專利名稱：金屬基質復合體的定向固化方法
技術領域：
本發明涉及新型金屬基質復合體及其制造方法。具體地講，在進行該方法期間的至少某一時刻于滲透增強劑和/或滲透增強劑前體和/或滲透氣氛存在下，熔融基質金屬合金自發地(即在不施加任何壓力或真空的條件下)滲透填料或預型體的可滲透體。此外，在形成金屬基質復合體期間或大體上接近于金屬基質復合體形成之時，進行基質金屬的定向固化。
含有金屬基質和加強或增強相(如陶瓷顆粒、晶須、纖維等)的復合產品對于許多應用顯示出廣闊的前途，因為它們具有增強相的部分剛性和耐磨性以及金屬基質的可延伸性和韌性。一般來說，金屬基質復合體與整塊基體金屬相比，將表現出在強度、剛性、接觸耐磨性和高溫強度保持性等性能方面的改進，但是對任何給出的性能可能被改進的程度主要取決于特定的組分，它們的體積或重量比，以及在形成該復合體中如何處理這些組分。在某些情況下，這種復合體在重量上還可能比基質金屬本身更輕。例如，用陶瓷(如顆粒、片晶或晶須狀的碳化硅)增強的鋁基復合體是令人感興趣的，因為相對于鋁而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強度。
許多冶金方法被介紹用于生產鋁基復合體，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和液體-金屬滲透技術為基礎的方法。采用粉末冶金技術時，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強材料混合，然后進行冷壓和燒結或進行熱壓。已報道出用這種方法生產的碳化硅增強的鋁基復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)。
利用常規工藝方法通過粉末冶金技術生產金屬基質復合體對可得到的產品的性能產生一定的限制。該復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際尺寸產生限制。在沒有后續加工(如成形或機械加工)或不借助于復雜壓制的條件下，只有可能產生相對簡單的產品形狀。再有，由于壓實體中的分凝和晶粒生長會造成顯微結構的非均勻性外，在燒結期間會發生不均勻收縮。
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復合體的方法，所說的復合體中結合有具有預定纖維取向模式的纖維增強材料，如碳化硅或氧化鋁晶須。這種復合體的制備是通過在一個具有熔融基質金屬(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。已報道出在這種復合體中增強纖維的填充量高達約50%(體積)。
鑒于上述滲透方法取決于施加在熔融基質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，需要提供復雜的板/儲池排列和流動通道，以實現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體積獲得較低量的增強材料，這是由于滲入一個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則取向的顆粒、晶須或纖維形式材料增強的鋁金屬基復合體。
在鋁基氧化鋁填充的復合體的制造中，鋁不能容易地潤濕氧化鋁，因此難于形成粘結產品。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，這些復合體在性能方面表現出各種變化，或者，所說的涂層會降低填料的質量，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克服了在生產鋁基氧化鋁復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的影響。
歐洲專利公報115，742敘述了通過用熔融鋁充填預成型的氧化鋁基質的孔隙來制造鋁-氧化鋁復合體的方法，這種鋁-氧化鋁復合體特別適用于電解池組分。該申請強調了鋁對氧化鋁的非潤濕性，因此采用各種方法來潤濕整個預型體中的氧化鋁。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)以促進潤濕。這一參考文獻還表示出施加壓力導致熔融鋁滲入未涂敷的基質中。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現。另一方面，這種預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型體的氣孔中，需要在真空或氬氣氣氛下進行熱處理，例如在1400～1800℃下進行處理。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合體中的損失。
在歐洲專利申請公報94353中還表示了使用潤濕劑來實現用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報敘述了用一個以陰極電流供給器作為電池襯里或基質的電池，通過電積法生產鋁的方法，為了保護這種基質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的熔融鋁中對氧化鋁基質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，而鈦為優選的潤濕劑。據描述，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，該參考文獻既沒有建議生產金屬復合物，也沒有建議，例如在氮氣氣氛中，形成這種復合體。
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，當真空壓強降低到低于10-6乇時，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到滲透的方法。該專利敘述了將一個Al B12粉末的冷壓塊放在一個冷壓鋁粉床上。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真空爐中。然后將該爐抽空到約10-5乇進行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時。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公開了在一個物體內產生自生真空以促進熔融金屬向該物體中的滲透的觀點。具體地說，將一物體，例如一個石墨模、一個鋼模或一個多孔耐久材料，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的氣體的模的空腔與外部的熔融金屬通過模中至少一個小孔相接觸，當這種模浸在熔體中時，空腔的充填在空腔中的氣體與該熔融金屬反應產生自生真空時發生。具體地說，這種真空是該金屬的固體氧化物形成的結果。因此，Reding等人公開了重要的是誘導空腔中的氣體與該熔融體之間的反應。但是，由于與模有關的固有限制，利用模具來產生真空可能是不理想的。首先必須將模具機加工成一個特殊的形狀;然后精加工，在該模上產生一個可行的鑄造表面;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，回收時很可能包括對模具表面進行再次精加工，如果該模不能再繼續使用的話，就將其放棄。將一個模具機加工成復雜的形狀是很貴的并且很費時間。另外，從一個復雜形狀的模具上取出形成的鑄件也是困難的(即，具有復雜形狀的鑄件在從模具中取出時會發生破裂)。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，因為在不使用容器模具時，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的條件(即，一般認為，這種顆粒材料放在熔融金屬中時，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型體時，應該引起注意的是這種滲透金屬至少不能置換顆粒或預型體的一部分，而導致不均勻的顯微結構。
