金属基体复合材料的制备方法技术

在含１０～１００％氮气，其余为非氧化性气体如氩气的气氛下，熔融铝－镁合金与渗透性陶瓷填料团块接触，制备陶瓷强化的铝基复合物。在此条件下，熔融合金在常压下自发渗入陶瓷团块。固体合金置于与可渗透的陶瓷团块相接位置，加热熔融，最好至少在约７００℃，通过渗透，生成铝基质复合物。除镁外，辅助合金元素可以与铝一起使用。最终复合物产品的铝基质中含有一不连续的氮化铝相和／或氮化铝外表面层。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过熔融金属自发渗入可渗透性陶瓷填料而制备金属基质复合材料的方法，更具体地说，是在氮气氛下熔融铝合金渗入的方法。本专利技术亦涉及用本方法制备铝基质复合材料。由金属基质和强化相或增强相，如陶瓷颗粒，晶须，纤维，或类似物组成的复合材料产品，具有广泛的应用性，因为它将强化相的强度和硬度与金属基质的延展性和柔韧性结合于一体。一般说来，金属基质复合材料性质如强度，韧性，接触耐磨性和高温下强度，相对于基质金属具有明显改善，但事实上对任一给出的性质的改善程度极大地依赖于其特定的组成，他们的体积或重量分数，以及是如何将其加工成复合材料的。在某些例子中，复合材料的重量较轻。例如，由陶瓷如碳化硅颗粒，片须强化的铝基质复合材料是有意义的，因为它相对于铝具有高韧性，高耐磨性和高温下强度高的性质。制备铝基质复合体的各种冶金方法已有叙述，这些方法是从粉末冶金技术到用加压浇铸使液态金属渗入的方法。粉末冶金技术是将粉末状金属和以粉末状，须状及碎丝状的强化材料混合然后冷压再烧结或热压。还报导用该法生产的用碳化硅强化的铝基质复合材料中最大陶瓷体积分数在用须晶情况下为25%，在用颗粒情况下为40%。用常规的粉末冶金法制备金属基质复合材料对所得产品特性有一定局限性。在复合材料中陶瓷相体积分数局限于约40%。而且，加压操作对所得产品实际尺寸亦有限制。只有下端简单的产品形状才无须后续加工(如成形，或机加工)或无须借助于复杂的冲压加工。而且，在绕结过程中，会发生不均匀收缩，以及在装填及晶颗增长时由于分层而造成微结构上的不均匀性。在由J.e.cannell等人于1976年7月20日提交的美国专利№3，970，136中述及了一种有纤维排布成预定形状的掺入象碳化硅或氧化铝须晶纤维强化材料组成的金属基质复合体的方法，强化材料为须状碳化硅或氧化铝，该复合体的制备是将共面纤维的平行织网或毡放入具有熔融基质金属池的模子中。熔融金属即铝介于至少某些织网之间，并加压使熔融金属透过织网并包住定向排布的纤维。熔融金属可以倒在织网堆上面，然后加压使其流入各织网之间。已报导在该复合体中强化纤维体积分数可达约50%。就其依赖于外压使熔融基质金属穿过纤维网堆而言，上述渗透工艺受到加压致使流动工艺的发生难预测的变化性，即基质形成不均匀性，多孔性等。即使熔融金属进入纤维阵列中多相点位，也还会导致一些性质的不均匀性。结果，需要复杂的织网/池排布和流通通道以使金属以适当的量和均匀地渗入纤维网堆。而且，前面所说的加压渗透法只能达到相对基质体积分数较低的强化，因为渗入大体积的织网堆是困难的。更进一步说，在高压下装有熔融金属的模子会增加工艺的成本。最后，上述方法，只限于渗入整齐排列的颗粒和纤维，而不能直接从自由取向的颗粒，须，纤维强化材料制成铝金属基质复合体。在铝基质-氧化铝复合体制备中，铝不易浸润氧化铝，因此制备粘结产物是困难的。从前的工艺中提出了各种解决这一问题的方法。一种是在氧化铝上涂上挥发性金属(如Ni或W)，然后与铝一起热压。在另一种技术中，铝和锂形成合金，并且氧化铝涂上氧化硅。然后这些复合体性质变化不定，或这些涂层可使填料降解，或基质中含有影响金属性质的锂。R.W.Grimshaw等人的美国专利№4，232，091克服了以前生产铝基质-氧化铝复合体工艺的某些困难。这一专利中述及通过施加75-375kg/cm压力使铝(或铝合金)进入预热到700～1050℃的纤维状或须状氧化铝。结果在浇铸固体中氧化铝与金属的最大体积比为0.25/1。由于依赖于渗透时所加外压，这一方法遇到许多与Cannell等人相同的困难。欧洲公开专利申请№115，742中述及了铝-氧化铝复合体的制备，方法是使熔融铝填充入预形成的氧化铝孔隙中，该复合体做为电解池组件尤为有用。