采用浸没铸造技术制备金属基质复合体的方法及由该方法制备的产品的制作方法

专利名称：采用浸没铸造技术制备金属基质复合体的方法及由该方法制备的产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备金属基质复合体的新方法。具体地讲，将填料的可渗透体制成预型体;渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛至少在过程中的某一阶段(或某一时刻)与预型体相联系，使得当预型体放入熔融基质金属中时，该金属自发渗入预型体。这里也使用了一种使预型体至少部分保持在熔融基质金属表面之下的装置。
含有金属基质和加强或增强相(如陶瓷颗粒、晶须、纤维等)的复合产品对于许多应用显示出广阔的前途，因为它们具有增强相的部分刚性和耐磨性以及金属基质的可延伸性和韧性。一般来说，金属基质复合体与整块基体金属相比，将表现出在强度、刚性、接触耐磨性和高温强度保持性等性能方面的改进，但是对任何给出的性能可能被改进的程度主要取决于特定的组分，它们的体积或重量比，以及在形成该复合体中如何处理这些组分。在某些情况下，这种复合体在重量上还可能比基质金属本身更轻。例如，用陶瓷(如颗粒、片晶或晶须状的碳化硅)增强的铝基复合体是令人感兴趣的，因为相对于铝而言，它们的具有更高的刚性、耐磨性和高温强度。
许多冶金方法被介绍用于生产铝基复合体，这些方法包括以使用加压浇铸、真空浇铸、搅拌和润湿剂的粉末冶金技术和液体-金属渗透技术为基础的方法。采用粉末冶金技术时，使粉末状的金属和粉末、晶须、切断的纤维等形式的增强材料混合，然后进行冷压和烧结或进行热压。已报道出用这种方法生产的碳化硅增强的铝基复合体中最大的陶瓷体积比在晶须情况下约为25%(体积)，在颗粒的情况下约为40%(体积)。
利用常规工艺方法通过粉末冶金技术生产金属基质复合体对可得到的产品的性能产生一定的限制。该复合体中陶瓷相的体积比在颗粒情况下典型地限制为约40%。另外，加压操作还会对可得到的实际尺寸产生限制。在没有后续加工(如成形或机械加工)或不借助于复杂压制的条件下，只有可能产生相对简单的产品形状。再有，由于压实体中的分凝和晶粒生长会造成显微结构的非均匀性外，在烧结期间会发生不均匀收缩。
在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美国专利第3，970，136号中，叙述了一种形成金属基质复合体的方法，所说的复合体中结合有具有预定纤维取向模式的纤维增强材料，如碳化硅或氧化铝晶须。这种复合体的制备是通过在一个具有熔融基质金属(如铝)的储池的模中在至少部分板之间放置共平面纤维的平行板或毡，然后对熔融金属施加压力使其渗入所说的板并环绕在定向纤维周围。也可能把熔融金属倒在所说板的堆积体上，然后施加压力使其流入板之间。已报道出在这种复合体中增强纤维的填充量高达约50%(体积)。
鉴于上述渗透方法取决于施加在熔融基质金属上使其通过纤维板堆积体的外部压力，因此该方法受到压力诱导的流动过程的多变性的影响，即可能形成非均匀性基体，孔隙等。即使熔融金属可能在纤维堆积体中的许多位置引入，也可能造成性能的不均匀性。因此，需要提供复杂的板/储池排列和流动通道，以实现在纤维板堆积体上的充分均匀渗透。另外，上述压力渗透法只使得到的基质体积获得较低量的增强材料，这是由于渗入一个大板体积中所故有的困难性所致。再有，要求模具在压力下盛装熔融金属，这就增加了工艺过程的费用。最后，仅限于渗透排列好的颗粒或纤维的上述方法不能用来形成用无规则取向的颗粒、晶须或纤维形式材料增强的铝金属基复合体。
在铝基氧化铝填充的复合体的制造中，铝不能容易地润湿氧化铝，因此难于形成粘结产品。针对这一问题，曾建议过使用各种溶液。一种方法是用一种金属(如镍或钨)涂敷所说氧化铝，然后使其与铝一同进行热压。在另一种方法中，使所说的铝与锂合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所说的氧化铝。但是，这些复合体在性能方面表现出各种变化，或者，所说的涂层会降低填料的质量，或者所说的基体含有能影响基体性能的锂。
授予R.W.Grimshaw等人的美国专利4，232，091克服了在生产铝基氧化铝复合体中遇到的某些困难。这一专利叙述了对熔融铝(或熔融铝合金)施加75～375kg/平方厘米的压力使其渗入已预热到700～1050℃的氧化铝纤维或晶须的板中。在得到的固体铸体中氧化铝对金属的最大体积比为0.25/1。由于取决于完成渗透的外界压力，所以这种方法受到许多与Cannell等人专利的同样缺点的影响。
欧洲专利公报115，742叙述了通过用熔融铝充填预成型的氧化铝基质的孔隙来制造铝-氧化铝复合体的方法，这种铝-氧化铝复合体特别适用于电解池组分。该申请强调了铝对氧化铝的非润湿性，因此采用各种方法来润湿整个预型体中的氧化铝。例如，用一种润湿剂，即钛、锆、铪或铌的二硼化物或者用一种金属，即锂、镁、钙、钛、铬、铁、钴、镍、锆或铪来涂敷氧化铝。采用惰性气氛(如氩气)以促进润湿。这一参考文献还表示出施加压力导致熔融铝渗入未涂敷的基质中。在这一方面，渗透是在惰性气氛(如氩气)中通过抽空气孔，然后向所说的熔融金属施加压力来实现。另一方面，这种预型体也以在用熔融铝渗透来填充空隙之前，通过气相铝沉积来润湿其表面的方法来渗透。为了保证铝保留在预型体的气孔中，需要在真空或氩气气氛下进行热处理，例如在1400～1800℃下进行处理。否则，压力渗透材料暴露于气体或者渗透压力的除去都将造成铝从复合体中的损失。
在欧洲专利申请公报94353中还表示了使用润湿剂来实现用熔融金属渗透电解池中的氧化铝组分的方法。该公报叙述了用一个以阴极电流供给器作为电池衬里或基质的电池，通过电积法生产铝的方法，为了保护这种基质免受熔融冰晶石的作用，在电池启动前或者将其浸在用该电解法生产的熔融铝中对氧化铝基质施加一种润湿剂和溶解性抑制剂的混合物的薄涂层，所公开的润湿剂有钛、铪、硅、镁、钒、铬、铌或钙，而钛为优选的润湿剂。据描述，硼、碳和氮的化合物对于抑制这种润湿剂在熔融铝中的溶解性是有用的。
但是，该参考文献既没有建议生产金属复合物，也没有建议，例如在氮气气氛中，形成这种复合体。
除采用压力和润湿剂外，还公开了采用的真空条件将有助于熔融铝渗入多孔陶瓷压块。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美国专利3，718，441叙述了在小于10-6乇的真空条件下，使熔融的铝、铍、镁、钛、钒、镍或铬渗透陶瓷压块(例如碳化硼，氧化铝渗透和氧化铍)。10-2～10-6乇的真空压强使这种熔融金属对所述涂层的润湿性很差，以致于该金属不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，当真空压强降低到低于10-6乇时，润湿情况有所改善。
