專利名稱：具有金屬間補強物的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的制作方法
背景技術(shù)：
通常，由于復(fù)合材料可根據(jù)不同用途的特定需要而設(shè)定其性能，從而構(gòu)成了提供設(shè)計靈活性的一類材料。例如，金屬基質(zhì)復(fù)合材料，如鋁基質(zhì)復(fù)合材料，可用于各種結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)用途，包括用于電子、汽車和航天工業(yè)。復(fù)合材料通常基于補強物(reinforcements)的形狀和尺寸進(jìn)行分類。
一類復(fù)合材料含有沿基質(zhì)長度延伸的連續(xù)纖維。圖2示出了由陶瓷纖維(30)補強的金屬基質(zhì)(20)制得的連續(xù)纖維復(fù)合材料(10)。圖3示出了另一類具有不連續(xù)的陶瓷纖維補強物的復(fù)合材料。在圖3所示的金屬基質(zhì)復(fù)合材料(50)中，顆粒狀補強物(60)為金屬間化合物。
復(fù)合材料的性能既受到基質(zhì)材料的影響，又受到補強材料的類型、形狀、尺寸和體積比例的影響。連續(xù)纖維復(fù)合材料的主要補強機(jī)制是基于從基質(zhì)向纖維的載荷轉(zhuǎn)移，載荷主要由纖維承載。由于強纖維承載主要載荷，采用在載荷方向上排列的連續(xù)纖維可獲得最高水平的強度和勁度。盡管連續(xù)纖維復(fù)合材料沿纖維方向具有優(yōu)良的強度，但是其高生產(chǎn)成本、與其處理相關(guān)的問題以及其較低的橫向性能制約了它們的應(yīng)用。
通常，不連續(xù)的補強復(fù)合材料比連續(xù)的纖維復(fù)合材料差。然而，不連續(xù)的補強基質(zhì)復(fù)合材料由于諸如其低成本、處理靈活性較高和機(jī)械性能的各向同性的原因而受到關(guān)注。
例如，碳化硅(SiC)通常用于制造不連續(xù)補強的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。具體而言，通常使用由碳化硅作為補強材料的鋁基質(zhì)顆粒狀復(fù)合材料。但是，碳化硅顆粒所分擔(dān)的載荷受到金屬/陶瓷體系固有的較弱結(jié)合的限制。
需要一種不連續(xù)補強的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其具有改進(jìn)的強度、勁度和剛度，并且提供更大的處理靈活性。還需要一種能夠進(jìn)行更佳處理控制的處理方法。
發(fā)明簡述本發(fā)明提供一種不連續(xù)補強的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其包括一種金屬基質(zhì)和大量含有至少兩種不同金屬的金屬間化合物顆粒，該金屬間化合物顆粒的尺寸在1μm至約10μm的范圍內(nèi)，并以至少20體積％的量分散于金屬基質(zhì)中，其中該金屬間化合物顆粒具有至少一種與金屬基質(zhì)中的金屬相同的金屬。
本發(fā)明另外提供一種處理金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法，包括霧化(atomizing)至少兩種不同金屬的熔融合金以形成金屬基質(zhì)，從而生產(chǎn)含有金屬基質(zhì)和金屬間化合物顆粒的粉末顆粒，其中該金屬間化合物顆粒以至少20體積％的量分散于金屬基質(zhì)中。
本發(fā)明另外還提供一種處理金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法，包括霧化至少兩種不同金屬的熔融合金以形成金屬基質(zhì)，從而生產(chǎn)含有金屬基質(zhì)和尺寸在1μm至約10μm范圍內(nèi)的金屬間化合物顆粒的粉末顆粒。
附圖簡述本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)點在下面本發(fā)明的各具體實施方式
的詳細(xì)描述中進(jìn)行說明。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
的不連續(xù)金屬基質(zhì)復(fù)合材料的示意圖。
圖2為連續(xù)纖維金屬基質(zhì)復(fù)合材料的示意圖。
圖3為不連續(xù)且隨機(jī)定向的陶瓷/金屬纖維復(fù)合材料的示意圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供了一種具有金屬間化合物顆粒的不連續(xù)補強金屬復(fù)合材料，所述金屬間化合物顆粒具有分散于金屬基質(zhì)中的至少兩種不同金屬。金屬/金屬間化合物的界面性能優(yōu)于那些金屬/陶瓷顆粒。而且，與具有非金屬顆粒(即陶瓷顆粒)作為補強材料的金屬基質(zhì)復(fù)合材料相比，金屬間化合物顆粒在其處理過程中具有更高的靈活性。