申请着重指出了氧化铝不被铝润湿的性质，因此使用各种技术去润湿坯中的氧化铝。例如，将氧化铝涂上某些金属的二硼化物浸润剂如钛，锆，铪，或铌，或涂镀上某种金属，如锂，镁，钙，钛，铬，铁，钴，镍，锆或铪。润湿和渗透过程在惰性气氛如氩气中进行。该文中还示出了通过加压使熔融铝渗入未经涂层的坯。在这一方面，渗入的完成是先将孔隙排空然后再在惰性气氛下，如氩，加压使熔融铝渗入。可选择地，坯(预型件)可以在熔融铝充入孔隙之前先将蒸气相铝沉积渗入以润湿其表面。为确保铝滞留在坯的孔隙中，在真空或氩气氛中预热1400℃～1800℃是必要的。否则加压渗入材料会暴露于气体，或渗入压除去后会使铝从复合体中流失。欧洲专利申请№94353中还述及了使用润湿剂改善熔融金属电解池中氧化铝的渗透性。该专利还叙述了以阳极电流馈线作为电解池衬里或底衬电解生产铝。为防止熔融冰晶石侵蚀底衬，在池启动或浸入电解过程中熔融铝以前将一薄层润湿剂和抑制溶剂的混合物涂在氧化铝衬底上。润湿剂为钛，锆，硅，镁，矶，铬，铌，或钙，钛被认为是最可取的。碳化物，硼化物，氮化物对于抑制润湿剂在熔融铝中的溶解是很有用的。然而，该文中未提及金属基质复合体的生产，亦未提到在N2气氛中生产该复合体。除了施加压力和使用润湿剂外，还披露了使用真空将有助于熔融铝渗入陶瓷体的孔隙。例如，R.L.Landingham于1973年2月27日提出的美国专利№3，718，441中报导了在其空度低于10-6托Torr下，使熔融铝，铍，镁，钛，矶，镍及铬渗入陶瓷体(如，碳化硼，氧化铝，氧化铍)的方法。在真空度10-2-10-6托Torr，熔融金属对陶瓷体的浸润程度不好，金属不能自由地流入陶瓷体孔隙中。然而，真空达到10-6Torr以下浸润得到改善。G.E.Gazza等人在1975年2月4日提交的美国专利申请№3，864，154中也述及了使用真空渗入的方法。该专利中，将Al B12粉的冷压块置于冷压铝粉的床上。另一铝块置于Al B12块的顶部。置于两层铝粉之间的三明治式的Al B12块放入坩埚中，坩埚放入真空炉中。炉内抽空到约10-5Torr从使其脱气，然后升温到1100℃并保持3小时。在此条件下，熔融铝渗入多孔的Al B12块中。如上述，从前的方法基于加压，真空或使用浸润剂以改变金属对陶瓷体的渗透。所列举的方法中没有一个讨论和述及在常压下熔融铝合金自发渗入陶瓷材料中。本方法包括将至少含有按重量计1%的镁，最好约3%的镁的熔融铝渗入可渗透性的陶瓷填料体或经涂层的陶瓷填料体以制备金属基质复合体。这种渗入自发进行，无须外压或高真空。一定量的熔融金属合金，在至少约700℃，10%～100%最好至少约50%体积N2气，其余为非氧化性气体，如氩气，存在下，与填充材料体接触。在此条件下，熔融铝合金在常压下渗入陶瓷体中以生成铝基质复合体。当所需量的陶瓷材料渗入了熔融合金后，降温使合金固化，于是生成固体金属基质结构，该结构中嵌入了强化陶瓷材料。通常，及更可取地是供给的熔融合金足以使这一渗透进行到陶瓷体界面。按本专利技术制备的铝基质复合体中陶瓷填充料的量会很高，在此情况下，填料与合金之比大于1∶1亦会达到的。在一实施中，将一合金体放置靠近或接触一渗透性陶瓷填料床，一定量的熔融铝合金渗入到陶瓷体中。合金和床暴露于含氮气氛中，温度高于合金熔点，无须加压或抽真空。因此，熔融合金自发地渗入到靠近的或四周的床中，一旦温度降到低于合金熔点温度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备金属基质复合物的方法包括：（ａ）提供一种含有铝和至少１％重量镁的铝合金及一种可渗透的陶瓷填料团块。（ｂ）在含有约１０～１００％体积氮气，其余为非氧化性气体的存在下，所说的熔融态铝合金与所说的可渗透团块相接触，熔融铝合金渗入可 渗透性团块，这种对可渗透性团块的渗入是自发发生的，（ｃ）所需要量合金渗入所说的团块后，使所说的熔融铝合金固化以生成包埋了陶瓷填充材料的固态金属基质结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼瑞怀特，安德鲁瓦厄克特，迈克尔卡阿格海及恩，戴维卡克里伯，
申请(专利权)人：兰克西敦技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]