提高由粉末、颗粒、薄板或箔材料压实制成的部件和制品的生坯强度的室温方法技术

一种在室温或接近室温条件下，压实金属包敷材料复合物、纯金属、金属合金、或金属间化合物的粉末、颗粒、箔或薄板制成高生坯强度的净尺寸成型制品的方法，包括用含水活化溶液处理所述材料的步骤。含水活化溶液选自稀酸，还原剂，熔盐电解质及其它们的混合物。在室温或接近室温条件下，通过压力将处理过的粉末、颗粒、箔或薄板压实至最终形状。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压实金属、金属合金、金属包敷材料和金属间化合物材料的粉末、颗粒、连续纤维、箔或薄板，制成净尺寸成型(net shape)或接近净尺寸成型(near net shape)制品的方法。更具体地说，本专利技术涉及在室温下压实这些材料制成具有较高生坯强度的净尺寸成型或接近净尺寸成型部件或制品的方法和活化溶液。在应用中，本方法和活化溶液可用于压实各种用途的材料，包括牙齿修补、高温材料、热控材料、具有形状记忆效应的合金、高强度合金、复合材料、半导体合金(TiSnNi)、和在涂敷和印刷部件的工艺中应用。
技术介绍
在粉末冶金学中，微小直径(小于1μm到200μm)的粉末颗粒送入模压机的模腔，接着被压缩成部件或型材。经过最初的压缩后，这些部件并不是100％的紧密，粉末颗粒也远不是100％的结合在一起。在很多情况下，颗粒间“焊合”的相对数目很低，形成一个相当脆弱的部件。这种部件的强度通常称为“生坯”强度，一般是100％紧密结合的部件强度的50％或更少。为了实现充分结合的，在许多情况下是为了获得更致密的部件，这种生坯形成的部件接着将在高温下烧结。在许多情况下，压制前粉末中常加入润滑剂。这样，润滑剂必须在低于烧结温度的条件下通过燃烧除去，即“去润滑剂”。一般而言，烧结温度为被压缩的金属或合金的熔点(Tm)的较大的分数，通常为高于0.8Tm。烧结过程破坏了生坯部件内部的气孔，最终导致紧密但并不是100％紧密结合的部件。然而，这种部件的形状与生坯部件被压制时相比发生畸变，主要是由于密度的改变，有时是由于烧结过程中相发生改变。因此，目前的粉末冶金学方法是有局限的，因为它们不能用来生产几何形状复杂的部件，以及不能用那些在高烧结温度下经历了不良相变的材料制成部件，而高烧结温度对于颗粒间的结合是必需的。对一些在空气中易氧化的活性合金粉末，比如铝和钛合金，粉末冶金术(如处理，压实和/或加压)必须特别注意避免爆炸。在日本，铝粉冶金术由于这个原因已被禁止。爆炸的危险起因于暴露的铝粉极易氧化，空气中形成的氧化物阻碍了铝的相互冷焊。水雾化的铝有一层更厚的表面氧化物，因此，这种氧化物结合到铝粉制作的部件结构中。它的存在降低了铝部件的热性质和其他性质。所以，高温烧结对于促进铝颗粒间的相互结合是必需的。当金属箔或薄板被用作原料，通常采用热辊压结合(hot rollbonding)来压实。热辊压破碎了材料表面自然产生的氧化物，因此使粉末颗粒(箔或薄板)的表面通过充分的接触点焊接到一起，使颗粒、薄板或箔之间有足够的粘合力。这样一种热辊压结合方法的例子在Scorey的美国专利5,384,087中公开。这种方法并不总是令人满意的，因为它们最终的组织中有氧化物存在。破碎这些氧化物需要很大的形变量，从而产生很高的内应力，从而需要进行退火，也导致形状扭曲。在特定的工艺中，将液态金属、陶瓷或它们的混合物加热到极高的温度，且以足够高的速度喷射到基体上，经过冲击接触使材料自身以及所述材料与基体可紧密焊接在一起，通过该步骤，部件或涂层被“印刷”到基体上。然而这种方法是有局限的，因为它们不能精确控制淀积的过程，因此不能用来生产很精确的印刷部件，比如那些被用于微电子和缩微成像中的部件。这些方法还使氧化物和气孔同时存在于最后的淀积部件中。此外，由于用来喷射材料到基体的设备的温度的限制不能足够高以使某些材料液化，如铜，可用热喷射技术淀积的材料类型以及最终产品的类型是有局限的。专利技术概述因此，本专利技术的目的是提供一种安全的在室温(冷焊)或在显著低的烧结温度(0.5Tm或更低)条件下进行的净尺寸成型或接近净尺寸成型的致密化方法，该方法可用于将对其它方法而言存在危险的某些类型的粉末、颗粒、箔或薄板材料压实制成部件，该部件比经压制的颗粒间典型结合更强或生坯强度更大。