本发明涉及在金属基板上形成基本无孔的耐磨金属陶瓷颗粒复合物、用于形成这种复合层的系统和制成的产品。本发明在车辆刹车片方面具有特别的实用性，并且将结合这样的用途进行描述，但是也可以考虑其他用途。
背景技术：
包括汽车、卡车、火车和公共交通系统的陆地车辆使用盘式制动器来减慢和/或停止车辆。盘式制动系统通常包括刹车片(rotor)和制动钳。刹车片安装成与车轮一起转动。制动钳包括被迫与刹车片摩擦接触以减慢和或停止车轮的旋转的制动器摩擦块。传统的铸铁刹车片比较重。这些刹车片在制动过程中会磨损，产生灰尘。传统铸铁刹车片的替代品可以减轻重量，并有助于提高燃油经济性，减少空气和水污染，并提高车辆加速度。相对于铸铁减少重量的材料包括铝和钛；然而，与铸铁相比，它们在摩擦应用中的表面摩擦缺乏用作刹车片的必要性能。已知将陶瓷颗粒添加到金属基体中以增加摩擦力用于提高制动能力并提高耐磨性，其还具有在摩擦应用中产生很少灰尘或不产生灰尘的优点。
当应用于形成具有期望特征的刹车片时，许多常规工艺具有缺点。例如，由具有由常规等离子喷涂技术涂覆的陶瓷涂层的铝形成的一些刹车片具有不令人满意的残余孔隙以及对于车辆刹车片应用来说的涂层对刹车片基板的附着力不足。大多数没有孔隙的刹车片使可靠性和良好的传热成为可能。
用于生产复合材料特别是铝-陶瓷颗粒复合材料的常规搅拌铸造固有地导致对于大多数车辆刹车片应用而言不可接受的孔隙率。另外，对于具有相对高动量的车辆的高耐磨性和制动性能而言，加入至少30％体积至50％体积的陶瓷颗粒是理想的。仍不清楚常规的搅拌铸造是否能在这种必须高的颗粒负载下产生无孔隙的复合材料。在常规的搅拌铸造中，将陶瓷颗粒引入整个熔融铝合金中。随着不溶性颗粒被搅入液态铝中，混合物的粘度随着所加入的颗粒的体积而增加。粘度的增加也与颗粒的大小有关。通常，颗粒越小，粘度增加越大。然而，为了良好的制动性能，使用精细的粒度，优选低于约50μm。由于搅拌和铸造较高体积的负载和粘度的混合物变得不切实际，因此对刹车片应用而言，将细陶瓷颗粒并入铝基体中的常规搅拌方法被限制为约25％体积，这取决于实际粒度。
技术实现要素：
因此，本发明的一个目的是提供一种用于形成结合在支撑基板上的基本上无孔隙的金属/陶瓷复合物的方法和设备，其克服了现有技术中的上述和其它问题。
根据本发明的各个方面，使用本文讨论的系统和方法在基板(例如，车辆刹车片)的表面上形成的复合层基本没有孔隙并且包括具有期望尺寸和复合材料密度的陶瓷颗粒。复合层内相对高密度的陶瓷颗粒具有阻止热量流入核心基板的能力。该层可以包围整个基板表面或者可以形成在基板的外表面的一个或多个选定区域(例如，一个或多个圆形带)中。复合层还可以为基板提供强化，使得与没有该层的基板相比，层和基板的组合提供机械和热性能(例如，摩擦系数、磨损率、热导率、热容量、比热、比重、密度、抗压强度、延展性、刚度)的改善的组合。
在本文讨论的涉及车辆刹车片的发明的应用中，取决于颗粒体积负荷的层具有较高的摩擦力并且本质上具有比铸铁更高的热容量。较高的热容量提供比铁更大的储热能力，高于约30％体积的陶瓷颗粒负荷提供改进的制动性能，并且低磨损特性导致很少或没有灰尘产生，因此产生比铸铁更少的空气污染。
复合摩擦层可以根据陶瓷颗粒的密度或体积进行分级，陶瓷颗粒的密度或体积为从层的外表面到基板的距离的函数。可以形成一个以上的层。例如，当陶瓷颗粒体积从外表面到基板核心变化时，基板的温度可能小于外表面的温度。通过常规手段涂覆在外表面上的包括相对低导热性的陶瓷(例如氧化物)的薄涂层可以提供对基板的热流的优异的热绝缘。
铝、铝合金、钛和/或钛合金的基板比铸铁轻得多，并且由于它们的重量轻和高热容量而优选用于车辆刹车片应用。与铝类似，钛不提供适用于车辆刹车片应用的摩擦学表面。一种或多种金属(例如，基板的金属，或者具有比基板熔融温度低的熔点的金属，以及在预期的放热反应中作为反应物的金属)的金属基体中的陶瓷颗粒层可以提供能够承受车辆制动温度极限的耐磨损复合制动表面。
在下面的描述中，参考车辆刹车片作为涂覆有金属基体复合层的金属基板的示例。金属基板也被称为芯体。在操作中，该层的外表面提供制动表面。当这种刹车片以如上所述的常规方式安装在轮式车辆上时，制动表面与一个或多个制动器摩擦块之间的摩擦减慢和/或停止车辆。
用于在固体金属基板的表面上形成层的系统可以由根据本文公开内容配置的常规手动和/或自动化处理和工艺控制设备和设施来组装。自动化可以通过在设备中安装或链接设备用于访问使用传统编程技术制备的固件和/或软件来完成。在一个实施方式中，系统包括常规设计的腔室、加热器、压力机和真空泵的集成。系统可以是被称为真空热压机的类型。可以使用由加利福尼亚州圣罗莎(santarosa)的thermaltechnologyllc和康涅狄格州的特里维(terryville)的furnacesourcellc提供的商用真空热压机，或者定制的系统可以满足生产金属基体复合材料刹车片的目标。
腔室包括任何绝缘的壳体以便经济地保持在相对较高的温度和相对较低的大气压力之内，同时位于没有外界环境的条件下。只要使用诸如氩的惰性气体或与制动材料基本上不反应的气体(例如氮气)，炉操作也可以在正压或气流下进行。通常，腔室包括可关闭的开口，模具可以通过该开口放置在腔室中，以在较高的温度和施加的压力下经受期望的时间并且随后从腔室移除。通过壳体的额外通道通常用于支持加热、加压和排空功能；以及仪表装置和控制。腔室可以包括容纳压力机的结构。相反地，腔室可以是可移动的并且可降低或者可选择地升高到具有陶瓷复合材料层的基座上以加工成刹车片。
加热器包括提供能量来加热模具内容物的任何装置(例如，电、化学、磁性装置)。热量可以传导进入模具中(例如，将热物体压在模具上，通过模具和/或其内容物的电阻进行电传导，称为放电等离子体烧结也称为场辅助烧结技术(fast)或电流激活的压力辅助致密化的磁感应和加热类型)和/或朝模具辐射(例如，微波加热、电子束加热、激光加热、腔室内的辐射热源以及在腔室抽空之前通过围绕模具的气体的传导或对流)。加热器可以包括用于加热的能源。加热器可以使用用于加热或能量转换的能源。加热器可以将能量从一种形式转换为另一种形式(例如，到rf的电功率用于磁感应、脉冲功率等)。
压力机包括将机械力施加到腔室内的模具上的任何设备。压力机可包括与模具接触以施加力的一个或多个压头(ram)(例如，移动活塞、固定止回器(backstop))。压力机可以包括加热、冷却和/或绝热以减少压力机和模具之间的热变化。
真空泵包括从腔室中去除气体的任何机械设备。真空泵也可以用另一种气体更换腔室中的气体。真空泵可以控制模具周围的气体压力。
腔室内温度、机械压力和周围气体的程度的集成控制可以通过一个或多个程序控制器来完成。编程可以包括用于处理模具内容物的序列和用于维护人员、设备和模具内容物的安全操作条件的序列。在任何常规编程语言中，序列可以包括定义设定值、改变速率、设定值处的持续时间、完成改变的持续时间、当限制被解除(crossed)时(例如，将腔室返回至环境条件、将腔室返回至已知安全条件、对操作员进行声音警报以进行调整、结束顺序控制)的例外操作的限制条件的指令(例如，命令、参量、参数、语句)和/或程序顺序控制(例如，分支、循环、子程序、错误处理)。编程可以是集中式或分布式的。当程序控制分布在专用控制器中时，传送状态和控制的信号(例如，反馈、命令、信息请求、资源请求、承诺)可以使用常规技术发送和接收以实现集中式程序控制的效果。
附图说明
从下面的详细描述中可以看出本发明的其他特征和优点，其中：
图1是根据本发明的一个方面的一种系统的功能框图，该系统可以用于在芯金属上的复合材料涂层的结构中生产致密的、基本上无孔隙的金属陶瓷颗粒复合材料或者作为包围该复合材料的整个横截面的部件；图1包括根据本发明的各个方面的模具及其内容物的横截面图；
图2是根据本发明的一个方面的用于在基板的表面上形成层的方法的流程图；
图3是在图1的系统中使用和/或用于图2的方法的空模具的俯视图；和
图4是与图3的模具一起使用的压配合底座的附视图；压配合顶部具有类似结构。
图5是装配在一起的压配合顶部(tip)和底部的透视图；以及
图6是根据本发明的另一方面的用于在基板的表面上形成层的替代方法的类似于图2的示意图。
具体实施方式
参照附图，图1示出了根据本发明的可用于在金属芯上产生致密的基本无孔的金属陶瓷颗粒复合材料涂层的系统。如本文所用，“无孔隙”是指涂层包含通常不大于约0.05-2％体积的孔，更特别是约0.5-1％体积的孔，甚至更特别是约0.1-0.25％体积的孔。
