專利名稱:制造復(fù)合金屬沉積物的噴涂方法
本發(fā)明是有關(guān)制造復(fù)合金屬沉積物的噴鑄方法。噴鑄方法是已知技術(shù)。這種方法包括霧化金屬熔流并使該熔流經(jīng)受射向該流的較冷氣體的處理而形成熱金屬顆粒的射流，進(jìn)而使射流沉積在底材上。急冷及可控制冷卻措施可使沉積產(chǎn)物具有獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)。該沉積物可軋制或加工成有一定形狀的制品。但只用一種來(lái)源的熔融金屬，則限制了所能取得的組成及顯微結(jié)構(gòu)的范圍。
英國(guó)專利GB 8606733公開(kāi)了噴鑄方法。該方法包括與氣流接觸或噴射來(lái)自含有不同組成的金屬材料的微細(xì)固體顆粒。顆粒沉積到涂層中。使用耐火材料顆粒，例如氧化鋁或碳化硅，可使金屬基體復(fù)合物具有增強(qiáng)的性能。
美國(guó)專利4522784公開(kāi)了噴鑄方法。該方法在涂鑄之前將兩種熔融金屬流混合，要使小的金屬流比大的金屬流溫度更高，以便在涂鑄期間以及涂鑄之前形成微細(xì)的金屬間沉淀物。用介紹的直流噴鑄方法(DC Casting Method)難于盡快地除去系統(tǒng)中的熱量，以避免金屬間沉積物的重熔。
英國(guó)專利GB 1359486公開(kāi)了不同密度的兩種難混熔金屬進(jìn)行涂鑄的噴鑄方法。包含由兩種金屬濃流所組成的熔融金屬的單流，霧滴集于底材上。能用于這種噴鑄方法的合金成份的范圍是很有限的。
本發(fā)明提供一種用噴鑄制造復(fù)合金屬沉積物的方便方法。此方法優(yōu)于先有技術(shù)，因?yàn)槿廴诮饘倭鬟M(jìn)行單獨(dú)霧化，所以對(duì)兩種金屬成份的限制就少得多。
英國(guó)專利GB 1083003公開(kāi)了制造軸承材料的方法，該方法是將Al和Pb同時(shí)噴射在帶材背面上。因而顯微結(jié)構(gòu)包括了交錯(cuò)區(qū)，其大小(基本上)相當(dāng)于Al和Pb熔體的噴霧熔滴。美國(guó)專利US 3826301有類似介紹。
本發(fā)明提供一種制造復(fù)合金屬沉積物的方法，該方法包括供給第一種金屬流、第二金屬流和底材;霧化兩種金屬流使其經(jīng)受射向該流的較冷氣體的處理，以形成第一種和第二種熱金屬顆粒噴霧，并使噴霧連續(xù)沉積在底材上形成疊層的沉積物。
第一種和第二種金屬流可由熔融金屬儲(chǔ)料容器的重力流供給。本發(fā)明設(shè)想使用二、三或更多種熔融金屬流，分別霧化每種金屬流，但應(yīng)相應(yīng)地把它們看作是相關(guān)的第一種和第二種金屬流。
在本技術(shù)領(lǐng)域：
里已熟知，選擇霧化條件，可控制熱金屬顆粒噴霧的粒度、速度、方向以及溫度。霧化時(shí)，熔融金屬顆粒擴(kuò)展為錐形射流型，如同本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員所知道的，射流型可以是環(huán)形的橫斷面或者加以改變以構(gòu)成不同的橫斷面或均勻的金屬顆粒分布。
底材可以是金屬表面，例如可以是扁平的或圓筒形，可使金屬噴霧沉積于其內(nèi)表面或外表面上。一般來(lái)說(shuō)，最好金屬顆粒至少仍有部分處于沖擊的液體，否則沉積物就太疏松。適宜的控制霧化條件，可使金屬噴霧成為部分或全部液體處于沖擊狀態(tài)。但由于沖擊時(shí)處于過(guò)冷狀態(tài)，隨之立刻發(fā)生固化，而且不需要通過(guò)底材吸取大量的熱。
可供給底材纖維、線索或耐火材料顆粒，例如碳或碳化硅，通過(guò)這樣的方式使上述材料嵌入有粘結(jié)性的復(fù)合金屬沉積物中，從而增強(qiáng)沉積物。如果需要，也可以用上述8606733號(hào)英國(guó)專利介紹的方法，將耐火材料顆粒并入到第一種和/或第二種噴射流中。
