耐热涂覆部件，制备方法以及采用该部件进行的处理 【技术领域】
本发明涉及一种用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理的耐热涂覆部件，一种制备这种部件的方法，以及一种采用该涂覆部件对粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料进行热处理的方法。
背景技术
粉末冶金产品的制造过程通常包括：对原始合金与构成粘结剂相的粉末进行混合，然后，对所获混合物进行揉制，之后，进行压制、烧结和后处理。烧结步骤在真空或惰性气氛下，1000-1600℃的高温下进行。
在一种典型的硬质合金制造方法中，对存在钴的碳化钨、碳化钛以及碳化钽的固溶体进行粉碎并且加以混合，然后，对其进行干燥并且颗粒化，制备出颗粒状的粉末。然后，对该粉末进行压制，随后，再进行脱蜡、预烧结、烧结以及机加工等步骤，获得最终地硬质合金产品。
烧结在等于或高于硬质合金液相线温度的条件下进行。例如，WC-Co三元系的共晶温度为1298℃。烧结温度一般为1350-1550℃。在烧结步骤，重要的是控制气氛，以便能够稳定地烧结出准确含有目标碳含量的硬质合金。
当通过在约1500℃下烧结来制备硬质合金时，放在碳托架上的生坯样品经常与该托架反应。即出现称作渗碳的过程，该过程中，托架中的碳渗入样品中，降低了样品的强度。已经进行了一些努力，试图通过选择其它的托架材料或者在托架表面上提供由不与生坯样品反应的材料构成的隔离层来避免这一问题的出现。例如，在烧结硬质合金材料时通常使用陶瓷粉末，例如氧化锆、氧化铝和氧化钇。一种形成这种隔离的方法是将所述陶瓷粉末散布在托架上，用其作为铺垫粉末。另一种方法是用溶剂对陶瓷粉末进行混合并且将所获混合物喷涂覆盖在托架上或者作为高粘性的浆液涂布在其上面。还有一种方法是通过使用热喷涂或者其它合适的方法在托架上沉积一层致密陶瓷膜来形成涂层。在托架表面上形成这种氧化物层作为隔离层有时有助于防止托架与样品发生反应。
一般地，粉末冶金或者陶瓷制造工艺包括焙烧或烧结以及热处理步骤。将要成为产品的样品被放在托架上。由于样品能够与托架材料进行反应，引起变形或者成分的变化，或者在产品中引入杂质，因此，存在许多不能以高产率对产品进行焙烧或烧结的情形。如上所述，有许多方法能够防止托架与产品发生反应。例如，采用氧化物粉末如氧化铝或氧化钇或者氮化物粉末如氮化铝或氮化硼作为铺垫粉末。另一种方法是，将这种氧化物或者氮化物粉末与有机溶剂混合，形成浆液，将该浆液涂覆或者喷涂在托架上，在托架上形成能够防止托架与产品发生反应的涂层。但是，在使用隔离粉末时，会有一些铺垫粉末沉积在产品上。由于涂层会从基体(托架)上剥离，因此，必须每隔一个或几个烧结步骤重复进行浆液的涂覆。
为了解决上述问题，JP-A 2000-509102提出采用热喷涂技术在托架表面上形成一种致密的涂层。具体而言，当在材料烧结中采用石墨托架制备硬质合金或者金属陶瓷时，在石墨托架上涂覆一层Y2O3制的覆盖层，该覆盖层含有最多20％(重量)的ZrO2或者等量的其它耐热氧化物如Al2O3或者它们的组合，其平均厚度至少10微米。
尽管该专利公开中的热喷涂涂层能够有效防止与产品的反应，但是，由于重复热循环使涂层与托架之间的界面发生热退化，因而同样存在涂层易剥落的问题。因此，要求提供一种即使在进行重复热循环时氧化物涂层也不会从基体上剥离的涂覆部件，也就是说，该涂覆部件具有耐热性、耐腐蚀性、耐久性和非反应性。
更具体地，甚至在碳托架上形成隔离层时，在隔离层与托架之间能够发生反应。在进行一个或者几个烧结循环之后，隔离层开裂，破碎并且剥落。涂层的剥落会使得碳托架与样品发生反应。在烧结步骤期间，涂层会剥落并且破碎成经常进入样品内的碎片。然后，必须使用新涂覆的托架。
出于上述原因，需要一种长寿命的托架，其中，当用来进行烧结时，隔离层不会与样品反应或者与托架基体反应或者发生剥落，并且，当用于粉末冶金产品的烧结时，即使重复使用之后，隔离层也不会与样品发生反应或者从基体上剥离。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种涂覆部件，该部件当用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理时，表现出优异的耐热性、耐腐蚀性以及非反应性。另一个目的是提供一种制备所述涂覆部件的方法。再一个目的是提供一种使用所述涂覆部件进行热处理的方法。
已发现：当用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理时，一种耐热涂覆部件表现出优异的耐热性、耐腐蚀性和非反应性。该耐热涂覆部件中，采用含稀土的氧化物涂覆在选自于Mo，Ta，W，Zr和碳的材料的基体上。当含稀土的氧化物涂层的表面层的维氏硬度至少50Hv时，能够抑制氧化物涂层从基体上分离。当表面层表面的中心线平均粗糙度Ra最大为20微米时，该涂覆部件在烧结或热处理期间能够更有效地防止陶瓷产品发生变形。
也已发现：当用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理时，一种耐热的涂覆部件表现出耐热性、耐久性(进行重复热循环时该涂层很少发生剥落)以及对产品的非反应性。该耐热涂覆部件中，采用含稀土的氧化物涂覆在线膨胀系数至少为4×10-6(1/K)基体上。
又已发现：当用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理时，一种耐热的涂覆部件表现出耐热性、耐久性(进行重复热循环时该涂层很少发生剥落)、对产品的非反应性以及抗粘附性。该耐热涂覆部件中，采用一种具有特定组成的层涂覆在耐热基体上，该特定组成包括镧系元素和3B族元素如Al，B或者Ga的复合氧化物。
在第一个实施方案中，本发明提供：
(1)一种耐热涂覆部件，该耐热涂覆部件包括由选自于Mo，Ta，W，Zr和碳的材料制成的基体以及在基体上的含稀土的氧化物涂层，所述含稀土的氧化物涂层包括维氏硬度至少50Hv的表面层。
还提供了(2)一种制备耐热涂覆部件的方法，所述方法包括采用含稀土的氧化物涂覆由选自于Mo，Ta，W，Zr和碳的材料制成的基体，以及对涂层的表面进行热处理，以使该表面的维氏硬度至少50Hv；以及
(3)一种对粉末冶金金属、金属陶瓷或者陶瓷材料进行热处理的方法，其包括将所述材料放在根据权利要求1的耐热涂覆部件上以及对该材料进行热处理的步骤。
在第二个实施方案中，本发明提供：
(4)一种耐热涂覆部件，其包括线膨胀系数至少为4×10-6(1/K)的基体以及涂覆在该基体上的包含含稀土的氧化物，并优选由含稀土的氧化物构成的涂层。
