专利名称：采用阻挡层制备金属基体复合物的方法
技术领域：
本发明主要涉及关于制备定形金属基体复合物的方法。具体说，本发明所涉及的制备定形金属基体的方法是采用熔融铝合金自发渗透可渗性陶瓷块填充料，直至熔融铝合金与用来形成表面、周边及边界的阻挡层接触以便产生网形。
复合物制品包括金属基体及诸如陶瓷颗粒、晶须、纤维之类加强相，可广泛应用于多种场合，因为这种制品兼备加强相的强度、硬度与金属基体的延展性和韧性。一般说，金属基体复合物跟基体金属本身相比，下列性能有改善强度、硬度、抗接触磨损及高温残留强度等，但任一特定性能改善的程度则大体取决于具体组分，其体积或重量比，以及如何加工形成复合物的方式。有时，复合物也可能重量更轻一些。用诸如碳化硅之类陶瓷以颗粒、片晶、或晶须形式加强的铝基体复合物是有意义的，因为它们相对铝来说，硬度、抗磨损性与高强度都比较好。
为制备铝基体复合物，已经介绍过几种冶金工艺，从粉末冶金技术到液态金属渗透的技术，例如加压浇铸、用真空或增湿剂将金属渗入陶瓷体内。
1987年5月13日以艾格加宁(Aghajanian)等人的名义提出的题为“金属基体复合物”的共同拥有与在申请的美国申请序列号049，171披露了采用熔融金属渗入可渗性陶瓷块填充料来制备金属基体复合物的方法。根据该发明的方法，渗入可渗性陶瓷块填充料的熔融铝中，含有至少大约1%重量的镁，并且最好是含至少大约3%重量的镁。渗入自发进行而不需外压或高真空。熔融金属合金与填充块料的接触条件是温度最低大约700℃左右，在有含10%至100%(最好至少约含50%)体积的氮气、其余为非氧化气体即氩气的气氛中接触。在这些条件下，熔融铝合金在常规气压下渗入陶瓷块而形成铝基体复合物。一旦适量的陶瓷材料已被熔融合金所渗透，就降低温度，使合金固化，从而生成嵌入加强的陶瓷材料中的固态金属基体结构。通常，最好是所用熔融金属的供应量足以使渗透基本进到陶瓷块的临界面。这一共同拥有的专利申请的全部披露特意在此写入以供参考。
采用已有技术的方法及上述共同拥有的在申请的申请的方法来制备网状或近似网状金属基体复合物的一个关键是减少或阻止金属基体传递或渗透到超出可渗性陶瓷填充块料或预制品的确定表面临界层的地方。控制金属基体至任何确定表面临界层的渗透，例如采用预定量的金属，抽掉含氮气体的气氛，或将温度降至金属的熔点之下可基本防止表面临界层的过渗透，但是上述任一步骤都需要精密控制、高度留心以便基本上不让金属基体传递超出陶瓷块填充料确定的表面临界层，而且还不能形成最理想的网状或近网状，或需要额外的加工或抛光。
本发明提供了在大气压力下形成金属基体复合物的方法，同时可靠地建立临界面，或基本上防止过渗透或者说传递超出渗透金属基体的临界面，这是在金属基体复合物中形成网状所需的。
本发明的方法包括用熔融铝合金渗入可渗性陶瓷块填充料而制备金属基体复合物，所述陶瓷块至少有一个电阻挡层建立或确定的表面临界层。熔融铝合金至少包含重量为大约1%的镁，最好不低于3%左右。渗透自发产生而不需外压或高真空。熔融金属合金区与可渗性陶瓷块填充料接触，其温度最低为700℃左右，在含有10%至100%(最好至少约为50%)体积的氮气、其余为非氧化气体即氩气的气氛中接触。可渗性物质与熔融金属合金接触，使得阻挡层起码要部分跟接触区隔开。在这些操作条件下，熔融金属合金在正常气压下自发渗入可渗性陶瓷块，直至与阻挡层接触为止。当熔融金属合金与阻挡层接触后，超出表面临界层的传递或渗透基本中止。熔融合金渗入陶瓷材料抵达阻挡层之后，降低温度，使合金固化，从而形成嵌入正在强化的陶瓷材料的表面临界层的固态金属基体结构。根据本发明制备的铝基体复合物中，陶瓷填充料的量可能非常高。在这方面，陶瓷填充料与合金比率可高于1∶1。
