專利名稱：改進的可磨損鍍層及其制造方法
本申請是序號為NO247024的美國專利申請的部分繼續(xù)申請 該專利于1988年9月20日提出，題為“高速火焰噴鍍設備和材料形成的方法”，該專利整個公開的部分作為參考而列入本申請。
本發(fā)明一般涉及可磨損的材料和鍍層，如用來形成汽輪發(fā)動機中可磨損封接件的鍍層。本發(fā)明具體提供一種改進的可磨損的材料及這種材料的制作方法。
容易以可控的方式磨損的材料被應用在包括作為可磨損封接件的許多方面。熟悉這種技術的人員知道，在轉(zhuǎn)動的部件和固定的可磨損封接件之間的接觸將使可磨損的材料在接觸區(qū)域按照與運動部件相嚙合的形狀被磨掉。從而使封接件呈現(xiàn)準確準確配合運動部件的幾何形狀。這有效地形成了具有極緊公差的封接件。
可磨損封接件的一個特殊應用是用在汽輪發(fā)動機中。通常，在汽輪機罩蓋的內(nèi)表面上用噴槍鍍上一層可磨損的材料 鍍到預定的厚度在運行中當汽輪機葉片轉(zhuǎn)動時，葉片由于受產(chǎn)生的熱的影響，便發(fā)生稍許膨脹。旋轉(zhuǎn)葉片的尖端因而與可磨損材料接觸 從而在鍍層上準確地刻出一定的凹槽，而葉片本身并不與罩蓋接觸。應當清楚，這些凹槽提供了精確的允許葉片轉(zhuǎn)動必需的余隙，因而提供了基本上是定做配合的封接件。
為了使汽輪機葉片能夠在可磨損的鍍層中刻出凹槽，構成鍍層的材料必須容易磨損而不損耗葉片的尖端，這要求鍍層中的材料達到精細的均衡。在這種特殊的環(huán)境下，可磨損的鍍層還必須具有很好的抗粒子沖刷和在高溫下抗性能變壞的性能。然而，熟悉這種技術的人員知道，采用常規(guī)的形成可磨損鍍層的方法，要得到這些需要的特性是很困難的。
更準確地講，很多常規(guī)的易磨損層是采用噴射粉末的充填物料和金屬組分的等離子體形成的，這種形成方法要求監(jiān)控許多參數(shù)。這些參數(shù)包括供料粉末的組成特性 粉末粒度和噴槍的各種操作條件。然而，即使當這些因素受到嚴密的監(jiān)控時，采用常規(guī)的設備和技術也還不能始終如一地成功地生產(chǎn)高質(zhì)量的可磨損鍍層。
更詳細地講 是采用熱噴射從兩種一般種類的物料中選出的原料的方法來制造常規(guī)的復合材料可磨損鍍層。原料中最簡單的是金屬粉末和充填物的混合物，充填物通常是非金屬粉末。即 首先混合每種組分的分散的顆粒，然后再用等離子體噴槍噴射混合物。然而這些粉末混合物經(jīng)常有偏析，不僅僅在貯槽中有偏析，而且在粒子噴射流自身中也有偏析 這兩種偏析都對最后鍍層的微觀結構產(chǎn)生有害的影響。眾所周知 粒子偏析將在鍍層中產(chǎn)生主要由單一粉末組分構成的局部區(qū)域。這就導致產(chǎn)生組分和硬度不均勻的使用功能低劣的鍍層。一種粉末組份的優(yōu)先蒸發(fā)或其它的熱轉(zhuǎn)化也可以導致缺乏這種均勻性，特別是在用塑料作一種組分的場合。另外，使用已混合的或已摻和的粉末還造成難于調(diào)整組分的比例來產(chǎn)生分層的鍍層，這種分層的鍍層對每一層鍍層要求不同的原料摻和。
在噴射粉末的另一種一般方式中，兩種組分被粘結在一起，形成復合材料顆粒。許多粘結技術是眾所周知的，例如用第二種材料包覆粉末狀的第一種材料，或簡單地采用一種合適的粘結劑將兩種粉末粘結在一起。然而，粘結劑在防止兩種不同材料的偏析方面可能不足有效的。另外，包覆技術不僅花費大，而且包覆層還可能優(yōu)先蒸發(fā)，這就降低了鍍層的組分均衡，并且單一的粉末組份不能用來形成沿鍍層的深度具有不同特性的鍍層。
對于許多材料，產(chǎn)生滿意的可磨損鍍層要求使用極高的速度 采用常規(guī)的燃燒火焰噴槍這是不能達到的。雖然等離子噴槍提供高的速度 但是它們操作在如此高的溫度，以致造成蒸發(fā)和熱退化，例如塑料組分的蒸發(fā)和粉末組分的氧化，由于噴射流的渦流，加速了氧化。
