專利名稱：抗沖擊材料及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法。具體地說，這種新型復(fù)合材料可以用于防護(hù)材料。
現(xiàn)有技術(shù)敘述了許多不同的生產(chǎn)防護(hù)材料的方法。具體地說，進(jìn)行了大量的研究以生產(chǎn)金屬防護(hù)材料和陶瓷防護(hù)材料以及復(fù)合體防護(hù)材料。但是，還需要生產(chǎn)一種可靠的防護(hù)材料，該材料的成本低廉并且易于生產(chǎn)。
常規(guī)的防護(hù)系統(tǒng)還包括層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括例如金屬、陶瓷和/或復(fù)合材料等各種材料層。但是還需要提供具有理想抗沖擊性能的更好的防護(hù)材料，它可以在低成本下生產(chǎn)，并包括簡(jiǎn)單的制造技術(shù)。
1988年1月11日Dwivedi等人提交的美國專利申請(qǐng)系列142，385號(hào)，題目是“金屬基質(zhì)復(fù)合材料的制備方法”，提出了一種向裝有填料的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料模型中滲透可滲透物質(zhì)制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的新穎方法，這個(gè)專利現(xiàn)已被批準(zhǔn)。根據(jù)Dwivedi等人發(fā)明的方法，把一種熔融的先質(zhì)金屬或母體金屬與氧化劑一起使之有控制地氧化制成一種模型，生長(zhǎng)出一種多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，這種產(chǎn)物至少把一部分的含有適當(dāng)填料(稱作“第一種填料)的預(yù)型體嵌在其中。然后再把所形成的陶瓷基復(fù)合材料模型裝入第二種填料，第二種填料與模型一起與熔融金屬接觸，再把模型密封。最典型的是引入至少一種熔融金屬或打開模型的密封。密封層可能含有夾雜的空氣，但這種夾雜的空氣與模型內(nèi)的東西都是孤立的，或者說它們是被密封住的，所以它們與外部的或周圍的空氣并不接觸。通過給予一定的封閉的環(huán)境，在適當(dāng)?shù)娜廴诮饘俚臏囟认?，就可以使第二種填料有效地滲透。這種方法避免了使用濕潤(rùn)劑，不需要在熔融基質(zhì)金屬中加入合金的組分，不需要施加機(jī)械壓力，不需要真空，也不需要特殊的氣氛條件或其它一些滲透手段。
在1989年7月18日提交的題目為“通過自生真空真法形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法”的共同所有第07/381，523號(hào)美國專利申請(qǐng)中，Kantner等人對(duì)Dwivedi等人的方法進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)Kantner等人的方法，制造一個(gè)不可滲透的容器，并在其內(nèi)部放入填料或預(yù)型體。然后使基質(zhì)金屬熔融并使其與所說的填料或預(yù)型體相接觸。然后制備一個(gè)密封裝置使填料或預(yù)型體中包含的反應(yīng)氣氛與任何室內(nèi)氣氛隔絕。然后在所說的容器內(nèi)形成一個(gè)自生的真空，該真空使熔融的基質(zhì)金屬滲透所說的填料或預(yù)型體。然后使所說的基質(zhì)金屬冷卻(例如定向固化)，之后將所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體從所說的容器中取出。Kantner等人公開了許多不同的基質(zhì)金屬和填料組合，它們均適用于本發(fā)明之中。
本申請(qǐng)的主題還涉及一些其它的共同未決和共同所有的金屬基質(zhì)復(fù)合體專利申請(qǐng)的主題。具體地說，一種生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合材料的新方法公開于以White等人的名義于1987年5月13日申請(qǐng)的題為“金屬基質(zhì)復(fù)合體”的共同所有美國專利申請(qǐng)第0.49，171中，該申請(qǐng)已于1989年5月9日批準(zhǔn)，美國專利號(hào)為4，828，008。根據(jù)White等人的發(fā)明的方法，通過用熔融鋁滲透一種可滲透填料(如陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)體來生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優(yōu)選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發(fā)地發(fā)生滲透。于至少約675℃的溫度下，在一種含有約10～100%，最好至少約50%(體積)氮?dú)獾臍怏w存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮?dú)馔?，如果有的話為非氧化性氣體，如氬氣。在這些條件下，這種熔融鋁合金在常壓下滲透所說的陶瓷體形成鋁(或鋁合金)基質(zhì)復(fù)合體。當(dāng)所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時(shí)，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進(jìn)行到填料體的邊緣。根據(jù)White等人的發(fā)明生產(chǎn)的鋁基復(fù)合體中填料的量可以非常高。在這方面，填料對(duì)合金的體積比可達(dá)到1∶1以上。
在上述White等人發(fā)明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個(gè)鋁基質(zhì)中的不連續(xù)相。鋁基質(zhì)中氮化物的量可隨溫度、合金組成、氣體組成和填料等因素而變化。因此，通過控制反應(yīng)體系因素的一個(gè)或多個(gè)，可能調(diào)節(jié)這種復(fù)合體的某些性能。但是，對(duì)于某些實(shí)際應(yīng)用來說，可能希望這種復(fù)合體含有少量的或基本不含氮化鋁。
已觀察到較高的溫度有利于滲透，但使得該方法更有助于氮化物的形成。White等人的發(fā)明提供了平衡滲透動(dòng)力學(xué)和氮化物形成的選擇。
在以Michel K.Aghajanian等人的名義于1988年1月7日提交的，題目為“用阻擋元件制造金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法”的共同所有美國專利申請(qǐng)系列號(hào)為141，624的申請(qǐng)中，敘述了一個(gè)適用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的阻擋元件的例子。根據(jù)Aghajanian等人的發(fā)明方法，將阻擋元件(例如，顆粒狀二硼化鈦或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil 為商品名出售的軟石墨帶產(chǎn)品)放置于填料的限定界表面，并且基質(zhì)合金滲透到該阻擋元件限定的邊界處。這種阻擋元件被用來抑制、防止或中止該熔融合金的滲透，由此為得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體提供了基本的或大致的形狀。因此，所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體具有一個(gè)基本符合于該阻擋元件內(nèi)部形狀的外形。
1988年3月15日以Michael K.Aghajanian和Marc S.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體及其生產(chǎn)方法”的共同所有，共同未決美國專利申請(qǐng)系列號(hào)168，284對(duì)系列號(hào)為049，171的美國專利申請(qǐng)的方法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)在該美國專利申請(qǐng)中公開的方法，基質(zhì)金屬以一個(gè)第一金屬源和一個(gè)例如由于重力流動(dòng)與該第一金屬源相聯(lián)的基質(zhì)金屬合金儲(chǔ)備源形式存在。具體地說，在該專利申請(qǐng)中所述的條件下，在常壓下這種第一熔融金屬合金源首先滲入填料體中，由此開始形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。這種第一熔融基質(zhì)金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當(dāng)自發(fā)滲透繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，可以從所說的熔融基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源進(jìn)行補(bǔ)充，這種補(bǔ)充最好通過一個(gè)連續(xù)方式進(jìn)行。當(dāng)所需量的可滲透填料已被這種熔融基質(zhì)合金自發(fā)滲透時(shí)，使溫度降低以使該熔融合金固化，因此形成一種嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。應(yīng)該明白的是這種金屬儲(chǔ)備源的使用僅僅是本專利申請(qǐng)中所述的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，并不是在所述的發(fā)明的每個(gè)其它實(shí)施方案中都必須采用該金屬儲(chǔ)備源，但是將本發(fā)明儲(chǔ)備源用于部分實(shí)施方案中還是有利的。
這種金屬儲(chǔ)備源應(yīng)提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預(yù)定的程度。另一方面，可以選擇阻擋元件與該可滲透填料體的至少一個(gè)側(cè)面接觸，以限定出一個(gè)表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質(zhì)合金應(yīng)至少足以使自發(fā)滲透基本進(jìn)行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲(chǔ)備源中存在的合金量應(yīng)超過這個(gè)這個(gè)足夠量，以使得不僅有足夠是的合金用于完全滲透，而且有過量的熔融金屬合金保留并與該金屬基質(zhì)復(fù)合體相連。因此，當(dāng)過量的熔融合金存在時(shí)，所得到的物體將是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體(例如，一個(gè)大復(fù)合體)，其中具有金屬基質(zhì)的滲透陶瓷體將會(huì)直接粘結(jié)到該儲(chǔ)備中剩余的過量金屬上。
金屬基質(zhì)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)敘述于以Aghajanian等人的名義，于1989年10月6日提交的題為“用自發(fā)滲透法生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法及其制品”的共同所有和共同未決美國專利申請(qǐng)第07/416，327中。根據(jù)Aghajanian等人的這一發(fā)明，金屬基質(zhì)進(jìn)入可滲透的填料體或預(yù)型體的自發(fā)滲透是通過使用與所說的填料或預(yù)型體相聯(lián)合的滲透促進(jìn)劑和/或滲透促進(jìn)劑前體和/或滲透氣氛，至少在該工藝過程的某一時(shí)刻，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透所說的填料或預(yù)型體來實(shí)現(xiàn)的。Aghajanian等人公開了許多顯示出自發(fā)滲透的基質(zhì)金屬/滲透促進(jìn)劑前體/滲透氣氛體系。具體地說，Aghajanian等人公開了在鋁/鎂/氮體系;鋁/鍶/氮體系;鋁/鋅/氧體系和鋁/鈣/氮體系中均已觀察到自發(fā)滲透現(xiàn)象。但是，從Aghajanian等人的發(fā)明中所述公開內(nèi)容清楚地知道，所說的自發(fā)滲透現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在其它基質(zhì)金屬/滲透促進(jìn)劑前體/滲透氣氛體系中。
每個(gè)上述討論的共同所有專利申請(qǐng)和專利敘述了一些金屬基質(zhì)復(fù)合體的生產(chǎn)方法及其由此生產(chǎn)的新型金屬基質(zhì)復(fù)合體。將所有上述共同所有金屬基質(zhì)專利申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容結(jié)合在此以供參考。
本發(fā)明涉及防護(hù)材料，該材料包括金屬基質(zhì)復(fù)合體。具體地說，所說的防護(hù)材料可以基本由所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體本身組成，或者所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體可以是用于防護(hù)系統(tǒng)(例如，用于陸地運(yùn)載工具、飛機(jī)和水上運(yùn)載工具)的輔助系統(tǒng)的一部分。
具體地說，已發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷金屬基質(zhì)復(fù)合體(即，在基質(zhì)金屬中含有高體積百分比填料的復(fù)合體)可顯示出理想的防護(hù)特性。具體地說，高負(fù)荷金屬基質(zhì)復(fù)合體可顯示出對(duì)炮彈的腐蝕作用;典型地具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所說的基質(zhì)金屬本身的剛性;比所說的基質(zhì)金屬本身更硬，并且可顯示出接近所說的填料硬度的硬度;以及可具有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度。
因此，可用于生產(chǎn)高負(fù)荷金屬基質(zhì)復(fù)合體的任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ桥c本發(fā)明相容的。另外，可以使用顯示出所要求的抗沖擊性能的任何填料和基質(zhì)金屬的結(jié)合。例如，可以利用諸如壓鑄、加壓澆鑄等技術(shù)來生產(chǎn)本發(fā)明的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
但是，在此公開了生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的兩種優(yōu)選實(shí)施方案。這兩種優(yōu)選實(shí)施方案已在“相關(guān)的共同所有專利和專利申請(qǐng)的討論”部分中進(jìn)行一般性討論。更具體地說，所說的自生真空和自發(fā)滲透技術(shù)的每一種都可以用來生產(chǎn)具有所要求特性的復(fù)合體。
如上所述，可以使用具有所要求抗沖擊性能的金屬與填料的任何組合。但是，優(yōu)選的基質(zhì)金屬包括銅、鈦、鐵、鑄鐵、鋁、鎳、鋼等。優(yōu)選的填料包括碳化硅、氧化鋁、二硼化鈦、氧化鋯、碳化鈦、氮化鈦氮化鋁等。所說的填料可以是任何所要求的形狀，包括顆粒、纖維、晶須等。
特別優(yōu)選的基質(zhì)金屬包括與優(yōu)選的填料碳化硅和氧化鋁結(jié)合使用的銅、鈦、鑄鐵和鋁。
“合金面”是指在熔融金屬滲透到填料和預(yù)型體中去之前，金屬基質(zhì)復(fù)合體最初與熔融基質(zhì)金屬接觸的一面。
“鋁”是指(包括)純金屬(如相對(duì)純的，市場(chǎng)上可得到的未合金化的鋁)或其它級(jí)別的金屬與金屬合金，如市場(chǎng)上可得到的含有雜質(zhì)和/或合金組分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等)的金屬。所定義的鋁合金是指鋁作為主成份的金屬互化物。
“周圍(環(huán)境)氣氛”是指填料或預(yù)型體與不透容器以外的氣氛。其組成可以與反應(yīng)氣體基質(zhì)一致，也可以不同。
在此所用的“平衡非氧化性氣體”的意思是除構(gòu)成所說滲透氣氛的主要?dú)怏w之外存在的任何氣體，在所用工藝條件下，或者是惰性的或者是基本不與所述基質(zhì)金屬反應(yīng)的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質(zhì)形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應(yīng)不足以使所用的基質(zhì)金屬氧化到任何顯著的程度。
在此所用的“阻擋元件”的意思是妨礙、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)金屬超過可滲透填料體或預(yù)型體表面邊界的移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)等，其中的表面界(界表面)是由所說的阻擋元件所限制的。適用的阻擋元件可以是在工藝條件下，保持某種程度的完整性并且基本不揮發(fā)(即，阻擋材料沒有揮發(fā)到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當(dāng)?shù)牟牧?、化合物、元素、組合物等。
另外，適用的“阻擋元件”包括在所利用的工藝條件下基本不能被運(yùn)動(dòng)的熔融基質(zhì)金屬潤(rùn)濕的材料。這種類型的阻擋元件顯示出對(duì)所說的熔融基質(zhì)金屬具有很小的親合力或沒有親合力。用這種阻擋元件阻止或抑制了超越該填料體或預(yù)型體的限定界面的運(yùn)動(dòng)。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機(jī)械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質(zhì)復(fù)合產(chǎn)物的一部分表面。這種阻擋元件在某些情況下，可以是可滲透的或多孔的，或者例如通過鉆孔或穿孔使其可滲透，以使得氣體與所說的熔融基質(zhì)金屬接觸。
“青銅”是指(包括)富銅的合金，其中可能含有鐵、錫、鋅、鋁、硅、鈹、鎂和/或鉛。特殊的青銅合金中，銅的重量百分比約為90%。硅約為6%，鐵約3%。
“殘余”或“基質(zhì)金屬殘余”是指金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成過程中沒有被消耗而剩下的基質(zhì)金屬，在典型情況下，如果冷卻下來，殘余至少有一部分會(huì)與所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體接觸。必須明白的是可能包含第二種或外來的金屬。
“鑄鐵”是指整個(gè)鑄鐵合金系，其中碳的重量百分含量至少為2%。
“銅”是指商品級(jí)的相當(dāng)純的銅，如重量比為99%的含有其它不同雜質(zhì)的銅。另外它還指主成份是銅的合金或金屬互化物。只要它不屬于青銅的范圍。
在此所用的“填料”是指單一成分或多種成分的混合物，所說的成分基本不與所說的基質(zhì)金屬反應(yīng)和/或在所說的基質(zhì)金屬中具有限定溶解性的，并且可以是單相或者多相的。填料可以各種形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶須、液體等，并且可以是密實(shí)也可以是多孔的?！疤盍稀边€可以包括陶瓷填料，如纖維、切斷纖維、顆粒、晶須、泡體、球、纖維板等形狀的氧化鋁或碳化硅，和陶瓷涂敷的碳纖維，如用氧化鋁或碳化硅涂敷的碳纖維，例如通過用熔融的母金屬鋁涂敷以保護(hù)碳免受腐蝕。填料還可以包括金屬。
在此所用的“熱頂”是指在至少部分形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的一端(所說的“頂”端)物質(zhì)的放置，該物質(zhì)與至少一種所說的基質(zhì)金屬和/或填料和/或提供給頂端的另一種物質(zhì)發(fā)生放熱反應(yīng)。該放熱反應(yīng)提供足以使所說的基質(zhì)金屬在所說的頂端保持熔融狀態(tài)的熱量，同時(shí)使在所說的復(fù)合體中的剩余部分的基質(zhì)金屬冷卻到固化溫度。
“不可滲透容器”是指在工藝條件下用來裝盛反應(yīng)氣體與填料(或預(yù)型體)和/或熔融基質(zhì)金屬和/或密封層的容器。容器的密實(shí)性必須很好，不能使氣體或蒸氣滲透過去。這樣就有可能形成反應(yīng)氣氛與環(huán)境氣氛的氣壓差。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質(zhì)金屬和/或預(yù)型體(或填料)和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑相互作用并且使或促進(jìn)所用的基質(zhì)金屬發(fā)生自發(fā)滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強(qiáng)劑”是指一種能促進(jìn)或有助于一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到一種填料或預(yù)型體中的材料。滲透增強(qiáng)劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)形成(1)一種氣體物質(zhì)和/或(2)該滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛的反應(yīng)物和/或(3)該滲透增強(qiáng)劑前體和填料或預(yù)型體的反應(yīng)物。另外，這種滲透增強(qiáng)劑可能直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中至少一種提供并起著與滲透添加劑前體和另一物質(zhì)反應(yīng)而形成的滲透增強(qiáng)劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發(fā)滲透期間，至少該滲透增強(qiáng)劑應(yīng)放在至少一部分所用的填料或預(yù)型體中，以完全自發(fā)滲透。
