專利名稱：功能梯度金屬基復(fù)合材料板的制作方法
功能梯度金屬基復(fù)合材料板
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用鑄造表面通常是輥或帶的表面，在輥或帶的表面之間有夾 隙。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬產(chǎn)品以約50-300英尺/分鐘的速度離開夾 隙。在實(shí)踐中，熔融金屬可以是鋁合金，顆粒物可以是例如氧化鋁。 如前所述，根據(jù)本發(fā)明的方法制成的金屬產(chǎn)品包括兩個(gè)外層和一個(gè)具 有高濃度顆粒物的中心層。例如，對(duì)于鋁基MMC，中心層可包括按 體積計(jì)約70%的氧化鋁顆粒。本發(fā)明的產(chǎn)品可以是厚度大約0.004英 寸到大約0.25英寸的帶材、薄板或面板，并且本發(fā)明的產(chǎn)品是金屬基 復(fù)合材料，其將MMC的優(yōu)點(diǎn)與延展性、外觀和易于加工方面的增強(qiáng) 結(jié)合起來。圖2是在本發(fā)明方法中使用的一種裝置的示意圖； [t)012圖3是根據(jù)本發(fā)明運(yùn)行的裝置細(xì)節(jié)的放大的橫截面示意圖； [0013圖4是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)出的帶材的橫切面的顯微照片； [OOl引圖5是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)并然后熱軋成0.008英寸厚的帶材的 橫切面的顯微照片。
具體實(shí)施例方式每個(gè)外殼6和8的厚度隨著金屬M(fèi)朝向輥隙N的前進(jìn)而 逐漸增加。最初，顆粒物IO位于第一外殼6和第二外殼8各自與熔融 金屬M(fèi)之間的界面處。隨著熔融金屬M(fèi)在冷卻輥&和R2的對(duì)向表 面之間移動(dòng)，顆粒物10被拖拽到較慢流動(dòng)的熔融金屬M(fèi)流的中心部 分12中，并沿著箭頭d和C2的方向被攜帶。在輥隙N上游、被稱 為區(qū)域16的中心部分12，金屬M(fèi)是半固態(tài)，包括顆粒物10成分和 熔融金屬M(fèi)成分。在區(qū)域16中的熔融金屬M(fèi)具有固液相容性，這部 分地是由于顆粒物IO在其中的分散。換言之，包含顆粒物10的中心部分12位于第一外殼6和 第二外殼8之間。在中心部分12中的熔融金屬M(fèi)形成內(nèi)層17。換句 話說，內(nèi)層17夾在或設(shè)在第一外殼6和第二外殼8之間。在其他鑄造 設(shè)備中，第一和/或第二外殼6、 8可完全包圍內(nèi)層17。參考

圖1，在 步驟104，內(nèi)層17凝固。在內(nèi)層17完全凝固之前，內(nèi)層17是半固態(tài)， 并包括顆粒物成分10和金屬成分。在這個(gè)階段，內(nèi)層17中的金屬具 有固液相容性，這部分地是由于顆粒物IO在其中的分散。表面不規(guī)則用于增大從冷卻鑄造表面的表面?zhèn)鳠?。?duì)冷卻 鑄造表面施加受控程度的表面非均勻性導(dǎo)致橫過冷卻鑄造表面的傳熱 更均勻。表面不規(guī)則的形式可以是溝槽、凹陷、滾花或其他結(jié)構(gòu)，并 且表面不規(guī)則可以規(guī)則地間隔開。在本發(fā)明的范圍中運(yùn)行的輥鑄機(jī)中， 對(duì)輥&和R2適宜速度的控制、保持和選擇會(huì)影響本發(fā)明的可操作性。 輥速?zèng)Q定熔融金屬M(fèi)朝輥隙N前進(jìn)的速度。如果速度過慢，顆粒物 10將不會(huì)受到足以使其能被夾帶到金屬產(chǎn)品內(nèi)層17中的力。因此， 本發(fā)明適宜在大于每分鐘50英尺的速度下運(yùn)行。適宜的輥分離力大約是5-1000磅每英寸鑄件寬度。通常， 鑄造較厚規(guī)格的合金時(shí)需要較慢的鑄造速度，以便從厚合金消除熱量。 與傳統(tǒng)的輥鑄不同，在本發(fā)明中這種較慢的鑄造速度并不會(huì)導(dǎo)致過大 的輥分離力，這是因?yàn)樵谳佅渡嫌尾划a(chǎn)生完全固態(tài)的有色金屬帶材。
[0037可以以50-300英尺/分鐘的鑄造速度生產(chǎn)厚度約為 0.08-0.25英寸的合金帶材。
[00381在一個(gè)實(shí)施例中，熔融金屬是鋁或鋁合金。[0039在第二個(gè)實(shí)施例中，顆粒物可以是任何非金屬材料，例如
氧化鋁、碳化硼、碳化硅和氮化硼，或是在鑄造過程中現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生或添如入，設(shè)絲備屋^ 仝屋jbl"挑
[0040現(xiàn)在參考圖4，示出根據(jù)本發(fā)明的功能梯度MMC鑄件的顯微結(jié)構(gòu)。示出的帶材400包括以重量計(jì)15%的氧化鋁，厚度規(guī)格是0.004?？梢钥吹?，顆粒物10分布在整個(gè)帶材400中，在中心層401中集中了較高濃度的顆粒，同時(shí)可以看到，在外層402和403中分別為低濃度。應(yīng)當(dāng)注意，由于在本發(fā)明的方法中熔體的快速凝固，顆粒物和鋁基體之間沒有發(fā)生反應(yīng)。此外，如圖5所示，在根據(jù)本發(fā)明的軋制產(chǎn)品中，在顆粒與金屬基體之間的界面處沒有損傷。圖5示出了功能梯度MMC帶材(鋁，15%體積的厶1203， 0.2mm厚度的軋態(tài)復(fù)合材料)，其中，金屬外層具有良好的成形性，中心層具有改善的剛性。本發(fā)明還允許生產(chǎn)冷軋產(chǎn)品，而不需要在冷軋過程中再加熱。由于顆粒物并不突出產(chǎn)品的表面，因此顆粒物就不會(huì)磨損或磨蝕軋機(jī)輥。
