CN1042501A - 用分散铸造技术制备金属基质复合体的方法及由该方法制备的产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备金属基质复合体的新方法，其中一种填料的可渗透体被熔融基质金属自发渗透。其中渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛与填料接触，使熔融基质金属自发渗入填料。当渗透进行至所期望的程度后，向已渗入填料的基质金属中加入附加金属，得到填料相对于基质金属的体积比低的悬浮体，这种悬浮体，不论是在形成后立即浇注，还是冷却后再加热，浇注，都能够浇注成所需的形状。

Description

本发明涉及一种制备金属基质复合体的新方法，一种填料的可渗透体被熔融基质金属自发渗透。特别是在工艺中至少某一时刻，一种渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛与填料接触，使熔融基质金属自发渗入填料。渗透进行至所需的程度后，向已自发渗入填料的基质金属中再加入基质金属，由此得到填料和基质金属的悬浮体，其中填料相对基质金属的体积比较低。然后作为一个铸造过程，令基质金属原地冷却，或将基质金属和填料的混合物倒入第二个容器，使其形成相当于该第二容器形状的所需形状。不管是在形成悬浮体之后立即铸造，还是在冷却之后再加热并铸造，所形成的悬浮体都可被浇注成所需的形状，同时保留与自发渗透的金属基质复合体有关的有利特征。

含有金属基质和加强或增强相（如陶瓷颗粒、晶须、纤维等）的复合产品对于许多应用显示出广阔的前途，因为它们具有增强相的部分刚性和耐磨性以及金属基质的可延伸性和韧性。一般来说，金属基质复合体与整块基体金属相比，将表现出在强度、刚性、接触耐磨性和高温强度保持性等性能方面的改进，但是对任何给出的性能可能被改进的程度主要取决于特定的组分，它们的体积或重量比，以及在形成该复合体中如何处理这些组分。在某些情况下，这种复合体在重量上还可能比基质金属本身更轻。例如，用陶瓷（如颗粒、片晶或晶须状的碳化硅）增强的铝基复合体是令人感兴趣的，因为相对于铝而言，它们的具有更高的刚性、耐磨性和高温强度。

许多冶金方法被介绍用于生产铝基复合体，这些方法包括以使用加压浇铸、真空浇铸、搅拌和润湿剂的粉末冶金技术和液体-金属渗透技术为基础的方法。采用粉末冶金技术时，使粉末状的金属和粉末、晶须、切断的纤维等形式的增强材料混合，然后进行冷压和烧结或进行热压。已报道出用这种方法生产的碳化硅增强的铝基复合体中最大的陶瓷体积比在晶须情况下约为25%（体积），在颗粒的情况下约为40%（体积）。

利用常规工艺方法通过粉末冶金技术生产金属基质复合体对可得到的产品的性能产生一定的限制。该复合体中陶瓷相的体积比在颗粒情况下典型地限制为约40%。另外，加压操作还会对可得到的实际尺寸产生限制。在没有后续加工（如成形或机械加工）或不借助于复杂压制的条件下，只有可能产生相对简单的产品形状。再有，由于压实体中的分凝和晶粒生长会造成显微结构的非均匀性外，在烧结期间会发生不均匀收缩。

在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美国专利第3，970，136号中，叙述了一种形成金属基质复合体的方法，所说的复合体中结合有具有预定纤维取向模式的纤维增强材料，如碳化硅或氧化铝晶须。这种复合体的制备是通过在一个具有熔融基质金属（如铝）的储池的模中在至少部分板之间放置共平面纤维的平行板或毡，然后对熔融金属施加压力使其渗入所说的板并环绕在定向纤维周围。也可能把熔融金属倒在所说板的堆积体上，然后施加压力使其流入板之间。已报道出在这种复合体中增强纤维的填充量高达约50%（体积）。

