TW201304895A - 被覆基材的方法 - Google Patents

Abstract

一種被覆基材(1)的方法被揭示。該方法包含(i)將一能量束(2)導引至該基材(1)的一表面(4)的一區域(3)上，用以在該表面(4)的該區域(3)處產生一熔融材料池(5)；(ii)將顆粒(7)的顆粒流(6)朝向該熔融材料池(5)導引，使得至少一第一部分的顆粒(7)進入到該熔融材料池(5)中；(iii)讓該熔融材料池(5)冷卻並固化，藉以將第二部分的顆粒(7)包陷在該固化的材料池(8)中以形成被包陷的顆粒(71)等步驟，其中被導引至該表面(4)的該區域(3)的該能量束(2)是能量脈衝的形式且該顆粒(7)的顆粒流(6)是顆粒(7)脈衝形式，其中在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前，該能量脈衝被終止或該能量束(2)被重新導向或該能量束(2)的功率被減小，及其中該能量脈衝的終止或該能量束(2)的重新導向或能量束(2)的功率的減小被體現為使得該等顆粒(7)被該能量束(2)實質地熔化、熔合在一起或形狀改變可被避免。本發明更有關於一種用來實施該方法的設備(16)。本發明進一步與該方法或設備(16)在被覆渦輪機構件上的用途及關於可用此方法獲得的被覆基材有關。

Description

被覆基材的方法

本發明係有關於一種被覆基材的方法。本發明亦有關於一種實施此方法的設備，一種可用此方法獲得的被覆基材及此方法或設備在被覆渦輪機構件方面的用途。

將顆粒嵌埋在基材表面中是有實用性的，例如，在製造研磨性塗層於金屬表面上的用途，譬如使用在飛機引擎中的渦輪機或工業用氣體渦輪機內的金屬表面上的用途。這些研磨性塗層通常包含硬質的碾磨或切割顆粒，用以讓該等渦輪機葉片的尖端能夠在其首次運轉的時候切入到周圍外殼的可研磨的陶瓷密封件中。此一研磨的結果是，該等渦輪機葉片的尖端與外殼之間的間隙被保持得儘可能地小。此緊密的間隙具有將空氣及通過該葉片的尖端的其它氣體的旁通流(bypass flow)最小化，而者可將該渦輪機導因於高能氣體損失之能量及效率的損失最小化。典型的研磨性硬質顆粒是由氮化硼立方體(cBN)或碳化矽(SiC)所組成。這些硬質的顆粒通常被用於塗層中，用以在與特殊合金接觸時改善它們的氧化穩定性、熱力學穩定性，或改善它們與基材的黏合性。

用來製備此等嵌埋了顆粒的基材表面的方法是已知的。例如，US 5,935,407號揭露了藉由電流技術將顆粒嵌埋在金屬母體中的方法。然而，該被揭露的方法相當複雜且 耗工並需要數種特殊的設備及步驟，其首先藉由低壓電漿噴灑來沉積一基層、接下來才用電鍍來將顆粒固定至該基層、接著藉由高頻反轉式脈衝誘捕電鍍來將顆粒嵌埋至一金屬母體中、最後用高溫熱處理來將部分的顆粒成分擴散至該金屬母體中以產生一緻密的母體。此外，該US 5,935,407號需要使用相當大量之特殊的且有毒的化學試劑(譬如，表面活性劑)及過渡金屬鹽電鍍溶液。此外，在使用之後必需回收及/或處置這些溶液。其它更簡單之無需這麼多不同種類的技術、設備及化學試劑(特別是溶液)之用來嵌埋顆粒的方法是所想要的。

嵌埋顆粒的另一種方法可從美國專利申請案US 2007/009011 A1中得知，其所揭露的是SiC顆粒首先藉由環氧樹脂黏劑而被固定至一載體金屬板、然後該等顆粒在一物理氣相沉積(PVD)處理中被塗覆一金屬母體、及該載體板接下來被倒置於一基材上且該金屬母體被銅焊至該基材使得該等顆粒的“腳”被埋入到該被銅焊的金屬母體層中。最後，該載體板藉由彎折、剝離或碾磨而被去除掉。然而，此方法亦需要數種不同的處理並使用到不容易回收的環氧樹脂黏劑及載體板。此外，該基材的表面及其黏附的顆粒在該載體板的去除處理中會受損傷。

應指出的是，粉末的雷射被覆或焊接至一基材亦是習知的，例如揭示於US 5,245,155號中者。在此方法中，一基材的表面的一部分被一雷射束熔化且一粉末填料經由該雷射束的路徑被加入到該熔融的表面材料中。被該雷射 束熔化且在該熔融的表面材料中的粉末提供該填料的一焊珠，其然後在該雷射束移離開時固化以形成該填料的一焊接沉積物於該基材的該表面上。然而，此等方法無法用來形成研磨表面。這是因為該研磨功能與具有銳利切面的切割緣的微小研磨顆粒的隨機分布有關。這些顆粒特性與研磨功能在US 5,245,155號所製備的表面中是缺乏的，因為所有顆粒已被熔化且結塊在一起，因而喪失它們銳利的特徵。應指出的是，一種具有類似缺點之類似的方法被揭露在DE 4129239A1號中。

US 5,453,329號在其揭露之用來將研磨顆粒嵌埋在基材中的雷射被覆方法中嘗試要克服此問題。在此方法中，一雷射被聚焦在一超級合金基材上以形成一很小的過熱熔融的基材材料池。一塗覆了非反應性包覆絕熱層之微金屬粉末與微研磨顆粒的母體混合物藉由一粉末進料機被注入到該被照射的熔融池中。該熔融池與該被散佈的母體混合物的照射被持續著，直到該金屬粉末和該絕緣層的至少該表面熔化並與在該池中之超合金混合形成一合金混合物為止。該合金混合物然後最終藉由停止該熔融池的照射而被固化。

然而US 5,453,329號的此雷射被覆方法是很難控制的且具有數項缺點。如在US 5,453,329號的表1中所揭露的，許多研磨顆粒的熔化溫度比該雷射所產生之超過3000℃的過熱熔融池溫度低了數百度。如US 5,453,329號中所揭露的，該雷射所產生之該等顆粒的過熱會透過熔 化及結塊過程而損害該等研磨顆粒及它們的研磨效果。這些過程將顆粒的分布及形態從具有許多銳利的切面之切割緣的小且均勻地分布的顆粒改變成具有圓角化特徵之大且隨機地結塊的質量。此熔化及結塊過程降低了雷射被覆表面的研磨特性。該雷射在該等顆粒上的直接衝擊直接加熱該等顆粒且會傷害它們或改變它們的特性。例如，研磨性材料(譬如，金屬碳化物或氧化物)用雷射削磨來予以切割及切鋸對於將材料精微成型(microstructuring)而言是習知的技術。

US 5,453,329號的方法嘗試藉由將該等顆粒塗覆一層熔點高於約1000℃的塗層材料來侷限在雷射被覆期間的損傷。因此，在照射包含該等被塗覆的顆粒的熔融池一段長到足以熔化部分塗層的時間使得它與在該熔融池內的熔融超合金混合以在固化之前形成合金混合物和不照射該熔融池太長的時間而讓該塗層底下的顆粒被熔化及/或被損傷兩者之間必需保持一脆弱的平衡。此平衡是很難達成的，因為在該進料流及熔融池中不同的顆粒被遮蔽免於雷射傷害將有很大程度上的不同。例如，在最靠近該雷射與粉末流首先交會的界面的粉末流區域中的顆粒將相對地未針對雷射傷害被遮蔽。相反地，位在該粉末流的與此界面相反的一側上的顆粒只會曝露在被穿插的微小金屬粉末及被塗覆的顆粒減弱的雷射能量下。而且，在該熔融池內的顆粒將被沉浸不同的程度且在不同方位上。因此，有些顆粒將被穿插的熔融池遮蔽不受雷射照射及其它顆粒將被遮蔽 免於雷射照射達一定程度或完全未被遮蔽。因為該雷射束衝擊、該粉末進料及該熔融池在一相對高的速率下移動橫越該基材表面、及粉末亦在一相對高的速率下被連續地進料至該移動中的熔融池的關係，在US 5,453,329號的連續操作中此平衡當然更加難以達成並保持。