可用三種(或多種)噴霧，例如兩種噴射流可以疊加并同時(shí)操作。這樣可以產(chǎn)生疊加結(jié)構(gòu)，該涂層具有兩種噴霧所產(chǎn)生的顯微結(jié)構(gòu)?；蛘呷缟鲜?522784號(hào)美國(guó)專利所介紹的兩種疊加的噴霧，它們是經(jīng)過(guò)挑選的，可以互相起作用。
組成第一種和第二種噴霧的兩種金屬，其比例范圍并不嚴(yán)格。對(duì)于特殊應(yīng)用，對(duì)兩種(或多種)金屬的適宜比例可以進(jìn)行選擇。第一種和第二種噴霧的噴射流可以，但不一定要重疊，就是說(shuō)可安排兩種噴霧沖擊底材的相同或不同部位。為了采集兩種金屬噴霧，底材可作直線移動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。這些特點(diǎn)可用作進(jìn)一步控制沉積物的結(jié)構(gòu)。例如，如果兩種噴霧的噴射流沒(méi)有重疊，而底材在它們之間作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沉積物就能含有第一種和第二種金屬的交替層。
如果兩種噴霧的噴射流是重疊的，為了取得需要的疊層結(jié)構(gòu)，必須使兩種噴霧互相交替工作。為了連續(xù)操作兩種噴霧，最好使兩種噴射流不重疊，而使底材作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，這樣，兩種金屬交替層便可沉積在底材上。
通過(guò)連續(xù)供給一種金屬流而間歇供給另一種金屬流，可獲得其他的結(jié)構(gòu)變化。或一開(kāi)始供給第一種金屬流，繼之供給第二種金屬流。這樣，沉積物便可包含第一種金屬，而其表面又涂有第二種金屬。在決定沉積物結(jié)構(gòu)時(shí)，供給兩種或多種熔融金屬流，可為操作人員提供廣泛的沉積物結(jié)構(gòu)的選取范圍。
最好，疊層的沉積至少包含兩種金屬層，各層互為相關(guān)的交替疊層。交替疊層的厚度對(duì)復(fù)合金屬層壓板的性能有顯著的影響。對(duì)噴霧態(tài)的沉積物來(lái)說(shuō)，每層最好的厚度范圍為0.01～100毫米，更好則是1～10毫米。噴霧態(tài)沉積物可承受軋制。在許多實(shí)用場(chǎng)合下，軋制材每層的厚度為10～500微米，最好是30～200微米。
由于兩種金屬在沉積到底材之前互不接觸，接著可以很快固化，因此，對(duì)所使用金屬稍有限制。如果在沉積時(shí)一種金屬的溫度太高，以致使沉積物上另一種金屬發(fā)生明顯的熔化，這是一個(gè)缺點(diǎn)。通?？梢院芊奖愕厥褂猛饘俚膬煞N不同合金。對(duì)于噴涂鋁合金，特別有利的方法是希望有惰性氣體，如氬氣或氮?dú)猓m然這不是必不可少的。
參考圖1～3，每幅圖是本發(fā)明制造復(fù)合金屬沉積物的裝置簡(jiǎn)圖。參閱圖1，裝置包括供給第一和第二種熔融金屬流的第一爐10和第二爐12，熔融金屬霧化(所用設(shè)備未示出)而成熱金屬顆粒的第一種噴霧14和第二種噴霧16。噴射流重疊，每種噴霧隨著其他一種噴霧關(guān)斷后進(jìn)行操作。噴霧依次沉積于底材18上，而沉積位置及方向由設(shè)備20控制。金屬噴霧和底材均置于噴霧室22之內(nèi)，該噴霧室除氣體和多余噴霧粉的排出口外，是密閉的。
含在載氣流的耐火材料是通過(guò)射向第一種金屬霧化區(qū)的管26供給的，結(jié)果被并入第一種金屬噴霧14中。
圖1所示裝置中，底材18可保持平穩(wěn)，以便在其上形成復(fù)合金屬體，或者為了形成均勻的復(fù)合金屬層，它可以作直線移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了處理沉積物以形成有一定形狀的制品，該沉積物在底材上時(shí)，底材18可取作該形狀的模。在裝置中表明，如果金屬滴仍是沖擊態(tài)液體，沉積物基本上是無(wú)孔的，而且包含第一種金屬和第二種金屬的交替層。