优选地，所述涂层包含至少80％(重量)的稀土氧化物，余量为另一种与之混合、组合或者层积一起的金属氧化物。还优选所述稀土氧化物主要由至少一种选自于Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Gd的元素的氧化物构成。
在一种典型应用场合，所述涂覆部件用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结。
在第三个实施方案中，本发明提供定义如下的涂覆部件。
(5)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含镧系元素的氧化物、Y，Zr，Al或Si的氧化物、这些氧化物的混合物、或者这些元素的复合氧化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含镧系元素和3B族元素的复合氧化物。
(6)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含镧系元素的氧化物、Y，Zr，Al或Si的氧化物、这些氧化物的混合物、或者这些元素的复合氧化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含钇、可选的一种镧系元素和一种3B族元素的复合氧化物。
(7)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属，或者它们的碳化物或氮化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含镧系元素和3B族元素的复合氧化物。
(8)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属，或者它们的碳化物或氮化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含钇、可选的一种镧系元素和一种3B族元素的复合氧化物。
(9)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含ZrO2，Y2O3，Al2O3或者镧系元素的氧化物，所述各氧化物的混合物，或者Zr，Y，Al或者镧系元素构成的复合氧化物和一种选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含镧系元素和3B族元素的复合氧化物。
(10)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含ZrO2，Y2O3，Al2O3或者一种镧系元素的氧化物，一种这些氧化物的混合物，或者Zr，Y，Al或者镧系元素的复合氧化物和一种选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含钇、可选的一种镧系元素和一种3B族元素的复合氧化物。
优选地，所述钇和3B族元素的复合氧化物含有至多80％(重量)的Y2O3和至少20％(重量)的Al2O3。
(11)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含镧系元素的氧化物、Y，Zr，Al或Si的氧化物、这些氧化物的混合物、或者这些元素的复合氧化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含一种镧系元素、铝或钇的复合氧化物。
(12)一种耐热涂覆部件，其包括一种金属、碳、或者碳化物、氮化物或者氧化物陶瓷基体；一种位于该基体上的中间涂层，该中间涂层包含选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属，或者它们的碳化物或氮化物；以及一种位于该中间涂层上的涂层，该涂层包含铝的氧化物或者镧系元素的氧化物。
还提供了下述更具体的实施方案。
(13)一种耐热涂覆部件，其包括碳基体、在其上形成的Yb2O3隔离层，以及在隔离层上形成的并且含有主要由至多80％(重量)的Y2O3和至少20％(重量)的Al2O3构成的复合氧化物的涂层。
(14)一种耐热涂覆部件，其包括碳基体、在其上形成的ZrO2隔离层，以及在隔离层上形成的并且含有主要由至多80％(重量)的Y2O3和至少20％(重量)的Al2O3构成的复合氧化物的涂层。
(15)一种耐热涂覆部件，其包括碳基体、在其上形成的ZrO2和Y2O3隔离层，以及在隔离层上形成的并且含有主要由至多80％(重量)的Y2O3和至少20％(重量)的Al2O3构成的复合氧化物的涂层。
(16)一种耐热涂覆部件，其包括碳基体、在其上形成的钨隔离层以及在隔离层上形成的并且含有主要由至多80％(重量)的Y2O3和至少20％(重量)的Al2O3构成的复合氧化物的涂层。
优选实施方案描述
在本发明的第一个实施方案中，耐热涂覆部件包括由选自于钼Mo，钽Ta，钨W，锆Zr和碳C的材料制成的基体以及涂覆在基体上的含稀土的氧化物层。该涂覆部件设计用于真空或者惰性或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷的烧结或热处理，以便形成硬质合金或者类似产品。推荐依据产品本身以及烧结和热处理期间采用的温度和气体，对基体类型、涂覆氧化物的类型以及它们的组合进行改变和优化。
本发明的涂覆部件作为熔炼金属用的坩埚或者作为制作和烧结各种复合氧化物用的定位器件(jig)特别有效。这类定位器件的实例包括码砖机、匣钵、托架和模具。
本发明中，形成用于对粉末冶金金属、金属陶瓷和陶瓷进行烧结或热处理使用的耐热耐腐蚀部件的基体的材料选自于钼，钽，钨，锆和碳。
当采用碳作为基体时，碳基体的密度优选至少1.5g/cm3，更优选至少1.6g/cm3，最优选至少1.70g/cm3。注意：碳的真密度为2.26g/cm3。当基体密度低于1.5g/cm3时，尽管这种低密度可使基体具有良好的抗热冲击性能，但是，孔隙率很高，这会使得基体更容易吸收大气中的湿气和二氧化碳，并且，有时导致在真空中释放出已吸收的湿气和二氧化碳。
当对透明陶瓷例如YAG进行烧结时，在真空、惰性气体或者弱还原性气氛中，1500-1800℃的温度范围内的处理，由于温度高，可能在基体材料与涂覆氧化物之间以及涂覆氧化物与产品之间发生反应。因此，重要的是选择不利于发生这种反应的基体与涂覆氧化物组合。特别是在高于1500℃的温度下，当采用碳作为基体时，铝和稀土元素在真空或还原性气氛中趋于形成碳化物。在这种情况下，理想的是使用将钼、钽或钨基体与作为氧化物涂层的含稀土的氧化物组合在一起的涂覆定位器件。
为此，优选基体的线膨胀系数至少为4×10-6(1/K)。那么，将本发明的第二个实施方案中的耐热涂覆部件定义为包括具有上述范围的线膨胀系数的基体和在其上涂覆的含稀土氧化物层。
