專利名稱：制備大復(fù)合體的方法和由該方法生產(chǎn)的大復(fù)合體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種制備大復(fù)合體的方法，該方法包括用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透填料或預(yù)型體的可滲透體，并將自發(fā)滲透過的材料粘結(jié)到至少一種第二種材料(如陶瓷和/或金屬)上。具體地講，將滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛至少在工藝的某一階段與填料或預(yù)型體相聯(lián)系，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體。而且在滲透之前，將填料或預(yù)型體與至少一部分第二種材料接觸，以便在填料或預(yù)型體自發(fā)滲透后，經(jīng)滲透的材料粘結(jié)到第二種材料上形成大復(fù)合體。
含有金屬基質(zhì)和加強(qiáng)或增強(qiáng)相(如陶瓷顆粒、晶須、纖維等)的復(fù)合產(chǎn)品對于許多應(yīng)用顯示出廣闊的前途，因?yàn)樗鼈兙哂性鰪?qiáng)相的部分剛性和耐磨性以及金屬基質(zhì)的可延伸性和韌性。一般來說，金屬基質(zhì)復(fù)合體與整塊基體金屬相比，將表現(xiàn)出在強(qiáng)度、剛性、接觸耐磨性和高溫強(qiáng)度保持性等性能方面的改進(jìn)，但是對任何給出的性能可能被改進(jìn)的程度主要取決于特定的組分，它們的體積或重量比，以及在形成該復(fù)合體中如何處理這些組分。在某些情況下，這種復(fù)合體在重量上還可能比基質(zhì)金屬本身更輕。例如，用陶瓷(如顆粒、片晶或晶須狀的碳化硅)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體是令人感興趣的，因?yàn)橄鄬τ阡X而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強(qiáng)度。
許多冶金方法被介紹用于生產(chǎn)鋁基復(fù)合體，這些方法包括以使用加壓澆鑄、真空澆鑄、攪拌和潤濕劑的粉末冶金技術(shù)和液體-金屬滲透技術(shù)為基礎(chǔ)的方法。采用粉末冶金技術(shù)時(shí)，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強(qiáng)材料混合，然后進(jìn)行冷壓和燒結(jié)或進(jìn)行熱壓。已報(bào)道出用這種方法生產(chǎn)的碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體中最大的陶瓷體積比在晶須情況下約為25%(體積)，在顆粒的情況下約為40%(體積)。
利用常規(guī)工藝方法通過粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體對可得到的產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的限制。該復(fù)合體中陶瓷相的體積比在顆粒情況下典型地限制為約40%。另外，加壓操作還會對可得到的實(shí)際尺寸產(chǎn)生限制。在沒有后續(xù)加工(如成形或機(jī)械加工)或不借助于復(fù)雜壓制的條件下，只有可能產(chǎn)生相對簡單的產(chǎn)品形狀。再有，由于壓實(shí)體中的分凝和晶粒生長會造成顯微結(jié)構(gòu)的非均勻性外，在燒結(jié)期間會發(fā)生不均勻收縮。
在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美國專利第3，970，136號中，敘述了一種形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，所說的復(fù)合體中結(jié)合有具有預(yù)定纖維取向模式的纖維增強(qiáng)材料，如碳化硅或氧化鋁晶須。這種復(fù)合體的制備是通過在一個(gè)具有熔融基質(zhì)金屬(如鋁)的儲池的模中在至少部分板之間放置共平面纖維的平行板或氈，然后對熔融金屬施加壓力使其滲入所說的板并環(huán)繞在定向纖維周圍。也可能把熔融金屬倒在所說板的堆積體上，然后施加壓力使其流入板之間。已報(bào)道出在這種復(fù)合體中增強(qiáng)纖維的填充量高達(dá)約50%(體積)。
鑒于上述滲透方法取決于施加在熔融基質(zhì)金屬上使其通過纖維板堆積體的外部壓力，因此該方法受到壓力誘導(dǎo)的流動過程的多變性的影響，即可能形成非均勻性基體，孔隙等。即使熔融金屬可能在纖維堆積體中的許多位置引入，也可能造成性能的不均勻性。因此，需要提供復(fù)雜的板/儲池排列和流動通道，以實(shí)現(xiàn)在纖維板堆積體上的充分均勻滲透。另外，上述壓力滲透法只使得到的基質(zhì)體積獲得較低量的增強(qiáng)材料，這是由于滲入一個(gè)大板體積中所故有的困難性所致。再有，要求模具在壓力下盛裝熔融金屬，這就增加了工藝過程的費(fèi)用。最后，僅限于滲透排列好的顆粒或纖維的上述方法不能用來形成用無規(guī)則取向的顆粒、晶須或纖維形式材料增強(qiáng)的鋁金屬基復(fù)合體。
在鋁基氧化鋁填充的復(fù)合體的制造中，鋁不能容易地潤濕氧化鋁，因此難于形成粘結(jié)產(chǎn)品。針對這一問題，曾建議過使用各種溶液。一種方法是用一種金屬(如鎳或鎢)涂敷所說氧化鋁，然后使其與鋁一同進(jìn)行熱壓。在另一種方法中，使所說的鋁與鋰合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所說的氧化鋁。但是，這些復(fù)合體在性能方面表現(xiàn)出各種變化，或者，所說的涂層會降低填料的質(zhì)量，或者所說的基體含有能影響基體性能的鋰。
授予R.W.Grimshaw等人的美國專利4，232，091克服了在生產(chǎn)鋁基氧化鋁復(fù)合體中遇到的某些困難。這一專利敘述了對熔融鋁(或熔融鋁合金)施加75～375kg/平方厘米的壓力使其滲入已預(yù)熱到700～1050℃的氧化鋁纖維或晶須的板中。在得到的固體鑄體中氧化鋁對金屬的最大體積比為0.25/1。由于取決于完成滲透的外界壓力，所以這種方法受到許多與Cannell等人專利的同樣缺點(diǎn)的影響。
歐洲專利公報(bào)115，742敘述了通過用熔融鋁充填預(yù)成型的氧化鋁基質(zhì)的孔隙來制造鋁-氧化鋁復(fù)合體的方法，這種鋁-氧化鋁復(fù)合體特別適用于電解池組分。該申請強(qiáng)調(diào)了鋁對氧化鋁的非潤濕性，因此采用各種方法來潤濕整個(gè)預(yù)型體中的氧化鋁。例如，用一種潤濕劑，即鈦、鋯、鉿或鈮的二硼化物或者用一種金屬，即鋰、鎂、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鋯或鉿來涂敷氧化鋁。采用惰性氣氛(如氬氣)以促進(jìn)潤濕。這一參考文獻(xiàn)還表示出施加壓力導(dǎo)致熔融鋁滲入未涂敷的基質(zhì)中。在這一方面，滲透是在惰性氣氛(如氬氣)中通過抽空氣孔，然后向所說的熔融金屬施加壓力來實(shí)現(xiàn)。另一方面，這種預(yù)型體也以在用熔融鋁滲透來填充空隙之前，通過氣相鋁沉積來潤濕其表面的方法來滲透。為了保證鋁保留在預(yù)型體的氣孔中，需要在真空或氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，例如在1400～1800℃下進(jìn)行處理。否則，壓力滲透材料暴露于氣體或者滲透壓力的除去都將造成鋁從復(fù)合體中的損失。
在歐洲專利申請公報(bào)94353中還表示了使用潤濕劑來實(shí)現(xiàn)用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報(bào)敘述了用一個(gè)以陰極電流供給器作為電池襯里或基質(zhì)的電池，通過電積法生產(chǎn)鋁的方法，為了保護(hù)這種基質(zhì)免受熔融冰晶石的作用，在電池啟動前或者將其浸在用該電解法生產(chǎn)的熔融鋁中對氧化鋁基質(zhì)施加一種潤濕劑和溶解性抑制劑的混合物的薄涂層，所公開的潤濕劑有鈦、鉿、硅、鎂、釩、鉻、鈮或鈣，而鈦為優(yōu)選的潤濕劑。據(jù)描述，硼、碳和氮的化合物對于抑制這種潤濕劑在熔融鋁中的溶解性是有用的。但是，該參考文獻(xiàn)既沒有建議生產(chǎn)金屬復(fù)合物，也沒有建議，例如在氮?dú)鈿夥罩校纬蛇@種復(fù)合體。
除采用壓力和潤濕劑外，還公開了采用的真空條件將有助于熔融鋁滲入多孔陶瓷壓塊。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美國專利3，718，441敘述了在小于10-6乇的真空條件下，使熔融的鋁、鈹、鎂、鈦、釩、鎳或鉻滲透陶瓷壓塊(例如碳化硼，氧化鋁滲透和氧化鈹)。10-2～10-6乇的真空壓強(qiáng)使這種熔融金屬對所述涂層的潤濕性很差，以致于該金屬不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，當(dāng)真空壓強(qiáng)降低到低于10-6乇時(shí)，潤濕情況有所改善。
1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美國專利3，864，154還公開了采用真空以達(dá)到滲透的方法。該專利敘述了將一個(gè)Al B12粉末的冷壓塊放在一個(gè)冷壓鋁粉床上。然后再將一部分鋁置于Al B12粉末壓塊的頂上。將裝有夾在鋁粉層之間的Al B12壓塊的坩堝放在一個(gè)真空爐中。然后將該爐抽空到約10-5乇進(jìn)行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時(shí)。在這些條件下，這種熔融鋁金屬滲透了多孔Al B12壓塊。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美國專利3，364，976公開了在一個(gè)物體內(nèi)產(chǎn)生自生真空以促進(jìn)熔融金屬向該物體中的滲透的觀點(diǎn)。具體地說，將一物體，例如一個(gè)石墨模、一個(gè)鋼?；蛞粋€(gè)多孔耐久材料，全部浸在熔融金屬中。在模的情況下，充有可以與該金屬反應(yīng)的氣體的模的空腔與外部的熔融金屬通過模中至少一個(gè)小孔相接觸，當(dāng)這種模浸在熔體中時(shí)，空腔的充填在空腔中的氣體與該熔融金屬反應(yīng)產(chǎn)生自生真空時(shí)發(fā)生。具體地說，這種真空是該金屬的固體氧化物形成的結(jié)果。因此，Reding等人公開了重要的是誘導(dǎo)空腔中的氣體與該熔融體之間的反應(yīng)。但是，由于與模有關(guān)的固有限制，利用模具來產(chǎn)生真空可能是不理想的。首先必須將模具機(jī)加工成一個(gè)特殊的形狀;然后精加工，在該模上產(chǎn)生一個(gè)可行的鑄造表面;然后在使用之前安裝好;在使用后將其折卸以從中取出鑄件;之后回收模具，回收時(shí)很可能包括對模具表面進(jìn)行再次精加工，如果該模不能再繼續(xù)使用的話，就將其放棄。將一個(gè)模具機(jī)加工成復(fù)雜的形狀是很貴的并且很費(fèi)時(shí)間。另外，從一個(gè)復(fù)雜形狀的模具上取出形成的鑄件也是困難的(即，具有復(fù)雜形狀的鑄件在從模具中取出時(shí)會發(fā)生破裂)。另外;雖然有人建議多孔耐火材料可以直接浸在熔融金屬中，不需要模具，但是這種耐火材料將必須是整塊的，因?yàn)樵诓皇褂萌萜髂＞邥r(shí)，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的條件(即，一般認(rèn)為，這種顆粒材料放在熔融金屬中時(shí)，其典型特征是四處分散或浮動)。另外，如果希望滲透顆粒材料或疏松地形成的預(yù)型體時(shí)，應(yīng)該引起注意的是這種滲透金屬至少不能置換顆?；蝾A(yù)型體的一部分，而導(dǎo)致不均勻的顯微結(jié)構(gòu)。
因此，長期以來一直希望有一種簡單而又可靠的生產(chǎn)成型金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法不依靠使用壓力和真空(無論是外部施加的還是內(nèi)部產(chǎn)生的)條件，或者損失潤濕劑來生產(chǎn)嵌在另一種材料如陶瓷材料中的一種金屬基質(zhì)。另外;長期以來一直希望使生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體所需的最終機(jī)械加工量達(dá)最小。本發(fā)明通過提供一種用熔融基質(zhì)金屬(如鋁)滲透一種材料(如陶瓷材料)的自發(fā)滲透機(jī)理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個(gè)預(yù)型體和/或帶有一種阻擋元件。這種自發(fā)滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮?dú)?存在下進(jìn)行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強(qiáng)劑。
本申請的主題涉及一些其它共同未決或共同所有的專利申請的主題。特別是這些其它共同未決專利申請描述了制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法(以下有時(shí)稱“共同所有的金屬基質(zhì)專利申請”)。
在1987年5月13日，以White等人的名義提交的，現(xiàn)已在美國審定的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體”的共同所有美國專利申請系列號049，171的申請中，公開了一種生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合材料的新方法。根據(jù)White等人的發(fā)明的方法，通過用熔融鋁滲透一種可滲透填料(如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)體來生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優(yōu)選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發(fā)地發(fā)生滲透。于至少約675℃的溫度下，在一種含有約10～100%，最好至少約50%(體積)氮?dú)獾臍怏w存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮?dú)馔?，如果有的話為非氧化性氣體，如氬氣。在這些條件下，這種熔融鋁合金在常壓下滲透所說的陶瓷體形成鋁(或鋁合金)基質(zhì)復(fù)合體。當(dāng)所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時(shí)，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進(jìn)行到填料體的邊緣。根據(jù)White等人的發(fā)明生產(chǎn)的鋁基復(fù)合體中填料的量可以非常高。在這方面，填料對合金的體積比可達(dá)到1∶1以上。