鉴于上述渗透方法取决于施加在熔融基质金属上使其通过纤维板堆积体的外部压力，因此该方法受到压力诱导的流动过程的多变性的影响，即可能形成非均匀性基体，孔隙等。即使熔融金属可能在纤维堆积体中的许多位置引入，也可能造成性能的不均匀性。因此，需要提供复杂的板/储池排列和流动通道，以实现在纤维板堆积体上的充分均匀渗透。另外，上述压力渗透法只使得到的基质体积获得较低量的增强材料，这是由于渗入一个大板体积中所故有的困难性所致。再有，要求模具在压力下盛装熔融金属，这就增加了工艺过程的费用。最后，仅限于渗透排列好的颗粒或纤维的上述方法不能用来形成用无规则取向的颗粒、晶须或纤维形式材料增强的铝金属基复合体。

在铝基氧化铝填充的复合体的制造中，铝不能容易地润湿氧化铝，因此难于形成粘结产品。针对这一问题，曾建议过使用各种溶液。一种方法是用一种金属（如镍或钨）涂敷所说氧化铝，然后使其与铝一同进行热压。在另一种方法中，使所说的铝与锂合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所说的氧化铝。但是，这些复合体在性能方面表现出各种变化，或者，所说的涂层会降低填料的质量，或者所说的基体含有能影响基体性能的锂。

授予R.W.Grimshaw等人的美国专利4，232，091克服了在生产铝基氧化铝复合体中遇到的某些困难。这一专利叙述了对熔融铝（或熔融铝合金）施加75～375kg/平方厘米的压力使其渗入已预热到700～1050℃的氧化铝纤维或晶须的板中。在得到的固体铸体中氧化铝对金属的最大体积比为0.25/1。由于取决于完成渗透的外界压力，所以这种方法受到许多与Cannell等人专利的同样缺点的影响。

欧洲专利公报115，742叙述了通过用熔融铝充填预成型的氧化铝基质的孔隙来制造铝-氧化铝复合体的方法，这种铝-氧化铝复合体特别适用于电解池组分。该申请强调了铝对氧化铝的非润湿性，因此采用各种方法来润湿整个预型体中的氧化铝。例如，用一种润湿剂，即钛、锆、铪或铌的二硼化物或者用一种金属，即锂、镁、钙、钛、铬、铁、钴、镍、锆或铪来涂敷氧化铝。采用惰性气氛（如氩气）以促进润湿。这一参考文献还表示出施加压力导致熔融铝渗入未涂敷的基质中。在这一方面，渗透是在惰性气氛（如氩气）中通过抽空气孔，然后向所说的熔融金属施加压力来实现。另一方面，这种预型体也以在用熔融铝渗透来填充空隙之前，通过气相铝沉积来润湿其表面的方法来渗透。为了保证铝保留在预型体的气孔中，需要在真空或氩气气氛下进行热处理，例如在1400～1800℃下进行处理。否则，压力渗透材料暴露于气体或者渗透压力的除去都将造成铝从复合体中的损失。

在欧洲专利申请公报94353中还表示了使用润湿剂来实现用熔融金属渗透电解池中的氧化铝组分的方法。该公报叙述了用一个以阴极电流供给器作为电池衬里或基质的电池，通过电积法生产铝的方法，为了保护这种基质免受熔融冰晶石的作用，在电池启动前或者将其浸在用该电解法生产的熔融铝中对氧化铝基质施加一种润湿剂和溶解性抑制剂的混合物的薄涂层，所公开的润湿剂有钛、铪、硅、镁、钒、铬、铌或钙，而钛为优选的润湿剂。据描述，硼、碳和氮的化合物对于抑制这种润湿剂在熔融铝中的溶解性是有用的。但是，该参考文献既没有建议生产金属复合物，也没有建议，例如在氮气气氛中，形成这种复合体。

