專利名稱：用自生真空工藝制造金屬基復(fù)合體的方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合體的制造。特別是，把熔融的基體金屬與填料或預(yù)型一起放置于反應(yīng)氣氛中，至少在整個工藝的某些階段，熔融的基體金屬要部分地或相當(dāng)完全地與反應(yīng)氣氛作用，這樣由于(至少是部分地由于)自生真空而使熔融的基體金屬滲透到填料或預(yù)型中去。這種自生真空滲透不需要施加任何外界壓力或真空。
由基體金屬與增強(qiáng)相材料如陶瓷顆粒、晶須、纖維或類似材料組成的復(fù)合產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景，因?yàn)樗鼈儾粌H具有增強(qiáng)相的剛性和抗磨損性，又具有金屬基體的延展性與韌性。一般來說，金屬基復(fù)合材料會對獨(dú)石型金屬材料的強(qiáng)度、剛度、抗接觸磨損等性能有所改善，并能延長高溫強(qiáng)度的滯留時(shí)間，但這些性能所能改善的程度主要取決于具體的成份，其體積或重量份數(shù)以及復(fù)合材料的制造工藝。某些情況下，復(fù)合體也可能比基體金屬輕。例如用顆粒狀或?qū)訝钐蓟杼沾苫蚓ы氃鰪?qiáng)的鋁基復(fù)合材料之所以引起興趣，正是因?yàn)樗鼈兿鄬τ阡X來說具有更高的剛度，耐磨損性和高溫強(qiáng)度。
關(guān)于鋁基復(fù)合材料制造的各種冶金工藝已作過敘述，主要有粉末冶金技術(shù)，利用壓力鑄造、真空鑄造、攪拌以及加入濕潤劑等手段的液態(tài)金屬滲透法。
在粉末冶金工藝中，把粉末狀金屬與粉末狀、晶須或纖維段增強(qiáng)材料混合在一起，然后冷壓、燒結(jié)或者熱壓。利用傳統(tǒng)工藝，用粉末冶金法制造的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品相對于可得到的產(chǎn)品的性能來說有一定的局限性。陶瓷相在復(fù)合材料中的體積份數(shù)是有限的，在顆粒狀情況下，典型值是百分之四十。另外，加壓操作對所得產(chǎn)品的實(shí)際尺寸也有影響，它只能適用于沒有后續(xù)工藝(如成型或機(jī)加工)或不需要復(fù)合加工的，形狀相對簡單的產(chǎn)品。而且這種方法不僅會因?yàn)槌尚团c晶粒生長過程中的分凝得到微觀結(jié)構(gòu)不一致的產(chǎn)品，還會因?yàn)闊Y(jié)過程中收縮不同，產(chǎn)品的尺寸與形狀也不同。
1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美國專利3，970，136號提出了用纖維狀增強(qiáng)劑如碳化硅或氧化鋁晶須制造金屬基復(fù)合材料的工藝，可以預(yù)先確定纖維的取向。這種復(fù)合材料的制造工藝是這樣的把纖維排放在織物或氈上，再把這些織物平行排放在一個模型中，至少在部分織物之間放上熔融基體金屬容器，然后加壓，使熔融金屬穿透織物，包裹在已取向好的纖維四周。熔融金屬也可在加壓過程中傾倒在氈堆上迫使它在氈之間流動而達(dá)到要求。據(jù)報(bào)導(dǎo)，通過提高增強(qiáng)纖維的體積份數(shù)，承載可提高達(dá)50%。
上面敘述的滲透工藝，由于它必須依靠外界壓力迫使熔融金屬在纖維氈堆中滲流，因此會產(chǎn)生壓力誘導(dǎo)流動過程所帶來的問題，即基體層的不均勻性、氣孔等等。即使能把熔融金屬在纖維排列中重復(fù)引入，也可能產(chǎn)生性能的不一致性。因此，要想使纖維氈堆具有均勻、足夠的穿透性，氈/容器的排列與流動道路必須設(shè)計(jì)得相當(dāng)復(fù)雜。另外由于在大體積的織物中滲透非常困難，對于所希望獲得的基體體積份數(shù)來講，這種壓力滲透法所獲得的增強(qiáng)效果也相對較差。更有甚者，所用的模型也必須承受壓力，這也增加了工藝的成本。最后，這種方法也局限于在排成一線的粒子或纖維中滲透，而不能用于無規(guī)取向的粒子、晶須或纖維等材料來增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。
在用氧化鋁填充的鋁基復(fù)合材料中，鋁并不能濕潤氧化鋁，因此很難形成凝聚的產(chǎn)品。其它一些基體金屬與填料的結(jié)合也有同樣的問題。對于這樣問題已提出了一些解決方法，一種方法就是在氧化鋁上涂上一層金屬(如鎳或鎢)，然后與鋁一起熱壓。另一種方法是把鋁與鋰一起制成合金，再在氧化鋁周圍涂上氧化硅。然而，這些方法會對復(fù)合材料的性能有所影響，如涂層有可能會使填料的性能惡化，基體中的鋰也會影響到基體的性能。
R.W.Grimshaw等人的美國專利4，232，091號克服了鋁基-氧化鋁復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中所遏到的一些困難。這種方法是先把氧化鋁的纖維或晶須氈加熱到700到1050℃，然后再在75到375公斤/厘米2的壓力下使熔化的鋁(或鋁合金)進(jìn)入到氈中。在固體涂層中氧化鋁與金屬的體積比最大可達(dá)1/4。由于這種方法的滲透過程同樣需要外力。因此也存在與Cannell等人的方法一樣的困難。
歐洲專利申請公開號115，742介紹了一種鋁-氧化鋁復(fù)合材料的制造方法，其特點(diǎn)是把事先制成的氧化鋁基和熔融鋁預(yù)型的空隙用電解電池填充。這一申請?zhí)貏e強(qiáng)調(diào)，由于氧化鋁不能被鋁濕潤，因此需要用一些方法預(yù)先把氧化鋁濕潤。例如，把氧化鋁涂上濕潤劑(如鈦、鋯、鉿、鈮等的二硼化物)或金屬(如鋰、鎂、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鋯、鉿等)，再引入惰性氣體如氬氣以促進(jìn)濕潤。這一方法表明同樣需要施加應(yīng)力使熔融氧化鋁穿透未經(jīng)涂覆的基體。在這方面，滲透需要先把氣孔抽空，然后在惰性氣氛如氬氣中對熔化的鋁加壓。另外，在用熔融鋁金屬滲透空隙之前，也可把預(yù)型用氣相鋁沉積的方法而使表面濕潤。為了保證金屬鋁在預(yù)型氣孔中的滯留時(shí)間，必須在真空或氬氣氛中在1400-1800℃的高溫下進(jìn)行熱處理。而且在壓力下滲透材料的氣化或者滲透壓的解除過程都會引起材料中鋁的損失。
歐洲專利申請公開號94353也提到了用在電解電池與熔融金屬中加入濕潤劑以改善氧化鋁滲透性能的方法。該專利用電解沉積的方法制造鋁，以電池襯或基片作為陰極，通過陰極電流進(jìn)行填料。為了保護(hù)熔融冰晶石基片，必須在把氧化鋁基片浸入由電解所產(chǎn)生的熔融鋁金屬中或開始電解之前，先在氧化鋁基片上涂上一層薄薄的濕潤劑與可溶性抑制柵的混合物。所用的濕潤劑有鈦、鋯、鉿、硅、鎂、釩、鉻、鈮或鈣，其中以鈦為最好。硼、碳、氮等的化合物對于抑制濕潤劑在熔融金屬鋁中的可溶性有一定的作用。然而該專利并沒有提到金屬基復(fù)合材料的制造。
除了施加應(yīng)力和使用濕潤劑以外，還報(bào)道過真空也有助于熔融金屬鋁在多孔陶瓷壓坯中的穿透。例如，美國專利3，718，441號中，1973年2月27日R.L.Landingham說明了陶瓷壓坯(如碳化硼、氧化鋁、氧化鈹)與熔融金屬鋁、鈹、鎂、鈦、釩、鎳或鉻在小于10-6乇的真空中的滲透。10-2-10-6乇的真空會在一定程度上使熔融金屬對陶瓷的濕潤性能惡化，因?yàn)榻饘俅藭r(shí)不能在陶瓷空隙中自由流動。但是，當(dāng)真空降低到10-6乇以下時(shí)會對濕潤性能有所改善。
1975年2月4日授予G.E Gazza等人的美國專利3，864，154號利用真空來獲得滲透。該專利是把冷壓的AlB12粉末坯體安置在冷壓鋁粉床上，再在AlB12上面覆蓋上一層鋁粉，把這和“三明治”式的AlB12放置在坩鍋中，再在真空爐中燒結(jié)。爐中的真空度近似為10-5乇，然后把溫度提高到1100℃，保溫3小時(shí)。在這些條件下，熔融金屬鋁可以穿透多孔AlB12壓坯。
1982年2月3日Donomoto的歐洲專利申請公開號045，002也提出了一種用增強(qiáng)材料如纖維、線材、粉末、晶須或類似材料制造復(fù)合材料的方法。這種復(fù)合材料的制造方法是把不與氣氛反應(yīng)的多孔增強(qiáng)材料(如排布好的氧化鋁或碳或硼纖維)與熔融金屬(如鎂或鋁一起放在部分開口的容器中，向里面吹入大量的氧氣，再把容器浸入到熔融金屬池中，使熔融金屬滲透到增強(qiáng)材料的空隙中。該專利表明熔化金屬會與容器中的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成固態(tài)的金屬氧化物，從而在容器中產(chǎn)生真空，這會驅(qū)動熔化金屬使之進(jìn)入到增強(qiáng)材料的空隙及容器中。具體地講，就是在容器中放入能與氧反應(yīng)的元素(如鎂)使之在容器中與氧氣反應(yīng)以產(chǎn)生真空。這個真空與50公斤/厘米2的氬氣壓一起把熔化金屬(如鋁)擠入到填充有增強(qiáng)材料(如排布好的碳纖維)的容器中。
美國專利3，867，177號是1975年2月18日，J.J.Ott等人關(guān)于用金屬浸漬多孔體的發(fā)明，其中首先把待浸漬體與“活化金屬”相接觸，然后再浸漬在“填充金屬”中。其特點(diǎn)是用Reding等人的方法(專利3，364，976號，將在下面討論)把填料氈或壓塊浸沒在熔融的活性金屬中，保持足夠的時(shí)間使以熔融活性金屬能完全填充到空隙中去。然后等活性金屬固化后，再把復(fù)合體完全浸沒到第二種金屬中保持一段足夠的時(shí)間，使第二種金屬能取代第一種金屬，直到符合要求為止。將所得到的型體冷卻。這種方法還可以把多孔體部分或全部浸漬在熔化的取代金屬中足夠的時(shí)間。使一定量的取代金屬溶解或擴(kuò)散到多孔體中去，從而用至少是第三種金屬來取代或至少是部分地取代多孔復(fù)合體中的填料。在所得到的復(fù)合體中也可能在填料的間隙之間存在金屬互化物。用這種多步方法，包括用活性金屬制造具有所需組成的復(fù)合材料，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。而且工藝上的局限性，如金屬的互混溶體(即溶解度、熔點(diǎn)、反應(yīng)性等等)，也影響了具有特殊用途的材料性能的獲得。
美國專利3，529，655(1970年9月22日授予G.D.Lawrence)是關(guān)于鎂或鎂合金與碳化硅晶須復(fù)合材料的制造工藝的。其特點(diǎn)是將內(nèi)部裝有碳化硅晶須的模型(該模型至少有一個敞口)浸沒在熔融鎂池中，使所有開口都低于熔融金屬鎂表面，保持一段時(shí)間使之填充完模型的剩余部分。該專利表明當(dāng)熔融金屬進(jìn)入到模型中后會與其中的空氣反應(yīng)，產(chǎn)生少量的氧化鎂和氮化鎂，這樣就會形成真空從而驅(qū)使另外的熔融金屬進(jìn)入到碳化硅晶須的空隙中。最后將填充滿的模型從熔融鎂池中取出使其中的金屬鎂固化。
美國專利3，364，976號(1968年1月23日授予John N.Reding等)是關(guān)于在型體中產(chǎn)生自生真空從而加強(qiáng)熔融金屬在型體中的滲透能力的方法的。其特點(diǎn)是把一個型體，如石墨模或鋼模，也可以是多孔耐火材料，完全浸漬到熔融金屬如鎂、鎂合金或鋁合金中。模型的空隙中填有氣體，如空氣、它們可與熔融金屬反應(yīng)。模型至少有一個小孔，外面的熔融金屬可通過此小孔進(jìn)入到模型中去。當(dāng)模型浸入到熔體中以后，孔隙中的氣體會與烷融金屬反應(yīng)產(chǎn)生真空而使熔體填充到模型中去。注意，這種真空是金屬形成固體氧化物所造成的。