1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美国专利3，864，154还公开了采用真空以达到渗透的方法。该专利叙述了将一个Al B12粉末的冷压块放在一个冷压铝粉床上。然后再将一部分铝置于Al B12粉末压块的顶上。将装有夹在铝粉层之间的Al B12压块的坩埚放在一个真空炉中。然后将该炉抽空到约10-5乇进行脱气。再将炉温提高到1100℃并保持3小时。在这些条件下，这种熔融铝金属渗透了多孔Al B压块。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美国专利3，364，976公开了在一个物体内产生自生真空以促进熔融金属向该物体中的渗透的观点。具体地说，将一物体，例如一个石墨模、一个钢模或一个多孔耐久材料，全部浸在熔融金属中。在模的情况下，充有可以与该金属反应的气体的模的空腔与外部的熔融金属通过模中至少一个小孔相接触，当这种模浸在熔体中时，空腔的充填在空腔中的气体与该熔融金属反应产生自生真空时发生。具体地说，这种真空是该金属的固体氧化物形成的结果。因此，Reding等人公开了重要的是诱导空腔中的气体与该熔融体之间的反应。但是，由于与模有关的固有限制，利用模具来产生真空可能是不理想的。首先必须将模具机加工成一个特殊的形状;然后精加工，在该模上产生一个可行的铸造表面;然后在使用之前安装好;在使用后将其折卸以从中取出铸件;之后回收模具，回收时很可能包括对模具表面进行再次精加工，如果该模不能再继续使用的话，就将其放弃。将一个模具机加工成复杂的形状是很贵的并且很费时间。另外，从一个复杂形状的模具上取出形成的铸件也是困难的(即，具有复杂形状的铸件在从模具中取出时会发生破裂)。另外;虽然有人建议多孔耐火材料可以直接浸在熔融金属中，不需要模具，但是这种耐火材料将必须是整块的，因为在不使用容器模具时，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的条件(即，一般认为，这种颗粒材料放在熔融金属中时，其典型特征是四处分散或浮动)。另外，如果希望渗透颗粒材料或疏松地形成的预型体时，应该引起注意的是这种渗透金属至少不能置换颗粒或预型体的一部分，而导致不均匀的显微结构。
因此，长期以来一直希望有一种简单而又可靠的生产成型金属基质复合体的方法，该方法不依靠使用压力和真空(无论是外部施加的还是内部产生的)条件，或者损失润湿剂来生产嵌在另一种材料如陶瓷材料中的一种金属基质。另外;长期以来一直希望使生产金属基质复合体所需的最终机械加工量达最小。本发明通过提供一种用熔融基质金属(如铝)渗透一种材料(如陶瓷材料)的自发渗透机理满足了这些希望。其中所说的材料可形成一个预型体。这种自发渗透是在常压，渗透气氛(如氮气)存在下进行的，并且在工艺过程中至少在某一处存在渗透增强剂。
本申请的主题涉及一些其它共同未决或共同所有的专利申请的主题。特别是这些其它共同未决专利申请描述了制造金属基质复合材料的方法(以下有时称“共同所有的金属基质专利申请”)。
在1987年5月13日，以White等人的名义提交的，现已在美国审定的题目为“金属基质复合体”的共同所有美国专利申请系列号049，171的申请中，公开了一种生产金属基质复合材料的新方法。根据White等人的发明的方法，通过用熔融铝渗透一种可渗透填料(如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)体来生产金属基质复合体，其中所用的熔融铝含有至少约1%(重量)的镁，优选的是含有至少约3%(重量)的镁。在不采用外部压力和真空的条件下，自发地发生渗透。于至少约675℃的温度下，在一种含有约10～100%，最好至少约50%(体积)氮气的气体存在下，使一定量的熔融金属合金与填料体接触，其中的气体，除氮气外，如果有的话为非氧化性气体，如氩气。在这些条件下，这种熔融铝合金在常压下渗透所说的陶瓷体形成铝(或铝合金)基质复合体。当所需量的填料已被这种熔融铝合金渗透时，降低温度使该合金固化，因此形成嵌有该增强填料的固体金属基质结构。通常，供给的一定量熔融合金最好足以使这种渗透基本进行到填料体的边缘。根据White等人的发明生产的铝基复合体中填料的量可以非常高。在这方面，填料对合金的体积比可达到1∶1以上。
在上述White等人发明的工艺条件下，氮化铝可以形成一种分散在整个铝基体中的不连续相。铝基体中氮化物的量可随温度、合金组成、气体组成和填料等因素而变化。因此，通过控制反应体系因素的一个或多个，可能调节这种复合体的某些性能。但是，对于某些实际应用来说，可能希望这种复合体含有少量的或基本不含氮化铝。
已观察到较高的温度有利于渗透，但使得该方法更有助于氮化物的形成。White等人的发明提供了平衡渗透动力学和氮化物形成的选择。
在以Michel K.Aghajanian等人的名义于1988年1月7日提交的，题目为“用阻挡元件制造金属基质复合体的方法”的共同所有且未决的美国专利申请系列号为141，624的申请中，叙述了一个适用于形成金属基质复合体的阻挡元件的例子。根据Aghajanian等人的发明方法，将阻挡元件(例如，颗粒状二硼化钛或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil
为商品名出售的软石墨带产品)放置于填料的限定界表面，并且基质合金渗透到该阻挡元件限定的边界处。这种阻挡元件被用来抑制、防止或中止该熔融合金的渗透，由此为得到的金属基质复合体提供了完整或基本完整的形状。因此，所形成的金属基质复合体具有一个基本符合于该阻挡元件内部形状的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名义提交的题目为“金属基质复合体及其生产方法”的共同所有，共同未决美国专利申请系列号168，284对系列号为049，171的美国专利申请的方法进行改进，根据在该美国专利申请中公开的方法，基质金属以一个第一金属源和一个例如由于重力流动与该第一金属源相联的基质金属合金储备源形式存在。具体地说，在该专利申请中所述的条件下，在常压下这种第一熔融金属合金源首先渗入填料体中，由此开始形成金属基质复合体。这种第一熔融基质金属合金源，在其渗入填料体期间被消耗掉，如果需要的话，当自发渗透继续进行时，可以从所说的熔融基质金属储备源进行补充，这种补充最好通过一个连续方式进行。当所需量的可渗透填料已被这种熔融基质合金自发渗透时，使温度降低以使该熔融合金固化，因此形成一种嵌有该增强填料的固体金属基质结构。应该明白的是这种金属储备源的使用仅仅是本专利申请中所述的发明的一个实施方案，并不是在所述的发明的每个其它实施方案中都必须采用该金属储备源，但是将本发明储备源用于部分实施方案中还是有利的。