該US 5,453,329號的方法的另一項缺點為，該表面變得相當不均質，因為在熔融池內之被熔化的塗層的徹底混合沒有發生且富含不同程度的塗層材料之局部區域被形成。這些區域可具有與基材特性極為不同且相對地更差的特性，且該表面之不均質的本質不利地影響其強度、黏合性、及耐熱及耐腐蝕特性。

該US 5,453,329號的方法的再另一項缺點為，具有必要的絕熱層的該等研磨性顆粒的塗層增加用於原材料的額外成本及額外的處理步驟。又，塗覆該等顆粒會不利地改變它們被需要之銳利的形狀特徵及其它特性。該US 5,453,329號的方法需要的另一額外的原材料為其母體混合物的微金屬粉末成分。結論，一種比US 5,453,329號更容易控制且沒有它所造成的顆粒損傷及對於顆粒塗層及微金屬粉末的需求的被覆方法是所想要的。

另一種用來將研磨性顆粒嵌埋在基材中的雷射被覆方法被揭露在US 5,997,248號中。然而，該被揭露的方法只能應用在塗覆了至少一層氮化鋁的碳化矽粉粒(granule)上。該唯一被揭示的例子實際上係有關於被塗覆了氮化鋁層及NiCrAl被覆合金層兩者的碳化矽顆粒。在該被揭露 的方法中，一雷射束產生一雷射光點於一葉片尖端表面上以產生一熔融池，及該等被覆的SiC顆粒被重力進料至一與該雷射光的光點鄰近的區域。將顆粒以此方式進料的動機並未在此專利案中被提供，且在此方法中該等顆粒是否受到保護而免於被雷射傷害亦不清楚。例如，該雷射被描述為至少部分地將該被覆合金熔化成尖端合金(tip alloy)。這意謂著在US 5,997,248號的方法與在US 5,453,329號相似之處在於，需要用於該等顆粒的特殊塗層且雷射光直接衝擊在該等顆粒上以至少部分地熔化它們。

即使吾人想要試著以一種可防止雷射直接撞擊到該等顆粒上並防止傷及該等顆粒的方式來使用在US 5,997,248號的方法，此一方法將極難控制。例如，該熔融池典型地不太大，如直徑約2mm，且相對於雷射光點當然不是非常大。因此，該熔融池鄰近該雷射光的光點的熔融物“慧星尾”在面積及體積上而言係相對地很小。此外，該雷射被覆之與生俱有的冷卻率是很高的，如達到10⁶℃/s的等級。該熔融池之淺的未被照射的慧星尾甚至會冷卻得更快，使得吾人將只有約1毫秒或更少的時間長度來試著將顆粒注入到該快速冷卻的慧星尾中。把這些顆粒在很短的時間內進料至極小的區域中之顆粒進料問題進一步複雜化的是該熔融池及其慧星尾，在US 5,997,248號的方法中該雷射光點及顆粒給料係以高速移動橫越該基材的表面。結論，一種比US 5,997,248號更容易控制且沒有它所造成的顆粒損傷及對於特殊的顆粒成分及塗層需求的被覆方法 是所想要的。

從此技藝的現狀出發，本發明的一個目的為提供一種用來被覆基材的方法，該方法不會有上述的缺陷、特別是缺乏免受雷射光撞擊傷害之適當的顆粒保護、缺乏處理未被塗覆的形式的顆粒或有各式成分的顆粒的能力、及缺乏一種堅固耐用又易於控制之雷射被覆熱敏感顆粒的方法。本發明的其它目的包括提供一種適合使用該方法的設備、一種可用該方法獲得之被覆基材、及該方法或該設備在被覆渦輪機構件上的用途。

依據本發明，這些目的可由一種用來被覆基材的方法來達成，該方法包含：將一能量束導引至一基材的一表面的一區域上，用以在該表面的該區域處產生一熔融材料池；將顆粒的一顆粒流朝向該熔融材料池導引，使得至少顆粒的第一部分進入到該熔融材料池中；讓該熔融材料池冷卻並固化，藉以將顆粒的第二部分包陷在該固化的材料池中以形成被包陷的顆粒，等步驟，其中被導引至該表面的該區域的該能量束是能量脈衝的形式且該顆粒的顆粒流是顆粒脈衝的形式，其中在該等顆粒進入到該能量束的路徑之前及在該等顆粒進入該熔融材料池之前，該能量脈衝被終止或該能量束被重新導向或該能量束的功率被減小，及其中該能量脈衝的終止或該能量束的重新導向或能量束的功率的降低被體現為使得該等顆粒被該能量束實質地熔化 、熔合在一起或形狀被改變可被避免。

依據本發明，這些其它目的首先可由一種設備來達成，其包含：一能量束來源，用來產生一能量束；一能量束功率控制單元，用來控制該能量束的功率；一能量脈衝單元，用來產生一能量脈衝；一能量束導向單元，用來將該能量束導引至一基材的一表面的一區域上；一顆粒流來源，用來產生一顆粒流；一顆粒流導向單元，用來將該顆粒流導引至該基材的該表面的該區域上；一顆粒流脈衝單元，用來產生顆粒脈衝，其中該設備具有一脈衝定時及定序控制單元，其被體現為使得該能量脈衝在該等顆粒到達該表面的該區域之前產生一熔融材料池於該基材的該表面的該區域處，及在該等顆粒進入到該能量束的路徑之前及在該等顆粒進入該熔融材料池之前，該能量脈衝被終止或該能量束被重新導向或該能量束的功率被減小。該設備依據本發明被使用在一基材，較佳地為一渦輪機構件，的被覆上。

本發明藉由被導引至該表面的該區域處的一能量脈衝形式的能量束及一顆粒脈衝形式的顆粒流來達到這些目的並提供此問題的解決方案，其中在該等顆粒進入到該能量束的路徑之前及在該等顆粒進入該熔融材料池之前，該能量脈衝被終止、該能量束被重新導向或該能量束的功率被減小，及其中該能量脈衝的終止或該能量束的重新導向或能量束的功率的減小被體現為使得該等顆粒被該能量束實質地熔化、熔合在一起或形狀被改變可被避免。因此，該 等溫度敏感顆粒在該被覆處理期間將不會被該能量束傷害，且它們將以一相對未受損的狀態被該固化中的熔融池所包陷。因此，所想要的顆粒特性(譬如，該等研磨顆粒有許多銳利的切面切割邊緣)將不會在該被覆處理期間被破壞，且該等顆粒亦將如許多小型被包陷的顆粒般地被均勻地且不相連地散布於該被形成的被覆表面上。藉由本發明的方法獲得之所想要的顆粒分布及形態允許方便且耐用之高研磨性表面的製備。

這些結果令人驚訝地可在無需於雷射被覆處理中使用任何特殊研磨顆粒的塗層下被達成。這是相當令人驚訝的，因為在US 5,997,248號及US 5,453,329號兩案中都揭示了研磨性顆粒塗層對於它們所請求的發明而言是很重要的特徵。詳言之，US 5,453,329號強調它的特殊熱阻隔顆粒塗層可在處理期間保護它的研磨性顆粒不受雷射傷害及它的特殊熱阻隔顆粒塗層是讓它的研磨顆粒可被令人滿意地被雷射沉積的關鍵。