圖2和圖1相對(duì)應(yīng)，只是所示的兩種金屬噴霧14和16不重疊。在這種情況下，為了取得含有第一種和第二種金屬交替層，噴霧須連續(xù)操作，而底材18須作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖3中所示的兩種金屬噴霧14和16，當(dāng)它沖擊繞著水平軸28旋轉(zhuǎn)的錐形底材18時(shí)，其噴射流是部分疊合的。纖維30是由卷筒32供給且并入沉積物中。
以下是金屬混合物和合金的例子。根據(jù)本發(fā)明，所述金屬混合物和合金可用于制造復(fù)合金屬沉積物。在所有的情況下所說(shuō)的第一種金屬或合金，通常是以體積濃度存在于沉積物中。該體積濃度可等于或大于第二種金屬或合金的濃度。
A、第一種金屬，指定為鋁業(yè)聯(lián)合會(huì)登記號(hào)為7010的合金。第二種金屬是較軟的鋁合金，例如編號(hào)為6061的鋁合金或純鋁金屬。編號(hào)為7010的合金一般用于航空機(jī)結(jié)構(gòu)，第二種金屬用微疊層結(jié)構(gòu)改進(jìn)斷裂韌度，以減少疲勞和鈍化裂紋。
B、第一種金屬是7010合金，第二種金屬是具有延伸性、韌性和抗疲勞的6061合金。
C、第一種金屬是7010合金，第二種金屬是可改進(jìn)抗應(yīng)力腐蝕的Al/Zn合金。
D、第一種金屬是用作鎧裝的7075合金，第二種金屬是可增強(qiáng)抗剝落性的Al/Si合金。
E、第一種金屬是7075合金，第二種金屬是Pb，它可增進(jìn)密度，改進(jìn)衡量沖擊性，并改進(jìn)顯微結(jié)構(gòu)以分解沖擊波。
F、第一種金屬是任何一種Al合金，第二種金屬是Zn，該Zn涂于表面作為一層，占涂層總厚度的1～5%，有助于擴(kuò)散粘結(jié)。
G、第一種金屬是6061合金，第二種金屬是可使產(chǎn)品具有延伸性和韌性的7475合金+SiC。
實(shí)例疊層材料用來(lái)自一個(gè)霧化器的6061 Al合金和來(lái)自另一個(gè)霧化器的7475 Al合金+SiC組成，進(jìn)行混合噴涂。
1.噴涂條件使用的兩個(gè)坩堝均為帶有氧化鋯噴嘴的氧化鋁坩堝。霧化氣為氮?dú)狻Ｊ占魇?00毫米長(zhǎng)×150毫米寬的鋁板。該鋁板以1 Hz頻率在噴霧下面作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
以下是6061合金的噴涂條件熔融溫度 ＝730℃一次氣體 壓力＝1.8巴流量＝0.6米3/分流速＝240米/秒二次氣體 壓力＝5.5巴流量＝8.0米3/分流速＝300米/秒7475合金的噴涂條件，除了熔融溫度是710℃之外，其他與上相同。SiC細(xì)粒(F600)送入到7475噴霧中，SiC以1.72公斤/分的速度送入噴嘴。
用同樣的條件制造數(shù)批材料。
2.產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)橫過(guò)剖層測(cè)定元素分布，顯示出相鄰層之間已有一定程度的相互擴(kuò)散，這表示在它們之間已進(jìn)行了有效的冶金結(jié)合。7475疊層中SiC含量為10～12%(體積)。
3.機(jī)械性能噴涂態(tài)材料的壓實(shí)，先在430℃熱軋為約2毫米厚，然后再冷軋為1毫米厚。在使產(chǎn)品完全壓實(shí)的過(guò)程中，可發(fā)現(xiàn)任何噴涂態(tài)的孔隙已堵塞，板材于500℃以溶解熱處理，最少保持30分鐘，并以冷水淬火。該材料于120℃進(jìn)行人工時(shí)效20小時(shí)。
