CN104024446A - 包含硅共晶合金的工业部件以及制备该部件的方法 - Google Patents

Abstract

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MSi₂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，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3.2MPa·m^1/2的断裂韧度。

Description

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

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

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。

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

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。

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MSi₂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(MPa·m^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。

工业部件可包括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MSi₂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(MPa·m^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。

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MSi₂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。

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MSi₂的第二相的共晶聚集体。所述第二相为二硅化物相。

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MSi₂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。

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

图1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；

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；

图3示出了Si-Cr合金系的相图；

图4为示例性Si-CrSi₂合金样品的表面的一部分的光学显微图；

图5示出了圆顶阀的浇铸密封部件，其中密封部件包含Si-CrSi₂合金；

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；

图7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-CrSi₂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；

图8示出了通过离心浇铸制备的Si-CrSi₂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；

图9A-9D示出了Si-CrSi₂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；

图10示出了各种工程合金和Si-CrSi₂共晶合金的归一化的全面腐蚀速率，插图以密耳/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；

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

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-CrSi₂共晶合金。

具体实施方式

应当注意，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。

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。

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MSi₂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。

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MSi₂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。

第一相可为元素硅相或选自MSi和M₅Si₃的金属互化物相，并且一种或多种元素M可选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、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。

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。

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2.5MPa·m^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6MPa·m^1/2的断裂韧度。

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58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。

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MSi₂的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相。

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_xSi_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。

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(ppb)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。

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。

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1,000(ppba)的杂质含量。

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。

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。

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。

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。

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3.2MPa·m^1/2的断裂韧度。断裂韧度还可以为至少约6MPa·m^1/2，并且可不超过25MPa·m^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6MPa·m^1/2，并且在垂直于磨损表面的方向上测量的断裂韧度可为至少约2.5MPa·m^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。

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MSi₂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。

共晶反应和Si共晶合金

参见图3的示例性相图，元素Si和M的共晶反应可描述如下：

(1)或

(2)

其中液相(L)和两个固相(例如，如在(1)中的Si和MSi₂，或如在(2)中的M_xSi_y和MSi₂)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”)。

就包括各自形成硅化物的两种或更多种金属元素M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(M＝M_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_aSi₂限定，另一个由Si和M_bSi₂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。

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MSi₂或M_xSi_y和MSi₂)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”。

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-CrSi₂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。

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λ。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λ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λ可在约0.5微米至约10微米，或约4微米至约6微米的范围内。增强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。

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。

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。

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％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。

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<100原子％的Si)，那么由于冷却期间非共晶相在共晶聚集体之前形成，所以小于100体积％的共晶合金可包含共晶聚集体。

根椐硅和金属元素M的浓度比，至少约70体积％、至少约80体积％或至少约90体积％的共晶合金可包含共晶聚集体。

本文所述的共晶合金包含大于0原子％的Si，例如至少约50原子％的Si。该合金还可包含至少约60原子％的Si、至少约70原子％的Si、至少约80原子％的Si或至少约90原子％的Si；以及至多约90原子％的Si、或者至多约80原子％的Si、或者至多约70原子％的Si、或者至多约60原子％的Si；或者上述至少值和至多值的任何可用组合，取决于金属元素M以及使用的是元素的共晶浓度比、亚共晶浓度比还是过共晶浓度比。共晶合金包含总计100原子％的硅、一种或多种金属元素M和任何剩余的杂质元素。

含硅相可为包括晶体硅和/或非晶硅的元素硅相，如前所述。晶体硅可具有菱形立方晶体结构，并且晶粒大小或微晶尺寸可在约200纳米(nm)至约5毫米(mm)或更大的范围内。通常，晶粒大小为约1μm至约100μm。