因此希望提供一種組成可磨損材料的方法，采用這種方法可以減小或消除粒子偏析的問題。還希望提供這樣一種方法，該方法具有生產(chǎn)高質(zhì)量可磨損鍍層的附加的優(yōu)點而不產(chǎn)生原料的任何顯著的退化。還希望提供這樣一種方法。在該方法中，可以獨立地控制是料組分而不使用復雜的粉末計測系統(tǒng)，從而可在鍍層中得到組分的梯度，并且這種方法還可避免等離子體噴射過分的溫度和速度梯度。本發(fā)明提供了一種組成可磨損材料的方法，該法達到了這些目的并提供一種新穎的用本發(fā)明所述方法組成的可磨損材料。
在一種情況中，本發(fā)明提供了一種制造可磨損材料的方法 在該方法中，將充填物，最好是粉末非金屬(例如塑料)引入到高溫燃氣流中，從而使充填物傳送到氣流中。充填物最好在軸向引入燃氣流，從而當粒子進入高速氣流中時可以避免不可控制的側(cè)向分散。充填物受到燃氣的加熱并沿與熔化金屬交叉的軸線以極高的速度推進。攜帶充填物的高溫燃氣流使熔化金屬霧化，因此熔化金屬隨充填物進入氣流。從而形成了包括充填物和霧化金屬的混合氣流。然后使混合氣流或噴射流對著一個靶，受熱的充填物和熔化金屬因而以高速度沖擊的靶的表面形成一層可磨損材料的鍍層。在沖擊時，熔化金屬形成基本上連續(xù)的金屬基質(zhì)，充填物鑲嵌在基質(zhì)中的空隙中。最后的鍍層是容易磨損的，并很適合于用來形成可磨損的封接件。
在一種最好的情況中
采用前述的美國專利NO.247024公開的高速火焰噴鍍設備來實現(xiàn)本發(fā)明所述的方法。該專利中公開了火焰噴鍍設備，該設備包括一個座體部分，該座體部分具有帶入口和出口的原料供應孔，入口用于接受原料
出口與會聚噴口相通。會聚噴口最好與原料供應孔軸向準直。座體部分包括帶入口和出口的燃料通道
入口進入燃料，出口環(huán)繞著原料孔并與會聚噴口相通。噴槍的座體部分還另外設置有具有入口和出口的氧化劑通道
入口用于進入氧化劑氣體，出口與會聚噴口相通。因此，會聚噴口在燃料和原料充填物混合之前便單獨地從通道出口接受燃料和氧化劑。會聚噴口包括一個錐形壁
該壁與燃料和氧化劑出口隔開充分的間距
從而使燃料和氧化劑在會聚噴口中混和并進行部分燃燒。一當燃料和氧化劑點燃在會聚噴口中便形成火焰前沿，加熱進入的燃料
燃料由于生成的化學反應而釋放能量
從而提供維持連續(xù)高速擴散反應的驅(qū)動力。在這種方式中，原料被加速通過在錐形壁頂點的出口。錐形壁的頂點與原料供應孔準直，因此加速的原料穿過噴槍的筒體向著直孔噴管的端部開孔。在一個實施例中，攜帶原料的受熱的燃燒氣體其溫度足以熔化金屬絲的端部，熔化的金屬絲然后由高速氣流霧化。在另一個實施例中
最佳的噴鍍設備配有雙金屬絲電弧裝置，使得電弧加熱金屬絲
熔化金屬絲的端部
然后熔化的金屬再被霧化并進入從噴槍的會聚噴口中噴出的氣流中 從而形成混合的噴射流。
在又一種情況下 本發(fā)明提供一種具有極好均勻性的可磨損材料，這種可磨損材料的金屬氧化物含量比很多按常規(guī)噴鍍的材料低?？赡p材料包括金屬基質(zhì)，充填物均勻地分散在基質(zhì)中，充填物最好是低硬度的易碎的非金屬。在一個實施例中，本發(fā)明的可磨損材料包括供象汽輪發(fā)動機的可磨損封接件這樣一些用途使用的復合材料可磨損封接件。本發(fā)明的可磨損材料和勝接件采用本發(fā)明所述的方法形成。在一個最好實施例中 本發(fā)明的可磨損材料包括金屬基質(zhì) 塑料均勻分布在基質(zhì)的間隙中。


圖1是供實施本發(fā)明所述方法的最佳火焰噴鍍設備的截面圖。為簡明起見 金屬絲和金屬絲的傳輸機構未示于此圖中;
圖2是供本發(fā)明用的最佳火焰噴鍍設備，其中示出了雙金屬絲電弧裝置;
圖3是一個示意圖 它示出在噴槍的會聚噴口中火焰前沿的形成和構成本發(fā)明所述磨損材料的混合準直粒子流的產(chǎn)生。
圖4是按本發(fā)明制作的可磨損材料在橫截面的顯微照相。
