陶瓷金属复合材料的致密制造技术

用不相溶性和无湿润性的组分，制备基本上致密、无空隙的陶瓷金属复合材料。其最终的化学性质类似于起始的化学性质，并具有陶瓷晶粒大小类似于起始粉末和有金属相存在的显微结构特征。其制法是形成均匀的陶瓷金属混合物，将混合物加热至接近但低于金属开始流动的温度，将混合物加压，使混合物压密和致密，并发生超过金属流动温度的诱导温度峰值，而使混合物进一步压实和致密。温度峰值及其持续时间保持低于金属和陶瓷之间发生明显反应的温度。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于致密的，即接近于真密度的陶瓷金属复合材料及其加工方法。尤其是本专利技术涉及的陶瓷金属复合材料，它是由化学性质上不相溶的成分构成的，这些成分也可能具有不湿润的特性。陶瓷材料与金属结合形成复合材料，它具有特殊的硬度和韧性，而且与金属相比，其重量轻。对于给定的起始混合物来说，对于任何陶瓷金属复合材料，要获得最好的性能，要求形成的复合材料基本上是致密的，并能获得真密度。也因为这种陶瓷金属复合材料的主要优点是硬度，所以含有最大的陶瓷成分是所希望的。最好是，陶瓷成分至少占复合材料的(体积)50%。迄今为止，这样的复合材料要得到完全的致密是困难的。金属成分导致陶瓷金属材料的韧性，另外它是获得无空隙的致密的关键成分。也希望加工完成的致密的制品，其化学性质和陶瓷晶粒大小基本上与起始的混合物相似。要获得预期和均匀的性能的复合材料，这样的相似性是重要的。对于陶瓷金属混合物，获得完全致密的陶瓷金属复合材料，在过去尚未取得，因为陶瓷和金属材料结合比较困难，而这样的结合是重要的。许多金属和陶瓷材料是无湿润的，这样通过加工要达到完全致密是困难的。完全致密即要求液态金属在毛细管作用力的影响下，渗入陶瓷晶粒间的空隙。同样，陶瓷与金属材料是不相溶的，在传统的密实加工下，从某种意义上说，它们相互之间起了作用，即利用比较高的温度以助于克服无湿润的困难。由于上述作用的结果，加工后的复合材料可能包括新的成分和新相，这些通常对复合材料的性能是有害的。已有技术揭示陶恣金属复合材料的致密是利用许多技术，包括热压，热等静压(HIP)和爆破成型。因此，斯柴尔科普(Schwarzkopf)在美国专利2，148，040公开了用于致密陶瓷金属混合物的热压工艺，包括加热混合物至初步烧结的温度，该温度规定为比整个混合物熔化温度低10-15%。得到海绵状，多孔的结构，最好还是保温的，然后在71.1-21.33千磅/英寸2(490-1470兆帕)压力下挤压并通过一个孔。加压导致较低熔点金属成分的流动，这样注入陶瓷晶粒之间的空隙。对于由斯柴尔科普(Schwarzkopf)加工的复合材料，一个问题是因为温度控制不适当而没有可靠的致密性和均匀性。同样，挤压加工也严格地限制了复合材料的品种，只能加工简单形状的复合材料。加工复杂形状的陶瓷金属复合材料，先制备均匀组分粉末浆状混合物，然后将其如浇铸在所要求的复杂形状的模具上，经脱水后即得到未烧结的制品即坯块。把坯块加热到高温以得到最终致密的制品。但是基本上低于100%的真密度。人们很快认识到，应用高压是有助于进一步的致密。人们也很快认识到，对于许多陶瓷金属坯块，采用传统通用的直到几千磅/英寸2(大约10-15兆帕)的压力是不能获得完全致密的材料的。重要的是，为此人们转向爆破致密工艺，即在几毫秒内，大约有几千磅/英寸2的压力施加到陶瓷金属复合材料上。因此，蒙克纳(Mckenna)等人在美国专利2，648，125提出，用液体围绕着陶瓷金属坯块，并使液体受到爆破压力，对坯块施加50-60千磅/寸2(345-413兆帕)的均衡的压力。蒙克纳指出要求的是，压力不能施加的太快，最大的压力最好是在25-50毫秒内获得。布莱特(Brite)等人在美国专利3，276，867公开了一种方法，用于致密氧化铀或氮化铀粉末和金属如钨、镍、铁或类似的粉末组成的混合物。该方法要求加热混合物至一定温度，这个温度要低于在粉末之间产生任何反应的温度，接着，受到高能量、高速率的压实，即在2-6毫秒内施加250-400千磅/英寸2(1724至2758兆帕)的压力。渗诺(Zernow)等人在美国专利3，157，498利用一种爆破技术，其中坯块在短时间内受到高压力，在坯块产生非常大绝热的温度升高，可能升高到大约几千度的绝对温度。