專利名稱：用自生真空工藝制造大復(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)明涉及制造大復(fù)合體。特別地，填料或預(yù)型放置在至少一種第二種材料旁，或與之相連觸。然后，在不滲透的容器中，填料或預(yù)型在合適的反應(yīng)氣氛下，與熔融基體金屬相接觸，至少在工藝過程中的某點，在反應(yīng)氣氛與熔融基體金屬和/或填料或預(yù)型和/或不滲透的容器之間發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)致熔融基體金屬滲透進(jìn)入填料或預(yù)型。因此，由于，至少部分地由于，自生真空的產(chǎn)生，使熔融基體金屬滲透進(jìn)入了填料或預(yù)型。這樣的自生真空滲透作用不需要施加外壓或真空。在基體金屬滲透過程的某點，基體金屬與至少一種第二種材料相接觸。將基體金屬冷卻至低于其熔點，制造出一種大復(fù)合體，它由固結(jié)在至少一種第二種材料的至少一部分上的金屬基體復(fù)合體所組成。
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，因為它們不僅具有增強(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，正是因為它們相對于鋁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為成型與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，還會因為燒結(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)報導(dǎo)，通過提高增強(qiáng)纖維的體織份數(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，因為金屬此時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AlBl2粉末坯體安置在冷壓鋁粉床上，再在AlBl2上面覆蓋上一層鋁粉，把這和“三明治”式的AlBl2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。在這些條件下，熔融金屬鋁可以穿透多孔AlBl2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，既費時又費錢。而且工藝上的局限性，如金屬的互混溶體(即溶解度、熔點、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，孔隙中的氣體會與熔融金屬反應(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，同時也要保持一段足夠的時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)容器容順從熔融基體金屬池中取出時，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，感到需要一種又簡單又可靠的工藝，來生產(chǎn)含有金屬基體復(fù)合體的金屬基體復(fù)合體和大復(fù)合體，該工藝不依賴施加外壓或真空，不會破壞濕潤劑，不需要用熔融基體金屬(槽)，能克服上述附加的缺點。另外，長期以來，還需要一種工藝，它使生產(chǎn)含一種金屬基體復(fù)合體的金屬基體復(fù)合體或大復(fù)合體的最后加工操作為最少。本發(fā)明提供了一種工藝制造大復(fù)合體，它能滿足這些和其它一些需要。本工藝涉及一種自生真空工藝，它涉及在常壓下，在反應(yīng)性氣氛下(例如，空氣、氮氣、氧氣等等)，用熔融的基體金屬(例如Al、Mg、青銅、Cu、鑄鐵，等等)，滲透一種材料(例如，一種陶瓷材料)，來制造預(yù)型。
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。
上述的共同擁有的專利申請描述了一種生產(chǎn)金屬基體復(fù)合體的方法，它可以固結(jié)在陶瓷基體復(fù)合體之上，然后生產(chǎn)新復(fù)合體。
另一個有點關(guān)系的是共同擁有的未決美國專利申請，系列號No.168，284，1988.3.15提高，屬于Michael K.Aghajanian和Marc S.Newkirk，題目為“金屬基體復(fù)合體及其制造技術(shù)”。和該申請公開的方法一致，一種基體金屬合金作為金屬的初源，也作為基體金屬合金儲存器，例如，由于重力流動，該基體金屬合金與熔融金屬的初始源連通。特別地，在上述專利申請描述的條件下，在常壓下，熔融基體合金的初源開始滲透進(jìn)入填料，并且開始形成金屬基體復(fù)合體。熔融基體金屬合金的初始源在其滲透進(jìn)入填料的過程中被不斷消耗，如果需要的話，可以再添滿，一種優(yōu)選的連續(xù)方式是，當(dāng)滲透繼續(xù)時，來自熔融基體金屬儲存器。當(dāng)所要求量的可滲透填料被熔融基體合金滲透之后，降低溫度以固化合金，于是形成了一種固體金屬基體結(jié)構(gòu)，它埋入了增強(qiáng)的填料。應(yīng)該理解的是使用金屬儲存器只是本專利申請描述的一個發(fā)明實施方案，沒有必要將這個儲存器實施方案與這里公開的每一個替代的實施方案結(jié)合起來，其中的某些與本發(fā)明結(jié)合來使用也會有益處。
金屬儲存器的量是能夠提供足夠量的金屬，滲透進(jìn)入可滲透的填料至預(yù)定的程度。另一種方法是，一種能選的阻擋層可以在至少一個測面與可滲透的填料相接觸，以限定表面周界。
進(jìn)一步地，所送達(dá)的熔融金屬合金的量應(yīng)該至少足以使?jié)B透進(jìn)行至基本上到可滲透填料的邊界(例如阻擋層)，儲存器中合金的量應(yīng)該有過剩，不僅有足夠量的合金以完成滲透，而且還可以剩余過量的熔融金屬合金，并與金屬基體復(fù)合體相連接。于是，當(dāng)存在過量的熔融合金時，得到的復(fù)合體將是一個復(fù)雜的復(fù)合體(例如一個大復(fù)合體)，這里，含有金屬基體的被滲透過的填料將直接與儲存器中過量的金屬剩余物固結(jié)。
一種制造大復(fù)合體的方法，公開在共同擁有的未決的美國專利申請中，1989.7.7提交，屬于Mare S.Neukirk等人，題目為“制造大復(fù)合體的方法及大復(fù)合體產(chǎn)品”。該申請是系列申請?zhí)朜o.368564的部分繼續(xù)申請，系列申請No.368564于1989.6.20提交，屬于Marc S.Newkirk等人，題目為“制造大復(fù)合體的方法及大復(fù)合體產(chǎn)品”，該申請依次又是系列申請No.269464的部分繼續(xù)申請。系列申請No.269464于1988.11.10提交，屬于Marc.S.Newkrik等人，題目為“制造大復(fù)合體的方法及大復(fù)合體產(chǎn)品”。這些申請公開了與制造大復(fù)合體有關(guān)的各種方法，通過自發(fā)地將熔融基體金屬滲透進(jìn)入一種可滲透的填料或預(yù)型，并且將自發(fā)滲透的材料與至少一種第二種材料例如陶瓷和/或金屬固結(jié)在一起。特別地，一種滲透增強(qiáng)器和/或滲透增強(qiáng)基體和/或滲透氣氛與填料或預(yù)型連通，至少在工藝過程中的某點，使熔融基體金屬自發(fā)地滲透進(jìn)入填料或預(yù)型。進(jìn)一步地，在滲透之前，放置填料或預(yù)型與第二種材料的至少一部分相接觸，結(jié)果在填料或預(yù)型的滲透之后，被滲透材料與該第二種材料固結(jié)，結(jié)果形成了大復(fù)合體。
一種類似于本發(fā)明的方法的，利用自生真空技術(shù)制造金屬基體復(fù)合體的方法公開在一件共同擁有的未決美國專利申請中，1989，7，18提交，屬于Robert C.Kantner等人，題目為“一種利用自生真空技術(shù)來制造金屬基體復(fù)合體的方法”。該專利申請公開了一種方法，在反應(yīng)氣氛下，熔融基體金屬與填料或預(yù)型相接觸，并且，在工藝過程中的至少某點，熔融的基體金屬，或者部分地或者基本上完全地，與反應(yīng)氣氛發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果，由于，至少部分地由于自生真空的產(chǎn)生，使熔融的基體金屬滲透進(jìn)入填料或預(yù)型。這樣的自生真空滲透作用不需要施加外壓成真空。
上述共同所有的專利申請的整個公開的內(nèi)容均合并在此供參考。
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。但是，在滲透之前，填料或預(yù)型放在與至少一種第二種材料旁或與之接觸，這樣在填料或預(yù)型滲透之后，被滲透材料與至少一種第二種材料的至少一部分固結(jié)起來，從而形成大復(fù)合體。
在本發(fā)明第一個優(yōu)選的實施方案中，反應(yīng)系統(tǒng)組成如下(1)一個不滲透的容器;(2)包含在容器中的填料成預(yù)型;(3)至少一種第二種材料放在填料或預(yù)型附近，或與之相接觸;(4)一種熔融的基體金屬;(5)一種反應(yīng)氣氛;以及(6)一種密封層，使反應(yīng)系統(tǒng)與環(huán)境氣氛相隔絕。在反應(yīng)氣氛和密封層的存在下，熔融的基體金屬與填料或預(yù)型相接觸。反應(yīng)氣氛，或者部分地或基本上完全地，與熔融基體金屬和/或填料和/或不滲透容器發(fā)生反應(yīng)，形成了一個反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)生了一個真空，至少部分地將熔融基體金屬吸入填料內(nèi)，并與至少一種第二種材料的至少一部分發(fā)生接觸。反應(yīng)氣氛和熔融基體金屬和/或填料和/或不滲透容器的反應(yīng)可以繼續(xù)一段時間，足以使熔融基體金屬，或者部分地或者基本上完全地，滲透進(jìn)入填料或預(yù)型。而且。熔融基體金屬應(yīng)該滲透進(jìn)入填料或預(yù)型至這樣一個程度，結(jié)果熔融基體金屬與至少一種第二種材料的至少部分接觸。為了密封反應(yīng)系統(tǒng)，提供了一個外部密封層，其組成不同于基體金屬。