此處所用的“滲透增強(qiáng)劑前體”是指這樣一種材料，當(dāng)使其與基質(zhì)金屬、預(yù)型體和/或滲透氣氛相結(jié)合使用時(shí)能形成促使或有助于基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透填料或預(yù)型體的滲透增強(qiáng)劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強(qiáng)劑前體能夠被定位于或可移動(dòng)至允許與滲透氣氛和/或預(yù)型體或填料和/或基質(zhì)金屬發(fā)生反應(yīng)的部位。舉例來說，在某些基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系中，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質(zhì)金屬熔融溫度下?lián)]發(fā)。這一揮發(fā)過程可以導(dǎo)致(1)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛發(fā)生反應(yīng)形成一種有助于基質(zhì)金屬潤(rùn)濕填料或預(yù)型體的氣態(tài)物質(zhì);和/或(2)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)生成處于至少一部分填充物或預(yù)形體之中、有助于潤(rùn)濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑;和/或(3)滲透增強(qiáng)劑前體與填料或預(yù)型體反應(yīng)，該反應(yīng)形成處于至少一部分填充料或預(yù)型體之中、有助于潤(rùn)濕的固體、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑。
此處所用的“基質(zhì)金屬”或“基質(zhì)金屬合金”是指用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之前)的金屬和/或用于與填料互相混合從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之后)的金屬。當(dāng)指定某一特定金屬為基質(zhì)金屬時(shí)，應(yīng)該理解為該基質(zhì)金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質(zhì)和/或合金成分的市售金屬、其中該金屬為主要成分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系”或“自發(fā)體系”是指能夠自發(fā)地滲透到預(yù)型體或填料之中的材料組合體。應(yīng)該理解的是無論在供列舉的基質(zhì)金屬、滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛之間何時(shí)出現(xiàn)“/”，“/”均被用于表示當(dāng)以某一特定方式組合而成之時(shí)便能夠自發(fā)滲透進(jìn)入預(yù)型體或填料體系或組合體。
本文所述的“金屬基質(zhì)復(fù)合體”或“MMC”是指包含嵌入預(yù)型體或填料的二維或三維互連合金或基質(zhì)金屬的材料。該基質(zhì)金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復(fù)合體具有特別需要的機(jī)械物理特性。
“不同于”基質(zhì)金屬的金屬是指這樣一種金屬，其中不含有作為主要成分的與基質(zhì)金屬相同的金屬(例如，若基質(zhì)金屬的主要成分為鋁，那么“不同的”金屬，舉例來說，可以含有主要成分鎳)。
“用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器”是指能夠在加壓條件下容納或包含填料(或預(yù)形體)和/或熔融基質(zhì)金屬并且不與基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或填充物或預(yù)形體以可能嚴(yán)重妨礙自發(fā)滲透機(jī)理的方式而發(fā)生反應(yīng)的任何容器。熔融基質(zhì)金屬的自發(fā)滲透完成之后這種非反應(yīng)性容器可以隨意處理和除去。
本文所述的“預(yù)型體”或“可滲透預(yù)型體”是指組成后具有至少一個(gè)表面界面的多孔狀填料體或填充物體，其中表面邊界基本上限定了滲透基質(zhì)金屬的邊界，該多孔狀物質(zhì)在被基質(zhì)金屬滲透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強(qiáng)度從而達(dá)到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質(zhì)應(yīng)該具備足夠高的多孔性以便使基質(zhì)金屬能夠自發(fā)地滲透進(jìn)去。預(yù)型體典型地包含結(jié)合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何適宜的材料構(gòu)成(例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的任意組合體)。預(yù)型體可以單獨(dú)地存在或以集合體的形式存在。
“反應(yīng)體系”是能夠形成自生真空使熔融基質(zhì)金屬滲透到填料或預(yù)型體中去的所有材料的組合。它至少應(yīng)包括裝有可滲透的填料或預(yù)型體的容器，反應(yīng)性氣氛及基質(zhì)金屬。
“反應(yīng)(性)氣氛”是指可以與基質(zhì)金屬和/或填料(或預(yù)型體)和/或不可滲透容器反應(yīng)而形成自生真空的氣氛。它所產(chǎn)生的自生真空能使熔融的基質(zhì)金屬滲透到填料或預(yù)型體中去。
“儲(chǔ)存器”是位于與填料或預(yù)型體相對(duì)的位置而與基質(zhì)金屬分離的部分。當(dāng)金屬熔化時(shí)，它可以流動(dòng)以補(bǔ)充與填料或預(yù)型體相接觸的基質(zhì)金屬。這種補(bǔ)充在某種情況下從一開始就逐步進(jìn)行了。
“密封”或“密封層”是指在工藝條件下不能使氣體透過的一層物質(zhì)，它可以是獨(dú)立形成的(如外加密封)或由于反應(yīng)體系所形成的(內(nèi)部封密)，它把環(huán)境氣氛與反應(yīng)氣氛分離開來。密封或密封層的組成可能與基質(zhì)金屬不同。
“密封促進(jìn)體”是指可以通過促進(jìn)基質(zhì)金屬與環(huán)境氣氛和/或不可滲透容器和/或填料或預(yù)型體反應(yīng)以形成密封層的材料。這種材料可加到基質(zhì)金屬中，而基質(zhì)金屬中的密封促進(jìn)體的存在又可提高生成復(fù)合體的性能。
本文所述的“自發(fā)滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內(nèi)部產(chǎn)生)的條件下基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體的可滲透部分所產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象。
“濕潤(rùn)增強(qiáng)劑”是指加到基質(zhì)金屬與/或填料或預(yù)型體中，可以增強(qiáng)基質(zhì)金屬對(duì)填料或預(yù)型體的濕潤(rùn)(如減少基質(zhì)金屬的表面張力)的材料。濕潤(rùn)增強(qiáng)劑還可通過提高基質(zhì)金屬與填料之間的結(jié)合力來提高生成金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
提供下列附圖以有助于理解本發(fā)明，但是并非意味著對(duì)本發(fā)明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號(hào)數(shù)表示同一組分，其中

圖1為生產(chǎn)自發(fā)滲透金屬基質(zhì)復(fù)合體的組裝體的截面示意圖。
圖2為用自生真空技術(shù)生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的典型組裝體的截面示意圖。
圖3為適用于標(biāo)準(zhǔn)組裝體的自生真空法的流程簡(jiǎn)圖。
本發(fā)明一般涉及用作防護(hù)材料的金屬基質(zhì)復(fù)合體。具體地說，具有高體積百分比填料含量(例如，填料含量至少約50%(體積))的金屬基質(zhì)復(fù)合體可以作為理想的防護(hù)材料。
任何許多適當(dāng)?shù)男纬杉夹g(shù)都可以用于生產(chǎn)具有高體積百分比填料的金屬基質(zhì)復(fù)合體。但是，生產(chǎn)這種防護(hù)材料的兩種優(yōu)選技術(shù)包括如上和下面討論的自生真空技術(shù)和自發(fā)滲透技術(shù)。
圖1所示為用于形成自發(fā)滲透金屬基質(zhì)復(fù)合體的簡(jiǎn)單組裝體(10)。具體地講，如下詳述的，將任何適宜材質(zhì)的填料或預(yù)型體(2)置于用于容納基質(zhì)金屬(4)和/或填料的非反應(yīng)性容器之中。將基質(zhì)金屬(3)置于或接近于填料或預(yù)型體(2)之上。隨后，將組裝體置于一加熱爐中以便引發(fā)自發(fā)滲透。
由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，當(dāng)滲透增強(qiáng)劑前體與基質(zhì)金屬和/或填料或預(yù)型體和/或滲透氣氛中的至少一種組合使用時(shí)，滲透增強(qiáng)劑前體會(huì)發(fā)生反應(yīng)從而生成能夠促進(jìn)或有助于熔融基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透填料或預(yù)型體的滲透增強(qiáng)劑。此外，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說，似乎必要的是使該滲透增強(qiáng)劑前體能夠被定位于或可移動(dòng)至允許與滲透氣氛和/或預(yù)型體或填料和/或熔融基質(zhì)金屬中的至少一種發(fā)生反應(yīng)的部位。舉例來說，在某些基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系中，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質(zhì)金屬熔融溫度下?lián)]發(fā)。這一揮發(fā)過程可以導(dǎo)致(1)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛發(fā)生反應(yīng)形成一種有助于基質(zhì)金屬潤(rùn)濕填料或預(yù)型體的氣態(tài)物質(zhì);(2)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)生成處于至少一部分填料或預(yù)形體之中、有助于潤(rùn)濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑;和/或(3)滲透增強(qiáng)劑前體與填料或預(yù)型體發(fā)生反應(yīng)形成處于至少一部分填料或預(yù)型體之中、有助于潤(rùn)濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑。
因此，舉例來說，若滲透增強(qiáng)劑前體至少在工藝過程中的某一時(shí)刻包括在熔融基質(zhì)金屬中或與其結(jié)合的話，那么滲透增強(qiáng)劑就有可能自熔融基質(zhì)金屬中揮發(fā)出來并與填料或預(yù)型體和/或滲透氣氛中的至少一種發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)導(dǎo)致固體物質(zhì)形成，如果該固體在滲透溫度下能夠穩(wěn)定存在的話，則該固體便能夠以例如涂層的形式沉積于至少一部分填料或預(yù)型體之上。此外，可以想象這些固體是以可辯別的固體形式存在于至少一部分預(yù)型體或填料之中。若該固體形成，那么熔融基質(zhì)金屬就易于發(fā)生反應(yīng)(例如，熔融基質(zhì)金屬可以還原所形成的固體)從而使?jié)B透增強(qiáng)劑前體與熔融基質(zhì)金屬締合(例如，溶解于熔融基質(zhì)金屬之中或與之形成合金)。因此，之后還可以有另一些滲透增強(qiáng)劑前體揮發(fā)并與其另一種物質(zhì)(例如，填料或預(yù)型體和/或滲透氣氛)反應(yīng)從而再形成類似的固體，可以相象的是滲透增強(qiáng)劑前體首先被連續(xù)地轉(zhuǎn)化為滲透增強(qiáng)劑，隨后滲透增強(qiáng)劑經(jīng)熔融基質(zhì)金屬還原再次形成附加的滲透增強(qiáng)劑，如此進(jìn)行直至形成自發(fā)滲透金屬基質(zhì)復(fù)合體為止。
為了使基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透進(jìn)入填料或預(yù)型體，應(yīng)該將滲透增強(qiáng)劑加至自發(fā)體系之中。滲透增強(qiáng)劑可以由滲透增強(qiáng)劑前體形成，它可以(1)在基質(zhì)金屬中;和/或(2)在填料或預(yù)形體中和/或(3)由滲透氣氛;和/或(4)由外界來源被提供給自發(fā)體系。此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向填料或預(yù)形體、和/或基質(zhì)金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施方案中，滲透增強(qiáng)劑前體可能至少是部分地與滲透氣氛反應(yīng)使得在先于或基本上接近于填料或預(yù)型體與基質(zhì)金屬接觸之時(shí)在至少一部分填料或預(yù)型體中形成滲透增強(qiáng)劑(例如，若鎂是滲透增強(qiáng)劑前體而氮為滲透氣氛的話，那么滲透增強(qiáng)劑則可以是位于至少一部分預(yù)型體或填料之中的氮化鎂)。
基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系的實(shí)例為鋁/鎂/氮體系。具體地講，可將鋁基金屬裝在一個(gè)在工藝條件下鋁被熔化時(shí)不會(huì)與鋁基金屬和/或填料反應(yīng)的適宜的耐火容器之中。隨后，填料或預(yù)型體與熔融鋁基金屬接觸并且被自發(fā)滲透。
此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向預(yù)型體或填料、和/或基質(zhì)金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
在本發(fā)明方法所選用的條件下，在鋁/鎂/氮自發(fā)滲透體系的情況下，預(yù)型體或填料應(yīng)該具備足夠的可滲透性以便于含氮?dú)怏w在過程進(jìn)行期間某一時(shí)刻穿透或滲透填料和/或與熔融基質(zhì)金屬接觸。此外，可滲透填料或預(yù)型體能夠適應(yīng)熔融基質(zhì)金屬的滲透，從而使得被氮?dú)鉂B透的預(yù)型體被熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或使氮?dú)馀c滲透增強(qiáng)劑前體反應(yīng)從而在填料或預(yù)型體內(nèi)形成滲透增強(qiáng)劑并且導(dǎo)致自發(fā)滲透。自發(fā)滲透的程度以及金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成將隨著給定的工藝條件而發(fā)生變化，這些條件包括鋁合金中的鎂含量、預(yù)型體或填料中的鎂含量、預(yù)型體或填料中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在構(gòu)成預(yù)型體的填料或填料的平均粒度(例如粒徑)、填料或預(yù)型體的表面狀況和類型、滲透氣氛中中氮濃度、滲透時(shí)間和滲透溫度。舉例來說，對(duì)于熔融鋁基金屬所進(jìn)行的自發(fā)滲透來說，鋁可以與以合金重量為基準(zhǔn)計(jì)至少大約1%(重)、以至少大約3%(重)為佳的鎂(起著滲透增強(qiáng)劑前體的作用)形成合金。如上所述，基質(zhì)金屬中還可以包括輔助合金元素以便使其具備特定的性能。另外，輔助合金元素會(huì)改變基質(zhì)鋁金屬中進(jìn)行自發(fā)滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量。由于，舉例來說，揮發(fā)所造成的鎂損失不應(yīng)該發(fā)展到?jīng)]有用于形成滲透增強(qiáng)劑的鎂這一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保證自發(fā)滲透不會(huì)受到揮發(fā)作用的不利影響。再說，當(dāng)鎂同時(shí)存在于預(yù)型體(或填料)與基質(zhì)金屬之中或者僅存在于預(yù)型體(或填料)中時(shí)均會(huì)使進(jìn)行自發(fā)滲透所需的鎂量有所減少(下文將對(duì)此作更詳細(xì)的討論)。
滲透氣氛中氮的體積百分比同樣會(huì)對(duì)金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成速率有所影響。具體地說，該氣氛中若存在低于大約10%(體積)氮的話，自發(fā)滲透就會(huì)非常緩慢或者幾乎未發(fā)生自發(fā)滲透。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該氣氛中以存在至少50%(體積)左右的氮為佳，因而使得，舉例來說，滲透時(shí)間由于滲透速率大大加快而更加短暫。滲透氣氛(例如含氮?dú)怏w)可被直接提供給填料或預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬，或者它可以由某一材料分解而成。
熔融基質(zhì)金屬滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量取決于一種或多種諸如加工溫度、時(shí)間、輔助合金元素如硅或鋅的存在、填料的性質(zhì)、在一種或多種自發(fā)體系中鎂所處的位置、氣氛中氮含量以及氮?dú)夥盏牧鲃?dòng)速率之類的變量。隨著合金和/或預(yù)型體的鎂含量增加，可以選用更低的溫度或更短的加熱時(shí)間以實(shí)現(xiàn)完全滲透。此外，對(duì)于給定的鎂含量來說，添加特定的輔助合金元素如鋅允許選用較低的溫度。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬的鎂含量處于可操作范圍下端例如大約1～3%(重)的時(shí)候，與其組合選用的至少為下列因素之一高于最低加工溫度、高氮含量或者一種或多種輔助合金元素。當(dāng)預(yù)型體中未加鎂時(shí)，以通用性為基礎(chǔ)，在寬范圍的加工條件下合金以含有大約3～5%(重)鎂為佳，當(dāng)選用較低溫度和較短時(shí)間時(shí)以至少大約5%為佳。可以采用超過大約10%(鋁合金重量)的鎂含量以調(diào)節(jié)滲透所需溫度條件。當(dāng)與輔助合金元素結(jié)合使用時(shí)可以降低鎂含量，不過這些元素僅具有輔助功能并且與至少上述最低鎂量共同投入使用。舉例來說，僅與10%硅形成合金的足夠純的鋁于1000℃下基本上不滲透500目39 Crystolon(99%純度碳化硅，Norton公司出品)的墊層。然而，在鎂存在下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)硅有助于滲透過程。再舉一個(gè)例子，如果鎂僅僅被提供給預(yù)型體或填料，其數(shù)量會(huì)有所改變。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被供給自發(fā)體系的全部鎂中至少有一部分被置于預(yù)型體或填料中時(shí)，自發(fā)滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進(jìn)行。必要的是提供轉(zhuǎn)少量的鎂以防止在金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成不必要的金屬互化物。在碳化硅預(yù)型體的情況下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該預(yù)型體與鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在該預(yù)型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮?dú)夥沾嬖跅l件下，基質(zhì)金屬自發(fā)滲透該預(yù)形體。在氧化鋁預(yù)型體的情況下，實(shí)現(xiàn)可被接受的自發(fā)滲透所需鎂量稍有增加。具體地說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁預(yù)型體與類似鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在大約與鋁滲透碳化硅預(yù)型體相同的溫度以及有相同氮?dú)夥沾嬖诘臈l件下，需要至少約3%(重)鎂實(shí)現(xiàn)與上述在碳化硅預(yù)型體中類似的自發(fā)滲透。