更具体地，在第二个实施方案中，采用线膨胀系数至少为4×10-6(1/K)的基体作为形成用于粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷的烧结或热处理中、具有耐热性、耐腐蚀性和耐久性的涂覆部件的基体。优选基体的线膨胀系数为4×10-6-50×10-6(1/K)，更优选为4×10-6-20×10-6(1/K)。此处使用的线膨胀系数是本领域中公知的固体的热膨胀系数。该值由方程：α＝(1/L0)×(dL/dt)给定，其中，L0是0℃时的长度，L是t℃时的长度。注意：此处使用的线膨胀系数是在20-100℃温度范围内的平均测量结果。
含稀土的氧化物作为防止与粉末冶金产品、金属陶瓷产品或者陶瓷产品反应的保护性涂层很有效，此类氧化物在20-400℃温度范围内的线膨胀系数一般为4×10-6-8×10-6(1/K)。当在基体上采用热喷涂技术由这种稀土氧化物在基体上形成涂层时，重要的是基体的线膨胀系数等于或大于含稀土的氧化物涂层的线膨胀系数。这种安排能够限制涂层在热循环期间发生脱层。这是因为存在在热喷涂领域公知的锚固效应。
选择具有比涂层更高的线膨胀系数的基体能够增强这种锚固效应。应该了解：可以使用的基体材料的类型在某些情形下受到限制，原因是依据粉末冶金产品、金属陶瓷产品或者陶瓷产品所承受的焙烧或烧结温度和气氛或者热处理温度和气氛，还必须考虑基体的熔点和耐气氛腐蚀性。
例如，碳基体是一种在1400-1600℃的真空气氛中使用的典型基体。由于密度低、重量轻、强度高并且易于机械加工，因此，碳基体被广泛地应用于烧结。当碳用作被氧化物涂层覆盖的基体时，该基体的线膨胀系数优选至少4×10-6(1/K)。如果线膨胀系数小于4×10-6(1/K)，则锚固效应变弱，当在至少1400℃的高温下热循环时，热喷涂的涂层可能会发生剥落。
碳基体的线膨胀系数与碳基体的密度以及构成碳基体的一次颗粒的颗粒尺寸和结晶度密切相关。甚至当基体具有高密度时，线膨胀系数随着构成碳基体的一次颗粒的颗粒尺寸和结晶度变化。因此，仅仅选择高密度的碳基体不够，因为如果线膨胀系数小于4×10-6(1/K)，则锚固效应很弱，当在至少1400℃的高温下热循环时，热喷涂的涂层可能会发生剥落。
当对透明陶瓷例如YAG进行烧结的，在真空、惰性气体或者弱还原性气氛中，1500-1800℃的温度范围内的处理，由于温度高，可能在基体材料与涂覆氧化物之间以及涂覆氧化物与产品之间发生反应。因此，重要的是选择不利于发生这种反应的基体与涂覆氧化物组合。特别是在高于1500℃的温度下，当采用碳作为基体时，铝和稀土元素在真空或还原性气氛中趋于形成碳化物。在这种情况下，理想的是使用将钼、钽或钨基体与作为氧化物涂层的含稀土的氧化物组合一起的涂覆定位器件。
在所述第一个和第二个实施方案中，基体的密度优选至少1.5g/cm3，特别是1.7-20g/cm3。
所述第一个和第二个实施方案中的涂覆部件具有涂覆在基体上的含稀土的氧化物层。此处使用的含稀土的氧化物是含有一种或几种稀土元素的氧化物，所述稀土元素选自于原子序数为57-71的元素。
在第一个实施方案的涂覆部件中，基体优选采用至少一种稀土元素的氧化物进行涂覆，所述稀土元素选自于Sm，Eu，Gd，Dy，Ho，Er，Tm，Yb和Lu，更优选是Er，Tm，Yb和Lu的氧化物。
在第二个实施方案的涂覆部件中，基体优选采用至少一种稀土元素的氧化物进行涂覆，所述稀土元素选自于Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu和Gd，更优选是Er，Tm，Yb，Lu或Gd的氧化物。这是因为从La至Tb的轻质到中质稀土元素的氧化物在低于1500℃时，其晶体结构会发生转变，由于这种转变，涂层变脆并且易于剥落，污染产品和设备，或者一些氧化物会与碳反应。
氧化物涂层可以由一种或多种稀土氧化物组成。另一种方法是，在氧化物涂层中，可以将一种选自于3A族至8族元素的金属的氧化物以最多20％(重量)，尤其是最多18％(重量)的含量与稀土氧化物进行混合、组合或者层积。更优选地，采用至少一种选自于Al，Si，Zr，Fe，Ti，Mn，V和Y的金属的氧化物。
此处使用的含稀土的氧化物优选是平均颗粒尺寸为10-70微米的颗粒形式。涂覆部件优选通过在惰性气氛例如氩气中对含稀土的材料进行等离子喷涂或者火焰喷涂，使含有稀土的氧化物涂层在基体上沉积制备而成。如果必要，可以在热喷涂之前，采用适当的技术例如喷丸对基体进行表面处理。
或者，涂覆部件通过在模具中将平均颗粒尺寸为10-70微米的含稀土的氧化物颗粒压制成预型件，对该预型件热处理并且将其与基体结合制备而成。
当涂层是热喷涂的时，含稀土的氧化物涂层的厚度为0.02-0.4mm，更优选为0.1-0.2mm。如果低于0.02mm，存在涂覆部件重复使用时，基体与正在烧结的材料发生反应的可能性。另一方面，如果大于0.4mm，涂覆氧化物膜内部的热冲击可能会导致氧化物脱层，有可能会造成产品的污染。当涂覆部件具有与基体结合一起的热处理预型件时，没有对氧化物层的厚度加以特别限制。但是，优选其厚度为0.3-10mm，特别是1-5mm。
在第一个实施方案中，氧化物涂层表面优选在氧化性气氛、真空或惰性气氛中进行热处理，处理温度为1200-2500℃，更优选1200-2000℃的高温。例如，对热喷涂涂层表面，采用氩/氢等离子体火焰在接近其熔点的温度进行烘烤。通过这种热处理，涂层表面发生部分熔化，结果表面变平滑，粗糙度为10微米或更低。如果热处理温度低于1200℃或者未进行热处理，涂层表面可能不会被平滑至所要求的表面粗糙度水平。热处理温度高于2500℃或高于喷涂层的熔点是不希望的，因为氧化物涂层可能熔化或者蒸发。
通过热处理，预型件或者热喷涂层形成的含稀土的氧化物层的硬度得到提高，从而防止产品焙烧时与其发生熔合或者防止涂层发生剥落。
在第一个实施方案的涂覆部件中，含稀土的氧化物涂层包括维氏硬度(HV)至少为50的表面层。优选表面层的维氏硬度(HV)至少为80，更优选至少100，甚至更优选至少为150。维氏硬度的上限并不关键，但是一般至多3000，优选至多2500，更优选至多2000，甚至更优选至多1500。如果表面硬度太低，在对涂覆部件上的材料进行焙烧时，焙烧的材料会与含稀土的氧化物涂层熔合一起，结果，可能最终导致含稀土的氧化物涂层的表面部分剥离或者撕掉。如果表面硬度太高，含稀土的氧化物涂层可能会开裂。
优选氧化物涂层表面层在中心线的平均表面粗糙度(Ra)至多20微米。对于热喷涂涂层，为了能够对其上的材料进行有效烧结，优选其表面粗糙度(Ra)为2-20微米，特别是3-10微米。如果表面粗糙度低于2微米，则涂层太平整，可能会影响位于涂层上面的材料进行烧结收缩。表面粗糙度高于20微米可能会使得材料在烧结期间变形。
