带螺纹的金属基复合材料制品的制作方法

专利名称：带螺纹的金属基复合材料制品的制作方法
技术领域：
本发明是关于金属基复合材料制品及其制造方法，尤其是利用可溶型芯制造金属基复合材料制品的方法。
背景技术：
一般在工艺上已知用陶瓷强化金属基体。常用来强化的陶瓷材料包括微粒、间断的纤维(包括晶须)、连续的纤维，还有陶瓷坯料。一般，为了获得一个金属基复合材料，需在金属中加入陶瓷材料，金属基复合材料(MMC)比金属本身具有更好的机械性能。
一些制品要经历成型后的机加工(例如打孔、车螺纹、或为了获得一个理想的形状而切除材料的其他加工工艺)。普通的金属基复合材料制品通常包含大量的陶瓷强化材料，这使得机加工很难进行或者至少不希望进行。一般地，陶瓷材料的存在能快速磨损切削工具使机加工不能进行，因此，最好能生产出需要很少或没有成型后机加工或处理的“网状”或“接近网状”的制品。一般地，制造网状制品的技术在工艺上是已知的(例如美国专利号为5234045(Cisko)和5887684(Dll等人)的专利)。
另外，换句话说，在可行的范围内，在需要涉及机加工和/或其它处理如焊接的地方，陶瓷强化作用也许被降低或不存在。例如金属套管和/或金属嵌件也许被用作连结金属基复合材料，并且成型后的机加工基本上受套管和/或嵌件的限制。然而，这种结构可能会使金属基复合材料铸件和金属套管和/或嵌件之间的界面弱化。
设计和制造金属基复合材料制品的另一个因素是陶瓷强化材料本身的价格。例如尽管陶瓷材料如一些连续的多晶α-氧化铝纤维比低密度金属如铝的机械性能高，但是这种氧化陶瓷材料的价格比金属(如铝)要高很多。因此，最理想的是尽量少用氧化陶瓷材料，并且尽量使氧化陶瓷材料优化布置，使由氧化陶瓷材料提供的性能达到最佳。
在一些实施例中，希望在高压区提供含有陶瓷材料的金属基复合材料制品。另一方面，在一些实施例中，希望形成网状的金属基复合材料制品(例如，网状的带螺纹的金属基复合材料制品)。

发明内容
一方面，本发明提供了一种包含第一主表面的金属基复合材料制品。第一主表面包括第一螺纹，该第一螺纹包括第一金属基复合材料，并且该第一金属基复合材料包含第一金属和与第一螺纹基本一致排列的众多基本连续纤维。在一些实施例中，第一金属从包括铝、镁及其合金的一组材料中选取。在一些实施例中，第一螺纹有零度左右的螺旋角。
在一些实施例中，金属基复合材料制品的第一主表面进一步包括至少一个另外的螺纹(如第二螺纹)。在一些实施例中，第一螺纹和第二螺纹的螺旋角基本一致。在一些实施例中，第一螺纹和第二螺纹是交替的。在一些实施例中，第二螺纹包含第二金属。在一些实施例中，第一金属和第二金属是同种金属。在一些实施例中，第二螺纹包含第二众多基本连续的纤维。在一些实施例中，第一众多纤维和第二众多纤维是同一材料。
在一些实施例中，金属基复合材料制品进一步包含第三众多基本连续的纤维。在一些实施例中，第一众多纤维的主轴和第三众多纤维的主轴间的夹角在30°至60°之间。
在一些实施例中，金属基复合材料制品进一步包括了与第一主表面相对的第二主表面，其中第二主要表面包含第三螺纹。
另一方面，该发明提供了一个包含可溶型芯的铸模部件，可溶型芯有第一主表面和第一众多基本连续纤维。众多纤维至少与第一主表面上的至少一部分相毗邻。在一些实施例中，可溶型芯包含一种盐。在一些实施例中，可溶型芯是可溶于水的。
在一些实施例中，铸模部件的第一主表面包括第一凹槽，第一众多纤维与第一凹槽可以是基本上排列一致的。
另一方面，该发明提供了一种制造金属基复合材料制品的方法。在一种实施例中，该方法包括提供了一个具有第一主表面的可溶型芯，第一主表面包括缠绕着第一众多基本连续纤维的第一区域；用第一熔融的金属渗入第一众多纤维；并且使第一金属凝固。
在一些实施例中，该方法进一步包含去除可溶型芯。在一些实施例中，去除可溶型芯包括将型芯置于可溶解该型芯的流体中，并且该流体可以从包括水、蒸汽及其混合物的一组物质中选取。在一些实施例中，该方法进一步包括把第二熔融金属置于第一熔融金属上，并使第二熔融金属凝固，其中第一熔融金属和第二熔融金属可以是同一种金属。
在一些实施例中，该方法进一步包括在可溶型芯的第一区域形成第一凹槽，并且第一众多纤维与第一凹槽可以是基本一致排列的。
在一些实施例中，可溶型芯的第一主表面还包含第二区域，其中可以选择使第二区域至少部分覆盖着第一区域，该方法进一步包括把第二众多基本连续纤维置于型芯的第二区域上，用第三熔融金属渗入第二众多纤维中，其中，第一熔融金属和第三熔融金属可以是同一金属。
在另一方面，该发明提供了一个螺纹件，它包含一个具有内部主表面的圆柱体，内部主表面上有螺纹。该螺纹包含一种金属和一种众多基本连续纤维。在一些实施例中，所述众多基本连续纤维与螺纹基本一致排列。在一些实施例中，所述众多基本连续纤维具有大于200的长径比。在一些实施例中，所述众多基本连续纤维具有至少5厘米的平均长度。
在一些实施例中，该发明提供的可溶型芯适合于生产接近网状和/或网状的MMC制品，此MMC制品几乎不需要或根本不需要成型后的机加工。在一些实施例中，根据该发明可溶型芯的应用减少了浪费和成型后的机加工。
另一方面，该发明的一些实施例提供的铸模部件包含可溶型芯和一层或多层基本连续纤维。
另一方面，该发明的一些实施例提供的MMC制品具有和MMC的特征(如螺纹)基本一致排列的基本连续纤维。
在一些实施例中，基本连续纤维可以从包括金属纤维、陶瓷纤维、石墨纤维及其混合物的一组材料中选取。在一些实施例中，基本连续纤维可以从包括氧化铝纤维(如α-氧化铝纤维)、硅酸铝纤维、硼硅酸铝纤维、氮化硼纤维、碳化硅纤维及其混合物的一组材料中选取。