本發(fā)明另外提供通過快速固化和粉末冶金學(xué)(P/M)技術(shù)用金屬間補強物(intermetallic reinforcements)對顆粒狀金屬復(fù)合材料的處理。當(dāng)使用金屬間化合物顆粒時可以采用快速固化處理。此外，當(dāng)使用金屬間化合物顆粒時，所需組成的液態(tài)合金被氣體霧化以制備預(yù)合金粉末。該處理方法能夠更好地控制補強顆粒的尺寸范圍和分布，從而提供具有改進(jìn)性能的不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
金屬中顆粒的補強效果包括各種補強機(jī)制。例如，顆粒對基質(zhì)的塑性形變產(chǎn)生約束。盡管顆粒分擔(dān)的載荷發(fā)生在不連續(xù)補強的基質(zhì)中，但是顆粒分擔(dān)的載荷量小于纖維所分擔(dān)的載荷量?；|(zhì)補強是不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料所有強度的一部分。
影響顆粒復(fù)合材料機(jī)械性能的各種因素包括顆粒相的性質(zhì)和類型(強度和形變度)、粒徑、體積比例、顆粒形狀(長寬比)、基質(zhì)和顆粒相之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)、基質(zhì)和顆粒材料之間的結(jié)合強度以及基質(zhì)特性。
通常，顆粒復(fù)合材料包含相當(dāng)寬范圍的顆粒尺寸。一類顆粒復(fù)合材料為分散補強的金屬，其由亞微米級硬顆粒組成，上述顆粒通過Orowan機(jī)理直接抑制基質(zhì)中的位錯運動。通常，分散補強材料中所需的顆粒相比例相對很小。該分散補強材料可以用于，例如，高溫用途。但是，該分散補強材料經(jīng)受更為廣泛而昂貴的處理。
第二類顆粒復(fù)合材料包括微米級尺寸的顆粒，其勁度和強度有所增強，這些復(fù)合材料可以用于結(jié)構(gòu)用途。第三類顆粒復(fù)合材料具有尺寸在約50-250μm范圍的粗顆粒。該類顆粒復(fù)合材料提供更大的處理靈活性和便利，它們可用于易于磨損的用途。
這些復(fù)合材料的補強機(jī)制通常涉及幾個部分，例如，基質(zhì)補強、由于熱膨脹(CTE)系數(shù)錯誤匹配產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力、以及從基質(zhì)向顆粒的載荷轉(zhuǎn)移。顆粒的長寬比是影響從基質(zhì)向顆粒載荷轉(zhuǎn)移的重要因素。這些顆粒復(fù)合材料中的補強程度隨著顆粒尺寸的減小以及顆粒相的量的增加而增加。
對于結(jié)構(gòu)用途，強度、勁度和斷裂韌度是有益的性能。通常，對于結(jié)構(gòu)用途，采用細(xì)顆粒(粒徑為20μm或更小、優(yōu)選小于約10μm的顆粒)以及高體積比例的顆粒(大于或等于約20體積％)。
用于結(jié)構(gòu)用途的金屬基質(zhì)顆粒復(fù)合材料的開發(fā)包括增強它們的機(jī)械性能，同時提高它們的處理靈活性。應(yīng)當(dāng)增加顆粒相的載荷分擔(dān)部分以提高金屬基質(zhì)復(fù)合材料的整體強度和勁度。關(guān)于載荷分擔(dān)特征的一個重要性能是基質(zhì)和補強金屬間化合物相之間的界面剪切強度，因為補強物的載荷轉(zhuǎn)移能力和補強效果會隨著金屬間化合物相和基質(zhì)之間的結(jié)合強度而提高。
從不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料斷裂韌度的角度考慮，較高的結(jié)合強度也是有益的。與通過合金和熱處理補強的金屬基質(zhì)相比，用金屬間化合物補強的金屬基質(zhì)在高溫下更加能夠保持其強度，并且因此可以在較高的操作溫度下使用。纖維推出(push-out)掃描電子顯微鏡可以用于測定纖維和其基質(zhì)之間的結(jié)合強度和滑動摩擦。
在本發(fā)明的一個具體實施方式
中，不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料包括一種金屬基質(zhì)和分散于金屬基質(zhì)中、含有至少兩種不同金屬的金屬間化合物顆粒。在本發(fā)明的各具體實施方式
中，用于金屬基質(zhì)的金屬沒有特別的限制，可以包括，例如，鋁、鎂、鈦和其它可處理的金屬及其適于熔合形成金屬間化合物的合金。如上所述，金屬和金屬間化合物之間的界面通常比金屬和陶瓷之間的界面強。
在本發(fā)明的各具體實施方式
