用于形成金属基质复合体的悬浮方法

专利名称：用于形成金属基质复合体的悬浮方法
技术领域：
本发明涉及一种形成金属基质复合体的新方法。特别是将填料的可渗透体制成预型体。随后，至少在该过程期间的某一时刻将预型体材料在渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛存在下放置在熔融基质金属池内或其表面上，于是熔融基质金属便自发渗透预型体。在基质金属渗透预型体期间，预型体至少部分地沉入基质金属池中，这样便说明渗透已经发生。
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)。10～10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AlB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AlB粉末压块的顶上。将装有夹在铝粉层之间的AlB压块的坩埚放在一个真空炉中。然后将该炉抽空到约10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AlB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MichelK.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UnionCarbide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基本的或大致的形状。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，以使得不仅有足够是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。
通过渗透已经形成预型体的填料的可渗透体来制造金属基质复合体。具体地说，将基质金属熔化并将其装在适合的非反应性容器(例如，适宜的耐火材料容器)内从而形成熔融基质金属池。在第一优选实施方案中，在渗透气氛存在下，将预型体置于基质金属池的表面上。此外，至少在该过程期间的某一时刻使渗透增强剂前体和/或渗透增强剂和/或渗透气氛也与预型体接触，这样，当预型体被置于熔融基质金属之中时使熔融基质金属自发渗透预型体。由于相对于熔融基质金属而言其本身固有的浮力，预型体可以漂浮于熔融基质金属的表面上或悬浮于熔融基质金属内某处。此外，预型体可以可拆卸地连接在有助于预型体漂浮的漂浮装置之上。在另一个可供选择的实施方案中，在基质金属被熔化之前可以使预型体与基质金属接触，举例来说，可将预型体埋入固体基质金属颗粒或碎块之中，随后熔化基质金属。
在预型体的自发渗透期间，无论该预型体是否与漂浮装置连接，均会开始至少部分地沉入熔融基质金属池中，因此表明渗透已经发生。进一步地讲，在自发渗透之前，预型体在熔融基质金属中可能具有负浮力，随后其浮力发生变化。因此，预型体可以上升、下降或保持其处在熔融基质金属池中的位置，由此说明渗透已经发生。
应该注意的是本申请主要讨论铝基质金属在金属基质复合体形成期间的某一时刻，在用作渗透气氛的氮存在下，与用作渗透增强剂前体的镁相互接触。因此，这种铝/镁/氮的基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系显示出自发渗透现象。然而，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系同样会以与铝/镁/氮体系类似的方式发生变化。举例来说，在铝/锶/氮体系、铝/锌/氧体系和铝/钙/氮体系中已观察到类似的自发渗透现象。因此，虽然本文主要讨论铝/镁/氮体系，但是应该理解其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系也会产生类似的现象。
此外，可以直接向预型体和/或基质金属和/或渗透气氛中的至少一种提供渗透增强剂而不是提供渗透增强剂。归根到底，至少在自发渗透期间，应该将渗透增强剂置于至少一部分填料或预型体之中。
