含金屬涂層以及其使用和制備方法
【專利說明】含金屬涂層以及其使用和制備方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
該申請(qǐng)請(qǐng)求2012年8月3日提交的序列號(hào)為61/679，399的U.S.臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，通過引用其全部來將所述臨時(shí)申請(qǐng)并入于此。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)用具通常具有布置(dispose)在它們上方的涂層以提供對(duì)腐蝕和其他環(huán)境損害的保護(hù)。通常地，涂層含有金屬合金，通過在合金化過程中在升高的溫度下混合個(gè)體合金元素來制造所述金屬合金。然而，這種制造過程通常在合金化過程中產(chǎn)生大量的作為副產(chǎn)物的煙氣(或“放氣”)。該煙氣不僅可危害健康，還使制造過程更加難以控制。
[0003]在合金化過程中生成的氣體可導(dǎo)致具有高水平孔隙率的涂層產(chǎn)品，其不合需要地阻止了致密涂層的形成。并且，在合金化過程中涉及的高溫可導(dǎo)致在涂層產(chǎn)品中的熱應(yīng)力，其最后可在最終涂層產(chǎn)品中帶來裂紋。
[0004]通過之前存在的方法來制造的涂層還面臨缺乏通用性的挑戰(zhàn)。具體地，可能需要為待將涂層布置于其上方的特定基體定制涂層。不是為基體特別定制的涂層通常導(dǎo)致涂層從基體脫層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于前述內(nèi)容，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)可并贊成通用含金屬涂層的優(yōu)點(diǎn)以及制備和使用該涂層的方法。在此描述的涂層相對(duì)于可將涂層布置于其上方的任何基體可以是通用的。并且，在此描述的方法可制備前述的涂層，而不用面對(duì)之前存在的涂層制備技術(shù)中的挑戰(zhàn)。
[0006]因此，在一種實(shí)施方式中提供了制備涂層組合物的方法，所述方法包括:使第一材料同第二空心材料的內(nèi)表面接觸以形成預(yù)制體(preform)，所述第一材料包含至少一種第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一種含鐵第二合金；并加熱至少部分的預(yù)制體以促進(jìn)第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂層組合物。
[0007]另一種實(shí)施方式提供了制備涂層組合物的方法，所述方法包括:形成管狀的預(yù)制體，所述預(yù)制體具有第一直徑且包含芯和在芯外部的鞘，其中所述芯包含第一材料，所述第一材料包含至少一種第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，且所述鞘包含至少一種第二含鐵合金；拉伸至少部分的預(yù)制體使得預(yù)制體的經(jīng)拉伸的部分具有第二直徑，其中所述第二直徑小于第一直徑；將預(yù)制體的至少經(jīng)拉伸的部分布置在基體上方；且加熱經(jīng)布置的預(yù)制體的經(jīng)拉伸部分以促進(jìn)第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以在基體上方形成涂層組合物。
[0008]另一種實(shí)施方式提供了涂層組合物，其中所述涂層組合物通過包括如下步驟的方法來形成:使第一材料同第二空心材料的內(nèi)表面接觸以形成預(yù)制體，所述第一材料包含至少一種第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一種含鐵第二合金；并加熱至少部分的預(yù)制體以促進(jìn)第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂層組合物。