美國專利3，396，777(1968年8月13日授予，John N.Reding，Jr)涉及產(chǎn)生自生真空以加強(qiáng)熔融金屬在填料中的滲透能力的。其特點(diǎn)是用一個一端開口的鋼制或鐵制容器，容器中裝有粒狀多孔固體，如焦碳或鐵，開口一段用含有鉆孔或穿孔的蓋子蓋住，這種鉆孔或穿孔要比多孔固體填料的粒徑小。容器內(nèi)的多孔填料的孔隙中也含有氣體，如空氣，這些氣體會與(至少是一部分與)熔融金屬如鎂、鋁等反應(yīng)。容器的蓋在熔融金屬表面以下有一段足夠的距離以保證外面的氣體不會進(jìn)入到容器中，同時(shí)也要保持一段足夠的時(shí)間使容器中的氣體與熔化金屬反應(yīng)生成固態(tài)化合物。氣體與熔融金屬的反應(yīng)會在容器與多孔固體中產(chǎn)生低壓或相當(dāng)程度的真空而促使熔化的金屬不斷流進(jìn)容器中與多孔固體中。
Reding，Jr.的方法涉及歐洲專利公開號045，002，美國專利3，867，177號，3，529，655號以及3，364，976號，有關(guān)工藝在這里都已作了討論。其特點(diǎn)是把裝有填料的容器深深浸入到熔融金屬池中，誘使空隙中的氣體與熔融金屬反應(yīng)從而用熔融金屬把空隙填滿。這個專利的另一特點(diǎn)是，基體金屬的熔化池表面在金屬的熔化態(tài)可能會被與之接觸的周圍的空氣氧化，因此把它用一層保護(hù)層或礦渣給覆蓋住。在把容器放入熔融金屬中之前把礦渣除去，但是絕不能把礦渣中的有害物質(zhì)混入到熔融基體金屬與/或容器與多孔固體材料中去，這些有害物質(zhì)，即使非常少，也可能會影響到容器中真空的形成以及最后復(fù)合材料的物理性能。另外，當(dāng)容器從熔融基體金屬池中取出時(shí)，由于重力的作用會使過量的基體金屬從容器中排出，使?jié)B透體中的基體金屬造成損失。
因此，長期以來一直希望用一種簡單的方法來制造金屬基復(fù)合材料，這種方法不需要外加壓力或真空，不破壞濕潤性，也不需要用熔融基體金屬池，因?yàn)樗鼈冇腥缟纤龅囊恍┤秉c(diǎn)。另外，還希望這種方法能減少后續(xù)機(jī)加工操作。本發(fā)明采用自生真空法使熔融的基體金屬(如鋁、鎂、青銅、銅、鑄鐵等等)在一般大氣壓的反應(yīng)性氣氛(如空氣、氮?dú)狻⒀鯕獾鹊?中滲透到某種材料(如陶瓷材料，這種材料可先制成預(yù)型)中去。
1988年1月11日Dwivedi等人提交的美國專利申請系列142，385號，題目是“金屬基復(fù)合材料的制備方法”，提出了一種向裝有填料的陶瓷基復(fù)合材料模型中滲透可滲透物質(zhì)制造金屬基復(fù)合材料的新穎方法，這個專利現(xiàn)已被批準(zhǔn)。根據(jù)Dwivedi等人發(fā)明的方法，把一種熔融的先質(zhì)金屬或母體金屬與氧化劑一起使之有控制地氧化制成一種模型，生長出一種多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，這種產(chǎn)物至少把一部分的含有適當(dāng)填料(稱作“第一種填料)的預(yù)型嵌在其中。然后再把所形成的陶瓷基復(fù)合材料模型裝入第二種填料，第二種填料與模型一起與熔融金屬接觸，再把模型密封。最典型的是引入至少一種熔融金屬或打開模型的密封。密封層可能含有夾雜的空氣，但這種夾雜的空氣與模型內(nèi)的東西都是孤立的，或者說它們是被密封住的，所以它們與外部的或周圍的空氣并不接觸。通過給予一定的封閉的環(huán)境，在適當(dāng)?shù)娜廴诮饘俚臏囟认?，就可以使第二種填料有效地滲透。這種方法避免了使用濕潤劑，不需要在熔融基體金屬中加入合金的組分，不需要施加機(jī)械壓力，不需要真空，也不需要特殊的氣氛條件或其它一些滲透手段。
上面所討論的已有的專利給出了一種制造金屬基復(fù)合體的方法，這種復(fù)合體可以是陶瓷基復(fù)合體，也可以是另外的新型復(fù)合體。這篇專利申請的全部內(nèi)容在這里全部用來作為參考。
在本發(fā)明中，用一種新穎的自生真空技術(shù)，把熔融的基體金屬滲透到放置在不滲透的容器中的填料或預(yù)型可滲透物質(zhì)中，制成了一種新型的金屬基復(fù)合體。特別是，把熔融基體金屬與反應(yīng)性氣體至少在整個工藝的某個環(huán)節(jié)中與可滲透的物質(zhì)保持連通，通過反應(yīng)性氣體與基體金屬與/或填料或預(yù)型與/或不可滲透的容器的接觸，產(chǎn)生真空，導(dǎo)致熔融基體金屬滲透到填料或預(yù)型中。
在第一個優(yōu)選實(shí)施方案中，反應(yīng)系統(tǒng)是由含有填料的不可滲滲的容器與熔融基體金屬以及反應(yīng)氣氛所組成的，該反應(yīng)系統(tǒng)再用密封材料密封避免與周圍環(huán)境接觸。這種反應(yīng)氣體會部分地或相當(dāng)完全地與熔融基體金屬與/或填料與/或不透容器反應(yīng)生成反應(yīng)產(chǎn)物，產(chǎn)生真空，驅(qū)使熔融金屬至少部分地進(jìn)入到填料中。這種反應(yīng)氣體與熔融基體金屬和/或填料和/或不滲透容器的反應(yīng)持續(xù)足夠的時(shí)間，從而使熔融基體金屬部分地或相當(dāng)完全地滲透到填料或預(yù)型中。用于密封反應(yīng)系統(tǒng)的外在密封材料根據(jù)基體金屬的不同，其組成有所區(qū)別。
在另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，基體金屬也可以與周圍的氣氛反應(yīng)形成內(nèi)在化學(xué)密封層，它與基體金屬的成份不同，可以把反應(yīng)體系與周圍氣氛分離開來。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，可以不用外加密封手段來隔離反應(yīng)體系，而是通過基體金屬對不滲透容器的濕潤而形成一層內(nèi)在物理封蔽層，從而把反應(yīng)體系與周圍氣氛分隔開來。而且，還可以把合金添加劑加入到基體金屬中以促進(jìn)基體金屬對不滲透容器的濕潤，最終把反應(yīng)體系與周圍氣氛分隔開來。
在另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，填料至少可以部分地與反應(yīng)氣體反應(yīng)，產(chǎn)生真空，從而驅(qū)使熔融的基體金屬進(jìn)入到填料或預(yù)型中。而且可以在填料中加入添加劑，使之部分地或相當(dāng)完全地與反應(yīng)氣體反應(yīng)產(chǎn)生真空，并能提高最終復(fù)合體的性能。更進(jìn)一步的說，除了填料與基體金屬外，不滲透容器至少可部分地與反應(yīng)氣體反應(yīng)產(chǎn)生真空。
說明書和權(quán)利要求書中所用術(shù)語定義如下“合金面”是指在熔融金屬滲透到填料和預(yù)型中去之前，金屬基復(fù)合材料最初與熔融基體金屬接觸的一面。
“鋁”是指(包括)純金屬(如相對純的，市場上可得到的未合金化的鋁)或其它級別的金屬與金屬合金，如市場上可得到的具有雜質(zhì)與/或合金組分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等)的金屬。所定義的鋁合金是指鋁作為主成份的金屬互化物。
“周圍(環(huán)境)氣氛”是指填料或預(yù)型與不透容器以外的氣氛。其組成可以與反應(yīng)氣體基體一致，也可以不同。
“阻擋”或“阻擋層”是與金屬基復(fù)合體相連接的部分，它是指熔融基體金屬表面影響，阻止或終止它向填料或預(yù)型中移動、運(yùn)動等的一層適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)。適當(dāng)?shù)淖钃鯇涌梢允歉鞣N材料、化合物、元素、復(fù)合材料等等，在工藝條件下，它可保持一定的完整性而不會大量地?fù)]發(fā)(即阻擋材料不會揮發(fā)到不能起阻擋作用的程度)。
另外，適當(dāng)?shù)摹白钃鯇印卑ㄔ诠に嚄l件下可被移動的熔融基體金屬濕潤的材料，也包括不能被濕潤的材料，只要阻擋層的濕潤不會在阻擋材料的表面大量進(jìn)行(即表面濕潤)。這種阻擋層可以對熔融基體金屬的親合性很小或完全沒有親合性，熔融基體金屬在限定的填料或預(yù)型表面上的運(yùn)動也被阻擋層所阻止了。阻擋層至少可以部分地減少最終金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品所需要的機(jī)加工與磨削加工。
“青銅”是指(包括)富銅的合金，其中可能含有鐵、錫、鋅、鋁、硅、鈹、鎂和/或鉛。特殊的青銅合金中，銅的重量百分比約為90%。硅約為6%，鐵約3%。
“殘余”或“基體金屬殘余”是指金屬基復(fù)合體的形成過程中沒有被消耗而剩下的基體金屬，在典型情況下，如果冷卻下來，殘余至少有一部分會與所形成的金屬基復(fù)合體接觸。必須明白的是可能包含第二種或外來的金屬。
“鑄鐵”是指整個鑄鐵合金系，其中碳的重量百分含量至少為2%。
“銅”是指商品級的相當(dāng)純的銅，如重量比為99%的含有其它不同雜質(zhì)的銅。另外它還指主成份是銅的合金或金屬互化物。只要它不屬于青銅的范圍。
“填料”可以是單一成份，也可是多成份的混合物，它們不會與熔融基休金屬反應(yīng)，在熔融基體金屬中的溶解度也有限，可以是單相，也可以是多相。填料的形態(tài)可大不相同，可以是粉末，鱗片，片晶，微球，晶須，球泡等等，可以是致密的，也可以是多孔的?！疤盍稀币部砂ㄌ沾商盍?，如制成纖維、碎段纖維、顆粒、晶須、球泡、球狀、纖維氈等形式的氧化鋁或碳化硅，也可包括具有陶瓷涂層的填料，如用氧化鋁或碳化硅涂覆的碳纖維。這樣可保護(hù)碳不受侵襲。例如，熔融的鋁基體金屬的侵襲。填料還包括金屬。
“不(滲)容器”是指在工藝條件下用來裝盛反應(yīng)氣體與填料(或預(yù)型)和/或熔融基體金屬和/或密封層的容器。容器的密實(shí)性必須很好，不能使氣體或蒸氣滲透過去。這樣就有可能形成反應(yīng)氣氛與環(huán)境氣氛的氣壓差。
“基體金屬”或“基體金屬合金”是指用于制造金屬基復(fù)合材料的金屬(即滲透后的金屬)與/或與填料互相混合形成金屬基復(fù)合體的金屬(即滲透后的金屬)。如果指定一種金屬為基體金屬，應(yīng)該把它理解為可以是有一定純度的金屬，也可以是商業(yè)上可得到的含有雜雜和/或合金成份的金屬，還可以是金屬互化物或以該金屬為主導(dǎo)成份的合金。
“金屬基復(fù)合材料(或復(fù)合體”或“MMC”是指嵌有預(yù)型或填料的合金或基體金屬，這些合金或基體金屬是二維或三維連通的。基體金屬可能包括各種各樣的合金元素，以獲得必需的機(jī)械性能與物理性能。
某種“不同于”基體金屬的金屬是指該金屬的主要成份與基體金屬不同(例如，如果基體金屬的主成份是鋁，那么“不同”的金屬的主要成份就可能是鎳)。
“預(yù)型”或“可滲透的預(yù)型”是指多孔質(zhì)的填料，它至少有一個表面層是加工過的，作為基體金屬滲透的界面層。這種材料具有一定的形狀完整性與坯體強(qiáng)度，因此在基體金屬開始滲透之前不需要任何外力就可保持其尺度的精確性。這種預(yù)型必須有足夠的孔洞以保證基體金屬能夠滲透。典型的預(yù)型都是由排列好的填料所組成的，其排列可以是均勻的，也可以是不均勻的。它可能含有特定的材料(如陶瓷與/或金屬顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的組合)。預(yù)型可以是單個存在的，也可以以組合形式存在。
“反應(yīng)體系”是能夠形成自生真空使熔融基體金屬滲透到填料或預(yù)型中去的所有材料的組合。它至少應(yīng)包括裝有可滲透的填料或預(yù)型的容器，反應(yīng)性氣氛及基體金屬。
“反應(yīng)(性)氣氛”是指可以與基體金屬和/或填料(或預(yù)型)和/或不透容器反應(yīng)而形成自生真空的氣氛。它所產(chǎn)生的自生真空能使熔融的基體金屬滲透到填料或預(yù)型中去。
“儲存器”是位于與填料或預(yù)型相對的位置而與基體金屬分離的部分。當(dāng)金屬熔化時(shí)，它可以流動以補(bǔ)充與填料或預(yù)型相接觸的基體金屬。這種補(bǔ)充在某種情況下從一開始就逐步進(jìn)行了。
