[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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(vat photopolymerization)。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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 对于粘合剂喷射和渗透方法，已经尝试开发新的材料体系，但是由于上述问题，极少能够商业化。存在的用于工业产品的粘合剂喷射的两种金属材料体系是：(1)用90-10青铜渗透的S31600，和(2)用90-10青铜渗透的S42000。S31600合金按重量百分比计具有以下组成：16

[0010] 用于渗透粘合剂喷射S42000部件的方法包括将部件埋入颗粒状陶瓷材料中，该颗粒状陶瓷材料作为支撑结构以支撑部件并抵抗在烧结和渗透工艺中的部件变形。将粘合剂喷射部件包裹在陶瓷中也有助于热量在部件内的均匀化，这降低了热梯度和部件变形以及因梯度而破裂的可能性。S42000依赖于从渗透温度开始相对高的淬火速率，以将奥氏体组织转变为提供高硬度和耐磨性的马氏体组织。S42000被认为是一种可空气硬化的合金，但强烈建议在油中淬火该部件，以确保整个部件厚度中的冷却速率足以将所有的奥氏体转化为马氏体。从90-10青铜的渗透温度淬火时，油淬具有大于20℃/秒的典型淬火速率，而空气淬火速率约为5℃/秒。渗透炉和作为淬火中的热障的粘合剂喷射部件周围的陶瓷层的淬火能力的组合限制了部件可实现的淬火速率，从而限制了部件的硬度。

[0011] 因此，期望通过粘合剂喷射和渗透来生产具有高耐磨性的并且可以用于需要高耐磨性应用的终形部件。