金属元素M可为铬、钴、铪、钼、镍、铌、铼、钽、钛、钨、钒和锆中的一者或多者。当存在时，金属互化物相M_xSi_y可以具有选自MSi和M₅Si₃的化学式，如CrSi、CoSi、TiSi、NiSi、V₅Si₃、Nb₅Si₃、Ta₅Si₃、Mo₅Si₃和W₅Si₃。二硅化物相MSi₂可具有选自立方晶C1、四方晶C11_b、六方晶C40、斜方晶C49和斜方晶C54结构的晶体结构。晶体结构可为立方晶C1。晶体结构可为四方晶C11_b。晶体结构可为六方晶C40。晶体结构可为斜方晶C49。晶体结构可为斜方晶C54。二硅化钴(CoSi₂)和二硅化镍(NiSi₂)中的每一者具有立方晶C1晶体结构；二硅化钼(MoSi₂)、二硅化铼(ReSi₂)和二硅化钨(WSi₂)中的每一者具有四方晶C11b晶体结构；二硅化铪(HfSi₂)和二硅化锆(ZrSi₂)中的每一者具有斜方晶C49晶体结构；并且二硅化铬(CrSi₂)、二硅化铌(NbSi₂)、二硅化钽(TaSi₂)和二硅化钒(VSi₂)中的每一者具有六方晶C40结构。二硅化钛(TiSi₂)具有斜方晶C54晶体结构。

以下表1和2提供示例性的富含Si的二元共晶体系的反应、对应的不变点，以及有关在反应中形成的硅化物相的信息的列表。表1涵盖产生元素硅相和二硅化物相的共晶反应，并且表2涵盖产生二硅化物相和除二硅化物相之外的金属互化物相的共晶反应。

使用以下方法推导出MSi₂的理论体积分数，其是针对Si-Cr体系的特例示出的，但可推广到得出表1和2中示出的理论体积分数的任何共晶体系。

从相图来看，已知Si-CrSi₂共晶点处于85.5原子％的Si和14.5原子％的Cr处。重量百分比通过下式计算：

$\left(1\right)---\frac{0.855*28.086g/\mathrm{mol}}{(0.855*\frac{28.086g}{\mathrm{mol}})+(0.145*\frac{51.996g}{\mathrm{mol}})}=0.76*100=76\mathrm{wt}.\%\mathrm{Si}$

$\left(2\right)---\frac{0.145*51.996g/\mathrm{mol}}{(0.855*\frac{28.086g}{\mathrm{mol}})+(0.145*\frac{51.996g}{\mathrm{mol}})}=0.24*100=24\mathrm{wt}.\%\mathrm{Cr}$

假定100g样品：

$\left(3\right)---\frac{24g}{51.9g/\mathrm{mol}}=0.462\mathrm{molCr}$

$\left(4\right)---\frac{76g}{28.086g/\mathrm{mol}}=2.71\mathrm{mol\; Si}$

在反应期间，通过消耗所有Cr金属形成CrSi₂，从而得到0.443mol的CrSi₂。CrSi₂的分子量为108.168g/mol。

$\left(5\right)---0.462\mathrm{molCr}{\mathrm{Si}}_2*108.168\frac{g}{\mathrm{mol}}=49.9\mathrm{gCr}{\mathrm{Si}}_2$

$\left(6\right)---(2.71\mathrm{mol}-(2*0.462\mathrm{mol}))*28.086\frac{g}{\mathrm{mol}}=50.1g\mathrm{Si}$

每个相的体积通过除以材料的密度来计算：

$\left(7\right)---\frac{49.9\mathrm{gCr}{\mathrm{Si}}_2}{5.01\frac{g}{\mathrm{cc}}}=9.96\mathrm{cc}$

$\left(8\right)---\frac{50.1g\mathrm{Si}}{2.33\frac{g}{\mathrm{cc}}}=21.5\mathrm{cc}$

每个相的理论体积分数为每个相的体积除以总体积：

$\left(9\right)---\frac{9.96\mathrm{cc}}{9.96\mathrm{cc}+21.5\mathrm{cc}}=0.316=\mathrm{Volume\; Fraction\; Cr}{\mathrm{Si}}_2$