“密封”或“密封層”是指在工藝條件下不能使氣體透過的一層物質(zhì)，它可以是獨(dú)立形成的(如外加密封)或由于反應(yīng)體系所形成的(內(nèi)部封密)，它把環(huán)境氣氛與反應(yīng)氣氛分離開來。密封或密封層的組成可能與基體金屬不同。
“密封促進(jìn)體”是指可以通過促進(jìn)基體金屬與環(huán)境氣氛和/或不透容器和/或填料或預(yù)型反應(yīng)以形成密封層的材料。這種材料可加到基體金屬中，而基體金屬中的密封促進(jìn)體的存在又可提高生成復(fù)合體的性能。
“濕潤增強(qiáng)劑”是指加到基體金屬與/或填料或預(yù)型中，可以增強(qiáng)基體金屬對填料或預(yù)型的濕潤(如減少基體金屬的表面張力)的材料。濕潤增強(qiáng)劑還可通過提高基體金屬與填料之間的結(jié)合力來提高生成金屬基復(fù)合體的性能。
下面的一些圖可以幫助理解本發(fā)明，但它并沒有限制本發(fā)明的范圍。在每個圖中都盡可能地用類似的參數(shù)算出同樣的組元，其中

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的方法做畫出的典型的裝置的橫斷面圖，它使用的是外部密封層。
圖1B是與之比較的裝置的截面圖;
圖2是應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)裝置的本發(fā)明方法的一個簡化流程圖;
圖3A是根據(jù)圖1A所制出的產(chǎn)品的照片;
圖3B是根據(jù)圖1B所制出的產(chǎn)品的照片;
圖4A是根據(jù)圖1A所制成的青銅金屬基復(fù)合材料的照片;
圖4B是根據(jù)圖1B所制出的青銅金屬基復(fù)合材料的照片;
圖5是用于制造p樣品的裝置的斷面圖;
圖6是用于制造U樣品的裝置的斷面圖;
圖7是根據(jù)例3所得到的樣品的一組照片;
圖8是根據(jù)例6得到的樣品的一組照片;
圖9是根據(jù)例7得到的樣品的一組照片;
圖10是根據(jù)例8所得到的樣品的一組照片;
圖11是根據(jù)例9所得到的樣品的一組照片;
圖12A和12B是根據(jù)10所用的裝置的斷面圖;
圖13是AK樣品和AL樣品的真空度隨時(shí)間的變化曲線;
圖14A和14B分別是AK樣品和AL樣品的產(chǎn)品照片;
圖15是例14的真空度隨時(shí)間的變化曲線;
圖16是例18中制造AU樣品所用裝置的斷面圖。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明用自生真空技術(shù)制造金屬基復(fù)合材料的典型的裝置(30)。特別是，把填料或預(yù)型(31)(它可以是各種材料制成的，這將在下面詳細(xì)討論)放置在可以容納熔融基體金屬(33)和反應(yīng)氣氛的不透氣的容器(32)中。例如，填料(31)可能與反應(yīng)氣氛(例如，存在于填料或預(yù)型的氣孔中的氣氛)接觸相當(dāng)長的時(shí)間，使反應(yīng)性氣氛部分地或相當(dāng)完全地滲透到位于不透氣容器(32)中的填料中?；w金屬(33)(熔化的或固態(tài)的)與填料(31)相接觸。在下面對優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中會看到，外加密封層(34)可存在于基體金屬(33)的表面，從而把反應(yīng)氣氛與周圍氣氛(37)隔離開來。無論是外部的還是內(nèi)部的密封層，在室溫下可能起到密封的效果，也可能起不到，但是在工藝條件下則必須起到密封作用(如在基體金屬的熔化溫度以上)。把裝置(30)放到爐中，爐子可以保持室溫，也可預(yù)先加熱到工藝溫度。在工藝條件下，爐溫必須在基體金屬的熔化溫度以上。這樣才能使熔化的基體金屬在自生真空的作用下滲透到填料或預(yù)型中去。
圖2給出了采用本發(fā)明工藝所需要的工藝步驟簡化流程。第(1)步，必須制造或得到一定性能的不透氣容器(這些性能要求將在下面詳細(xì)說明)。例如，一個簡單的頂端敞開口鋼制(如不銹鋼)園柱即是一個合適的模型。把鋼制容器與GRAFOIL 石墨帶(GRAFOIL 是聯(lián)合碳化物公司的注冊商標(biāo))任意地放置在一起來促進(jìn)在容器中形成的金屬基復(fù)合體的排出。在下面會更詳細(xì)地講解，其它一些材料，如涂在容器內(nèi)部的B2O3粉末，加到基體金屬中去的錫，也都可能會有助于容器或模型中形成的金屬基復(fù)合體的排出。在容器內(nèi)裝入一定量的合適的填料或預(yù)型，然后再在上面用一層GRAFOIL 石墨帶隨意地蓋上，至少要蓋上一部分。這一層石墨帶有助于金屬基復(fù)合材料從滲流后留下的基體金屬的殘余中分離開來。
把一定量的熔融基體金屬如鋁、青銅、銅、鑄鐵、鎂等注入到容器中，容器可能是室溫的也可能被預(yù)先加熱到一合適溫度?；w金屬也可以是固體鑄鐵，然后再加熱使之熔化。從一組外部密封層與內(nèi)部密封層中選出一種合適的來使之形成有效的密封(這在下面將更詳細(xì)地討論)。例如，要形成一種外部密封，就可以把這種外部密封料如玻璃(如B2O3)料加入到容器中的熔融基體金屬屬的表面。待玻璃料熔化后就會覆蓋池的表面，但正如下面所要詳細(xì)描述的那樣，不需要完全覆蓋。將熔融基體金屬或預(yù)型接觸，并通過外加密封層把基體金屬與/或填料與周圍氣氛隔開。如果需要的話，可把容器放在一合適的爐子中，爐子可預(yù)先加熱到工藝溫度，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使之產(chǎn)生滲流。爐子的工藝溫度可以隨基體金屬不同(如，一些鋁合金的溫度為950℃，而一些青銅合金的溫度為1100℃較為合適)。適當(dāng)?shù)墓に嚋囟仍谙喈?dāng)程度上取決于基體金屬的熔點(diǎn)以及其它一些特性，另外還與反應(yīng)體系中各組元的特殊性能與密封料有關(guān)。在爐溫下保溫一段時(shí)間后就會在填料或預(yù)型中產(chǎn)生真空(下面將更詳細(xì)地討論)，而使熔融基體金屬可滲流到填料或預(yù)型中。然后把容器從爐中取出，使之冷卻，如放在一個冷卻平臺上使基體金屬定向固化。然后就可把金屬基復(fù)合材料用各種方便的方法從容器中取出，如果還有基體金屬殘余的話，再將之分開。
上面對圖1和圖2的描述簡單地強(qiáng)調(diào)了本發(fā)明的顯著特點(diǎn)，這在后面可以看出。對工藝中每一步驟及本工藝中所用材料特性的進(jìn)一步描述將在下面給出。
不需要什么特殊的理論或解釋，人們就能理解，當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)幕w金屬(一般是在熔化態(tài))在不透氣的、含有反應(yīng)氣氛的容器中與一定的填料或預(yù)型相接觸時(shí)，在反應(yīng)性氣氛和熔融基體金屬與/或填料或預(yù)型與/或不透氣容器之間就會發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物(可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的或蒸汽狀態(tài)的)，這些產(chǎn)物所占有的體積要較原來的反應(yīng)物所占的體積小。當(dāng)反應(yīng)氣氛與周圍氣氛被分隔開時(shí)，就可能在可透氣的填料或預(yù)型中產(chǎn)生真空而驅(qū)使熔融基體金屬進(jìn)入到填料的空隙之中。另外，真空的產(chǎn)生還可能促進(jìn)濕潤，反應(yīng)氣體與熔融基體金屬和/或填料或預(yù)型和/或不透氣容器之間的進(jìn)一步反應(yīng)可以使基體金屬隨著真空的不斷產(chǎn)生而不斷滲流到填料或預(yù)型中。反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間，以使熔融的基體金屬能部分地或相當(dāng)完全地滲流到填料或預(yù)型中，填料或預(yù)型必須有中夠的透氣性使反應(yīng)性氣氛能至少部分地滲入到填料或預(yù)型中。
本申請討論了金屬基復(fù)合材料的形成的某個階段，與反應(yīng)性氣氛的接觸的各種基體金屬。對一些特殊的能產(chǎn)生自生真空的基體金屬/反應(yīng)性氣氛的組合體系進(jìn)行了一些說明。尤其是對鋁/空氣體系;鋁/氧氣體系，鋁/氮?dú)庀到y(tǒng)，青銅/空氣系統(tǒng)，青銅/氮?dú)猓~/空氣，銅/氮?dú)庖约拌T鐵/空氣等系統(tǒng)所產(chǎn)生的自生真空的性能作了說明。然而，必須明白，其它一些基體金屬/反應(yīng)性氣氛體系的特性與上述一些特殊的體系的特性基本相似。
要使本發(fā)明中的自生真空技術(shù)實(shí)用化，必須把反應(yīng)氣氛與周圍的氣氛分隔開來，這樣才能在滲流過程中所降低了的反應(yīng)性氣氛的壓力不至于受到從周圍氣氛中傳入的氣體的嚴(yán)重影響。本發(fā)明中所用的不透氣容氣的尺寸、形狀可以是任意的，其成份是否與基體金屬和/或反應(yīng)氣氛反應(yīng)也沒有要求，但是在工藝條件下必須保證不能讓周圍氣體滲入。重要的是，這種不透氣容器的材料可以是任意的(如陶瓷、金屬、玻璃、高分子材料等等)，只要它們能在工藝條件下保持其形狀與尺寸，并且不讓周圍的氣體從容器壁上滲入。使用氣密性相當(dāng)好的容器，使氣體不能通過容器壁滲入，就可能在容器中形成自生真空。另外，根據(jù)所使用的反應(yīng)體系的性質(zhì)，如果不透容器至少能部分地與反應(yīng)氣氛和/或基體金屬和/或填料反應(yīng)的話，則有可能在容器內(nèi)產(chǎn)生或有助于產(chǎn)生自生真空。
不透氣容器的性質(zhì)與氣孔、裂紋或還原性的氧化物無關(guān)，但它們影響到自生真空的產(chǎn)生與保持。因此不難理解可用多種材料來制成不透氣容器。例如，鑄造成型的氧化鋁或碳化硅就可以象在基體金屬中溶解度很小的金屬(如不銹鋼，它在鋁、銅及青銅等基體金屬中的溶解度就很小)一樣作為容器材料。
另外，其它一些不合適的材料如多孔材料(象陶瓷體)也可通過適當(dāng)?shù)耐繉觼硖岣卟煌笟庑?。這些不透氣的涂層可以是各種釉料和凝膠，它們可用來把這些多孔材料粘結(jié)在一起并把氣孔封住。而且某種合適的涂層在工藝溫度下也可以是液態(tài)，只要在這種情況下涂料足夠穩(wěn)定，可以在自生真空中保持不透性即可，例如可通過在容器或填料或預(yù)型上的粘性流來做到這一點(diǎn)。這些合適的涂層材料包括玻璃態(tài)材料(如B2O3)，氯化物，碳酸鹽等等，只需填充材料或預(yù)型中的氣孔尺寸足夠小，使涂料能有效地堵住氣孔而形成不透氣的涂層。
本發(fā)明中所用的基體金屬可以是各種金屬，只要它們在工藝條件下熔化時(shí)，可通過填料中所產(chǎn)生的自生真空滲流到填料或預(yù)型中去。例如，一些金屬在工藝條件下，它們或其中一些成份能部分地或相當(dāng)完全地與反應(yīng)氣氛反應(yīng)，由于(至少是部分地)自生真空的產(chǎn)生而使熔融的基體金屬滲流到填料或預(yù)型中去，這些金屬即可作為基體金屬。而且根據(jù)所用體系的不同，基體金屬可以不與反應(yīng)性氣氛反應(yīng)，真空可由反應(yīng)性氣氛與體系中的其它組成反應(yīng)而形成，這樣也可以使基體金屬滲流到填料中去。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，基體金屬可以是與濕潤增進(jìn)劑組成的合金，從而可使它的潤濕能力有所提高，這樣還有助于形成基體金屬與填料之間的結(jié)合力，減少所生成的金屬基復(fù)合材料中的氣孔率，減少完成滲流過程所需要的時(shí)間等等。另外，含有濕潤增進(jìn)劑的材料還可以作為密封促進(jìn)劑，這在下面會講到，它有助于將反應(yīng)性氣氛與周圍的氣氛分隔開。而且在另外一些具體裝置中，濕潤增進(jìn)劑還可以直接加入到填料中去，而不是與基體金屬制成合金。
