具有复杂内部形态的复合制品的制造方法技术

本发明专利技术是具复杂内表面空腔的陶瓷－金属复合制品制造方法。该方法具有与该制品的内腔相对应外表面的插入体，它的熔融温度比该制品低，还需要一个多孔坯块，使之位于插入体周围，由该坯块构成制品的形状。坯块由可熔化的插入材料润湿且烧结温度高于插入材料润湿温度的材料制成。该方法还需要将该制品加热，使插入材料熔化并渗透多孔坯块以形成复合制品。产品具有复杂内表面，生产成本低，免去内加工操作。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及致密的复合制品，如陶瓷-金属复合制品，及其制造该制品的方法。更其体地说，本专利技术涉及具有孔或腔等复杂形态的复合制品，及其无需进行内表面加工的制造方法。陶瓷-金属、金属-金属或陶瓷-玻璃材料的复合制品的制造方法通常是先形成这些材料的多孔坯块，然后进行致密化处理，如烧结或热等静压。一般致密化处理会导致多孔坯块明显收缩，其密度从真密度或理论密度的50-60%(体积)增加到80-100%(体积)。这种致密化处理还会导至制品变形，造成许多废品，这些废品达不到成品的要求，或最终形状。要制得预定尺寸和所需最终形状的已精加工的合格复合制品是非常困难的，因为这些制品必须具有内表面或内腔或中空部分，尤其是当内腔的内部形态复杂时。这类制品包括，如管，内径可变的管材或空心球。过去，复合制品中的内腔通常是在烧结的制品上钻毛细管或通道而制成的，然后需用机械方法对变化的直径或其它复杂表面进行加工。具有全封闭内腔或孔的制品一般制造方法包括先分段制成该制品，然后把各段连接或焊接起来形成完整的制品。这些先有技术成本高，而且往往有技术困难，尤其是当内部操作空间有限时。由于制成这些制品的材料很硬，如许多陶瓷，即使是简单的钻孔也极其困难和昂贵。另一种方法是使金属渗入多孔陶瓷坯块中，经烧结或热压形成致密的陶瓷-金属复合物。例如Stibbs等人在US3749571中叙述了将硅渗入碳化硼坯块中，达到理论密度的99%，但必不可少的烧结步骤仍会导致该制品收缩。Gazza等人在US3864154中叙述了各种陶瓷-金属材料的实芯复合物，如一个简单的圆片的制造，该方法是用金属粉末包裹陶瓷坯块，然后加热直到熔融金属浸渍该陶瓷骨架。Landingham在US3718441中通过减少存在于金属粉末中的氧化物膜(该氧化物膜在烧结过程中防碍了金属对陶瓷的润湿)，使简单的圆柱形氧化铍坯块致密化。然后必须用机械方法除去剩余的金属。早期工作的重点只是实现致密化。所研究的制品不是具有内腔的形状复杂的制品。因此，内部收缩或内部加工与最终的形状无多大关系。研究的重点放在多种反应结合材料上，如B4C和Al，因为在应用渗透方法时，往往必须对潜在的化学反应动力学与渗透方法加以平衡考虑，因为所形成的陶瓷相封闭多孔坯块的渗透通道会影响致密化。为了在实现渗透的同时实现所需的致密化，Pyzik等人在US4702770中提及在金属渗入多孔坯块之前，先在约180℃对B4C进行热处理以降低B4C-Al系统的反应速率。Halverson等人在US4718941中采用延长化学处理时间的方法达到渗透的目的。当然，这些材料处理工艺会增加该复合制品的成本。多数这些致密化方法还涉及后面的烧结步骤，而该烧结步骤会使成品明显收缩。因此，至今在制造这种最终形态复合物时，渗透与热压比较没有什么优越性。由于制造几乎完全致密化和无孔的制品的能力的提高，这些复合物的特性有所改进。现在已有可能把多种材料的特性结合起来，如陶瓷和金属。人们现在把重点放在制造致密的形态复杂的复合制品上，以满足某些用途的功能要求，这些复合制品显然要由改进了性能的复合材料制成。其中有一种需要就是制造尺寸精确并且具有复杂形态，如内腔和类似形态的复合制品。最好制造的这些制品完全致密，具有最终形态，即没有明显的收缩，所以是十分完美的，不必进一步加工成形(如机加工)。本专利技术实质上是用一种不收缩的工艺方法制造陶瓷-金属、金属-金属，陶瓷-玻璃材料或类似物的一种复合制品，该制品具有复杂的内表面，如孔，部分封闭的腔，甚至完全封闭的腔。该方法采用一种渗透技术，令人惊奇地是无需对可反应的陶瓷-金属材料如B4C-Al进行热处理或化学预处理，就能使其密度达到理论密度的99%以上。在低于烧结温度下，对已渗透的制品进行热处理，这样可基本上消除制品的收缩。