当基质金属含有铝合金时，该铝合金与含有填料(例如氧化铝或碳化硅)的预型体相接触，该填料此外已经与镁混合或者在进行该方法期间的某一时间与镁相接触。此外，在一个优选实施方案中，在至少工艺过程的一部分时间内，铝合金和/或预型体和/或填料处于氮气氛中。基质金属将自发地渗透预型体，自发渗透与金属基质的形成的程度或速率将随着给定的工艺条件的不同而变化，这些条件包括，举例来说，提供于体系(例如，铝合金和/或预型体和/或渗透气氛)的镁的浓度、预型体中颗粒的大小和/或组成、渗透气氛中氮的浓度、渗透时间和/或渗透温度。所发生的自发渗透典型地进行到足以基本上完全埋入预型体的程度。
再者，一旦渗透基本上完成时，有时可观察到预型体至少部分地沉入基质金属合金源中。在优选实施方案中，预型体一开始至少部分地漂浮于熔融基质合金的表面上，当预型体基本上全部沉降至大约位于或低于基质金属合金的表面之时，便表明渗透已经基本上完成。
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。
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。
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”是指能够在加压条件下容纳或包含填料(或预形体)和/或熔融基质金属并且不与基质金属和/或渗透气氛和/或渗透增强剂前体和/或填充物或预形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1所示为用于制造本发明预型体的可重复使用模具的截面图;
图2所示为用于本发明的预型体;
图3所示为悬浮于熔融基质金属池中的本发明预型体;
图4所示为悬浮于熔融基质金属池中的金属基质复合体;
图5所示为本发明另一实施方案中的自耗模具和预型体;
图6所示为在实施例1的用于容纳基质金属的非反应性容器中被基质金属铸块包围的自耗模具;
图7所示为用于按照实施例2通过将物体悬浮于熔融基质金属而进行自发渗透的组合体和装置的截面图;
图8所示为用于按照实施例3通过将物体悬浮于熔融基质金属而进行自发渗透的组合体和装置的截面图。
本发明涉及通过将漂浮着的预型体置于靠近或处于熔融基质金属池表面或者将其置于熔融基质金属池内某处并且用熔融基质金属自发渗透预型体直至所需程度为止从而制备金属基质复合体的方法。为了实现基质金属进入预型体的自发渗透，应该向自发体系提供渗透增强剂。渗透增强剂可以由提供于(1)基质金属之中;和/或(2)预型体之中;和/或(3)由渗透气氛提供和/或(4)由外部来源供给自发体系的渗透增强剂前体形成。此外，可以直接向预型体、和/或基质金属和/或渗透气氛中的至少一种提供渗透增强剂而不是提供渗透增强剂前体。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内。
根据本发明，采用图1所示模具通过适当地模制填料可以制作预型体。举例来说，填料可以含有诸如碳化硅之类陶瓷材料的混合物(或下文详述的其它适宜的填料)。填料可以与金属基质复合体成品所需特性相符的用量充填到模具(2)的腔体(1)中。随后，最好将填料转化为预型体(例如，在加工条件下能够保持形状完整性与生坯强度的硬化体)。预型体可以含有诸如镁之类的在加工期间可被转化为渗透增强剂的渗透增强剂前体。另外，渗透增强剂可以在浸没于熔融基质金属之前在预型体之中形成。举例来说，作为渗透增强剂前体的镁在氮存在下可被转化为作为渗透增强剂的氮化镁从而形成其中具有渗透增强剂的预型体。作为另一个可供选择的方案，预型体可以不含有渗透增强剂或渗透增强剂前体，在这种情况下必须在自发体系的其它部位提供或形成渗透增强剂。
如图2所示，随后可以取出模具(2)中的预型体(3)，从而使得由诸如塑模石膏或硅氧橡胶之类任何适宜材料形成的模具(2)再次被使用，这样便为填料提供了形状精度。传统的对开模、多件模、熔模铸造壳型模等适用于这一目的。另外，预型体(3)可以保存在，举例来说，由在后续加工步骤中可被消耗的金属箔制成的模具之中。任何情况下，都应适宜地处理预型体(3)，通过将预型体保持在渗透或惰性气氛之中以防渗透增强剂降解并且防止在金属基质复合体完全形成之前发生其它物理破坏。
