschichtung ist in einigen Ausführungsformen vollständig dicht oder im Wesentlichen vollständig dicht. Alternativ weist in einigen Ausführungsformen die Beschichtung eine Porosität auf. Die Porosität der Beschichtung beträgt in einigen Ausführungsformen weniger als ungefähr 15 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen beträgt die Porosität der Beschichtung weniger als ungefähr 10 Vol.-% oder weniger als ungefähr 5 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen liegt die Porosität der Beschichtung im Bereich von ungefähr 1 Vol.-% bis ungefähr 10 Vol.-%. Die Porosität der Beschichtung liegt in einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 1 Vol.-% bis 5 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen ist die Porosität der Beschichtung gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig.
Die hierin beschriebene Beschichtung eines Verbundwerkstoffartikels ist in einigen Ausführungsformen metallurgisch an das Titan- oder Titanlegierungssubstrat gebunden. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verbundwerkstoffartikel einen Grenzflächenübergangsbereich zwischen dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat und der Beschichtung. Der Grenzflächenübergangsbereich hat in einigen Ausführungsformen eine Mikrostruktur oder Kristallstruktur, die sich von dem Substrat und der Beschichtung unterscheidet. Außerdem hat in einigen Ausführungsformen der Grenzflächenübergangsbereich eine Dicke im Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 300 μm oder von ungefähr 75 μm bis ungefähr 250 μm.
Wie hierin beschrieben, weist die Beschichtung eines Verbundwerkstoffartikels in einigen Ausführungsformen einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ auf. Werte des eingestellten Volumenverlusts für hierin beschriebene Beschichtungen werden gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel” bestimmt. In einigen Ausführungsformen weist die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 15 mm³ oder weniger als 12 mm³ auf. In einigen Ausführungsformen hat die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 10 mm³ oder weniger als 6 mm³. Die Beschichtung hat in einigen Ausführungsformen einen eingestellten Volumenverlust im Bereich von ungefähr 0,5 mm³ bis ungefähr 20 mm³ oder von ungefähr 0,5 mm³ bis ungefähr 12 mm³. In einigen Ausführungsformen hat die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust im Bereich von ungefähr 0,5 mm³ bis ungefähr 6 mm³. Es ist vorgesehen, dass verschiedene Kombinationen aus harten Teilchen und Metall- oder Legierungsmatrix Beschichtungen mit unterschiedlichen Werten des eingestellten Volumenverlusts ergeben.
Angesichts der Offenbarung hierin obliegt es einem Fachmann, Kombinationen aus harten Teilchen und Metall- oder Legierungsmatrix auszuwählen, die Beschichtungen mit einem eingestellten Volumenverlust ergeben, die mit einem oder mehreren der hierin genannten Werte vereinbar sind. In einigen Fällen zum Beispiel stellen Kombinationen aus harten Teilchen/Matrixlegierung, die Solubilisierung von Grenzflächenreaktionsprodukten und/oder harten Teilchen durch die Matrix aufweisen, geschwächte Beschichtungen bereit, die Werte von eingestelltem Volumenverlust aufweisen, die mit den hierin genannten unvereinbar sind.
Es sind verschiedene Beschichtungsausführungsformen vorgesehen, die hierin beschriebene harte Teilchen in Kombination mit hierin beschriebenen Metall- oder Legierungsmatrizen mit einem eingestellten Volumenverlust, der mit einem oder mehreren der hierin genannten Werte vereinbar ist, umfassen. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel umfasst eine hierin beschriebene Beschichtung eine Kombination aus harten Teilchen und Legierungsmatrix von Titancarbidteilchen und/oder Wolframcarbidteilchen und einer titanbasierten Legierung von Ti-(18–22)%Zr-(18–22)%Cu-(18–22)%Ni. Eine hierin beschriebene Beschichtung umfasst in einigen Ausführungsformen eine Kombination aus harten Teilchen und Legierungsmatrix von Titancarbidteilchen und einer titanbasierten Legierung von Ti-37,5%Zr-15%Cu-10%Ni. Ferner kann eine hierin beschriebene Beschichtung eine Kombination aus harten Teilchen und Legierungsmatrix von Titancarbidteilchen und einer titanbasierten Legierung von Ti-(35–45)%Zr-(12–25)%Cu-(5–25%)Ni-(0–5)%Mo oder einer titanbasierten Legierung von Ti-(36–39)%Zr-(12–18)%Cu-(8–12)%Ni-(0–5)%Mo umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein hierin beschriebener Verbundwerkstoffartikel ferner eine oder mehrere Schichten aus hitzebeständigem Material, das durch CVD, PVD oder Kombinationen davon über der Beschichtung aus harten Teilchen, die in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, abgeschieden ist. Über der Beschichtung abgeschiedene CVD- und/oder PVD-Schicht(en) umfassen in einigen Ausführungsformen Keramik, Diamant, diamantartigen Kohlenstoff, Wolframcarbid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen über der Beschichtung abgeschiedene CVD- und/oder PVD-Schicht(en) Aluminium und/oder ein oder mehrere metallische Elemente, die aus den Gruppen IVB, VB und/oder VIB des Periodensystems ausgewählt sind, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und/oder VIA des Periodensystems ausgewählt sind. In einigen Ausführungsformen werden die hitzebeständige(n) Schicht(en) durch Niedertemperatur- oder Mitteltemperatur-CVD über der Beschichtung abgeschieden.