图1的系统100包括腔室102、控制器110、加热子系统112、压制子系统114和抽空子系统116。系统100的这些部件可以布置为彼此之间以及相对于重力的任何方便的方向。如图所示，模具150位于腔室102中用于处理模具150的内容物。模具150限定内部166。模具150包括外围部件152、压配合基座156和压配合顶部154。模具150的内容物放置在模具内部166并且包括固体基板162和粉末164和165。将内容物放置到内部166中在这里被称为加载模具150。加载可以用任何常规技术手动和/或自动完成。
腔室102代表如上所述的腔室。腔室102提供绝热内部104。腔室102将内部104与环境大气隔离。腔室102具有门和门口(未示出)，装载的模具可以通过该门和门口放置到腔室中用于在门关闭的情况下进行处理。放置可以通过常规设计的手动和/或自动手段(例如，输送机、升降机、电梯、转台、网状物)进行。当处理完成时，可移除和卸载模具以释放包含如上所述的具有复合材料层的基材的产品。
控制器110表示如上所述的可编程控制器。控制器110的部分可以集成到加热子系统112、压制子系统114和/或抽空子系统116中的一个或多个(例如，用于执行指令、用于报告状态、用于反馈控制、用于监控极限条件、用于报警、用于人员和设备安全、用于与材料处理设备合作的仪器和/或电路的有效封装)。控制器110包括常规的存储器(未示出)和常规的时序机，时序机读取存储器以执行如上所述的序列。在一个实施方式中，控制器包括个人计算机、微软windows操作系统和过程控制软件。个人计算机包括用于接收程序指令以将一个或多个序列存储在存储器中的用户界面；并进一步包括用于监测施加到模具150的内容物的过程的进展、通过位于加热子系统112、压制子系统114、抽空子系统116、腔室102和/或模具150内的仪器观察所描述的条件的显示器。控制器110使用常规技术通过状态和控制信号122与加热子系统112进行通信。控制器110使用常规技术经由状态和控制信号124与压制子系统114进行通信。控制器110使用常规技术经由状态和控制信号126与抽空子系统116进行通信。
加热子系统112包括如上所述的加热器。加热子系统112响应控制器110以向模具150的内容物和/或冲头134提供热量132。来自子系统112的热量如下所述熔化粉末164和165。加热子系统112可进一步包括由控制器110控制的常规冷却技术，以在任何合适时间冷却该顺序中的模具150的内容物。
压制子系统114包括如上所述的压力机。压制子系统114响应控制器110以经由压头134和压配合顶部154向模具150的内容物施加机械力。如图所示，来自压头134的压力通过支座170传递以避免来自毂158的机械干扰。如下所述，来自压制子系统114的力使得模具150的内容物变得致密。由压制子系统114施加的机械力与反作用力匹配。反作用力可以由相对的压头(未示出)提供。为了简单起见，图1表示由地面106提供的反作用力。
支座170、盖子154和压配合底座156被设计成将压头的机械力均匀地分配到模具150的内容物上。在根据本发明的各个方面的实施方式中，层的均匀厚度是通过确保模具150的内容物在整个过程中保持相对接近水平来实现的。
抽空子系统116包括如上所述的真空泵。抽空子系统116通过联接件136通过毂158、通过支座170和腔室内部104经由排气口172与模具内部166流动连通。抽空子系统116响应控制器110以控制模具内部150中的气体种类(如果有的话)和气体压力。抽空子系统116可类似地控制腔室内部104以例如通过排气口172间接控制模具内部166。抽空子系统116可以在模具内部166和/或腔室内部104中引入和/或压入一种或多种气体。
模具包括含有受温度和压力影响的内容物的任何结构。至少一些内容物可能处于液相。例如，模具150包含(例如包围)基板162和粉末164和165使得在处理期间可能存在的这些材料的任何液相和/或气相不会从模具150泄漏。例如，当粉末164和165包括铝合金、液态的铝合金(例如，由加热子系统112引起的升高的温度产生的)被模具150包含(例如，包围)以便不泄漏到腔室内部104中。模具150可以由多个部件组成，该部件具有适合于在其部件之间的界面处密封的尺寸。
密封防止了模具150的内容物的低粘度液态金属相从模具150泄漏。本文所述的密封抑制了在下面讨论的温度和压力下金属的泄漏。根据本发明的各个方面，与液化模具150的整个内容物相比，模具150的液相内容物的量相对较小。
模具150可以由具有涂层(例如，碳、石墨、氮化硼)的石墨、陶瓷和/或金属(例如，钢、钛)形成。
在一个实施方式中，根据本发明的各个方面，模具150由压配合的石墨部件形成，其尺寸被设计为以第一部件的石墨表面与第二部件的石墨表面摩擦配合的方式被压在一起。
部件可以摩擦配合到这些材料中以在部件之间形成合适的密封，该密封防止压力下的任何液态金属通过这种压配合部件泄漏。
构件154完成了模具150相对于内部166中的内容物的封闭。构件154将来自压头134的机械压力经由支座170传导至模具150的内容物。构件154也在压头134的推动下在模具内部166内滑动。在第一位置，如图所示，构件154不会阻塞排气口172。在构件154的这个位置，排气口172提供模具内部166和腔室内部104之间的流体连通。腔室内部104的排空因此通过排气口172排空模具内部166。将气体引入腔室内部104也通过填充、混合和扩散将气体经由排气口172引入模具内部166。
在一个实施方式中，压头134仅在一个方向上施加力。压头134可以用于三个功能。首先，压头134可用于将构件154引入模具150中以闭合模具150，施加力以克服构件154和外围部件152的摩擦配合。然后构件154处于第一位置。其次，压头134可以用于沿相同方向(进一步进入模具150)移动构件154远离第一位置，以阻塞排气口172以防止熔融金属在施加压力时通过排气口逸出。构件154然后处于第二位置。第三，压头134可用于在相同的方向上提供用于致密模具150的内容物的力。
当压头134推动构件154离开第一位置(如图所示)并进一步进入模具150时，构件154在第二位置完全阻挡排气口172，提供了气体和液体密封使得模具150的内容物不泄漏到腔室内部104。在一个实施方式中，根据本发明的各个方面，构件154(模具150的部件)由石墨形成。如上所述，构件154的尺寸提供了外围部件152内的摩擦配合。
基板或芯体为预期产品提供结构刚度。基板的熔融温度高于形成复合表面层的组分中的至少一种的熔融温度，从而通过将小于基板熔融温度的升高温度施加到模具的内容物上，表面层材料将形成熔体，而大部分基板将保持固体，即不熔化。在与复合材料层接触的基板表面上会熔融从而导致优异的粘合。基板可以由商业纯的形式或在某些情况下为合金的结构金属(例如，铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌)形成。合金可以包括任何结构金属和/或合金材料(例如，铬、镁、锰、铌、硅)。基板可以是预制成刹车片的商用板材，其显示固有的低孔隙率，或者基板162可以是形成有低孔隙率的商业纯铝或铝合金的铸造或轧制的圆盘。
通常呈粉末形式的表面层材料可以包括用于放热反应的至少一种反应物并且可以进一步包括用于执行功能和/或增强产物功能的性能的材料。该功能可能依赖于结构特性。粉末和/或表面层可以被称为增强物。基板和表面层的产物可以被称为具有表面增强物的芯体。也可采取该形式或金属锭的粉末可包括一种或多种材料的颗粒，每种材料都是粉末的组分材料。加热时粉末可以参与放热反应。优选地，放热反应不产生气相产物。例如，粉末164和165的组成相同。作为本文讨论的方法的结果，粉末164提供与基板162一体的表面。粉末164和165包括陶瓷颗粒(例如碳化硅)以改善以基板162作为核心形成的车辆刹车片的摩擦和磨损特性。粉末164或165可以包括两种反应物。第一反应物可以是结构金属和/或合金材料。第二反应物可以是硼、硅、钴、铁、镍、镁、钯、钛或其组合。放热反应直到粉末被加热到一个升高的温度才开始，该升高的温度由预期的反应和反应物使用常规分析、模拟或测试确定。
对于车辆刹车片，碳化硅是包含在金属粉末中的优选陶瓷颗粒。在粉末中可以使用的代替碳化硅或除了碳化硅之外的其他陶瓷颗粒包括金属碳化物、氮化物、硅化物、氧化物和金属间组合物。这些陶瓷颗粒的金属组分单独或以任何组合包括铝、钛、硼铁、镍、钴、铜和锌。在用于制造车辆刹车片的实施方式中，粉末可以包括铝合金和陶瓷颗粒。铝合金可以包括si和mg，si为重量的0％至6％至19％，优选为重量的7％至18％，更优选为重量的9％至12％，mg为重量的0％至0.1％至15％，优选为重量的0.2％至12％，更优选为重量的0.4％至1％。合金的硅对大多数包括碳化硅的陶瓷颗粒提供优异的润湿性和/或粘合性。与sic结合的硅减少了碳化铝的形成。碳化铝会在潮湿环境中发生腐蚀，从而丧失结构完整性。在根据本发明的各个方面的优选的车辆刹车片中，该层的组成为单独或混合陶瓷颗粒的体积的25％至65％，或者更优选为体积的30％至65％，更优选为体积的35％至50％。