在-些实施例中，该发明有助于将其它的结构配件(如尾翼部件和/或头锥)固定到高强度、高模量、轻量的结构部件上。
在一些实施例中，该发明提供了一种相对轻量的结构部件(如火箭壳体)，该部件在螺纹截面和结构部件的主体上都有相似的热膨胀系数(CTE)。
在另一方面，该发明的一些实施例提供了一种在MMC制品上的网状和/或近似网状的特征(如螺纹)的方法，因此可以减少和/或省去了接近于生产加工的完成时的重要的额外的加工步骤(如研磨)。
对该发明的以上概述不用于描述该发明的每个实施例。该发明的一种或更多种实施例的细节将在下文描述。说明书和权利要求书将清楚地说明该发明的特点和优点。


图1A表示了一个根据该发明用于金属基复合材料制品的制造实施例中的典型可溶型芯。
图1B表示了一个根据该发明的典型的铸模部件，该铸模部件包括缠绕着多层纤维的图1A中的可溶型芯。
图1C表示了根据该发明的一个去除可溶型芯后的典型的金属基复合材料制品，它是用图1B所示的铸模部件铸造的。
图1D表示了图1C中的金属基复合材料制品的剖面图，该金属基复合材料制品的内部主表面已加工了螺纹。
图1E表示了图1D中金属基复合材料制品螺纹区的放大图。
图2A表示了一个根据该发明用于制造金属基复合材料制品的第二典型可溶型芯，其中该型芯在其主表面有一个螺旋槽。
图2B表示了包括缠绕在图2A可溶型芯上的纤维的该发明第二个典型铸模部件，其中纤维和螺旋槽是排列一致的。
图2C表示了一个在去除可溶型芯后的该发明典型的金属基复合材料制品，它是用图2B所示的铸模部件铸造的。
图2D是图2C中的金属基复合材料制品螺纹区的放大图。
图3A表示了一个根据该发明用于制造金属基复合材料制品的第三个典型可溶型芯，其中该型芯在其主表面有一系列的槽。
图3B表示了在去除可溶型芯后的该发明第三个典型的金属基复合材料制品，它是用图3B所示的铸模部件铸造的。
图3C是图3B中的金属基复合材料制品螺纹区的放大图。
图4A表示了一个典型的单螺纹的螺纹件。
图4B表示了一个典型的有相同螺旋角的多螺纹间布的螺纹件。
具体实施例方式
在一些应用中，希望把含有金属基复合材料(MMC)制品的零件与一个或更多的其它零件(如一个金属件或另一个金属基复合材料制品)相连接。例如一种连接零件的方式包括一个内螺纹件和一个外螺纹件相配合(如内螺母配合外螺栓，或用一个内螺纹接头连接两个外螺纹管)。用这种方法，在各自零件上面形成螺纹，当螺纹一致并且啮合时零件能够配合。
在该发明的一方面，可溶型芯有助于在MMC制品上形成螺纹。在一些实施例中，可溶型芯的应用减少了产生螺纹而需要去除的MMC材料的量。在一些实施例中，螺纹是网状的或接近网状的(也就是说，几乎或根本不需要后序的加工(如研磨或抛光))。
在该发明另一方面，铸模部件(也就是一个可溶型芯和一层或更多层的基本连续纤维)的一些实施例用来制作MMC制品，该MMC制品在螺纹区和MMC制品的主体区具有基本相同的热膨胀系数(CTE)。
参照图1A至1E，表示了根据该发明制造MMC制品的一种典型方法。一般地，一个可溶型芯被一层或多层基本连续纤维缠绕，这样形成了一个铸模部件。该铸模部件被放在一个模具中，在那儿使金属渗入纤维层形成MMC区。可选择地，一个或更多个另外的MMC区和/或金属区(即没有纤维的区域)也可以在同一个或后序的铸造步骤中形成。在最后一个铸造步骤后，可溶型芯用一种合适的溶剂(如水)溶解掉，这样就产生了MMC制品。然后可进行任选的机加工步骤，如研磨和/或抛光(如在一些实施例中，可以在MMC制品上加工螺纹)。
图1A更详细地表示了一个典型的可溶型芯100。它可以由任意可溶性的材料制成。在一些实施例中，一个可溶型芯包括能在流体(如液体(如水)和/或气体(如蒸汽))中溶解的材料。在一些实施例中，可溶型芯包含盐(如纯碱(如可从马萨诸塞州Indian OrchardHeatbath/Park冶金公司购买到，商品名称为“铝铸盐AC”)，或氯化钠)。
在一些实施例中，可溶型芯可以包含由可溶和不可溶的材料组成的混合物。例如，可溶型芯可以由混合有沙子和/或陶瓷材料(如氧化物、氮化物和碳化物)的盐，其中陶瓷材料可以以多种形状被加入到盐中(如晶须状、纤维状、微粒状和/或片状)。在一些实施例中，可溶型芯可以包括不溶的部件(如杆或棒)，该部件的至少一部分上覆盖着可溶层，其中该可溶层可以包含，例如可溶性材料或可溶和不可溶材料的混合物。
例如，专利号为5273098(Hyndman等人)、5921312(Carden)和6478073(Grebe等人)的美国专利中描述了适合做可溶型芯的其它材料。
尽管可溶型芯100表示为具有主轴M1的圆柱体，但例如根据用此型芯制造的MMC制品或该制品的一部分所需的大小和尺寸，可以使用任何形状和大小的芯。可以用已知的技术制造合适的芯(例如向模具注射熔盐、压制、烧结、浇铸(如损失泡沫塑料铸塑)和这些方法的结合使用)。进一步，可以用很多已知的技术(例如机加工、车削工艺、研磨)修改芯的形状。例如在专利号为5273098(Hyndman等人)和5303761(Flessner等人)的美国专利中描述了合适的芯制造的方法。
此外，图1B表示了铸模部件部件110，它包括可溶型芯100和缠绕在可溶型芯110上的四层连续纤维(即层101、102、103和104)。一层是至少一个基本连续的纤维层。在一些实施例中，纤维是强化纤维。每层纤维(即层101、102、103和104)布满整个可溶型芯100的长度(也就是从第一端108到第二端109)。图中为了表示清楚，较上层纤维(即层102、103和104)被截断，这样就能看到较下层纤维。
