金属成形方法 本发明涉及一种金属成形方法。具体地说，本发明涉及一种在衬底上喷镀(spray deposition)雾化金属的金属成形方法。(本发明所用的术语“金属”包括纯金属、具有金属基体的金属合金和复合物以及陶瓷)。
喷镀产品是用递增方法制成的，即在该方法中是由相继几层的镀层构成产品。在大多数情况下，这是指后一层是喷镀在较冷的前一层上。因为冷却时发生体积变化，所以一般会产生内应力；这种内应力可能导致产品的变形或开裂。
为了消除这种变形和开裂，必须开发合适的喷镀方法和用于控制相继的镀层在冷却过程中体积变化的手段。
在金属固化时，体积变化分三个区间发生。第一，在液相线温度以上，冷却时发生体积变化，但由于液体流动，不会产生应力。第二，在液相线和固相线之间的温度区，也发生体积变化，但冷却时直到仅剩少量液体之后，才会产生内应力，此时可能会发生超固相线开裂。
在位于固相线温度之下的第三区域，冷却时可能产生内应力(压缩应力或拉伸应力)。这些应力可能导致变形和开裂。这里有两个现象是重要的：
(a)大多数金属中与热膨胀系数直接相关的后来收缩，
(b)温度降低时发生的相变，或夹入与雾化气体反应形成反应产物，会导致体积变化，与(a)的体积变化叠加在一起。
这两种现象都可能影响内应力的形成，因此可导致产品的变形，在极端情况下甚至开裂或剥落。
现在我们已开发了一种喷镀金属地成形方法。在这种方法中，由固化或冷却时的热收缩产生的内应力可被镀层中发生的其它体积变化所抵消。
本发明方法包括如下步骤：
(i)在衬底上喷镀雾化的金属，使喷镀的金属至少部分固化；
(ii)在所述衬底上已部分固化的喷镀金属上，再喷镀雾化的金属；
(iii)让后来喷镀在上述已部分固化的喷镀金属上的金属在衬底上完全固化。
对后来雾化和/或后来喷镀的金属的冷却过程以及金属和/或雾化后来雾化金属时所用的气体的组成都进行选择和控制；使得当上述后来喷镀的金属冷却至室温时上述后来喷镀的金属固化和冷却时产生的体积收缩与后来喷镀金属中发生的反应或相变引起的体积膨胀相抵消。
可用雾化的金属将金属喷镀在衬底(如模板)上，在这种方法中将空气、惰性气体或反应性气体用于金属雾化；使得在喷镀层中逐步形成产物，被雾化的金属和雾化的气体，其选择应使得发生相变和/或与雾化气体生成反应产物和/或在至少部分的喷镀过程中引入颗粒，从而导致最后一些镀层的体积中发生膨胀或较小的收缩，将冷却时发生的正常热收缩抵消至这些后来镀层中的内应力大大减少的程度，或整个产品中各部分应力相互抵消到产品基本上不发生变形、开裂或剥落。
现已发现，在藉相继喷镀形成产品的喷雾成形条件下，某些金属组合物是特别有用的，因为它可发生相变和/或掺入喷镀后引起膨胀的反应产物，从而产生(a)中所述体积变化被(b)中所述变化抵消的异常而意想不到的效果。通过控制喷镀的条件、因此喷雾的热历程和喷镀沉积的温度、并选择合适的金属组成和/或选择与该金属组成相适宜的反应性或非反应性气体，可以使产品中产生内应力减小到最低程度、而且这些内应力的分布和平衡可使该产品在制造或以后的使用过程中不发生变形。
使用组成有梯度变化的喷镀组合物也可获得这些效果，即与先前喷镀上去的镀层相比，后来的镀层可由具有较小的收缩乃至负收缩(即在某一特定温度范围内温度降低时膨胀)的组合物构成。这样镀层可以用有控制的喷镀组合物的组成来实现，或在某些情况下可以使喷镀组合物有阶梯的变化。
我们也已发现，在衬底上喷镀钢时，在合适的条件下使用某些钢(如一些碳钢)可以在镀层中产生压缩应力；因此，按照本发明方法通过适当的控制，可以形成净应力接近于零的镀层。