在上述White等人發(fā)明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個(gè)鋁基體中的不連續(xù)相。鋁基體中氮化物的量可隨溫度、合金組成、氣體組成和填料等因素而變化。因此，通過控制反應(yīng)體系因素的一個(gè)或多個(gè)，可能調(diào)節(jié)這種復(fù)合體的某些性能。但是，對于某些實(shí)際應(yīng)用來說，可能希望這種復(fù)合體含有少量的或基本不含氮化鋁。
已觀察到較高的溫度有利于滲透，但使得該方法更有助于氮化物的形成。White等人的發(fā)明提供了平衡滲透動力學(xué)和氮化物形成的選擇。
在以Michel K.Aghajanian等人的名義于1988年1月7日提交的，題目為“用阻擋元件制造金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法”的共同所有且未決的美國專利申請系列號為141，624的申請中，敘述了一個(gè)適用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的阻擋元件的例子。根據(jù)Aghajanian等人的發(fā)明方法，將阻擋元件(例如，顆粒狀二硼化鈦或石墨材料如Union Carbide
公司以Grafoil為商品名出售的軟石墨帶產(chǎn)品)放置于填料的限定界表面，并且基質(zhì)合金滲透到該阻擋元件限定的邊界處。這種阻擋元件被用來抑制、防止或中止該熔融合金的滲透，由此為得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體提供了完整或基本完整的形狀。因此，所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體具有一個(gè)基本符合于該阻擋元件內(nèi)部形狀的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體及其生產(chǎn)方法”的共同所有，共同未決美國專利申請系列號168，284對系列號為049，171的美國專利申請的方法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)在該美國專利申請中公開的方法，基質(zhì)金屬以一個(gè)第一金屬源和一個(gè)例如由于重力流動與該第一金屬源相聯(lián)的基質(zhì)金屬合金儲備源形式存在。具體地說，在該專利申請中所述的條件下，在常壓下這種第一熔融金屬合金源首先滲入填料體中，由此開始形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。這種第一熔融基質(zhì)金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當(dāng)自發(fā)滲透繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，可以從所說的熔融基質(zhì)金屬儲備源進(jìn)行補(bǔ)充，這種補(bǔ)充最好通過一個(gè)連續(xù)方式進(jìn)行。當(dāng)所需量的可滲透填料已被這種熔融基質(zhì)合金自發(fā)滲透時(shí)，使溫度降低以使該熔融合金固化，因此形成一種嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。應(yīng)該明白的是這種金屬儲備源的使用僅僅是本專利申請中所述的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，并不是在所述的發(fā)明的每個(gè)其它實(shí)施方案中都必須采用該金屬儲備源，但是將本發(fā)明儲備源用于部分實(shí)施方案中還是有利的。
這種金屬儲備源應(yīng)提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預(yù)定的程度。另一方面，可以選擇阻擋元件與該可滲透填料體的至少一個(gè)側(cè)面接觸，以限定出一個(gè)表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質(zhì)合金應(yīng)至少足以使自發(fā)滲透基本進(jìn)行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲備源中存在的合金量應(yīng)超過這個(gè)這個(gè)足夠量，以使得不僅有足夠量的合金用于完全滲透，而且有過量的熔融金屬合金保留并與該金屬基質(zhì)復(fù)合體相連。因此，當(dāng)過量的熔融合金存在時(shí)，所得到的物體將是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體(例如，一個(gè)大復(fù)合體)，其中具有金屬基質(zhì)的滲透陶瓷體將會直接粘結(jié)到該儲備中剩余的過量金屬上。
每個(gè)上述討論的共同所用的金屬基質(zhì)專利申請都敘述了生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法和由此生產(chǎn)的新型金屬基質(zhì)復(fù)合體。將所有上述共同所有的金屬基質(zhì)專利申請的公開內(nèi)容結(jié)合在此以供參考。
組合復(fù)合體的制備是通過先形成一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，然后經(jīng)接觸粘結(jié)到第二種材料上。用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的可滲透體來制備金屬基質(zhì)復(fù)合體。具體地講，滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛至少在工藝中的某一階段與填料或預(yù)型體接觸，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，可以向預(yù)型體(或填料)和/或基質(zhì)金屬，和/或滲透氣氛中的至少一種中直接提供滲透增強(qiáng)劑?？傊?，至少在自發(fā)滲透期間滲透增強(qiáng)劑應(yīng)位于至少一部分填料或預(yù)型體中。
在形成大復(fù)合體的第一個(gè)優(yōu)選方案中，提供超過自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，并使可滲透材料獲得完全滲透量的基質(zhì)金屬。因此，(例如未用于滲入填料或預(yù)型體的)過量或殘余基質(zhì)金屬與經(jīng)滲透體保持接觸狀態(tài)，最后緊密地粘結(jié)在該滲透體上。通過控制殘余基質(zhì)金屬的量，大小，形狀和/或組成實(shí)際上可以制備出無數(shù)的結(jié)合物。此外，可以控制金屬基質(zhì)復(fù)合體與殘余基質(zhì)金屬的相對大小，使殘余基質(zhì)金屬表面上形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的表層(如僅發(fā)生少量的自發(fā)滲透)直至金屬基質(zhì)復(fù)合體上形成殘余基質(zhì)金屬的表層(如僅提供少量過量基質(zhì)金屬)。
在第二個(gè)優(yōu)選方案中，將填料或預(yù)型體與至少部分另一種或第二種物體(如陶瓷體或金屬體)接觸，并使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，使其至少滲透至第一種物體的表面，導(dǎo)致金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物體緊密結(jié)合。金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物的結(jié)合(粘結(jié))可以是基質(zhì)金屬和/或填料或預(yù)型體與第二種物體發(fā)生了反應(yīng)所致。此外，如果第二種物體至少部分或基本全部圍繞在形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體周圍或被后者所環(huán)繞，可以發(fā)生收縮配合或壓縮配合。這種收縮配合可以是結(jié)合金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物體的唯一方式，也可以與另一種結(jié)合方式一起使復(fù)合體與第二種物體結(jié)合。通過適當(dāng)?shù)剡x擇基質(zhì)金屬，填料或預(yù)型體和/或第二種物體之間的組合，可得到所需的匹配熱膨脹系數(shù)，由此控制收縮配合的程度。例如，可以制備出這樣的金屬基質(zhì)復(fù)合體，使其熱膨脹系數(shù)高于第二種物體，并且使其至少部分環(huán)繞第二種物體。在這個(gè)例子中，金屬基質(zhì)復(fù)合體至少通過收縮配合結(jié)合到第二種物體上。因此，可形成多種其中金屬復(fù)合體結(jié)合到第二種物體(如另一種陶瓷或金屬)上的大復(fù)合體。
在另一個(gè)優(yōu)選方案中，即在上述談及的第二種優(yōu)選方案中提供過量或殘余基質(zhì)金屬(如金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物體的組合)。在此方案中，類似于上述第一個(gè)優(yōu)選方案，提供自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，且超過使可滲透材料完全滲透的基質(zhì)金屬量。此外，類似于上述第二個(gè)優(yōu)選方案，將填料或預(yù)型體與至少部分另一種或第二種物體(如陶瓷體或金屬體)接觸，熔融基質(zhì)金屬則自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，至少滲入到第二種物體的表面，使金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物體密切結(jié)合。因此，甚至可以制備出比前面二個(gè)優(yōu)選方案中討論的大復(fù)合體更復(fù)雜的大復(fù)合體。具體地講，對于能夠選擇金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種物體(如陶瓷和/或金屬)和過量或殘余基質(zhì)金屬的組合來說，這種組合或變換實(shí)際是多種多樣的。例如，如果需要制備一個(gè)大復(fù)合體桿，其內(nèi)部可以是第二種物體(如陶瓷或金屬)。第二種物體可以至少被金屬基質(zhì)復(fù)合體部分環(huán)繞。金屬基質(zhì)復(fù)合體然后可以至少被第二種物體或殘余基質(zhì)金屬環(huán)繞。如果金屬基質(zhì)復(fù)合體被殘余基質(zhì)金屬環(huán)繞，另一種金屬基質(zhì)復(fù)合體可以至少被殘余基質(zhì)金屬部分環(huán)繞(例如，可以提供足夠量的殘余基質(zhì)金屬，使其從內(nèi)部向與基質(zhì)金屬內(nèi)部接觸的填料(或預(yù)型體)滲透，并從外部向與基質(zhì)金屬外部接觸的填料(或預(yù)型體)滲透。因此，本發(fā)明的第三個(gè)方案提供了重要的工藝控制點(diǎn)。
在上述每一個(gè)優(yōu)選方案中，金屬基質(zhì)復(fù)合體都可以在基質(zhì)金屬基體上形成外表面和/或內(nèi)表面。而且，根據(jù)基質(zhì)金屬基體的大小，可以選擇金屬基質(zhì)復(fù)合體表面或預(yù)測其厚度。本發(fā)明的自發(fā)滲透技術(shù)可以制備出厚壁或薄壁金屬基質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，其中向金屬基質(zhì)復(fù)合體表面提供的相對于基質(zhì)金屬體積基本大小或小于金屬基體的體積。此外，可以呈內(nèi)表面或外表面或這兩個(gè)表面的金屬基質(zhì)復(fù)合體也可以結(jié)合到第二種材料(如陶瓷或金屬)上，因此，金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或過量基質(zhì)金屬和/或第二種物體(如陶瓷或金屬體)之間有多種組合方案。
就金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成而言，應(yīng)注意到，本申請主要討論了鋁基質(zhì)金屬，該金屬在形成金屬基質(zhì)復(fù)合體過程中的某一時(shí)刻，在作為滲透氣氛的氮?dú)獯嬖谙?，與作為滲透增強(qiáng)劑前體的鎂接觸。因此，鋁/鎂/氮的基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系也可以類似于鋁/鎂/氮體系的方式作用。例如，已觀察到鋁/鍶/氮體系，鋁/鋅/氧體系，和鋁/鈣/氮體系中存在類似自發(fā)滲透現(xiàn)象。所以，即使本文主要討論的是鋁/鎂/氮體系，但應(yīng)理解，其它基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛的體系也能以類似方式作用。
當(dāng)基質(zhì)金屬含鋁合金時(shí)，鋁合金與一種含填料(如氧化鋁或碳化硅粒)的預(yù)型體或一種填料接觸。該填料或預(yù)型體與鎂混合或在工藝中某一時(shí)刻暴露于該鎂之下。此外，在一個(gè)優(yōu)選方案中，至少在部分過程內(nèi)，氮?dú)夥罩泻袖X合金和/或預(yù)型體或填料。預(yù)型體將被基質(zhì)金屬自發(fā)滲透，自發(fā)滲透的程度或速度和金屬基質(zhì)的形成隨給定的工藝條件而變，例如這些條件包括向體系(如鋁合金和/或填料和/或滲透氣氛)提供的鎂的濃度，含填料的顆粒的大小和/或組成，滲透氣氛中的氮?dú)鉂舛?，滲透時(shí)間，和/或發(fā)生滲透的溫度。自發(fā)滲透一般發(fā)生至基本全部嵌入預(yù)型體填料中的程度。