“基本连续纤维”是指一个长度相对于纤维的平均直径无限长的纤维。一般地，对于该发明，基本连续纤维至少有5厘米的长度(在一些实施例中，至少10厘米、15厘米、20厘米、或者甚至至少25厘米；在一些实施例中，纤维长度在5厘米至25厘米范围内)。一般地，在已做好的MMC制品中至少85％左右的纤维是基本连续的(在一些实施例中，至少90％左右或者甚至至少95％左右)。在一些实施例中，已做好的MMC制品中的纤维基本上全部(也就是说，大于95％、大于98％、或者甚至大于99％)是基本连续的。在一些实施例中，基本连续纤维有大于200(在一些实施例中，大于500、大于1000、大于2000、大于10000、大于25000、或者甚至大于50000)的长径比(纤维长度和平均直径的比)。
在一些实施例中，特殊层的基本连续纤维是纵向排列的，以致他们大致彼此平行。一般希望得到在一特殊层中全部基本连续的纤维保持在一个基本纵向排列的结构中，其中单个纤维直线与平均纵轴(即此层纤维的主轴)的夹角保持在±10°以内(在一些实施例中，为±5°，或者甚至±3°)。
当这些纤维可以以个体加入一特殊层中时，更可以成组地被加入(例如，粗纱(即在单股中没有扭绞或轻微扭绞的松散的纤维集合)、纱线(即扭绞在一起的纤维集合)或丝束(即以绳状形式聚拢的多根(一般至少100根纤维，多的至少400根纤维)单个纤维)。在一些实施例中，纤维组(即粗纱、纱线或丝束)每组包含至少750根单个纤维(或者甚至每组至少2550根单个纤维)。在一些实施例中，纤维可以作为一个预浸材料(即置于树脂(例如环氧树脂)中的基本连续纤维)的一部分被加入层中。
在一组纤维中，纤维相互之间保持着基本地纵向排列(即基本平行)的关系。当多组纤维被用来制作纤维层时，纤维组相互之间也保持着基本地纵向排列(即基本平行)关系。具有编织、针织和类似纤维结构的基本连续纤维也许是有用的，但一般不希望得到这样的纤维，因为它们不利于提供较高的纤维组装密度，而用纵向排列的纤维能够实现高密度。这样一来，使用编织、编结或类似纤维结构的铸模部件上的渗金属件相对于使用纵向排列的连续纤维的渗金属件通常表现为较低的强度性能，因此是不希望得到的。
对于一些结构，希望或必须使纵向排列的纤维弯曲，而不是使纤维笔直延伸(即它们不是以平面的方式延伸(例如，环绕圆柱体的纤维))。因此，例如，纵向排列的纤维在整个纤程长度上可以是平面的，也可以是非平面的(即弯曲的)，或者它们的一部分是平面的，其它部分是非平面的(即弯曲的)，其中连续纤维在它们整个弯曲的部分保持着基本不相交的曲线排列(即纵向排列)。在一些实施例中，纤维在它们整个弯曲的部分上相互之间保持着基本等距的关系。
再参照图1B，第一层基本连续纤维101在圆周方向环绕着芯100，并且与主轴M1垂直。第二层基本连续纤维102是与芯100的主轴M1平行地缠绕在芯100上的，覆盖着第一层纤维101。这些连续纤维层可能有其他的缠绕方向(例如，一层纤维可以以相对于主轴M10°(即平行于主轴M1)到90°(即垂直于主轴M1)的夹角中任意一个角度来排列)。进一步，每层纤维可以以相对于一层或更多层纤维的任意角度排列。尽管取决于具体的应用，但一层与另外一层或多层的夹角可以为大于0°到90°之间的任意一个角度。在一些实施例中，一层与另外一层或多层的定位可以在约30°到约60°范围内，或者甚至，例如，在约40°到约50°之间。
在一些实施例中，仅有一层基本连续的纤维用在可溶型芯上形成铸模部件，然而在其它实施例中，可有两层或更多层基本连续的纤维用在可溶型芯上。例如，图1B中表示了四层基本连续的纤维，其中第三层基本连续的纤维103和第四层基本连续的纤维104分别以圆周和平行的方向应用在可溶型芯上。
在一些实施例中，第一层基本连续的纤维覆盖整个可溶型芯。在一些实施例中，第一层基本连续的纤维仅用在可溶型芯的选定区域。随后的基本连续纤维层可以独立的用在可溶型芯的选定区域，包括例如，覆盖整个可溶型芯。在一些实施例中，下一层纤维可以覆盖一层或多层纤维的全部或部分。在一些实施例中，下一层纤维可以与一层或多层纤维毗连而不是覆盖。在一些实施例中，下一层纤维可以与一层或多层纤维层间隔一定的横向距离。例如，在一些实施例中，第一层基本连续的纤维可以用在可溶型芯的一个区域，而第二层基本连续的纤维可以用在此可溶型芯的另一个区域。
根据该发明可以用来制造MMC制品的基本连续纤维包括陶瓷纤维，比如金属氧化物纤维(如氧化铝纤维、α-氧化铝纤维、硅酸铝纤维和硼硅酸铝纤维)、硼纤维、氮化硼纤维、石墨纤维和碳化硅纤维。一般地，陶瓷氧化物纤维是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷和玻璃的混合物(即，纤维可以包括结晶陶瓷和玻璃两相)。一特定层的纤维可以包括一种纤维也可以包括两种或多种纤维。
在一些实施例中，纤维的平均抗拉强度至少有1.4千兆帕(GPa)(在一些实施例中，至少1.7GPa、至少2.1GPa、或者甚至至少2.8GPa)。在一些实施例中，纤维的杨氏模量至少70GPa(在一些实施例中，至少100GPa、至少150GPa、至少200GPa、至少250GPa、至少300GPa、或者甚至最少350GPa)。
尽管对于纤维束，一般纤维的平均直径不超过50微米，更典型的不超过25微米，但通常基本连续纤维的平均直径在5微米至250微米之间，更典型的，要达到5微米到100微米。在一些实施例中，纤维具有圆形或椭圆形的截面形状。