因此，基體金屬對填料的濕潤可以提高所生成的復(fù)合體的性能(如抗張強(qiáng)度，抗腐蝕性等等)，另外，熔融基體金屬對填料的濕潤可以使填料在金屬基復(fù)合材料中均勻分散，并且改善基體金屬與填料的結(jié)合性能。對鋁基體金屬有效的濕潤增強(qiáng)劑有鎂、鉍、鉛、錫等等，而對青銅和銅則有硒、碲、硫等等。而且，正如上面所討論的那樣，至少有一種濕潤增強(qiáng)劑可加入到基體金屬與/或填充材料中去賦予所形成的金屬基復(fù)合體所必要的性能。
除此之外，還可以使用一個基體金屬的儲存器以保證基體金屬向填料中的滲流的完成或提供一種與第一種金屬成份不同的金屬，尤其在某種情況下需要儲存器中的基體金屬的成份與第一種基體金屬源的成份不同。例如，如果鋁合金是第一種基體金屬的話，事實(shí)上任何其它金屬或金屬合金都可以是儲存器中的金屬，只要在工藝溫度下它是處于熔融態(tài)的。熔融金屬經(jīng)常是彼此互溶的，這樣就使得儲存器中的金屬能與第一種金屬源相混合(如果給予足夠的時(shí)間的話)。因此，使用與第一種基體金屬源成份不同的儲存金屬，就可以獲得具有不同性能的基體金屬以滿足各種操作要求，從而也就可以獲得所需要的金屬基復(fù)合體的性能。
所設(shè)計(jì)的反應(yīng)體系的溫度(如操作溫度)可以隨所使用的基體金屬，填料或預(yù)型;反應(yīng)性氣氛而變。例如，對于基體金屬鋁，其自生真空至少在700℃才能逐漸產(chǎn)生，而到850℃以上才比較有利。超過1000℃是不必要的，最有效的溫度范圍是850-1000℃。對于青銅或銅基金屬，1050-1125℃最好，而對鑄鐵，1250-1400℃最合適。一般來說，所采用的溫度應(yīng)在基體金屬的熔點(diǎn)以上，氣化點(diǎn)以下。
可以通過控制復(fù)合體的形成過程中金屬基體的成份與/或微觀結(jié)構(gòu)來獲得所必要的產(chǎn)品性能。例如，對于一給定的體系，可以通過工藝條件的選擇來控制諸如金屬互化物、氧化物、氮化物等的形成。另外，除了可控制復(fù)合體的組成以外，其它一些物理性能如氣孔率等等，也可通過控制金屬基復(fù)合體的冷卻速率來調(diào)節(jié)。在一些情況下，希望金屬基復(fù)合材料能定向固化，這可通過把裝有合成好的金屬基復(fù)合材料的容器放置到冷卻板上和/或有選擇性地在容器內(nèi)放置絕緣材料。金屬基復(fù)合材料的其它性能(如抗張強(qiáng)度)可以用熱處理的方法來控制(例如，標(biāo)準(zhǔn)的熱處理主要是對基體金屬單獨(dú)的熱處理，也可以是經(jīng)過部分或大量調(diào)節(jié)過的熱處理)。
在本發(fā)明方法所采用的條件下，填料或預(yù)型必須有足夠的透氣性，能使反應(yīng)性氣體在反應(yīng)氣氛與周圍氣氛分隔開來之前的某些階段，穿透或滲透到填料或預(yù)型中去。在下面的例子中，在疏松的尺寸大約為54到220號粒度的顆粒中含有足夠多的反應(yīng)氣體。加入這樣的填料，反應(yīng)性氣體就可部分地或相當(dāng)完全地與熔融基體金屬和/或填料和/或不透氣容器反應(yīng)，導(dǎo)致真空的產(chǎn)生而促使熔融基體金屬進(jìn)入到填料中。另外，反應(yīng)性氣氛在填料中的分布不必要十分均勻，但是反應(yīng)氣氛的均勻分布有助于理想的金屬基復(fù)合體的形成。
本發(fā)明中的金屬基復(fù)合材料的合成方法可應(yīng)用于多種填料中，材料的選擇主要取決于以下因素，如基體金屬，工藝條件，熔融基體金屬與反應(yīng)性氣體的反應(yīng)能力，填料與反應(yīng)性氣體的反應(yīng)能力，熔融基體金屬與不透氣容器的反應(yīng)能力，以及所希望得到的復(fù)合產(chǎn)品的性能。例如，當(dāng)基體金屬含有鋁時(shí)，合適的填料包括(a)氧化物(如氧化鋁);(b)碳化物(如碳化硅);(c)氮化物(如氮化鈦)。如果填料不利于與熔融基體金屬反應(yīng)，那么這種反應(yīng)就可用減少滲流時(shí)間、降低滲流溫度或在填料中加入反應(yīng)性涂層來調(diào)節(jié)。填料可以組成基片，如碳或其它的非陶瓷材料，再加上一層陶瓷涂料以保護(hù)基片不受侵害或惡化。適當(dāng)?shù)奶沾赏苛习ㄑ趸铮蓟锖偷?。本方法中最希望用的陶瓷包括顆粒狀、片狀、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(碎段狀的)或連續(xù)的細(xì)絲，如多絲纖維束。另外，填料或預(yù)型的成份與/或開關(guān)也可以是均勻的或不均勻的。
填料的形狀與尺寸可以是任意的，它們可根據(jù)所希望得到的復(fù)合材料的性能而定。因此，由于滲流不受填料的形狀的限制，因此材料的形狀就可以是粒狀的，晶須，片狀或纖維狀，其它形狀如球狀，管狀，丸狀，耐火纖維布，以及其余類似的形狀都可采用。另外，材料的開關(guān)并不影響滲流，盡管對于顆粒小的材料需要更高的溫度和更長的時(shí)間才能完成滲流過程。在大多數(shù)情況下，填料的平均尺寸在略小于24號粒度至約500號粒度的范圍內(nèi)最好。而且，通過調(diào)節(jié)填料或預(yù)型的滲透體的尺寸(如粒徑)可以獲得所希望的金屬基復(fù)合材料的物理與/或機(jī)械性能以滿足各種工業(yè)應(yīng)用。再者，把含有不同粒徑的填料相混合，可以獲得堆積密度更高的填充材料的復(fù)合體。如果需要的話，還可以在滲流過程中對填料進(jìn)行攪動(如晃動容器)或在滲流之前把粉末狀的粘結(jié)金屬與填料相混合，以得到顆粒承載更低的復(fù)合體。
本發(fā)明中所使用的反應(yīng)性氣體可以是任何氣體，它們至少能部分地或相當(dāng)完全地與熔融基體金屬和/或填料和/或不透容器反應(yīng)，生成的反應(yīng)產(chǎn)物所占的體積要比反應(yīng)前氣體與/或其它反應(yīng)物所占的體積小。特別是，當(dāng)反應(yīng)性氣體與熔融基體金屬和/或填料和/或不透容器接觸時(shí)，可以與反應(yīng)體系中的一個或幾個組元反應(yīng)生成固相、液相或汽相的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物所占體積要小于單個組元所占體積的總和，這樣就產(chǎn)生了空隙或真空從而有助于熔融基體金屬進(jìn)入到填料或預(yù)型中去。反應(yīng)性氣體與基體金屬和/或填料和/或不透容器中的一種或幾種之間的反應(yīng)，可以持續(xù)一足夠的時(shí)間，可以使基體金屬至少部分地或相當(dāng)完全地滲流到填料中去。例如，當(dāng)用空氣作為反應(yīng)性氣體時(shí)，基體金屬(如鋁)與空氣之間的反應(yīng)就會導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物(如氧化鋁與/或氮化鋁)的產(chǎn)生。在工藝條件下，反應(yīng)產(chǎn)物所占的體積要比所反應(yīng)的熔融鋁與空氣的總體積要小，結(jié)果就形成真空，從而導(dǎo)致熔融基體金屬向填料或預(yù)型中滲流。根據(jù)所選用的體系，填料與/或不透容器也可跟反應(yīng)氣體發(fā)生類似的反應(yīng)，產(chǎn)生真空，從而有助于熔融基體金屬向填料中的滲流。自生真空反應(yīng)可持續(xù)一段足夠的時(shí)間而導(dǎo)致金屬基復(fù)合體的形成。
另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)必須用密封層或密封烙以阻止或限制氣體從環(huán)境中流入到填料或預(yù)型中(即阻止周圍氣體流入反應(yīng)性氣體)，參看圖1A，不透容器(32)和填料(31)中的反應(yīng)性氣體必須與周圍的氣體(37)分隔得很好，這樣就可使反應(yīng)性氣體與熔融基體金屬(33)和/或填料或預(yù)型(33)和/或不透容器(32)之間的反應(yīng)得以進(jìn)行，并在反應(yīng)性氣氛與環(huán)境氣氛之間形成并維持一個壓力差，直到完成所希望的滲流過程?？梢岳斫獾氖牵磻?yīng)性氣體與周圍氣體之間的隔離并不要求特別好，只要足夠形成一個凈壓力差(例如，只要從周圍氣體中向反應(yīng)氣體中的流速低于補(bǔ)充反應(yīng)掉的氣體所需要的量，這種流動就是允許的)。正如上面所描述的，環(huán)境氣氛與反應(yīng)氣氛的隔離部分由容器(32)的不透氣率所決定。由于大多數(shù)的基體金屬對于周圍氣體來說其滲透率也相當(dāng)?shù)?，因此有一部分隔離是通過熔融基體金屬池(33)來實(shí)現(xiàn)的。但是必須注意到，在不透容器(32)與周圍氣氛及反應(yīng)氣氛的界面上存在一個泄漏通道，因此密封必須足以禁止或阻止這種泄漏。
適當(dāng)?shù)拿芊饣蛎芊馐侄慰煞譃闄C(jī)械的、物理的或化學(xué)的這三類，每一類又可以再分為外部的或內(nèi)部的兩種。外部的密封是指這種密封作用與熔融基體金屬無關(guān)，或者是附加于由熔融基體金屬所提供的密封作用之上的(例如，由加到反應(yīng)體系的其它組元之上的材料所產(chǎn)生的作用)，內(nèi)部密封則是指密封作用毫無例外的由基體金屬的一種或幾種特性所產(chǎn)生的(例如由基體金屬與不透容器的濕潤能力所產(chǎn)生的)。內(nèi)部的機(jī)械密封可以用足夠深的熔融基體金屬池或把填料或預(yù)型浸沒在熔融基體金屬中這樣的簡單的方法來實(shí)現(xiàn)，在上面所引述的Reding等人的專利以及其它一些相關(guān)的專利中就是采用的這種方法。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Reding，Jr等人提出的內(nèi)部機(jī)械密封法對于大量的情況是無效的，它們需要大量過量的熔融基體金屬。根據(jù)我們的發(fā)明，外部密封及內(nèi)部物理及化學(xué)密封可以克服內(nèi)部機(jī)械密封的缺陷。在一個外部密封的具體裝置中，密封料可以從外部以固體或液體的形式加入到基體金屬表面，在工藝條件下，它們可以與基體金屬不發(fā)生反應(yīng)。已經(jīng)證明這種外部密封阻止了，或者說至少相當(dāng)程度上制止了周圍氣氛中的汽相成份流入到反應(yīng)氣氛中。用作外部物理密封的材料可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)，它包括玻璃(如硼玻璃或硅玻璃，B2O3，熔融氧化物等等)或其它一些在工藝條件下可在相當(dāng)程度上阻止周圍氣體流入到反應(yīng)氣體中去的材料。
外部機(jī)械密封可通過把不透容器與基體金屬池接觸的表面事先光滑或刨光的方法來實(shí)現(xiàn)，這樣可以在相當(dāng)程度上禁止周圍氣體與反應(yīng)氣體之間的流動。象B2O3這樣的釉或涂料也可加入到容器中以增強(qiáng)不透氣性而形成適當(dāng)?shù)拿芊狻?br> 外部化學(xué)密封可通過把能與如不透容器反應(yīng)的材料放于熔融基體金屬表面來實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)產(chǎn)物可以是金屬互化物，氧化物，碳化物等等。
在優(yōu)選的內(nèi)部物理密封的具體實(shí)施方案中，基體金屬可以與周圍氣體反應(yīng)形成與基體金屬成份不同的密封或密封料，例如，由基體金屬與周圍氣氛反應(yīng)的產(chǎn)物(如Al-Mg合金與空氣反應(yīng)生成的MgO或鎂鋁尖晶石MgAl2O4，或青銅合金與空氣反應(yīng)生成的氧化銅)可以把反應(yīng)氣氛與周圍氣氛分隔開。另外一個內(nèi)部密封的具體實(shí)施方案中，可把密封促進(jìn)劑加入到基體金屬中，促進(jìn)基體金屬與周圍氣氛的反應(yīng)而增強(qiáng)密封效果(例如，在鋁金屬中加入鎂、鉍、鉛等，在銅或青銅中加入硒、碲、硫等)。在形成內(nèi)部化學(xué)密封時(shí)，基體金屬可以與不透容器反應(yīng)(例如，容器或其涂料的部分分解，或反應(yīng)產(chǎn)物或金屬互化物的形成等等)，這樣可以把填料與周圍氣體分隔開來。