中，金屬間化合物顆粒中的至少一種金屬與基質(zhì)金屬相同。用于金屬間化合物顆粒的金屬的組合沒有特別的限制，可以包括，例如，鋁、鈦、鈮、鐵以及與基質(zhì)金屬形成金屬間化合物的其它金屬。
在形成本發(fā)明不連續(xù)補強金屬復(fù)合材料的過程中，金屬間化合物顆粒被分散于金屬基質(zhì)中。如上所述，對于結(jié)構(gòu)用途，金屬間化合物顆粒的粒度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0μm，更優(yōu)選低于約10μm。
在本發(fā)明的各具體實施方式
中，金屬間化合物顆粒應(yīng)當(dāng)以必要的量加入金屬基質(zhì)中，該量使得金屬基質(zhì)復(fù)合材料的強度和勁度與單獨的金屬基質(zhì)相比有所增強。在本發(fā)明的各具體實施方式
中，金屬間化合物顆粒以約10體積％至約70體積％的量加入。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式
的不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料100。該不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料100包括分散于金屬基質(zhì)200中的金屬間化合物顆粒300。
金屬間化合物顆粒的選擇可以包含多種考慮。在本發(fā)明的各具體實施方式
中，該金屬間化合物顆粒為具有低密度、高彈性模量和強度、以及良好的熱穩(wěn)定性的金屬間化合物顆粒。一種這類材料為，例如，三鋁化鐵(FeAl3)。
根據(jù)本發(fā)明的不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以通過快速固化和粉末冶金路線進(jìn)行處理。具有所需組成的合金可以被惰性氣體霧化以制備預(yù)合金粉末。粉末顆粒的冷卻速度取決于粉末顆粒的尺寸。粉末顆粒的尺寸越小，冷卻速度越快。金屬間化合物顆粒的尺寸隨冷卻速度變化。較細(xì)和/或較粗的粉末尺寸可以進(jìn)一步的處理以改變顆粒尺寸。
預(yù)合金粉末尺寸的選擇是改變顆粒尺寸的基礎(chǔ)。在本發(fā)明的各具體實施方式
中，復(fù)合材料中顆粒相的尺寸約為20μm或更小(優(yōu)選約10μm或更小)。
惰性氣體霧化產(chǎn)生的預(yù)合金粉末可以通過粉末冶金處理路線進(jìn)行固結(jié)，該處理路線包括真空熱壓，然后熱擠以獲得橫截面為圓形或矩形的條。
下面說明通過粉末冶金(P/M)路線處理復(fù)合材料的方法。通常，P/M路線包括下列步驟(1)制備霧化的基質(zhì)合金粉末；(2)將基質(zhì)合金粉末和粉末形式的補強物混合；(3)將該混合粉末罐裝并脫氣；(4)真空熱壓以制備坯條；以及(5)熱擠出條。
下面是通過P/M路線處理的具體例子。在該例子中，使用鋁作為金屬基質(zhì)，并使用FeAl3作為金屬間化合物顆粒。但是，如上所述，也可以使用各種不同的金屬和金屬間化合物顆粒。
首先，從相圖中選擇Al-Fe合金組成以得到給定體積比例的FeAl3。然后，具有所需組成的液態(tài)合金被惰性氣體霧化以制備含有鋁基質(zhì)和在熔融物快速固化過程中形成的FeAl3顆粒的粉末顆粒。接著，篩選該粉末顆粒以獲得在所需尺寸范圍內(nèi)的顆粒。然后，該粉末被罐裝、脫氣和真空熱壓以在通過熱擠出形成條之前制備坯條。具體而言，為了罐裝粉末，例如粉末顆粒，可以先對該粉末顆粒進(jìn)行冷壓縮，在該過程中粉末在約室溫或稍高的溫度下被罐裝，然后進(jìn)行硬壓縮，在該過程中，罐裝的粉末被壓入容器中并加熱。
對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)很明顯，本發(fā)明的不連續(xù)補強金屬基質(zhì)復(fù)合物可以用于各種需要比單獨的金屬具有更高強度和勁度的結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明的材料可以用于汽車部件、結(jié)構(gòu)材料等。
對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)很明顯，本發(fā)明提供了一種具有金屬間化合物顆粒的金屬基質(zhì)，該顆粒由分散于金屬基質(zhì)中的至少兩種金屬形成。通過提供具有分散于其中的金屬間化合物顆粒的金屬基質(zhì)，得到的復(fù)合材料比金屬/陶瓷復(fù)合材料具有更好的界面結(jié)合強度。另外，本發(fā)明通過快速固化和粉末冶金(P/M)處理路線可以很好地控制金屬間化合物顆粒的尺寸范圍和分布。對于給定的補強顆粒的顆粒尺寸和體積比例，根據(jù)本發(fā)明得到的金屬間化合物/金屬基質(zhì)復(fù)合材料與金屬/陶瓷顆粒復(fù)合材料相比具有改進(jìn)的性能。
權(quán)利要求