这种金属储备源应提供足够量的金属，以使其渗透该填料的可渗透体至预定的程度。另一方面，可以选择阻挡元件与该可渗透填料体的至少一个侧面接触，以限定出一个表面边界。
另外，虽然提供的一定量熔融基质合金应至少足以使自发渗透基本进行到可渗透填料体的边界(如阻挡元件)，但是所说的储备源中存在的合金量应超过这个这个足够量，以使得不仅有足够量的合金用于完全渗透，而且有过量的熔融金属合金保留并与该金属基质复合体相连。因此，当过量的熔融合金存在时，所得到的物体将是一个复杂的复合体(例如，一个大复合体)，其中具有金属基质的渗透陶瓷体将会直接粘结到该储备中剩余的过量金属上。
每个上述讨论的共同所用的金属基质专利申请都叙述了生产金属基质复合体的方法和由此生产的新型金属基质复合体。将所有上述共同所有的金属基质专利申请的公开内容结合在此以供参考。
通过自发渗透已制成预型体的填料的可渗透体，制备一种金属基质复合体。具体来讲，使基质金属熔融，将其放在盛装基质金属的合适的非反应性容器(如合适的耐火容器)中，形成熔融金属池。然后将预型体放入熔融基质金属中，实现自发渗透。至少在过程的某一阶段，渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛也与该预型体相联系，使得当预型体被放入熔融基质金属中时，该金属自发渗入预型体。
由于预型体对熔融基质金属所具备的固有的浮力，所以预型体可以在熔融基质金属表面上或周围表现出自然浮动的倾向。然而将预型体完全浸没在熔融基质金属中是需要的。但在完全浸没之前，预型体中最好应含有渗透增强剂和/或其前体中的至少一种。这样熔融基质金属就会自该渗入浸没的预型体。在另一种情况下，除了预型体中的渗透增强剂或其前体外，或取而代之，熔融基质金属中可以含有渗透增强剂或其前体。如果仅仅在熔融基质金属中含有渗透增强剂前体，那么就必须采取措施使该前体与另一种材料(如鼓泡进入熔融基质金属的渗透气氛)接触。
在一个较佳方案中，成形预型体的制备是将含有渗透增强剂前体和陶瓷材料的填料放入模具内。然后使成模的填料和渗透增强剂前体暴露在渗透气氛下，使预型体固化，并在预型体中形成渗透增强剂。采用合适的方法，使含渗透增强剂的预型体可移动地浸没在熔融基质金属中。例如，可以将预型体放在一可移动盒子中，该盒子以物理方式迫使预型体处于熔融基质金属表面之下，或者将预型体连接到一个平衡器上，该平衡器能克服预型体相对于熔融基质金属所产生的浮力。如果在预型体中提供至少一种渗透增强剂，那么就可以不再需要渗透气氛，以获得熔融基质金属向预型体的自发渗透，这种情况与所采用的可移动浸没预型体的方式无关。但是仍然需要存在这样一种渗透气氛，或者至少一种惰性气氛，以使与该气氛接触的基质金属池的表面处于不反应状态。
此外，除了自发渗透历程外，也有可能在浸没的预型体中造成自生真空的倾向(如熔融基质金属与捕获的气体在预型体中反应，由此引起该金属渗入预型体)。
应注意到，本申请主要讨论铝基质金属，该金属在形成金属基质复合体过程中的某一时刻，在作为渗透气氛的氮气存在下，与作为渗透增强剂前体的镁接触。因此，基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系(铝/镁/氮气体系)产生自发渗透。但是，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系也可以与铝/镁/氮气体系以类似的方式发生自发渗透。例如，在铝/锶/氮气体系中，铝/锌/氧气体系中以及铝/钙/氮气体系中已经观察到类似的自发渗透。因此，尽管本文主要要讨论的是铝/镁/氮气体系，但是应该理解，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系也可以相似方式发生自发渗透。
当基质金属含有铝合金时，铝合金可以与含填料(如氧化铝或碳化硅粒)的预型体接触，该填料内混有镁，或在过程的某一阶段该填料暴露于镁之下。在一个优选方案中，至少在过程的某一阶段，氮气气氛中含有铝合金和预型体。因此，预型体被基质金属自发渗透。自发渗透以及金属基质复合体的形成的程度或速度随给定的工艺条件而变，这些条件如向体系(铝合金中和/或预型体中和/或渗透气氛中)提供的镁浓度，预型体中粒子的大小和/或组成，渗透气氛中氮气的浓度，渗透时间和/或渗透时的温度。自发渗透一般发生至基质金属基本全部占满预型体的程度。
在此所用的“铝”的意思是指并且包括基本纯的金属(例如，一种相对纯的市售非合金化的铝)或者其它等级的金属和金属合金，如含有杂质和/或合金成分(如铁、硅、铜、镁、锰、铬、锌等)的市售金属。这一定义下的铝合金是一种以铝为主要成分的合金或金属互化物。
本文使用的“平衡器”或“用于平衡的方式”一词是指与预型体相对于熔融基质金属的固有浮力起反作用的装置，以致当该装置连接到预型体上时，该预型体可以保持在熔融基质合金表面的下方。
在此所用的“平衡非氧化性气体”的意思是除构成所说渗透气氛的主要气体之外存在的任何气体，在所用工艺条件下，或者是惰性的或者是基本不与所述基质金属反应的还原性气体。在所用工艺条件下可能以杂质形式存在于所用气体中的任何氧化性气体应不足以使所用的基质金属氧化到任何显著的程度。
在此所用的“阻挡元件”的意思是妨碍、抑制、防止或中止熔融基质金属超过可渗透填料体或预型体表面边界的移动、运动等，其中的表面界(界表面)是由所说的阻挡元件所限制的。适用的阻挡元件可以是在工艺条件下，保持某种程度的完整性并且基本不挥发(即，阻挡材料没有挥发到使其失去作为阻挡元件的程度)的任何适当的材料、化合物、元素、组合物等。
另外，适用的“阻挡元件”包括在所利用的工艺条件下基本不能被运动的熔融基质金属润湿的材料。这种类型的阻挡元件显示出对所说的熔融基质金属具有很小的亲合力或没有亲合力。用这种阻挡元件阻止或抑制了超越该填料体或预型体的限定界面的运动。这种阻挡元件减少了可能需要的任何最终机械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金属基质复合产物的一部分表面。这种阻挡元件在某些情况下，可以是可渗透的或多孔的，或者例如通过钻孔或穿孔使其可渗透，以使得气体与所说的熔融基质金属接触。
在此所用的“残余物”或“基质金属残余物”是指任何在所说的金属基质复合体形成期间没有被消耗掉的原始基质金属残余物，并且在典型情况下如果将其复合体相接触的形式保留下来。应该理解为这种残余物还可以包括第二种或外来金属。
在此所用的“填料”是指单一成分或多种成分的混合物，所说的成分基本不与所说的基质金属反应和/或在所说基质金属中具有限定溶解性的，并且可以是单相或者多相的。填料可以各种形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶须、液体等，并且可以是密实也可以是多孔的。“填料”还可以包括陶瓷填料，如纤维、切断纤维、颗粒、晶须、泡体、球、纤维板等形状的氧化铝或碳化硅，和陶瓷涂敷的纤维，如用氧化铝或碳化硅涂敷的碳纤维，例如通过用熔融的母金属铝涂敷以保护碳免受腐蚀。填料还可以包括金属。