再者，這些結果令人驚訝地亦可在無需嘗試要在該被覆處理中有一被緊密地控制的顆粒部分熔化發生(即，只有該等顆粒的一薄的表面塗層熔化，而底下的顆粒則未熔化)的情形下被達成。

在一較佳的實施例中，該方法包含額外的後續步驟，其中該能量束被導引至該表面的一實質不同的區域且較早的那些步驟在該實質地不同的區域上被重復。在實質地不同的區域上重復該等步驟可讓一基材的該表面的一大區域 在數個重復的步驟中被被覆且不會傷及已被被覆的區域。

依據另一較佳的實施例，該方法包含的額外步驟為，在該等被包陷的顆粒被形成之後，該基材的該表面被清潔以去除該表面上未被包陷的顆粒的第三部分。同樣地，在該設備的一較佳的實施例中，該設備額外地包含一表面清潔裝置，用來清除未被包陷的顆粒。清除未被包陷的顆粒可確保該表面是乾淨的，使得該表面的其它區域的被覆及其它處理可在沒有顆粒污染下暢通無阻地被實施在該表面上。例如，未被清除掉的未被包陷的顆粒會污染鄰近的熔融池的製備。再者，該等顆粒本身是有價值的原材料，且將它們回收再利用是有經濟上的利益。因此，在一特別佳的實施例中，被清除的顆粒被用來製備其它的顆粒脈衝。

依據該方法的另一較佳實施例，該顆粒脈衝被設定為1至100毫秒的持續時間，較佳地被設定為5至20毫秒的持續時間，最佳地被設定為20至30毫秒的持續時間。同樣地，在該設備的另一較佳的實施例中，該設備額外地包含一顆粒脈衝持續時間控制單元，用來產生一可預先設定持續時間的顆粒脈衝。只有在該熔融池被固化之前到達該熔融池的顆粒可變成被包陷的顆粒。因此，較長的顆粒脈衝持續時間將產生更多數量之無效的未被包陷的顆粒，其將必須被清除且被收回或回收。因此之故，在一典型的處理中，只有約前30毫秒的顆粒脈衝是有效的，之後到達的顆粒將因為不會被該固化中的熔融池包陷而不被結合於該表面處。

在該方法的又另一較佳的實施例中，該顆粒流的速度被設定為5至50m/s，較佳地為10至30m/s，及最佳地為約20m/s。同樣地，在該設備的又另一較佳的實施例中，該設備額外地包含一顆粒流速度控制單元，用來產生可預先設定速度之顆粒流。具有至少約5m/s的速度有助於讓該處理更容易控制及堅固耐用，因為該等顆粒必需在該熔融池固化之前的一極短的時間內到達該熔融池。因此，一較高的速度亦可達成該熔融池內有較高的顆粒密度。再者，該等顆粒的一較高的速度及動能有助於該等顆粒穿透至該熔融池中並將用來產生、加速及導引該顆粒流的設備內的阻塞問題減至最小。在另一方面，太高的速度會產生不良的後果。該顆粒流典型地將被一氣體噴流所推進，且使用較高的氣體速度來產生較高的顆粒速度會顯著地增加該熔融池的冷卻速率，使得該等顆粒可利用來進入到該熔融池內的時間空窗期會被縮短。再者，極高的氣體速度甚至會將該熔融池從該表面上吹走。此外，具有高動能的顆粒會因為它們的跳飛或彈跳出該熔融材料池外而在該處理期間被損失或浪費掉。

在該方法的另一較佳的實施例中，該顆粒流係以一相對於該表面的該區域的平面成30至60度，較佳地40至45度，的角度被導引。典型地，該待被覆的基材的該表面將在其方位上被保持實質地水平，使得該被產生的熔融池不會流走及使得該等顆粒在到達該表面時不會滾走。因此，具有一相對該表面的平面(其典型地將是實質地水平) 至少約30度的角度將讓導引該顆粒流朝向該熔融池更加容易，因為角度愈大則該熔融池垂直於該流進來的顆粒流的方向的截面積也愈大。然而，該能量束來源將典型地被設置在該基材的上方，且許多傳統的能量束來源，譬如電子束源，被設計成將其射束朝下導向於一實質垂直於其底下之將被該能量束照射的該表面的區域的平面的垂直路徑上。因此，以大許多的角度(如，90度方位)來導引該顆粒流亦將會增加該能量束與該顆粒流路徑之間重疊的程度。再者，隨著該顆粒流的入射角度接近該能量束的入射角度，該能量束與該顆粒流路徑之間的首度重疊將發生在離該熔融池較遠處。在此等例子中，在該等顆粒仍離該基材上的熔融池很遠的時候，該能量脈衝將必須在更早之前被終止或該能量束必需被偏轉或功率必需被減小。這可讓該處理更難被實施及控制，因為當該等顆粒在更遠處時中斷該熔融池的照射將進一步減少該等顆粒可利用來進入該熔融池中之相對短的時間長度。

在該方法的又另一較佳實施例中，該等顆粒是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。這些顆粒成分對於製備研磨性表面特別有用。此外，這些顆粒是很熱敏感的且很容易受到能量束傷害。因此，這些顆粒受益於本發明的方法很多。

在該方法的又一較佳的實施例中，該能量束是雷射束、電子束、電漿流、或電弧。同樣地，在該設備的又一較佳的實施例中，該能量束來源是雷射束、電子束、電漿流 、或電弧源。此等能量束是很容易獲得的，其具有必要的功率來產生一熔融材料池於典型的基材表面上。就產生明確的持續時間的脈衝及就偏轉或終止脈衝或減小脈衝的功率等方面而言，這些能量束亦是很容易控制的。再者，這些能量束具有該方法所偏好之必要的快速反應時間。在一特別偏好的方法中，該能量束是雷射束。類似地，在一特別偏好的設備中，該能量束來源是一雷射束源。在本發明的方法中，雷射束特別容易控制及導引。

在該設備的又一較佳的實施例中，該顆粒流來源具有一粉末給送顆粒加速單元，其包含一粉末給送單元、一氣體給送單元、一粉末給送管其具有一入口及一出口、一氣體給送管其具有一入口及一出口及一內徑、及一顆粒加速管其具有一入口，一出口，及一內徑、及一發散噴嘴，其具有一入口及一出口，其中該粉末給送管的入口與該粉末給送單元連通，其中該氣體給送管的入口與該氣體給送單元連通，其中該粉末給送管的出口及該氣體給送管的出口被連接至該顆粒加速管的入口，其中該顆粒加速管的出口被連接至該發散噴嘴的入口，其中該氣體給送管較佳地具有0.3至1.2mm，更佳地0.4至1.0mm，最佳地0.5至0.8mm的內徑，其中該顆粒加速管較佳地具有1至4mm，更佳地1.5至3mm，最佳地1.8至2.4mm的內徑，及其中該顆粒加速管較佳地具有2至25cm，更佳地10至15cm，最佳地約12cm的長度。此一粉末給送顆粒加速單元很方便地使用典型的粉末進料單元來進料，且它很方便提供 一可容易地控制的脈衝式顆粒流，其具有對於脈衝持續時間、顆粒速度及顆粒流角度而言有用的特性。

發明的另一態樣係關於可由本發明的被覆基材的方法獲得之相關的產物。一較佳的實施例是一用本發明之被覆基材的方法獲得之被覆基材。本發明的相關產物的另一較佳的實施例是可用本發明的方法獲得且包含一第一金屬層及一第二金屬層(其包含一金屬母體及被散布於其內的被包陷的顆粒)之被覆基材，其中該等被包陷的顆粒是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的顆粒或未被塗覆的顆粒，及其中該金屬母體係實質上沒有介於該金屬母體的成分與該等被包陷的顆粒的成分之間的混合成分的相態(phases)。

