自支承陶瓷体的生产方法技术

通过一种母体金属渗透硼给予体材料和碳给予体材料生产自支承复合体。该反应渗透典型地产生一种包括含硼化合物、含碳化合物和残余金属（如果需要的话）的复合体。可以改变或控制反应剂的相对量和反应条件生产出含有可变体积百分数的陶瓷、金属、可变比的陶瓷以及孔隙的复合体。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及一种生产自支承体的新方法及其由此方法生产的新产品。更具体地说，本专利技术涉及一种生产包括一种或多种含硼化合物(例如，硼化物或硼化物和碳化物)的自支承体的方法，该方法是通过使一种熔融母体金属反应渗透进入含有硼给予体材料(即，含硼材料)和碳给予体材料(即，含碳材料)以及一种或多种选择性惰性填料的床或物体中形成所说的自支承体。近年来，陶瓷代替金属在建筑上的应用已愈来愈引起人们的关注。原因是，与金属相比，陶瓷在某些性能方面如耐腐蚀性，硬度，耐磨性，弹性模数和耐火性能具有相对优越性。但是，陶瓷应用于上述目的时的一个主要问题是制造所需陶瓷结构的可行性及其造价。例如，利用热压法，反应烧结法和反应热压法制造陶瓷硼化物体是熟知的方法。在热压法中，所需硼化物的细粉颗粒在高温高压下被压实。反应热压法包括例如在高温高压下，将硼或金属硼化物与适当的含金属粉压在一起。Clougherty的美国专利3，937，619叙述了将粉状金属与粉状二硼化物的混合物热压制备硼化物体的方法。Brun的美国专利4，512，946叙述了将陶瓷粉末与硼和金属氢化物一起热压制备硼化物复合体的方法。但是，这些热压法需要特殊的操作过程和昂贵的特殊设备，对所制造的陶瓷部件的尺寸和形状有限制，而且一般都生产率低造价高。另外，陶瓷用于建筑上的第二个主要问题是陶瓷通常缺乏韧性(即损坏容限或抗断裂性)。在应用时，缺乏韧性往往容易在中度拉应力情况下引起陶瓷突然的灾难性断裂。这种缺乏韧性在整块陶瓷硼化物中是特别常见的。解决上述问题的一个方法是使用与金属化合的陶瓷，例如金属陶瓷或金属基复合体。该方法的目的是要获得陶瓷最佳性能(如硬度和/或刚性)和金属最佳性能(如延展性)的综合平衡。Fresnel等人的美国专利4，585，618叙述了制造金属陶瓷的方法，其中颗粒反应物的混合物与熔融金属接触并反应，从而制备烧结的自一支撑陶瓷体。熔融金属至少渗透一部分所得陶瓷体。这种反应混合物的例子有含钛、铝和氧化硼(均为颗粒状)的反应混合物，这种混合物在与熔融铝池接触时被加热。反应混合物发生反应生成二硼化钛和氧化铝陶瓷相，陶瓷相被熔融铝渗透。因此，在该方法中，反应混合物中的铝主要是作为还原剂。此外，熔融铝外池不作为硼化物形成反应的前体金属源，而作为一种填充所得陶瓷结构的孔隙的手段。从而获得可润湿和抗熔融铝的金属陶瓷。在制造铝电池中，这些金属陶瓷特别适于作为与产生的熔融铝接触但最好与熔融的冰晶石不接触的成分。但该方法没有采用碳化硼。Reeve等人的欧洲专利申请0，113，249公开了一种制造金属陶瓷的方法首先在熔融金属相中原处形成陶瓷相分散颗粒，然后维持这种熔融条件足够长时间以形成交互陶瓷网络。通过钛盐与硼盐在熔融金属如熔融铝中反应来说明陶瓷相的形成。陶瓷硼化物在原处生成并成为交互网络结构。然而没有发生渗透，而且在熔融金属中生成沉淀物硼化物。该申请书的两个实施例都说明没有生成颗粒TiAl3，AlB2或AlB12但生成颗粒TiB2，这表明，铝不是硼化物的金属前体。在该方法中，也没有提出使用碳化硼作为前体材料。Gazza等人的美国专利3，864，154号披露了一种利用渗透制备的陶瓷金属体系。AlB12密实体在真空下被熔融铝渗透，得到含有这些成分的体系。所制备的其他材料包括SiB6-Al;B4C-Al/Si和AlB12-B-Al。没有提出任何一种反应，没有提出利用渗透金属制造复合体，也没有提出嵌入惰性填料的反应产物或作为复合体部分的反应产物。Halverson等人的美国专利4，605，440披露为了获得B4C-Al复合体，将B4C-Al密实体(通过冷压B4C和Al粉末的均匀混合物而得)在真空中或在氩气氛中烧结。没有提及反应产物嵌入惰性填料以获得具有填料优越性能的复合体。尽管制造金属陶瓷材料这些概念在某些场合已产生有希望的结果，但是通常仍需要更有效和更经济的方法制备含硼化物材料。