包含硅共晶合金的工业部件以及制备该部件的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104024446 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 2 4 4 4 6 A (21)申请号 201280064122.6 (22)申请日 2012.12.21 61/579,932 2011.12.23 US 61/727,261 2012.11.16 US C22C 28/00(2006.01) C22C 32/00(2006.01) F16K 1/20(2006.01) F16K 3/02(2006.01) F16K 5/04(2006.01) F16K 5/06(2006.01) F16K 25/00(2006.01) (7。

2、1)申请人道康宁公司 地址美国密歇根州 (72)发明人罗伯特T拉森 爱德华K纽图 瓦斯根莎玛米安 约瑟夫苏茨曼 詹姆斯扬格 (74)专利代理机构北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人苏蕾 郑霞 (54) 发明名称 包含硅共晶合金的工业部件以及制备该部件 的方法 (57) 摘要 本发明公开了一种包含Si共晶合金的工业 部件，其包括具有磨损表面的主体，其中所述主体 和所述磨损表面均包含共晶合金，所述共晶合金 包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有所述硅 的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，其中 所述第二相为二硅化物相。所述磨损表面具有耐 冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时。

3、，所述耐冲 蚀磨损性足以限制所述一种或多种金属元素中的 至少一者从所述磨损表面转移至所述磨蚀性产 品，使得所述磨蚀性产品在通过后具有所述一种 或多种金属元素M中的所述至少一者的十亿分之 200(ppb)或更低的污染水平增加。所述主体还可 以具有至少约3.2MPam 1/2 的断裂韧度。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.23 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/071242 2012.12.21 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/096765 EN 2013.06.27 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书18。

4、页 附图10页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书18页 附图10页 (10)申请公布号 CN 104024446 A CN 104024446 A 1/2页 2 1.一种工业部件，其包括： 包括磨损表面的主体，所述主体和所述磨损表面均包含共晶合金，所述共晶合金包含 硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，所述第 二相为二硅化物相， 其中所述磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，所述耐冲蚀磨损性 足以限制所述一种或多种金属元素M中的至少一者从所述磨损表面转移至所述磨蚀性产 品，所述磨蚀性产品在。

5、所述通过后具有所述一种或多种金属元素M中的所述至少一者的十 亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加，或者 其中在加热的含酸水溶液中所述主体具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。 2.一种用于阀的耐磨部件，所述部件包括： 主体，其包括用于阻挡材料通过的阻塞表面和位于所述阻塞表面周边的密封表面，所 述阻塞表面和所述密封表面中的至少一者为包含共晶合金的磨损表面，所述共晶合金包含 硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，所述第 二相为二硅化物相， 其中所述磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，所述耐冲蚀磨损性 足以限制所述一种或多种金属元素M。

6、中的至少一者从所述磨损表面转移至所述磨蚀性产 品，所述磨蚀性产品在所述通过后具有所述一种或多种金属元素M中的所述至少一者的十 亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。 3.根据权利要求1或2所述的部件，其中所述第一相为元素硅相，并且其中所述一种或 多种元素M选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Co、Ni和Ti。 4.根据权利要求1或2所述的部件，其中所述第一相为选自MSi和M 5 Si 3 的金属互化 物相，并且其中所述一种或多种元素M选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Co、Ni和Ti。 5.根据权利要求1-4中任一项所述的部件，其中所述共晶聚集体包括所述第一相和所 述第二相之一的高纵横。

7、比结构，并且其中所述高纵横比结构的至少一部分取向为基本上垂 直于所述主体的所述磨损表面。 6.根据权利要求1-5中任一项所述的部件，其中所述磨损表面为弯曲表面，并且所述 取向的高纵横比结构中的每一者取向为基本上垂直于所述弯曲磨损表面上各自最近的位 置。 7.根据权利要求2所述的部件，其中所述主体包括具有顶部和边缘的圆顶，所述圆顶 的所述顶部包括所述阻塞表面，并且所述圆顶的所述边缘包括所述密封表面，所述密封部 件为圆顶阀部件。 8.根据权利要求1或权利要求2所述的部件，其中在加热的包含浓度为至少约10重 量的酸的水溶液中所述主体表现出小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。 9.根据权利要求8所述的。