层指的是金属基体和基板结合的结果。根据本发明的各个方面形成的基板和层的产品的横截面可以显示从产品表面开始并延伸到基板中的粉末的组分材料的浓度梯度。该层对应于具有大于或等于组分材料浓度的对产品功能有重要意义的部分。通过视觉检查可能难以确定层的内部边界。然而，基于预期的功能、显着执行该功能所需的组分材料的浓度以及电子色散谱法，边界(例如，距离表面的深度)可以被确定。由于边界对于视觉检查可能并不明显，所以边界可以通过分析、模拟和/或测试来确定并且被指定为产品的尺寸(例如，厚度)。例如，对于作为产品的车辆刹车片，由粉末164形成的层可以延伸到产品中，从产品的表面延伸到参考陶瓷颗粒的浓度限定的边界，陶瓷颗粒的浓度与车辆刹车片的有用制动期限相关。来自粉末的碳化硅浓度可以通过在原型产品的不同深度处测试来确定，以便限定制动层。根据本发明的各个方面，用于在固体基板的表面上形成层的方法产生如上所述的基本上不存在孔隙的层。在一些实施方式中，该结果通过以下中的一个或多个的组合实现：将模具腔抽真空、将模具的内容物加热到金属粉末的熔点和基板的熔点之间的温度和施加压力持续一段时间，该时间可以在粉末和基板之间的任何潜在的放热反应之前开始，并且可以在层冷却到粉末的熔点以下之后结束。在制造车辆刹车片的方法的实施方式中，该层包括结合到基板的陶瓷，该陶瓷通过与基板结合而形成金属基体复合材料。与基板相比，该层可具有优异的摩擦力、磨损和热容量特性。
这种方法的实施方式以任何实际顺序包括将内容物装入模具中，其中内容物包括固体基板和粉末；将内容物加热到能够使基板的表面和粉末熔化的温度；以及使内容物致密化。在另一实施方式中，在没有放热反应的情况下进行加热，以实现表面层与基板之间的结合。该方法可以进一步包括在致密化之前排空模具。
例如，图2的方法200，开始于组装(202)模具(150)，用脱模化合物涂覆模具的内部，并将组装的模具放置在腔室内。如上所述，当使用一体化结构的模具时，例如能够容纳内容物(在过程中出现的任何相态)和产品的模具，可以省略组装(例如，不必要)。
取决于用于模具、粉末和基板的材料，可以施加适当的释放化合物(releasecompound)以涂覆模具的内部。这种涂层有助于从模具中取出产品。例如，可以使用在铝的热锻造、摆辗锻造和冷挤压以及金属铸造中的模具预处理中用作坯料润滑剂的由石墨和热塑性树脂形成的干膜润滑剂。例如，可以使用由acheson销售的dag386。也可以使用氮化硼释放化合物。
用内容物装载模具可以通过在模具(150)内散布(204)粉末(164)、将基板(162)(例如，刹车片芯)放置(206)到粉末(164)上以及铺展(208)粉末(165)以覆盖基板(162)来实现。也可以使用固体形式或粉末形式的铝锭，例如a356或a359代替混合金属粉末。两种粉末分布或两种锭或粉末和锭与基板构成模具的内容物。
在另一种实施方式中，可以省略其中一个铺展步骤，以仅在基板的一侧上形成层。
在装载模具之前，可以将粉末制备成两种或多种粉末材料的均匀混合物。通过至少部分地使用常规的粉碎、筛分和混合技术制备粉末来实现粒度分布的均匀性以及混合物内颗粒材料分布的均匀性。
装载之后，可以如上所述覆盖(154)模具(150)。在一个实施方式中，模具(150)被关闭，使模具的排气口(172)打开，以从模具内部排出残留的大气气体。可将该模具置于真空热压机、如上所述的系统(100)或真空室中以进行抽空。
在模具包括排气口并且排气口打开的情况下，可以通过抽空(210)和/或在一个或多个循环中吹扫来移除模具内部的气体以获得合适的不存在大气或其他可能会导致层中的孔隙的气体。任何引入的气体可以保持参与所需的化学反应，或者优选地从模具中排出。在排空之后，排气口例如通过如上所述的压头的移动而关闭。在其它实施方式中，通过使用常规技术(例如，将塞子引入排气口中，在模具周围施加带以固定塞子，在模具周围施加带子以覆盖排气口)覆盖排气口来关闭排气口。
在一种实施方式中，抽空(210)在真空室(与真空热压机相反)中完成，该真空室配备用于关闭排气口。在另一个实施方式中，模具在真空室中被加载(204、206、208)并且关闭。在又一个实施方式中，模具不包括排气口，并且模具在真空室中被加载(204、206、208)并且被关闭(例如，被安装的盖子154)。然后将模具置于常规的热压机或上面参照图1讨论的类型的系统中，该系统的抽空子系统被省略并因此简化了控制器和腔室。
一个或多个装载的模具(150)可以预先准备，无限期地运输和/或存储。装载的模具可以组合成网状物以进行批量处理。批量处理可以在方法200的任何步骤之间用常规材料处理技术来完成。将装载的模具的内容物加热(212)至足以熔化表面层中的金属合金的高温。粉末的组分材料之间的任何放热反应将进一步增加表面层中的温度，从而需要较少的外部加热，产生在此称为熔体的物质。在表面层和芯体之间的界面处产生更高的温度也将有助于表面层和芯体之间的更好的粘合。然而，对于某些组分材料如al-sic粉末，放热反应或者非常小或根本不发生，除非例如添加ti。可以继续加热直到整个模具内容物处于高温。加热可以在足以完全熔化表面层并结合到芯体上以及基本上完成模具内容物的放热反应(例如，通过反应消耗90％到100％预期反应物所需的时间)的时间之后不连续。放热反应还可能涉及邻近粉末的基板(162)的表面。可实施性通常包括超过粉末的组分材料的熔点。
在不存在基板的情况下，粉末具有熔化温度，在该温度下粉末的至少一种组分材料以液相存在。粉末熔化温度可以定义为粉末的一种或多种组分材料以液相存在的温度。当多于一种组分熔化时，熔化的组分可以形成合金或新化合物。例如，熔融铝合金可以与钛粉反应以形成一种或全部金属间复合物tial、ti3al、tial3。粉末的剩余组分材料(通常为陶瓷颗粒)可以以固相继续。放热反应可以改善粉末的固体材料与粉末的液相材料的润湿性。
当不与粉末接触时，基板的表面具有熔化温度，在此称为基板熔化温度。基板的表面可能受到放热反应的加热和化学影响，并且在其表面或与较低熔化温度的表面层接触的地方发生局部熔融。例如，铝合金中的硅降低其熔化温度。如果si与al一起存在于表面层中，则si可以开始与芯体的表面反应并且扩散到芯体中以引起进一步的熔化。因此，加工过程中熔化温度下的时间很重要，并且必须进行优化以避免超过芯体表面熔化芯体。在熔化温度下延长的时间也会在界面处产生孔隙，这对机械性能和热性能是不利的。
在重要的一类实施方式中，根据本发明的各个方面，在该过程期间的任何时间，基板的大部分不以液体的形式存在。为了避免大量熔化，上面讨论的高温必须低于基板熔化温度。为了避免大量熔化，通过分析、模拟和/或测试来选择高温、维持高温的持续时间、任何放热反应的程度和基板的热容量。
在启用任何潜在的放热反应之前、期间和/或之后，模具的内容物可以被致密化。致密化可以使用与热压技术稍微相似的技术来完成。热压技术对固体材料施加压力。相反，根据本发明的各个方面，压力被应用于包括液体的熔体。例如，可以在可能发生的任何放热反应之前和/或期间向内容物施加(214)压力。压力(即机械力)可以有助于引发和/或维持放热反应。可以将压力施加到模具的部件(例如，盖子154、基座156、盖子和基座两者)。可以施加压力以迫使模具的盖子和基座朝向彼此。压力可以以相同的力或以一系列的力继续。例如，压力可以暂时中断并恢复，以便于模具移出用于加热的区域(104)并进入用于冷却的区域。
通过可能在放热反应期间对抵靠基板的熔体施加压力，熔体(例如，金属基体复合物、金属间复合物、液态金属合金、反应产物)中的至少一种材料通过形成金属基体复合物、金属间复合物和/或基板的合金与基板结合。通过向熔体施加压力，熔体的固体颗粒材料可以被更彻底地润湿。因此，当产品在使用中时，该层可以在不利条件下保留固体颗粒。
放热反应、抵靠基板表面的熔体的存在和/或熔体对基板的压力可使熔体与基板表面结合。整合可以包括基板表面的局部熔化。
优选地，随着模具内容物从熔融液体组分冷却到固体，致密化继续进行。对于一些基板和粉末组合物，在从液体冷却至固体的过程中可能发生产品的显着收缩。通过在冷却期间继续致密化加压可以避免气孔。例如，在模具的内容物被冷却(216)的同时，压力保持在模具的内容物上。加速冷却可以使用常规技术完成(例如，将冷冻过的气体例如从液氮的供应引入到腔室中或者仅通过腔室中的气流)。
