三元陶瓷热喷涂粉末和涂覆方法
【专利说明】三元陶瓷热喷涂粉末和涂覆方法
[0001]本申请要求2013年3月15日向美国专利局提交的第61/798，032号美国临时专利申请的优先权和权益，其通过引用并入本文。
[0002]关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
[0003]本发明由根据美国能源部(DOE)授予的合同DE-SC0003454的政府支持进行。政府在本发明中享有某些权利。
[0004]发明背景
[0005]本发明主要涉及喷涂粉末，更具体地涉及使用喷涂粉末的热喷涂涂层。
[0006]相关技术描述
[0007]用于在高温应用和在熔融金属腐蚀环境中使用的热喷涂涂层很明显需要高耐腐蚀性、抗热震性(在温度的迅速变化过程中抗剥落)、在低温和高温下的高耐磨性、低摩擦系数和低孔隙率。关于制备和整体性能，目前的碳化钨-钴(WC-Co)超音速氧焰(HVOF)涂层具有在点载荷下的剥落问题、腐蚀局限性并且很昂贵。例如，目前WC-Co热喷涂涂层通常用作浸入熔融锌和铝浴中的钢辊上的耐磨涂层，但这种涂层在48小时内溶解。因此，需要提高辊寿命使其超过它目前的寿命。还要指出频繁更换这些辊的成本在镀锌金属的成本中占很大一部分。替代制造材料也具有缺点。例如，堆焊需要大量加工，并且仍只有有限的耐磨和耐腐蚀性能。类似问题存在于深拉模具和模压切割机中，它们磨损然后由于错误的清除导致粘模，并且类似问题也存在于模铸和挤出中。
[0008]应注意参考文献JP 9-268361、JP 9-227243、US 2004/0194662、US 6，238，807 和US 7，862，911公开了包含硼化钼、镍、铬和钨的热喷涂粉末或者热喷涂涂层。然而，得到的涂层在熔融金属环境下并未显示出优异的抗热震性、耐磨性和耐腐蚀性。
[0009]因此，亟需开发一种喷涂粉末以形成在高温下具有改进的耐熔融金属腐蚀环境、优异的抗热震性和高耐磨性的涂层。
[0010]发明概述
[0011]本发明的具体实施方案包括热喷涂粉末，所述热喷涂粉末包括:一种或多种约占20-70%重量比的金属-Mo-B、金属-Mo2-B2或金属2_Mo2_B2的三元硼化物陶瓷，其中所述金属为Co、Ni或Fe ;—种或多种大体上占0-60%重量比的二元硼化钼；和一种或多种大体上占0-50%重量比的金属二元硼化物，其中所述一种或多种金属二元硼化物选自Cr、Fe、N1、W 和 Co。
[0012]本发明的其他实施方案包括制备热喷涂粉末的方法，其步骤包括:提供一组合物，所述组合物包含:一种或多种约占20-70%重量比的金属-Mo-B、金属-Mo2-B2或金属2_Mo2-B2的三元硼化物陶瓷，其中所述金属为Co、Ni或Fe ;—种或多种大体上占0-60%重量比的二元硼化钼；和一种或多种大体上占0-50%重量比的金属二元硼化物，其中所述一种或多种金属二元硼化物选自Cr、Fe、N1、W和Co。
[0013]此外，本发明的其他实施方案包括由热喷涂粉末形成的热喷涂涂层，所述热喷涂粉末包括:一种或多种约占20-70%重量比的金属-Mo-B、金属-Mo2-B2或金属2_Mo2_B2的三元硼化物陶瓷，其中所述金属为Co、Ni或Fe ;—种或多种大体上占0-60%重量比的二元硼化钼；和一种或多种大体上占0-50%重量比的金属二元硼化物，其中所述一种或多种金属二元硼化物选自Cr、Fe、N1、W和Co。