除采用压力和润湿剂外，还公开了采用的真空条件将有助于熔融铝渗入多孔陶瓷压块。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美国专利3，718，441叙述了在小于10^-6乇的真空条件下，使熔融的铝、铍、镁、钛、钒、镍或铬渗透陶瓷压块（例如碳化硼，氧化铝渗透和氧化铍）。10^-2～10^-6乇的真空压强使这种熔融金属对所述涂层的润湿性很差，以致于该金属不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，当真空压强降低到低于10^-6乇时，润湿情况有所改善。

1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美国专利3，864，154还公开了采用真空以达到渗透的方法。该专利叙述了将一个Al B₁₂粉末的冷压块放在一个冷压铝粉床上。然后再将一部分铝置于Al B₁₂粉末压块的顶上。将装有夹在铝粉层之间的Al B₁₂压块的坩埚放在一个真空炉中。然后将该炉抽空到约10^-5乇进行脱气。再将炉温提高到1100℃并保持3小时。在这些条件下，这种熔融铝金属渗透了多孔Al B压块。

1968年1年23日授予John    N.Reding等人的美国专利3，364，976公开了在一个物体内产生自生真空以促进熔融金属向该物体中的渗透的观点。具体地说，将一物体，例如一个石墨模、一个钢模或一个多孔耐久材料，全部浸在熔融金属中。在模的情况下，充有可以与该金属反应的气体的模的空腔与外部的熔融金属通过模中至少一个小孔相接触，当这种模浸在熔体中时，空腔的充填在空腔中的气体与该熔融金属反应产生自生真空时发生。具体地说，这种真空是该金属的固体氧化物形成的结果。因此，Reding等人公开了重要的是诱导空腔中的气体与该熔融体之间的反应。但是，由于与模有关的固有限制，利用模具来产生真空可能是不理想的。首先必须将模具机加工成一个特殊的形状;然后精加工，在该模上产生一个可行的铸造表面;然后在使用之前安装好;在使用后将其折卸以从中取出铸件;之后回收模具，回收时很可能包括对模具表面进行再次精加工，如果该模不能再继续使用的话，就将其放弃。将一个模具机加工成复杂的形状是很贵的并且很费时间。另外，从一个复杂形状的模具上取出形成的铸件也是困难的（即，具有复杂形状的铸件在从模具中取出时会发生破裂）。另外;虽然有人建议多孔耐火材料可以直接浸在熔融金属中，不需要模具，但是这种耐火材料将必须是整块的，因为在不使用容器模具时，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的条件（即，一般认为，这种颗粒材料放在熔融金属中时，其典型特征是四处分散或浮动）。另外，如果希望渗透颗粒材料或疏松地形成的预型体时，应该引起注意的是这种渗透金属至少不能置换颗粒或预型体的一部分，而导致不均匀的显微结构。

因此，长期以来一直希望有一种简单而又可靠的生产成型金属基质复合体的方法，该方法不依靠使用压力和真空（无论是外部施加的还是内部产生的）条件，或者损失润湿剂来生产嵌在另一种材料如陶瓷材料中的一种金属基质。另外;长期以来一直希望使生产金属基质复合体所需的最终机械加工量达最小。本发明通过提供一种用熔融基质金属（如铝）渗透一种材料（如陶瓷材料）的自发渗透机理满足了这些希望。其中所说的材料可形成一个预型体。这种自发渗透是在常压，渗透气氛（如氮气）存在下进行的，并且在工艺过程中至少在某一处存在渗透增强剂。

本申请的主题涉及一些其它共同未决或共同所有的专利申请的主题。特别是这些其它共同未决专利申请描述了制造金属基质复合材料的方法（以下有时称“共同所有的金属基质专利申请”）。