在进一步显着收缩的风险较低之后，压力可以被移除(218)。此后，腔室(102)可以准备打开。可以从腔室中取出模具以便于从模具中取出产品。最后，将产品从模具中取出(220)。拆卸可以包括拆卸模具。拆卸可包括从模具和产品的剩余组合中去除外围部件，然后将基座和盖子部件与产品分离。模具的部件可以翻新以便重新使用或按原样重新使用。
在一个实施方式中，根据本发明的各个方面，产品准备好安装在下一个组件中或准备使用。为了符合产品规格，后处理加工可能是不必要的。在其他实施方式中，产品处于近净(near-net)形状，准备用于后处理加工。
在用于形成车辆刹车片的实施方式中，模具用作熔融金属的容纳容器。模具的所有部件可以由相似的组成形成以避免热膨胀差异。例如，图3的模具150包括图4的外围部件152、底部基座部件156、毂部件158和顶盖部件154。在一个实施方式中，部件具有下表1中所述的尺寸和特性。
外围部件为模具提供一个或多个外部侧壁。外部侧壁可以对应于产品所需的净形状。优选圆形和椭圆形形状以简化从模具中移出产品和更好地容纳熔融金属。例如，外围部件152形成为具有穿过中心302的圆形对称轴线的空圆柱体。外围部件152在半径386处限定了模具150的外表面。
基座部件用于至少部分地封闭外围部件，从而可以装载模具。基座部件可以提供用于对模具的内容物施加机械力的表面。例如，基座部件156形成为具有通过中心302的圆形对称轴线的圆盘，其对应于外围部件152的对称轴线。基座部件156与外围部件152在半径384处形成圆形摩擦配合密封。基座部件156包括圆形孔口，该圆形孔口的尺寸被设计成在半径382处形成抵靠毂部件158的摩擦配合密封。部件之间的摩擦配合密封被调节成使得在运行温度下膨胀不会导致允许压力下的液体金属通过摩擦配合泄漏的摩擦配合的放松。
毂部件为模具提供一个或多个内部侧壁。内部侧壁可以对应于产品所需的净形状。优选圆形和椭圆形以简化产品从模具中的移除。例如，毂部件158形成为具有穿过中心302的圆形对称轴线的圆柱体。毂部件158与基座部件156在半径382处形成圆形摩擦配合密封。毂部件158包括排气口172。
排气口172可通过将一个或多个孔钻入毂158而形成。在其他实施方式中，毂部件158包括具有类似构造和方向的一个以上的排气口。
用于模具的盖子部件与模具的一个或多个其他部件配合以将内容物完全容纳在模具内。盖子可以提供用于对模具的内容物施加机械力的表面。例如，盖子部件154形成为具有通过中心401的圆形对称轴线的圆盘，其对应于外围部件152的对称轴线。盖子部件154与外围部件152在半径384处形成圆形摩擦配合密封。盖子部件154包括圆形孔口402，该圆形孔口402的尺寸设置成在半径404和382处形成抵靠毂部件158的摩擦配合密封。
表1
摩擦配合密封可以通过使要摩擦配合的部件的半径不匹配来形成。不匹配可以从0.002英寸到0.010英寸，优选地在大约0.003到0.009英寸，更优选地在0.004到0.008英寸之间。约0.005英寸的不匹配是特别优选的。在具有相同组成和横截面的部分的高温下，不匹配保持不变。
从以下的实施例中可以看出本发明的其他特征。
实施例一
作为第一实施例，可以使用如下的方法200形成车辆刹车片。在步骤204和208，粉末包括粉末状铝硅合金、碳化硅粉末和钛粉末。粉末中没有粘合剂。该alsi合金组分材料为重量的59.5％，其是由valimet以s-9级销售的类型，具有由4.82微米d10、15.23微米d50和37.56微米d90限定的粒度分布。该sic组分材料为重量的38.0％，其是esk以f600-d级销售的粒度为10微米至20微米的类型。该钛组分材料为重量的2.5％，其是由adma销售的类型，粒度为约44微米，规定为325目。混合粉末直至材料分布均匀。每个粉末部分164和165铺展成0.010英寸至0.25英寸，优选0.060至0.125英寸，更优选0.040至0.080英寸，最优选约0.050英寸的均匀厚度。
粉末的钛组分材料有多种用途。当铝处于液相时，钛和铝发生反应，产生热量(即放热反应)。钛和铝的反应可以形成熔点比腔室的高温高得多的铝化钛。因此，现在作为铝化钛的粉末的一些铝不再处于液相中，从而降低了通过模具150的密封泄漏的风险。层的表面受到熔体冷却时形成管道结构的影响，由于收缩而导致表面变形。通过在粉末中包含钛组分材料并在铝合金组分的冷却过程中施加压力，可以抑制管道结构的形成。
在步骤206，基板是商业纯铝(锻铝)，也称为1100铝，其形状为直径约12.0英寸、厚约0.5英寸的圆盘。该圆盘具有直径约6.0英寸的中心圆孔，用于将圆盘安装到汽车的常规轮毂上。商业铝圆盘具有非常低的孔隙率。
在步骤210中，使用常规抽空方案将模具抽空至小于100托的压力。腔室内充满氮气或氩气，然后再次抽空。腔室内充满氮气或氩气，然后第三次抽空。产生的压力小于100托。在抽空之前，模具中的粉末可以被干燥。为了完成干燥，加热子系统112被编程为具有设定值和保持时间，设定值在150摄氏度与250摄氏度之间，优选地约为200摄氏度，并且保持时间高达10小时至20小时。如上所述，通过将压制子系统编程至20psi至100psi的设定值以平滑地将盖子从第一位置移动至第二位置来将排气口关闭。
在另一种实施方式中，粉末在铺展到模具中之前通过任何常规技术(例如，真空、温度)预先干燥(204、208)。因此，可以通过省略温度设定值和保持时间来简化步骤210。
在步骤212中，加热系统被编程为具有大约625摄氏度的设定值和大约1.5小时的保持时间。也可以使用550摄氏度的设定值和约2.0小时的保持时间。可以使用750摄氏度的设定值持续一段时间，当毂部件158的温度达到550摄氏度至625摄氏度的温度时结束；在该期间结束时接着为625摄氏度的设定值和1.5小时至2.0小时的持续时间。如上所述，基板包括纯的或合金形式的金属，其具有比熔化粉末的组分材料的温度更高的基板熔化温度。模具的内容物以不会导致基板的大量熔化的方式被加热。
步骤212和214同时执行。
在步骤214中，压制子系统114被编程到250psi至600psi、优选为350psi至600psi、更优选为500psi的设定值以及实现过渡时间的速率，该过渡时间从0.25至1.0小时，优选约0.5至1.0小时，更优选约0.5小时。压头134在模具150内的线性位移限制在计算出的呈液体形式的内容物的厚度。在步骤216中开始冷却之后，可以计算进入模具150中的另外的线性位移以解决冷却期间产品的收缩。
在步骤216，加热系统被编程为具有环境温度的设定值。冷却进行约2.5-3小时而不强制冷却，此时模具约300摄氏度。优选地，在真空室中冷却时继续致密化。
在另一实施方式中，在625摄氏度的最终浸泡之后，抽空子系统被编程为具有环境压力的设定值，并且通过从液氮源将氮引入腔室中来加速进一步的冷却。
在步骤218中，压制子系统被编程为具有零psi的设定值，或者手动简单地释放压力。当达到设定值时，从腔室中取出模具。
在步骤220中，模具150被拆卸以移除形成的圆盘，然后该圆盘可以被焊接到刹车片轮毂以安装在车辆上。得到的车辆刹车片产品具有约8mm厚的实心铝芯和每侧上用于制动表面的包括铝基体中的碳化硅的约3mm厚的层。刹车片每侧的制动表面面积的35％至60％是碳化硅金属基体复合材料。刹车片的孔隙率优选小于体积的0.5-1％。金属基体层和芯体之间形成的结合是冶金扩散结合，其消除了测定和剥落。作为该方法的结果，抽真空使熔体脱气，施加的机械力将固体碳化硅颗粒保持在熔体中，并且施加的机械力有助于熔体与基板表面结合。
使用本文讨论的系统和方法形成的车辆刹车片可以包括遍及刹车片的全部厚度的陶瓷复合物，其可以包括配制成的材料的放热组分。在其他实施方式中，在配方中不使用放热组分，并且刹车片的陶瓷复合材料部分呈现陶瓷颗粒的梯度，其从摩擦表面上的较高浓度到整个刹车片厚度的相对较低浓度。
实施例二
作为第二实施例，车辆刹车片可以在方法200的变型中如下形成。在步骤204和208，粉末包括铝合金、钛和碳化硅。铝合金是通常被称为356的类型。碳化硅占粉末的35％。90％的碳化硅颗粒为15微米(μm)。通过任何常规的混合技术(例如，具有钢球或陶瓷球的球磨机、磨碎机、旋转翻滚、脉冲流化床)来干燥混合颗粒。混合至均匀的材料稠度后，将粉末倒入模具中以在混合物被加热至粉末铝合金熔点以上时容纳混合物。