[0014]本发明的其他实施方案包括在基板上形成热喷涂涂层的方法，所述步骤包括:提供热喷涂粉末，所述热喷涂粉末包含:一种或多种约占20-70%重量比的金属-Mo-B、金属-Mo2-B2或金属Z-Mo2-B2的三元硼化物陶瓷，其中所述金属为Co、Ni或Fe ;—种或多种大体上占0-60%重量比的二元硼化钼；和一种或多种大体上占0-50%重量比的金属二元硼化物，其中所述一种或多种金属二元硼化物选自Cr、Fe、N1、W和Co ;和，向基板上热喷涂所述热喷涂粉末。
[0015]本发明的前述和其他目的、特征和优点将通过下面对本发明具体实施方案的更详细描述变得显而易见，如在附图中例示的，其中相同参考标记代表本发明的相同部分。
[0016]附图简述
[0017]图1是X-射线衍射扫描图，示出了烧结的三元陶瓷粉末的具体发明实施方案的第一图谱和粉末的喷涂涂层的具体实施方案的第二图谱。
[0018]图2是热喷涂涂覆操作的示意图，其中根据本发明的具体实施方案，热喷涂源使用热喷涂粉末在基板上涂覆涂层。
[0019]具体实施方案的详细说明
[0020]陶瓷显示出了对腐蚀侵蚀的高抵抗性，例如抵抗熔融Zn的侵蚀。陶瓷兼具高耐磨性和高硬度与在高温下的高化学稳定性-即使在熔融金属介质中。例如，与锌锅辊一起使用陶瓷基涂层是有益的。然而，已经发现在具体情况下，为了提供足够的对侵蚀的抵抗性，陶瓷基涂层应足够致密以提供几乎零的孔隙率(小于1%孔隙率)从而防止腐蚀性材料通过孔隙渗透至基板。此外，在具体情况下为了提供对侵蚀的足够抵抗性，期望向基板提供具有调整的CTE的陶瓷基涂层以消除在高温下的开裂和剥落。
[0021]因此，本发明提供了由三元和二元陶瓷组成的改进的热喷涂粉末，该种热喷涂粉末能够制造出具有改进的抗熔融金属环境的性质、优异的抗热震性、在低温和高温条件下的高耐磨性和低摩擦性质的热喷涂涂层，其中所述粉末和热喷涂涂层的初生晶相为包含三元和二元陶瓷的多元陶瓷。
[0022]在各具体的实施方案中，本发明包括热喷涂粉末，并且在其他实施方案中，包括制得的热喷涂涂层，包括:
[0023]?一种或多种约占20-70%重量比(S卩，约20%至70%)的金属_Mo_B、金属-Mo2-B2或金属2-Mo2-B2 (其包括其任意组合)的三元硼化物陶瓷，其中所述金属为Co、Ni或Fe ;
[0024].一种或多种大体上占0-60% (高达大体上60% )重量比的二元硼化钼；和
[0025].一种或多种大体上占0-50% (高达大体上50% )重量比的金属二元硼化物，其中所述一种或多种金属二元硼化物选自Cr、Fe、N1、W和Co。
[0026]在所述粉末和涂层的替代实施方案中，提供的一种或多种二元硼化钼大体上占20-60% ( S卩，大体上占20%至60% )重量比和/或提供的一种或多种金属二元硼化物范围为大体上占10-50% ( S卩，大体上占10%至50% )重量比。
[0027]在其他实施方案中，对于涉及热喷涂粉末的任何实施方案，所述热喷涂粉末还包含:
[0028].一种或多种大体上占0-10% (即，大体上占O至10% )重量比的纳米和亚微米级增强固体润滑剂，所述一种或多种纳米和亚微米级增强固体润滑剂包含BN、WS2S MoS 2o
[0029]关于所述粉末和得到的涂层，由于硼化物的存在，金属-Mo-B、金属-Mo2-BjP /或金属2-Mo2-B2(其中金属为Co、Ni或Fe)的三元硼化物显示出优异的润滑性质、高硬度(500-900的维氏硬度值(HV 300))、由于三元陶瓷结构具有的对高温和侵蚀的稳定性。总而言之，这些三元硼化物提供了对磨损和腐蚀提高的抵抗性。此外，二元硼化钼显示