本發明的其它態樣包括本發明的方法或設備在被覆一基材(較佳地為一渦輪機構件)的處理上用途。此用途受惠於前面討論之本發明的設備及方法的優點。在一較佳的實施例中，該設備及/或方法的用途是在渦輪機構件的被覆方面。在另一較佳的實施例中，該設備及/或方法的用途是在一具有研磨性塗層的金屬表面的被覆方面。在特佳的實施例中，該設備及/或方法的用途是在具有研磨表面的渦輪機構件的表面的被覆方面。如上文中討論的，該等研磨性塗層的製備特別受惠於本發明的方法，因為該等研磨性塗層是相當熱敏感的，且該等研磨性塗層提供該等渦輪機表面產生緊密的間隙的好處。

熟習此技藝者將瞭解的是，本發明的各實施例的發明 主體的結合是可能的，本發明在這方面並沒有限制。例如，上述較佳實施例的一者的發明主體可在沒有限制下與上述的較佳實施例的一或多者的發明主體結合。舉例而言，依據該方法的一特佳的實施例，該等顆粒是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒，且該能量束是雷射束、電子束、電漿流、或電弧。另一個例子為，依據該方法的另一特佳的實施例，該方法包含額外的步驟，其中該能量束係被導引至該表面的一實質不同的區域且較早的那些步驟在該實質地不同的區域上被重復，及其中在該等被包陷的顆粒被形成之後，該基材的該表面被清潔以去除該表面上未被包陷的顆粒的第三部分。再另一個例子為，依據該方法的另一特佳的實施例，一被覆渦輪機構件可用該方法獲得且具有一第一金屬層、一第二金屬層其包含一金屬母體及被散布於其內的被包陷的顆粒，其中該等被包陷的顆粒是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒，及其中該金屬母體係實質上沒有介於該金屬母體的成分與該等被包陷的顆粒的成分之間的混合成分的相態(phases)。

圖1至圖4顯示依據本發明的方法的不同階段。圖1顯示依據本發明的一設備的實施例的示意圖，該設備整體被標示為元件編號16。在圖1中，該設備被顯示的狀態是在被覆基材(1)之前的狀態。該基材(1)的形式、形狀或 成分並沒有特別的限制。該基材(1)可由一或多層來形成且可非必要地被塗覆。在一較佳的實施例中，該基材是一渦輪機構件，及在另一較佳的實施例中，該基材是金屬的，一金屬合金或一金屬的超合金。

該設備(16)包含一用來產生一能量束(2)的能量束來源(17)(參見圖2)。該能量束來源(17)及能量束(2)可以是傳統的能量束來源及能量束，只要它們具有足夠的能量來形成一熔融材料池(5)於一基材(1)的一表面(4)的一區域(3)處即可。在一實施例中，該能量束來源(17)是一雷射束來源、一電子束來源、電漿流來源或電弧來源且該能量束(2)是一雷射束、一電子束、電漿流或電弧。此能量束來源(17)很方便獲得具有必要的功率，且它們相對地強烈且被聚焦，用以能夠在沒有過度加熱該基材(1)的其它部分之下產生該熔融材料池(5)。熟習此技藝者將可瞭解的是，其它替代的能量束來源亦可被使用，只要它們能夠產生該熔融材料池(5)及可被控制且可相關於後續該等粉末顆粒注入到該熔融材料池(5)內被協調同步即可。例如，在另一實施例中，該能量束來源(17)是氧乙炔燃燒器且該能量束(2)是氧乙炔火燄。然而，使用氧乙炔燃燒器需要小心避免過度加熱該基材且需要一回應控制系統，用來讓該氧乙炔火燄與粉末顆粒的注入同步。

該基材(1)的其它部分被該能量束(2)過度加熱會損及該基材或會造成該熔融材料池(5)需要極長的時間來冷卻並固化以形成一固化的材料池(8)(參見圖4)。因此，在依 據圖1的實施例中，該設備(16)包含一用來控制該能量束(2)的功率的能量束功率控制單元(18)、一用來產生一能量脈衝的能量脈衝單元(19)、及一能量束導引單元(20)，用來將該能量束(2)導引至該基材(1)的表面(4)的該區域(3)上。

該能量束功率控制單元(18)可以是適合提供上文中討論到的能量束來源(17)所需的功率的任何單元。因此，傳統的電力供應單元，譬如像是AC、DC及固定式或可攜式電源供應器，都可視該能量束來源(17)的需要而被使用。可被理解的是，該功率可在一很大的範圍內變化，用以製備具有大的可能的直徑範圍的熔融材料池(5)及用於許多可能的基材(1)上。大體上，使用一較高的功率可產生一較大直徑的池子。實際上，一典型的池子直徑是在約1mm至約4mm等級，因此一典型的最小功率將會是約500W的等級。實際上，功率的範圍典型地將變動於約1kW至約4kW之間，但更高的功率亦可被使用。用於工業焊接雷射之較佳的功率是約1kW或更高，更佳地約1.5至約4kW。更高的功率將允許該基材(1)之表面(4)的更大的區域(3)被處理；然而，必須小心以避免該基材(1)的過度加熱及/或傷害。

該能量脈衝單元(19)可以是適合於停止、降低功率、移動或中斷能量以產生能量脈衝形式的能量束(2)的任何可控制的單元。該能量脈衝單元(19)允許能量束(2)的脈衝被產生，使得該能量束(2)及該熔融材料池(5)的產生可以 很方便地在本發明的被覆處理的各步驟中與該等顆粒(7)的顆粒流(6)協調同步。在一實施例中，該能量脈衝單元(19)是一用來將該能量束(2)的電源打開及關閉的單元。此等開關裝置很方便獲得且是很容易控制的。在另一實施例中，該能量脈衝單元(19)包含一斷續器或衰減器機制，用來遮擋或衰減該能量束(2)。在一較佳的實施例中，該能量脈衝單元(19)與該能量束功率控制單元(18)較佳地可被整合成單一單元，其具有控制功率及產生能量脈衝(19)兩種功能。

該能量束導引單元(20)將是適合將該能量束(2)向引至該基材(1)的該表面(4)的不同區域(3)處的任何可控制的單元。該單元(20)允許該能量束(2)在該表面(4)的不同區域(3)處產生熔融材料池(5)。在一較佳的實施例中，該能量束導引單元(20)是一用於該能量束來源(17)的桌台、一槍、或一射束偏向器。在另一較佳的實施例中，該能量束導引單元(20)包含一用來將一雷射束導向的鏡子。再者，該能量束導引單元(20)可藉由在該等顆粒(7)進入該能量束(2)的路徑之前或進入被該能量束(2)產生的該熔融材料池(5)之前將該能量束(2)重新導向來保護該等顆粒(7)不受該能量束(2)的傷害。該能量束導引單元(20)亦可藉由首先將該能量束(2)導引至該表面(4)的一區域(3)處，然後接下來將該能量束(2)導引離開該表面(4)的該區域(3)而被有利地用來產生能量脈衝。在一較佳的實施例中，該能量束導引單元(20)和該能量脈衝單元(19)較佳地被整合成單一單元 ，其具有導引該能量束(2)及產生能量脈衝(19)兩種功能。

該能量束(2)相對於該表面的該區域(3)的平面(15)的各種入射角度可被適當地使用。典型的角度將變動於一條與該平面(15)成直角的線的約45度之內，在雷射束的例子中典型地是在約20度之內。