如图3所示，随后可以使预型体(3)与被容纳于适宜耐火材料容器(5)中的熔融基质金属池(4)相互接触。基质金属自发地渗入至少一部分预型体(3)之中从而在被渗透的预型体(4)部分产生金属基质复合体(6)。通过简单地将预型体(3)置于熔融金属池(4)的表面将预型体(3)引入熔融基质金属。另外，预型体可被放置于适宜的坩埚或其它用于容纳基质金属的非反应性容器之中，其周围有许多基质金属铸块，将其加热至预型体周围的基质金属熔融为止。将预型体加到现成的基质金属池可以使金属基质复合体成品更快地形成，原因是无需花费时间熔化基质金属。然而，有必要预热预型体以免发生热冲击以及所产生的预型体的破裂或降解将会被理解的是，对于最初含有陶瓷材料和渗透增强剂前体的预型体来说，应该将至少一部分渗透增强剂前体转化为渗透增强剂。例如，随着通过使预型体于加热期间暴露于渗透气氛之中而加热预型体和基质金属铸块，便完成了这一转化过程。
在一优选实施方案中，渗透增强剂前体可以至少部分地与渗透气氛反应从而在预型体与熔融基质金属相互接触之前或几乎同时在至少一部分预型体内形成渗透增强剂(例如如果镁是渗透增强剂前体，而氮是渗透气氛，那么氮化镁便是处于至少一部分预型体之中的渗透增强剂)。另外，渗透气氛(例如铝/镁/氮体系中的氮气)可被鼓泡通入熔融基质金属之中从而使预型体与渗透增强剂前体接触并反应以便在浸没于基质金属浴之后形成渗透增强剂。此外，预型体可随着它漂浮于熔融基质金属表面而被暴露于渗透气氛之中，从而将渗透增强剂前体转化为渗透增强剂。
基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系的一个例子为铝/镁/氮体系。具体地说，铝基质金属可被容纳在于加工条件下铝熔化时不会与铝基质金属反应的适宜的耐火材料容器内。然后使预型体与熔融铝基质金属接触。由于预型体相对于熔融基质金属的固有浮力，该预型体可以漂浮于或靠近熔融基质金属的表面、或者漂浮于熔融基质金属内部某处、或者甚至沉降至熔融基质金属的底部。此外，预型体可被可拆卸地连接于有助于或导致预型体漂浮的漂浮装置。该漂浮装置含有不会与自发体系反应并且足以在熔融基质金属中产生正或负浮力从而抵消预型体或金属基质复合体的任何负或正浮力达到所需程度的任何适宜材料。进一步讲，预型体可以在基质金属熔被化之前与基质金属相接触，或者预型体埋藏固体基质金属颗粒或碎块。随后，加热基质金属使其熔化。
在预型体的渗透期间，无论是否被连接于漂浮装置之上，预型体均可以开始至少部分地沉入熔融基质金属池中，因此，如图4所示表明渗透已经发生。将会被理解的是这一沉降过程会根据随着基质金属渗入预型体的程度而变化的预型体的浮力而进行。因此，依据渗透之前与之后的复合体的相对浮力，复合体可以在渗透完成之后在熔融基质金属浴内上升、沉降或改变位置。
在本发明方法中所采用的条件下，在采用铝/镁/氮自发渗透体系的条件下，预型体可以具有充分的可渗透性使得含氮气体穿透或渗透预型体并且与熔融基质金属相接触。此外，这种可渗透的预型体还可以适应熔融基质金属的渗透，从而使经过氮气渗透的预型体被熔融基质金属自发渗透从而形成金属基质复合体。自发渗透与金属基质复合体形成的程度将随着给定的工艺条件的不同而变化，这些条件包括铝基质金属合金和/或预型体的镁含量、预型体和/或铝基质金属中的氮化镁含量、附加合金元素(例如硅、铁、铜、锰、铬、锌等)的存在、包含预型体在内的填料的平均大小(例如粒径)、填料的表面状态及类型、渗透气氛的氮浓度、渗透时间及渗透温度。
例如，为使熔融铝基质金属的渗透自发地发生，可以使铝基质金属与以合金重量为基准计至少1%(重)左右、以至少3%(重)左右为佳的镁(用作渗透增强剂前体)形成合金。上述辅助合金元素也可以被包含在基质金属之中从而赋予其特定的性质。另外，辅助合金元素会对铝基质金属所需的导致自发渗透填料或预型体的最小镁量有所影响。当铝基质金属中含有足够的镁和/或氮化镁时，便没有必要分别地补充预型体或渗透气氛中的镁或氮化镁。
应该避免由于，举例来说，挥发而导致的自发体系中镁的损失，使得某些镁保留下来形成渗透增强剂。因此，有必要在基质金属中使用足量的初始合金元素以保证自发渗透不会因挥发而受到不利影响。此外，存在于预型体和基质金属中的镁或单独存在于预型体中的镁都会导致实现自发渗透所需镁的用量的减少(下文将进行更详细的讨论)。