因此，長期以來一直希望有一種簡單而又可靠的生產成型金屬基質復合體的方法，該方法不依靠使用壓力和真空(無論是外部施加的還是內部產生的)條件，或者損失潤濕劑來生產嵌在另一種材料如陶瓷材料中的一種金屬基質。另外;長期以來一直希望使生產金屬基質所需的最終機械加工量達最小。本發明通過提供一種用熔融基質金屬(如鋁)滲透一種材料(如陶瓷材料)的自發滲透機理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個預型體。這種自發滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮氣)存在下進行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強劑。
另外，已知定向固化通常有助于在金屬澆鑄法中，舉例來說，降低部件內的孔隙率和/或空隙，提高抗拉強度，改善微觀結構等。定向固化技術與本發明的自發滲透機理相結合便可提供新型金屬基質復合體。
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復合材料的方法(以下有時稱“共同所有的金屬基質專利申請”)。
在1987年5月13日，以White等人的名義提交的，現已在美國審定的題目為“金屬基質復合體”的共同所有美國專利申請系列號049，171的申請中，公開了一種生產金屬基質復合材料的新方法。根據White等人的發明的方法，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)體來生產金屬基質復合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發地發生滲透。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)氮氣的氣體存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮氣外，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)基質復合體。當所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強填料的固體金屬基質結構。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進行到填料體的邊緣。根據White等人的發明生產的鋁基復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到1∶1以上。
在上述White等人發明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個鋁基體中的不連續相。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，通過控制反應體系因素的一個或多個，可能調節這種復合體的某些性能。但是，對于某些實際應用來說，可能希望這種復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等人的發明提供了平衡滲透動力學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復合體的方法”的共同所有美國專利申請系列號為141，624的申請中，敘述了一個適用于形成金屬基質復合體的阻擋元件的例子。根據Aghajanian等人的發明方法，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品)放置于填料的限定界表面，并且基質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復合體提供了基本的或大致的形狀。因此，所形成的金屬基質復合體具有一個基本符合于該阻擋元件內部形狀的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質復合體及其生產方法”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行改進，根據在該美國專利申請中公開的方法，基質金屬以一個第一金屬源和一個例如由于重力流動與該第一金屬源相聯的基質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復合體。這種第一熔融基質金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當自發滲透繼續進行時，可以從所說的熔融基質金屬儲備源進行補充，這種補充最好通過一個連續方式進行。當所需量的可滲透填料已被這種熔融基質合金自發滲透時，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填料的固體金屬基質結構。應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明的一個實施方案，并不是在所述的發明的每個其它實施方案中都必須采用該金屬儲備源，但是將本發明儲備源用于部分實施方案中還是有利的。
這種金屬儲備源應提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預定的程度。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側面接觸，以限定出一個表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質合金應至少足以使自發滲透基本進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超過這個這個足夠量，以使得不僅有足夠是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復合體相連。因此，當過量的熔融合金存在時，所得到的物體將是一個復雜的復合體(例如，一個大復合體)，其中具有金屬基質的滲透陶瓷體將會直接粘結到該儲備中剩余的過量金屬上。
每個上述討論的共同所用的金屬基質專利申請都敘述了生產金屬基質復合體的方法和由此生產的新型金屬基質復合體。將所有上述共同所有的金屬基質專利申請的公開內容結合在此以供參考。
通過用熔融基質金屬自發滲透填料(例如陶瓷材料或陶瓷涂敷材料)或預型體的可滲透體可制成金屬基質復合體。該填料被容納在適宜的模具或阻擋元件之中或在其中成形。另外，至少在進行該方法期間的某一時刻，滲透增強劑前體和/或滲透增強劑和/或滲透氣氛與填料或預型體相聯系，這樣便使熔融基質金屬自發滲透填料或預型體的可滲透體。于金屬基質復合體形成后的某一時刻，對該復合體進行定向固化處理可使金屬基質復合體的性能得到提高。
在一優選實施方案中，填料中可以包含滲透增強劑前體在內。隨后，填料可以與滲透氣氛接觸以便在至少一部填料中形成滲透增強劑。這樣一種滲透增強劑可以先于或大體上接近于熔融基質金屬與填料相接觸之時形成。此外，滲透氣氛可以在幾乎整個自發滲透過程期間被提供從而與填料相聯系，作為代替方法，可以只在自發滲透過程中的某一部分時間使其與填料和/或基質金屬相聯系。最后，必要的是至少在自發滲透期間，滲透增強劑應該位于至少一部分填料之中。