8、部件，其中所述加热的水溶液处于其沸点或高于其沸点，并 且其中所述酸选自硫酸、磷酸、甲酸、硝酸和盐酸。 10.根据权利要求1-9中任一项所述的部件，所述主体具有在垂直于所述主体的所述 磨损表面的方向上测量的至少约2.5MPam 1/2 的断裂韧度。 11.根据权利要求1-10中任一项所述的部件，所述主体具有在沿着所述主体的所述磨 损表面的方向上测量的至少约6MPam 1/2 的断裂韧度。 权 利 要 求 书CN 104024446 A 2/2页 3 12.一种耐磨阀，其包括： 阀主体，其包括入口和出口并限定所述入口和所述出口之间用于材料从所述入口到达 所述出口所通过的通道； 阀座，其在所述入口和。

9、所述出口之间联接到所述阀主体或与所述阀主体整体地形成， 所述阀座限定用于所述材料从其中穿过的所述通道中的开口；以及 密封部件，其包括具有用于阻挡所述材料通过的阻塞表面和位于所述阻塞表面周边的 密封表面的主体，所述密封部件设置在所述通道内并且被构造为在闭合位置和打开位置之 间运动， 其中，当所述密封部件处于所述闭合位置时，所述密封表面与所述阀座接合并且所述 阻塞表面将所述开口完全阻塞， 其中，当所述密封部件处于所述打开位置时，所述密封表面从所述阀座脱离使得所述 开口允许所述材料穿过其中通过；并且 其中所述密封部件、所述阀主体和所述阀座中的至少一者包括含有共晶合金的磨损表 面，所述共晶合金包含硅、。

10、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相 的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相。 13.根据权利要求12所述的耐磨阀，其选自圆顶阀、球阀、蝶阀、闸阀、汽缸阀和旋塞 阀。 14.根据权利要求12或13所述的耐磨阀，其中所述磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨 蚀性产品通过其上时，所述耐冲蚀磨损性足以限制所述一种或多种金属元素M中的至少一 者从所述磨损表面转移至所述磨蚀性产品，所述磨蚀性产品在所述通过后具有所述一种或 多种金属元素M中的所述至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。 15.根据权利要求12-14中任一项所述的耐磨阀，其中所述第一相为元素硅相，并且其 。

11、中所述一种或多种元素M选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Co、Ni和Ti。 权 利 要 求 书CN 104024446 A 1/18页 4 包含硅共晶合金的工业部件以及制备该部件的方法 技术领域 0001 本发明整体涉及包含硅(Si)共晶合金的工业部件，并且更具体地讲涉及用于阀 的耐磨部件。 背景技术 0002 在众多行业中都存在对于具有良好断裂韧度的耐腐蚀和耐磨陶瓷部件的需要。虽 然通用技术陶瓷(如碳化硅、氮化硅等)可能对于一些应用能够在小规模上满足该需要，但 是制备其所用的粉末压制技术限制可用零件的尺寸。 0003 最近已认识到可能具有可与技术陶瓷竞争的特性的硅(Si)共晶合金可通过熔铸。

12、 工艺制造(参见，例如WO2011/022058)。一种挑战为在制造此类合金的过程中，通过对整个 熔铸工艺进行足够控制而获得表现出所需的一组机械性能的取向共晶微结构。 发明内容 0004 可采用熔铸方法或工艺来制造基于Si共晶合金的具有复杂形状和大尺寸的耐磨 部件。通过控制制造工艺以产生所需的共晶微结构，耐磨部件可以表现出可与广泛使用的 技术陶瓷的机械性能竞争的机械性能，如耐磨性和断裂韧度。Si共晶合金可还表现出极佳 的耐腐蚀性。本文描述了包含Si共晶合金的工业部件、用于阀的耐磨部件、耐磨阀以及制 备耐磨部件的方法。 0005 工业部件可包括具有磨损表面的主体，其中主体和磨损表面均包含Si共晶。

13、合金， 所述Si共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相 的共晶聚集体，其中第二相为二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过 其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至 磨蚀性产品，使得磨蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分 之200(ppb)或更低的污染水平增加。主体还可以具有或作为另外一种选择具有至少约3.2 兆帕米 1/2 (MPam 1/2 )的断裂韧度。在加热的含酸水溶液中主体还可以具有或作为另外一 种选择具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。 0006 工业部件可包括。

14、含有共晶合金的主体，所述共晶合金包含硅、一种或多种金属元 素M以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相，其 中所述主体具有至少约3.2兆帕米 1/2 (MPam 1/2 )的断裂韧度，并且其中所述主体在加热 的含酸水溶液中具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。 0007 用于阀的耐磨部件包括主体，该主体包括阻塞表面和位于阻塞表面周边的密封表 面，阻塞表面和密封表面中的至少一者为包含Si共晶合金的磨损表面，所述Si共晶合金包 含硅、一种或多种金属元素M以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体；所述 第二相为二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性。

