製取金屬基複合材料的方法

2023-08-13 10:23:26

專利名稱：製取金屬基複合材料的方法
技術領域：
本發明涉及在陶瓷預製坯中，利用置於該預製坯中的滲透性填充物與熔融鋁或鎂，或其合金間的自發滲透來製取金屬基複合材料的方法。本發明還涉及鋁和鎂金屬基複合材料體及其結構。
有若干種複合材料製品，由於它們兼有強化相的強度與硬度和金屬基體的延性與韌性，因而在各種各樣的應用中是很有前途的，這些複合材料製品是由金屬基體埋入陶瓷粒子，晶須，纖維或其他類似的填充物組成的強化或增強相中所組成。一般而言，金屬基複合材料體在如強度，剛度，抗接觸磨損性以及在對基體金屬本身來說已可算高溫的情況下仍保持強度的這樣一些性質上都有改進。在某些情況下，該複合材料體的重量可能比大小相同的基體金屬體要輕些。然而，任何一個特性可能得到改進的程度主要取決於所採用的具體組分，它們在複合材料體中所佔的體積或重量百分比以及將它們加工成複合材料體的方法。例如，用諸如，呈顆粒狀，片晶或晶須狀的碳化矽這類陶瓷填料增強的鋁基複合材料，由於它們有較高的剛度，以及相對於未加填料的鋁來講，有較高的耐磨和耐溫性能，而使人關注。
人們已介紹了各種生產鋁基複合材料的冶金方法，其中包括藉助於粉末冶金技術的方法以及諸如藉助於增強材料的熔融金屬滲透作用的壓力注漿法。
就粉末冶金技術而言，它是把呈粉末狀態的金屬和呈粉末，晶須，短纖維等狀態的陶瓷增強材料摻合在一起，然後，或是用冷壓加燒結，或是用熱壓法加工。但採用傳統工藝的粉末冶金技術生產金屬基複合材料，會使所得產品的性能受到一定限制。在該複合材料中，陶瓷相所佔的體積百分率通常被限制在約40%，壓制操作使得到製品的實際體積受到限制，以及若無後續的加工過程(例如，成形或機加工)，或不利用複雜的壓制過程，就只能得到形狀比較簡單的製品。再者，在燒結過程中，不均勻的收縮以及由於壓坯中的偏析和晶粒長大而致的顯微組織的不均勻性就可能發生。
例如，當生產填充氧化鋁的鋁基複合材料中使用熔融鋁時，熔融鋁不容易浸潤氧化鋁增強材料，因此，使它難以形成組織緻密的製品。先有技術提出了對該問題的各種解決辦法，其中包括，用浸潤劑包覆氧化鋁(或其他填充物);通過加壓，把熔融鋁壓進增強材料或填充物中;利用真空把熔融鋁抽進填充物中;在大大超過鋁熔點的非常高的溫度下進行操作;以及綜合應用以上方法。這些方法的使用勢必使加工過程複雜化，要求有價值昂貴的設備，諸如，壓力機，真空設備，控制裝置等，使可成形的製品的體積和形狀受到限制，而且有時會以浸潤劑或類似形式將有害組份滲入製品中。
在美國專利3，364，976中，申請人是N.Reding等，公開了利用模子中截留的反應性氣氛，以促進熔融金屬的滲透作用的方法。此專利公開了一種澆鑄諸如鋁和鎂合金的金屬澆鑄方法，在該方法中，選擇性地裝有適當填充物的模空腔中，含有能與被澆鑄的熔融金屬起反應的氣體並可形成體積小的固態反應產物。因該模是嚴格密封的，因而熔融金屬的反應所消耗的是被截留的氣體並且在模空腔內產生真空，因此，熔融金屬被抽吸進來。例如，在第三欄第55行及其後敘述了熔融鎂與空氣中所含的氧和氮反應而生成氧化鎂和氮化鎂，因此所產生的真空足以使熔融鎂基本上完全充滿該模子。附圖介紹一種箱形模子10，模子內有一個通向腔14的單一開孔12，腔內含有與熔融金屬16起適當反應的氣體。文中說明把該模子浸入熔融金屬體中(如圖3所示)，模子就沒有必要完全氣密封或液密封(第二欄第57-61行)以及模子內截留的氣體與熔融金屬的反應使熔融金屬充滿模子。實例5和10分別說明了在1300°F(704℃)下，氧化鋁晶粒與熔融鎂合金以及在1400°F(760℃)下，碳化矽與含5%的鎂的熔融鋁合金之間的滲透過程。
DannyK.White等人於1987年5月13日提出了美國專利申請號為049.171，題為「金屬基複合材料」，對該專利申請已指派了代理人，該專利公開了一種生產鋁基複合材料的方法。按照這個方法，至少含約1%(重量)的鎂，最好至少含約3%(重量)的鎂的熔融鋁，在有由約10%到100%(體積)的氮，其餘是非氧化性氣體(例如，氬或氫)所組成的氣體存在的情況下，與滲透性陶瓷填轄喲ァＮ露仍嘉 00℃到1200℃之熔融鋁合金自發滲透滲透性填充物，即滲透填充物的過程無需施加機械壓力或藉助真空的作用。熔融體凝固後，就形成已滲入陶瓷填充物的金屬基體，即，一種金屬基複合材料體。陶瓷填充物包括如氧化物，碳化物，硼化物以及氮化物等，例如氧化鋁。
概括地講，本發明提供一種模製金屬基複合材料的方法，該方法是通過使熔融鋁或鎂自發滲透進置於模內的一種填料或填料床中(以下稱為「二次填料」)，該填料保持在一種基本上氣密的環境中。該模子是通過熔融的產物母體金屬或母體金屬與一種氧化劑的直接氧化反應而成，這種反應使多晶氧化反應產物產生或長大，並至少部分嵌入由適當填料(以下稱為「一次填料」)所組成的預製坯中。該氣密的填料床可能含截留的空氣，但截留的空氣和模子內含物是隔離的或密封的，以便排除或隔斷外部或周圍的空氣。模子內裝有二次填料並與熔融金屬接觸，模子內含物是被密封住的，通常用密封住模子的入口或開口的辦法達到。通過提供一種密封的環境，在中等的熔融金屬溫度下，即可實現二次填料的有效自發滲透，因而就不必使用浸潤劑、或在該熔融鋁金屬或鎂金屬中使用特種合金元素、施加機械壓力、應用真空、特殊的氣體氣氛或其他任何滲透手段。
因此，在下面宣布的共同佔有專利申請中所述的最重要的是利用直接氧化方法製成一，基本上不滲透的模子。由一次填料組成的並提供所需形狀的空腔的滲透性預製坯與熔融母體金屬接觸並與一種氧化物反應。這種反應形成一種不滲透性氧化反應產物。該反應是在高於母體金屬熔點但低於氧化反應產物熔點的溫度範圍內完成的。在反應過程中，至少有部分氧化反應產物與熔融母體金屬和氧化劑保持接觸並在其間擴展，這樣就逐漸地把熔融母體金屬穿過氧化反應產物引向氧化劑並進入預製坯，從而在預製坯內，氧化反應產物在氧化劑和早先形成的氧化反應物之間的界面上連續生成。由於氧化產物至少在部分預製坯中生長，使得氧化反應可在前述溫度範圍內在反應產物中深入，從而提供滲入了一次填料的陶瓷體不滲透模。例如，至少是確定空腔界限的那部分預製坯可以被埋入氧化反應產物內。無論如何，不滲透性模子的空腔至少部分是被滲透性的二次填料充滿，然後在足以使二次填料進行自發滲透的一段時間內與熔融鋁接觸，同時在密封環境中保持這種狀態。自發滲透完成後，熔融金屬凝固，就得到該金屬基複合材料體。
本發明的一種應用方法是，使用一種延伸在模子空腔之上的熔融鋁或鎂的儲留體或貯存池來實現模子容物的密封環境。通常，模子空腔開孔或入口都用熔融鋁的儲留體或液位差封住。
按照本發明的另一個實例，金屬基複合材料體在熔融金屬凝固之後，與模子結合。在該工藝條件下，凝固的熔融金屬與不滲透性模子保持接觸，或與其部分接觸，以便使得到的金屬基複合材料至少與部分模子結合。按此方式，金屬基複合材料同模子或其部分成為一個整體，以形成一種金屬基複合材料-陶瓷層狀材料或結構。
此外，在又一個實例中，模子空腔是預成型的，有預定的幾何形狀，所得到的金屬基複合材料與該幾何形狀一致。當把模子和金屬基複合材料公開時，金屬基複合材料的表面反向複製出模子空腔的幾何形狀，因此，用本專利是可以製作出成型的金屬基複合材料體。
定義本文中和權利要求中所用的下列術語具有一定的含義。
術語「鋁」和「鎂」所指並包含基本上純的金屬，例如，一種比較純的，市場上可以買到的非合金鋁或鎂，以及其他等級的金屬和金屬合金，諸如，市場上可以買到的，含有某些雜質和/或合金組分的金屬，例如，鐵，矽，銅，鎂，錳，鉻，鋅等。從這個定義來講，鋁合金或鎂合金是其中的鋁或鎂分別是主要組分的一種合金。
術語「母體金屬」意指多晶氧化反應產物的產物母體金屬例如，鋁，矽，鈦，錫或鋯，並包含一種基本上純的金屬，或一種市場上可以買到的，在其中含雜質和/或合金組分的那種金屬，從這個定義來講，金屬合金是其中的產物母體金屬為主要組分的一種合金。
術語「陶瓷」所指並包含的並不局限於作為該種材料的術語的經典定義，按該定義它完全由非金屬和無機材料組成，但在本文定義範圍內，它還包括，無論就其組成或主要特性而論，均以陶瓷為主，但該材料體可芎嗟筆康囊恢只蚨嘀執幽柑褰鶚粞萇吹慕鶚簦 含量通常在約1-40%(體積)這個範圍以內，但也可能含更多的金屬。
術語「填料」意指並包含適用於實施本發明的任何一種填料，其中包括陶瓷填料本身，諸如，纖維，短纖維，粒子，晶須，泡沫材料，球體材料，纖維網或類似形態的氧化鋁或碳化矽，以及諸如塗覆有氧化鋁或碳化矽的碳纖維一類陶瓷塗層纖維，以保護碳不受熔融鋁金屬的侵蝕。
術語「一次填料」意指至少是一種填充材料，它適於埋入通過母體金屬的直接氧化作用所得到的多晶氧化反應產物內，下文對此有更詳細的敘述。
