表面改性磁性材料的製作方法
2023-06-20 13:50:46
表面改性磁性材料的製作方法
【專利摘要】本發明公開了顯示出磁性能的製品、用於向製品提供耐腐蝕性的方法、以及電機元件。該製品包括襯底，該襯底包括磁性材料的第一部分，該磁性材料顯示出磁性能。該製品還包括過渡層，該過渡層包括磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。該過渡層布置於襯底的至少一部分上。該製品還包括外層，該外層包括塗層材料的第二部分。該外層布置於過渡層的至少一部分上。
【專利說明】表面改性磁性材料
【技術領域】
[0001]本公開的主題總體涉及具有保護性塗層的磁性製品。
【背景技術】
[0002]在各種應用中，例如用於油料和燃氣設備的渦輪機械中，馬達、發電機、和磁軸承的磁性部件可能暴露於腐蝕性環境。例如，為了磁軸承在這些潛在的腐蝕性環境中操作，磁軸承的暴露部分必須提供耐腐蝕性。能夠典型地通過以已知的耐腐蝕性材料封裝定子來對定子進行保護，原因是定子是固定的並且具有固定磁場。然而，不能在不對其性能產生負面影響的情況下以這種方式對轉子軸進行封裝。
[0003]因此，需要用於向磁性製品提供保護性塗層的改進的方法。
【發明內容】
[0004]在一個方面中，提供一種顯示出磁性能的製品。該製品包括襯底，該襯底包括磁性材料的第一部分，該磁性材料顯示出磁性能。該製品還包括過渡層，該過渡層包括該磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。該過渡層布置於襯底的至少一部分上。該製品還包括外層，該外層包括該塗層材料的第二部分。該外層布置於過渡層的至少一部分上。
[0005]在另一個方面中，提供一種用於向製品提供耐腐蝕性的方法。該方法包括在襯底的至少一部分上形成過渡層。該襯底包括顯示出磁性能的磁性材料的第一部分。該過渡層包括該磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。該方法還包括將塗層施布於過渡層的至少一部分。該塗層包括該塗層材料的第二部分。
[0006]在又一個方面中，提供一種電機兀件。該電機兀件包括襯底。該襯底包括磁性材料的第一部分，其中襯底顯示出磁性能。該襯底還包括過渡層,該過渡層包括該磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。該過渡層布置於襯底的至少一部分上。該襯底還包括外層，該外層包括該塗層材料的第二部分。該外層布置於過渡層的至少一部分上。該電機元件還顯示出與襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。
[0007]其它的方面將在下文的描述中部分地闡述，並且將部分地通過描述顯而易見，或者可以通過實施下文所描述的方面習得。下文所描述的優點將通過所附權利要求中特別指出的元件及組合得以實現和獲得。應當理解，上文的大體描述以及下文的詳細描述二者都僅僅是示例性和解釋性的並且不是限制性的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]當參照附圖閱讀下文的詳細描述時，本發明的這些和其它的特徵、方面、以及優點將變得更好理解，其中部件不必成比例，並且其中相應的附圖標記在全部附圖中表示相應的部件，在附圖中:
[0009]圖1示出了根據本公開的實施例的製品的一部分的橫截面圖，該製品包括襯底、過渡層、和外層。
[0010]圖2示出了根據本公開的實施例的布置於轉子軸上的磁軸承元件的中點的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0011]在以下描述中，給出了各種具體細節以提供對實施例的全面理解。能夠在不具有所述具體細節中的一個或多個具體細節的情況下或者通過其它方法、部件、材料等實施實施例。在其它例子中，未詳細示出或描述眾所周知的結構、材料、或操作，以避免使實施例的方面模糊不清。
[0012]在整個說明書中對「一個實施例」、「實施例」、或「多個實施例」的參照的意思是結合實施例所描述的特定的特徵、結構、或特性被包括在至少一個實施例中。因此，在整個該說明中的多個位置處出現的短語「在一個實施例中」或「在實施例中」不必全部參照相同的實施例。此外，在一個或多個實施例中，特定的特徵、結構、或特性可以以任何合適的方式組口 ο