当对含稀土的氧化物颗粒的预型件热处理并且将其与基体结合制成涂覆部件时，热处理后的预型件的硬度非常高，这样便能够对在涂覆部件上的粉末冶金金属、金属陶瓷或者陶瓷材料进行有效烧结，而与预型件的表面粗糙度无关。
也可以通过热喷涂氧化物，形成表面粗糙度(Ra)至少2微米的氧化物涂层，可选对该涂层进行表面加工，例如进行抛光。
在第三个实施方案中，耐热涂覆部件包括采用特定层涂覆的基体，该特定涂层典型地是钇或者镧系元素与3B族元素的复合氧化物层。
用于形成在粉末冶金金属、金属陶瓷或者陶瓷的烧结或热处理中使用的耐热、耐腐蚀、寿命长的部件的基体选自于难熔金属(例如：钼、钽、钨、锆和钛)、碳、上述元素的合金、氧化物陶瓷(例如氧化铝和富铝红柱石)、碳化物陶瓷(例如碳化硅和碳化硼)以及氮化物陶瓷(例如氮化硅)。
在第三个实施方案中，在基体上形成有中间涂层。此处可以使用的中间涂层包括：
(i)镧系元素的氧化物层、Y、Zr、Al或Si的氧化物层、这些氧化物的混合物层或者上述这些元素的复合氧化物层，
(ii)选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属的层、或者上述金属的碳化物或氮化物层，以及
(iii)ZrO2，Y2O3，Al2O3或者镧系元素的氧化物、上述氧化物的混合物、Zr，Y，Al或镧系元素的复合氧化物，以及选自于Mo，W，Nb，Zr，Ta，Si和B的金属的涂层。
在中间涂层(iii)中，氧化物与金属元素的比例用[(氧化物)/(氧化物+金属元素)]表示，其值优选为30-70％(重量)。
根据本发明，在中间层上形成最上面的涂层。如果最上面的涂层不是通过中间涂层而是直接在基体上形成，则存在下述情形：当将硬质合金形成材料置于最上面的涂层上并且在真空或者惰性气氛或者弱还原性气氛中，1300-1500℃下进行烧结时，依据烧结温度和气氛，在基体材料与最上面的涂层之间可能会发生反应。特别是当采用碳作为基体材料时，在温度高于1400℃很可能会发生反应。通过与碳反应，氧化铝发生强烈分解和蒸发，并且与基体分离。某些镧系元素在真空下可能会形成碳化物。一旦转变成碳化物，氧化物涂层可能很容易从基体上剥落。
所以，为了防止分解和蒸发或者限制碳化物的形成，采用难熔金属如Mo，Ta，W或Si，不易于和碳形成碳化物的镧系元素的氧化物例如Eu或Yb的氧化物，或者由如上(i)-(iii)中所示的难熔金属和镧系元素的氧化物或另一种氧化物例如ZrO2或Al2O3，在碳基体上形成中间层作为隔离层。最上面的涂层(iv)-(vii)下面将进行介绍。例如，由Al和Y构成的复合氧化物或者由Al和镧系元素构成的复合氧化物涂层，或者镧系元素的氧化物、氧化铝、氧化锆或者氧化钇的涂层，或者由上述各种氧化物的化合物或混合物构成的涂层在中间涂层上形成，以便防止在碳界面处发生分离或者防止硬质合金产品粘着在涂覆部件上。
中间隔离层的主要组份理想的是：对于金属层采用钨W，而对于氧化物层则采用Yb2O3和/或ZrO2。
提供金属、氧化物、碳化物、氮化物等的中间涂层(i)-(iii)能够提高在重复热循环期间与基体的界面结合力。当采用难熔金属例如W或Si作为隔离层时，在1450℃或更高温度的热处理期间，难熔金属与碳基体反应形成碳化物。具体地，钨转变成碳化钨WC，而硅则转变成碳化硅SiC。对于Si，如果处理在氮气氛中进行，则会转变成氮化硅。碳基体与难熔金属界面处转变成碳化物或氮化物能够显著改善与基体的结合强度。
另外，提供中间涂层能够有效地限制Y2O3，镧系元素的氧化物(如Gd2O3)和Al2O3发生分解和蒸发或者形成碳化物，上述氧化物在真空中容易与碳发生反应。
根据上述以及其它原因，防止涂覆部件与焙烧的产品发生粘附、防止最上面涂层发生蒸发以及防止最上面涂层与基体发生分离都已成为可能。结果，已制备出在中间涂层上存在氧化物或者复合氧化物涂层的涂覆定位器件。
在形成中间涂层中使用的镧系元素的氧化物是选自于原子序数为57-71的稀土元素的氧化物。除了稀土氧化物之外，可以将选自于3A-8族的金属的氧化物与之混合或者组合或者层积。进一步优选的是，可以使用至少一种选自于Al，Si，Zr，Fe，Ti，Mn，V和Y的金属的氧化物。
本发明中，最上面涂层在中间涂层上形成。此处可以使用的最上面涂层包括：
(iv)含有镧系元素和3B族元素的复合氧化物的层，
(v)含有钇和3B族元素的复合氧化物的层，
(vi)含有钇、镧系元素和3B族元素的复合氧化物的层，以及
(vii)含有镧系元素、铝或钇的氧化物的层。
涂层(iv)可以进一步含有镧系元素的氧化物和/或3B族元素的氧化物；涂层(v)可以进一步含有钇的氧化物和/或3B族元素的氧化物；涂层(vi)可以进一步含有钇的氧化物、镧系元素的氧化物或3B族元素的氧化物或者这些氧化物的混合物。
镧系元素是原子序数为57-71的稀土元素。3B族元素指的是B，Al，Ga，In和Tl。这些元素的复合氧化物的形成能够阻止涂覆部件与被烧结产品反应或者与之发生粘附。当焙烧一种碳化钨材料(典型的硬质合金形成材料)时情况尤其如此，因为与碳化钨中的钨或钴的反应受到抑制，结果，防止了粘附的发生。消除了因产品粘附而使涂层脱离基体的危险，并且，能够获得用于焙烧、能够长久承受热循环的涂覆部件。
在3B元素中，理想的是铝和钇的复合氧化物。铝与选自于Sm，Eu，Gd，Dy，Er，Yb和Lu的镧系元素的复合氧化物尤其理想。
在涂层(iv)-(vi)中，钇和/或镧系元素与3B族元素的比例表示为：(钇和/或镧系元素)/(钇和/或镧系元素+3B族元素)，该比例值优选10-90％(重量)。如果3B族元素太多，则涂层与基体之间的结合力可能会因热处理而减弱，结果导致涂层的分离。3B族元素太少则可能使得涂层夺取硬质合金形成元素。
至于钇和铝的复合氧化物的重量比，该复合氧化物优选由至多80％(重量)的Y2O3组份和至少20％(重量)的Al2O3组份组成。更优选地，该复合氧化物优选由70-30％(重量)的Y2O3组份和30-70％(重量)的Al2O3组份组成。如果Y2O3组份比例大于80％(重量)，由于Al2O3组份的含量较少，涂层可能会夺取硬质合金形成元素。如果Al2O3组份比例过高，则涂层与基体之间的结合力可能会因热处理而大大降低，结果导致涂层的分离。
中间涂层和最上面涂层优选采用热喷涂形成。即：上述涂层可以作为热喷涂膜形成。热喷涂通常可以采用众所周知的技术实施。用于形成热喷涂膜的原料颗粒例如复合氧化物、氧化物或金属颗粒的平均颗粒尺寸为10-70微米。在氩气或氮气的惰性气氛中，将原料颗粒等离子喷涂或者火焰喷涂至上述基体上，从而形成本发明范围内的涂覆部件。如果必要，可以在热喷涂操作之前，采用适当的技术例如喷丸对基体表面进行处理。也可以对基体表面进行喷丸，在基体上形成难熔金属、碳化物或氮化物的中间层，对中间层再进行喷丸，并且在其上形成最上面的氧化物或者复合氧化物涂层。应该了解，采用除热喷涂之外的其它涂覆技术，例如浆液涂覆，也能够获得同样的结果。