術語「二次填料」意指至少是一種填充材料，它適於通過熔融鋁或鎂金屬的滲透作用埋入凝固的金屬基質中。
術語「不滲透性」當用來說明一種模子或其他材料，結構或環境時，意指對空氣基本上是不滲透的，即基本上是氣密的。
附圖的概要說明

圖1是一個熔融鋁體和一個不滲透性模子組件的剖面示意圖，在模子內，示出的是按照本發明的一個實例中的二次填料正處在被熔融鋁金屬自發滲透的中間階段。
圖2是與圖1相對應的一張圖，圖中示出的是，按照本發明的一個實例中的一種結構，它是被陶瓷套筒或襯底包覆並與之相連接的一種金屬基複合材料。
圖3是一個剖面圖，圖中示出的是另一個熔融鋁金屬體和在其中含二次填料的不滲透性陶瓷模子或外殼的裝置實例。
圖4是一個完成本發明另一個實例的裝置的正剖視圖，它是通過把大量二次填料浸入熔融鋁中，使填料與周圍空氣隔離。
圖5是，按照本發明某些實例，製作澆鑄金屬基質複合材料用的一種模子的母體金屬和預製坯裝置的正剖視示意圖。
圖6是一個埋入大量一次填料內的一次使用模型體裝置正剖視示意圖，按照本發明的另一個實例，它可用來製作一種陶瓷複合材料模子。
圖7是與圖6相對應的圖，圖中示出的是，在使用圖6的裝置製作陶瓷複合材料模子工藝過程中的後一個步驟。
圖8是利用圖6和圖7中的裝置所得到的陶瓷複合材料模子的剖面示意圖。
圖9是母體金屬和一次填料預製坯裝置的正剖視圖，按照本發明的另一實例，該預製坯可用來製作陶瓷複合材料模子。
圖10是按照實例10製作的凸輪軸的照片。
最佳實例的詳細描述按照本發明的一個實例的作法，使熔融鋁或鎂接觸，或送至大量滲透性二次填料，例如，陶瓷粒子，晶須或纖維的表面。二次填料同熔融金屬在可能截留有空氣的密封環境中接觸，但是，由於該模子基本上是不滲透性的，所以，被截留的空氣不會再得到補充，因為，它與熔融鋁或鎂起反應，或換句話說，被熔融鋁或鎂所消耗(雖然，此處全部特別涉及的是空氣，但應當說明，任何同熔融金屬中的至少一種成分起反應的氣體都可以作為被截留的氣體介質來利用)。在這些條件下，熔融鋁或鎂自發地並漸進地滲透模子內的滲透性二次填料，從而形成金屬基複合材料製品，在該製品中，金屬基質滲入二次填料中。金屬基複合材料將呈現出模子的形狀，並可能含約10%～45%(體積)的二次填料，最好是含約45%～65%(體積)的二次填料。
在使用本發明方法的條件下，當把二次填料加進模子時，空氣通常被截留並滲透該物質或基床。再者，在該工藝條件下，該填充物質的可滲透性足以使熔融鋁或鎂滲透。但是，如果模子內的空氣沒有補充，即使在有空氣存在的情況下二次填料一般不被熔融鋁所浸潤，也能被熔融鋁或鎂自發滲透，在中等的熔融金屬溫度下形成一種鋁金屬基複合材料或鎂金屬基複合材料。滲透的發生和完成，無需藉助於高溫，真空，機械壓力，特殊的氣體氣氛，浸潤劑或諸如此類的辦法。總之，該工藝淌峭ü韻擄旆ú皇僱獠靠掌 密封不滲透性模子內的模子內含物以及密封所有通向模子的開口，或者把含大量二次填料的模子浸沒在熔融鋁或鎂體內，以保護或把二次填料與環境空氣隔絕。
自發滲透的程度和金屬基質的形成是隨諸如，合金的組分以及鋁或鎂的含量;可以選擇使用的浸潤劑的存在;所用的二次填料的尺寸，表麵條件和類型;滲透接觸處理的時間;以及採用的金屬的溫度等給定的工藝條件而變化的。熔融鋁或鎂保持接觸的溫度可以隨不同的金屬合金和不同的二次填料而變化。總之，在熔融鋁金屬的情況下，自發的或漸進的滲透會在至少約為700℃的工藝操作溫度下發生，最好是在至少約800℃或更高的溫度下，這要取決於各種條件。一般來講，溫度超過1000℃是不必要的，並已發現，特別有效的溫度範圍是從約800℃到～1000℃，最好是從850℃到～950℃。
本發明的方法，並不依賴於使用外加機械壓力把熔融金屬壓入陶瓷材料中，就可生產出含高體積百分率的二次填料以及低孔隙率的基本上均勻的鋁金屬基複合材料或鎂金屬基複合材料。使用孔隙率低的，也就是，間隙體積小的二次填料可以使二次填料的體積百分率在一組工藝條件下改變或增加。如果在二次填料與熔融金屬接觸之前用常規方法將其壓縮，則其體積百分率還可提高，條件是不能把二次填料物質壓成帶閉合孔穴的壓實物質或會阻止熔融鋁或鎂滲透那樣的緻密結構。已經觀察到，對於一給定的金屬-二次填料體系，鋁或鎂的滲透和基質形成的主導滲透機理是用熔融金屬浸潤二次填料;使熔融金屬與來自密閉環境的氧或氮反應以在該密封環境中形成真空，或這兩種機理的某種結合。如果向體系補充空氣以及如果該工藝過程是在較低的溫度下，即在不高於1000℃下進行，就只會有微不足道的或最少量的二次填充料浸潤和滲透發生。然而，對熔融鋁金屬而言，若將二次填料密封在模子內，使空氣無法補充，即通過密閉該滲透過程，則在溫度不超過～1000℃下，即使是在不超過～950℃下，自發滲透也會發生。例如，已發現，在許多情況下，溫度約為～900℃已令人滿意，因為在該溫度下已能在容許時間內完成自發滲透，而不會過分破壞二次填料或侵蝕耐火容器，結構部件以及類似的裝置。
現參閱圖1，其中示出用10泛指的一個不滲透性外罩裝置或模子12，它通常為圓柱套筒狀結構，其中心有一貫穿圓柱孔並在該處形成一對在縱向彼此隔開的，直徑大於孔B的圓盤形室「a」和「b」。從圖1上用虛線示出的孔B的輪廓可以看出，孔B的底部被模子12的底板14封閉。不滲透性模子12的壁(圖上未編號)是由使用下面敘述的某些共同佔有專利申請書中的一種或幾種技術生產出的陶瓷材料組成。因此，不滲透性模子12是由埋入適當填料，此處稱為一次填料，諸如，氧化鋁，碳化矽或其他任一適宜的陶瓷填料或其組合的陶瓷多晶氧化反應產物所組成。一次填料可以呈任何所需要的形式，諸如，微粒，微球，晶須，短纖維，泡沫材料，粉末，纖維網等，或其任一種組合形式。
孔B和大直徑小室「a」和「b」充填有適當的二次填料22，與一次填料相同，它可由任何所需要的適當的填料所組成並可以呈微粒，微球，晶須，纖維，短纖維，泡沫材料，粉末，纖維網等物理形態，或其任一種組合形式。無需提供特殊的氣體氣氛就可以把二次填料放入模子12的腔B內，也就是說，這種充填過程可以在空氣中完成，因此，空氣可能被截留在二次填料內，並保留在不滲透性模子12的孔B內。
如圖1所示把底面或底板上開有圓孔18的耐火熔池16設置在模子12的頂部，在該處密封環24使熔池16和模子12之間基本保持氣密封(即，至少是液態金屬密封)。熔池16裝在模子12頂上後向其中充注熔融鋁，也可把固態鋁放在熔池16內，再將該裝置加熱到使熔池16內的鋁金屬熔融。雖然本發明特別以鋁為基準加以說明，但應該說明，鎂也是適用的。在任一情況下，熔融鋁金屬體20封住通向不滲透性模子12的唯一開孔或入口，以防環境空氣進入，因此可使二次填料22與環境空氣有效地隔離，而熔融金屬則在孔B之上表面與二次填料接觸。按照本發明，在這些條件下，熔融鋁將向下自發滲透進整個二次填料22。裝置10可在普通空氣氣氛中加工，而對自發滲透沒有不利的影響。
圖1示出的是一個自發滲透的中間階段，此時，熔融鋁20已滲透在二次填料床22的一半左右，該點在室「a」和「b」之間距離的一半左右。經一段時間之後，若溫度保持在足以使鋁20保持熔融狀態的高溫時，例如，約900℃，鋁將自發滲透整個二次填料床22，達到模子12的底板14處。這種自發滲透的發生，並不需要向填料提供浸潤劑(雖然可以選擇地使用)，不需要向金屬20施加機械壓力或使二次填料床22造成真空，或在諸如，實質上超過1000℃的高溫下操作，不需要用惰性的或其他特殊氣體氣氛吹洗二次填料床22，或使用其他滲透辦法。本發明的方法在整個操作過程中是非常有利的，該過程包括，模子12的製備(如下文所述)，用二次填料22充填模子12，以及可以在空氣中完成滲透過程需要的加熱過程，而不需使用專門的氣體氣氛，從而省去附帶的費用和引起的各種不便之處。
人們不想就此止步，確信二次填料22被熔融鋁自發滲透是可以達到的，因為截留在二次填料22間隙內的空氣會同熔融鋁發生反應並被消耗掉，此外，由於不滲透模12是密封的，夾帶的或被截留的空氣得不到補充。然而，如果由於模子12原來有孔隙，或由於開孔或在該處形成的裂縫或裂紋未封住，就會使它成為滲透性的，消耗掉的空氣就會得到補充，補充進來的空氣就可能妨礙這種自發滲透過程。下面給出的對照實例看來似乎有助於說明這個問題。
在二次填料完成滲透之後，將該裝置從爐子中取出，或關閉該爐子，使溫度下降即可使熔融材料在不可滲透模子12內冷卻和凝固。然後，把所得到的複合材料結構26(由模子和金屬基複合材料芯所組成，如圖2所示)，從圖1所示的裝置中分離開。如圖所示，該結構26可能基本上包含整個模子12(在圖2上稱為結構件或模子或外罩部件12′)或有的地方僅需要其部分，並還包括金屬基複合材料芯28。