[0013]如上所述，本公開包括顯示出磁性能的製品、向製品提供耐腐蝕性的方法、以及磁軸承元件。所公開的主題的實施例在下文有所描述並且示於圖1和圖2中。儘管圖1參照包括具有保護性塗層的磁性材料的矩形襯底被圖示和描述，但是應當理解，可以類似地採用或者通過本公開的備選實施例製造包括磁性材料並且需要保護性塗層的任何形狀的襯底。圖2示出了大體結構，其中示出了軸向軸承部件和徑向軸承部件二者的橫截面結構。
[0014]磁性製品
[0015]圖1示出了製品 10,該製品10包括襯底12。該製品10顯示出磁性能。襯底12包括磁性材料的第一部分。根據定義，磁性材料顯示出磁性能。如本文中所使用的，術語「顯示出磁性能」的意思是材料具有可使用標準的磁性測量技術測量出的磁性能。在一些實施例中，磁性材料可以包括金屬或合金。在一些實施例中，磁性材料可以包括鐵或鐵合金。在進一步其它的實施例中，磁性材料可以包括鈷鐵合金、矽鋼、不鏽鋼、或其組合。
[0016]如圖1中所示，過渡層14布置於襯底12的至少一部分上。在一些實施例中，過渡層14可以布置於襯底12的整個表面上。過渡層14包括磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。過渡層14的磁性材料的第二部分包括與襯底12的磁性材料的第一部分相同或相同類型的磁性材料。
[0017]在一些實施例中，塗層材料可以包括鉭、鈮、鋯、鉬、銀、金、或其組合。在一些實施例中，過渡層14包括磁性材料和塗層材料的合金。在進一步其它的實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的一種金屬。在其它實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的兩種金屬。
[0018]如圖1中進一步所示，外層16布置於過渡層14的至少一部分上。在一些實施例中，外層16可以布置於過渡層14的整個表面上。外層16包括塗層材料的第二部分。外層16的塗層材料的第二部分包括與過渡層14的塗層材料的第一部分相同或相同類型的塗層材料。在進一步其它的實施例中，塗層材料可以包括一種過渡金屬。在其它實施例中，塗層材料可以包括兩種過渡金屬。
[0019]如圖1中所示，在一些實施例中，過渡層14和外層16可以具有大約0.001英寸至大約0.02英寸、大約0.001英寸至大約0.01英寸、大約0.001英寸至大約0.005英寸、或者大約0.0Ol英寸至大約0.0025英寸的總體組合厚度。如本文中所使用的，術語「總體組合厚度」的意思是從襯底12的表面至外層16的外表面的距離。該總體組合厚度由圖1中的長度T表示。然而，應當仔細注意到，圖1並非按比例繪製並且相反地以有助於解釋本發明的方式示出。
[0020]在一些實施例中，製品10顯示出與襯底12所展示的磁性能基本類似的磁性能。如本文中所使用的，術語「基本類似」的意思是製品10所展示的磁性能相對於襯底10所展示的磁性能的變化小於大約10%、小於大約5%、或者小於大約I %。磁性能包括但不限於磁場(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁場強度(安培/米)。
[0021]在一些實施例中，過渡層14可以覆蓋襯底12的基本每一個表面並且外層16可以覆蓋過渡層14的基本每一個表面。如本文中所使用的，術語「覆蓋基本每一個表面」的意思是覆蓋表面積的大約99%、表面積的大約99.9%、或者表面積的大約99.99%。在一些實施例中，襯底12可以被過渡層14嚴密地密封。在一些實施例中，過渡層14可以被外層16嚴密地密封。
[0022]用於提供耐腐蝕性的方法
[0023]在本發明的另一個方面中，提供一種用於向製品10提供耐腐蝕性的方法。該方法包括在襯底12的至少一部分上形成過渡層14的第一步驟。襯底12可以包括顯示出磁性能的磁性材料的第一部分。過渡層14包括磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。在第二步驟中，外層16可以隨後施布於過渡層14的至少一部分。外層16包括塗層材料的第二部分。
[0024]根據定義，磁性材料具有磁性能。在一些實施例中，磁性材料可以包括金屬或合金。在一些實施例中，磁性材料可以包括鐵或鐵合金。在進一步其它的實施例中，磁性材料可以包括鈷鐵合金、矽鋼、不鏽鋼、或其組合。
