專利名稱：聚合材料的熱噴涂的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于聚合材料的一般熱噴射涂敷技術的應用，具體地涉及利于聚醚醚酮(PEEK)復合材料施加到基底上的方法。
用所需材料或材料組合物涂覆目標材料或基底的熱噴涂技術已經得到使用。通常，熱噴涂技術指的是基于使用高溫熱源來熔化材料并使其附著在基底上的一類涂覆技術，因此在基底上形成涂層。粉末、棒材或線材可用作被例如電弧、燃氣或二者的組合來熔化的原料。熱量熔化了涂層材料，然后通過壓縮空氣促使其加速附著在將被涂覆的基底上。當涂層材料熔化時，形成附著在基底上的薄層，在那里它們粘附在基底上并且彼此之間粘附。薄層堆積并冷卻成形成涂層的層狀結構。
這種熱噴涂技術叫做高速氧化燃料(HVOF)法。該方法利用氧氣和燃料的連續(xù)的、持續(xù)的內部燃燒而在燃料室中產生高壓。所需涂層材料的粉末顆粒暴露于產生的熱量中，然后被加速到超音速以便積附在所需的基底上。通?？稍谑袌錾腺I到多種HVOF系統(tǒng)。
該HVOF法和其它的熱噴技術也適于聚合材料粉的應用。然而，已經證明在熱噴涂技術中，例如HVOF，它使用相當高的熱量，使用某種聚合材料是困難的。這對于某種聚合物，例如PEEK尤其是如此，。
例如PEEK，作為涂層材料有許多用途，但使用HVOF法將PEEK材料涂層施加到基底上已被證明是困難的。PEEK在過熱或高溫火焰中會降解。而如果PEEK粉末沒有被充分加熱的話，未熔化的顆粒附著在所需的基底上導致粘合力差和出現(xiàn)不期望的高孔隙度。
使用在高溫下具有良好熱穩(wěn)定性的聚合材料，例如PEEK，可以通過在所需基底上使PEEK材料成型而實現(xiàn)。而使用通過成型的PEEK涂層，將會受到被涂覆的元件的類型的限制。而且，成型技術將會更昂貴，尤其在使用該元件前，當成型的涂層和/或被涂覆的元件需要額外的加工時。使用例如PEEK材料通過HVOF法將會解決這些問題。
本發(fā)明涉及一種將PEEK復合料施加到金屬基底上的方法。該方法包括將金屬粘合層施加到金屬基底上的步驟。該方法還包括通過HVOF法將PEEK復合物材料層附著在金屬粘合層上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種將聚合材料施加到基底上產生高負荷碰撞力支承表面的方法。該方法包括制備一種金屬基底，并在金屬基底上施加金屬粘合層。而且，通過向金屬基底噴涂聚合材料的熱顆粒而將熔點高于300℃的聚合材料積附在金屬粘合層上。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供一種將PEEK復合材料施加到元件表面的方法。該方法包括制備一個接受PEEK混合物的元件表面。該PEEK復合物混合物通過HVOF法噴涂到該表面上以形成PEEK復合層。然后將該PEEK復合物層進行熱處理而形成牢固的涂層。
下面將通過例子、參考


本發(fā)明，其中相同的參考號碼代表相同的元件，其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的已接受成型的PEEK涂層的基底透視圖；圖2是沿著圖1的2-2處的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，表示通過HVOF施加PEEK的方法的一般步驟的流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，具有通過HVOF法施加的PEEK涂層的基底的透視圖；和圖5是沿著圖4的5-5處的截面圖。
本發(fā)明涉及將在高溫下具有良好熱穩(wěn)定性的聚合物材料施加到基底上的熱噴涂技術的應用。特別是，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例公開了的方法在將聚醚醚酮(PEEK)通過高速氧化燃料(HVOF)法施加到金屬基底上的應用中是特別有用的。該方法還提供一種具有低孔隙度，通常小于1％孔隙度的牢固的PEEK復合涂層。這種類型的涂層適用作軸承元件的元件上。