在此所用的“鋁”的意思是指并且包括基本純的金屬(例如，一種相對純的市售非合金化的鋁)或者其它等級的金屬和金屬合金，如含有雜質(zhì)和/或合金成分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等)的市售金屬。這一定義下的鋁合金是一種以鋁為主要成分的合金或金屬互化物。
在此所用的“平衡非氧化性氣體”的意思是除構(gòu)成所說滲透氣氛的主要?dú)怏w之外存在的任何氣體，在所用工藝條件下，或者是惰性的或者是基本不與所述基質(zhì)金屬反應(yīng)的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質(zhì)形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應(yīng)不足以使所用的基質(zhì)金屬氧化到任何顯著的程度。
在此所用的“阻擋元件”的意思是妨礙、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)金屬超過可滲透填料體或預(yù)型體表面邊界的移動、運(yùn)動等，其中的表面界(界表面)是由所說的阻擋元件所限制的。適用的阻擋元件可以是在工藝條件下，保持某種程度的完整性并且基本不揮發(fā)(即，阻擋材料沒有揮發(fā)到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當(dāng)?shù)牟牧?、化合物、元素、組合物等。
另外，適用的“阻擋元件”包括在所利用的工藝條件下基本不能被運(yùn)動的熔融基質(zhì)金屬潤濕的材料。這種類型的阻擋元件顯示出對所說的熔融基質(zhì)金屬具有很小的親合力或沒有親合力。用這種阻擋元件阻止或抑制了超越該填料體或預(yù)型體的限定界面的運(yùn)動。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機(jī)械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質(zhì)復(fù)合產(chǎn)物的一部分表面。這種阻擋元件在某些情況下，可以是可滲透的或多孔的，或者例如通過鉆孔或穿孔使其可滲透，以使得氣體與所說的熔融基質(zhì)金屬接觸。
在此所用的“殘余物”或“基質(zhì)金屬殘余物”是指任何在所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體形成期間沒有被消耗掉的原始基質(zhì)金屬殘余物，并且在典型情況下如果將其復(fù)合體相接觸的形式保留下來。應(yīng)該理解為這種殘余物還可以包括第二種或外來金屬。
本文中的短語“過量基質(zhì)金屬”或“殘余基質(zhì)金屬”是指在所需的自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的程度到達(dá)后，殘留的并與生成的金屬基質(zhì)復(fù)合體密切結(jié)合的基質(zhì)金屬量。過量或殘余基質(zhì)金屬的組成可以與已自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的基質(zhì)金屬相同或不同。
在此所用的“填料”是指單一成分或多種成分的混合物，所說的成分基本不與所說的基質(zhì)金屬反應(yīng)和/或在所說基質(zhì)金屬中具有限定溶解性的，并且可以是單相或者多相的。填料可以各種形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶須、液體等，并且可以是密實(shí)也可以是多孔的。“填料”還可以包括陶瓷填料，如纖維、切斷纖維、顆粒、晶須、泡體、球、纖維板等形狀的氧化鋁或碳化硅，和陶瓷涂敷的纖維，如用氧化鋁或碳化硅涂敷的碳纖維，例如通過用熔融的母金屬鋁涂敷以保護(hù)碳免受腐蝕。填料還可以包括金屬。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質(zhì)金屬和/或預(yù)型體(或填料)和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑相互作用并且使或促進(jìn)所用的基質(zhì)金屬發(fā)生自發(fā)滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強(qiáng)劑”是指一種能促進(jìn)或有助于一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到一種填料或預(yù)型體中的材料。滲透增強(qiáng)劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)形成(1)一種氣體物質(zhì)和/或(2)該滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛的反應(yīng)物和/或(3)該滲透增強(qiáng)劑前體和填料或預(yù)型體的反應(yīng)物。另外，這種滲透增強(qiáng)劑可能直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中至少一種提供并起著與滲透添加劑前體和另一物質(zhì)反應(yīng)而形成的滲透增強(qiáng)劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發(fā)滲透期間，至少該滲透增強(qiáng)劑應(yīng)放在至少一部分所用的填料或預(yù)型體中，以完全自發(fā)滲透。
此處所用的“滲透增強(qiáng)劑前體”是指這樣一種材料，當(dāng)使其與基質(zhì)金屬、預(yù)型體和/或滲透氣氛相結(jié)合使用時(shí)能形成促使或有助于基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透填料或預(yù)型體的滲透增強(qiáng)劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對于滲透增強(qiáng)劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強(qiáng)劑前體能夠被定位于或可移動至允許與滲透氣氛和/或預(yù)型體或填料和/或金屬發(fā)生反應(yīng)的部位。舉例來說，在某些基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系中，對于滲透增強(qiáng)劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質(zhì)金屬熔融溫度下?lián)]發(fā)。這一揮發(fā)過程可以導(dǎo)致(1)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛發(fā)生反應(yīng)形成一種有助于基質(zhì)金屬潤濕填料或預(yù)型體的氣態(tài)物質(zhì);和/或(2)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)生成處于至少一部分填充物或預(yù)形體之中、有助于潤濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑;和/或(3)滲透增強(qiáng)劑前體與填料或預(yù)型體反應(yīng)，該反應(yīng)形成處于至少一部分填充料或預(yù)型體之中、有助于潤濕的固體、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑。
本文中“大復(fù)合體”一詞是指某一構(gòu)型中兩種或多種材料的組合體，其中的材料通過如化學(xué)反應(yīng)和/或壓力或收縮配合密切結(jié)合在一起，并且至少一種材料含有通過熔融基質(zhì)金屬向填料、預(yù)型體，或至少帶一些孔的、精加工過過陶瓷或金屬體的可滲透體進(jìn)行自發(fā)滲透而形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。金屬基質(zhì)復(fù)合體也可以以外表面和/或內(nèi)表面的形式存在，應(yīng)理解，金屬基質(zhì)復(fù)合體相對于殘余基質(zhì)金屬和/或第二種物體的順序，數(shù)量，和/或位置可以多種方式變化或控制。
此處所用的“基質(zhì)金屬”或“基質(zhì)金屬合金”是指用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之前)的金屬和/或用于與填料互相混合從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之后)的金屬。當(dāng)指定某一特定金屬為基質(zhì)金屬時(shí)，應(yīng)該理解為該基質(zhì)金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質(zhì)和/或合金成分的市售金屬、其中該金屬為主要成分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系”或“自發(fā)體系”是指能夠自發(fā)地滲透到預(yù)型體或填料之中的材料組合體。應(yīng)該理解的是無論在供列舉的基質(zhì)金屬、滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛之間何時(shí)出現(xiàn)“/”，“/”均被用于表示當(dāng)以某一特定方式組合而成之時(shí)便能夠自發(fā)滲透進(jìn)入預(yù)型體或填料體系或組合體。
本文所述的“金屬基質(zhì)復(fù)合體”或是指包含嵌入預(yù)型體或填料的二維或三維互連合金或基質(zhì)金屬的材料。該基質(zhì)金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復(fù)合體具有特別需要的機(jī)械物理特性。
“不同于”基質(zhì)金屬的金屬是指這樣一種金屬，其中不含有作為主要成分的與基質(zhì)金屬相同的金屬(例如，若基質(zhì)金屬的主要成分為鋁，那么“不同的”金屬，舉例來說，可以含有主要成分鎳)。
“用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器”是指能夠在加工條件下容納或包含熔融基質(zhì)金屬并且不與基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或填料或預(yù)形體以可能嚴(yán)重妨礙自發(fā)滲透機(jī)理的方式而發(fā)生反應(yīng)的任何容器。
本文所述的“預(yù)型體”或“可滲透預(yù)型體”是指加工后具有至少一個(gè)表面界面的多孔狀填料體或填充物體(即充分燒結(jié)或成型的陶瓷體和金屬體)，其中表面邊界基本上限定了滲透基質(zhì)金屬的邊界，該多孔狀物質(zhì)在被基質(zhì)金屬滲透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強(qiáng)度從而達(dá)到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質(zhì)應(yīng)該具備足夠高的多孔性以便使基質(zhì)金屬能夠自發(fā)地滲透進(jìn)去。預(yù)型體典型地包含結(jié)合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何適宜的材料構(gòu)成(例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的任意組合體)。預(yù)型體可以單獨(dú)地存在或以集合體的形式存在。
本文所述的“儲備源”是指一個(gè)基質(zhì)金屬的分離體，其所處的位置與填料物質(zhì)或預(yù)形體相關(guān)聯(lián)，這樣，當(dāng)金屬熔化時(shí)，它可以流動以便補(bǔ)充與填料或預(yù)形體相接觸的基質(zhì)金屬部分或源，或者是在某些情況下開始時(shí)先進(jìn)行提供隨后進(jìn)行補(bǔ)充。
本文中“第二種物體”或“附加物體”一詞是指通過化學(xué)反應(yīng)和/或機(jī)械配合或收縮配合中至少一種能夠結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體上的另一種物體。這種物體包括傳統(tǒng)的陶瓷，如燒結(jié)陶瓷，熱壓陶瓷，擠壓陶瓷，等等，也包括非傳統(tǒng)陶瓷和陶瓷復(fù)合體，如由下述文獻(xiàn)的方法制備出的物體1987年12月15日頒布的MarcS.Newkirk等人的共有美國專利4，713，360;1986年1月17日申請的，現(xiàn)已批準(zhǔn)的Marc，S.Newkirk等人的美國專利申請819，397，題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制備方法”;1986年5月8日申請的，MarcS.Newkirk等人的共有且未決美國專利申請861，025，題目為“成形陶瓷復(fù)合體及其制備方法;1988年2月5日申請的，RobertC.Kantner等人的共有美國專利申請152，518，題目為“原地調(diào)整陶瓷制品的金屬組分的方法及其制品”，現(xiàn)已批準(zhǔn);1987年12月23日申請的，T.DennisClaar等人的共有且未決美國申請137，044，題目為“制備自支撐物體的方法及其產(chǎn)品”;以及對上述方法進(jìn)行變換和改進(jìn)的其它共有的已批準(zhǔn)和尚未批準(zhǔn)的美國專利。為了說明這些共有的申請所要求和公開的陶瓷和陶瓷復(fù)合體的特性和生產(chǎn)方法;上述申請的全部公開內(nèi)容在此參照并入本文。此外，本發(fā)明的第二種或附加物體也包括金屬基質(zhì)復(fù)合體和如高溫金屬，抗腐蝕金屬，耐磨損金屬等的金屬結(jié)構(gòu)體。因此，第二種或附加物體實(shí)際包括無數(shù)種物體。
本文所述的“自發(fā)滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內(nèi)部產(chǎn)生)的條件下基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體的可滲透部分所產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象。