冷却时钢发生各种相变。现已发现，这些相变在控制喷镀过程中发生的应力时特别有用。某些钢冷却时，奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体或马氏体的转变都伴有正的体积变化。这些在科技文献中已有深入的报道。
先前Santon描述了这种效果，他曾报道过喷镀金属层中发生的收缩应力(Metal Industry，19th Decemebeer 1958，pp509-511)。但他在其著作中只报导过较小拉伸应力的形成。他没有报道产生中性应力或压缩应力的可能，尽管在他工作中如果能达到这一点的话，肯定会有显著好处的。的确，几十年来有许多研究人员曾致力于控制应力，设法在厚的喷镀钢和其它镀层中产生中性应力，因为这样做对用喷镀法生产格子状(net shape)的产品，优点是非常大的。
但是，在用喷镀法生产的产品中发生的各种变化的具体过程是喷镀法本身所特有的。其原因是喷镀中发生的固化过程非常迅速，这常常会造成移动熔融液滴的过冷，从而延迟固化的发生。迅速冷却和过冷也影响移动液滴中固体成核方式。对此尚不能加以精确描述，因此也还不能预知所发生相变的精确本性、相的体积％及其对应力的影响。因此，早期的研究者均未能发现如何通过控制钢或其它材料中发生的相变来可靠地控制喷镀过程中的应力，这是不足为奇的。
除了这一点外，本发明的许多方面确实是令人惊奇和意想不到的。
例如，根据基本原理，由两相晶胞的晶格尺寸计算可知，从奥氏体到马丁体的相变和形成100％的马丁体会造成约为4.3％的瞬间体积变化。这些计算方法可在许多标准的冶金学大学教科书中找到，如R.E.Reed Hill；物理冶金学原理；Van Nostrand；第一版1964；第503页。
现考虑Fe-C相图(图5)以及可能发生的各种相变(参见Hansen：Constitutionof Binary Alloys；Me Graw-Hill；2nd ed.1958)。对于这些相变，还必需结合就许多种钢已经绘制的有名的时间-温度-转变率曲线来进行考察图就是其一例，(参见US Steel Company；Atlas of Isotherinal Diagrams，Reed-Hill的书中也复制了该图)。有哪些相生成，决定于钢冷却的速度。关于这一点，大多数标准教科书中(例如Reed-Hill的)均有叙述。若冷却很快，如喷镀过程中移动的金属液滴就是这样，γ→α+Fe3C的相变受到抑制，在图6中的马氏体转变开始温度(Ms)就形成了马氏体。一种含～0.8％碳的共析钢由其固相线温度1400℃冷却至马氏体转变温度210℃(参见Honeycombe：Steels，Microstructure and Properties，EdwardArnold，lst ed，1981)这冷却了1190℃，预料会产生的线性收缩为1190×12×10-6＝0.01428英寸/英寸。其计算使用了马氏体的热收缩系数12×10-6/℃。这个系数值可能偏低，实际的收缩可能更大(参见CJ.Smithells：Metals ReferenceBook；Butterworths；5th ed 1976中的数据)。因此可以算出体积收缩的保守值为：
(1.0)3-(1.0-0.0148)3＝0.0437即约4.37％。