在本发明的一个最佳实施例中，形成的可渗性陶瓷块填充料至少有一个确定的表面临界层。阻挡层，即一软性石墨片或二硼化钛颗粒。安置在确定的表面临界层上。熔融铝合金被递送到可渗性陶瓷块填充料或预制品，是通过将合金体安置在靠近或接触可渗性材料的位置来实现的，这样，熔融铝合金的渗透即向所述阻挡层方向进行。在含氮气氛中加热合金与可渗性陶瓷块至合金熔点以上，熔融合金在此温度即自发渗入邻接的或周围陶瓷填充物直至阻挡层。阻挡层可防止渗透超出可渗性陶瓷块的确定的表面临界层。熔融合金大致全部渗入陶瓷块直至确定的表面临界层之后，将已渗透的陶瓷结构冷却至合金熔点以下的温度，以便产生铝合金固态基体，所述铝合金嵌入陶瓷块直至确定的表面临界层，而且没有任何固态铝合金超出确定的表面临界层。
按照本发明制备的铝基体复合物通常具有原来陶瓷填充料或预制品的形状，而且所述填充料或预制品有阻挡层阻止在表面临界层外形成铝基体，这样就可获得一个网状或近似网状陶瓷体。铝基体复合物一般含有氮化铝，它在铝基体中呈不连续相的形式。铝基体中氮化物的含量因如下因素而变所选择的温度，合金成分，气体成分与陶瓷填充料的不同。弥散的氮化铝量的改变是通过控制系统中的一个或多个因素来实现的，例如，通过控制温度，可以改变复合物的某些性能。
这里所用的所谓“其余非氧化气体”是指除元素氮以外出现的任何气体，或者是惰性气体或是还原性气体，在此工艺过程情况下它们基本上不与铝发生反应。在所用气体中可能以杂质形式出现的任何氧化性气体(除氮气之外)都不足以使金属有任何实际程度的氧化。
应当理解，如下术语“陶瓷”、“陶瓷材料”、“陶瓷填充料”或“陶瓷填充材料”，是试图包括多种陶瓷填充料，例如氧化铝或碳化硅纤维，及陶瓷瓷涂敷的填充材料，象用氧化铝或碳化硅涂敷使碳不被熔融金属浸蚀的碳纤维。还应当理解，此过程中所用的铝，除与镁形成合金之外，基本上是纯的或商品级纯的铝，或可跟其他组分象铁、硅、铜、锰、铬之类形成合金。
图1为侧截面立面示意图，示出了商标为Grafoil 石墨的双层软石墨片，裹在陶瓷填充材料周围，填充料又与上叠放着一块铝合金，整个装置浸在惰性基液(bed)中，放在耐火容器中以便按照最佳实施例1的程序进行加工。
图2为图1陶瓷填充材料的垂直截面图，铝合金基体已经渗透到该填充材料确定的临界层。
图3为侧截面立面示意图，示出了具有截顶锥体断面的一个陶瓷预制品支撑着矩形铝合金锭的情形，该陶瓷预制品浸在二硼化钛粒子中，而TiB2则盛在耐火容器中，以便按照最佳实施例2的程序进行加工。
图4为图3陶瓷预制品的垂直截面图，铝合金基体已经渗透到该预制品确定的临界层，还画出了外边的未反应的铝合金。
图5为截面立面示意图，示出了陶瓷预制品与铝合金锭叠加，此装置浸入盛在耐火容器内的TiB2粒子中，以使按照最佳实施例3的程序进行加工。
图6为图5陶瓷预制品的垂直截面图，铝合金基体已渗透到该预制品确定的临界层。
按照本发明的方法，一个渗性陶瓷块填充料即陶瓷粒子，晶须或纤维，做成至少有一个确定的表面临界层的形状，而且此临界层起码有一部分被阻挡层包围或叠加。“填充料”这一术语理解为包括最终粘接在整个复合物之中的预制品或预制品部件。陶瓷填充料置于靠近铝镁合金表面处或者与之接触，使得被阻挡层包围或叠加的确定表面临界层至少有一部分远离或在与陶瓷填充料接触的铝镁合金的外表面。熔融铝镁合金将向陶瓷填充料渗入，并朝着具有阻挡层的确定表面临界层的方向渗透。可渗性陶瓷块填充材料是此增强材料的一部分，在炉子里至少加热至铝镁合金熔点温度之上，在有含氮气体气氛中铝合金熔化，熔融铝合金自发地渐渐渗入可渗性陶瓷块。