本發(fā)明提供一種新穎的可磨損材料和制造這種可磨損材料的方法。在最佳實施例中 本發(fā)明所述的材料被成形為一層在部件表面上的可磨損鍍層。本發(fā)明的可磨損鍍層在其大多數(shù)實施中包括可磨損的封接。
按照本發(fā)明所述的方法，采用燃燒火焰噴鍍設備來形成高溫高速燃燒氣流。該噴鍍裝置的最佳結構已在上面引作為參考的美國專利申請NO.247024中進行了敘述。然而熟悉這種技術的人員應當清楚，其它的最好是高速的噴鍍系統(tǒng)也可以用來加速充填物粒子。
現(xiàn)在參照附圖1，圖中示出火焰噴鍍設備10，它一般具有燃燒器座罩12 該座罩與筒體14形成整體。燃燒器座罩12的錐形壁16形成一個在其中實現(xiàn)連續(xù)爆燃反應的會聚噴口18。原料供應管22形成原料供應孔20，該管密閉地安裝在原料罩座24中。在公開實施例中的原料罩座24具有裝入燃燒器座罩12螺紋部分的螺紋端部26。可以設置凸緣28以便幫助原料座罩24就位。原料座罩24和原料供應管22被配置在燃料供應噴咀30中，使其形成環(huán)形燃料通道32。燃料噴咀30的端部34最好是錐形的并壓配合在燃料座罩12上。
原料座罩24包括嚙合燃料噴咀30的第二凸緣或法蘭部分36 凸緣36中設置有平行于原料供應孔20的縱向孔道。在操作期間，沿箭頭所示方向流過環(huán)形通道32的燃料因此不會受到凸緣36的明顯阻擋。即，凸緣36具有開有孔道的外表面，因此相對于燃料噴咀30它起作支架的作用，并且還使燃料基本上可以不受限制地充流過環(huán)形燃料通道32。燃料噴咀30以類似的方式設置有一系列基本上平行的縱向孔道。而且 這種通道結構還使燃料噴咀30的端部分38可以嚙合到錐形壁16上，而同時使氧化劑通過環(huán)形氧化通道40進入會聚噴口18。環(huán)形氧化劑通道40是由燃燒器罩座12的部分42和44形成的。應當注意到，部分44還具有錐形壁16。為了將部分44牢固地固定到部分42上，部分42中攻有螺紋 用以裝入部分44的帶螺紋的部分。
為使燃料通入環(huán)形燃料通道32，提供了燃料供應通道48，該通道貫穿燃燒器座罩12的端部分50并與環(huán)形燃料通道32流體相通。這種連續(xù)的通道起著孔道的作用，燃料通過該孔道被傳送到在會聚噴口18中的火焰前沿。同樣，環(huán)形氧化劑通道40與氧化劑入口通道52流體相通。端部分50包括連接器54
其上攻有螺紋，用以連接原料供應軟管，這將在本發(fā)明所述的方法中進行更詳細的解釋。填充物原料通過連接器54引入到原料供應孔20。
原料供應孔20的橫截面積最好顯著小于環(huán)形燃料通道32和環(huán)形氧化劑通道40的橫截面積，使得粉末原料可以足夠高的速度送入會聚噴口18，高到足以貫穿會聚噴口18。原料供應孔20一般比環(huán)形燃料通道32，或比環(huán)形氧化劑通道40在橫截面積上小大約15%。另外，原料供應孔20的直徑與噴射通道56的內(nèi)徑之比一般約為1比5。因此其橫截面積之比一般約為1比25。
作為管狀直孔噴管的筒體14包括由噴射通道56形成的空心圓筒部分46。如將要詳細敘述的
高速粒子作為準直的氣流被推動穿過通道56。為防止筒體壁46過熱和實現(xiàn)本文所說的“熱箍縮”((一種保持和增強粒子流準直的現(xiàn)象)，設置形成環(huán)形熱交換室60的環(huán)形熱交換套58。熱交換室60只限于在筒體14上，使得不直接從會聚噴口除去熱量。在使用時
熱交換介質(zhì)(例如水)通過孔道62和64流過熱交換室60。軟管(未示出)的一端分別接到連接器66和68，使熱交換介質(zhì)通過熱交換室60進行循環(huán)。
現(xiàn)在參考附圖2，火焰噴鍍設備10包括本文舉例說明的雙金屬絲電弧裝置(為簡明起見圖1中未示出)的熔化金屬供應裝置。電弧裝置70包括裝有金屬絲導座74和76的托架72。金屬絲導座774和76被提供來按預定的速度輸送金屬絲78和80到電弧區(qū)域82。在大多數(shù)應用中
