專利名稱：焊接物的受控熱膨脹以提高韌性的制作方法
技術領域：
本發明針對一種提高焊接物類覆層性質和性能的增韌機制。通過控制焊接物覆層在冷卻過程中的熱收縮來提高焊接物類覆層的韌性。本發明的提高了韌性的焊接物類覆層可以用在許多應用中，包括表面堆焊，磨損/覆層板，以及金屬部件的重構和修復。
背景技術：
通常，在傳統材料中，硬度和韌性之間存在相反的關系。一般的，材料硬度的提高會相應的伴有(盡管不一定是成比例的)材料韌性的下降。這種相反關系的原因是由于位錯的移動機制對傳統材料的硬度和韌性都有顯著影響。當在材料中引入缺陷時，缺陷會釘扎位錯，從而防止材料屈服。這種機制使得材料更硬更強。相反，從材料中去除缺陷會使位錯在其滑移面和滑移方向上自由移動，產生更大程度的延展性。在一般立場上，抵抗開裂的能力(即韌性)由材料的延展性決定，因為在裂紋尖端前方的應力集中會產生一個塑性區，使裂紋尖端鈍化，應力集中系數減小，從而防止裂紋的生長。
盡管熱噴涂涂層工業是成熟的工業，高性能涂層已經被應用了很長時間，極大的提高了部件的壽命，然而，在許多軍事和工業應用中，熱噴涂涂層方法仍然不能有效解決磨損問題。存在問題的應用經常包括對涂層部件施加重載荷，高應力點載荷，重沖擊以及擦傷磨損。另外，在部件的重構和修復中，盡管可以在有限的情形中采用熱噴涂，焊接(weld on)技術通常是必需的。
因此，本發明的一個目的就是在金屬涂層中提供硬度和韌性的最有效平衡，這樣，在給定的應用中，這兩個參數都可以得到獨特的優化，從而提高部件在磨損和沖擊類型的情況中的壽命。
發明簡述在第一個實施方案中，本發明針對一種制備金屬覆層的方法，包括，提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底，提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X，將所述金屬合金熔融，并將其施用到所述金屬襯底上，以形成合金/襯底界面，在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合，并使所述合金收縮，而所述合金在所述合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述金屬合金中產生殘余壓應力。
在第二個實施方案中，本發明針對一種制備金屬覆層的方法，包括，提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底，提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X，其中所述的金屬合金具有屈服強度“Z”，將所述金屬合金熔融，并將其施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面，在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合，并使所述合金收縮，而所述合金在所述的合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述的金屬合金中產生殘余壓應力，其中所述的壓應力不超過屈服強度“Z”。
在第三個實施方案中，本發明針對一種制備金屬覆層的方法，包括，提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底，提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X，其中所述的金屬合金具有屈服強度“Z”，將所述金屬合金熔融，并將其施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面，在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合，并使所述合金收縮，而所述合金在所述的合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述的金屬合金中產生殘余壓應力，其中所述的壓應力不超過屈服強度“Z”，且其中所述金屬合金的硬度大于大約850kg/mm2。
而在另一個實施方案中，本發明針對一種制備金屬覆層的方法，包括，提供金屬襯底，提供金屬合金，將所述金屬合金熔融，并將其施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面，在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合，使所述合金冷卻，以使所述合金具有的斷裂韌性大于200MPam1/2，硬度大于5GPa。