熔融金屬滲透和凝固可在能實現模子和芯之間結合的適當條件下完成。通過下述方法可實現這種結合，例如，使熔融金屬和模子12之間獲得一定浸潤;控制冷卻速度(即，採用退火消除應力)使熔融材料與模子12的內壁保持直接接觸;調節模子12和金屬基複合材料的相對熱膨脹係數;和/或基本上保持金屬熔池的壓頭，以便充分消除或減少正凝固的熔融材料從制模壁脫離。金屬基複合材料的熱膨脹係數比陶瓷模子的大，如果相差太大而浸潤又太少，兩者間的結合強度就不能承受這種熱收縮失配，那就是說，在冷卻時，金屬基複合材料可能因收縮而脫離模子內壁。形成金屬基複合材料時所用的二次填料能減少該金屬基複合材料的熱膨脹，因而縮小料芯與模子之間的熱膨脹失配。填料在降低熱膨脹所起的作用，在很大程度上可能取決於填料的類型，幾何形狀以及長徑比。當二者的熱膨脹係數相差不太大時，就可實現牢固的結合。最好是，金屬基芯的膨脹係數稍高於外殼的，以便在外殼上產生壓縮應力。人們已經發現，基本上等軸的碳化矽晶粒(24目)按約47%(體積)加入鋁中可使熱膨脹係數從純鋁的～25×10-6英寸/英寸/℃降低到約12-16×10-6英寸/英寸/℃。碳化矽晶須具有相同的效應，但是其加入量可以低得多。因此，通過控制一種或多種條件，凝固的熔融材料，即金屬基複合材料，可與結構26(圖2)中的構件12′相結合。在結構26中，由金屬基複合材料26組成的料芯被包容並結合在模子或外殼部件12′中。
在熔融材料冷卻並凝固之後，也可把模子12′破碎或者使其與金屬基複合材料芯28分離，使後者成為一個不受模子12′妨礙的獨立體。在這種情況下，在保證模子12′的不滲透性並可在加工過程中保持結構的完整性的條件下，模子一般做得越薄越好。同樣，加工工藝條件應能使模子12′和金屬基複合材料芯28之間的結合力最小，以便於回收料芯。在裝料和加工過程中，為了機械增強和支持模子12，可以在其周圍包上適當的外殼(圖1未示出)。
再參閱圖1，當使用共同佔有專利申請書中所述的一種或幾種方法而不提供適宜的密封裝置，諸如密封環24時，可將熔池16和不滲透性模子12做成一個整體。在熔融材料冷卻和凝固之後，可以從整體模子/熔池中切下所要的製品。例如，圖3示出的一個整體模子/熔池是按照本發明應用的另一個裝置的實例。具有所需任一種形狀的用30泛指的中空體是由不滲透性陶瓷材料，諸如採用本文後面所論述的共同所有專利申請中的技術所製造的一種複合陶瓷材料的殼體所組成。此外，採用共同未決和共同佔有美國專利申請，申請號為908，119，1986年9月6日提出申請，申請人是RatneshK.Dwivedi，題目是「表面緻密的多孔陶瓷複合材料」中所揭示的方法，可獲得一種不滲透陶瓷材料外殼，現將其主題作為本文的參考。從剖面上看中空體30稍成枕頭形，在它的主體部分的周圍有一個環形的外緣30a，在其上下兩端尚有與30a同軸布置外伸的圓筒30b及凸底30c。圓筒30b有一個向外擴的喇叭口30d，它構成一個漏鬥形的結構，其中熔融鋁20′可以從頂上進入並與二次填料床22′接觸。喇叭口30d構成中空體30的唯一孔口並由熔融鋁20′的靜壓頭與環境氣氛或空氣密封，因而能有效地將二次填料22′與環境或外部空氣隔離。
根據圖1的實例以及類似圖1的實例所述，在完成二次填料22′的自發滲透時，如需要的話，可以向熔池20′補充熔融金屬，以便提供足夠的鋁金屬來完成滲透並使熔融鋁體20′液位保持恆定，從而使孔口30d-中空體30的唯一入口或孔口與環境空氣隔離，直到自發滲透完成。在凝固後，若因二次填料22′的滲透而與熔融材料牢固結合的話，就得到一種由中空體30包復的金屬基複合材料結構件。也可用破碎中空體30的方法來將其去除，以得一個反相複製了中空體30內表面幾何形狀的金屬基複合材料體。在所取得的結構凝固之後，可以沿C-C線將其切斷，以提供一個以套筒30d為末端的結構。可以把再凝固的鋁留在套筒30b內，也可把套筒30b內的再凝固的鋁部分地或全部地除去並用另一種材料取代，諸如，可以將呈熔融狀態的另一種金屬引入並在其中凝固。作為另一個可供選擇的辦法，一開始就可在套筒30b內，部分地或全部地充填進二次填料22′，這樣，所得到的金屬基複合材料就延伸進套筒30b。在後一情況下，可以用套筒30b的延伸部分或獨立的儲存容器(類似圖1實例中的熔池16)來容納熔融鋁金屬。
圖4示出的是用來進行二次填料物自發滲透的另一種方法，其中，耐火容器32內裝熔融鋁體22″，在熔融鋁體22″內，浸有耐火多孔容器34。容器34與耐火容器32的內壁(未編號)是隔開的，這樣，熔融鋁金屬20″就使多孔容器34及其組成物完全地與環境氣氛隔絕或隔開。多孔容器34上有許多孔眼36並用經適當的連接裝置40固定在該處的鋼索或杆38掛住。大量二次填料是裝在有一個或多個孔口的適當模子中之後放在容器34內的。(圖4上未示出該模子和二次填料)。孔眼36用作熔融鋁33進入容器34的入口，在那裡熔融鋁同二次填料接觸並隨之發生自發滲透。多孔容器34，鋼索或棒38以及連接裝置40可用能長時間同熔融鋁33接觸的適當耐火材料製造。如果需要，可以取消容器34，而把頂部開孔並裝有二次填料的模子浸在或浸入熔融金屬中。隨後，進行與前述相同的滲透及回收金屬基複合材料體過程。
圖5到圖9說明了按照本發明的作法製備不滲透性陶瓷模子的過程，但應當說明，該模子的製備方法也適用於本發明的其他實例。如上文所述這樣製得的模子，可以破碎以便從中回收凝固的金屬基複合材料，也可作為與金屬基複合材料連接的或結合的製品結構部件而保留。
共同所有專利申請生產上文所述的這種陶瓷材料的技術已在許多共同所有專利申請中公開，這些專利申請也由本申請的代理人代理，它們公開了一種生產自支持陶瓷材料的新方法，該方法包括，把陶瓷埋入適當的一次填料的自支持陶瓷複合材料。
MarcS.Newkirk等人在題為「新型陶瓷材料及其製作方法」這一共同佔有美國專利NO.4，713，360中(與之相對應的已公布的歐洲專利，申請號為NO.0155831，1985年9月25日公布)，從本質上公開了一種生長陶瓷氧化產物的方法。當發現可以通過向母體金屬中加入合金元素使氧化加強這一現象後，即可利用產物母體金屬的氧化反應生成自支持陶瓷體。
進一步的研究提供了一種從母體金屬中將氧化反應產物長入滲透性填料基層來生產自支持陶瓷複合材料的新方法。這一方法在MarcS.Newkirk等先後提出的兩件題為「陶瓷複合材料製品及其製作方法」的共同所有美國專利申請中描述過。其中一件於1985年1月4日提出的NO.697878已經廢棄。作為其接續部分的NO.819397於1986年1月17日提出申請，與之對應的已公布的歐洲專利申請號為NO.0193292，1986年9月30日公布。
以上方法由於應用外部合金元素塗敷在產物母體金屬表面而獲得改善。這是MarcS.Newkirk等在1986年1月27日提出申請的共同佔有專利申請NO.822，999，題為「製作自支持陶瓷材料的方法」中公布的，與之對應的已公布的歐洲專利申請號為NO.0169067，1986年1月22日公布。
在上述專利申請NO.819，397中所公開的生產滲入填料的自支持陶瓷複合材料的技術是有效的，但它沒有說明所得到的陶瓷複合材料體的預選形狀或幾何形狀。然而，這種要求曾通過對上述方法的進一步研究得到了滿足，它們能使陶瓷複合材料結構反向複製出產物母體金屬陽模子的形狀。這些方法在MarcS.Newkrik等提出的兩個共同佔有美國專利申請中描述過。其中一個申請號為NNO.823，542，1986年1月27日提出(與之對應的已公布的歐洲專利申請號為NO.0234704，1987年9月2日公布)，題為「製作陶瓷複合材料製品的逆向成型複製法及用該法得到的製品」。第二個申請號為NO.896，157，1986年8月13日提出，題為「製作帶再現模型表面的陶瓷複合材料製品的方法及用該法得到的製品」。此外ANdrewW.Urguhart等在1986年9月16日提出的共同佔有美國專利申請NO.907，919，題為「用一次使用模型的反面形狀複製法製作陶瓷複合材料製品的方法」中敘述了用一次使用模型體的反面形狀複製法。
曾研究過製作有預定形狀或幾何形狀的陶瓷複合材料體或結構的其他方法。這些方法包括利用滲透性填料的成型坯，通過產物母體金屬的氧化，使陶瓷基質長入該填料中。上述方法在共同佔有美國專利，申請號NO.861，025，1986年5月8日提出申請(與之對應的已公布的歐洲專利申請號為NO.0245192，1987年11月11日公布)，申請人是MarcS.Newkirk等，題目是「成型的陶瓷複合材料及其製作方法」中做了敘述。另一種製作這類成型陶瓷複合材料的方法包括，在限定陶瓷複合材料結構形狀或幾何形狀的予定輪廓處，利用一種阻擋材料來阻止或限制氧化反應產物生長。這項技術在共同所有美國專利申請NO.861，024，1986年5月8日提出申請(與之對應的已公布的歐洲專利申請號為NO.0245193，1987年11月11日公布)申請人是MarcS.Newkirk等，題目是「使用阻擋裝置製作成型陶瓷複合材料的方法」中做了敘述。