金屬絲78和80之間的夾角一般最好小于約60°角。在本發(fā)明的最佳方法中，使預定強度的電弧起弧并連續(xù)地維持在金屬絲電極的端部之間。在另一個實施例中，用已準直的燃燒氣流的熱熔金屬絲78和80的端部。在一些應用中用一根單一的金屬絲78可能是合適的，其中用燃燒氣的熱熔化金屬絲。在公開的實施例中，當金屬絲78和80熔化時并作為霧化的熔化金屬消耗時。金屬絲78和80被連續(xù)地輸送到電弧區(qū)域82中的交叉點。雖然電弧區(qū)域82與筒體18之間的距離不是重要的。并且為了控制在噴鍍操作期間形成的鍍層或成品的各種特性
此距離還可以調(diào)整
但是在大多數(shù)應用中，金屬絲78和80最好設置在距離筒體14約4至10厘米的地方。電弧和熔化的金屬絲端部應當位于從筒體14噴出的已準直的粒子流中;即
應當沿筒體14的縱軸線配置。
在本發(fā)明中可以使用許多種燃料和許多種氧化劑。如前述美國專利申請所述的，氣態(tài)、液狀或粒狀的燃料或氧化劑都是合用的。對于氧化劑、大多數(shù)的含氧氣體是使用的。本發(fā)明最好采用基本上純凈的氧。達到在本發(fā)明中的噴鍍粒子高速推進的合適的燃料氣體是碳氫化合物氣體
最好是高純丙烷或丙烯，這些燃料產(chǎn)生高惰性的氧化反應在一些應用中，氫和其它液體、固體燃料也是合適的。在本發(fā)明中，可以采用適當選擇燃料的方法，以及采用控制氣體壓力和控制原料粒子居留或滯留在會聚噴口18和通道56中的時間的方法來控制火焰的溫度
從而控制充填物原料的溫度。
另外
控制燃料的組分和氣體壓力還可以得到很寬范圍的粒子速度。最佳的燃料氣體壓力約從20至100磅/平方英寸(表壓)，最好從大約40至大約70磅/平方英寸(表壓)。氧化劑氣體壓力典型地在大約20至大約100磅/平方英寸(表壓)的范圍內(nèi)
對于大多數(shù)的應用
最好從大約40至大約80磅/平方英寸(表壓)當操作在這些壓力范圍內(nèi)時
從筒體14噴出的燃燒產(chǎn)物的速度將是超音速的，顯著大于其它常規(guī)商品火焰噴槍在類似操作條件下的速度。還應當認識到
燃料氣體的特性和它的質(zhì)量流動特性密切地支配著速度。
現(xiàn)在參考附圖3，該圖示意示出火焰噴鍍設備10
其中，充填物原料110通過原料供應孔20被注入。在此實施例中，原料110是顆粒狀或粉末狀的，并夾帶在一種相對于被噴鍍材料來說最好是不活潑載氣中。示出了在火焰噴口18中的火焰前沿112和沖擊區(qū)114。在金屬絲78和80的熔化金屬端部霧化以后，便形成沖擊靶116的混合氣流115，從而形成一層按照本發(fā)明所述的可磨損材料。
許多充填物適合于用來形成本發(fā)明所述的可磨損材料?？晒┍景l(fā)明使用的最佳充填物是塑料。在此處所說的“充填物”一詞一般被定義如下一種物質(zhì)
該物質(zhì)在噴鍍之前，在按照本發(fā)明所述進行噴鍍期間以及在最后的可磨損材料的使用環(huán)境中，在物理上的化學上基本上是熱穩(wěn)定的。另外，最佳填充物的硬度值應小于用來磨損可磨損材料的材料的硬度值
即
應比構成與可磨損材料接觸的運動部件的材料軟。最后，在按照本發(fā)明進行噴鍍期間以及在可磨損鍍層的使用期間，最佳填充物與基質(zhì)材料應是化學上穩(wěn)定的。當填充物作為粉末提供時，它還必須是可流動的。另外，用在本發(fā)明中的最佳填充物在制作可磨損材料期間不會顯著地熱分解。雖然填充物最好以顆粒形式提供
例如粉末，但是它也可以形成棒狀。
因此一般地講，在本發(fā)明中，硬度低的易碎的充填物是最好的
它們可以是有機物，也可以是無機物。特別好的充填物是用作塑料
纖維或合成橡膠這種類型的合成聚合物。具有所需特性的天然聚合物也是合適的。最好的合成聚合物或共聚物包括丙烯酸樹脂，例如丙烯酸、異丁烯酸、這些酸的酯類和丙烯腈的聚合物或共聚物。下列的物質(zhì)供本發(fā)明使用也是很好的使用二元胺與馬來酐縮合的方法