另外，還應(yīng)懂得密封必須能適應(yīng)反應(yīng)體系的體積變化(膨脹或收縮)或其它一樣變化而不讓周圍氣體流入到填料(如反應(yīng)氣體)中去。特別是當(dāng)熔融基體金屬向填料或預(yù)型的可滲透部分滲流時(shí)，容器中熔融金屬的深度會減小。在這種體系中的密封料必須有足夠的柔性，當(dāng)容器中熔融基體金屬的水平向下降時(shí)也能阻止氣體從周圍氣氛中流入填料中去。
在本發(fā)明中還用到了阻擋手段。特別是，本發(fā)明中所用的阻擋手段可以是任何能干擾、禁止、防止或終止熔融金屬在所限制填充材料的表面層之外運(yùn)動、移動等等的一切手段。適當(dāng)?shù)淖钃鯇涌梢允歉鞣N材料，化合物，元素，組合物等等。在本發(fā)明所采用的工藝條件下能保持一定的結(jié)構(gòu)完整性，不揮發(fā)，并且能在局部禁止或停止或干擾或阻止在限定的填料表面之外的繼續(xù)滲流或任何其它運(yùn)動。阻擋層可用在自生真空滲透的過程中，也可用在用與自生真空技術(shù)相關(guān)的制造金屬基復(fù)合物的不透氣容器中，這在下面將作更詳細(xì)的討論。
適當(dāng)?shù)淖璁?dāng)層包括在所采用的工藝條件下可被或不被移動的熔融基體金屬濕潤的材料，只要阻擋層的濕潤不在阻擋材料的表面(即濕潤表面)之外大面積地發(fā)生。這種阻擋層似乎對熔融的基體合金的親合能很小，或沒有親合力，在所限定的填料或預(yù)型的表面層外的運(yùn)動也就被阻擋層止住了。阻擋層減少了金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的最終機(jī)加工或磨削加工。
對鋁基體金屬特別有效的阻擋層材料是含碳，尤其是碳的多晶態(tài)同素異形體-石墨。在以后描述的工藝條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金所濕潤。最好的石墨是GRAFOIL 的石墨帶產(chǎn)品，它具有能阻止熔融的鋁合金在限定的填料的表面之外流動的特性。這種石墨帶還可抗熱，基本上是化學(xué)惰性的。GRAFOIL 石墨帶是柔軟的，協(xié)調(diào)的，有彈性的，可以制成各種形狀，適合作多種阻擋層材料。石墨阻擋層還可以制成漿狀、糊狀甚至印刷膜狀而用于填料或預(yù)型表面。GRAFOIL 帶是柔軟的片狀，石墨，因此它是最好的。這種紙似的石墨片的一種用法是把它們裹在填料或預(yù)型上，這樣填料或預(yù)型就只被GRAFOIL 阻擋層內(nèi)的基體金屬所滲入了。這種石墨片還可制成所希望得到的金屬基復(fù)合體的復(fù)型，再在復(fù)型內(nèi)裝入填料。
另外，其它一些磨細(xì)粒狀材料，如500號粒度的氧化鋁，也可用作阻擋層材料，在一些情況下，只要粒狀阻擋層材料的滲透速率比填料小即可。
阻擋層可用各種方法設(shè)置，如在所限定的表面層上覆蓋上一層阻擋材料。這層阻擋材料可用涂覆、浸漬、印刷、蒸發(fā)、或加上液態(tài)、漿狀、糊狀阻擋材料，或噴涂上可蒸發(fā)的阻擋材料，或簡單地沉積上一層固態(tài)粒狀阻擋材料，或施加一層固體薄片或薄膜狀阻擋材料等方法來實(shí)現(xiàn)。有了阻擋層，當(dāng)滲透的基體金屬到達(dá)與阻擋層相接觸的限定表面時(shí)，滲透就基本上被終止了。
本發(fā)明中的制造金屬基復(fù)合材料的自生真空技術(shù)，結(jié)合阻擋層的使用，與原有工藝相比有許多重要的優(yōu)點(diǎn)。尤其是，采用本發(fā)明的方法，不需要昂貴的和復(fù)雜的工藝過程即可生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明的一個方面是不透容器，它可從市場上得到，也可根據(jù)特殊要求來制造，可以容納所希望的形狀的填料或預(yù)型，反應(yīng)氣體以及用于阻止金屬基復(fù)合材料在所形成的復(fù)合體的表面之外的滲流的阻擋材料。通過反應(yīng)氣體與基體金屬(可注入到不透容器中)和/或填料在工藝條件下的接觸，可以產(chǎn)生自生真空，從而使熔融基體金屬進(jìn)入到填料中去。這種方法避免了復(fù)雜工藝的使用，例如，形狀復(fù)雜的模型的機(jī)加工，熔融金屬池的保持，從形狀復(fù)雜的模型中取出產(chǎn)品等等。另外，由于容器基本穩(wěn)定，不需要浸沒到熔融金屬池中，因此熔融基體金屬所引起的填料的位移也就大大減小了。
本發(fā)明的各種詳細(xì)說明包含在后面的例子中。但是這些例子應(yīng)看作是解釋性的，而不是象權(quán)利要求書那樣是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
例1本例闡明了在制造鋁金屬基復(fù)合材料時(shí)使用外部密封的可行性與重要性，它用了兩種類似的組合體。其中一個區(qū)別就是一種組合體使用了形成外部密封的材料，而另一種組合體則沒有使用形成外部密封的材料。
圖1A和1B是例1中所使用的兩種實(shí)驗(yàn)組合體的斷面圖，它表明除圖1A中運(yùn)用了外部密封材料(34)之外，兩圖是完全一樣的。在圖1A和1B中，兩個不透氣容器都是用16號304型AISI不銹鋼(厚1.6mm)制成的，內(nèi)徑約為2 3/8英寸(60mm)，高約2 1/2英寸(64mm)。每個容器都是用內(nèi)徑約2 3/8英寸(60mm)，長約2 1/2英寸(64mm)的16號不銹鋼管(厚1.6mm)(35)與16號不銹鋼板(厚1.6mm)(36)焊接而成的。每個不透容器中都裝有約150克的填料(31)，這些填料是由Norton公司生產(chǎn)的90號粒度的氧化鋁38Alundum所組成的。在室溫下，向每個容器中注入大約575克的由標(biāo)號為170.1的鋁合金商品組成的熔融基體金屬(33)，而把填料(31)覆蓋上。熔融基體金屬的溫度約900℃。在圖1A所示的組合體中，把熔融基體金屬用密封材料(34)蓋上。特別的是，向熔融基體金屬中加入了20克Seabrook，NH的Aesar公司的B2O3粉末。然后把容器分別放到預(yù)先加熱到約900℃的箱式空氣電阻爐中，大約15分鐘后，B2O3材料(34)就基本完全熔化而形成一玻璃層，另外B2O3中所含的水分也基本完全汽化，從而形成一不透氣的密封層。把圖1A和1B所示的組合體在約900℃的溫度的爐中再保持2小時(shí)，然后從爐中取出。把容器(32)中的底板直接放到用水冷卻的冷卻鋼板上，使基體金屬定向固化。
把組合體冷卻到室溫，然后剖開，看看基體金屬(33)是否已滲入到填料(31)中而形成了金屬基復(fù)合材料。用了密封材料(34)的圖1A所示的組合體中形成了金屬基復(fù)合材料，而沒有用密封材料(34)的組合體則沒有形成金屬基復(fù)合材料。圖3A是圖1A組合體所制得的產(chǎn)品的照片，而圖3B則是圖1B裝置所制得產(chǎn)品的照片。圖3A表明制成了鋁基復(fù)合體(40)，而只有很少的基體金屬殘?jiān)€粘在上面。另外，圖3B表明沒有能制得金屬基復(fù)合體。特別是圖3B還表明在圖1B中填料的孔洞處還存在著空洞，當(dāng)容器被剖開時(shí)，由于填料沒能被基體金屬(33)滲入，因此填料(31)會掉出容器(32)。
例2本例說明了用外部密封促進(jìn)青銅基復(fù)合材料的形成的可行性與重要性。實(shí)驗(yàn)過程與組合體基本上是例1的重復(fù)，只是基體金屬是由約93%的Cu，約6%的Si和1%的Fe(重量比)組成的青銅合金。填料(31)的成份與含量基本與例1相同，而且不銹鋼容器(32)和B2O3密封材料(34)也基本與例1一致。先把青銅基體材料加熱到約1025℃使之熔化。然后再注入到室溫下的容器(32)中，把裝好材料的不銹鋼容器與例1中相同的箱式空氣電阻爐中(爐子被預(yù)先加熱到1025℃)。在20分鐘內(nèi)把爐溫提高到1100℃，使B2O3在這段時(shí)間內(nèi)基本熔化，排去氣體，而形成氣體緊密封。然后把兩種組合體都在1100℃再保溫大約2小時(shí)，再從爐中取出，把容器(32)的底板(36)直接放到用水冷卻的冷卻銅板上使基體金屬定向固化。
把組合體冷卻到室溫然后剖開，看看青銅基體金屬(33)是否已滲入到填料(31)中而形成了金屬基復(fù)合材料。所觀察的結(jié)果與例1相似，使用了B2O3密封材料的組合體制成了青銅金屬基復(fù)合材料，而沒有B2O3密封材料(34)的容器則沒能產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料。圖4A是用圖1A所示組合體所制成的青銅金屬基復(fù)合材料，而從圖4B中則可看到在圖1B組合體中觀察到有孔洞的填料中還有空洞(43)。與例1相似，當(dāng)容器(32)被剖開時(shí)，沒被滲透的填充金屬也會掉出容器(32)外。
例3本例說明了使用能有助于鋁金屬基復(fù)合材料的形成的不透氣容器的重要性。它把1種可透氣的容器與4種不可透氣的容器進(jìn)行了比較。4種不透氣容器是16號304型AISI不銹鋼容器，可以買到的上了釉的咖啡杯，在內(nèi)側(cè)表面涂有一層B2O3的16號304型AISI不銹鋼容器和上了釉的氧化鋁容器?？赏笟獾娜萜魇嵌嗫椎恼惩林欺徨?。表1給出了有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
樣品A在內(nèi)徑約2 3/8英寸(60mm)，高約2 1/2英寸(64mm)的304型不銹鋼容器內(nèi)，裝入重約150克的Norton公司產(chǎn)的90目38 Alundum，基體金屬鋁，其成份(重量比)為7.5-9.5%的Si，3.0-4.0%的Cu，＜2.9%的Zn，2.2-2.3%的鎂，＜1.5%的Fe，＜0.5的Mn，＜0.35的Sn，其余的是鋁。把它們從900℃箱式空氣電阻爐中倒入不銹鋼容器內(nèi)，再把Aesar公司的B2O3粉末蓋到熔融的鋁表面，整個組合體與圖1A中一樣。把由容器及其內(nèi)部材料所組成的實(shí)驗(yàn)組合體放到900℃的箱式爐中，在這個溫度下，大約15分鐘后，B2O3粉末基本熔化，并排出其中的氣體，在基體金屬鋁表面形成一層不透氣的密封層，再把組合體保溫15小時(shí)，然后從爐中取出，放到用水冷卻的冷卻銅板上，使基體金屬定向固化。
樣品B把樣品A的制成過程中容器(32)(參見圖1A)換成上了釉的咖啡杯即可，其它步驟一樣。
樣品C把內(nèi)徑約1.7英寸(43mm)，高約2.5英寸(64mm)的16號(厚1.6mm)的304型AISI不銹鋼制不透氣容器內(nèi)部，涂上一層Johnson Matthey在Seabrook，NH的Aesar公司生產(chǎn)的B2O3粉末。特別是在容器內(nèi)放上1/2英寸(13mm)高的B2O3。把容器放到1000℃的箱式空氣電阻爐中，保證足夠的時(shí)間使B2O3基本熔化，并排出其中氣體。等B2O3熔化后移出爐外，旋轉(zhuǎn)以使熔融的B2O3在幾乎整個不銹鋼容器內(nèi)部流動，使表面幾乎全部被涂上一層。把容器的內(nèi)表面基本上全部涂上涂層后，在容器內(nèi)放入由Norton公司生產(chǎn)的54號粒度SiC 39 Crystolon組成的填料，使之達(dá)到約3/4英寸(19mm)高。把由工業(yè)純的鋁金屬和標(biāo)號為1100的合金組成的熔融基體金屬注入到容器中，使之沒過填料，深3/4英寸(19mm)，把用B2O3涂覆的容器及其內(nèi)部的物料一起放到1000℃的箱式空氣電阻爐中，保溫15分鐘。在熔融基體金屬的表面放上重約20克的B2O3粉末，15分鐘后，這些粉末基本熔化，并排出其中的氣體，形成密封層。把組合體在爐中再保溫1小時(shí)，然后從爐中取出，冷卻到室溫，使之固化。
