[发明专利]用自生真空工艺制造大复合体的方法

说明书

本发明涉及制造大复合体。特别地，填料或预型放置在至少一种第二种材料旁，或与之相连触。然后，在不渗透的容器中，填料或预型在合适的反应气氛下，与熔融基体金属相接触，至少在工艺过程中的某点，在反应气氛与熔融基体金属和/或填料或预型和/或不渗透的容器之间发生反应，结果导致熔融基体金属渗透进入填料或预型。因此，由于，至少部分地由于，自生真空的产生，使熔融基体金属渗透进入了填料或预型。这样的自生真空渗透作用不需要施加外压或真空。在基体金属渗透过程的某点，基体金属与至少一种第二种材料相接触。将基体金属冷却至低于其熔点，制造出一种大复合体，它由固结在至少一种第二种材料的至少一部分上的金属基体复合体所组成。

由基体金属与增强相材料如陶瓷颗粒、晶须、纤维或类似材料组成的复合产品具有广泛的应用前景，因为它们不仅具有增强相的刚性和抗磨损性，又具有金属基体的延展性与韧性。一般来说，金属基复合材料会对整体型金属材料的强度、刚度、抗接触磨损等性能有所改善，并能延长高温强度的滞留时间，但这些性能所能改善的程度主要取决于具体的成份，其体积或重量份数以及复合材料的制造工艺。某些情况下，复合体也可能比基体金属轻。例如：用颗粒状或层状碳化硅陶瓷或晶须增强的铝基复合材料之所以引起兴趣，正是因为它们相对干铝来说具有更高的刚度，耐磨损性和高温强度。

关于铝基复合材料制造的各种冶金工艺已作过叙述，主要有粉末冶金技术，利用压力铸造、真空铸造、搅拌以及加入湿润剂等手段的液态金属渗透法。

在粉末冶金工艺中，把粉末状金属与粉末状、晶须或纤维段增强材料混合在一起，然后冷压、烧结或者热压。利用传统工艺，用粉末冶金法制造的金属基复合材料产品相对于可得到的产品的性能来说有一定的局限性。陶瓷相在复合材料中的体积份数是有限的，在颗粒状情况下，典型值是百分之四十。另外，加压操作对所得产品的实际尺寸也有影响，它只能适用于没有后续工艺(如成型或机加工)或不需要复合加工的，形状相对简单的产品。而且这种方法不仅会因为成型与晶粒生长过程中的分凝得到微观结构不一致的产品，还会因为烧结过程中收缩不同，产品的尺寸与形状也不同。

1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美国专利3,970,136号提出了用纤维状增强剂如碳化硅或氧化铝晶须制造金属基复合材料的工艺，可以预先确定纤维的取向。这种复合材料的制造工艺是这样的：把纤维排放在织物或毡上，再把这些织物平行排放在一个模型中，至少在部分织物之间放上熔融基体金属容器，然后加压，使熔融金属穿透织物，包裹在已取向好的纤维四周。熔融金属也可在加压过程中倾倒在毡堆上迫使它在毡之间流动而达到要求。据报导，通过提高增强纤维的体织份数，承载可提高达50％。

上面叙述的渗透工艺，由于它必须依靠外界压力迫使熔融金属在纤维毡堆中渗流，因此会产生压力诱导流动过程所带来的问题，即基体层的不均匀性、气孔等等。即使能把熔融金属在纤维排列中重复引入，也可能产生性能的不一致性。因此，要想使纤维毡堆具有均匀、足够的穿透性，毡/容器的排列与流动道路必须设计得相当复杂。另外由于在大体积的织物中渗透非常困难，对于所希望获得的基体体积份数来讲，这种压力渗透法所获得的增强效果也相对较差。更有甚者，所用的模型也必须承受压力，这也增加了工艺的成本。最后，这种方法也局限于在排成一线的粒子或纤维中渗透，而不能用于无规取向的粒子、晶须或纤维等材料来增强的金属基复合材料。

在用氧化铝填充的铝基复合材料中，铝并不能湿润氧化铝，因此很难形成凝聚的产品。其它一些基体金属与填料的结合也有同样的问题。对于这样问题已提出了一些解决方法，一种方法就是在氧化铝上涂上一层金属(如镍或钨)，然后与铝一起热压。另一种方法是把铝与锂一起制成合金，再在氧化铝周围涂上氧化硅。然而，这些方法会对复合材料的性能有所影响，如涂层有可能会使填料的性能恶化，基体中的锂也会影响到基体的性能。

R.W Grimshaw等人的美国专利4,232,091号克服了铝基一氧化铝复合材料的生产过程中所遇到的一些困难。这种方法是先把氧化铝的纤维或晶须毡加热到700到1050℃，然后再在7.4-36.7MPa的压力下使熔化的铝(或铝合金)进入到毡中。在固体涂层中氧化铝与金属的体积比最大可达1/4。由于这种方法的渗透过程同样需要外力。因此也存在与Cannell等人的方法一样的困难。