在此所用的“渗透气氛”意思是指存在的与所用的基质金属和/或预型体(或填料)和/或渗透增强剂前体和/或渗透增强剂相互作用并且使或促进所用的基质金属发生自发渗透的气氛。
在此所用的“渗透增强剂”是指一种能促进或有助于一种基质金属自发渗透到一种填料或预型体中的材料。渗透增强剂可以由下述方法形成，例如一种渗透增强剂前体与渗透气氛反应形成(1)一种气体物质和/或(2)该渗透增强剂前体和渗透气氛的反应物和/或(3)该渗透增强剂前体和填料或预型体的反应物。另外，这种渗透增强剂可能直接向预型体和/或基质金属和/或渗透气氛中至少一种提供并起着与渗透添加剂前体和另一物质反应而形成的渗透增强剂的基本相同的作用。归根到底，在该自发渗透期间，至少该渗透增强剂应放在至少一部分所用的填料或预型体中，以完全自发渗透。
此处所用的“渗透增强剂前体”是指这样一种材料，当使其与基质金属、预型体和/或渗透气氛相结合使用时能形成促使或有助于基质金属自发地渗透填料或预型体的渗透增强剂。由于不希望受到任何特定理论或说明的限制，对于渗透增强剂前体来说似乎必要的是使该渗透增强剂前体能够被定位于或可移动至允许与渗透气氛和/或预型体或填料和/或金属发生反应的部位。举例来说，在某些基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系中，对于渗透增强剂前体来说，必要的是使其处于、接近于、或者在某些情况下甚至稍高于基质金属熔融温度下挥发。这一挥发过程可以导致(1)渗透增强剂前体与渗透气氛发生反应形成一种有助于基质金属润湿填料或预型体的气态物质;和/或(2)渗透增强剂前体与渗透气氛反应生成处于至少一部分填充物或预形体之中、有助于润湿的固态、液态或气态渗透增强剂;和/或(3)渗透增强剂前体与填料或预型体反应，该反应形成处于至少一部分填充料或预型体之中、有助于润湿的固体、液态或气态渗透增强剂。
此处所用的“基质金属”或“基质金属合金”是指用于形成金属基质复合体(例如，于渗透之前)的金属和/或用于与填料互相混合从而形成金属基质复合体(例如，于渗透之后)的金属。当指定某一特定金属为基质金属时，应该理解为该基质金属包括基本上纯的金属、其中含有杂质和/或合金成分的市售金属、其中该金属为主要成分的金属互化物或合金。
本文所述的“基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系”或“自发体系”是指能够自发地渗透到预型体或填料之中的材料组合体。应该理解的是无论在供列举的基质金属、渗透增强剂前体和渗透气氛之间何时出现“/”，“/”均被用于表示当以某一特定方式组合而成之时便能够自发渗透进入预型体或填料体系或组合体。
“可移动浸没方式”或“可移动浸没装置”在本文中是指连接或支承至少一种预型体的装置，该装置能够使预型体至少部分浸没在熔融基质合金池的表面下，并能从该池中取出预型体。
本文所述的“金属基质复合体”或是指包含嵌入预型体或填料的二维或三维互连合金或基质金属的材料。该基质金属可以包括各种合金元素以便使所得到的复合体具有特别需要的机械物理特性。
“不同于”基质金属的金属是指这样一种金属，其中不含有作为主要成分的与基质金属相同的金属(例如，若基质金属的主要成分为铝，那么“不同的”金属，举例来说，可以含有主要成分镍)。
“用于容纳基质金属的非反应性容器”是指能够在加工条件下容纳或包含熔融基质金属并且不与基质金属和/或渗透气氛和/或渗透增强剂前体以可能严重妨碍自发渗透机理的方式而发生反应的任何容器。
本文所述的“预型体”或“可渗透预型体”是指组成后具有至少一个表面界面的多孔状填料体或填充物体，其中表面边界基本上限定了渗透基质金属的边界，该多孔状物质在被基质金属渗透之前充分地保持了形状的完整性与生坯强度从而达到了尺寸精确度的要求。该多孔状物质应该具备足够高的多孔性以便使基质金属能够自发地渗透进去。预型体典型地包含结合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何适宜的材料构成(例如，陶瓷和/或金属的颗粒、粉末、纤维、晶须等以及它们的任意组合体)。预型体可以单独地存在或以集合体的形式存在。
本文所述的“储备源”是指一个基质金属的分离体，其所处的位置与填料物质或预形体相关联，这样，当金属熔化时，它可以流动以便补充与填料或预形体相接触的基质金属部分或源，或者是在某些情况下开始时先进行提供随后进行补充。
本文所述的“自发渗透”是指在无需加压或抽真空(无论是外部施加或内部产生)的条件下基质金属向填料或预型体的可渗透部分所产生的渗透现象。
提供下列附图以有助于理解本发明，但是并非意味着对本发明的范围的限定。各图中采用相同的参考号数表示同一组分，其中

图1a是适用于本发明的一般化预型体;
图1b是形成一般化预型体的可再使用模具;
图2是按照本发明可移动浸没预型体的装置;
图3是按照本发明自发渗透的排列;
图4表明用可移动浸没装置取出金属基质复合体;
图5是一种可熔化模具和一种平衡器;
图6是浸没在基质金属池内的模具和平衡器。
本发明涉及制备金属基质复合体的方法，该方法是将合适的预型体浸没在熔融基质金属中，其中的预型体一般由填料构成(如下面更详细的描述)，然后在工艺中的某一阶段，与渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛中的至少一种进行接触，使熔融基质金属自发渗入预型体至所需程度。
参照附图，其中的每个标号在全部图中均表示同一部件。图1a和1b是可用于本发明的一般化预型体(1)。该预型体(1)，例如可含有陶瓷粒子和渗透增强剂(可由渗透气氛与渗透增强剂前体反应形成)的混合物，模具(3)中的空穴(2)显示了它的所需形状。模具(3)可再使用，因此它由适当坚固但又易成形的材料构成，如熟石膏或硅酮橡胶等。模具(3)也可以在后续过程中自耗掉，在这种情况下，它由不影响自发渗透的材料构成，如金属箔。模具(3)也可以是可拆模，多件模，熔壳模或任何其它合适的成模元件。
如图2所示，预型体(1)，不论是装在自熔模具中还是处于独立状态，都可以被放在能将其可移动地浸没在熔融基质金属池的装置(4)中。装置(4)的最重要特征是它给予预型体(1)克服其在基质金属池中产生的固有浮力的反作用力，同时又不影响预型体的形状;当浸没在基质金属池中时，它呈现足够的耐热和化学惰性;以及它对自发渗透过程无不良影响。合适的装置(4)有一个基座(4-1)，一组杆(4-2)和一个可移动盖(4-3)。在装置(4)上，可方便地连接一个合适的柄(4-4)，以便能够将装置(4)放入和移出基质金属池，以及实现其它所需的加工操作。可以想象到装置(4)也可以是篮状或筛网状结构，这样即可浸透基质金属，又可具有上述装置(4)的其它重要特征。此外，装置(4)也可以只有一个基座和一个柄，这时在基座上可移动地固定1个或多个预型体。