樣品D制成一個高約6英寸(152mm)，外徑約2英寸(51mm)的園柱形不透容器。特別是先用粉漿澆鑄法制成一坯體，坯體組成是82%(重量比)的Al2O3(從賓夕法尼亞州匹茲堡的Alcoa得到的A1-7)，約1%的“Darvan 821A”(由R.T.Vanderbilt和康涅狄格州Norwalk公司提供)和約14.8%的蒸餾水。坯料是球磨而成的，把各組成按比例放入5加侖(18.9升)的nalgene罐中(其中裝有約1/4體積的氧化鋁磨球)，球磨2小時(shí)即可。
把澆鑄成的園柱容器在室溫下干燥一天，再以約200℃/小時(shí)的速度加熱到1400℃，保溫2小時(shí)，然后再冷卻至室溫。將經(jīng)過素?zé)膱@柱容器的外表面浸涂上一層60%(重量比)的FL-79玻璃料(由俄亥俄州Carroliton的熔融陶瓷公司提供)和乙醇的混合物。再把涂有玻璃料的園柱容器以200℃/小時(shí)的速率加熱到1000℃，使Al2O3園柱容器上形成一層釉而變得不透氣。冷卻后，在上了釉的容器內(nèi)放入90號粒度的39Crystolon SiC。把這種組合體放到爐中，以200℃/小時(shí)的速度加熱到950℃，在爐中，把成份為約10%(重量比)的Mg，10%的Si和80%Al的熔化的基體金屬倒入到容器內(nèi)，再在熔化的基體金屬表面放上粉末狀的B2O3，在950℃保溫大約1小時(shí)后，將爐子冷卻到850℃，把容器從爐中取出，降溫使之固化。在冷卻過程中，上有釉的氧化鋁容器會破裂而暴露出表面光滑的金屬基復(fù)合材料。
在室溫下，把每一個組合體都剖開看看基體金屬是否滲入到填料中形成了金屬基復(fù)合材料。在樣品A-D中，都形成了金屬基復(fù)合材料。
樣品E除了容器(32)以外，本例所采用的方法與制造樣品A的方法一樣。本例中容器是多孔粘土坩鍋(它們是由新澤西州南平原的J.H.Berge公司提供的28-1000號DFC坩鍋。這種方法沒有能形成金屬基復(fù)合材料，這說明了必須使用不透氣容器。
例4本例說明了不透氣容器對形成青銅基復(fù)合材料的重要性。其特點(diǎn)是對一個透氣的和兩個不透氣的容器進(jìn)行了比較。兩個不透容器是304型AISI不銹鋼桶和涂有膠體石墨的碳鋼容器。透氣容器是多孔粘土坩鍋，表1給出了有關(guān)實(shí)驗(yàn)過程的大致情況。
樣品F在內(nèi)徑約2 3/8英寸(60mm)，高約2 1/2英寸(64mm)的304型不銹鋼容器中裝入約150克的90目的Norton公司的38Alundum。把含有6%(重量比)Si和1%Fe和93%Cu的基體金屬在1025℃的箱式空氣電阻爐中熔化并倒入到不銹鋼容器中，在熔化的青銅表面蓋上一層Aesar公司的粉末狀B2O3。把組合體放到1025℃的箱式電爐中，再在20分鐘的時(shí)間內(nèi)把爐溫提高到1100℃，在這段時(shí)間內(nèi)B2O3粉末基本全部熔化，排出氣體，在青銅表面形成一不透氣的密封層，再保溫2個小時(shí)，把組合體從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上使基體金屬定向固化。
樣品G用14號(2mm厚)碳鋼焊接成一端開口、一端閉口的梯形容器，其尺寸是閉口端3×3英寸(76×76mm)，開口端3.75×3.75英寸(92×92mm)，高2.5英寸(64mm)。容器內(nèi)表面用1.5份體積的乙醇(新澤西州Bayonne的Pharmco Products有限公司的產(chǎn)品)和1份體積的DAG-154膠體石墨(麻省Port Horon的Atheson Colloids的產(chǎn)品)的混合物涂上，在容器的內(nèi)表面至少要用噴槍噴三遍。每噴完一次都應(yīng)先讓它干燥，然后再噴第二次。把噴好的容器放到380℃的空氣電阻爐中保溫2小時(shí)，在容器的底部放上1/2英寸(13mm)高的90號粒度的Alundum(Norton公司產(chǎn)品)氧化鋁填料，把它們整平。然后再在整平的氧化鋁填料表面蓋上一層厚約0.01英寸(0.25mm)的石墨帶產(chǎn)品(奧爾良Portland的TT America有限公司生產(chǎn)的PF-25-H級石墨帶)，出售商標(biāo)是Perma-foil)。向處于室溫下的容器內(nèi)石墨帶和氧化鋁填料上倒入成份為約6%(重量比)的硅，約0.5%的鐵，約0.5%的鋁，其余是銅的熔化的基體金屬。再在熔化的青銅基體金屬上倒入約20克的B2O3粉末。把這種由碳鋼容器及其內(nèi)部物質(zhì)組成的組合體放到溫度約1100℃的箱式空氣電阻爐中，保溫2.25小時(shí)后，(這段時(shí)間內(nèi)，B2O3基本全部熔化，排出氣體而形成密封層)，把碳鋼容器從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上，使基體金屬定向固化。盡管熔化的基體金屬溶解了一部分碳鋼，但仍可從組合體中得到金屬基復(fù)合體。
樣品H用樣品E的制造方法，把容器(32)(見圖1A)換成多孔粘土坩鍋(28-1000號DFC坩鍋，新澤西州南平原的J.H.Berge公司產(chǎn)品)，然后把組合體直接放到1100℃的爐中，而不是放到1025℃的爐子中然后再加熱。
在室溫下，把樣品F，G，H中的各個組合體都剖開，看看基體金屬是否滲入到填料或預(yù)型中而形成了金屬基復(fù)合材料?？梢钥吹剑瑯悠稦和G中的組合體形成了有利于生成金屬基復(fù)合材料的條件，而樣品H中的組合體，由于它是透氣粘土坩鍋，所以沒有形成有利于產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料的條件。
本例說明了必須使用不透氣容器與不透氣的密封層相連結(jié)，才能產(chǎn)生有利于形成自生真空的條件，從而制造出金屬基復(fù)合材料。
例5本例說明了不同的基體金屬(33)(參見圖1A)可與不透氣的容器(32)和不透氣的密封層一起形成有利于金屬基復(fù)合材料的生成的條件。表2給出了用于制造不同的金屬基復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)條件的概況，包括各種基體金屬(33)，填料(31)，容器(32)，工藝溫度與保溫時(shí)間等等。
樣品I-M在樣品I-M中，實(shí)驗(yàn)組合體基本上分別是圖1A和例1的重復(fù)。每個組合體中填料的量都約為150克，而合金的量約525克，每種實(shí)驗(yàn)組合體都成功地制出了金屬基復(fù)合體。
樣品N-O對樣品N和O，基本上是例1的方法的重復(fù)，只是爐溫為1100℃。
樣品P樣品P的組合體與以上實(shí)驗(yàn)中所用的組合體都略有不同，整個組合體都在室溫下安裝而成，然后放到溫度為室溫的電阻爐中。特別是如圖5所示，是一個內(nèi)徑約2.6英寸(66mm)，高約4英寸(102mm)的致密的燒結(jié)氧化鋁坩鍋(得克薩斯Conroe的Bolt陶瓷公司的產(chǎn)品)，它可直接用作容器。在坩鍋(32)的底部放入從Norton公司得到的90號粒度38 Alundum氧化鋁填料(31)，在填料(31)的頂住放上灰鑄鐵(ASTM A-48，30，35級)的園柱形鑄塊，使基體金屬(33)與容器(32)的內(nèi)壁之間有一間隙(38)。在空隙的頂部(鑄鐵與容器之間)放入熟石膏(39)(俄亥俄州Brunswick的國際有限公司的Bondex產(chǎn)品)，它起到把放在基體金屬上表面的B2O3粉末(34)與填料(31)分開來的作用，從而有助于在工藝條件下形成密封層。把圖5所示的組合體放到空氣電阻爐中，在7個小時(shí)的時(shí)間內(nèi)從室溫升高到1400℃。在這段時(shí)間內(nèi)，B2O3(34)基本熔化，排出氣體，并在熔化的鑄鐵上形成密封層。由于熔化并在1400℃保溫，大約4小時(shí)后，可以看到熔化的鑄鐵(33)平面會下降，這時(shí)把組合體(30)從爐中取出冷卻。
樣品Q-T樣品Q-T中又基本是圖1A所示組合體與例1的方法的大致重復(fù)?；w金屬、填料、容器、溫度和時(shí)間等參數(shù)都列于表2。
樣品U本實(shí)例所用的組合體又與前面討論的實(shí)驗(yàn)組合體有所不同。與樣品P相似，整個組合體是在室溫下安裝成的，然后放到室溫的電阻爐中。特別是如圖6所示，把一個高約1.5英寸(38mm)內(nèi)徑約1英寸(25mm)的致密的燒結(jié)Al2O3(Bolt陶瓷Conroe，得克薩斯)用作不透氣容器，把公稱為39 Crystolon的54號粒度碳化硅填料(31)與重量百分比為25%的325目銅粉(Consolidated Astronautics的產(chǎn)品)相混合，把混合體倒入容器(32)中，使其高度達(dá)到1/2英寸(13mm)。把用合金C811制成的碎銅段(33)(即把基本純的銅線剪成的很小的碎段)放到填料(31)上，深度1/2英寸。然后再在碎銅段上面放上GRAFOIL
石墨帶(50)，把碎銅段(33)基本蓋住。用50%(重量比)的B2O3粉(Aesar公司)與50%公認(rèn)為38 Alundum的22號粒度的Al2O3粉混合制成密封材料(34)，放置于石墨帶(50)的上面，把它全部蓋住。將圖6所示的組合體(37)放到空氣電阻爐中，在大約6 1/2小時(shí)的時(shí)間內(nèi)從室溫加熱到1250℃，在這段時(shí)間內(nèi)，密封材料混合物會熔化排出氣體而在熔化的基體金屬銅(33)上形成一密封層。在1250℃保溫3小時(shí)后，把組合體37從爐中取出，使之冷卻。
樣品I-U都得到了所預(yù)想的復(fù)合材料，其某些物理性能已列于表2中，另外在圖7中還示出了部分樣品的顯微照片，放大倍數(shù)為400。圖7A是樣品I的顯微照片，圖7B-7E分別是樣品K-N的顯微照片。數(shù)字51表示填料，數(shù)字53表示基體金屬。
例6本例說明自生真空技術(shù)可在很寬的溫度范圍內(nèi)制造金屬鋁基復(fù)合材料。本例中的組合體基本與圖1A相同，另外，除了使用的基體金屬的成份是7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5Mn，＜0.35Sn，其余是鋁，其它工藝方法都與例1基本相同。與在例1中一樣，填料(31)仍用Norton公司的90號粒度的38 Alundum Al2O3材料，把三種溫度不同的基體金屬鋁(33)倒入室溫下的容器(32)中。這三個溫度是800℃，900℃和1000℃。象例1一樣，用15分鐘使B2O3粉熔化，排氣，形成不透氣的密封層。把三個容器(32)分別放到空氣電阻爐中，爐子的操作溫度基本與倒入容器(32)中的基體金屬的溫度相應(yīng)，即分別為800℃，900℃和1000℃。保溫2小時(shí)，然后把組合體從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上使粘結(jié)金屬定向固化。
在室溫下把三種組合體打開，暴露出基體金屬滲流到填料中所形成的金屬基復(fù)合材料。圖8A，8B和8C分別是在800℃，900℃和1000℃所形成的金屬基復(fù)合材料的放大了400倍的顯微照片。數(shù)字51表示填料，53表示基體金屬。
例7本例說明了自生真空技術(shù)可用于在較大的溫度范圍內(nèi)合成金屬基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)組合體基本與圖1A一樣，實(shí)驗(yàn)方法也基本與例1一樣，只是把基體金屬換成銅合金(即青銅合金)，其成份是93%(重量比)的銅，6%的Si和1%的Fe，與例1中一樣，填料仍用Norton公司的90號粒度的/38AlundumAl2O3材料。在兩個不同的溫度下把熔融的青銅(33)倒入到室溫下的容器(32)中，基體金屬(33)的溫度分別為1050℃和1100℃。保溫15分鐘使B2O3粉末熔化，排氣，形成氣密層，然后把容器(32)放到空氣電阻爐中，爐溫與到入容器內(nèi)的熔化的基體金屬的溫度相一致。再過兩個小時(shí)，然后把實(shí)驗(yàn)組合體從爐中取出，放到用水冷冷卻銅板上，使基體金屬定向固化。