这种自发渗透一直进行直至金属基体与被阻挡层包围或叠加的表面确定的临界层接触为止。通常，陶瓷填充材料与金属基体的临界层基本重合，但陶瓷填充材料的单个组分可能从金属基体暴露出或突出来，因此，从用金属基体完全包围或封闭陶瓷填充材料这点来说，渗透与嵌入是不完善的。熔融铝合金与阻挡层一旦接触，阻挡层就能防止、阻止、中止熔融铝合金的迁移或运动。因此熔融铝合金基本上不含再传递或“过渗透”超过确定的表面临界层。金属基体形成的程度也随工艺条件而变，下面将详细解释。熔融铝合金渗入可渗性陶瓷块填充材料至阻挡层之后，此增强材料可以冷却，即在铝合金熔点之下从炉中取出。使熔融铝合金在可渗性陶瓷块内固化。生成的基体复合物包括一个由铝合金渗入或嵌入达到临界层的陶瓷块材料。从而，本发明的阻挡层有助于制备界限明确的网状或近网状金属基体复合物。
本发明的阻挡方式可以是任何干涉、阻止、防止或中止熔融铝合金的迁移运动超出陶瓷填充材料的确定表面临界层的适应方式。适当的阻挡层可以是任何材料，化合物、元素及合成物等，它们在本发明的工艺条件下保持某种完整性，不挥发，最好能渗透含氮气体，并能局部禁止、停止、干涉、防止超出陶瓷填充料的确定表面临界层的继续渗透或任何方式的移动。
适当的阻挡层材料，当在所采用的工艺条件下基本上不被迁移的熔融合金沾湿。这类阻挡层似乎对熔融铝合金只有很小或没有亲和力，因而阻挡层防止或阻止了超出陶瓷填充材料的确定表面临界层的移动。阻挡层减少了金属基体陶瓷复合物所要求的磨光或加工。如上所述，阻挡层最好是可渗透的或多孔的，或刺孔面使之渗透，使含氮气体与熔融铝合金接触。
本发明中特别有用的适当阻挡层是含碳，尤其是碳的同素异形晶体-石墨的物质，石墨基本上不被迁移的熔融铝合金所沾湿。最理想的石墨是商标号为Grafoil 的石墨带(联合碳化物公司注册)。这种石墨带具有流体封闭特性，防止了熔融铝合金移动超出陶瓷填充材料确定的表面临界层。此石墨带又耐热，并且在化学上呈惰性。Grafoil 石墨材料呈软性、兼容、一致而有弹性。它可作成多种形状来满足任何阻挡层的应用。石墨阻挡层可用于陶瓷填充材料的临界层上或周围的糊剂、稀浆、甚至涂料膜。Grafoil 为软性石墨片形状，因此尤为理想。使用中，在炉中加热之前像纸一样的石墨就在铝合金、陶瓷填充材料增强材料周围很容易地成形。当增强材料加热至铝合金的熔点温度后，产生穿过陶瓷填充材料的自发渗透，但当到达软性石墨片时即停止。
其他理想的阻挡层为过渡金属硼化物，即二硼化钛(TiB2在所用的工艺条件下这种材料通常是不被熔融金属合金所沾湿的。这种阻挡层，工艺温度不应超过875℃左右，否则阻挡层材料的效果就会大大降低，事实上温度再升高，就将发生透进阻挡层的情况。过渡金属硼化物一般为颗粒状(1～30微米)。阻挡材料既可用作合金、陶瓷填充料增强材料的周围涂布料，也可作为稀浆或糊剂用作可渗性陶瓷块填充料的临界层，所述陶瓷块填充料最好是预成型制成预制品。
其他阻挡层还有用作陶瓷填充材料或预制品上的膜或层的低挥发性有机化合物。在氮气中燃烧，尤其在本发明的工艺条件下燃烧，有机化合物分解，留下了碳黑膜。有机化合物的涂敷可用普通方法，如涂、喷、浸等。
另外，经细磨的颗粒材料可充当阻挡层，条件是颗粒材料的渗透速率低于陶瓷填充材料的渗透速率。