因为种种原因，爆破压实方法是不能令人满意的。加工所利用的温度难以控制。常常，正如泽诺(Zernow)等人所说的，由于产生大的温度升高，以致于生成有害相。用这种方法加工的复合材料，一般限于小的尺寸，另外急剧的压力常常导致复合材料的破裂。因此，工业上转向于以升高温度在稍微低的压力下进行，作为获得更均匀的复合材料的一种方法。利克地(Lichti)等人在美国专利4，539，175描述了压实粉末材料如陶瓷金属坯块的方法，即加热坯块到926℃至2204℃和施加均衡的压力20-120千磅/英寸2(138-827兆帕)。用金属粉末获得无空隙的金属零件，耐克(Nyce)等人在美国专利4，591，482指出初始加热金属坯块到低于10-20%的烧结温度。将压力1-2千磅/英寸2(7-14兆帕)施加于坯块，如果温度达到峰值，则在坯块内产生小量的液体，它有助于充填残留的孔隙以获得基本上完全致密的最终零件。所说的温度峰值是指把坯块加热接近于烧结的温度，但仅仅在5-10分钟内避免显著的晶粒增长，因为它将降低产品的性能。采用较低的压力加工，倾向于使用比较高的温度，高温与加工过程的持续时间共同作用层形成不相溶的多相。也就是形成具有反应性的陶瓷金属材料。正如早就指出的那样，这些相的存在不利于产品的质量。现今的工作集中点更直接转向机理方面，并认为它是致密加工中的组成部分。因此，哈勒尔逊(Halverson)等人在美国专利4，605，440中指出许多陶瓷金属材料的致密性改进在于，复合材料应受到足够高的温度以致形成液态金属相，并且液态相与固态陶瓷相接触角小。对这样的复合材料来说，这样的状态称为湿润，并满足毛细作用的热力学准则。哈勒尔逊指出制备完全致密的碳化硼铝复合材料，是在1180-1200℃的温度下烧结，借助于铝金属成分，造成陶瓷成分的湿润。然而，由哈勒尔逊方法加工出来的产品，包含许多陶瓷相，它不同于起始的混合物，包括AlB2，Al4BC，AlB12C2，AlB12和Al4C3，这些对复合材料产品的机械性能起有害的作用。这些不受欢迎的陶瓷相的生成是由于在烧结温度时，碳化硼和铝之间的不相溶性以及铝和B4C的反应率高于致密过程的速率的缘故。派吉克(Przik)等人在美国专利4，702，770中所说的方法，把注意力集中到在升温时许多陶瓷金属复合材料的反应性，即“不相溶性”的特征，尤其是与获得湿润性有关的温度。派吉克加工的复合材料，主要由碳化硼、铝和少量的其它陶瓷相，通常避免出现哈勒尔逊的那些多相。派吉克的方法是在21000℃以上的温度烧结B4C陶瓷成分，降低B4C和Al之间的反应速度。例如，制成的B4C多孔未烧结坯体，在2100℃烧结，然后在1150℃以上的温度下掺入铝。该方法可以对反应速度做一些控制。但是不能避免生成所有不受欢迎的陶瓷相。此外，如果金属是使用合金，渗透时所需的高温通常会完全改变复合材料中的金属成分。例如，Al，Zn，Mg铝合金，在渗入温度大于900-1000℃的情况下Zn和Mg经蒸发损失，将改变成分。总之，陶瓷金属复合材料的致密技术，通过加压技术，特别对于化学性质上不相溶的和不湿润的，不能得到可靠的完全致密的复合材料。如果加压技术包括比较高的温度，估计产品的性能是低的。在技术上的失败是由于没有认识到，致密过程所取得的结果是受要求致密的陶瓷和金属成分的湿润性和不相溶性之间相互作用的影响。哈勒尔逊等人在近期的工作指出要获得陶瓷和金属的湿润性需要利用高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致密陶瓷和金属混合物即复合材料的方法，包括：形成基本上均匀的陶瓷和金属混合物，加热所说的混合物到第一温度，即接近于但低于金属开始流动的温度，并且对混合物加压以至于发生混合物压紧和致密，并且导致混合物达到第二温度，其中所说的第 二温度超过金属流动的温度，以致使混合物进一步压缩和致密，所说的第二温度和它持续的时间应保持低于金属和陶瓷之间发生明显反应的温度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿历山大皮切尼克，罗伯特R麦唐纳德，阿历山大J派齐克，小欧文G施奈德，
申请(专利权)人：唐化学原料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]