在1987年5月13日，以White等人的名义提交的，现已在美国审定的题目为“金属基质复合体”的共同所有美国专利申请系列号049，171的申请中，公开了一种生产金属基质复合材料的新方法。根据White等人的发明的方法，通过用熔融铝渗透一种可渗透填料（如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料）体来生产金属基质复合体，其中所用的熔融铝含有至少约1%（重量）的镁，优选的是含有至少约3%（重量）的镁。在不采用外部压力和真空的条件下，自发地发生渗透。于至少约675℃的温度下，在一种含有约10～100%，最好至少约50%（体积）氮气的气体存在下，使一定量的熔融金属合金与填料体接触，其中的气体，除氮气外，如果有的话为非氧化性气体，如氩气。在这些条件下，这种熔融铝合金在常压下渗透所说的陶瓷体形成铝（或铝合金）基质复合体。当所需量的填料已被这种熔融铝合金渗透时，降低温度使该合金固化，因此形成嵌有该增强填料的固体金属基质结构。通常，供给的一定量熔融合金最好足以使这种渗透基本进行到填料体的边缘。根据White等人的发明生产的铝基复合体中填料的量可以非常高。在这方面，填料对合金的体积比可达到1∶1以上。

在上述White等人发明的工艺条件下，氮化铝可以形成一种分散在整个铝基体中的不连续相。铝基体中氮化物的量可随温度、合金组成、气体组成和填料等因素而变化。因此，通过控制反应体系因素的一个或多个，可能调节这种复合体的某些性能。但是，对于某些实际应用来说，可能希望这种复合体含有少量的或基本不含氮化铝。

已观察到较高的温度有利于渗透，但使得该方法更有助于氮化物的形成。White等人的发明提供了平衡渗透动力学和氮化物形成的选择。

在以Michel K.Aghajanian等人的名义于1988年1月7日提交的，题目为“用阻挡元件制造金属基质复合体的方法”的共同所有美国专利申请系列号为141，624的申请中，叙述了一个适用于形成金属基质复合体的阻挡元件的例子。根据Aghajanian等人的发明方法，将阻挡元件（例如，颗粒状二硼化钛或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil 为商品名出售的软石墨带产品）放置于填料的限定界表面，并且基质合金渗透到该阻挡元件限定的边界处。这种阻挡元件被用来抑制、防止或中止该熔融合金的渗透，由此为得到的金属基质复合体提供了基本的或大致的形状。因此，所形成的金属基质复合体具有一个基本符合于该阻挡元件内部形状的外形。

1988年3月15日以Michael    K.Aghajanian和Marc    S.Newkirk名义提交的题目为“金属基质复合体及其生产方法”的共同所有，共同未决美国专利申请系列号168，284对系列号为049，171的美国专利申请的方法进行改进，根据在该美国专利申请中公开的方法，基质金属以一个第一金属源和一个例如由于重力流动与该第一金属源相联的基质金属合金储备源形式存在。具体地说，在该专利申请中所述的条件下，在常压下这种第一熔融金属合金源首先渗入填料体中，由此开始形成金属基质复合体。这种第一熔融基质金属合金源，在其渗入填料体期间被消耗掉，如果需要的话，当自发渗透继续进行时，可以从所说的熔融基质金属储备源进行补充，这种补充最好通过一个连续方式进行。当所需量的可渗透填料已被这种熔融基质合金自发渗透时，使温度降低以使该熔融合金固化，因此形成一种嵌有该增强填料的固体金属基质结构。应该明白的是这种金属储备源的使用仅仅是本专利申请中所述的发明的一个实施方案，并不是在所述的发明的每个其它实施方案中都必须采用该金属储备源，但是将本发明储备源用于部分实施方案中还是有利的。

这种金属储备源应提供足够量的金属，以使其渗透该填料的可渗透体至预定的程度。另一方面，可以选择阻挡元件与该可渗透填料体的至少一个侧面接触，以限定出一个表面边界。

另外，虽然提供的一定量熔融基质合金应至少足以使自发渗透基本进行到可渗透填料体的边界（如阻挡元件），但是所说的储备源中存在的合金量应超过这个这个足够量，以使得不仅有足够量的合金用于完全渗透，而且有过量的熔融金属合金保留并与该金属基质复合体相连。因此，当过量的熔融合金存在时，所得到的物体将是一个复杂的复合体（例如，一个大复合体），其中具有金属基质的渗透陶瓷体将会直接粘结到该储备中剩余的过量金属上。