此外，在另一優選實施方案中，是將滲透增強劑直接供給至少填料和/或基質金屬和/或滲透氣氛三者之一而不是將滲透增強劑前體供給填料。最后，至少在自發滲透期間，滲透增強劑應該位于至少一部分填料之中。
應注意的是本申請主要討論鋁基質金屬，它在金屬基質復合體形成期間的某一時刻，在用作滲透氣氛的氮存在下與用作滲透增強劑前體的鎂相接觸。因此，鋁/鎂/氮這一基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系便會發生自發滲透。然而，其它基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系也會以類似于鋁/鎂/氮體系的方式發生滲透。舉例來說，在鋁/鍶/氮體系、鋁/鋅/氧體系以及鋁/鈣/氮體系中，經觀察發現均發生了類似的自發滲透現象。因此，雖然本文主要討論鋁/鎂/氮體系，但是應該理解其它基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系也會具有類似的行為并且可被包括在本發明范圍之內。
當基質金屬含有鋁合金時，鋁合金與填料或含有填料(例如氧化鋁或碳化硅)的預型體相接觸，所述填料與鎂混合和/或在該過程期間的某一時刻受到鎂的作用此外，在一優選實施方案中，至少在該過程的一部分時間內，鋁合金和/或填料或預型體被容納在氮氣氣氛之中。填料或預型體將被自發滲透，進行自發滲透與金屬基質形成的程度或速率將隨著給定的加工條件變化，舉例來說，這些加工條件包括被提供給體系(例如，處于鋁合金和/或填料和/或滲透氣氛之中)的鎂的濃度、填料中顆粒的大小和/或組成、滲透氣氛中氮的濃度、滲透時間和/或滲透溫度。自發滲透典型地達到足以基本上完全嵌入填料或預型體的程度。
另外，業已發現通過利用定向固化可以使經過自發滲透的金屬基質復合體的微觀結構、進而使其特性得到改善。具體地說，一旦完成填料的自發滲透和/或大體上接近于完成自發滲透，便可以采用至少位于該復合體一側的加熱裝置和/或位于復合體一側的冷卻裝置二者之一。如果加熱裝置與冷卻裝置同時被用于復合體，那么它們應該大體上位于彼此相對的復合體的端部。通過自發滲透方法而形成并且經過定向固化的金屬基質復合體與通過類似技術制成但是未經過定向固化的金屬基質復合體相比具有改進的微觀結構。舉例來說，其微觀結構會更加均勻并且呈現較少的空隙空間或較低的孔隙率等。這一改進的微觀結構會導致包括較大的抗張強度、較高的斷裂韌性等在內得到增強的機械性能。
適用于完成直接固化的冷卻裝置的具體實例包括冷卻板;隨后由加熱爐中撤離至少部分地形成的金屬基質復合體;和/或使至少部分地形成的金屬基質復合體與至少一種流態化裝置接觸。適用于定向固化的加熱裝置的具體實例包括加熱板、“熱頂”等。下面更詳細地討論本發明的各種具體實施方案。
定義本文所述“合金側”是指于熔融金屬滲透預型體或填料之前金屬基質復合體與熔融金屬經過初次接觸的那一側。
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”的意思是除構成所說滲透氣氛的主要氣體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金屬反應的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應不足以使所用的基質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金屬超過可滲透填料體或預型體表面邊界的移動、運動等，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(即，阻擋材料沒有揮發到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當的材料、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動的熔融基質金屬潤濕的材料。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型體的限定界面的運動。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質復合產物的一部分表面。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金屬接觸。
在此所用的“構架”或“基質金屬構架”是指任何在所說的金屬基質復合體形成期間沒有被消耗掉的原始基質金屬殘余物，并且在典型情況下如果將其復合體相接觸的形式保留下來。應該理解為這種構架還可以典型地包括第二種或外來金屬。
本文所述的“熱頂”是指將一種物質放置于至少部分地形成的金屬基質復合體一端(“頂”端)，該物質至少與基質金屬和/或填料和/或另一種被供給這一頂端的材料三者之一發生放熱反應。這一放熱反應應該提供足夠的熱量以保持頂端的基質金屬處于熔融狀態而與此同時復合體中的其余基質金屬則冷卻至固化溫度。
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金屬反應和/或在所說基質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碳免受腐蝕。填料還可以包括以任何所需構型存在的金屬。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質金屬和/或預型體(或填料)和/或滲透增強劑前體和/或滲透增強劑相互作用并且使或促進所用的基質金屬發生自發滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強劑”是指一種能促進或有助于一種基質金屬自發滲透到一種填料或預型體中的材料。滲透增強劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強劑前體與滲透氣氛反應形成(1)一種氣體物質和/或(2)該滲透增強劑前體和滲透氣氛的反應物和/或(3)該滲透增強劑前體和填料或預型體的反應物。另外，這種滲透增強劑可能直接向預型體和/或基質金屬和/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反應而形成的滲透增強劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發滲透期間，至少該滲透增強劑應放在至少一部分所用的填料或預型體中，以完全自發滲透。
此處所用的“滲透增強劑前體”是指這樣一種材料，當使其與基質金屬、預型體和/或滲透氣氛相結合使用時能形成促使或有助于基質金屬自發地滲透填料或預型體的滲透增強劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對于滲透增強劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強劑前體能夠被定位于或可移動至允許與滲透氣氛和/或預型體或填料和/或金屬發生反應的部位。舉例來說，在某些基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系中，對于滲透增強劑前體來說，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金屬熔融溫度下揮發。這一揮發過程可以導致(1)滲透增強劑前體與滲透氣氛發生反應形成一種有助于基質金屬潤濕填料或預型體的氣態物質;和/或(2)滲透增強劑前體與滲透氣氛反應生成處于至少一部分填充物或預形體之中、有助于潤濕的固態、液態或氣態滲透增強劑;和/或(3)滲透增強劑前體與填料或預型體反應，該反應形成處于至少一部分填充料或預型體之中、有助于潤濕的固體、液態或氣態滲透增強劑。
