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CN1758972A - 金属热障合金的制备 - Google Patents

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Abstract

其中包括相对大比例分数的P族元素添加剂的低电导率和热导率的金属合金。P族元素可以选自磷，碳，硼和硅。所得合金没有明显提高的脆性，可以用作涂层来提供金属热障涂层。

Description

金属热障合金的制备
本申请要求于2003年2月11日提交的美国临时申请N0.60/446610的权利优先权。
发明领域
本发明涉及金属合金，更具体的，涉及独特的具有低电导率和热导率的金属合金。这些合金当以涂层的形式应用时，具有能够为所选衬底提供热障特性的能力。
发明背景
金属和金属合金具有由被电子云包围在其中的金属离子核构成的金属键。这些自由电子来自未满外部能带，使得金属具有高的电导率和热导率，这使得这类材料是导体。由于金属键的本质，金属和金属合金呈现出比如导电和导热的特性。典型的金属材料呈现出的电阻率值通常在大约1.5-145×10-8Ωm之间，铁的电阻率大约为8.6×10-8Ωm。金属材料的热导率值一般在大约0.2-4.3watts/cm℃之间，铁的热导率大约为0.8watts/cm℃。
相反，陶瓷是一类典型的包含正离子和负离子的材料，这些离子来自于电子从阳离子原子向阴离子原子上的转移。在陶瓷中，所有的电子密度都强烈结合，导致外部的能带被填充。陶瓷合金由于其离子键的本质，呈现出不同的比如导电和导热特性。由于缺乏自由电子，陶瓷通常具有差的电导率和热导率，被认为是绝缘体。因此，陶瓷适合用在比如热障涂层的应用中，而金属则不能。
设计一种呈现出类陶瓷的电导率和热导率的金属合金是独特的。在材料科学中，用到这种设计的唯一领域是设计用于变压器芯应用中的软磁材料。在这类应用中，为了专门降低电导率，以使涡流损耗最小，在铁中加入了额外的硅。然而，用于变压器芯中的铁硅合金一般含有的硅的最大值为2.5原子％(原子百分比)，因为再多加任何的硅都会使合金变脆。另外，这种降低铁变压器铁芯的电导率的尝试，并不能降低热导率。
发明内容
金属合金，其中包括合金金属和大于大约4原子％的至少一种P族合金化元素。在方法形式上，一种降低金属合金组合物的热导率和/或电导率的方法，包括：提供具有自由电子密度的基底金属，提供P族合金化元素，将所述的P族合金化元素与所述的基底金属结合，并降低该基底金属的自由电子密度。
本发明优选实施方案描述
提供一种呈现出相对较低的热导率和低的电导率的金属合金。该合金可以包括主要合金化金属，比如铁，镍，钴，铝，铜，锌，钛，锆，铌，钼，钽，钒，铪，钨，锰和它们的组合，以及合金组合物中提高的比例分数的P族元素添加剂。P族元素是元素周期表中IIIA，IVA，VA，VIA和VIIA族中的非金属和半金属组元，包括但不限于磷，碳，硼，硅，硫和氮。该金属合金呈现出相对较低的热导率和电导率，可以用来在各种衬底上提供适合用于热障和/或电阻应用中的涂层。
依据本发明，提供呈现相对较低的热导率和电导率的金属合金。依据本发明的合金中可以包括相对高比例分数的与金属相混和的P族元素合金化添加剂。加入的P族元素可以包括，但不限于，碳，氮，磷，硅，硫和硼。P族元素可在根据在熔融态将P族元素加入到金属中的方法来与金属合金化。
优选的，依据本发明的合金可以包括P族合金化组元。这些组元的优选水平至少为合金的4原子％(原子百分比)。所希望的，依据本发明的合金可包括多于一种的选自P族元素中的合金化组分，使得所有P族元素的总含量在大约4原子％-50原子％之间。
依据本发明的合金可在合金组成中包括相对高比例分数的硅。例如，依据本发明，可以制备一种可在比如任何给定的基底上用来提供涂层的铁/硅涂层合金。例如，发现可在该合金中包括5.0原子％或者更高的硅，当其用在涂层应用中时，没有任何可测量到的韧性损失。
如上所述，依据本发明的金属合金可通过热喷涂的方法施用作为涂层。所得到的涂层可以用来提供热障和/电阻涂层。该涂层提供的热障和/或电阻性能与陶瓷材料的相似，但却没有与传统陶瓷涂层相关的脆性。
除了作为涂层的用途外，本发明的合金还可用任何已知的处理液态熔体的方法进行处理，包括传统的铸造方法(永久型铸造，压力铸造，射压铸造，砂型铸造，连续铸造等)或者更快冷却速度即快速凝固的方法，包括熔体旋淬，雾化(离心雾化，气雾化，水雾化，爆炸雾化)或者薄膜状急冷。一种尤其优选的方法是利用雾化制造用于各种热喷涂涂层应用器件中的具有目标尺寸范围的粉末。
尽管不把本发明限制在任何具体的理论上，在申请时认为，通过使金属与包括但不限于碳，氮，磷和硅的P族元素的合金化，在P族合金化元素的电子和基底金属的自由电子之间形成了共价键，正如提到的那样，基底金属可包括铁。在共价键中的基底金属的自由电子与P族合金化元素之间的相互作用显然起到了减小基底金属自由电子密度的作用，且基底金属的外部电子能带被逐渐填充。由此，加入显著数量的P族元素，可以继续减小基底金属的自由电子密度，其外部电子能带可被逐渐填充。因为相对较高的热导率和电导率来自金属外部未填充能带中的自由电子，由于自由电子密度减少了，电导率和热导率也就降低了。所以，本发明提供的金属合金在电导率和热导率方面表现出与陶瓷相似的行为。