同樣應(yīng)該注意的是在基質(zhì)金屬滲入填料或預(yù)型體之前可以將滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑以置于合金表面和/或預(yù)型體或填料表面和/或置于預(yù)型體或填料之中的方式提供給自發(fā)體系(即不必使被提供的滲透增強(qiáng)劑或滲透增強(qiáng)劑前體與基質(zhì)金屬形成合金，而是被簡(jiǎn)單地提供給自發(fā)體系)。例如，在鋁/鎂/氮體系中，如果將鎂施用于基質(zhì)金屬表面，則該表面優(yōu)選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這種鎂混合于至少一部分預(yù)型體或填料之中。此外，還可以采用表面施用、形成合金與將鎂置于至少一部分預(yù)形體中三種應(yīng)用方式的某一組合形式。這一應(yīng)用滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體的組合方式不僅能夠減少促進(jìn)基質(zhì)鋁金屬滲透預(yù)型體所需鎂的總重百分比，同時(shí)還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠?qū)⒂捎诖嬖阪V而形成的不需要的金屬互化物數(shù)量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應(yīng)用以及周圍氣體中氮的濃度同樣會(huì)對(duì)在給定溫度下進(jìn)行的基質(zhì)金屬的氮化程度產(chǎn)生影響。舉例來說;包含在合金之中或被置于合金表面的輔助合金元素如鋅或鐵可被用于降低滲透溫度從而減少氮化物的生成量，但是提高氣體中氮?dú)獾臐舛瓤捎糜诖龠M(jìn)氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結(jié)合于填料或預(yù)型體之中的鎂的濃度同樣易于影響在給定溫度下的滲透的程度。因此，在某些幾乎沒有或完全沒有鎂與預(yù)型體或填料直接相接觸的情況下，以合金中至少包含大約3%(重)鎂為佳。若合金含量低于此數(shù)值如含有1%(重)鎂，則需要較高的加工溫度或輔助合金元素進(jìn)行滲透。在下列情況下進(jìn)行本發(fā)明的自發(fā)滲透方法所需溫度較低(1)當(dāng)只有合金的鎂含量增加例如達(dá)到至少5%(重)左右時(shí);和/或(2)當(dāng)合金成分與填料或預(yù)型體的可滲透部分混合時(shí);和/或(3)當(dāng)鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時(shí)。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，在鋁/鎂/氮體系中，自發(fā)和漸進(jìn)滲透的工藝溫度至少約為675℃、以至少約750～800℃為佳。一般情況下，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)似乎對(duì)該工藝過程不會(huì)產(chǎn)生任何益處，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規(guī)律，自發(fā)滲透溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)但是卻低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度。此外，自發(fā)滲透溫度應(yīng)該低于填料的熔點(diǎn)。再說，隨著溫度升高，基質(zhì)金屬與滲透氣氛之間相互反應(yīng)形成產(chǎn)物的傾向性也會(huì)有所增強(qiáng)(例如，在鋁基質(zhì)金屬與氮滲透氣氛的情況下，會(huì)形成氮化鋁)。這類反應(yīng)產(chǎn)物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質(zhì)復(fù)合體的目的應(yīng)用。另外，電阻加熱是達(dá)到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質(zhì)金屬熔化卻對(duì)自發(fā)滲透不會(huì)產(chǎn)生不利影響的加熱方式均適用于本發(fā)明。
在本方法中，舉例來說，至少是在該工藝過程期間的某一時(shí)刻在含氮?dú)怏w存在下使可滲透的填料或預(yù)型體與熔融鋁相接觸，通過保持一連續(xù)的氣流提供含氮?dú)怏w，使其與填料或預(yù)型體和/或熔融鋁基質(zhì)金屬中的至少一種相互接觸。雖然含氮?dú)怏w的流量并非至關(guān)重要，但是該量以足以補(bǔ)償由于合金基質(zhì)中形成氮化物而在氣氛中造成的氮損失。并且足以防止或抑制空氣侵入從而對(duì)熔融金屬產(chǎn)生氧化效果為佳。
形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法適用于許多填料，而填料的選擇取決于諸如基質(zhì)合金、工藝條件、熔融基質(zhì)合金與填料的反應(yīng)能力以及目的復(fù)合體產(chǎn)物應(yīng)具備的特性之類因素。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬為鋁時(shí)，適宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化鋁、二硼化鈦;以及(d)氮化物，例如氮化化鋁和(e)及其混合物。如果填料易于與熔融鋁基質(zhì)金屬反應(yīng)，這可以通過最大限度地縮短滲透時(shí)間與最大限度地降低滲透溫度或者通過向填料提供非反應(yīng)涂層來加以調(diào)節(jié)。填料可以包含一種基質(zhì)如碳或其它非陶瓷材料，該基質(zhì)帶有陶瓷涂層以防受到化學(xué)侵蝕與老化作用。適宜的陶瓷涂層包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的優(yōu)選陶瓷材料包括呈顆粒、片晶、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(被切斷)或以連續(xù)單位如多絲束的形式存在。此外，填料或預(yù)型體可以是均相的或非均相的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)的還有，某些填料相對(duì)于具備類似化學(xué)組成的填料，其滲透性有所增強(qiáng)。舉例來說，按照美國專利No.4713360(題目為“新型陶瓷材料及其制備方法”，Marc S.Newkirk等人，于1987年12月15日頒發(fā))所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對(duì)于市售氧化鋁產(chǎn)品具有理想的滲透特性。此外，按照共同未決與共同所有的申請(qǐng)系列No.819397(題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”，Marc S.Newkirk等人)所述方法組成的粉碎氧化鋁主體相對(duì)于市售氧化鋁產(chǎn)品同樣具有理想的滲透特性。頒布專利及其共同未決專利申請(qǐng)的各自主題在此引用僅供參考。因此，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的可滲透體的徹底滲透可通過采用上述美國專利和專利申請(qǐng)的方法再次的粉碎或細(xì)碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
填料(或預(yù)型體)可以呈現(xiàn)獲得復(fù)合體必要性能所需的任何尺寸、形狀、化學(xué)組成和體積百分比。因此，既然滲透并非受到填料形狀的限制，所以填料可以呈顆粒、晶須、片晶或纖維狀。也可以選用諸如球體、小管、丸粒、耐火纖維布等之類形狀的填料。另外，雖然與較大的顆粒相比，較小顆粒進(jìn)行完全滲透需要更高的溫度或更長(zhǎng)的時(shí)間，或相反取決于特殊的反應(yīng)條件，但是填料的大小并不限制滲透。小至1微米或小于約1100微米或更大的平均粒徑(小于約8微米-約800微米更好)可以成功地用于本發(fā)明，在約2微米到約1000微米的范圍的顆粒優(yōu)先用于大部分商業(yè)應(yīng)用中。另外，有待滲透的填料體(或預(yù)型體)應(yīng)該是可滲透的(即，含有至少一些內(nèi)連空隙，以使其可被熔融基質(zhì)金屬和滲透氣氛所滲透)。另外;通過控制填料或構(gòu)成預(yù)型體的材料的組成和/或尺寸(例如，粒徑)和/或幾何形狀，可以調(diào)節(jié)或改變所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的機(jī)械和/或物理性能以滿足許多工業(yè)需要。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在填料的耐磨性高于基質(zhì)金屬的耐磨性的條件下，通過增加填料的尺寸(例如，增加填料顆粒的平均粒徑)可以提高金屬基質(zhì)復(fù)合體的耐磨性。但是，強(qiáng)度和/或韌度隨著填料尺寸的減小有增加的趨勢(shì)。再有，在填料的熱膨脹系數(shù)低于基質(zhì)金屬熱膨脹系數(shù)的條件下，隨著填料含量的增加，金屬基質(zhì)復(fù)合體的熱膨脹系數(shù)降低。另外;根據(jù)疏松體或預(yù)型體中填料的不同含量，可以改變形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的機(jī)械或物理性能(例如，密度，彈性模量和/或比模量，強(qiáng)度和/或比強(qiáng)度等)。例如，通過提供包括不同尺寸和/或形狀的填料顆粒的混合物的疏松體或預(yù)型體，(其中填料的密度大于基質(zhì)金屬的密度，由于提供的填料填充可以達(dá)到更高的填料含量，由此導(dǎo)致金屬基質(zhì)復(fù)合體具有增加的密度。通過利用本發(fā)明的技術(shù)，可以在很寬范圍內(nèi)改變可以滲透的填料或預(yù)型體的羰基百分比。可以滲透的較低填料體積百分比主要由形成多孔填料或預(yù)型體的能力來限制(例如，約10%(體積));而可以滲透的較高的填料或預(yù)型體的體積百分比主要由形成具有至少一些內(nèi)連孔隙的致密填料或預(yù)型體的能力來限制(例如，約95%(體積))。因此，通過單獨(dú)或結(jié)合實(shí)施任何上述技術(shù)，可以使金屬基質(zhì)復(fù)合體具有所需的結(jié)合性能。
本發(fā)明的形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法并不依賴于施加壓力迫使或擠壓熔融基質(zhì)金屬進(jìn)入預(yù)型體或填料體中從而產(chǎn)生具有高體積百分比的填料和低孔隙率、基本均勻的金屬基質(zhì)復(fù)合體。通過采用低孔隙率的原始填料可以獲得體積百分比較高的填料。只要不會(huì)將填料轉(zhuǎn)化為有礙于熔融合金滲透具有閉孔多孔性壓塊或完全密實(shí)的結(jié)構(gòu)，通過將填料壓實(shí)或以其它方式進(jìn)行致密處理同樣會(huì)獲得體積百分比較高的填料。具體地說，通過例如振動(dòng)密實(shí)、控制粒度分布等方法可以獲得約60-80%的體積百分比。但是，可以用其它可選擇的技術(shù)來獲得甚至更高的填料百分比。對(duì)于本發(fā)明所進(jìn)行的熱成形來說，填料的體積百分比以40-50%為宜。當(dāng)體積百分比在此取值范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)過滲透的復(fù)合體保持或基本保持其形狀，這樣有助于進(jìn)行二次加工。根據(jù)熱成形后所需的目的復(fù)合體含量，可以選用更高或更低的顆粒含量或體積百分比。此外，可以與本發(fā)明的熱成形方法結(jié)合，采用降低顆粒含量的方法實(shí)現(xiàn)較低的顆粒含量。
已經(jīng)觀察到對(duì)于鋁的滲透和在陶瓷填料周圍形成基質(zhì)，鋁基質(zhì)金屬對(duì)陶瓷填料的潤(rùn)濕可能是滲透機(jī)理的重要部分。另外，熔融基質(zhì)金屬對(duì)填料的潤(rùn)濕可以使填料均勻分散在形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體中，并促進(jìn)填料與基質(zhì)金屬的粘合。另外，在低加工溫度下，產(chǎn)生小量的金屬氮化，從而導(dǎo)致小量的不連續(xù)的氮化鋁相分散于金屬基質(zhì)中。但是，當(dāng)接近于溫度范圍的上限時(shí)，金屬的氮化更易發(fā)生。因此，金屬基質(zhì)中的氮化物相的量可以通過改變發(fā)生滲透時(shí)的工藝溫度來控制。氮化物的形成變得更明顯的特定加工溫度還隨著下列因素的變化，例如，所用的基質(zhì)鋁合金及其相對(duì)填料或預(yù)型體體積的量，待滲透的填料和滲透氣氛的氮?dú)鉂舛?。例如，我們相信隨著這種合金對(duì)填料潤(rùn)濕能力的降低以及氣氛的氮?dú)鉂舛鹊脑黾?，在給定加工溫度下的氮化鋁形成量增加。
因此，能使金屬基質(zhì)的組成在產(chǎn)生復(fù)合體的過程中賦予所得到的產(chǎn)物以特定的特性。對(duì)于一給定的體系來說，可以選擇工藝條件控制氮化物的形成。含有氮化鋁相的復(fù)合體產(chǎn)物具有對(duì)于產(chǎn)物的性能起促進(jìn)作用或能夠改善產(chǎn)物性能的特性。此外，鋁合金進(jìn)行自發(fā)滲透的溫度范圍可以隨著所用的陶瓷材料而有所變化。在選用氧化鋁作為填料的情況下，如果想要使基質(zhì)的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么滲透溫度以不超過大約1000℃為佳。然而，如果希望形成含有延展性較差而硬度較高的基質(zhì)復(fù)合體那么滲透溫度可超過1000℃。當(dāng)選用碳化硅作為填料時(shí)，相對(duì)于使用氧化鋁作為填料的情況，由于所形成的鋁合金氮化物較少，所以，為了滲透碳化硅可以選用1200℃左右的較高溫度。
另外，這種金屬基質(zhì)復(fù)合體中的基質(zhì)金屬的組成和缺陷(例如，孔隙)可以通過控制金屬基質(zhì)復(fù)合體的冷卻速度來改善。例如，可以通過許多技術(shù)使這種金屬基質(zhì)復(fù)合體定向固化，所說的技術(shù)包括將盛裝該金屬基質(zhì)復(fù)合體的容器放在一個(gè)激冷板上;和/或在容器的周圍選擇性地放置絕緣材料。另外，金屬基質(zhì)的組成可以在金屬基質(zhì)復(fù)合體形成之后進(jìn)行改善。例如，使形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體經(jīng)受熱處理，它可以改進(jìn)該金屬基質(zhì)復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度。(這種抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)為ASTM-D3552-77(1982年再審定的))。
例如，對(duì)于含有520.0鋁合金作為基質(zhì)金屬的金屬基質(zhì)復(fù)合體的理想的熱處理包括使金屬基質(zhì)復(fù)合體加熱到高溫(例如，到約430℃)，然后將其保持在該溫度下一段時(shí)間(如，18-20小時(shí))。然后可以使這種金屬基質(zhì)復(fù)合體在約100℃的沸水中淬火約20秒鐘(即，T-4熱處理)，這種處理可以提高該復(fù)合體耐火拉伸應(yīng)力的能力。
此外，可以使用一種基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質(zhì)金屬源的組成不同的第二種金屬。具體地講，就是在某些情況下，可能需要使用該儲(chǔ)備源中與第一基質(zhì)金屬源組成不同的基質(zhì)金屬。例如，如果鋁合金用做第一基質(zhì)金屬源，那么實(shí)質(zhì)上任何其它在加工溫度下能熔融的金屬或金屬合金都可以用做儲(chǔ)備源金屬。熔融金屬通常具有良好的互溶性，因此，只要混合時(shí)間適當(dāng)，儲(chǔ)備源金屬就會(huì)與第一基質(zhì)金屬源混合。所以，通過使用不同于第一基質(zhì)金屬源組成的儲(chǔ)備源金屬，就可能使金屬基質(zhì)的性能滿足各種操作要求，由此調(diào)節(jié)金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
本發(fā)明中也可以結(jié)合使用阻擋元件。具體地講，應(yīng)用本發(fā)明的阻擋元件可以在任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運(yùn)動(dòng)等的元件。合適的阻擋元件可以是滿足下述要求的任何材料，化合物，元素或組合物等能夠局部抑制，停止，干擾或防止(及其它類似作用)超出陶瓷填料的限定界表面的連續(xù)滲透或任一其它類型的運(yùn)動(dòng)，在本發(fā)明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發(fā)，最好能使過程中使用的氣體滲透。阻擋元件可用于自發(fā)滲透中，或用于在自發(fā)滲透金屬基質(zhì)復(fù)合體熱成型時(shí)所使用的任何模具或其它固定裝置中。對(duì)此更詳細(xì)的描述見下文。
合適的阻擋元件由在所采用的加工條件下，基本不被滲透的熔融基質(zhì)合金潤(rùn)濕的材料構(gòu)成。這種阻擋元件對(duì)熔融基質(zhì)合金幾乎沒有或沒有親合力，因此阻擋元件防止或抑制了超出填料或預(yù)型體的限定界表面的運(yùn)動(dòng)。阻擋元件可縮短金屬基質(zhì)復(fù)合體產(chǎn)品可能需要的目的加工或研磨過程。如上所述，阻擋元件最好是可滲透的或多孔的，或通過穿孔使其變成可滲透的，以使氣體能夠與熔融基質(zhì)合金接觸。
特別適用于鋁基質(zhì)合金的阻擋元件含有碳，尤其是稱為石墨的同素異形結(jié)晶碳。在上述加工條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金濕潤(rùn)。特別優(yōu)選的石墨是一種以商標(biāo)為Grafoil (注冊(cè)在“聯(lián)合碳化物公司”名下)銷售的石墨箔產(chǎn)品。這種石墨箔具有防止熔融金屬移出填料的限定界表面的封閉特性，它也耐熱，并呈化學(xué)惰性。Grafoil 石墨材料是能變形的，可配伍的，整合的并且有彈性的材料。它能夠被制成各種形狀來滿足對(duì)阻擋元件的使用要求。但是石墨阻擋元件也可以以淤漿或糊，甚至漆膜的形式用于填料或預(yù)型體界面之上及四周。Grafoil 石墨箔是一種可變形的石墨片，因此在這里是特別優(yōu)選的。使用時(shí)，這種象紙一樣的石墨只是簡(jiǎn)單地被固定在填料或預(yù)型體的周圍。
另一種較好的、用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件是過渡金屬硼化物[如二硼化鈦(TiB2)]。在使用時(shí)的某些加工條件下，它一般不被熔融鋁金屬合金潤(rùn)濕。用這種阻擋元件時(shí)，加工溫度不應(yīng)超過約875℃，否則阻擋元件就會(huì)失效。事實(shí)上，隨著溫度的增加，會(huì)發(fā)生向阻擋元件的滲透。另外，阻擋材料的粒度會(huì)影響這種材料抑制自發(fā)滲透的能力。過渡金屬硼化物一般呈粒狀(1～30微米)。阻擋元件也可以淤漿或糊的形式用于可滲透的陶瓷填料塊的界面，這種材料塊最好被預(yù)先成型，組成預(yù)型體。
其它可用于在氮?dú)庵械匿X合金屬基質(zhì)合金的阻擋元件由低揮發(fā)性的有機(jī)化合物構(gòu)成，它以膜或?qū)拥男问酵糠笤谔盍匣蝾A(yù)型體的外表面上。在氮?dú)庵袩蓵r(shí)，特別是在本發(fā)明的加工條件下燒成時(shí)，有機(jī)化合物分解，留下一層碳黑膜。也可以用常規(guī)方法，如刷涂，噴涂或浸漬等涂敷這種有機(jī)化合物。
此外，只要經(jīng)過細(xì)磨的粒狀材料的滲透速率低于填料的滲透速率，該粒狀材料就能起到阻擋元件的作用。
由此看來，阻擋板元件可以任何合適的方式使用，例如在限定的界表面上覆蓋一層阻擋材料。將這樣一層阻擋元件施用在限定的界表面時(shí)，可通過刷涂，浸漬，絲網(wǎng)印制，蒸發(fā)等方式，或者通過使用液狀，漿狀或糊狀的阻擋元件，或者通過噴涂一種可蒸發(fā)的阻擋元件，或者通過簡(jiǎn)單地沉積一層粒狀固體阻擋材料，或者通過使用阻擋元件的固體薄片或薄膜。放置好阻擋元件后，當(dāng)正在滲透的基質(zhì)金屬到達(dá)限定的界面并與阻擋元件接觸時(shí)，自發(fā)滲透則基本終止。
圖2是根據(jù)本發(fā)明用自生真空技術(shù)制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的典型的裝置(30)。特別是，把填料或預(yù)型體(31)(它可以是各種材料制成的，這將在下面詳細(xì)討論)放置在可以容納熔融基質(zhì)金屬(33)和反應(yīng)氣氛的不透氣的容器(32)中。例如，填料(31)可能與反應(yīng)氣氛(例如，存在于填料或預(yù)型體的氣孔中的氣氛)接觸相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，使反應(yīng)性氣氛部分地或相當(dāng)完全地滲透到位于不透氣容器(32)中的填料中?；|(zhì)金屬(33)(熔化的或固態(tài)的)與填料(31)相接觸。在下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中會(huì)看到，外加密封層(34)可存在于基質(zhì)金屬(33)的表面，從而把反應(yīng)氣氛與周圍氣氛(37)隔離開來。無論是外部的還是內(nèi)部的密封層，在室溫下可能起到密封的效果，也可能起不到，但是在工藝條件下則必須起到密封作用(如在基質(zhì)金屬的熔化溫度以上)。把裝置(30)放到爐中，爐子可以保持室溫，也可預(yù)先加熱到工藝溫度。在工藝條件下，爐溫必須在基質(zhì)金屬的熔化溫度以上。這樣才能使熔化的基質(zhì)金屬在自生真空的作用下滲透到填料或預(yù)型體中去。