氧化铝纤维的制作方法在现有技术中是已知的，包括第4954642(Wood等人)号美国专利中揭露的方法。在一些实施例中，氧化铝纤维是多晶的α-氧化铝基纤维，根据理论氧化物，基于氧化铅纤维的总重，氧化铝纤维包括重量大于约99％的Al2O3和占总重约0.2％到0.5％的Fe2O3。在一些实施例中，多晶的α-氧化铝基纤维由平均晶粒尺寸小于1微米(或者甚至小于0.5微米)的α-氧化铝构成。在一些实施例中，多晶的α-氧化铝基纤维的平均抗拉强度为至少1.6GPa(在一些实施例中，至少2.1GPa，或者甚至至少2.8GPa)。典型的α-氧化铝纤维可以按明尼苏达州圣保罗3M公司在市场上的按商品名“NEXTEL160”购买。另外一种代表性的α-氧化铝纤维由占纤维总重约89％的Al2O3、占总重约10％的ZrO2和占总重约1％的Y2O3构成，可以按商品名“NEXTEL650”从3M公司购买。
合适的硅酸铝纤维在例如专利号为4047965(Karst等人)的美国专利中有所描述。在一些实施例中，根据理论氧化物，以硅酸铝纤维的总重为基础，它是由占总重67％到85％的Al2O3和占总重33％到15％的SiO2构成。根据理论氧化物，以硅酸铝纤维的总重为基础，一些典型的硅酸铝纤维是由占总重67％到77％的Al2O3和占总重33％到23％的SiO2构成。在一些实施例中，根据理论氧化物，以硅酸铝纤维的总重为基础，硅酸铝纤维是由占总重约85％的Al2O3和占总重约15％的SiO2构成。根据理论氧化物，以硅酸铝纤维的总重为基础，另一种典型的硅酸铝纤维的是由占总重约73％的Al2O3和占总重约27％的SiO2构成。硅酸铝纤维可以从市场上买到，例如，可以按商品名“NEXTEL720”和“NEXTEL550”从3M公司购买。
合适的硼硅酸铝纤维在例如专利号为3795524的美国专利(Sowman)中有所描述。在一些实施例中，根据理论氧化物，以硼硅酸铝纤维的总重为基础，硼硅酸铝纤维包含占总重35％至75％(在一些实施例中为55％到75％)Al2O3；大于总重的0％(在一些实施例中，至少为总重的15％)且小于50％(在一些实施例中，小于总重的45％，或者甚至小于总重的44％)的SiO2；和大于总重1％的B2O3。在一些实施例中，硼硅酸铝纤维包含超过总重5％的B2O3。在一些实施例中，硼硅酸铝纤维包含少于占总重约25％的B2O3。在一些实施例中，硼硅酸铝纤维包含占总重约1％至5％、或占总重约2％至20％的B2O3。硼硅酸铝纤维可以从市场上购买到，如可以按商品名“NEXTEL312”和“NEXTEL400”从3M公司购买。
一般的硼纤维可以从市场上买到，如可从马萨诸塞州洛弗尔的特种材料公司购买。
氮化硼纤维可以生产，例如，按第3429722(Economy)和5780154(Okano等人)号美国专利中的描述。
一般的碳纤维可以从市场上买到，例如，乔治亚州Alpharetta BPAmoco化学品公司的商品名为“THORNEL CARBON”的2000、4000、5000和12000根的碳纤维束，康涅狄格州斯坦福德Hexcel公司，加利福尼亚州萨克拉曼多的碳纤维公司(附属三菱人造纤维公司)的商品名为“PYROFIL”的产品，日本东京Toray的商品名为“TORAYCA”的产品，日本Toho人造纤维有限公司生产的商品名为“BESFIGHT”的产品，密苏里州圣路易斯Zoltek公司生产的商品名为“PANEX”和“PYRON”的产品；以及新泽西州WyckoffInco特种产品公司(镍涂覆的碳纤维)生产的商品名为“12K20”和“12K50”的产品。
一般的石墨纤维可以从市场上买到，如乔治亚州Alpharetta的BPAmoco公司的商品名为“T-300”的1000、3000和6000根的石墨纤维束。
一般的碳化硅纤维可以从市场上买到，例如，加利福尼亚州圣地亚哥的COI制陶公司生产的商品名为“NICALON”的500根的碳化硅纤维束，日本Ube工业公司生产的商品名为“TYRANNO”的碳化硅纤维和密歇根州米德兰的Dow Corning公司生产的商品名为“SYLRAMIC”的碳化硅纤维。
市场上可以买到的基本连续的纤维(如陶瓷氧化物纤维)一般包含一种有机胶料。该胶料在纤维的生产中被加入，在加工过程中以提供润滑并保护纤维股。一般认为该胶料例如在转变成纤维织物的过程中能减少纤维的断裂、静电和灰尘的数量。该胶料能被去除(例如通过溶解或燃烧去除)。在一些实施例中，基本连续的纤维可以是上过胶水的。在该发明的范围内也可以在基本连续的纤维上有其它的涂覆物。这种涂覆可以用来，例如，增强纤维的湿润度、和/或减少或阻止纤维与熔融的金属基体材料之间的反应。涂覆物和涂覆技术在纤维和金属基复合材料制品的领域中是已知的。
可以使用已知的技术用铸模部件生产根据该发明的MMC制品，已知的技术包括如压力渗透铸造、模压铸造、重力铸造、蜡模铸造或离心铸造。通常，将该铸模部件放置在模腔内，然后往模腔注入金属。在一些典型的实施例中，金属是以固态块状被加入到模腔，后来在原位熔化。在一些典型的实施例中，金属是以熔融状态被注入。常用压力(如，通过压缩气体、重力、活塞和/或离心力)迫使熔融的金属渗入基本连续的纤维层中，这样金属包封了每一个纤维并形成了一个金属基复合材料区。可选择地，比如依靠模腔的形状，金属也可以围绕铸模部件形成了一个金属区(也就是说，没有纤维的区域)。如果存在这两个区，成品MMC制品就既包括金属基复合区又包括金属区。在一些实施例中，可以选择模腔使MMC制品的金属区最小化。
根据MMC制品所需要的形状，模腔可以有许多不同的形状。在一些实施例中，多步铸造工艺可以用来生产MMC制品。一种典型的生产MMC制品的两步铸造工艺包括将铸模部件放在第一模具内，在那里第一金属渗入基本连续纤维层里，形成第一金属基复合材料区，并且可选择地，也可以形成第一金属区。然后把铸模部件转移到有较大模腔的第二模具中，加入第二金属形成第二金属区。在一些实施例中，第一金属和第二金属是相同的金属。