提供下列附圖以有助于理解本發(fā)明，但是并非意味著對本發(fā)明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號數(shù)表示同一組分，其中

圖1是用于按例1制備復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖2是由例1制備的大復(fù)合體的剖面照片。
圖3是例2中生產(chǎn)大復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖4是一張顯微照片，它表明由例2生產(chǎn)的氧化鋁耐火盤與金屬基質(zhì)復(fù)合體的交界處。
圖5是對例2制備的金屬基質(zhì)復(fù)合體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高倍放大的顯微照片。
圖6是在例3中用于制備大復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖7是顯示由例3生產(chǎn)的大復(fù)合體剖面的照片。
圖8是用于在例4中生產(chǎn)大復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖9是表示由例4生產(chǎn)的大復(fù)合體的剖面照片。
圖10是在例5中用于生產(chǎn)大復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖11是由例5制備的大復(fù)合體的剖面顯微照片。
圖12是在例6中用于制備大復(fù)合體的組合件的剖面圖。
圖13是由例6制備的大復(fù)合體的剖面照片。
本發(fā)明涉及大復(fù)合體的制備，該復(fù)合體的一部分含有被熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體而形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體。
本發(fā)明的組合復(fù)合體是通過將金屬基質(zhì)復(fù)合體與至少一種第二種或附加物體接觸得到。具體地講，用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的可滲透體制備出金屬基質(zhì)復(fù)合體。在工藝過程的至少某一階段使?jié)B透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透氣氛與填料或預(yù)型體相聯(lián)系，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中，可直接向預(yù)型體(或填料)和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中的至少一種提供滲透增強(qiáng)劑?？傊?，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)位于至少部分填料或預(yù)型體中。
在形成大復(fù)合體的第一個(gè)優(yōu)選方案中，提供用于滲透的量超過滲透所需量。換句話說，提供的基質(zhì)金屬量大于充分滲入填料或預(yù)型體所需的量，使殘余或過量的基質(zhì)金屬(如未滲入填料或預(yù)型體的基質(zhì)金屬)緊密結(jié)合到已被滲透的填料或預(yù)型體上。
在另一個(gè)優(yōu)選方案中，將填料或預(yù)型體與另一種物體(如陶瓷或金屬)接觸，并使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，直至第二種物體(如陶瓷或金屬)處，使其緊密結(jié)合到第二種物體上，由此形成其中金屬基質(zhì)復(fù)合體結(jié)合在第二種物體(如另一種陶瓷或金屬)上的大復(fù)合體。
在另一個(gè)優(yōu)選方案中，將填料或預(yù)型體與第二種物體(如另一種陶瓷或金屬)接觸，并使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體，直至填料或預(yù)型體與第二種物體的接觸處，形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體將緊密結(jié)合到第二種物體。此外，可以提供附加基質(zhì)金屬，其量大于自發(fā)滲入填料或預(yù)型體所需的量。因此，所形成的大復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬，它緊密結(jié)合在金屬基質(zhì)復(fù)合體上，而后者又緊密結(jié)合在第二種物體，如陶瓷或陶瓷復(fù)合體上。
在上述討論的優(yōu)選方案中，金屬基質(zhì)復(fù)合體可以在基質(zhì)金屬的基體上形成外表層或內(nèi)表層，或內(nèi)外表層。此外，可以根據(jù)基質(zhì)金屬基體的大小選擇或預(yù)定金屬基質(zhì)復(fù)合體表層的厚度。按照本發(fā)明的技術(shù)，可以制備厚壁或薄壁金屬復(fù)合體結(jié)構(gòu)，其中向金屬基質(zhì)復(fù)合體表層提供的相對基質(zhì)金屬體積基本大于或小于金屬基體的體積。此外，金屬基質(zhì)復(fù)合體可以內(nèi)或外表層或內(nèi)外表層的形式結(jié)合到第二種材料(如陶瓷或金屬)上，由此可以提供多種金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或過量基質(zhì)金屬和/或第二種物體(如陶瓷或金屬體)之間的組合。
因此，本發(fā)明可用來滿足工業(yè)上的多種要求，并借此證明本發(fā)明的使用價(jià)值。
為了制備本發(fā)明的大復(fù)合體，必須通過將基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的可滲透體制備金屬基質(zhì)復(fù)合體。應(yīng)向自發(fā)體系提供滲透增強(qiáng)劑，以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體中進(jìn)行自發(fā)滲透。滲透增強(qiáng)劑可由其前體形成，該前體的提供可以通過(1)在基質(zhì)金屬中;和/或(2)在填料或預(yù)型體中;和/或(3)從滲透氣氛和/或由外界進(jìn)入自發(fā)體系。此外，可以不提供滲透增強(qiáng)劑前體，而直接向填料或預(yù)型體，和/或基質(zhì)金屬，和/或滲透氣氛中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。總之，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)位于至少部分填料或預(yù)型體中。
在一優(yōu)選實(shí)施方案中，滲透增強(qiáng)劑前體可能至少是部分地與滲透氣氛反應(yīng)，使得在先于或基本上同時(shí)在預(yù)型體與熔融基質(zhì)金屬接觸之時(shí)在至少一部分填料或預(yù)型體中形成滲透增強(qiáng)劑(例如，若鎂是滲透增強(qiáng)劑前體而氮為滲透氣氛的話，那么滲透增強(qiáng)劑則可以是位于至少一部分填料或預(yù)型體之中的氮化鎂)。
基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系的實(shí)例為鋁/鎂/氮體系。具體地講，可將鋁基金屬裝在一個(gè)在工藝條件下，當(dāng)鋁被熔化時(shí)不會與鋁基金屬反應(yīng)的適宜的耐火容器之中。然后使含有鎂或暴露于鎂之下并且至少在工藝的某一階段在氮?dú)夥兆饔孟碌奶盍吓c熔融鋁基質(zhì)金屬接觸。該基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體。
此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。
在本發(fā)明方法所選用的條件下，在鋁/鎂/氮自發(fā)滲透體系的情況下，填料或預(yù)型體應(yīng)該具備足夠的可滲透性以便于含氮?dú)怏w在過程進(jìn)行期間某一時(shí)刻穿透或滲透填料和/或與熔融基質(zhì)金屬接觸。此外，可滲透填料或預(yù)型體能夠適應(yīng)熔融基質(zhì)金屬的滲透，從而使得被氮?dú)鉂B透的填料或預(yù)型體被熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或使氮?dú)馀c滲透增強(qiáng)劑前體反應(yīng)從而在填料或預(yù)型體內(nèi)形成滲透增強(qiáng)劑并且導(dǎo)致自發(fā)滲透。自發(fā)滲透的程度或速度以及金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成將隨著給定的工藝條件而發(fā)生變化，這些條件包括鋁合金中的鎂含量、填料或預(yù)型體中的鎂含量、填料或預(yù)型體中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在，填料或填料的平均粒度(例如粒徑)、填料的表面狀況和類型、滲透氣氛中的氮濃度、滲透時(shí)間和滲透溫度。舉例來說，對于熔融鋁基金屬所進(jìn)行的自發(fā)滲透來說，鋁可以與以合金重量為基準(zhǔn)計(jì)至少大約1%(重)、以至少大約3%(重)為佳的鎂(起著滲透增強(qiáng)劑前體的作用)形成合金。如上所述，基質(zhì)金屬中還可以包括輔助合金元素以便使其具備特定的性能。另外，輔助合金元素會改變基質(zhì)鋁金屬中進(jìn)行自發(fā)滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量。由于，舉例來說，揮發(fā)所造成的鎂損失不應(yīng)該發(fā)展到?jīng)]有用于形成滲透增強(qiáng)劑的鎂這一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保證自發(fā)滲透不會受到揮發(fā)作用的不利影響。再說，當(dāng)鎂同時(shí)存在于填料或預(yù)型體與基質(zhì)金屬之中或者僅存在于填料或預(yù)型體中時(shí)均會使進(jìn)行自發(fā)滲透所需的鎂量有所減少(下文將對此作更詳細(xì)的討論)。
氮?dú)夥罩械捏w積百分比同樣會對金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成速率有所影響。具體地說，該氣氛中若存在低于大約10%(體積)氮的話，自發(fā)滲透就會非常緩慢或者幾乎未發(fā)生自發(fā)滲透。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該氣氛中以存在至少50%(體積)左右的氮為佳，因而使得，舉例來說，滲透時(shí)間由于滲透速率大大加快而更加短暫。滲透氣氛(例如含氮?dú)怏w)可被直接提供給填料或預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬，或者它可以由某一材料分解而成。
熔融基質(zhì)金屬滲透填料或預(yù)型體所需的最低鎂量取決于一種或多種諸如加工溫度、時(shí)間、輔助合金元素如硅或鋅的存在、填料的性質(zhì)、在一種或多種自發(fā)體系中鎂所處的位置、氣氛中氮含量以及氮?dú)夥盏牧鲃铀俾手惖淖兞俊ｋS著合金和/或預(yù)型體的鎂含量增加，可以選用更低的溫度或更短的加熱時(shí)間以實(shí)現(xiàn)完全滲透。此外，對于給定的鎂含量來說，添加特定的輔助合金元素如鋅允許選用較低的溫度。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬的鎂含量處于可操作范圍下端例如大約1～3%(重)的時(shí)候，與其組合選用的至少為下列因素之一高于最低加工溫度、高氮含量或者一種或多種輔助合金元素。當(dāng)填料或預(yù)型體中未加鎂時(shí)，以通用性為基礎(chǔ)，在寬范圍的加工條件下合金以含有大約3～5%(重)鎂為佳，當(dāng)選用較低溫度和較短時(shí)間時(shí)以至少大約5%為佳。可以采用超過大約10%(鋁合金重量)的鎂含量以調(diào)節(jié)滲透所需溫度條件。當(dāng)與輔助合金元素結(jié)合使用時(shí)可以降低鎂含量，不過這些元素僅具有輔助功能并且與至少上述最低鎂量共同投入使用。舉例來說，僅與10%硅形成合金的足夠純的鋁于1000℃下基本上不滲透500目39Crystolon(99%純度碳化硅，Norton公司出品)的墊層。然而，在鎂存在下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)硅有助于滲透過程。再舉一個(gè)例子，如果鎂僅僅被提供給預(yù)型體或填料，其數(shù)量會有所改變。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被供給自發(fā)體系的全部鎂中至少有一部分被置于預(yù)型體或填料中時(shí)，自發(fā)滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進(jìn)行。必要的是提供轉(zhuǎn)少量的鎂以防止在金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成不必要的金屬互化物。在碳化硅預(yù)型體的情況下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該預(yù)型體與鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在該預(yù)型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮?dú)夥沾嬖跅l件下，基質(zhì)金屬自發(fā)滲透該預(yù)形體。在氧化鋁預(yù)型體的情況下，實(shí)現(xiàn)可被接受的自發(fā)滲透所需鎂量稍有增加。具體地說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁預(yù)型體與類似鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，在大約與鋁滲透碳化硅預(yù)型體相同的溫度以及有相同氮?dú)夥沾嬖诘臈l件下，需要至少約3%(重)鎂實(shí)現(xiàn)與上述在碳化硅預(yù)型體中類似的自發(fā)滲透。
