表面改性磁性材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了显示出磁性能的制品、用于向制品提供耐腐蚀性的方法、以及电机元件。该制品包括衬底，该衬底包括磁性材料的第一部分，该磁性材料显示出磁性能。该制品还包括过渡层，该过渡层包括磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。该过渡层布置于衬底的至少一部分上。该制品还包括外层，该外层包括涂层材料的第二部分。该外层布置于过渡层的至少一部分上。
【专利说明】表面改性磁性材料
【技术领域】
[0001]本公开的主题总体涉及具有保护性涂层的磁性制品。
【背景技术】
[0002]在各种应用中，例如用于油料和燃气设备的涡轮机械中，马达、发电机、和磁轴承的磁性部件可能暴露于腐蚀性环境。例如，为了磁轴承在这些潜在的腐蚀性环境中操作，磁轴承的暴露部分必须提供耐腐蚀性。能够典型地通过以已知的耐腐蚀性材料封装定子来对定子进行保护，原因是定子是固定的并且具有固定磁场。然而，不能在不对其性能产生负面影响的情况下以这种方式对转子轴进行封装。
[0003]因此，需要用于向磁性制品提供保护性涂层的改进的方法。
【发明内容】
[0004]在一个方面中，提供一种显示出磁性能的制品。该制品包括衬底，该衬底包括磁性材料的第一部分，该磁性材料显示出磁性能。该制品还包括过渡层，该过渡层包括该磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。该过渡层布置于衬底的至少一部分上。该制品还包括外层，该外层包括该涂层材料的第二部分。该外层布置于过渡层的至少一部分上。
[0005]在另一个方面中，提供一种用于向制品提供耐腐蚀性的方法。该方法包括在衬底的至少一部分上形成过渡层。该衬底包括显示出磁性能的磁性材料的第一部分。该过渡层包括该磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。该方法还包括将涂层施布于过渡层的至少一部分。该涂层包括该涂层材料的第二部分。
[0006]在又一个方面中，提供一种电机兀件。该电机兀件包括衬底。该衬底包括磁性材料的第一部分，其中衬底显示出磁性能。该衬底还包括过渡层,该过渡层包括该磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。该过渡层布置于衬底的至少一部分上。该衬底还包括外层，该外层包括该涂层材料的第二部分。该外层布置于过渡层的至少一部分上。该电机元件还显示出与衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。
[0007]其它的方面将在下文的描述中部分地阐述，并且将部分地通过描述显而易见，或者可以通过实施下文所描述的方面习得。下文所描述的优点将通过所附权利要求中特别指出的元件及组合得以实现和获得。应当理解，上文的大体描述以及下文的详细描述二者都仅仅是示例性和解释性的并且不是限制性的。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]当参照附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面、以及优点将变得更好理解，其中部件不必成比例，并且其中相应的附图标记在全部附图中表示相应的部件，在附图中:
[0009]图1示出了根据本公开的实施例的制品的一部分的横截面图，该制品包括衬底、过渡层、和外层。
[0010]图2示出了根据本公开的实施例的布置于转子轴上的磁轴承元件的中点的横截面图。
【具体实施方式】
[0011]在以下描述中，给出了各种具体细节以提供对实施例的全面理解。能够在不具有所述具体细节中的一个或多个具体细节的情况下或者通过其它方法、部件、材料等实施实施例。在其它例子中，未详细示出或描述众所周知的结构、材料、或操作，以避免使实施例的方面模糊不清。
[0012]在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”、或“多个实施例”的参照的意思是结合实施例所描述的特定的特征、结构、或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个该说明中的多个位置处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全部参照相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构、或特性可以以任何合适的方式组口 ο