II. Verbundwerkstoffplatten
Unter einem anderen Gesichtspunkt werden Verbundwerkstoffplatten zum Bereitstellen von Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffbeschichtungen für Titan oder Titanlegierungssubstrate beschrieben. Eine Verbundwerkstoffplatte umfasst ein organisches Bindemittel oder einen organischen Träger und eine pulverförmige titanbasierte Legierung, die zu 30–50 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst, wobei eine kombinierte Menge des Kupfers und des Nickels im Bereich von 25–40 Gew.-% der titanbasierten Legierung liegt.
Bezugnehmend auf spezifische Bestandteile umfasst eine Verbundwerkstoffplatte einen organisches Bindemittel oder einen organischen Träger. Organisches Bindemittel der Verbundwerkstoffplatte kann ein oder mehrere Polymermaterialien umfassen. Geeignete Polymermaterialien zum Gebrauch in der Lage können ein oder mehrere Fluorpolymere umfassen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Polytetrafluorethylen (PTFE). Da sie ein organisches Bindemittel umfassen, können hierin beschriebene Verbundwerkstoffplatten tuchartig und/oder flexibel sein.
Titanbasierte pulverförmige Legierung wird beim Aufbau der Verbundwerkstoffplatte mit dem organischen Bindemittel kombiniert. Das organische Bindemittel und die pulverförmige Legierung werden mechanisch bearbeitet oder verarbeitet, um das Legierungspulver in dem organischen Bindemittel einzuschließen. In einer Ausführungsform zum Beispiel wird die titanbasierte pulverförmige Legierung mit 3–15 Vol.-% PTFE gemischt und mechanisch bearbeitet, um das PTFE zu fibrillieren und die pulverförmige Legierung einzuschließen. Mechanische Bearbeitung kann Walzen, Kugelmahlen, Dehnen, Verlängern, Streuung oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen wird die Lage, die die pulverförmige Legierung umfasst, kaltisostatischem Pressen unterzogen. Die resultierende Verbundwerkstoffplatte kann einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Anfangsfestigkeit aufweisen. In einigen Ausführungsformen wird eine Lage, die organisches Bindemittel und pulverförmige Legierung umfasst, gemäß der Offenbarung eines oder mehrerer der US-Patente 3,743,556 , 3,864,124 , 3,916,506 , 4,194,040 und 5,352,526 , die jeweils durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen sind, hergestellt.

Eine geeignete pulverförmige titanbasierte Legierung kann zu mindestens 30 Gew.-% Zirconium zusätzlich zu anderen Legierungselementen, einschließlich Kupfer und Nickel, umfassen. Titanbasiertes Legierungspulver zur Kombination mit dem organischen Bindemittel können eine Zusammensetzung aufweisen, die aus Tabelle III ausgewählt ist. Tabelle III – Titanbasierte Legierung von Verbundwerkstoffplatte

Ti-basierte Legierung	Zusammensetzungsparameter (Gew.-%)
1	Ti-(30–50)%Zr-(0–30)%Cu-(0–30%)Ni-(0–5)%Mo
2	Ti-(30–50)%Zr(0–25)%Cu-(0–25%)Ni-(0–5)%Mo
3	Ti-(35–45)%Zr(18–25)%Cu-(5–25%)Ni(0–5)%Mo
4	Ti-(35–45)%Zr(12–25)%Cu-(5–25%)Ni(0–5)%Mo
5	Ti-(36–39)%Zr(12–25)%Cu-(5–25%)Ni(0–5)%Mo
6	Ti-(36–39)%Zr(12–18)%Cu-(5–15%)Ni(0–5)%Mo
7	Ti-(36–39)%Zr(12–16)%Cu-(8–12%)Ni(0–5)%Mo
8	Ti-(36–39)%Zr(14–16)%Cu-(9–11%)Ni(0–5)%Mo
9	Ti-37,5%Zr-15%Cu-10%Ni
10	Ti-37,5%Zr-15%Cu-10%Ni1%Mo

Wie hierin beschrieben, kann eine pulverförmige titanbasierte Legierung zur Kombination mit dem organischen Bindemittel eine kombinierte Menge an Kupfer und Nickel im Bereich von 25–40 Gew.-% der Legierung aufweisen. Jede der titanbasierten Legierungszusammensetzungen von Tabelle III kann zum Beispiel eine kombinierte Menge an Kupfer und Nickel im Bereich von 25–40 Gew.-% der Legierung aufweisen.
Ferner kann eine hierin beschriebene Verbundwerkstoffplatte auch harte Teilchen in Kombination mit dem organischen Bindemittel und der pulverförmigen titanbasierten Legierung umfassen. Harte Teilchen der Verbundwerkstoffplatte können jegliche der harten Teilchen, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben sind, umfassen. Harte Teilchen können zum Beispiel Teilchen aus Metallcarbiden, Metallnitriden, Metallcarbonitriden, Metalloxiden, Metallboriden, Metallsiliciden, Hartmetallen, Gusscarbiden oder anderer Keramik oder Mischungen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen umfassen metallische Elemente harter Teilchen Aluminium, Bor und/oder ein oder mehrere metallische Elemente, die aus den Gruppen IVB, VB und/oder VIB des Periodensystems ausgewählt sind. In einer Ausführungsform umfassen harte Teilchen Titancarbid.