中间涂层和最上面涂层的总厚度优选为0.02-0.4mm，更优选为0.1-0.2mm。如果总厚度小于0.02mm，存在重复使用之后，基体与正在烧结的材料发生反应的可能性。如果总厚度大于0.4mm，涂覆氧化物膜内部的热冲击可能会导致氧化物脱层，有可能会造成产品的污染。中间涂层的厚度占总厚度的比例优选为1/2-1/10，更优选为1/3-1/5，原因是中间涂层厚度处于上述范围时能够充分发挥其作用。
根据本发明的第一个至第三个实施方案，采用上述方式制备的耐热涂覆部件可以用来在最高2000℃，优选1000-1800℃下，对粉末冶金金属、金属陶瓷和陶瓷进行有效热处理或烧结，时间为1-50小时。热处理或烧结的气氛优选是真空或者惰性气氛或者还原性气氛。
典型地，本发明的涂覆部件用于如上所述的金属或陶瓷的热处理(尤其是焙烧或烧结)。更具体地，将待热处理的金属或陶瓷材料置于所述涂覆部件上，由此，对材料进行加热或烧结处理，其加热处理温度处于上述温度范围内，而且，在第一个或者第二个实施方案中，该温度最高为1800℃，特别是900-1700℃，处理时间为1-50小时。热处理或烧结的气氛优选是真空或者氧分压不大于0.01MPa的惰性气氛或者还原性气氛。
示例性的金属和陶瓷包括铬合金、钼合金、碳化钨、碳化硅、氮化硅、硼化钛、氧化硅、稀土-铝的复合氧化物、稀土-过渡族金属合金、钛合金、稀土氧化物和稀土复合氧化物。本发明的涂覆部件，其典型形式为定位器件，在碳化钨、稀土氧化物、稀土-铝的复合氧化物以及稀土-过渡族金属合金的生产中特别有效。更具体地，本发明的涂覆部件能够有效地用于生产可透磁性陶瓷例如YAG和硬质合金例如碳化钨，用于生产在烧结磁体中使用的Sm-Co合金、Nd-Fe-B合金和Sm-Fe-N合金，以及用于生产在烧结磁致伸缩材料中使用的Tb-Dy-Fe合金和在烧结蓄热材料中使用的Er-Ni合金。
合适的惰性气氛的实例包括氩气和氮气(N2)气氛。合适的还原性气氛的实例包括氢气、其中采用碳加热器的惰性气氛以及还含有百分之几的氢气的惰性气氛。氧分压不高于0.01MPa能够确保涂覆部件在热处理或烧结操作期间保持耐腐蚀性。
除了具有良好的耐热性能之外，本发明的涂覆部件还具有良好的耐腐蚀性和非反应性，因此，能够用于真空或者惰性气氛或还原性气氛中的粉末冶金金属、金属陶瓷或陶瓷材料的烧结或热处理。当含稀土的氧化物涂层的表面层的维氏硬度至少为50HV时，能够防止该含稀土的氧化物涂层从基体上剥离。当该氧化物涂层表面的中心线平均粗糙度Ra最大为20微米时，能够有效地防止粉末冶金金属、金属陶瓷或者陶瓷产品在烧结或热处理期间发生变形。
实施例
提供下面的实施例和对照例为的是对本发明进行说明，并不是对本发明的范围进行限制。
实施例I
提供尺寸为50×50×5mm的碳基体。在实施例1-6中，采用喷丸使基体表面粗糙化，之后，在氩气/氢气气氛中，将具有如表1所示的组成和平均颗粒尺寸的含稀土的氧化物颗粒等离子喷涂到基体表面上，由此，采用一层含稀土的氧化物对基体进行涂覆，形成涂覆部件。然后，对所述喷涂试样在真空或者在氩气中进行热处理或者采用氩气/氢气等离子体火焰进行烘烤，如表2所示。
在实施例7-11中，使用的是组成如表1所示的氧化物粉末并且采用模压技术将其压制成尺寸为60×60×2-5mm的预型件。然后，在氧化性气氛中，1700℃下，对预型件热处理2个小时，获得一个稀土氧化物板。将该板粘附在基体上，制备出覆盖稀土氧化物的部件。
在对照例1和2中，在如表1和2所示的条件下制备出类似的涂覆部件。
测试了涂覆部件的物理性能。结果如表1所示。组成采用感应耦合等离子体谱仪(Seiko SPS-4000)测量。平均颗粒尺寸采用激光衍射方法(Nikkiso FRA)测量。还测量了热喷涂涂层和热处理的预型件的物理性能，结果如下表2所示。热喷涂涂层的厚度根据采用光学显微镜拍摄的涂层横截面图像来确定。表面粗糙度Ra根据JIS B0601采用表面粗糙度测量仪(SE3500K；Kosaka Laboratory，Ltd.)测量。维氏硬度根据JIS R1610，在表面进行镜面抛光之后，采用数字式显微硬度计(Matsuzawa SMT-7)测定。
接下来，将碳化钨粉末与10％(重量)的钴粉末混合，并且，将混合物压制成尺寸为10×40×3mm的压坯。将压坯放在涂覆稀土氧化物的部件(定位器件)上并且在低真空，1400℃下烧结2个小时。所述烧结在碳加热炉中进行，烧结工艺为：以300℃/小时的速度升温至最高1400℃，在该温度下保持预定时间，然后，以400℃/小时的速度降温。该烧结循环重复进行两次，之后，检测涂覆部件上稀土氧化物涂层从基体上的剥离情况、涂覆部件与烧结试样之间的粘附情况和试样的翘曲情况。结果如表3所示。
表1 组成 (重量比)平均颗粒尺寸 (微米) 基体材料 基体密度 (g/cm3) 实施例1-3 Yb2O3 40 C 1.7 实施例4-6 Er2O3 50 C 1.7 实施例7 Yb2O3 40 C 1.7 实施例8 Dy2O3 50 C 1.7 实施例9 Sm2O3 40 C 1.7 实施例10 Gd2O3 40 C 1.7 实施例11 Gd2O3+Al2O3 (50∶50) 40 C 1.7 对照例1 Al2O3 40 C 1.7 对照例2 Y2O3 60 C 1.7
表2 涂层涂层厚度(mm) 热处理条件 热处理之前 热处理之后粗糙度Ra(μm) 硬度 (HV)粗糙度Ra(μm) 硬度 (HV)实施例1 Yb2O3喷涂层 0.20 无 7 80 7 80实施例2 Yb2O3喷涂层 0.15真空中，1500℃ 5 100实施例3 Yb2O3喷涂层 0.30空气中，等离子 体火焰 2 200实施例4 Er2O3喷涂层 0.15 无 8 65 8 65实施例5 Er2O3喷涂层 0.20空气中，1600℃ 6 85实施例6 Er2O3喷涂层 0.20空气中，等离子 体火焰 3 160实施例7 Yb2O3预型件 5空气中，1700℃ 3 45 0.5 1015实施例8 Dy2O3预型件 3空气中，1700℃ 4 40 0.3 650实施例9 Sm2O3预型件 2空气中，1700℃ 6 38 1 205实施例10 Gd2O3预型件 4空气中，1700℃ 7 48 1.5 310实施例11 Gd2O3+Al2O3 预型件 5空气中，1700℃ 5 35 0.8 2130对照例1 Al2O3膏剂涂 覆层 0.2 无 25 30 25 30对照例2 Y2O3预型件 3 无 5 40 5 40