氮气氛中氮的体积百分比同样会对金属基质复合体的形成速率有所影响。具体地说，该气氛中若存在低于大约10%(体积)氮的话，自发渗透就会非常缓慢或者几乎未发生自发渗透。业已发现，该气氛中以存在至少50%(体积)左右的氮为佳，因而使得，举例来说，渗透时间由于渗透速率大大加快而更加短暂。渗透气氛(例如含氮气体)可被直接提供给填料或预型体和/或基质金属，或者它可以由某一材料分解而成。
熔融基质金属渗透填料或预型体所需的最低镁量取决于一种或多种诸如加工温度、时间、辅助合金元素如硅或锌的存在、填料的性质、在一种或多种自发体系中镁所处的位置、气氛中氮含量以及氮气氛的流动速率之类的变量。随着合金和/或预型体的镁含量增加，可以选用更低的温度或更短的加热时间以实现完全渗透。此外，对于给定的镁含量来说，添加特定的辅助合金元素如锌允许选用较低的温度。举例来说，当基质金属的镁含量处于可操作范围下端例如大约1～3%(重)的时候，与其组合选用的至少为下列因素之一高于最低加工温度、高氮含量或者一种或多种辅助合金元素。当预型体中未加镁时，以通用性为基础，在宽范围的加工条件下合金以含有大约3～5%(重)镁为佳，当选用较低温度和较短时间时以至少大约5%为佳。可以采用超过大约10%(铝合金重量)的镁含量以调节渗透所需温度条件。当与辅助合金元素结合使用时可以降低镁含量，不过这些元素仅具有辅助功能并且与至少上述最低镁量共同投入使用。举例来说，仅与10%硅形成合金的足够纯的铝于1000℃下基本上不渗透500目39Crystolon(99%纯度碳化硅，Norton公司出品)的垫层。然而，在镁存在下，业已发现硅有助于渗透过程。再举一个例子，如果镁仅仅被提供给预型体或填料，其数量会有所改变。已经发现，当被供给自发体系的全部镁中至少有一部分被置于预型体或填料中时，自发渗透将借助较低重量百分率所供给的镁进行。必要的是提供转少量的镁以防止在金属基质复合体内形成不必要的金属互化物。在碳化硅预型体的情况下，业已发现，当该预型体与铝基质金属接触时，在该预型体含有至少约1%(重)镁和有基本上纯的氮气氛存在条件下，基质金属自发渗透该预形体。在氧化铝预型体的情况下，实现可被接受的自发渗透所需镁量稍有增加。具体地说，业已发现，当氧化铝预型体与类似铝基质金属接触时，在大约与铝渗透碳化硅预型体相同的温度以及有相同氮气氛存在的条件下，需要至少约3%(重)镁实现与上述在碳化硅预型体中类似的自发渗透。
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/或结合于填料或预型体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预型体或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。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的填料或预型体与熔融铝相接触，通过保持一连续的气流提供含氮气体，使其与填料或预型体和/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，但是该量以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空气侵入从而对熔融金属产生氧化效果为佳。
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。对于按照本发明所进行的热成形来说，填料的体积百分比以40～50%为佳。当体积百分比在此取值范围内时，经过渗透的复合体保持或基本保持其形状，这样有助于进行二次加工。可以选用更高或更低的颗粒含量或体积百分比，然而，这要取决于热成形后所需的目的复合体含量。此外，可以与本发明的热成形方法相关联，采用降低颗粒含量的方法实现较低的颗粒含量。
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。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在任何适于干扰、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)超出陶瓷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。阻挡元件可用于自发渗透中，或用于在自发渗透金属基质复合体热成型时所使用的任何模具或其它固定装置中。对此更详细的描述见下文。