Harte Teilchen können in der Verbundwerkstoffplatte in jeder Menge vorliegen, die mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht unvereinbar ist. Harte Teilchen liegen in einigen Ausführungsformen in einer ausreichenden Menge vor, um der resultierenden Beschichtung oder dem resultierenden Überzug die gewünschte Beladung mit harten Teilchen bereitzustellen. Harte Teilchen können zum Beispiel in der Verbundwerkstoffplatte in einer ausreichenden Menge vorliegen, um der Beschichtung oder dem Überzug, die bzw. der metallurgisch an das Titansubstrat gebunden ist, einen Gehalt an harten Teilchen von 20–90 Vol.-% oder 40–70 Vol.-% bereitzustellen.
Wie hierin weiter beschrieben, kann die Verbundwerkstoffplatte über eine Oberfläche des Titansubstrats gelegt und erwärmt werden. Durch Erwärmung wird das organische Bindemittel der Lage zersetzt und das titanbasierte Legierungspulver mindestens teilweise geschmolzen, um Zwischenräume zwischen die harten Teilchen zu infiltrieren, was einen Legierungsmatrix-Verbundwerkstoff ergibt, der metallurgisch an das Titansubstrat gebunden ist. Eine Beschichtung oder ein Überzug aus Legierungsmatrix-Verbundwerkstoff, der mit einer Verbundwerkstoffplatte gebildet ist, kann jegliche der Eigenschaften aufweisen, die in Abschnitt I für eine Beschichtung oder einen Überzug genannt sind, einschließlich, dass sie vollständig dicht oder im Wesentlichen vollständig dicht sind und einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweisen.
III. Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffartikeln
Unter einem anderen Gesichtspunkt werden hierin Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffartikeln beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels das Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats und Erwärmen der teilchenförmigen Zusammensetzung, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist.
Bezugnehmend auf Verfahrensschritte umfasst nun ein hierin beschriebenes Verfahren das Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats. In einigen Ausführungsformen umfasst ein geeignetes Titan- oder Titanlegierungssubstrat jegliche der Titan- oder Titanlegierungssubstrate, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen ist ein Titanlegierungssubstrat zum Beispiel Ti6Al4V.
Nach Auswahl des Titan- oder Titanlegierungssubstrats wird eine teilchenförmige Zusammensetzung, die harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über dem Substrat angeordnet. In einigen Ausführungsformen können harte Teilchen, die in dem Träger angeordnet sind, jegliche der harten Teilchen umfassen, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben sind. Ähnlich kann in einigen Ausführungsformen Metall- oder Legierungspulver, das in dem Träger angeordnet ist, jegliches Metall oder jegliche Legierung umfassen, die in Abschnitte I und II vorstehend beschrieben sind, einschließlich den Legierungen, die in Tabellen I, II und III bereitgestellt sind.
Der Träger der teilchenförmigen Zusammensetzung kann ein organisches Bindemittel, wie ein Polymermaterial, umfassen. In solchen Ausführungsformen kann das Metall- oder Legierungspulver als Verbundwerkstoffplatte, wie in Abschnitt II beschrieben, bereitgestellt werden. Harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver werden in einigen Ausführungsformen mit einem Polymermaterial in Mengen kombiniert, die die gewünschten Prozentsätze der Zusammensetzung der harten Teilchen und des Metalls oder der Legierung in der fertigen Beschichtung widerspiegeln. In einigen Ausführungsformen werden harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver zum Beispiel mit einem Polymermaterial in Mengen kombiniert, die mit jeglichen der Prozentsätze der Zusammensetzung der harten Teilchen und des Metalls oder der Legierung in der Beschichtung, die im Abschnitt I vorstehend genannt werden, vereinbar sind.
Alternativ wird die teilchenförmige Zusammensetzung, die harte Teilchen und ein Metall- oder Legierungspulver umfasst, mit einem flüssigen Träger zum Auftragen auf das Substrat kombiniert. In einigen Ausführungsformen ist die teilchenförmige Zusammensetzung zum Beispiel in einem flüssigen Träger angeordnet, um einen Brei oder Anstrich zum Auftragen auf das Substrat bereitzustellen. Geeignete flüssige Träger für hierin beschriebene teilchenförmige Zusammensetzungen umfassen mehrere Bestandteile, einschließlich Dispergiermitteln, Verdickungsmitteln, Adhäsionsmitteln, Mitteln zum Reduzieren der Oberflächenspannung und/oder Schaumreduzierungsmitteln. In einigen Ausführungsformen sind geeignete flüssige Träger wasserbasiert.
Teilchenförmige Zusammensetzungen, die in einem flüssigen Träger angeordnet sind, können auf Oberflächen des Substrats durch verschiedene Verfahren aufgetragen werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Sprühen, Bürsten, Verlaufbeschichtung, Eintauchen und/oder verwandte Techniken. Die teilchenförmige Zusammensetzung kann in einer einzelnen Anwendung oder mehreren Anwendungen, je nach der gewünschten Dicke der Beschichtung, auf die Substratoberfläche aufgetragen werden. Zudem können in einigen Ausführungsformen teilchenförmige Zusammensetzungen, die in flüssigen Trägern angeordnet sind, hergestellt und gemäß der Offenbarung von US-Patent 6,649,682 , das das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, auf die Substratoberflächen aufgetragen werden.