附圖簡述這里，通過對其具體的示例實施方案的描述來提供對本發明，包括目的，特征和優勢的理解，該描述應結合附圖來進行閱讀和理解，其中
圖1是合金A的電弧熔融坯錠在用球狀擊打錘(ball peenhammer)中度沖擊之前(左圖)和之后(右圖)的照片；圖2是合金A，合金B，合金C和合金D的高速氧燃料試樣的熱膨脹圖；圖3是合金A的試樣在溫度最高到1000℃的熱膨脹圖，包括噴涂后的試樣和完全結晶化的試樣；以及圖4是將合金C的硬度/韌性與示例鐵合金、鋁合金，鎳合金，碳化物，氮化物和氧化物的公開的結果進行比較的韌性與硬度關系圖。
優選實施方案詳述本發明是一種在襯底上提供具有提高了的韌性的金屬覆層的方法。該方法包括冷卻后在金屬材料中產生壓應力(殘余壓應力)的機制。由于收縮產生的殘余壓應力不但可防止裂紋的形成，還能起到使任何形成的裂紋尖端閉合的作用。通過抑制或者減少金屬覆層中的裂紋，可以顯著降低裂紋尖端的應力集中系數。
正如這里所用的，“焊接覆層”一詞指的是以至少部分熔融態的形式施用到襯底上的金屬材料。而且，焊接覆層一詞考慮了在金屬材料和襯底之間的熔融界面，這樣，在金屬材料和襯底之間有至少部分冶金結合。冶金結合包括可在金屬材料和襯底之間的形成金屬類型化學結合的化學結合相互作用。
因此，焊接覆層可包括，但不限于，在焊接工藝中施用的金屬材料，熱噴涂金屬涂層，其中將熔融或者半熔融的金屬噴涂到襯底上，或者熔融涂層，其中將金屬涂層加熱使其熔融到襯底上。各種其它的涂層類型和方法可理解成，其中的金屬材料從熔融或者半熔融態至少部分熔融到襯底上，由此與襯底形成冶金結合。
相似的應該理解，焊接材料指的是依據本發明，以上面考慮到的方式施用和/或與襯底或基底之間形成冶金結合而施用的任何金屬材料。通常，這些金屬材料可歸類成可形成玻璃的金屬合金。更具體的，合適的金屬玻璃可以是鐵基玻璃形成合金。這些合適的合金呈現出高的硬度和屈服強度，并能在高的冷卻速度下形成玻璃。然而，實際上形成玻璃并不是首選的，因為存在這樣的情況，在固化過程中會恰恰錯過玻璃形成區，而得到高度過冷。這種過冷可以提供大的驅動力，有助于向納米尺度結構的快速轉化。示例性組合物可包括任何具有足夠高的玻璃形成能力和足夠高的熱膨脹的基底金屬。
本發明認為，當例如焊接玻璃形成合金時，其與傳統的鋼襯底相比，在冷卻中會經歷更大的收縮。在焊接過程中，在焊接材料和基底金屬之間會發生復雜混合，且可以由液態熔體形成完全的或者至少部分的冶金結合，并可在冷卻過程中保持。焊接材料冷卻時在所有方向上收縮，但在至少一個方向上被與基底金屬之間的緊密接觸/冶金結合所限制。所以，當焊接沉積物冷卻時，其要比基底金屬/襯底收縮的程度更高，所以固化成具有高殘余壓應力的狀態。這種有利的殘余應力可防止裂紋在焊接材料中的形成和/或傳播。另外，這些積累并保留的壓應力抑制了裂紋在焊接材料中的形成，由此提高了焊接材料的韌性。
在傳統的金屬中沒有觀察到以同等程度生成這里所公開的殘余應力。當傳統的焊接材料固化時，如果在焊接材料和襯底的熱膨脹系數之間有大的差異，會產生大的局部應力。如果這些局部應力超過了焊接材料的屈服強度，會發生材料的塑性流動，這會起到釋放或緩解殘余應力的作用。如果在局部區域超過了焊接材料的塑性或者總的延伸率，就會引發裂紋的形成。
除了能夠形成高的殘余壓應力外，本發明利用玻璃形成合金的獨特能力來在固化時保持這種殘余應力。這樣的一個方面是在這類材料中發現了高的屈服強度。例如，對鐵基玻璃形成合金，測量得到的屈服強度在室溫下可高達3000MPa，在700℃高達1800MPa。作為對比，應該注意“超高強度鋼”通常可具有的室溫屈服強度在1380-1520MPa的范圍。在700℃下，上述合金呈現出的屈服強度比所謂的超高強度鋼室溫下的屈服強度都高。這種鐵基玻璃的更高的屈服強度支持了在焊接沉積物中維持高的殘余壓應力，但該應力沒有超過焊接材料的屈服強度，即，應力處在材料的彈性范圍內的看法。利用這些發現，可以提供其中可以避免塑性變形和裂紋現象，并保持了高的殘余壓應力的涂層，焊接物等。