参照图3，按照本发明，将用于移动式浸没预型体(1)的装置(4)放在由盛装基质金属的非反应性容器所限定的熔融基质金属池(5)中，在合适的自发体系中，如本文描述的那些体系中，基质金属(5)自发浸入预型体(1)。如图所示，预型体(1)可以全部浸没在池(5)中，这时预型体的自发渗透可以从预型体与池接触的所有面上进行。当达到所需的渗透量，生成如图4所示的金属基质复合体(7)时，从池中取出装有复合体(7)的装置(4)。然后将随装置(4)取出的，尚未渗入预型体的基质金属在重力或其它合适力(如气流)的作用下返回熔融基质金属池，以便尽量减少粘附在复合体(7)上的残物。
可以想象到，使预型体移动式浸没熔融基质金属池中的装置可以使预型体部分的，而不是全部的浸没。例如，当自发渗透必须只按优选方向发生或只在部分预型体中发生时，就需要这样的部分浸没。如下面更详细讨论的，可以将合适的阻挡元件粘附在选择的预型体表面上，以控制渗透方向或尽量减少基质金属上的残余壳体，这样当移去阻挡元件时，将得到完整的或近乎完整的形状。
此外，可以有选择地控制预型体在池中的浸没深度，例如为了达到改变金属其质复合体的组成的目的。这种变化可使用在不同深度具有不同基质金属组成的多层池来实现。不同的组成可由取决于深度的温度梯度和/或合金混合物获得。移动式浸没装置使预型体和第一种基质金属成分在第一深度接触预定的一段时间，然后使经部分自发渗透的预型体与第二种基质金属成分在第二深度接触第二次的预定时间。其它金属基质成分可按其在熔融金属池中的位置进行接触。
此外，移动式浸没装置可同时负载一个以上的预型体，由此提高制备金属基质复合体的速度。合适的话，可将预型体疏松地排列在浸没装置中或可移动地连接其上。应理解，熔融基质金属池的体积要足够大，以便按这种方式生产的多个金属基质复合体达到所需的渗透程度。
如已经讨论的，可移动式浸没装置的一个特征是它对预型体在熔融基质金属池中的固有浮力具有反作用(不论是正或负作用)。应理解，其它装置也可以用来实现上述功能以及其它功能。其中之一是平衡预型体的装置，下面用实施例更详细地描述此方案。本发明的平衡装置一般具有移动式浸没装置类似的特征。
为了使基质金属自发地渗透进入预型体，应该将渗透增强剂加至自发体系之中。渗透增强剂可以由渗透增强剂前体形成，它可以(1)在基质金属中;和/或(2)在预形体或填料中和/或(3)由渗透气氛;和/或(4)由外界来源被提供给自发体系。此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预形体、和/或基质金属、和/或渗透气氛之中至少一种提供渗透增强剂。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该位于至少一部分填料或预型体之中。例如，当向渗透气氛中提供时，可以将该气体鼓泡通过熔融基质金属池，使渗透增强剂输送至浸没的预型体处。如果预型体未完全浸没，可通过在池表面上的渗透气氛向预型体提供渗透增强剂。类似地，如果在预型体中提供渗透增强剂前体，那么将渗透气体鼓泡通入池或将预型体表面暴露在池上的渗透气氛之下，则可将该前体转变为渗透增强剂。
基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系的实例为铝/镁/氮体系。具体地讲，可将铝基金属装在一个在工艺条件下，当铝被熔化时不会与铝基金属反应的适宜的耐火容器之中。然后通过在熔融基质金属中的平衡装置或移动式浸没预型体的装置，将预型体保持在熔融基质金属表面之下并与其接触。
在本发明的铝/镁/氮自发体系中，预型体应具有足够的可渗透性，使含氮气体至少在过程中某一阶段通过如使氮气鼓泡穿过熔融基质金属的方法渗入或穿过预型体。而且与此同时或在此之后，提供可渗透预型体，使熔融基质金属渗透或将预型体在浸没之前暴露于氮气之下，由此引起熔融基质金属自发渗入已经渗氮的预型体，形成金属基质复合体和/或引起氮气与渗透增强剂前体反应并在预型体中形成渗透增强剂，导致自发渗透。
金属基质复合体的形成和自发渗透的程度取决于给定的工艺条件，对铝/镁/氮体系来说，这些条件包括铝合金中的镁含量，预型体中镁含量，铝合金中氮化镁含量，预型体中的氮化镁含量，其它合金元素(如硅、铁、铜、锰、铬、锌等)的存在，构成预型体的填料的平均尺寸(如粒径)，填料的表面条件和类型，渗透气氛中的氮浓度，渗透时间及温度。例如，对于熔融铝基质金属发生的自发渗透，该铝基质金属可与至少约1%(重)，最好至少约3%(重)基于合金重量的镁(起渗透增强剂前体的作用)合金化。
也可以在基质金属中加入上面讨论的辅助合金元素，以调节其具体性能。辅助合金元素也可以对铝基质金属中所需的最少量镁起作用，导致填料或预型体的自发渗透。由于如挥发等原因使自发体系损失的镁应尽量避免，以使部分镁保留下来形成渗透增强剂。因此需要采用足够量的初始合金元素来保证自发渗透不受到挥发造成的不良影响。此外，在预型体和基质金属中或仅在预型体中存在的镁可以导致实现自发渗透所需的总镁量的减少(以后将详细讨论)。氮渗透气氛中氮气的体积百分比也影响金属基质复合体的形成速度。具体地讲，如果渗透气氛中存在小于约10%(体积)的氮气，自发渗透则非常缓慢或几乎没有。已经发现，在渗透气氛中最好至少约含50%(体积)氮气，这样由于大大加快的渗透速度，能够缩短渗透时间等。轻轻搅动浸没的预型体，进而运动了预型体周围的熔融基质金属而又不影响其结构的整体性，也可以使渗透时间缩短。
在形成金属基质复合体的铝/镁/氮自发体系中，对熔融基质金属所需的最小镁含量取决于一种或多种因素，如加工温度，时间，辅助金属如硅或锌的存在，填料的性质，镁在自发体系的一种或多种组分中的位置，到达预型体的渗透气氛中的氮含量和氮气流速。随着合金和/或预型体中镁含量的增加，完成渗透可采用较低的温度或较短的加热时间。在给定镁含量情况下，加入某种辅助合金元素如锌，也可以采用较低温度。例如，基质金属中的镁含量在较低的操作范围内时，如约1～3%(重)，可与之联用至少下述一种情况上述最小加工温度，高氮含量，或1种或多种辅助合金元素，如果不向预型体中加入镁，根据合金在很宽的加工条件下的一般使用情况，最好使用约含3～5%(重)镁的合金，采用较低温度和较短时间时，合金中至少约含5%的镁。可过量使用基于铝合金量的约10%(重)的镁含量，以便缓和渗透所需的温度条件。如果结合使用辅助合金元素，可以减少镁含量，但是这些元素仅起辅助作用，并且至少与上述最少量的镁联用。例如，仅与10%硅合金化的标准纯铝在1000℃下基本不渗入500目，39Crystolon(来自Norton公司的99%纯的碳化硅)床。但是在镁的存在下，已发现硅能促进渗透过程。