在一些实施例中，使用多于两个的模具和/或铸造步骤。在一些实施例中，在各铸造步骤之间加入另外的单层或多层纤维。在一些实施例中，在单个铸造步骤内可以加入两种或更多种金属。用在每个铸造步骤中的纤维和金属可以独立选择，并且可以和其他铸造步骤中使用的纤维和/或金属相同或不同。
通常的，金属基复合材料中的金属是选择那些与纤维材料不发生明显化学反应的基体材料(即，对于纤维材料有相对的化学惰性)，例如，以便可以取消在纤维外面进行的保护性涂覆。例如，典型的合适的金属包括铝、铁、钛、镍、钴、铜、锡、镁、锌及其合金。在一些实施例中，用于MMC制品的金属可以从包括铝、镁及其合金(例如铝和镁、铜、硅、铬及其化合物的合金，(如铝铜合金，按重量百分比，其中包含至少98％的铝和至多约2％的铜))的一组材料中选取。在一些实施例中，按重量计算，金属包含至少98％的铝(在一些实施例中，至少99％，99.9％、或者甚至99.95％的铝)。在一些实施例中，有用的合金是200、300、400、700和/或6000系列的铝合金。尽管希望使用高纯度的金属制造较高抗拉强度的细长金属基复合材料制品，但低纯度的金属也是有用的。
合适的金属可以在市场上购买。例如，铝可按商品名“超纯铝99.99％Al”从宾夕法尼亚州匹兹堡的Alcoa美国铝公司购得。铝合金(如Al-2％重量百分比Cu(0.03％重量百分比杂质))可以购买到，例如可以从纽约州纽约的Belmont金属公司购买。例如，镁可以按商品名“PURE”从英国曼彻斯特的镁电子公司购买到。镁合金(如WE43A、EZ33A、AZ81A和ZE41A)可以买到，例如，可以从科罗拉多州丹佛TIMET公司购买到。
转看图1C，其详细说明了经过铸造和去除可溶型芯(图中没表示)后，显露出内部主表面127的MMC制品120。MMC制品120包括MMC区122和金属区124。通常，MMC区包含一层或多层基本连续的纤维和渗入并包封这些层纤维的金属，然而金属区没有纤维。总之，可以用已知的许多种技术来移除型芯。例如通过将型芯溶解在流体中(例如液体(如水)和/或气体(如蒸汽))去除型芯。在一些实施例中，例如利用一束或多束溶剂(如水和/或蒸汽)射流(如水流)直射盐芯去除型芯。在一些实施例中，溶剂中可以含有填料(如盐和/或砂)，利用填料的机械作用帮助打碎并去除可溶型芯。在一些实施例中，例如，型芯可以在流体浴中去除，其中MMC和可溶型芯被浸入溶剂中。
在一些实施例中，希望在MMC制品仍然热的时候溶解掉型芯。在一些实施例中，例如，希望制造一个进入、甚至穿过可溶型芯的通道(如一个孔)，以增加型芯和溶剂的接触面积。一般来讲，可溶型芯的材料(如可溶和/或不溶材料)是可以收集和回收的。
假如MMC制品中希望得到切槽、螺纹和/或其他样式，可以使用一种或多种研磨和/或抛光步骤来形成所需形状。一般来说，已知的许多不同技术都可以用来产生所需的形状，例如金钢石研磨。
参照图1D，表示了在内部主表面127上形成螺纹150的MMC制品130。
参照图1E，表示的是MMC制品130螺纹区的放大图。在图1E中，为了表示出被包封的纤维，MMC制品130以阴影线表示。第一层基本连续纤维101与主轴M1之间形成了一个90°的夹角，相比之下，具有螺旋角H1的螺纹150与主轴M1形成一夹角G1(即90°-H1)。因此，第一层纤维101与螺纹150没有一致排列。同样地，当从内部主表面127去掉MMC制品(如通过研磨)以形成螺纹150时，第一层纤维101中单个纤维111将被割断，因此，在螺纹150中的纤维111不再是基本连续。
转看图4A和4B，表示了螺纹螺旋角的定义。尽管图4A和4B表示的是外螺纹(即螺纹在圆柱体的外表面)，但可以用相同的方法定义内螺纹件(如螺纹管)的螺旋角、平均直径、螺距和导程。
螺纹的螺旋角是以与绕有螺纹的螺纹件的轴线相垂直的直线为基准来测量的。参照图4A，表示了带有在主轴M4周围螺旋缠绕的单线螺纹405的螺纹件400。螺纹件400有大径D2、小径D1、平均直径D3，其中，平均直径D3等于大径D2和小径D1的平均。对于单线螺纹，螺距P1(即相邻螺牙对应点间的距离)等于导程L1(即，假如螺母在螺纹件400上旋转完整一周，螺母沿螺纹件400前进的距离)。一般来说，螺旋角的正切值等于导程除以π和平均直径的乘积。因此，螺旋角可定义为tan(H4)＝L1/πD3由于螺旋角H4是以螺纹件400(为单线螺纹)的轴M4的垂线为基准定义的，所以单线螺纹400与轴M4的夹角(即角G4)等于90°-H4。螺旋角为0°的螺纹在现有技术上被作为0°螺纹或锯齿槽，并且这种螺纹垂直于它所缠绕的螺纹件的主轴。
图4B表示了螺纹件410。该螺纹件具有平均直径D4和包括第一螺纹415和第二螺纹416的双线螺纹。螺纹415和416是交替的(也就是说，螺纹件410的螺纹415区覆盖着螺纹416区，然而，螺纹415和螺纹416不相交)。对于双线螺纹，导程L2等于螺距P2的两倍。与单线螺纹一样，螺旋角的正切值等于导程除以π和平均直径的乘积。三线螺纹和多线螺纹也可以适用该定义。
参照图2A-2D，显示了根据发明制造典型MMC制品的第二种典型方法。一般地要准备一个可溶型芯，可溶型芯上具有与希望得到的螺纹图案相一致的凹槽。把第一层基本连续的纤维置于型芯上，放入凹槽并与凹槽基本一致排列。也可以在可溶型芯上置放一层或多层另外的基本连续的纤维，形成了一个铸模部件。把这个铸模部件件放在模具中，让金属渗入纤维形成一个MMC区，并且还可以形成一个金属区。在相同的或后序的浇铸步骤中也可以形成一个或多个其他的MMC区和/或金属区。移去模具后，去除可溶型芯(例如，用恰当溶剂(如水和/或蒸汽)溶解)。然后还可以执行最后的加工工序如研磨和/或抛光。在一些实施例中，MMC制品是接近网状或网状的，这样可以减少或消除最后的加工工序。