Nachdem die Lage oder der flüssige Träger, die bzw. der die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst, über einer Oberfläche des Substrats angeordnet wurde, wird sie bzw. er erwärmt, um die Beschichtung bereitzustellen, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix, die durch Schmelzen der Metall- oder Legierungspulverzusammensetzung gebildet wird, angeordnet sind. Die Lage oder der flüssige Träger wird während des Erwärmungsvorgangs zersetzt oder abgebrannt. In einigen Ausführungsformen werden das Substrat und die Lage oder der flüssige Träger, die bzw. der die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst, in einer Vakuum-, Schutz- oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur und für einen Zeitraum erwärmt, wobei die Integrität des Substrats bewahrt wird und das pulverförmige Metall oder die pulverförmige Legierung auf die gewünschte Menge verdichtet wird. In einigen Ausführungsformen werden das Substrat und die Lage oder der flüssige Träger, die bzw. der die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst, zum Beispiel auf eine Temperatur unter dem β-Transus des Titan- oder Titanlegierungssubstrats, jedoch über der Liquidustemperatur des Metall- oder Legierungspulvers erwärmt.
Ferner hängen, wie einem Fachmann bekannt ist, Erwärmungsbedingungen, einschließlich Temperaturen, Atmosphäre und Zeit, von verschiedenen Überlegungen ab, einschließlich der Identität des Substrats, der Identität des pulverförmigen Metalls oder der pulverförmigen Legierung und der gewünschten Struktur der resultierenden Beschichtung.
In einigen Ausführungsformen wird die teilchenförmige Zusammensetzung, die die harten Teilchen und das Metall- oder Legierungspulver umfasst, unter Bedingungen erwärmt, die ausreichen, um eine vollständig dichte oder im Wesentlichen vollständig dichte Beschichtung zu erzeugen. Alternativ wird die teilchenförmige Zusammensetzung in einigen Ausführungsformen unter Bedingungen erwärmt, um eine Beschichtung mit Porosität zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird die teilchenförmige Zusammensetzung zum Beispiel unter Bedingungen erwärmt, um eine Beschichtung mit Porosität, die in Abschnitt I vorstehend genannt ist, zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird die teilchenförmige Zusammensetzung einem heißisostatischen Pressen und/oder einer anderen mechanischen Verarbeitung unterzogen, um die gewünschte Verdichtung zu erreichen. In einigen Ausführungsformen kann jedoch eine vollständig dichte oder im Wesentlichen vollständig dichte Beschichtung bereitgestellt werden, ohne die teilchenförmige Zusammensetzung heißisostatischem Pressen und/oder anderer mechanischer Verarbeitung zu unterziehen.
In einigen Ausführungsformen bindet das Erwärmen des Substrats und der teilchenförmigen Zusammensetzung die resultierende Beschichtung metallurgisch an das Substrat. In einigen Ausführungsformen wird ein Grenzflächenübergangsbereich zwischen der Beschichtung und dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat erzeugt. Der Grenzflächenübergangsbereich kann jegliche Eigenschaft aufweisen, die in Abschnitt I vorstehend für den Grenzflächenübergangsbereich genannt ist.
Außerdem wird in einigen Ausführungsformen das Substrat vor dem Auftragen der Lage oder des flüssigen Trägers, die bzw. der die teilchenförmige Zusammensetzung umfasst, gereinigt. Die Reinigung des Substrats kann durch chemische Behandlung, mechanische Behandlung oder beides erfolgen. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel wird ein Substrat einem Kies- oder Teilchenstrahlen unterzogen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines hierin beschriebenen Verbundwerkstoffartikels das Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats und Positionieren einer Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung über der teilchenförmigen Zusammensetzung. Die teilchenförmige Zusammensetzung und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung werden erwärmt, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an das Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind.
Ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat kann jegliche der Titan- oder Titanlegierungssubstrate, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben sind, umfassen. Zudem können harte Teilchen, die in einem Träger angeordnet sind, jegliche der harten Teilchen umfassen, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben sind. Wie in diesem Abschnitt III beschrieben, umfasst ein Träger der harten Teilchen in einigen Ausführungsformen ein organisches Bindemittel, wie ein Polymermaterial. Harte Teilchen und ein polymeres Bindemittel können kombiniert und zu einer Lage geformt werden, wie in Abschnitt II hierin beschrieben. Alternativ ist ein Träger der harten Teilchen eine Flüssigkeit, wie in diesem Abschnitt III beschrieben.
Eine Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung wird über der teilchenförmigen Zusammensetzung der harten Teilchen, die in dem Träger angeordnet sind, positioniert. In einigen Ausführungsformen umfasst eine Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung eine Metall- oder Legierungsfolie oder -lage. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen eine Folie oder eine dünne Lage des gewünschten Metalls oder der gewünschten Legierungszusammensetzung über der teilchenförmigen Zusammensetzung positioniert. In einigen Ausführungsformen ist eine Legierungsfolie oder -lage eine beliebige Legierung, die in Abschnitt I vorstehend beschrieben ist, einschließlich der in Tabellen I, II und III bereitgestellten Legierungen.