[0025]在一些實施例中，塗層材料可以包括鉭、鈮、鋯、鉬、銀、金、或其組合。在一些實施例中，過渡層14包括磁性材料和塗層材料的合金。在進一步其它的實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的一種金屬。在其它實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的兩種金屬。
[0026]在一些實施例中，形成過渡層14的步驟可以包括在磁性材料的第二部分與塗層材料的第一部分之間形成冶金接合。
[0027]在實施例中，形成冶金接合的方法可以包括通過塗層材料的第一部分塗布包含磁性材料的襯底12以形成塗布襯底12的第一步驟。在該步驟中，塗層材料可以施布於襯底12，由此在塗層材料與襯底12之間的界面處形成磁性材料的第二部分。在第二步驟中，塗布磁性材料隨後可以在合適的溫度下被加熱以形成過渡層14。在一些實施例中，用於第二步驟的合適的溫度可以是處於大約500°C至大約1500°C、大約750°C至大約1350°C、或者大約850°C至大約1200°C的範圍內的溫度。
[0028] 在一些實施例中，塗層材料可以通過高能量方法施布於襯底12，其中包括但不限於化學氣相沉積、電子束塗布、熱噴塗、等離子噴塗、真空等離子噴塗、火焰噴塗、高速噴塗、冷噴塗、或其組合。在這種實施例中，將塗層施布於襯底12的步驟可以向塗布磁性材料提供充足的熱能，使得塗布磁性材料被加熱至適於形成過渡層14的溫度。在一些實施例中，用於第二步驟的合適的溫度可以是處於大約500°C至大約1500°C、大約750°C至大約1350°C、或者大約850°C至大約1200°C的範圍內的溫度。
[0029]在其它實施例中，塗層材料可以通過固態方法施布於襯底12以形成粉末塗布襯底12。在這種實施例中，塗布磁性材料的第二部分的步驟可以包括將襯底12嵌入到塗層材料的粉末中，使得磁性材料的第二部分嵌入到塗層材料的第一部分的粉末中。在這種實施例中，粉末塗布襯底12隨後可以被加熱至合適的溫度以形成過渡層14。在一些實施例中，用於第二步驟的合適的溫度可以是處於大約500°C至大約1500°C、大約750°C至大約1350°C、或者大約850°C至大約1200°C的範圍內的溫度。
[0030]在一些實施例中，塗層材料可以通過一種或多種機械接合方法施布於襯底12，其中塗層材料的第一部分被物理按壓到磁性材料的第二部分上。用於將塗層材料物理按壓到襯底12上的合適技術包括但不限於熱壓、火花焊接、超聲接合、輥壓接合、爆炸接合、及其組合。在這種實施例中，在將塗層材料物理按壓到襯底12上之後，製品10隨後可以被加熱至合適的溫度以形成過渡層14。在一些實施例中，用於第二步驟的合適的溫度可以是處於大約500°C至大約1500°C、大約750°C至大約1350°C、或者大約850°C至大約1200°C的範圍內的溫度。
[0031]在進一步其它的實施例中，該方法還可以包括使用雷射圍繞襯底12嚴密地密封過渡層14的邊緣。
[0032]不受到理論的約束，認為用於形成過渡層14的實施例使得磁性材料與塗層材料之間冶金接合。所獲得的製品可以適於在惡劣環境下為磁軸承元件提供所需的磁性能。
[0033]在最後的方法步驟中，包括塗層材料的第二部分的外層16可以施布於過渡層14。用於施布外層16的合適方法包括但不限於熱噴塗、等離子噴塗、火焰噴塗、高速噴塗、冷氣動力噴塗、雷射沉積化學氣相沉積、物理氣相沉積、電子束物理量氣相沉積、冷壓、燒結、熱等靜壓、溶膠-凝膠工藝、金屬化、其組合或者用於將外層16沉積到過渡層14上的任何其它合適的方法。
[0034]在一些實施例中，過渡層14和外層16可以具有大約0.001英寸至大約0.02英寸、大約0.001英寸至大約0.01英寸、大約0.001英寸至大約0.005英寸、或者大約0.001英寸至大約0.0025英寸的總體結合厚度。
[0035]在一些實施例中，製品10顯示出與襯底12所展示的磁性能基本類似的磁性能。如本文中所使用的，術語「基本類似」的意思是製品10所展示的磁性能相對於襯底12所展示的磁性能發生的變化小於大約10%、小於大約5%、或者小於大約1%。磁性能包括但不限於磁場(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁場強度(安培/米)。