在另一個優(yōu)選實施方案中，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)明的又一個實施方案中，為了密封反應(yīng)系統(tǒng)，不是提供一個外部密封層，而是制造一個內(nèi)部物理密封，通過基體金屬濕潤不滲透的容器和/或至少一種第二種材料的任何部分，在熔融基體金屬加到不滲透容器中之后，該內(nèi)部密封可以擴(kuò)展在熔融基體金屬的表面之上，于是隔絕了反應(yīng)系統(tǒng)和環(huán)境氣氛。進(jìn)一步地，有可能摻入合金化添加物于基體金屬之中，這些添加物促進(jìn)基體金屬在不滲透容器和/或在至少一種第二種材料上的濕潤性，結(jié)果隔絕了反應(yīng)系統(tǒng)和環(huán)境氣氛。
在另一個優(yōu)選實施方案中，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。
“固結(jié)”，在這里意為兩個物體之間的連結(jié)。這種連接可以是物理的和/或化學(xué)的和/或機(jī)械的，一種物理連接方法需要，至少兩者之一，通常為液體狀態(tài)，滲透了另一物體的微觀結(jié)構(gòu)的至少一部分。這種現(xiàn)象通常稱之為“濕潤”。一種化學(xué)連接方法需要，至少兩者之一，與另一物體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在兩個物體之間形成至少一個化學(xué)固結(jié)。在兩個物體之間形成機(jī)械連接的一種方法是，至少兩者之一，滲透進(jìn)入另一物體的內(nèi)部。這種機(jī)械連接的一個例子是，兩個物體中的至少一個，滲透進(jìn)入另一物體表面的槽或縫中。這樣的機(jī)械連接不是微觀滲透即“濕潤”，但是機(jī)械連接可以和這樣的物理連接技術(shù)組合起來使用。
機(jī)械連接的另一個方法是所謂的“收縮配合”，即一個物體與另一個物體通過壓力配合而連接。在這個機(jī)械配合的方法中，一個物體置于另一個物體的壓縮之下。
“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沾商盍希缰瞥衫w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。
“大復(fù)合體”，在這里意為兩種或多種材料的組合物，這些材料選自陶瓷基體，陶瓷復(fù)合體，金屬體以及金屬基體復(fù)合體。這些材料以任何形狀固結(jié)在一起，這里至少一種材料由一種通過自生真空技術(shù)所制造的金屬基體復(fù)合體所組成。金屬基體復(fù)合體可以作為外表面和/或內(nèi)表面存在。進(jìn)一步地，金屬基體復(fù)合體可以作為上述的兩種或多種材料之間的一個界層而存在。應(yīng)該理解的是，金屬基體復(fù)合體相對于殘留金屬和/或上述材料組中的任何一種的次序，數(shù)目和/或位置，可以以無限的方式處理或控制。
“基基金屬”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?；w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，它可以流動以補充與填料或預(yù)型相接觸的基體金屬。這種補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。
“第二種材料”，這里指的是一種材料，選自陶瓷基體，陶瓷基體復(fù)合體，金屬體，以及金屬基體復(fù)合體。
“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。
為了幫助理解本發(fā)明，提供下面的圖，但并不以此限定本發(fā)明的范圍，在每一張圖中，可能使用類似的參考號，來表示類似的組件。如下

圖1是根據(jù)本發(fā)明方法，使用一個外部密封層的典型結(jié)構(gòu)的橫截面的示意圖;
圖2是適合于標(biāo)準(zhǔn)組合體的，本發(fā)明方法的簡化工藝流程圖;
圖3是實施例1制造的最終大復(fù)合體的水平橫截面的照片;
圖4是實施例2，3，4，5和7中所使用的陶瓷基體復(fù)合體的上表面的四個槽的俯視圖;
圖5是實施例2制造的最終大復(fù)合體的照片;
圖6是實施例3制造的大復(fù)合體的垂直截面圖;
圖7是實施例4制造的大復(fù)合體的垂直截面圖;
圖8是實施例4制造的大復(fù)合體的照片。
圖9是實施例5的制造的大復(fù)合體的垂直截面圖;
圖10是實施例5制造的大復(fù)合體的照片;
圖11是實施例6中生產(chǎn)大復(fù)合體時所用組合件的垂直截面圖。
圖12是實施例6制造的最終大復(fù)合體的照片;
圖13是實施例7制造的大復(fù)合體的垂直截面圖;
圖14是實施例7制造的最終大復(fù)合體的照片;
圖15是實施例8制造的圓柱狀復(fù)合體的水平截面圖;
圖16是實施例9制造的大復(fù)合體的垂直截面圖。
圖17是實施例9制造的大復(fù)合體的水平截面的照片;
圖18是實施例10制造的大復(fù)合體的水平截面圖;
圖19是實施例11制造的大復(fù)合體的水平截面的照片;
圖20是實施例12制造的最終大復(fù)合體的水平截面的照片;
圖21是實施例13制造的大復(fù)合體的水平截面圖;
圖22是實施例14制造的大復(fù)合體的垂直截面圖;以及圖23是實施例15制造的最終兩層大復(fù)合體的水平截面的照片。
參考圖1，圖1表示一個典型的組合體30，它用于制造由固結(jié)在第二種材料上的金屬基體復(fù)合體組成的大復(fù)合體，通過自生真空技術(shù)來制造該金屬基體復(fù)合體。特別地，一種填料或預(yù)型31，它可以是任何合適的材料，下面將作更詳細(xì)的討論，將填料或預(yù)型31放置在第二種材料附近，例如，一個陶瓷基體復(fù)合體放在一個不滲透的容器32中，該容器能夠容納熔融基體金屬33和反應(yīng)性氣氛。例如，填料31可以與反應(yīng)氣氛相接觸(例如，存在于填料或預(yù)型孔隙中的氣氛)，保持足夠長的時間，使反應(yīng)氣氛或者部分地或者基本上完全地滲透進(jìn)入不滲透容器32中的填料31中。基體金屬33，或者以熔融形式或者以固體金屬錠的形式，放置與填料31相接觸。如下面在優(yōu)選實施例中所更詳細(xì)描述的那樣，例如，可以提供一種外部密封或密封層34，位于基體金屬33的表面，使反應(yīng)氣氛與環(huán)氣氛37相隔絕。無論是外部密封層還是內(nèi)部密封層，在室溫下可以有密封層功能也可以沒有密封層功能，但在工藝條件下(例如，高于基體金屬的熔點)，應(yīng)該起密封層的作用，隨后，或者在室溫下或者已經(jīng)預(yù)熱到工藝溫度下，將組合體30放入爐中。在工藝條件下，爐子的溫度高于基體金屬的熔點，通過自生真空的形成使熔融基體金屬滲透進(jìn)入填料或預(yù)型，并且與第二種材料的至少一部分相接觸。
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)在容器中形成的大復(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大復(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。
一些熔融的基體金屬，例如，鋁，青銅，銅，鑄鐵，鎂等等，可以注入容器中。該容器可以在室溫下，也可以預(yù)熱至任何合適的溫度。加之，可以先提供基體金屬的金屬錠，然后加熱使金屬錠熔融。可以形成一個合適的密封層(在下面將作更詳細(xì)的描述)，或者是外部密封層，或者是內(nèi)部密封層。例如，如果希望形成一個外部密封的話，象玻璃料(例如B2O3)，可以放在容器中熔融基體金屬池的表面。玻璃料熔化，一般覆蓋了熔融基體金屬池的表面，但如下面更詳細(xì)描述的那樣，不需要完整的有效作用范圍。當(dāng)熔融基體金屬與填料或預(yù)型接觸，并且通過外部密封層使基體金屬和/或填料與環(huán)境氣氛相隔絕之后，如果需要的話，將容器放在合適的爐中，將爐子預(yù)熱至工藝溫度，保持足夠長的時間使?jié)B透發(fā)生。爐子的工藝溫度可以因基體金屬不同而不同(例如對某些鋁合金為大約950℃，對某些青銅合金要求大約1100℃)。合適的工藝溫度將隨著基體金屬的熔點和其它特性而改變，也取決于反應(yīng)系統(tǒng)中各組件的特性，例如至少一種第二種材料，以及密封層。在爐子的溫度下保持適當(dāng)?shù)臅r間，將在填料或預(yù)型體內(nèi)造成一種真空(將在下面作詳細(xì)描述)，結(jié)果使熔融基體金屬滲透進(jìn)入填料或預(yù)型，與至少一種第二種材料的至少部分接觸。然后，將容器從爐中移出并冷卻，例如，將其放在冷卻板中直接固化基體金屬。然后，可以用任何方便的手段從容器中移出大復(fù)合體。
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，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)氣氛的容器中與位于至少一種第二種材料附近或與之接觸的一定的填料或預(yù)型相接觸時，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，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。此外，為了形成大復(fù)合體，熔融基本金屬對填料或預(yù)的滲透應(yīng)達(dá)到這樣一個程度，即使熔融基體金屬接觸至少一種第二種金屬的至少一部分。
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/氮氣系統(tǒng)，青銅/空氣系統(tǒng)，青銅/氮氣，銅/空氣，銅/氮氣以及鑄鐵/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。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，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。濕潤增強(qiáng)劑也可促進(jìn)基體金屬對至少一種第二種材料的潤濕能力，從而制成強(qiáng)度更高且粘結(jié)性更好的大復(fù)合體。
因此，基體金屬對填料的濕潤可以提高所生成的金屬基體復(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)型第二種材料，和反應(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)在基體金屬的熔點以上，氣化點以下。