為了清楚起見，只有一個顆粒流(6)及只有一顆粒流來源(21)在下面的描述中被提到，但可預見的是，兩個或更多個顆粒流(6)或顆粒流來源(21)可被使用於本發明中。

如圖1中所示的實施例所例示的，該設備(16)亦包含一用來產生顆粒(7)的顆粒流(6)的顆粒流來源(21)、一用來將該顆粒(7)的顆粒流(6)導引至該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)上的顆粒流導引單元(22)、及一用來產生顆粒(7)的脈衝的顆粒流脈衝單元(23)。該顆粒流來源(21)供應顆粒(7)至該處理並產生顆粒(7)的脈衝，且它可包含用於顆粒(7)的顆粒流(6)之任何適合的來源，譬如一傳統的粉末進料器，如一重力控制的顆粒料斗或振動式粉末進料器。

或者，該等顆粒(7)可被其它適合的傳統機構(譬如，機械式、氣動式機構)或被以壓力差為基礎的抽泵機構所輸送。該顆粒流來源(21)具有產生顆粒(7)的顆粒流(6)的功能，及該顆粒流導引單元(22)與該顆粒流脈衝單元(23)的每一者可非必要地被直接結合至該顆粒流來源(21)中成為整合在一起的部件。可被理解的是，該顆粒流來源(21)必須被體現為當顆粒(7)的一脈衝被啟動時一具有足夠的 速度之密度夠的顆粒(7)的顆粒流(6)被夠快地產生，使得至少該等顆粒(7)的一第一部分進入到該熔融材料池(5)中。如果該顆粒流(6)的密度及/或速度不夠的話，則該池(5)將會在一有效數量的顆粒(7)進入到該熔融材料池(5)內之前即被固化。

該顆粒流導引單元(22)可以是適合用來導引顆粒(7)的顆粒流(6)的任何適合的單元。此單元具有將顆粒(7)的顆粒流(6)朝向該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)，或一實質地不同的區域(3)的熔融材料池(5)導引的功能。例如，它可以是一槍或一噴嘴的形式，或可單純地是一從該顆粒流來源(21)延伸出的管子的形式。在另一實施例中，該顆粒流導引單元(22)可以是一桌台的形式，其改變及控制該顆粒流來源(21)相對於該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)的方位，而不是導引來自該顆粒流來源的該顆粒(7)的顆粒流(6)。將被瞭解的是，該顆粒流導引單元(22)的內表面較佳地將是平滑的，用以將該等顆粒在該單元內的滯留最小化並防止該單元的阻塞。

用來產生顆粒(7)的脈衝的該顆粒流脈衝單元(23)可以是適合產生顆粒(7)的脈衝的任何單元。藉由在本發明的方法中以顆粒(7)的脈衝形式提供顆粒(7)，相關於該能量脈衝的終止或該能量束(2)的重新導向或該能量束(2)的功率降低之該等顆粒(7)進入該能量束(2)的路徑中及進入該熔融材料池(5)中的定時(timing)及同步化可很方便地被達成，用以避免該等顆粒(7)被該能量束(2)傷害。如上文中 討論的，在該等顆粒(7)的脈衝(1)中的該顆粒(7)的顆粒流(6)有足夠的密度及速度是很重要的，使得至少該等顆粒(7)的第一部分進入到該熔融材料池(5)中。該顆粒(7)的脈衝在該等顆粒(7)的第一部分進入到該熔融材料池(5)內之後的終止讓該能量束(2)能夠被導引至該表面(4)的一實質不同的區域(3)上，用以製備另一熔融材料池(5)。此外，使用儘可能地短的該顆粒(7)的脈衝可將該處理中因為顆粒(7)在該池子(5)已經固化之後才到達該池子(5)而到成的顆粒浪費最小化。較佳地，該單元(23)將包含一用來產生該脈衝之可控制的上游氣體閥或空氣閥，因為具有所需要的快速反應時間控制性的此等可控制的閥可很方便地獲得。再者，此等閥是可電地控制，因此可以很方便地與該設備(16)的其它單元(譬如，一脈衝定時及定序控制單元(24))界接同步化。

如圖1中所示的該特定的實施例所例示的，該設備(16)亦可具有一顆粒脈衝持續時間控制單元(33)，用來產生一可預設持續時間之顆粒(7)的脈衝。產生可預設持續時間的脈衝可增強或簡化該方法中各步驟的定時的控制，並將該持續時間侷限至在該脈衝內的所有顆粒(7)都進入到該熔融材料池(5)中所需之最小的持續時間長度，用以將該處理中之顆粒原材料的不必要的浪費減至最少。

如稍早提到的，可預見的是兩個或更多顆粒(7)的顆粒流(6)可被用在本發明的方法中，因此兩個或更多個顆粒流來源(21)等等可被使用在本發明的設備中。在該方法 的一實施例中，有兩個或更多個顆粒(7)的顆粒流(6)同時操作，較佳地該等顆粒流(6)彼此相對，使得該熔融材料池(5)在該等顆粒流(6)的整個平衡的場域中被保持得相對平靜。在該設備的一實施例中，有兩個或更多個顆粒流來源(21)及它們相關的單元同時地操作，其較佳地被體現為該等被產生的顆粒(7)的顆粒流(6)係以一種該熔融材料池(5)在該等顆粒流(6)的一整體平衡的場域中被保持得相對平靜的方式彼此相對。

如圖1中所示的該特定的實施例所例示的，該設備(16)亦可具有一顆粒流速度控制單元(34)，用來產生一速度可預先設定的顆粒(7)的顆粒流(6)。如稍早所討論的，將該速度預設至某些範圍可強化或簡化在該方法中各步驟的定時的控制，以及所得到的被覆基材(1’)的可再現性及品質。例如，該速度直接影響在該熔融材料池(5)中可達到的顆粒(7)密度。

如圖1中所示的實施例所例示的，該設備(16)亦可包含該脈衝定時及定序控制單元(24)，其被體現為使得該能量脈衝在該等顆粒(7)到達該表面(4)的該區域(3)之前產生一熔融材料池(5)於該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)處，且在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前，該能量脈衝被終止、被轉向、或功率被減小。此單元允許該被覆處理在沒有顆粒(7)被損傷的情形下被實施，使得該等顆粒(7)被該能量束(2)實質地熔化、熔合在一起或改變形狀的情況可被避 免掉。此單元(24)可使用許多可提供可控制的定時排序的機構來工作。較佳地，該等定時排序可被該單元(24)以1毫秒或更好的精確度來控制。在一較佳的實施例中，該單元(24)電性地工作並包含一可程式的邏輯控制器(PLC)及/或個人電腦(PC)。

如圖2所示，本發明之用來被覆基材的方法包含將該能量束(2)導引至該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)上以產生該熔融材料池(5)於該表面(4)的該區域(3)處的步驟。該待被覆的基材(1)並沒有特別的限制且可以是金屬或金屬合金或超合金，其非必要地被塗覆單層或多層金屬塗層。該基材(1)可包含許多適合的物件(譬如，渦輪機或渦輪機構件)的一部分。

如稍早所討論的，該熔融材料池(5)的一典型地有用的直徑將是約1mm至約4mm的等級，然而更大的直徑亦可被使用，用以更快速地處理更大的該表面(4)的面積。該等典型的直徑可方便地變動於約0.1mm至約12mm，更佳地約0.5mm至約4mm之間，最佳地約1.5mm至約3mm之間。該熔融材料池(5)較佳地將夠大，使得一大數量的顆粒(7)可進入該池子(5)中且夠深使得該等顆粒(7)可沉浸在該池子內。然而，非常大的熔融材料池(5)會花很長的時間冷卻及固化。長的冷卻時間會不利地將該等顆粒(7)曝露在該熔融材料池(5)的高溫中很長的時間，這會造成該等顆粒(7)熔化或其它的熱衰劣現象。典型地，該熔融材料池(5)將在一短於約1秒鐘，較佳地短於約0.8秒，更 佳地短於約0.6秒，的時間內固化。