Alternativ umfasst eine Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung ein Metall- oder Legierungspulver, das in einem Träger angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Träger für das Metall- oder Legierungspulver ein organisches Bindemittel, wie ein Polymermaterial. Metall- oder Legierungspulver und ein polymeres Bindemittel können zum Beispiel kombiniert und zu einer Verbundwerkstoffplatte geformt werden, wie in Abschnitt II beschrieben. Ein Träger für das Metall- oder Legierungspulver ist in einigen Ausführungsformen eine Flüssigkeit.
Das Titan- oder Titanlegierungssubstrat, die teilchenförmige Zusammensetzung und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung werden erwärmt, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an das Substrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, die durch Schmelzen der Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung gebildet wird. Organische und/oder flüssige Bestandteile der teilchenförmigen Zusammensetzung und/oder der Matrix-Vorläuferzusammensetzung werden in dem Erwärmungsverfahren zersetzt oder abgebrannt. In einigen Ausführungsformen erfolgt das Erwärmungsverfahren in einer Vakuum-, Schutz- oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur und für einen Zeitraum, wobei die Integrität des Substrats bewahrt wird und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung auf die gewünschte Menge verdichtet wird. Zum Beispiel werden in einigen Ausführungsformen das Titan- oder Titanlegierungssubstrat, die teilchenförmige Zusammensetzung und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung auf eine Temperatur unter dem β-Transus des Substrats, jedoch über der Liquidustemperatur der Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung erwärmt.
In einigen Ausführungsformen werden die teilchenförmige Zusammensetzung und die Matrix-Vorläuferzusammensetzung unter Bedingungen erwärmt, die ausreichen, um eine vollständig dichte oder im Wesentlichen vollständig dichte Beschichtung zu erzeugen. Alternativ werden die teilchenförmige Zusammensetzung und die Matrix-Vorläuferzusammensetzung in einigen Ausführungsformen unter Bedingungen erwärmt, um eine Beschichtung mit Porosität zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel werden die teilchenförmige Zusammensetzung und die Matrix-Vorläuferzusammensetzung unter Bedingungen erwärmt, die eine Beschichtung mit einer in Abschnitt I vorstehend genannten Porosität ergeben. In einigen Ausführungsformen werden die teilchenförmige Zusammensetzung und die Matrix-Vorläuferzusammensetzung einem heißisostatischen Pressen und/oder anderer mechanischer Verarbeitung unterzogen, um die gewünschte Verdichtung zu erreichen. In einigen Ausführungsformen kann jedoch eine vollständig dichte oder im Wesentlichen vollständig dichte Beschichtung bereitgestellt werden, ohne die teilchenförmige Zusammensetzung und die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung heißisostatischem Pressen und/oder anderer mechanischer Verarbeitung zu unterziehen.
In einigen Ausführungsformen wird durch Erwärmen des Substrats, der teilchenförmigen Zusammensetzung und der Matrix-Vorläuferzusammensetzung die resultierende Beschichtung metallurgisch an das Substrat gebunden. In einigen Ausführungsformen wird ein Grenzflächenübergangsbereich zwischen der Beschichtung und dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat erzeugt. Der Grenzflächenübergangsbereich kann jegliche Eigenschaft aufweisen, die in Abschnitt I vorstehend für den Grenzflächenübergangsbereich genannt ist.
Beschichtungen, die gemäß hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden, haben in einigen Ausführungsformen einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³, bestimmt gemäß Verfahren E of ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”. In einigen Ausführungsformen weist eine Beschichtung, die gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird, einen beliebigen Wert des eingestellten Volumenverlusts auf, der für eine Beschichtung in Abschnitt I vorstehend genannt ist.
Außerdem sind in einigen Ausführungsformen harte Teilchen einer Beschichtung, die gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden, gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig in der Metall- oder Legierungsmatrix verteilt. In einigen Ausführungsformen sind die harten Teilchen in der Metall- oder Legierungsmatrix unlöslich oder im Wesentlichen unlöslich. Ferner ist in einigen Ausführungsformen das Grenzflächenreaktionsprodukt zwischen den harten Teilchen und der Metall- oder Legierungsmatrix durch optische Mikroskopie bei einer Vergrößerung von 100× nicht ersichtlich.
In einigen Ausführungsformen umfassen hierin beschriebene Verfahren ferner das Anlagern einer oder mehrerer Schichten aus hitzebeständigem Material über der Beschichtung aus harten Teilchen, die in der Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind. Die eine oder die mehreren Schichten aus hitzebeständigem Material werden in einigen Ausführungsformen durch CVD, PVD oder Kombinationen davon abgeschieden. In einigen Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren hitzebeständigen Schichten Keramik, Diamant, diamantartigen Kohlenstoff, Wolframcarbid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfassen die über der Beschichtung abgeschiedene(n) CVD- und/oder PVD-Schicht(en) Aluminium und/oder ein oder mehrere metallische Elemente, die aus den Gruppen IVB, VB und/oder VIB des Periodensystems ausgewählt sind, und ein oder mehrere nichtmetallische Elemente, die aus den Gruppen IIIA, IVA, VA und/oder VIA des Periodensystems ausgewählt sind. In einigen Ausführungsformen werden die hitzebeständige(n) Schicht(en) durch Niedertemperatur- oder Mitteltemperatur-CVD über der Beschichtung abgeschieden.
Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 – Verbundwerkstoffartikel
Ein Verbundwerkstoffartikel mit einem hierin beschriebenen Aufbau wurde wie folgt hergestellt. Titancarbidpulver (Sieb -325) wurde mit 10 Vol.-% PTFE gemischt. Die Mischung wurde mechanisch bearbeitet, um PTFE zu fibrillieren und die Titancarbidteilchen einzuschließen, und dann gewalzt, wodurch eine tuchartige, flexible abrasive Carbidlage hergestellt wurde, wie in US-Patent Nr. 4,194,040 beschrieben. Eine mit Pulver versehene Metallfolie mit einer Dicke von 200 bis 300 Mikrometern und einer Zusammensetzung von 18–22 Gew.-% Zirconium, 18–22 Gew.-% Kupfer, 18–22 Gew.-% Nickel und zu übrigen Teilen Titan wurde als das Hartlötmaterial verwendet.
Die Titancarbidlage wurde auf die Oberfläche eines Ti6Al4V-Substrats mittels eines Klebstoffes aufgebracht und die mit Pulver versehene Hartlötfolie über der Titancarbidlage angeleimt. Die Probe wurde in einem Vakuumofen mit einer Geschwindigkeit von 5–10°C/min ungefähr 15 Minuten bis 60 Minuten lang auf 940–980°C erwärmt, wobei die Hartlötfolie schmolz und die Titancarbidlage infiltrierte. Beim Abkühlen wurde ein(e) Verbundwerkstoffbeschichtung/-überzug gebildet, die bzw. der eine scheuerbeständige Titancarbidschicht umfasste, die metallurgisch an das Ti6Al4V-Substrat gebunden war.
Die Beschichtung/der Überzug des resultierenden Verbundwerkstoffartikels wurde ohne signifikante visuelle Defekte (Risse, Poren, Falten) gleichmäßig an das Substrat gebunden. Eine metallographische Untersuchung des Querschnitts bei einer Vergrößerung von 100× der Beschichtung/des Überzugs des vorliegenden Beispiels, wie in 1 dargestellt, zeigte die Abwesenheit signifikanter Defekte an der Grenzfläche zwischen der Beschichtung/dem Überzug und dem Substrat. Zudem zeigte die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von 4 mm³ gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Beispiel 2 – Verbundwerkstoffplatte
Eine hierin beschriebene Verbundwerkstoffplatte wurde wie folgt hergestellt. Ein titanbasiertes Hartlötpulver (Sieb -200) mit der Zusammensetzung von Tqi-(36–39)Gew.-%Zr-(14–16)Gew.-%Cu-(9–11)Gew.-%Ni wurde mit 4,8 Vol.-% PTFE kombiniert und mechanisch bearbeitet, um das PTFE zu fibrillieren und das titanbasierte Legierungspulver einzuschließen. Die Legierungspulver/PTFE-Mischung wurde dann gewalzt, wodurch eine tuchartige, flexible Verbundwerkstoffplatte hergestellt wurde.
Beispiel 3 – Verbundwerkstoffartikel

Ein Verbundwerkstoffartikel mit einem hierin beschriebenen Aufbau wurde wie folgt hergestellt. Gemäß Beispiel 1 gebildete Titancarbidlagen wurden auf Oberflächen von Susbtraten aus Ti6Al4V (Verbundwerkstoff A) und handelsüblichem reinen Titan (Verbundwerkstoff B) mit einem Klebstoff aufgebracht. Gemäß Beispiel 2 gebildete Verbundwerkstoffplatten wurden anschließend über den Titancarbidlagen der Verbundwerkstoffe A und B aufgebracht. Vergleichsverbundwerkstoffe C-F wurden auch mit dem gleichen Verfahren hergestellt, wobei die Unterschiede darin liegen, dass die Verbundwerkstoffplatte der Vergleiche C und D ein titanbasiertes Legierungspulver mit der Zusammensetzung Ti-25Gew.-%Cu-15Gew.-%Ni einsetzte und die Verbundwerkstoffplatte der Vergleiche E und F ein titanbasiertes Legierungspulver mit der Zusammensetzung Ti-20Gew.-%Zr-20Gew.-%Cu-15–20Gew.-%Ni einsetzte. Tabelle IV fasst den Aufbau der Verbundwerkstoffe A–F vor dem Erwärmen zusammen. Tabelle IV

Verbundwerkstoff	Substrat	Tuch aus harten Teilchen	Ti-basierte Legierung von Verbundwerkstoffplatte
A	Ti6Al4V (Güte 5)	TiC/PTFE	Ti-(36–39)Gew.-%Zr-(14–16)Gew.-%Cu-(9–11)Gew.-%Ni
B	Ti (rein)	TiC/PTFE	Ti-(36–39)Gew.-%Zr-(14–16)Gew.-%Cu-(9–11)Gew.-%Ni
C*	Ti6Al4V (Güte 5)	TiC/PTFE	Ti-25Gew.-%Cu-15Gew.-%Ni
D*	Ti (rein)	TiC/PTFE	Ti-25Gew.-%Cu-15Gew.-%Ni
E*	Ti6Al4V (Güte 5)	TiC/PTFE	Ti-20Gew.-%Zr-20Gew.-%Cu-15–20Gew.-%Ni
F*	Ti (rein)	TiC/PTFE	Ti-20Gew.-%Zr-20Gew.-%Cu-15–20Gew.-%Ni

*Vergleich

Verbundwerkstoffe A und B und Vergleichsverbundwerkstoffe C–F wurden jeweils in einem Vakuumofen (< 0,007 Pa (< 10^–5 torr)) bei einer Temperatur von 920–960°C und einer Geschwindigkeit von 2–5°C/min erwärmt und für einen Zeitraum von 55–70 Minuten bei der Temperatur gehalten.