图2A更详细地表示了带凹槽205的可溶型芯200，凹槽205在芯200的表面215上凹进去。尽管可溶型芯200示为具有主轴M2的圆柱体，但还可以使用许多不同的形状和大小的可溶型芯，这取决于，例如，用该型芯制造的MMC制品或此制品的一部分所需的大小和尺寸。相似地，尽管可溶型芯200被显示具有陷入型芯200的表面215的凹槽205，但合适的可溶型芯可以在表面215上具有任意希望得到的鼓起或隆起的结构，这取决于，例如，用该可溶型芯制造的MMC制品所需的表面特征。一般地，可溶型芯表面上的凹进特征与用此型芯制造的MMC制品表面的鼓起特征一致。同样地，型芯表面上的鼓起特征与MMC制品表面的凹进特征一致。并且，尽管凹槽205显示具有一个矩形的横截面，但是可溶型芯表面的鼓起或凹进部分的特征(如凹槽)可以具有任何希望得到的横截面(例如，三角形、截三角形和ACME梯形螺纹)，这取决于，例如，所需的成品MMC制品上得到特征的横截面。
凹槽205是螺旋的，具有螺旋角H2。一般情况下，螺旋角可以是0°到90°之间的任意一个角度。在一些实施例中，可溶型芯可以有多个凹槽。每个凹槽的螺旋角可以独立选择。在一些实施例中，凹槽的螺旋角基本上是相同的(即，每个凹槽的螺旋角与多数凹槽的平均螺旋角相差±5°(或者±3°，或者甚至±1°))。在一些实施例中，凹槽是间置的(即凹槽是交错的而没有重叠)。在一些实施例中，第一个凹槽在可溶型芯的第一个区形成，第二个凹槽在可溶型芯的第二个区形成。
在一些实施例中，带有凹槽205的可溶型芯200可以用已知的技术直接制造(如铸造或浇铸)。另外，换句话说，可以用成型技术(如铸造和/或浇铸)和已知的机加工技术(如研磨和/或车削)来生产可溶型芯200。例如，可以用如铸造和/或浇铸技术制作基础可溶型芯，随后用机加工技术(如研磨)把基础可溶型芯加工成最终希望得到的形状(如，带有螺纹槽的圆柱体)。
此外，图2B描绘了该发明的铸模部件的实施例。铸模部件210包括用于可溶型芯200上的第一层基本连续的纤维201，第一层的纤维201位于在凹槽205里面，并与凹槽205基本一致排列。在一些实施例中，第一层纤维基本填满凹槽。在一些实施例中，第一层的一些纤维基本上与可溶型芯的表面215齐平。一般地，使用基本排列一致的纤维能减小纤维间的空隙容积。空隙容积一般小于60％左右(在一些实施例中，小于50％左右，或甚至小于40％左右)。
下面图2C表示的是经过浇铸工序并去除可溶型芯后的MMC制品230。MMC制品230包括MMC区222和金属区224。MMC区222包括第一层纤维201(图中没表示)和渗入到第一层纤维201中的第一金属241。在一些实施例中，MMC区含有的金属量少于总体积的60％左右(在一些实施例中，金属量少于总体积的50％左右，或少于总体积的45％左右，少于总体积的40％左右，或者甚至少于总体积的35％左右)。
MMC区222包括位于内部主表面227上的螺纹250。螺纹250与可溶型芯200(见图2B)的凹槽205(见图2B)相符合。金属区224包含第二金属242。每一金属(即第一金属241和第二金属242)是被单独选取的并且可以是相同的或不同的金属。在一些实施例中，MMC区和金属区是在同一浇铸过程中形成的。在一些实施例中，MMC区和金属区是在不同的浇铸过程中形成的。在一些实施例中，在浇铸前，其它层基本连续的纤维可以用在可溶型芯200上。在一些实施例中，与螺纹相邻的MMC制品的区域包含一个金属基复合材料区。
参照图2D，表示的是MMC制品230中螺纹区的放大图。在图2D中，MMC制品230由阴影线表示，这样就能看到包封的纤维。第一层基本连续的纤维201基本上是与螺纹250一致排列的。在一些实施例中，螺纹能够用来把MMC制品230连接在其他制品(如，第二MMC制品或金属制品)上。
假如在浇铸过程中没有或基本上没有金属渗入可溶型芯，那么该MMC制品就可以直接投入使用。这种制品就称为“网状”的，因为它不需要后序的研磨或类似的工艺。假如有一部分不受欢迎的金属渗入可溶型芯，就必须把MMC制品表面上的一些金属去除(如通过研磨)。这种制品被称为“接近网状”的。在这两种情况下，就不需要在MMC制品上加工螺纹。一般地，在网状和接近网状制品的螺纹中，纤维基本上是连续的(即，他们是不会被，例如，研磨割断的)。
参照图3A-3C，表示了根据该发明制造MMC制品的第三种典型方法。
参照图3A，表示了该发明铸模部件的另一个典型实施例。铸模部件310包括带有第一层基本连续的纤维301和第二层基本连续的纤维302的可溶型芯300。第一层纤维301是在第一凹槽305a和第二凹槽305b中，这两个都凹槽都具有0°的螺旋角。
第二层纤维302缠绕着可溶型芯300，并覆盖了第一层纤维301(为了便于说明，将第二层纤维302的一部分去掉，这样就能看到第一层纤维301)。第二层纤维302中的纤维是一致排列的，以致纤维的主轴与可溶型芯300的主轴M3形成了一个夹角A。角A可以是0°到90°之间的任意一个角度，包括0°和90°。在一些实施例中，角A约是0°(即，纤维基本上与主轴M3平行)。在一些实施例中，角A约是90°(即，纤维基本上与主轴M3垂直(即，纤维环绕着可溶型芯300))。在一些实施例中，角A在30°和60°之间，或者甚至在40°和50°之间。
在一些实施例中，其他的一层或多层基本连续的纤维被置于可溶型芯上。在一些实施例中，另外一层纤维可以覆盖一层或多层纤维的全部或一部分。在一些实施例中，另外一层纤维可以覆盖整个可溶型芯。在一些实施例中，纤维层可以覆盖可溶型芯主表面总面积的90％以上，或者大于95％左右，或者甚至大于99％左右。在一些实施例中，另外一层纤维可以和一层或多层纤维毗邻。每一层纤维可以与主轴M3单独地形成0°到90°之间的任意一个角度，包括0°和90°。