如在圖3中的實施例所例示的，本發明的方法包含將顆粒(7)的顆粒流(6)朝向該熔融材料池(5)導引使得至少該等顆粒(7)的第一部分進入到該熔融材料池(5)中的步驟。如在圖3中的實施例所例示的，該能量束(2)的能量脈衝在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前已被終止。在其它實施例中，該能量束(2)在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前被重新導向或功率被減小。在這些不同的其它實施例中，該能量束(2)的能量脈衝的終止或重新導向或功率降低被體現為使得該等顆粒(7)被該能量束(2)實質地熔化、熔合在一起或形狀改變可被避免。

該等顆粒(7)在該被覆處理期間被該能量束(2)在接近其熔化溫度、在其熔化溫度或高於其熔化溫度的任何實質的加熱都會導致所不想要之該等顆粒(7)的實質地熔化、熔合在一起或形狀改變。此等被熱傷害的顆粒在該處理中大部分被浪費掉，因為它們無法賦予該基材(1)未被損傷的顆粒(7)之所想要的特性，譬如研磨性。

許多此技藝中習知的方法可被用來決定或監視該等顆粒(7)在被覆處理期間的溫度。例如，紅外線照相及攝影可被用來在該等顆粒(7)的脈衝飛行至該熔融材料池(5)的期間決定該等顆粒(7)的溫度。或者，該加熱及該等顆粒的溫度可根據該處理的各種特定的參數用已知的運算方法 計算出來，該等參數包括該能量束(2)的能量密度、該等顆粒(7)在該能量束(2)中的曝露時間(其可從顆粒的速度及彈道來決定)、及顆粒能量吸收(其可從例如顆粒的大小、質量、能量吸收係數、及比熱容(specific heat capacity)來決定)。

該顆粒(7)的顆粒流(6)的相對方位並沒有特別的限制。在一實施例中，它係以相對於該表面(4)的該區域(3)的平面(15)成一30度至60度的角度(14)被定向。在一較佳的實施例中，它是40至50度。如稍早討論的，使用該等角度將可讓導引該顆粒流朝向該熔融池更容易，因為對於較大的角度而言該熔融池垂直於該進入的顆粒流的方向的截面積將會較大，同時仍可將顆粒流(6)的路徑與該能量束(2)的路徑(其典型地將實質垂直於該平面(15))重疊的程度最小化。

該顆粒(7)的顆粒流(6)的速度並沒有特別的限制。在一實施例中，它被設定在5至50m/s的速度。在另一實施例中，它較佳地在10至30m/s的速度，及在一第三實施例中，它最佳地約20m/s。如稍早討論的，此等速度範圍在允許有更高的顆粒(7)的密度進入到該熔融材料池(5)中並稍後形成被包陷的顆粒(71)的同時還可讓該處理容易控制且耐用，且不會造成該熔融材料池(5)的實質冷卻或因為高能量顆粒跳出或彈出該熔融材料池(5)而損失高能量顆粒。

該等顆粒(7)可具有適合與該設備(16)一起使用及使用 在該被覆處理中的各式尺寸。典型的顆粒尺寸因而可變化於約0.050至約2mm之間，較佳地在約0.08至約0.4mm之間，及更佳地在約0.15至約0.40mm之間。典型地，市面上可獲得的顆粒大小(譬如，用於熱噴灑的顆粒)可被使用。最佳的顆粒尺寸可依據其成分及該顆粒應賦予該基材(1)之所想要的特性而改變。較大的顆粒尺寸因為它們有更大的能力作為一吸熱裝置，因而對於在該熔融材料池(5)中的熔化具有更有抵抗性的優點。較窄的顆粒尺寸分布可有利地改善它們的處理性及該被覆基材的特性。例如，較窄的顆粒尺寸分布可提高該等顆粒在處理期間的熱阻特性的均質性，以及所得到之該被覆基材(1’)的表面特性。

該等顆粒(7)的形狀亦沒有特別的限制。實質等軸的或圓的形狀具有優點，因為它們可容易地被均質地輸送且較不會在該設備(16)內滯留或阻塞。最佳的顆粒形狀可依據其成分及該顆粒應賦予該基材(1)之所想要的特性而改變。

該等顆粒(7)的成分亦沒有特別的限制且可包含無機及/或有機材料。任何是熱敏感的且可受惠於最小化的高溫曝露的顆粒成分都可顯著有利地被使用於本發明的方法中。該顆粒(7)的最佳成分可依據其成分及該顆粒應賦予該基材(1)之所想要的特性而改變。為了該等研磨性塗層的製造，該等顆粒(7)較佳地是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。在一特佳的實施例中，該等顆粒(7)是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。這些成分很容易地提供該 等顆粒(7)所需的研磨性及堅硬的特性。該等被塗覆的顆粒的塗層亦沒有特別的限制且較佳地可包含鉻以改善磨損特性。在一較佳的實施例中，該等被塗覆的顆粒包含碳化矽核心及一鉻塗層。此外，如在先前技藝中般地，該等被塗覆的顆粒可非必要地被塗覆黏合塗層或隔熱塗層；然而，此等塗層並非是必要的。

如在圖4中的實施例所例示的，本發明的方法包含允許該熔融材料池(5)冷卻並固化，用以將該等顆粒(7)的第二部分包陷在該被固化的該材料池(8)中以形成被包陷的顆粒(71)的步驟。將被理解的是，較佳地所有進入到該熔融材料池(5)內的顆粒(7)將變成被包陷的顆粒(71)。然而，如稍早討論的，一些具有極高動能的顆粒會在進入之後被彈出該池子(5)。此等彈出的顆粒將不會變成被包陷的顆粒(71)，相反地它們將會變成未被包陷的顆粒(72)。未被包陷的顆粒(72)的其它來源為未被適當地朝向該熔融材料池(5)導向的顆粒(7)或在該池子(5)已被固化之後才到達該池子的顆粒(7)。

如在圖4中的實施例所例示的，該等顆粒(7)的脈衝已被終止。如稍早討論的，在一實施例中，該等顆粒的脈衝被設定在1毫秒至100毫秒的持續時間，較佳地被設定在5毫秒至20毫秒的持續時間，最佳地被設定在20毫秒至30毫秒的持續時間。持續時間較短的顆粒脈衝將顆粒的浪費有利地予以最小化，否則的話這些顆粒將會是在該熔融材料池(5)已經冷卻及固化之後才到達該池子。

在該方法的一實施例中，在該等之前描述的步驟已完成之後，即該被包陷的顆粒(71)已被形成在該區域(3)之後，該能量束(2)被導引至該表面(4)的一實質不同的區域且相同的步驟在該實質不同的區域處被重復以形成被包陷的顆粒(71)於該處。在一實質不同的區域上重復該等步驟可讓該基材(1)的更大的面積被輕易地被覆。

在該方法的另一實施例中，在該等被包陷的顆粒(71)被形成之後，該基材(5)的該表面(4)被清潔以清除該表面上的未被包陷的顆粒(72)的第三部分。未被包陷的顆粒(72)的典型來源包括被誤導引的、在該熔融材料池(5)已經固化之後才到達的、或從該熔融材料池(5)彈出來的顆粒(7)。清除該等未被包陷的顆粒(72)可讓該基材的其它區域在沒有干擾或阻礙下被被覆。因此，用來實施該方法的該設備的一實施例額外地包含一表面清潔裝置(25)，用來清除該等未被包陷的顆粒(72)。該表面清潔裝置(25)可以是任何適合清除該等未被包陷的顆粒(72)的裝置。例如，它可包含一空氣流的來源及一用來導引該空氣流的機構，譬如一噴嘴。典型地，該基材(5)的該表面(4)的待清潔區域將曝露於加壓空氣的強勁氣流下。

