[发明专利]保护性复合材料表面

说明书

技术领域

本发明涉及为设计成在恶劣条件下使用的机器部件提供保护层，所述恶劣条件包括腐蚀环境以及经受高温、磨损和压力的环境。更具体地，本发明涉及用于这种机器部件的表面增强，以改善它们的寿命和性能。

背景技术

在恶劣的腐蚀性环境中使用的机器部件用于各种工业，例如石油和天然气勘探和生产，化学和石化工业，以及矿业和矿物加工，以及其它工业。在许多情况下，机器部件的耐腐蚀性可通过施加一个或多个阻隔涂层或层来提高，一个或多个阻隔涂层或层被设置成防止腐蚀性环境与机器部件接触并确保产品在腐蚀性环境中的寿命。

在涉及矿物加工的恶劣环境的一个特定实例中，使用称为加压酸浸的工艺从红土矿石中提取镍和钴。该工艺使用高压釜并且需要使用非常苛刻的处理条件(250℃，大于400kPa压力和90％硫酸溶液)。除了酸溶液的严重腐蚀性质之外，在所处理的浆料中通常存在高达30％的磨料固体。

涂覆金属阀座球是用于进行加压酸浸处理的高压釜中使用的机器部件之一。这些阀球必须在极端温度和压力下耐磨损，侵蚀和腐蚀。此外，球材料必须具有足够的强度以抵抗在致动期间引起的高扭矩。由于没有已知的单一材料满足所有这些要求，已经通过使用诸如热喷涂或冷喷涂(包括真空等离子喷涂)的方法以喷涂层形式沉积保护性外层来改性机器部件。典型的解决方案是将由耐腐蚀的金属粘合涂层和耐磨陶瓷顶涂层组成的保护性双层涂层施加到阀球和阀座表面。粘合涂层的作用是在部件表面和顶涂层之间提供增强的粘附性并提供腐蚀屏障。

类似于红土镍矿石的加压酸浸的操作条件在典型的浸金工艺中使用，尽管在较低的温度和压力下。浸金高压釜工艺通常使用具有镍-铬粘合涂层的阀球和具有氧化硅和氧化铝的氧化铬共混物作为顶部涂层。已经确定，这种涂层组合对于红土镍矿石的加压酸浸不是最佳的(Kim等人，Proceedings of the First International Thermal Spray Conference，2000，第1149-1153页)。

本发明人开发了对该特定工业问题的一种过去的解决方案，并且该解决方案包括向阀球和阀座提供纳米结构的氧化钛陶瓷涂层以增强耐磨性。偶尔，沉积金属层以便在陶瓷顶部涂层和金属部件之间提供更好的粘附，以及用作腐蚀屏障以保护金属部件表面。

这种真空等离子体喷涂工艺产生具有减少的氧化物的相当致密的涂层，并且直到现在通常被认为是在例如阀球的机器部件上沉积金属粘合涂层的最佳方法。

用于各种应用中的阀球的另外的涂层已经描述于例如如下文献中：欧洲专利EP 0242927；美国专利3,438,388,3,450,151,3,825,030,4,004,776,4,184,507,4,928,921,5,055,361,5,141,018,6,591,859和6,698,712；公开的美国专利申请公开号20030111113；和国际专利公开号WO 2001033120和WO 2013142833。

此外，Chu等人的美国专利公开20130244054描述了一种复合材料，其包括其上设置有金属玻璃层的钛合金衬底。金属玻璃层可以是Zr基金属玻璃、Mg基金属玻璃、La基金属玻璃、Pd基金属玻璃或Cu基金属玻璃。溅射用作沉积方法，金属玻璃层为50nm至200nm。

Murata等人的美国专利公开No.20130084450描述了一种耐腐蚀构件，其包括金属或陶瓷基板和一层含有氧化钇作为主要成分的耐腐蚀膜。其中描述了优选通过气体等离子体喷涂来喷涂膜。

Sherman等人的美国专利公开No.20140004270描述了用于形成复合金属产品(例如包层管或管子)的方法和装置。该方法包括使用热源提供具有沿着衬底的内部腔的包层组合物的金属衬底以引发包层材料在衬底上的冶金结合的步骤。包覆组合物可以形成耐腐蚀合金、金属或纳米复合材料。

Hellman等人的美国专利公开号20130202476描述了一种用热等静加压制造部件(例如阀，泵壳或管道系统部件)的方法。该方法包括以下步骤：形成用于容纳金属粉末的胶囊，制造具有中心的芯部和形成待制造的部件的外表面的形状的第二材料层，并且使用该芯用于热等静加压制成包含金属粉末和包层材料的该胶囊，以压实金属粉末和包层材料并形成该部件。

Allwood等人的美国专利公开号No.20130152652描述了用于制造所需形状的制品的旋转成形工艺。该工艺不同于常规的旋转成形，其中用至少两个用于支承在工件的表面上的支撑件代替常规心轴，所述工件能相对于两个支撑件旋转。