通過設置與母體金屬體(氧化反應的產物母體)保持不斷接觸的母體金屬熔池並利用該熔池來促進陶瓷複合材料體或結構，特別是成型體或結構的生產是又一進展。補充供給母體金屬這項技術使能從只能容納有限量的母體金屬的位置長成大體積的氧化反應產物。在共同佔有美國專利申請號為NO.908，067，1986年9月16日提出申請，申請人MarcS.Newkirk等，題目是「製作陶瓷複合材料結構的熔池加料方法及用該法製作的結構」中敘述了這一熔池加料技術。
特此將上述所有共同佔有美國專利申請所公開的內容作為本文的參考。
按照上述一件或多件共同佔有專利申請中的技術，在本發明中把氧化反應產物長入其中後能得到不透氣的陶瓷複合材料模子的這種填料，稱為一次填料以便把它同在熔融鋁或鎂自發滲透進入其中後能獲得金屬基質複合材料的二次填料區別開。許多材料既適於作一次填料，又適於作二次填料，因而，在某一給定的條件下，一次和二次填料可能相同也可能不同。但這些填料都應在該工藝條件下基本上不與熔融母體金屬和熔融鋁或鎂起反應。
現參閱圖5和5A，這裡示出的是一個用來製作陶瓷複合材料體的裝置42，它既可用作可從中回收金屬基複合材料的易碎模子，又可用作與金屬基複合材料結合在一起的模子/結構件。裝置42包括，阻擋材料容器44，其形狀基本上呈圓柱形，它的內表面是被屏蔽網46確定(從圖5A上看得清楚)。多孔圓柱體48包容並加強了屏蔽網46，起著加強圓柱形屏蔽網46的外部剛性構件的作用。可以用多孔金屬板，諸如多孔不鏽鋼板代替屏蔽網46。多孔圓柱體48雖因很多孔50穿透其表面而形成多孔結構，但其剛度仍足以使一次填料52或填料體在加工成形過程中保持不變，這種填料可以是一種可模塑的填充物，也就是說，它可以由顆粒，晶須，纖維或大體上類似的物質所組成，在形狀上，它形成的填料床包容母體金屬66並與其形狀相符。可模塑的一次填料52也與圓柱形屏蔽網46的內壁形狀相一致。因而，可模塑的一次填料床52是由滲透性預製坯所組成，該預製坯上由母體金屬體66構成一個特定形狀的空腔，該空腔首先用母體金屬填充。在一個可供選擇的實例中，一次填料52可以用常規的方法，例如注漿成形技術，或諸如此類的辦法，利用顆粒，纖維，粉末等被預注成凝聚物，其中尚可添加一種適當的粘結劑，以提高生坯強度。此時，母體金屬可呈熔融狀態注入預製坯的空腔中。
屏蔽網46上的開孔(未編號)會與圓柱體48上的許多開孔50相通，這樣，阻擋劑容器44就有孔隙，可使周圍氣體進入其中。許多不鏽鋼角撐54按一定的間隔設置在圓柱體48的外表面上並用壓緊環56固定就位，該壓緊環從結構上起到加強裝置42的作用。最下邊的壓緊環56的一部分在圖5上未示出，而圖5上其餘的壓緊環和圖5A示出的壓緊環是以剖面示出。底板58蓋住阻擋劑容器44的底。母體金屬的熔池體60設於惰性材料床62內，惰性材料裝在阻擋劑容器44的上部內並用板64與一次填料床52隔開。當鋁是母體金屬時，櫳圓牧洗 2可由惰性粒子材料床(諸如＃90粒度EIAIundum(Norten公司)所組成，在該工藝條件下，多晶氧化反應產物不會在其中生長。
板64上的中心孔(未編號)可使包在一次填料床52內的母體金屬66的上段從其中穿過。在所述實例中，母體金屬體66呈長圓柱形，在其縱向一定間隔上，有一對圓盤形的突塊66a，66b。母體金屬體66因而成為母體金屬芯伸進一次填料床52並與之接觸。為了促進母體金屬的氧化反應，可以把一種或多種合金元素摻進母體金屬體66和母體金屬體熔池60內，和/或可以從外部施加給母體金屬體66，和/或施加給或加入一次填料52內，至少是在母體金屬體66的附近。
在有一種氧化劑存在的條件下，把裝置42加熱到高於母體金屬熔點但低於生成的氧化反應產物熔點的溫度範圍內，並保持該溫度範圍並使裝置42置於氧化氣氛，諸如空氣中，氧化反應產物就會在熔融母體金屬體66和一次填料床52之間的界面上形成。如在一件和幾件共同發明專利申請中所述，該氧化劑可以是固體，液體，或氣體，或其結合。比如，在把固體氧化劑摻入一次填料(例如矽與氧化鋁填料的混合物)時，可以使用空氣，然後熔融母體金屬在與兩種氧化劑接觸時，將進行氧化反應。需從母體金屬熔池體中補入母體金屬體66的熔融母體金屬與生成的氧化反應產物保持接觸，這些反應產物與氧或其他氧化劑氣體接觸。這些氣體則穿過圓柱體48上的孔口50，再穿過屏蔽網46和一次填料床52進入並與氧化反應產物的生長面接觸。周圍的氧化氣氛是通過向裝有裝置42的爐內提供空氣循環例如，只要向爐子保證足夠的通風，以讓空氣進入而補充或置換的。當氧化反應繼續時，氧化反應產物繼續在一次填料床52內氧化劑和先前形成的氧化反應產物之間的界面上，同時，該反應繼續把至少是部分一次填料床52埋入氧化反應產物內。
如需要的話，可在氧化反應產物生長到圖5上虛線68的附近時中止反應。雖然圖5上的虛線68畫得不大精確，但可體會到，如果氧化反應在相當厚的一層多晶氧化反應產物已在母體金屬體66中形成之後才中止，該陶瓷構件的內部形狀可能不大規整，但這對於把所得陶瓷構件作為製取金屬基複合材料用的不滲透性模子並沒有不利影響。按照有關的共同發明專利申請中的解釋，生成的陶瓷的內部將反向複製出母體金屬體66的形狀。也可以用熟石膏和碳酸鈣組成的阻擋材料，或由一種材料，諸如，製作屏蔽網46的材料構成的阻擋材料做成基本上呈虛線68標出的一個中空腔，以便中止或限制氧化反應產物的生長，而得到一陶瓷材料外殼，其形狀與生長方向上的阻擋構件內表面形狀相反。用這種方法，可使所得到的陶瓷複合材料殼的外表面的幾何形狀得到精確的控制，它使陶瓷複合材料殼可作為耐久的結構部件連接到金屬基複合材料體上。在圖5的實例中，生成的陶瓷外表面的幾何形狀是受屏蔽網46的內表面形狀控制的。
如果陶瓷複合材料殼只用作可從中回收金屬基複合材料體的模子的話，其外殼的厚度往往只需要使其在工藝過程中具有足夠的結構強度和不滲透性即可。金屬基複合材料凝固並冷卻之後，將模子破碎並與金屬基複合材料體分離或分開。比如，在熔融材料已經凝固之後，但該裝置仍處在比鋁金屬熔點低的較高溫下，如大約300-500℃時，可以把被模子包住的金屬基複合材料體浸入冷卻液，比如水中進行驟冷處理，這樣產生的熱衝擊會使包住金屬基複合材料體的薄壁模子破裂。此模子也可以用機械方法破碎。所得到的金屬基複合材料的表面基本上反向複製出模子的內部幾何形狀。此外，為便於從複合材料體上除去外殼，最好避免金屬基複合材料體與外殼之間的結合。
當陶瓷複合材料外殼或體，或其一部分，成為最終製品的結構部件時，就把外殼連接或結合到金屬基複合材料上。陶瓷結構部件可按照其最後製品使用所要求的形狀預成型。比如，在圖5和5A所述實例中，氧化反應可以繼續進行到使整個一次填料床52埋入生成的多晶氧化反應產物內，這樣，阻擋材料44就起到中止或抑制氧化反應產物生長的作用，因而，使最後製品的外形呈圓柱體。如果阻擋材料是由網或多孔材料組成，所得到的陶瓷圓柱體的外表面將是粗糙的或帶花紋的。該圓柱體的外表面可以進行機加工，研磨、拋光，或類似的加工。用另一種辦法，阻擋材料44的表面比較光滑，因而就可使複合材料體也獲得光滑的外表面。比如，可以把熟石膏漿(最好摻入碳酸鈣或矽酸鈣的)塗覆在基底52的邊緣並使它凝固。該熟石膏層可防止多晶氧化反應產物生長過量，以及在該過程完成之後，該阻擋層可通過噴砂，刮研或類似的辦法方便地除掉，從而使複合材料具有一個比較光滑的表面。無論如何，陶瓷外殼要設計成結構件並能與金屬基複合材料良好結合，以形成一個整體結構。
如果母體金屬體66在氧化反應過程中能從熔池體60得到適當補充，所得到的套筒形的陶瓷體內部將被母體金屬芯所充填。該母體金屬可在熔融狀態下從製得的陶瓷套筒中直接排掉或倒出。如果熔融母體金屬芯再次凝固或者有金屬殘留物並凝固的話，在母體金屬為鋁時可以用機械的和/或用鹽酸溶液酸洗的辦法，從所得到的陶瓷套筒中至少除去要求數量的殘留金屬。留下的中空陶瓷套筒反向複製了母體金屬體66的形狀。然後，可把中空芯用作模子空腔，在其中放入二次填料並與熔融鋁或鎂接觸，以形成金屬基複合材料。