例如，如下將描述該方法在通過施加PEEK復合物涂層到在碰撞力支承中應用的墊上形成支承表面的典型用途。這種碰撞力支承用于各種用途中，包括應用于潛沒泵送系統(tǒng)統(tǒng)中的各種潛沒元件鑄造。潛水泵送系統(tǒng)元件在巨大載荷下相對惡劣的鉆井環(huán)境中，將產品流體泵送到地表。然而，該發(fā)明的方法不局限于這種特別適合的用途。
使用HVOF方法將PEEK復合物施加到所需基底中能夠在涂覆不同元件中產生極大的適應性、效能和節(jié)約成本的能力。傳統(tǒng)的，高負荷碰撞力支承墊是通過已知的成型方法用PEEK復合物涂覆。在典型的現(xiàn)有技術中的涂覆有成型的PEEK復合物層的碰撞力支承墊如圖1和2所示。常規(guī)的成型方法是比該施用PEEK復合物到基底上的HVOF法效率低下而且昂貴的多步方法。
在現(xiàn)有技術中，涂覆的碰撞力支承墊10包括金屬基底12。金屬基底12一般由鋼板制造。例如含有銅的第一粘合層14被電鍍到金屬基底12上。例如含有青銅的第二粘合層16通過燒結被施加到第一粘合層14和金屬基底12上。該方法產生了相對疏松的具有熔化的PEEK材料可以流入的孔隙的青銅層。因此，在使用第一粘合層14和第二粘合層16之后，PEEK復合材料層18可以通過熔化和壓制PEEK復合材料而積附在青銅第二粘合層16上。接下來施加PEEK復合物涂層18，涂覆的鋼板被加工成涂覆的碰撞力支承墊10。
本發(fā)明提供一種更高效率的、低成本的用耐久的聚合物材料例如PEEK復合料涂覆基底的好方法。參考圖3的方框圖，可以很容易地理解本方法。
如圖所示，必須制備用于通過熱噴涂法來接受聚合物層的起始基底層。在優(yōu)選實施例中，該基底是金屬材料，優(yōu)選不銹鋼，但可以根據(jù)專門用途來選擇其它的相適應的金屬材料。在該方法中的第一步是制備如圖3的方框20所示的基底材料。在該步中，最好是通過除掉將被涂覆的表面上的臟物、水分、油和其它雜質而來清潔該基底。為了增強其附著力，最好是使被涂覆的表面變相糙。如果基底是不銹鋼的話，優(yōu)選表面被具有砂粒篩目尺寸28的氧化鋁進行噴砂處理基底而使表面變粗糙。
在本發(fā)明方法的另一步驟中，制備用于涂覆基底的聚合材料，如圖3的方框22所示。為了實施本方法，優(yōu)選聚合材料具有高熔點，即高于300℃。在最優(yōu)選的實施例中，PEEK材料被用于制備粉末形式的復合料。雖然多種材料可以與PEEK材料混合，但已經確定，優(yōu)選的復合物包括PEEK與聚四氟乙烯(FTFE)和碳的混合物。這些材料增強了PEEK的低摩擦系數(shù)和突出的耐用性。
材料的典型比例是大約70％的PEEK與大約20％PTFE和大約10％的碳混合。而且，適當?shù)念w粒尺寸的選擇可以是HVOF方法的臨界。已經確定，PEEK復合物中各種組分的最佳顆粒尺寸為PEEK大約70微米；PTFE大約53微米；碳顆粒6微米。既然已經有了特殊混合物的百分比和顆粒尺寸，那么本發(fā)明方法的其它混合物比例、顆粒尺寸和混合物成分可以控制了。
在將基底材料清潔和噴砂處理之后，可以將粘合層施加到基底上，如圖3的方框24所示。該粘合層優(yōu)選是具有足夠的表面粗糙度以利于機械粘合PEEK復合物層到基底上的金屬材料。優(yōu)選施加金屬材料例如鎳鋁合金的單層。這種材料在高溫下具有所需的特性并對不銹鋼基底具有優(yōu)異的粘合性。其它的粘合層材料可以與除不銹鋼之外的材料形成的基底粘合得更好。
在優(yōu)選實施例中，鎳鋁合金被電弧噴射到基底上。本領域普通技術人員已知的電弧噴射是使用將兩個電子勵磁線彼此接觸而產生的高能量電弧。該電弧能量將金屬絲熔化，壓縮空氣使熔化的材料霧化并將其推至基底上，而形成粘合層。優(yōu)選，該粘合層具有良好的導熱性而幫助從PEEK層散發(fā)熱量，特別是當PEEK材料被用作支承表面時。已經確定，粘合涂層的最佳厚度在大約0.014-0.018英寸的范圍內。