[0013]如上所述，本公开包括显示出磁性能的制品、向制品提供耐腐蚀性的方法、以及磁轴承元件。所公开的主题的实施例在下文有所描述并且示于图1和图2中。尽管图1参照包括具有保护性涂层的磁性材料的矩形衬底被图示和描述，但是应当理解，可以类似地采用或者通过本公开的备选实施例制造包括磁性材料并且需要保护性涂层的任何形状的衬底。图2示出了大体结构，其中示出了轴向轴承部件和径向轴承部件二者的横截面结构。
[0014]磁性制品
[0015]图1示出了制品 10,该制品10包括衬底12。该制品10显示出磁性能。衬底12包括磁性材料的第一部分。根据定义，磁性材料显示出磁性能。如本文中所使用的，术语“显示出磁性能”的意思是材料具有可使用标准的磁性测量技术测量出的磁性能。在一些实施例中，磁性材料可以包括金属或合金。在一些实施例中，磁性材料可以包括铁或铁合金。在进一步其它的实施例中，磁性材料可以包括钴铁合金、硅钢、不锈钢、或其组合。
[0016]如图1中所示，过渡层14布置于衬底12的至少一部分上。在一些实施例中，过渡层14可以布置于衬底12的整个表面上。过渡层14包括磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。过渡层14的磁性材料的第二部分包括与衬底12的磁性材料的第一部分相同或相同类型的磁性材料。
[0017]在一些实施例中，涂层材料可以包括钽、铌、锆、钼、银、金、或其组合。在一些实施例中，过渡层14包括磁性材料和涂层材料的合金。在进一步其它的实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的一种金属。在其它实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的两种金属。
[0018]如图1中进一步所示，外层16布置于过渡层14的至少一部分上。在一些实施例中，外层16可以布置于过渡层14的整个表面上。外层16包括涂层材料的第二部分。外层16的涂层材料的第二部分包括与过渡层14的涂层材料的第一部分相同或相同类型的涂层材料。在进一步其它的实施例中，涂层材料可以包括一种过渡金属。在其它实施例中，涂层材料可以包括两种过渡金属。
[0019]如图1中所示，在一些实施例中，过渡层14和外层16可以具有大约0.001英寸至大约0.02英寸、大约0.001英寸至大约0.01英寸、大约0.001英寸至大约0.005英寸、或者大约0.0Ol英寸至大约0.0025英寸的总体组合厚度。如本文中所使用的，术语“总体组合厚度”的意思是从衬底12的表面至外层16的外表面的距离。该总体组合厚度由图1中的长度T表示。然而，应当仔细注意到，图1并非按比例绘制并且相反地以有助于解释本发明的方式示出。
[0020]在一些实施例中，制品10显示出与衬底12所展示的磁性能基本类似的磁性能。如本文中所使用的，术语“基本类似”的意思是制品10所展示的磁性能相对于衬底10所展示的磁性能的变化小于大约10%、小于大约5%、或者小于大约I %。磁性能包括但不限于磁场(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁场强度(安培/米)。
[0021]在一些实施例中，过渡层14可以覆盖衬底12的基本每一个表面并且外层16可以覆盖过渡层14的基本每一个表面。如本文中所使用的，术语“覆盖基本每一个表面”的意思是覆盖表面积的大约99%、表面积的大约99.9%、或者表面积的大约99.99%。在一些实施例中，衬底12可以被过渡层14严密地密封。在一些实施例中，过渡层14可以被外层16严密地密封。
[0022]用于提供耐腐蚀性的方法
[0023]在本发明的另一个方面中，提供一种用于向制品10提供耐腐蚀性的方法。该方法包括在衬底12的至少一部分上形成过渡层14的第一步骤。衬底12可以包括显示出磁性能的磁性材料的第一部分。过渡层14包括磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。在第二步骤中，外层16可以随后施布于过渡层14的至少一部分。外层16包括涂层材料的第二部分。
[0024]根据定义，磁性材料具有磁性能。在一些实施例中，磁性材料可以包括金属或合金。在一些实施例中，磁性材料可以包括铁或铁合金。在进一步其它的实施例中，磁性材料可以包括钴铁合金、硅钢、不锈钢、或其组合。