圖6到圖8示意性說明，利用一次性使用的模型體的方法製備不滲透性陶瓷複合材料模子的製備過程。圖6示出一種耐火容器70，諸如氧化鋁容器，它含一個與之形狀一致的一次填料床72，在此填料床中，埋入一次性使用的模型體74，以便在床72之內將其成型腔壁限制在一次填料和一次使用的模型體74之間的界面處。腔壁的幾何形狀與一次使用的模型體74的外表面的幾何形狀相疊合，即，是其反向複製品。一次使用的模型體74可以用任何適當的可汽化的或可燒材料，諸如聚苯乙烯泡沫材料或臘類材料製作此模型體有一個中心段76，基本上為圓柱形，並有一個底段78，其軸比中心段76短而直徑較大。一個適當的阻擋材料80(未按比例畫出)可以由不鏽鋼絲網或多孔鋼製圓筒所組成，它確定了待製備的陶瓷複合材料體的外部輪廓。阻擋材料80也可以由熟石膏和矽酸鈣所組成，它一般可以利用把該材料的漿料塗敷到襯底或薄板上，諸如，厚硬紙板上並讓泥漿凝固的辦法取得。總之，阻擋材料80的製作應使它能抑制氧化反應產物生長並以此確定該產物的輪廓。
如圖7所述，可以從適當的容器84直接向埋入的一次使用的模型體74上澆鑄熔融母體金屬82。熔融母體金屬使一次使用的用聚苯乙烯泡沫或其他可汽化的材料製造的模型體74汽化，汽化物或是通過一次填料床72或向上通過加入熔融母體金屬的同一部位，或是通過可能提供的一個單獨的排氣口(未示出)排出該裝置。在熔融母體金屬完全取代了一次使用模型體74後，把裝置加熱到或保持在高於母體金屬熔點但低於氧化反應產物熔點的生長溫度下。汽相氧化劑滲透填料72的可滲透床並與熔融金屬接觸，以便將其氧化形成多晶氧化反應產物，如上所述，這些產物穿過預製坯生長並與阻擋材料80接觸。如果需要，可把固體氧化劑或液體氧化劑摻合進床72，或在阻擋材料80範圍內的那部分床中。熔融金屬與基底內的氧化劑反應，因而不斷生成氧化反應產物。再者，可以配合使用兩種或多種氧化劑，諸如通過在床內使用活潑的矽酸鹽並在空氣中進行該過程。如有必要，可以補充熔融母體金屬82，使其液面保持在填料床72的頂部。如共同發明專利申請NO.823，542和NO.907，919(本文前面已提到)所述，為了防止腔壁斷裂或變形，填料床72或至少是包住一次使用模型體74的該床支撐區86應達到或高於自身結合溫度，最好是稍低於其氧化反應溫度，並使其達到自身結合。因此，在被加熱到其自身結合溫度之後，一次填料72或其支撐區86就發生燒結，或自身結合併附著到生長著的氧化反應產物上，從而在氧化反應產物生長的初始階段中，有效地使熔融母體金屬周圍的一次填料具有足夠的機械強度。自結合填料的機械強度能承受壓力不均勻並保持腔的結構完整性，直到生成的陶瓷複合材料達到足夠的厚度。
在氧化反應產物生長到被阻擋材料80限定的邊緣之後，可以把剩下的或未反應的熔融金屬82從加工過程形成的陶瓷複合模子88(圖8)中取出。陶瓷複合材料模子88有一個縮頸部位90和直徑較大的底部92。在模子88內形成一空腔94並有一個進口孔94a。可以看出，該空腔94反向複製了一次使用模型體74的幾何形狀。
現參閱圖9來說明另一個實例，在該實例中，耐火容器96的裝置中有一個惰性材料滲透性床98，在床內埋入固態母體金屬體100和由一次填料做成的預製坯102。預製坯102做成具有足夠的生坯強度的組織緻密的成型製品，以使它能承受住處置並埋入惰性材料床98內。因此，可以把一種適當的粘合劑同第一填料粒子混合而模製成預製坯102。或用其他方法把一次填料粒子製成預製坯102。預製坯102可以由一件或多件組成。例如，預製坯102的下部102a一般呈杯形，這樣，其成型的腔壁104就給出具有所需幾何形狀的空腔106。預製坯的上蓋102b上有一個孔口106a並位於102a之頂部。預製坯102是滲透性的，以使氧化反應產物長向其內。
把圖9示出的裝置加熱到高於母體金屬98熔點，但低於生成的氧化反應產物熔點的生長溫度範圍內。如上所指出，以及如上述某些共同未決和共同發明專利申請中所詳細說明的那樣，惰性材料床98不會維持氧化反應產物的生長，而該氧化反應產物將長入並穿過一次填料預製坯102中，該操作進行的時間應足以使整個預製坯102中滲入陶瓷氧化反應產物，以提供一個具有空腔106和入口孔106a的陶瓷複合材料模子。可能還有必要提供阻擋材料(如本文上面所述)150，以防止或抑制氧化反應產物的生長。
以下所示的實施例中具體說明當與周圍大氣即空氣隔離時，鋁金屬、熔融鋁金屬自發滲透入包容在不滲透模子中的可滲透二次填料體。一般說來，本發明中使用的鋁中可包括多種合金元素以便在金屬基複合材料體中得到所希望的機械和物理特性。例如，可在鋁金屬中添加銅，得到的基質可以熱處理以便提高硬度和強度。
實施例1用上述共同佔有專利申請的技術製備了氣密性的園柱形陶瓷複合材料體。具體地說，首先用含有49.5%(重量)粒度1000的綠碳化矽(由紐約州託那旺達的Exolon-ESK公司提供，商品名CarbolonF1000)、19.8%(重量)「100GL」綠碳化矽(由伊利諾州芝加哥的SuperiorGraphite公司提供)和30.7%(重量)蒸餾水的混合物的漿料注漿成型了3個高為6吋外徑為2吋的透氣性的園柱形預製坯。CarbolonF1000的平均粒度約為4微米，100GL的平均粒度約為0.8微米。將「100GL」、水、少量「Darvan-7」(由康湟狄格州諾沃克的R.T.Vanderbilt公司提供)，和少量的藻朊酸銨通過初級球磨1小時製備泥漿。每用1228克水，Darvan-7的添加量為1.6克，藻朊酸銨的用量約4克。
將混合物經球磨1小時後，將約佔總量1/2的CarbolonF1000加到混合物中，然後將這種新混合物球磨1/2小時。此時，添加剩餘的Carbolon並將全部混合物球磨24小時。24小時終了時測量pH及粘度值並通過緩慢添加少量Darvan-7來調節pH和粘度直至粘度約為200-500CPS。而pH約為6-7為止。達到該狀態時，再將最終混合物球磨48小時然後將它用作漿料。
由漿料製成的注漿成型園柱體放在90℃的窯內乾燥，繼而在1100℃的空氣中煅燒10小時然後冷卻至室溫。加熱速度為200℃/小時，而冷卻速度為100℃/小時。煅燒和冷卻後，每個園柱體的內部用粒度500的矽粉(由新澤西州貝根菲爾德的AtlanticEquipmentEngineers公司提供)作界面塗敷。園柱形預製模的外部用含有35%(重量)，熟石膏泥(由俄亥俄州布倫斯俄克的InternationalIuc公司提供的「Bondex」)、15%粒度500的「Minusil」(由西林吉尼亞貝克利斯普林的U、S、SilicaCo公司提供)和50%水的混合物隔層包覆。然後在電阻爐內將製得的預製坯加熱至900℃，繼而將900℃的熔融鋁合金450克注入每個預製坯中。鋁合金的標稱組成是(按重量)約2.5-3.5%Zn，3-4%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.2-0.3%Mg，不超過0.5%Mn，0.5%Ni，0.001%Be0.01Ca，和0.35%Sn，餘量為鋁。空氣經擴散通過可滲透的阻擋層和預製坯，使熔融鋁合金氧化而形成多晶氧化反應產物。該氧化反應持續100小時。在此期間，熔融合金的氧化反應產物生長並基本上完全滲入每個園柱形預製坯。100小時反應期結束時，排出剩餘的熔融合金以便得到周圍大不可滲透的中空陶瓷複合材料園柱體。這些園柱體的一端封閉而另一端敞開。還是在900℃下，用二次填料部分填充每個陶瓷複合園柱體，其深度在其頂部下方，可使得每個園柱體中的填料床上方留下100毫升的「超高」體積。三個園柱體中使用的三種對應的二次填料包括(1)150克由Norton公司提供的粒度24的綠碳化矽粒料(Crystolon39)填料床，(2)200克由Norton公司提供的粒度24的38號鋼鋁石填料床，(3)100克由賓夕伐尼亞州城的PennsylvaniaFoundrySupplyandSan公司提供的粒度100的二氧化矽組成的填料床。約100毫升(約200克)的標準純級1100鋁合金以熔融狀態注入各園柱體中的二次填料床的上部。填充園柱體內填料床上面的超高空間後所得之熔融鋁儲留體通過滲透過程密封住園柱體的唯一開口，從而將二次填料床密封或與周圍空氣隔離。將該裝置保持在900℃下並且熔融鋁金屬滲入二次填料床的自發滲透作用幾乎立即開始並通常在20分鐘內完成。在900℃保持5小時後，停止加熱並使裝置冷卻至室溫，從而得到包含埋有不同填料的梁轄鸕慕鶚艋春喜牧鹹濉Ｈ歡蒙白鞫翁盍系奶逑抵校爸械娜慷躉櫨肷氳穆練從ι裳躉梁徒鶚艄琛Ｍü梅從κ頭懦齙慕鶚艄樅莧餚廴諑林行緯梢恢致 矽合金。因而，通過這種反應最終獲得的金屬基複合體含有埋入氧化鋁填料的鋁-矽合金。上述滲透過程是在環境空氣中完成，不必應用外部形成的真空、機械壓力、浸潤劑或其它有利於滲透的技術。
實施例1論證了由熔融金屬自發滲透入含截留空氣的填料床形成金屬基複合材料的過程。滲透作用是在不滲透模或含有二次填料的容器中進行，上述不滲透模子或容器則用熔融金屬來實現與周圍大氣的密封。