15、，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨 损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，使得磨 蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低 说 明 书CN 104024446 A 2/18页 5 的污染水平增加。 0008 耐磨阀包括：阀主体，其包括入口和出口并限定两者间用于材料从入口到达出口 所通过的通道；阀座，其在所述入口和所述出口之间联接到阀主体或与阀主体整体地形成， 其中阀座限定用于材料从其中穿过的通道中的开口；以及密封部件，其包括具有阻塞表面 和位于阻塞表面周边的密封表面的主体，其中密封部件设置在所述通道内并且被构造为在。

16、 闭合位置和打开位置之间运动。当密封部件处于闭合位置时，所述密封表面与所述阀座接 合并且所述阻塞表面将开口完全阻塞，并且当密封部件处于所述打开位置时，密封表面从 所述阀座脱离使得所述开口允许材料从其中穿过。密封部件、阀主体和阀座中的至少一者 具有包含Si共晶合金的磨损表面，所述Si共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含 有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体。所述第二相为二硅化物相。 0009 制备耐磨部件的方法包括：将硅和一种或多种金属元素M熔融在一起以形成包含 硅和一种或多种金属元素M的共晶合金熔体；从共晶合金熔体定向地移除热以定向凝固共 晶合金熔体，并且形成具有包含共晶合。

17、金的磨损表面的耐磨部件，所述共晶合金包含硅、一 种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，所述第二相为 二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以 限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，使得磨蚀性产品 在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水 平增加。 0010 硅共晶合金组合物可有利地用于其中需要表现出良好耐磨性和/或其他有利机 械性能的部件的许多行业中的任一者，例如油气行业、半导体行业、汽车行业、机器零件行 业和太阳能行业。 附图说明 0011 图1。

18、为包括密封部件、阀座和阀主体的示例性圆顶阀的透视剖视图； 0012 图2A和2B为连接至示例性流化床反应器的图1圆顶阀的透视剖视图，其中圆顶 阀处于关闭(图2A)和打开(图2B)位置； 0013 图3示出了Si-Cr合金系的相图； 0014 图4为示例性Si-CrSi 2 合金样品的表面的一部分的光学显微图； 0015 图5示出了圆顶阀的浇铸密封部件，其中密封部件包含Si-CrSi 2 合金； 0016 图6A-6B为圆顶阀的浇铸和抛光密封部件的微结构的光学显微图，其中图6A示出 了从铸件表面沿着热流动方向生长大约1mm的棒状结构，图6B示出了来自铸件中央区域的 各向同性晶粒； 0017 图7。

19、示出了在标准测量周期过程中Si磨蚀球和通过离心浇铸制备的Si-CrSi 2 样 品的固定板之间的摩擦系数，其中运行期间的不连续是为了在测试期间保持25N而增大力 的结果； 0018 图8示出了通过离心浇铸制备的Si-CrSi 2 合金的断裂韧度随热处理以及在盐水 溶液中测试较长的一段时间(4-6个月)的变化； 0019 图9A-9D示出了Si-CrSi 2 共晶合金试样块在浸入含20重量HCl的沸腾水溶液 中之前和之后最长至144小时的照片； 说 明 书CN 104024446 A 3/18页 6 0020 图10示出了各种工程合金和Si-CrSi 2 共晶合金的归一化的全面腐蚀速率，插图 以。

20、密耳/年(mpy)和毫克/平方厘米年提供腐蚀速率，其中测试值通过平均2-3个24小时 暴露测定，并且零点(nil)小于或等于1mpy； 0021 图11A-11G示出了合金试样块在浸入含20重量HCl的沸腾水溶液中之前和之 后的另外的照片；并且 0022 图12A-12L为试样块在浸入含20重量HCl的沸腾水溶液中之前(A、C、E、G、I、 K)和浸入24小时之后(B、D、F、H、J、L)的扫描电子显微照片，其中“之前”表面为抛光表 面，并且示出的合金分别为钴高温合金(Elgiloy)、合金20、316L型、合金X、合金C-276和 Si-CrSi 2 共晶合金。 具体实施方式 0023 应当。