圖3給出了采用本發(fā)明工藝所需要的工藝步驟簡(jiǎn)化流程。第(21)步，必須制造或得到一定性能的不透氣容器(這些性能要求將在下面詳細(xì)說明)。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的頂端敞開口鋼制(如不銹鋼)園柱即是一個(gè)合適的模型。把鋼制容器與GRAFOIL 石墨帶(GRAFOIL 是聯(lián)合碳化物公司的注冊(cè)商標(biāo))任意地放置在一起來促進(jìn)在容器中形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的排出。在下面會(huì)更詳細(xì)地講解，其它一些材料，如涂在容器內(nèi)部的B2O3粉末，加到基質(zhì)金屬中去的錫，也都可能會(huì)有助于容器或模型中形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的排出。在容器內(nèi)裝入一定量的合適的填料或預(yù)型體，然后再在上面用一層GRAFOIL 石墨帶隨意地蓋上，至少要蓋上一部分。這一層石墨帶有助于金屬基質(zhì)復(fù)合材料從滲流后留下的基質(zhì)金屬的殘余中分離開來。
把一定量的熔融基質(zhì)金屬如鋁、青銅、銅、鑄鐵、鎂等注入到容器中，容器可能是室溫的也可能被預(yù)先加熱到一合適溫度。基質(zhì)金屬也可以是固體鑄鐵，然后再加熱使之熔化。從一組外部密封層與內(nèi)部密封層中選出一種合適的來使之形成有效的密封(這在下面將更詳細(xì)地討論)。例如，要形成一種外部密封，就可以把這種外部密封料如玻璃(如B2O3)料加入到容器中的熔融基質(zhì)金屬池的表面。待玻璃料熔化后就會(huì)覆蓋池的表面，但正如下面所要詳細(xì)描述的那樣，不需要完全覆蓋。將熔融基質(zhì)金屬或預(yù)型體接觸，并通過外加密封層把基質(zhì)金屬與/或填料與周圍氣氛隔開。如果需要的話，可把容器放在一合適的爐子中，爐子可預(yù)先加熱到工藝溫度，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使之產(chǎn)生滲流。爐子的工藝溫度可以隨基質(zhì)金屬不同(如，一些鋁合金的溫度為950℃，而一些青銅合金的溫度為1100℃較為合適)。適當(dāng)?shù)墓に嚋囟仍谙喈?dāng)程度上取決于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)以及其它一些特性，另外還與反應(yīng)體系中各組元的特殊性能與密封料有關(guān)。在爐溫下保溫一段時(shí)間后就會(huì)在填料或預(yù)型體中產(chǎn)生真空(下面將更詳細(xì)地討論)，而使熔融基質(zhì)金屬可滲流到填料或預(yù)型體中。然后把容器從爐中取出，使之冷卻，如放在一個(gè)冷卻平臺(tái)上使基質(zhì)金屬定向固化。然后就可把金屬基質(zhì)復(fù)合材料用各種方便的方法從容器中取出，如果還有基質(zhì)金屬殘余的話，再將之分開。
上面對(duì)圖2和圖3的描述簡(jiǎn)單地強(qiáng)調(diào)了本發(fā)明的顯著特點(diǎn)，這在后面可以看出。對(duì)工藝中每一步驟及本工藝中所用材料特性的進(jìn)一步描述將在下面給出。
不希望受到任何特殊理論或說法的限制，人們就能理解，當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)幕|(zhì)金屬(一般是在熔化態(tài))在不透氣的、含有反應(yīng)氣氛的容器中與一定的填料或預(yù)型體相接觸時(shí)，在反應(yīng)性氣氛和熔融基質(zhì)金屬與/或填料或預(yù)型體與/或不透氣容器之間就會(huì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物(可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的或蒸汽狀態(tài)的)，這些產(chǎn)物所占有的體積要較原來的反應(yīng)物所占的體積小。當(dāng)反應(yīng)氣氛與周圍氣氛被分隔開時(shí)，就可能在可透氣的填料或預(yù)型體中產(chǎn)生真空而驅(qū)使熔融基質(zhì)金屬進(jìn)入到填料的空隙之中。另外，真空的產(chǎn)生還可能促進(jìn)濕潤(rùn)，反應(yīng)氣體與熔融基質(zhì)金屬和/或填料或預(yù)型體和/或不透氣容器之間的進(jìn)一步反應(yīng)可以使基質(zhì)金屬隨著真空的不斷產(chǎn)生而不斷滲流到填料或預(yù)型體中。反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間，以使熔融的基質(zhì)金屬能部分地或相當(dāng)完全地滲流到填料或預(yù)型體中，填料或預(yù)型體必須有中夠的透氣性使反應(yīng)性氣氛能至少部分地滲入到填料或預(yù)型體中。
本申請(qǐng)討論了金屬基質(zhì)復(fù)合材料的形成的某個(gè)階段，與反應(yīng)性氣氛的接觸的各種基質(zhì)金屬。對(duì)一些特殊的能產(chǎn)生自生真空的基質(zhì)金屬/反應(yīng)性氣氛的組合體系進(jìn)行了一些說明。尤其是對(duì)鋁/空氣體系;鋁/氧氣體系，鋁/氮?dú)怏w系，青銅/空氣體系，青銅/氮?dú)?，銅/空氣，銅/氮?dú)庖约拌T鐵/空氣等體系所產(chǎn)生的自生真空的性能作了說明。然而，必須明白，其它一些基質(zhì)金屬/反應(yīng)性氣氛體系的特性與上述一些特殊的體系的特性基本相似。
要使本發(fā)明中的自生真空技術(shù)實(shí)用化，必須把反應(yīng)氣氛與周圍的氣氛分隔開來，這樣才能在滲流過程中所降低了的反應(yīng)性氣氛的壓力不至于受到從周圍氣氛中傳入的氣體的嚴(yán)重影響。本發(fā)明中所用的不透氣容器的尺寸、形狀可以是任意的，其成份是否與基質(zhì)金屬和/或反應(yīng)氣氛反應(yīng)也沒有要求，但是在工藝條件下必須保證不能讓周圍氣體滲入。重要的是，這種不透氣容器的材料可以是任意的(如陶瓷、金屬、玻璃、高分子材料等等)，只要它們能在工藝條件下保持其形狀與尺寸，并且不讓周圍的氣體從容器壁上滲入。使用氣密性相當(dāng)好的容器，使氣體不能通過容器壁滲入，就可能在容器中形成自生真空。另外，根據(jù)所使用的反應(yīng)體系的性質(zhì)，如果不透容器至少能部分地與反應(yīng)氣氛和/或基質(zhì)金屬和/或填料反應(yīng)的話，則有可能在容器內(nèi)產(chǎn)生或有助于產(chǎn)生自生真空。
不透氣容器的性質(zhì)與氣孔、裂紋或還原性的氧化物無關(guān)，但它們影響到自生真空的產(chǎn)生與保持。因此不難理解可用多種材料來制成不透氣容器。例如，鑄造成型的氧化鋁或碳化硅就可以象在基質(zhì)金屬中溶解度很小的金屬(如不銹鋼，它在鋁、銅及青銅等基質(zhì)金屬中的溶解度就很小)一樣作為容器材料。
另外，其它一些不合適的材料如多孔材料(象陶瓷體)也可通過適當(dāng)?shù)耐繉觼硖岣卟煌笟庑?。這些不透氣的涂層可以是各種釉料和凝膠，它們可用來把這些多孔材料粘結(jié)在一起并把氣孔封住。而且某種合適的涂層在工藝溫度下也可以是液態(tài)，只要在這種情況下涂料足夠穩(wěn)定，可以在自生真空中保持不透性即可，例如可通過在容器或填料或預(yù)型體上的粘性流來做到這一點(diǎn)。這些合適的涂層材料包括玻璃態(tài)材料(如B2O3)，氯化物，碳酸鹽等等，只需填充材料或預(yù)型體中的氣孔尺寸足夠小，使涂料能有效地堵住氣孔而形成不透氣的涂層。
本發(fā)明中所用的基質(zhì)金屬可以是各種金屬，只要它們?cè)诠に嚄l件下熔化時(shí)，可通過填料中所產(chǎn)生的自生真空滲流到填料或預(yù)型體中去。例如，一些金屬在工藝條件下，它們或其中一些成份能部分地或相當(dāng)完全地與反應(yīng)氣氛反應(yīng)，由于(至少是部分地)自生真空的產(chǎn)生而使熔融的基質(zhì)金屬滲流到填料或預(yù)型體中去，這些金屬即可作為基質(zhì)金屬。而且根據(jù)所用體系的不同，基質(zhì)金屬可以不與反應(yīng)性氣氛反應(yīng)，真空可由反應(yīng)性氣氛與體系中的其它組成反應(yīng)而形成，這樣也可以使基質(zhì)金屬滲流到填料中去。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，基質(zhì)金屬可以是與濕潤(rùn)增進(jìn)劑組成的合金，從而可使它的潤(rùn)濕能力有所提高，這樣還有助于形成基質(zhì)金屬與填料之間的結(jié)合力，減少所生成的金屬基質(zhì)復(fù)合材料中的氣孔率，減少完成滲流過程所需要的時(shí)間等等。另外，含有濕潤(rùn)增進(jìn)劑的材料還可以作為密封促進(jìn)劑，這在下面會(huì)講到，它有助于將反應(yīng)性氣氛與周圍的氣氛分隔開。而且在另外一些具體裝置中，濕潤(rùn)增進(jìn)劑還可以直接加入到填料中去，而不是與基質(zhì)金屬制成合金。
因此，基質(zhì)金屬對(duì)填料的濕潤(rùn)可以提高所生成的復(fù)合體的性能(如抗張強(qiáng)度，抗腐蝕性等等)，另外，熔融基質(zhì)金屬對(duì)填料的濕潤(rùn)可以使填料在金屬基質(zhì)復(fù)合材料中均勻分散，并且改善基質(zhì)金屬與填料的結(jié)合性能。對(duì)鋁基質(zhì)金屬有效的濕潤(rùn)增強(qiáng)劑有鎂、鉍、鉛、錫等等，而對(duì)青銅和銅則有硒、碲、硫等等。而且，正如上面所討論的那樣，至少有一種濕潤(rùn)增強(qiáng)劑可加入到基質(zhì)金屬與/或填充材料中去賦予所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體所必要的性能。
除此之外，還可以使用一個(gè)基質(zhì)金屬的儲(chǔ)存器以保證基質(zhì)金屬向填料中的滲流的完成或提供一種與第一種金屬成份不同的金屬，尤其在某種情況下需要儲(chǔ)存器中的基質(zhì)金屬的成份與第一種基質(zhì)金屬源的成份不同。例如，如果鋁合金是第一種基質(zhì)金屬的話，事實(shí)上任何其它金屬或金屬合金都可以是儲(chǔ)存器中的金屬，只要在工藝溫度下它是處于熔融態(tài)的。熔融金屬經(jīng)常是彼此互溶的，這樣就使得儲(chǔ)存器中的金屬能與第一種金屬源相混合(如果給予足夠的時(shí)間的話)。因此，使用與第一種基質(zhì)金屬源成份不同的儲(chǔ)存金屬，就可以獲得具有不同性能的基質(zhì)金屬以滿足各種操作要求，從而也就可以獲得所需要的金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
所設(shè)計(jì)的反應(yīng)體系的溫度(如操作溫度)可以隨所使用的基質(zhì)金屬，填料或預(yù)型體;反應(yīng)性氣氛而變。例如，對(duì)于基質(zhì)金屬鋁，其自生真空至少在700℃才能逐漸產(chǎn)生，而到850℃以上才比較有利。超過1000℃是不必要的，最有效的溫度范圍是850-1000℃。對(duì)于青銅或銅基金屬，1050-1125℃最好，而對(duì)鑄鐵，1250-1400℃最合適。一般來說，所采用的溫度應(yīng)在基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)以上，氣化點(diǎn)以下。
可以通過控制復(fù)合體的形成過程中金屬基質(zhì)的成份與/或微觀結(jié)構(gòu)來獲得所必要的產(chǎn)品性能。例如，對(duì)于一給定的體系，可以通過工藝條件的選擇來控制諸如金屬互化物、氧化物、氮化物等的形成。另外，除了可控制復(fù)合體的組成以外，其它一些物理性能如氣孔率等等，也可通過控制金屬基質(zhì)復(fù)合體的冷卻速率來調(diào)節(jié)。在一些情況下，希望金屬基質(zhì)復(fù)合材料能定向固化，這可通過把裝有合成好的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的容器放置到冷卻板上和/或有選擇性地在容器內(nèi)放置絕緣材料。金屬基質(zhì)復(fù)合材料的其它性能(如抗張強(qiáng)度)可以用熱處理的方法來控制(例如，標(biāo)準(zhǔn)的熱處理主要是對(duì)基質(zhì)金屬單獨(dú)的熱處理，也可以是經(jīng)過部分或大量調(diào)節(jié)過的熱處理)。
在本發(fā)明方法所采用的條件下，填料或預(yù)型體必須有足夠的透氣性，能使反應(yīng)性氣體在反應(yīng)氣氛與周圍氣氛分隔開來之前的某些階段，穿透或滲透到填料或預(yù)型體中去。在下面的例子中，在疏松的尺寸大約為54到220號(hào)粒度的顆粒中含有足夠多的反應(yīng)氣體。加入這樣的填料，反應(yīng)性氣體就可部分地或相當(dāng)完全地與熔融基質(zhì)金屬和/或填料和/或不透氣容器反應(yīng)，導(dǎo)致真空的產(chǎn)生而促使熔融基質(zhì)金屬進(jìn)入到填料中。另外，反應(yīng)性氣氛在填料中的分布不必要十分均勻，但是反應(yīng)氣氛的均勻分布有助于理想的金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成。
本發(fā)明中的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的合成方法可應(yīng)用于多種填料中，材料的選擇主要取決于以下因素，如基質(zhì)金屬，工藝條件，熔融基質(zhì)金屬與反應(yīng)性氣體的反應(yīng)能力，填料與反應(yīng)性氣體的反應(yīng)能力，熔融質(zhì)體金屬與不透氣容器的反應(yīng)能力，以及所希望得到的復(fù)合產(chǎn)品的性能。例如，當(dāng)基質(zhì)金屬含有鋁時(shí)，合適的填料包括(a)氧化物(如氧化鋁);(b)碳化物(如碳化硅);和(c)氮化物(如氮化鈦)。如果填料不利于與熔融基質(zhì)金屬反應(yīng)，那么這種反應(yīng)就可用減少滲流時(shí)間、降低滲流溫度或在填料中加入反應(yīng)性涂層來調(diào)節(jié)。填料可以組成基片，如碳或其它的非陶瓷材料，再加上一層陶瓷涂料以保護(hù)基片不受侵害或惡化。適當(dāng)?shù)奶沾赏苛习ㄑ趸?，碳化物和氮化物。本方法中最希望用的陶瓷包括顆粒狀、片狀、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(碎段狀的)或連續(xù)的細(xì)絲，如多絲纖維束。另外，填料或預(yù)型體的成份與/或開關(guān)也可以是均勻的或不均勻的。
填料的形狀與尺寸可以是任意的，它們可根據(jù)所希望得到的復(fù)合材料的性能而定。因此，由于滲流不受填料的形狀的限制，因此材料的形狀就可以是粒狀的，晶須，片狀或纖維狀，其它形狀如球狀，管狀，丸狀，耐火纖維布，以及其余類似的形狀都可采用。另外，材料的形狀并不影響滲流，盡管對(duì)于顆粒小的材料需要更高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成滲流過程。在大多數(shù)情況下，填料的平均尺寸在略小于24號(hào)粒度至約500號(hào)粒度的范圍內(nèi)最好。而且，通過調(diào)節(jié)填料或預(yù)型體的滲透體的尺寸(如粒徑)可以獲得所希望的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的物理與/或機(jī)械性能以滿足各種工業(yè)應(yīng)用。再者，把含有不同粒徑的填料相混合，可以獲得堆積密度更高的填充材料的復(fù)合體。如果需要的話，還可以在滲流過程中對(duì)填料進(jìn)行攪動(dòng)(如晃動(dòng)容器)或在滲流之前把粉末狀的粘結(jié)金屬與填料相混合，以得到顆粒承載更低的復(fù)合體。
本發(fā)明中所使用的反應(yīng)性氣體可以是任何氣體，它們至少能部分地或相當(dāng)完全地與熔融基質(zhì)金屬和/或填料和/或不透容器反應(yīng)，生成的反應(yīng)產(chǎn)物所占的體積要比反應(yīng)前氣體與/或其它反應(yīng)物所占的體積小。特別是，當(dāng)反應(yīng)性氣體與熔融基質(zhì)金屬和/或填料和/或不透容器接觸時(shí)，可以與反應(yīng)體系中的一個(gè)或幾個(gè)組元反應(yīng)生成固相、液相或汽相的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物所占體積要小于單個(gè)組元所占體積的總和，這樣就產(chǎn)生了空隙或真空從而有助于熔融基質(zhì)金屬進(jìn)入到填料或預(yù)型體中去。反應(yīng)性氣體與基質(zhì)金屬和/或填料和/或不透容器中的一種或幾種之間的反應(yīng)，可以持續(xù)一足夠的時(shí)間，可以使基質(zhì)金屬至少部分地或相當(dāng)完全地滲流到填料中去。例如，當(dāng)用空氣作為反應(yīng)性氣體時(shí)，基質(zhì)金屬(如鋁)與空氣之間的反應(yīng)就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物(如氧化鋁與/或氮化鋁)的產(chǎn)生。在工藝條件下，反應(yīng)產(chǎn)物所占的體積要比所反應(yīng)的熔融鋁與空氣的總體積要小，結(jié)果就形成真空，從而導(dǎo)致熔融基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體中滲流。根據(jù)所選用的體系，填料與/或不透容器也可跟反應(yīng)氣體發(fā)生類似的反應(yīng)，產(chǎn)生真空，從而有助于熔融基質(zhì)金屬向填料中的滲流。自生真空反應(yīng)可持續(xù)一段足夠的時(shí)間而導(dǎo)致金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成。
另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須用密封層或密封烙以阻止或限制氣體從環(huán)境中流入到填料或預(yù)型體中(即阻止周圍氣體流入反應(yīng)性氣體)，參看圖2，不透容器(32)和填料(31)中的反應(yīng)性氣體必須與周圍的氣體(37)分隔得很好，這樣就可使反應(yīng)性氣體與熔融基質(zhì)金屬(33)和/或填料或預(yù)型體(33)和/或不透容器(32)之間的反應(yīng)得以進(jìn)行，并在反應(yīng)性氣氛與環(huán)境氣氛之間形成并維持一個(gè)壓力差，直到完成所希望的滲流過程?？梢岳斫獾氖?，反應(yīng)性氣體與周圍氣體之間的隔離并不要求特別好，只要足夠形成一個(gè)凈壓力差(例如，只要從周圍氣體中向反應(yīng)氣體中的流速低于補(bǔ)充反應(yīng)掉的氣體所需要的量，這種流動(dòng)就是允許的)。正如上面所描述的，環(huán)境氣氛與反應(yīng)氣氛的隔離部分由容器(32)的不透氣率所決定。由于大多數(shù)的基質(zhì)金屬對(duì)于周圍氣體來說其滲透率也相當(dāng)?shù)停虼擞幸徊糠指綦x是通過熔融基質(zhì)金屬池(33)來實(shí)現(xiàn)的。但是必須注意到，在不透容器(32)與周圍氣氛及反應(yīng)氣氛的界面上存在一個(gè)泄漏通道，因此密封必須足以禁止或阻止這種泄漏。
適當(dāng)?shù)拿芊饣蛎芊馐侄慰煞譃闄C(jī)械的、物理的或化學(xué)的這三類，每一類又可以再分為外部的或內(nèi)部的兩種。外部的密封是指這種密封作用與熔融基質(zhì)金屬無關(guān)，或者是附加于由熔融基質(zhì)金屬所提供的密封作用之上的(例如，由加到反應(yīng)體系的其它組元之上的材料所產(chǎn)生的作用)，內(nèi)部密封則是指密封作用毫無例外的由基質(zhì)金屬的一種或幾種特性所產(chǎn)生的(例如由基質(zhì)金屬與不透容器的濕潤(rùn)能力所產(chǎn)生的)。內(nèi)部的機(jī)械密封可以用足夠深的熔融基質(zhì)金屬池或把填料或預(yù)型體浸沒在熔融基質(zhì)金屬中這樣的簡(jiǎn)單的方法來實(shí)現(xiàn)，在上面所引述的Reding等人的專利以及其它一些相關(guān)的專利中就是采用的這種方法。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Reding，Jr等人提出的內(nèi)部機(jī)械密封法對(duì)于大量的情況是無效的，它們需要大量過量的熔融基質(zhì)金屬。根據(jù)我們的發(fā)明，外部密封及內(nèi)部物理及化學(xué)密封可以克服內(nèi)部機(jī)械密封的缺陷。在一個(gè)外部密封的具體裝置中，密封料可以從外部以固體或液體的形式加入到基質(zhì)金屬表面，在工藝條件下，它們可以與基質(zhì)金屬不發(fā)生反應(yīng)。已經(jīng)證明這種外部密封阻止了，或者說至少相當(dāng)程度上制止了周圍氣氛中的汽相成份流入到反應(yīng)氣氛中。用作外部物理密封的材料可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)，它包括玻璃(如硼玻璃或硅玻璃，B2O3，熔融氧化物等等)或其它一些在工藝條件下可在相當(dāng)程度上阻止周圍氣體流入到反應(yīng)氣體中去的材料。
外部機(jī)械密封可通過把不透容器與基質(zhì)金屬池接觸的表面事先光滑或刨光的方法來實(shí)現(xiàn)，這樣可以在相當(dāng)程度上禁止周圍氣體與反應(yīng)氣體之間的流動(dòng)。象B2O3這樣的釉或涂料也可加入到容器中以增強(qiáng)不透氣性而形成適當(dāng)?shù)拿芊狻?br> 外部化學(xué)密封可通過把能與如不透容器反應(yīng)的材料放于熔融基質(zhì)金屬表面來實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)產(chǎn)物可以是金屬互化物，氧化物，碳化物等等。
在優(yōu)選的內(nèi)部物理密封的具體實(shí)施方案中，基質(zhì)金屬可以與周圍氣體反應(yīng)形成與基質(zhì)金屬成份不同的密封或密封料，例如，由基質(zhì)金屬與周圍氣氛反應(yīng)的產(chǎn)物(如Al-Mg合金與空氣反應(yīng)生成的MgO或鎂鋁尖晶石，或青銅合金與空氣反應(yīng)生成的氧化銅)可以把反應(yīng)氣氛與周圍氣氛分隔開。另外一個(gè)內(nèi)部密封的具體實(shí)施方案中，可把密封促進(jìn)劑加入到基體金屬中，促進(jìn)基質(zhì)金屬與周圍氣氛的反應(yīng)而增強(qiáng)密封效果(例如，在鋁金屬屬加入鎂、鉍、鉛等，在銅或青銅中加入硒、碲、硫等)。在形成內(nèi)部化學(xué)密封時(shí)，基質(zhì)金屬可以與不透容器反應(yīng)(例如，容器或其涂料的部分分解，或反應(yīng)產(chǎn)物或金屬互化物的形成等等)，這樣可以把填料與周圍氣體分隔開來。