每个上述讨论的共同所用的金属基质专利申请都叙述了生产金属基质复合体的方法和由此生产的新型金属基质复合体。将所有上述共同所有的金属基质专利申请的公开内容结合在此以供参考。

金属基质复合体是通过将基质金属自发渗入一种填料的可渗透体制备的。具体地讲是至少在工艺中的某一时刻，使一种渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛与该填料接触，以使熔融基质金属自发渗入填料。在全部渗透基本达到后，再向已经渗透的填料中加入另一些基质金属（这里有时称其为第二种基质金属），例如在一个较佳方案中，将该金属与已经渗透的填料进行物理混合，这种金属的组成可以与已渗入填料的基质金属的组成相同，类似或不同，加入之后得到填料和基质金属的悬浮体。该悬浮体中，填料量相对于基质金属来说较低。在另一个方案中，当自发渗透完成后，补充过量的基质金属，该金属处于熔融的未渗透状态。将这部分过量基质金属搅拌或混合进入已被渗透的填料中，形成一种填料和基质金属的悬浮体，其中颗粒填料量较最初被自发渗透的填料量少。

在另一个方案中，渗透完成后，冷却已经自发渗透的金属基质复合体。随后将复合体再加热至其液态温度，向其中混入第二种或附加的基质金属。

在一个较好的方案中，可以向基质金属和填料中至少一种或两种物质中提供渗透增强剂前体。组合使用填料和基质金属，并通过提供渗透增强剂前体和渗透气氛，导致基质金属自发渗入填料。

此外，可以不提供渗透增强剂前体，直接向至少一种填料和/或基质金属和/或渗透气氛提供一种渗透增强剂。总之，至少在自发渗透过程中，渗透增强剂应至少存在于部分填料中。

已渗透的填料与附加基质的物理混合可以通过机械搅拌，超声搅拌，振动，手动搅拌或其它任何合适的方式实现。

如前所述，第二种或附加基质金属的组成可类似于或不同于已渗入填料中的基质金属。使用不同的第二种基质金属时，第一种渗入填料的基质金属最好至少部分可与第二种基质金属混合，使第一种和第二种基质金属合金化和/或两者生成金属互化物。如果第二种基质金属基本与第一种渗入填料中的基质金属类似或相同，那么两者可容易地混合在一起。

在第一种和第二种基质金属所需的混合完成之后，如需要则使渗透的填料和第一和第二种基质金属的悬浮体在混合室内原地冷却。然后将冷却的混合物再加热至悬浮体中基质金属的液态化温度或以上，再注入所需的模具中，在另一种情况下，如果装有混合物的模具符合所需的最终形状，那么仅仅将混合物冷却，再从模具中将其取出即可。此外，可使混合物保持熔融状态，倒入所需模具中，该模具或者符合所要制备的最终金属基质复合体形状，或者符合用于后续加工的某种中间体形状（如锭）。

得到的含有第一和第二种基质金属的金属基质复合体相对于不含第二种基质金属的金属基质复合体来说有较低的体积比。因此，本发明提供了一种制备填料体积比较低的金属基质复合体的方法。向完全是多孔填料进行自发渗透一般不能有效地获得这种填料的低体积比，这是因为填料的最大孔隙度受到最小堆积密度、表现强度等因素的限制。

应注意到，本申请主要讨论了铝基质金属，该金属在形成金属基质复合体过程中的某一时刻，在作为渗透气氛的氮气存在下，与作为渗透增强剂前体的镁接触。因此，铝/镁/氮的基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系显示出自发渗透。然而其它基质金属/渗透增强剂/渗透气氛体系也可以类似于铝/镁/氮体系的方式作用。例如，已观察到铝/锶/氮体系，铝/锌/氧体系，和铝/钙/氮体系中存在类似自发渗透现象。所以，即使本文主要讨论的是铝/镁/氮体系，但应理解，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛的体系也能以类似方式作用。