本专利技术提供了一种在室温或低温下制造紧密结合的净尺寸成型部件或接近净尺寸成型部件的方法。通过本专利技术形成的部件不需要高温烧结来达到最后的强度或密度。本专利技术的方法可应用于通过压实各种材料的粉末、颗粒、箔或薄板来制造部件或制品的任何方法中。这些方法包括传统的粉末冶金术，即粉末或颗粒在粉末压力机的模腔中被压实。还包括热力和非热力喷涂技术，即材料以很高的速度被喷射，从而在与基体冲击接触后被压实。本专利技术方法通过将粉末置于含水溶剂中，排除了压机周围携带空气的微粒，也增加了粉末冶金术的安全性。此外，在本专利技术的一个实施方案中，当铝粉被活性较低的金属如铜包敷时，由于被空气氧化缓慢，铝粉不易爆炸。另外一个例子是钛被镍包敷。由于涂层与颗粒的接触面积增加，通过在较低的温度下和常压下发生的互扩散过程，提供在低温大量形成化合物的方法，这是本专利技术的另一个目的。金属粉末在室温，在混合物中表面被处理过的粉末的熔点温度之下，在足够形成均一的金属复合物的压力时能被压实，并随后在较低的温度(T≤0.5Tm)下反应形成所需的金属间化合物。附图简述附图说明图1为生坯铜铝断面的扫描电子显微照片图2为根据本专利技术的方法压实的铜铝断面的扫描电子显微照片图3为根据本专利技术的方法压实的铜断面的扫描电子显微照片图4为根据本专利技术的方法压实的铜铝抛光横截面的光学显微照片。每个铝粒周围可观察到完整的铜的覆层。优选实施方案的详述本专利技术者发现，作为传统高温烧结的替换方法，各种材料的粉末、颗粒、箔和薄板的冷焊以及由它们形成净尺寸成型部件或制品的过程可在室温下进行。使用本专利技术方法，颗粒被本专利技术的活化溶液恰当处理后当互相接触的颗粒表面发生冷焊时，压实材料的“生坯强度”增加。在一个实施方案中，本专利技术包括提高制品或部件生坯强度的室温方法，从而无需通过高温烧结即可在粉末压机中产生净尺寸成型的完全致密的制品或部件。在另一个实施方案中，使用高速喷射到基体的室温下的材料，不必加热液化，即可采用本专利技术的方法涂敷或印刷部件。在本专利技术中，“净尺寸成型”意味着即可使用的部件或制品的最后的或净的形状、大小和密度。所述制品或部件的净形状、大小和密度实质上并不偏离经过任何随后的加工步骤所形成的最终的形状。例外的情况是，如钛铝合金，铝镍合金，或钛镍锡合金，在烧结时，这些合金会发生相变化。例如，在制造部件或制品的过程中，通过压实颗粒，接着靠高温烧结强化部件，在烧结步骤之后，而不是烧结步骤之前的形状、尺寸将使其成为最终形状和尺寸。高温烧结改变了压实制品的形状，大小和密度。在本专利技术中，在室温条件下意味着没有在所述过程中加入显著的额外热源(足够影响部件或制品的密度，即内部的孔隙度)。在本专利技术中，“完全致密”意味着需要经过高温烧结步骤而产生的制品或部件本应在高温烧结后获得的密度。然而，上面提到的发生相变的合金同样作为一个例外适用于此。本专利技术方法可用于以各种材料的粉末、颗粒(如丝、晶须、纤维)、箔或薄板制造有较高生坯强度的净尺寸成型或接近净尺寸成型的部件或制品。在本专利技术中，“较高生坯强度”意味着它比可在某种类型的压力下得到的压实材料的生坯强度要高。或者，这种方法还能被用来和下面的技术结合，该技术用于涂敷或印刷部件(如电路板，刻度盘等)，其过程是通过喷射材料到基体上使粉末材料相互之间以及粉末与基体间通过碰撞将粉末材料压实。这种方法包含用含水活化溶液处理粉末、颗粒、箔或薄板材料，和在室温或接近室温下用压力压实处理过的材料成为净本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在室温或接近室温条件下，由粉末、颗粒、箔或薄板形式的材料制成净尺寸成型或接近净尺寸成型部件或制品的方法，该方法包含以下步骤：用含水活化溶液处理所述材料，获得浆料，其中处理的材料选自金属、金属合金、金属包敷材料、金属间化合物及其它们的 组合；和在室温或接近室温条件下，施加压力压实浆料制成净尺寸成型或接近净尺寸成型的、高生坯强度的部件或制品，该强度高于另外不用活化溶液进行处理而压实的部件或制品的生坯强度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DS拉什默尔，GL比恩，L德里什，
申请(专利权)人：材料革新公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]