在步骤206中，使用通过铸造或轧制生产的纯铝板作为基板，并使用铝合金356作为表面层。
在步骤210，将装载的模具放置在能够排空空气的腔室中。使用真空泵将腔室中的压力泵降低到100托以下。腔室内回充满惰性气体(例如，氮气、氩气、二氧化碳、氨)。抽真空和回填循环重复两次。
步骤212和214同时执行。
在步骤212，温度升高到铝合金356的熔点，从而熔化粉末的铝合金并熔化表面。钛粉与粉末和基板的熔融铝发生放热反应(铝热型反应)，产生有助于粉末铝合金熔化的热量。热量还增强了铝与碳化硅颗粒的润湿和/或结合以及硅与碳化硅颗粒的润湿和/或结合。粉末的钛组分材料与粉末的熔融铝合金反应以形成铝化钛(例如，tial、ti3al和tial3)。粉末的一些钛组分材料可与来自粉末铝合金的硅反应以形成硅化钛(例如，tisi2、ti5si3)。
在步骤214，压力施加到具有防止液态铝金属的任何挤出的防漏配合压头的模具。可以使用从约1.4mpa至35mpa(200psi-5ksi)的压力。选定的压力足以使粉末的液态铝合金浸润粉末的剩余组分材料。压头在熔融铝合金上的压力压在碳化硅颗粒上。在第一实施方式中，与靠近盖子154的表面相比，足够的压力和持续时间(例如，合适的设定值)将碳化硅颗粒集中在邻近底座156的表面上，以在该表面上提供相对较高的摩擦。在第二实施方式中，与第一实施方式相比，使用较低的压力设定值和/或较短的持续时间设定值。在第二种实施方式中，碳化硅颗粒在整个产品横截面上更均匀。
在步骤216中，加热停止。继续冷却到环境温度。
在步骤220中，将产品即车辆刹车片从模具中取出。产品优选表现出基本上没有孔隙率。在车辆制动系统中使用该产品不需要后续加工。
该产品由部分由钛颗粒和熔融铝合金的放热反应形成的复合材料组成，其中复合材料是由反应产生的热量、辅助加热和将陶瓷颗粒推动通过熔融铝的压力的结果。
在第一实施方式中，步骤210与步骤212、214和216同时继续。在第二实施方式中，在环境大气压力下执行步骤212、214和216。虽然两种产品都含有相当低的孔隙率，但与第二种产品相比，来自第一种实施方式的产品可能会产生较低的孔隙率。
该第二实施例的几个变型是根据本发明的各个方面的实施方式。只要基板的熔化温度高于用于形成层的铝合金的熔化温度，任何铝合金都可用于粉末和基板。在步骤204和208中扩散在模具中的sic粉末的量可以增加以增加产品中陶瓷的表面浓度或负载。压制可以在降低的大气压力下进行，或者在惰性非活性气体的环境大气压力下进行。加热可以使用常规电传导、磁感应、辐射微波技术或通过上部和下部压头对模具内容物进行电阻丝加热来完成。粉末可以包括代替钛或除钛以外的反应物以支持与铝的放热反应，该反应物涉及钴、铁、镁和/或镍。粉末可以包括尺寸适合于产品功能的陶瓷颗粒。对于车辆刹车片，可以使用尺寸小于500微米，优选小于100微米，最优选50微米及以下的陶瓷颗粒。可以使用任何陶瓷颗粒代替碳化硅或除碳化硅之外可以使用任何陶瓷颗粒。在其他实施方式中，陶瓷颗粒是不同常规材料(例如，氧化物、碳、碳化钛、氮化铬、碳化铬、二硼化钛)的混合物。
实施例三
作为第三实施例，重复实施例二的过程，除了基板由铝合金5052形成，并且表面层中使用的金属合金粉末是4032型。
实施例四
作为第四个实施例，车辆刹车片可以通过方法200如下形成。在步骤204和208，使用铝粉和碳化硅粉末的混合物。
在步骤206，基板是商业纯钛的圆盘，预切割成车辆刹车片的尺寸。
步骤212和214同时执行。
在步骤212中，电阻加热包括将电流源(例如，dc，ac，脉冲)供应连接到模具的压头和基座部件。通过模具的电流升高温度，熔化铝粉并产生等离子体。热量导致铝熔化。大部分基板不熔化，因为基板经受的温度不超过基板的熔化温度。然而，基板的表面将开始与金属基体复合材料表面层中的元素反应，这是有利的，因为它促进界面处的强结合。熔化的铝与基板的钛发生放热反应以形成γ钛(即tial)或ti3al或tial3的其它铝化物。在铝的液相中，形成完全致密的表面层，其由铝化钛(例如，tial，ti3al，tial3)中的碳化硅颗粒组成。
在步骤214处，施加约10mpa至35mpa(1.45ksi至5ksi)范围内的压力以致密模具的内容物。在施加压力的情况下，碳化硅颗粒增强的铝化钛几乎完全致密，基本没有孔隙。
该第三实施例的几个变型是根据本发明的各个方面的实施方式。该粉末可以进一步包括已知产生良好的γ合金的其它合金元素(例如，铬、锰、铌、硅)。与带有sic或其它陶瓷颗粒如tic、tib2、b4c等的ti和al粉末的初始进料相比，进料粉末可以是预制合金粉末，例如tial、ti-al-cr-nb等。基板可以由钛的另一种合金形成，而不是诸如合金ti-6al-4v的商业纯钛。可以通过辐射(例如微波)、磁感应或上文讨论的其他技术来补充加热。压头之间的电阻加热技术可以用上面讨论的一种或多种加热技术来替代。任何陶瓷颗粒或陶瓷颗粒的组合都可用于粉末中。该粉末混合物可以不含放热反应组分或可以包括用于放热反应的其它反应物，例如金属间成形物(例如，铜、钴、铁、镍)。
实施例五
作为第五个实施例，车辆刹车片可以由方法200如下形成。步骤204至220与上面讨论的第三个实施例相同，但有一些例外。在步骤210中，模具不被抽空。取而代之的是，模具和腔室的气氛充满电离气体(例如，氩气、氦气、氮气)。
在步骤212中，施加电阻加热一段时间直到(并且包括)粉末的铝材料组分达到其熔化温度的时间。该持续时间可以通过分析、模拟和/或测试来确定，以说明模具和模具内容物的质量和热传递特性以及其他系统部件(例如，压头)的任何影响。在电阻加热熔化铝组分的同时，由于熔化铝可能需要脉冲的电压，通过熔体产生等离子体。等离子体相对快速地提高圆盘和熔体的温度，促进致密化。等离子体清洁铝熔化前的颗粒表面和未熔化的碳化硅陶瓷，促进固化和致密化。
可以通过将来自额外的电源和/或电容器组的高能量放电引导通过压头来产生等离子体，其电离模具中的气体。
在一个实施方式中，从步骤212省略电阻加热，并且仅通过与等离子体相关的热量来完成熔化。
该第四个实施例的几个变型是根据本发明的各个方面的实施方式。基板可以是如上所述的任何结构金属或结构金属合金。任何陶瓷颗粒或陶瓷颗粒的组合都可用于粉末中。粉末可以包括用于放热反应的其它反应物，例如金属间成形物(例如，铜、钴、铁、镍)。模具内的电离气体的压力可以低于环境压力，等于环境压力或高于环境压力。
实施例六
将粉末形式的铝合金356的混合物与钛的粉末混合，该钛的粉末是铝的总和的2％和35％的sic，后者的粒度为90％处于15微米(μm)。通过适当的混合将颗粒干燥混合，该适当的混合包括具有钢球或陶瓷球的球磨机、磨碎机、旋转滚动、脉冲流化床并且当加热至高于铝的熔点时倒入模具中以容纳混合物。在干混料的顶部放置356铝合金的固体板。将装载的模具放置在能够排空空气的腔室中。利用真空泵将腔室中的压力降低到100托以下。腔室内回充满惰性气体，包括氮气、氩气、co2、和氨，并重新抽空三次。用配合的压头将压力施加到模具上，温度升高到356铝合金的熔点。约10mpa至35mpa(1.45ksi至5ksi)的压力令人满意地将熔融的356合金渗透通过干燥的粉末混合物，其中钛粉与熔融铝发生放热反应(铝热反应)，产生内部热量，这有助于356合金粉末的熔化并增强铝和硅与sic颗粒的润湿/结合，以及增强钛与熔融合金的反应形成可包括tial、ti3al和tial3的铝化钛，以及与356合金中的si反应生成包括tisi2和ti5si3的硅化物。压头对熔融356合金的压力压在sic颗粒上，如果足够高的压力和保持足够长的时间将会使sic颗粒集中在底部表面，随后其可以在该表面上提供更高的摩擦力。如果该压力处于较低的范围内，并且在熔融顶部356层渗透sic颗粒床足够长的时间后去除压力，则sic在所形成的复合材料的横截面上是均匀的。关闭热能，熔化的356合金冷却到室温并将刹车片从模具中取出。通常，熔体模制刹车片的表面是足够的，并且模制公差使得将刹车片安装在制动系统中不需要随后的机械加工。
伴随辅助加热的钛颗粒与熔融铝之间的放热加热以及推动在顶部熔化的熔融铝通过复合材料的压头压力导致复合材料的残余孔隙率小于2％，并且通常小于1％，通常小于0.5％，这是刹车片的理想复合材料。
一次增强低孔隙率的循环是在减压下进行压制。通过降低压力去除任何残余气体有助于导致残余孔隙率的残留气体被俘获。