在室溫下，把實(shí)驗(yàn)組合體打開，露出基體金屬滲入到填料中所形成的金屬基復(fù)合材料。圖9A和9B分別是在1050℃和1100℃下制成的青銅復(fù)合材料的顯微照片，放大倍數(shù)為50，數(shù)字51表示填料，53表示基體金屬。
例8本例說明在自生真空下，多種填充金屬都可以被鋁質(zhì)基體金屬滲入。本例仍用圖1A所示的實(shí)驗(yàn)組合體，實(shí)驗(yàn)方法也與例1一樣，但把其中的鋁質(zhì)基體金屬換成成份為7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5Mn，＜0.35Sn，其余是鋁的鋁合金。本例中所用的填料(33)的成份與尺寸以及其它相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)一同列于表3。
待組合體(30)冷卻到室溫，將之剖開，看看是否已形成了金屬基復(fù)合材料。本例中V-AB的所有樣品都觀察到了鋁基復(fù)合材料。圖10A是樣品V的顯微照片，圖10B-10E分別是樣品X-AA的顯微照片，其放大倍數(shù)都是400。圖10F是樣品AB的顯微照片，放大倍數(shù)50。數(shù)字51和53分別表示填料和基體金屬。
例9本例說明多種填充金屬都在自生真空作用下被青銅基體金屬所滲透。本例中所用的組合體與圖1A相似，除了把基體金屬換成93%(重量比)Cu，6%Si和1%Fe的青銅外，其余步驟都與例1一樣。爐中熔化的基體金屬的溫度大約1100℃。本例中所用的填料(33)的成份與尺寸與其它相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)一同列于表4。
待實(shí)驗(yàn)組合體(30)冷卻到室溫后把它們剖開，看看各填料中是否滲入了基體金屬而形成了相應(yīng)的復(fù)合材料。本例中所有的樣品AC-AI都形成了復(fù)合材料。圖11A-11D分別是樣品AC-AF的400倍顯微照片，而圖11E是樣品AG的50倍的顯微照片。數(shù)字51和53分別表示填料和基體金屬。
例10本例揭示了一種用于測量本發(fā)明中自生真空度的方法與設(shè)備。這種設(shè)備還可用來在不透氣的容器中產(chǎn)生所希望的可按的氣氛。因此自生真空可以看作是氣氛的函數(shù)。
另外，本例還定量地說明了本例中要討論的在工藝條件下使用外部物理密封的重要性。
真空測量設(shè)備的制造是這樣的首先用16號304型AISI不銹鋼制成一個不透氣的容器，容器與例1中所用的容器相似，但必須能裝入一個總長為21英寸(533mm)，內(nèi)外徑分別為1/16和1/8英寸(1.6mm和3mm)的L-形不銹鋼管。圖12A示出了真空測量設(shè)備(60)，它是由一個不銹鋼容器(32)和穿過容器一壁(64)并焊接好的不銹鋼管(61)所組成的。管(61)插到容器(32)內(nèi)的部分長約3 1/2英寸(89mm)，管高約17 1/2英寸(445mm)。應(yīng)該明白，管(61)的尺寸并不重要，但是管子(61)必須有一端在容器(32)內(nèi)，另一端在爐外。真空計(jì)(63)可從市場上購來，它不一定要能承受得住金屬基復(fù)合材料的形成溫度。把管(61)延伸到爐外，把真空計(jì)(63)擰到焊接在管端的螺母(62)上。圖12A還是一個與例1中討論的相似的組合體，但在其底部用一層疏松的500號粒度的Al2O3(38Alundum)(65)把不銹鋼管(61)給蓋住了。這種粉末(65)使管(61)與容器(32)的內(nèi)腔相連通，因?yàn)樵诒痉椒ńo定的工藝條件下，基體金屬不能滲透到粉末(65)中。在粉末(65)上面放上一層90號粒度的Al2O3材料(31)(38 Alundum，Norton公司產(chǎn)品)，使其達(dá)到1 1/2英寸(38mm)高，再向處于室溫下的容器(32)倒入900℃的熔化的基體金屬鋁(33)，這種是市場上可買到的170.1合金，一種基本純的鋁。然后在熔融金屬(33)表面放上一層B2O3。將整個組合體(60)放到處于工作溫度(約900℃)的電阻爐中(注意真空計(jì)(63)應(yīng)在爐外)。
把另一個與圖12A相似的實(shí)驗(yàn)組合體放到與上面所討論相同的爐子中。這種組合體與前者的區(qū)別在于它沒有使用密封層(34)(即B2O3)，本例對這兩個組合體進(jìn)行了定量的比較。
特別是，容器(32)中所產(chǎn)生的真空度是時(shí)間的函數(shù)。圖13給出了兩種容器中的真空度(英寸汞柱)與時(shí)間的關(guān)系曲線，其中AK線是用了密封層的容器(樣品AK)，AL線對應(yīng)于沒有使用密封層的容器內(nèi)的真空度(樣品AL)。從圖13中可以很明顯地看出，在對比用的容器中沒有產(chǎn)生真空度，而在使用了密封層(34)的容器中產(chǎn)生了26英寸(660mm)汞柱高的真空度。
在900℃保溫2個小時(shí)后，把樣品AK和AL中所用的容器(32)分別從爐中取出，用水冷冷卻銅板使之定向固化，然后折開、拍照。圖14A是AK樣品的照片，它表明已經(jīng)形成了金屬基復(fù)合體(40)，唯一沒能形成金屬基復(fù)合材料的地方是放置500號粒度粉末(65)的地方，而且還可明顯地看到插到粉末(65)中的管(61)端。圖14B是樣品AL的照片，它表明滲透能產(chǎn)生。在樣品AL中只能看到空洞(43)，基體金屬(33)以及留下的管(61)(即折開時(shí)，所有的填料全部掉出了容器(32))。
例11本例說明非空氣的氣氛也可與鋁基體金屬相配合。設(shè)備(66)如圖12B所示，它與示于圖12A的設(shè)備60相似。但是管61是與氮?dú)庠?67)而不是與真空計(jì)(63)相通的。氮?dú)馔ㄟ^管(61)以180cc/分鐘的速率流到填料(31)中?；w金屬與填料都與例10一樣。把氮?dú)馔ㄈ氲饺萜鞯撞?，邊通氣邊倒入熔化的金屬鋁(33)，在通氣過程中鋁會固化。使氮?dú)膺B續(xù)通入一定的時(shí)間(例如命名氮?dú)馔ㄈ氲目倳r(shí)間為1小時(shí))。通氣約1小時(shí)后，把氮?dú)庠?67)截?cái)?，迅速接上真空?jì)(63)，然后立即在固化的基體金屬(33)的表面倒入熔化的B2O3。把整個組合體(66)調(diào)整到與圖12A所示的組合體(60)基本一樣后放到預(yù)先加熱到900℃電阻爐中，保溫約2小時(shí)、測量這段時(shí)間內(nèi)真空度的變化。
在2小時(shí)內(nèi)其最大真空度可達(dá)到1.2英寸(305mm)汞柱高。
2小時(shí)后把組合體從爐中取出放到水冷冷卻銅板上，使殘余的基體金屬定向固化。待冷到室溫后，把組合體打開，發(fā)現(xiàn)基體金屬已滲透到填料中形成了金屬基復(fù)合材料。
例12將基體金屬由170.1金屬改為組成為7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn的鋁合金，重復(fù)例11的步驟，可成功地制制金屬基復(fù)合體。
例13以氧氣取代氮?dú)猓貜?fù)例11的步驟。在900℃2小時(shí)內(nèi)可達(dá)到的最大真空度約為10英寸(254mm)汞柱高。在恒溫2小時(shí)后，把組合體從爐中取出放到水冷冷卻銅板上使粘結(jié)金屬定向固化。
待冷卻室溫后，打開組合體，發(fā)現(xiàn)基體金屬已滲透到填料中形成了金屬基復(fù)合材料。
例14采用青銅作為基體金屬，相應(yīng)的工藝爐溫也改為1100℃，重復(fù)使用例11的步驟。此基體金屬具有固定的組成6%(重量比)的Si，1%Fe，其中是銅。
圖15中的曲線AM(對應(yīng)于用此方法制成的樣品AM)表明最大真空度可達(dá)29英寸(737mm)汞柱。在1100℃保溫約2小時(shí)后，把組合體從爐中取出放到水冷冷卻銅板上使基體金屬定向固化。
待降至室溫之后，把組合體打開，發(fā)現(xiàn)基體金屬已滲透到填料中形成了金屬基復(fù)合體。
例15本例說明了可用不同的材料作為外部密封材料。實(shí)驗(yàn)組合體與步驟分別與圖1A和例1相同。其差別在于本例中所使用的基體金屬是成份為93%(重量比)Cu，6%Si，1%Fe的青銅合金，爐子的工作溫度是1100℃，所用的密封材料也不相同。三種不同的密封材料是新罕布什爾州Seabrook的Aesar公司生產(chǎn)的B2O3(與例1中的密封材料(34)相同)，賓夕法尼亞州Greensburg的Vitrifunctions生產(chǎn)的V213玻璃和V514玻璃，在1100℃恒溫2小時(shí)后，把樣品從爐中取出，放到水冷冷卻銅板上使基體金屬定向固化，每個例子都成功地合成了金屬基復(fù)合體。
還做了另一個密封材料的例子。在例1中的不透容器(32)中填入1英寸(25mm)高的填料混合物(在54號粒度的37 Crystolon SiC中加入20%(重量比)的90號粒度的Al2O3(38Alundum)而形成)，再向容器(32)中倒入1英寸高的成份為93%Cu，6%Si，1%Fe(重量比)的基體金屬(33)，把普通碎玻璃瓶的碎片撒到熔化的基體金屬(33)表面，然后將由不銹鋼容器等組成的組合體1100℃的箱式空氣電阻爐中，保溫3-4小時(shí)，取出冷卻。在室溫下折開，發(fā)現(xiàn)已合成了金屬基復(fù)合體。
例16用圖10所示的組合體和例2中的實(shí)驗(yàn)步驟再制造2個樣品。特別是不用B2O3。兩者的唯一區(qū)別是一個樣品在爐中保溫2小時(shí)(與例2一樣)，而另一個樣品則保溫3個小時(shí)。在2(或3)小時(shí)后把組合體從爐中取出放至水冷冷卻銅板上使基體金屬定向冷卻。待冷到室溫后，把它打開看看是否形成了金屬基復(fù)合材料，可以發(fā)現(xiàn)保溫3小時(shí)的容器中形成了金屬基復(fù)合材料，而保溫2小時(shí)的容器中卻沒有形成，還可以看到在保溫3小時(shí)的容器中還形成了一種渣狀材料，這種由Cu2O形成的渣料在基體材料(33)與容器(32)的界面四周，可能是基體材料中的某一組元與周圍的氣體反應(yīng)形成了一不透氣的密封層。
例17本例說明了密封促進(jìn)劑對促進(jìn)內(nèi)部物理和/或化學(xué)密封的形成的作用。特別是，制成兩個與圖1B類似的兩個完全相同的組合體，一個容器里的合金含有密封促進(jìn)劑而另一個沒有。兩種合金(33)都不用B2O3或其它外部密封材料覆蓋。填料的組成和用量以及不銹鋼容器都與例1中的完全相同。在一個容器(32)中裝入約575克的標(biāo)號為170.1的商業(yè)鋁合金作為熔融的基體金屬(33)，另一容器(32)裝575克的熔化的另一種鋁合金(33)，成份為7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn，其余是Al。把兩個箱式空氣爐中(爐子預(yù)先加熱到900℃)，保溫15分鐘使組合體的溫度升上來達(dá)到爐溫。再保溫2小時(shí)，然后從爐中取出放到水冷冷卻銅板上使基體金屬定向固化。
等降到室溫后，把兩個組合體打開看看基體金屬(33)是否已滲到填料(31)中還形成了金屬基復(fù)合體。可以看到，裝有170.1合金的容器中沒能形成金屬基復(fù)合材料，而裝有另一種鋁合金(成份為7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn，其余是鋁)的容器中則形成了金屬基復(fù)合材料，還可以看到，第2種合金在基體金屬(33)與不銹鋼容器(32)接觸的地方形成了一層表皮。經(jīng)過X-光衍射分析發(fā)現(xiàn)這層表皮主要是鎂鋁尖晶石。所以，本例說明了單用密封促進(jìn)劑(即沒有使用任何外部密封)可以產(chǎn)生有利于基體金屬向填料中滲透生成金屬基復(fù)合材料的條件。