可以通過控制大復(fù)合體中金屬基體復(fù)合體成份的形成過程中金屬基體的組成與/或微觀結(jié)構(gòu)來獲得所必要的大復(fù)合體產(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，除了可控制金屬基體的組成以外，金屬基體復(fù)合體成份的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)合體成份的冷卻速率來調(diào)節(jié)。在一些情況下，希望金屬基復(fù)合體成份能定向固化，這可通過把裝有合成好的大復(fù)合體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。大復(fù)合體中金屬基復(fù)合體成份的其它性能(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)。用以提高大復(fù)合體中金屬基復(fù)合體成份的性能的技術(shù)可用來改變或改善最終大復(fù)合體的性能而滿足某些工業(yè)要求。
在本發(fā)明方法所用條件下，填料或預(yù)型，放在至少一種第二種材料附近，或者與之相接觸，填料或者預(yù)型應(yīng)該是充分可滲透的，使得在環(huán)境氣氛與反應(yīng)氣氛隔絕之前，在工藝過程中的某點，反應(yīng)氣氛滲入或穿透填料或預(yù)型。通過提供一種合適的填料，反應(yīng)氣氛可以，或者部分地或者基本上完全地，與熔融基體金屬和/或填料和/或不滲透容器接觸發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果造成了一種真空，使熔融基體金屬吸入填料中，并與至少一種第二種材料的至少一部分相接觸。此外，反應(yīng)氣氛在填料內(nèi)的分布不必須是基本均勻的，當(dāng)然，一種基本均勻分布的反應(yīng)氣氛會有助于形成所需要的金屬基體復(fù)合體。
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，至少一種第二種材料工藝條件，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，以及所希望得到的最終大復(fù)合體產(chǎn)品中金屬基體復(fù)合體成份的性能。例如，當(dāng)基體金屬含有鋁時，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)所希望得到的最終大復(fù)合體產(chǎn)品中金屬基體復(fù)合體成份的性能而定。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)可以獲得所希望的最終大復(fù)合體產(chǎn)品中金屬基體復(fù)合體成份的物理與/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，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。但是，熔融基體金屬應(yīng)滲透填料或預(yù)型達(dá)到這樣的程度，以使其接觸位于填料或預(yù)型附近或與之接觸的至少一種第二種材料的至少一部分。例如，當(dāng)用空氣作為反應(yīng)性氣體時，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)一段足夠的時間而導(dǎo)致金屬基復(fù)合體的形成，并使該復(fù)合體固結(jié)到至少一種第二種材料上而形成大復(fù)合體。
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1，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。可以理解的是，反應(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，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，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也能阻止氣體從周圍氣氛中流入填料中去。
在本發(fā)明的某些實施方案中，在基體合金放置在不滲透容器內(nèi)之后，在制造大復(fù)合體中所用的至少一種第二種材料，可以擴(kuò)展在熔融基體合金的表面水平面之上。在這種情形下，熔融基體金屬，也應(yīng)該在熔融基體金屬、第二種材料，和環(huán)境氣氛之間的界面上，與第二種材料形成一個密封。上面有關(guān)熔融基體金屬和不滲透容器之間的密封層的討論，同樣適用于熔融基體金屬和第二種材料之間的密封層，如果需要這樣的密封層的話。
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。這些阻擋層促進(jìn)成型大復(fù)合體的形成。
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)型的表面層外的運動也就被阻擋層止住了。阻擋層減少了最終大復(fù)合產(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，滲透就基本上被終止了。
本發(fā)明中的制造大復(fù)合體中金屬基體復(fù)合體成份的自生真空技術(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。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，可以容納位于至少一種第二種材料附近或與之接觸的要求形狀填料或預(yù)型，反應(yīng)氣體以及用于阻止金屬基體在所形成的大復(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)入到填料中去且必要時接觸至少一種第二種材料的至少一部分。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。
實施例1下面的實施例描述一種方法，通過利用一種鋁金屬基體復(fù)合體界層，將陶瓷基體與不銹鋼體固結(jié)起來。
一根不銹鋼棒，近似尺寸為，半徑是1/2英寸，長度是2 1/2英寸，直立地放入一個不滲透的容器中，該容器是一個市售的氧化鋁坩鍋，近似尺寸為，內(nèi)徑是1 1/2英寸，高是2 1/2英寸，結(jié)果不銹鋼棒的一端放入氧化鋁坩鍋的底部。不銹鋼棒的外表面和氧化鋁坩鍋的內(nèi)表面之間的環(huán)狀空間，用近似3/4英寸厚的填料層填塞，該填料是54號粒度的碳化硅顆粒。先在鋼棒的外表面上涂敷一層B2O3粉末的水溶液。B2O3粉末來自Aesar Company of Seabrook，New Hampshire，一些含有鋁合金的固體基體金屬，近似的重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.5%Ni，以及其余為Al。在室溫下，將固體基體金屬放在不滲透的容器中，放在碳化硅填料的頂部。這個組合體，由不銹鋼容器和其內(nèi)含物所組成，放入預(yù)熱到大約600℃的箱式空氣電阻爐中。在1.5hr內(nèi)爐溫升至大約900℃，在此期間，固體基體合金熔化，在不銹鋼棒和氧化鋁坩鍋之間的環(huán)狀空隙內(nèi)形成了大約3/4英寸的熔融基體合金層。然后，熔融基體金屬被一層密封材料所覆蓋。特別地，B2O3粉末，(Aeser Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融的鋁基體金屬表面。在大約900℃保持大約15mins之后，B2O3材料基本上完全熔化，形成了一個玻璃層。此外，B2O3內(nèi)含有的水也基本上被完全蒸發(fā)，于是形成了一個氣密的密封。這個組合體在大約900℃的爐子中再保持大約1hr。然后，組合體從爐中移出，直接放入水汽冷卻銅板中，直接固化基體金屬，結(jié)構(gòu)的最終分析表明，熔融基體金屬滲透進(jìn)入了碳化硅填料，形成了金屬基體復(fù)合體，它不僅與氧化鋁坩鍋固結(jié)，而且與不銹鋼棒固結(jié)，于是形成了一個固體大復(fù)合體，在這里，一個陶瓷體(氧化鋁坩鍋)，通過金屬基體復(fù)合體間層，與金屬體(不銹鋼棒)相固結(jié)。另外，一層殘余的母體金屬，它沒有滲透進(jìn)入碳化硅填料，與氧化鋁坩鍋、金屬基體復(fù)合體間層，不銹鋼棒，以及組合體的上表面相固結(jié)。
圖3是一張本實施例制造的最終大復(fù)合體的水平截面的照片。這個橫截面位于基體金屬的殘留層之下和氧化鋁坩鍋底部之上。這個截面說明不銹鋼棒(50)，通過金屬基體復(fù)合體間層(64)，與氧化鋁坩鍋(62)相固結(jié)。
實施例2下面的實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在鋁金屬基體復(fù)合體上的陶瓷基體復(fù)合體所組成。本實施例還說明機(jī)械固結(jié)方法和其它固結(jié)方法結(jié)合起來的使用。