接下來制備基底、施加粘合層以及制備PEEK復合物料，如圖3的方框26所示，通過熱噴涂將PEEK復合料施加到基底的粘合層上。在優(yōu)選實施例中，使用HVOF法將PEEK混合物施加到基底和粘合層上。噴射參數(shù)的最佳時機已經確立，從而確保低孔隙度和高粘合強度能夠允許PEEK復合物層用于負載的支承環(huán)境中。
優(yōu)選地，HVOF法在熱噴槍的幫助下完成，例如米勒(Miller)熱噴槍，HV200型，可從Miller Thermal，inc.買到。該米勒熱噴槍配備有軸向粉末喂料結構，并由Miller Thermal Computerized Console，4600型控制。該米勒熱噴槍配備有12mm的燃料室，并且燃氣優(yōu)選氫氣與氧氣的比例是3.33。而且，載體氣體，優(yōu)選氮氣，以30scfh的流動速率流經熱噴槍而將粉末喂入燃料室中。
粉碎的PEEK復合混合物被喂入熱噴槍中，經過如本領域普通技術人員所熟知的電子控制的增壓料斗單元，。然后該PEEK復合材料經過HVOF熱噴槍的火焰被注入并被加熱到至少PEEK復合材料的熔點，即大約340度。該PEEK復合物的粉末顆粒部分或全部地熔化并對著基底和粘合層被推進。這產生了半熔化或熔化的顆粒料流或擊中基底而形成一般具有層狀結構的連續(xù)涂層的薄板。機械的聯(lián)鎖加工在顆粒和粗糙的基底/粘合層之間進行，從而牢固地將連續(xù)的涂層粘合到基底上。
在優(yōu)選實施例中，PEEK復合物粉末以11克每分鐘的速度被喂料，并且熱噴槍在距離7英寸處以754毫米每秒的速度橫向移動。(距離指的是基底和熱噴槍出口噴嘴之間的距離)。PEEK復合物涂層由多道次組合而成，其厚度在大約0.019英寸和0.021英寸之間。通常，有一個預熱周期30道次，其后，通過自然的慢冷卻來冷卻涂層。
在將PEEK復合混合物形成PEEK復合物層之后，采取如圖3的方框28所示的積附后的熱處理方法可能是有利的。積附后的熱處理法產生了更加牢固的涂層。它利于除去熱歷史和殘余應力。它還提高了PEEK復合物涂層的結晶度。
優(yōu)選的積附后熱處理方法包括將PEEK復合物層加熱到接近400℃并使其在該溫度下停留大約30分鐘。然后PEEK復合物層與基底和粘合層一起，進行控制冷卻到大約270℃，在該溫度下放置大約10分鐘。然后，PEEK復合物層、基底和粘合層經受控制冷卻到低于60℃的溫度。
上述的方法提供了一種容易使用的并具有低孔隙度的PEEK復合物涂層，一般為約小于1％的孔隙度。PEEK復合物層特別適于用作支承面，因為應用該方法可達到低摩擦系數(shù)、良好的耐用性和低孔隙度。
結果，該發(fā)明方法容易實施的典型產品包括用作推力軸承的推力墊，如根據(jù)圖1和2上述的那些。根據(jù)本發(fā)明的方法生產的推力墊30如圖4和5所示。在本發(fā)明方法的特殊應用中，推力墊30包括由PH17-4不銹鋼的熔模鑄造法形成的基底32。開始時基底32是根據(jù)圖3的方框20用上述方法制備的。
包括鎳鋁合金的單粘合層34，通過電弧噴射被施加到基底32上，根據(jù)圖3的方框24如上述。如圖3的方框22和26所述，制備PEEK復合物材料并對著基底32和粘合層34噴射。最終，多層熔化或部分熔化的薄層36粘合到基底32、粘合層34上和彼此之間而形成PEEK復合物層38。
在形成PEEK復合層38之后，包括PEEK復合物層38的推力墊30優(yōu)選根據(jù)圖3的方框28進行上述的積附后熱處理。推力墊30的成型相對于現(xiàn)有技術的成型方法是有效和廉價的。它還提供一種牢固的易用于例如處于井下或鉆井環(huán)境中的那些惡劣環(huán)境中的PEEK復合支承面。
可以理解，上述是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本發(fā)明不局限于所示的特殊形式。例如，該方法可以應用于多種元件；為了所需的用途或效果可以調整在PEEK復合物料中組分的精確混合；HVOF參數(shù)可以根據(jù)PEEK復合物混合物、特殊尺寸、使用的HVOF熱噴槍的型號和方法的實施環(huán)境而進行調整；及可以根據(jù)多種其它的參數(shù)來調整粘合層材料，包括用于形成基底的材料。在不脫離所附權利要求所述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行這些及其它變型元件的設計和配置。