21、注意，术语“包含”、“包括”和“具有”在本说明书和权利要求通篇中可作为单 独涵盖明确陈述的主题或与未陈述主题结合的开放式过渡术语互换使用。 0024 本发明涉及还可表现出超常耐腐蚀性的耐磨Si共晶合金。可采用本文所述的熔 铸方法来制造基于Si共晶合金的耐磨和耐腐蚀工业部件，如阀的一种或多种部件，如图1 中所示。工业部件可具有复杂形状和大尺寸。由于部件具有优异的耐冲蚀磨损性，所以阀 应用可能特别有利，但部件的使用当然不会仅限于阀。 0025 根据一个实施例，工业部件具有包括磨损表面的主体，所述主体和所述磨损表面 均包含共晶合金，所述共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式 M。

22、Si 2 的第二相的共晶聚集体，其中第二相为二硅化物相。示例性工业部件，更具体地讲用于 阀20的耐磨部件在图1中示出，如下文更详细描述的。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨 蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨 损表面转移至磨蚀性产品，其中磨蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少 一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。在加热的含酸水溶液中主体还可以具 有或作为另外一种选择具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。 0026 对于阀应用，耐磨部件(如，图1中所示的密封部件50)可具有主体52，其具有用 于阻挡材料通过的阻塞表面58和位于。

23、阻塞表面58周边的密封表面56，其中阻塞表面58和 密封表面56中的至少一者为包含共晶合金的磨损表面，所述共晶合金包含硅、一种或多种 金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi 2 的第二相的共晶聚集体。所述第二相为二硅化 物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一 种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，所述磨蚀性产品在通过 后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。 0027 第一相可为元素硅相或选自MSi和M 5 Si 3 的金属互化物相，并且一种或多种元素M 可选自Cr、V、Nb、Ta、M。

24、o、W、Co、Ni和Ti。共晶聚集体可包括第一相和第二相之一的高纵横 比结构，并且其中高纵横比结构的至少一部分取向为基本上垂直于主体的磨损表面。 0028 磨损表面可为弯曲表面并且取向的高纵横比结构中的每一者可取向为基本上垂 直于弯曲磨损表面上各自最近位置。例如，再次参见图1，主体52可包括具有顶部和边缘的 圆顶，圆顶的顶部包括阻塞表面58，并且圆顶的边缘包括密封表面56，密封部件50为圆顶 阀部件。 说 明 书CN 104024446 A 4/18页 7 0029 在加热的包含浓度至少约10重量的酸的水溶液中该主体可具有小于1密耳 每年(mpy)的腐蚀速率。加热的水溶液可处于或高于其沸点，并。

25、且其中所述酸可选自硫 酸、磷酸、甲酸、硝酸和盐酸。主体可具有在垂直于主体磨损表面的方向上测量的至少 约2.5MPam 1/2 的断裂韧度。主体可具有在沿着主体磨损表面的方向上测量的至少约 6MPam 1/2 的断裂韧度。 0030 图1示出了示例性阀20，其包括阀主体40，所述阀主体包括入口30和出口32并 限定两者间用于材料沿箭头10的方向从入口30到达出口32所通过的通道42。阀座44在 入口30和出口32之间联接到阀主体40或与阀主体40整体地形成，其限定用于材料从其 中穿过的通道42中的开口34；包括主体52的密封部件50设置在通道42内，所述主体52 具有阻塞表面58和位于阻塞表面5。

26、8周边的密封表面56。密封部件50被构造为在闭合位 置和打开位置之间运动。当密封部件50处于闭合位置时，密封表面56与阀座44接合并且 阻塞表面58将开口34完全阻塞。当密封部件50处于打开位置时，密封表面56从阀座44 脱离使得开口34允许材料穿过其中通过。 0031 密封部件50、阀主体40和阀座44中的至少一者包括含有Si共晶合金的磨损表 面。Si共晶合金包含至少50原子的硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和 式MSi 2 的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相。 0032 可称为“含硅相”的第一相可为元素硅相或金属互化物相。当第一相为元素硅相 时，第一相包含晶体硅和/或。

27、非晶硅形式的硅。当第一相为金属互化物相时，第一相包含硅 和元素M并且具有式M x Si y ，其中x和y为整数。一般来讲，金属互化物相不同于二硅化物 相，因而x不为1并且y不为2。 0033 包含Si共晶合金的磨损表面可以是与穿过阀的材料发生接触的任何表面。例如， 可能存在多个磨损表面，例如密封部件的密封表面56和阻塞表面58二者。主体52的下 侧59也可以是磨损表面。包含Si共晶合金的磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品 通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制至少一种(以及最多至全部)金属元素M从磨损表 面转移至磨蚀性材料，使得磨蚀性材料在通过后具有金属元素M中的至少一者的十亿分之 200(p。

