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组成渐变的金属-陶瓷结构体及其制造方法技术

技术编号:20564962 阅读:49 留言:0更新日期:2019-03-14 07:45
本发明专利技术提供了组成渐变的金属‑陶瓷结构体及其制造方法。本发明专利技术的组成渐变的结构体包括主体,其具有第一主表面和沿厚度轴与第一主表面相对的第二主表面,所述主体包括金属组分和陶瓷组分,其中,所述主体中陶瓷组分的浓度是所述主体内沿厚度轴的位置的函数,其中,主体中陶瓷组分的浓度的变化是连续的,使得在所述主体内在宏观上不会建立明确的界面,并且其中,陶瓷组分的浓度在所述主体内沿厚度轴的至少一个位置处为至少95体积%。

Metal-Ceramic Structures Constituting Gradual Change and Their Manufacturing Method

The present invention provides a metal ceramic structure with gradual change and a manufacturing method thereof. The structure of the present invention consists of a main body, which has a first main surface and a second main surface opposite the first main surface along the thickness axis. The main body includes metal components and ceramic components, in which the concentration of ceramic components in the main body is a function of the position along the thickness axis in the main body, in which the variation of the concentration of ceramic components in the main body is continuous. A clear interface is not established macroscopically within the body, and the concentration of the ceramic component in the body is at least 95 volumes at at at least one position along the thickness axis.