DannyR.White，MichaelK.Aghajanian和T.DennisClaar在1987年7月15日申请的共同未决美国专利申请073，533(题为“自支撑体的制备方法及其所制备的产品”)叙述了与生产含硼化物材料有关的许多上述问题。简要归纳申请书′533的内容可知，自一支撑陶瓷体是在碳化硼存在下，利用母体金属渗透作用和反应方法(即，反应性渗透作用)制备的。特别地，碳化硼床层或碳化硼体被熔融的母体金属渗透和反应，而床层可全部由碳化硼组成，因此，所得自一支撑体包括一种或多种母体金属含硼化合物，该化合物包括母体金属硼化物或母体金属碳化硼或两者，一般还包括母体金属碳化物。该申请还披露待渗透的碳化硼体还可含有一种或多种与碳化硼混合的惰性填料。因此，通过结合惰性填料，所得产物将是一种具有基体的复合体，该基体是利用母体金属的反应性渗透作用制备的。所说基体包括至少一种含硼化合物，还可以包括母体金属碳化物，该基体嵌入惰性填料。还应注意，在上述方案中不论哪种情况(即，有填料或无填料)，最终复合体产物均可以包括残余金属，如原始母体金属的至少一种金属成分。从广义上讲，在申请书′533公开的方法中，含碳化硼体放置在与熔融的金属体或金属合金体相邻或接触的位置上，熔融的金属体或金属合金在一个特定的温域内、在基本惰性环境中熔化。熔融的金属渗透碳化硼体并与碳化硼反应生成至少一种反应产物。碳化硼可被熔融母体金属至少部分还原，从而生成母体金属含硼化合物(例如，在该工艺温度条件下，生成母体金属硼化物和/或硼化合物)。典型情况下，还生成母体金属碳化物，而在特定情况下，生成母体金属碳硼化物。至少部分反应产物与金属接触，并利用毛细作用使熔融的金属吸到或迁移到未反应的碳化硼。迁移的金属形成另外的母体金属，硼化物，碳化物和/或碳硼化物并且陶瓷体继续形成或扩展直到或是母体金属或碳化硼已被消耗掉或是反应温度变化到反应温域以外的温度。所得结构物包括一种或多种母体金属硼化物，母体金属硼化合物，母体金属碳化物，金属(如申请书′533所述，包括合金和金属互化物)或空隙或上述任意组合。而且，这几相在整个陶瓷体中可以或不以一维或多维相互连接。可以通过改变一种或多种条件，例如改变碳化硼体的初密度，碳化硼和母体金属的相对含量，母体金属的合金用填料稀释碳化硼，温度和时间，控制含硼化合物(即硼化物和硼化合物)、含碳化合物和金属相的最终体积分数以及互连度。碳化硼转化为母体金属硼化物、母体金属硼化合物和母体金属碳化物的转化率较好是至少约50%，最好是至少约90%。在申请书′533中采用的典型环境或气氛是在该工艺条件下相对惰性或非反应性的环境或气氛。该申请特别指出，例如氩气或真空是适宜的工艺气氛。而且，据披露，如果使用锆作为母体金属，则所得复合体包括二硼化锆，碳化锆和残余的金属锆。该申请还披露，如果在该方法中使用铝母体金属，则所得产物是碳硼化铝如Al3B48C2，AlB12C2和/或AlB24C4，并残存铝母体金属和其他未反应、未氧化母体的金属成分。在该工艺条件下其他适用的母体金属还披露有硅，钛，铪，镧，铁，钙，钒，铌，镁和铍。共同未决的美国专利申请137，044(以下称作“申请书′044”)是申请书′533的继续部分申请，〔申请人TerryDennisCla本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产自支承体的方法，该方法包括以下步骤：选择一种母体金属；在基本惰性的气氛下使所说的母体金属加热到高于其熔点的温度形成熔融母体金属体；使所说的熔融母体金属体与包括硼给予体材料和碳给予体材料的可渗透体接触；使上述温度保持足 够长的时间以使熔融母体金属渗入所说的可渗透体并且使所说的熔融母体金属与所说的硼给予体材料和碳给予体材料中的每一种反应形成至少一种含硼化合物和至少一种含碳化合物；以及使上述渗透和反应继续进行一段时间以足以生产出所说的包括至少一种母体金属含 硼化合物的自支承体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马克斯蒂文斯纽克克，
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]