例如使用亞甲基雙苯胺(methylene dianiline)與馬來酐縮合的方法生產(chǎn)的比斯馬爾酰亞胺(bismaleimide);氟塑料
例如聚四氟乙烯和聚乙烯;全部芳族共聚多酯
如液晶聚合物(例如由Amoco Chemicals公司以商標XydarTM和由Hochest Celanese公司以商標VectraTM出售的產(chǎn)品)
聚酰亞胺-酰亞胺(polyamide-imide)(例如由Amoco Chemicals公司以商標TorlonTM出售的產(chǎn)品);熱塑性的加熱固性的兩種聚酰亞胺;砜的聚合物(Sulfone polymers)
包括聚砜類、聚芳基砜和聚醚砜;塑料聚酯(plastic polysters)
例如芳族聚酯，最好是用雙酚芳族均聚酯(bisphenol aromatic homopolyster)、聚丁烯對苯二酸鹽(polybutylene terephthalate)、聚乙烯對苯二酸鹽(polythylene terephthalate)和全部芳族共聚多酯從異對苯二酸鹽(iso-tere-phthalate)和對苯二酸鹽制得的多芳基化合物;硅氧烷樹脂;環(huán)氧樹脂;聚醚酮醚(polyether-etherketone)和聚亞苯基硫化物(polyphenylene sulfide)。大多數(shù)具有所述特性的熱塑性塑料和熱固性塑料適合于在本發(fā)明中用作充填物成份。本發(fā)明中所用熱塑性塑料和熱固性塑料包括很寬范圍的分子量，例如從大約2，000至大約1，500，000。在此范圍以外的值
單體和預聚體也是合用的。
如前所述 用于合成的被磨損材料的充填物應當是低硬度的和易碎的 以便生產(chǎn)具有所需特性的可磨損材料。除了聚合物以外 最好用作本發(fā)明的充填物組分的其它非金屬包括固體潤滑材料，例如氮化硼、氟化鈣、硫化鉬、氟化的(非石墨的)碳、氟化的石墨、非石墨的碳和石墨、以及它們的混合物。
一些硬度低的陶瓷材料也適合用作充填物例如碳酸鈣;粘土 如高嶺土和膨潤土;磷酸鈣;硅灰石;葉蠟石;珍珠巖;石膏;重晶石;水合氧化鋁;石英;硅藻土 包括鍛燒過的硅藻土;以及它們的混合物。一般地 大多數(shù)在火焰噴鍍過程中不過分變硬的非研磨礦物是可以接受的。另外，在本發(fā)明中利用某些硬度低的金屬作充填物組分也是合適的。
本發(fā)明最佳實施例的充填物是粉末 粉末的粒度最好在大約5微米至大約100微米，但是，在此范圍以外的直徑在有些應用中也是合適的。最好的充填物粉末的粒子直徑在大約5至70微米之間。按照噴鍍設備的要求 充填物粉末應當是可流動的，并且有很窄的粒度分布，使其不存在過細或過大的粒子。熟悉這種技術的人員熟知加工這些粉末的方法。
如前所述，用于本發(fā)明所述可磨損材料的金屬基質(zhì)的金屬最好作成為金屬絲 如附圖3所示，金屬絲的一個端部被設置在夾帶有填充物的燃燒氣體流的通路上。在利用燃燒氣體的熱熔化金屬端部時 可以只用一根金屬絲?；蛘呷鐖D3所示，也可以用兩根金屬 在兩根金屬絲的頭部之間可以起電弧或不起電弧。在起電弧時雙絲電弧產(chǎn)生的電加熱使金屬絲端部熔化 形成熔化金屬源 熔化金屬然后再由氣流霧化。在用兩根金屬絲的場合，金屬絲可以是相同的金屬或不同的金屬。因此，在采用這些裝置中的一種裝置時，金屬絲必須是可熔化的。
適合應用于本發(fā)明中形成本發(fā)明的可磨損材料的金屬基質(zhì)組分的金屬最好具有金屬絲的形狀。最佳的金屬包括鋁及其合金，例如鋁1100、1350及其它的1xxx系列;2xxx系列的鋁-銅合金;鋁-硅合金。例如4043、4047及其它的4xxx系列;鋁-鎂合金，例如5356及其它的5xxx系列;6xxx系列的鋁-鎂-硅合金;和鋁-鈦合金。銅及銅合金也是合適的，包括銅UNS C101000-C15735;銅-鋁合金