此處所用的“基質金屬”或“基質金屬合金”是指用于形成金屬基質復合體(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復合體(例如，于滲透之后)的金屬。當指定某一特定金屬為基質金屬時，應該理解為該基質金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質和/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“基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系”或“自發體系”是指能夠自發地滲透到預型體或填料之中的材料組合體。應該理解的是無論在供列舉的基質金屬、滲透增強劑前體和滲透氣氛之間何時出現“/”，“/”均被用于表示當以某一特定方式組合而成之時便能夠自發滲透進入預型體或填料體系或組合體。
本文所述的“金屬基質復合體”或是“MMC”指包含嵌入預型體或填料的二維或三維互連合金或基質金屬的材料。該基質金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復合體具有特別需要的機械物理特性。
“不同于”基質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金屬相同的金屬(例如，若基質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)。
“用于容納基質金屬的非反應性容器”是指能夠在加壓條件下容納或包含填料(或預形體)和/或熔融基質金屬并且不與基質金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強劑前體和/或填充物或預形體以可能嚴重妨礙自發滲透機理的方式而發生反應的任何容器。
本文所述的“預型體”或“可滲透預型體”是指組成后具有至少一個表面界面的多孔狀填料體或填充物體，其中表面邊界基本上限定了滲透基質金屬的邊界，該多孔狀物質在被基質金屬滲透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強度從而達到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質應該具備足夠高的多孔性以便使基質金屬能夠自發地滲透進去。預型體典型地包含結合排列而成的填料，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)。預型體可以單獨地存在或以集合體的形式存在。
本文所述的“儲備源”是指一個基質金屬的分離體，其所處的位置與填料物質或預形體相關聯，這樣，當金屬熔化時，它可以流動以便補充與填料或預形體相接觸的基質金屬部分或源，或者是在某些情況下開始時先進行提供隨后進行補充。該儲備源還可以用于提供不同于基質金屬的金屬。
本文所述的“自發滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內部產生)的條件下基質金屬向填料或預型體的可滲透部分所產生的滲透現象。
提供下列附圖以有助于理解本發明，但是并非意味著對本發明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號數表示同一組分，其中

圖1為用于實施例1中以便完成第一預型體自發滲透的材料的截面圖。
圖2為被用于實施例1中以便完成第二預型體自發滲透的材料的截面圖。
圖3為基質金屬自發滲透預型體之后圖2所示材料的截面圖。圖3還展示了用于實施例1的定向固化組合體。
圖4為被用于實施例2中以便完成填料自發滲透的材料的截面。
圖5a和5b為經過非定向固化、含有氧化鋁纖維的金屬基質復合體的光學顯微照片。
圖6a和6b為經過定向固化、含有氧化鋁纖維的金屬基質復合體的光學顯微照片。
圖7為經過加熱爐非定向固化、含有氧化鋁纖維的金屬基質復合體的光學顯微照片。
圖8為經過定向固化、含有氧化鋁纖維的金屬基質復合體的光學顯微照片。
本發明的初始步驟是選擇適宜的材料組合以便完成自發滲透(例如，選擇基質金屬和/或填料或預型體、滲透增強劑和/或滲透增強劑前體、合金組分(必要的話)和/或滲透氣氛)。本發明利用了由于材料組合而產生的協合效應進行自發滲透。待選擇適宜材料的組合與完成自發滲透之后，填料的滲透體或經過滲透的預型體在此之后(或基本上與滲透同時)借通適宜的定向固化技術被定向固化。下文討論適合與自發滲透技術結合使用的具體定向固化技術。
為了使基質金屬自發地滲透填料或預型體，應該將滲透增強劑加至自發體系之中。滲透增強劑可以由滲透增強劑前體形成，它可以(1)在基質金屬中;和/或(2)在填料的可滲透體或預形體中和/或(3)由滲透氣氛;和/或(4)由外界來源被提供給自發體系。此外，除了提供滲透增強劑前體以外，還可以直接向填料或預形體、和/或基質金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強劑。歸根結底，至少在自發滲透期間，滲透增強劑應該位于至少一部分填料或預型體之中。
在一優選實施方案中，滲透增強劑前體可能至少是部分地與滲透氣氛反應使得在先于或基本上接近于填料或預型體與基質金屬接觸之時在至少一部分填料或預型體中形成滲透增強劑(例如，若鎂是滲透增強劑前體而氮為滲透氣氛的話，那么滲透增強劑則可以是位于至少一部分預型體或填料之中的氮化鎂)。
基質金屬/滲透增強劑前體/滲透氣氛體系的實例為鋁/鎂/氮體系。具體地講，可將鋁基金屬裝在一個在工藝條件下鋁被熔化時不會與鋁基金屬和/或填料反應的適宜的耐火容器之中。隨后，填料或預型體與熔融鋁基金屬接觸并且被自發滲透。
在本發明方法所選用的條件下，在鋁/鎂/氮自發滲透體系的情況下，預型體或填料應該具備足夠的可滲透性以便于含氮氣體在過程進行期間某一時刻穿透或滲透填料和/或與熔融基質金屬接觸。此外，可滲透填料或預型體能夠適應熔融基質金屬的滲透，從而使得被氮氣滲透的填料或預型體被熔融基質金屬自發滲透從而形成金屬基質復合體和/或使氮氣與滲透增強劑前體反應從而在填料或預型體內形成滲透增強劑并且導致自發滲透。自發滲透的程度或速率以及金屬基質復合體的形成將隨著給定的工藝條件而發生變化，這些條件包括鋁合金中的鎂含量、預型體或填料中的鎂含量、預型體或填料中的氮化鎂含量、附加合金元素(例如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在構成預型體的填料或填料的平均粒度(例如粒徑)、填料或預型體的表面狀況和類型、滲透氣氛中的氮濃度、滲透時間和滲透溫度。舉例來說，對于熔融鋁基金屬所進行的自發滲透來說，鋁可以與以合金重量為基準計至少大約1%(重)、以至少大約3%(重)為佳的鎂(起著滲透增強劑前體的作用)形成合金。如上所述，基質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鋁金屬中進行自發滲透填料或預型體所需的最低鎂量。由于，舉例來說，揮發所造成的鎂損失不應該發展到沒有用于形成滲透增強劑的鎂這一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保證自發滲透不會受到揮發作用的不利影響。再說，當鎂同時存在于預型體(或填料)與基質金屬之中或者僅存在于預型體(或填料)中時均會使進行自發滲透所需的鎂量有所減少(下文將對此作更詳細的討論)。
氮氣氛中氮的體積百分比同樣會對金屬基質復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，自發滲透就會非常緩慢或者幾乎未發生自發滲透。業已發現，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，滲透時間由于滲透速率大大加快而更加短暫。滲透氣氛(例如含氮氣體)可被直接提供給填料或預型體和/或基質金屬，或者它可以由某一材料分解而成。