【技术实现步骤摘要】
组成渐变的金属-陶瓷结构体及其制造方法
本申请涉及组成渐变(compositionallygraded)的金属-陶瓷结构体,更具体而言,涉及通过组成渐变的金属-陶瓷结构体的高能冲击防护。
技术介绍
对于各种应用,通常需要高能量冲击防护。作为一个实例,航天器遇到各种空间碎片,例如微流星体和人造轨道碎片。因此,航天器通常包括高能冲击防护层,以减轻与空间碎片碰撞相关的风险。作为另一实例,诸如航空器(例如直升机)和地面车辆(例如,军用和执法车辆)等某些类型的地上运载器(terrestrialvehicle)装甲化以防止射击威胁。在射击威胁的情况下,现有技术的装甲通常由陶瓷材料(例如氧化铝、碳化硅和碳化硼)构成,其易于使射弹钝化、侵蚀、减速和偏转。氧化铝成本相对较低,但需要更高的面积密度才能获得有效的防护,从而限制了氧化铝基装甲在地上运载器中的使用。当重量是一个重要的考虑因素(例如针对航空器)时,通常使用更昂贵的碳化硼基装甲。遗憾的是,用于制造现有技术的装甲的陶瓷材料相对较重,从而增加了运载器燃料消耗并限制了有用的应用。这种陶瓷材料还存在制造性问题,这增加了总成本并限制了制造选择。此外,现有技术的装甲的陶瓷材料在冲击时易于破碎,留下很少材料或没有材料阻碍随后的冲击。因此,现有技术的装甲相对致密/沉重,但仅提供有限的多次打击防护。因此,本领域技术人员继续在高能冲击防护领域中进行研究和开发。
技术实现思路
在一个实例中,本专利技术的组成渐变的结构体包括主体,所述主体具有第一主表面和沿厚度轴与所述第一主表面相对的第二主表面,所述主体包括金属组分和陶瓷组分,其中,所述主体中的所述陶瓷组分的浓度是所述主体内沿所述厚度轴的位置的函数,其中,所述主体中的所述陶瓷组分的浓度的变化是连续的,使得在所述主体内在宏观上不会建立明确的界面,并且其中,所述陶瓷组分的浓度在所述主体内沿所述厚度轴的至少一个位置处为至少95体积%。在一个实例中,本专利技术的装甲面板包括组成渐变的结构体和抗爆裂层。所述组成渐变的结构体包括主体,所述主体具有第一主表面和沿厚度轴与所述第一主表面相对的第二主表面,所述主体包括金属组分和陶瓷组分,其中,所述主体中的所述陶瓷组分的浓度是所述主体内沿所述厚度轴的位置的函数,其中,所述主体中的所述陶瓷组分的浓度的变化是连续的,使得在所述主体内在宏观上不会建立明确的界面,并且所述陶瓷组分的浓度在所述主体内沿所述厚度轴的至少一个位置处为至少95体积%。所述抗爆裂层与所述主体的所述第二主表面相邻。在一个实例中,本专利技术的用于制造组成渐变的结构体的方法包括以下步骤:(1)组装至少包括第一粉状材料和第二粉状材料的粉末叠层(powderlayup),所述第一粉状材料包括陶瓷组分,所述第二粉状材料包括金属组分,所述粉末叠层包括:(a)具有第一浓度的所述陶瓷组分的第一层;(b)具有第二浓度的所述陶瓷组分和第一浓度的所述金属组分的第二层;和(c)具有第三浓度的所述陶瓷组分和第二浓度的所述金属组分的第三层;(2)压制所述粉末叠层以产生压实体;和(3)对所述压实体进行热处理。根据以下具体实施方式、附图和所附权利要求,本专利技术的组成渐变的金属-陶瓷结构体、装甲面板和方法的其它实例将变得显而易见。附图说明图1是本专利技术的组成渐变的结构体的一个实例的示意性截面图;图2是图1的组成渐变的结构体的组成分布(体积%相对于位置)的图示;图3是本专利技术的组成渐变的结构体的组成分布的一个备选但非限制性实例的图示;图4是本专利技术的组成渐变的结构体的组成分布的另一备选但非限制性实例的图示;图5是包含本专利技术的组成渐变的结构体的物品(装甲面板)的示意性截面图;图6是描绘本专利技术的用于制造组成渐变的结构体的方法的一个实例的流程图;图7是根据图6的方法形成的示例性粉末叠层的示意图;图8是根据图6的方法形成的组成渐变的结构体样品的扫描电子显微镜背向散射电子显微图;图9是航空器制造和养护方法的流程图;并且图10是航空器的区块图。具体实施方式参照图1,本专利技术的组成渐变的结构体的一个实例(总体指定为10)可以包括具有第一主表面14(例如承击面)和第二主表面16(例如背面)的主体12。第二主表面16可沿厚度轴T与第一主表面14相对。厚度轴T可与第一主表面14大体垂直,与第二主表面16大体垂直,或与第一主表面14和第二主表面16都大体垂直。组成渐变的结构体10的主体12可以是固结块,并且可以包括金属组分18和陶瓷组分20。在不脱离本专利技术的范围的情况下,可以使用多种金属组分18和/或多种陶瓷组分20。此外,在不脱离本专利技术的范围的情况下,无论是通过添加还是原位形成,主体12中可包括其它组分(不同于金属组分18和陶瓷组分20)。组成渐变的结构体10的主体12的金属组分18可以是金属或金属合金。作为一个具体的非限制性实例,主体12的金属组分18可以是钛合金,例如Ti–6Al–4V。作为另一具体的非限制性实例,主体12的金属组分18可以是铝合金,例如7000系列铝合金(例如铝7075)。作为又一具体的非限制性实例,主体12的金属组分18可以是镍合金,例如镍基超合金(例如Inconel625)。组成渐变的结构体10的主体12的陶瓷组分20可以是陶瓷材料。可以使用各种陶瓷材料作为主体12的陶瓷组分20。适合用作主体12的陶瓷组分20的陶瓷材料的实例包括但不限于二硼化钛(TiB2)、硼化钛(TiB)、碳化钛(TiC)、碳化铬(例如Cr23C6)、碳化硅(SiC)和碳化钨(WC)等。陶瓷组分20的组成可以基于金属组分18的组成来选择,反之亦然。在具体实施方式中,金属元素可以是金属组分18和陶瓷组分20共有的。在一种情况中,钛可以是金属组分18和陶瓷组分20共有的。在另一种情况中,铝可以是金属组分18和陶瓷组分20共有的。在又一种情况中,铬可以是金属组分18和陶瓷组分20共有的。因此,组成渐变的结构体10的主体12可由同时包括金属组分18和陶瓷组分20的材料体系形成。虽然金属组分18和陶瓷组分20的组成是可以在不脱离本专利技术的范围的情况下广泛变化的设计选择,但是据信,通过选择金属组分18和陶瓷组分20共有金属元素的材料系统可以获得某些优点。这种材料体系的具体的非限制性实例包括钛合金/二硼化钛;钛合金/硼化钛/二硼化钛;钛合金/硼化钛;钛合金/碳化钛;铝合金/氧化铝;镍铬合金/碳化铬。如图1所示,组成渐变的结构体10的主体12的组成可沿主体12的厚度轴T渐变。因此,主体12内的金属组分18和陶瓷组分20的浓度是主体12内沿厚度轴T的位置的函数。值得注意的是,主体12内的金属组分18和陶瓷组分20的浓度的变化是连续的,也就是说在主体12内在宏观上不会建立明确的界面(例如层)。参照图2,金属组分18和/或陶瓷组分20相对于主体12内沿厚度轴T的位置的浓度可以是基本上线性的函数。金属组分18的浓度可以从第一主表面14附近(在或靠近)的相对低浓度线性变化至第二主表面16附近的相对高浓度,而陶瓷组分20的浓度可以从第一主表面14附近的相对高浓度线性变化至第二主表面16附近的相对低浓度。因此,取决于主体12内沿厚度轴T的位置,在组成上,主体12可以是基本上为陶瓷、基本上为金属或陶瓷和金属的某种组合。作为一个具体的非限制性实例,金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组成渐变的结构体,其包括:主体,所述主体具有第一主表面和沿厚度轴与所述第一主表面相对的第二主表面,所述主体包括金属组分和陶瓷组分,其中,所述主体中所述陶瓷组分的浓度是所述主体内沿所述厚度轴的位置的函数,其中,所述主体中所述陶瓷组分的所述浓度的变化是连续的,使得在所述主体内在宏观上不会建立明确的界面,并且其中,所述陶瓷组分的所述浓度在所述主体内沿所述厚度轴的至少一个位置处为至少95体积%。