[0025]在一些实施例中，涂层材料可以包括钽、铌、锆、钼、银、金、或其组合。在一些实施例中，过渡层14包括磁性材料和涂层材料的合金。在进一步其它的实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的一种金属。在其它实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的两种金属。
[0026]在一些实施例中，形成过渡层14的步骤可以包括在磁性材料的第二部分与涂层材料的第一部分之间形成冶金接合。
[0027]在实施例中，形成冶金接合的方法可以包括通过涂层材料的第一部分涂布包含磁性材料的衬底12以形成涂布衬底12的第一步骤。在该步骤中，涂层材料可以施布于衬底12，由此在涂层材料与衬底12之间的界面处形成磁性材料的第二部分。在第二步骤中，涂布磁性材料随后可以在合适的温度下被加热以形成过渡层14。在一些实施例中，用于第二步骤的合适的温度可以是处于大约500°C至大约1500°C、大约750°C至大约1350°C、或者大约850°C至大约1200°C的范围内的温度。
[0028] 在一些实施例中，涂层材料可以通过高能量方法施布于衬底12，其中包括但不限于化学气相沉积、电子束涂布、热喷涂、等离子喷涂、真空等离子喷涂、火焰喷涂、高速喷涂、冷喷涂、或其组合。在这种实施例中，将涂层施布于衬底12的步骤可以向涂布磁性材料提供充足的热能，使得涂布磁性材料被加热至适于形成过渡层14的温度。在一些实施例中，用于第二步骤的合适的温度可以是处于大约500°C至大约1500°C、大约750°C至大约1350°C、或者大约850°C至大约1200°C的范围内的温度。
[0029]在其它实施例中，涂层材料可以通过固态方法施布于衬底12以形成粉末涂布衬底12。在这种实施例中，涂布磁性材料的第二部分的步骤可以包括将衬底12嵌入到涂层材料的粉末中，使得磁性材料的第二部分嵌入到涂层材料的第一部分的粉末中。在这种实施例中，粉末涂布衬底12随后可以被加热至合适的温度以形成过渡层14。在一些实施例中，用于第二步骤的合适的温度可以是处于大约500°C至大约1500°C、大约750°C至大约1350°C、或者大约850°C至大约1200°C的范围内的温度。
[0030]在一些实施例中，涂层材料可以通过一种或多种机械接合方法施布于衬底12，其中涂层材料的第一部分被物理按压到磁性材料的第二部分上。用于将涂层材料物理按压到衬底12上的合适技术包括但不限于热压、火花焊接、超声接合、辊压接合、爆炸接合、及其组合。在这种实施例中，在将涂层材料物理按压到衬底12上之后，制品10随后可以被加热至合适的温度以形成过渡层14。在一些实施例中，用于第二步骤的合适的温度可以是处于大约500°C至大约1500°C、大约750°C至大约1350°C、或者大约850°C至大约1200°C的范围内的温度。
[0031]在进一步其它的实施例中，该方法还可以包括使用激光围绕衬底12严密地密封过渡层14的边缘。
[0032]不受到理论的约束，认为用于形成过渡层14的实施例使得磁性材料与涂层材料之间冶金接合。所获得的制品可以适于在恶劣环境下为磁轴承元件提供所需的磁性能。
[0033]在最后的方法步骤中，包括涂层材料的第二部分的外层16可以施布于过渡层14。用于施布外层16的合适方法包括但不限于热喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、高速喷涂、冷气动力喷涂、激光沉积化学气相沉积、物理气相沉积、电子束物理量气相沉积、冷压、烧结、热等静压、溶胶-凝胶工艺、金属化、其组合或者用于将外层16沉积到过渡层14上的任何其它合适的方法。
[0034]在一些实施例中，过渡层14和外层16可以具有大约0.001英寸至大约0.02英寸、大约0.001英寸至大约0.01英寸、大约0.001英寸至大约0.005英寸、或者大约0.001英寸至大约0.0025英寸的总体结合厚度。
[0035]在一些实施例中，制品10显示出与衬底12所展示的磁性能基本类似的磁性能。如本文中所使用的，术语“基本类似”的意思是制品10所展示的磁性能相对于衬底12所展示的磁性能发生的变化小于大约10%、小于大约5%、或者小于大约1%。磁性能包括但不限于磁场(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁场强度(安培/米)。