28、pb)或更低的污染水平增加。污染水平的增加也可以小于100ppb、小于10ppb或小于 1ppb。如本文所用，“磨蚀性材料”是指莫氏硬度大于或等于硅的莫氏硬度(其为7.0)的材 料。 0034 示例性Si共晶合金试样的表征和测试(参见以下实例)已表明耐冲蚀磨损性、断 裂韧度和其他机械性能与共晶合金的微结构(尤其是在磨损表面处的微结构)有关。如权 利要求所规定的本发明可通过如下方式来调节共晶合金的某些机械性能或微结构：在有效 限制内调整一种或多种工艺条件，如，通过提高或降低过热温度，或选择特定的定向凝固方 法或工艺条件；通过使用不同的M或两种或更多种M的组合；或它们的任何组合。在讨论这 些实验之。

29、前，参考图2A和2B示出了示例性的耐磨阀，并且描述了共晶反应和富含Si的共 晶合金。 0035 制造包括一个或多个含有Si共晶合金的磨损表面的部件的优点之一可参考图 2A和2B进行理解，其示出了连接至用于制备颗粒硅产品22(如硅珠、硅粒子、硅纤维或硅 片)的流化床反应器24的圆顶阀20。圆顶阀20允许选择性分配在反应器中合成的硅产品 22。在一些情况下，硅产品22可包含高纯度硅，这意味着其具有小于或等于十亿原子分之 说 明 书CN 104024446 A 5/18页 8 1,000(ppba)的杂质含量。 0036 参见图2A和2B，包括阻塞表面58和位于阻塞表面58周边的密封表面56的密封 。

30、部件(圆顶主体)50可旋转地以介于闭合位置(图2A)和打开位置(图2B)之间的状态设 置在阀主体40的通道42内。在闭合位置，密封部件50的密封表面56与阀座44接合并且 阻塞表面48将由阀座44限定的开口34完全阻塞。因此，来自流化床反应器24的硅产品 22无法穿过开口34，如图2A中所示。相比之下，当密封部件50移动到打开位置时，如图2B 中所示，密封表面56从阀座44脱离，并且开口34至少部分地无阻挡，从而允许硅产品22 穿过开口。密封部件50可旋转进入从闭合位置(图2A)到打开位置(图2B)的任意连续 的打开位置，包括多个预定的打开位置，其中每个打开位置导致由阀座44限定的不同尺寸 的。

31、开口34。通过控制由阀座44限定的开口34的尺寸，可以控制来自流化床反应器24的硅 产品22经由阀20的通过和通过速率。 0037 如在图2B中可见，当硅产品22穿过开口并越过此类部件的暴露表面时，在硅产品 22和阀20的各种部件之间可能产生显著量的滑动(摩擦)接触。一般来讲对于硅产品，并 且具体地讲对于高纯度硅产品，可能重要的是在硅产品22经由阀20通过期间将来自阀20 的污染物向硅产品22的转移降至最低。因此，圆顶阀20的一种或多种部件可包括一个或 多个耐磨的(因而是无污染的)表面，使得磨损表面和硅产品22之间的摩擦接触不会导致 硅污染。如前所述，密封部件50、阀座44和阀主体40中的每一。

32、个可包括一个或多个无污 染的磨损表面。在一个例子中，密封部件50和阀座44中的每一者包括一个或多个磨损表 面。在另一个例子中，密封部件50和阀主体40中的每一者包括一个或多个磨损表面。在 又一个例子中，阀主体40和阀座44中的每一者包括一个或多个磨损表面。还设想密封部 件50、阀座44和阀主体40中的每一者包括一个或多个磨损表面。在其他实施例中，密封部 件50、阀座44或阀主体40包括一个或多个磨损表面。 0038 例如，密封部件可包括一个或多个含有Si共晶合金的磨损表面。再次参见图1，耐 磨密封部件50可以是包括以顶部和边缘限定圆顶形状的主体50的圆顶阀部件，其中主体 50的顶部包括阻塞表面。

33、58，并且主体的边缘包括密封表面56。密封部件50的磨损表面可 以包括阻塞表面58和密封表面56中的一者或二者。如图2B中所示，阻塞表面58和密封 表面56均可在阀20的操作期间经受与硅产品22的滑动接触。在该例子中，密封部件50 的磨损表面为具有半-半球状形状的弯曲表面。然而，设计用于其他类型的阀的密封部件 50可包括具有另一种形状的磨损表面。另外，密封部件50的下侧59也可以是磨损表面。 0039 阀座44还可以包括或作为另外一种选择包括此类磨损表面。因为由阀座限定的 开口涵盖了比通道小的横截面积，如可在图1中所见，所以阀座44在硅产品22穿过阀并越 过阀座的暴露表面时可与其发生重复的滑动。