例18本例說明了用自生真空技術(shù)制造金屬基復(fù)合材料的過程中濕潤增強(qiáng)劑的作用。表5給出了基體金屬填料，工藝時(shí)間以及潤濕劑等本實(shí)驗(yàn)中所采用的各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)值。
樣品AN用16號304型AISI不銹鋼(1.6mm厚)制成一個與圖1A類似的內(nèi)徑約1.6英寸(41mm)、高約2.5英寸(64mm)的不透氣容器(32)。在容器(32)中裝入220號粒度的SiC填料(31)(Norton公司的39 Crystolon)，再向溫度為室溫的容器(32)中倒入約1英寸(25mm)高的成份為93%Cu(重量比)，6%Si，0.5%Fe，0.5%Al的熔化的基體金屬(33)，在基體金屬(33)的表面加上大約20克的B2O3粉(位于新罕布什爾州Seabrook，Johnson Matthey的Aeasar公司的產(chǎn)品)而產(chǎn)生一不透氣的密封層。把不銹鋼容器(32)及其裝在內(nèi)部的物質(zhì)所組成的組合體放到1100℃的箱式空氣電阻爐中，2.25小時(shí)后從爐中取出來放到一砂床上使基體金屬固化。冷至室溫后，把組合體拆開，可以看到基體金屬沒能滲透到填料中去，因此沒有形成金屬基復(fù)合體。
樣品AO-AT這些例子中所采用的實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)例AN一樣，只是用標(biāo)準(zhǔn)混合法在填料中加入了不同量的硒，填料，濕潤劑的精確合量、工藝溫度、工作時(shí)間等都列在表5中。從AO到AT的每個例子中都成功地合成了金屬基復(fù)合體。
樣品AU本實(shí)例所用的實(shí)驗(yàn)組合體與本例中的其它實(shí)例的組合體略有不同。它把Bolt技術(shù)陶瓷有限公司(位于得克薩斯的Conroe)生產(chǎn)的內(nèi)徑1英寸(25mm)高約1.4英寸(36mm)氧化鋁坩鍋(如圖16所示)(70)截出1/2英寸(13mm)高的一段，放在填料(31)中。坩鍋的底部放上Atlantic Equipment Engineers(位于新澤西的Bergenfield)產(chǎn)的-325目的Sn粉(71)。在氧化鋁坩鍋(70)中未填充的部分用38Alundum的Al2O3(Norton公司產(chǎn))填料填入。坩鍋(70)中的Sn(71)大約占其中所有材料中的10%。再在坩鍋周圍和上面放上性能相同的填料。在容器(32)內(nèi)倒上1英寸(25mm)高的熔化的基體金屬(33)(組成為5%Si，2%Fe，3%Zn，90%Cu)。再在熔化的基體金屬(33)上蓋上一層20克的B2O3粉末(34)。將這個組合體放到箱式空氣電阻爐中，爐溫為1100℃。在1100℃保溫5小時(shí)后，把組合體從爐中取出，使之冷卻。
冷到室溫后，把組合體切開，可以看到粘結(jié)金屬已經(jīng)滲透到氧化鋁坩鍋(70)中的220號粒度的38Alundum中。但是在氧化鋁坩鍋與不銹鋼容器之間的220號粒度的38Alundum(它沒與Sn接觸)卻沒有能被基體金屬滲透。因此，Sn粉末與Se粉相似，起到了增強(qiáng)青銅質(zhì)基體金屬的濕潤的作用。
例19本便說明了可把不同尺寸和組成的填料混入到用自生真空技術(shù)制成的鋁質(zhì)金屬基復(fù)合體中。
本例中的實(shí)驗(yàn)方法與例1中的基本一樣，實(shí)驗(yàn)組合體也與圖1A所示的相似。表6給出本例中不同實(shí)例的基體金屬、填料、工藝溫度與時(shí)間等參數(shù)。所有AV-AZ的實(shí)例中都成功地合成了金屬基復(fù)合體。
例20本例說明可把不同組成和尺寸的填料溶入到用自生真空技術(shù)制造的青銅質(zhì)金屬基復(fù)合材料中。
樣品BA-BE實(shí)驗(yàn)方法與例1中的基本一樣，實(shí)驗(yàn)組合體也類似于圖1A所示的組合體。
表7是本例中所制得的各樣品的基體金屬、填料、工藝溫度和時(shí)間等的參數(shù)表。
樣品BF本樣品是用例18中制造樣品AP的方法制造的。
權(quán)利要求
1.金屬基復(fù)合體制造方法，其步驟包括制成反應(yīng)體系，其中包括基體金屬，反應(yīng)性氣氛，不滲透容器和滲透物質(zhì)，其中包括至少一種選自疏松填料和預(yù)型的物料；至少部分密封該反應(yīng)體系，使其與外界的周圍氣氛隔離開，從而在所說反應(yīng)性氣氛和所說周圍氣氛之間形成凈壓差，由外加密封層，內(nèi)部物理密封層和內(nèi)部化學(xué)密封層中的至少一種達(dá)到所說的密封；以及加熱密封后的反應(yīng)體系以使基體金屬熔融并使其至少部分滲流過所說滲透物質(zhì)，從而形成金屬基復(fù)合體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封包括基本上完全將所說反應(yīng)性氣氛與所說周圍氣氛隔離開。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所說凈壓差在熔融基體金屬至少部分滲流入所說可滲透物質(zhì)期間存在。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括至少一種選自鋁，鎂，青銅，銅和鑄鐵的材料。
5.權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)一步向所說反應(yīng)體系提供至少一種濕潤增強(qiáng)劑。
6.權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)一步向所說反應(yīng)體系提供至少一種密封促進(jìn)體。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封是由外加密封層提供的，其中包括至少一種玻璃料。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封是由內(nèi)部化學(xué)密封層提供的，其中包括所說基體金屬和所說周圍氣氛的反應(yīng)產(chǎn)物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封是由內(nèi)部物理密封層提供的，其中包括基體金屬濕潤不滲透容器。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封是由內(nèi)部化學(xué)密封層提供的，其中包括所說基體金屬和所說不滲透容器的反應(yīng)產(chǎn)物。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所說反應(yīng)性氣氛至少部分與所說基體金屬，所說填料和所說不滲透容器中的至少一種反應(yīng)，從而形成所說凈壓差。
12.權(quán)利要求5的方法，其中所說至少一種濕潤增強(qiáng)劑與所說基體金屬形成合成。
13.權(quán)利要求5的方法，其中所說基體金屬包括鋁，而所說濕潤增強(qiáng)劑包括至少一種選自鎂，鉍，鋁和錫的物料。
14.權(quán)利要求5的方法，其中所說基體金屬包括青銅和銅中的至少一種，而濕潤增強(qiáng)劑包括至少一種選自硒，碲和硫的物料。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所說疏松填料包括至少一種選自粉，薄片，片晶，微球，晶須，氣泡，纖維，顆粒，纖維氈，碎段纖維，球粒，丸，管和耐火布的物料。
16.權(quán)利要求1的方法，其中所疏松填料包括至少一種選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所說不滲透容器包括至少一種選自陶瓷，金屬，玻璃和聚合物的物料。
18.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括選自鋁，銅和青銅的物料，而不滲透容器包括不銹鋼。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所說不滲透容器包括氧化鋁或碳化硅。
20.權(quán)利要求1的方法，其中所說反應(yīng)性氣氛包括至少一種選自含氧氣氛和含氮?dú)夥盏奈锪稀?br> 21.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括鋁，而所說反應(yīng)性氣氛包括空氣，氧氣或氮?dú)狻?br> 22.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括青銅基體金屬，銅基體金屬和鑄鐵基體金屬中的至少一種，而反應(yīng)性氣氛包括空氣，氧氣或氮?dú)狻?br> 23.權(quán)利要求1的方法，其中所說反應(yīng)體系的溫度高于所說基體金屬的熔點(diǎn)，但低于所說基體金屬的揮發(fā)點(diǎn)和所說，滲透物質(zhì)的熔點(diǎn)。
24.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括鋁和所說填料包括至少一種選自氧化物，碳化物硼化物和氮化物的物料。
25.權(quán)利要求1的方法，其中所說反應(yīng)體系的溫度為約700℃至約1000℃。
26.權(quán)利要求1的方法，其中所說基體金屬包括青銅或銅，而所說填料包括至少一種選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所說反應(yīng)體系的溫度為約1050℃至約1125℃。
28.權(quán)利要求1的方法，其中所說反應(yīng)體系基體金屬包括鑄鐵;而所說填料包括至少一種選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。
29.權(quán)利要求28的方法，其中所說反應(yīng)體系的溫度為約1250℃至約1400℃。
30.權(quán)利要求1的方法，其中所說預(yù)型包括至少一種選自粉，薄片，片晶，微球，晶須，氣泡，纖維，顆粒，纖維氈，碎段纖維，球粒，丸，管和耐火布的物料的成形填料。
31.權(quán)利要求4的方法，其中所說填料包括至少一種選自氧化鋁，碳化硅，鋯，氮化鈦，碳化硼和其混合物的物料。
32.權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)一步包括定向固化成型金屬基復(fù)合體。
33.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少部分密封是由外加密封層，其中包括至少一種選自硼玻璃，硅玻璃和B2O3的物料，在所說滲透的至少某些階段至少是部分熔融的。
34.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)形成的基體金屬復(fù)合體。
全文摘要
本發(fā)明是一種制造金屬基復(fù)合材料的新穎工藝。特別是，在一不透氣的容器中，把適當(dāng)?shù)幕w金屬(通常處于熔化態(tài))在適當(dāng)?shù)臍夥障屡c適當(dāng)?shù)奶盍舷嘟佑|，至少在工藝過程的某些階段，在反應(yīng)氣體與熔化的粘結(jié)金屬和/或填料或預(yù)型和/或不透氣的容器之間會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生自生真空，從而使熔化的基體金屬滲入到填料或預(yù)型中去，這種自生真空滲透不需要施加任何外部壓力或真空。
文檔編號C04B41/88GK1048893SQ9010463
公開日1991年1月30日 申請日期1990年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月18日
發(fā)明者羅伯特·坎貝爾·坎特, 斯坦尼斯拉威·安托林, 拉特尼師·庫瑪·德維瓦迪 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司