[发明专利]金属渗透的碳化硅钛和碳化铝钛坯体

说明书

本申请要求在2008年6月6日提交的美国临时专利申请61/059,315的优先权。

本发明涉及金属与碳化硅钛(titanium-silicon-carbide)或碳化铝钛(titanium-aluminum-carbide)的复合材料。

某些碳化硅钛(TSC)和碳化铝钛(TAC)材料形成有时称为“MAX”材料的一类陶瓷的一部分。这些陶瓷具有层状分子结构，其中由钛和碳原子构成的强结合片通过较弱的键与中间硅或铝层连接。此层状结构据信是这些材料的一些非常令人感兴趣的性质的原因。这些材料与大多数陶瓷一样耐氧化，但是可容易地机械加工。它们与大多数陶瓷材料相比具有优异的韧性并且同时具有高的模量。这些材料是自润滑的，与石墨自润滑大致相同。

使用这些材料的一个主要缺点是难以将它们致密化以形成零件。为了制备致密零件，需要热压法，随后长时间热处理。这些加工要求导致高的成本以及致密化零件中大的晶粒的形成。另外，热压法仅可以用于制备相当简单的形状。在致密化步骤以后必须机械加工较复杂的成形零件。

还已经提出的是形成金属与TSC或TAC材料的复合材料。例如，已经试图从粉末的混合物形成铜与碳化硅钛的复合材料。然而，即使使用热压，也难以将该材料致密化，除非陶瓷相含量非常低。此方法的另一个缺点在于陶瓷相没有如所期望地精细分散在金属相中。陶瓷在金属相中分散的程度由起始粉末的粒度限制。即使将非常精细的粉末用作原料，在实践中也难以防止陶瓷粒子附聚。结果，即使当使用非常精细的起始粉末时，陶瓷相也有些粗糙地分散在整个复合材料中。因此以此方式制成的零件不具有如所期望一样好的性质。

下列尝试没有导致显著的改进：通过将铜包覆在TSC粒子上形成复合材料，然后将包覆的粒子致密化。为了将材料致密化仍需要热压法。类似地，将Ti₃AlC₂和铜粉末混合并且使用热压法致密化。在此情况下，观察到陶瓷和金属相之间的反应。致密化的复合材料主要含有Cu(Al)和立方晶系TiCx作为主要相。参见Zhang等的“Ti₃AlC₂在Cu中的结构稳定性和Cu-Ti₃AlC₂复合材料的微结构演变(Structure Stability of Ti₃AlC₂ in Cu and microstructure evolution of Cu-Ti₃AlC₂ composites)”，Acta Materialia，在出版中，(2007)。

因此，期望提供金属与TSC或TAC的复合材料，其可以容易地致密化，可以含有高含量的陶瓷相，并且具有良好的机械和电性质。优选地，复合材料具有均匀地(intimately)分散在金属相内的陶瓷相。

本发明的一个方面是一种用于形成金属与碳化硅钛或碳化铝钛起始陶瓷材料的复合材料的方法，所述方法包括：形成起始陶瓷材料的坯体(body)，并且将所述坯体与所述金属在高于所述金属的熔融温度、但低于所述陶瓷材料的分解温度的温度接触，接触时间足以使得所述金属的至少一部分渗透到所述坯体中而形成复合材料，然后将得到的复合材料冷却至低于所述金属的熔融温度。

本发明提供了几个优点并且在许多情况下产生了独特的复合材料。首先，容易且快速地形成完全致密的复合材料。该方法可以在大气压或低于大气压的压力进行。因此，不需要热压技术形成致密的坯体。使用低压致密化方法的能力允许在一些情况下直接制备具有复杂形状的复合材料坯体。这可以减少或者甚至消除对随后加工的要求。另外，不需要任何致密化后热处理，所述致密化后热处理对于完全致密化碳化硅钛和碳化铝钛零件通常是要求的。通过该方法制备的复合材料可以具有宽范围的陶瓷含量。

本发明还是一种致密化复合材料，其具有金属相和碳化硅钛或碳化铝钛陶瓷相，其中所述金属相占所述复合材料的体积的约10至90％。

本发明的复合材料具有许多有用性质，这在任何具体情况下当然取决于金属和陶瓷相的相对比例以及金属和陶瓷相在复合材料中的分布。复合材料是高度热和电传导性的。与致密化的100％TSC和TAC材料相比，本发明的复合材料具有较大的韧性和较大的拉伸强度，同时仍保持可接受的杨氏模量。当必需机械加工时，可以使用例如碳化钨工具的工具而非更昂贵的金刚石工具对复合材料进行机械加工。