34、接触。阀主体40也可以经受与硅产品22的滑 动接触，并且可得益于包括含有Si共晶合金的磨损表面。 0040 除了良好的磨损性能之外或作为另外一种选择，有利的是耐磨部件表现出良好 的断裂韧度，或者良好的耐腐蚀性，或者它们的任何组合。因此，Si共晶合金可不仅存在 于磨损表面处，还存在于耐磨部件的本体内。因此，示例性圆顶阀20的密封部件50、阀座 44和/或阀主体40可具有至少约3.2MPam 1/2 的断裂韧度。断裂韧度还可以为至少约 6MPam 1/2 ，并且可不超过25MPam 1/2 。更具体地讲，在沿着主体的磨损表面的方向上测量 的断裂韧度可为至少约6MPam 1/2 ，并且在垂直于磨损表。

35、面的方向上测量的断裂韧度可为至 说 明 书CN 104024446 A 6/18页 9 少约2.5MPam 1/2 。在密封部件50中的富含Si的共晶合金暴露于腐蚀性环境例如盐水溶 液后，断裂韧度可得以保持，或者断裂韧度的损失可得到抑制。 0041 除了图1中所示的示例性圆顶阀20之外，其他类型的阀(包括球阀、蝶阀、闸阀、 汽缸阀、旋塞阀等)可包括耐磨部件，其包括含有共晶合金的磨损表面，其中共晶合金包含 硅、一种或多种金属元素M，以及含硅相和式MSi 2 的二硅化物相的共晶聚集体。还设想上述 耐磨部件可用于除阀之外的应用或系统。 0042 共晶反应和Si共晶合金 0043 参见图3的示例性相图。

36、，元素Si和M的共晶反应可描述如下： 0044 (1)或 0045 (2) 0046 其中液相(L)和两个固相(例如，如在(1)中的Si和MSi 2 ，或如在(2)中的M x Si y 和MSi 2 )在共晶组成以及对应的共晶温度下存在平衡。就二元共晶合金而言，共晶组成和 共晶温度限定不变点(或共晶点)。具有共晶组成的液体在通过共晶温度冷却时经历共晶 凝固以形成由固相的共晶聚集体构成的共晶合金。具有共晶组成的共晶合金与元素或化合 物成分及其任何其他组成相比在较低温度下熔融(“共晶”源自希腊语“eutektos”，意思为 “易于熔融的”)。 0047 就包括各自形成硅化物的两种或更多种金属元素M。

37、的多组分共晶合金而言，共晶 边界曲线可限定在多个不变点之间。例如，就包括经历上述反应(1)的至少50原子的Si 和两种金属元素(MM a ,M b )的三元共晶合金而言，共晶边界曲线连接两个二元共晶点，一 个由Si和M a Si 2 限定，另一个由Si和M b Si 2 限定。具有位于共晶边界曲线上的组合物的液 体在冷却时经历共晶凝固以形成共晶合金。 0048 在通过共晶温度冷却时形成的具有共晶组成的固相(如，Si和MSi 2 或M x Si y 和 MSi 2 )限定具有取决于凝固过程的形态的共晶聚集体。该共晶聚集体可以具有层状形态，该 形态包括交替的固相层，所述固相层可根椐它们各自的体积分。

38、数被称为基体相和增强相， 其中增强相以比基体相低的体积分数存在。换句话讲，增强相以低于0.5的体积分数存在。 增强相可包括离散的共晶结构，而基体相可以是基本上连续的。例如，共晶聚集体可包括分 散在基本上连续的基体相中的棒状、板状、针状和/或球状结构的增强相。此类共晶结构可 被称为“增强相结构”。 0049 当至少一个维度(如，长度)超过了另一个维度(如，宽度、厚度、直径)2倍或更 多倍时，共晶聚集体中的增强相结构还可被称为高纵横比结构。可通过光学显微镜或电子 显微镜使用标准的测量和成像分析软件测定增强相结构的纵横比。可控制凝固过程以在基 体相中形成并对齐高纵横比结构。例如，当共晶合金通过定向凝。