这个数值比上述Reed-Hill一书中所述的马氏体相变所能引起的4.3％的最大体积增加(即使生成100％马氏体)还要大；因此根据这个计算，并不能由相变获得足够大的压缩应力来抵消冷却生产的拉伸应力。根据其它可能的转变为铁素氏、贝氏体或珠光体的相变，所作的类似计算结果也同样。
本发明还有一个令人惊异的发现是，在稳态喷镀温度看来是高于马氏体转变温度的条件下，有可能在钢中形成马氏体，并产生中性应力或压缩应力。虽然奥氏体向铁素体、贝氏体或珠光体的其它转变过程预料会有体积增大，但这些转变都是需要扩散时间的，因此估计不会产生与马体形成的瞬时剪切过程相同的瞬时应力消除，也不会达到同样的良好效果。这些其它相变过程也不可能产生例如足以使喷镀材料在喷镀过程中不致剥落的迅速效果。
能够产生中性应力或压缩应力以及在马氏体转变温度以上就能在钢中观察到马氏体的存在，根据本发明以及现在有的知识，可以认为是喷雾形成过程中不平衡特性引起的。回顾这样知识，可以认为，在本发明过程中观察到的效果以及因而达到应力消除的机理如下：
(a)喷雾过程中，金属液滴先过冷，然后才开始形成固体。即在描述先前预料性能的0.8％C的钢的上述例子中，在平衡的固相线温度不会发生固体成核现象。事实上，成核过程会延迟(可能相当大地延迟)到某个更低的温度。故而在奥氏体中产生的收缩应力就会减小，这是因为这种收缩应力只会在最后成核温度冷却到马氏体转变温度的过程中才产生的。例如，若最初的成核过程在805℃而非1400℃发生，那么线性收缩就会恰是前述例子中计算的一半，则如前计算出的体积收缩大约是2.2％；而在马氏体转变温度大约有51％马氏体形成，这对抵消奥氏体中的收缩应力是足够的。
(b)关于观察到喷镀0.8％C的钢试样，当稳态喷镀温度高于马氏体转变温度时实际上似乎有马氏体生成，其解释也可以是由于过程的非平衡特性的缘故。根据试验后的判断，在金属液滴聚集到衬底上时因放出潜热而复辉到较高温度以前，移动中的一个个液滴冷却到马氏体转变温度以下是完全可能的。产生这种现象的条件难以预先推测，但在实施本发明的多种实施方案时进行的实际观测强烈地表明这种机理是起作用的。
不管如何，我们事实上已能不仅在0.8％C的钢中完善地取得了所需的效果和应力控制，而且为如后述在其它一些材料中也是如此。
各种钢(例如Fe-C和Fe-Ni系统)中的马氏体转变也是特别有用的，因为在许多情况下可将喷镀温度控制在马氏体转变温度附近。如前所述，Fe-C系统中的马氏体转变温度一般在200℃左右，而这一点对本发明证明是特别有用的，因为人们已用喷镀温度的很小改变来对过程进行“调整”。
应该认识到，通过采用瞬时的喷雾喷丸处理(如英国专利1605035所述)并结合上述的相变机理，也可对应力控制的过程进行调整。
本发明的又一个内容因此是提供一种在衬底上形成钢质喷镀层的方法，该方法是产生至少一股熔融马氏体(即能形成马氏体的)钢的雾化液流，将该一股或所述每一股雾化液流喷向衬底材料，相继地形成钢的喷镀层，喷雾的气氛最好是氧的含量不大于12重量％，其余气体主要是一种既非还原性又非氧化性的气体(如氮、氩或氦，氮最适宜)，喷镀钢的冷却条件应使马氏体转变发生。这里所用的马氏体钢最好是碳钢。
还应该认识到，在不是碳钢的其它材料中也会发生类似的相变。例如在Reed-Hill一书中所述的多种合金材料如Fe-Ni，Fe-Ni-C，纯Ti，Ti-Mo，Au-Cd，In-Tl中均会发生马氏体相变。
本技术领域已知，可以选择金属熔体的雾化条件来控制喷雾中炽热金属液滴的粒度、速度、方向和温度。雾化成的熔融金属液滴一般是按锥形的喷雾形式分散出去的，该锥形的截面可以是圆截面，如本技术领域所知也可以使之呈另外形状的截面，甚至是使钢液滴喷散得更开。