園柱形陶瓷基體復(fù)合體由埋入基體中的碳化硅填料所組成，將它放在一層500號粒度的氧化鋁粉末(38Alundum，Norton Company)之上，這層500號粒度的氧化鋁粉末放在一個不滲透的容器中。該容器內(nèi)徑大約1 1/2英寸，高大約2 1/4英寸，用16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約1 1/2英寸，長度為大約2 1/4英寸的16號304型不銹鋼管，焊接到1 3/4英寸×1 3/4英寸的16號不銹鋼板上而制成的。上述的園柱形陶瓷基體復(fù)合體的制備按照下面的共同擁有的美國專利申請?zhí)岢龅募夹g(shù)，該申請的整個公開內(nèi)容合并在此參考美國專利申請系列No.4，851，375，1989.7.25提高，現(xiàn)在已被審定，屬于Marc S.Newkirk等人，題目為“復(fù)合體陶瓷制品以及制造具有埋入填料的復(fù)合體陶瓷制品的方法”，以及美國專利申請系列號07/338，471，1989.4.14提交，該申請是美國專利系列申請No.06/861025的細(xì)則62繼續(xù)申請，每個專利系列申請No.06/861025于1986.5.8提交，現(xiàn)在已放棄了，兩者均屬于Marc S.Newkirk等人，題目為“成型陶瓷復(fù)合體及其制造方法”，相應(yīng)于園柱形陶瓷基體的外徑的陶瓷基體復(fù)合體的外表面，和不滲透容器的內(nèi)表面之間的環(huán)形空隙，用上述的500號粒度的氧化鋁粉末填塞，直至粉末平面與陶瓷基體復(fù)合體的上表面差不多齊平。在本實施例的條件下，500號粒度的氧化鋁粉末，作為阻擋材料，它對熔融基體金屬是不滲透的，陶瓷基體復(fù)合體的上表面有四個0.035英寸寬×0.030英寸深的槽，其取向如圖4所示。這些槽(66)從園柱形陶瓷基體復(fù)合體的垂直軸傾斜大約8°500號粒度的粉末沒有覆蓋陶瓷基體復(fù)合體的上表面，也沒有進(jìn)入陶瓷基體復(fù)合體上表面的槽中。園柱形陶瓷母體復(fù)合體的近似尺寸為，直徑是1 3/8英寸，高度是5/16英寸。厚度為大約0.125英寸的填料，即90號粒度的碳化硅顆粒，放在陶瓷基體復(fù)合體的上表面上。這些碳化硅顆粒填塞了陶瓷母體復(fù)合體上表面的四個槽。一些含有鋁合金的熔融的基體金屬，近似的重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，5.2-5.3%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在室溫下，熔融基體金屬的溫度大約800℃。然后，熔融的基體金屬用密封材料覆蓋。特別地，B2O3粉末，(Aeser Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融鋁體金屬上。這個組合件，由不銹鋼容器和其內(nèi)含物所組成，放入預(yù)熱到大約800℃的箱式空氣電阻爐中。在此溫度下大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化，形成了一個玻璃層。此外，B2O3內(nèi)含有的水也基本上被完全蒸發(fā)，于是形成了一個氣密的密封。這個組合體在大約800℃的爐子中再保持大約2hrs。然后，該組和不銹鋼盤從爐中移出，該不銹鋼盤限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。當(dāng)組合體冷至室溫時，將其拆開，得到一個大復(fù)合體，它由固結(jié)在一個陶瓷基體復(fù)合體上的金屬基體復(fù)合體所組成。然后，將大復(fù)合體的金屬基體段后至大約0.015英寸厚。最終的大復(fù)合體，如圖5所示，受到一系列熱沖擊試驗，以確定金屬基體復(fù)合體(68)會不會由于熱沖擊，而與陶瓷基體復(fù)合體相分離。熱沖擊試驗是一個熱循環(huán)，在一個空氣爐中，大復(fù)合體升溫至500℃，并保持15min，然后將其從爐中移出，在室溫下的空氣氣氛環(huán)境中保持15min。在此之后，將它放回500℃的爐中，重復(fù)這一循環(huán)。當(dāng)這樣的循環(huán)重復(fù)六次之后，沒有發(fā)現(xiàn)固結(jié)失敗，金屬基體復(fù)合體與陶瓷基體復(fù)合體相分離。
實施例3下面的實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，通過利用鋁金屬基體復(fù)合體間層，陶瓷基體復(fù)合體固結(jié)在不銹鋼體之上，從而形成了大復(fù)合體。
一個園柱形陶瓷基體復(fù)合體，近似尺寸為，直徑為1英寸，高度為1/4英寸，它由埋在鋁基體中的碳化硅填料所組成，將這個園柱形陶瓷基體復(fù)合體放在一層500號粒度的氧化鋁粉末(38 Alundum，Norton Company)之上，并一同放入一個不滲透的容器中，該容器的內(nèi)徑為1 1/2英寸，高度為2 1/4英寸。生產(chǎn)陶瓷基體復(fù)合體的技術(shù)見實施例2中所討論的共同擁有的專利申請。陶瓷基體復(fù)合體的上表面有四個0.035英寸寬×0.030英寸深的槽，其取向如圖4所示。這些槽從園柱形陶瓷基體復(fù)合體的垂直軸傾斜大約8°。不使它容器是由16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成的，該容器是將內(nèi)徑為大約1 1/2英寸，長度為大約2 1/4英寸的16號304型不銹鋼管，焊接到1 3/4英寸×1 3/4英寸的16號不銹鋼盤上而制成的。在相應(yīng)于園柱形陶瓷基體復(fù)合體的外徑的外表面上，纏繞一張寫字紙，這張紙在陶瓷基體復(fù)合體的上表面上擴(kuò)展了大約1/2英寸，于是造成了一個容納區(qū)域。一些90號粒度碳化硅顆粒的填料加入這個容納區(qū)域，結(jié)果陶瓷基體復(fù)合體的上表面的四個槽被碳化硅填料填滿。然后，在這個容納區(qū)域另外再加入一些90號粒度的碳化硅，使得陶瓷基體復(fù)合體的上表面有近似1/16英寸厚的一層90號粒度的碳化硅。一個鉆孔的不銹鋼板放在碳化硅顆粒層的頂部。園形鉆孔板的近似尺寸為直徑是1英寸，厚度是0.030英寸。這個鉆孔板上有近似40%的面積上布滿了直徑近似為1/16英寸的小孔。當(dāng)鉆孔的不銹鋼板放在碳化硅顆粒層的頂部之后，再在容納區(qū)域加入另外的90號粒度的碳化硅顆粒。這些再加入的碳化硅顆粒填滿了不銹鋼板上的孔，并在鉆孔的不銹鋼板的上表面堆起了近似1/16英寸厚的一層碳化硅。此時，在容納區(qū)域的外表面和不銹鋼不滲透容器的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間中再加入一些50號粒度的粉末。加入500號粒度的粉末直至與容納區(qū)域的平面基本上齊平。一些熔融基體金屬的近似重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.50%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在室溫下將熔融的基體金屬注入容器中，覆蓋了碳化硅填料和500號粒度粉末。熔融基體金屬的溫度為大約900℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融的鋁基體金屬上。該組合體，由不銹鋼容器和其內(nèi)容物所組成，放入一個預(yù)熱到大約900℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持15min后，B2O3材料基本上被完全熔化，形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3中的水基本上蒸發(fā)，形成了一個氣密的密封。該組合體在900℃的爐子中再保持大約1.5hr。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫后，從組合體中分離出大復(fù)合體。該大復(fù)合體體一個截面如圖6所示。如圖6，該大復(fù)合體(72)，通過一個金屬基體復(fù)合材料的間層，而使陶瓷基體復(fù)合體(74)固結(jié)在鋁孔的不銹鋼板(76)上，上述的金屬基體復(fù)合材料的間層(78)，由埋在上述鋁合金基體內(nèi)的90號粒度的碳化硅填料所組成。該大復(fù)合體的間層，還通過不銹鋼板上的鋁孔而擴(kuò)展，于是與位于上述鉆孔的不銹鋼板上的金屬基體復(fù)合體的殘余物相固結(jié)。
實施例4下面的實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在鋁金屬基體復(fù)合體上的陶瓷基體復(fù)合體所組成，而該鋁金屬基體復(fù)合體又固結(jié)在一些基體金屬上。
一個園柱形陶瓷基體復(fù)合體，是用實施例2中討論的共同擁有的專利申請的技術(shù)所制造的。該園柱形陶瓷基體復(fù)合體由埋在鋁基體中的碳化硅填料所組成，放在一層500號粒度的氧化鋁粉末(38 Alundum，Norton Company)之上，這層500號粒度的氧化鋁粉末放在一個不滲透的容器中。該不滲透容器由16號AISI304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約3英寸的16號不銹鋼管，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上而制成的。相應(yīng)于園柱形陶瓷基體的外徑的陶瓷基體復(fù)合體的外表面，和不滲透容器的內(nèi)表面之間的環(huán)形空隙，用另外的500號粒度氧化鋁粉末填塞。直至粉末平面與園柱形陶瓷基體復(fù)合體的上表面差不多齊平。園柱形陶瓷基體復(fù)合體的近似尺寸為，直徑是1 9/16英寸，高度是1/2英寸。另外，陶瓷基體復(fù)合體的上表面上，有四個近似0.035英寸寬×0.03英寸深的槽。這些槽的取向如圖4所示。這些槽相對于元柱形陶瓷基體復(fù)合體的垂直軸傾斜大約8°。大約1/4英寸厚的一層90號粒度的碳化硅顆粒填料放在陶瓷基體復(fù)合體上表面和500號粒度粉末之上。90號粒度碳化硅粉末填料也填滿了陶瓷基體復(fù)合體上表面的槽。一些熔融基體金屬的近似重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在室溫下，將熔融的基體金屬注入不滲透的容器中，覆蓋了碳化硅填料和500號粒度粉末。熔融基體金屬的溫度為大約850℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末，(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)放在仍然鋁基體金屬的表面上。然后將該組合體放入一個預(yù)熱到大約850℃的箱式空氣電阻爐中，在該溫度下保持15min后，B2O3材料基本上被完全熔化，形成了一個玻璃層，進(jìn)一步地，B2O3中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體為850℃的爐子中再保持大約3hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫后，拆開組合體，使大復(fù)合體分離出來。圖7是該大復(fù)合體的一個垂直截面圖。如圖7，該大復(fù)合體由固結(jié)在金屬基體復(fù)合體(86)的陶瓷基體復(fù)合體(84)所組成，而該金屬基體復(fù)合體又固結(jié)在基體金屬體(88)上。金屬基體復(fù)合體，由埋在上述鋁基體合金內(nèi)的90號粒度的碳化硅填料所組成。該大復(fù)合體的基體金屬段經(jīng)過加工，直至獲得圖8所示的大復(fù)合體。圖8中的引線號與圖7中的引線號表示同一部件。