同樣應(yīng)該注意的是在基質(zhì)金屬滲入填料或預(yù)型體之前可以將滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑以置于合金表面和/或預(yù)型體或填料表面和/或置于預(yù)型體或填料之中的方式提供給自發(fā)體系(即不必使被提供的滲透增強(qiáng)劑或滲透增強(qiáng)劑前體與基質(zhì)金屬形成合金，而是被簡單地提供給自發(fā)體系)。如果將鎂施用于基質(zhì)金屬表面，則該表面優(yōu)選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這樣鎂混合于至少一部分預(yù)型體或填料之中。此外，還可以采用表面施用、形成合金與將鎂置于至少一部分預(yù)形體中三種應(yīng)用方式的某一組合形式。這一應(yīng)用滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體的組合方式不僅能夠減少促進(jìn)基質(zhì)鋁金屬滲透預(yù)型體所需鎂的總重百分比，同時(shí)還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠?qū)⒂捎诖嬖阪V而形成的不需要的金屬互化物數(shù)量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應(yīng)用以及周圍氣體中氮的濃度同樣會對在給定溫度下進(jìn)行的基質(zhì)金屬的氮化程度產(chǎn)生影響。舉例來說;包含在合金之中或被置于合金表面的輔助合金元素如鋅或鐵可被用于降低滲透溫度從而減少氮化物的生成量，但是提高氣體中氮?dú)獾臐舛瓤捎糜诖龠M(jìn)氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結(jié)合于填料或預(yù)型體之中的鎂的濃度同樣易于影響在給定溫度下的滲透的程度。因此，在某些幾乎沒有或完全沒有鎂與預(yù)型體或填料直接相接觸的情況下，以合金中至少包含大約3%(重)鎂為佳。若合金含量低于此數(shù)值如含有1%(重)鎂，則需要較高的加工溫度或輔助合金元素進(jìn)行滲透。在下列情況下進(jìn)行本發(fā)明的自發(fā)滲透方法所需溫度較低(1)當(dāng)只有合金的鎂含量增加例如達(dá)到至少5%(重)左右時(shí);和/或(2)當(dāng)合金成分與填料或預(yù)型體的可滲透部分混合時(shí);和/或(3)當(dāng)鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時(shí)。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，自發(fā)和漸進(jìn)滲透的工藝溫度至少約為675℃、以至少約750～800℃為佳。一般情況下，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)似乎對該工藝過程不會產(chǎn)生任何益處，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規(guī)律，自發(fā)滲透溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)但是卻低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度。此外，自發(fā)滲透溫度應(yīng)該低于填料的熔點(diǎn)或預(yù)型體的熔點(diǎn)，除非填料或預(yù)型體用一個(gè)在滲透時(shí)能保持填料或預(yù)型體的多孔幾何結(jié)構(gòu)的支撐件提供。這種支撐件可以包括填料粒子或預(yù)型體通道上的涂層，或者填料或預(yù)型體的某些組份在滲透溫度下是不熔的，而其它組份是熔融的。在后一種情況下，非熔融組成能夠支撐熔融組分，保持自發(fā)滲透時(shí)填料或預(yù)型體的多孔性。再說，隨著溫度升高，基質(zhì)金屬與滲透氣氛之間相互反應(yīng)形成產(chǎn)物的傾向性也會有所增強(qiáng)(例如，在鋁基質(zhì)金屬與氮滲透氣氛的情況下，會形成氮化鋁)。這類反應(yīng)產(chǎn)物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質(zhì)復(fù)合體的目的應(yīng)用。另外，電阻加熱是達(dá)到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質(zhì)金屬熔化卻對自發(fā)滲透不會產(chǎn)生不利影響的加熱方式均適用于本發(fā)明。
在本方法中，舉例來說，至少是在該工藝過程期間的某一時(shí)刻在含氮?dú)怏w存在下使可滲透的填料或預(yù)型體與熔融鋁相接觸，通過保持一連續(xù)的氣流提供含氮?dú)怏w，使其與填料或預(yù)型體和/或熔融鋁基質(zhì)金屬中的至少一種相互接觸。雖然含氮?dú)怏w的流量并非至關(guān)重要，但是該量最好足以補(bǔ)償由于合金基質(zhì)中形成氮化物而在氣氛中造成的氮損失，并且足以防止或抑制能對熔融金屬產(chǎn)生氧化作用的空氣侵入。
形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法適用于許多填料，而填料的選擇取決于諸如基質(zhì)合金、工藝條件、熔融基質(zhì)合金與填料的反應(yīng)能力以及目的復(fù)合體產(chǎn)物應(yīng)具備的特性之類因素。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬為鋁時(shí)，適宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化鋁;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化鋁;以及(d)氮化物，例如氮化鋁。如果填料易于與熔融鋁基質(zhì)金屬反應(yīng)，這可以通過最大限度地縮短滲透時(shí)間與最大限度地降低滲透溫度或者通過向填料提供非反應(yīng)涂層來加以調(diào)節(jié)。填料可以包含一種基體如碳或其它非陶瓷材料，該基體帶有陶瓷涂層以防受到化學(xué)侵蝕與老化作用。適宜的陶瓷涂層包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的優(yōu)選陶瓷材料包括呈顆粒、片晶、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(被切斷)或以連續(xù)單位如多絲束的形式存在。此外，填料或預(yù)型體可以是均相的或非均相的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)的還有，某些填料相對于具備類似化學(xué)組成的填料，其滲透性有所增強(qiáng)。舉例來說，按照美國專利No.4713360(題目為“新型陶瓷材料及其制備方法”，MarcS.Newkirk等人，于1987年12月15日頒發(fā))所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產(chǎn)品具有理想的滲透特性。此外，按照共同未決與共同所有的申請系列No.819397(題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”，MarcS.Newkirk等人)所述方法組成的粉碎氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產(chǎn)品同樣具有理想的滲透特性。頒布專利及其共同未決專利申請的各自主題在此引用僅供參考。因此，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的可滲透體的徹底滲透可通過采用上述美國專利和專利申請的方法再次的粉碎或細(xì)碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
填料可以呈現(xiàn)達(dá)到復(fù)合體必要特性所需的任何尺寸和形狀。因此，既然滲透并非受到填料形狀的限制，所以填料可以呈顆粒、晶須、片晶或纖維狀。也可以選用諸如球體、小管、丸粒、耐火纖維布之類形狀的填料。另外，雖然與較大的顆粒相比，較小顆粒進(jìn)行完全滲透需要更高的溫度或更長的時(shí)間，但是材料的大小并不限制滲透。此外，有待滲透的填料(被加工成預(yù)型體)應(yīng)該是可滲透的(即可被熔融基質(zhì)金屬和滲透氣氛所滲透)。在使用鋁合金時(shí)，滲透氣氛中可含有含氮?dú)怏w。
本發(fā)明的形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法并不依賴于施加壓力迫使或擠壓熔融金屬基質(zhì)進(jìn)入預(yù)型體填料之中從而產(chǎn)生具有高體積百分比填料和低孔隙率、基本上均勻的金屬基質(zhì)復(fù)合體。通過采用低孔隙率的原始填料可以獲得體積百分比較高的填料。只要不會將填料轉(zhuǎn)化為有礙于熔融合金滲透具有閉孔多孔性的壓塊或完全密實(shí)的結(jié)構(gòu)(即對于發(fā)生自發(fā)滲透的孔隙率不夠的結(jié)構(gòu))，通過將填料壓實(shí)或以其它方式進(jìn)行致密處理同樣會獲得體積百分比較高的填料。
已經(jīng)觀察到對于在陶瓷填料周圍發(fā)生的鋁滲透和基質(zhì)形成來說，鋁基質(zhì)金屬對陶瓷填料的潤濕在滲透機(jī)理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計(jì)或極少量金屬的氮化導(dǎo)致有極少量不連續(xù)相的氮化鋁分散于金屬基質(zhì)之中。然而，當(dāng)溫度達(dá)到上限時(shí)，金屬的氮化更容易發(fā)生。因此，可以通過改變滲透溫度來控制金屬基質(zhì)中氮化物相的數(shù)量。當(dāng)?shù)锏男纬筛鼮槊黠@時(shí)的特定加工溫度同樣會隨著下列因素發(fā)生變化，這些因素有如所使用的基質(zhì)鋁合金，及其相對于填料或預(yù)型體體積的數(shù)量、有待滲透的填料和滲透氣氛中的氮濃度。舉例來說，人們認(rèn)為在給定加工溫度下氮化鋁生成的多少隨著合金潤濕填料能力的下降以及隨著氣氛中氮濃度的增大而增加。
因此，能使金屬基質(zhì)的組成在產(chǎn)生復(fù)合體的過程中賦予所得到的產(chǎn)物以特定的特性。對于一給定的體系來說，可以選擇工藝條件控制氮化物的形成。含有氮化鋁相的復(fù)合體產(chǎn)物具有對于產(chǎn)物的性能起促進(jìn)作用或能夠改善產(chǎn)物性能的特性。此外，鋁合金進(jìn)行自發(fā)滲透的溫度范圍可以隨著所用的陶瓷材料而有所變化。在選用氧化鋁作為填料的情況下，如果想要使基質(zhì)的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么滲透溫度以不超過大約1000℃為佳。然而，如果希望形成含有延展性較差而硬度較高的基質(zhì)復(fù)合體那么滲透溫度可以超過1000℃。當(dāng)選用碳化硅作為填料時(shí)，相對于使用氧化鋁作為填料的情況，由于所形成的鋁合金氮化物較少，所以，為了滲透碳化硅可以選用1200℃左右的較高溫度。
此外，可以使用一種基質(zhì)金屬儲備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質(zhì)金屬源的組成不同的第二種金屬。具體地講，就是在某些情況下，可能需要使用該儲備源中與第一基體金屬源組成不同的基質(zhì)金屬。例如，如果鋁合金用做第一基質(zhì)金屬源，那么實(shí)質(zhì)上任何其它在加工溫度下能熔融的金屬或金屬合金都可以用做儲備源金屬。熔融金屬通常具有良好的互溶性，因此，只要混合時(shí)間適當(dāng)，儲備源金屬就會與第一基質(zhì)金屬源混合。所以，通過使用不同于第一基質(zhì)金屬源組成的儲備源金屬，就可能使金屬基質(zhì)的性能滿足各種操作要求，由此調(diào)節(jié)金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
本發(fā)明中也可以結(jié)合使用阻擋元件。具體地講，應(yīng)用本發(fā)明的阻擋元件可以是任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運(yùn)動等的元件。合適的阻擋元件可以是滿足下述要求的任何材料，化合物，元素或組合物等能夠局部抑制，停止，干擾或防止(及其它類似作用)超出陶瓷填料的限定界表面的連續(xù)滲透或任一其它類型的運(yùn)動，在本發(fā)明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發(fā)，最好能使過程中使用的氣體滲透。
合適的阻擋元件由在所采用的加工條件下，基本不被滲透的熔融基質(zhì)合金潤濕的材料構(gòu)成。這種阻擋元件對熔融基質(zhì)合金幾乎沒有或沒有親合力，因此阻擋元件防止或抑制了超出填料或預(yù)型體的限定界表面的運(yùn)動。阻擋元件可縮短金屬基質(zhì)復(fù)合體產(chǎn)品可能需要的目的加工或研磨過程。如上所述，阻擋元件最好是可滲透的或多孔的，或通過穿孔使其變成可滲透的，以使氣體能夠與熔融基質(zhì)合金接觸。
特別適用于鋁基質(zhì)合金的阻擋元件含有碳，尤其是稱為石墨的同素異形結(jié)晶碳。在上述加工條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金濕潤。特別優(yōu)選的石墨是一種以商標(biāo)為Grafoil
(注冊在“聯(lián)合碳化物公司”名下)銷售的石墨條產(chǎn)品。這種石墨條具有防止熔融金屬移出填料的限定界表面的封閉特性，它也耐熱，并呈化學(xué)惰性。Grafoil
石墨材料是能變形的，可配伍的，整合的并且有彈性的材料。它能夠被制成各種形狀來滿足對阻擋元件的使用要求。但是石墨阻擋元件也可以以淤漿或糊，甚至漆膜的形式用于填料或預(yù)型件界面之上及四周。Grafoil 是一種可變形的石墨片，因此在這里是特別優(yōu)選的。使用時(shí)，這種象紙一樣的石墨只是簡單地被固定在填料或預(yù)型件的周圍。