【技术特征摘要】
2017.09.05 US 15/695,3101.一种组成渐变的结构体,其包括:主体,所述主体具有第一主表面和沿厚度轴与所述第一主表面相对的第二主表面,所述主体包括金属组分和陶瓷组分,其中,所述主体中所述陶瓷组分的浓度是所述主体内沿所述厚度轴的位置的函数,其中,所述主体中所述陶瓷组分的所述浓度的变化是连续的,使得在所述主体内在宏观上不会建立明确的界面,并且其中,所述陶瓷组分的所述浓度在所述主体内沿所述厚度轴的至少一个位置处为至少95体积%。2.如权利要求1所述的组成渐变的结构体,其中,所述金属组分包括钛合金。3.如权利要求2所述的组成渐变的结构体,其中,所述陶瓷组分包括碳化钛或二硼化钛,并且其中,所述主体还包括硼化钛。4.如权利要求1所述的组成渐变的结构体,其中,所述金属组分包括金属元素,并且其中,所述陶瓷组分也包括所述金属元素。5.如权利要求1至4中任一项所述的组成渐变的结构体,其中,所述函数是基本上线性的。6.如权利要求1至4中任一项所述的组成渐变的结构体,其中,所述函数是非线性的。7.如权利要求1至4中任一项所述的组成渐变的结构体,其中,所述陶瓷组分的所述浓度在所述主体内沿所述厚度轴的至少一个位置处为约100体积%,并且其中,所述陶瓷组分的所述浓度在所述第一主表面附近为至少95体积%。8.如权利要求7所述的组成渐...

【专利技术属性】
技术研发人员:B·Z·森德罗斯D·L·科德J·R·多布斯A·约瑟费亚妮
申请(专利权)人:波音公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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