如圖7和圖8所示，金屬基體復(fù)合體(86)被機(jī)械地固結(jié)在陶瓷基體復(fù)合體(84)上，通過金屬基體復(fù)合體材料，該材料滲透進(jìn)入陶瓷基體復(fù)合體上表面的四個槽中。在圖7的大復(fù)合體的截面圖上，以及在圖8的大復(fù)合體的照片上，有三個被滲透的槽(90)可以看到。正如本實施中前面所述，這些槽有點傾斜于園柱形陶瓷基體復(fù)合體的垂直軸。當(dāng)金屬基體復(fù)合體在這些槽中固化時，在金屬基體復(fù)合體和陶瓷基體復(fù)合體之間形成了一種機(jī)械固結(jié)。這種機(jī)械固結(jié)，加強(qiáng)了陶瓷基體復(fù)合體和金屬基體復(fù)合體之間可能存在的任何其它固結(jié)(例如，化學(xué)固結(jié))的強(qiáng)度，于是形成了一種更牢固更有結(jié)合力的大復(fù)合體。另外，要是陶瓷基體復(fù)合體和金屬基體復(fù)合體之間的任何或所有其它的固結(jié)都失敗了的話，機(jī)械固結(jié)仍然能將兩者結(jié)合在一起。這就可以避免，當(dāng)大復(fù)合體處在某種應(yīng)力下的整體的災(zāi)難性破壞。
實施例5下面的實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在鋁金屬基體復(fù)合體上的陶瓷基體復(fù)合體所組成。
在一個不滲透容器中，有一層500號粒度的氧化鋁粉末(38 Alundum，Norton Company)，將一個陶瓷基體復(fù)合體放在這層粉末上面，該陶瓷復(fù)合體由包含在鋁基體中的至少一種填料所組成。該不滲透容器內(nèi)徑為大約3 1/8英寸，高約2英寸，由16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約3 1/8英寸，長度為大約2英寸的16號不銹鋼管，焊接到3 5/8英寸×3 5/8英寸的16號不銹鋼板上面制成的。制造陶瓷基體復(fù)合體的方法公開在共同擁有的美國專利No.4818734中，該專利于1989.4.4出版，屬于Robert C.Kantner等人，題目為“就地制造陶瓷制品的金屬部件的方法”，共同擁有的美國專利No.4818734的整個公開內(nèi)容合并在此供參考。陶瓷基體復(fù)合體是圓柱形的，近似尺寸為，直徑是3英寸，高度是1/4英寸。另外，陶瓷基體復(fù)合體的上表面有四個0.035英寸寬×0.03英寸深的槽。這些槽的取向如圖4所示。相應(yīng)于園柱形陶瓷基體的外徑的陶瓷基體復(fù)合體的外表面，和不銹鋼不滲透容器的內(nèi)表面之間的環(huán)形空隙，用另外約500號粒度氧化鋁粉末填塞，直至粉末平面與園柱形陶瓷基體復(fù)合體的上表面差不多齊平。大約0.060英寸厚的一層90號粒度的未燒結(jié)碳化硅填料放在陶瓷基體復(fù)合體上表面和500號粒度粉末之上。這些90號粒度的未燒結(jié)碳化硅也填塞了陶瓷基體復(fù)合體上表面的槽。一些熔融基體金屬的近似重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.5%Ni，以及其余為Al。在室溫下，將熔融的基體金屬注入容器中，覆蓋了碳化硅填料，熔融基體金屬的溫度為大約850℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融母體金屬。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不銹鋼不滲透容器和其內(nèi)含物所組成，將組合體放入一個預(yù)熱到大約850℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持15min后，B2O3材料基本上熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合份850℃的爐子中再保持大約2.5hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫，拆開組合體，分離出圓柱形大復(fù)合體。圖9是制造的大復(fù)合體的垂直截面圖。如圖9所示，大復(fù)合體(92)包括固結(jié)在一個金屬基體復(fù)合體(96)之上的陶瓷基體復(fù)合體(94)，該金屬基體復(fù)合體又固結(jié)在一層殘留的基體金屬(98)上，這層殘留的基體金屬沒有滲透進(jìn)入填料。該金屬復(fù)合體由埋在上述鋁合金基體中的90號粒度碳化硅填料組成。該大復(fù)合體經(jīng)過修整步驟，磨去殘留的基體金屬層。在此修整步驟完成之后，在陶瓷基體復(fù)合體的金屬基體復(fù)合體之間的界面上切一凹槽。該凹槽沿該元柱形大復(fù)合體的整個圓周擴(kuò)展。最終的大復(fù)合體見圖10，凹槽標(biāo)號(102)，在圖9和圖10中用相同的引線號表示類似的部件和/或結(jié)構(gòu)。
圖9也表示了金屬基體復(fù)合體填塞的槽(100)所造成的機(jī)械固結(jié)，詳細(xì)討論見實施例4。
實施例6本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體包括一系列陶瓷基體復(fù)合體，通過鋁金屬基體復(fù)合體材料的一個間層以及一個基體金屬薄層而彼此固結(jié)。
圖11表示本實施例中用于生產(chǎn)大復(fù)合體的組合體(104)的一個垂直截面。制造組合體(104)時，在五個陶瓷基體復(fù)合體的表面上，涂覆了一層Elmer′s木膠(Borden Company)，然后將有涂覆表面(106)的陶瓷基體復(fù)合體(108)彼此接觸，制造陶瓷基體復(fù)合體的技術(shù)按照實施例5中描述的共同擁有的美國專利，每個陶瓷復(fù)合體都由埋在鋁基體內(nèi)的至少一種填料所組成。另外，該陶瓷基體復(fù)合體是矩形的，在具表面上有槽(110)。見圖11，相對于組合體(104)的線A-A，或線B-B，這些槽傾斜大約8°。涂膠之后，4英寸長×1 3/4英寸寬的組合體(104)放在一層90號粒度的碳化硅填料上，該層填料放在一個不滲透容器中，該容器直徑大約為5英寸，高度大約為2 1/2英寸。該不滲透容器由16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約5英寸，長度為大約2 1/2英寸約16號不銹鋼管，焊接到6英寸×6英寸的10號不銹鋼板上而制成的。在不滲透容器中再加入另外的90號粒度碳化硅填料，直至整個組合體埋在一層碳化硅填料下。碳化硅填料的最后平面比組合體的表面(112)高大約1/8英寸。槽(110)也被90號粒度碳化硅填料所填塞，一些熔融基體金屬的近似重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.2-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在常溫下，將熔融的基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了90號粒度的碳化硅填料。熔融基體金屬的溫度為大約850℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約850℃的箱式空氣電阻爐中。在該溫度下保持15minm后，B2O3材料基本上熔化形成一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在大約850℃的爐子中再保持大約3.5hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，中間固化基體金屬。冷卻至室溫后，拆開組合體，分離出大復(fù)合體。該大復(fù)合體由完全埋入一個金屬基體復(fù)合體內(nèi)的陶瓷基體復(fù)合體的組合體所組成，該金屬基體復(fù)合體則由埋入上述的鋁基體金屬內(nèi)的90號粒度碳化硅填料所組成。從陶瓷基體復(fù)合體的組合體的外表面上切削掉金屬基體復(fù)合體材料，于是得到圖12所示的最終大復(fù)合體。該大復(fù)合體(114)包括五個陶瓷基體復(fù)合體(108)，它們構(gòu)成了組合體，并通過金屬基體復(fù)合體材料的間層(116)而固結(jié)在一起。該金屬基體復(fù)合體材料在每個單個的陶瓷基體復(fù)合體(108)的至少一部分之間擴(kuò)展。另外，陶瓷基體復(fù)合體(108)通過基體金屬的間層(118)而固結(jié)在一起。該基體金屬滲透進(jìn)入組合體中原來被Elmer木膠占據(jù)的那些部分。于是，最后的大復(fù)合體(114)包括了一個陶瓷基體復(fù)合體的組合體，該陶瓷基體復(fù)合體固結(jié)在金屬基體復(fù)合體間層(116)上，并且，另外，金屬基體復(fù)合體間層(116)和陶瓷基體復(fù)合體(108)都固結(jié)在基體金屬的薄間層(118)上，該薄層位于單個陶瓷基體復(fù)合體(108)之間。
圖12也表示了通過金屬基體復(fù)合體填充槽(120)而造成的機(jī)械固結(jié)。詳細(xì)討論見實施例4。應(yīng)該注意到，本實施例的大復(fù)合體有水平的，被金屬基體復(fù)合體填滿的槽，該槽在位于大復(fù)合體每個端部的陶瓷基體復(fù)合體上。這些被金屬基體復(fù)合體所填滿的水平槽，連同其它陶瓷基體復(fù)合體上被金屬基體復(fù)合體填滿的垂直槽，使該大復(fù)合體在一個二維機(jī)械連接系統(tǒng)。
實施例7本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體包括一個鋁金屬基體復(fù)合體，它不僅固結(jié)在一個陶瓷基體復(fù)合體上，而且固結(jié)在一個焊接在一個絲扣不銹鋼棒上的鋁孔不銹鋼板的組合體上。
陶瓷基體復(fù)合體的制造按照實施例2中所描述的共同擁有的美國專利申請中的技術(shù)，該陶瓷基體復(fù)合體由埋入鋁基體內(nèi)的填料所組成，并放在一個不滲透容器中。該容器由16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約3英寸的16號不銹鋼管，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上而制成。園柱形陶瓷基體復(fù)合體的直徑近似等于不滲透容器的內(nèi)徑。另外，陶瓷基體復(fù)合體的上表面上有四個0.035英寸寬×0.03英寸深的槽。這些槽的取向如圖4所示。進(jìn)一步地，這些槽相對于園柱形陶瓷基體復(fù)合體的垂直軸，傾斜大約8°。一些90號粒度的碳化硅顆粒的填料放在陶瓷基體復(fù)合體的表面上，填滿了這些槽，并在該表面上擴(kuò)展了一個薄層。一個組合體，它包括一個鉆孔的不銹鋼板，該板焊接在絲扣的不銹鋼棒的一端上。將該組合體放在碳化硅填料上，使得鉆孔不銹鋼板的一面與碳化硅填料層相接觸，而與不銹鋼棒焊接的一面，則背離陶瓷基體復(fù)合體。鉆孔的不銹鋼板是園形的，近似尺寸為，直徑是1 3/4英寸，厚度是0.03英寸。此外，這個鉆孔板上有近似40%的面積上布滿了直徑近似為1/16英寸的小孔。在不滲透容器中再加入另外的90號粒度的碳化硅填料，直至鉆孔的不銹鋼板的上表面被近似1/8英寸厚的一層碳化硅填料所覆蓋。碳化硅填料進(jìn)入不銹鋼板上的孔，與該板下面的碳化硅填料相接觸，碳化硅填料也圍繞并與不銹鋼棒的底部相接觸。一些熔融基體金屬的就使重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及真為Al。在室溫下，將熔融的基體金屬注入容器中，覆蓋了碳化硅填料并圍繞著不銹鋼棒的一部分。熔融基體金屬的溫度為大約850℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末，(Aesar Company of Seabrook，New Hamshire)，放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約800℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持15min后，B2O3材料基本上熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全政府了，形成了一個氣密的密封。該組合體在800℃的爐子中再保持大約2hr。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底面，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫，拆開組合體，分離出大復(fù)合體。圖13是大復(fù)合體的垂直截面圖。該大復(fù)合體(122)包括陶瓷基體復(fù)合體，它通過一個金屬基體復(fù)合材料的間層(130)，固結(jié)在由鉆孔的不銹鋼板(126)和絲扣棒(128)所組成的組合體上。另外，金屬基體復(fù)合體間層(130)又與一些殘余的未滲透基體金屬(132)相固結(jié)，后者又與絲扣不銹鋼棒(128)相固結(jié)。金屬基體復(fù)合體材料由埋入上述鋁基體金屬中的90號粒度碳化硅填料所組成。金屬基體復(fù)合體材料完全包圍了鉆孔的不銹鋼板，也進(jìn)入了板上的孔，使板上，板下的金屬基體復(fù)合體材料相互固結(jié)。
圖14是一張加工過的大復(fù)合體的照片，大部分殘余基體金屬被厲去了。圖13和圖14中用相同的引線號表示類似的部件或結(jié)構(gòu)。如圖14所示，在絲扣不銹鋼棒基(128)的周圍，留下了一個殘余基體金屬的環(huán)(134)。在圖14中看不見鉆孔的不銹鋼板，它完全埋入金屬基體復(fù)合體間層(130)中了。
圖14也表示了金屬基體復(fù)合體堵塞的槽(136)，所造成的機(jī)械固結(jié)，詳細(xì)討論見實施例4。
實施例8本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體包括兩個同心地固結(jié)在一起的不銹鋼管，通過一個鋁金屬基體復(fù)合體間層，該間層位于內(nèi)不銹鋼管的外表面和外不銹鋼管的內(nèi)表面之間。
將內(nèi)徑為大約9/16英寸，長度為大約4 3/4英寸約16號AISI 304型不銹鋼管，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的不銹鋼板上，制造出第一個組合體。第二根內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約6 1/4英寸的16號AISI 304型不銹鋼管，同心地套入第一根不銹鋼管中。第二根不銹鋼管又焊接在2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上，造成一個不滲透的容器。內(nèi)管填入500號粒度的氧化鋁粉末(38 Alundum from Norton Company)，直至500號粒度粉末的平面與內(nèi)管的上緣幾乎持平。內(nèi)管的上端用一層鋁酸鈣混合物密封，覆蓋了內(nèi)管的上表面，該鋁酸鈣混合物由Secar 71水泥與水混合而成。用14號粒度碳化硅顆粒填充內(nèi)管的外表面和外管的內(nèi)表面之間的環(huán)狀空間。填滿之后，一層50號粒度碳化顆粒放在14號粒度碳化硅層之上，并超聲振動進(jìn)入14號粒度碳化硅顆粒層中。于是，在超聲振動之后，內(nèi)管的外表面和外管的內(nèi)表面之間的環(huán)狀空間，被14號和50號粒度碳化硅顆粒的混合物所填滿，幾乎接近內(nèi)管的密封上端。一些熔融的基體金屬，是市售的標(biāo)號為6061的鋁合金，在室溫下，注入外管的內(nèi)表面所限定的空間中，覆蓋了碳化硅填料以及內(nèi)管的密封上端。熔融基體金屬的溫度為大約900℃。然后，用一層密度材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約900℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在900℃的爐子中再保持大約2hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了組合體的底面，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。將組合體冷卻至室溫后，將不銹鋼板從不銹鋼管和金屬基體復(fù)合體上切割下來。另外，將不銹鋼外管的上端切斷，使其平面略低于密封的不銹鋼管的上端。最終的園柱形大復(fù)合體由通過金屬基體復(fù)合體間層而固結(jié)在一起的兩個同心的不銹鋼管所組成，金屬基體復(fù)合體由埋入上述鋁基體合金中的14號和50號粒度碳化硅的混合物所組成。圖15是本實施例中所制造的園柱形大復(fù)合體的水平截面圖。不銹鋼外管標(biāo)號(138)，內(nèi)管標(biāo)號(140)，金屬基體復(fù)合體間層標(biāo)號(142)。
實施例9本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在金屬體上的金屬基體復(fù)合體所組成。
不滲透容器的底部覆蓋了一層大約1/4英寸厚的180號粒度不燒結(jié)碳化硅顆粒。該容器是將內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約3英寸的16號AISI 304型不銹鋼管，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的不銹鋼板上而制成的。一個6061鋁合金園柱形金屬錠，直徑為大約0.75英寸，高為大約1英寸，放在這層碳化硅顆粒上面，使得園柱體的園形端直立在顆粒中，而1英寸的高度方向與碳化硅顆粒層相垂直。另外在不滲透容器中加入1/2英寸厚的碳化硅顆粒層，使得園柱體鋁金屬錠周圍的碳化硅顆粒層的厚度近似為園柱體高度的1/2。一些含鋁合金的熔融基體金屬的近似重量組成為2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在室溫下，將熔融的基體金屬注入容器中，覆蓋了碳化硅填料以及埋沒了1/2的6061鋁合金金屬錠。熔融基體金屬的溫度為大約800℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融母體金屬。特別地，B2O3粉末，(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約800℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在800℃的爐子中再保持大約3.5hrs。然后將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部，將組合體直接放入水冷冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫，拆開組合體，分離出大復(fù)合體。圖16是從組合體中分離出的大復(fù)合體的垂直截面圖。如圖16所示，大復(fù)合體(144)由固結(jié)在金屬基體復(fù)合體(148)上的鋁金屬體(146)所組成。金屬基體復(fù)合體由埋入上述基體金屬內(nèi)的180號粒度碳化硅填料所組成。
圖17是實施例中所制造的大復(fù)合體的水平截面的一張照片。圖17所示的截面略低于金屬基體復(fù)合體的上表面。如圖17所示，金屬基體復(fù)合體(148)固結(jié)在鋁金屬體(146)上。
實施例10本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在金屬體上的鋁金屬基體復(fù)合體所組成。
一個不滲透容器內(nèi)徑為大約1 9/16英寸，高度為大約4 3/4英寸，由16號AISI 304型不銹鋼構(gòu)成。該容器是將內(nèi)徑為大約19/16英寸，長度為大約4 3/4英寸的16號不銹鋼管，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上而制成的。一根市售6061鋁合金棒近似尺寸是，直徑為1英寸，長度為3英寸，放在該不使它容器中，一端豎立在容器的底部。與容器底部相接觸的棒的一端有一個園形的端面板，該端面板增加了棒的直徑，使其和不滲透容器的園柱形部分的內(nèi)徑(1 9/16英寸)幾乎相等。該端面板的高度為大約1/4英寸。用24號粒度碳化硅顆粒填料來填塞，端面板上方的棒的外表面和不滲透容器內(nèi)表面之間的環(huán)形空間。碳化硅顆粒的平面與鋁棒的上端幾乎齊平。一些含有鋁合金的熔融基體金屬的近似重量組成為，2.5-3.5%Zn，3.0-4.0%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.20-0.30%Mg，＜0.50%Mn，＜0.35%Sn，＜0.50%Ni，以及其余為Al。在室溫下，將熔融基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了碳化硅填料和鋁棒的上表面。熔融基體金屬的溫度為大約900℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬上。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融鋁基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約900℃的空氣箱式電阻爐中，在該溫度下保持15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在900℃的爐子中再保持大約2hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了組合體的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。冷卻至室溫后，在略高于鋁棒的端面板的地方切斷組合體的下部，并且，在略低于鋁棒上端的地方切斷組合體的上部。移去不銹鋼園柱體，顯露出一個大復(fù)合體。它由一個固結(jié)在園柱形金屬基體復(fù)合體殼體上的鋁合金棒所組成。該金屬基體復(fù)合體由埋入上述基體金屬中的24號粒度碳化硅顆粒所組成。