转看图3B，表示了MMC制品330，它包括第一MMC区322，第二MMC区323和金属区324。包含与凹槽305a和305b各自相符合的第一螺纹350a和第二螺纹350b的第一MMC区322，包括了第一层基本连续的纤维301(图中没有表示)和渗入到第一层纤维301的第一金属341。同样地，第二MMC区323包括第二层纤维302(图中没表示)和渗入到第二层纤维的第二金属342。最后，金属区324包括第三金属343。每一金属(即，第一金属341、第二金属342和第三金属343)是独立选取的，并且每一金属和用来制造MMC制品330的一个或多个其它金属可以是相同的也可以是不同的。
参照图3C，表示了MMC制品330螺纹区的放大图。在图3C中，MMC制品330由阴影线表示，这样就能看到包封的纤维。第一层基本连续的纤维301与螺纹350a一致排列，第二层基本连续的纤维302是与主轴M3成A角排列。一般地，第一层纤维301中的纤维是没有被切断的并且在螺纹350a中保持基本连续。
在一些实施例中，金属区可以，例如，选择模具型腔让其最小化或甚至被消除。在一些实施例中，可以形成其它的MMC区和/或金属区，对于每个区，基本连续纤维和/或金属是独立选择的。每个区和其它的一个或多个区可以在同一个或不同的浇铸过程中形成。
在一些实施例中，例如该发明的MMC制品能够被用做火箭壳体、传动机构(例如，推拉实施例)，扭转杆或扭转件、石油钻管、结构件(如宇宙飞船和/或飞机壳体)和机械能的传输部件。
下面非限制性的具体实例将帮助解释这项发明。在这个例子中，除非另外的说明，所有的百分比均是重量百分比。
实例一块22.7公斤(50磅)的盐块(可从堪萨斯州Overland Park北美盐业公司得到)通常利用工业车床(Nardini车床，型号为TT1230E，可从德克萨斯州达拉斯的麦克迪尔机械公司得到)把他们从原始尺寸(约22厘米(8.5英寸)×22厘米(8.5英寸)×25厘米(10英寸))加工成一圆柱体(长7厘米(2.88英寸)，直径为8厘米(3.25英寸))。为了生产一个具有凹槽的阴铸模，整个长度的圆柱体盐被进一步加工，该阴铸模具有凹槽与右旋ACME型螺纹相符合，该螺纹具有0.43厘米(0.17英寸)的螺距和0.25厘米(0.10英寸)的螺牙高，并且每厘米有2.3个螺旋线(每英寸5.9个螺旋线)。
基本连续的纤维以上过水胶的氧化铝粗纱的形式与凹槽排列一致并缠绕在凹槽里，直到凹槽被基本填满。上述过水胶的氧化铝粗纱“NEXTH 610粗纱”可以从明尼苏达州圣保罗3M公司得到。在粗纱中单个纤维的直径是10到12微米。使用1500和3000但尼尔(每9000米重1克)的粗纱。凹槽总体积的50％左右被纤维填充，剩余的50％是纤维间的空隙。
下一步，250微米(0.010英寸)厚的预渗材料被覆于圆柱体的表面上。包括占总体积60％的α-氧化铝纤维(可按商品名“NEXTH 610”从3M公司购买，10000但尼尔)和占体积40％的树脂(可按商品名“EPON 828”从德克萨斯州休斯敦Resulution Performance Products公司购买)的预渗材料是由加里福尼亚州Poway的Aldila公司制造。当覆于圆柱体上时，预浸材料的第一层纤维基本上与圆柱体的主轴一致排列。预渗材料的第二层纤维基本上与圆柱体的主轴垂直(即，垂直于预渗材料的第一层纤维)。预渗材料的其他层交替方向地(即，平行和垂直于圆柱体的主轴)覆于圆柱体上直到圆柱体的外径达到9.9厘米(3.9英寸)。然后最后一层粗纱(“NEXTH 610粗纱”)环绕在预渗材料的外层上，粗纱的纤维与圆柱体的主轴垂直，这样就生产出了一个完全成型的铸模部件。
将铸模部件置于已预热到500℃的电阻加热炉中(NABERTHERM，型号为N41，可从特拉华州纽卡斯尔Nabertherm公司购买)。在500℃的温度下保温10小时，然后关掉加热炉。型芯从加热炉中取出并冷却到室温，把一个模具定心装置在型芯中央插入直径为1.3厘米(0.5英寸)的孔中。型芯被置于一个石墨坩埚(长20厘米(8英寸)，直径10厘米(4英寸)，可以从宾夕法尼亚州Topten石墨加工公司获得)的底部。大约2200克的固态铝合金片(Al-6061衍生物，可从纽约州纽约市的Belmont公司购买)被置于浇铸装置的顶部，并在铝片中插入带套管的J型热电偶。Al-6061衍生物的成分包括镁0.8-1.2％；铁最多0.04％(最大值)；硅0.4-0.8％；和其他元素最大值为0.05％(单个元素的量)，最大值为0.15％(其它元素的总量)；其余的为纯铝。
将坩埚组件放入长91.4厘米(36英寸)，直径17.8厘米(7英寸)的压力容器中(可从新罕布什尔州Plaistow加工工程公司购买)。压力容器是密封的，将其抽到20Pa(150毫托)的真空状态，使用辐射状环绕在铸造装置周围的普通的电阻加热器把压力容器内加热到约720℃。当热电偶显示铝合金的温度已达到约690℃时，关闭加热装置，关闭真空阀，压力容器内部将增压到9MPa(1300psi(巴/平方英寸))，迫使熔融的金属渗入基本连续的纤维层里。
直到冷却至室温，打开压力容器并从压力容器里移走铸造型芯和MMC制品。利用带锯切除位于铸造型芯和MMC制品顶部的多余铝。用热自来水(约60℃)冲洗剩余的组件，直到大部分盐溶解(大约30分钟)。然后把该组件放置在水压机上去除剩余的盐芯和已渗入盐芯的铝。