熔融基質金屬滲透填料或預型體所需的最低鎂量取決于一種或多種諸如加工溫度、時間、輔助合金元素如硅或鋅的存在、填料的性質、在一種或多種自發體系中鎂所處的位置、氣氛中氮含量以及氮氣氛的流動速率之類的變量。隨著合金和/或預型體的鎂含量增加，可以選用更低的溫度或更短的加熱時間以實現完全滲透。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，當基質金屬的鎂含量處于可操作范圍下端例如大約1～3%(重)的時候，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。當預型體中未加鎂時，以通用性為基礎，在寬范圍的加工條件下合金以含有大約3～5%(重)鎂為佳，當選用較低溫度和較短時間時以至少大約5%為佳。可以采用超過大約10%(鋁合金重量)的鎂含量以調節滲透所需溫度條件。當與輔助合金元素結合使用時可以降低鎂含量，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，業已發現硅有助于滲透過程。再舉一個例子，如果鎂僅僅被提供給預型體或填料，其數量會有所改變。已經發現，當被供給自發體系的全部鎂中至少有一部分被置于預型體或填料中時，自發滲透將借助較低重量百分率所供給的鎂進行。必要的是提供轉少量的鎂以防止在金屬基質復合體內形成不必要的金屬互化物。在碳化硅預型體的情況下，業已發現，當該預型體與鋁基質金屬接觸時，在該預型體含有至少約1%(重)鎂和有基本上純的氮氣氛存在條件下，基質金屬自發滲透該預形體。在氧化鋁預型體的情況下，實現可被接受的自發滲透所需鎂量稍有增加。具體地說，業已發現，當氧化鋁預型體與類似鋁基質金屬接觸時，在大約與鋁滲透碳化硅預型體相同的溫度以及有相同氮氣氛存在的條件下，需要至少約3%(重)鎂實現與上述在碳化硅預型體中類似的自發滲透。
同樣應該注意的是在基質金屬滲入填料或預型體之前可以將滲透增強劑前體和/或滲透增強劑以置于合金表面和/或預型體或填料表面和/或置于預型體或填料之中的方式提供給自發體系(即不必使被提供的滲透增強劑或滲透增強劑前體與基質金屬形成合金，而是被簡單地提供給自發體系)。如果將鎂施用于基質金屬表面，則該表面優選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這種鎂混合于至少一部分預型體或填料之中。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形體中三種應用方式的某一組合形式。這一應用滲透增強劑和/或滲透增強劑前體的組合方式不僅能夠減少促進基質鋁金屬滲透預型體所需鎂的總重百分比，同時還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠將由于存在鎂而形成的不需要的金屬互化物數量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應用以及周圍氣體中氮的濃度同樣會對在給定溫度下進行的基質金屬的氮化程度產生影響。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，但是提高氣體中氮氣的濃度可用于促進氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結合于填料或預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行滲透。在下列情況下進行本發明的自發滲透方法所需溫度較低(1)當只有合金的鎂含量增加例如達到至少5%(重)左右時;和/或(2)當合金成分與填料或預型體的可滲透部分混合時;和/或(3)當鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，自發和漸進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，當溫度超過1200℃時似乎對該工藝過程不會產生任何益處，業已發現，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規律，自發滲透溫度高于基質金屬的熔點但是卻低于基質金屬的揮發溫度。此外，自發滲透溫度應該低于填料的熔點。再說，隨著溫度升高，基質金屬與滲透氣氛之間相互反應形成產物的傾向性也會有所增強(例如，在鋁基質金屬與氮滲透氣氛的情況下，會形成氮化鋁)。這類反應產物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質復合體的目的應用。另外，電阻加熱是達到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質金屬熔化卻對自發滲透不會產生不利影響的加熱方式均適用于本發明。
在本方法中，舉例來說，至少是在該工藝過程期間的某一時刻在含氮氣體存在下使可滲透的填料或預型體與熔融鋁相接觸，通過保持一連續的氣流提供含氮氣體，使其與填料或預型體和/或熔融鋁基質金屬中的至少一種相互接觸。雖然含氮氣體的流量并非至關重要，但是該量以足以補償由于合金基質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空氣侵入從而對熔融金屬產生氧化效果為佳。
形成金屬基質復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合金、工藝條件、熔融基質合金與填料的反應能力以及目的復合體產物應具備的特性之類因素。舉例來說，當基質金屬為鋁時，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金屬反應，這可以通過最大限度地縮短滲透時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涂層來加以調節。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。纖維可以是不連續的(被切斷)或以連續單位如多絲束的形式存在。此外，填料或預型體可以是均相的或非均相的。
業已發現的還有，某些填料相對于具備類似化學組成的填料，其滲透性有所增強。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)所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對于市售氧化鋁產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，業已發現，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碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時間內進行。
填料可以呈現達到復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，較小顆粒進行完全滲透需要更高的溫度或更長的時間，但是材料的大小并不限制滲透。此外，有待滲透的填料(被加工成預型體)應該是可滲透的(即可被熔融基質金屬和滲透氣氛所滲透)。