再举一例，当只向预型体或填料提供镁时，其量可以变化。已经发现，当所提供的总镁量中至少一部分存在于预型体或填料中时，在供给体系的镁的总百分比(重量)较小的情况下就会自发渗透。例如将镁粉与陶瓷混合制成填料，即可实现上述情况。为了防止在金属基质复合体中形成不需要的金属互化物，也需要提供的总镁量少些。对于碳化硅预型体，已经发现，当至少约含1%(重)镁的预型体在基本纯的氮气氛下与铝基质金属接触时，基质金属会自发渗入预型体。对于氧化铝预型体，实现可接受的自发渗透所需的镁量则稍微高些。具体地讲，已经发现当氧化铝预型体与类似的铝基质金属在与该铝渗入碳化硅预型体时的相同温度下及相同的氮气氛存在下进行接触时，至少需要约3%(重)的镁才能获得上述碳化硅预型体所达到的类似自发渗透程度。
同样应该注意的是在基质金属渗入填料或预型体之前可以将渗透增强剂前体和/或渗透增强剂以置于合金表面和/或预型体或填料表面和/或置于预型体或填料之中的方式提供给自发体系(即不必使被提供的渗透增强剂或渗透增强剂前体与基质金属形成合金，而是被简单地提供给自发体系)。如果将镁施用于基质金属表面，则该表面优选地是十分接近于、或者最好是与填料的可渗透部分相接触，反之亦然;或者是这种镁混合于至少一部分预型体或填料之中。此外，还可以采用表面施用、形成合金与将镁置于至少一部分预形体中三种应用方式的某一组合形式。这一应用渗透增强剂和/或渗透增强剂前体的组合方式不仅能够减少促进基质铝金属渗透预型体所需镁的总重百分比，同时还能够降低渗透温度。此外，还能够将由于存在镁而形成的不需要的金属互化物数量减少至最低限度。
一种或多种辅助合金元素的应用以及在预型体和基质金属周围气体中氮的浓度同样会对在给定温度下进行的基质金属的氮化程度产生影响。举例来说;包含在合金之中或被置于合金表面的辅助合金元素如锌或铁可被用于降低渗透温度从而减少氮化物的生成量，但是提高气体中氮气的浓度可用于促进氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或结合于填料之中的镁的浓度同样易于影响在给定温度下的渗透的程度。因此，在某些几乎没有或完全没有镁与填料直接相接触的情况下，以合金中至少包含大约3%(重)镁为佳。若合金含量低于此数值如含有1%(重)镁，则需要较高的加工温度或辅助合金元素进行渗透。在下列情况下进行本发明的自发渗透方法所需温度较低(1)当只有合金的镁含量增加例如达到至少5%(重)左右时;和/或(2)当合金成分与填料或预型体的可渗透部分混合时;和/或(3)当铝合金中存在另一种元素如锌或铁时。温度还可以随着填料的不同而有所变化。一般说来，自发和渐进渗透的工艺温度至少约为675℃、以至少约750～800℃为佳。此外，在第二种基质金属分散后，于约800℃或更高温度下可使生成的悬浮体具有令人满意的浇注性。根据悬浮体的性质，该温度可能低些。但浇注性并不一定随温度增加得以改善。一般情况下，当温度超过1200℃时似乎对该工艺过程不会产生任何益处，业已发现，特别适用的温度范围约为675～1200℃。然而，作为一般规律，自发渗透温度高于基质金属的熔点但是却低于基质金属的挥发温度。此外，自发渗透温度应该低于填料的熔点。再说，随着温度升高，基质金属与渗透气氛之间相互反应形成产物的倾向性也会有所增强(例如，在铝基质金属与氮渗透气氛的情况下，会形成氮化铝)。这类反应产物可以是必要的也可以是不需要的，这要取决于金属基质复合体的目的应用。另外，电阻加热是达到渗透温度的典型途径。然而，任何能够使基质金属熔化却对自发渗透不会产生不利影响的加热方式均适用于本发明。
在本方法中，举例来说，至少是在该工艺过程期间的某一时刻在含氮气体存在下使可渗透预型体浸没在熔融铝中。通过保持一连续的气流提供含氮气体，使其与预型体和/或熔融铝基质金属中的至少一种相互接触。虽然含氮气体的流量并非至关重要，但是该量最好足以补偿由于合金基质中形成氮化物而在气氛中造成的氮损失，并且足以防止或抑制能对熔融金属或预型体产生氧化作用的空气或其它气体的侵入。
形成金属基质复合体的方法适用于许多填料，而填料的选择取决于诸如基质合金、工艺条件、熔融基质合金与填料的反应能力以及目的复合体产物应具备的特性之类因素。举例来说，当基质金属为铝时，适宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化铝;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化铝;以及(d)氮化物，例如氮化铝。如果填料易于与熔融铝基质金属反应，这可以通过最大限度地缩短渗透时间与最大限度地降低渗透温度或者通过向填料提供非反应涂层来加以调节。填料也可以包含一种基体如碳或其它非陶瓷材料，该基体带有陶瓷涂层以防受到化学侵蚀与老化作用。适宜的陶瓷涂层包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的优选陶瓷材料包括呈颗粒、片晶、晶须和纤维状的氧化铝和碳化硅。纤维可以是不连续的(被切断)或以连续单位如多丝束的形式存在。此外，填料或预型体可以是均相的或非均相的。
业已发现的还有，某些填料相对于具备类似化学组成的填料，其渗透性有所增强。举例来说，按照美国专利No.4713360(题目为“新型陶瓷材料及其制备方法”，MarcS.Newkirk等人，于1987年12月15日颁发)所述方法组成的粉碎的氧化铝主体相对于市售氧化铝产品具有理想的渗透特性。此外，按照共同未决与共同所有的申请系列No.819397(题目为“复合陶瓷制品及其制造方法”，MarcS.Newkirk等人)所述方法组成的粉碎氧化铝主体相对于市售氧化铝产品同样具有理想的渗透特性。颁布专利及其共同未决专利申请的各自主题在此引用仅供参考。因此，业已发现，陶瓷材料的可渗透体的彻底渗透可通过采用上述美国专利和专利申请的方法再次的粉碎或细碎主体于较低的渗透温度下和/或较短的渗透时间内进行。
填料可以呈现达到复合体必要特性所需的任何尺寸和形状。因此，既然渗透并非受到填料形状的限制，所以填料可以呈颗粒、晶须、片晶或纤维状。也可以选用诸如球体、小管、丸粒、耐火纤维布之类形状的填料。另外，虽然与较大的颗粒相比，较小颗粒进行完全渗透需要更高的温度或更长的时间，但是材料的大小并不限制渗透。此外，有待渗透的填料(被加工成预型体)应该是可渗透的(即可被熔融基质金属和渗透气氛所渗透)。
本发明的形成金属基质复合体的方法并不依赖于施加压力迫使或挤压熔融金属基质进入预型体填料之中从而产生具有高体积百分比填料和低孔隙率、基本上均匀的金属基质复合体。通过采用低孔隙率的原始填料可以获得体积百分比较高的填料。只要不会将填料转化为有碍于熔融合金渗透具有闭孔多孔性的压块或完全密实的结构，通过将填料压实或以其它方式进行致密处理同样会获得体积百分比较高的填料。