例UNS C60600-C64400(鋁青銅);銅-鎳合金
例如UNS C70100-C72500。鎳及鎳合金也是合適的
包括鎳UNS N02200、UNS N02201和UNS N0 2205;鎳-銅合金，包括UNS N04400、UNS N04404和UNS N04405;和鎳-鉻合金，例如UNS N06003。適合于用作本發(fā)明可磨損鍍的金屬基質(zhì)的其它金屬是鎳基和(或)鈷基超耐熱合金和高溫合金或耐腐蝕合金。最佳的是MCrAlX合金、其中M是Fe、Ni、Co及其混合物;X是稀土金屬，包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、yb、Lu、Hf及它們的混合物或者X是Zr、Si及它們的混合物;還適用的最佳金屬是金屬間化合物，包括鎳、鈦等的鋁化物。鋼，包括低碳鋼、合金鋼和不銹鋼也是合用的。純金屬也是可以接受的。這包括鎳、鈷、鐵、銅、鋁以及其它可以作成金屬絲的任何金屬。
金屬絲的尺寸不重要，但其直徑的范圍一般在大約0.03英寸至大約0.25英寸。超過此范圍的值也是可行的。當金屬絲的熔化的端部被霧化時，一根或多根金屬絲可恒定提供霧化的熔化金屬的速度進入氣流的方向。
由火焰噴鍍設備10提供的很多優(yōu)點中的一個優(yōu)點是能夠調(diào)整顆粒充填物被注入到火焰前沿的速度。不像許多設備那樣，火焰噴鍍設備10可以獨立調(diào)整粒子的注入速度
燃氣流速和氧化劑氣體流速。原料粒子用惰性載氣的獨立氣流被注入到火焰前沿。因為可以獨立地調(diào)整流速，所以可使載氣壓力保持在比燃料氣體壓力高的數(shù)值上(這增加了粒子速度)，這樣便顯著地減小了在會聚噴口18中的渦流。載氣壓力范圍在大約40至大約40至大約70磅/平方英寸(表壓)之間為好，更好的是從大約50至大約60磅/平方英寸(表壓)，最好的是要保持大于燃料氣體壓力。如前所述，雖然圖3所示的出口33和41的相對尺寸可以改變很大，但原料供應管22的內(nèi)徑一般顯著小于環(huán)形燃料通道32或環(huán)形氧化劑通道40的橫截部分。原料供應孔20與筒體14的噴射通道56的橫截面積之比一般約為1比25，從而減小充填物粒子噴鍍期間接觸和附著到筒體14的內(nèi)表面上的可能性。使載氣壓力保持在50磅/平方英寸(表壓)以上時，在燃料氣體在大約45至50磅/平方英寸(表壓)和氧化劑氣體壓力在大約70至90磅/平方英寸(表壓)的場合，可以防止在較低載氣壓力下發(fā)生的稱作為飛濺的現(xiàn)象。飛濺現(xiàn)象是由于粒子的徑向運動造成的，粒子可能附著到錐形壁16上，這種現(xiàn)象被認為是在較低的載氣壓力下由于增大了渦流而產(chǎn)生的。因此，將載氣壓力保持在較高值減小了渦流。
當充填物粒子進入會聚噴口18時
由于放熱反應，粒子的熱和動能便顯著增加。高能充填物粒子穿過會聚噴口18形成準直的高能粒子流
該粒子流基本上沿直線推進穿過筒體14的通道56。如前所述
這也減少了噴鍍粒子的渦流徑向運動。由于使非渦流的氣體流進入會聚噴口18并在限于會聚噴口18中維持連續(xù)的高速擴散反應，所以燃燒氣體和充填物粒子流達到了基本上沒有渦流的軸向流，這就形成了高速準直的粒子流。另外，當粒子流穿過筒體14時，由于用熱交換套58除去了筒體壁46的熱，所以減小了氣流的擴散
這又進一步減小了高能粒子向筒體14側(cè)壁的任何徑向運動。
當準直的粒子流穿出筒體14時，它便穿過電弧區(qū)域82。在穿過期間
在最佳實施例中使金屬絲78和80電激發(fā)，從而在金屬絲的端部之間產(chǎn)生持續(xù)的電弧。用適當?shù)碾娫刺峁┳阋栽诮饘俳z端部78和80之間維持電弧的電壓。在大約15至大約30伏的電壓一般便足夠了。當在金屬絲的端部形成熔化金屬時，粒子流便霧化熔化的金屬。為了維持電弧和如前所述的為了保持熔化金屬連續(xù)地送入噴射氣流中，金屬絲78和80以預定的速度被送進。當熔化的金屬被霧化時，便形成包括充填物和霧化的熔化金屬二者的復合的或混合的粒子流115。雖然由于金屬絲78和80的存在產(chǎn)生了一些渦流但混合的粒子流仍然保持很好的準直?；旌系臍饬魅缓髧娤虬?16在靶上它形成本發(fā)明的可磨損材料118。