本發明的形成金屬基質復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進入預型體填料之中從而產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復合體。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的結構，通過將填料壓實或以其它方式進行致密處理同樣會獲得體積百分比較高的填料。對于按照本發明所進行的熱成形來說，填料的體積百分比以40～50%為佳。當體積百分比在此取值范圍內時，經過滲透的復合體保持或基本保持其形狀，這樣有助于進行二次加工。可以選用更高或更低的顆粒含量或體積百分比，然而，這要取決于熱成形后所需的目的復合體含量。此外，可以與本發明的熱成形方法相關聯，采用降低顆粒含量的方法實現較低的顆粒含量。
已經觀察到對于在陶瓷填料周圍發生的鋁滲透和基質形成來說，鋁基質金屬對陶瓷填料的潤濕在滲透機理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計或極少量金屬的氮化導致有極少量不連續相的氮化鋁分散于金屬基質之中。然而，當溫度達到上限時，金屬的氮化更容易發生。因此，可以通過改變滲透溫度來控制金屬基質中氮化物相的數量。當氮化物的形成更為明顯時的特定加工溫度同樣會隨著下列因素發生變化，這些因素有如所使用的基質鋁合金，及其相對于填料或預型體體積的數量、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，能使金屬基質的組成在產生復合體的過程中賦予所得到的產物以特定的特性。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。含有氮化鋁相的復合體產物具有對于產物的性能起促進作用或能夠改善產物性能的特性。此外，鋁合金進行自發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復合體那么滲透溫度可以超過1000℃。當選用碳化硅作為填料時，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，可以使用一種基質金屬儲備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質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金屬。例如，如果鋁合金用做第一基質金屬源，那么實質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，只要混合時間適當，儲備源金屬就會與第一基質金屬源混合。所以，通過使用不同于第一基質金屬源組成的儲備源金屬，就可能使金屬基質的性能滿足各種操作要求，由此調節金屬基質復合體的性能。
本發明中也可以結合使用阻擋元件。具體地講，應用本發明的阻擋元件可以在任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運動等的元件。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滲透或任一其它類型的運動，在本發明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發，最好能使過程中使用的氣體滲透。阻擋元件可用于自發滲透中，或用于在自發滲透金屬基質復合體熱成型時所使用的任何模具或其它固定裝置中。對此更詳細的描述見下文。
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合金潤濕的材料構成。這種阻擋元件對熔融基質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型體的限定界表面的運動。阻擋元件可縮短金屬基質復合體產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合金接觸。
特別適用于鋁基質合金的阻擋元件含有碳，尤其是稱為石墨的同素異形結晶碳。在上述加工條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金濕潤。特別優選的石墨是一種以商標為Grafoil (注冊在“聯合碳化物公司”名下)銷售的石墨條產品。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選的。使用時，這種象紙一樣的石墨只是簡單地被固定在填料或預型件的周圍。
另一種較好的、用于在氮氣中的鋁金屬基質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，加工溫度不應超過約875℃;否則阻擋元件就會失效。事實上，隨著溫度的增加，會發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先成型，組成預型件。
另一種可用于在氮氣中的鋁金屬基質合金的阻擋元件由低揮發性的有機化合物構成，它以膜或層的形式涂敷在填料或預型件的外表面上。在氮氣中燒成時，特別是在本發明的加工條件下燒成時，有機化合物分解，留下一層碳黑膜。也可以用常規方法，如刷涂，噴涂或浸漬等涂敷這種有機化合物。
此外，只要經過細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，可通過刷涂，浸漬，絲網印制，蒸發等方式，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，當正在滲透的基質金屬到達限定的界面并與阻擋元件接觸時，自發滲透則基本終止。
一旦實現所需程度的自發滲透或者在自發滲透期間(例如，在基本上接近于自發滲透完畢的時刻)，使用定向固化金屬基質復合體的裝置。可以使用各種適用于定向固化金屬基質復合體的裝置，其中包括“熱頂”至少一個金屬基質復合體表面的裝置;和/或使金屬基質復合體的表面與諸如激冷板之類固定散熱片相接觸的裝置;和/或使金屬基質復合體與(靜態或動態)流體接觸或依次將其浸漬于該流體中的裝置;和/或順序地由爐中移出所形成的金屬基質復合體的裝置等。通過以單獨或組合的方式利用一種或多種這些定向固化技術，可以提高通過自發滲透生產的金屬基質復合體的性能。舉例來說，金屬基質復合體與類似地形成、未經定向固化的金屬基質復合體相比具備改進的微觀結構(例如更加均勻);微觀結構中空隙空間或孔隙率有所下降;更大的抗拉強度等。如圖5a和5b以及圖6a和6b所示，含有纖維的金屬基質復合體經過定向固化可以降低其中的孔隙率并且形成更為均勻的微觀結構。此外，如實施例1所示，經過定向固化的纖維增強金屬基質復合體與類似的、未經定向固化的復合體相比具備更大的抗拉強度。
具體地說，圖5a、5b、6a和6b為含有氧化鋁纖維的金屬基質復合體的光學顯微照片。每一組圖展示了在兩個層次上放大得到的顯微照片。圖5a和5b中的顯微照片展示經過爐冷卻、即未經定向固化的金屬基質復合體的樣品。
如圖5a和5b中標記線80所示，未經定向固化的金屬基質復合體呈現沒有基質金屬的孔隙或空隙區域。與此相反，由圖6a和6b很容易看出，經過定向固化的金屬基質復合體含有大體上較低孔隙率或較小的空隙空間。此外，圖6a和6b所示金屬基質復合體與圖5a和5b所示金屬基質復合體相比具備更均勻的微觀結構。具體地講，這一均勻性的提高可通過基質金屬中纖維的更大的分散性得到證明。
申請人相信實施例1所述經過定向固化的金屬基質復合體在抗拉強度方面的增強至少部分地由于金屬基質復合體定向固化后形成的孔隙率或空隙空間減少的緣故。具體地說，孔隙率或空隙空間減少了金屬基質復合體內承載面積從而降低了復合體的抗拉強度。這樣孔隙率或空隙空間的減少使金屬基質復合體內承載面積的增大進而使其抗拉強度得到相應的增強。