当基质金属含铝合金时，铝合金与一种填料（如氧化铝或碳化硅粒）接触。在本发明的一个方案中，填料与作为渗透增强剂前体的镁混合或在工艺中某一时刻暴露于该镁之下。在工艺中某一时刻，最好是基本上在工艺的全部过程中，将铝合金和/或填料暴露于氮气气氛下。在另一个方案中，填料和/或铝合金和/或氮渗透气氛含有作为渗透增强剂的氮化镁。在每个方案中，填料都将被基质金属自发渗透，自发渗透的程度或速度和金属基质的形成随给定的工艺条件而变，例如这些条件包括向体系（如铝合金和/或填料和/或渗透气氛）提供的镁的浓度，含填料的颗粒的大小和/或组成，渗透气氛中的氮气浓度，渗透时间，和/或发生渗透的温度。自发渗透一般发生至基本全部嵌入填料中的程度。

在此所用的“铝”的意思是指并且包括基本纯的金属（例如，一种相对纯的市售非合金化的铝）或者其它等级的金属和金属合金，如含有杂质和/或合金成分（如铁、硅、铜、镁、锰、铬、锌等）的市售金属。这一定义下的铝合金是一种以铝为主要成分的合金或金属互化物。

在此所用的“平衡非氧化性气体”的意思是除构成所说渗透气氛的主要气体之外存在的任何气体，在所用工艺条件下，或者是惰性的或者是基本不与所述基质金属反应的还原性气体。在所用工艺条件下可能以杂质形式存在于所用气体中的任何氧化性气体应不足以使所用的基质金属氧化到任何显著的程度。

在此所用的“阻挡元件”的意思是妨碍、抑制、防止或中止熔融基质金属超过可渗透填料体或预型体表面边界的移动、运动等，其中的表面界（界表面）是由所说的阻挡元件所限制的。适用的阻挡元件可以是在工艺条件下，保持某种程度的完整性并且基本不挥发（即，阻挡材料没有挥发到使其失去作为阻挡元件的程度）的任何适当的材料、化合物、元素、组合物等。

另外，适用的“阻挡元件”包括在所利用的工艺条件下基本不能被运动的熔融基质金属润湿的材料。这种类型的阻挡元件显示出对所说的熔融基质金属具有很小的亲合力或没有亲合力。用这种阻挡元件阻止或抑制了超越该填料体或预型体的限定界面的运动。这种阻挡元件减少了可能需要的任何最终机械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金属基质复合产物的一部分表面。这种阻挡元件在某些情况下，可以是可渗透的或多孔的，或者例如通过钻孔或穿孔使其可渗透，以使得气体与所说的熔融基质金属接触。

在此所用的“残余物”或“基质金属残余物”是指任何在所说的金属基质复合体形成期间没有被消耗掉的原始基质金属残余物，并且在典型情况下如果将其复合体相接触的形式保留下来。应该理解为这种残余物还可以包括第二种或外来金属。

在此所用的“填料”是指单一成分或多种成分的混合物，所说的成分基本不与所说的基质金属反应和/或在所说基质金属中具有限定溶解性的，并且可以是单相或者多相的。填料可以各种形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶须、液体等，并且可以是密实也可以是多孔的。“填料”还可以包括陶瓷填料，如纤维、切断纤维、颗粒、晶须、泡体、球、纤维板等形状的氧化铝或碳化硅，和陶瓷涂敷的纤维，如用氧化铝或碳化硅涂敷的碳纤维，例如通过用熔融的母金属铝涂敷以保护碳免受腐蚀。填料还可以包括金属。

在此所用的“渗透气氛”意思是指存在的与所用的基质金属和/或预型体（或填料）和/或渗透增强剂前体和/或渗透增强剂相互作用并且使或促进所用的基质金属发生自发渗透的气氛。