另一種較好的、用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件是過渡金屬硼化物[如二硼化鈦(Ti B2)]。在使用時(shí)的某些加工條件下，它一般不被熔融鋁金屬合金潤濕。用這種阻擋元件時(shí)，加工溫度不應(yīng)超過約875℃，否則阻擋元件就會失效。事實(shí)上，隨著溫度的增加，會發(fā)生向阻擋元件的滲透。過渡金屬硼化物一般呈粒狀(1～30微米)。阻擋元件也可以淤漿或糊的形式用于可滲透的陶瓷填料塊的界面，這種材料塊最好被預(yù)先成型，組成預(yù)型件。
另一種可用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件由低揮發(fā)性的有機(jī)化合物構(gòu)成，它以膜或?qū)拥男问酵糠笤谔盍匣蝾A(yù)型件的外表面上。在氮?dú)庵袩蓵r(shí)，特別是在本發(fā)明的加工條件下燒成時(shí)，有機(jī)化合物分解，留下一層碳黑膜。也可以用常規(guī)方法，如刷涂，噴涂或浸漬等涂敷這種有機(jī)化合物。
此外，只要經(jīng)過細(xì)磨的粒狀材料的滲透速率低于填料的滲透速率，該粒狀材料就能起到阻擋元件的作用。
由此看來，阻擋板元件可以任何合適的方式使用，例如在限定的界表面上覆蓋一層阻擋材料。將這樣一層阻擋元件施用在限定的界表面時(shí)，可通過刷涂，浸漬，絲網(wǎng)印制，蒸發(fā)等方式，或者通過使用液狀，漿狀或糊狀的阻擋元件，或者通過噴涂一種可蒸發(fā)的阻擋元件，或者通過簡單地沉積一層粒狀固體阻擋材料，或者通過使用阻擋元件的固體薄片或薄膜。放置好阻擋元件后，當(dāng)正在滲透的基質(zhì)金屬到達(dá)限定的界面并與阻擋元件接觸時(shí)，自發(fā)滲透則基本終止。
使用上述本發(fā)明的技術(shù)，可以將成型的金屬基質(zhì)復(fù)合體結(jié)合或整體連接到至少一種第二種或附加物體上。該物體可以含有陶瓷基質(zhì)體;陶瓷基質(zhì)復(fù)合體，即嵌入陶瓷基質(zhì)的填料;金屬體;金屬基質(zhì)復(fù)合體;和/或上述材料的組合體。由本發(fā)明生產(chǎn)的最終產(chǎn)品是一種大復(fù)合體，它含有至少一種由基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體進(jìn)行自發(fā)滲透所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該復(fù)合體結(jié)合或整體連接到至少一種由上述至少一種材料構(gòu)成的物體上。因此，本發(fā)明的最終產(chǎn)品實(shí)際上包括無數(shù)組合體和變體，其中自發(fā)滲透的金屬基質(zhì)復(fù)合體的一面或多面結(jié)合到至少一種至少含一種上述材料的物體上。
如例2，3和5所示，本發(fā)明所得在單一自發(fā)滲透步驟中形成多層大復(fù)合體。具體地講，熔融基質(zhì)金屬可以自發(fā)滲入與第二種或附加物體(如陶瓷體)接觸的填料或預(yù)型體。當(dāng)向填料或預(yù)型體的滲透達(dá)到填料或預(yù)型體與第二種或附加物體的交界處時(shí)，熔融基質(zhì)金屬，或單獨(dú)或與填料或預(yù)型體組合一起與第二種或附加物體發(fā)生相互作用，以使得在體系冷卻時(shí)金屬基質(zhì)復(fù)合體結(jié)合或整體連接到第二種或附加物體上。因此，采用例2，3和5中描述的技術(shù)，可以將多種第二種或附加物體放在填料或預(yù)型體中或其周圍，以致于當(dāng)熔融基質(zhì)金屬滲透填料或預(yù)型體并到達(dá)填料或預(yù)型體與第二種或附加物體的交界處時(shí)，一旦將體系冷卻至低于基質(zhì)金屬熔點(diǎn)及體系中所有其它物體的熔點(diǎn)，金屬基質(zhì)復(fù)合體和其它物體之間將會整體連接或結(jié)合在一起。
除了在自發(fā)滲透的金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種或附加物體之間形成牢固結(jié)合或整體連接外，本發(fā)明還提供了一種使第二種或附加物體處于金屬基質(zhì)復(fù)合體緊壓之下的技術(shù)。在另一種情況下，金屬基質(zhì)復(fù)合體處于第二種或附加物體的緊壓之下。因此，金屬基質(zhì)復(fù)合體可以至少部分含有另一種物體。如果金屬基質(zhì)復(fù)合體的熱膨脹系數(shù)大于所包含的第二種或附加物體，那么在從滲透溫度下冷卻時(shí)，金屬基質(zhì)復(fù)合物將使所含的物體處于壓緊狀態(tài)。在另一種情況下，金屬基質(zhì)復(fù)合體可以至少部分地在熱膨脹系數(shù)較其高的第二種或附加物體中形成。因此，冷卻時(shí)包含在第二種或附加物體內(nèi)的這部分金屬基質(zhì)復(fù)合體將處于第二種或附加物體的緊壓之下。
本發(fā)明的技術(shù)可適用于生產(chǎn)任意長度的連續(xù)大復(fù)合體鏈段。具體地講，本發(fā)明方法適用于連續(xù)生產(chǎn)，例如，其中的連續(xù)原料物流可以通過一個(gè)將基質(zhì)金屬加熱至其熔點(diǎn)以上溫度的爐;使基質(zhì)金屬在熔融狀態(tài)下保持足夠的時(shí)間，以使得熔融基質(zhì)金屬滲入預(yù)定體積的填料或預(yù)型體中;然后，隨著滲透的填料被冷卻(如從爐中移出)，基質(zhì)金屬冷卻至固化溫度，由此得到金屬基質(zhì)復(fù)合體。采用上述連續(xù)方法，金屬基質(zhì)復(fù)合體可結(jié)合到第二種材料上，后者再結(jié)合到另一種金屬基質(zhì)復(fù)合體上，后者再結(jié)合到另一第二種材料上，等等。熔融基質(zhì)金屬可以就地提供或通過來自如基質(zhì)金屬儲備源的第二物流連續(xù)向爐內(nèi)提供。此外，可以在大復(fù)合體鏈段的預(yù)定片段之間放置一層阻擋材料，如Grafoil
(本文描述過的)，以使鏈段在阻擋層處終至。
采用機(jī)械結(jié)合技術(shù)可以增強(qiáng)金屬基質(zhì)復(fù)合體與第二種或附加物體的整體連接或結(jié)合。具體地講，金屬基質(zhì)復(fù)合體或第二種或附加物體的一面或兩面上可以有與其結(jié)合或連接的具有相應(yīng)反形的物體表面相匹配的槽、洞、縫或其它表面不規(guī)則形狀。除了可能在金屬基質(zhì)復(fù)合體和第二種或附加的物體之間產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合外，這些相互匹配的不規(guī)律形狀也能產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合。這些結(jié)合或連接方式的組合產(chǎn)生了比通過單獨(dú)的結(jié)合或連接方式強(qiáng)得多的結(jié)合或連接。
本發(fā)明方法生產(chǎn)的產(chǎn)品可用于在工業(yè)上需要表面耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐損耗、耐熱應(yīng)力、耐摩擦和/或經(jīng)受住許多其它應(yīng)力的情況。因此，本申請要求和公開的方法可用于生產(chǎn)通過使用由金屬基質(zhì)復(fù)合體，陶瓷基質(zhì)復(fù)合體，金屬或其組合體構(gòu)成的表面而使其性能得以改善的工業(yè)產(chǎn)品。由于提供了制備具有性質(zhì)和特征均不相同的材料層的大復(fù)合體的技術(shù)，通過對本發(fā)明方法生產(chǎn)的大復(fù)合體進(jìn)行適當(dāng)加工，就可以滿足工業(yè)上的許多應(yīng)用，而這些應(yīng)用以前被認(rèn)為在使用常規(guī)材料的條件下是不實(shí)際，或是不可能的。具體地講，工業(yè)上要求物體的一部分經(jīng)受住一定的條件而另一部分經(jīng)受住不同的一套條件的情況現(xiàn)在通過使用兩種或多種不同類型的材料，使其形成具有工業(yè)品所需形狀的大復(fù)合體而得以實(shí)現(xiàn)。此外，通過使用本文描述的預(yù)型體和阻擋技術(shù)，在自發(fā)滲透后，經(jīng)極少或無需機(jī)加工就可得到完整或近乎完整形狀的大復(fù)合體。
因此，由本發(fā)明方法生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)際上具有無限的工業(yè)潛力，它們可以滿足許多目前在材料領(lǐng)域中最復(fù)雜的工程要求。
下面緊接著是實(shí)施例，其中包括了對本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方案。但是，應(yīng)該理解這些實(shí)施例是說明性的，不應(yīng)將其解釋為是對如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍的限定。
實(shí)施例1本例說明了下述方法是可行的，即使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入成型預(yù)型體，得到整體連接或結(jié)合到基質(zhì)金屬固體上的成型金屬基質(zhì)復(fù)合體。
參照圖1，將尺寸約為2×2×1/2英寸且約由5%硅，5%Mg，其余為鋁構(gòu)成的基質(zhì)金屬錠(2)放在尺寸約為2×2×1/2英寸的預(yù)型體(4)的頂部。預(yù)型體(4)是通過將來自Alcan的C-75未研磨鈣化氮化鋁與來自Bordon公司的Elmer′sWood膠混合制得的。Elmer′sWood膠的重量約為C-75未研磨鈣化氧化鋁重量的10%。向Elmer′sWood膠/氧化鋁混合物中加入足夠量的水，形成淤漿。將該淤漿充分混合后倒入一個(gè)橡膠模具內(nèi)。將橡膠模具和其內(nèi)含物放入一個(gè)凍結(jié)器中，直至模具中的材料完全凍結(jié)。此時(shí)，將凍結(jié)的預(yù)型體從橡膠模具中取出，令其干燥。
如圖1所示，將預(yù)型體(4)和基質(zhì)金屬錠(2)組合體件放在盛裝在氧化鋁耐火盤(6)(購自Bolt技術(shù)陶瓷公司)中的約1/2英寸厚HTC級二硼化鈦(購自聯(lián)合碳化物公司)層之頂部。向耐火盤(6)中再加入HTC級二硼化鈦，直至二硼化鈦床(8)的表面與基質(zhì)金屬錠(2)的上表面基本呈水平狀。
將由耐火船(6)和其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件放在處于室溫下的控制氣氛電阻加熱真空爐內(nèi)。在爐內(nèi)形成高真空(約1×10-4乇)，并在此真空下使?fàn)t溫從室溫升至約200℃。將爐與其內(nèi)含物在約200℃下保持約2小時(shí)，然后使混合氣(約96%(體積)氮?dú)猓?%(體積)氫氣)返充入爐內(nèi)，直至約達(dá)到1個(gè)大氣壓。保持連續(xù)的混合氣流量約為1000毫升/分鐘。在約10小時(shí)內(nèi)將爐溫升至約875℃，并于約875℃下保持約15小時(shí);然后在約5小時(shí)內(nèi)保護(hù)溫降至室溫。一旦達(dá)到室溫，就從爐內(nèi)取出組合件并將其分解。得到含有被基質(zhì)金屬滲透的氧化鋁預(yù)型體的金屬基質(zhì)復(fù)合體。如圖2所示，金屬基質(zhì)復(fù)合體(10)與過量殘留基質(zhì)金屬(12)整體結(jié)合在一起。
因此，本例說明了通過自發(fā)滲透制備出整體結(jié)合到一塊過量基質(zhì)金屬固體上的成型金屬基質(zhì)復(fù)合體是可能的。
實(shí)施例2本例說明了用基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料床生產(chǎn)一種大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬，它整體連接或結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體上。而后者又整體連接或結(jié)合到陶瓷體上。
如圖3所示，有四塊基質(zhì)金屬錠(14)，每塊尺寸約為2×1×1/2英寸，并含(以重量計(jì))3%硅，3%Mg，其余為鋁。將四塊錠(14)放在由Norton公司生產(chǎn)，已知商標(biāo)為38Alundum的90粒度(grit)氧化鋁材料上。90粒度的38Alundum床(16)被放在由Bolt技術(shù)陶瓷公司生產(chǎn)的氧化鋁耐火盤(18)中?；|(zhì)金屬錠(14)如圖3那樣排列。
將氧化鋁耐火盤(18)與其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件放在管式爐內(nèi)，其中混合氣(約96%(體積)氮?dú)猓?%(體積)氫氣)以300毫升/分鐘的流量流過。然后在約10小時(shí)內(nèi)將爐溫從室溫升至約1000℃，并在約1000℃下保持約10小時(shí);再于約6小時(shí)內(nèi)使其溫度降至室溫。
達(dá)到室溫后，從爐中取出組合件并分解之，得到含被基質(zhì)金屬滲透的90粒度38Alundum的金屬基質(zhì)復(fù)合體。該復(fù)合體與氧化鋁耐火盤(18)和過量基質(zhì)金屬整體連接或結(jié)合在一起。圖4是表示氧化鋁耐火盤(22)和金屬基質(zhì)復(fù)合體(24)之間交界處(20)的顯微照片。它說明了在金屬基質(zhì)復(fù)合體與氧化鋁耐火盤交界處實(shí)現(xiàn)了良好的連接或結(jié)合。盡管圖4未表示出來，但是在過量基質(zhì)金屬與金屬基質(zhì)復(fù)合體的交界處也有牢固的結(jié)合或很好的連接。不用機(jī)械加工就不能將過量基質(zhì)金屬除去這一事實(shí)證明了這種結(jié)合的存在。
圖5是對本例制成的金屬基質(zhì)復(fù)合體的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行高倍放大的顯微照片。如標(biāo)線(26)所示，大量氮化鋁在金屬基質(zhì)復(fù)合體內(nèi)形成。圖5中，深灰色處表示氮化鋁(26)，淺灰色處表示基質(zhì)金屬(28)，深色顆粒(30)表示90粒度的38Alundum。本例進(jìn)一步說明調(diào)整金屬基質(zhì)復(fù)合體的微觀結(jié)構(gòu)，使其含有不同的滲透氣氛與滲透基質(zhì)金屬之間的反應(yīng)產(chǎn)物是可能的。