圖7和8也是含有氧化鋁纖維的兩個金屬基質復合體的光學顯微照片。圖7展示未經過定向固化的金屬基質復合體的微觀結構，而圖8展示經過定向固化的金屬基質復合體的微觀結構。事實上，圖8展示在實施例1中經過定向固化的金屬基質復合體的微觀結構。圖7中的標記線84指示金屬基質復合體中多孔或空隙空間的區域。查閱圖8可以看出多孔或空隙空間的區域基本上有所減少或被消除。因此，圖7和8進一步證實通過基質金屬自發滲透填料或預型體制成的金屬基質復合體經定向固化可以降低孔隙率或減少空隙空間并且使其微觀結構更加均勻一致。
雖然本文討論的許多定向固化裝置均被描述為直接地接觸成形的金屬基質復合體的裝置，但是應該理解這些內容僅僅供列舉說明之用，在定向固化期間該復合體通常被容納于至少一個適宜的耐火容器內。因此，當某一特定定向固化裝置被描述為接觸復合體的某一特定部分的裝置時，應該理解定向固化裝置實際上可以與最接近于復合體所述部分的組裝件的一端相接觸。下列實施例描述了含有金屬基質復合體的組裝件的定向固化。然而，這些實施例應被視作供列舉說明之用不應視作如附在后面的權利要求書那樣構成對本發明范圍的限制。
實施例1下列實施例演示利用定向固化技術與通過自發滲透形成金屬基質復合體的新方法相結合以便得到與借助類似自發滲透技術而未經定向固化得到的金屬基質復合體相比具備優越的抗張強度的金屬基質復合體。
在氮氣氛存在下，借助含有鎂的熔融市售鋁合金滲透下文稱作預型體1號、尺寸約為5×5×0.8英寸的多孔預型體。該預型體由大約12%(體積)氧化鋁纖維(至少90%(重)氧化鋁纖維為由杜邦公司生產的纖維FP)組成，該氧化鋁纖維與膠體氧化鋁結合在一起。膠體氧化鋁/纖維重量之比約為1/4，其余預型體體積為互連的多孔部分。預型體的滲透可通過下列段落所述步驟進行。
如圖1所示，將由Norton公司生產的24粒度氧化鋁材料(17)的厚度約為1英寸的層置于石墨舟皿(10)的底部。將由聯合碳化物公司生產并以商標Grafoil 出售的厚度為15/1000英寸、品位GTB石墨帶形產物制成的盒子(12)置于被容納于石墨舟皿(10)內的厚度為1英寸的Alundum (17)層的頂部。通過將尺寸適宜的Grafoil 交接段片固定在一起隨后用通過混合石墨粉(品位KS-44，Lonza公司提供)與膠體氧化硅(Ludox HS，杜邦公司出品)制得的淤漿封合接縫來制作Grafoil 盒(12)。石墨與膠體氧化硅的重量比約為1/3。
待Grafoil 盒(12)被置于Alundum (17)的起始層頂部之后，在Grafoil盒(12)外部周圍添加另外一些Alundum (14)直至石墨舟皿(10)內所形成的Alundum 床(14)的高度約等于Grafoil 盒(12)頂端的高度為止。此時，將圖1所示標記為(16)的預型體1號置于Grafoil 盒(12)的底部并且將尺寸約為19/4×19/4×1/2英寸的市售520.2合金的鑄塊(18)置于預型體(16)的頂部。
由石墨舟皿(10)及其內含物構成的組合體于室溫下被置于受控氣氛的電阻加熱爐(即真空爐)中。然然將該爐于室溫下抽空直至產生高度真空(約為1×10-4乇)在止。一旦形成真空，爐溫便在45分鐘內升至200℃左右并在此溫度下保持2小時左右。此后，用氮氣回填充該爐至一大氣壓左右并且形成流速為2l/分鐘的連續氣流。然后將爐溫在5小時內升至大約700℃并在此溫度下保持大約20小時。待加熱20小時后，關閉爐子并使組合體于爐內冷卻至環境溫度。
待達到環境溫度后，取出爐內的組合體并將其拆分。將拆下的金屬基質組合體切割為兩等份，其中之一被視作部分A，部分A經過T4溶液加熱處理。T4溶液加熱處理包括在大約432℃浸漬金屬基質復合體大約18小時，然后立即將其置于100℃的沸水中急冷大約20秒鐘。被視作部分B的另一部分金屬基質復合體未經任何熱處理。
被視為預型體2號的第二種預型體由與預型體1號相同的材料組成，所不同的只是其尺寸為23/4×23/4×0.8英寸，于氮氣氛下用市售含有鎂的鋁合金滲透該預型體。這一滲透過程通過下列段落所述的步驟進行。
如圖2所述，按照上述方式制作的尺寸為23/4×23/4×3英寸的Grafoil
盒(22)被置于尺寸為6×6×13/2英寸的不銹鋼盒(24)內。將圖2中標記為(26)的預型體2號置于Grafoil
盒(22)內并且將尺寸為7/2×7/2×1/2英寸、市售鋁合金520.2的鑄塊(28)置于預型體(26)的頂部。然后用1/8英寸厚的由Mc Neil耐火材料公司生產并以商標Fiberfrax DuraboardTMHD出售的絕緣材料板(30)覆蓋不銹鋼盒(24)的頂端。組合體由Fiberfrax板(30)覆蓋的不銹鋼盒(24)與其內含物構成，該組合件于室溫下被置于受控氣氛電阻加熱爐(即真空爐)中。然后于室溫下將該爐抽空直至產生高真空(約為1×10-2乇)為止。一旦形成真空，便于室溫下用氮氣回填充該爐至大約一大氣壓并且形成流量大約為2500cc/分鐘的連續氣流。然后以大約為150℃/小時的速率將爐溫升至725℃左右。將爐溫在725℃左右保持大約15小時，同時熔化鋁合金鑄塊并且自發滲透預型體。
加熱15小時后，使爐子冷卻至大約675℃，在此溫度下，取出爐內的組合體并如圖3所示，將其置于位于兩個石墨板(36)頂部的鋼板(34)的頂端。此外，如圖3所示，將四塊耐火磚(38)置于不銹鋼盒(24)周圍以便絕緣組合體并且使定向固化期間的合金保持熔融狀態。每塊耐火磚(38)均與不銹鋼盒(24)四側之一相接觸。通過石墨板(36)吸收由組合體經鋼板(34)放出的熱能完成組合體內熔融合金的定向固化。因此，鋼板(34)將熱量由組合體的底部轉移到作為受熱器的石墨板(36)。這樣，將組合體定向地由其底部向處于其表面的過量合金(35)進行冷卻。
待冷卻至低于鋁合金的固化溫度后，拆分組合體并回收金屬基質復合體。將金屬基質復合體切割為大小相等的兩部分。對被視為部分C的第一部分進行上述T4加熱處理。而被視為部分D的第二部分未經過任何熱處理。
按照下列段落對A、B、C和D四部分進行標準抗拉強度測定試驗。
由每個金屬基質復合體部分上切割下厚約為0.1英寸、寬約為0.5英寸、長約為5英寸的試樣。圖1中試樣B的幾何形狀符合ASTM標準D3552-77(1982年重新披準)，所不同的是所使用的八字抗拉試塊標稱半徑為4英寸。每一個試樣都固定在試驗機的合適夾具中并且(通過牽引試樣的一端)以大約恒定不變的滑塊速率，0.02英寸/分鐘(0.508mm/分鐘)，施加載荷直至試樣斷裂為止。這些抗拉強度試驗的結果被列于表1之中。
表1溫度(℃)/抗拉強度部分合金時間(小時)熱處理其它(ksi)AAl-10.5Mg700/20T4加熱爐22(最大)(520.0)冷卻BAl-10.5Mg700/20無加熱爐24(最大)(520.0)冷卻CAl-10.5Mg725/15T4定向40.3±0.9(520.0)固化DAl-10.5Mg725/15無定向36.2±0.7(520.0)固化表1所示結果表明在金屬基質復合體的形成過程中利用定向固化可以提高金屬基質復合體的抗拉強度。此外，對經過定向固化的金屬基質復合體進行熱處理可以進一步提高抗拉強度。可以相信，隨著定向固化而產生的抗拉強度的大幅度增強是金屬基質復合體內多孔部分或空隙空間減少的結果。多孔部分或空隙空間的這一減少增大了承載面積從而提高了金屬基質復合體的抗拉強度。
實施例2下列實施例演示利用定向固化技術與通過自發滲透形成金屬基質復合體的新方法相結合以便得到與借助類似自發滲透技術而未經定向固化得到的金屬基質復合體相比具備較低孔隙率或較少空隙空間的金屬基質復合體。