衬底可以是任何适用的表面，例如是平板状或管状，雾化金属喷镀在管状衬底的内表面或外表面上。
一般要求雾化的液滴在碰撞衬底表面时应仍至少是部分液态的，否则镀层的孔隙度会太大。然而又应有一些液滴是过冷的(即过冷至固相线温度以下)。通过适当地控制雾化条件，喷雾金属在与衬底碰撞时呈部分或完全的液态，因而就过冷的液滴而言，其固化在碰撞时立刻发生，并且无需通过衬底将大量的热除去。
还有可能在衬底上加上耐火材料的纤维、晶须或颗粒，使其嵌埋在密致的复合镀层中，对其起增强作用。可将耐火材料颗粒视需要加入到喷雾中。在喷镀过程中衬底可以移动、往返运动或转动，为的是按所需方式接受金属喷雾。可以这这个特点来控制镀层的结构。
在有些实施方案中，可以先提供第一股金属液滴流，然后再提供第二股金属液滴流，使得镀层是第一层与第二层呈层叠的结构。将金属熔体以二股或多股的液滴流供给，可使操作人员在决定镀层结构上有更多的余地。
例如，可以按交替层叠的关系对每种金属形成至少两层。这些交替层的厚度对整个层叠物的性质有很大影响。在喷镀层中，其所含的每一层厚宜0.01-10mm，0.05-0.5mm更佳。
在又一个实施方案中，可以由同一喷嘴或喷枪同时喷出冷却时体积变化不同的金属。据信，在喷雾成形或喷镀工艺中，从同一喷嘴或喷枪喷出两种或多种这样的金属，其本身可能是很新颖的，有创造性的。
现在参照附图描述本发明的优选实施方案。
图1表示示范性的本发明喷镀金属成形方法；
图2是说明液滴如何在衬底上逐渐分层累积的示意图。
图3表明一般认为由于较热的液滴连续地到达较冷镀层时，本发明方法如何使得拉伸应力逐渐增大的(为了说明本方法，图3中的Ts至T6与图2中的温度相对应)。
图4说明相似的效果，但这里的拉伸应力示意性地被T3温度处的相变和由相变引起的体积增加所抵消，该温度也与图2中表示的温度相同；
图5表示与图3和图4中相似的情况，但相/体积变化过度补偿了热收缩应力，因此镀层从衬底上剥离下来后由于压缩应力而发生变形；
图6说明另一种产生补偿应力的喷镀方法；
图7和8分别说明适用于本发明方法的钢材料的温度-时间转变率图和相图。
下面给出一些实施例，结合附图进行解释和说明，以便更充分地理解本发明的实施方法。
图1是喷雾形成方法所用的设备装置总图。其中有一个或多个电弧喷枪A、B，所述的电弧喷枪产生雾化的金属喷雾2，沉积在衬底1上。衬底通常装在机械臂3上，该机械臂可以在相互垂直的方向上移动，而且可以转动。衬底通常位于喷雾室内，喷雾室有一个排气管5，与湿式气体洗涤器相连。
参见图2，金属喷雾中是许多雾化的金属液滴6。当部分液态的液滴7a落到已固化颗粒7b上面固化时，衬底1上就逐渐形成镀层，这些固态颗粒的温度可以在平衡稳态喷镀温度以上。镀层本体中的固态颗粒7c已达到并保持在平衡稳态喷镀温度。
实施例1(对比)
以氮气为喷雾气体，用0.8％碳钢在外径75毫米的管状衬底上喷镀3毫米厚的镀层。喷镀完后，切下镀层使总应力消除。发现该镀层是较小的曲率半径，表明在镀层中有(意料之外的)压缩应力。
实施例2(对比)
以空气为喷雾化气体，重复实施例1。发现曲率半径增大，镀层中的应力是拉伸应力。
将会看到，有利于实施例1中压缩应力的因素可被有利于实施例2中拉伸应力的因素所抵消，因此，选择合适的金属/气体的组成以及冷却速度，可以在固相线温度以下的冷却过程中产生有益的相变，以产生具有压缩应力、或基本上无应力、或具有另一种与特定产品形状相适合的所需应力状态的镀层。