可以使用任何铝合金作为基体，可以使用任何体积负载的sic或任何陶瓷颗粒组分，并且压制操作可以在减压下或惰性非活性气体的环境压力下进行。加热方法可以通过传导、感应、微波或任何合适的方式以将模具容器中的混合物升高到铝的熔点以上。而且，除钛和铝以外的反应可用于产生放热生热反应。与熔融铝的一些示例性的放热反应包括fe、ni、co和mg。陶瓷填料的粒度可以是任何尺寸，但是较小尺寸的颗粒在制动操作中表现最好，因此应当使用约500μm以下的粒度，并且优选在100μm以下，并且最优选在50μm以下。而且，可以使用陶瓷颗粒的混合物来实现作为复合刹车片的摩擦表面的定制特性。例如，在紧急制动情况下，氧化物颗粒有助于阻止热量流入刹车片本体中，碳也可以与钛反应形成tic颗粒，氮化铬或碳化物是已知的用于摩擦的还原剂，而tib2增加热导率。因此可以定制合金和颗粒组合物以产生具有定制特性的刹车片，该定制特性包括表面的摩擦系数和热导率。
实施例七
参照图6，在步骤602中，制备预制成刹车片尺寸的cp钛圆盘，并且将如前所述的铝和sic粉末的混合物施加到两侧。在步骤604中，将另外的混合物放置在模具的底部，将cpti圆盘置于模具中，并且将一层混合物添加至模具中的cpti圆盘的顶部表面。在步骤606中，将压头加入以配合腔室中的模具，将腔室抽空并回填充惰性气体。在步骤608中，在压制的同时，通过将高安培数(例如25,000安培)的交流电流电源连接至顶部压头和模具的底部来进行加热，该模具也可以是配合的压头。所施加的电力提高了cpti圆盘表面上的温度，该温度熔化粉末混合物中的铝。继续加热以使铝与钛发生放热反应，同时继续施加约10mpa至35mpa(1.45ksi至5ksi)范围内的压力。在铝的液相中，形成了由可以包括tial、ti3al或tial3(其中tial被称为γ钛)的铝化钛中的sic颗粒组成的完全致密的表面层。诸如nb、cr、mn、si等的已知生成良好的γ合金的其他合金元素可加入al-sic粉末混合物中。铝的熔化与cpti圆盘反应以形成cpti圆盘的冶金结合表面层。在施加的压力下，sic颗粒增强的铝化钛是完全致密的并且没有孔隙，这是刹车片非常理想的特征。整个加热过程非常迅速，只需要大约60秒。在步骤610中，将电流电源断开，并且将包含涂覆刹车片的模具组件用冷却惰性气体或空气喷射大约5分钟(取决于温度)。
基板可以是cpti圆盘或任何钛合金，并且可以通过脉冲或连续电流、微波、感应、辐射等进行加热，以替代压头之间的电阻加热。也可以使用任何陶瓷颗粒或陶瓷颗粒的组合，并且可以使用除铝之外的可以是金属间形成物的其它放热加热反应，例如cu、fe、ni、co。还认识到可以利用任何频率的电流、直流电流以及脉冲电流实现电阻加热。
实施例八
使用与实施例七相同的装置。当电阻加热使铝达到其熔点时，引起来自附加电源或电容器组的高功率放电，并且在氩气或氦气的剩余气氛中产生等离子体，其瞬间升高了圆盘和表面涂层的温度。施加压力时，铝与钛表面反应，产生完全致密的无孔表面转化层。这个过程通常被称为放电等离子烧结(sps)。产生的等离子体清洁颗粒表面并增强本领域公知的固结。如果初始加入足够的功率脉冲，则不需要先前的电阻加热或其他形式的加热，这缩短了整体固结时间，从而与sic形成完全致密的无孔表面/涂层复合物。
钛可以是任何合金，陶瓷颗粒可以是单一的或混合的以产生定制的表面性质，并且可以使用包括除铝以外的金属间复合物如cu、fe、ni、co的生热反应，并且电离气体可以是除了氩或氦的产生等离子体的气体，并且该过程可以在减压、环境压力或甚至正压下进行。
实施例九
作为又一实施例，车辆刹车片使用集成的单片毂盘形成。制动盘的成本使其能够用于汽车。在复合材料盘制造成单片芯体的每一侧上的双层复合材料层或作为制造成遍及圆盘的整个厚度的复合材料之后，必须将毂焊接到圆盘上以允许安装到轮组件上。毂的单独制造及其焊接至圆盘都是昂贵的步骤，焊接至圆盘可能需要随后的机加工操作，以避免由于焊接操作造成的任何平行损失。降低成本的替代方法是利用铸造、锻造或替代工艺，其导致圆盘和毂制成单件，然后在组件的圆盘部分上涂覆一层复合材料。集成的毂盘一体放置在诸如石墨的模具中，其中包含带有用于基座的实心石墨圆盘的外圈。将铝-碳化硅(al-sic)粉末的混合物放置在模具的底部，在实心石墨圆盘件的顶部上，并且具有用于毂盘底部的孔的与突出的毂的一侧相对的另一石墨塞。在将单片毂盘置于模具中之后，将al-sic的另外混合物放置在单片毂盘的圆盘部分上，接着是包括孔以覆盖毂的模具顶部。装载的模具被放置在相对于大气关闭的腔室中。通过吹扫诸如氩气或氮气的惰性气体来交换残余气氛，或者通过施加真空抽空。模具被加热到al合金金属基体组合物熔化但整体毂盘不熔化的温度。向模具施加在(1至8mpa)的范围内的压力以固结al-sic合金并且冶金结合至芯体即单件毂盘。在整个冷却循环过程中仍会施加压力，产生孔隙率小于2％的al-sic合金层。复合材料层中sic的百分比可以从大约25％变化到65％，并且优选地从35％变化到50％。
实施例十
作为另一个实施例，重复实施例十一(xi)的过程，不同之处在于形成的制动盘经受热处理以增加硬度并改善其机械性能。优选地，热处理包括所谓的t6回火，也称为溶热处理加老化处理，其中首先允许夹层复合材料自然冷却。然后在高温干燥炉中将夹层复合材料加热至510℃的温度。4小时后，将铸件从干燥炉中取出并迅速淬火。然后将铸件移至低温干燥炉并在170℃下保持12小时，然后空气冷却。
实施例十一
可以按照例如发明人的在先美国专利8,203,095(其内容通过引用并入本文)中的教导来使用增材制造(am)工艺以形成作为刹车片的全部厚度或作为表面反应或包层的复合物。增材制造由cad驱动的功率束源组成，该功率束源在连续移动的点(spot)中熔化粉末或线材，该点(spot)层层地构建材料或转化可形成金属保护层或涂层的表面。用于产生功率射束的处理包括电子束(电子束)、激光或等离子体转移弧(pta)，其中工件是一个电极而焊枪嘴是使诸如氩或氦的气体离子化的另一电极，其在焊枪嘴和零件之间形成等离子束。通过共同供给金属和陶瓷颗粒以逐层建造，刹车片可以使用任何功率束工艺制造。例如，可以将铝丝或粉末送入熔池区域，同时还将陶瓷粉末共同进料以产生复合物。cad程序可设置为以所需的厚度、几乎以所需的任何陶瓷颗粒体积构建整个刹车片，所需的任何陶瓷颗粒体积包括对刹车片而言最合适的35-60％。陶瓷的浓度在构建开始时可以变化，并且逐渐下降直到最终层厚度建立并且再次以高浓度添加，以在刹车片的每个表面上提供高耐磨性。
可以使用任何功率束工艺以任何期望的陶瓷颗粒加载逐层构建刹车片，加载包括在铝或其合金、钛或其合金或可用作刹车片的诸如cu、fe、ni、co、zn的其他结构金属的每个表面的梯度。
在特定情况下，可以使用纯1100铝合金粉末作为基体，sic颗粒作为陶瓷填料。pta系统可以用作功率光源。可以使用1100铝粉和sic粉末的进料混合物来生产铝基体中40％体积的sic的复合组成。pta系统可以设定5磅/小时的构建速度以在一小时内建立整个刹车片，因为具有150毫米开口中心孔的大约310毫米直径的al-sic复合物的典型刹车片重量小于5磅。
实施例十二
可以使用ptaam系统将al-sic复合物涂覆到预先裁好尺寸的cpti圆盘的表面上。可以将cad系统和pta的功率设定为仅用356铝合金和sic粉末的粉末进料混合物熔化仅几毫米的圆盘的表面以产生包含50％体积sic的铝化钛层。可以控制pta束功率以补偿铝与钛的放热反应，从而不会使cpti圆盘的层熔化太深。
这种功率束处理可以在除了钛以外的基座材料中形成表面金属保护层。可以使用包括铝和铸铁或钢材的基座材料。如果铝是基础刹车片材料，则钛粉可用于产生放热以形成复合金属保护层。标准铸铁刹车片可用于形成feal、fe3al或feal3以及钛的表面层以形成钛金属间复合物tife2或tife。
任何功率束工艺都可以用来熔化钛圆盘的表面，该钛圆盘可以是任何钛合金。可以使用除铝之外的诸如cu、fe、ni、co、zn之类的金属间复合物以及任何单一或混合成分的陶瓷颗粒以及金属间陶瓷颗粒合金可以形成在其上的铸铁或钢的基座合金以形成金属保护层的反应层表面。
实施例十三
可以修改摩擦搅拌焊接系统以提供进入旋转头的粉末进料，该旋转头由cad系统控制，该cad系统在旋转头上提供受控的向下压力以及在刀具路径中前进的受控速度。可以将50％体积的sic粉末和铝粉末的混合物供给到旋转头，该旋转头具有足够的向下的压力，使得摩擦导致钛基板的表面与进料中的铝熔融，产生有助于在摩擦搅拌过程中的熔化的放热，旋转头将sic颗粒封装在熔融层中，随着旋转头在其cad导向工具路径中向前移动而固结，包含sic颗粒的铝化钛表面无孔隙地产生。