如圖4所示，使大約263g由Norton公司生產并以商品名39 Crystolon出售的1000粒度未燒制的碳化硅與大約2%(重)(5.8g)粉狀鎂混合，將該混合物(50)置于尺寸約為6×3×5英寸并且由大約厚為1/10英寸碳鋼(42)、而該碳鋼又具有厚為15/1000英寸由聯合碳化物公司生產、以商品名Grafoil 知名的品位GTB石墨帶形產物的內襯(44)所構成的盒(40)內。盒(40)的外部被加上一層厚為1/8英寸、經過預燒的由Mc Neil耐火材料公司提供、并在圖4中被標記為(46)的Fiberfrax DuraboardTMHD襯。將520.2g由12%(重)硅、5%(重)鋅、6%(重)鎂、其余為鋁組成的鋁合金的鑄塊(48)置于1000粒度碳化硅/鎂混合物的床(50)頂部。將該組合件置于上述位于具有氮氣進料(56)和銅箔蓋(58)的不銹鋼容器(54)的底部的厚為1/8英寸的Fiberfrax材料板(52)的頂部。將海綿鈦(60)放在裝有混合物(50)和鋁合金(48)的Fiberfrax(46)外圍的不銹鋼容器中。將海綿鈦(60)置于容器(54)中用作氧吸收劑。將容器(54)置于與空氣相通的電阻加熱爐中并且在大約40分鐘內由環境溫度被加熱至250℃左右;在此溫度下被保持1小時左右;在大約3小時內被加熱至800℃左右;在800℃左右被保持大約2.5小時，然后于此溫度下從爐內取出。當該容器被置于爐內時，氮氣通過進料(56)以大約5升/分鐘的速率被供給容器(54)內部，爐內的壓力被保持在1大氣壓左右。待于約800℃下撤離爐體后，將組合體置于水冷卻的銅頂部激冷板上進行定向固化約1/2小時，然后于環境溫度下將其浸于水中。
一旦達到環境溫度，便將水撤走并拆分該組合體。檢查由組合體拆下的金屬基質復合體，結果表明與未經定向固化形成的先前金屬金屬基質復合體相比，其孔隙率較低或空隙空間較小。
雖然已經具體地描述了上述實施例，但是本專業的普通技術人員可以對這些實施例進行各種改進，而所有這些改進均被視為屬于本文所附權利要求書的范圍。
權利要求
1.一種制造金屬基質復合體的方法，該方法包括；提供一種基本上為非反應性的填料；用熔融基質金屬自發滲透至少一部分填料從而形成自發滲透體；以及定向固化至少一部分上述自發滲透體。
2.按照權利要求1所述的方法，其中滲透氣氛與至少填料和基質金屬二者之一在滲透過程中至少一部分時間內相互接觸。
3.按照權利要求2所述的方法，其中還包括將至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一供給至少基質金屬、填料和滲透氣氛三者之一的步驟。
4.按照權利要求1所述的方法，其中還包括將至少滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一供給至少基質金屬與填料二者之一的步驟。
5.按照權利要求3所述的方法，其中所述至少滲透增強劑與滲透增強劑前體二者之一由外部來源提供。
6.按照權利要求1所述的方法，其中還包括使至少一部分填料與至少增強劑前體與滲透增強劑之一在滲透期間至少一部分羧基內相互接觸的步驟。
7.按照權利要求3所述的方法，其中通過使滲透增強劑前體與選自滲透氣氛、填料和基質金屬的至少一種反應形成滲透增強劑。
8.按照權利要求7所述的方法，其中滲透增強劑前體在滲透期間揮發。
9.按照權利要求8所述的方法，其中經過揮發的滲透增強劑前體發生反應從而在至少一部分填料內形成反應產物。
10.按照權利要求9所述的方法，其中所述反應產物可被所述熔融基質金屬至少部分地還原。
11.按照權利要求10所述的方法，其中所述反應產物涂敷至少一部分所述填料。
12.按照權利要求1所述的方法，其中填料包括預型體。
13.按照權利要求1所述的方法，其中還包括借助阻擋元件限定填料的表面邊界的步驟，其中基質金屬自發滲透到達阻擋元件。
14.按照權利要求13所述的方法，其中阻擋元件含有選自碳、石墨和二硼化鈦的材料。
15.按照權利要求1所述的方法，其中所述阻擋元件基本上不被所述基質金屬潤濕。
16.按照權利要求13所述的方法，其中所述阻擋元件含有至少一種能夠使滲透氣氛與基質金屬、填料、滲透增強劑和滲透增強劑前體四者之一相互接觸的材料。
17.按照權利要求1所述的方法，其中填料含有至少一種選自粉末、薄片、片晶、微球體、須晶、氣泡、纖維、顆粒、纖維簇、切削纖維球體、丸粒、小管和耐火布的材料。
18.按照權利要求1所述的方法，其中填料在熔融基質金屬中的溶解度有限。
19.按照權利要求1所述的方法，其中填料含有至少一種陶瓷材料。
20.按照權利要求3所述的方法，其中基質金屬含有鋁，滲透增強劑前體含有至少一種選自鎂、鍶和鈣的材料，滲透氣氛包括氮。
21.按照權利要求3所述的方法，其中基質金屬含有鋁，滲透增強劑前體含有鋅，滲透氣氛含有氮。
22.按照權利要求4所述的方法，其中所述至少所述滲透增強劑和所述滲透增強劑前體二者之一被提供給所述填料與所述基質金屬的界面處。
23.按照權利要求1所述的方法，其中滲透增強劑前體在所述基質金屬內形成合金。
24.按照權利要求1所述的方法，其中所述基質金屬含有鋁并且含有至少一種選自硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅、鈣、鎂和鍶的合金元素。
25.按照權利要求4所述的方法，其中所述至少所述滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一被加到所述基質金屬和所述填料中。
26.按照權利要求3所述的方法，其中所述至少所述滲透增強劑前體和滲透增強劑二者之一被加到至少所述基質金屬、所述填料和所述滲透氣氛三者之一之中。
27.按照權利要求1所述的方法，其中自發滲透期間的溫度高于基質金屬的熔點，但都低于基質金屬的揮發溫度與填料的熔點。
28.按照權利要求2所述的方法，其中滲透氣氛含有選自氧和氮的氣氛。
29.按照權利要求3所述的方法，其中滲透增強劑前體含有至少一種選自鎂、鍶和鈣的材料。
30.按照權利要求1所述的方法，其中基質金屬含有鋁，填料含有選自氧化物、碳化物、硼化物和氮化物的材料。
31.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟在自發滲透至少基本上完成之后進行。
32.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟在自發滲透期間進行。
33.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟包括使經過自發滲透體的表面與受熱器接觸。
34.按照權利要求33所述的方法，其中所述受熱器為激冷板。
35.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟包括使經過自發滲透體的表面與流體接觸。
36.按照權利要求35所述的方法，其中所述流體包括流動的流體。
37.按照權利要求35所述的方法，其中所述流體基本上是靜止的。
38.按照權利要求35所述的方法，其中所述經過自發滲透體至少被部分地浸于所述流體之中。
39.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟包括順序地由加熱爐中取出自發滲透體。
40.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟包括對自發滲透體的至少一個表面的至少一部分進行熱預處理。
41.按照權利要求1或3所述的方法，其中所述定向固化步驟包括加熱自發滲透體的至少一個表面的至少一部分，同時保證其未被加熱部分冷卻。
全文摘要
通過使熔融基質合金與填料或預型體的可滲透體于滲透氣氛存在下相互接觸可形成一種金屬基質復合體。在這些條件下，熔融基質合金將于通常的大氣壓力下自發滲透填料或預型體的可滲透體。一旦完成所需程度的自發滲透或者在自發滲透步驟進行期間，已經滲透填料或預型體的可滲透體的基質金屬發生定向固化。這一技術可以生產具有改進的微觀結構和性能的自發滲透金屬基質復合體。
文檔編號C04B41/88GK1042499SQ8910808
公開日1990年5月30日 申請日期1989年10月21日 優先權日1988年11月10日
發明者米切爾·K·阿赫嘉尼安, 羅伯特·C·肯特耐爾, 約翰·P·比爾 申請人:蘭克西敦技術公司