合适的阻挡元件由在所采用的加工条件下，基本不被渗透的熔融基质合金润湿的材料构成。这种阻挡元件对熔融基质合金几乎没有或没有亲合力，因此阻挡元件防止或抑制了超出填料或预型体的限定界表面的运动。阻挡元件可缩短金属基质复合体产品可能需要的目的加工或研磨过程。如上所述，阻挡元件最好是可渗透的或多孔的，或通过穿孔使其变成可渗透的，以使气体能够与熔融基质合金接触。
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或预型件界面之上及四周。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或预型件的周围。
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或预型件的外表面上。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。
由此看来，阻挡板元件可以任何合适的方式使用，例如在限定的界表面上覆盖一层阻挡材料。将这样一层阻挡元件施用在限定的界表面时，可通过刷涂，浸渍，丝网印制，蒸发等方式，或者通过使用液状，浆状或糊状的阻挡元件，或者通过喷涂一种可蒸发的阻挡元件，或者通过简单地沉积一层粒状固体阻挡材料，或者通过使用阻挡元件的固体薄片或薄膜。放置好阻挡元件后，当正在渗透的基质金属到达限定的界面并与阻挡元件接触时，自发渗透则基本终止。
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，应该理解这些实施例是说明性的，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通过使1000粒度碳化硅粉末(Norton公司提供的39Crystolon)与约2.5%(重)325目镁粉(JohnsonMathey公司提供)混合制备填料。为了使其混合均匀，将这些粉末置于一密封的容器之中并且置于一球磨机中翻滚混合约12小时。借助球磨机只能使其混合均匀，不发生任何粉末的研磨或形变。
参照图5，填料尽可能多地被手工填充至由被用于使填料成形的铜管组成的模具(2)之中。铜管(由通用铜公司提供)的壁厚约为0.8mm，该管呈钟形，其较宽一端长3.8cm、宽2.5cm。管(2)的较宽端未被覆盖而其较窄端却被铝箔覆盖用以防止充填期间有填料被遗漏。
如图6所示，随后将这样两个填充模具(2-1)、(2-2)置于含有许多铝金属铸块(7)的非反应性容器(5)中。容器(5)由衬有两个厚度为0.25mm左右、用以保证容器可再次使用的石墨箔层(例如由T.T.America公司提供的Permafoil
)的焊接300-系列不锈钢盒子所组成。合金的组成约为85%(重)铝、12%(重)硅和3%(重)镁(Al-12Si-3Mg)，铸块(7)被配置在容器(5)中的管(2-1)和(2-2)周围。将模具(2-1)之一置于容器底部附近，而另一模具(2-2)置于顶部附近。然后用0.7mm厚的铜箔(8)(由大西洋设备工程公司提供)覆盖容器(5)并将其置于电阻加热炉中。然后通过铜箔(8)上的一个孔眼以大约1.5 l/分钟的流量导入氮气，吹洗该容器内部。
使炉温在2～2.5小时的期间由室温升至大约750℃，从而使填料硬化成为即使在无模具的条件下也会保持其形状的预型体。将该容器及其内含物在大约750℃下保持2.5小时左右，待结束时于容器中形成铝合金池，硬化填料周围的铜模具熔化并分散于熔融铝合金之中，同时合金自发渗透填料从而形成金属基质复合体。应该注意的是即使于铜模具被消耗后，填料仍保持其形状不变，其原因大概是随着温度升高(或者是烧结的效果)填料中有氮化镁生成以及由于金属基质复合体中存在高比例填料所致。
待这一2.5小时的期间结束时，金属基质复合体自然地漂浮于池表面下3～5cm处。位于容器顶部附近的模具(2-2)漂浮于池表面一段时间，随后待模具熔于池中并且随着自发渗透的进行而逐渐沉入池内。位于容器底部的模具(2-1)最终溶解并渗透，硬化的预型体上升至大约与靠近顶部的预型体(2-2)于池中所处位置相同的深度。用不锈钢刮勺轻轻地取出合金池中的金属基质复合体并置于实验室的环境空气中冷却。所得到复合体被充分自发渗透并且显示出良好的形状完整性。
实施例2借助标准技术对含有500粒度碳化硅粉末(39Crystolon，由Norton公司提供)的预型体进行沉降浇铸并且将其预烧成半个活塞销的形状。这种半个活塞销状的预型体，有几个被用于内燃机中，基本上呈管形，其外径约为4mm，内经约为3mm，长度约为5cm。参照图7，预型体(2-3)被加至池(4)的表面上，池中含有稍有改进的380.1熔融铝合金(来自BelmontMetals)的混合物，其组成约为7.5～9.5%Si、3.0～4.0%Cu、2.9%Zn、6.0%Fe、0.5%Ni、0.35%Sn和大约0.17～0.18%Mg，于大约700℃下向其中添加5%(重)Mg。
池(4)被装在非反应性容器(5)中，该容器包含300系列不锈钢罐，该罐衬有由联合碳化物公司生产并以商标Grafoil
出售、厚度为15/1000英寸的品位GTB石墨带状产物。这样，通过吹洗在一个300系列不锈钢盒(9)与平板(10)之间形成的腔体(8)使容器(5)、预型体(2-3)和池(4)被保持于纯氮气氛之中。借助被插在与固定通过盒(9)中接合孔的不锈钢管(11)将氮渗透气氛导入腔体(8)中。将铜垫圈(12)插在盒(9)与板(10)之间以保持腔体(8)内的氮气氛。此外，将许多钛小片(13)分布于腔体(8)内以便使其与可以污染铝/镁/氮自发渗透体系中渗透增强剂前体和/或基质金属和/或渗透增强剂的任何氧或其它外来物质反应。
将装有容器(5)、盒(9)和板(10)的反应器置于电阻加热炉中并将其从室温加热至700℃左右，历时大约5小时，从而使基质金属合金熔化。随后，将预型体(2-3)置于熔融铝合金池(4)的表面上，与此同时暂时地提升盒(9)。将温度保持在800℃左右，历时25小时，待结束时，再次提升盒(9)，并且借助不锈钢刮勺回收已经沉入池中的半个活塞销。然后使半个活塞销在实验室的空气中冷却。预型体经铝合金充分自发渗透后形成呈现良好完整形状保真度的金属基质复合体。
实施例3参照图8，通过将被埋置于许多粗粒硅灰石(14)(MyadSP，由NYCO，Inc.提供)中的石墨衬不锈钢罐(5)放在纯度为99.7%的氧化铝坩埚中来制作反应器。将一个包括不锈钢吹扫管(11)的300系列不锈钢罐(16)放在罐(5)之上。在罐(5)中形成含有熔融铝合金混合物、组成与实施例2中的铝合金相同的池(4)。
通过将反应器和坩埚置于电阻加热炉中经加热形成池(4)，同时将纯氮气不断地吹入不锈钢罐(16)中。在大约5小时的期间内将该容器从室温加热至800℃左右。当池(4)的合金温度达到大约700℃时，提升不锈钢罐并迅速地将预型体置于池表面，从而替换了不锈钢罐(16)。随后使该容器于800℃左右保持约30小时，此后由池中取出预型体并置于空气中冷却。
预型体包括其直径约为1.3cm、长约为1.3cm、由220粒度碳化硅(39Crystolon，由Norton公司提供)形成的简单园柱体。于700℃左右取出预型体并冷却至室温。待自发渗透完全呈现良好的完整形状特性。
权利要求
1.一种制造金属基质复合体的方法，该方法包括由基本上非反应性填料的可渗透体制备预型体；提供熔融基质金属池；使熔融基质金属自发渗透至少一部分预型体。
2.按照权利要求1所述的方法，其中还包括提供渗透气氛的步骤，渗透气氛与至少预型体和基质金属二者之一在渗透过程中至少一部分时间内相互接触。
3.按照权利要求2所述的方法，其中还包括将至少渗透增强剂前体和渗透增强剂二者之一供给至少基质金属、预型体和渗透气氛三者之一的步骤。
4.按照权利要求1所述的方法，其中还包括将至少渗透增强剂前体和渗透增强剂二者之一供给至少基质金属与预型体二者之一的步骤。
5.按照权利要求3所述的方法，其中所述至少渗透增强剂与渗透增强剂前体二者之一由外部来源提供。
6.按照权利要求1所述的方法，其中还包括使至少一部分预型体与至少渗透增强剂前体与渗透增强剂二者之一在渗透期间至少一部分时间内相互接触的步骤。
7.按照权利要求3所述的方法，其中通过使渗透增强剂前体与选自渗透气氛、预型体和基质金属的至少一种反应形成渗透增强剂。
8.按照权利要求7所述的方法，其中渗透增强剂前体在渗透期间挥发。
9.按照权利要求8所述的方法，其中经过挥发的渗透增强剂前体发生反应从而在至少一部分填料内形成反应产物。