39、固工艺生成时，可以沿着凝 固的方向对齐多个高纵横比结构，如例如在图4中所示，其示出了垂直于示例性Si-CrSi 2 共晶合金样品表面对齐的棒状结构(并且在图像中从端部观察)的光学显微图像。 0050 增强相结构彼此可间隔0.5至2倍于结构的平均侧向尺寸的平均特征间距。例 如，对于平均直径从约1微米至约50微米的棒状结构，平均特征间距可为约500nm至约 100微米。就较小的增强相结构(如，平均侧向尺寸在约1微米至约5微米的范围内的较小 直径棒或较小粒子)而言，平均特征间距可在约0.5微米至约10微米，或约4微米至约 说 明 书CN 104024446 A 7/18页 10 6微米的范围内。增强。

40、相结构的平均长度可在约10微米至约1000微米，并更典型地约100 微米至约500微米的范围内。 0051 一般来讲，术语“异常的”或“不规则的”和“正常的”或“规则的”可用于描述共晶 聚集体的均匀度程度，而在均匀度极限值处或附近，异常的或不规则的共晶结构无规取向 和/或尺寸不均匀，而正常的或规则的共晶结构则表现出很大程度的对齐和/或尺寸均匀 度。“很大程度”的对齐(或尺寸均匀度)是指其中至少约50的共晶结构对齐和/或具 有相同尺寸的构型。优选地，共晶结构的至少约80对齐和/或具有相同尺寸。例如，正常 的共晶聚集体可包括以其中硅化物棒(silicide rod)的约90对齐的构型嵌入硅相的给 。

41、定宽度或直径的硅化物棒。共晶聚集体的硅化物棒可布置成单个“群体”或遍及硅基体的 多个群体，其中每个群体包括具有很大程度对齐的棒。短语或术语“基本上对齐的”、“基本 上平行的”和“取向的”在结合增强相结构使用时，可被认为与“具有很大程度对齐”具有相 同的含义。 0052 本文所述的共晶合金可完全或部分地由含硅相和二硅化物相的共晶聚集体构成。 当共晶合金以其共晶浓度比(即，以合金的共晶组成)包含硅和金属元素M时，则100体积 百分比(体积)的共晶合金包含共晶聚集体。 0053 另一方面，如果共晶合金以其亚共晶浓度比包含硅和金属元素M，其中硅浓度小于 共晶浓度(下限0原子的Si)，那么小于100体积。

42、的共晶合金包含共晶聚集体。这是由 于冷却期间非共晶相在共晶聚集体形成之前形成。 0054 相似地，如果共晶合金以其过共晶浓度比包含硅和金属元素M，其中硅浓度超过共 晶浓度(上限0原子的硅浓度的下限。还设想共晶合金熔体可以以其过共晶浓度比包含硅和一种 或多种金属元素M，其中过共晶浓度比具有基于100原子的Si的硅浓度的上限。由共晶 合金熔体形成的共晶合金可具有任何上述属性和化学性质。 0092 从共晶合金熔体定向地移除热可能需要使凝固前沿移动穿过共晶合金熔体，其中 凝固前沿限定共晶合金熔体和共晶合金组合物之间的界面。可从模具中的共晶合金熔体定 向地移除热，所述模具具有间隔开的限定两者间壁的内表面。

43、和外表面，其中内表面限定容 纳熔体的封闭的体积空间。凝固前沿的行进方向可在其法向上远离模具的内表面。在凝固 期间形成的共晶合金的共晶聚集体可包括取向为基本上平行于凝固前沿的行进方向的增 强相(其可为第一相或第二相)的高纵横比结构，其可相对于模具的内壁为法线(垂直) 方向。 0093 还设想凝固前沿的行进方向(并且因而，高纵横比结构的取向)可随远离模具内 壁的距离而变化。例如，该模具可包括布置在其中的一个或多个导热分流管以控制凝固前 沿的运动方向以及所得的高纵横比结构的对齐。 0094 为了有利于冷却，可通过例如水冷却、空气冷却或强制通风冷却或通过对模具表 面改性来主动冷却模具的外表面，以调节热。

44、扩散率从而保持对热梯度的控制，其中外表面 通过模具壁与内表面分隔。这还可能包括主动冷却流动穿过铸件中央的气体，以允许由内 而外或由外而内凝固。换句话讲，还设想凝固前沿可从模具中央沿向外方向朝模具内壁行 进。 0095 作为被动冷却或主动冷却的结果，模具的外表面可以以至少约10摄氏度/分钟 (/min)、至少约50/min、至少约100/min或至少约500/min的速率冷却。另外，可 从共晶合金熔体以至少约10/min、至少50/min、至少约100/min或至少约500/ min的速率移除热。 0096 该模具可由导热材料(如石墨或金属或耐火材料)制成。优选地，模具的材料在 加工期间不与共晶。