在形成金属基体复合物时，为使熔融合金只有极小或基本上没有渗透、移动或过渗透超过确定的表面临界层，阻挡层可在坩埚中在合金、陶瓷填充料四周形成，或放置、配置、定位在紧靠可渗性陶瓷块填充料或预制品的确定表面临界层处。阻挡层可采用任何适应方式覆盖，在应具有此阻挡层的确定表面临界层上形成层状组织。这种阻挡层可采用涂、浸、丝网漏印、蒸发法形成，或用液体、稀浆形式，或溅射可蒸发的阻挡层，或干脆沉积一层固态粒子阻挡层，或将固态阻挡层薄片或薄膜布在确定表面的临界层上。有了阻挡层，一旦自发渗透到达确定表面的临界层并与阻挡层接触时实际上就停止了。
在本发明采用的工艺条件下，陶瓷块或体可渗性很大，足以使氮气穿透陶瓷块与熔融金属接触，渗氮陶瓷材料由熔融铝合金自发渗透而形成铝基体复合物。自发渗透并形成金属基体的程度则随特定工艺条件而改变，这些工艺条件是铝合金中的镁含量，出现外加合金元素，填充材料的尺寸，表面条件及类型，氮气浓度、时间与温度。为使熔融铝自发产生渗透，铝与至少1%左右，最好至少约3%左右重量的镁形成合金。一种或几种辅助合金元素，如硅、锌或铁可包括在此合金内，这些元素可影响合金中所用的极少量的镁。已知，某些元素会从铝熔体中挥发掉，这种挥发与时间、温度有关。因此，在本发明过程中，会产生镁与锌的挥发。所以，采用最初至少含1%左右重量的镁的合金为好。此工艺进行的条件是有含氮体积至少10%，左右的氮气氛存在，其余为此工艺条件下的非氧化性气体。陶瓷块基本完全渗透之后，冷却氮气氛，使金属固化，从而形成基本上嵌入陶瓷填充材料的固态金属基体。由于铝镁合金沾湿了陶瓷，在金属和陶瓷之间形成良好的粘结，因此反过来又改进了复合物的性能。
为产生陶瓷填充金属基体复合物所用铝合金中的最小镁含量取决于一个或几个变量，如处理温度、时间，是否有硅或锌之类的辅助合金元素存在，陶瓷填充材料的性质、气体流的氮含量。合金中镁含量增加时，可使用较低的温度或较短的加热时间。同样，对于一定的镁含量，添加某种辅助合金元素(象锌之类)就可使用较低的温度。例如，在工作范围低端的镁含量，即1%至3%重量与如下至少一个条件配合使用比最低值高的处理温度，高氮浓度，一种或几种辅助合金元素。考虑到工艺条件在一个较大范围内变化，采用含大约3%至5%重量的镁的铝合金最为有效，当采用较低的温度与较短的时间时最好采用5%左右的重量比。为调节渗透所需的温度条件，铝合金中的镁含量重量比可超过10%左右。当与辅助合金元素配合使用时也可降低镁含量，然而，这些元素仅仅也就是因为与上述规定的镁量结合使用时才起辅助作用的。例如，标定纯铝仅与10%的硅组成的合金，在1000℃放入500目的39号碳化硅(Norton公司的99%纯碳化硅)基床中，实际上不产生渗透。
使用一种或几种辅助合金元素与包围气体中的氮浓度在一定温度下也影响合金基体的氮化程度。例如，可提高合金中锌或铁之类辅助合金元素的浓度，以降低渗透温度，从而减少氮化物的形成，而提高气体中氮的浓度则会促进氮化物的形成。
在一定的温度下，镁在合金中的浓度也会影响渗透的程度。最好是在合金中含大约3%重量的镁。若低于这一含量，如1%重量的镁，为了渗透就需要较高的工艺温度或增添辅助合金元素。当合金中的镁含量增加，即至少大约为5%重量时，或在铝合金中存在另一元素(锌或铁)时，影响本发明自发渗透过程所需的温度可以降低。此温度也随不同陶瓷材料而变。一般说来，自发渐进的渗透至少在大约700℃工艺温度时发生，最好在至少大约800℃时发生。一般，温度超过1200℃时似乎对此工艺没有好处。业已发现，特别适宜的温度范围为800℃左右至1200℃左右。
在本发明所用的方法中，为获得渗透所需的整个时间内，在含氮气体始终存在的情况下，将熔融铝合金递送给可渗性陶瓷块材料块。只要让气体源源不绝地流动，跟陶瓷材料与熔融铝合金的增强材料相接触，就能实现这一过程。尽管含气体流速不是关键的，然而，建议最好使流量足以补偿在合金基体中由于生成氮化物在气氛中所消耗的氮，而且也要防止并阻止空气进入，以免对熔融金属起氧化作用。