也就是说，与采用空气喷镀不同，氮气喷镀过程中产生的相变的量会使固态相变造成的镀层体积增加，该体积增加量可补偿由收缩引起的拉伸应力，从而使镀层中的内应力变成压缩应力。
实施例3
以空气为喷雾介质，用碳含量小于0.4％的低碳钢，喷镀尺寸为75毫米×110毫米×10毫米的平板衬底。镀层中的应力值近似于零。然而当用氮气和相同的钢喷镀相同的衬底时(作为对比)，从衬底上脱离的镀层中观察到存在拉伸应力。
在本实施例中，原料中的含碳量和达到的冷却速度不足以在冷却时产生显著量的马氏体相变，但由熔融钢液滴与喷雾的空气反应产生的氧化物使得镀层的体积增大，因为氧化物的密度小于基材的密度，这还产生了抵消收缩应力的效果。
喷镀过程中在基材中加入第二相材料可以产生与上类相似的效果。在这种情况下，体积的增大是由膨胀系数远低于基材的第二相颗粒达到的。这一事实已实际应用在制造控制尺寸特别重要的喷雾法形成的部件上。
实施例4
当按上述相同的方法用空气或氧气在18/8不锈钢上喷镀金属时，产生的应力都是拉伸的。
在这个情况下，不锈钢并不产生显著量的反应产物(即氧化物)，而且已知从熔点冷却时18/8不锈钢也不发生任何显著的相变。因此在本实施例中，难于抵消金属喷镀在较冷的衬底上时固有的收缩应力。
为了抵消这种拉伸应力，所用的方法是用氮气的喷镀18/8和0.8％碳钢的交替层。这种方法可以使18/8镀层的拉伸应力与0.8％碳钢的压缩应力相抵消。对于使用复制技术喷镀成形工具或模具的情况，这种方法形成厚的壳层是特别有用的。
实施例5
按图1所示，装置中有两个电弧喷枪。喷枪A在大约与衬底表面成直角的方向上喷镀金属，喷枪B在大约与衬底表面成45度的方向喷镀金属。这两支喷枪的相对位置应使从两支喷枪喷出的材料落在衬底上相同的位置，两支喷枪与衬底的距离约为160毫米。衬底的运动操作应使喷镀材料在衬底表面上形均匀的厚度。
在本实施例中，电弧喷枪A以空气为喷雾介质，使用0.8％碳钢丝进行操作，工作电流为80安培。(工作电流的安培数与喷枪中钢丝的供料速度直接有关)。电弧喷枪B以氮气为喷雾介质，用0.8％碳钢丝进行操作，工作电流为97安培。
在这些喷镀条件下，平衡喷镀温度达到257℃的稳态值。剥离掉衬底后，镀层形状的变化表明，在从衬底上剥离之前镀层中存在剩余压缩应力。
也已发现，这种镀层很难切割，这表明在最终产物中存在有相当大部分的马氏体和/或贝氏体和/或珠光体。在本实施例中，因喷镀过程中相变而产生的体积变化过度补偿了产物中的热收缩应力，因此产生了净的压缩应力。
实施例6
在本实施例中，所用装置与实施例1相同。电弧喷枪A以空气为喷雾介质，使用0.8％碳钢丝进行操作，工作电流为140安培。电弧喷枪B以氮气为喷雾介质，用0.8％碳钢丝进行操作，工作电流为95安培。
在本实施例中，用电弧喷枪A空气喷镀的金属在一定程度上与空气中的氧气发生反应。碳被氧化，因此，液滴中的含碳量减少了。
镀层的金相结构观察证明，还形成了氧化铁；这两种氧化反应的反应热增高了从电弧喷枪A中喷出的材料温度，因此，所述的材料温度较高，可能超过马氏体转变开始温度Ms。形成的氧化铁增大了体积，但预料电弧喷枪A所喷镀的钢中的相变不能补偿热收缩应力。从电弧喷枪B中喷出的液滴到达衬底时温度较低，可能低于马氏体转变开始温度Ms，虽然不能测量。
没有在本发明过程中获得的经验，就不可能预料所有这些因素的综合作用，但衬底上的稳态喷镀温度测量为364℃。从衬底上剥离后镀层的形状变化表明，剥离前镀层中存在着残余拉伸应力。本实施例中的体积变化比实施例1中的小，所以这些变化不足以抵消拉伸的热收缩应力，结果镀层中的净残余应力状态是拉伸的。