表3 涂层外观 试样的粘附 试样的翘曲 实施例1 无剥落 无 0.2mm 实施例2 无剥落 无 0.1mm 实施例3 无剥落 无 0.1mm 实施例4 无剥落 无 0.3mm 实施例5 无剥落 无 0.2mm 实施例6 无剥落 无 0.1mm 实施例7 无剥落 无 0.1mm 实施例8 无剥落 无 0.1mm 实施例9 无剥落 无 0.1mm 实施例10 无剥落 无 0.1mm 实施例11 无剥落 无 0.2mm 对照例1 剥落 粘附 1mm 对照例2 开裂 无 0.5mm
与处理之前相比，实施例1-11的定位器件在碳加热炉中热处理之后保持不变。烧结时，试样未与定位器件粘附，而且变形很小。相反，在碳加热炉中热处理之后，对照例1和2的定位器件发生表面开裂或者氧化物脱落，导致腐蚀。在对照例1中，试样与定位器件粘附一起，并且出现明显变形。
实施例II
提供如下几种基体材料：碳、钼、钽、钨、铝、不锈钢、烧结氧化铝和烧结氧化钇(后面两个是氧化物陶瓷)，上述各种材料的热膨胀系数不同，如表4所示。将所述各基体材料加工成尺寸为50×50×5mm的基体。采用喷丸使基体表面粗糙化，之后，在氩气/氢气气氛中，将含稀土的氧化物颗粒等离子喷涂到基体表面上，由此，形成具有200微米厚的含稀土的氧化物涂层的喷涂涂覆部件。
注意：如表4所示的基体的热膨胀系数使用热机械分析仪TMA8310(Rigaku Denki K.K.)，根据一种微分膨胀方法，在惰性气氛中，利用尺寸为3×3×15mm的棱柱试样进行测量。测量结果是20-100℃温度范围内的平均热膨胀系数。
在实施例12-17和21-27以及对照例3-5中，喷涂时采用Er2O3或者Yb2O3粉末。在实施例18中，按照Yb2O3与Zr2O3的重量比为80wt％∶20wt％的比例，对Yb2O3粉末与Zr2O3粉末进行混合，形成用于喷涂的混合物。在实施例19中，喷涂时使用的是由90wt％Yb2O3与10wt％ Zr2O3化学组合而成的粉末。在实施例20中，将Yb2O3粉末喷涂形成100微米厚的涂层，之后，通过热喷涂在其上形成100微米厚的Y2O3涂层。
将基体热膨胀系数不同的上述喷涂涂覆部件置于碳加热炉中。将加热炉抽真空，在氮气氛中，以400℃/小时的速度加热至最高800℃，再次抽真空，并且，在10-2乇的真空气氛中，以400℃/小时的速度加热至预定温度。在该温度下保持某一时间之后，关闭加热器。在1000℃引入氩气，之后，加热炉以500℃/小时的速度冷却至室温。此加热和冷却循环重复进行10次。在热循环试验之后，在放大倍数为100X的显微镜下观察涂覆部件，确定喷涂涂层是否从基体上剥落。结果如表5所示。
表4 喷涂涂层组成基体材料 基体密度 (g/cm3) 基体的热膨胀系数 (1/K) 实施例12 Er2O3 C 1.70 4.2×10-6 实施例13 Er2O3 C 1.75 5.2×10-6 实施例14 Er2O3 C 1.82 6×10-6 实施例15 Yb2O3 C 1.70 4.2×10-6 实施例16 Yb2O3 C 1.75 5.2×10-6 实施例17 Yb2O3 C 1.82 6×10-6 实施例18 Yb2O3+Zr2O3 (80wt％∶20wt％) C 1.82 6×10-6 实施例19 Yb2O3+Al2O3 (90wt％∶10wt％) C 1.70 4.2×10-6 实施例20 上面的Y2O3/ 下面的Yb2O3 (100μm/100μm) C 1.75 5.2×10-6 实施例21 Yb2O3 Mo 10.2 5.3×10-6 实施例22 Yb2O3 Ta 16.6 6.3×10-6 实施例23 Yb2O3 W 19.1 4.5×10-6 实施例24 Yb2O3 Al 2.7 23.1×10-6 实施例25 Yb2O3 不锈钢 8.2 14.7×10-6 实施例26 Yb2O3 烧结 Al2O3 3.97 8.6×10-6 实施例27 Yb2O3 烧结 Y2O3 4.50 9.3×10-6 对照例3 Er2O3 C 1.74 1.5×10-6 对照例4 Yb2O3 C 1.74 1.5×10-6 对照例5 Yb2O3 C 1.60 2.5×10-6
表5测试温度(℃)保持时间(小时)第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8次第9次第10次10次之后的观察结果实施例12 1400 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例13 1400 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例14 1400 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例15 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例16 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例17 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例18 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例19 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例20 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例21 1600 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例22 1600 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例23 1600 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过末剥离实施例24 500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例25 900 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例26 1400 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离实施例27 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过通过通过未剥离对照例3 1400 4通过通过报废报废报废报废报废报废报废报废第3次中剥离对照例4 1500 4通过通过通过通过通过报废报废报废报废报废第6次中剥离对照例5 1500 4通过通过通过通过通过通过通过通过报废报废第9次中剥离