另外，還應(yīng)懂得密封必須能適應(yīng)反應(yīng)體系的體積變化(膨脹或收縮)或其它一樣變化而不讓周圍氣體流入到填料(如反應(yīng)氣體)中去。特別是當(dāng)熔融基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體的可滲透部分滲流時(shí)，容器中熔融金屬的深度會(huì)減小。在這種體系中的密封料必須有足夠的柔性，當(dāng)容器中熔融基質(zhì)金屬的水平向下降時(shí)也能阻止氣體從周圍氣氛中流入填料中去。
在本發(fā)明中還用到了阻擋手段。特別是，本發(fā)明中所用的阻擋手段可以是任何能干擾、禁止、防止或終止熔融金屬在所限制填充材料的表面層之外運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)等等的一切手段。適當(dāng)?shù)淖钃鯇涌梢允歉鞣N材料，化合物，元素，組合物等等。在本發(fā)明所采用的工藝條件下能保持一定的結(jié)構(gòu)完整性，不揮發(fā)，并且能在局部禁止或停止或干擾或阻止在限定的填料表面之外的繼續(xù)滲流或任何其它運(yùn)動(dòng)。阻擋層可用在自生真空滲透的過程中，也可用在用與自生真空技術(shù)相關(guān)的制造金屬基質(zhì)復(fù)合物的不透氣容器中，這在下面將作更詳細(xì)的討論。
適當(dāng)?shù)淖璁?dāng)層包括在所采用的工藝條件下可被或不被移動(dòng)的熔融基質(zhì)金屬濕潤(rùn)的材料，只要阻擋層的濕潤(rùn)不在阻擋材料的表面(即濕潤(rùn)表面)之外大面積地發(fā)生。這種阻擋層似乎對(duì)熔融的基質(zhì)合金的親合能很小，或沒有親合力，在所限定的填料或預(yù)型體的表面層外的運(yùn)動(dòng)也就被阻擋層止住了。阻擋層減少了金屬基質(zhì)復(fù)合材料產(chǎn)品的最終機(jī)加工或磨削加工。
對(duì)鋁基質(zhì)金屬特別有效的阻擋層材料是含碳，尤其是碳的多晶態(tài)同素異形體-石墨。在以后描述的工藝條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金所濕潤(rùn)。最好的石墨是GRAFOIL 的石墨帶產(chǎn)品，它具有能阻止熔融的鋁合金在限定的填料的表面之外流動(dòng)的特性。這種石墨帶還可抗熱，基本上是化學(xué)惰性的。GRAFOIL 石墨帶是柔軟的，協(xié)調(diào)的，有彈性的，可以制成各種形狀，適合作多種阻擋層材料。石墨阻擋層還可以制成漿狀、糊狀甚至印刷膜狀而用于填料或預(yù)型體表面。GRAFOIL 帶是柔軟的片狀，石墨，因此它是最好的。這種紙似的石墨片的一種用法是把它們裹在填料或預(yù)型體上，這樣填料或預(yù)型體就只被GRAFOIL 阻擋層內(nèi)的基質(zhì)金屬所滲入了。這種石墨片還可制成所希望得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體的復(fù)型，再在復(fù)型內(nèi)裝入填料。
另外，其它一些磨細(xì)粒狀材料，如500號(hào)粒度的氧化鋁，也可用作阻擋層材料，在一些情況下，只要粒狀阻擋層材料的滲透速率比填料小即可。
阻擋層可用各種方法設(shè)置，如在所限定的表面層上覆蓋上一層阻擋材料。這層阻擋材料可用涂覆、浸漬、印刷、蒸發(fā)、或加上液態(tài)、漿狀、糊狀阻擋材料，或噴涂上可蒸發(fā)的阻擋材料，或簡(jiǎn)單地沉積上一層固態(tài)粒狀阻擋材料，或施加一層固體薄片或薄膜狀阻擋材料等方法來實(shí)現(xiàn)。有了阻擋層，當(dāng)滲透的基質(zhì)金屬到達(dá)與阻擋層相接觸的限定表面時(shí)，滲透就基本上被終止了。
本發(fā)明中的制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的自生真空技術(shù)，結(jié)合阻擋層的使用，與原有工藝相比有許多重要的優(yōu)點(diǎn)。尤其是，采用本發(fā)明的方法，不需要昂貴的和復(fù)雜的工藝過程即可生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合材料。本發(fā)明的一個(gè)方面是不透容器，它可從市場(chǎng)上得到，也可根據(jù)特殊要求來制造，可以容納所希望的形狀的填料或預(yù)型體，反應(yīng)氣體以及用于阻止金屬基質(zhì)復(fù)合材料在所形成的復(fù)合體的表面之外的滲流的阻擋材料。通過反應(yīng)氣體與基質(zhì)金屬(可注入到不透容器中)和/或填料在工藝條件下的接觸，可以產(chǎn)生自生真空，從而使熔融基質(zhì)金屬進(jìn)入到填料中去。這種方法避免了復(fù)雜工藝的使用，例如，形狀復(fù)雜的模型的機(jī)加工，熔融金屬池的保持，從形狀復(fù)雜的模型中取出產(chǎn)品等等。另外，由于容器基本穩(wěn)定，不需要浸沒到熔融金屬池中，因此熔融基質(zhì)金屬所引起的填料的位移也就大大減小了。
本發(fā)明的各種詳細(xì)說明包含在后面的例子中。但是這些例子應(yīng)看作是解釋性的，而不是象權(quán)利要求書那樣是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
實(shí)施例1本實(shí)施例說明了各種幾何形狀的填料都可以成功地通過自發(fā)滲透技術(shù)形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。表Ⅰ總結(jié)了形成許多金屬基質(zhì)復(fù)合體所利用的實(shí)驗(yàn)條件，包括各種基質(zhì)金屬填料幾何形狀，加工溫度和加工時(shí)間。
樣品A制備一個(gè)二氧化硅模，該模具有一個(gè)內(nèi)空腔，其尺寸為長(zhǎng)約5英寸(127mm)，寬約5英寸(127mm)，深約3.25英寸(83mm)，并且在該二氧化硅模的底部帶有5個(gè)孔11，其尺寸為直徑約0.75英寸(19mm)，深約0.75英寸(19mm)。該模的形成是通過首先混合一種泥漿，該泥漿包括約2.5-3重量份的二氧化硅粉(得自Ransom & Randolph，Maunee，OH的RANCO-SILTM4)、約1重量份的膠態(tài)二氧化硅(Nyacol Products，Inc.Ashland，MA生產(chǎn)的Nyacol 830)和約1-1.5重量份的二氧化硅砂(由Ransom & Randolph，Maunee，OH出售的RANCO-SILTMA)。將得到的泥漿混合物倒入一個(gè)橡膠模中，所說的橡膠模具有所需的二氧化硅模的內(nèi)空腔的負(fù)型，并將其放在一個(gè)冷凍器中過夜(約14小時(shí))。接著將二氧化硅模從橡膠模上分離出來，并將其在一個(gè)空氣氣氛爐中于約800℃下燒制約1小時(shí)，然后使其冷卻至室溫。
將所形成的二氧化硅模的底表面用一塊石墨箔(得到TTAmerica，Portland，OR的Perma-Foil)蓋住，所用的石墨箔尺寸為長(zhǎng)約5英寸(127mm)，寬約5英寸(127mm)，厚約0.010英寸(0.25mm)。在相應(yīng)于二氧化硅模10的底部上的孔11的位置處，在該石墨箔上切出孔，其直徑約為0.75英寸(19mm)。將二氧化硅模底上的孔用基質(zhì)金屬圓柱填充，其中基質(zhì)金屬圓柱的尺寸為直徑約0.75英寸(19mm)，厚約0.75英寸(19mm)，并且具有與下面所述的基質(zhì)金屬相同的組成。在一個(gè)約4升的塑料缸中制備約826g包括約95%(重量)的220粒度(grit)的氧化鋁(得自Norton Co.，Worcester，MA)和約5%(重量)的-325目鎂粉(由Johnson Matthey，Seabrook，NH，出售的Aesar)的填料混合物，并用手振蕩約15分鐘。然后將這種填料混合物倒入二氧化硅模的底部，其厚度約為0.75英寸(19mm)，并輕輕地拍打以平整填料混合物的表面。將約1220克基質(zhì)金屬放在二氧化硅模中的填料混合物的頂上，所說的基質(zhì)金屬含有(以重量計(jì))約小于0.25%Si，小于0.30%Fe，小于0.25%Cu，小于0.15%Mn，9.5-10.6%Mg，小于0.15%Zn，小于0.25%Ti，其余為鋁。將該二氧化硅模及其內(nèi)含物放入一個(gè)不銹鋼容器，該容器的尺寸為長(zhǎng)約10英寸(254mm)，寬約10英寸(254mm)，高約8英寸(203mm)。將重約15g鈦海綿材料(得自Chemalloy Inc.，Bryn Maer，PA)撤在不銹鋼容器中的二氧化硅摸的周圍。將一片銅箔放在不銹鋼容器的開口上，以便形成一個(gè)封閉室。通過銅箔片有一個(gè)氮?dú)馇逑垂?，并將該不銹鋼容器和其內(nèi)含物放入一個(gè)空氣氣氛的電阻加熱的箱式爐中。
將爐溫在約10升/分鐘的氮?dú)饬髁肯乱约s400℃/小時(shí)的速度從室溫提高到約600℃(注意這種封閉室不是氣密的，可允許一些氮?dú)鈴闹幸莩?，然后在約2升/分鐘的氮?dú)饬髁肯乱约s400℃/小時(shí)的速度將爐溫度從約600℃提高到750℃。在約2升/分鐘的氮?dú)饬髁肯?，于約775℃下將該體系保溫約1.5小時(shí)后，將不銹鋼容器及其內(nèi)含物從爐中取出。將二氧化硅模從不銹鋼容器中取出，并從二氧化硅模內(nèi)傾倒出一部分殘余基質(zhì)金屬。將一個(gè)室溫銅激冷板[長(zhǎng)約5英寸(127mm)，寬約5英寸(127mm)，厚約1英寸(25mm)]放在二氧化硅模內(nèi)，以使得該板與頂部的殘余基質(zhì)金屬接觸，來定向固化形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品B通過在一個(gè)鋼板(長(zhǎng)約7英寸(178mm)，寬約7英寸(178mm)，厚約0.25英寸(6.4mm))上放置一個(gè)鋼框形成一個(gè)鋼盒，內(nèi)空腔具有尺寸為長(zhǎng)約5英寸(127mm)，寬約5英寸(127mm)，深約2.75英寸(70mm)，并且壁厚約為0.3英寸(7.9mm)。將鋼盒用一個(gè)石墨箔盒做襯里，盒的尺寸為長(zhǎng)約5英寸(127mm)，寬約5英寸(127mm)，高約3英寸(76mm)。該石墨箔盒是由一塊長(zhǎng)約11英寸(279mm)，寬約1英寸(279mm)，厚約0.010英寸(0.25mm)的石墨箔盒(得自TT America，Portlomd，OR的Perma-Foil)制成。從該石墨箔的四個(gè)角上切掉四塊長(zhǎng)寬各約3英寸(76mm)的方塊，然后將切后的石墨箔的邊折起，釘住形成石墨箔盒。
通過在一個(gè)塑料缸中混合材料并用手振蕩約15分鐘制備約782g的填料混合物，該混合物含有(以重量計(jì))約95%的氧化鋁(得自Alcan Chemicals，Montreal，Cemada)和約5%的-325目鎂粉(由Jphnson Matlhey，Seabrook，NH出售的AESAR)。然后，將該填料混合物倒入石墨盒中，深度約為0.75英寸(19mm)，并輕輕拍打該混合物以平整其表面。將該填料混合物的表面用約4g的-50目的鎂粉(由Morton thiokol，Danvers，MA出售的Alphec Products)覆蓋。將約1268g的基質(zhì)金屬放在用鎂粉覆蓋的填料混合物的上面，其中的基質(zhì)金屬含有(以重量計(jì))約小于等于0.25%Si，小于等于0.30%Fe，小于等于0.25%Cu，小于等于0.15%Mn，9.5-10.6% Mg，小于等于0.15%Zn，小于等于0.25%Ti和余量為鋁。
將鋼盒及其內(nèi)含物放入一個(gè)不銹鋼容器中，該容器的尺寸為長(zhǎng)約10英寸(254mm)，寬約10英寸(254mm)，高約8英寸(202mm)。將一塊石墨箔[尺寸為長(zhǎng)約10英寸(254mm)，寬約10英寸(254mm)，厚約0.010英寸(0.25mm)]覆蓋在不銹鋼容器的底部，并且預(yù)先將一塊耐火磚放在石墨箔上以支撐不銹鋼容器內(nèi)的鋼盒。將約20g的鈦海綿材料(得自Chemalloy Company，Inc.，Bryn Mawr，PA)撤在支撐鋼盒的耐火磚周圍不銹鋼容器底部的石墨箔上。將一片銅箔放在不銹銅容器的開口上以形成一個(gè)封閉室。通過港箔片提供一個(gè)氮?dú)馇逑垂?。將該不銹鋼容器及其內(nèi)含物放入一個(gè)空氣氣氛的電阻加熱的箱式爐中。
將爐子以約400℃/小時(shí)的速度，在通過管的氮?dú)饬髁考s為10升/分鐘的條件下，從室溫加熱到約600℃，然后在氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘的條件下，以約400℃/分鐘的速度使?fàn)t子從約600℃加熱到約800℃。然后在氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘的條件下，使該體系在約800℃下保持約2小時(shí)。然后將不銹鋼容器及其內(nèi)含物從爐中取出，并將鋼盒從不銹鋼容器中取出，放在一個(gè)室溫水冷卻的銅激冷板[尺寸為長(zhǎng)約8英寸(203mm)，寬約8英寸(203mm)，厚約0.5英寸(13mm)]上以便定向固化金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品C提供一個(gè)石墨舟，該石墨舟是由聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)的ATJ石墨制成，并且?guī)в幸粋€(gè)尺寸為長(zhǎng)約12英寸(305mm)，寬約8英寸(203mm)，高約5.25英寸(13.3mm)的內(nèi)高腔。在石墨舟的底部放入3個(gè)石墨箔制的盒子[尺寸為長(zhǎng)約8英寸(203mm)，寬約4英寸(102mm)，高約5英寸(127mm)]。該石墨箔盒是由一塊石墨箔(得自聯(lián)合碳化物公司的Grafoil )制成，其尺寸為長(zhǎng)約14英寸(356mm)，寬約12.5英寸(318mm)，厚約0.015英寸(0.38mm)。從這塊石墨箔的4個(gè)角切掉長(zhǎng)寬各約為5英寸(127mm)的方塊，然后將石墨箔折起形成一個(gè)石墨箔盒，用含有(以重量計(jì))約1份的石墨粉(得自Lonza，Inc.Fair Lawn，NJ的KS-44)和約3份的膠態(tài)二氧化硅(得自E.I.du Pont de Nemours & Co.Inc.Wilmington，DE的LUDOX SM)的混合物粘合并且釘住以固定盒子。將該石墨箔盒的底部均勻地用一層-50目的鎂粉(由Alpha Proclucts，Morton Thiokol，Danvers，MA出售的)覆蓋。用一種含有(以體積計(jì))約25-50%的石墨粘合劑(得自Polycarbon，Valencia，CA的RIGIDLDCKTM)和余量的乙醇的混合物使鎂粉粘粘附到該石墨箔盒的底上。
將約1000g的填料混合物放入一個(gè)塑料缸中，并在球磨機(jī)上混合至少2小時(shí)，所說的混合物含有約98%的-60粒度的片狀氧化鋁(得自Alcoa Industrial Chemicals Division，Bauxite，AR的T-64)和約2%的-325目鎂粉(由Johnson Mattey，Seabrook，NH出售的AESAR )。然后將這種填料混合物倒入襯在石墨舟中的石墨箔盒的底部，用手壓實(shí)，并且用一層6g的-50目的鎂粉(得自Alpha Proelucts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)覆蓋。將約1239g的基質(zhì)金屬55放在石墨箔盒52中的填料混合物54的上面，其中的基質(zhì)金屬含有(以重量計(jì))約小于等于0.35%Si，小于等于0.40%Fe，1.6-2.6%Cu，小于等于0.20%Mn，2.6-3.4%Mg，0.18-0.35%Cr，6.8-8.0%Zn，小于等于0.20%Ti，其余為鋁。
將石墨舟及其內(nèi)含物放入一個(gè)處于室溫的襯甑電阻加熱爐中。將甑門關(guān)閉，并將其抽空到至少30英寸(762mm)Hg柱。達(dá)到該真空后，以約2.5升/分鐘的流量向甑室中充入氮?dú)?。然后將該襯甑爐以約120℃/小時(shí)的速度加熱到約700℃，在約2.5升/分鐘的流氮?dú)夥障?，于約150℃/小時(shí)的速度從約700℃降到約675℃。在約675℃下，從甑室中取出石墨舟及其內(nèi)含物，進(jìn)行定向固化。具體地說，將石墨舟放在一個(gè)室溫下的石墨板上，將約500ml的外部熱頂材料(由Foseco Inc.，Brook Park，OH出售的Feedol -9)倒到石墨箔盒中的熔融基質(zhì)金屬的頂上，并將約2英寸(51mm)厚的陶瓷纖維氈(Manville Refra-clory Products公司的CERABANETTM)纏繞在石墨舟的周圍。在室溫下，折開石墨箔盒表明已形成了金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品D提供一個(gè)石墨舟，該石墨舟是由聯(lián)合碳化物公司制造的ATJ石墨制成，并且具有尺寸為長(zhǎng)約8英寸(203mm)，寬約4英寸(102mm)，深約2.5英寸(63mm)的內(nèi)空腔。將一個(gè)石墨箔盒(長(zhǎng)約8英寸(203mm)，寬約1.5英寸(38mm)，高約3英寸(76mm)]放入石墨舟中。該石墨箔盒是由一塊石墨箔(得自聯(lián)合碳化物公司的Grafoil )制成，該石墨箔的尺寸為長(zhǎng)約14英寸(356mm)，寬約7.5英寸(191mm)，厚約0.015英寸(0.38mm)。從這塊石墨箔的四個(gè)角上各切掉一塊長(zhǎng)寬均約為3英寸(76mm)的正方塊，然后將切后的石墨箔折起形成一個(gè)石墨箔盒，再用石墨粘合劑(得自Polycarbon，Valeacia，CA的RIGIDLOCKTM)粘結(jié)，并釘住。充分干燥后，將該石墨箔盒放入石墨舟中。
將約1000g的填料混合物放入一個(gè)約4升的塑料缸中，并將該塑料缸的剩余體積用乙醇填充以產(chǎn)生一種泥漿混合物，其中的填料混合物包括(以重量計(jì))約96%的氧化鋁片晶(直徑約10微米;厚約2微米)(由Wilmington，DE的E.I.du Pont de Nemours & Co.，Inc提供的改進(jìn)級(jí)的FaAl2O3片晶)和約4%的-325目鎂粉(AESAR ，得自Johnson Mathey，Seabrook，NH)。然后將該塑料缸及其內(nèi)含物放在一個(gè)球磨機(jī)上混合至少3小時(shí)。然后使泥漿混合物經(jīng)真空過濾從填料混合物中分離出乙醇?；境ヒ掖己?，將填料混合物放在一個(gè)溫度約為110℃的空氣干燥箱內(nèi)干燥過夜。然后將這種填料混合物經(jīng)過一個(gè)40目的篩子來完成其制備。這種液體分散技術(shù)在后面將稱為“LD技術(shù)”。
將該石墨箔核的底用一層約1.5g的-50目的鎂粉(由于Morton thiokol，Danvers，MA的Plpha Products，Inc.提供)涂敷，并用一種石墨粘合劑(由Polycarbon，Valencia，CA出售的RIGIDLOCKTM)將其粘附到石墨箔盒71的底上。用手壓實(shí)，并用一層約1.5g的-50目鎂粉(由Morton Thiokol，Danvers，MA的Hlpha Products，Inc.公司提供)涂敷。將約644g的基質(zhì)金屬放在石墨箔盒中的填料混合物上，所說的基質(zhì)金屬包括(以重量計(jì))約小于等于0.25%Si，小于等于0.30%Fe，小于等于0.25%Cu，小于等于0.15%Mn，9.5-10.6%Mg，小于等于0.15%Zn，小于等于0.25%Ti和余量的鋁。沿著石墨箔盒的外側(cè)放置兩塊石墨支撐板(長(zhǎng)約8英寸(203mm)，寬約3英寸(76mm)，厚約0.5英寸(13mm)。將220粒度的氧化鋁材料(得自Worcester，MA的Norton公司的38 Alundum)放入石墨板周圍的石墨舟中。
將包括石墨舟及其內(nèi)含物的體系放入一個(gè)室溫下的襯甑電阻加熱爐中。將甑門關(guān)閉，并將甑中抽空到至少20英寸(508mm)Hg粒。在氮?dú)饬髁考s為4升/分鐘的條件下，以約100℃/小時(shí)的速度將該襯甑爐加熱到約775℃。在氮?dú)饬髁考s4升/分鐘的條件下于約775℃保溫約10小時(shí)后，將石墨舟及其內(nèi)含物從爐中取出，實(shí)現(xiàn)定向固化。具體地說，將石墨舟放在一個(gè)室溫水冷卻的氧化鋁激冷板上，并向石墨箔盒中的熔融基質(zhì)金屬的頂上倒入約500ml的外部熱頂材料(由Brook Park，OH的Foseco Inc.公司銷售的Feeclol -9)，再在石墨舟70的周圍纏繞約2英寸(51mm)厚的陶瓷纖維氈(Manville Refractory Products的CERABANKETTM)。在室溫下，折開石墨箔盒，展現(xiàn)在出已形成了金屬基質(zhì)復(fù)合體。
接著將形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體進(jìn)行熱處理。具體地說，將該復(fù)合體放入一個(gè)不銹鋼網(wǎng)藍(lán)中，然后將該藍(lán)子放入一個(gè)空氣氣氛的電阻加熱爐中。在約40分鐘內(nèi)，將爐溫提供到約435℃，并在該溫度下保溫約18小時(shí)，然后將復(fù)合體從爐中取出，在室溫水浴中進(jìn)行淬火。
樣品E通過將300系列不銹鋼板焊接在一起制成一個(gè)長(zhǎng)約6英寸(152mm)、寬約2英寸(76mm)、高約5英寸(127mm)的不銹鋼盒。該盒襯有長(zhǎng)約6英寸(152mm)、寬約3英寸(26mm)、高約5英寸(127mm)的石墨箔盒。該石墨盒由長(zhǎng)約16英寸(406mm)、寬約13英寸(330mm)、厚約0.015英寸(38mm)的石墨箔(Grafoil ，聯(lián)合碳化物公司出品)制成。從這塊石墨箔的四個(gè)角切掉四塊長(zhǎng)寬約為5英寸(127mm)的方塊。石墨箔經(jīng)折疊與裝釘形成石墨箔盒，隨后將其放入不銹鋼盒之中。