實施例2將300克熔融鋁合金作為母體金屬裝入150毫升的多孔粘土坩堝(由新澤西州南普蘭菲爾德的J、H、Berge公司製造的＃28-100DFC坩堝)。鋁合金的組成與實施例1提到的第一種鋁合金相同。(根據上述共同所有專利申請的技術)由坩堝和熔融鋁合金構成的裝置在電阻加熱爐中900℃的空氣中加熱3小時以便使來自熔融鋁母體金屬的多晶氧化產物生長進入預製坯。然後將剩餘的熔融鋁母體金屬由坩堝倒出此時可觀察到多晶氧化反應產物已滲入坩堝的內表面深約1～2毫米，從而得到氣密性的陶瓷襯裡坩堝。應當注意在該滲透過程中，熔融鋁母體金屬與空氣和坩堝本身都發生反應。還是在900℃下，將粒度24的綠碳化矽顆粒(Norton公司的Cryctolon39)130克放入150毫升的坩堝中使碳化矽填料床深度在坩堝頂部下方，並在坩堝內底床上方形成約60毫升的超高體積。將大約130克熔融的1100號鋁(標準純)注入碳化矽填料床的上部以便形成熔融鋁儲留體，使坩堝敞開的頂部密封並使碳化矽填料床與周圍空氣隔絕。已被填充的坩堝放入本實施例所述之同一爐中加熱至900℃並在900℃下保持10小時。在此期間熔融鋁金屬滲透整個碳化矽填料床。然後將該裝置充分冷卻使鋁金屬凝固。同時在約500℃時將整個裝置浸入水中，從而使粘土坩堝及其內表面的陶瓷襯裡薄層同時破裂。然後可回收含有埋在碳化矽顆粒中的1100鋁合金的金屬基複合材料，該複合材料的外表面形狀基本在反向複製了原粘土坩堝的內部形狀。
實施例2表明諸如粘土坩堝之類的多孔材料，在將氧化反應產物薄層生長入其中後使之變成氣密性時，即可作為模子使用。根據上述共同佔有專利申請，該氧化反應產物是母體金屬與空氣直接氧化所產生的。所得之氣密性陶瓷複合材料薄層使得原來滲透性的粘土坩堝也變成氣密性的。從而可以將坩堝用作金屬基複合材料的防滲透外殼和模型。
實施例3使用二種不同的鋁合金和同一種二次填料將實施例2的流程重複兩次。在第一輪中，所用鋁合金的標稱組成為(按重量)約2.5-3.5%Zn、3-4%Cu、7.5-9.5%Si、0.8-1.5%Fe、0.2-0.3%Mg、和最大量約0.5%Mn、0.5%Ni、0.001%Be、0.01%Ca及0.35%Sn、餘量是鋁，使用的二次填料包括由Norton公司提供的粒度90的38號鋼鋁石氧化鋁顆粒。形成含有埋入氧化鋁顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。在第二輪中，使用的是標準純的1100號鋁合金和粒度90的38號鋁鋼石二次填料。也形成含有埋入氧化鋁顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。本實施例表明使用粒度比實施例2中使用的更細的氧化鋁填料仍然能得到本發明之金屬基複合材料。本實施例還表明使用這種較細的氧化鋁填料和1100鋁合金仍然能得到本發明之金屬基複合材料。
實施例4用粒度100的綠碳化矽顆粒組成的二次填料重複實施例1所述的流程。使用的滲透鋁合金是1100鋁合金和約1%(重量)的添加鋰。從熔融鋁合金注入底床上部5分鐘後就形成含有埋入碳化矽顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。
用粒度220的綠碳化矽組成的二次填料重複本實施例的過程。也是從熔融鋁合金注入底床上部5分鐘後就形成含有埋入碳化矽顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。
本實施例表明當含有約1%(重量)鋰的1100鋁合金被用作滲透金屬時，用不同粒度的二次填料也能得到本發明之金屬基複合材料。
實施例5下述實施例的目的是確定用含鈉的化合物包覆填料顆粒是否有助於金屬基複合材料形成。採用實施例1所述流程，不同處是填料顆粒包含帶有Na2O塗層的粒度220的綠碳化矽顆粒。將碳化矽顆粒首先浸泡在氫氧化鈉溶液中3-4小時即可形成該塗層。通過這種浸泡在顆粒料上形成氫氧化鈉覆層，從溶液中取出後在窯內乾燥，基本上變成Na2O覆層。用研缽和杵錘研磨這些被塗覆的顆粒料以消除乾燥時形成的團塊。當塗覆的碳化矽顆粒再次呈散粒形態時，將它們用作實施例1所述過程中的填料。使用的滲透鋁合金標稱成份是(按重量)2.5-3.5%Zn，3-4%Cu、7.5-9.5%Si、0.8-1.5%Fe、0.2-0.3%Mg，和不超過約0.5%Mn，0.5%Ni，0.001%Be，0.01%Ca及0.35%Sn，餘量為鋁。形成含有埋入塗覆碳化矽顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。
用未塗覆的粒度200的綠碳化矽顆粒重複剛做過的實驗。鋁合金未滲透進碳化矽顆粒底床，因而不形成金屬基複合材料。本實施例表明填料顆粒上使用Na2O覆層能在採用本發明方法時促進鋁合金滲入更細的顆粒中。
實施例6用包括粒度54的碳化矽二次填料和添加約5%鎂的1100鋁合金的基質合金進行實施例1所述之過程。在熔融鋁合金注入底床上面5分鐘後就形成含有埋入碳化矽顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。使用粒度90的碳化矽作為填料重複上述過程序。當熔融鋁合金注入底床上面5分鐘後再次形成含有埋入碳化矽顆粒的鋁合金的金屬基複合材料。
實施例7在三個較低的滲透溫度下重複實施例1的過程，試圖確定溫度對滲透時間的影響。在800℃、750℃和700℃時進行滲透試驗，相應的滲透時間分別是10分鐘、40分鐘和90分鐘。本實施例表明完成熔融金屬滲入填料床所需的滲透時間隨過程溫度的降低而增加。
實施例8用粒度90的碳化矽填料重複實施例1所述之過程。該填料比實施例2所用的粒度24的碳化矽填料細得多。在熔融鋁合金注入填料底床上面5分鐘後就形成含有埋入碳化矽顆粒的1100鋁合金的金屬基複合材料。而該複合材料的外表面形狀基本上反向複製了原粘土坩堝的內部幾何形狀。本實施例論證了使用粒度等級更細的填料和標準純1100鋁仍然可以得到本發明之金屬基複合材料。
實施例9為了進行對比，本實施例除了不在預製坯中設置起氣密隔離作用的填料床外，其餘條件完全與本發明方法相同。
A·約100克實施例2中所用的粒度24的綠碳化矽顆粒(Norton公司的Crystolon39)放在透氣性的粘土-石墨坩堝(由紐約州布法羅的Ferro公司設計的「＃6」粘土-石墨坩堝)中，使其深度在坩堝頂部下方，並在坩堝內底床上方形成約90毫升超高體積的填料床。將約190克實施例1中所述之初始鋁合金放在碳化矽填料床的上面，並將該裝置放在電阻加熱爐中於空氣中加熱至900℃並持續15小時使鋁熔融。使用足夠的鋁合金以便在填料床的上部保持一個熔融鋁金屬的儲留體，因而只利用坩堝上部的熔融鋁合金就可將坩堝頂部密封以使填料床與周圍空氣隔絕。在900℃保持15小時後將該裝置冷卻使鋁金屬合金凝固。當從坩堝中回收內容物時，可觀察到熔融金屬基本上未滲透進碳化矽填料床中去。
B·重複A節的實驗，不同之處是用作填料的50克粒度500的預燒碳化矽顆粒(Norton公司的Crystolon39)放在100毫升再結晶氧化鋁的園柱體中(由賓夕伐尼亞州比弗福爾斯的McDanelRefractory公司提供)，該園柱體因底部造成裂縫而成透氣性的。該裝置在電阻加熱爐中加熱至900℃，然後將約150克的熔融1100鋁(公稱純)注入填料床上面形成一儲留體並將填料床覆蓋，因而使坩堝敞開的頂部密封。用熔融鋁金屬封住開口的坩堝在爐中900℃下保持5小時，然後用鋼條攪拌碳化矽顆粒和熔融鋁。儘管施加攪拌，碳化矽也未被熔融鋁金屬滲透或浸潤。
C·在A節中所述的那種透氣性的粘土石墨坩堝中重複B節的實驗，該坩堝的內表面用透氣性的硫酸鈣塗覆(俄亥俄布倫斯威克International公司提供的熟石膏「Bondex」)以防止熔融鋁與空氣的氧化反應產物生長進入坩堝壁(如實施例2所述)。所得結果與B節所述實驗相同。即碳化矽填料基體被熔融鋁金屬滲透或浸潤。
D·重複B節的實驗，不同之處是在5小時的接觸時間之後把1.5%(重量)的合金元素鎂加入熔融鋁中。使所得之熔融鋁-鎂合金在900℃與填料再保持接觸3小時。觀察表明薊杼盍匣舊銜幢蝗廴誚鶚羯富蚪蟆 E·重複B節實驗，不同之處是用作填料的是50克粒度24的綠碳化矽顆粒(Norton公司的Crystolon39)。將2～3%(重量)的合金元素矽(而不是鎂)在最初的5小時接觸時間之後加入熔融鋁中。所得之熔融鋁-矽合金在900℃與填料再保持接觸3小時。觀察表明碳化矽填料基本上未被熔融鋁浸潤和滲透。