与处理之前相比，实施例12-27的喷涂涂覆部件在碳加热炉中，真空热循环试验10个循环之后保持不变，未观察到涂层从基体上剥离的迹象。在对照例3-5的涂覆部件中，涂层在热循环期间从基体上剥离。已证实：当涂层喷涂在热膨胀系数至少为4×10-6(1/K)的基体上时，由于涂层在热循环期间未从基体上剥离，故涂覆部件具有耐久性。
实施例III
提供如下几种基体材料：碳、钼、氧化铝陶瓷、富铝红柱石陶瓷和碳化硅。将所述各基体材料加工成尺寸为50×50×5mm的基体。采用喷丸使基体表面粗糙化。在对照例6-10中，在氩气/氢气气氛中，将含钇或者镧系元素和铝的复合氧化物颗粒等离子喷涂到基体表面上，由此，形成具有100微米厚的氧化物涂层的喷涂涂覆部件。
为了防止与碳基体反应和提高与基体的结合强度，在实施例28-32中，在氩气/氢气气氛中，等粒子喷涂钨或硅颗粒作为隔离层，形成50微米厚的金属涂层。在氩气/氢气气氛中，将Yb2O3颗粒、Gd2O3颗粒，或者含有Y，Yb或Gd和Al的复合氧化物颗粒等离子喷涂到所述金属涂层上，由此，形成总涂层厚度为100微米的双重喷涂涂覆部件。
在实施例33-39中，在氩气/氢气气氛中，等粒子喷涂Y，Yb或Zr氧化物的颗粒、或者Yb或Al氧化物的颗粒与金属W颗粒的混合物，形成50微米厚的涂层。在氩气/氢气气氛中，将Yb2O3颗粒、Gd2O3颗粒，或者含有Yb，Gd或Y和Al的复合氧化物颗粒等离子喷涂到所述涂层上，由此，形成总涂层厚度为100微米的双重喷涂涂覆部件。
在对照例11-13中，采用与对照例6-10中所用相同的方法制备出涂层厚度为100微米的喷涂涂覆部件，只是使用的是Y2O3颗粒、Al2O3颗粒或者Y+Zr颗粒。
在对照例14中，在氩气/氢气气氛中，等粒子喷涂钨颗粒，形成50微米厚的金属涂层。在氩气/氢气气氛中，将Y2O3颗粒等离子喷涂到所述金属涂层上，由此，形成总涂层厚度为100微米的双重喷涂涂覆部件。
通过截取涂层剖面、对该剖面抛光并且在低放大倍数的电子显微镜下观察，测量试样涂层薄膜的厚度。
在10-2乇的真空气氛中，以400℃/小时的速度将实施例28-39和对照例6-14的试样加热至1550℃。在该温度下保持2小时之后，关闭加热器。在1000℃下引入氩气，之后，以500℃/小时的速度将加热炉冷却至室温。
接下来，将碳化钨粉末与10％(重量)的钴粉末混合，并且，将混合物压制成直径20mm、厚度10mm的压坯。将压坯放在已在1550℃下热处理的涂覆部件上。然后放在碳加热炉中。将加热炉抽真空，在氮气氛中，以400℃/小时的速度加热至最高800℃，再次抽真空，并且，在10-2乇的真空气氛中，以400℃/小时的速度加热至预定温度。在该温度下保持2小时之后，关闭加热器。在1000℃下引入氩气，之后，以500℃/小时的速度将加热炉冷却至室温。该加热和冷却循环重复进行5次，条件是在每个循环开始时，将一个新压坯放在涂覆部件上。热循环试验之后，观察涂覆部件上是否由于焙烧压坯的粘附而使喷涂的复合氧化物涂层脱离了基体。结果如表7所示。
表6 最上面涂层 的组成 中间涂层的组成 基体材料 实施例28 Yb2O3 (100wt％) W (100wt％) C 实施例29 Gd2O3 (100wt％) W (100wt％) C 实施例30 Y2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) W (100wt％) C 实施例31 Gb2O3+Al2O3 (70wt％+30wt％) W (100wt％) C 实施例32 Yb2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) Si (100wt％) C 实施例33 Y2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) Yb2O3 (100wt％) C 实施例34 Yb2O3 (100wt％) Y2O3 (100wt％) C 实施例35 Gd2O3+Al2O3 (60wt％+40wt％) Yb2O3 (100wt％) C 实施例36 Yb2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) Y2O3+ZrO2 (70wt％+30wt％) C 实施例37 Y2O3+Al2O3 (70wt％+30wt％) Yb2O3+W (40wt％+60wt％) C 实施例38 Gd2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) Al2O3+W (60wt％+40wt％) C 实施例39 Gd2O3 (100wt％) Yb2O3 (100wt％) C 对照例6 Y2O3+Al2O3 (50wt％+50wt％) 无 C 对照例7 Yb2O3+Al2O3 (70wt％+30wt％) 无 Mo 对照例8 Gd2O3+Al2O3 (60wt％+40wt％) 无 氧化铝 对照例9 Lu2O3+Al2O3 (60wt％+40wt％) 无 富铝红柱石 对照例10 Er2O3+Al2O3 (40wt％+60wt％) 无 SiC 对照例11 Y2O3 (100wt％) 无 C 对照例12 Al2O3 (100wt％) 无 C 对照例13 Y2O3+ZrO2 (70wt％+30wt％) 无 C 对照例14 Y2O3 (100wt％) W (100wt％) C
表7烧结温度(℃) 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 热循环试验之 后的观察结果 实施例28 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例29 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例30 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例31 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例32 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例33 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例34 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例35 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例36 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例37 