[0009]應(yīng)意識(shí)到的是前述的概念和在下面更為詳盡討論的另外的概念(假設(shè)這些概念不是相互矛盾的)的全部組合被認(rèn)為是在此公開的發(fā)明主題的部分。特別地，在該公開的結(jié)尾出現(xiàn)的請(qǐng)求保護(hù)的主題的全部組合被認(rèn)為是在此公開的發(fā)明主題的部分。還應(yīng)意識(shí)到的是應(yīng)當(dāng)使在此明確采用的術(shù)語(yǔ)(其還可出現(xiàn)在通過引用并入的任何公開中)應(yīng)當(dāng)同在此公開的特定概念最為一致的意思相符合。
【附圖說明】
[0010]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解附圖主要為了說明性的目的，而不旨在限制在此描述的發(fā)明主題的范圍。附圖不必是按比例繪制的；在一些實(shí)例中，可在附圖中夸張或擴(kuò)大顯示在此公開的發(fā)明主題的各種方面，以促進(jìn)對(duì)不同特征的理解。在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記通常指代同樣的特征(例如，功能相似和/或結(jié)構(gòu)相似的元素)。
[0011]圖1提供了在一種示例性實(shí)施方式中的預(yù)制體的示意圖。
[0012]圖2提供了顯示在一種示例性實(shí)施方式中制備預(yù)制體的過程的示意流程圖。
[0013]圖3提供了顯示在一種示例性實(shí)施方式中制備預(yù)制體的過程的示意流程圖。
[0014]圖4 (a)-4 (b)分別提供了在一種示例性實(shí)施方式中的通過之前存在的方法制備和通過在此描述的方法制備的涂層樣品的顯微圖。
[0015]發(fā)明詳述
以下是對(duì)發(fā)明的含金屬涂層以及制備和使用涂層的方法涉及的各種概念的更加詳細(xì)的說明，以及發(fā)明的含金屬涂層以及制備和使用涂層的方法的實(shí)施方式。應(yīng)意識(shí)到的是上面引入的以及下面更為詳細(xì)討論的各種概念可以若干種途徑中的任意途徑來執(zhí)行，因?yàn)樗_的概念不受限于任何特定的執(zhí)行方式。提供的具體執(zhí)行和應(yīng)用的實(shí)施例主要是為了說明性的目的。
[0016]在一些實(shí)施方式中在此公開的方法涉及制備涂層組合物，可將所述涂層組合物(或簡(jiǎn)述為“涂層”)布置在任意的基體上方(over)(或在一些實(shí)例中直接在上面(on))。所述基體可為任何結(jié)構(gòu)部件的部分。所述結(jié)構(gòu)部件可為用具或者裝置或建筑結(jié)構(gòu)的部分。所述用具可為工業(yè)用具，例如在油或氣體工業(yè)中，電力工業(yè)，航空工業(yè)，產(chǎn)能工業(yè)等之中的用具。例如，所述結(jié)構(gòu)部件可為鉆頭，鉆桿，用具接頭等。在一些實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)部件可為用具或裝置的任意部分，其中所述部分經(jīng)受侵蝕，磨損，和/或腐蝕，且可受益于具有涂層以有助于延長(zhǎng)其使用壽命。
[0017]在一種實(shí)施方式中，所述方法包括使第一材料同第二空心材料的內(nèi)表面接觸以形成預(yù)制體，所述第一材料包含至少一種第一合金，所述第一合金包含至少第一元素和第二元素，所述第二空心材料包含至少一種含鐵第二合金；并加熱至少部分的預(yù)制體以促進(jìn)第一材料和第二材料中的至少一些相互混合以形成涂層組合物。術(shù)語(yǔ)“第一”，“第二”等僅用于表示不同的實(shí)體并且不旨在限制實(shí)體的順序和性質(zhì)。
[0018]合金可指兩種或更多種金屬元素(例如，至少2種，3種，4種，5種或更多種元素)的固溶體或金屬間化合物(包含至少一種金屬元素和至少一種非金屬元素)。術(shù)語(yǔ)“元素”在此可指可在元素周期表中找到的元素。金屬可指任何的堿金屬，堿土金屬，過渡金屬，后過渡金屬，鑭系元素，錒系元素，和類金屬。