[0036]在一些实施例中，过渡层14可以覆盖衬底12的基本每一个表面并且外层16可以覆盖过渡层14的基本每一个表面。如本文中所使用的，术语“覆盖基本每一个表面”的意思是覆盖表面积的大约99%、表面积的99.9%、或者表面积的大约99.99%。在一些实施例中，衬底12可以由过渡层14严密地密封。在一些实施例中，过渡层14可以由外层16严密地密封。
[0037]电机元件
[0038]在本发明的又一个方面中，提供一种电机兀件。在一些实施例中，该电机兀件可以包括马达的部件。在其它实施例中，该电机元件可以包括发电机的部件。在进一步其它的实施例中，该电机元件可以包括磁轴承的部件。
[0039]例如，包括磁轴承的部件的实施例示于图2中，其中示出了布置于转子轴18上的磁轴承元件的中点的横截面图。磁轴承元件包括衬底12。衬底12包括磁性材料的第一部分并且显示出磁性能。
[0040]衬底12还包括过渡层14，该过渡层14包括磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分。过渡层14可以布置于衬底12的至少一部分上。如图2中所示，衬底12层可以由过渡层14涂布。
[0041]衬底12还包括外层16，该外层16包括涂层材料的第二部分。外层16可以布置于过渡层14的至少一部分上。如图2中所示，在一些实施例中，外层16可以涂布在过渡层14上。
[0042]磁轴承元件还显示出与衬底12所展示的磁性能基本类似的磁性能。如本文中所使用的，术语“基本类似”的意思是制品10所展示的磁性能相对于衬底10所展示的磁性能的变化小于大约10%、小于大约5%、或者小于大约1%。磁性能包括但不限于磁场(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁场强度(安培/米)。
[0043]在一些实施例中，衬底12包括永磁体。根据定义,永磁体具有磁性能。在一些实施例中，永磁体可以包括金属或合金。在一些实施例中，永磁体可以包括铁或铁合金。在进一步其它的实施例中，永磁体可以包括钴铁合金、硅钢、不锈钢、或其组合。
[0044]在一些实施例中，涂层材料可以包括钽、铌、锆、钼、银、金、或其组合。在一些实施例中，过渡层14包括磁性材料和涂层材料的合金。在进一步其它的实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的一种金属。在其它实施例中，涂层材料可以包括选自钽、铌、锆、钼、银、和金的两种金属。
[0045]在一些实施例中，过渡层14和外层16可以具有大约0.001英寸至大约0.02英寸、大约0.001英寸至大约0.01英寸、大约0.001英寸至大约0.005英寸、或者大约0.001英寸至大约0.0025英寸的总体组合厚度。
[0046]在一些实施例中，磁轴承元件显示出与衬底12所展示的磁性能基本类似的磁性能。如本文中所使用的，术语“基本类似”的意思是磁轴承元件所展示的磁性能相对于衬底12所展示的磁性能的变化小于大约10%、小于大约5%、或者小于大约I %。磁性能包括但不限于磁场(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁场强度(安培/米)。
[0047]在一些实施例中，过渡层14可以覆盖衬底12的基本每一个表面并且外层16可以覆盖过渡层14的基本每一个表面。如本文中所使用的，术语“覆盖基本每一个表面”的意思是覆盖表面积的大约99%、表面积的大约99.9%、或者表面积的大约99.9%。在一些实施例中，衬底12可以由过渡层14严密地密封。在一些实施例中，过渡层14可以由外层16严密地密封。
[0048] 在一些实施例中，磁轴承元件是径向磁轴承的部件。径向磁轴承沿径向(侧向方向)产生磁力。径向磁轴承可以用于保持转子轴围绕机器的旋转轴线位于中心。
[0049]在一些实施例中，磁轴承元件是轴向(推力)磁轴承的部件。轴向磁轴承沿轴向(纵向)方向产生磁力。轴向磁轴承能够用于保持转子轴在机器中的轴向位置。
[0050]类似地，在一些实施例中，发电机的部件和/或马达的部件可以包括与上文参照磁轴承的部件所描述的那些类似的层，以涂布衬底并且显示出与衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。在其它实施例中，发电机的一个或多个部件以及/或者马达的一个或多个部件可以包括与上文参照磁轴承的部件所描述的那些类似的层，以涂布衬底并且显示出与衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。