在一般最好的商售可磨損封接件上的最后鍍層的金屬基質(zhì)最好占可磨損鍍層體積的大約40%至大約95%，而充填物組分則占可磨損材料體積的大約5%至大約60%。在特殊的應用中，本發(fā)明被用來在部件的表面上形成可磨損的鍍層。在大多數(shù)最佳實施例中本發(fā)明包括對運動部件形成可磨損的封接，例如對汽輪發(fā)動機的可磨損封接在這一方面，本發(fā)明的方法被利用來在汽輪發(fā)動機的罩蓋的內(nèi)表面上形成可磨損的鍍層。一當鍍層固化 便使渦輪發(fā)動機葉片轉(zhuǎn)動 在可磨損鍍層中刻出凹槽 從而形成準確配合的可磨損封接。
為了更詳細地敘述本發(fā)明，提供了下面的例子，該例子不意味著以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
采用大體上示于附圖1至3的噴槍，可磨損材料按如下方式被形成直徑為1/16英寸的兩根鋁1100的金屬絲以34.5克/分的速度被輸送到噴射氣流中。充填物組分是熱塑性的聚酰亞胺，它以上述的方式以大約15克/分的速度從軸向被輸送到燃燒氣體流中。熱塑性粉末的尺寸約為每平方吋140～325孔眼。氧化劑氣體是基本上純凈的氧 流速為225升/分。用丙烯作燃氣 流速為46升/分。試驗了兩種粉末載體，氮氣和二氧化碳，其速度分別為85升/分和67升/分。靶和噴槍之間的距離，從電弧區(qū)域開始算約為11.5英寸。燃燒氣體速度約為聲速。在圖4的顯微照相中，示出了合成的可磨損材草在橫截面的狀況。
盡管本文示出和敘述了本發(fā)明的特殊的實施例，但是應當理所當然地清楚，本發(fā)明并不局限于此，因為根據(jù)本公開的內(nèi)容 人們，特別是熟悉這種技術的人員可以進行許多改型。因此可以預料 所附權利要求書包括像屬于本發(fā)明的真正精神和范圍這樣一類的任何改型。
權利要求
1.一種制造可磨損材料的方法，該方法包括如下步驟將填充物輸送到高溫燃燒氣流中，使上述充填物夾帶在上述燃燒氣體中；用上述夾帶有上述充填物的高溫燃燒氣流霧化已熔化的金屬，使上述霧化的熔化金屬隨同上述粉末充填物一道夾帶在上述氣流中，將上述夾帶有上述充填物和夾帶有上述霧化的熔化金屬的高溫燃燒氣體流引向一個靶；上述在高溫燃燒氣體流中夾帶的上述充填物和上述霧化的金屬在上述靶上形成一層沉積層，上述沉積層包括具有金屬基質(zhì)并在基質(zhì)中嵌入上述充填物的可磨損材料。
2.按權利要求1中所述的方法，其中，上述燃燒氣體流在燃燒噴槍中形成，速度在超音速。
3.按權利要求1中所述的方法，其中，上述粉末充填物成顆粒狀
4.按權利要求1中所述的方法，其中，將至少一根金屬絲的端部放置到夾帶有上述充填物的上述高溫燃燒氣體流中，使上述金屬絲的端部被上述燃燒氣體熔化，從而供給上述已熔化的金屬。
5.按權利要求1中所述的方法，其中，設置兩根金屬絲和將電流加到上述金屬絲上的機構。并在上述金屬絲之間形成電弧，上述電弧足以熔化上述金屬絲的上述端部，從而供給上述已熔化的金屬。
6.按權利要求1中所述的方法，其中，上述粉末充填物是從一群包括熱固性聚合物、熱塑性聚合物以及它們的混合物的物質(zhì)中選出的粉末合成聚合物。
7.按權利要求1中所述的方法，其中，上述粉末充填物是一種固體潤滑材料粉末。該固體潤滑材料是從一群包括氮化硼、氟化鈣、硫化鉬、氟化的非石墨碳、氟化的石墨、非石墨碳、石墨以及它們的混合物的物質(zhì)中選出的。
8.按權利要求1中所述的方法，其中，上述充填物是從一群物質(zhì)中選出的粉末陶瓷 這群物質(zhì)包括碳酸鈣、高嶺土、膨潤土、磷酸鈣、硅灰石、葉蠟石、珍珠巖、石膏、重晶石、水合氧化鋁、石英、硅藻土、鍛燒過的硅藻土以及它們的混合物。