圖18是本實施例制造的大復(fù)合體的水平截面。如圖18所示，大復(fù)合體(150)由固結(jié)在一個園柱形金屬基體復(fù)合體殼體(154)上的鋁合金棒(152)所組成。
實施例11本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，它由通過青銅金屬基體復(fù)合體間層固結(jié)在一起的兩個同心不銹鋼管所組成。
將內(nèi)徑為大約1 9/16英寸，長度為大約4 3/4英寸的16號不銹鋼管，焊接在2 1/2英寸×2 1/2英寸約16號AISI 304型不銹鋼板上，形成第一個組合件。將第二個更大的16號AISI 304型不銹鋼管與第一個不銹鋼管同心放置。第二個不銹鋼管，內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約6 1/2英寸，長度為大約6 1/2英寸，焊接在相同的2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上，形成一個不使它容器。和不銹鋼內(nèi)管有相同直徑的16號AISI 304型不銹鋼園板，焊接在不銹鋼內(nèi)管的頂端，使該管的頂斷密封。用90號粒度氧化鋁填料(38Alundum，Norton Company)，填充不銹鋼內(nèi)管的外表面和不銹鋼外管的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間。90號粒度氧化鋁填料的平面與密封的不銹鋼內(nèi)管的頂端幾乎齊平。一些含有青銅合金的熔融基體金屬的近似重量組成為90%Cu，5%Si，2%Fe，3%Zn。在室溫下，將熔融基體金屬注入不使它容器中，覆蓋了填料和不銹鋼內(nèi)管的密封表面。熔融基體金屬的溫度為大約1100℃。然后，用一層密封材料覆蓋在熔融基體金屬上。特別地，B2O3粉末(Aesar Compary of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融青銅基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約1100℃的空氣箱式電阻爐中。在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在1100℃的爐子中再保持大約4hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了組合體的底部，將組合體直徑放入水冷冷卻銅板中，直接固化基體金屬。將組合體冷卻至室溫后，將不銹鋼板從不銹鋼館和金屬基體復(fù)合體上切割下來。另外，將第二根不銹鋼管的上端切斷，切斷面略低于不銹鋼內(nèi)管的密封頂端。得到的大復(fù)合體由通過一個金屬基體復(fù)合體間層而固結(jié)起來的兩個同心的不銹鋼管所組成。
圖19是本實施例制造的大復(fù)合體的水平截面的照片。如圖19所示，大復(fù)合體(156)包括兩個同心的不銹鋼管，外管(158)和內(nèi)管(160)，通過一個青銅金屬基體復(fù)合體間層(162)相固結(jié)。
實施例12本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在青銅金屬基體復(fù)合體上的不銹鋼空管所組成。
一個不滲透容器，是將內(nèi)徑為大約1 9/16英寸，長度為大約4 3/4英寸的16號AISI 304型不銹鋼管，焊接在2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上，形成第一個組合件。將第二個更大的16號AISI 304型不銹鋼管與第一個不銹鋼管同心放置。第二個不銹鋼管，內(nèi)徑為大約2 1/8英寸，長度為大約6 1/2英寸，焊接在相同的不銹鋼板上，形成一個不滲透容器。一個園形的16號AISI 304型不銹鋼板焊接在不銹鋼內(nèi)管的頂端。這塊不銹鋼元板的直徑比不銹鋼內(nèi)管略大，焊上后即密封了不銹鋼內(nèi)管的頂端。密封之后，鋁一個放氣孔，穿過2 1/2英寸×2 1/2英寸的不銹鋼板的底部，進(jìn)入不銹鋼內(nèi)管的內(nèi)壁所限定的空間。
當(dāng)組合體從室溫升溫至工藝溫度時，這氣孔可避免壓力升高。這個氣孔不會影響組合體的不滲透性，因為內(nèi)管的頂端是密封的。用16號粒度的氧化鋁填料(38Alundum，Norton Company)，填充不銹鋼內(nèi)管的外表面和不銹鋼外管的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間。氧化鋁填料的平面與密封的不銹鋼內(nèi)管的頂端幾乎齊平。一些含青銅含金的熔融基體金屬的近似重量組成為90%Cu，2%Fe，5%Si和3%Zn。在室溫下將熔融基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了氧化鋁填料和不銹鋼內(nèi)管的密封頂端。熔融基體金屬的溫度為大約1100℃。然后，用一層密封材料覆蓋熔融基體金屬。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)，放在熔融青銅基體金屬之上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)氣物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約1100℃的箱式空氣電阻爐中。在該溫度下保持大約15min，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在1100℃的爐子中再保持大約2hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了組合體的底面，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。將組合體冷卻至室溫后，將下面的不銹鋼板從兩個不銹鋼管和金屬母體復(fù)合體間層上切割下來。另外，將組合體的上端切斷，使其平面略低于不銹鋼內(nèi)管的頂端。從組合體中分離出的大復(fù)合體，由通過一個金屬基體復(fù)合體間層而固結(jié)在一起的兩個同心的不銹鋼管所組成。該金屬基體復(fù)合體間層由埋入上述青銅基體合金中的14號粒度氧化鋁填料所組成。當(dāng)組合體的兩端移去后，將不銹鋼外管也移去，形成一個最終大復(fù)合體，它由固結(jié)在一個青銅金屬基體復(fù)合體殼體上的不銹鋼管所組成。
圖20是本實施例中制造的最終大復(fù)合體的水平截面的照片。如圖20所示，大復(fù)合體(164)由固結(jié)在金屬基體復(fù)合體殼體(168)上的不銹鋼內(nèi)管(166)所組成。
實施例13本實施描述一種制造大復(fù)合體的方法。該大復(fù)合體由通過一個青銅金屬基體復(fù)合體間層，而固結(jié)在一起的不銹鋼棒和不銹鋼管所組成。該不銹鋼棒和不銹鋼管是同心的。
將一個直徑為大約1英寸，高度為大約4.5英寸的不銹鋼棒，焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的16號不銹鋼板上，形成第一個組合件。一個內(nèi)徑為大約1 3/8英寸，長度為大約6英寸的16號AISI 304型不銹鋼管，同心地套入不銹鋼棒。然后，該不銹鋼管被焊接到2 1/2英寸×2 1/2英寸的不銹鋼板上，形成一個不滲透容器。用90號粒度氧化鋁填料(38Alundum，Norton Company)，填充不銹鋼棒的外表面和不銹鋼管的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間。90號粒度填料的平面與不銹鋼棒的頂端幾乎齊平。一些含青銅合金的熔融基體金屬的近似重量組成為90%Cu，5%Si，2%Fe，3%Zn。在室溫下，將熔融基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了氧化鋁填料和不銹鋼棒的頂端。熔融基體金屬的溫度為大約1100℃。然后，用一層密封材料覆蓋在熔融基體金屬上。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook)放在熔融的青銅基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約1100℃的箱式空氣電阻爐中，在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了，形成一個氣密的密封。該組合體在1100℃的爐子中再保持大約4hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了組合體的底部，將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。組合體冷卻至室溫后，將組合體的底部切斷，切斷面略高于不銹鋼板的底面。另外，切斷組合體的上端，切斷面略低于不銹鋼棒的頂端。從組合體中分離出最終的園柱形大復(fù)合體，它由通過一個金屬基體復(fù)合體間層而固結(jié)在一根不銹鋼管上的一根不銹鋼棒所組成。金屬基體復(fù)合體由埋入上述青銅合金基體中的90號粒度氧化鋁填料所組成。
圖21是實施制造的大復(fù)合體的水平截面圖，如圖21所示，大復(fù)合體(170)由通過一個金屬基體復(fù)合體間層(176)而固結(jié)在一根不銹鋼管(174)上的一根不銹鋼棒(172)所組成。