[0051 ]应当显而易见的是，上文仅涉及本发明的优选实施例并且可以在不偏离如所附权利要求及其等同形式所限定的本发明的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变和改型。
【权利要求】
1.一种显示出磁性能的制品，所述制品包括: 衬底,所述衬底包括磁性材料的第一部分,所述磁性材料显示出磁性能； 过渡层，所述过渡层包括所述磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分，所述过渡层布置于所述衬底的至少一部分上；以及 外层，所述外层包括所述涂层材料的第二部分，所述外层布置于所述过渡层的至少一部分上。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述磁性材料包括金属或合金。
3.根据权利要求2所述的制品，其中所述磁性材料包括铁或铁合金。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述涂层材料包括钽、铌、锆、钼、银、或金。
5.根据权利要求1所述的制品，其中所述过渡层和所述外层具有大约0.0Ol英寸至大约0.005英寸的总体组合厚度。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述制品显示出与所述衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述过渡层覆盖所述衬底的基本每一个表面并且所述外层覆盖所述过渡层的基本每一个表面。
8.一种用于向制品提供耐腐蚀性的方法，所述方法包括: 在衬底的至少一部分上形成过渡层，其中所述衬底包括显示出磁性能的磁性材料的第一部分并且所述过渡层包括所述磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分；以及 将外层施布于所述过渡层的至少一部分上，其中所述外层包括所述涂层材料的第二部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成步骤包括在所述磁性材料的第二部分与所述涂层材料的第一部分之间形成冶金接合。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括: 通过所述涂层材料的第一部分涂布包括所述磁性材料的所述衬底以形成涂布衬底；以及 在合适的温度下加热所述涂布衬底，以形成所述过渡层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中使用包括化学气相沉积、电子束涂布、冷喷涂、或热喷涂的过程来涂布所述衬底。
12.根据权利要求10所述的方法，其中涂布所述衬底的步骤包括通过所述涂层材料的第一部分来粉末涂布所述衬底。
13.根据权利要求10所述的方法，其中涂布所述衬底的步骤包括将所述涂层材料的第一部分物理按压到所述衬底上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中物理按压的步骤包括热压、火花焊接、超声接合、辊压接合、或爆炸接合。
15.根据权利要求8所述的方法，其中耐腐蚀制品显示出与所述衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。
16.根据权利要求8所述的方法，其中所述过渡层覆盖所述衬底的基本每一个表面并且所述外层覆盖所述过渡层的基本每一个表面。
17.一种电机元件，所述电机元件包括:衬底,所述衬底包括磁性材料的第一部分,其中所述衬底显示出磁性能； 过渡层，所述过渡层包括所述磁性材料的第二部分和涂层材料的第一部分，所述过渡层布置于所述衬底的至少一部分上；以及 外层，所述外层包括所述涂层材料的第二部分，所述外层布置于所述过渡层的至少一部分上； 其中所述电机元件显示出与所述衬底所展示的磁性能基本类似的磁性能。
18.根据权利要求17所述的电机元件，其中所述电机元件包括马达的部件。
19.根据权利要求17所述的电机元件，其中所述电机元件包括发电机的部件。
20.根据权利要求17 所述的电机元件，其中所述电机元件包括磁轴承的部件。
【文档编号】H02K1/27GK104080949SQ201380007347
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年1月29日 优先权日:2012年1月30日
【发明者】S.J.布列什, J.范达姆, P.A.西默斯, R.B.雷巴克 申请人:通用电气公司