Verbundwerkstoffe A und B zeigten einen Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzug, der metallurgisch an die Ti6Al4V- und Ti-Substrate gebunden war. Die Schicht harter Teilchen aus TiC-Teilchen in jedem von A und B wurde von der titanbasierten Legierung vollständig infiltriert, um den Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzug bereitzustellen. Überschüssige Legierungsmatrix auf der überzogenen Oberfläche, die aus dem Überzugsvorgang resultierte, wurde durch Schleifen entfernt, um eine gleichmäßig glatte Oberfläche bereitzustellen. Die Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzüge der Verbundwerkstoffe A und B zeigten jeweils einen durchschnittlichen eingestellten Volumenverlust von 3,38 mm³ gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”. Im Vergleich dazu zeigte nicht überzogenes Ti6Al4V einen eingestellten Volumenverlust von 147,7 mm³.
Im Gegensatz zu den Verbundwerkstoffen A und B zeigten die Vergleichsverbundwerkstoffe C–F Überzüge mit signifikanten strukturellen Problemen. Vergleich C zum Beispiel zeigte ungenügende Legierungsmatrixinfiltration und erhebliche Abplatzungen, während die titanbasierte Legierung von Vergleich E ebenfalls die Schicht harter TiC-Teilchen nicht infiltrierte. Ferner verbesserte eine Änderung der Substratidentität auf handelsübliches reines Titan die Überzugseigenschaften nicht, da die Vergleichsverbundwerkstoffe D und F ebenfalls ungenügende Infiltration und damit verbundwerkene strukturelle Probleme zeigten.
2 zeigt Vergleichsverbundwerkstoffe C und E relativ zu Verbundwerkstoff A. Erhebliche Abplatzungen von Vergleich C ist in 2(a) dargestellt, und das Fehlen von Matrixlegierungsinfiltration von Vergleich E ist in 2(b) dargestellt. Verbundwerkstoff A von 2(c) zeigt jedoch vollständige Infiltration der Schicht harter TiC-Teilchen durch die titanbasierte Matrixlegierung, wodurch ein im Wesentlichen dichter Überzug bereitgestellt wird, der metallurgisch an das Titansubstrat gebunden wird. Vollständige Infiltration der Schicht harter TiC-Teilchen durch die titanbasierte Matrixlegierung von Verbundwerkstoff A ist ferner in den Querschnittsmetallographen von 3 dargestellt. 3(a) zeigt die im Wesentlichen gleichmäßige Natur des Titanlegierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzugs, der metallurgisch an das Ti6Al4V-Substrat gebunden ist. Ferner wurde 3(b) bei höherer Vergrößerung aufgenommen, wobei der Grenzflächenübergangsbereich zwischen dem Titanlegierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzug und dem Ti6Al4V-Substrat im Detail dargestellt wird. 4 zeigt ähnliche Ergebnisse für Verbundwerkstoff B, der das handelsübliche reine Titansubstrat einsetzt. 4(a) zeigt die im Wesentlichen gleichmäßige Natur des Titanlegierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzugs, der metallurgisch an das handelsübliche reine Titansubstrat gebunden ist, während 4(b) den Grenzflächenübergangsbereich zwischen dem Titanlegierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzug und dem handelsüblichen reinen Titansubstrat weiter charakterisiert.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind beschrieben worden, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es sollte sich verstehen, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verbundwerkstoffartikel, umfassend: ein Titan- oder Titanlegierungssubstrat und eine Beschichtung, die an dem Substrat haftet, wobei die Beschichtung Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 12 mm³ gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel” aufweist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 6 mm³ gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel” aufweist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, ferner einen Grenzflächenübergangsbereich zwischen der Beschichtung und dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat umfassend.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 4, wobei der Grenzflächenübergangsbereich eine Dicke im Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 250 μm aufweist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 4, wobei der Grenzflächenübergangsbereich eine Mikrostruktur aufweist, die sich von der der Beschichtung und des Titan- oder Titanlegierungssubstrats unterscheidet.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei kein Grenzflächenreaktionsprodukt zwischen den Teilchen und der Metall- oder Legierungsmatrix durch optische Mikroskopie bei einer Vergrößerung von 100× ersichtlich ist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Teilchen in der Metall- oder Legierungsmatrix im Wesentlichen unlöslich sind.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Teilchen der Beschichtung ein oder mehrere Metallcarbide, Metallnitride, Metallcarbonitride, Metalloxide, Metallboride, Metallsilicide, Hartmetalle, Gusscarbide, Bornitride oder Mischungen davon umfassen.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Porosität von weniger als 10 Vol.-% aufweist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Porosität von weniger als 5 Vol.-% aufweist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung im Wesentlichen vollständig dicht ist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei die Teilchen gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig in der Metall- oder Legierungsmatrix verteilt sind.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, wobei das Titan- oder Titanlegierungssubstrat zum Großteil eine Kristallstruktur der α/β-Phase umfasst.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei die Metall- oder Legierungsmatrix titanbasiert ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei das Titanlegierungssubstrat Ti6Al4V ist.