在制造具有最终形态的致密陶瓷-金属和类似的复合制品工艺中实质上已消除了典型现有技术中的内部形态变形和内部机加工。另外，本方法是一种渗透方法，该方法无需为实现成功的渗透而对材料进行预处理。该方法需要形成一种插入体，该插入体具有一个与该制品内表面或内腔相对应的外表面。该插入体由润湿温度比成品低的一种材料组成。该方法还需要形成一种多孔坯块，它位于插入体周围，实质上该坯块构成了制品的最终形态。该坯块由可被插入材料润湿的一种材料制成，该材料的烧结温度高于插入材料的润湿温度。然后，该方法需将已组合的多孔坯块和插入体加热到插入材料的润湿温度，使该插入体基本熔化，让该插入体材料渗入多孔坯块形成最终的致密制品。本专利技术包括用上述方法制成的制品，尤其是内表面基本封闭的那些制品以及中空的制品。例如，这种制品是一种陶瓷-金属的复合制品，该制品是一个空心球或类似物。本专利技术的一种优选方法中，插入体材料是一种金属或玻璃，多孔坯块材料是一种陶瓷或金属。该坯块一插入体材料可以是，如AlB12-Al、B4C-Si、SiC-Si、SiB6-Al、SiB4-Al、B4C-Mg、TiB2-Ni、Al2O3-Al-Mg、和TiB2-Al。陶瓷-玻璃系统包括，如，Al2O3-(SiO2-B2O3玻璃)、Si3N4-(SiO2-MgO玻璃)、Si3N4-(SiO2-MgO-Y2O3-CaO玻璃)、Si3N4-(SiO2-Y2O3玻璃)和Si3N4-(SiO2-Al2O3-Y2O3玻璃)。金属-金属系统包括，如Ti-Mg或W-Cu。在本专利技术的一种最佳实施方案中，该方法包括一种插入体材料是一种金属;一种多孔坯块材料是一种陶瓷。最好是能进行化学反应的系统，如B4C-Al或B4C-Al合金，它们在高温发生反应。在这些化学反应系统中，金属组分在渗透后消失，形成陶瓷相，该陶瓷相能改变制品的特性，如硬度和耐磨性。本专利技术的方法用于制造这样的制品，即该制品中的插入材料能渗透和填充多孔坯块的所有孔隙，或者填充多孔坯块的部分孔隙，或者只填充与该坯块内表面相邻接的孔隙。因此，本专利技术方法能使制得的复合制品的性能适合于某些恶劣的使用条件，如腐蚀，磨损或类似情况。本专利技术方法特别适用于制造内部形态复杂，如具有部分或全封闭腔或表面的复合制品。例如，用本专利技术方法可制成具有交错形通道或毛细管或中空部分或空心球制品。该方法可以在一个试块中形成具有中空最终形态的制品，不会象现有技术一样在烧结过程中陶瓷-金属复合物发生明显的收缩。本专利技术的复合制品包括二个或多个陶瓷或金属固相。该方法特别适用于制造陶瓷-金属复合物。由不同金属制成的一种金属-金属复合物以及陶瓷-玻璃系统也可以用来制造本专利技术的复合制品。原则上，本专利技术方法需要用熔点比较低的材料制作一种插入体，该插入体具有的外表面是所制复合制品的内腔的最终形态。然后在插入体周围成形多孔坯块。将已组合的坯块和插入体加热至该插入体材料的熔点使该低熔点材料渗入多孔坯块中。一旦该插入体材料完全耗尽或被吸入坯块，该制品就获得完美的，具有所需最终形态的内腔。适用于本专利技术方法的材料的选择标准，除了该制品或该系统(复合物起作用的系统)的功能要求外，首先要求该材料具有不同的熔融温度。第二项标准是熔融温度较低的固相必须“润湿”其它材料，而且其润湿温度要低于熔融温度较高的其它材料的烧结温度。该润湿温度实质上等于熔融温度较低的材料的熔点。也就是说，当熔融温度较低的材料变成本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有内表面或内腔的复合制品的制造方法，其中包括：（ａ）形成一个插入体，该插入体具有一个与所说制品的内表面相对应的外表面，该插入体由润湿温度比所说制品低的一种材料组成。（ｂ）在该插入体四周形成多孔坯块，实质上该坯块构成了所说制品的最终 形状，该坯块由被插入材料润湿的一种材料制成，其烧结温度高于插入材料的润湿温度；和（ｃ）将所说的制品加热到润湿温度，使该插入材料基本熔化并渗透该多孔坯块，形成实质上具有该坯块最终形状的复合制品。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿历山大派齐克，杰克J奥特，斯科特J简考斯基，
申请(专利权)人：唐化学原料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]