在此所用的“渗透增强剂”是指一种能促进或有助于一种基质金属自发渗透到一种填料或预型体中的材料。渗透增强剂可以由下述方法形成，例如一种渗透增强剂前体与渗透气氛反应形成（1）一种气体物质和/或（2）该渗透增强剂前体和渗透气氛的反应物和/或（3）该渗透增强剂前体和填料或预型体的反应物。另外，这种渗透增强剂可能直接向预型体和/或基质金属和/或渗透气氛中至少一种提供并起着与渗透添加剂前体和另一物质反应而形成的渗透增强剂的基本相同的作用。归根到底，在该自发渗透期间，至少该渗透增强剂应放在至少一部分所用的填料或预型体中，以完全自发渗透。

此处所用的“渗透增强剂前体”是指这样一种材料，当使其与基质金属、预型体和/或渗透气氛相结合使用时能形成促使或有助于基质金属自发地渗透填料或预型体的渗透增强剂。由于不希望受到任何特定理论或说明的限制，对于渗透增强剂前体来说似乎必要的是使该渗透增强剂前体能够被定位于或可移动至允许与渗透气氛和/或预型体或填料和/或金属发生反应的部位。举例来说，在某些基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系中，对于渗透增强剂前体来说，必要的是使其处于、接近于、或者在某些情况下甚至稍高于基质金属熔融温度下挥发。这一挥发过程可以导致：（1）渗透增强剂前体与渗透气氛发生反应形成一种有助于基质金属润湿填料或预型体的气态物质;和/或（2）渗透增强剂前体与渗透气氛反应生成处于至少一部分填充物或预形体之中、有助于润湿的固态、液态或气态渗透增强剂;和/或（3）渗透增强剂前体与填料或预型体反应，该反应形成处于至少一部分填充料或预型体之中、有助于润湿的固体、液态或气态渗透增强剂。

本文中，“底颗粒填料量”或“较低的填料体积比”是指基质金属相对于填料的量与其相对于在没有加入附加或第二种基质合金的情况下，经自发渗透的填料量比较是增加了。

此处所用的“基质金属”或“基质金属合金”是指用于形成金属基质复合体（例如，于渗透之前）的金属和/或用于与填料互相混合从而形成金属基质复合体（例如，于渗透之后）的金属。当指定某一特定金属为基质金属时，应该理解为该基质金属包括基本上纯的金属、其中含有杂质和/或合金成分的市售金属、其中该金属为主要成分的金属互化物或合金。

本文所述的“基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系”或“自发体系”是指能够自发地渗透到预型体或填料之中的材料组合体。应该理解的是无论在供列举的基质金属、渗透增强剂前体和渗透气氛之间何时出现“/”，“/”均被用于表示当以某一特定方式组合而成之时便能够自发渗透进入预型体或填料体系或组合体。

本文所述的“金属基质复合体”或是指包含嵌入预型体或填料的二维或三维互连合金或基质金属的材料。该基质金属可以包括各种合金元素以便使所得到的复合体具有特别需要的机械物理特性。

“不同于”基质金属的金属是指这样一种金属，其中不含有作为主要成分的与基质金属相同的金属（例如，若基质金属的主要成分为铝，那么“不同的”金属，举例来说，可以含有主要成分镍）。

“用于容纳基质金属的非反应性容器”是指能够在加压条件下容纳或包含含料（或预形体）和/或熔融基质金属并且不与基质金属和/或渗透气氛和/或渗透增强剂前体和/或填充物或预形体以可能严重妨碍自发渗透机理的方式而发生反应的任何容器。

本文所述的“预型体”或“可渗透预型体”是指组成后具有至少一个表面界面的多孔状填料体或填充物体，其中表面边界基本上限定了渗透基质金属的边界，该多孔状物质在被基质金属渗透之前充分地保持了形状的完整性与生坯强度从而达到了尺寸精确度的要求。该多孔状物质应该具备足够高的多孔性以便使基质金属能够自发地渗透进去。预型体典型地包含结合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何适宜的材料构成（例如，陶瓷和/或金属的颗粒、粉末、纤维、晶须等以及它们的任意组合体）。预型体可以单独地存在或以集合体的形式存在。

