專利名稱：用于生成包含碳化物納米粒子的彌散硬化物的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生成包含碳化物納米粒子的彌散硬化物的方法和設(shè)備。此 外，本發(fā)明涉及采用根據(jù)本發(fā)明的方法所生成的彌散硬化物，例如，內(nèi)燃機(jī)的組件，尤其是
活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
對(duì)于活塞環(huán)來說，例如帶有往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞的內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，必須保證較高的抗 磨損性，否則，也就是在較低的抗磨損性的情況下，覆蓋涂層會(huì)變得較薄。因此，活塞環(huán)的壁 厚減小，密封效果變差，漏氣和耗油增加，引擎的性能變差。由于活塞環(huán)受到磨損，氣缸壁與 活塞之間的間隙持續(xù)增大，使得燃燒氣體更容易通過活塞環(huán)、逸出(即所謂的漏氣)，從而 降低了引擎的效率。此外，由于間隙增大，沒有被去除的剩余油膜將會(huì)變得更厚，因此每單 位時(shí)間將會(huì)損失更多的油，因此增加了油耗。如今，在活塞環(huán)的熱噴涂領(lǐng)域，優(yōu)選通過等離子噴涂法、使用鉬基材料。但是，高負(fù) 荷引擎中的活塞環(huán)的磨損率非常高。高速氧燃料熱噴涂技術(shù)(HVOF)使得以下情況成為可能以較低的熱影響和較高 的動(dòng)能在基底上沉積粒子，可生成高黏附性的致密層。此外，為了確保在較高負(fù)荷下改進(jìn) 抗磨損性能，近來開始使用金屬碳化物粒子，例如WC或者Cr3C2，它們不能通過等離子噴涂 法進(jìn)行噴涂，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哌_(dá)20000°C的等離子溫度下會(huì)發(fā)生分解，或者形成非常易碎的狀 態(tài)，例如，W2C。所述金屬碳化物粒子確實(shí)提供了更高的抗磨損性能，但是由于它們的物體特 性(例如較低的熱膨脹系數(shù)和較低的導(dǎo)熱性)和機(jī)械特性(例如，較低的延展性)與基底 不同，它們也具有缺點(diǎn)，即具有較高的脆性和較低的斷裂韌度。在引擎工作過程中，尤其是 在混合摩擦和無效潤(rùn)滑的情況下，這些缺點(diǎn)會(huì)帶來影響。在這些狀態(tài)下，在摩擦過程中另外 引入的熱能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)松弛過程，其中由于完全不同的熱膨脹系數(shù)，活塞環(huán)層不能跟上基 底的膨脹，從而生成裂縫網(wǎng)。這種結(jié)果最終導(dǎo)致在重復(fù)的負(fù)荷后發(fā)生斷裂。此外，金屬碳化 物經(jīng)常被引入到金屬基(例如NiCr合金)中，其中潤(rùn)濕只發(fā)生在合金表面，而不會(huì)獲得冶 金學(xué)上的互鎖。因此，金屬碳化物(例如WC或者Cr3C2)的黏附性可以提供和硬材料區(qū)域一 樣的高耐磨性，但是這種黏附性是有限的。為了增加材料的強(qiáng)度，除其它以外，還可執(zhí)行彌散硬化。這種情況下出現(xiàn)的粒子形 成障礙，阻止機(jī)械負(fù)荷過程中材料內(nèi)的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)。在負(fù)荷過程中產(chǎn)生和出現(xiàn)的這種錯(cuò)位不 能穿過粒子，事實(shí)上，它們不得不在粒子之間膨脹。這又形成必須被繞過的錯(cuò)位環(huán)。當(dāng)繞過 時(shí)，比穿過需要更高的能量輸入。錯(cuò)位前進(jìn)過程中的屈服應(yīng)力隨著粒子距離的減小和粒子 尺寸的減小而增加。因此，材料強(qiáng)度也增加了。通過引入納米粒子形式的碳化物，可實(shí)現(xiàn)彌散硬化。此處的術(shù)語“納米粒子”指的 是尺寸為l-200nm的粒子。之前僅通過成團(tuán)納米粒子的方式來執(zhí)行納米晶熱噴涂涂層的生 產(chǎn)。這種納米粒子團(tuán)的直徑可達(dá)到0. 1-100 μ m。只有粒子尺寸大于1-2 μ m時(shí)，正常壓力狀 態(tài)下的粒子傳送才是可能的。由于以下事實(shí)對(duì)于氣流中的定向傳輸，納米粒子必須通過與