將可被瞭解的是，與重復該處理以形成被包陷的顆粒(71)於一實質不同的區域上並清除該等未被包陷的顆粒(72)的第三部分相關聯的這兩個前面的實施例可以沒有限制地在其它的實施例中被結合。例如，該等未被包陷的顆粒(72)可在重復該被覆處理於一實質不同的區域上之前被 清除，用以確保此新的區域沒有被會干擾到該被覆處理或會讓所得到的被覆表面的特性變差的顆粒所污染。

在該方法的又另一實施例中，該等被清除的未被包陷的顆粒(72)的第三部份被用來製備另一顆粒(7)的脈衝。回收該顆粒原材料可改善原材料使用的效率並降低該方法的整體成本。

在一較佳的實施例中，該設備(16)的一顆粒流來源(21)具有粉末給送顆粒加速單元(26)。圖5例示此一粉末給送顆粒加速單元(26)的一實施例，且其包含一粉末給送單元(27)、一氣體給送單元(28)、一粉末給送管(29)，其具有一入口(291)及一出口(292)、一氣體給送管(30)，其具有一入口(301)及一出口(302)及一內徑(d1)、及一顆粒加速管(31)，其具有一入口(311)，一出口(312)，一內徑(d2)，及一長度(314)、及一發散噴嘴(32)，其具有一入口(321)及一出口(322)。如圖5所示，該粉末給送管(29)的入口(291)與該粉末給送單元(27)連通、該氣體給送管(30)的一入口(301)與氣體給送單元(28)連通、該粉末給送管(29)的出口(292)及該氣體給送管(30)的出口(302)被連接至該顆粒加速管(31)的入口(311)、及該顆粒加速管(31)的出口(312)被連接至該發散噴嘴(32)的入口(321)。如稍早討論的，此一粉末給送顆粒加速單元(26)可使用典型的粉末給送單元(27)及典型的粉末(特別是使用在熱噴灑處理中者)來輕易地予以給料。再者，該粉末給送顆粒加速單元(26)可很方便提供一可容易地控制的脈衝式顆粒流，其具有 對於脈衝持續時間、顆粒速度及顆粒流角度而言有用的特性。

在一些實施例中，該氣體給送管(30)較佳地具有0.3至1.2mm，更佳地0.4至1.0mm，最佳地0.5至0.8mm的內徑(d1)，且該顆粒加速管(31)較佳地具有1至4mm，更佳地1.5至3mm，最佳地1.8至2.4mm的內徑(d2)，及該顆粒加速管(31)較佳地具有2至25cm，更佳地10至15cm，最佳地約12cm的長度(314)。將可被瞭解的是，該氣體給送管(30)及該顆粒加速管(31)的較佳尺寸的這些不同的實施例可沒有限制地在特定的實施例中被結合。這些較佳的尺寸有助於確保具有較佳的速度的顆粒(7)的顆粒流(6)可被很容易地以一耐用的方式被製備成具有較佳的持續時間的脈衝的形式。

本發明的其它態樣為可由本發明的用於被覆基材的方法獲得之相關聯的產品。一較佳的實施例為一被覆的基材(1’)，其係用本發明之該用來被覆基材的方法所獲得的。

詳言之，圖6示意地例示此一用本發明之該用來被覆基材的方法所獲得之被覆基材(1’)。如此實施例所例示的，該被覆基材(1’)包含：一第一金屬層(35)、及一第二金屬層(36)其包含一金屬母體(361)及被散布於其內之被包陷的顆粒(71)，其中該等被包陷的顆粒(71)是包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒，且該金屬母體(361)係實質上沒有介於該金屬母體(361)的成分與該等被包陷的顆粒(71)的成分之間的混合成分的相態 (phases)。在一特定的實施例中，該第一金屬層(35)、該第二金屬層(36)及該金屬母體(361)的成分係選自於由金屬、金屬合金、及金屬超合金所構成的組群中。在一較佳的實施例中，該第一金屬層(35)及該第二金屬層(36)的該金屬母體(361)的成分係實質相同，更佳地該金屬母體(361)是該第一金屬層(35)的再固化的成分。在又一特別佳的實施例中，該第一金屬層(35)及該第二金屬層(36)的該金屬母體(361)的成分是一以Ni為基質的超合金，最佳地為IN617。

對於研磨性塗層的製造而言，該等被包陷的顆粒(71)較佳地為包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。對於研磨性塗層的製造而言，讓儘可能多的被包陷的顆粒(71)從該表面突伸出是較佳的。從該被覆基材(1’)的該表面突伸出的此等被包陷的顆粒(71)可在圖6的最左邊或最右邊處，或在圖7所示的顯微鏡照片的左上角處被看到。在一特佳的實施例中，該等被包陷的顆粒(71)為包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。這些成分很容易地提供該等被散布在該被覆基材(1’)內的被包陷的顆粒(71)所需的研磨性及堅硬的特性。

圖7顯示一特定的被覆基材(1’)的示範性顯微鏡照片。從圖7可看到的是，在該等被包陷的顆粒(71)(在此例子中為被塗覆的碳化矽)與其周圍的金屬母體(361)(在此例子中為IN617)之間沒有可看到的反應區或混合的成分 的相態，且沒有發生該等被包陷的顆粒(71)的實質熔化或融合在一起。如稍早討論的，用本發明的方法所獲得之被覆基材(1’)在其成分與結構上與顆粒被全部熔化或至少該等顆粒或其塗層於被覆處理中被部分地熔化之先前技藝的成分與結構非常不同。因此，先前技藝的被覆基材的顯微鏡照片中，可看到在該等顆粒與其周圍的母體之間的反應區及/或從該母體材料與該等顆粒或其塗層的熔化或融合獲得之混合的相態。

本發明的另一態樣為本發明的方法及設備(16)在被覆基材上的用途。一較佳的用途是在渦輪機構件的被覆方面。

1‧‧‧基材

2‧‧‧能量束

16‧‧‧設備

17‧‧‧能量束來源

3‧‧‧區域

4‧‧‧表面

5‧‧‧熔融材料池

8‧‧‧固化的材料池

18‧‧‧能量束功率控制單元

19‧‧‧能量脈衝單元

20‧‧‧能量束導引單元

7‧‧‧顆粒

15‧‧‧平面

6‧‧‧顆粒流

21‧‧‧顆粒流來源

22‧‧‧顆粒流導引單元

23‧‧‧顆粒流脈衝單元

24‧‧‧脈衝定時及定序控制單元

33‧‧‧顆粒脈衝持續時間控制單元

34‧‧‧顆粒流速度控制單元

1’‧‧‧被覆基材

14‧‧‧角度

71‧‧‧被包陷的顆粒

72‧‧‧未被包陷的顆粒

25‧‧‧表面清潔裝置

26‧‧‧粉末給送顆粒加速單元

27‧‧‧粉末給送單元

28‧‧‧氣體給送單元

29‧‧‧粉末給送管

291‧‧‧入口

292‧‧‧出口

30‧‧‧氣體給送管

301‧‧‧入口

302‧‧‧出口

31‧‧‧顆粒加速管

311‧‧‧入口

312‧‧‧出口

32‧‧‧發散噴嘴

321‧‧‧入口

322‧‧‧出口

314‧‧‧長度

d1‧‧‧內徑

d2‧‧‧內徑

35‧‧‧第一金屬層

36‧‧‧第二金屬層

361‧‧‧金屬母體

發明將於下文中參考本發明的各式實施例以及附圖加以詳細說明。該等示意的圖式顯示：圖1顯示依據本發明之設備的一實施例在被覆一基材的處理之前的示意圖。

圖2顯示圖1的實施例在該被覆一基材的處理期間的示意圖，其中一熔融材料池已被一能量束產生且一顆粒流已被朝向該池導引。

圖3顯示圖1的實施例在該被覆一基材的處理期間的示意圖，其中該等顆粒的第一部分進入到該熔融材料池中該能量束的能量脈衝已在該等顆粒進入該能量束的路徑之前及在該等顆粒進入該池之前已被終止。