综上所述，含氮气体至少含大约10%体积的氮。业已发现，氮浓度可影响渗透速率。尤其是当氮浓度减少时渗透所需的时间周期要增加。如1987年5月13日提出申请的序列号为049，171.题为“金属基体复合物”的在申请的申请中所示，在100℃时用含5%的镁、5%硅的熔融铝合金渗透氧化铝所需的时间随氮浓度的降低而延长。采用含50%体积的氮，5个小时完成渗透。若气体中含30%体积的氮，该时间周期增加到24小时，气体含10%体积的氮。时间增至72小时。最好是气体中含100%的氮。在有效范围低端的氮浓度，即低于30%左右体积时，由于渗透所需的加热时间较长，一般并不可取。
本发明的方法适用于多种品种的陶瓷材料，陶瓷填充材料的选择取决于如下因素铝合金、工艺条件，熔融铝跟填充材料的反应性以及最终复合物的性能。这些材料包括(a)氧化物，如氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化锆与二氧化铪;(b)碳化物，如碳化硅与碳化钛;(c)硼化物，如二硼化钛与十二硼化铝;以及(d)氮化物，如氮化铝、氮化硅与氮化铝。如果陶瓷填充料与熔融铝合金有反应的倾向，可以通过缩短渗透时间与降低温度，或为填充料提供不反应的覆盖层来抑止。填充材料可以包括一个衬底，如碳或其他非陶瓷材料，表面带有陶瓷覆盖层以保护衬底不受浸蚀或退化。合适的陶瓷覆盖层包括氧化物、碳化物、硼化物与氮化物。本方法中选用的陶瓷是颗粒状、晶片、晶须与纤维状的氧化铝与碳化硅。纤维可以是不连续的(断开形式)或连续多丝形式，象多丝纤维束，并且，陶瓷块或预制品可以是同质或异质的。
碳化硅与熔融铝反应生成碳化铝，如果碳化硅用作陶瓷填充材料，需要防止或使这一反应减至最小。碳化铝易受水气的腐蚀，因而可能弱化复合物。所以，为了防止或使这一反应减至最小，将碳化硅在空气中预燃烧而在其上形成二氧化硅层，或将铝合金进一步与硅形成合金，或进行以上两种方式。不论哪一种情况，结果都是增加合金中硅的含量，减缓碳化铝的形成。还能用类似的方法来防止与其他陶瓷填充材料的不符需要的反应。
陶瓷材料的形状与尺寸可以是获得复合物理想性能所要求的任何形状尺寸。这样，材料可以是颗粒、晶须、晶片或纤维形式，因为渗透不受填充材料的形状所限制，其他形状，如球形、管状、丸状，耐熔纤维布之类也可采用。此外，材料尺寸不限制渗透。然而，如果完成渗透，较小颗粒的块比渗透大粒子所需的温度高，时间长。而且，待渗透的陶瓷块材料应是可渗性的，即对熔融铝合金与含氮气体可渗透。陶瓷材料可以具有浇注密度或压缩至适中密度。
本发明的方法，与使熔融金属压入陶瓷块材料所用的压力无关，能生产出基本上均一的铝合金基体复合物，它具有高体积比的陶瓷材料及低孔隙度。可通过使用低孔陶瓷材料原块的方法来实现陶瓷的高体积比。如果陶瓷块在所提供的压力下是致密的也可获得高体积比。只要陶瓷块没有转换成带密闭单元孔度的压块或成为致密结构，因为压块或致密结构会阻止熔融合金的渗透。
业已观察到，对于特定铝合金陶瓷系统中铝的渗透与基体形成，陶瓷被铝合金沾湿是主要的渗透机理。在低的处理温度时，发生忽略不计的或极小量金属的氮化，结果形成极小的不连续相的氮化铝，散布在金属基体中。当接近该温度范围的上端，金属的氮化更容易发生。因此，金属基体中氮化物相的量可通过改变处理温度来控制。氮化物形成更明显时的处理温度也随如下因素而变所用的铝合金、铝合金相对于填充料体积的量、被渗透的陶瓷材料以及所用气体的氮浓度。例如，在特定工艺温度下，据认为氮化铝形成的程度随合金沾湿陶瓷填充料的能力的减小及气体氮浓度的增加而提高。