通過在一體積為4升的塑料罐中混合約600g由大約73%(重)1000粒度碳化硅(Norton公司提供的39 crystolon)、約24%(重)碳化硅晶須(由日本NIKK EI技術(shù)研究有限公司生產(chǎn))和大約3%(重)-325目鎂粉(來自AESAR ，Johnson Matthey，Seahrook，NH)組成的混合物并且通過將該罐放在球磨機(jī)中大約1小時(shí)來制備填料混合物。
將厚度約為0.75英寸(19mm)的填料混合物的層倒入不銹鋼盒內(nèi)的石墨箔盒的底部。將總重約為1216g的由大約10%(重)硅、5%(重)銅、其余為鋁的基質(zhì)金屬鑄塊放在石墨箔盒內(nèi)的填料混合物的頂部。隨后將不銹鋼盒及其內(nèi)含物放入長(zhǎng)約10英寸(254mm)、寬約8英寸(203mm)、深約8英寸(203mm)的外圍不銹鋼容器之中。將大約15g鈦海棉材料(來自Chemalloy，Inc.，Bryn Mawr，PA)、大約15g-50目鎂粉(來自AlphaProducts，Morton Thiokol，Danvers，MA)撒入處于外圍不銹鋼容器之中的不銹鋼盒的四周。將銅箔板放在外圍不銹鋼容器的開口上。有一條氮?dú)馇逑垂芡ㄟ^銅箔。
將含有不銹鋼容器及其內(nèi)含物的體系放在電阻加熱空氣氣氛爐中。在氮?dú)庖源蠹s2.5升/分鐘的流量進(jìn)入不銹鋼容器的同時(shí)，該爐以大約550℃/小時(shí)的速率由室溫被加熱至大約800℃。在溫度為800℃左右、氮?dú)饬髁考s2.5升/分鐘的條件下經(jīng)過大約2.5小時(shí)后，從爐中取出外圍不銹鋼容器及其內(nèi)含物。從外圍不銹鋼容器中取出襯有石墨箔的不銹鋼盒并且將其內(nèi)含物放在室溫銅激冷板上以便定向固化金屬基質(zhì)復(fù)合體，該板長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約8英寸(203mm)、厚約0.5英寸(13mm)。于室溫下，拆分石墨箔盒得到所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品F使用帶有內(nèi)腔尺寸約為3.75英寸(95mm)長(zhǎng)、大約1.8英寸(45mm)寬、大約0.79英寸(20mm)深的氧化鋁舟。將含有空心氧化鋁球(Aerospheres，由陶瓷填料公司，Atlanta，GA出售)、厚約1/8英寸的填料層放在氧化鋁舟的底部。將含有大約≤0.25%(重)Si、≤0.30%(重)Fe、≤0.25%(重)Cu、≤0.15%(重)Mn、9.5-10.6%(重)Mg、≤0.15%(重)Zn、≤0.25%(重)Ti、其余為鋁的基質(zhì)金屬鑄塊放在氧化鋁舟中的填料層上。
將氧化鋁舟及其內(nèi)含物放在于室溫下電阻加熱管式爐中。該管式爐基本上是密封的，并且被抽空達(dá)到至少30英寸(762mm)Hg。隨后，將氮?dú)庖源蠹s0.5升/分鐘的流量導(dǎo)入管內(nèi)并且以大約300℃/小時(shí)的速率將該管式爐加熱至大約800℃。該體系在溫度約為800℃、氮?dú)饬魉偌s0.5升/分鐘的條件下經(jīng)過大約0.5小時(shí)后，以大約300℃/分鐘的速率將管式爐冷卻至室溫。于室溫下，從爐中取出氧化鋁舟得到所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品G提供一個(gè)由ATJ石墨(聯(lián)合碳化物公司出口)制造、長(zhǎng)約4英寸(102mm)、寬約4英寸(102mm)、高約3英寸(76mm)的石墨舟。將24粒度氧化鋁材料(38 Alundum，由Norton公司，Worcester，MA出品)放入石墨舟的底部。將長(zhǎng)約2英寸(51mm)、寬約2英寸(51mm)、高約3英寸(76mm)的石墨箔盒放在涂敷石墨舟底部的24粒度氧化鋁之上。該石墨盒四周被附加的24粒度氧化鋁包圍。石墨箔盒由長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約8英寸(203mm)、厚約0.015英寸(0.38mm)的石墨箔(Grafoil ，由聯(lián)合碳化物公司提供)制成。從這塊石墨箔的四角上切掉四塊長(zhǎng)寬均為3英寸(76mm)的方塊。石墨箔經(jīng)折疊、用含有大約1重量份石墨粉末(KS-44，由Lonza公司，F(xiàn)air Lawn，NJ提供)和大約3重量份膠態(tài)氧化硅(LUDOX SM，來自E.I.du Pont de Nemours & Co.Inc.，Wilmington，DE)的混合物膠合與裝釘形成石墨箔盒。
由含有大約90%(重)直徑約為20μm的切斷氧化鋁纖維(Fiber FP ，來自E.I.du Pont de Nemours & Company，Inc.，Wilmington，DE)和大約10%(重)直徑為約3μm的氧化鋁纖維(指定產(chǎn)品Saffil ，來自ICI Americas，Wilmington，DE)的混合物制備長(zhǎng)約2英寸(51mm)、寬約2英寸(51mm)、厚約0.8英寸(20mm)的氧化鋁纖維預(yù)型體。該預(yù)型體用膠態(tài)氧化鋁粘結(jié)。將含有大約12%(體積)陶瓷纖維的氧化鋁纖維預(yù)型體放在石墨舟中的石墨箔盒的底部。將兩個(gè)長(zhǎng)約2英寸(51mm)、寬約2英寸(51mm)、高約1英寸(25mm)、含有大約10.5%(重)Mg、4%(重)Zn、0.5%(重)Si、0.5%(重)Cu、其余為鋁的基質(zhì)金屬鑄塊放在石墨箔盒中的氧化鋁纖維預(yù)型體上。用含有大約1重量份石墨粉末(KS-44，由Lonza，Inc.，F(xiàn)air Lawn，NJ出售)和3重量份膠態(tài)氧化硅(LUDOX SM，由E.I.du Pont de Nemours & Co.，Inc.，Wilmington，DE生產(chǎn))的糊狀石墨混合物填充基質(zhì)金屬鑄塊的周邊與石墨箔盒的側(cè)壁之間的空間。
將石墨舟及其內(nèi)含物放在室溫受控氣氛爐中。關(guān)閉爐門并將爐子抽空到至少30英寸(762mm)Hg。然后在大約0.75小時(shí)內(nèi)將爐子加熱至大約200℃。在大約200℃、真空度至少為30英寸(762mm)Hg下經(jīng)過至少2小時(shí)后，以大約2升/分鐘的流量用氮?dú)饣爻錉t子并且加熱至大約675℃，歷時(shí)大約5小時(shí)。在大約675℃、氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘下經(jīng)過約20小時(shí)后，將爐子關(guān)閉并且冷卻至室溫。于室溫下，拆分石墨箔盒得到所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品H通過將300系列不銹鋼板焊接在一起制成一個(gè)長(zhǎng)約6.5英寸(165mm)、寬約6.5英寸(165mm)、高約3英寸(76mm)的不銹鋼容器。該容器襯有長(zhǎng)約6英寸(152mm)、寬約6英寸(152mm)、高約3英寸(76mm)的石墨箔盒。該石墨盒由長(zhǎng)約9英寸(229mm)、寬約9英寸(229mm)、厚約0.015英寸(0.38mm)的石墨箔(Grafoil ，由聯(lián)合碳化物公司提供)制成。從這塊石墨箔的四角上切掉四塊長(zhǎng)寬均為3英寸(76mm)的方塊。切割的石墨箔經(jīng)折疊、用含有約1重量份石墨粉末(KS-44，由Lonza，Inc.，F(xiàn)air Lawn，NJ)提供)和約3重量份膠態(tài)氧化硅(LUDOX SM，來自E.I.du Pont de Nemours&Co.Inc.，Wilmington，DE)的混合物膠合與裝釘形成石墨箔盒。待膠水基本上干燥后，將石墨箔盒放在不銹鋼容器的底部。將厚約0.25英寸(6.4mm)的90粒度Si C層(39 Crystolon，來自Norton Co.，Worcester，MA)傾入石墨箔盒的底部。
將長(zhǎng)約6英寸(152mm)、寬約6英寸(152mm)、厚約0.5英寸(13mm)、由直徑約為20μm的氧化鋁纖維(Fiber FP ，由E.I.du Pont de Nemours & Company，Inc.，Wilmington，DE出售)制成的連續(xù)纖維預(yù)型體放在作為不銹鋼容器襯里的石墨箔盒中90粒度Si C層的頂部。將尺寸約為6英寸(152mm)×6英寸(152mm)×0.015英寸(0.38mm)、其中心有直徑約為2英寸(51mm)孔的石墨箔板(Grafoil ，由聯(lián)合碳化物公司出品)放在連續(xù)纖維預(yù)型體上。將長(zhǎng)約3.5英寸(89mm)、寬約3.5英寸(89mm)、厚約0.5英寸(13mm)、含有約≤0.25%(重)Si、≤0.30%(重)Fe、≤0.25%(重)Cu、≤0.15%(重)Mn、9.5-10.6%(重)Mg、≤0.15%(重)Zn、≤0.25%(重)Ti其余為鋁的基質(zhì)金屬鑄塊放在石墨板上。
將不銹鋼容器及其內(nèi)容物放在室溫電阻加熱襯甑爐中。關(guān)閉甑門，將其抽空達(dá)到至少30英寸(762mm)Hg。然后將襯甑爐加熱至大約200℃，歷時(shí)約0.75小時(shí)。在大約200℃的溫度及真空度約為30英寸(762mm)Hg下經(jīng)過約2小時(shí)后，以大約2.5升/分鐘的量用氮?dú)饣爻涑榭盏年?。然后在氮?dú)饬髁考s為2.5升/分鐘的條件下以大約150℃/小時(shí)的速度將襯甑爐加熱至大約725℃。在氮?dú)饬髁考s為2.5升/分鐘的條件下將該體系在大約725℃下保持大約25小時(shí)。從甑中取出不銹鋼容器及其內(nèi)含物。通過將不銹鋼容器放在石墨板上并且將預(yù)熱到至少700℃的90粒度氧化鋁(38 Alundum，由Norton Co.，Wocester，MA出售)傾至殘余熔融基質(zhì)金屬來完成定向固化，用陶瓷纖維氈(OERABLANKETTM，Manville Refractory Products)覆蓋不銹鋼容器及其內(nèi)含物。于室溫下，折分組合體得到所形成的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品Ⅰ采用長(zhǎng)約22.75英寸(578mm)、寬約9.75英寸(248mm)、高約6英寸(152mm)、由ATJ石墨(由聯(lián)合碳化物公司出售)制成的石墨舟。如樣品G中所述，由石墨箔(Grafoil ，由聯(lián)合碳化物公司提供)制成長(zhǎng)約17英寸(452mm)、寬約1英寸(25mm)、高約1英寸(25mm)的石墨箔盒。
將石墨箔盒放入石墨舟并且用24粒度氧化鋁(38 Alundum，由Norton Co.，Worcester，MA出售)包圍。將一層疏松CVD碳化硅涂敷的石墨纖維(Thornel T300 Gracle 309 ST Carbon Pitch Fibers，Amoco Performance Products，Inc.)放入石墨箔盒的底部。采用與用于粘合石墨箔盒相同的石墨粉末/膠態(tài)氧化硅混合物涂敷CVD碳化涂敷過的石墨纖維的端部。將長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約0.75英寸(19mm)、厚約1英寸(25mm)、含有大約6%Mg、5%(重)Zn、12%(重)Si、其余為鋁的基質(zhì)金屬鑄塊放在石墨箔盒中經(jīng)過疏松碳化硅涂敷的石墨纖維上。將石墨舟及其內(nèi)含物放入室溫控制氣氛爐中。關(guān)閉爐門，內(nèi)部抽空到至少30英寸(762mm)Hg，其間溫度為室溫。然后在大約0.75小時(shí)內(nèi)將爐子加熱至大約200℃。在溫度為200℃、真空度為至少30英寸(762mm)Hg的條件下經(jīng)過約2小時(shí)后，以大約1.5升/分鐘的流量用氮?dú)饣爻錉t子。在大約5小時(shí)內(nèi)使?fàn)t溫升至約850℃。在約850℃、氮?dú)饬魉偌s為1.5升/分鐘的條件下經(jīng)過約10小時(shí)后，在約3小時(shí)內(nèi)將爐子冷卻至室溫。在室溫下，折分石墨箔盒得到所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
實(shí)施例2本實(shí)施例表明可以采用各種不同的填料組合物通過自發(fā)滲透技術(shù)成功地制備金屬基質(zhì)復(fù)合體。表Ⅱ匯總了采用各種基質(zhì)金屬制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的實(shí)驗(yàn)條件、填料、操作溫度與操作時(shí)間。
樣品A-D采用熔凝氧化鋁填料、煅燒氧化鋁填料、片狀氧化鋁填料和片晶狀氧化鋁填料分別地如實(shí)施例5所述制備樣品A-D。樣品A-D被列于表Ⅱ中。
樣品J將長(zhǎng)約4英寸(102mm)、寬約4英寸(102mm)、高約3英寸(76mm)的石墨箔盒(由Grafoil 制成，聯(lián)合碳化物公司的產(chǎn)品)放入石墨舟中。將大約300g氧化鎂粉末(TECO Mg O，品位120s，C-E Minerals，Greewille，SC)放在石墨箔盒襯里的石墨舟底部。用-50目鎂粉(來自Alpha Products，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)基本上覆蓋氧化鎂粉的表面。將含有≤0.25%(重)Si、≤0.30%(重)Fe、≤0.25%(重)Cu、≤0.15%(重)Mn、9.5-10.6%(重)Mg、≤0.15%(重)Zn、≤0.25%(重)Ti、其余為鋁、長(zhǎng)約4.5英寸(114mm)、寬約1.5英寸(38mm)、高約1.5英寸(38mm)的基質(zhì)金屬鑄塊放入石墨箔盒內(nèi)的氧化鎂粉末及-50目鎂粉之中。
將石墨舟及其內(nèi)含物放入襯甑電阻加熱爐中。關(guān)閉甑門并且于室溫下將甑抽空到至少為30英寸(762mm)Hg。待達(dá)到該真空度后，以大約4升/分鐘的流量用氮?dú)饣爻湓摖t。然后在氮?dú)饬髁考s為4升/分鐘的條件下以大約200℃/小時(shí)的速度將該襯甑爐加熱至大約750℃。在溫度約為750℃、氮?dú)饬髁考s為4升/分鐘的條件下經(jīng)過約19小時(shí)后，以大約200℃/小時(shí)的流速將襯甑爐冷卻至大約650℃。在大約650℃時(shí)，打開甑門，取出石墨舟及其內(nèi)含物并且使其與石墨板接觸以便使金屬基質(zhì)復(fù)合體與殘余基質(zhì)金屬定向固化。于室溫下，折分石墨箔盒得到所形成的含有氧化鎂填料的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品K由14規(guī)格(1.9mm)厚的碳鋼制作具有梯形橫截面、其密閉端長(zhǎng)約3英寸(76mm)、寬為3英寸(76mm)、其敞口端長(zhǎng)約3.75英寸(95mm)、寬為3.75英寸(95mm)、其高度約為2.5英寸(64mm)的鋼模具。該鋼模具的內(nèi)表面用由大約1.5體積份乙醇(來自Pharmco.Porducts，Inc，，of Byon，NJ)與大約1體積份DAG-154膠態(tài)石墨(來自Acheson Chlloid，Port Huronm MI)組成的石墨混合物涂敷。用氣刷將至少三層石墨混合物噴涂于該容器的內(nèi)表面上。在每涂敷下一層石墨混合物之前須使前一層干燥。將鋼模具放入約為330℃的電阻加熱空氣氣氛爐中干燥約2小時(shí)并使膠態(tài)石墨涂層粘著在鋼模具上。
將約2.2磅(1kg)部分穩(wěn)定的氧化鋯(HSY-3SD，Zirconia Sales，Inc.，Altlanta，GA)放在高約7英寸(177.8mm)、上部直徑約為6.25英寸(159mm)、底部直徑約為3.75英寸(95mm)的氧化鋁坩堝中在大約1350℃下預(yù)燒約1小時(shí)。通過在一個(gè)4升塑料罐內(nèi)混合約600g由大約95%(重)預(yù)燒的ZrO2和大約5%(重)-325目鎂粉(來自Reede制造公司，Labe Hurst，NJ)組成的混合物制成填料混合物。將該混合物球磨約1小時(shí)，隨后手動(dòng)振搖10分鐘。
將一層填料混合物倒入膠態(tài)石墨涂敷的模具的底部直至深度約為0.75英寸(19mm)為止。用一層-50目Mg粉(來自Alpha Products，Morton Thiokol，Danvers，MA)基本上覆蓋填料。將含有大約99.7%(重)鋁、其余為痕量元素、總重約為537g的基質(zhì)金屬鑄塊放在膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具內(nèi)填料混合物和鎂粉層的頂部。將另外16.9g含有大約15%(重)硅、其余為鋁的第二基質(zhì)金屬加至原有基質(zhì)金屬的頂部。隨后將模具及其內(nèi)含物放入長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約10英寸(254mm)、高約10英寸(254mm)的外圍碳鋼容器中。用一塊長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約10英寸(254mm)、厚約0.01英寸(0.25mm)的石墨箔(指定產(chǎn)品PF-25-H，以商品名Perma-Foil由TT America，Portland，OR提供)覆蓋外圍碳鋼容器的內(nèi)腔體底部。將重約20g的鈦海錦材料(來自Chemalloy Company，Inc，，Bryn Mawr，PA)和重約0.8g的-50目鎂粉(Alpha Products，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)撒在外圍碳鋼容器內(nèi)膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具周圍與石墨箔之上。將一塊銅箔放在外圍鋼容器的開口上。外圍碳鋼容器的側(cè)壁上設(shè)置有一條氮?dú)馇逑垂堋⑼鈬撊萜骷捌鋬?nèi)含物放入電阻加熱通用爐中。在氮?dú)饬髁考s為10升/分鐘的條件下以大約400℃/小時(shí)的速率將爐子溫度由室溫升至大約600℃，然后在氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘的條件下以大約400℃/小時(shí)的速度由大約600℃升至大約800℃。在氮?dú)饬髁考s為2升/小時(shí)和溫度約為800℃的條件下經(jīng)過約1小時(shí)后，從爐中取出外圍碳鋼容器及其內(nèi)含物，從外圍鋼容器中取出膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具并且與長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約8英寸(203mm)、高約0.5英寸(13mm)的室溫鋼激冷板接觸以便使所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體發(fā)生定向固化。
樣品L采用與制備樣品K相同的方式制備具有梯形橫截面的模具，所不同的是模具被煅燒2小時(shí)以便固化膠態(tài)石墨涂層。
采用與樣品K中填料相同的制備方法制備大約2.2磅(1kg)ZrO2韌化Al2O3(ZTA-85，Zirconia Sales，Inc.，Altantam GA)。將一層填料混合物倒入膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具底部直至深度約為0.75英寸(19mm)為止。用一層-50目鎂粉(來自Alpha products，Morton Thiokol，Danvers，MA)基本上覆蓋填料。將含有大約99.7%(重)鋁、其余為痕量元素、重約368g的基質(zhì)金屬鑄塊放在被鎂粉覆蓋的填料混合物頂部。將含有約15%(重)硅、其余為鋁、重約17.11g的第二基質(zhì)金屬放在第一基質(zhì)金屬的頂部。將膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具及其內(nèi)含物放入長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約10英寸(254mm)、高約10英寸(254mm)的外圍碳鋼容器中。用長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約10英寸(254mm)、厚約0.01英寸(0.25mm)的石墨帶產(chǎn)品(指定產(chǎn)品PF-25-H，以商品名Perma-Foil由TT America，Portland，OR出售)覆蓋外圍碳鋼容器內(nèi)腔的底部。將重約20g的鈦海綿材料(來自Clemalloy Company，Inc.，Bryn Mawr，PA)和重約2g的-50目鎂粉撒在外圍碳鋼容器內(nèi)的膠態(tài)石墨涂敷的模具四周與石墨帶產(chǎn)品之上。將一片銅箔放在外圍碳鋼容器的開口上。外圍碳鋼容器的側(cè)壁上設(shè)置有一條氮?dú)馇逑垂堋?br> 將封蓋的鋼容器及其內(nèi)容物放入電阻加熱通用爐中。在氮?dú)饬髁考s為10升/分鐘時(shí)，以大約400℃/小時(shí)的速率將爐溫由室溫升至大約600℃，隨后在氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘時(shí)，以大約400℃/小時(shí)的速率將爐溫由大約600℃升至大約800℃。將爐子在溫度約為800℃、氮?dú)饬髁考s為2升/分鐘下保持1小時(shí)后，將其冷卻至大約580℃。取出爐中的外圍碳鋼容器及其內(nèi)含物，從外圍碳鋼容器中取出膠態(tài)石墨涂敷的鋼模具并使其與長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約8英寸(203mm)、厚約0.5英寸(13mm)的室溫銅激冷板接觸以便定向固化所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品M提供一個(gè)其內(nèi)空腔長(zhǎng)約12英寸、寬約9英寸、高約5.5英寸的石墨舟(ATJ品位，來自聯(lián)合碳化物公司，由MGP，Inc.，Womelsdorf，PA制造)。如在樣品C中所述的那樣制備長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約4英寸(102mm)、深約3英寸(76mm)的石墨箔盒217(Grafoil ，來自聯(lián)合碳化物公司)。將大約1g的-50目鎂粉(來自Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)放入盒的底部。在石墨盒的底部噴涂少量石墨粘合劑(RIGIDLOCK ，來自Polycarbon，Valencia，CA)，以便將鎂粉粘結(jié)于盒的底部。