实施例
制得一种依据本发明的示例合金，其包括总量为25.0原子％的P族合金元素的多种合金化元素与比如铁的组合。该试验合金通过依据如下配比组合多种P族元素而制得：16.0原子％的硼，4.0原子％的碳，和5.0原子％的硅，以及54.5原子％的铁，15.0原子％的铬，2.0原子％的锰，2.0原子％的钼和1.5原子％的钨。
该实验合金通过按所公开的比例将合金元素混和，然后在陶瓷坩埚中用射频感应将合金组分熔融而制得。然后再用下面的方法将该合金加工成粉末形式，先将熔融合金抽吸成起始流，然后在密排式气雾化喷嘴中向熔体流供应高压氩气。所得到的粉末具有高斯尺寸分布，平均颗粒尺寸为30微米。将雾化了的粉末进一步进行空气分级，得到优选粉末尺寸在10-45微米或者22-53微米范围内的粉末。然后将这些优选尺寸的原料粉末用高速氧燃料热喷涂系统喷涂到所选的金属基底上，以在这些所选基底上得到涂层。
在很多试验中都观察到了本示例合金的降低的热行为。具体的，在水冷铜炉床上将本示例合金的5g的小坯锭电弧熔融。观察到该金属坯锭相对于其它不含这里提到的P族组分的合金需要更长的时间才能冷却回室温。更具体的，增加的冷却时间大约为20倍的量级。
另外，传统的金属和合金当被加热到高温时，几秒钟就能冷却到其红热辐射水平以下，而发现这里的示例合金在加热到其红热辐射水平以上的温度时，在移去了加热源之后，红热辐射仍可保持几分钟。
相似的，在传统的水冷铜电弧熔化器上，传统的金属和金属合金一般可快速从熔融状态冷却，几分钟后即可安全处理。如上所述制备的试验合金在水冷铜电弧熔化器上熔融后，需要超过30分钟才能从熔融状态冷却到可以安全处理的温度。
最后，当将该试验合金粉末进行热喷涂时，由于其相对较低的热导率以及不能吸收热量的能力，采用传统的操作参数不能充分传热。当采用高速氧燃料热喷涂系统时，传统的合金可用等于0.8的当量比(煤油燃料/氧燃料流量比)喷涂。而对于该改良的试验合金，由于热导率低，为了得到足够的对粉末的加热，必须要更高的在0.9-1.2范围内的当量比。另外，当用LENS(激光加工净成型)方法沉积时，其中用高功率的激光将供至沉积头激光聚焦点上的金属粉末熔融，由于其要长的时间才能变红热，很薄的沉积物(225微米厚的焊接)需要另外花费很多时间，然后才能沉积另一层。
在本发明的广的范围内，要提到如下合金组合物，数值代表原子％：SHS717粉末，合金组成为Fe(52.3)，Cr(19.0)，Mo(2.5)，W(1.7)，B(16.0)，C(4.0)，Si(2.5)和Mn(2.0)；SHS717丝，合金组成为Fe(55.9)，Cr(22.0)，Mo(0.6)，W(0.4)，B(15.6)，C(3.5)，Si(1.2)和Mn(0.9)。
用激光闪烧法测量SHS717涂层的热导率数据，结果在表1中给出。可以看到，丝-电弧的热导通常比HVOF的要低，由于丝-电弧涂层中有更高的气孔率。可以看到，这些涂层的热导率比热导率最低的金属钛的都低，在室温下，甚至比氧化铝陶瓷的还低(见表2)。
表1SHS717涂层的热导率数据
  涂层类型   温度(℃)   热导率(W/m-K)
  HVOF   25   5.07
  HVOF   200   6.93
  HVOF   400   10.0
  HVOF   600   14.2
  丝-电弧   25   4.14
  丝-电弧   200   4.78
  丝-电弧   400   5.48
  丝-电弧   600   6.94
表2对比热导率数据
  合金   25℃(298K)W/m-K   400℃(673K)W/m-K   600℃(873K)W/m-K
  Al   239   227.5   213.5
  Au   311   270.5   258*
  Cu   383   367*   352*
  Fe   79.1   49.11   39.8
  Ni   74.9   63.0   72*
  Ti   22.0*   14.0   13.3
  .31wt％的碳钢   69.5*   26.5   20.0
  .65wt％的碳钢   64.7*   23.8   18.7
  .88wt％的碳钢   59.0*   22.6   18.5
  英国钢#7   49.6*   38.1   29.9
  白口铸铁   12.8*   21.8   19.8
  灰口铸铁   29.5*   34.1   23.8
  717HV   5.07   10.00   14.20
  717WA   4.14   5.48   6.94
  302不锈钢   12.3   18.6   22.1
  303不锈钢   14.4*   19.7   23.0
  310不锈钢   13.3*   20.1   25.1
  430不锈钢   22.0*   23.3   24.0
  446不锈钢   17.6*   19.8   21.0
  氧化铝陶瓷   24.5*   8.2   6.69
*近似值