如圖21所示，本實施例制造的園柱形大復(fù)合體的一個大約5/16英寸厚的截面，受到剪切試驗，以硝定金屬基體復(fù)合體材料與不銹鋼棒的固結(jié)強(qiáng)度。截面園片放在一個鋼環(huán)上，使得氧化鋁填充的青銅金屬基體與鋼環(huán)相接觸。一個壓頭與不銹鋼中心相接觸，加壓于壓頭，在垂直于大復(fù)合體園片的直徑方向，推壓不銹鋼中心。實驗在Forney，Inc.，Wampum，PA制造的Forney Compression/Universal試驗機(jī)(Model FT-0060-D)上進(jìn)行，在0.989平方英寸的剪切面上，最大荷載為大約8210磅，剪切強(qiáng)度為大約8300psi。
實施例14本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由固結(jié)在金屬體上的青銅金屬基體復(fù)合體所組成。
一片由Union Carbide生產(chǎn)的，市售GRAFOIL 石墨帶材料，放在一個不滲透容器的底部，覆蓋了整個底部。該不滲透容器是將16號不銹鋼板焊接在一起，形成一個內(nèi)邊長為4英寸，高度為1/2英寸的方型容器。一層大約1/8英寸厚的90號粒度氧化鋁填料(38Alundum，Norton Company)，放在GRAFOIL 層上面。一塊邊長為大約3 1/2英寸，厚度為大約3/8英寸的方形冷成型鋼放在這層氧化鋁填料上。在不滲透容器中，再加入90號粒度氧化鋁填料，直至氧化鋁填料的平面與冷成型不銹鋼片的上表面幾乎齊平。第二層石墨GRAFOIL 放在冷成型鋼片上面。GRAFOIL 層擴(kuò)展到冷成型鋼片的邊緣，部分覆蓋了氧化鋁填料層。在GRAFOIL 的邊緣和不滲透容器的內(nèi)表面之間存在著1/4英寸的空隙。一些含有青銅合金的熔融基體金屬的近似重量組成為90%Cu，5%Si，2%Fe，3%Zn。在室溫下，將熔融基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了GRAFOIL 層和暴露的氧化鋁填料。熔融基體金屬的溫度為大約1100℃。然后，用一層密封材料覆蓋在熔融基體金屬上。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)放在熔融青銅基體金屬上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約1100℃的箱式空氣電阻爐中，在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上完全蒸發(fā)了。形成了一個氣密的密封。該組合體在1100℃的爐子中再保持大約3hrs。然后，將組合體從爐中移出，不銹鋼板限定了不滲透容器的底部。將組合體直接放入水冷冷卻銅板中，直接固化基體金屬。將組合體冷卻至室溫，拆開組合體，分離出大復(fù)合體。該大復(fù)合體由固結(jié)在冷成型鋼片上的金屬基體復(fù)合體所組成。
圖22是本實施例制造的大復(fù)合體的垂直截面圖。如圖22所示，大復(fù)合體(178)由固結(jié)在冷成型鋼片(182)上的青銅金屬基體復(fù)合體(180)所組成。
實施例15本實施例描述一種制造大復(fù)合體的方法，該大復(fù)合體由兩個填料不同的青銅金屬基體復(fù)合體固結(jié)在一起。另外，本實施例還描述一種制造低密度大復(fù)合體的方法。
在不滲透容器的底部鋪一層1/8英寸厚的90號粒度碳化硅填料，該不滲透容器是將內(nèi)徑為大約2英寸，長度為大約2 1/2英寸的16號AISI 304型不銹鋼管，焊接到2 3/8英寸×2 3/8英寸的16號不銹鋼板上。一層大約3/4英寸厚的氧化鋁空心球放在90號粒度碳化硅層的上面。氧化鋁空心球是球形的，直徑為3.2mm，由Ceramic Fillers Inc.，Atlanta，Georgia生產(chǎn)。另外一層90號粒度碳硅化填料放在這些氧化鋁空心球上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成，緩緩振動，使90號粒度碳化硅填料下沉并填充(即位于)氧化鋁空心球之間的空隙的至少一部分。當(dāng)再沒有90號粒度碳化硅沉入空心球之間的空隙時，在組合體中再加入一些90號粒度碳化硅，在氧化鋁空心球上面造成一層1/8英寸厚的碳化硅層。一塊不銹鋼板，直徑為大約1 7/8英寸，厚度為大約1/8英寸，將已放在碳化硅層的上面。不銹鋼板的直徑比不滲透容器的內(nèi)徑略小，使得在不銹鋼板的邊緣和不銹鋼管的內(nèi)表面之間有一個小空隙。一些含青銅合金的熔融母體金屬的近似重量組成為90%Cu，5%Si，2%Fe，3%Zn。在室溫下，將熔融基體金屬注入不滲透容器中，覆蓋了不銹鋼板和暴露的碳化硅填料。熔融基體金屬的溫度為大約1100℃。然后，用一層密封材料覆蓋在熔融基體金屬上。特別地，B2O3粉末(Aesar Company of Seabrook，New Hampshire)放在熔融基體金屬之上。組合體，由不滲透容器和其內(nèi)含物所組成。將組合體放入一個預(yù)熱到大約1100℃的箱式空氣電阻爐中。在該溫度下保持大約15min后，B2O3材料基本上完全熔化形成了一個玻璃層。進(jìn)一步地，B2O3材料中的水基本上被完全蒸發(fā)了，形成了一個氣密的密封。該組合體在1100℃的爐子中再保持大約2hrs。然后，將組合體從爐中移出。不銹鋼板限定了不滲透容器的底面。將組合體直接放入水冷卻銅板中，直接固化基體金屬。組合體冷卻至室溫后，拆開組合體，分離出大復(fù)合體。該大復(fù)合體包括第一層金屬基體復(fù)合體材料，它由埋在上述青銅基體金屬中的90號粒度碳化硅填料組成，固結(jié)在第二層金屬基體復(fù)合體材料上，它由埋在上述青銅基體金屬中的氧化鋁空心球組成，第二層金屬母體復(fù)合體材料又固結(jié)在第三層金屬基體復(fù)合體材料上，后者由埋在上述青銅基體金屬中的90號粒度碳化硅填料組成。從大復(fù)合體中移出最上面的金屬基體復(fù)合體層，得到一個雙層的大復(fù)合體，它包括一個含有空心球的金屬基體復(fù)合體，它與含有90號粒度碳化硅填料的金屬基體復(fù)合體相固結(jié)。該復(fù)合體塊的密度近似為3.9g/cm3。而一個通常的金屬基體復(fù)合體，它由埋入類似本實驗中所用的青銅合金中的90號粒度碳化硅填料所組成，它的密度近似為5.5g/cm3。
圖23是本實施例制造的最終的雙層大復(fù)合體的水平截面的照片。如圖23所示，大復(fù)合體(184)由一個含有氧化鋁空心球作為填料的青銅金屬基體復(fù)合體(186)，固結(jié)在一個含有90號粒度碳化硅填料的青銅金屬基體復(fù)合體(188)上所組成。
權(quán)利要求
1.制造大復(fù)合體的方法，其步驟包括形成反應(yīng)體系，其中包括基體金屬，反應(yīng)性氣氛，不滲透容器，滲透物質(zhì)，該物質(zhì)包括至少一種選自疏松填料和預(yù)型，以及，與所說滲透物質(zhì)鄰接的至少一種第二種或附加的物體；至少部分密封反應(yīng)體系以使其與外界的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至少一種物體形成金屬基復(fù)合體，該復(fù)合體整體聯(lián)結(jié)或固結(jié)在所說至少一種第二種或附加物體上，從而形成大復(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1的方法，其中包括提供阻擋層，該阻擋層限定至少一部分所說滲透物質(zhì)表面。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所說阻擋層包括至少一種選自碳，石墨，二硼化鈦，熟石膏，氧化鋁和二氧化硅的物料。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所說阻擋層基本上不會被所說基體金屬所濕潤。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.權(quán)利要求20的方法，其中所說不滲透容器包括氧化鋁或碳化硅。
23.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氣氛的物料。
24.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，氧氣或氮氣。
25.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，氧氣或氮氣。
26.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，但低于所說基體金屬的揮發(fā)點和所說不滲透容器的熔點。
27.權(quán)利要求1的方法，其中所說密封反應(yīng)體系加熱到當(dāng)所說基體金屬包括鋁時，約700-1000℃;當(dāng)所說基體金屬包括青銅或銅時，約1050-1125℃;而當(dāng)所說基體金屬包括鑄鐵時，約1250-1
28.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。400℃。
29.權(quán)利要求1的方法，其中進(jìn)一步包括定向固化所說大復(fù)合體中至少所說金屬基體復(fù)合體成分。
30.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少一種第二種或附加物體包括至少一種選自金屬，陶瓷，陶瓷基體復(fù)合體，金屬基體復(fù)合體和其混合物的物料。
31.按照上述權(quán)利要求中任一項的方法制造的大復(fù)合體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造大復(fù)合體的新工藝，其中基體金屬與放置在附近的合適填料或預(yù)型接觸，或者與至少一種第二種材料接觸，在工藝中至少某點，反應(yīng)氣氛和熔融基體金屬和/或填料或預(yù)型和/或不滲透容器之間發(fā)生反應(yīng)。熔融基體金屬滲透入填料或預(yù)型，使得仍然基體金屬與至少一種第二種材料的至少部分接觸。將基體金屬冷卻至其熔點之下，形成金屬基體復(fù)合體，由固結(jié)在至少一種第二種材料的至少一部分上的金屬基體復(fù)合體所組成。
文檔編號C22C47/08GK1048894SQ9010463
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21日
發(fā)明者羅伯特·坎貝爾·坎特, 拉特尼師·庫瑪·德維瓦迪 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司