實施例10本實施例公開了一種生產具有陶瓷基複合材料外殼和金屬基複合材料芯的凸輪軸的方法。凸輪軸外殼預製坯首先是用向熟石膏凸輪軸鑄模中注漿的方法製得。熟石膏凸輪軸鑄模由新澤西州特倫頓的HollandMold公司製造。本實施例中所用漿料之組分與實施例1所述之漿料相同，並用相同方法製備。100GL的平均粒度約0.8微米，而CarbolonF1000的平均粒度為4微米。將該注漿成型的凸輪軸外殼預製坯置於90℃乾燥至少4小時，一般乾燥時間是20小時。用這種方法製得的預製坯約5mm厚，其重量根據其厚度不同在380-480克之間變化。這些預製坯一端封閉而另一端敞開，敞開的一端為漏鬥狀。
完成乾燥工序之後，將凸輪軸預製坯的封閉面朝上放入爐內並在1025-1100℃下煅燒5-20小時。經常使用的煅燒溫度為1025℃，時間為20小時。裝有預製坯的爐子在5小時內將溫度從室溫升至煅燒溫度，並在試驗結束時在5小時內將煅燒溫度下降至室溫。煅燒過程中，每個凸輪軸預製坯大約增重11%。預煅燒時每個預製坯在直線方向和直徑方向的膨脹率約為3%，而厚度方向的膨脹率約為8%。
煅燒後，每個預製坯的整個內表面用含有矽金屬的泥漿(粒度500，新澤西州貝爾菲爾德的Atlantic Equipment Enginees，公司提供)塗覆。每個凸輪軸的塗層厚度各不相同，從完全不塗覆至最厚塗層約0.1時。改變塗層厚度是為了確定能獲得均勻生長和生長速率的最佳塗層厚度。所得的最佳塗層厚度大約在0.005～0.01吋。在預製坯用矽金屬漿塗覆其內部後進行乾燥，隨後再用含有35%(按重量)「Bondex」(由俄亥俄州布倫斯威克的Internaltional，公司提供的熟石膏)，15%粒度500的SiO2(「Minusil」，西費吉尼亞貝克利斯普林的U、S、Silica公司提供)和50%蒸餾水的漿料塗覆其外部。將二次塗層放入90°的烘箱中乾燥約2小時，然後將預製坯放入爐中在5小時內由室溫加熱至900℃。當爐溫達到900℃時將預製坯在該溫度下保持一段時間然後將熔融鋁合金注入每個預製坯中。爐子到達900℃和向每一預製坯內添加熔融鋁合金之間的間隔時間有意控制得各不相同。某些預製坯是在爐溫剛到達900℃就立即添加熔融鋁合金，而另外一些則在最後才添加鋁合金。爐溫到達900℃與添加熔融鋁合金之間經過的最長時間間隔為4小時。
添加到每個預製坯中的熔融鋁合金的量為330克。該鋁合金的組分與實施例1中所述之初始鋁合金相同。當此預製坯還在900℃的爐中就將熔融鋁合金通過預製坯漏鬥狀開口端注入預製坯中。漏鬥狀開口端有助於將熔融金屬注入預製坯並形成一個儲存熔融金屬的熔池。由於空氣滲過預製坯的可滲透壁，熔融鋁合金被氧化。根據上述共同所有專利申請之技術，由熔融鋁合金的氧化作用形成的氧化反應產物生長、滲透每個預製坯的壁。在生長過程中。消耗掉的鋁合金由900℃的熔融1100鋁合金補充。生長過程進行100-150小時。儘管主要生長過程發生在開始的30小時，但超長的反應時間從生長相觀點看會產生更均勻的反應產物。
在氧化反應產物完全滲透了各個預製坯並形成陶瓷複合材料凸輪軸外殼之後，在外殼仍然保持900℃情況下將熔融的熔合金倒出外殼。然後用粒度24的綠SiC(Crystolon39，Norton公司提供)作為二次填料填充陶瓷複合材料凸輪軸外殼(一直保持在900℃)並在900℃用金屬基合金復蓋。已使用的某些金屬基合金包括鋁合金1100;實施例1中所述之初始鋁合金，含有1100鋁合金和約0.25-3%添加鋰的鋁合金，含有1100鋁合金和約0.5-5%添加鎂的鋁合金;含有實施例1中所述初始鋁合金並添加約0.25-3%鋰的鋁合金;和添加了約0.5-5%Mg的實施例1所述之初始鋁合金。只要每個預製坯中的SiC底床被基質合金覆蓋時，基質合金立即向底床滲透並在約20分鐘內完成滲透過程。在這20分鐘內，如果需要還可將基質合金補充添加到各個預製坯中以使每個底床始終被基質合金復蓋。滲透過程完成之後將凸輪軸在12-15小時內冷卻至室溫，經清理、切削和研磨以達到技術要求。形成的凸輪軸用噴砂清理並用金剛砂輪切削成合適的長度。用樹脂粘合的粒度100的金剛砂輪研磨園柱表面。用樹脂粘合的粒度220的金剛砂輪研磨凸輪。切割時的進給量約為0.002-0.003吋，磨削時的進給量約為0.0005-0.0008吋。用本方法製得的凸輪軸示於圖10。
實施例10表明可以製得具有一個陶瓷基質複合材料外殼和金屬基質複合材料芯的幾何形狀錯綜複雜的部件。陶瓷基複合材料外殼首先通過用鋁合金與空氣的氧化反應產物滲透包含一次填料的成型預製坯而製得。然後利用熔融鋁自發滲透進入氣密性的含截留空氣的二次填料床，製得金屬基複合材料芯，二次填料放在陶瓷基複合材料殼的空腔內。本方法生產出兼有陶瓷基複合材料和金屬基複合材料特性的成品。
本發明方法適用於各種二次填料，特別是陶瓷填料，並且二次填料的選擇將取決於所使用的特殊鋁和鎂金屬、採用的工藝條件、二次填料的類型和大小以及試圖獲取的最終金屬基複合材料製品的特性等之類的因素。二次填料(即金屬基復復材料的補強劑或加強劑)最好在本工藝條件下不與熔融鋁金屬或鎂金屬發生反應。合適的二次填料包括，例如(a)氧化物，如氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化鋯和二氧化鉿;(b)碳化物，如碳化矽和碳化鈦;(c)硼化物，如二硼化鈦、十二硼化鋁和(d)氮化物，如氮化鋁，氮化矽和氮化鋯。如果二次填料有與熔融鋁或鎂反應的趨勢，則可以通過將滲透時間和溫度降到最低或在填料上塗覆非反應覆蓋層來調節。二次填料可能包括帶有陶瓷覆層的碳或其它非陶瓷材料之類的物質，以防止基體受到破壞或剝蝕。特別適合用於本發明方法的陶瓷包括顆粒、片晶，晶須和纖維形式的氧化鋁和碳化矽。纖維可以是不連續的細絲，例如多絲束。二次填料還包括均質的或非均質的團塊或預製坯。
碳化矽有可能與純的熔融鋁反應形成碳化鋁，如果碳化矽被用作二次填料，則希望防止或最大限度地減少這種反應，因為碳化矽易受溼氣侵蝕，這會削弱金屬基複合材料體的強度。因而，為了最大限度地減少或防止這種反應，可以在空氣中預燒碳化矽以便在其上形成活性氧化矽覆層，或可將鋁和矽熔合成合金，或兩種方法兼用之。兩種方法的作用都是增加合金中的矽含量以防止碳化鋁形成。為防止不希望有的與其它二次填料的反應，還可使用其它方法。
為獲得金屬基複合材料體和產品所希望的性能，二次填料可根據需要製成各種大小和形狀。因此，二次填料可以是顆粒，晶須，片晶或纖維形式，因為熔融鋁金屬對二次填料的滲透作用不受其形狀限制。還可採用其它諸如球、細管、小丸、耐火纖維織物之類的形式。此外，二次填料物的大小不限制滲透作用，但是顆粒較小的比顆粒較大的物料在完成滲透作用時所需要的溫度較高而時間也更長。二次填料既可以是在它的澆注密度也可以壓縮成適中的密度。
與常用的金屬基複合材料工藝比較，本發明不需要特殊的氣體氣氛和高壓、高溫、以及為強制熔融鋁或鎂進入二次填料而從外部施加真空或機械壓力。本發明可以在環境氣氛中操作並能生產帶有各種二次填料、一定範圍二次填料填充度並具有低孔隙度的鋁金屬基複合材料或鎂金屬基複合材料。
實施例11本實施例說明生產成型金屬基質部件方法的變化。在這種情況下下，通過將模型浸漬在含Leecote 的燒杯中使約4″×2″×1″的泡沫材料模型包覆一層Leecote (LX-60，俄亥俄州馬迪森的Aune樹脂公司提供)漿料。然後將模型取出，其外表面已附上Leecote 薄層。在還發粘時把粒度＃90的38鋼鋁石撒到模型材料上使其附在Leecote 覆層上。將具有Leecote 覆層的模型乾燥並重複幾次浸塗Leecote 和噴撒＃90鋼鋁石的過程以使泡沫材料模型上得到厚度約1/8″的Leecote /＃90，38號鋼鋁石覆層。然後將包覆的模型乾燥並在4小時內加熱到約900℃。該泡沫材料模型在加熱期間揮發，因而留下一個反向複製了泡沫材料模型外部形狀的空腔。
泡沫材料的揮發作用基本完成之後，將含有(重量)約2.5-3.5%Zn，3-4%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.2-0.3%Mg，和不超過約0.5%Mn，0.5%Ni，0.01%Be，0.01Ca和0.35%Sn，餘量為鋁的熔融母體金屬注入所形成的空腔中並經受氧化作用24小時以獲得用於形成金屬基複合材料體的不滲透模。這樣就用上述共同佔有美國專利申請的技術制出模子。將殘餘的母體金屬，即未轉換成反應產物的母體合金從已形成的模中排出，模子並用約166克的粒度24的碳化矽(Crystolon39，Norton公司提供)填充並用100克鋁合金覆蓋，該合金的標稱組成是(按重量)約2.5-3.5%Zn，3-4%Cu，7.5-9.5%Si，0.8-1.5%Fe，0.2-0.3%Mg，和不超過約0.5%Mn，0.5%Ni0.01%Be，0.01Ca和0.35%Sn，餘量為鋁。該鋁合金在5分鐘後滲透底床並產生一個包含在不滲透模子中的金屬基複合材料。該模子及其內容物冷卻至550℃以下，然後在水中驟冷，由於熱衝擊導致熱應力而使模子破裂。得到的成型金屬基複合材料基本上具有與初始泡沫材料模相同的形狀。預計若不用泡沫材料模或臘模，改用其它模子也會得到同樣的結果。
