[发明专利]渗透的铁类材料

说明书

用于以分层方式制备独立金属性材料的金属合金和方法。所得到的分层构造提供了可以用第二金属渗透的选定孔隙率的金属性骨架，以提供具有小于或等于130mm3的体积损失的独立材料，根据ASTM G65‑04(2010)测量。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年2月3日提交的美国临时专利申请序列号62/111,395的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于以分层方式制备独立(free-standing)金属性材料的合金和方法。

背景技术

许多应用，例如在工具、模具、钻井、泵送、农业和采矿中发现的应用，需要具有高耐磨性的部件，以便在必须将其更换或翻新之前提高部件的耐久性和预期寿命。对材料进行设计，从而通过提供具有高耐磨性的整体(bulk)材料或提供由在整个基体中含有高耐磨性颗粒的低耐磨性基体组成的复合材料，对部件提供高耐磨性。许多这些材料需要硬化热处理，例如淬火和回火处理，以获得提供耐磨性的结构。虽然硬化处理在提高材料的耐磨性方面是有效的，但是由于部件变形和热诱导应力的破裂，它们可对经受硬化处理的部件的尺寸控制和完整性产生有害影响。

在本文中可以将分层构造理解为其中将材料层逐层地堆积(built up)或铺设以制造零件的工艺。分层构造的实例包括采用激光器或电子束能量源的粉末床熔融、定向能量沉积、粘合剂喷射、片材层压、材料挤出、材料喷射和容器光聚合(vatphotopolymerization)。与金属一起使用的主要分层构造工艺包括粉末床熔融、定向能量沉积和粘合剂喷射。本发明的重点是在粘合剂喷射的领域，包括粘合剂喷射部件的渗透。

粘合剂喷射方法是通过将粘合剂喷射(或印刷)到粉末床上，固化该粘合剂，沉积新的粉末层并重复的分层构造方法，其具有构造终形(net shape)部件的优异能力。这种方法已经商业用于从沙子、陶瓷和各种金属包括316型不锈钢和420型不锈钢(以下分别称呼它们的UNS名称S31600和S42000)制造部件。

由于在固态粘合剂喷射方法中的粉末床的性质，在该方法中生产的部件固有地具有显著的孔隙率。在固化印刷的粘合剂之后，“生结合的(green bonded)”金属部件通常具有大于或等于40％的孔隙率。生结合部件的烧结通过在颗粒之间产生冶金结合并且还减小孔隙率来增加部件的坚固性。可以使用长烧结时间以降低孔隙率大于5％，但这也会导致部件的部分收缩和变形，并可不利地影响材料结构。因此，生结合的粘合剂喷射部件的烧结目的是通过产生颗粒间的冶金结合来提高部件强度，而且通过使孔隙率的降低最小化来使变形和收缩率最小化。对于粘合剂喷射部件，烧结收缩率通常在1-5％范围内，孔隙率降低是类似的，这导致烧结部件具有大于35％的孔隙率。

烧结部件中的孔隙率不利地影响部件的机械性能，因此期望进一步降低烧结部件的孔隙率。通过毛细管作用的渗透是用于通过用处于液相的另一材料填充烧结部件中的空隙来降低孔隙率的方法。与烧结的粘合剂喷射部件以及许多粉末冶金工艺一起使用部件渗透，并且因此部件渗透是众所周知的。渗透可能遇到的主要问题包括导致不完全渗透的烧结骨架与渗透剂之间的不良润湿性，烧结骨架与渗透剂之间的材料相互作用，例如烧结骨架的溶解侵蚀和新相形成，以及由于不匹配的材料性质可发展的内应力。