本例說明通過自發(fā)滲透制備下述大復(fù)合體是可能的的該復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬，該金屬整體連接或結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體上，后者又整體連接或結(jié)合到一種陶瓷體上。本例進(jìn)一步說明通過使基質(zhì)金屬與滲透氣氛形成反應(yīng)產(chǎn)物，可以改良金屬基質(zhì)復(fù)合體的微觀結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3本例說明制備下述大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬，該金屬整體連接或結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體上，后者又依次整體連接或結(jié)合到陶瓷體上。
如圖6所示，將尺寸約為3×4×1/2英寸的市售氧化鋁板(32)(AD85，由Coors生產(chǎn))放在氧化鋁耐火盤(34)內(nèi)的約1/2英寸厚的90粒度氧化鋁材料(已知品名為38Alundum，由Norton公司生產(chǎn))層上面。再向耐火盤(34)中加入38Alundum，直至氧化鋁板(32)被約1英寸厚的38Alundum層覆蓋。將約由(以重量計(jì))5%硅，3%Mg，6%鋅，其余為鋁組成的兩條基質(zhì)金屬棒(36)放在位于氧化鋁板正上方的38Alundum的頂部。每根基質(zhì)金屬棒(36)的尺寸約為41/2×2×1/2英寸，并如圖6所示，一個(gè)疊放在另一個(gè)之上。然后再向耐火盤(34)中加入38Alundum，直至38Alundum床(38)的表面與上面的基質(zhì)金屬棒(36)的表面基本呈水平狀。
將由氧化鋁耐火盤(34)和其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件放在于室溫下的電阻加熱馬弗管式爐內(nèi)，并使混合氣(約96%(體積)氮?dú)猓?%(體積)氫氣)的連續(xù)流量達(dá)到約350毫升/分鐘。在約12小時(shí)內(nèi)使?fàn)t溫從室溫升至約1000℃;在約1000℃下保持約18小時(shí)后，使?fàn)t溫在約5小時(shí)內(nèi)降至室溫。
達(dá)到室溫之后，從爐內(nèi)取出組合件并分解之，圖7是表示從組件中取出的大復(fù)合體(40)的剖面之照片。具體地講，過量基質(zhì)金屬(42)整體連接或結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體(44)上，該復(fù)合體含由基質(zhì)含金嵌入的90粒度38Alundum并且依次整體連接或結(jié)合到陶瓷板(46)上。因此本例說明了形成這樣一種多層復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，在其正反面上粘結(jié)有陶瓷塊和固體金屬塊。本例進(jìn)一步說明了經(jīng)單一自發(fā)滲透步驟形成這種多層大復(fù)合體的可能性。
實(shí)施例4本例說明形成整體連接到固體基質(zhì)金屬上的金屬基質(zhì)復(fù)合體的可能性。
如圖8所示，用雙層15/1000英寸厚的GTB級石墨條產(chǎn)品(由聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)，以Grafoil
商標(biāo)出售)、制做尺寸約為6 1/2×6 1/2×2.5英寸的盒(48)。方法是將合適尺寸的Grafoil
片段安裝在一起，接縫處用由石墨粉(來自Lonza公司的KS-44級產(chǎn)品)和膠體氧化硅(Ludox HS，來自杜邦公司)混合成的淤漿密封。石墨與膠體氧化硅的重量比約為1/3。
將購自Alcan的名為C-75粗氧化鋁的未磨氧化鋁填料加到Grafoil盒中，直至氧化鋁填料床(50)約達(dá)1.25英寸厚。將尺寸約為61/2×61/2×1英寸，約由5%硅、5%Mg、5%鋅、其余為鋁構(gòu)成的錠(52)放在Grafoil盒(48)內(nèi)的氧化鋁填料床(50)之上。再將Grafoil盒(48)和其內(nèi)含物放在石墨耐火盤(54)內(nèi)的約1英寸厚的24粒度氧化鋁材料(名為38Alundum，由Norton公司生產(chǎn))層上面。向石墨盤中再加入24粒度38Alundum，直至24粒度38Alundum床(56)的表面略低于Grafoil盒(48)的頂部。
將由石墨耐火盤(54)及其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件放在處于室溫下的控制氣氛電阻加熱真空爐內(nèi)。然后在爐內(nèi)形成高真空(約1×10-4乇)，并在約45分鐘內(nèi)將爐溫升至約200℃。在真空條件下使?fàn)t溫保持在約200℃下約達(dá)2小時(shí)，然后用氮?dú)夥党淙霠t內(nèi)，直至達(dá)到約1個(gè)大氣壓。在爐內(nèi)建立流量約為1.5升/分鐘的連續(xù)氮?dú)饬?，并在約5小時(shí)內(nèi)將爐溫升至約865℃;在約865℃下約保持24小時(shí)后在約3小時(shí)內(nèi)使其降至室溫。
到達(dá)室溫后，從爐內(nèi)取出組合件并分解之。圖9是表示從組合件中取出的大復(fù)合體剖面的圖片。具體地講，圖9表示了一種金屬基質(zhì)復(fù)合體(58)，它含有整體連接到殘余基質(zhì)金屬體(60)上的、嵌入基質(zhì)金屬的C-75粗氧化鋁。
因此，本例說明了獲得下述大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體由整體結(jié)合到殘余基質(zhì)金屬上的金屬基質(zhì)復(fù)合物構(gòu)成。
實(shí)施例5本例說明制備下述大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬，該金屬與一種金屬基質(zhì)復(fù)合體整體連接或結(jié)合，而后者又與一種陶瓷體整體連接或結(jié)合。具體地講，陶瓷體和過量基質(zhì)金屬體與一種金屬基質(zhì)復(fù)合體整體連接或結(jié)合，而后者含有嵌在一種金屬基質(zhì)內(nèi)的立體陶瓷結(jié)構(gòu)。
如圖10所示，從紐約的Alfred高技術(shù)陶瓷公司購得約由純度為99.5%的氧化鋁構(gòu)成的，每英寸約有45個(gè)孔，規(guī)格為1×1.5×0.5英寸的陶瓷濾料(62)。將其放在氧化鋁盤(64)的底部，并且陶瓷濾料(62)的上面放有尺寸約為1×1×1/2英寸的基質(zhì)金屬錠(66)，該錠由約(以重量計(jì))5%硅、6%鋅、10%鎂，及余量鋁構(gòu)成。氧化鋁盤(64)由Bolt技術(shù)陶瓷公司的99.7%氧化鋁耐火粘土(BTC-AL-99.7%)構(gòu)成，其尺寸約為100mm長，45mm寬，19mm高，底厚為3mm。將由氧化鋁耐火盤及其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件于室溫下放在管式爐內(nèi)。關(guān)閉爐門，以約250毫升/分鐘的氣體流量向爐內(nèi)提供混合氣(約96%(體積)氮?dú)猓?%(體積)氫氣)。爐溫以約150℃/小時(shí)的速度升至約775℃;在約775℃下保持7小時(shí)后，再以約200℃/小時(shí)速度降至室溫。從爐內(nèi)取出組合件，并從中得到一個(gè)大復(fù)合體。切斷大復(fù)合體的金屬基質(zhì)復(fù)合體層，攝取其微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片。該照片如圖11所示。
如圖11所示，基質(zhì)金屬(68)有效地滲入了陶瓷濾料(70)的孔隙。而且如圖11中標(biāo)線(72)所表示，基質(zhì)金屬充分滲透到陶瓷濾料(70)的氧化鋁組分的孔隙內(nèi)。圖11還表示撂氧化鋁盤(76)底部和金屬基質(zhì)復(fù)合體(78)之間的交界處(75)。此外，盡管圖中未示出，但過量基質(zhì)金屬仍然整體連接或結(jié)合到與陶瓷件相對的，即相對于氧化鋁盤底部的金屬基質(zhì)復(fù)合體的一端上。
因此，本例說明了形成這樣的多層大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有過量基質(zhì)金屬體，該金屬體整體連接或結(jié)合到金屬基質(zhì)復(fù)合體上，而后者又整體連接或結(jié)合到陶瓷體上。
實(shí)施例6
本例說明經(jīng)一步自發(fā)滲入幾個(gè)預(yù)型體，制備下述大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有兩個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體，它們粘結(jié)在一基質(zhì)金屬薄層的正反兩面上。
用Norton公司生產(chǎn)的，已知商品名為38 Alundum
的220粒度氧化鋁材料和膠體氧化鋁(Nyacol AL-20)的混合體進(jìn)行沉積澆注，得到兩個(gè)預(yù)型體，每個(gè)尺寸約為7×7×0.5英寸。膠體氧化鋁與220粒度38 Alundum的重量比約為70/30。
將預(yù)型體干燥和定型之后，在每個(gè)預(yù)型體的一個(gè)表面上都涂敷一膠體氧化鋁糊(NyacolAL-20)薄層(約1/64英寸厚)。然后使兩個(gè)涂敷的表面接觸，使得兩個(gè)預(yù)型體之間夾著膠體氧化鋁。如圖12所示，將預(yù)型體(80)的組合件，包括膠體氧化鋁邊界層(81)在內(nèi)放在耐火盤(82)內(nèi)約1/2英寸厚的HCT級二硼化鈦(由聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn))層頂部。在預(yù)型體(80)的組合件上面放一塊尺寸約為7×7×1/2英寸的基質(zhì)金屬錠(84)，該錠約含(以重量計(jì))5%硅，5%鋅，7%Mg，2%銅，其余為鋁。再向耐火盤(82)中加入HCT級二硼化鈦，直至二硼化鈦床(86)的表面基本與基質(zhì)金屬錠(84)的上表面基本呈水平狀態(tài)。
將由耐火盤(82)及其內(nèi)含物構(gòu)成的組合件放入在室溫下的控制氣氛電阻加熱真空爐內(nèi)。使?fàn)t內(nèi)形成高真空(約1×10-4乇)，并在約45分鐘內(nèi)將爐溫升至約200℃。在真空條件下，保持約200℃爐溫約達(dá)2小時(shí)。在此2小時(shí)初次加熱時(shí)間之后，用氮?dú)夥党錉t內(nèi)，至約1個(gè)大氣壓，并在約5小時(shí)內(nèi)將爐溫升至約865℃。在約865℃下保持約18小時(shí)后，于約5小時(shí)內(nèi)將爐溫降至室溫。
到達(dá)室溫后，從爐內(nèi)取出組合件并分解之。圖13是從組合件中取出的大復(fù)合體的剖面照片。具體地講，有一層基質(zhì)金屬(88)夾在二個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體(90)之間，每個(gè)復(fù)合體含有嵌入基質(zhì)金屬的220粒度38Alundum(以及來自Nyacol膠體氧化鋁的殘物)。基質(zhì)金屬層(88)整體連接或結(jié)合到每個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體(90)上，由此形成大復(fù)合體。
本例說明了經(jīng)一次自發(fā)滲透制備這種大復(fù)合體的可能性。該復(fù)合體含有被一基質(zhì)金屬薄層整體連接或結(jié)合在一起的兩個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體。
權(quán)利要求
1.一種制備大復(fù)合體的方法，該方法包括提供至少一種待滲透的物體，該至少一種物體含有至少一種選自下述物質(zhì)的材料；基本非反應(yīng)性填料的疏松體和成型的基本非反應(yīng)性填料的預(yù)型體。使至少一種第二種或附加物體與上述至少一種物體相鄰并列或并列接觸；用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透至少部分上述至少一種物體，形成至少一種金屬基質(zhì)復(fù)合體；該復(fù)合體連接或粘結(jié)在上述至少一種第二種或附加物體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中上述至少一種第二種或附加物體含有基質(zhì)金屬，其含量使得在所說至少一種物體的自發(fā)滲透發(fā)生之后，上述大復(fù)合體含有整體連接或粘結(jié)到上述至少一種金屬基質(zhì)復(fù)合體上的殘余基質(zhì)金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的一種滲透氣氛至少在滲透的一段時(shí)間內(nèi)，與基質(zhì)金屬和填料或預(yù)型體中至少一種接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬，填料或預(yù)型體和滲透氣氛中至少一種提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬和填料或預(yù)型體中的至少一種物質(zhì)提供滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中至少一種物質(zhì)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)是由外界來源提供的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中至少在滲透的一段時(shí)間內(nèi)使至少部分填料或預(yù)型體與至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的一種物質(zhì)接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑是由滲透增強(qiáng)劑前體與至少一種選自滲透氣氛，填料或預(yù)型體和基質(zhì)金屬的物質(zhì)反應(yīng)形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，在滲透期間，滲透增強(qiáng)劑前體揮發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中揮發(fā)的滲透增強(qiáng)劑前體進(jìn)行反應(yīng)，在至少部分填料或預(yù)型體中形成反應(yīng)產(chǎn)物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中的反應(yīng)產(chǎn)物至少是可被上述熔融基質(zhì)金屬部分還原的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中的反應(yīng)產(chǎn)物至少涂敷在部分填料上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的滲透在限定的阻擋元件內(nèi)發(fā)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中的阻擋元件包括一種選自碳，石墨和二硼化鈦的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中的阻擋元件是基本不被上述基質(zhì)金屬潤濕的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中的阻擋元件至少含有一種使?jié)B透氣氛和至少一種基質(zhì)金屬，上述至少一種物體，滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的物質(zhì)相聯(lián)系的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的填料含有至少一種選自粉末，片，片晶，微球，晶須，泡，纖維，粒，纖維墊，切削纖維，球，球粒，管和耐火布中的物質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的填料在熔融基質(zhì)金屬中具有有限的溶解度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的填料至少含有一種陶瓷材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的基質(zhì)金屬含鋁，滲透增強(qiáng)劑前體至少含一種選自鎂，鍶和鈣的物質(zhì)，并且滲透氣氛含氮?dú)狻?br> 21.