[0036]在一些實施例中，過渡層14可以覆蓋襯底12的基本每一個表面並且外層16可以覆蓋過渡層14的基本每一個表面。如本文中所使用的，術語「覆蓋基本每一個表面」的意思是覆蓋表面積的大約99%、表面積的99.9%、或者表面積的大約99.99%。在一些實施例中，襯底12可以由過渡層14嚴密地密封。在一些實施例中，過渡層14可以由外層16嚴密地密封。
[0037]電機元件
[0038]在本發明的又一個方面中，提供一種電機兀件。在一些實施例中，該電機兀件可以包括馬達的部件。在其它實施例中，該電機元件可以包括發電機的部件。在進一步其它的實施例中，該電機元件可以包括磁軸承的部件。
[0039]例如，包括磁軸承的部件的實施例示於圖2中，其中示出了布置於轉子軸18上的磁軸承元件的中點的橫截面圖。磁軸承元件包括襯底12。襯底12包括磁性材料的第一部分並且顯示出磁性能。
[0040]襯底12還包括過渡層14，該過渡層14包括磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分。過渡層14可以布置於襯底12的至少一部分上。如圖2中所示，襯底12層可以由過渡層14塗布。
[0041]襯底12還包括外層16，該外層16包括塗層材料的第二部分。外層16可以布置於過渡層14的至少一部分上。如圖2中所示，在一些實施例中，外層16可以塗布在過渡層14上。
[0042]磁軸承元件還顯示出與襯底12所展示的磁性能基本類似的磁性能。如本文中所使用的，術語「基本類似」的意思是製品10所展示的磁性能相對於襯底10所展示的磁性能的變化小於大約10%、小於大約5%、或者小於大約1%。磁性能包括但不限於磁場(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁場強度(安培/米)。
[0043]在一些實施例中，襯底12包括永磁體。根據定義,永磁體具有磁性能。在一些實施例中，永磁體可以包括金屬或合金。在一些實施例中，永磁體可以包括鐵或鐵合金。在進一步其它的實施例中，永磁體可以包括鈷鐵合金、矽鋼、不鏽鋼、或其組合。
[0044]在一些實施例中，塗層材料可以包括鉭、鈮、鋯、鉬、銀、金、或其組合。在一些實施例中，過渡層14包括磁性材料和塗層材料的合金。在進一步其它的實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的一種金屬。在其它實施例中，塗層材料可以包括選自鉭、鈮、鋯、鉬、銀、和金的兩種金屬。
[0045]在一些實施例中，過渡層14和外層16可以具有大約0.001英寸至大約0.02英寸、大約0.001英寸至大約0.01英寸、大約0.001英寸至大約0.005英寸、或者大約0.001英寸至大約0.0025英寸的總體組合厚度。
[0046]在一些實施例中，磁軸承元件顯示出與襯底12所展示的磁性能基本類似的磁性能。如本文中所使用的，術語「基本類似」的意思是磁軸承元件所展示的磁性能相對於襯底12所展示的磁性能的變化小於大約10%、小於大約5%、或者小於大約I %。磁性能包括但不限於磁場(高斯)、磁通密度(特斯拉)、和磁場強度(安培/米)。
[0047]在一些實施例中，過渡層14可以覆蓋襯底12的基本每一個表面並且外層16可以覆蓋過渡層14的基本每一個表面。如本文中所使用的，術語「覆蓋基本每一個表面」的意思是覆蓋表面積的大約99%、表面積的大約99.9%、或者表面積的大約99.9%。在一些實施例中，襯底12可以由過渡層14嚴密地密封。在一些實施例中，過渡層14可以由外層16嚴密地密封。
[0048] 在一些實施例中，磁軸承元件是徑向磁軸承的部件。徑向磁軸承沿徑向(側向方向)產生磁力。徑向磁軸承可以用於保持轉子軸圍繞機器的旋轉軸線位於中心。
[0049]在一些實施例中，磁軸承元件是軸向(推力)磁軸承的部件。軸向磁軸承沿軸向(縱向)方向產生磁力。軸向磁軸承能夠用於保持轉子軸在機器中的軸向位置。