$\left(10\right)---\frac{21.5\mathrm{cc}}{9.96\mathrm{cc}+21.5\mathrm{cc}}=0.683=\mathrm{Volume\; Fraction\; Si}$

表1：示例性共晶反应L→Si+MSi ₂ 。

表2：示例性共晶反应L→M _x Si _y +MSi ₂

在共晶合金为包含两种或更多种元素M的多组分共晶合金的情况下，对于二硅化物(M_aSi₂和M_bSi₂)或金属互化物(MSi或M₅Si₃)中的每一者来说可能有利的是具有相同的晶体结构并且互相可溶以便实质上形成单个增强相(如，(M_a,M_b)Si₂、(M_a,M_b)Si、(M_a,M_b)₅Si₃)。例如，就二硅化物相而言，M_a和M_b可为Co和Ni，或Mo和Re。还设想多组分共晶合金可包含形成具有不同晶体结构的二硅化物或金属互化物的两种或更多种金属元素M，使得多组分共晶合金包含两种或更多种不溶性硅化物相。例如，M_a和M_b可为Cr和Co，或Cr和Ni，其可形成不溶性二硅化物相。因此，示例性三元共晶合金可包含两种金属元素M，其中M＝M_a、M_b，如表3中所示：

表3：三元Si共晶合金中金属元素的示例性组合

共晶磨损表面的微结构和性能

对示例性Si共晶合金试样的微结构和机械性能的研究已表明，耐冲蚀磨损性、断裂韧度、耐腐蚀性和/或其他机械性能可能与在主体的磨损表面处的共晶合金的微结构有关。具体地讲，取向为基本上垂直于试样表面的高纵横比硅化物结构的一个或多个群体的存在被认为与改善的机械性能(例如低磨损速率和高断裂韧度、耐腐蚀性值，或其组合)相关联。

因此，共晶聚集体可包括取向为基本上垂直于主体磨损表面的硅化物相的高纵横比结构(如，棒状或板状结构)的一个或多个群体。例如，至少约20体积％的高纵横比结构可取向为基本上垂直于磨损表面，并且在一些实施例中，约100体积％的高纵横比结构可具有基本上垂直的取向。高纵横比结构有利地设置在磨损表面附近，即，在距磨损表面约5微米的距离内。

由于磨损表面可为弯曲表面，所以具有垂直取向(相对于磨损表面)的高纵横比结构的至少一部分可取向为彼此不平行。例如，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阻塞表面上各自最近位置。

设想100体积％的主体可包含共晶合金。或者，小于100体积％的主体可包含共晶合金。例如，主体可包括含有共晶合金(并包括磨损表面)的表面部分或表面层，其覆盖在包含除共晶合金之外的材料的支承部分上方。表面层可具有在约100nm至2mm范围内的厚度。支承部分的材料可包括金属或诸如铝或钢之类的合金。

包含Si共晶合金的耐磨部件的制造

本文描述了一种制备耐磨部件的方法。该工艺允许共晶合金熔体发生受控的定向凝固，以形成包含Si共晶合金的部件，其中所述合金可在部件的磨损表面处呈现常规的共晶微结构。

该方法包括将硅与一种或多种金属元素M熔融在一起以形成共晶合金熔体，以及从共晶合金熔体定向地移除热以定向凝固共晶合金熔体。形成包括含有共晶合金的磨损表面的耐磨部件，其中共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体，其中第二相为二硅化物相。

共晶合金熔体可以以其共晶浓度比包含硅和一种或多种金属元素M。或者，共晶合金熔体可以以其亚共晶浓度比包含硅和一种或多种金属元素M，其中亚共晶浓度比具有基于>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。

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。

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。

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。

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。

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^-2Pa)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^-3Pa)或更低并且大于0Pa的压力下。

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。

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。

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。

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℃、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-CrSi₂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℃。

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60min；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。

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。

耐腐蚀性

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。

已制造出增韧的可浇铸Si共晶合金，其在HCl环境中表现出极佳的耐腐蚀性。另外，Si共晶合金可在浓度和温度不同的硫酸、甲酸、硝酸以及盐酸+氯化铁溶液中表现出极佳的耐腐蚀性。这种耐腐蚀性对于工业部件(如阀部件)可能特别有利。