已经观察到对于在陶瓷填料周围发生的铝渗透和基质形成来说，铝基质金属对陶瓷填料的润湿在渗透机理中起着重要的作用。此外，在低加工温度下，可忽略不计或极少量金属的氮化导致有极少量不连续相的氮化铝分散于金属基质之中。然而，当温度达到上限时，金属的氮化更容易发生。因此，可以通过改变渗透温度来控制金属基质中氮化物相的数量。当氮化物的形成更为明显时的特定加工温度同样会随着下列因素发生变化，这些因素有如所使用的基质铝合金，及其相对于填料或预型体体积的数量、有待渗透的填料和渗透气氛中的氮浓度。举例来说，人们认为在给定加工温度下氮化铝生成的多少随着合金润湿填料能力的下降以及随着气氛中氮浓度的增大而增加。
因此，能使金属基质的组成在产生复合体的过程中赋予所得到的产物以特定的特性。对于一给定的体系来说，可以选择工艺条件控制氮化物的形成。含有氮化铝相的复合体产物具有对于产物的性能起促进作用或能够改善产物性能的特性。此外，铝合金进行自发渗透的温度范围可以随着所用的陶瓷材料而有所变化。在选用氧化铝作为填料的情况下，如果想要使基质的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么渗透温度以不超过大约1000℃为佳。然而，如果希望形成含有延展性较差而硬度较高的基质复合体那么渗透温度可以超过1000℃。当选用碳化硅作为填料时，相对于使用氧化铝作为填料的情况，由于所形成的铝合金氮化物较少，所以，为了渗透碳化硅可以选用1200℃左右的较高温度。
此外，可以使用一种基质金属储备源，以保证填料全部渗透，和/或提供与第一基质金属源的组成不同的第二种金属。具体地讲，就是在某些情况下，可能需要使用该储备源中与第一基体金属源组成不同的基质金属。例如，如果铝合金用做第一基质金属源，那么实质上任何其它在加工温度下能熔融的金属或金属合金都可以用做储备源金属。熔融金属通常具有良好的互溶性，因此，只要混合时间适当，储备源金属就会与第一基质金属源混合。在另一种情况下，按照上面描述的那样选择控制预型体浸没的深度，也能减少加工时间。所以，通过使用不同于第一基质金属源组成的储备源金属，就可能使金属基质的性能满足各种操作要求，由此调节金属基质复合体的性能。
本发明中也可以结合使用阻挡元件。具体地讲，应用本发明的阻挡元件可以是任何适于干扰、抑制、防止或中止熔融基质合金(如铝合金)超出由填料限定的界表面而形成的迁移，运动等的元件。合适的阻挡元件可以是满足下述要求的任何材料，化合物，元素或组合物等能够局部抑制，停止，干扰或防止(及其它类似作用)超出填料的限定界表面的连续渗透或任一其它类型的运动，在本发明的加工条件下，能保持某种整体性，不挥发，最好能使过程中使用的气体渗透。
铝/镁/氮体系中的合适阻挡元件是石墨和氧化铝，即使是全部浸没的情况也是如此。这些材料可被适当地成形和排列，以便将渗透气氛引至预型体处。因此，适宜的阻挡元件通过尽量减少后期渗透表面的形成，同时保持自发体系中渗透增强剂，其前体和渗透气氛成分在安排上的灵活性，能够有助于金属基质复合体的生产。此外，阻挡元件可以与移动式浸没装置或平衡装置组合起来，为不充分坚固的预型体提供额外的保护，使其经得起在无支撑的情况下浸没加入熔融基质合金。
特别适用于铝基质合金的阻挡元件含有碳，尤其是称为石墨的同素异形结晶碳。在上述加工条件下，石墨基本不被熔融的铝合金湿润。特别优选的石墨是一种以商标为Grafoil
(注册在“联合碳化物公司”名下)销售的石墨条产品。这种石墨条具有防止熔融金属移出填料的限定界表面的封闭特性，它也耐热，并呈化学惰性。Grafoil
石墨材料是能变形的，可配伍的，整合的并且有弹性的材料。它能够被制成各种形状来满足对阻挡元件的使用要求。但是石墨阻挡元件也可以以淤浆或糊，甚至漆膜的形式用于填料界面之上及四周。Grafoil
是一种可变形的石墨片，因此在这里是特别优选的。使用时，这种象纸一样的石墨只是简单地被固定在填料的周围。
另一种较好的、用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件是过渡金属硼化物[如二硼化钛(Ti B2)]。在使用时的某些加工条件下，它一般不被熔融铝金属合金润湿。用这种阻挡元件时，加工温度不应超过约875℃，否则阻挡元件就会失效。事实上，随着温度的增加，会发生向阻挡元件的渗透。过渡金属硼化物一般呈粒状(1～30微米)。阻挡元件也可以淤浆或糊的形式用于可渗透的陶瓷填料块的界面，这种材料块最好被预先成型，组成预型件。
另一种可用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件由低挥发性的有机化合物构成，它以膜或层的形式涂敷在填料的外表面上。在氮气中烧成时，特别是在本发明的加工条件下烧成时，有机化合物分解，留下一层碳黑膜。也可以用常规方法，如刷涂，喷涂或浸渍等涂敷这种有机化合物。
此外，只要经过细磨的粒状材料的渗透速率低于填料的渗透速率，该粒状材料就能起到阻挡元件的作用。
下面紧接着是实施例，其中包括了对本发明的各种不同的实施方案。但是，应该理解这个实施例是说明性的，不应将其解释为是对如所附权利要求书所定义的本发明范围的限定。
实施例1将100粒度(grit)碳化硅粉(来自Norton公司的39Crystolon)与约2%(重)的325目镁粉(购自JohnsonMathey公司)充分混合组成填料。将填料倒入一个薄壁铜管(如购自通用铜器公司的0.8mm厚的管)。装填料时，管的一端用薄铜箔包裹密封，轻敲管壁数次，填料在该模具中沉降。该管长约10cm，直径约2.9cm，它作为填料的模具。
如图5所示，将铜模具(3)插入作为模具平衡装置的氧化铝管(8)中。氧化铝管的直径为3.8cm，壁厚为3mm，它是被切割成长度约为7.6cm的高密度瓷坩埚(购自Coors公司)。平衡器的性能非常重要，它必须不含水和在过程温度下氧化进而污染填料或基质金属的其它材料。此外，它不能被基质金属和基质金属复合体湿润，使复合体容易移动。还有，平衡器应足够重，使其能将模具浸没在基质金属中，它也应足够坚固，以防止金属基质复合体从熔融基质金属中取出时发生变形。至少在这些方面，平衡器和阻挡元件都具有许多同样的特点。
填充模具(3)之后，其开端也用铜箔(9)包裹，其中插有一个0.6mm直径的不锈钢管(10)。经不锈钢管(10)进入的氮气流量约为1.5升/分。将模具(3)和管(8)和(10)放在电阻加热炉内，在约2小时内从室温加热至约600℃。在600℃下保温约1小时，然后填料硬化成为预型体，在无模具(3)的情况下仍能保持其形状。应理解，也可采用其它硬化温度，如500℃和600℃，这取决于填料和模具以及其两端金属箔盖的性质。一般选择较高的温度，以保证填料充分硬化。