9.按權利要求1中所述的方法，其中，上述充填物可作成棒。
10.按權利要求1中所述的方法，其中，上述已熔化的金屬是從一群金屬中選出的。這群金屬包括鋁、鋁-硅合金、鋁-鎂-硅合金和鋁-鈦合金、銅、銅-鋁合金、銅-鎳合金、鎳、鎳-銅合金、鎳-鉻合金、鈷基超耐熱合金、以及它們的混合物。
11.按權利要求1中所述的方法，其中，上述已熔化金屬是MCrAlX合金。其中X是從一群包括稀土金屬、釔、鉿、鋯和硅的物質(zhì)中選出的，而M是鐵、鎳、鈷以及它們的混合物。
12.按權利要求1中所述的方法，其中，上述已熔化的金屬是從一群鋁化鎳和鋁化鈦的物質(zhì)中選出的。
13.按權利要求1中所述的方法，其中 上述已熔化的金屬是從一群包括低碳鋼、合金鋼和不銹鋼中選出的。
14.按權利要求1中所述的方法 其中，上述已熔化的金屬是從一群純金屬中選出的，這群純金屬包括鎳、鈷、鐵、銅、鋁以及它們的混合物。
15.一種形成可磨損鍍層的方法，該方法包括如下步驟將顆粒充填物原料基本上沿軸向注入流過噴槍的高溫燃燒氣流流中，使上述顆米充填物原料夾帶在上述高溫燃燒氣體流中;將至少一根金屬絲的已熔化的一個端部置于上述高溫燃燒氣體流的通路中、使上述一根金屬絲的已熔化的一個端部霧化，從而使得上述已熔化金屬隨同上述顆粒充填物原料一同夾帶在上述氣流中;使上述夾帶有上述顆粒充填物原料和上述霧化的已熔化金屬的氣流對著一個待噴鍍的表面，用上述氣流中的上述顆粒充填物原料和上述已熔化的金屬噴鍍上述表面
從而在上述表面上形成可磨損的鍍層，上述可磨損的鍍層包括基本上連續(xù)的金屬基質(zhì)，在上述金屬基質(zhì)的間隙中充填有上述顆粒充填物原料。
16.一種形成可磨損的用作可磨損封接的金屬基質(zhì)復合材料鍍層的方法。該方法包括如下步驟采用基本上沿軸向引入粉末充填物原料的方法，將上述粉末充填物原料注入到噴槍中的急速膨脹的高溫高速燃燒氣體流中;將攜帶有上述粉末充填物原料的上述高溫燃燒氣體流引向至少一根金屬絲的端部
霧化已熔化的金屬，使得形成其中夾帶有上述粉末充填物原料和上述已熔化金屬的復合的高溫高速燃燒氣體流;使上述復合氣流對著一個表面
使得上述充填物和上述已熔化金屬以高速度沖擊在上述表面上，從而使上述充填物和上述已熔化金屬沉積在上述表面上，因而在上述表面上形成用作可磨損封接的可磨損的復合材料鍍層。
17.一種制造材料的方法，該方法包括如下步驟將充填物注入到高溫燃燒氣體流中，從而使上述充填物夾帶在上述燃燒氣體中;用夾帶有上述充填物的上述高溫燃燒氣體流霧化已熔化的金屬 使上述霧化的已熔化的金屬隨同上述粉末充填物一道夾帶在上述氣流中;將夾帶有上述充填物和上述霧化的已熔化的金屬的上述高溫燃燒氣體流引向一個靶;夾帶在上述高溫燃燒氣體流中的上述充填物和上述霧化的金屬在上述靶上形成一層沉積層，上述沉積層包括具有金屬基質(zhì)并且在金屬基質(zhì)中嵌有上述充填物的材料。
18.一種按照權利要求17所述方法生產(chǎn)的材料。
19.一種制造如權利要求17所述材料的方法，其中，上述充填物是塑料的，上述金屬是從包括鋼、鋼合金的一群金屬中選出的。
全文摘要
一種制造可磨損復合材料的方法及按此法制得的材料。充填物沿軸向注入高溫燃燒氣體流中，使其夾帶在該氣流中。然后用含充填物的氣流霧化連續(xù)送入氣流的金屬絲的已熔化的端部。將包含充填物和霧化的已熔化金屬二者的最后氣流引向一個靶的表面。充填物和已熔化的金屬沖擊靶，并同其結合形成基本上連續(xù)的金屬基質(zhì)，而在基質(zhì)的間隙中充填著充填物。復合材料在與運動部件磨擦接觸時容易磨損。
文檔編號C09K3/00GK1042951SQ8910717
公開日1990年6月13日 申請日期1989年9月19日 優(yōu)先權日1988年9月20日
發(fā)明者薩布蘭馬尼亞·朗杰斯維密, 羅伯特·阿爾文·米勒, 丹尼爾·R·馬蘭茲 申請人:薩爾澤血漿技術有限公司