1.一種不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其含有一種金屬基質(zhì)；以及大量含有至少兩種不同金屬的金屬間化合物顆粒，該金屬間化合物顆粒的尺寸在1μm至約10μm的范圍內(nèi)，并以至少20體積％的量分散于金屬基質(zhì)中，其中該金屬間化合物顆粒具有至少一種與金屬基質(zhì)中的金屬相同的金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中該金屬基質(zhì)含有鋁，并且大量金屬間化合物顆粒含有鋁和至少一種其它金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中該金屬間化合物顆粒為FeAl3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中該金屬間化合物顆粒以至少20體積％至約50體積％的量分散于金屬基質(zhì)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中該金屬基質(zhì)為鋁、鈦、鈮和鎂中的至少一種，或其合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中該金屬間化合物顆粒含有金屬基質(zhì)的金屬和至少一種除金屬基質(zhì)的金屬以外的金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其中所述至少一種除金屬基質(zhì)的金屬以外的金屬為鋁、鈦、鈮、鎂、鐵、鉻、釩和鋯中的至少一種。
8.一種處理金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法，其包括霧化至少兩種不同金屬的熔融合金以形成金屬基質(zhì)，從而制備含有金屬基質(zhì)和金屬間化合物顆粒的粉末顆粒，其中該金屬間化合物顆粒以至少20體積％的量分散于金屬基質(zhì)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，其中該金屬間化合物顆粒以約20體積％至約70體積％的量分散于金屬基質(zhì)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，其中該金屬間化合物顆粒以約30體積％至約70體積％的量分散于金屬基質(zhì)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，其中該金屬間化合物顆粒的尺寸為1μm至約10μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，其還包括通過熱壓和擠出對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，還包括通過熱壓和軋制對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的處理方法，還包括通過熱等靜壓對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
15.一種處理金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法，其包括霧化至少兩種不同金屬的熔融合金以形成金屬基質(zhì)，從而制備含有金屬基質(zhì)和尺寸為1μm至約10μm的金屬間化合物顆粒的粉末顆粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的處理方法，其中該金屬間化合物顆粒的尺寸為約2μm至約10μm。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的處理方法，還包括通過熱壓和擠出對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的處理方法，還包括通過熱壓和軋制對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的處理方法，還包括通過熱等靜壓對粉末顆粒進(jìn)行后處理。
全文摘要
一種不連續(xù)補強的金屬復(fù)合材料，其具有金屬基質(zhì)和大量含有至少兩種不同金屬的金屬間化合物顆粒，該金屬間化合物顆粒的尺寸在1μm至約10μm的范圍內(nèi)，并以至少20體積％的量分散于金屬基質(zhì)中，其中該金屬間化合物顆粒具有至少一種與金屬基質(zhì)中的金屬相同的金屬。
文檔編號C22C27/02GK1658989SQ03813598
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者G·S·穆爾蒂, B·E·約瑟夫 申請人:塔奇斯通研究實驗室有限公司