Verbundwerkstoffartikel nach Anspruch 1, ferner mindestens eine Schicht aus hitzebeständigem Material umfassend, das über der Beschichtung durch chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung oder eine Kombination davon abgeschieden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels, umfassend: Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen und Metall- oder Legierungspulver umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats, und Erwärmen der teilchenförmigen Zusammensetzung, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 12 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung im Wesentlichen vollständig dicht ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die teilchenförmige Zusammensetzung unter Vakuum erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Träger der teilchenförmigen Zusammensetzung ein Polymermaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Träger der teilchenförmigen Zusammensetzung eine Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Beschichtung einen Grenzflächenübergangsbereich mit dem Substrat bildet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Erwärmen bei einer Temperatur unter der β-Transustemperatur des Titan- oder Titanlegierungssubstrats erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei kein Grenzflächenreaktionsprodukt zwischen den harten Teilchen und der Metall- oder Legierungsmatrix durch optische Mikroskopie bei einer Vergrößerung von 100× ersichtlich ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die harten Teilchen in der Metall- oder Legierungsmatrix im Wesentlichen unlöslich sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Titanlegierungssubstrat Ti6Al4V ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels, umfassend: Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats, Positionieren einer Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung über der teilchenförmigen Zusammensetzung und Erwärmen der teilchenförmigen Zusammensetzung und der Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung, um eine Beschichtung bereitzustellen, die an dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei die Beschichtung die harten Teilchen umfasst, die in einer Metall- oder Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 12 mm³ aufweist, wie gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel” bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Metall- oder Legierungsmatrix-Vorläuferzusammensetzung eine Metall- oder Legierungsplatte oder -folie umfasst.
Verbundwerkstoffplatte, umfassend: ein organisches Bindemittel und eine pulverförmige titanbasierte Legierung zum Bereitstellen eines Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffüberzugs auf einem Titan- oder Titanlegierungssubstrat, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 30–50 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst, wobei eine kombinierte Menge des Kupfers und Nickels im Bereich von 25–40 Gew.-% der titanbasierten Legierung liegt.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, wobei das organische Bindemittel ein Polymermaterial umfasst.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 35–45 Gew.-% Zirconium, 18–25 Gew.-% Kupfer, 5–25 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 35–45 Gew.-% Zirconium, 12–25 Gew.-% Kupfer, 5–25 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 12–18 Gew.-% Kupfer, 5–15 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 14–16 Gew.-% Kupfer, 8–12 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 31, ferner harte Teilchen umfassend.
Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 37, wobei die harten Teilchen ein oder mehrere Metallcarbide, Metallnitride, Metallcarbonitride, Metalloxide, Metallboride, Metallsilicide, Hartmetalle, Gusscarbide, Bornitride oder Mischungen davon umfassen.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels, umfassend: Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer teilchenförmigen Zusammensetzung, die harte Teilchen umfasst, die in einem Träger angeordnet sind, über einer Oberfläche des Substrats, Positionieren einer Verbundwerkstoffplatte, die ein organisches Bindemittel und eine pulverförmige titanbasierte Legierung umfasst, die zu 30–50 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst, über der teilchenförmigen Zusammensetzung, wobei eine kombinierte Menge des Kupfers und des Nickels im Bereich von 25–40 Gew.-% der titanbasierten Legierung liegt, und Erwärmen der teilchenförmigen Zusammensetzung und der Verbundwerkstoffplatte, um einen Überzug bereitzustellen, der metallurgisch an das Titan- oder Titanlegierungssubstrat gebunden ist, wobei der Überzug die harten Teilchen umfasst, die in einer titanbasierten Legierungsmatrix angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Beschichtung einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 35–45 Gew.-% Zirconium, 18–25 Gew.-% Kupfer, 5–25 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 35–45 Gew.-% Zirconium, 12–25 Gew.-% Kupfer, 5–25 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 12–18 Gew.-% Kupfer, 5–15 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 14–16 Gew.-% Kupfer, 8–12 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffartikels, umfassend: Bereitstellen eines Titan- oder Titanlegierungssubstrats, Positionieren einer Verbundwerkstoffplatte, die ein organisches Bindemittel, harte Teilchen und eine pulverförmige titanbasierte Legierung umfasst, die zu 30–50 Gew.-% Zirconium, 0–30 Gew.-% Kupfer, 0–30 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst, über einer Oberfläche des Substrats, wobei eine kombinierte Menge des Kupfers und Nickels im Bereich von 25–40 Gew.-% der titanbasierten Legierung liegt, und Erwärmen der Verbundwerkstoffplatte, um einen Überzug bereitzustellen, der an dem Titan- oder Titanlegierungssubstrat haftet, wobei der Überzug die harten Teilchen umfasst, die in einer titanbasierten Legierungsmatrix angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Überzug einen eingestellten Volumenverlust von weniger als 20 mm³ aufweist, bestimmt gemäß Verfahren E von ASTM G65 „Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel”.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 12–18 Gew.-% Kupfer, 5–15 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die pulverförmige titanbasierte Legierung zu 36–39 Gew.-% Zirconium, 14–16 Gew.-% Kupfer, 8–12 Gew.-% Nickel, 0–5 Gew.-% Molybdän und zu übrigen Teilen Titan umfasst.