[发明专利]具有复杂内部形态的复合制品的制造方法

说明书

本发明涉及致密的复合制品，如陶瓷-金属复合制品，及其制造该制品的方法。更其体地说，本发明涉及具有孔或腔等复杂形态的复合制品，及其无需进行内表面加工的制造方法。

陶瓷-金属、金属-金属或陶瓷-玻璃材料的复合制品的制造方法通常是先形成这些材料的多孔坯块，然后进行致密化处理，如烧结或热等静压。一般致密化处理会导致多孔坯块明显收缩，其密度从真密度或理论密度的50-60%（体积）增加到80-100%（体积）。这种致密化处理还会导至制品变形，造成许多废品，这些废品达不到成品的要求，或最终形状。

要制得预定尺寸和所需最终形状的已精加工的合格复合制品是非常困难的，因为这些制品必须具有内表面或内腔或中空部分，尤其是当内腔的内部形态复杂时。这类制品包括，如管，内径可变的管材或空心球。

过去，复合制品中的内腔通常是在烧结的制品上钻毛细管或通道而制成的，然后需用机械方法对变化的直径或其它复杂表面进行加工。具有全封闭内腔或孔的制品一般制造方法包括先分段制成该制品，然后把各段连接或焊接起来形成完整的制品。

这些先有技术成本高，而且往往有技术困难，尤其是当内部操作空间有限时。由于制成这些制品的材料很硬，如许多陶瓷，即使是简单的钻孔也极其困难和昂贵。

另一种方法是使金属渗入多孔陶瓷坯块中，经烧结或热压形成致密的陶瓷-金属复合物。例如Stibbs等人在US3749571中叙述了将硅渗入碳化硼坯块中，达到理论密度的99%，但必不可少的烧结步骤仍会导致该制品收缩。Gazza等人在US3864154中叙述了各种陶瓷-金属材料的实芯复合物，如一个简单的圆片的制造，该方法是用金属粉末包裹陶瓷坯块，然后加热直到熔融金属浸渍该陶瓷骨架。Landingham在US3718441中通过减少存在于金属粉末中的氧化物膜（该氧化物膜在烧结过程中防碍了金属对陶瓷的润湿），使简单的圆柱形氧化铍坯块致密化。然后必须用机械方法除去剩余的金属。

早期工作的重点只是实现致密化。所研究的制品不是具有内腔的形状复杂的制品。因此，内部收缩或内部加工与最终的形状无多大关系。

研究的重点放在多种反应结合材料上，如B₄C和Al，因为在应用渗透方法时，往往必须对潜在的化学反应动力学与渗透方法加以平衡考虑，因为所形成的陶瓷相封闭多孔坯块的渗透通道会影响致密化。为了在实现渗透的同时实现所需的致密化，Pyzik等人在US4702770中提及在金属渗入多孔坯块之前，先在约180℃对B₄C进行热处理以降低B₄C-Al系统的反应速率。Halverson等人在US4718941中采用延长化学处理时间的方法达到渗透的目的。当然，这些材料处理工艺会增加该复合制品的成本。多数这些致密化方法还涉及后面的烧结步骤，而该烧结步骤会使成品明显收缩。因此，至今在制造这种最终形态复合物时，渗透与热压比较没有什么优越性。

由于制造几乎完全致密化和无孔的制品的能力的提高，这些复合物的特性有所改进。现在已有可能把多种材料的特性结合起来，如陶瓷和金属。人们现在把重点放在制造致密的形态复杂的复合制品上，以满足某些用途的功能要求，这些复合制品显然要由改进了性能的复合材料制成。其中有一种需要就是制造尺寸精确并且具有复杂形态，如内腔和类似形态的复合制品。最好制造的这些制品完全致密，具有最终形态，即没有明显的收缩，所以是十分完美的，不必进一步加工成形（如机加工）。

本发明实质上是用一种不收缩的工艺方法制造陶瓷-金属、金属-金属，陶瓷-玻璃材料或类似物的一种复合制品，该制品具有复杂的内表面，如孔，部分封闭的腔，甚至完全封闭的腔。该方法采用一种渗透技术，令人惊奇地是无需对可反应的陶瓷-金属材料如B₄C-Al进行热处理或化学预处理，就能使其密度达到理论密度的99%以上。在低于烧结温度下，对已渗透的制品进行热处理，这样可基本上消除制品的收缩。在制造具有最终形态的致密陶瓷-金属和类似的复合制品工艺中实质上已消除了典型现有技术中的内部形态变形和内部机加工。另外，本方法是一种渗透方法，该方法无需为实现成功的渗透而对材料进行预处理。