为了加速旋转头在受控的向下压力下的向前运动，在旋转头前方可以施加额外的热量，例如割枪、激光束、电子束、等离子体转移弧(pta)束、电感耦合或例如来自钨石英灯的聚焦的辐射束。旋转头的旋转速度和向下压力可以稍微减小以利用在fsp加工前面施加的额外的热量在钛刹车片上产生熔融路径。通过fsp的cad控制，形成的复合层可以覆盖预制成刹车片的尺寸的cpti圆盘的整个表面或者仅仅在刹车片宽度的路径上。
铝化钛-sic层的厚度可以通过由旋转头速度及其向下的压力产生的熔体的深度、来自al-ti产生的热量的放热以及在向前移动的旋转头前方提供的任何辅助热量来控制。表面层厚度可以小至约0.25毫米至约5毫米。可以使用具有足够的向下压力和转速的坚硬而坚固的旋转头来熔化10mm或更多的深度。这种摩擦搅拌能力允许通过摩擦搅拌处理(fsp)将刹车片的整个横截面形成为复合材料，其可以与在增量制造中描绘的类似于逐层的方式单层或多层进行。
尽管这个实施例是针对cpti基刹车片给出的，但是可以利用诸如铝、铸铁、钢、铜和锌的其他基金属通过摩擦搅拌处理(fsp)来制造具有单一陶瓷颗粒或混合陶瓷颗粒的复合材料。
前面的描述讨论了本发明的实施方式和优选实施方式，在不脱离权利要求限定的本发明的范围的情况下可以对其进行改变或修改。括号中列出的实施例可以是任何方式的替代或组合。本发明包括所公开的结构和方法的任何实际组合。如说明书中所用，“过程(process)”和“方法(method)”这两个词是同义词。如说明书和权利要求中所用，所有语法变体中的“具有(having)”和“包括(including)”是开放式的并且与“包含(comprising)”及其语法变体同义。虽然为了描述的清楚起见，已经描述了本发明的几个具体实施方式和实施例，但是本发明的范围旨在由如下所述的权利要求来衡量。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于形成结合到固体金属基板表面的金属合金层的方法，所述方法包括：
将内容物装载到模具中，其中模具的内容物包括基板和呈粉末形式的含金属混合物，其中基板的表面在不与含金属混合物接触时在第一温度下熔化，并且其中含金属混合物的组分在小于第一温度的第二温度下熔化；
将模具的内容物加热至第一温度与第二温度之间的温度，以使基板的元素与混合物的至少一种组分发生反应；和
通过在模具上施加压力一段时间来致密模具的内容物，所述一段时间包括在内容物冷却到环境温度之前的时间；由此
将包含混合物的至少一种组分的层结合到基板的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一段时间包括在期间发生放热反应的时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
将模具的内容物加热至介于第一温度和第二温度之间的温度，以使基板的至少两种元素、粉末的第一组分材料和可能存在的粉末的第二组分材料反应。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中熔体的体积小于基板的体积。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一温度对应于由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组中的元素的熔点，或者对应于包含由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的一种或多种元素的合金的熔点。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应不产生气相产物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应涉及由铝、硼、钴、铜、铁、镍、钯、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组的反应物。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应包括粉末的第一反应物和粉末的第二反应物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末包括铝合金和陶瓷颗粒。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
a.基板包含铝；和
b.所述粉末包含铝或铝与硅的合金，或铝、硅与镁的合金，或铝与钛的合金，或铝、硅与钛的合金，或选自ti-al和ti-al-cr-nb的预制合金粉末。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述陶瓷颗粒包含碳化硅。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层的外表面的25％至65％，优选35％或更多的所述层的外表面包含陶瓷颗粒。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层和所述基板包含产物并且所述产物的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末的特征还在于一个或多个以下特征：
a.所述粉末不含粘合剂；
b.所述粉末包含约61％重量的铝硅合金和约39％重量的碳化硅；
c.所述粉末包含约59.5％重量的铝硅合金，约38％重量的碳化硅和任选的约2.5％重量的钛；
d.所述粉末包含具有由约5微米的d10、约15微米的d50和约38微米的d90限定的粒度分布的铝硅合金；
e.所述粉末包含具有约10微米至20微米的粒度的碳化硅；
f.所述粉末包含粒度约为44微米的钛；
g.所述粉末包含铝合金356、铝合金4032、铝合金5052或铝合金5083；
h.所述粉末包含具有12％重量的硅合金的铝；
i.所述粉末包含碳化硅颗粒并且95％的碳化硅颗粒具有小于约50微米的粒度，以及
j.可选地热处理所形成的产物。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基板基本上由铝1100或铝合金5052组成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末平铺在基板的表面上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末以0.001英寸至0.25英寸，优选0.60至0.125英寸，更优选0.40至0.080英寸，最优选约0.050英寸的厚度平铺在基板的表面上。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过形成固相反应产物来减少一定量的液态熔体。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括抽空模具。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基板包括毂盘组件。
22.一种用于集成液态金属基体复合物和固态金属基板的方法，所述方法包括：
实现涉及液态金属基体复合物的反应；和
在至少一部分反应期间致密化液态金属基体复合物和固态金属基板的组合，并且将金属基体复合物从液态冷却到固态，并且可选地热处理形成的产物。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在反应的持续时间的至少一部分期间使液态金属基体复合物和固态金属基板的组合致密化。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其中液态金属基体复合物的体积小于基板的体积。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中基板具有对应于由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组的元素的熔点的熔化温度，或铝合金优选包含铝和由钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的一种或多种元素。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的方法，其中所述反应不产生气相产物。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述反应涉及选自由铝、硼、钴、铜、铁、镍、钯、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的两种或多种金属的放热反应。