在600℃下1小时后，从炉中迅速取出模具(3)，并将其放入在第二个电阻加热炉内且温度约保持在750℃的熔融基质金属池中。该基质金属是铝合金，其中约含12%(重)硅，3%(重)镁(Al-12Si-3Mg)。如图6所示，氧化铝管(8)是足够重的，它克服了模具(3)向上的浮力，使其全部浸没在基质金属合金池(5)中。氮气始终流过模具(3)，直至模具(3)浸没在池(5)中为止，然后氮气刚好在池(5)表面的上方流过。
在池(5)中浸没约1小时后，铜模具(3)和箔已经熔化并分散于基质金属合金之中，这时基质金属合金已经自发渗入整个硬化的预型体，形成了金属基质复合体。甚至在模具(3)熔化后，预型体的形状保持不变，这可能是由于在最初加热时氮化镁的形成和可能发生的烧结以及而后在复合体中含高比例填充所造成的结果。然后将含有金属基质复合体的氧化铝管(8)从基质金属合金池中取出。固化后，从氧化铝管(8)中容易地取出复合体。该复合体具有良好的表面光滑性和完整的形状。
权利要求
1.一种制备金属基质复合体的方法，该方法包括形成熔融基质金属池；形成含有基本非反应性填料体的预型体；将预形体浸入池中；并且使熔融基质金属至少自发渗入部分上述预型体。
2.根据权利要求1的方法，该方法还包括至少在渗透的一段时间内，提供一种渗透气氛，使其与预型体和基质金属中至少一种接触的步骤。
3.根据权利要求2的方法，该方法还包括向基质金属，填料和渗透气氛中至少一种提供至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质的步骤。
4.根据权利要求1的方法，该方法还包括向基质金属和填料中的至少一种物质提供渗透增强剂前体和渗透增强剂中至少一种物质的步骤。
5.根据权利要求3的方法，其中至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质是由外界来源提供的。
6.根据权利要求1的方法，该方法还包括至少在渗透的一段时间内使至少部分填料与至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质接触的步骤。
7.根据权利要求3的方法，其中的渗透增强剂是由渗透增强剂前体与至少一种选自渗透气氛，填料和基质金属的物质反应形成的。
8.根据权利要求7的方法，在渗透期间，渗透增强剂前体挥发。
9.根据权利要求8的方法，其中挥发的渗透增强剂前体进行反应，在至少部分填料中形成反应产物。
10.根据权利要求9的方法，其中的反应产物至少是可被上述熔融基质金属部分还原的。
11.根据权利要求10的方法，其中的反应产物至少涂敷在部分填料上。
12.根据权利要求1的方法，该方法还包括用阻挡元件限制填料界表面的步骤，其中基质金属自发渗透到阻挡元件处。
13.根据权利要求12的方法，其中的阻挡元件包括一种选自碳，石墨和二硼化钛的材料。
14.根据权利要求12的方法，其中的阻挡元件是基本不被上述基质金属润湿的。
15.根据权利要求12的方法，其中的阻挡元件至少含有一种使渗透气氛和至少一种基质金属，填料，渗透增强剂和渗透增强剂前体中的物质接触的材料。
16.根据权利要求1的方法，其中的填料含有至少一种选自粉，片，片晶，微球，须晶，泡，纤维，粒，纤维垫，切削纤维，球，球粒，管和耐火布中的物质。
17.根据权利要求1的方法，其中的填料在熔融基质金属中具有有限的溶解度。
18.根据权利要求1的方法，其中的填料至少含有一种陶瓷材料。
19.根据权利要求3的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体至少含一种选自镁，锶和钙的物质，并且渗透气氛含氮气。
20.根据权利要求3的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体含锌，并且渗透气氛含氧。
21.根据权利要求4的方法，其中在填料和基质金属之间的界面上至少提供一种渗透增强剂和渗透增强剂前体中的物质。
22.根据权利要求1的方法，其中的渗透增强剂前体在基质金属中合金化。
23.根据权利要求1的方法，其中基质金属含铝和至少一种选自硅，铁，铜，镁，铬，锌，钙，锰和锶的合金元素。
24.根据权利要求4的方法，其中在上述基质金属和填料中至少提供一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质。
25.根据权利要求3的方法，其中向基质金属，填料，和渗透气氛中一种以上的物质中提供至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质。
26.根据权利要求1的方法，其中在自发渗透期间的温度高于基质金属的熔点，但是低于基质金属的挥发温度和填料的熔点。
27.根据权利要求2的方法，其中的渗透气氛含有选自氧气和氮气的一种气体。
28.根据权利要求3的方法，其中的渗透增强剂前体含有选自镁、锶和钙中的一种物质。
29.根据权利要求1的方法，其中的基质金属含有铝，填料含有选自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物中的一种物质。
30.根据权利要求1或3的方法，其中的预型体基本全部浸没在池中。
31.根据权利要求2的方法，其中的渗透气氛鼓泡加入池内。
32.根据权利要求1或3的方法，其中预型体安置在用于浸没预型体的移动式装置中，该移动式浸没装置放在池中。
33.根据权利要求1的方法，其中预型体连接在用于克服预型体在池中产生的浮力的平衡装置上。
34.根据权利要求1的方法，其中还包括在池上方提供惰性气体的步骤。
35.根据权利要求1或3的方法，其中的预型体是通过将填料在模具中硬化形成的。
36.根据权利要求35的方法，其中的模具是可再使用的。
37.根据权利要求35的方法，其中的模具在自发渗透中自耗掉。
38.根据权利要求32的方法，其中移动式浸没装置含有一个基座，连接在该基座上的一组杆，可移动连接到这组杆的至少一根杆上的盖和至少连接到基座和盖之一的柄。
39.根据权利要求32的方法，其中移动式浸没装置包括一个基座和一个连接在该基座上的柄，并且预型体可移动地安装在该基座上。
40.根据权利要求1或3的方法，其中形成一个含数种基质金属的多层池，预型体选择放在池内的一层中并保持预定的时间。
全文摘要
本发明涉及一种制备金属基质复合体的新方法。具体地讲，将一种填料的可渗透体组成预型体，使其与一种渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛至少在过程中的某一阶段相联系，当预型体被放入熔融基质金属中时，导致熔融基质金属自发渗入预型体。其中可以使用一种将预型体至少部分地保持在熔融基质金属表面之下的装置。
文档编号C04B41/81GK1042491SQ8910807
公开日1990年5月30日 申请日期1989年10月21日 优先权日1988年11月10日
发明者约翰·汤姆斯·伯克 申请人:兰克西敦技术公司