通過使大約763g由大約98%(重)1000目碳化硅(39 Crystolon，來自Norton Co.，Worcester，MA)與大約2%(重)-325目鎂粉(Aesar ，Johnson Mathey，Seabrook，NH)組成的混合物于乙醇淤漿中混合(借助在實(shí)施例1的樣品D中討論的LD技術(shù))制填料混合物。然后將該填料混合物放入石墨盒中鎂粉頂部。
將一層長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約4英寸(102mm)、厚約0.015英寸(0.38mm)、其中具有直徑約為1.25英寸(32mm)的孔214的石墨箔213(Grafoil ，由聯(lián)合碳化物公司出品)放在石墨舟內(nèi)碳化硅填料的表面上。將大約1g的-50目鎂粉(來自Alpha Products，Znc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)放在暴露于石墨箔上孔的填料的表面上。
將重約1237g并且含有413.0合金(公稱組成約為11.0-13.0%Si、≤2.0%Fe、≤1.0%Cu、≤0.35%Mn、≤1.0%Mg、≤0.50%Ni、≤0.50Zn、≤0.15%Sn、其余為鋁)的基質(zhì)金屬鑄塊放在石墨箔的表面上，從而使合金覆蓋石墨板上的孔。
將包括舟及其內(nèi)含物的反應(yīng)體系放入襯甑電阻加熱爐。將爐子抽空到至少20英寸(508mm)Hg，然后用氮?dú)庖源蠹s4.5升/分鐘的流量回充爐子。以大約200℃/小時(shí)的速度將爐溫由室溫升至大約775℃。將該體系在大約775℃下保持約20小時(shí)，隨后以大約150℃/小時(shí)的速率將爐溫降至大約760℃。在約760℃下，取出該體系并且放在水冷卻鋁急冷板上。將大約500ml放熱的熱頂材料(Feedal -9，F(xiàn)oseco，Inc.，of Brook Park，OH)撒在組裝體的頂端，用陶瓷纖維氈(CERAB LANKET，Manville Refractory Products)纏繞石墨舟。利用Feedal -9在組裝體的頂部發(fā)生放熱反應(yīng)從而迫使金屬基質(zhì)復(fù)合體在其冷卻時(shí)發(fā)生定向固化，這樣便可以抑制金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成收縮空隙。
樣品N將長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約3英寸(26mm)、厚約0.5英寸(0.3mm)的兩塊ATJ品位石墨板放在一個(gè)長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約4英寸(102mm)、深約3英寸(76mm)的石墨舟中以便在石墨舟內(nèi)形成長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約2英寸(50.8mm)、高約3英寸(76mm)的空腔。用220粒度氧化鋁(38 Alundum，來自Norton公司)填充位于石墨板以外的石墨舟部分。將如樣品C中所述制得的、長(zhǎng)約8英寸(203mm)、寬約2英寸(50.8mm)、高約3英寸(76mm)的石墨箔盒(Grafoil ，來自聯(lián)合碳化物公司)放入氧化鋁板之間的空腔內(nèi)。將大約1.5g-50目鎂粉(Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)放入石墨箔盒的內(nèi)部，使其粘結(jié)在具有石墨粘合劑(RIGIDLOCKTM，來自Polycarbon，Ltd.，Valencia，CA)的石墨箔盒的底部。
借助在實(shí)施例1的樣品D中所述的LD技術(shù)制備碳化硅片晶填料混合物，從而制備約303g含有約96%(重)碳化硅片晶(直徑約為50μm、厚約10μm)(C-Axis Technology，Ltd.，Jonquiere，Quebec，Canada)和約4%(重)-325目鎂粉(Aesar
，Johnson Mathey，Seabrook，NH)的混合物。將該填料混合物放在石墨舟中鎂粉層的頂部。將第二層約1.5g-50目鎂粉(Alpha Products，Morton Thiokol，Danvers，MA)放在碳化硅填料混合物的頂端。將重約644g、由413.0合金構(gòu)成、其組成如表Ⅱ底部所示的鑄塊放在該體系中鎂層的頂部。
將包括石墨舟及其內(nèi)含物在內(nèi)的體系放入襯甑電阻加熱管式爐中。將爐子抽空到至少為-20英寸(508mm)Hg，然后以大約4.0升/分鐘的流量用氮?dú)饣亓鳡t子。以大約100℃/小時(shí)的速率使?fàn)t溫由室溫升至大約775℃。在大約775℃下將該體系保持約10小時(shí)，然后于大約200℃/小時(shí)的速率將其溫度降至大約760℃。于大約760℃下從爐中取出該體系并且將其放在水冷卻的鋁激冷板上。將大約500ml放熱的熱頂材料(Feedal
-9，來自Foseco，Inc.，of Brook Park，OH)撒在組裝體的頂部，并且將陶瓷纖維氈纏繞石墨舟的表面。利用Feedal
-9在組合體的頂部發(fā)生放熱反應(yīng)以便迫使金屬基質(zhì)復(fù)合體在其冷卻時(shí)發(fā)生定向固化，從而抑制金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成收縮空隙。
樣品O提供一個(gè)其內(nèi)空腔尺寸約為長(zhǎng)12英寸×寬約9英寸×高5.5英寸的石墨舟(ATJ品位，來自聯(lián)合碳化物公司，MGP，Inc.，Womelsdorf，PA)。如樣品C中所述，制備長(zhǎng)約8英寸((203mm)、寬約4英寸(102mm)、深約3英寸(76mm)的石墨箔盒(Grafoil ，來自聯(lián)合碳化物公司)。將約1g的-50目鎂粉(來自Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA)放在石墨箔盒的底部。將少量石墨粘合劑(RIGIDLOCK ，來自Polycarbon，Valencia，CA)噴涂在石墨箔盒的底部以便使鎂粉粘結(jié)在盒的底部。
通過使大約94%(重)直徑約為10μm、厚約2.5μm的二硼化鈦片晶(HTC-30，來自聯(lián)合碳化物公司)與大約6%(重)-325目鎂粉(Aesar ，來自Johnson Mathey，Seabrook，NH)借助LD技術(shù)混合來制備填料，如實(shí)施例1的樣品D中所述。然后將該填料混合物倒至石墨箔盒中鎂粉頂部。
將其中心孔徑約為1.25英寸(32mm)、尺寸約為8英寸(203mm)×4(102mm)×0.015(0.38mm)的石墨箔(Grafoil ，來自聯(lián)合碳化物公司)放在填料的頂部。將大約1g-50目鎂粉(Alpha Prochccts，Morton Thiokol，Danvers，MA)放在通過石墨板中的孔暴露的填料表面上。將大約1498g 520合金(含有大約≤0.25%(重)Si、≤0.35%(重)Fe、≤0.25%(重)Cu、≤0.15%(重)Mn、9.5-10.6%(重)Mg、≤0.15%(重)Zn、≤0.25%(重)Ti、其余為鋁)放在石墨箔板的頂部。
將石墨舟及其內(nèi)含物放入室溫襯甑電阻加熱爐中。關(guān)閉甑門并且將其抽空到至少20英寸(508mm)Hg。然后用氮?dú)庖源蠹s4.5升/分鐘的流量回充。以大約200℃/小時(shí)的速度將襯甑爐由室溫加熱至大約775℃。于大約775℃下經(jīng)過大約20小時(shí)后，以大約150℃/小時(shí)的速度將其冷卻至大約700℃。在此溫度下，打開甑門，取出石墨舟及其內(nèi)含物并將其放在室溫水冷卻的鋁激冷板[尺寸約為12英寸(305mm)×9英寸(229mm)×2英寸(51mm)]上。將大約500ml放熱的熱頂材料(Feedal -9，來自Foseco，Inc.，of Brook Park，off)撒在組裝體頂端，用陶瓷纖維氈(CERABANKET，Manville Refractory Products)纏繞石墨舟的表面。利用熱頂材料在殘余基質(zhì)金屬頂部發(fā)生放熱反應(yīng)以便迫使金屬基質(zhì)復(fù)合體在冷卻時(shí)發(fā)生定向固化，從而抑制金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成收縮空隙。
樣品P用按照所述實(shí)施例制備、尺寸約為6英寸(152mm)×6英寸(152mm)×7.5英寸(191mm)的石墨箔盒作為尺寸約為6英寸(152mm)×6英寸(152mm)×7.5英寸(191mm)的不銹鋼容器的襯里。將其大約2g-325目鎂粉(Aesar ，來自IohnsonMathey，Seabrook，NH)用石墨粘合劑(RIGIDLOCKTM，來自Polycarbon，Valencia，CA)粘著在石墨盒底部上。將大約500g含有大約95%(重)氮化鋁粉末(平均粒徑約為3-6μm)(A-200AlN，來自Advanced Refractory Technology，Inc.，Buffalo，NY)和大約5%(重)-325目鎂粉(Aesar
，來自Johnson Mathey，Seabrook，NH)的混合物放在一個(gè)體積為四升的塑料罐中進(jìn)行機(jī)械混合達(dá)至少2小時(shí)以便獲得均勻的填料混合物。將該填料混合物放入石墨箔盒中。將長(zhǎng)約1英寸(25mm)、內(nèi)徑約為2英寸(51mm)的石墨管狀門放在填料的頂部。將粒度氧化鋁(E-38Alundum，來自Norton Co.，的疏松床層倒入石墨盒內(nèi)、填料頂部中心處石墨管狀門的外徑周圍。加入足量的220粒度氧化鋁，使其基本上包圍石墨管狀門。將大約5g-50目鎂粉(Alpha Products，Morton Thiokol，Danvers，MA)放入石墨管狀門的內(nèi)部以便覆蓋填料的界面。將大約1210g標(biāo)稱組成為413.0的基質(zhì)金屬合金(含有大約11.0-13.0%(重)Si、≤2.0%(重)Fe、≤1.0%(重)Cu、≤0.35%(重)Mn、≤0.10%(重)Mg、≤0.50%(重)Ni、≤0.50%(重)Zn、≤0.15%(重)Sn、其余為鋁)放在反應(yīng)組分的頂端。
將包括鋼容器及其內(nèi)含物的體系放入襯甑電阻加熱爐中，將該爐抽空到至少為-20英寸(508mm)Hg并且用氮?dú)庖源蠹s4.0升/分鐘的速率回充該爐。以大約200℃/小時(shí)的速度將爐子由室溫升至大約200℃，在此溫度下保持約49小時(shí)。隨后以大約200℃/小時(shí)的速度將其加熱至大約550℃，在此溫度下保持約1小時(shí)，再以大約150℃/小時(shí)的速度將其加熱至大約775℃。該體系在大約775℃下保持約10小時(shí)后，以大約150℃/小時(shí)的速率將其冷卻至大約760℃。此時(shí)取出該體系并且借助熱頂將其定向冷卻。具體地說，將該體系放在長(zhǎng)約12英寸(305mm)、寬約9英寸(229mm)、厚約2英寸(51mm)、水冷卻的鋁激冷板上。將大約500ml放熱的熱頂材料(Feedal -9，來自Foseco，Inc.，of Brook Park，OH)撒在組合體的頂部。用陶瓷纖維氈(CERABLANKET，Manville Refractory Products纏繞在不銹鋼容器周圍以便使其絕緣。利用熱預(yù)材料在殘余基質(zhì)金屬的頂部發(fā)生放熱反應(yīng)有助于金屬基質(zhì)復(fù)合體在其冷卻時(shí)發(fā)生定向固化，從而抑制金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)產(chǎn)生收縮空隙。
本例中形成的部分金屬基質(zhì)復(fù)合體的機(jī)械性能在表Ⅱ中給出。測(cè)定機(jī)械性能的方法見下文。
極限抗拉強(qiáng)度(U.T.S)的測(cè)量采用ASTM ＃ B557-84“測(cè)試鍛壓和鑄鋁和鎂產(chǎn)品的拉力的標(biāo)準(zhǔn)方法”。使用矩型拉力測(cè)樣品品，其尺寸6英寸(154mm)長(zhǎng)，0.5英寸(13mm)寬，0.1英寸(2.5mm)厚。該樣品的測(cè)量面約為3/8英寸(10mm)寬，0.75英寸(19mm)長(zhǎng)，底面至測(cè)量面的半徑距離約為3英寸(76mm)。用一種環(huán)氧樹脂(名稱為Epoxy-Patch，Dexter Corporation of High Sol Aerospace and Zndustrial Products，Seabrook，NH)將四個(gè)長(zhǎng)約為2英寸(51mm)，寬約為0.5英寸(13mm)，厚約為0.3英寸(7.6mm)的鋁夾頭固定在每個(gè)距型拉力測(cè)試樣品的底面上。用產(chǎn)自北卡羅來納州的Raleigh微測(cè)量公司的，品名為CEA-06-375 UW-350的應(yīng)變儀(350歐姆電橋)測(cè)量矩型拉力測(cè)樣品品的變形。用楔形夾將所述樣品及鋁夾頭和應(yīng)變儀放在一個(gè)Syntec 5000磅(2269kg)負(fù)荷儀(萬能測(cè)試機(jī)，型號(hào)為CITS2000/b，由MA州Straton的系統(tǒng)綜合技術(shù)公司制造)上。將計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量物連接，應(yīng)變儀記錄測(cè)試影響值。在0.039英寸/分鐘(1mm/分鐘)的不變速率下，矩型拉力測(cè)樣品品變形直至破裂。借助計(jì)算機(jī)內(nèi)各程序由樣品的幾何形狀記錄下的影響計(jì)算最大應(yīng)力，最大變形和破裂時(shí)變形。
由共振方法測(cè)量模量采用與ASTM C848-88基本相同的聲波共振技術(shù)測(cè)量金屬基質(zhì)復(fù)合體的彈性模量。具體地講，將約1.8-2.2英寸長(zhǎng)，0.24英寸寬和1.9英寸厚(約45mm-55mm長(zhǎng)，6mm寬，4.8mm厚)的復(fù)合體樣品放在兩個(gè)放射器之間，用一個(gè)花崗巖支撐空氣臺(tái)使該發(fā)射器與室內(nèi)振動(dòng)隔離。一個(gè)發(fā)射器用來激發(fā)復(fù)合體樣品內(nèi)部的振動(dòng)，另一個(gè)則用來監(jiān)測(cè)金屬基質(zhì)復(fù)合體的振動(dòng)響應(yīng)。通過對(duì)振動(dòng)掃描，監(jiān)測(cè)并記錄每次振動(dòng)的響應(yīng)程度，同時(shí)注意振動(dòng)頻率，測(cè)定彈性模量。
用人字缺口樣品測(cè)量金屬基質(zhì)材料的斷裂韌度用Munz，Shannon和Bubsey方法測(cè)量金屬基質(zhì)材料的斷裂韌度。根據(jù)人字缺口樣品在四次負(fù)荷中的最大負(fù)荷計(jì)算斷裂韌度。具體地說，人字缺口樣品的幾何形狀約為1.8-2.2英寸(45-55mm)長(zhǎng)、約0.19英寸(4.8mm)寬、約0.24英寸(6mm)高。用金鋼石鋦割出一個(gè)人字缺口，使樣品產(chǎn)生一條裂縫。將帶有人字缺口的樣品，以人字頂尖向下放在萬能測(cè)試機(jī)的一個(gè)卡具中。使樣品的缺口位于彼此相隔1.6英寸(40mm)的兩根桿之間，距離每根桿約0.79英寸(20mm)。人字缺口樣品的頂邊與彼此相隔0.79英寸(20mm)的兩跟桿接觸，距離缺口的約0.39英寸(10mm)。用由MA州，Straton的“系統(tǒng)綜合技術(shù)公司”制造的Sintec型CITS-2000/6萬能測(cè)試機(jī)測(cè)量最大負(fù)荷?；瑝K速度為0.02英寸/分鐘(0.58毫米/分鐘)。將萬能測(cè)試機(jī)的負(fù)荷儀與計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)連接。根據(jù)人字缺口樣品的幾何形狀和最大負(fù)荷計(jì)算材料的斷裂韌度。用數(shù)個(gè)樣品測(cè)定某一材料的平均斷裂韌度。
定量象分析(QIA)由定量象分析確定填料體積比，基質(zhì)金屬體積及孔體積比。將一份有代表性的復(fù)合體材料的樣品固定并磨光。磨光后的樣品被放在尼康微像-FX顯微鏡的載物臺(tái)上，并將在IN州密支根市制造的DAGE-MTI系列68攝像機(jī)連接到頂部。攝像機(jī)的信號(hào)被送至由PA的Lamont系統(tǒng)國家學(xué)院生產(chǎn)的DV-4400型系統(tǒng)光學(xué)分析系統(tǒng)。通過顯微鏡得到經(jīng)適當(dāng)放大的十張微結(jié)構(gòu)拍攝影像，這些影像貯存在Lamont系統(tǒng)光學(xué)分析系統(tǒng)中。在放大50倍至100倍以及有時(shí)為200倍時(shí)獲得的影像經(jīng)數(shù)字處理，使其畫面明暗分布均勻。在放大200倍至1000倍下獲得的影像不用數(shù)字處理來使畫面明暗分布均勻。將帶有均勻畫面明暗分布，特定顏色和灰色強(qiáng)度范圍的影像轉(zhuǎn)換成特定的微結(jié)構(gòu)特征，特定的填料，基質(zhì)金屬或孔隙率等。為了證實(shí)顏色和強(qiáng)度轉(zhuǎn)換符號(hào)的精確性，將帶有轉(zhuǎn)換符號(hào)的影像與原始得到的影像進(jìn)行比較。如果注意到偏差，則用手動(dòng)數(shù)字化筆和數(shù)字化板對(duì)影像轉(zhuǎn)換符號(hào)進(jìn)行校正。Lamont系統(tǒng)光學(xué)分析系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)對(duì)帶有轉(zhuǎn)換符號(hào)的有代表性的影像進(jìn)行分析，得出填料，基質(zhì)金屬以及孔隙率的面積百分比，該面積百分比基本與體積百分比相等。
實(shí)施例3本例說明采用自發(fā)滲透技術(shù)，用不同的碳化硅填料混合物可成功地制備金屬基質(zhì)復(fù)合體。此外，根據(jù)填料的規(guī)格和/或加工條件可獲得不同的填料填充量。表Ⅲ匯集于制備本例的金屬基質(zhì)復(fù)合體的樣品條件，其中包括不同的基質(zhì)金屬，填料，加工溫度及時(shí)間。
樣品Q-AH這些樣品的制備基本類似于制備例1中的樣品C。但是在制備中在加入填料之前，石墨薄片盒底部不放置鎂粉。
樣品AI-AJ這些樣品的制備方式基本類似于實(shí)施例1中的樣品K。
樣品的機(jī)械性能由上述的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序測(cè)定，結(jié)果列在表Ⅲ中。
實(shí)施例4本例闡明了在制造鋁金屬基質(zhì)復(fù)合材料時(shí)使用外部密封的可行性與重要性，它用了兩種類似的組裝體。其中一個(gè)區(qū)別就是一種組裝體使用了形成外部密封的材料，而另一種組裝體則沒有使用形成外部密封的材料。
圖2為實(shí)施例4中所用的實(shí)驗(yàn)組裝體的截面示意圖，其中向該系統(tǒng)中提供密封板34。如上述制備兩個(gè)組裝體，一個(gè)帶有密封板而另一個(gè)不帶密封板。如圖2所示，兩個(gè)不透氣容器都是用16號(hào)304型AISI不銹鋼(厚1.6mm)制成的，內(nèi)徑約為23/8英寸(60mm)，高約21/2英寸(64mm)。每個(gè)容器都是用內(nèi)徑約23/8英寸(60mm)，長(zhǎng)約21/2英寸(64mm)的16號(hào)不銹鋼管(厚1.6mm)(35)與16號(hào)不銹鋼板(厚1.6mm)(36)焊接而成的。每個(gè)不透容器中都裝有約150克的填料(31)，這些填料是由Norton公司生產(chǎn)的90號(hào)粒度的氧化鋁38Alundum所組成的。在室溫下，向每個(gè)容器中注入大約575克的由標(biāo)號(hào)為170.1的鋁合金商品組成的熔融基質(zhì)金屬(33)，而把填料(31)覆蓋上。熔融基質(zhì)金屬的溫度約900℃。把熔融基質(zhì)金屬用密封材料(34)蓋上。特別的是，向熔融基質(zhì)金屬中加入了20克Seabrook，NH的Aesar 公司的B2O3粉末。然后把容器分別放到預(yù)先加熱到約900℃的箱式空氣電阻爐中，大約15分鐘后，B2O3材料(34)就基本完全熔化而形成一玻璃層，另外B2O3中所含的水分也基本完全汽化，從而形成一不透氣的密封層。使每個(gè)組裝體在約900℃下保持在所說爐中約另外2小時(shí)。
然后從爐中取出。把容器(32)中的底板直接放到用水冷卻的冷卻鋼板上，使基質(zhì)金屬定向固化。
把組裝體冷卻到室溫，然后剖開，看看基質(zhì)金屬(33)是否已滲入到填料(31)中而形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料。用了密封材料(34)的圖2所示的組裝體中形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料，而沒有用密封材料(34)的組裝體則沒有形成金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
實(shí)施例5本例說明了用外部密封促進(jìn)青銅基質(zhì)復(fù)合材料的形成的可行性與重要性。實(shí)驗(yàn)過程與組裝體基本上是例1的重復(fù)，只是基質(zhì)金屬是由約93%的Cu，約6%的Si和1%的Fe(重量比)組成的青銅合金。填料(31)的成份與含量基本與例4相同，而且不銹鋼容器(32)和B2O3密封材料(34)也基本與例4一致。先把青銅基質(zhì)材料加熱到約1025℃使之熔化。然后再注入到室溫下的容器(32)中，把裝好材料的不銹鋼容器與例4中相同的箱式空氣電阻爐中(爐子被預(yù)先加熱到1025℃)。在20分鐘內(nèi)把爐溫提高到1100℃，使B2O3在這段時(shí)間內(nèi)基本熔化，排去氣體，而形成氣體緊密封。然后把兩種組裝體都在1100℃再保溫大約2小時(shí)，再從爐中取出，把容器(32)的底板(36)直接放到用水冷卻的冷卻銅板上使基質(zhì)金屬定向固化。