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例38 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 实施例39 1450 通过 通过 通过 通过 通过 未剥离 对照例6 1350 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离 对照例7 1350 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离 对照例8 1350 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离 对照例9 1350 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离 对照例10 1350 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离 对照例11 1350 报废 报废 报废 报废 报废 第1次中剥离 对照例12 1350 报废 报废 报废 报废 报废 第1次中剥离 对照例13 1350 报废 报废 报废 报废 报废 第1次中剥离 对照例14 1450 通过 通过 报废 报废 报废 第3次中剥离
在实施例28-39的喷涂涂覆部件中，在碳加热炉中，真空气氛下，经过5次连续的烧结WC/Co硬质合金试验之后，未观察到涂层的剥离。相反，在对照例6-14的喷涂涂覆部件中，经过5次连续的烧结试验之后，由于WC/Co试样的粘附，涂层出现了剥离。因此，证明：基体上涂覆含有钇、镧系元素和铝的复合氧化物涂层的喷涂涂覆部件具有耐久性，原因是因WC/Co硬质合金试样粘附引起的喷涂层剥落的程度最小。使用含有难熔金属、镧系元素的氧化物或者难熔金属和镧系元素的氧化物的混合物的隔离层，能够进一步提高耐久性。
实施例IV
为了检测基体的热膨胀系数以及上涂层的硬度和组成对涂覆部件耐久性的影响，进行了模拟硬质合金烧结过程的热循环试验，以观察涂层是否出现剥离。下面介绍该试验及其结果。
提供如表8所示热膨胀系数不同的碳基体材料。将所述各基体材料加工成尺寸为50×50×5mm的基体。采用喷丸使基体表面粗糙化。在氩气/氢气气氛中，将氧化物颗粒等离子喷涂到基体表面上并且热处理，由此，形成存在厚100微米并且具有一定硬度和粗糙度的涂层的喷涂涂覆部件(实施例40-43和对照例17-19)。在对照例15和16中，将氧化物粉末与粘结剂和水混合，形成膏剂，将此膏剂涂覆在基体表面上，形成存在具有一定硬度和粗糙度的涂层的涂覆部件。
在10-2乇的真空气氛中，以400℃/小时的速度将实施例40-43和对照例15-19的试样加热至1550℃。在该温度下保持2小时之后，关闭加热器。在1000℃下引入氩气，之后，以500℃/小时的速度将加热炉冷却至室温。该步骤的目的是去除水分和防止涂层早期剥离。
接下来，将碳化钨粉末与10％(重量)的钴粉末混合，并且，将混合物压制成直径20mm、厚度10mm的形成硬质合金的压坯。将压坯放在已在1550℃下热处理的涂覆部件上。然后放在碳加热炉中。将加热炉抽真空，在氮气氛中，以400℃/小时的速度加热至最高800℃，再次抽真空，并且，在10-2乇的真空气氛中，以400℃/小时的速度加热至1450℃(硬质合金的烧结温度)。在该温度下保持2小时之后，关闭加热器。在1000℃下引入氩气，之后，以500℃/小时的速度将加热炉冷却至室温。该加热和冷却循环重复进行10次，条件是在每个循环开始时，将一个新压坯放在涂覆部件上。热循环试验之后，观察涂覆部件上的涂层是否脱离了基体。结果如表9所示。
涂层通过下述机制剥离。钴在1450℃的烧结温度下从硬质合金试样底部渗出，并且，然后，在凝固冷却期间，附着在涂层上，结果，硬质合金试样与涂层粘附一起。在回到室温之后，将硬质合金试样从定位器件上取下时，涂层发生剥离，结果使下面的碳表面暴露出来。
实施例40以及对照例15和16的目的是检测耐久性随上涂层的硬度的变化情况。对于同样的材料(Yb2O3)，上涂层的硬度越高，耐久性越好。对于其它材料(Al2O3)，结果也如此。
实施例41以及对照例17的目的是检测当上涂层的硬度相同时，耐久性随基体的热膨胀系数的变化情况。对于同样的材料(Yb2O3)和相同的硬度，基体的热膨胀系数越高，耐久性越好。
实施例42和43以及对照例18和19的目的是检测耐久性随中间涂层存在与否以及涂层组成的变化情况。存在Yb2O3或ZrO2的中间涂层以及Y2O3+Al2O3的上涂层的涂覆部件充分耐用，原因是在进行10次热循环试验之后，未出现剥离。
显然，通过使用具有高硬度的上涂层和具有高热膨胀系数的基体，以及选择不易与待烧结试样粘附的材料作为上涂层，能够获得一种当用于在至少1400℃下对待烧结的硬质合金试样进行烧结时保持耐久性的碳基定位器件。
表8 上涂层 (重量比) 中间涂层 (重量比)上涂层硬 度(HV) 上涂层粗 糙度 Ra(μm) 基体 基体热膨 胀系数 实施例40 Yb2O3喷涂层 (100wt％) - 80 7 C 4.2×10-6 对照例15 Yb2O3 膏剂涂覆层 (100wt％) - 35 10 C 4.2×10-6 对照例16 Al2O3 膏剂涂覆层 (100wt％) - 30 25 C 4.2×10-6 实施例41 Yb2O3喷涂层 (100wt％) - 80 7 C 6×10-6 对照例17 Yb2O3喷涂层 (100wt％) - 80 7 C 1.5×10-6 实施例42 Y2O3+Al2O3 喷涂层(50+50wt％) Yb2O3喷涂 层(100wt％) 100 6 C 6×10-6 实施例43 Y2O3+Al2O3 喷涂层 (30+70wt％) ZrO2喷涂 层(100wt％) 100 6 C 6×10-6 对照例18 Y2O3+Al2O3 喷涂层 (50+50wt％) - 100 6 C 6×10-6 对照例19 Y2O3喷涂层 (100wt％) W喷涂层 (100wt％) 100 6 C 6×10-6
表9烧结温度(℃)第1次第2次第3次第4次第5次第10次热循环测试后的剥落实施例40 1450通过通过通过通过报废报废第5次测试中剥离对照例15 1450报废 - - - - -第1次测试中剥离对照例16 1450报废 - - - - -第1次测试中剥离实施例41 1450通过通过通过通过通过通过第7次测试中剥离对照例17 1450通过通过报废 - - -第3次测试中剥离实施例42 1450通过通过通过通过通过通过未剥离实施例43 1450通过通过通过通过通过通过未剥离对照例18 1450通过通过报废 - - -第3次测试中剥离对照例19 1450通过通过报废 - - -第3次测试中剥离