铸造的MMC制品有与盐芯的凹槽相对应的右旋螺纹，基本连续的纤维和螺纹的排列基本一致。
未脱离本发明的范围和实质的多种修改与变更对于专业人士而言是显而易见的。
权利要求
1.一种金属基复合材料制品，包括第一主表面，该第一主表面包括第一螺纹，其中该第一螺纹包括第一金属基复合材料，并且该第一金属基复合材料包括第一金属和与第一螺纹排列一致的第一众多基本连续的纤维。
2.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一众多纤维中包含的纤维可以从包括金属纤维，陶瓷纤维，石墨纤维及其混合物的一组材料中选择。
3.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一众多纤维中包含的纤维可以从包括α-氧化铝纤维，硅酸铝纤维、硼硅酸铝纤维，氮化硼纤维，碳化硅纤维及其混合物的一组材料中选取。
4.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一主表面进一步包括至少一个另外的螺纹。
5.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一主表面进一步包括第二螺纹。
6.权利要求5的金属基复合材料制品，其中第一螺纹的螺旋角和第二螺纹的螺旋角基本上是相同的，并且可选择地，第一螺纹和第二螺纹可以是间置的。
7.权利要求5的金属基复合材料制品，其中第二螺纹包括第二金属，可选择地，第一金属和第二金属可以是相同的金属。
8.权利要求5的金属基复合材料制品，其中第二螺纹包括第二众多基本连续的纤维，可选择地，第一众多纤维和第二众多纤维可以包含相同的材料。
9.权利要求1的金属基复合材料制品，进一步包括第三众多基本连续的纤维，其中可选择地，第一众多纤维的主轴和第三众多纤维的主轴的夹角是在30°至60°之间。
10.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一金属可以从包含铝、镁及其合金的一组材料中选择。
11.权利要求1的金属基复合材料制品，进一步包括与第一主表面相对的第二主表面，并且可选择地，第二主表面包括第三螺纹。
12.权利要求11的金属基复合材料制品，其中第三螺纹包括第三金属和可任选的基本上与第三螺纹排列一致的第四众多基本连续纤维。
13.权利要求1的金属基复合材料制品，其中第一螺纹有约0°的螺旋角。
14.一种铸模部件，包括可溶型芯，此型芯具有第一主表面和与第一主表面的至少一部分相毗邻的第一众多基本连续的纤维。
15.权利要求14的铸模部件，其中第一众多纤维包含一种材料，此材料可以从包括金属纤维、陶瓷纤维、石墨纤维及其混合物的一组材料中选取。
16.权利要求14的铸模部件，其中第一众多纤维包含一种材料，此材料可以从包括氧化铝纤维，α-氧化铝纤维，硅酸铝纤维，硼硅酸铝纤维，氮化硼纤维，碳化硅纤维及其混合物的一组材料中选取。
17.权利要求14的铸模部件，其中可溶型芯包含盐。
18.权利要求14的铸模部件，其中可溶型芯是可溶于水的。
19.权利要求14的铸模部件，其中第一主表面包含第一凹槽，其中可选择地，第一众多纤维是基本上与第一个凹槽排列一致的。
20.一种制造金属基复合材料制品的方法，包括提供具有第一主表面的可溶型芯，该第一主表面包括缠绕有第一众多基本连续纤维的第一区域；用第一熔融的金属渗入第一众多纤维；以及使第一金属凝固。
21.权利要求20的方法，进一步包括去除所述可溶型芯。
22.权利要求21的方法，其中去除该可溶型芯包括将该型芯置于溶解该型芯的流体中，并且可选择地，该流体可以从包括水、蒸汽及其混合物的一组物质中选取。
23.权利要求20的方法，其中第一众多纤维包括一种材料，此材料可以从包括金属纤维，陶瓷纤维，石墨纤维及其混合物的一组材料中选取。
24.权利要求20的方法，其中第一众多纤维包括一种材料，该材料可以从包括氧化铝纤维，α-氧化铝纤维，硅酸铝纤维，硼硅酸铝纤维，氮化硼纤维，碳化硅纤维及其混合物的一组材料中选取。
25.权利要求20的方法，还包括把第二熔融的金属置于第一熔融的金属上并且使第二熔融的金属凝固，可选择地，第一熔融的金属和第二熔融的金属可以是相同的。
26.权利要求20的方法，还包括在可溶型芯的第一区域产生第一个凹槽，并且可选择地，第一众多纤维与第一个凹槽基本上一致排列。
27.权利要求20的方法，其中可溶型芯的第一主表面还包括第二区域，其中第二区域至少部分覆盖第一区域，其中此方法还包括把第二众多基本连续纤维置于型芯的第二区域上，用第三熔融的金属渗入第二众多纤维中，并且可选择地，第一熔融的金属和第三熔融的金属可以是相同的。
28.一种带螺纹的制品，包含具有内部主表面的圆柱体，该内部主表面上有一螺纹，其中，该螺纹包含金属和众多基本连续的纤维。
29.权利要求28的带螺纹的制品，其中众多基本连续的纤维基本是与所述螺纹排列一致的。
30.权利要求28的带螺纹制品，其中金属可以从包含铝、镁及其合金的一组材料中选取，并且众多基本连续的纤维包含α-氧化铝纤维。
31.权利要求28的带螺纹的制品，其中众多基本连续的纤维具有大于200的长径比。
32.权利要求28的带螺纹的制品，其中众多基本连续的纤维具有至少5厘米的平均长度。
全文摘要
本发明涉及含有可溶型芯的铸模部件，金属基复合材料制品，制造金属基复合材料制品的方法。
文档编号B22D29/00GK1894060SQ200480037916
公开日2007年1月10日 申请日期2004年11月4日 优先权日2003年12月18日
发明者迈克尔·J·菲克, 詹姆士·P·瑟伦森 申请人:3M创新有限公司