因而，在复合物形成过程中，可能调整金属基体的组分，以使最终产物具有某种特性。对于特定的系统，可以选择工艺温度来控制氮化物的形成。包含氮化铝相的复合产物呈现出某种性能。这种性能有利于改善最终网状金属基体复合物产品的性质。而且，铝合金的自发渗透所用的温度范围随所用陶瓷材料的不同而异。氧化铝用作填充料时，渗透温度最好不超过1000℃左右，以保证基体的延展性不因氮化物明显形成而减小。然而，如果要制备延展性较小、较硬的基体时，所用温度可超过1000℃。为渗透其他陶瓷，如碳化硅，可用1200℃左右的较高温度，因为用碳化硅作填充材料，与用氧化铝作填充料相比，铝合金氮化的程度较小。
正如下面几个最佳实施例所示，熔融铝镁合金自发渗透可渗性陶瓷块材料，这是由于此合金有沾湿已被氮气渗透的陶瓷材料的倾向。在放有阻挡层的确定表面临界层处渗透停止。铝合金中可包含硅、锌之类的辅助合金元素，这样就能采用较低温度，较低的镁浓度。用包含10～20%或更多硅的铝镁合金渗透末经燃烧的碳化硅较好，因为硅趋于使熔融合金跟碳化硅反应生成碳化铝这一过程减至最小。另外，本发明中所用的铝合金可包含其他各种合金元素来提供合金基体专门要求的机械与物理性能。例如，合金中可包含铜添加剂，以便形成的基体可进行热处理以增强硬度与强度。
本发明的第一个最佳实施例参照图1，用10表示的3.5吋×3.5吋×0.5吋的预制品，具有表面临界层12、14、16和18。预制品的制备方法是将220号粒度的Al2O3颗粒熔融(38钢玉Norton公司提供)与胶状Al2O3(Nyacol Al-20胶状氧化铝溶液，PQ公司提供)浇铸进硅橡胶(基床GI-1000，塑料工具供应公司，Exton，PA)模，此后凝结并干燥这一混合物，所得沉积物即为预制品。表面临界层12与一个尺寸为2吋×3吋×1/2吋含5%重量的硅、5%重量锌，5%重量镁、其余为铝的锭块20叠加。在铝合金锭块20与陶瓷预制品10构成的增强材料周围形成双阻挡层22(每层为厚0.015吋的Grafoil 软性石墨带，由联合碳化物公司提供)，然后将此装置放在24号粒度的38号钢玉(Norfon公司)的基床24中处置，所述钢玉盛在10吋×10吋×4吋的石墨舟26中AGSX级，联合碳化物公司提供)。石墨舟26及其装载物在石墨真空炉中加热，炉内有流率为1.5升/分钟的10%的氮气，加热过程如下，5小时内以恒定速率升温至865℃，在865℃保温20小时;然后在3小时内以恒定速率降温至环境温度。在温度上升到865℃之前，将石墨舟26及其装载物在同一炉内，在真空中200℃。烘烤三个半小时，除去吸收的水气。如图2所示，铝合金自发渗透预制品10至表面临界层14、16与18，形成金属基体复合物28。表面临界层12被一些残留的固态铝合金复盖，它在图2中用30表示。残留铝合金很容易用机加工或磨光方法除去。
本发明的第二个最佳实施例参照图3，具有截顶锥形断面的陶瓷预制品用32表示，其尺寸为平均外径1 1/2 吋，高1吋，厚大均1/16吋，其表面临界层是33和34。预制品是铸造沉积物(见实施例1)，浇铸材料包括68%重量的220号粒度的38号刚玉、29%重量的500号粒度的38号刚玉以及3%重量的325目的硅金属。用“Elmer”木胶(俄亥俄州哥伦布市Borden公司提供)羟基与水作粘结液。浇铸沉积之后，将预制品放在碳化硅电阻加热炉中，在空气中1300℃预烧三小时。一个直径2吋，高1吋的圆柱铝合金锭块42，包含5%重量的硅、5%重量的锌、7%重量的镁、其余为铝，锭块42放置于预制品32的顶端，将此装置浸入5-6微米的TiB2基床44(HCT级。