45、合金熔体反应。该模具可包括位于接触共晶合金熔体的一个或多个表面 上的屏蔽涂层，以抑制或防止熔体和模具材料之间的反应。熔融和凝固可发生在真空或惰 性气体环境中。真空环境被认为是保持在约10 -4 托(约10 -2 Pa)或更低(其中较低压力与 较高真空相关)的压力下的环境。优选地，真空环境保持在约10 -5 托(10 -3 Pa)或更低并且 大于0Pa的压力下。 0097 模具的内壁可以是弯曲的，因此所得的耐磨部件可以具有弯曲的表面。模具和耐 说 明 书CN 104024446 A 14 12/18页 15 磨部件一起可构成多部件制品，其中模具和耐磨部件可有效接触或连接。或者，该方法还可 以包括。

46、将耐磨部件和模具彼此分离，以得到不具有模具的耐磨部件。耐磨部件可直接用于 工艺；或者，耐磨部件可进一步加工，如，通过机械加工。耐磨部件有利地可用于需要所制造 的部件具有至少一种稳固的机械性能的任何行业，例如油气行业、半导体行业和太阳能行 业。例如，该部件可用于保持、阻挡和/或转移损害性(abusive)物质，如来自油井的热原油 或热原油与盐水的混合物，或在半导体或太阳能制造操作中转移磨蚀性材料，例如颗粒硅。 0098 熔融在一起可能需要将硅和元素M加热至共晶合金的共晶温度或以上并低于共 晶合金的过热温度的预定温度，如下所定义。作为另外一种选择，可以将硅和元素M加热至 Si共晶合金的过热温度或以。

47、上的预定温度。有利地，将熔化的硅和元素M保持在预定温度 下持续足以发生扩散和使熔体均质化的一段时间。 0099 过热温度优选充分远高于共晶温度，以促进快速扩散，且在不需要过长的保持时 间(如，长于约60min)的情况下允许均匀熔体形成。在凝固之前获得均匀的熔体对于合金 的共晶组成特别重要，因为这使得在冷却时熔体的整个体积发生共晶凝固。如果共晶合金 熔体的局部区域与共晶组成存在偏差，那么这些局部区域可能在凝固期间经历不期望的非 共晶相的沉淀和粗化。 0100 因此，对于共晶合金有利的是，过热温度比共晶温度高至少约50、比共晶温度 高至少约100、比共晶温度高至少约150、比共晶温度高至少约200。

48、、比共晶温度高 至少约250或比共晶温度高至少约300。过热温度还可比共晶温度高至多约500， 或者比共晶温度高至多约400，或者比共晶温度高至多约300，或者比共晶温度高至多 约200；或者上述至少值和至多值的任何可用组合。例如，对于Si-CrSi 2 体系，过热温度 可位于约1400至约1600的范围内，其比Si-Cr共晶体系的共晶温度高出约65至约 265。 0101 通常，共晶合金熔体保持在预定温度下的保持时间为至多约60min、至多约40min 或至多约20min。共晶合金熔体还可以保持在预定温度下至少约5min、至少约10min、至少 约20min、至少约40min或至少约60mi。

49、n；或者上述至少值和至多值的任何可用组合。例如， 保持时间可为约20min至约60min。较短的保持时间可与较高的预定温度结合使用。 0102 耐磨部件可在两部分浇铸工艺中形成，并且可包括与部件的另一部分相邻设置的 耐磨部分或耐磨层，其中耐磨部分包含定向凝固的Si共晶合金，并且另一部分由另一种金 属或合金(例如铝合金或钢)浇铸或定向凝固。相邻部分可粘合或以其他方式固定在一起。 还设想所述包含Si共晶合金的部分或层可通过热喷涂或其他涂覆方法形成。 0103 耐腐蚀性 0104 本文所述的耐磨Si共晶合金还可表现出超常的耐腐蚀性。化学工艺通常涉及侵 蚀性环境，如热盐酸(HCl)溶液。HCl为具有强酸性特征以及反应性氯离子的还原酸，所述 强酸性特征和反应性氯离子相结合以使HCl具备极强的化学腐蚀性。虽然目前存在许多被 设计用于抵抗腐蚀的结构合金，但是只有极少数表现出极佳的对侵蚀性的热盐酸环境的抵 抗性。。