[0019]第一合金可具有任何合適的化學(xué)組成，取決于應(yīng)用。在一些實(shí)例中，在此描述的方法中的第一合金可被稱為“預(yù)合金”或“中間合金(master alloy)”，因?yàn)樵谑蛊渫诙牧辖佑|之前第一合金的元素已經(jīng)被預(yù)合金化?？墒褂弥圃祛A(yù)合金的任何的合金化技術(shù)一例如球磨，研磨等。所述第一合金可含有兩種，三種，或更多種元素。所述元素可為在元素周期表中找到的任何非氣體和非液體元素。例如，元素可為金屬或類金屬元素。在一些實(shí)例中，還可能為非金屬元素，例如C，P，S等。
[0020]第一合金可為含鐵合金(或“鐵合金”)，然而還可使用其他類型的合金。含鐵合金可包括 Fe，Al，B，Ce，Cr, Mg，Mn，Mo，Nb，Ni，P，Si，Ti，U，V，W，或其組合。在其中第一合金具有至少兩種元素的一種實(shí)施方式中，第一元素和第二元素中的至少一種是Fe，Cr，Mo，Mn，B，C，P，S，Mn，Si，Zr，和Ti之一。在一種實(shí)施方式中，第一合金包括基于Mn-S1-Fe，F(xiàn)e-B,Fe-Mo, Fe-V, Fe-Nb, Fe-Ti, Fe-Al, Fe-P, Fe_Si，或其組合的合金。也可能是其他類型的鐵合金。注意到在前描述的合金中的符號(hào)旨在表示在合金中存在的元素，且不是它們?cè)诤辖鹬械母髯缘暮?。在一種實(shí)施方式中，“XY-基”合金在此可指包含顯著部分的元素X和Y的合金；顯著部分可指至少5% -例如至少10%，15%，20%，25%或更多。百分?jǐn)?shù)在此可指體積百分?jǐn)?shù)或重量百分?jǐn)?shù)，取決于上下文。
[0021]第一材料可包含第一合金，基本上由第一合金組成，或由第一合金組成，取決于應(yīng)用。第一材料可含有多于一種的合金。例如，第一材料可含有至少兩種，三種，四種，五種，或更多種合金。在一種實(shí)施方式中，第一材料可基本上由或由這些合金組成。第一材料可含有不為合金形式的另外的元素。例如。第一材料可含有為它們的元素形式的另外的金屬和/或非金屬元素。
[0022]當(dāng)?shù)谝徊牧虾偷诙牧弦黄鸩粸轭A(yù)制體和/或最終涂層組合物提供所需的某些元素時(shí)，可使用另外的金屬元素。換句話說，另外的元素可充當(dāng)用于預(yù)制體和/或最終涂層的另外的(相對(duì)于第一和第二材料)元素源。因此，另外的元素可為所需的任何元素且不以任何方式受限。在一種實(shí)施方式中，另外的元素可為C，Cr，Mn，或其組合。在其中存在另外的元素的一種實(shí)施方式中，所述另外的元素不為Mn。在其中第一合金(或第一材料的其他另外的合金)和第二材料提供在預(yù)制體中和/或涂層組合物中需要的全部元素的實(shí)例中，不需要另外的元素。
[0023]第一材料可具有任意的幾何形狀。在一種實(shí)施方式中，第一材料包括混合物，所述混合物包含第一合金和/或其他另外的元素中的至少一種。所述混合物可為粉末或任意其他幾何形狀。第一材料可含有多于一種的合金，例如至少兩種，三種，四種，或更多種合金。在一種實(shí)施方式中，至少部分的第一材料為粉末的形式。在一種實(shí)施方式中，所述至少第一合金和/或另外的元素可為任意合適尺寸的粉末。在一些實(shí)施方式中，第一材料的粉末的篩目大小為約28-約2400，例如，約30-約2000，約50-約1500，約100-約1000，約200-約800，約300-約600，約400-約500等。在一種實(shí)施方式中，篩目大小為約60/325-約60/200ο \\第一合金的粉末尺寸可等于、大于或小于另外的元素的粉末尺寸，取決于應(yīng)用。
[0024]第一材料可含有Mn作為元素。Mn元素可為第一合金的一種元素，而不是另外的元素，然而其也可為另外的元素。在一種實(shí)施方式中，以合金形式而不是另外的元素形式具有Mn (例如作為至少一種第一合金的部分)是與之前存在的將所有的個(gè)體元素包括Mn混合在一起的涂層制造方法截然不同的。在一種實(shí)施方式中，所述至少一種第一合金可包括Fe-Mn, Fe-Mn_Si，或兩者。不受任何特定理論束縛，但以其元素形式