[00411雖然已經(jīng)參考具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做了詳細(xì)介紹，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白可以作出各種變化和修改，而不脫離實(shí)施例的精神和范圍。因此，本公開意在涵蓋本公開的各種改變和修改，只要它們落入所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種制造功能梯度金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的方法，其包括以下步驟向一對(duì)前進(jìn)的鑄造表面提供包含顆粒物的熔融金屬；在使熔融金屬在所述一對(duì)前進(jìn)的鑄造表面之間前進(jìn)時(shí)使熔融金屬凝固，以形成包括第一固態(tài)外層、第二固態(tài)外層和處于第一固態(tài)外層與第二固態(tài)外層之間的半固態(tài)中心層的產(chǎn)品，其中，半固態(tài)中心層的顆粒物濃度比第一或第二固態(tài)外層的顆粒物濃度高；在半固態(tài)中心層經(jīng)過所述一對(duì)前進(jìn)的鑄造表面的夾隙后，使半固態(tài)中心層凝固以形成由第一固態(tài)外層、第二固態(tài)外層和凝固的中心層組成的固態(tài)金屬產(chǎn)品；以及將固態(tài)金屬產(chǎn)品從鑄造表面之間取出。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對(duì)固態(tài)金屬產(chǎn)品熱軋或冷軋。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括的步驟是把鑄造表面之間的 夾隙設(shè)定在約0.08-0.25英寸的范圍。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括使熔融金屬前進(jìn)的步驟包 括使熔融金屬混合物以約50 - 300英尺/分鐘的速度在鑄造表面之間前 進(jìn)。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括步驟通過一個(gè)或多個(gè)熱軋 或冷軋道次把整體固態(tài)金屬產(chǎn)品的厚度減薄到約為0.004- 0.125英寸 的最終厚度。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，熔融金屬是鋁合金，顆粒物 選自由氧化鋁、碳化硼、碳化硅、氮化硼和任何非金屬材料組成的組。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，固態(tài)金屬產(chǎn)品為薄板、帶材 或面板。
8、 一種功能梯度金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品，其包括第一外層； 第二外層；和處于第一和第二外層之間的中心層，所述中心層的顆粒物濃度比 第一或第二外層的顆粒物濃度高。
9、 如權(quán)利要求8所述的產(chǎn)品，其中，第一外層、第二外層和中心 層是鋁合金，顆粒物選自由氧化鋁、碳化硼、碳化硅、氮化硼和任何 非金屬材料組成的組。
10、 如權(quán)利要求9所述的產(chǎn)品，其中，中心層包括以體積計(jì)約70% 的氧化鋁顆粒。
11、 如權(quán)利要求8所述的產(chǎn)品，其中，該產(chǎn)品是用帶材鑄造工藝 制成的。
12、 如權(quán)利要求8所述的產(chǎn)品，其中，產(chǎn)品的厚度約0.004-0.125英寸。
13、 如權(quán)利要求8所述的產(chǎn)品，其中，產(chǎn)品是帶材、薄板或面板。
全文摘要
一種制造功能梯度金屬基復(fù)合材料(MMC)產(chǎn)品(20)的方法，所述產(chǎn)品(20)具有夾在外殼(6、8)之間的富含顆粒物(10)的固態(tài)中心層(18)，該方法包括向一對(duì)前進(jìn)的鑄造表面(D₁、D₂)提供包含顆粒物(10)的熔融金屬(M)；使熔融金屬(M)凝固；以及從鑄造表面(D₁、D₂)之間取出MMC產(chǎn)品(20)。固態(tài)中心層(18)比任何外層(6、8)包含的顆粒物(10)濃度都要高。MMC產(chǎn)品(20)將金屬外層的易于機(jī)械加工性能和外觀與固態(tài)中心層(18)提供的改良性能結(jié)合起來。
文檔編號(hào)B22D11/00GK101678440SQ200880018281
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者A·于納爾, D·W·蒂蒙斯, G·F·懷亞特-邁爾, 小D·A·托姆斯 申請(qǐng)人:美鋁公司