依據本發明，可以在襯底上沉積金屬玻璃，例如，作為焊接物或者熱噴涂的涂層。利用這些技術，金屬玻璃可以在熔融或者半熔融態沉積。所沉積的金屬玻璃的熱量和/或其它的工藝條件會使襯底表面也至少部分形成熔融或者半熔融態。所希望的，所沉積的金屬玻璃將至少部分熔融到襯底上，在襯底和金屬玻璃之間形成冶金結合。當金屬玻璃從其施用時的熔融或者半熔融態冷卻時，其會經歷相對高的熱收縮。關鍵是所提及的金屬玻璃有比基底襯底材料高的熱膨脹系數，優選的至少高出大約15.0％。在襯底和金屬玻璃之間的冶金結合限制了金屬玻璃延其界面的收縮。結果，在金屬玻璃之中引入了高的壓應力。盡管機制是不同的，其整體效果一定程度上類似于噴丸硬化或者錘鍛(hammer forging)。
如上所指，本發明容許利用各種方法，包括焊接工藝，或者包括優選的在玻璃形成合金和襯底之間形成冶金結合的類似工藝。合適的方法可以包括等離子傳輸弧(PTA)焊，熔化極惰性氣體保護(MIG)焊，激光加工凈成型(LENS)，手工電弧焊(SMAW)，粉末焊接，以及鎢極氣體保護電弧焊(GTAW)。這些示例方法可以采用粉末給料，軟絲給料或者固線給料。然而，給料的形式或者所采用的具體方法不是本發明的局限。
因此，這里的本發明針對于提高了韌性的焊接覆層。在此方面，值得注意的是焊接覆層的硬度取決于各種因素，包括微結構尺度，合金元素的過飽和程度，以及特定的晶界對抵抗晶界滑移和晶界旋轉的抵抗力。
實施例利用通常的傳統合金技術制造了四種實驗合金，其組成在表1中具體列出。這些金屬合金被制成直徑為1/16”的焊芯。各種合金焊芯用MI G(熔化極惰性氣體保護焊)焊接設備處理，其工作在32V和250A，焊接氣體保護由98％Ar-2％O2構成，這樣制成沉積在各種一般的碳素鋼和合金鋼襯底上的樣品表面堆焊沉積物。
表1合金命名和組成合金組合物(wt％)合金A 78.1Fe，9.2Cr，4.3Mo，4.1B，1.3C，0.6Si，以及2.4Al合金B 65.9Fe，25.3Cr，1.0Mo，1.8W，3.5B，1.2C，0.5Si，0.8Mn合金C 64.9Fe，26.0Cr，1.0Mo，1.4W，3.6B，1.2C，1.0Si，0.8Mn合金D 68.0Fe，23.2Cr，1.2Mo，1.5W，3.6B，0.9C，0.7Si，0.8Mn作為第一項實驗測試，采用RockwellC硬度測試對用合金B和合金C制造的焊接物的硬度進行了測定。發現采用取自合金B和合金C的絲狀原料制成的焊接物具有未料到的高硬度，分別為Rc＝62和Rc＝65。另外，對合金C和合金D進行了Vickers硬度測定。和合金B和合金C的RockwellC硬度一樣，由合金C和合金D制成的焊接沉積物的Vickers硬度也證明是未料到的高，呈現出的數值分別為950kg/mm2和1100kg/mm2。
用錘子或者錘子和鑿子，對已經用實驗合金的焊接沉積物進行了表面堆焊的襯底進行直接沖擊來實驗測評合金的韌性。一般的，以前已經發現，具有表1中詳細列出的組成的合金在坯錠形式下具有的韌性很低。例如，用球狀擊打錘進行一次中度沖擊就經常引起坯錠的斷裂分離。這樣的典型結果如圖1中所示，其中所示是用球狀擊打錘中度沖擊之前(左圖)和之后(右圖)的由電弧熔融制成的合金A的坯錠。與所預期的結果相反，實驗合金的焊接沉積物呈現出高的多的韌性。在實驗測評中，對實驗合金的焊接沉積物表面堆焊涂層進行重復錘沖擊，在焊接沉積物中沒有產生任何可觀察到的裂紋。而且，用錘子和鑿子重復沖擊(＞50)的結果只是有非常少量的材料從焊接物上脫落，這些材料至多遠少于1克。在測試過程中，對焊接材料進行沖擊的結果是4個不同的工具鋼鑿被撞平，重復磨尖后又被撞平。
錘子和鑿子測試的結果明顯，除此之外，用Palmqvist技術對合金C的焊接沉積物的樣品截面進行了韌性測試。在Palmqvist測試過程中，將壓痕載荷初始設定在2Kg，然后升高到最大90Kg載荷。即使在最大測試載荷90Kg下，在焊接沉積物中也沒有發現裂紋。由于在合金焊接物中沒有觀察到裂紋，也就不可能用Palmqvist技術得到韌性的測量值。然而，仍可以采用Palmqvist技術來估計斷裂韌性的下限，通過假設輻射狀裂紋的平均長度通常在10-7m到10-8m的數量級，這低于光學顯微鏡的分辨率(10-6m)。采用這一假設，合金C焊接沉積物的斷裂韌性的下限估計值在22到70MPam1/2的范圍。
