[发明专利]具有可变性质的金属性结构

说明书

相关申请的交叉引用

这是2007年12月20日提交的美国专利申请号12/003,224的部分连续。

技术领域

本发明涉及金属性材料的直流(DC)或脉冲电沉积以提供至少部分包含具有2～10000nm的平均晶粒尺寸的细晶粒金属性材料的可变性质产品。

背景技术

现代的轻质耐久制品需要多种物理性质，通过用整料式材料合成方法通常无法实现。现有技术中描述了在该制品的整个深度上具有可变性质的材料，其在各水平或层之间的性质不同。这些包括具有分级性质的部件(使得不同的水平或层具有不同的孔隙率、化学组成、晶粒尺寸、填料量和/或硬度值)，其在不同的水平中具有不同的孔隙率、组成、晶粒尺寸、填料量和/或硬度。

提供根据一种或多种性质分级的金属性制品(其是在不同层中具有不同性质的多层)的一种方法是通过烧结粉末的压制。因为经常无法避免有害的杂质污染，部件形状灵活性受到限制，该工艺耗费能量，且不容易规模放大，因此迄今为止该方法在实用性方面受限。

已经认识到用于制备包括金属性材料的多水平和/或多层制品的优越方法是通过脉冲电沉积。Detor等的美国专利申请号US 2006/0272949A1教导了包括双极脉冲和选择并改变极性比以提供仅在沉积方向上的不同等级之间具有不同晶粒尺寸和/或组成的分级结构的电沉积方法。改变极性比包括改变脉冲的负部分与正部分相比的幅度和/或持续时间。该方法具有以下缺点：其不能用于纯金属，即仅可用于合金，且分级取决于极性比的改变，而极性比不是直接施加给该系统的参数。反向(阳极)脉冲的使用需要昂贵的能源，且导致电镀效率的显著降低，因为在该反向脉冲过程中发生了金属的溶解。Detor通过调制仅由正向脉冲工作时间以及之后立即的阳极脉冲工作时间构成的脉冲波形，使用电沉积制备了具有可变组成和晶粒尺寸的纳米晶体的Ni-W合金涂层。

Podlaha在US 20040011432A1(2002)中公开了用于具有包括包含钨、镍、铁和/或钴的金属合金的运动部件的微传动装置和微装置中的微结构。使用使用小于20％的工作周期(duty cycle)的脉冲电沉积技术电镀了Ni-W和Ni-Fe合金到500μm或更大的高度，以及如果需要为结构的不同部分引入不同的性质，该合金组合物可以具有受控的梯度。在重要的是提高硬度的情况下(例如在具有运动部件的微传动装置和其他微装置中)，使用Ni-W合金；而在需要小的热膨胀系数的情况下，可以主要使用Ni-Fe合金。该技术特别适用于将Ni-W或Ni-Fe镀在微结构的深凹槽内。未提及晶粒尺寸，而本发明需要在2nm～10000nm范围的平均晶粒尺寸以使得能够从软的延展性变化到硬的抗磨损性。

Erb在US 5,352,266(1994)和US 5,433,797(1995)中描述了用于制备纳米晶体金属和合金的电镀方法。通过施加脉冲电流在含水的酸性电解槽中将该纳米晶体材料电沉积在阴极上。没有描述在金属性沉积物中的性质变化。

Palumbo US 10/516,300(2004)公开了用于使用高沉积速率形成纳米晶体金属、金属合金或金属基质复合物的涂层或自立式沉积物的电镀方法。该方法能够采用使用脉冲电沉积以及非必要地非固定的阳极或阴极的罐、鼓或选择性电镀工艺。还公开了新的纳米晶体金属基质复合物。没有描述在沉积涂层中的性质变化。

发明内容

本发明的目的是制备包含金属性材料且非必要地包含颗粒、通过其厚度的至少一部分具有细晶粒尺寸(即平均晶粒尺寸为2nm～10000nm)的晶体微结构的厚(20微米～5cm)的、可变性质的电沉积物，其可以是涂层(在基体的表面的至少一部分上)或独立形式。该微结构还能够部分包含无定形和/或粗晶粒部分。本文中的术语“可变性质”表示数种结构：(1)分级结构，其中在沉积物等级(水平)之间的沉积方向上且非必要地还在沉积物等级(水平)内(即沿沉积物等级的长度或宽度)至少一种性质变化至少10％且高达无穷；(2)分层结构，包括夹在彼此之间/堆积在彼此顶部的具有不同性质的多个子层；和(3)混合的可变性质和分层的结构，其中该沉积物包含包含(1)和(2)的子结构。各自限定为具有1.5nm的最小厚度的子层内的性质典型地保持相同。因此在子层之间存在性质(例如晶粒尺寸)的阶梯式/突然改变。然后能够交替使用具有不同性质的子层或者能够在随后的子层中引入新的性质以组装成最终的沉积物。