[发明专利]陶瓷金属复合材料的致密

说明书

本发明是关于致密的，即接近于真密度的陶瓷金属复合材料及其加工方法。尤其是本发明涉及的陶瓷金属复合材料，它是由化学性质上不相溶的成分构成的，这些成分也可能具有不湿润的特性。

陶瓷材料与金属结合形成复合材料，它具有特殊的硬度和韧性，而且与金属相比，其重量轻。对于给定的起始混合物来说，对于任何陶瓷金属复合材料，要获得最好的性能，要求形成的复合材料基本上是致密的，并能获得真密度。也因为这种陶瓷金属复合材料的主要优点是硬度，所以含有最大的陶瓷成分是所希望的。最好是，陶瓷成分至少占复合材料的（体积）50%。迄今为止，这样的复合材料要得到完全的致密是困难的。金属成分导致陶瓷金属材料的韧性，另外它是获得无空隙的致密的关键成分。也希望加工完成的致密的制品，其化学性质和陶瓷晶粒大小基本上与起始的混合物相似。要获得预期和均匀的性能的复合材料，这样的相似性是重要的。

对于陶瓷金属混合物，获得完全致密的陶瓷金属复合材料，在过去尚未取得，因为陶瓷和金属材料结合比较困难，而这样的结合是重要的。许多金属和陶瓷材料是无湿润的，这样通过加工要达到完全致密是困难的。完全致密即要求液态金属在毛细管作用力的影响下，渗入陶瓷晶粒间的空隙。同样，陶瓷与金属材料是不相溶的，在传统的密实加工下，从某种意义上说，它们相互之间起了作用，即利用比较高的温度以助于克服无湿润的困难。由于上述作用的结果，加工后的复合材料可能包括新的成分和新相，这些通常对复合材料的性能是有 害的。

已有技术揭示：陶恣金属复合材料的致密是利用许多技术，包括热压，热等静压（HIP）和爆破成型。因此，斯柴尔科普（Schwarzkopf）在美国专利2，148，040公开了用于致密陶瓷金属混合物的热压工艺，包括加热混合物至初步烧结的温度，该温度规定为比整个混合物熔化温度低10-15%。得到海绵状，多孔的结构，最好还是保温的，然后在71.1-21.33千磅/英寸²（490-1470兆帕）压力下挤压并通过一个孔。加压导致较低熔点金属成分的流动，这样注入陶瓷晶粒之间的空隙。

对于由斯柴尔科普（Schwarzkopf）加工的复合材料，一个问题是因为温度控制不适当而没有可靠的致密性和均匀性。同样，挤压加工也严格地限制了复合材料的品种，只能加工简单形状的复合材料。

加工复杂形状的陶瓷金属复合材料，先制备均匀组分粉末浆状混合物，然后将其如浇铸在所要求的复杂形状的模具上，经脱水后即得到未烧结的制品即坯块。把坯块加热到高温以得到最终致密的制品。但是基本上低于100%的真密度。人们很快认识到，应用高压是有助于进一步的致密。人们也很快认识到，对于许多陶瓷金属坯块，采用传统通用的直到几千磅/英寸²（大约10-15兆帕）的压力是不能获得完全致密的材料的。

重要的是，为此人们转向爆破致密工艺，即在几毫秒内，大约有几千磅/英寸²的压力施加到陶瓷金属复合材料上。因此，蒙克纳（Mckenna）等人在美国专利2，648，125提出，用液体围绕着陶瓷金属坯块，并使液体受到爆破压力，对坯块施加50-60千磅/寸²（345-413兆帕）的均衡的压力。蒙克纳指出：要求的是，压力不能施加的太快，最大的压力最好是在25-50毫秒内获得。布莱特（Brite）等人在美国专利3，276，867公开了一种方法，用于致密氧化铀或氮化铀粉末和金属如钨、镍、铁或类似的粉末组成的混合物。该方法要求加热混合物至一定温度，这个温度要低于在粉末之间产生任何反应的温度，接着，受到高能量、高速率的压实，即在2-6毫秒内施加250-400千磅/英寸²（1724至2758兆帕）的压力。渗诺（Zernow）等人在美国专利3，157，498利用一种爆破技术，其中坯块在短时间内受到高压力，在坯块产生非常大绝热的温度升高，可能升高到大约几千度的绝对温度。

因为种种原因，爆破压实方法是不能令人满意的。加工所利用的温度难以控制。常常，正如泽诺（Zernow）等人所说的，由于产生大的温度升高，以致于生成有害相。用这种方法加工的复合材料，一般限于小的尺寸，另外急剧的压力常常导致复合材料的破裂。因此，工业上转向于以升高温度在稍微低的压力下进行，作为获得更均匀的复合材料的一种方法。

利克地（Lichti）等人在美国专利4，539，175描述了压实粉末材料如陶瓷金属坯块的方法，即加热坯块到926℃至2204℃和施加均衡的压力20-120千磅/英寸²（138-827兆帕）。