數(shù)批不同厚度疊層的板材，測(cè)定了它們的抗拉性能?？偨Y(jié)果示于下表材料 0.2%屈服點(diǎn) 拉伸強(qiáng)度 效率(兆帕) (兆帕) (%)5層的層壓板 270 369 4.4(＝200微米)17層的層壓板 273 406 9.9(＝70微米層)含SiC的7475合金 525 581 1.7
6061合金 240 260 8.0含SiC的6061合金 322 340 0.9對(duì)裂紋開(kāi)裂及裂紋擴(kuò)展能量也進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如下。
材料 引發(fā)能量 擴(kuò)展能量(焦耳/米2) (焦耳/米2)5層的層壓板 13433 40597(＝200微米層)17層的層壓板 17623 55788(＝70微米層)含SiC的7475合金 3189 8182上述結(jié)果表明，在層壓板中并入兩種材料便可通過(guò)各成分改進(jìn)層壓板的機(jī)械性能。這個(gè)實(shí)例的結(jié)果顯示，通過(guò)6061合金改進(jìn)了層壓板的強(qiáng)度和延伸性;通過(guò)含SiC的7475合金改進(jìn)了層壓板的延伸性，裂紋開(kāi)裂和裂紋擴(kuò)展能量(以改進(jìn)韌性)。上述結(jié)果也表明，通過(guò)含SiC的6061合金顯著地改進(jìn)了層壓板的各種性能(特別是延伸性)。值得注意的是，疊層區(qū)厚度對(duì)控制材料的最終性能，尤其對(duì)控制本實(shí)例層壓板的延伸性和韌性是極其重要的。
權(quán)利要求
1.一種制造復(fù)合金屬沉積物的方法，該方法包括供給第一種金屬流、第二種金屬流和底材，霧化兩種金屬流，使其經(jīng)受射向該流的較冷氣體的處理，以形成第一種和第二種熱金屬顆粒噴霧，并使噴霧以連續(xù)方式沉積于底材上，形成疊層的沉積物。
2.按照權(quán)利要求
1的方法，其中霧化條件是，控制第一種和第二種金屬噴霧在沖擊到底材時(shí)至少仍有部分液體。
3.按照權(quán)利要求
1或2的方法，其中在底材上供以纖維、線索或耐火材料顆粒，通過(guò)這樣的方式使這些材料嵌入粘結(jié)性的復(fù)合金屬沉積物中。
4.按照權(quán)利要求
1～3中任一項(xiàng)的方法，其中耐火材料的顆粒應(yīng)用于第一種或第二種金屬流或噴霧中。
5.按照權(quán)利要求
1～4中任一項(xiàng)的方法，其中第一種和第二種噴霧的噴射流不重疊。
6.按照權(quán)利要求
1～5中任一項(xiàng)的方法，其中第一種和第二種金屬是同基金屬的不同合金。
7.按照權(quán)利要求
6的方法，其中基體金屬是鋁。
8.按照權(quán)利要求
1～7中任一項(xiàng)的方法，其中疊層的沉積物至少包括相關(guān)的兩層是交替疊加的。
9.按照權(quán)利要求
8的方法，其中的疊層在軋制后每層的厚度是10～500微米。
專利摘要
本發(fā)明是有關(guān)一種制造復(fù)合金屬沉積物的方法。該方法包括供給第一種和第二種金屬流和底材；霧化兩種金屬流，使其經(jīng)受射向該流的較冷氣體的處理，以形成第一種和第二種金屬顆粒的噴霧，并使噴霧以連續(xù)方式沉積于底材上。所說(shuō)兩種金屬流可以是同基金屬的不同合金，例如鋁合金中含纖維、線索或耐火材料的顆粒。
文檔編號(hào)C23C4/12GK87107803SQ87107803
公開(kāi)日1988年7月27日 申請(qǐng)日期1987年11月14日
發(fā)明者理查德·邁克爾·喬丹 申請(qǐng)人:艾爾坎國(guó)際有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan