制备金属基体复合材料的方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于制备金属基体复合材料的方法，所述方法包括：(a)形成金属盒，所述金属盒包括具有长度和宽度的底部成型板、具有长度和高度的第一对侧面成型板以及具有宽度和高度的第二对侧面成形板；(b)将金属粉末和陶瓷粉末混合以制备混合粉末；(c)用所述混合粉末填充所述金属盒；(d)在所述金属盒中将所述混合粉末压实以提供包括压实粉末预成型件的所述金属盒；(e)以与包括所述压实粉末预成型件的所述金属盒稳固邻接的方式将顶部成型板设置到所述金属盒上并且围绕其边缘密封以生成预轧制组件；以及(f)在所述预轧制组件上进行热加工以获得具有金属镀层的所述金属基体复合材料。
【专利说明】
制备金属基体复合材料的方法
技术领域
[0001] 本发明描述了用于制备金属基体复合物的方法。在一个实施方案中，金属基体复 合物用作中子屏蔽材料。
【背景技术】
[0002] 包括金属和陶瓷的金属基体复合(MMC)材料已经越来越多地在用于新燃料和废燃 料的存储和运输的核工业中用作中子屏蔽材料。
【发明内容】
[0003] 需要具有增大的最终密度和/或更高陶瓷含量的MMC制品，从而在至少一个实施方 案中得到改善的性能。另外需要改善加工成本和/或降低制造成本。
[0004] 在一个方面，提供了用于制备金属基体复合材料的方法，该方法包括：
[0005] (a)形成金属盒，该金属盒包括:具有长度和宽度的底部成型板、具有长度和高度 的第一对侧面成型板W及具有宽度和高度的第二对侧面成型板.
[0006] (b)将金属粉末和陶瓷粉末混合W制备混合粉末；
[0007] (C)用混合粉末填充金属盒；
[000引（d)在金属盒中将混合粉末压实W提供包括压实粉末预成型件的金属盒；
[0009] (e)w与包括压实粉末预成型件的金属盒稳固邻接的方式将顶部成型板设置到金 属盒上并且围绕其边缘密封W生成预社制组件；W及
[0010] (f)在预社制组件上进行热加工W获得具有金属锻层的金属基体复合材料。
[0011] 上述
【发明内容】
并非旨在描述每个实施方案。本发明的一个或多个实施方案的细节 还在下面的说明书中给出。根据本说明书和权利要求书，其他特征、目标和优点将显而易 见。
【附图说明】
[0012] 在附图中；
[OOU]图巧预社制组件10的透视图；
[0014] 图2为金属盒20的透视图，其示出了长度(1)、宽度(W)和高度化）；
[0015] 图3为压实组件30的侧视图；并且
[0016] 图4为在(A)0TSI、（B)3TSI、和(07TSI下压实的金属基体复合材料的显微图。
【具体实施方式】
[0017] 如本文所用，术语
[0018] "-个(一种r和"所述"可互换使用并意指一个或多个;并且
[0019] "和/或"用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A 和B)和(A或B)。
[0020] 另外，本文中由端点表述的范围包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至10包 括 1.4、1.9、2.33、5.75、9.98等）。
[0021] 亦如文中所述，表述"至少一个"包括一及大于一的所有数字(例如，至少2、至少4、 至少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至少100等）。
[0022] 近年来，已经开发出了侣复合材料，不仅是因其强度和低密度，而且因需要高杨氏 模量、耐磨性、热耗散、耐腐蚀性、低热膨胀W及中子吸收能力的其他用途。一般来讲，可通 过增加具有所需功能的陶瓷的量来增加每项功能，但仅仅增加量可导致可加工性、挤出能 力、社制能力、延展性和锻造能力大大降低。
[0023] 因此，已经设想出使陶瓷预成型、用侣烙体浸溃、随后将高浓度陶瓷均匀分散在基 体相中的方法，但运带有由于烙体渗透不足和凝固过程中形成的收缩而出现的可能缺陷的 缺点。另外，常常存在陶瓷在侣中的凝聚和分离。
[0024] 美国专利7,998,401(01?1111^等人)公开了据说易于产生的增加11(：中的陶瓷含量 的可供选择方法。Okaniwa等人公开了在金属薄片内对侣/陶瓷粉末混合物进行电压力烧结 并且随后使该金属包覆材料经受塑性加工步骤。
[0025] 在本公开中，已发现通过压实包括金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末，可实现高密 度的粉末，同时将热成型期间的材料变形和铺展降到最低，从而得到例如具有增大的性能 效率的材料。
[00%]可通过参考图1来理解本公开。图1所示为预社制组件10,该组件包括金属盒12、压 实粉末预成型件15和顶部成型板18。随后社制预社制组件W形成被封入的金属基体复合 物。
[0027] 金属盒
[0028] 金属盒包括5个金属侧面:底部成型板、第一对侧面成型板和第二对侧面成型板。 金属盒可由五个单独的金属小片或更少个制成。例如，金属盒可通过2个金属小片成型：形 成侧壁的单片W及底片。
[0029] 成型板由金属制成。只要金属在粘附力方面优于粉末材料并且适用于热社制，所 使用的金属就没有具体限制，此类金属包括：侣、儀和不诱钢。示例性金属包括例如纯侣 (AA1100、AA1050、AA 1070等）；侣合金材料，诸如A1-Cu合金(AA2017等）、A1-Mg合金 (AA5052等）、A1 - Mg-Si 合金(AA6061等）、A1-化 一 Mg 合金(AA7075等）和 A1 - Μη 合金;儀合 金材料，诸如Mg-A^ai-Mn (ΑΖ31、ΑΖ61等）；W及不诱钢合金材料，诸如化-Cr (SAE 304、316、 31化等）。
[0030] 金属盒主要用作容器W将压实粉末如所加工的那样保持。所选金属应当参考期望 的特性、成本等等来确定。例如，当希望改善可加工性和热耗散能力时，纯侣为优选的。与侣 合金相比较，纯侣在核应用的污染控制和原材料成本方面也是优选的。当希望改善强度或 可加工性时，A1 - Mg合金(AA5052等)为优选的。
[00川金属粉末
[0032]将包括金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末容纳在金属盒内。通常，金属粉末为侣，然 而可使用其他金属粉末，包括儀或不诱钢。金属粉末的示例性类型包括纯侣（具有至少 99.0%纯度的侣粉末，例如AA1100、AA1050、AA1070等），或包含侣W及0.2质量％至2质量％ 的另一金属的侣合金。此类合金包括:A1-Cu合金(AA2017等）、A1-Mg合金(AA5052等）、 A1 - Mg-Si合金(AA6061等）、A1-化一 Mg合金(AA7075等)和A1 - Μη合金，其单独地存在或 作为两者或更多者的混合物存在。
[0033] 要选择的金属粉末的组成可参考例如期望的特性、耐腐蚀性、污染控制、热加工中 的变形阻力、混合的陶瓷颗粒的量W及原料成本来确定。例如，当希望增加可加工性或热耗 散时，纯侣粉末(诸如ΑΑ1ΧΧΧ侣系列，其中X为编号）为优选的。与侣合金粉末的情况相比较， 纯侣粉末在原材料成本方面也是有利的。作为纯侣粉末，优选的是使用具有至少99.0质 量％的纯度(可商购获得的纯侣粉末通常具有至少99.7重量％的纯度)的纯侣粉末。
[0034] 当希望获得中子吸收能力时，使用棚化合物作为要在下面描述的陶瓷颗粒，但当 希望进一步增加所得中子吸收能力时，优选的是向侣粉末中添加1-50质量％的提供中子吸 收能力的一种类型的元素，诸如倍化f)、衫(Sm)或似Gd)。另外，当需要高溫强度时，可W添 加选自铁(Ti)、饥(V)、铭(Cr)、儘(Μη)、铁(Fe)、铜(Cu)、儀(Ni)、钢(Mo)、妮(nb)、错(Zr)和 锁（Sr)的至少一种元素，并且当需要室溫强度时，可W添加选自娃(Si)、铜(Cu)、儀(Mg)和 锋(Zn)的至少一种元素，每种元素按2质量％或更小的比例，并且总计为15质量％或更小的 质量％添加。
[0035] 虽然金属粉末的平均粒度没有具体限制，但一般来讲金属粉末应当为至多约50化 m(微米K150WI1或甚至60皿或更小。虽然只要可生产，平均粒度的下限就没有具体限制，但 一般来讲粉末应当为至少1皿、5皿、10皿或甚至20皿。出于本公开的目的，平均粒度是指通 过激光衍射粒度分布所测量的化0值。金属粉末的形状也没有限制，并且可为泪滴状、球形、 楠圆形、片状或不规则中的任何一者。
[0036] 在本公开的一个实施方案中，金属粉末具有单峰粒度分布。在本公开的另一个实 施方案中，金属粉末具有多峰粒度分布(例如，双峰、Ξ峰等）。在一个实施方案中，金属粉末 具有双峰分布，其中第一模式(包括较小颗粒)与第二模式(包括较大颗粒)的平均粒度的比 率为至少1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的宽度可为宽的或窄的。
[0037] 金属粉末的生产方法没有限制，并且可通过金属粉末生产的公共已知方法而产 生。生产方法可为例如通过雾化、烙纺、旋转盘、旋转电极或其他快速冷却固化方法，但对于 工业生产来说，雾化方法，特别是其中通过雾化烙体来产生粉末的惰性气体雾化方法为优 选的。
[00；3引 陶瓷粉末
[0039] 陶瓷粉末与金属粉末混合W最终形成金属基体复合物。示例性陶瓷粉末包括 Al2〇3、SiC或B4C、BN、氮化侣和氮化娃。运些可单独地或作为混合物使用，并且根据复合材料 的预期用途来选择。
[0040] 要选择的陶瓷粉末的组成可参考例如期望的特性、所使用的陶瓷颗粒的量W及成 本来确定。当希望获得中子吸收能力时，通常将棚化合物用于陶瓷颗粒。
[0041] 棚(B)具有吸收中子的能力，因此如果使用含棚陶瓷颗粒，则本公开的MMC可用作 中子吸收材料。在那种情况下，含棚陶瓷可为例如B4C、TiB2、B2化、BN FeB或化B2,其单独地或 作为混合物使用。具体地，优选的是使用碳化棚B4C，其包含大量1?，它是良好吸收中子的B 的同位素。
[0042] 陶瓷粉末的生产方法没有限制，并且可通过陶瓷粉末生产的公共已知方法而产 生。在陶瓷的合成之后，可使用修整工艺(诸如喷射研磨或球磨)调节粒度。导致楠圆体形状 颗粒或球形形状颗粒的修整工艺是优选的。
[0043] 虽然陶瓷颗粒的平均粒度没有具体限制，但一般来讲陶瓷粉末应当为至多约60μ m、40皿或甚至20μηι并且至少1皿、3μηι或甚至扣m。如果平均粒度大于60皿，则粗颗粒使金属 基体复合物变得易碎，从而影响机械性能。如果平均粒度小于Ιμπι，则运些细粉可聚集在一 起，使得难W实现与金属粉末的均匀混合物。出于本发明的目的，平均粒度是指通过激光衍 射粒度分布测量所测量的化0值。粉末的形状也没有限制，并且可为球形、楠圆形、片状或不 规则中的任何一者。
[0044] 在本公开的一个实施方案中，陶瓷粉末具有单峰粒度分布。在本公开的另一个实 施方案中，陶瓷粉末具有多峰粒度分布(例如，双峰、Ξ峰等）。在一个实施方案中，陶瓷粉末 具有双峰分布，其中第一模式(包括较小颗粒)与第二模式(包括较大颗粒)的平均粒度为至 少1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的宽度可为宽的或窄的。
[0045] 制备方法
[0046] 用于产生根据本公开的金属基体复合材料的方法包括(a)形成金属盒；（b)将金属 粉末和陶瓷粉末混合并且将其置于金属盒中；（C)压实金属盒内的混合粉末；（d)将顶部成 型板置于金属盒的顶部并且将盒密封W形成预社制组件；W及(e)对预社制组件热加工。
[0047] 制备盒
[0048] 金属盒可由多个板成型构件形成，或可为单片。在一个实施方案中，金属盒由通过 W下过程获得的单片金属制成：（i)切割出金属板材料的中屯、部分，或（ii)切割成适当长度 的中空挤出材料，并且随后使底板成型至单片金属，从而形成盒。
[0049] 图2所示为金属盒20的示意图，该金属盒包括底部成型板21、彼此相对的第一对侧 面成型板23a和23bW及彼此也相对的第二对侧面成型板25a和25b。底板具有第一厚度、长 度和宽度。第一对侧面成型板具有第二厚度、长度和宽度。第二对侧面成型板具有第Ξ厚 度、宽度和局度。
[0050] 金属成型板可密封在一起W形成金属盒。金属盒的密封可为连续或不连续的，前 提是只要盒保持在一起，使得即使当组件经受热社制时其也能包含下文所述的混合粉末。 通常，此类密封材料包括:金属(例如，金属惰性气体焊接，诸如鹤惰性气体焊接;或摩擦揽 拌焊接）。在一个实施方案中，平滑焊接接合设置在小片的边缘之间。焊接可通过连续、利 落、均匀的流动而形成。在一个实施方案中，不允许焊接中有任何空隙，因为运将意味着盒 或铸块中的结构薄弱并且致使其在后续社制期间断开。
[0051] 金属盒具有如图2所示的长度（1)、宽度(W)和高度化）。金属盒的长度和宽度均大 于高度。应当理解，可采用不同尺寸的盒并且后续操作可产生不同厚度的成品。
[0052] 通常，盒的长度没有具体限制，因为热加工步骤沿长度轴线进行。通常，盒的宽度 受到所用机械长度(例如，漉，挤出机的尺寸）的限制，其用于在热加工步骤中使制品变平。 在一个实施方案中，盒的长度和宽度不同。在一个实施方案中，盒的长度和宽度相同。示例 性长度包括：至少10cm(厘米）、15cm、25cm或甚至50cm;并且不超过Im (米）、2m、5m或甚至 10m。示例性宽度包括：至少5cm、10cm、15cm、25cm或甚至50cm; W及至多50cm、100cm或甚至 200cm。
[0053] 金属盒的高度通常受热加工机械(例如，漉)的尺寸的限制。示例性高度包括:至多 600mm(毫米）、400mm、200mm、80mm 或甚至 50mm;并且至少 10mm、20mm 或甚至 30mm。
[0054] 在一个实施方案中，金属盒的高度小于金属盒的长度和宽度。由于在混合粉末和 金属盒侧面之间产生的摩擦，在进行冷压实时运是特别优选的。在一个实施方案中，金属盒 的高度对宽度的比率为至少1: 2、1:2.5或甚至1:5;并且不超过1:100或甚至1:200。
[0055] 每块板将具有厚度，通常小于1英寸（2.5cm)。板应当足够厚W经受热加工的压实 和应力，但足够薄W将包覆厚度降到最低，并且降低所得成品的成本、重量和堆积体积。在 一个实施方案中，顶部成型板和底部成型板为相同厚度。在一个实施方案中，顶部成型板和 底部成型板为不同厚度。在一个实施方案中，底部成型板和相对的顶部成型板比各对侧面 成型板薄。在一个实施方案中，底板和相对顶板与各对侧面成型板相同或底板和相对顶板 比各对侧面成型板更厚。板中每一者的示例性厚度包括至少1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、12mm 或甚至20mm;并且不大于50mm、100mm、125mm或甚至200mm。
[0056] 莖含
[0057] 金属粉末和陶瓷粉末均匀地混合。在一个实施方案中，混合粉末包含至少0.1质 量％、0.5质量％、1质量％、5质量％、10质量％、20质量％或甚至30质量％^及最多40质 量％、50质量％、55质量％或甚至60质量％的陶瓷粉末。就中子屏蔽而言，由于活性材料为 碳化棚，因此存在的碳化棚越多，越好。然而，当陶瓷粉末的含量增加时，热加工的变形阻力 增加，可加工性变得更难，并且形成的制品变得更易碎。另外，金属颗粒和陶瓷颗粒之间的 粘附力变差，并且可出现间隙，从而使得不可获得期望功能并且无法减小所得MMC的密度、 强度和热导率。此外，当陶瓷含量增加时切割能力也降低。
[0058] 金属粉末可为单独的一个类型，或可为多个类型的混合，并且陶瓷颗粒同样可由 单独的一个类型或多个类型组成，诸如通过在B4C和Al2〇3中混合。同样，粉末可包括单峰或 多峰(例如，双峰)粒度分布。
[0059] 通常，将选择金属粉末和陶瓷粉末的平均粒度W用于最终材料中的均匀度，W及 最大加工容易度(例如，增加可压缩性）。例如，如果金属和陶瓷粉末具有类似密度，则优选 的是将金属粉末粒度分布与陶瓷粒度匹配。运将允许陶瓷粉末颗粒更均匀地分布在所得 MMC中，从而具有性能稳定作用。如果平均粒度变得太大，则变得难W实现与陶瓷颗粒的均 匀混合物，所述陶瓷颗粒的平均粒度由于易于断裂而不可太大，并且如果平均粒度变得太 小，则细金属粉末可聚集在一起，从而使得极其难W获得与陶瓷粉末的均匀混合物。
[0060] 粉末材料完全混合W确保基本上绝对的均匀度。为此，优选的是将所需量的粉末 材料置于动力混合器中并且揽拌，直至已产生一种材料在另一材料整个范围内的均匀分 布。可使用例如混合器诸如错流V共混机、V共混机或交叉旋转式混合器、或者振动磨或行星 磨，在指定的时间（例如，5分钟至10小时）内使用本领域已知的混合方法。另外，可添加介质 诸如氧化侣球等W用于在混合期间压扁的目的。此外，混合可在干燥或润湿条件下进行。例 如，为了易于压实或防尘控制，可使用某种材料诸如水、油、溶剂、溶媒或者其他有机或无机 化合物。
[0061] 壁
[0062] ^将完全混合的粉末，其为具有第一密度的松散混合粉末，置于金属盒中并且 使用压力压实W生成具有第二密度的混合粉末。在压实之后，压实粉末预成型件具有至少 0.65、0.68、0.70、0.73、0.75、0.78或甚至0.80、并且不大于1.00的密度比率(或相对密度）。 如本文所用，密度比率是指混合粉末的实际密度与完全不含孔隙度（即，呈现完全致密的材 料)的相同材料的密度相比较。
[0063] 将金属盒置于模具内并且用混合粉末完全填充金属盒。为了确保粉末材料沉淀W 及消除任何大量的空气混入，可用棒或键敲打盒的侧面，或可使填充的容器剧烈振动W实 现相同目的。使用计算量的混合粉末，使得在压实之后，理想地，压实混合粉末与金属盒的 顶表面齐平。因为盒初始填充过量，在一个实施方案中，将立管架（或套筒)置于金属盒上 方，该金属盒位于模具内，W容纳具有第一密度的额外混合粉末。参见图3。在金属盒内压实 混合粉末。如本文所用，压实是指使用压力（或力）来压实粉末，运增加材料的密度，同时允 许粉末保持为固态。换句话讲，压实不仅重新布置金属盒内的颗粒W将其更紧密地堆积，而 且还使颗粒变形，从而实现更紧密地堆积。颗粒紧密地堆积，从而阻止其在进一步处理和加 工之后位移。然而，在压实步骤期间未发生金属粉末的大量烙融。可使用任何压实方法(即， 施加压力或力），包括例如固体压实、冷等静压(CIP)或单轴冷压。在一个实施方案中，可将 冲压机插入模具中W压实混合粉末。
[0064] 虽然不想受到理论的限制，但据信压实不仅使材料致密化，而且使颗粒"固定"，防 止其在后续处理和加工期间移动或流动，从而得到均匀的金属基体复合物。因此，在一个实 施方案中，压力(或力)应当足够大W固定混合粉末，从而防止颗粒在处理和/或加工时沉淀 或移动。通常，在施加更多压力时材料可变得更致密。在一些应用中，在压实的压力下陶瓷 颗粒可被压扁，运可减弱MMC的所得性能。根据所使用的粉末的特性，所施加的典型压力为 至少1TSI (吨/每平方英寸）、3了51、5了51、7了51或甚至9了51。在一些实施方案中，根据所使用 的粉末的特性，所施加的压力不超过10TSI、15TSI或甚至20TSI。
[0065] 在一个实施方案中，振动与压实一起使用。在一个实施方案中，混合粉末不经受烧 结。
[0066] 图3所示为压实组件30的侧视图，其示出了金属盒31、混合粉末32、模具底板33和 模具框架35。套筒34用作过量填充的混合粉末的立管，所述混合粉末用顶部冲压机36压实。
[0067] 混合粉末的压实将给定部分中的活性材料的量最大化，从而改善所得材料的功能 性。粉末的压实也可在热加工之前将粉末固定，从而在热加工步骤期间迫使压实并且限制 变形。
[0068] 包括压实混合粉末的填充金属盒随后由顶部成型板闭合，所述顶部成型板被切割 成所需尺寸。顶部成型板与和底部成型板相对的金属盒稳固邻接。顶部成型板可为如针对 金属盒所述的相同材料。W与上文所述密封金属盒的底部构件和侧面构件类似的方式将顶 部成型板密封到适当位置，W形成预社制组件。
[0069] 在一个实施方案中，在侧面提供通往预社制组件的小开口 W用于排气。例如，钻出 ^个1/4英寸(6mm)孔并且随后通过插入1/4英寸(6mm)侣馴钉将孔暂时闭合。运些馴钉作为 塞操作并且将材料保持在预社制组件中直至对其进行社制。当对预社制组件进行社制时， 从钻孔中去除塞W允许任何夹带的空气逸出。
[0070] 热加工
[0071] 预社制组件经受热加工诸如热社制、热挤出或热锻造，从而进一步改善粉末混合 密度，同时实现所需形状。当制备板形包覆材料时，可W获得与金属板材料具有指定包覆比 率的包覆板材料。热加工可由单个过程组成，或可为多个过程的组合。另外，可在热加工之 后进行冷加工。就冷加工而言，材料可通过在加工之前在100-530°C(优选地400-520°C)下 退火而变得更易于加工。
[0072] 就热社制而言，通常首先对预社制组件进行预热W在热加工（例如，热社制）步骤 之前使金属发生软化。所使用的溫度可根据混合粉末的组成和金属盒而变化。例如，当混合 粉末包括超过22重量％的陶瓷粉末时，预热应当为使得所使用的溫度应当为金属粉末烙融 溫度的至少90 %、92 %、94 %或甚至96 %，但不大于金属盒烙点。在一个实施方案中，对侣 (AA1XXX系列）的预社制组件进行加热W降低材料的阻力，此类溫度包括:至少400°C、45(rC 或甚至500°C ; W及至多600°C、620°C或甚至630°C。
[0073] 在一个实施方案中，制成的预社制组件被堆叠装载于浸泡加热炉中并且优选地在 预社制组件之间设置1英寸垫片W允许从所有侧面均匀加热。例如，当使用侣时，加热炉溫 度保持在400°C，或优选地500°C或甚至高达600°C，但不高于700°C，并且进行加热，直至将 预社制组件加热至所需热加工溫度。
[0074] 由于预社制组件由金属板材料包覆，因此表面将不具有任何陶瓷颗粒，所述陶瓷 颗粒否则可能为热加工期间损坏的起源点，或者磨损模具、漉或材料所接触的任何其他设 备。因此，可W获得具有良好可加工性、在强度和表面特性方面优良的金属基体复合材料。 另外，已经受热加工的所得材料将具有用金属包覆的表面，其中在表面上的金属与内部的 金属基体材料之间具有良好粘附力，从而具有优于表面未用金属材料包覆的侣复合材料的 耐腐蚀性、抗冲击性和热导率。
[0075] 应当理解，热加工操作不仅减小陶瓷粉末和金属粉末的混合物的厚度，而且减小 构成成品材料上的相对外覆盖件的板的厚度。整理包覆层与忍比率取决于压实粉末上的顶 部金属板和底部金属板的起始厚度比率。MMC忍的相对侧上的金属护套在所实现的最终总 厚度的5 %至75%内变化。MMC忍当然由陶瓷粉末和金属粉末的分子粘结颗粒形成，并且永 久性地分子粘结到外部护套的内表面。
[0076] 虽然精确尺寸可根据需要变化，但希望经由热加工步骤将预社制组件的厚度减小 至不超过其原始厚度的1/4至1/60, W及将社制材料相对侧的金属护套减小至不薄于0.003 英寸(0.07mm)的厚度。
[0077] 在一个实施方案中，在热加工步骤后，MMC材料变平。为此，其可在承重下热变平或 可使用线圈组去除器、漉式矫直机或任何类似工艺变平。在一个实施方案中，烘箱中的热变 平为优选的。为此，将MMC材料在重物下堆叠置于约40(TC溫度的烘箱中。如果在循环结束时 不是所有材料均变平，则去除平坦的那些小片并且返回剩余部分W用于变平。在一些情况 下，MMC材料在社制之后将为平坦的并且将不经历变平处理。
[007引在一个实施方案中，具有金属锻层的MMC材料具有至少lmm、1.5mm、2mm、5mm、10m、 15mm或甚至20mm，W及至多50mm、100mm或甚至200mm的厚度。
[0079] 可使用剪板机、水射流切割或任何其他金属切割工艺将MMC材料切割成所需尺寸 W供使用。
[0080] 在一个实施方案中，从金属锻层中去除MMC。
[0081 ] 实施例
[0082] W下实施例进一步说明了本公开的优点和实施方案，但是运些实施例中所提到的 具体材料及其量W及其它条件和细节均不应被解释为对本发明的不当限制。除非另外指 明，否则在运些实施例中，所有百分比、比例和比率按重量(wt)计。
[0083] 材料
[0084]
[00化]实施例
[0086] 金属盒（内尺寸为宽度6英寸（152mm) X长度10英寸（254mm) X高度2英寸 (50.8mm))由焊接4个侧板和一个底板的金属惰性气体构造。基体材料为45°倒角，3/8英寸 (9.5111111)深^优化焊接电阻。焊接使用1/16英寸（1.6111111^41100焊丝进行。
[0087] 侣粉末包括30重量％精侣和70重量％粗侣。碳化棚粉末包括30重量％精细碳化棚 和70重量％粗碳化棚。在氮气气氛下将64重量％的侣粉末与36重量％的碳化棚粉末在帕特 森-凯利横流V型共混机（Pat ter son-Kel ley crossflow V-b lender)(纽约州水牛城的 Buflovak有限公司（Buflovak liX，Buffalo，NY))中共混10分钟。共混粉末包括19.2重量％ 精侣、44.8重量％粗侣、10.8重量％精细碳化棚和25.2重量％粗碳化棚。将预定量的混合粉 末置于金属盒中。（无压制(0吨/平方英寸，TSI)下为7.30磅/盒，3TSI下为8.15磅/盒，W及 7TSI下为8.80磅/盒。）注意：当进行压实时，松散混合粉末过量填充金属盒，因此围绕金属 盒放置套筒W容纳松散粉末。如果说明，随后使用470T标称压实机(加利福尼亚州贝尔花园 的加少 HAccudyne 工程设备公司（Accudyne En 邑 ineerin 邑 feEquipment Co.,Bell Gardens, CA))在给定压力下压实混合粉末。将金属盒置于7英寸X 11英寸钢模中，6英寸ΧΙΟ英寸钢 冲压机置于顶部。如果进行压实，则所施加的力为180吨（3TSI)或420吨（7TSI)。随后，如果 使用则将套筒去除，并且将顶板置于盒的顶部，并且用ΑΑ1100填充焊丝进行MIG焊接W制备 预社制组件。将通气孔(4X1/4英寸直径孔)钻到金属盒的相对侧内。在对流加热炉中将预 社制组件加热16小时至600°C±5°C。随后使用二漉芬恩可逆式社机(800吨分离力)对加热 的预社制组件进行社制。W22%减小使预社制组件通过13次，从而将厚度从2.5英寸 (63.5mm)减小到0.100英寸(2.5mm)。在每次通过之间对30英寸直径钢棍施加社制冷却剂。 在第3次和第4次通过时完成两个横社漉(横向社制）。使所得制品冷却至室溫。
[0088] 下表1中所示为所得MMC颗粒的结果。对于每个所施加的压力，如下所述制备和测 量2个或3个样品，并且平均值报告于表1中。热社制之前的密度比率通过W下过程计算:将 所使用的混合粉末的重量除W金属盒的体积，然后除W呈现完全致密材料（其为2.63g/ cm3)的混合粉末的理论密度。所测量的忍级分通过所得制品的显微图确定，方法是用MMC的 面积除W制品的总面积并且乘W100来得到百分比。1化同位素面密度基于所使用的碳化棚 的量对MMC的厚度来计算，其使用W下公式（改编自Turner&Thomas ,Nuclear Technology, Vo 1.169(2010)(Turner和Thomas的《核技术》，第 169卷，2010年））：
[0089] 1〇BaD = FB4C X Pcou XFB Χρ1〇Β X Tmaterial X ( 1-Fclad)
[0090] 其中1吃AD为1化同位素面密度；
[0091] FB4C为所使用的碳化棚的量(0.36);
[0092] 化。巧为忍密度（2632mg/cm3);
[0093] FB为碳化棚中的棚比例(0.7826);
[0094] 片化为天然棚中的1化的级分(0.184);
[0095] 1^日加1为材料的厚度（2.60畑1);并且
[0096] Fclad为包覆比例(所测量的忍级分）。
[0097] 表 1
[009引
[0099] *混合粉末在首次落入金属盒内时的密度比率为约0.45，然而，在处理之后，混合 粉末在热加工步骤之前沉淀。
[0100] 所得材料的显微图示于图4中，其中（A)为未压实的金属基体复合材料复合物 (0TSI)，（B)为在3TSI下压实的金属基体复合材料，并且(C)为在7TSI下压实的金属基体材 料。在显微图中，碳化棚（陶瓷)颗粒为暗灰色，而金属(侣)为白色。需注意，在图4A中，观察 到狭窄弯曲的水平取向暗图案，所述图案被认为是流型，其归因于热社制期间松散粉末的 粉末移动。另外需注意，在图4C中，碳化棚颗粒中的一些聚集在一起和/或破碎。
[0101] 在不脱离本发明的范围和实质的前提下，本发明的可预知修改和更改对于本领域 的技术人员来说将是显而易见的。本发明不应受限于本申请中为了示例性目的所示出的实 施方案。
【主权项】
1. 一种用于制备金属基体复合材料的方法，所述方法包括： (a) 形成金属盒，所述金属盒包括:具有长度和宽度的底部成型板、具有长度和高度的 第一对侧面成型板以及具有宽度和高度的第二对侧面成型板； (b) 将金属粉末和陶瓷粉末混合以制备混合粉末； (c) 用所述混合粉末填充所述金属盒； (d) 在所述金属盒中将所述混合粉末压实以提供包括压实粉末预成型件的所述金属 盒； (e) 以与包括所述压实粉末预成型件的所述金属盒稳固邻接的方式将顶部成型板设置 到所述金属盒上并且围绕其边缘密封以生成预乳制组件；以及 (f) 在所述预乳制组件上进行热加工以获得具有金属镀层的所述金属基体复合材料。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述压实粉末预成型件具有至少0.65的密度比率。3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用下列中的至少一者来实施所述压 实步骤:固体压实、冷等静压和单轴冷压。4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属盒的所述高度对所述宽度的 比率为至少1:2.5。5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属盒选自铝、镁和不锈钢中的 至少一者。6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属粉末选自铝、镁和不锈钢中 的至少一者。7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述陶瓷粉末包括碳化硼。8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述底部成型板、顶部成型板、侧面成 型板和端部成型板具有至少2mm的厚度。9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预乳制组件的所述厚度通过乳制 到其原始厚度的至少1/4而减小。10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述预乳制组件在所述金属粉末 的熔融温度的至少90%内进行加热。11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述预乳制组件在所述热加工之 前进行预加热。12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热加工选自热乳制、热挤出和热 锻造中的至少一者。
【文档编号】B22F3/20GK105992661SQ201580008539
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月12日
【发明人】艾蒂安·朗德里-德希, 吉纳维夫·贾森, 穆罕默德·祖拜尔·纳瓦兹
【申请人】赛瑞丹公司