工业部件可包括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MSi₂的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相，其中在加热的含酸水溶液中所述主体表现出小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。所述主体还可表现出至少约3.2兆帕·米^1/2(MPa·m^1/2)的断裂韧度。

水溶液可处于或高于其沸点。所述酸可选自硫酸、磷酸、甲酸、硝酸和盐酸。所述酸可以以至少约10重量％的浓度存在于水溶液中。该浓度也可以为至少约20重量％、至少约40重量％或至少约70重量％。在一个例子中，酸为盐酸并且浓度为至少约20重量％。

共晶合金可具有之前示出的任何特征。例如，第一相可为元素硅相，并且其中一种或多种元素M可选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Co、Ti、Zr和Hf。在具有高耐腐蚀性的共晶合金的一个例子中，所述一种或多种金属元素M可包括Cr，并且二硅化物相可以以约50重量％至约60重量％的浓度存在。例如，二硅化物相的浓度可为约54％。

另外如上文所示出，工业部件的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2.5MPa·m^1/2的断裂韧度，以及在沿着主体磨损表面的方向上测量的至少约6MPa·m^1/2的断裂韧度。主体可包括具有耐冲蚀磨损性的磨损表面，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。具有如上文所示出的耐腐蚀性的主体可为圆顶阀、球阀、蝶阀、闸阀、汽缸阀和/或旋塞阀的阀部件。

实例1：制造圆顶阀的密封部件

将包含399g Si和126g Cr的525g装料装载到石墨坩埚(6.5英寸外径(OD)，4.5英寸内径(ID)，8英寸高度)中，然后将该石墨坩埚置于感应线圈中。将线圈组件和圆顶形模具(4英寸直径)封闭在真空室(30英寸直径×50英寸深度)中，然后将室抽空至7×10^-5托的压力。以3kHz的频率和30kW的功率向感应线圈施加功率。在加热约5-10分钟后装料的温度达到1550℃，随后允许熔体均质化5分钟。然后用氩气将室回填至25”Hg，并将装料重新加热至所需的倾注温度(1550℃)。然后将熔体倾注到石墨圆顶阀模具中，并使其凝固。在这种情况下冷却速率和模具温度不受直接控制；然而，可能优选的是控制模具的热行为和/或主动冷却模具以改善热传递。浇铸的Si合金圆顶阀的图像在图5中示出。

实例2：表征–光学显微法

使用钻石切割锯(Buehler Isomet1000)将圆顶阀的示例性密封部件切成段，并沿热流动的垂直和平行方向两者进行抛光。所得试样的光学显微图在图6A中示出。显微图表明，随着熔体凝固，共晶体以CrSi₂棒的形式垂直于圆顶阀表面生长。一旦凝固前沿到达该部件中央，凝固便呈各向同性状态，如通过图6B中指明的微结构所示。当将热提取穿过石墨时，CrSi₂棒的定向生长归因于生长前沿远离模具表面的运动。共晶体生长还从液体的表面发生，导致当两个凝固前沿相遇时在部件的中央处发生各向同性凝固。热流动还可通过结合熔体中的热击穿和对石墨模具的主动冷却来进行控制。

实例3：测试–断裂韧度

根据ASTM C1421，使用山形切口法(chevron-notch)四点弯曲试验测量密封部件片段的平行方向的断裂韧度。该工序包括使用disco锯在每个样品中切出山形切口，然后将每个有切口的样品放置到四点弯曲试验机中。记录稳定断裂和K_IC的载荷位移曲线，计算临界应力-强度值或平面应变断裂韧度。断裂韧度或K_IC值提供对易碎材料中耐裂纹扩展性的量度。