圖4顯示圖1的實施例在該被覆一基材的處理期間的 示意圖，其中該等顆粒的第二部分被包陷在該固化的材料池中且該等顆粒的脈衝已被終止。

圖5顯示依據本發明的一粉末給送顆粒加速單元的示意圖。

圖6顯示使用圖1至圖4的處理之基材被覆的實施例的示意圖。

圖7顯示使用圖1至圖4的處理之一特別的基材被覆的顯微鏡照片。

1‧‧‧基材

2‧‧‧能量束

16‧‧‧設備

17‧‧‧能量束來源

3‧‧‧區域

4‧‧‧表面

5‧‧‧熔融材料池

18‧‧‧能量束功率控制單元

19‧‧‧能量脈衝單元

20‧‧‧能量束導引單元

7‧‧‧顆粒

6‧‧‧顆粒流

21‧‧‧顆粒流來源

23‧‧‧顆粒流脈衝單元

24‧‧‧脈衝定時及定序控制單元

33‧‧‧顆粒脈衝持續時間控制單元

34‧‧‧顆粒流速度控制單元

25‧‧‧表面清潔裝置

32‧‧‧發散噴嘴

Claims (15)

1. 一種被覆基材(1)的方法，其包含：(i)將一能量束(2)導引至該基材(1)的一表面(4)的一區域(3)上，用以在該表面(4)的該區域(3)處產生一熔融材料池(5)；(ii)將顆粒(7)的顆粒流(6)朝向該熔融材料池(5)導引，使得至少該等顆粒(7)的一第一部分進入到該熔融材料池(5)中；(iii)允許該熔融材料池(5)冷卻並固化，藉以將該等顆粒(7)的第二部分包陷在該固化的材料池(8)中以形成被包陷的顆粒(71)等步驟，其特徵在於被導引至該表面(4)的該區域(3)的該能量束(2)是能量脈衝的形式且該顆粒(7)的顆粒流(6)是顆粒(7)脈衝形式，其中在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前，該能量脈衝被終止或該能量束(2)被重新導向或該能量束(2)的功率被減小，及其中該能量脈衝的終止或該能量束(2)的重新導向或該能量束(2)的功率的降低被體現為使得該等顆粒(7)被該能量束(2)實質地熔化、熔合在一起或形狀改變可被避免。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(i)至(iii)已在該區域(3)處被完成之後，該能量束(2)被導引至該表面(4)的一實質不同的區域且步驟(i)至(iii)在該實質不同的區域處被重復。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該等被包 陷的顆粒(71)被形成之後，該基材(5)的該表面(4)被清潔以清除在該表面上的未被包陷的顆粒(72)的第三部分。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該等被清除之未被包陷的顆粒(72)的第三部分被用來製備該等顆粒(7)的另一脈衝。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該顆粒(7)的脈衝被設定在1至100毫秒、較佳地在5至50毫秒、最佳地在20至30毫秒的持續時間。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等顆粒(7)的顆粒流(6)被設定在5至50m/s，較佳地在10至30m/s，及最佳地為約20m/s的速度。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等顆粒(7)的顆粒流(6)係以一相對於該表面(4)的該區域(3)的平面(15)成30至60度，較佳地40至50度，的角度(14)被導引。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等顆粒(7)係包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該能量束(2)是雷射束、電子束、電漿流、或電弧。
10. 一種用來實施申請專利範圍第1項的方法的設備，其包含：一能量束來源(17)，用來產生一能量束(2)；一能量束功率控制單元(18)，用來控制該能量束(2)的功率； 一能量脈衝單元(19)，用來產生一能量脈衝；一能量束導向單元(20)，用來將該能量束(2)導引至一基材(1)的一表面(4)的一區域(3)上；一顆粒流來源(21)，用來產生顆粒(7)的一顆粒流(6)；一顆粒流導向單元(22)，用來將該顆粒流導引至該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)上；一顆粒流脈衝單元(23)，用來產生顆粒(7)的一脈衝，其特徵在於該設備(16)具有一脈衝定時及定序控制單元(24)，其被體現為使得該能量脈衝在該等顆粒(7)到達該表面(4)的該區域(3)之前產生一熔融材料池(5)於該基材(1)的該表面(4)的該區域(3)處，及在該等顆粒(7)進入到該能量束(2)的路徑之前及在該等顆粒(7)進入該熔融材料池(5)之前，該能量脈衝被終止、被轉向或功率被減小。
11. 如申請專利範圍第10項之設備，其更包含一表面清潔裝置(25)，用來清除未被包陷的顆粒(72)。
12. 如申請專利範圍第10或11項之設備，其中該顆粒流來源(21)具有粉末給送顆粒加速單元(26)，其包含一粉末給送單元(27)、一氣體給送單元(28)、一粉末給送管(29)，其具有一入口(291)及一出口(292)、一氣體給送管(30)，其具有一入口(301)及一出口(302)及一內徑(d1)、及一顆粒加速管(31)，其具有一入口(311)，一出口(312)，及一內徑(d2)，及一長度(314)、及一發散噴嘴(32)，其具 有一入口(321)及一出口(322)，其中該粉末給送管(29)的入口(291)與該粉末給送單元(27)連通，其中該氣體給送管(30)的該入口(301)與氣體給送單元(28)連通，其中該粉末給送管(29)的該出口(292)和該氣體給送管(30)的出口(302)被連接至該顆粒加速管(31)的入口(311)，其中該顆粒加速管(31)的出口(312)被連接至該發散噴嘴(32)的入口(321)，其中該氣體給送管(30)較佳地具有0.3至1.2mm的內徑(d1)，更佳地0.4至1.0mm的內徑(d1)，及最佳地0.5至0.8mm的內徑(d1)，其中該顆粒加速管(31)較佳地具有1至4mm的內徑(d2)，更佳地1.5至3mm的內徑(d2)，最佳地1.8至2.4mm的內徑(d2)，及其中該顆粒加速管(31)較佳地具有2至25cm的長度(314)，更佳地有10至15cm的長度(314)，最佳地有約12cm的長度(314)。
13. 如申請專利範圍第10項之設備，其具有一顆粒脈衝持續時間控制單元(33)，用來產生一可預設持續時間之顆粒(7)的脈衝，及一顆粒流速度控制單元(34)，用來產生一速度可預先設定的顆粒(7)的顆粒流(6)。
14. 一種申請專利範圍第1項的方法或申請專利範圍第10項的設備(16)在被覆渦輪機構件上的用途。
15. 一種可用申請專利範圍第1項的方法獲得之被覆基材，其包含：一第一金屬層(35)；及一第二金屬層(36)，其包含一金屬母體(361)及被散布於其內之被包陷的顆粒(71)，其中該等被包陷的顆粒(71) 係包含碳化矽、立方氮化硼、或鑽石之被塗覆的或未被塗覆的顆粒，其特徵在於該金屬母體(361)係實質上沒有介於該金屬母體(361)的成分與該等被包陷的顆粒(71)的成分之間的混合成分的相態(phases)。