3氣體分子的碰撞吸收最小量的能量，且被吸收的最大能量隨著粒子尺寸的減小而減小，因 此，納米粒子僅在達(dá)到一個(gè)最小尺寸時(shí)，才能以定向方式傳送。這只有通過更小的處理壓力 或者通過為粒子充電才可能實(shí)現(xiàn)。特別是，在粒子尺寸小于SOOnm的情況下，粒子的特性類 似于氣體分子。因此如果可得到成團(tuán)的納米晶粉末，才可以生成納米晶HVOF層。因此，必須 仍然在粉末內(nèi)執(zhí)行粒子強(qiáng)化。這導(dǎo)致生成的涂層包含有微粒和納米粒子團(tuán)，但是沒有精細(xì) 分散的離散納米粒子。在例如 DE 102007 018 859 AUDE 100 57 953 AUUS 5，939，146A、 US 6，723，387B1和US2004/0131865A1中描述了包含納米粒子團(tuán)的涂層。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種生成彌散硬化物(特別是包含碳化物納米粒子的 活塞環(huán))的方法。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過以下方法解決，該方法包括通過熱噴涂方法生產(chǎn)物體，其 中燃燒室的下游處，通過載氣(carrier gas)的方式，向氣流提供至少一種碳化物納米粒子 前體，該納米例子前體在氣流中發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過來自氣相 的納米粒子，可以實(shí)現(xiàn)彌散加固，其中納米粒子在氣相中產(chǎn)生，并接下來與噴涂粉末中的微 晶粒子凝結(jié)，接著，以常規(guī)的參數(shù)確保進(jìn)一步傳送納米粒子團(tuán)。載氣優(yōu)選地包括化學(xué)惰性氣 體?；瘜W(xué)惰性氣體包括例如稀有氣體或者氮?dú)?，?yōu)選采用氮?dú)?。碳化物納米粒子前體優(yōu)選地采用過渡金屬商化物。特別優(yōu)選地是較便宜的過渡金 屬鹵化物，例如WC16。并且，可使用例如Si、V、W或者鈦之類的元素，它們?cè)谕獠糠磻?yīng)器中 蒸發(fā)，并且在包括C的氣氛中發(fā)生反應(yīng)，形成各種碳化物。熱噴涂設(shè)備或者受到熱負(fù)荷的外部納米粒子生成器(例如，管式爐)內(nèi)的熱能被 用于使前體材料或基本材料系統(tǒng)地分解，從而獲得期望的材料作為氣相中的納米粒子。作 為熱噴涂方法，優(yōu)選高速氧燃料熱噴涂技術(shù)(HVOF)。使用外部納米粒子生成器可生成納米 粒子增強(qiáng)的涂層系統(tǒng)，從而生成納米粒子增強(qiáng)的組件，例如活塞環(huán)。同樣，碳化物納米粒子前體可與其他氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這包括燃燒氣體或添加 到載氣中的氣體。合適的氣體碳源是氣態(tài)碳?xì)浠衔?，例如甲烷。作為還原劑，例如，可以 添加氫。示范性的反應(yīng)如化學(xué)式1所示。WC16+CH4+H2 — WC+6HC1(1)但是，也可能通過兩個(gè)碳電極之間的電弧在外部反應(yīng)器中蒸發(fā)金屬，例如，鎢、鈦 或者釩，從而生成WC。本發(fā)明還涉及一種彌散硬化物，其包含碳化物納米粒子，且根據(jù)本發(fā)明的方法生 成。所述彌散硬化物優(yōu)選地包括內(nèi)燃機(jī)的組件，尤其優(yōu)選活塞環(huán)。最后，本發(fā)明涉及用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備。所述設(shè)備涉及熱噴涂設(shè)備， 其在燃燒室的下游除了有用于供應(yīng)熱噴涂粉末的至少一個(gè)管線之外，還包括通過載氣的方 式供應(yīng)碳化物納米粒子前體或者由外部反應(yīng)器生成的納米粒子的至少一個(gè)管線。通過載氣 的方式供應(yīng)碳化物納米粒子前體的管線優(yōu)選地由石墨制成，石墨可以耐受熱噴涂的高溫。 所述設(shè)備特別優(yōu)選地涉及用于高速氧燃料熱噴涂(HVOF)的設(shè)備。


圖1是通過熱噴涂和外部納米粒子生成器生成納米粒子加強(qiáng)層的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是通過熱噴涂和外部納米粒子生成器生成納米粒子加強(qiáng)層的示意圖。納米粒 子加強(qiáng)層系統(tǒng)的生成可通過高速氧燃料熱噴涂(HVOF)來實(shí)現(xiàn)，例如，通過在外部反應(yīng)器1 中提供納米粒子，在該外部反應(yīng)器1中，材料以受控的方式被蒸發(fā)(參見圖1)。以這種方式 生成的納米粒子在第二爐2中在用于特定設(shè)置粒子形狀的氣流中被燒結(jié)，并在氣流被饋送 到噴槍4之前不久，與氣流中的微粒凝結(jié)成團(tuán)。通過載氣傳送納米粒子的管線可以與傳送 微粒的管線以簡(jiǎn)單的方式連接，例如，通過T形連接器連接。附圖標(biāo)號(hào)3表示粉末運(yùn)輸器。 所獲得的基底用附圖標(biāo)號(hào)5表示。