实施例7
在本实施例中，仅使用一个电弧喷枪，即与衬底表面的夹角呈45°的电弧喷枪B。
该喷枪用0.8％碳钢丝进行操作，工作电流为95安培。提供给喷枪的喷雾气体交替使用氮气和空气。每一种气体使用时间30秒后，转用另一种气体。
在本实施例中，是将实施例1中所述的效果与实施例2中所述的效果结合起来，产生一种层状的结构。该层状结构同时也产生双金属带效果。
这种综合效果同样也不能预料。在本实施例中，稳态喷镀温度为155℃，远低于马氏体转变开始温度Ms。从衬底上剥离后，敷镀层与衬底相比没有形状变化，这表明从衬底上剥离前的镀层处于中性应力状态。
虽然上述所有效果的综合因素仍难于预料在一组特定条件下会产生的应力状态，但由于在电弧喷镀方法和其它喷镀成形方法中，可以对条件进行精确控制使其精确重复，因此，这种方法的控制性和重复性很好。
在一个场合，已成功地将这个具体方法实验上重复了8次，都得到完全相同的结果。当然，现已发现，以前和以后的实施例都能在相同的条件下再现。
实施例8
在本实施例中用电弧喷枪B产生镀层。
该电弧喷枪以氮气为喷雾介质，工作电流为100安培。送入喷枪的线材为一卷0.8％碳钢丝和一卷铜丝。两卷线材以相同的速度送入电弧喷枪中。
在本实施例中，根据实施例1中所述的本发明实施方案可以预料，在衬底上喷镀的钢因相变化而处于压缩状态。而由于铜中不存在相变来产生所需体积的增大，喷镀在衬底上的钢就处于拉伸状态。根据上述的本发明实施方案，这种铜和钢的复合镀层可以产生净中性的应力状态。
稳态喷镀温度测得为201℃，恰好低于马氏体转变开始温度Ms。从衬底上剥离后镀层没有发生形状变化，这表明镀层中的应力分布型式是平衡而中性的。
实施例9
实施例4中所述的本发明实施方案，其产品的孔隙率比通常稍高，或对许许多多用途不太适用。其原因是为了在这种情况下产生中性应力状态而降低了喷镀温度的缘故。在许多具体情况下，恰恰是主要为获得中性应力状态必须在低温下进行喷镀，结果镀层的孔隙率高于所需值。对于许多喷镀产品，特别是用喷镀成形法制造工具和模具时就是这种情况。在这种情况下，尚需要随后对低喷镀温度造成的剩余孔隙进行填充。
有许多解决这个问题的方法，但在一个具体的例子中，是在室温下将化学陶瓷溶胶渗入多孔产品。所述的溶胶在陶瓷工业中是众所周知的。许多陶瓷溶胶是可以买到的。在本发明中我们使用一种非简单的二氧化硅溶胶，将多的镀层浸渍在这种溶胶中。然后将产品干燥，在200℃低温下煅烧2小时，从而在表面孔隙中形成二氧化硅陶瓷。在这一步中没有将孔隙完充掉，但将上述步骤再重复3次，共进行4次浸渍处理，就基本上填满了所述的孔隙。
因此，最终产品的表面基本上完全致密的，而完全致密是在表面一定距离以下的部分。孔隙内生成的二氧化硅也牢固地与金属粘接，有证据表面它还与孔腔中已有的中性氧化物相粘接。
实施例10
在本实施例中，按实施例1所述的方法安装两个电弧喷枪。用实施例1所述的相似条件在衬底上喷镀厚度约为6毫米的镀层。(根据上述的结果和实施例，估计这一步中镀层中的剩余应力是压缩性的)。然后将电弧喷枪B(与衬底的夹角为45°)中0.8％碳钢丝改成铝线。继续喷镀，此时用电弧喷枪B喷铝，同时用电弧喷枪A喷0.8％碳钢。电弧喷枪B的操作电流开始时为80安培，在60秒内上升至180安培(即相对于0.8％碳钢，逐渐增加镀层中铝的百分数，从而在这个区域中产生的组成有梯度变化的组合物)。这样的同时喷镀进行60秒钟后，关掉弧喷枪A。电弧喷枪B以工作电流180安培继续喷镀6分钟的铝，在0.8％碳钢镀层的表面形成厚度约8毫米的铝层。