由对10个样品的总计6次有效测量得出，平行取向的断裂韧度为2.9MPa·m^1/2，标准偏差为0.3。未测量热流动的垂直方向，因为测试需要40mm长的平行六面体而样品不够厚。然而，预期在垂直取向上的韧度为6-10MPa·m^1/2，因为在以垂直于裂纹扩展方向的棒制备的相同组成的样品中获得了该值。

实例4：测试–磨损速率

图7中的数据示出在根据ASTM G133使用往复式磨损试验机进行的标准测量周期过程中Si磨蚀球和Si-CrSi₂固定板之间的摩擦系数。示出来自SiC参考材料的数据以进行比较。运行期间的不连续是增加力以在测试期间保持25N负载的结果。在该实例中测试的Si-CrSi₂样品通过离心浇铸制备，该离心浇铸可如在实例8中所述进行。

硅球和Si-CrSi₂共晶合金之间的摩擦系数相当于SiC参考材料(Hexaloy SA，圣戈班集团陶瓷部(Saint Gobain Ceramics))的摩擦系数。预计Si共晶合金的磨损速率高于SiC的磨损速率；然而，当存在具有精细微结构的常规共晶结构时(由于对加工和浇铸参数进行了适当调整)，磨损速率可能与SiC的磨损速率相当。

实例5：测试–盐水处理

图8中的数据示出通过离心浇铸制备的Si-CrSi₂合金样品在暴露于高温(1000℃下24h)以及铸态和经热处理的Si-CrSi₂材料在盐水中处理4-6个月后的断裂韧度。可以看出，样品在热处理或环境暴露后的断裂韧度不存在显著变化。样品的耐磨性也未显示出显著变化，并且没有可测量的量的Cr浸出到盐水浴中。材料在热/环境暴露后的稳定性以及不存在浸出表明它们与存在于油气行业中的那些阀部件类似，可适合作为海水环境中的阀部件长期使用。

实例6：测试–固体磨损碎石试验

在由赫姆洛克半导体公司(美国密歇根州赫姆洛克公司(Hemlock,Michigan,USA))针对密封部件片段使用2-18mm硅片在标准测试设备中执行的固体磨损碎石试验中，Si-CrSi₂材料的表现与烧结碳化钨相当，并且性能优于硬化金属上的涂层。测试后，对硅片表面的分析表明小于1ppb的Cr转移到硅中，这表明这些材料具有高耐冲蚀磨损性并且有希望用于阀部件和其他高磨损应用中。

实例7：测试–耐腐蚀性

对具有表4中所示化学组成的各种富含Si的共晶合金就其耐一般性水腐蚀侵袭的性能进行筛选。

根据在ASTM G31–72(2004)，“Standard Practice for LaboratoryImmersion Corrosion Testing of Metals”(金属的实验室浸渍腐蚀试验的标准操作)中示出的规程进行腐蚀研究。按标准中所要求(抛光、清洁、干燥、在实验室电子天平上称重精确到0.1mg，然后使用测微器准确测量长度、宽度和厚度的尺寸)制备含有富含Si的共晶合金的试样块。在配有回流冷凝器、大气密封、热电偶和温度调节装置的厚壁Pyrex容器中进行全浸渍暴露。将一至两个试样浸入含水的沸酸溶液(20重量％HCl)或苛性(30重量％KOH)介质中，重复二至四次。将试验溶液保持在静态条件下，除非另外指明，否则尽可能少地搅动(沸腾引起的鼓泡和湍流除外)或通气。

表4：腐蚀研究中所用的富含Si的共晶合金组成

表5：在暴露于沸腾的包含HCl或KOH的水溶液中后的平均重量损失

*通过平均2-3次24小时暴露所测得的测试值；**暴露1小时

然后在甲醇和去离子(DI)水中清洁每个试样块，以移除腐蚀产物。随后进行彻底的去离子水冲洗，接着在烘箱中于120℃下干燥约30分钟。然后再次对试样块精确到0.1mg称重。记录重量损失并转换为每表面面积的平均质量损失值(通过用质量损失(单位为g或mg)除以试样块表面面积(单位cm²)与以年为单位的时间(1天＝0.002740年)的乘积)。这些试验的结果汇总在表5中。