Claims (10)

1.金属合金，其包括合金金属和大于大约4原子％的至少一种P族合金化元素。
2.依据权利要求1中的金属合金，其中存在的P族合金化元素的水平在4原子％到50原子％。
3.依据权利要求1中的金属合金，其中所述的P族合金化元素选自碳，氮，磷，硅，硼和它们的混和物。
4.依据权利要求1中的金属合金，其中所述的至少一种P族合金化元素包括16.0原子％的B，4.0原子％的C和5.0原子％的Si。
5.依据权利要求1中的金属合金，其中该合金金属选自铁，铬，钼，钨，锰，钴，镍，铜以及它们的混和物。
6.降低金属合金组合物热导率和/或电导率的方法，包括：
a)提供金属合金组合物；以及
b)提供P族合金化元素；
c)将所述金属合金组合物与所述的P族合金化元素混和，其中所述的P族合金化元素存在的水平可以降低所述金属合金组合物的热导率和/或电导率。
7.降低金属合金组合物热导率和/或电导率的方法，包括：
a)提供具有自由电子密度的基底金属；
b)提供P族合金化元素；
c)将所述的P族合金化元素与所述的基底金属结合，并降低基底金属的自由电子密度。
8.依据权利要求7中的方法，其中基底金属的自由电子密度从其基底金属值降低了，并且，其中所述的自由电子密度在与所述的P族合金化元素结合后通常代表了完全填充的外层。
9.依据权利要求7中的方法，其中所述的P族合金化元素选自碳，氮，磷，硅，硼和它们的混和物。
10.依据权利要求7中的方法，其中的基底金属选自铁，镍，钴，铝，铜，锌，钛，锆，铌，钼，钽，钒，铪，钨，锰以及它们的组合。
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