[0050]類似地，在一些實施例中，發電機的部件和/或馬達的部件可以包括與上文參照磁軸承的部件所描述的那些類似的層，以塗布襯底並且顯示出與襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。在其它實施例中，發電機的一個或多個部件以及/或者馬達的一個或多個部件可以包括與上文參照磁軸承的部件所描述的那些類似的層，以塗布襯底並且顯示出與襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。
[0051 ]應當顯而易見的是，上文僅涉及本發明的優選實施例並且可以在不偏離如所附權利要求及其等同形式所限定的本發明的精神和範圍的情況下在本文中進行各種改變和改型。
【權利要求】
1.一種顯示出磁性能的製品，所述製品包括: 襯底,所述襯底包括磁性材料的第一部分,所述磁性材料顯示出磁性能； 過渡層，所述過渡層包括所述磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分，所述過渡層布置於所述襯底的至少一部分上；以及 外層，所述外層包括所述塗層材料的第二部分，所述外層布置於所述過渡層的至少一部分上。
2.根據權利要求1所述的製品，其中所述磁性材料包括金屬或合金。
3.根據權利要求2所述的製品，其中所述磁性材料包括鐵或鐵合金。
4.根據權利要求1所述的製品，其中所述塗層材料包括鉭、鈮、鋯、鉬、銀、或金。
5.根據權利要求1所述的製品，其中所述過渡層和所述外層具有大約0.0Ol英寸至大約0.005英寸的總體組合厚度。
6.根據權利要求1所述的製品，其中所述製品顯示出與所述襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。
7.根據權利要求1所述的製品，其中所述過渡層覆蓋所述襯底的基本每一個表面並且所述外層覆蓋所述過渡層的基本每一個表面。
8.一種用於向製品提供耐腐蝕性的方法，所述方法包括: 在襯底的至少一部分上形成過渡層，其中所述襯底包括顯示出磁性能的磁性材料的第一部分並且所述過渡層包括所述磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分；以及 將外層施布於所述過渡層的至少一部分上，其中所述外層包括所述塗層材料的第二部分。
9.根據權利要求8所述的方法，其中形成步驟包括在所述磁性材料的第二部分與所述塗層材料的第一部分之間形成冶金接合。
10.根據權利要求9所述的方法，所述方法包括: 通過所述塗層材料的第一部分塗布包括所述磁性材料的所述襯底以形成塗布襯底；以及 在合適的溫度下加熱所述塗布襯底，以形成所述過渡層。
11.根據權利要求10所述的方法，其中使用包括化學氣相沉積、電子束塗布、冷噴塗、或熱噴塗的過程來塗布所述襯底。
12.根據權利要求10所述的方法，其中塗布所述襯底的步驟包括通過所述塗層材料的第一部分來粉末塗布所述襯底。
13.根據權利要求10所述的方法，其中塗布所述襯底的步驟包括將所述塗層材料的第一部分物理按壓到所述襯底上。
14.根據權利要求13所述的方法，其中物理按壓的步驟包括熱壓、火花焊接、超聲接合、輥壓接合、或爆炸接合。
15.根據權利要求8所述的方法，其中耐腐蝕製品顯示出與所述襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。
16.根據權利要求8所述的方法，其中所述過渡層覆蓋所述襯底的基本每一個表面並且所述外層覆蓋所述過渡層的基本每一個表面。
17.一種電機元件，所述電機元件包括:襯底,所述襯底包括磁性材料的第一部分,其中所述襯底顯示出磁性能； 過渡層，所述過渡層包括所述磁性材料的第二部分和塗層材料的第一部分，所述過渡層布置於所述襯底的至少一部分上；以及 外層，所述外層包括所述塗層材料的第二部分，所述外層布置於所述過渡層的至少一部分上； 其中所述電機元件顯示出與所述襯底所展示的磁性能基本類似的磁性能。
18.根據權利要求17所述的電機元件，其中所述電機元件包括馬達的部件。
19.根據權利要求17所述的電機元件，其中所述電機元件包括發電機的部件。
20.根據權利要求17 所述的電機元件，其中所述電機元件包括磁軸承的部件。
【文檔編號】H02K1/27GK104080949SQ201380007347
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月29日 優先權日:2012年1月30日
【發明者】S.J.布列什, J.範達姆, P.A.西默斯, R.B.雷巴克 申請人:通用電氣公司