實施例12重複實施例11，不同之處是使用的填料為＃500鋼鋁石38，容器是個焊接的304不鏽鋼園柱體(2″×2″×4″)，而基質合金的標稱組成是12.5%Si，6%Mg，5%Zn，其餘是鋁。在這種情況下，滲透過程進行2小時然後將金屬冷卻，可觀察到鋼鋁石床被鋁合金滲透。
權利要求
1.一種生產金屬基複合材料的方法，該方法包括(a)由以下步驟形成基本上不滲透的模子(i)提供一個具有空腔且由一次填料組成的可滲透預製坯；(ii)將熔融母體金屬與上述預製坯和氧化劑接觸使熔融母體金屬與上述氧化劑反應以便在高於上述母體金屬熔點但低於氧化反應產物熔點溫度範圍內形成上述氧化反應產物；(iii)至少使上述氧化反應產物的一部份與上述熔融母體金屬和上述氧化劑之間保持接觸並擴大以使熔融母體金屬逐漸穿過氧化反應產物流向氧化劑並進入所述預製坯從而在上述預製坯中，在上述氧化劑和早先形成的氧化反應產物之間的界面上連續形成氧化反應產物；(iv)在上述溫度範圍內繼續上述氧化反應使至少上述預製坯的一部分由於氧反應產物的生長而埋在上述氮化反應產物之中從而得到具有上述空腔的不滲透模；(v)從上述空腔中除去至少一部分沒有與上述氧化劑反應而形成氧化反應產物的過剩金屬；(b)將二次填料可滲透物安放在上述不滲透模的上述空腔中，並使上述二次填料與選自於鋁或鎂中至少一種的熔融金屬接觸；(c)將模子的內容物密封足夠長的時間以使上述二次填料充分地被上述至少一種熔融金屬所自發滲透；(d)一旦完成(c)步驟，就立即使上述至少一種熔融金屬固化以得到上述金屬基複合材料。
2.根據權利要求1所述之方法，該方法包括使用上述至少一種熔融金屬來有效地完成(c)步驟之密封。
3.一種生產金屬基複合材料的方法，該方法包括以下步驟(a)通過以下步驟形成基本上不滲透的模子(ⅰ)提供一個包括一次填料、且其中有一空腔而且在其外表面至少有一開口的可滲透預製坯;(ⅱ)將熔融母體金屬與上述預製坯及氧化劑接觸使熔融母體金屬與上述氧化劑在高於上述母體金屬熔點但低於氧化反應產物熔點的溫度範圍內進行反應;(ⅲ)至少使上述氧化反應產物的一部分與上述熔融母體金屬和上述氧化劑之間保持接觸並擴大以使熔融母體金屬逐漸穿過氧化反應產物流向氧化劑並進入上述預製坯從而在上述預製坯中，在上述氧化劑和早先形成的氧化反應產物之間的界面上連續形成氧化反應產物;(ⅳ)在上述溫度範圍內繼續上述氧化反應使至少上述預製件的一部分由於氧化反應產物的生長而埋在上述氧化反應產物之中，從而得到具有上述空腔及上述的至少一個開口的上述不可滲透模;(ⅴ)從上述空腔中除去至少一部分沒有與上述氧化劑反應的剩餘金屬;(b)將二次填料可滲透物安放在上述不滲透模子的空腔中;(c)將選自於鋁和鎂的至少一種熔融金屬導入至少一個開口以便密封上述空腔中所述的二次填料並在其中使上述第二次填料與至少一種上述熔融金屬接觸足夠長的時間以便上述至少一種熔融金屬自發滲透上述二次填料，從而得到上述二次填料溶在其中的熔融物;(d)一旦完成步驟(c)，就立即將上述至少一種熔融金屬固化並得到所述金屬基複合材料。
4.根據權利要求1，2或3中任一項所述之方法，其中，所述一次填料包括選自於氧化鋁和碳化矽的材料，所述母體金屬包括鋁、所述二次填料包括碳化矽，以及上述步驟(b)中至少一種熔融金屬包括鋁。
5.根據權利要求1、2或3中任一項所述方法，該方法包括在(a)(ⅳ)步驟中於上述氧化反應產物中埋入了至少是限定上述空腔的預製坯的一部份。
6.根據權利要求1，2或3中任一項所述之方法，其中(a)(ⅱ)步驟的接觸作用是在上述可滲透的預製坯的所述空腔中完成。
7.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，其中(a)(ⅴ)步驟中，將上述剩餘金屬從上述空腔中作為熔融母體金屬除去。
8.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，它包括通過帶有上述一次填料物的至少一個阻擋材料來限定上述氧化反應產物生長邊界的同時來限定上述基本不滲透模的至少部分幾何形狀。
9.根據權利要求4所述方法，它也包括通過帶有上述一次填料物的至少一個阻擋材料來限定上述氧化反應產物生長邊界的同時來限定上述基本不滲透模的至少部分幾何形狀。
10.根據權利要求1、2和3中任一項所述之方法，其中，所述一次填料物包括可模塑填料的可滲透底床、在上述底床中的上述成型空腔壁是由成型母體金屬形成，而該成型母體金屬具有正模圖形將其反向複製即可得到上述成型空腔所希望的幾何形狀。在上述可模塑填料底床中至少埋入上述正模圖形;然後將埋置的母體金屬加熱至所述溫度範圍內以便形成與上述成型空腔壁接觸的上述熔融母體金屬。
11.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，其中所述一次填料物包括可模塑填料的可滲透底床;在上述底床中的上述成型空腔壁是由提供一個一次性使用的模體而形成，該模體可反向複製成所希望幾何形狀的上述模子空腔;在上述可模塑填料的底床中埋入一次性使用的模體;然後用與上述成型空腔壁接觸的熔融母體金屬取代上述埋入的一次性使用模體。
12.根據權利要求4所述之方法，其中上述一次填料物包括可模塑填料的可滲透底床;在上述底床中的上述成型空腔壁是由成型母體金屬形成，該成形母體金屬具有正模圖形，將其反向複製即可得到上述模子空腔所希望的幾何形狀;在上述可模塑填料的底床中至少埋入上述正模型;然後將埋置的母體金屬加熱至上述溫度範圍內以便形成與上述成形的空腔壁接觸的上述熔融母體金屬。
13.根據權利要求4所述之方法，其中上述一次填料物包括可模塑填料的可滲透底床，上述底床中的上述成型空腔壁是由一個一次性使用模體而形成，該模體的形狀可以反向複製成上述模空腔所希望的幾何形狀;在上述可模塑填料底床中埋入上述一次性使用模體;然後用與上述成型的空腔壁接觸的熔融母體金屬取代上述埋入的一次性使用模體。
14.根據權利要求1、2或3中任一項所述方法，它包括將上述金屬基複合材料從上述模子中分離出來。
15.根據權利要求14所述之方法，它包括通過將上述模子在它尚處於高溫時浸沒在冷卻劑液體中利用熱衝擊使模子破碎的方法使金屬基複合材料脫離上述模子。
16.根據權利要求1、2或3所述之方法，它包括使在固化過程中的熔融金屬與至少一部分上述不滲透模保持接觸的結合條件下進行步驟(d)的固化過程，從而與上述至少一部分上述不滲透模一起整體形成上述金屬基複合材料。
17.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，其中，所述空腔具有按金屬基複合材料反向複製的精選幾何形狀。
18.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，其中，上述二次填充材料選自於至少一種氧化物，碳化物，硼化物和氮化物。
19.根據權利要求1、2或3中任一項所述之方法，其中，所述母體金屬包括鋁母體金屬。
20.根據權利要求19所述之方法，其中，所述氧化劑包括空氣。
21.根據權利要求4所述之方法，其中，所述氧化劑包括空氣。
22.根據權利要求1、2或3所述之方法，其中，所述熔融鋁和所述二次填料是在700℃-1000℃的溫度範圍內接觸。
23.根據權利要求22所述之方法，其中溫度範圍是850℃-950℃。
24.根據權利要求4所述之方法，其中所述溫度範圍為850℃-950℃。
25.根據權利要求1、2或3所述之方法，其中所述熔融母體金屬包括鋁，所述二次填料包括碳化矽顆粒，所述碳化矽顆粒用Na2O包覆。
全文摘要
一種鋁金屬基複合材料，它包括埋置了陶瓷之類的二次填料中的鋁金屬基體，並在一個由多晶氧化反應產物生長進入一次填料而形成的陶瓷不滲透模中使熔融鋁金屬與二次填料可滲透物接觸而製得。由於用熔融鋁金屬體密封模子中的二次填料，此熔融鋁金屬在適中的溫度如約900℃下不需要任何其它的滲透手段即可自發地滲透入二次填料。含有滲透入陶瓷填料的熔融物固化以便得到可從模子中回收的金屬基複合材料。
文檔編號C22C47/10GK1034688SQ89100159
公開日1989年8月16日 申請日期1989年1月10日 優先權日1988年1月11日
發明者拉特尼什·庫瑪·德威夫迪, 威爾吉爾·伊裡克 申請人:蘭克西敦技術公司