Si-CrSi₂合金在包含20重量％HCl的沸腾水溶液中的重量损失被确定为忽略不计，如表5中所示。将试样块浸入沸腾的20重量％HCl溶液最长至144h(每48h更换一次酸)。未检测到质量损失，并且Si-CrSi₂共晶合金甚至在暴露144h之后继续保持抛光的光泽，如图9A-9D中所示。

由于发现Si-CrSi₂合金在含有20重量％HCl的沸腾水溶液中抵抗腐蚀，所以进行了与各种金属合金的比较性评估。还将试样块在沸腾的20重量％HCl溶液中测试24h。除了计算每表面面积的质量损失×时间外，还根据如下关系式将重量损失转换为以密耳每年(mpy)为单位的平均渗透深度值：

$R_{\mathrm{mpy}}=\frac{3.45\&times;{10}^6(\mathrm{Wo}-\mathrm{Wf})}{\mathrm{ATD}},$ 其中

R_mpy＝腐蚀速率，单位为密耳每年

W_o＝试样块的初始重量，单位为克

W_f＝试样块的最终重量，单位为克

A＝样品面积，单位为cm²

T＝试验持续时间，单位为小时

D＝复合物或合金的密度，单位为g/cm³

这些试验的结果在表6和图10中示出，并且另外的支持信息在表8中示出。

表6：腐蚀试验结果比较

Si-CrSi2共晶合金	Nil	0-10
			316L型	17092	350000
Stellite B-6	19506	420000

*通过平均2-3次24小时暴露所测得的测试值，零点＝<1mpy

图10示出了各种工程合金和Si-CrSi₂共晶合金在包含20重量％HCl的沸腾水溶液中的全面腐蚀速率。插图示出了各种工程合金和Si-CrSi₂共晶合金在沸腾的20重量％HCl溶液中以密耳/年和毫克/平方厘米年为单位的腐蚀速率。

测试的Si-Cr试样块还在25重量％HCl沸腾水溶液中于70℃下测试14.5天，并将其与相同条件下的碳化硅技术陶瓷(Hexoloy SA SiC)比较。结果报告于表7中。

表7：Si-CrSi ₂ 共晶合金与 SiC

*由4个试样块测得的测试值。测试时间：14.5天浸没测试，间歇搅动。

在类似于上述那些的条件下在各种正在沸腾的酸性水溶液中进一步测试Si-Cr共晶合金的试样块。将试样块清洗、称重并计算重量损失(单位为mpy)。各种酸试验溶液以及这些测试的哈氏合金C-276与316L SS的比较结果在表8中示出。图11和12示出了另外的支持数据。具体地讲，图11A-11G为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图像。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-CrSi₂共晶合金。

表8：腐蚀速率比较

通过平均2-3次24小时暴露所测得的测试值；*暴露6小时，nd＝未确定，零点<1mpy，^无空气(手套箱)

上述测试涵盖了大范围的酸性腐蚀环境，并且表明Si-Cr共晶合金对盐酸和其他酸的水溶液具有良好的抵抗性。

实例8：制造–试样的离心浇铸

由于采用离心浇铸为上述多个实例提供试件，所以在此对示例性离心浇铸运行进行描述。将包含21.8kg铬和平衡硅的90kg批料置于内衬有陶瓷坩埚(CP-2457型工程陶瓷Hycor)的1000磅感应炉(Box InductoTherm)中熔融，随后用耐火的顶盖(Vesuvius Cercast3000)密封。在熔融过程中，用液滴形式的氩气吹扫感应炉，以减少SiO气体和二氧化硅的形成。

将硅共晶熔体加热至1524℃，随后倾注到内衬有耐火物质的转运包(Cercast3000)中。使用丙烷/空气燃料喷枪组件将转运包预热至1600℃。测得转运包中硅共晶熔体的温度为1520℃，随后将硅共晶熔体倾注到离心浇铸设备中。对来自感应炉和转运包两者的熔化材料进行元素分析，以确定基线材料组成。