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的基質(zhì)金屬含鋁，滲透增強(qiáng)劑前體含鋅，并且滲透氣氛含氧。
22.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在填料和基質(zhì)金屬之間的界面上至少提供一種滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的物質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑前體在熔融基質(zhì)金屬中合金化。
24.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中基質(zhì)金屬含鋁和至少一種選自硅，鐵，銅，鎂，鉻，鋅，鈣，錳和鍶的合金元素。
25.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中在上述基質(zhì)金屬和填料或預(yù)型體中至少提供一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中向基質(zhì)金屬，填料或預(yù)型體和滲透氣氛中一種以上的物質(zhì)中提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中在自發(fā)滲透期間的溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)，但是低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度和填料的熔點(diǎn)。
28.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的滲透氣氛含有選自氧氣和氮?dú)獾囊环N氣體。
29.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑前體含有選自鎂、鍶和鈣中的一種物質(zhì)。
30.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的基質(zhì)金屬含有鋁，填料含有選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物中的一種物質(zhì)。
31.一種制備大復(fù)合體的方法，該方法包括提供至少一種待滲透的物體，該至少一種物體含有至少一種選自下述物質(zhì)的材料基本非反應(yīng)性填料的疏松體和含成型的基本非反應(yīng)性填料的預(yù)型體;將至少一種第二種或附加物體與上述至少一種物體相鄰并列或并列接觸;至少在滲透的部分時(shí)間，使基質(zhì)金屬和所述至少一種物體中的至少一種在滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的至少一種存在下，用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透至少部分所述至少一種物體，形成至少一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，該復(fù)合體整體連接或結(jié)合到所述至少一種第二種或附加物體上。
32.一種制備大復(fù)合體的方法，該方法包括提供至少一種待滲透的物體，該至少一種物體含有至少一種選自下述物質(zhì)的材料基本非反應(yīng)性填料的疏松體和含成型的基本非反應(yīng)性填料的預(yù)型體;將至少一種第二種或附加物體與上述至少一種物體相鄰并列或并列接觸;至少在滲透的部分時(shí)間，使基質(zhì)金屬和所述至少一種物體中的至少一種在滲透助劑的存在下，不使用壓力或真空用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲透至少部分所述至少一種物體，形成至少一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，該復(fù)合體整體連接或結(jié)合到所述至少一種第二種或附加物體上。
33.一種制備大復(fù)合體的方法，該方法是用一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透基本非反應(yīng)性填料體，其中的填料體與至少一種第二種或附加物體鄰近或接觸，由此得到一種金屬基質(zhì)復(fù)合體，該復(fù)合體整體連接或結(jié)合到所述至少一種第二種或附加物體上。
34.一種含金屬基質(zhì)復(fù)合體的大復(fù)合體，其中的金屬基質(zhì)復(fù)合體整體連接或結(jié)合到至少一種第二種或附加物體上。
35.一種大復(fù)合體，其中含有一種整體連接或結(jié)合到至少一種第二種或附加物體上的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該金屬基質(zhì)復(fù)合體是由熔融基質(zhì)金屬與填料或預(yù)型體在滲透增強(qiáng)劑存在下進(jìn)行接觸得到的。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含有陶瓷基質(zhì)復(fù)合體。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含有一種金屬體。
38.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含金屬基質(zhì)復(fù)合體。
39.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含陶瓷基質(zhì)復(fù)合體和金屬體。
40.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含陶瓷基質(zhì)復(fù)合體和金屬基質(zhì)復(fù)合體。
41.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述至少一種第二種或附加物體含金屬體和金屬基質(zhì)復(fù)合體。
42.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體含有嵌在鋁合金基質(zhì)金屬中的氧化鋁填料，并且所述至少一種第二種或附加物體含自支撐氧化鋁結(jié)構(gòu)和殘余鋁合金基質(zhì)金屬。
43.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體含嵌在鋁合金基質(zhì)金屬中的氧化鋁填料，并且所述至少一種第二種或附加物體含殘余基質(zhì)金屬。
44.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體含嵌在鋁合金基質(zhì)金屬中的三維內(nèi)連的氧化鋁結(jié)構(gòu)，并且所述至少一種第二種或附加物體含殘余基質(zhì)金屬和自支撐氧化鋁結(jié)構(gòu)。
45.一種大復(fù)合體，它含有被含鋁合金的粘結(jié)層連接在一起的二個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體，每個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體都含嵌在鋁合金基質(zhì)金屬內(nèi)的氧化鋁填料。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的大復(fù)合體，其中所述粘結(jié)層含有與所述基質(zhì)金屬的組成基本相同的鋁合金。
47.一種大復(fù)合體，它含有帶一個(gè)開口端的金屬基質(zhì)復(fù)合體容器，該容器的開口端由整體連接或結(jié)合到一層金屬上的框限定。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的大復(fù)合體，其中的金屬基質(zhì)復(fù)合體容器含嵌在鋁合金基質(zhì)金屬中的碳化硅填料，并且所述金屬層含鋁或鋁合金。
49.根據(jù)權(quán)利要求47或48的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體容器呈矩型盒形狀。
50.一種大復(fù)合體，其中含一種由嵌在鋁合金基質(zhì)金屬內(nèi)的碳化硅填料構(gòu)成的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該金屬基質(zhì)復(fù)合體被整體連接或結(jié)合到至少一根莫來石管上。
51.一種大復(fù)合體，其中含一種由嵌在鋁合金基質(zhì)金屬內(nèi)的碳化硅填料構(gòu)成的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該金屬基質(zhì)復(fù)合體被整體連接或結(jié)合到至少一根氧化鋁管上。
52.根據(jù)權(quán)利要求50或51的大復(fù)合體，其中至少部分所述至少一根莫來石管或所述至少一根氧化鋁管完全封閉在所述金屬基質(zhì)復(fù)合體中。
53.根據(jù)權(quán)利要求37，39或41中任一項(xiàng)的大復(fù)合體，其中所述金屬體含有一種選自高溫金屬合金，耐腐蝕金屬合金和耐磨損金屬合金中的金屬。
54.一種大復(fù)合體，它含有至少部分封閉在第二種或附加物體中的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該第二種或附加物體被整體連接或結(jié)合到所述金屬基質(zhì)復(fù)合體上并且選自金屬基質(zhì)復(fù)合體，陶瓷基質(zhì)復(fù)合體，陶瓷體和金屬體。
55.一種大復(fù)合體，它含有至少部分包圍或環(huán)繞第二種或附加物體的金屬基質(zhì)復(fù)合體，該第二種或附加物體選自金屬基質(zhì)復(fù)合體，陶瓷基質(zhì)復(fù)合體，陶瓷體和金屬體。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體的熱膨脹系數(shù)較所述第二種或附加物體高，所述第二種或附加物體處于所述金屬基質(zhì)復(fù)合體的壓縮應(yīng)力之下。
57.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合體或所述至少一種第二種或附加物體中的至少一種具有一定的預(yù)定形狀。
58.根據(jù)權(quán)利要求34的大復(fù)合體，其中所述大復(fù)合體具有一定的預(yù)定形狀。
59.一種大復(fù)合體，它含有互相整體連接或結(jié)合在一起而形成一種結(jié)構(gòu)的多個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體和第二種或附加物體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大復(fù)合體的制備，其方法是用熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體的可滲透體，并將自發(fā)滲透過的材料粘結(jié)到至少一種第二種材料(如陶瓷或含陶瓷體和/或金屬或含金屬物體)上。具體地講，至少在工藝過程的某一階段，將自發(fā)滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛與填料或預(yù)型體相聯(lián)系，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入填料或預(yù)型體。此外，在滲透之前，將填料或預(yù)型體與至少部分第二種材料接觸，以便在填料或預(yù)型體滲透之后，滲透的材料粘結(jié)到第二種材料上，形成大復(fù)合體。
文檔編號C22C47/08GK1042497SQ8910808
公開日1990年5月30日 申請日期1989年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月10日
發(fā)明者馬克·斯蒂文·約科克, 丹尼·R·懷特, 克里斯托弗·R·肯尼迪, 阿蘭·S·納吉爾伯格, 米歇爾·K·亞詹尼安, 羅伯特·J·威納 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司