联合碳化物公司提供)中，所述基床44被盛在99.7%Al2O3坩埚中(Bolt技术陶瓷公司制造，Conroe，德克萨斯州，样本No6C)。坩埚46及其盛放物在电阻加热管式炉中加热，炉内混合气体包含96%氮气和4%氢气，流速为500CC/分，加热过程为以每小时150℃的速率升温至875℃，在875℃保温10小时;然后以每小时200℃的速率降至环境温度。如图4所示，铝合金自发渗透陶瓷预制品至表面临界层33，制成铝合金基体复合物48。表面临界层34被残留的固态铝合金50复盖。残留铝合金很容易用机加工或磨光除掉。
本发明的第三个最佳实施例参照图5，2吋×2吋× 1/2 吋预制品用52表示，用“Flmer”木胶混合物(俄亥俄州，哥伦布市，Borden公司提供)羟基及水作粘接剂，由C-75UNG煅烧Al2O3稀浆(Alcan铝公司提供)沉积浇铸而成。预制品形成后具有54，56，58与60表面临界层。表面临界层54与2吋×2吋× 1/2 吋的铝合金锭块62叠加，所述铝合金内含5%重量的硅，5%重量的镁，其余为铝，将此装置浸入5-6微米的TiB2(联合碳化物公司制造，HCT级)的基床64，所述TiB2放在150毫米×65毫米×35毫米，含99.7%Al2O3的坩埚66中(德州，Conroe，Bolt技术陶瓷公司制造)，坩埚66及其盛放物在石墨真空炉中加热，炉内混合气体包含96%氮气和4%氢气，流速为1000cc/分，加热过程如下10小时由以恒定速率升温至875℃，在875℃保温15小时;然后在5小时内以恒定速率降至环境温度。在升温升至875℃前，坩埚及其盛放物在同一炉中，真空200℃烘烤约6小时，以除去吸收的水气。如图6所示，铝合金自发渗透陶瓷预制品52直至表面临界层56、58与60，形成铝合金基体复合物68。表面临界层54被一些残留的固态铝合金(图6中70所示)所复盖。残留铝合金可用机加工或磨光法除去。
以上详述的典型的最佳实施例展示了本发明的效用。它们可作各种组合及变种，凡此种种均属本发明的技术。
权利要求
1.一种制备金属基体复合物的方法，包括如下步骤(a)提供一种铝合金以及至少一种材料，所述铝合金包含铝及至少约1%重量的镁，而所述材料是从包括可渗性陶瓷块材料及预制品的一组材料中选出的，它至少有一个由阻挡层确定的表面；(b)提供一种气体，它包括大约10%至100%体积的氮气，其余为非氧化气体；将熔融态的上述铝合金与所述至少一种材料的一个区域接触，使所述阻挡层至少部分与所述接触区隔开，于是所述熔融合金自发渗入所述至少一种材料直至所述阻挡层；c)使上述熔融铝合金固化，形成固态金属基体结构，此金属基体结构嵌入所述的至少一种材料，并具有由所述阻挡层形成的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为，在此工艺条件下，所述阻挡层基本上不被所述熔融铝合金沾湿;
3.一种制备金属基体复合物的方法，包括如下步骤(a)形成至少一种材料，此材料是从包括可渗性陶瓷块填充料与预制品的一组材料中选出的，所述至少一种材料至少有一个确定的表面临界层;(b)在上述确定的表面临界层配置软石墨片;(c)将所述至少一种材料的一个区域与一块铝合金接触，此合金包含铝与至少约1%重量的镁，使得所述软石墨片起码与所述接触区域部分隔开，于是熔融铝合金将会朝着所述软石墨片方向渗透;(d)将所述铝合金加热至熔点以上的温度，提供一种气体，它约含10%至100%体积的氮气、其余为非氧化性气体，在所述温度，熔融铝合金自发渗入所述至少一种材料直至所述软石墨片为止，以便嵌入此种材料;(c)允许所述熔融铝合金在所述至少一种材料中固化，以便形成金属基体复合物，该复合物具有由上述软石墨片形成的表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征为，所述阻挡层包括二硼化钛，并且所述铝合金被加热至不超过大约875℃的温度;