28.根据权利要求22-27中任一项所述的方法，其中所述反应包括复合物的液态金属基体的第一反应物和复合物的液态金属基体的第二反应物。
29.根据权利要求22-28中任一项所述的方法，其中液态金属基体复合物包含铝合金和陶瓷颗粒，优选为碳化硅。
30.根据权利要求22-29中任一项所述的方法，其中：
a.基板包含铝；和
b.金属基体复合物包括碳化硅，或者铝和硅的合金，或者铝、硅和镁的合金，或者铝和钛的合金，或者铝、硅和钛的合金，或者选自ti-al或ti-al-cr-nb的预制合金粉末。
31.根据权利要求22-30中任一项所述的方法，其中所述层的外表面的25％至65％，优选35％或更多的所述层的外表面包含陶瓷颗粒。
32.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其中所述层的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。
33.根据权利要求22-32中任一项所述的方法，其中所述层和所述基板包含产物并且所述产物的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。
34.根据权利要求22-33中任一项所述的方法，还包括使所述反应在低于环境大气压的情况下进行。
35.根据权利要求22-34中任一项所述的方法，其中所述基板包括毂盘组件。
36.根据权利要求1-35中任一项所述的方法形成的车辆刹车片。
37.一种用于形成结合到固体基板表面的层的系统，所述系统包括：
a.模具，其封装所提供的模具内容物，内容物包含基板和粉末，模具可选地包括排气口；
b.加热子系统，其被配置为释放来自所提供的源的能量以加热模具的内容物；
c.机械子系统，其配置为对内容物施加力；和
d.控制器，其被耦合以控制加热子系统和机械子系统，控制器被配置成通过加热内容物来实现基板的表面和所述粉末之间的放热反应；并且通过施加一段时间的力来实现内容物的致密化，所述一段时间包括内容物冷却到环境温度之前的时间。
38.根据权利要求37所述的系统，还包括：
真空子系统，其适于通过可选的排气口从模具的内容物中去除气体。
39.根据权利要求37或38所述的系统，其中基板包括毂盘组件。
40.一种模具，包括：
a.外围部件；
b.基座部件；和
c.盖子部件；其中，
d.基座部件与外围部件形成摩擦配合密封；和
e.盖子部件与外围部件形成摩擦配合密封。
41.根据权利要求40所述的模具，其中
a.模具还包括毂部件；和
b.毂部件与基座部件和盖子部件形成摩擦配合密封。
42.根据权利要求40或权利要求41中任一项所述的模具，其中至少一个摩擦配合密封包括石墨与石墨的界面。
43.根据权利要求40-42中任一项所述的模具，其中：
a.外围部件围绕轴线具有圆柱对称性；和
b.毂部件、基座部件和盖子部件可以作为一个单元通过沿着轴线将外围部件和单元分离而从外围部件拆卸下来。
44.一种模具，包括：
a.容器，其具有内部；
b.排气口，其用于抽空内部；和
c.盖子，其在所述容器内的第一位置关闭所述容器以封闭所述内部并且在所述容器内的第二位置进一步关闭所述容器以封闭所述内部；其中，
d.排气口在第二位置比在第一位置处被盖子阻塞更多。
45.根据权利要求44所述的模具，其中模具的内容物可以通过沿第一方向对盖子施加力以将盖子进一步推入容器中而承受压力，其中在第一位置向盖子施加力将盖子朝向第二位置移动。
46.根据权利要求44或权利要求45所述的模具，其中盖子与容器形成摩擦配合密封。
47.根据权利要求46所述的模具，其中在盖子从第一位置移动到第二位置时保持所述密封。
48.根据权利要求44-47中任一项所述的模具，其中容器包括：
a.基座部件；和
b.外围部件，其邻接于基座部件以在基座部件和外围部件之间形成摩擦配合密封。
49.根据权利要求44-48中任一项所述的模具，其中所述容器、所述盖子、所述基座部件和所述外围部件中的至少一个在相应的摩擦配合密封处包括压制石墨。
50.一种车辆刹车片，包括：
a.形成为圆盘的低孔隙率金属的基板；和
b.粘结到芯体的层，用于与提供的刹车片配合以与圆盘接触；其中，
c.所述层的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。
51.根据权利要求50所述的车辆刹车片，其中所述层包括在所述层的外表面的35％以上的嵌入的陶瓷颗粒。
52.根据权利要求50或权利要求51所述的车辆刹车片，其中所述层包含金属基体复合物，并且其中所述金属基体复合物优选基本上全部均匀。
53.根据权利要求50-52中任一项所述的车辆刹车片，其孔隙率小于体积的0.20％，并且其中所述层通过冶金结合结合至芯体。
54.一种机器可读存储器，包括用于执行序列的机器可读程序代码、耦合到加热子系统和压制子系统的控制器、用于形成结合到固体基板的表面的层的序列，其中基板和粉末位于腔室中并且受到加热子系统和压制子系统的作用，序列按顺序包括：
第一指令，其用于加热子系统以将粉末加热到粉末的至少一种组分材料的熔点或其以上以产生熔体，其中加热子系统对第一指令的响应不会导致基板的大量熔化；
第二指令，其用于压制子系统以保持对抵靠着基板的熔体的机械力；
第三指令，其用于加热子系统，其能够使熔体和基板冷却一段时间；和
第四指令，其用于压制子系统以经过一段时间后减小机械力。
55.根据权利要求54所述的存储器，其中：控制器进一步耦合到适于从腔室移除气体的抽空子系统；和
所述方法还包括在第一指令之前的第五指令，其用于抽空子系统以从腔室中去除气体。
56.一种用于形成车辆刹车片的方法，包括：在模具中装载成形金属基板和金属合金成分与陶瓷颗粒的混合物；
使高压电流通过模具，同时施加压力以熔化合金混合物的至少一种金属组分，由此使模具的内容物致密并在金属基板上或遍及金属基板形成含陶瓷颗粒的合金涂层；和
冷却得到的涂层产物和
可选地热处理涂层产物。
57.根据权利要求56所述的方法，其中金属基板由铝或钛形成，并且涂层材料包括铝、钛和碳化硅的混合物。
58.根据权利要求56或权利要求57所述的方法，其中基板包括毂盘组件。
59.一种用于形成车辆刹车片的方法，所述方法包括：
提供金属基板；
采用扫描等离子体焰炬将高温电弧等离子体流撞击在基板的表面上；所述等离子体流包括金属或金属合金、陶瓷粉末和可电离气体，所述基板形成电极并与所述等离子体电弧和焊炬电源完成电路，所述等离子体具有足够的能量以电离气体以便加热基板的表面；
并且引起基板中的金属和等离子体流中的金属或金属合金之间的反应，由此在基板上形成包括陶瓷粉末的复合表面层。
60.根据权利要求59所述的方法，包括在形成复合表面之后将冷却射流气体冲击到基板的等离子体加热区域上的步骤。
61.根据权利要求59或权利要求60所述的方法，其中基板包含选自由铝、铝合金、钛、钛合金、铁、镍、铜或锌组成的组中的金属，并且所述粉末包含来自由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组中的金属或包含由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的两种或多种元素的合金。
62.根据权利要求59-61中任一项所述的方法，其中可电离气体包括ar、he、由ar和he与n2组成的混合物或含碳气体中的至少一种。
63.根据权利要求59-62中任一项所述的方法，其中基板为包括毂的全尺寸圆盘的形状。
64.一种形成结合到固体金属基板表面的熔融合金层的方法，所述方法包括：
提供金属基板；
将旋转头朝向基板定位；
在足够的压力下在旋转头和基板之间供给粉末金属和陶瓷进料混合物，使得摩擦将温度升高以将金属进料固态焊接/结合到金属基板的表面，或者压力和摩擦导致金属基板表面熔化并与金属进料反应，于是金属和陶瓷混合物结合到基板表面，并且
可选地热处理所得产物。
65.根据权利要求64所述的方法，其中基板包含选自由铝、铝合金、钛、钛合金、铁、镍、铜或锌组成的组中的金属，并且粉末金属进料包括选自由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组中的金属或包含由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的两种或多种元素的合金。
66.根据权利要求64或65所述的方法，其中基板包括毂盘组件。