10.按照权利要求9所述的方法，其中所述反应产物可被所述熔融基质金属至少部分地还原。
11.按照权利要求10所述的方法，其中所述反应产物涂敷至少一部分所述预型体。
12.按照权利要求1所述的方法，其中还包括借助阻挡元件限定预型体的表面边界的步骤，其中基质金属自发渗透到达阻挡元件。
13.按照权利要求12所述的方法，其中阻挡元件含有选自碳、石墨和二硼化钛的材料。
14.按照权利要求12所述的方法，其中所述阻挡元件基本上不被所述基质金属润湿。
15.按照权利要求12所述的方法，其中所述阻挡元件含有至少一种能够使渗透气氛与基质金属、预型体、渗透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种相互接触的材料。
16.按照权利要求1所述的方法，其中填料含有至少一种选自粉末、薄片、片晶、微球体、须晶、气泡、纤维、颗粒、纤维簇、切削纤维、球体、丸粒、小管和耐火布的材料。
17.按照权利要求1所述的方法，其中预型体在熔融基质金属中的溶解度有限。
18.按照权利要求1所述的方法，其中预型体含有至少一种陶瓷材料。
19.按照权利要求3所述的方法，其中基质金属含有铝，渗透增强剂前体含有至少一种选自镁、锶和钙的材料，渗透气氛包括氮。
20.按照权利要求3所述的方法，其中基质金属含有铝，渗透增强剂前体含有锌，渗透气氛含有氧。
21.按照权利要求4所述的方法，其中至少渗透增强剂和渗透增强剂前体二者之一被提供给预型体与基质金属的界面处。
22.按照权利要求1所述的方法，其中渗透增强剂前体在所述基质金属内形成合金。
23.按照权利要求1所述的方法，其中所述基质金属含有铝并且含有至少一种选自硅、铁、铜、锰、铬、锌、钙、镁和锶的合金元素。
24.按照权利要求4所述的方法，其中至少渗透增强剂前体和渗透增强剂二者之一被加到基质金属和预型体中。
25.按照权利要求3所述的方法，其中至少渗透增强剂前体和渗透增强剂二者之一被加到至少基质金属、填料和渗透气氛三者之一之中。
26.按照权利要求1所述的方法，其中自发渗透期间的温度高于基质金属的熔点，但都低于基质金属的挥发温度与填料的熔点。
27.按照权利要求2所述的方法，其中渗透气氛含有选自氧和氮的气氛。
28.按照权利要求3所述的方法，其中渗透增强剂前体含有至少一种选自镁、锶和钙的材料。
29.按照权利要求1所述的方法，其中基质金属含有铝，填料含有选自氧化物、碳化物、硼化物和氮化物的材料。
30.按照权利要求1或3所述的方法，其中熔融基质金属被容纳于耐火材料容器之中。
31.按照权利要求1或3所述的方法，其中通过将预型体置于基质金属池表面使预型体与熔融基质金属接触。
32.按照权利要求31所述的方法，其中还包括预热预型体的步骤。
33.按照权利要求1所述的方法，其中池内预型体的位置说明自发渗透已经发生。
34.按照权利要求1所述的方法，其中还包括将在受热时会形成预型体的填料埋置于固体基质金属之中，并且熔化固体基质金属从而形成基质金属池的步骤。
35.按照权利要求1、31或34所述的方法，其中还包括将漂浮装置可移动地连接于预型体以便有助于预型体在基质金属池内漂浮以及于预型体的自发渗透完成后拆卸该装置的步骤。
36.按照权利要求4所述的方法，其中预型体借助可再次使用的模具形成。
37.按照权利要求4所述的方法，其中预型体借助在金属基质复合体形成期间被消耗的模具形成。
38.按照权利要求1所述的方法，其中还包括提供第二熔融基质金属并且使预型体于至少一部分被熔融基质金属自发渗透之后与第二熔融基质金属相互接触的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种形成金属基质复合体的新方法。具体地讲，在预型体中形成填料的可渗透体。然后将预型体置于基质金属合金的表面或内部，此后基质金属合金自发地渗透预型体。待预型体基本被渗透完全后，预型体开始至少部分地沉入基质金属合金源中。渗入预型体的基质金属随后冷却，这样便形成金属基质复合体。
文档编号C04B41/51GK1042495SQ8910808
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
发明者拉特尼什·库马·威外迪, 约翰·托马斯·布克 申请人:兰克西敦技术公司