5.根据权利要求1所述的方法，其特征为，所述阻挡层包括碳;
6.根据权利要求1所述的方法，其特征为，所述阻挡层包括石墨;
7.根据权利要求1或3中任何一项所述的方法，其特征为所述铝合金与所述至少一种材料在至少约700℃的温度接触;
8.根据权利要求7所述的方法，其特征为，所述温度至少约为800℃;
9.根据权利要求8所述的方法，其特征为，该温度为800℃左右至1200℃左右;
10.根据权利要求1或3中的任何一项所述的方法，其特征为，该气体包括至少50%体积氮气，其余部分至少包括一种选自含氩气与氢气组成的气体;
11.根据权利要求10所述的方法，其特征为，该气体基本上全部是氮气;
12.根据权利要求11所述的方法，其特征为，所述温度为800℃左右至1200℃左右;
13.根据权利要求1或3中的任何一项所述的方法，其特征为该铝合金至少包含3%左右重量的镁;
14.根据权利要求13所述的方法，其特征为，该铝合金至少包含一种附加的辅助合金元素;
15.根据权利要求1或3中的任一项所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包括选自氧化物、碳化物、硼化物及氮化物系的一种材料;
16.根据权利要求15所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包含氧化铝，并且该温度约为1000℃;
17.根据权利要求15所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包含碳化硅，并且该温度约为1200℃;
18.根据权利要求15所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包含氧化锆;
19.根据权利要求1或3中任何一项所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包含二硼化钛，并且该温度略高于875℃左右;
20.根据权利要求15所述的方法，其特征为，上述至少一种材料包含氮化铝;
21.根据权利要求1或3中的任一项所述的方法，其特征为，氮化铝在铝基体中形成不连续相;
22.根据权利要求1或3中的任一项所述的方法，其特征为，至少一种材料是由具有陶瓷复盖面的填充料衬底组成，所述覆盖层选自氧化物、碳化物、硼化物与氮化物系。
全文摘要
一网状陶瓷增强的铝基体复合物制法如下，先做出一块可渗性陶瓷块材料，其确定的表面临界层具有阻挡层，再在含10％至100％左右氮气体积、其余为非氧化气体即氩气或氢气的气体中，将熔融铝镁合金与该可渗性陶瓷块材料接触。在常压下，熔融合金自发渗入陶瓷块直至达到阻挡层为止。合金固体可置于具有阻挡层的可渗性陶瓷材料基床附近，并加热至熔融态，最好是至少700℃左右，以便用渗透法形成网状铝基体复合物。除镁之外，辅助合金元素可与铝同用。生成的复合物可在铝基体中包含不连续的氮化铝相。
文档编号C04B41/88GK1033987SQ8810824
公开日1989年7月19日 申请日期1988年12月2日 优先权日1988年1月7日
发明者迈克尔·凯弗克·阿格海杰宁, 特里·丹尼斯·克莱尔 申请人:兰克西敦技术公司