權利要求
1.一種將聚醚醚酮(PEEK)復合物材料施加到金屬基底(32)上的方法，該方法包括將金屬粘合層(34)施加到金屬基底(32)上；和通過高速氧化燃料法(HVOF法)將PEEK復合物材料層(38)積附在金屬粘合層(34)上。
2.一種如權利要求1所述的方法，其中施加步驟包括將金屬材料電弧噴射到金屬基底(32)上。
3.一種如權利要求2所述的方法，其中電弧噴射步驟包括將鎳鋁合金電弧噴射到金屬基底(32)上。
4.一種如權利要求1-3中任一項權利要求所述的方法，其中積附步驟包括施加含有PEEK、聚四氟乙烯(PTFE)和碳混合物的PEEK復合物材料。
5.一種如權利要求1-4中任一項權利要求所述的方法，該方法還包括在施加金屬粘合層(34)之前，在金屬基底(32)上制備粗糙的表面。
6.一種如權利要求1-5中任一項權利要求所述的方法，該方法還包括在金屬粘合層(34)上積附之后，將PEEK復合物材料層(38)進行熱處理。
7.一種如權利要求6所述的方法，其中熱處理步驟包括將PEEK復合物材料層(38)加熱到大約400℃，持續(xù)30分鐘，再將層(38)冷卻到大約270℃，持續(xù)10分鐘，然后將層(38)冷卻到低于60℃。
8.一種將聚合材料施加到基底上形成支承面的方法，該方法包括制備金屬基底(32)；將金屬粘合層(34)施加到金屬基底(32)上；和通過向金屬粘合層(34)上噴射熔點高于300℃的聚合材料(36)的熱顆粒，而將聚合材料(36)積附在金屬粘合層(34)上。
9.一種如權利要求8所述的方法，其中的積附步驟是通過HVOF方法來完成的。
10.一種如權利要求8或9所述的方法，其中的施加步驟包括將金屬粘合層(34)電弧噴射到金屬基底(32)上。
11.一種如權利要求10所述的方法，其中的電弧噴射步驟包括在金屬基底(32)上電弧噴射鎳鋁合金材料。
12.一種如權利要求8-11任一項權利要求所述的方法，其中的積附步驟包括積附PEEK復合物材料(36)。
13.一種如權利要求12所述的方法，其中的積附PEEK復合物材料(36)的步驟包括積附PEEK、PTFE和碳的混合物。
14.一種如權利要求8-13任一項權利要求所述的方法，該方法還包括在金屬粘合層(34)上積附之后，將聚合材料熱處理。
15.一種如權利要求8-14任一項權利要求所述的方法，該方法還包括在施加金屬粘合層(34)之前，在金屬基底(32)上制備粗糙表面。
16.一種將PEEK復合材料(36)施加到元件表面的方法，該方法包括制備元件的表面來接受PEEK復合物混合物(36)；通過HVOF法將PEEK復合物混合物(36)噴射到表面上形成PEEK復合物層(38)；和將PEEK復合物層(38)熱處理而產生牢固的PEEK復合物涂層。
17.一種如權利要求16所述的方法，其中制備步驟包括制備不銹鋼元件(32)的表面。
18.一種如權利要求16或17所述的方法，其中噴射步驟包括噴射其平均PEEK顆粒尺寸約為70微米的PEEK復合物粉末(36)。
19.一種如權利要求16-18權利要求任一項權利要求所述的方法，其中噴射步驟包括獲得其孔隙度小于1％的PEEK復合物層(38)。
20.一種如權利要求16-19權利要求任一項權利要求所述的方法，其中噴射步驟包括噴射含有約70％PEEK、約20％PTFE和約10％碳的PEEK復合物粉末。
全文摘要
可以通過HVOF法將PEEK復合物施加到金屬基底(32)上。該金屬基底(32)是用金屬粘合層(34)被電弧噴射到其表面上而制備的。然后將粉碎的PEEK復合料(36)加熱并通過高速氧化燃料技術將其噴射到基底(32)和粘合層(34)上,從而均勻地涂覆基底(32)。接下來的HVOF加工,PEEK涂層被熱處理而生產出牢固的PEEK涂覆的基底。
文檔編號B05D1/08GK1256175SQ9912391
公開日2000年6月14日 申請日期1999年9月23日 優(yōu)先權日1998年9月23日
發(fā)明者T·H·F·譚, M·L·泰勒, B·H·譚 申請人:坎姆科國際公司