把組裝體冷卻到室溫然后剖開，看看青銅基質(zhì)金屬(33)是否已滲入到填料(31)中而形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料。所觀察的結(jié)果與例4相似，使用了B2O3密封材料的組裝體制成了青銅金屬基質(zhì)復(fù)合材料，而沒有B2O3密封材料(34)的容器則沒能產(chǎn)生金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
實(shí)施例6本例說明了使用能有助于鋁金屬基質(zhì)復(fù)合材料的形成的不透氣容器的重要性。它把一種可透氣的容器與四種不可透氣的容器進(jìn)行了比較。四種不透氣容器是16號(hào)304型AISI不銹鋼容器，可以買到的上了釉的咖啡杯，在內(nèi)側(cè)表面涂有一層B2O3的16號(hào)304型AISI不銹鋼容器和上了釉的氧化鋁容器?？赏笟獾娜萜魇嵌嗫椎恼惩林欺徨?。表Ⅳ給出了有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
樣品BA在內(nèi)徑約2 3/8英寸(60mm)，高約2 1/2英寸(64mm)的304型不銹鋼容器內(nèi)，裝入重約150克的Norton公司產(chǎn)的90目38 Alundum，基質(zhì)金屬鋁，其成份(重量比)為7.5-9.5%的Si，3.0-4.0%的Cu，＜2.9%的Zn，2.2-2.3%的鎂，＜1.5%的Fe，＜0.5的Mn，＜0.35的Sn，其余的是鋁。把它們從900℃箱式空氣電阻爐中倒入不銹鋼容器內(nèi)，再把Aesar 公司的B2O3粉末蓋到熔融的鋁表面，整個(gè)組裝體與圖2中一樣。把由容器及其內(nèi)部材料所組成的實(shí)驗(yàn)組裝體放到900℃的箱式爐中，在這個(gè)溫度下，大約15分鐘后，B2O3粉末基本熔化，并排出其中的氣體，在基質(zhì)金屬鋁表面形成一層不透氣的密封層，再把組裝體保溫15小時(shí)，然后從爐中取出，放到用水冷卻的冷卻銅板上，使基質(zhì)金屬定向固化。
樣品BB把樣品BA的制成過程中容器(32)(參見圖2)換成上了釉的咖啡杯即可，其它步驟一樣。
樣品BC把內(nèi)徑約1.7英寸(43mm)，高約2.5英寸(64mm)的16號(hào)(厚1.6mm)的304型AISI不銹鋼制不透氣容器內(nèi)部，涂上一層Johnson Matthey在Seabrook，NH的Aesar 公司生產(chǎn)的B2O3粉末。特別是在容器內(nèi)放上1/2英寸(13mm)高的B2O3。把容器放到1000℃的箱式空氣電阻爐中，保證足夠的時(shí)間使B2O3基本熔化，并排出其中氣體。等B2O3熔化后移出爐外，旋轉(zhuǎn)以使熔融的B2O3在幾乎整個(gè)不銹鋼容器內(nèi)部流動(dòng)，使表面幾乎全部被涂上一層。把容器的內(nèi)表面基本上全部涂上涂層后，在容器內(nèi)放入由Norton公司生產(chǎn)的54號(hào)粒度SiC 39Crystolon組成的填料，使之達(dá)到約3/4英寸(19mm)高。把由工業(yè)純的鋁金屬和標(biāo)號(hào)為1100的合金組成的熔融基質(zhì)金屬注入到容器中，使之沒過填料，深3/4英寸(19mm)，把用B2O3涂覆的容器及其內(nèi)部的物料一起放到1000℃的箱式空氣電阻爐中，保溫15分鐘。在熔融基質(zhì)金屬的表面放上重約20克的B2O3粉末，15分鐘后，這些粉末基本熔化，并排出其中的氣體，形成密封層。把組裝體在爐中再保溫1小時(shí)，然后從爐中取出，冷卻到室溫，使之固化。
樣品BD制成一個(gè)高約6英寸(152mm)，外徑約2英寸(51mm)的園柱形不透容器。具體地說，該容器的制備是首先將約84.2%(重量)的Al2O3(得自Alcoa，Pittsburgh，PA的A1-7)，約1%(重量)的“Darvan 8214”(由R.T.Vanderbilt and Company，Norwalk，CT提供)，和約14.8%(重量)的蒸餾水的混合物在裝有約1/4的約0.5英寸(13mm)的鋁研磨介質(zhì)的5加侖(18.9升)的nalgene罐中球磨約2小時(shí)。然后將得到的混合物粉漿澆鑄到一個(gè)模中來提供一個(gè)具有上述尺寸的圓筒。
把澆鑄成的容器在室溫下干燥一天，再以約200℃/小時(shí)的速度加熱到1400℃，保溫2小時(shí)，然后再冷卻至室溫。將經(jīng)過素?zé)娜萜鞯耐獗砻娼可弦粚?0%(重量比)的FL-79玻璃料(由俄亥俄州Carroliton的熔融陶瓷公司提供)和乙醇的混合物。再把涂有玻璃料的容器以200℃/小時(shí)的速率加熱到1000℃，使Al2O3容器上形成一層釉而變得不透氣。冷卻后，在上了釉的容器內(nèi)放入90號(hào)粒度的39Crystolon SiC。把這種組裝體放到爐中，以200℃/小時(shí)的速度加熱到950℃，在爐中，把成份為約10%(重量比)的Mg，10%的Si和80%Al的熔化的基質(zhì)金屬倒入到容器內(nèi)，再在熔化的基質(zhì)金屬表面放上粉末狀的B2O3，在950℃保溫大約1小時(shí)后，將爐子冷卻到850℃，把容器從爐中取出，降溫使之固化。在冷卻過程中，上有釉的氧化鋁容器會(huì)破裂而暴露出表面光滑的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
在室溫下，把每一個(gè)組裝體都剖開看看基質(zhì)金屬是否滲入到填料中形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料。在樣品A-D中，都形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
樣品BE除了容器(32)以外，本例所采用的方法與制造樣品BA的方法一樣。圖2中所述的容器是多孔粘土坩鍋(它們是由新澤西州南平原的J.H.Berge公司提供的28-1000號(hào)DFC坩鍋。這種方法沒有能形成金屬基質(zhì)復(fù)合材料，這說明了必須使用不透氣容器。
實(shí)施例7本例說明了不透氣容器對(duì)形成青銅基質(zhì)復(fù)合材料的重要性。其特點(diǎn)是對(duì)一個(gè)透氣的和兩個(gè)不透氣的容器進(jìn)行了比較。兩個(gè)不透容器是304型AISI不銹鋼桶和涂有膠體石墨的碳鋼容器。透氣容器是多孔粘土坩鍋，表Ⅳ給出了有關(guān)實(shí)驗(yàn)過程的大致情況。
樣品BF在內(nèi)徑約2 3/8英寸(60mm)，高約2 1/2英寸(64mm)的304型不銹鋼容器中裝入約150克的90目的Norton公司的38Alundum。把含有6%(重量比)Si和1%Fe和93%Cu的基質(zhì)金屬在1025℃的箱式空氣電阻爐中熔化并倒入到不銹鋼容器中，在熔化的青銅表面蓋上一層Aesar 公司的粉末狀B2O3。把組裝體放到1025℃的箱式電爐中，再在20分鐘的時(shí)間內(nèi)把爐溫提高到1100℃，在這段時(shí)間內(nèi)B2O3粉末基本全部熔化，排出氣體，在青銅表面形成一不透氣的密封層，再保溫2個(gè)小時(shí)，把組裝體從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上使基質(zhì)金屬定向固化。
樣品BG用14號(hào)(2mm厚)碳鋼焊接成一端開口、一端閉口的梯形容器，其尺寸是閉口端3×3英寸(76×76mm)，開口端3.75×3.75英寸(92×92mm)，高2.5英寸(64mm)。容器內(nèi)表面用1.5份體積的乙醇(新澤西州Bayonne的Pharmco Products有限公司的產(chǎn)品)和1份體積的DAG-154膠體石墨(麻省Port Horon的Atheson Colloids的產(chǎn)品)的混合物涂上，在容器的內(nèi)表面至少要用噴槍噴三遍。每噴完一次都應(yīng)先讓它干燥，然后再噴第二次。把噴好的容器放到380℃的空氣電阻爐中保溫2小時(shí)，在容器的底部放上1/2英寸(13mm)高的90號(hào)粒度的Alundum(Norton公司產(chǎn)品)氧化鋁填料，把它們整平。然后再在整平的氧化鋁填料表面蓋上一層厚約0.01英寸(0.25mm)的石墨帶產(chǎn)品(奧爾良Portland的TT America有限公司生產(chǎn)的PF-25-H級(jí)石墨帶)，出售商標(biāo)是Perma-foil)。向處于室溫下的容器內(nèi)石墨帶和氧化鋁填料上倒入成份為約6%(重量比)的硅，約0.5%的鐵，約0.5%的鋁，其余是銅的熔化的基質(zhì)金屬。再在熔化的青銅基質(zhì)金屬上倒入約20克的B2O3粉末。把這種由碳鋼容器及其內(nèi)部物質(zhì)組成的組裝體放到溫度約1100℃的箱式空氣電阻爐中，保溫2.25小時(shí)后，(這段時(shí)間內(nèi)，B2O3基本全部熔化，排出氣體而形成密封層)，把碳鋼容器從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上，使基質(zhì)金屬定向固化。盡管熔化的基質(zhì)金屬溶解了一部分碳鋼，但仍可從組裝體中得到金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品BH用樣品F的制造方法，把容器(32)(見圖2)換成多孔粘土坩鍋(28-1000號(hào)DFC坩鍋，新澤西州南平原的J.H.Berge公司產(chǎn)品)，然后把組裝體直接放到1100℃的爐中，而不是放到1025℃的爐子中然后再加熱。
在室溫下，把樣品BF，BG，BH中的各個(gè)組裝體都剖開，看看基質(zhì)金屬是否滲入到填料或預(yù)型體中而形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料?？梢钥吹?，樣品BF和BG中的組裝體形成了有利于生成金屬基質(zhì)復(fù)合材料的條件，而樣品BH中的組裝體，由于它是透氣粘土坩鍋，所以沒有形成有利于產(chǎn)生金屬基質(zhì)復(fù)合材料的條件。
本例說明了必須使用不透氣容器與不透氣的密封層相連結(jié)，才能產(chǎn)生有利于形成自生真空的條件，從而制造出金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
實(shí)施例8本例說明了不同的基質(zhì)金屬(33)可與不透氣的容器(32)和不透氣的密封層一起形成有利于金屬基質(zhì)復(fù)合材料的生成的條件。表Ⅴ給出了用于制造不同的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)條件的概況，包括各種基質(zhì)金屬(33)，填料(31)，容器(32)，工藝溫度與保溫時(shí)間等等。
樣品BH-BM在樣品I-M中，實(shí)驗(yàn)組裝體基本上分別是圖2和實(shí)施例4的重復(fù)。每個(gè)組裝體中填料的量都約為150克，而合金的量約525克，每種實(shí)驗(yàn)組裝體都成功地制出了金屬基質(zhì)復(fù)合體。
樣品BN-BO對(duì)樣品BN和BO，基本上是實(shí)施例4的方法的重復(fù)，只是爐溫為1100℃。
樣品BP樣品BP的組裝體與以上實(shí)驗(yàn)中所用的組裝體都略有不同，整個(gè)組裝體都在室溫下安裝而成，然后放到溫度為室溫的電阻爐中。具體地說，將一個(gè)內(nèi)徑約2.6英寸(66mm)，高約4英寸(102mm)的致密的燒結(jié)氧化鋁坩鍋(得克薩斯Conroe的Bolt陶瓷公司的產(chǎn)品)用作容器。在坩鍋的底部放入從Norton公司得到的90號(hào)粒度38 Alundum氧化鋁填料，在填料的頂住放上灰鑄鐵(ASTM A-48，30，35級(jí))的園柱形鑄塊，使基質(zhì)金屬與容器的內(nèi)壁之間有一間隙。在空隙的頂部(鑄鐵與容器之間)放入熟石膏(俄亥俄州Brunswick的國際有限公司的Bondex產(chǎn)品)，它起到把放在基質(zhì)金屬上表面的B2O3粉末與填料分開來的作用，從而有助于在工藝條件下形成密封層。把組裝體放到空氣電阻爐中，在7個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)從室溫升高到1400℃。在這段時(shí)間內(nèi)，B2O3基本熔化，排出氣體，并在熔化的鑄鐵上形成密封層。由于熔化并在1400℃保溫，大約4小時(shí)后，可以看到熔化的鑄鐵平面會(huì)下降，這時(shí)把組裝體從爐中取出冷卻。
樣品BQ-BT樣品BQ-BT中又基本是圖2所示組裝體與實(shí)施例4的方法的大致重復(fù)。基質(zhì)金屬、填料、容器、溫度和時(shí)間等參數(shù)都列于表Ⅴ。
樣品BU本實(shí)例所用的組裝體又與前面討論的實(shí)驗(yàn)組裝體有所不同。與樣品BP相似，整個(gè)組裝體是在室溫下安裝成的，然后放到室溫的電阻爐中。具體地說，把一個(gè)高約1.5英寸(38mm)內(nèi)徑約1英寸(25mm)的致密的燒結(jié)Al2O3(Bolt陶瓷Conroe，得克薩斯)用作不透氣容器，把公稱為39 Crystolon的54號(hào)粒度碳化硅填料與重量百分比為25%的325目銅粉(Consolidated Astronautics的產(chǎn)品)相混合，把混合體倒入容器中，使其高度達(dá)到1/2英寸(13mm)。把用合金C811制成的碎銅段(即把基本純的銅線剪成的很小的碎段)放到填料上，深度1/2英寸。然后再在碎銅段上面放上GRAFOIL石墨帶，把碎銅段基本蓋住。用50%(重量比)的B2O3粉(Aesar公司)與50%公認(rèn)為38Alundum的22號(hào)粒度的Al2O3粉混合制成密封材料，放置于石墨帶的上面，把它全部蓋住。將組裝體放到空氣電阻爐中，在大約6 1/2小時(shí)的時(shí)間內(nèi)從室溫加熱到1250℃，在這段時(shí)間內(nèi)，密封材料混合物會(huì)熔化排出氣體而在熔化的基質(zhì)金屬銅上形成一密封層。在1250℃保溫3小時(shí)后，把組裝體從爐中取出，使之冷卻。
樣品BI-BU都得到了所預(yù)想的復(fù)合材料，其某些物理性能已列于表Ⅴ中。
實(shí)施例9本例說明在自生真空下，多種填充金屬都可以被鋁質(zhì)基質(zhì)金屬滲入。本例仍用圖2所示的實(shí)驗(yàn)組裝體，實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)施例4一樣，但把其中的鋁質(zhì)基質(zhì)金屬換成成份為7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Mn，＜0.35Sn，其余是鋁的鋁合金。本例中所用的填料的成份與尺寸以及其它相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)一同列于表Ⅵ。
待組裝體冷卻到室溫，將之剖開，看看是否已形成了金屬基質(zhì)復(fù)合材料。本例中BV-CB的所有樣品都觀察到了鋁基質(zhì)復(fù)合材料。
實(shí)施例10本例說明多種填充金屬都在自生真空作用下被青銅基質(zhì)金屬所滲透。本例中所用的組裝體與圖2相似，除了把基質(zhì)金屬換成93%(重量比)Cu，6%Si和1%Fe的青銅外，其余步驟都與實(shí)施例4一樣。爐中熔化的基質(zhì)金屬的溫度大約1100℃。本例中所用的填料的成份與尺寸與其它相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)一同列于表Ⅶ。
待實(shí)驗(yàn)組裝體(30)冷卻到室溫后把它們剖開，看看各填料中是否滲入了基質(zhì)金屬而形成了相應(yīng)的復(fù)合材料。本例中所有的樣品CC-CI都形成了復(fù)合材料。
實(shí)施例11本實(shí)施例進(jìn)一步說明了用所說的自生真空技術(shù)可以滲透具有高體積百分比填料的預(yù)型體形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。如下所述，使用與實(shí)施例4中所用的相似的組裝體生產(chǎn)本實(shí)施例的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
提供一個(gè)未燒結(jié)密度約80%(體積)，外經(jīng)約2英寸(51mm)，內(nèi)經(jīng)約0.75英寸(19mm)，長(zhǎng)度約0.75英寸(19mm)的碳化硅預(yù)型體，將該預(yù)型體的內(nèi)外表面用凡士林(Vaseline，Cheeseborough-Pond′s Inc.Greenwich，CT)涂敷。該碳化硅預(yù)型體如上所述用凡士林涂敷之后，將其同軸放于一個(gè)塑料園筒中。制備一種阻擋混合物，該混合物包括約1重量份的膠體二氧化硅(NYACOL 2040 NH，Nyacol Products，Ashland，MA)，約2重量份的500粒度Al2O3(38Alundum，Norton Co.，Worcester，MA)，約1重量份的220粒度Al2O3(38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA)，和約0.2重量份的水。將該阻擋混合物消泡和除氣之后，倒入凡士林涂敷的碳化硅預(yù)型體的周圍和之中，使其在室溫下硬化約兩小時(shí)。約兩小時(shí)之后，倒出所說的阻擋混合物中的過量水，并且將所說的塑料園筒及其內(nèi)含物放入一個(gè)冷卻器中，在約-18℃下放置約8小時(shí)。然后從塑料園筒中取出所說的阻擋層涂敷的預(yù)型體，之后，將其放入約1000℃的電阻加熱空氣氣氛箱式爐中約1小時(shí)。
然后將所說的阻擋層涂敷的預(yù)型體放在一個(gè)由16規(guī)格(1.6mm厚)的304型不銹鋼制成的內(nèi)經(jīng)約3英寸(76mm)，高度約3.25英寸(83mm)的不可滲透容器的底部。在向所說的不銹鋼容器中放入阻擋層涂敷的預(yù)型體之前，在所說的不銹鋼容器的底上放置一塊石墨箔(Perma-Foil，TT America，Portland，OR)。在所說的阻擋層涂敷的預(yù)型體和不銹鋼之間的空隙用包括500粒度的Al2O3(38Alundum，Norton Co.，Worcester，MA)的基床材料充填，之后將一塊石墨箔放在所說的阻擋層涂敷的預(yù)型體和氧化鋁床的頂面上。將一種包括(按重量計(jì))約0.5%Fe，0.5%Al，其余為銅的熔融基質(zhì)金屬倒入所說的不銹鋼容器中和所說的石墨箔之上。接著，將粉末狀B2O3倒在所說的熔融基質(zhì)金屬之上，將包括所說的不銹鋼容器及其內(nèi)含物的組裝體放入約1100℃的電阻加熱的空氣氣氛箱式爐中。經(jīng)過15分鐘使所說的B2O3粉末基本熔化，除氣和形成一種不透氣的密封層。將該組裝體在約1100℃下保持另外2小時(shí)，之后從所說的爐中取出該組裝體及其內(nèi)含物，并放在一個(gè)水冷卻的銅急冷板上以使所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體定向固化。
一旦在室溫下，將所說的不銹鋼容器從被阻擋涂層包圍的殘余基質(zhì)金屬和所形成的復(fù)合體上切掉。觀察到所說的石墨箔有利于殘余基質(zhì)金屬從所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體上分離下來。另外，觀察到所說的基質(zhì)金屬?zèng)]有滲透所說的500粒度的Al2O3基床材料。然后將所形成的復(fù)合體放入一個(gè)噴砂器中，除去所說的阻擋材料，表現(xiàn)出所說的基質(zhì)金屬已滲透所說的高負(fù)荷碳化硅預(yù)型體。
權(quán)利要求
1.一種防護(hù)材料，該材料包括一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體包括至少一種填料和至少一種基質(zhì)金屬，所說的至少一種填料的量至少約40%(體積)。
2.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種基質(zhì)金屬包括至少一種選自銅、鈦、鐵、鑄鐵、鋁、鎳和鋼中的材料。
3.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種基質(zhì)金屬包括至少一種選自鋁、銅、青銅和鑄鐵中的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種填料包括至少一種選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、碳化硅、十二硼化鋁、二硼化鈦、碳化鈦和氮化鋁中。
5.如權(quán)利要求3所說的防護(hù)材料，其中所說的至少一種填料包括選自氧化鋁和碳化硅中的至少一種材料。
6.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種基質(zhì)金屬包括鋁。
7.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種填料的量至少約68%(體積)。
8.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種填料的量至少約75%(體積)。
9.如權(quán)利要求1所述的防護(hù)材料，其中所說的至少一種填料包括至少一種選自氧化鎂、氧化鋯、碳化硅、十二硼化鋁、二硼化鈦和氮化鋁中的材料，所說的至少一種基質(zhì)金屬包括鋁。
10.一種防護(hù)材料，該材料包括一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體包括至少一種選自氧化鎂、氧化鋯、碳化硅、十二硼化鋁、二硼化鈦和氮化鋁中的填料，所說的至少一種基質(zhì)金屬包括鋁，所說的至少一種填料的量約為40%(體積)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型防護(hù)材料及其生產(chǎn)方法。具體地說，金屬基質(zhì)復(fù)合體是用填料和基質(zhì)金屬形成的，其中的填料的量至少約50％(體積)。
文檔編號(hào)C22C29/00GK1051395SQ90108599
公開日1991年5月15日 申請(qǐng)日期1990年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月30日
發(fā)明者馬克·S·紐柯克, 安德魯·W·厄尼克 申請(qǐng)人:蘭克西敦技術(shù)公司