离心浇铸设备(Centrifugal Casting Machine公司，型号M-24-22-12-WC)配有内衬耐火物质的钢铸件模具，所述钢铸件模具具有420mm直径×635mm长度的标称尺寸。在该实验中制造的共晶合金铸件经测量为372mm直径×635mm长度×74mm壁厚。

在离心浇铸共晶合金熔体之前，将Advantage W5010铸模涂料喷涂到旋转模具的内表面上，从而得到厚度为大约1mm的打底层。钢模具以58rpm旋转，并使用外部燃烧器组件预热至175℃。然后将模具加速至最高735rpm并手动装填足够体积的Cercast3000耐火物质，以在模具内离心形成19mm厚的第一耐火层。然后将该模具转移至热处理烘箱中，借此将模具在175℃再保持4小时，之后允许模具缓慢冷却至环境温度。

接下来，将Vesuvius Surebond SDM35手动装填进模具腔体中，并且模具以735rpm旋转以在第一耐火层上均匀地生成6mm厚的第二耐火层。在旋转30分钟后，将模具组件停下，并使其风干12小时。

使用丙烷/氧气喷枪将模具内部的耐火表面预热至1315℃。将喷枪喷嘴定位成与端盖中的100mm开口齐平，然后将其引导进模具中，接着使其从相对端盖中的后部100mm开口进行排放。

使用支撑在Challenger23360型磅秤装置上的转运包将共晶合金熔体从感应炉转移至离心浇铸模具。当涂覆有耐火物质的模具以735rpm的速度旋转时，将共晶合金熔体从1520℃的转运包中倾注进该模具中。

模具速度保持在735rpm4分钟，以允许杂质和熔渣分离。然后将模具速度缓缓降低至某一点，在该点处材料在视觉上看起来积聚在旋转模具底部并且液滴看起来坍落在模具顶部(靠近淋降点(raining point))。测得模具速度为140rpm，并伴随仅环境空气冷却将该速度保持30分钟。然后将模具速度增加至735rpm，并保持63分钟，以便发生定向凝固。将氧化铝陶瓷棒穿过模具盖中的100mm开口插入，以证实铸件的芯部仍为液体。当在视觉上认为铸件是固体并且插棒不能穿透铸件的内表面时，结束实验。

使用Fluke65红外温度计测量仪记录模具外部温度的实验温度数据。使用OS524型红外温度计(美国康涅狄格州斯坦福的欧米茄工程有限公司(Omega Engineering,Inc.,Stamford,CT))测量模具和转运包的内部温度。使用具有内置式红外温度计的光电/接触式转速计(美国新罕布什尔州纳舒厄的艾克斯特仪器公司(Extech Instruments,Nashua,NH))测量模具的旋转速度(单位为rpm)。使用浸入式温度传感器(贺利氏电测骑士(HeraeusElectroNite)型)测量共晶合金熔体温度。

在100％凝固后，在将铸件从离心浇铸设备取下之前，允许铸件再旋转45分钟以提供对模具的空气冷却。然后取下模具和铸件，并允许其缓慢冷却过夜。

使用液压机将铸件从钢模具主体取出。分离耐火外壳，并使用二氧化硅砂对铸件进行喷砂，以移除耐火物质的残余痕迹。

虽然本发明已参照其某些实施例进行了相当详细的描述，但在不脱离本发明的情况下其他实施例也是可行的。因此，所附权利要求的实质和范围不应受到对本文所包含的优选实施例的描述的限制。在权利要求含义范围内的所有实施例，无论是字面上相同、还是含义上等同的，均旨在囊括于其中。此外，上述优点不一定是本发明仅有的优点，并且不一定期望所有所述优点将通过本发明的每一个实施例得到实现。

Claims (15)

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MSi₂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MSi₂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M₅Si₃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2.5MPa·m^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6MPa·m^1/2的断裂韧度。

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、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi₂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，并且其中所述一种或多种元素M选自Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Co、Ni和Ti。