權(quán)利要求
一種用于生成包含納米粒子的彌散硬化物特別是活塞環(huán)的方法，包括通過熱噴涂方法生成所述彌散硬化物，其特征在于，在燃燒室的下游處，通過載氣的方式，向氣流提供至少一種碳化物納米粒子前體或者外部生成的納米粒子，該納米例子前體或者納米粒子在氣流中發(fā)生反應(yīng)生成碳化物，或者是以碳化物的形式提供的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化物納米粒子前體包括過渡金屬 鹵化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳化物納米粒子前體包括過渡金屬 氯化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳化物納米粒子前體包括WC16。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從外部熱操作的反應(yīng)器中生成 的所述碳納米粒子被送入噴涂室。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從外部熱操作的反應(yīng)器中生成 的所述碳納米粒子包括Sic、TiC、WC或者VC。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂方法包括高速氧燃 料熱噴涂。
8 .根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述載氣包括碳?xì)浠衔铩?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳?xì)浠衔锇淄椤?br> 10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述載氣包括氫氣。
11.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法生成的包含碳化物納米粒子的彌散硬化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的彌散硬化物，其特征在于，所述彌散硬化物包括內(nèi)燃機(jī)的組件。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的彌散硬化物，其特征在于，所述彌散硬化物包括活塞環(huán)。
14.一種用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述方法的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備 包括熱噴涂設(shè)備，所述熱噴涂設(shè)備在燃燒室的下游除了有用于供應(yīng)熱噴涂粉末的至少一個(gè) 管線之外，還包括通過載氣的方式供應(yīng)碳化物納米粒子前體的至少一個(gè)管線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述通過載氣的方式供應(yīng)碳化物納米 粒子前體的至少一個(gè)管線由石墨制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)管線用于通過載氣的方 式提供外部生成的碳化物納米粒子。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括用于高速氧 燃料熱噴涂的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生成包含碳納米粒子的彌散硬化物的方法，所述方法包括通過熱噴涂方法生成該彌散硬化物。根據(jù)本發(fā)明，至少一種前體在燃燒室的下游處通過載氣的方式提供給氣流，所述前體在氣流中發(fā)生反應(yīng)從而生成碳化物，或者，通過受到熱負(fù)荷的外部納米粒子生成器提供碳納米粒子。這樣便得到一種彌散硬化物，例如，內(nèi)燃機(jī)的組件如活塞環(huán)。該方法通過熱噴涂設(shè)備來執(zhí)行，該設(shè)備在燃燒室的下游除了有用于供應(yīng)熱噴涂粉末的至少一個(gè)管線之外，還包括通過載氣的方式供應(yīng)前體的至少一個(gè)管線。
文檔編號(hào)C01B31/30GK101977874SQ200980108650
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者邁克爾·津內(nèi)博爾德, 馬克-曼努埃爾·馬特, 馬庫(kù)斯·肯尼迪 申請(qǐng)人:聯(lián)邦摩高布爾沙伊德公司