作為對比，在相關文獻中，例如在D.K.Shetty，I.G.Wright，P.N.Mincer和A.H.Clauer，J.Mater.Sci.20，1873，(1985)中已經指出燒結碳化鎢在Palmqvist測試中在顯著更小的壓痕載荷，大約在2.5kg的數量級時就開始開裂。而且，該文獻表明對于燒結碳化鎢在施加90kg的載荷下，其所預期的輻射狀裂紋的平均長度估計在大約1000微米。應該注意，在表面堆焊焊接和燒結碳化物工業中，用Palmqvist方法測定斷裂韌性已相當完備，是測量韌性的工業標準。基于以前的研究，Palmqvist韌性可以相當精確的與一般的斷裂韌性(KIc)相聯系，參見，例如D.K.Shetty，I.G.Wright，P.Mincer，A.H.Clauer，J.Mater.Sci.20，1873，(1985)以及G.R.Anstis，P.N.Chantikui，B.R.Lawn，D.B.Marshall，J.Am Ceram.Soc.64，533，(1981)。
參照圖4，給出了多種材料包括鐵合金，鋁合金，鎳合金，碳化物，氮化物和氧化物的韌性與硬度之間的關系。如圖所示，可觀察到在硬度和韌性之間通常有相反的關系。在圖上，可以看出，合金C焊接物(表示為DAR)占據了新材料區，具有韌性和硬度的新型的結合。從圖4中可以看出，合金C不但呈現出獨特的高斷裂韌性，而且得到高斷裂韌性沒有伴隨硬度的降低。下面，從表2到表10以列表的方式給出圖4中所示的數據。
表2所選氧化物的硬度和斷裂韌性
表3所選碳化物的硬度和斷裂韌性
表4所選氮化物的硬度和斷裂韌性
表5所選碳化鎢的硬度和斷裂韌性
表6所選鈦合金的硬度和斷裂韌性
表7所選鋁合金的硬度和斷裂韌性
表8所選鋼合金的硬度和斷裂韌性
表9所選鎳合金的硬度和斷裂韌性
表10所選DAR合金的硬度和斷裂韌性
對實驗合金進行的另外的測試包括對合金B進行差示掃描熱量分析(DSC)。DSC分析表明合金中至少包括少部分的玻璃。在大約615℃處的峰顯示了玻璃部分的存在，這是所測試組成的合金的金屬玻璃轉化溫度。與合金B相比，合金C和合金D都設計具有更高的玻璃形成能力。
上述實驗實施例表明，依據本發明的MIG焊接沉積合金具有高水平的韌性和硬度。目前，認為這種韌性與焊接沉積材料與其所沉積到的襯底之間的熱膨脹差異有關。這一理論是建立在對所選的鐵基玻璃形成合金在20-1000℃的范圍內的熱膨脹測量的基礎之上的。熱膨脹測量用Theta Industries Dilamatic II膨脹計進行，測定的是高速氧燃料噴涂制得的合金試樣。實驗測定的合金的熱膨脹與溫度之間的關系如圖2中所示。在此圖中，注意在每種合金中發現的斜率的下降證明是體積減小的結果，體積減小發生在玻璃結晶化的時候，如圖3中所示。注意，對于每種合金，斜率開始下降時對應于每種相應合金的玻璃結晶溫度。
參照圖3，所示的是合金A的熱膨脹與溫度的關系，包括噴涂后的測試樣品和在測試前已經完全結晶化的試樣。從該圖可以看出，完全結晶化的試樣沒有隨溫度升高經歷熱膨脹的減小，因為試樣中沒有玻璃。
基于上述實驗，發現形成玻璃的鋼合金呈現出高的熱膨脹。在表11中列出了實驗合金和幾種商業鋼合金相比較的熱膨脹測試結果。可以看出這些特定的鐵基玻璃形成合金比許多傳統的鐵基合金，像在William D.Callister，Jr.，Materials Science and Engineering，John Wiley & Sons，New York，1994中報導的，具有更高的熱膨脹系數。
表11各種合金的熱膨脹系數(100-500℃)合金 CTE(ppm/℃)合金A14.34合金B14.84合金C14.73合金D14.75鐵 11.81020鋼 11.71080鋼 11.0410不銹鋼9.9
權利要求
1.一種制備金屬覆層的方法，包括提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底；提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X；將所述金屬合金熔融，并將所述金屬合金施用到所述金屬襯底上，以形成合金/襯底界面；在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合；使所述合金收縮，而所述合金在所述合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述金屬合金中產生殘余壓應力。
2.依據權利要求1中的方法，其中所述的合金包括Fe，Cr，Mo，W，B，C，Si和Mn的混合物。
3.依據權利要求2中的方法，其中存在的Fe的量高于50.0wt％。
4.依據權利要求2中的方法，其中Fe，Cr，Mo和W構成所述混合物的至少90wt％。