在形成0.8％碳钢镀层时测得的稳态温度为265℃。在喷铝时测量的稳态温度为183℃。
从衬底上剥离后，镀层没有发生形状变化。这个结果表明，从衬底上剥离前的镀层处于中性应力状态。仅为0.8％碳钢的镀层(参见实施例1)会有压缩应力。再喷上组成有梯度的铝和0.8％碳钢混镀层，然后又喷上铝层，这就产生了抵消该压缩应力的效果，即用实施例1所述的条件喷镀0.8％碳钢时产生的压缩应力被喷镀在0.8％碳钢上的铝层中产生的拉伸应力所抵消。
实施例11
在本实施例中，将单根电弧喷枪设置在距离一可旋转的圆柱形铝质芯轴(50.56外径×20毫米长)220毫米远的地方。用200安培的电流将市售纯铝丝喷镀在该圆柱形芯轴上。氮气用作喷雾气体，金属喷镀时间为60秒。
从该芯轴上将喷镀层纵切下来，得到一开口的环形圆筒。切割是沿该芯轴的旋转轴方向进行的，记录下开口环形圆筒的尺寸变化。切割后的镀层所围的最大直径为51.24毫米。这个结果表明，切割前的镀层中存在明显的拉伸应力。这是预料之中的，因为冷却时纯铝中没有相变，不会产生抵消喷镀过程中产生大拉伸应力所需的体积增大。
然后进行了第二个实验。在这第二个实验中，喷镀条件与上述的相同，不同的是将10微米大小的碳化硅粉末注入液态铝滴的喷流之中(在喷雾点附近)。这个加碳化硅粉末的步骤就在铝质环形圆筒状的镀层中加入了约10％(体积)的碳化硅颗粒。如上所述沿其旋转轴方向进行纵切，从轴上剥离。
在此情况下观察到直径仅稍稍增大到50.65毫米。这个结果表明，加入碳化硅粉末具有降低电弧喷镀铝层中拉伸应力的作用。对此总共有两个理由：
第一，在喷流中加入冷的碳化硅粉末具有降低喷流平均温度的作用。温度的降低又具有降低上述固体中总的热收缩作用。这种热收缩是与钢性能有关的。
第二，众所周知，碳化硅本身的热膨胀系数比铝低。因此，可以预料这种复合材料的热收缩要小一些，这样就减少了冷却时总的热收缩应力。
现参考图3至5和3a至5a，用图中理论上依次喷镀的层1～6示意性地说明本发明的喷镀方法。
首先参见图3，层6是刚喷镀上的层，它是半固态的，处于液滴到达温度T6。层5是刚刚固化的(温度T5)，还没有产生应力。由于在T5和T4温度之间冷却时的热收缩，层4(温度T4)相对于层1、2和3是拉伸的。层3的温度为T3，由于T5至T3的热收缩，它相对层1和2是拉伸的。层2处于稳态(平衡温度Ts)，由于T5至T2的热收缩，它相对于层1是拉伸的。层1喷镀在衬底表面上，它处于稳态温度Ts。由此可知，本实施例中的每一个固体层相对于直接接触的下层是拉伸的。固态中没有抵消热收缩应力的相变产生，所以从衬底上剥离时喷镀层变形至图3a所述的形状。
参见图4，层6和5是处于图3所述的相似状态(没有产生应力)。适当地冷却镀层(或控制稳态温度)和/或金属组合物或喷雾气体，从而由于T5至T4的收缩使层4(在T4温度)相对于层1和2是拉伸的，但层3(温度T3)发生了补偿性相变，增加了体积，使其相对于层1和2是中性的。如图5a所示，这种相变补偿了镀层中产生的热收缩应力，结果在从衬底上剥离和冷却至室温时，仍其尺寸保持精确不变。
图5表示固态中的相变过度补偿热收缩应力时的情况。以致如图5a所示，从衬底上剥离时镀层发生了压缩形变。
图6表示控制喷镀条件的状况，控制的结果是喷镀钢层30处于压缩状态，随后喷镀铝层31处于拉伸状态，结果产品总的“应力体系”为中性(即没有弯曲/变形)。