5.依據權利要求1中的方法，其中Fe和Cr構成所述混合物的至少90wt％，存在的Cr的量大約為1.0wt％，存在的Mo的量大約為1.0-2.0wt％。
6.依據權利要求1中的方法，其中Fe和Cr構成所述混合物的至少90wt％，存在的Cr的量大約為1.0wt％，存在的Mo的量大約為1.0-2.0wt％，存在的W的量大約為3.0-4.0wt％，存在的B的量大約為1.0-2.0wt％，存在的C的量大約為0.1-1.0wt％，存在的Si的量為0.1-1.0wt％，存在的Mn的量為0.1-1.0wt％。
7.依據權利要求2中的方法，其中所述的金屬合金具有的組成為大約65.9wt％Fe，25.3wt％Cr，1.0wt％Mo，1.8wt％W，3.5wt％B，1.2wt％C，0.5wt％Si，0.8wt％Mn。
8.依據權利要求2中的方法，其中所述的金屬合金具有的組成為64.9wt％Fe，26.0wt％Cr，1.0wt％Mo，1.4wt％W，3.6wt％B，1.2wt％C，1.0wt％Si，0.8wt％Mn。
9.依據權利要求1中的方法，其中所述的金屬合金具有的組成為68.0wt％Fe，23.2wt％Cr，1.2wt％Mo，1.5wt％W，3.6wt％B，0.9wt％C，0.7wt％Si，0.8wt％Mn。
10.依據權利要求1中的方法，其中施用所述的金屬合金包括焊接。
11.依據權利要求1中的方法，其中施用所述的金屬合金包括熱噴涂涂覆。
12.依據權利要求1中的方法，其中所述的金屬合金具有的熱膨脹系數比基底襯底的大15％。
13.依據權利要求1中的方法，其中所述的鐵基金屬合金具有的熱膨脹系數在12-17ppm/℃的范圍。
14.一種制備金屬覆層的方法，包括提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底；提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X，其中所述的金屬合金具有屈服強度“Z”；將所述金屬合金熔融，并將所述金屬合金施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面；在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合；使所述合金收縮，而所述合金在所述的合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述的金屬合金中產生殘余壓應力，其中所述的壓應力不超過屈服強度“Z”。
15.依據權利要求14中的方法，其中所述的壓縮屈服強度在室溫下大于大約1520MPa。
16.一種制備金屬覆層的方法，包括提供熱膨脹系數為“X”的金屬襯底；提供熱膨脹系數為“Y”的金屬合金，其中Y＞X，其中所述的金屬合金具有屈服強度“Z”；將所述金屬合金熔融，并將所述金屬合金施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面；在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合；使所述合金收縮，而所述合金在所述的合金/襯底界面處受到束縛，由此在所述的金屬合金中產生殘余壓應力，其中所述的壓應力不超過屈服強度“Z”。其中所述金屬合金的硬度大于大約850kg/mm2。
17.一種制備金屬覆層的方法，包括提供金屬襯底；提供金屬合金；將所述金屬合金熔融，并將所述金屬合金施用到所述的金屬襯底上，以形成合金/襯底界面；在所述的合金/襯底界面處，在所述金屬合金和所述襯底之間形成冶金結合；使所述合金冷卻，以使所述合金具有的斷裂韌性大于200MPam1/2，硬度大于5GPa。
全文摘要
提供一種制備具有提高了的韌性的金屬覆層的方法。這種金屬覆層可以是焊接物，金屬涂層或者類似的應用。該方法包括，當可形成玻璃的金屬合金處于熔融或者半熔融態時，將此合金應用到襯底上。在金屬合金覆層和襯底之間的界面上，襯底金屬至少部分熔融，并與該合金結合形成冶金結合。當該金屬合金冷卻時，其經歷大的相對熱收縮程度。在襯底和合金之間的冶金結合限制了合金在與襯底界面處的收縮。這導致在金屬合金覆層中引入壓應力。引入的這些壓應力阻止了裂紋在覆層中的形成以及/或者減輕了覆層中的任何裂紋效果。
文檔編號B23K35/30GK1784288SQ200480012167
公開日2006年6月7日 申請日期2004年4月1日 優先權日2003年4月1日
發明者D·J·布拉那根 申請人:納米鋼公司