本文所述的“储备源”是指一个基质金属的分离体，其所处的位置与填料物质或预形体相关联，这样，当金属熔化时，它可以流动以便补充与填料或预形体相接触的基质金属部分或源，或者是在某些情况下开始时先进行提供随后进行补充。

本文中，“第二种基质金属”或“再加（附加）基质金属”是指在填料的自发渗透已经完成或基本完成之后加入的或保留的金属，并且该金属与经渗透的填料混合在一起，形成含有已渗透的填料和第一和第二种（或附加）基质金属的悬浮体，因此得到较低的填料体积比，其中第二种或再加基质金属的组成与已经过自发渗透的填料完全相同，或类似，或基本不同。

本文所述的“自发渗透”是指在无需加压或抽真空（无论是外部施加或内部产生）的条件下基质金属向填料或预型体的可渗透部分所产生的渗透现象。

本文中，“填料和基质金属的悬浮体”或“悬浮体”是指含有第二种或再加基质金属和已被第一种基质金属自发渗透的填料的混合物。

提供下列附图以有助于理解本发明，但是并非意味着对本发明的范围的限定。各图中采用相同的参考号数表示同一组分，其中：

图1a是本发明一种组装件的剖面示意图，它说明带有过量基质金属的部分渗透的复合体。

图1b是说明已渗透复合体和过量基质金属的分散体的剖面示意图。

图1c是分散的，已渗透的复合体在进一步加工前的剖面示意图。

图1d是说明分散复合体可浇注性的剖面示意图。

图2是例1至例4的组装件的剖面示意图。

举例来说，尽管如同共同拥有的美国专利申请系列号049，171（1987年5月13日提出申请）所公开的，用自发渗透技术可获得高颗粒填料量[40～60%（体积）]，但是在某些情况下，仅使用这种渗透技术获得低颗粒填料量[1～40%（体积）]要困难得多。具体地讲，如果用这种技术实现低颗粒填料量，则需要预型体或填料具有非常高的孔隙率。但是用这样的填料或预型体获得的孔隙率是有限的，该孔隙率依采用的具体填料和预型体中粒子的大小或粒度而定。

根据本发明采用的自发渗透技术能获得以前自发渗透金属基质复合体所具有的良好性能，但又可实现较低的颗粒填料量。金属基质复合体的制备是先用第一种基质金属在渗透气氛下自发渗入填料，然后向已渗透的填料中加入附加的或第二种基质金属，得到具有较低体积比的填料和基质金属的悬浮体。此外，如下面详细讨论的那样，加入附加或第二种基质金属可以调整工艺是提供第一种基质金属的金属基质（即第一和第二种基质金属相同）还是提供第一和第二种基质金属的金属互化物或合金（即第一和第二基质金属不同）。

获得低颗粒填料量的金属基质复合体工艺的第一步是开始填料或预型体的自发渗透。

参照附图，图1a表示了可用于本发明的组装件（10）。其体地讲，填料（或预型体）（1）盛放在与各组分基本不反应的模具或容器（2）中。如下文更详细讨论的那样，放入的基质金属（3）在使自发渗透发生的条件下被加热至其熔点以上。随着基质金属开始自发渗入填料或预型体，形成金属基质复合体（4）（例如，如果冷却基质金属，那么至少（4）部分含有金属基质复合体）。

在第一个优选方案中，加入过量基质金属（3），以便在自发渗透完成时残留下未渗透的基质金属构架。

如图1b所示，将仍处在熔融态下的基质金属复合体与过量基质金属通过搅拌器（5）混合，使渗透的填料分散在附加的基质金属中，形成悬浮体，搅拌器（5）可以是任何常用搅拌装置，其中包括机械搅拌，超声波搅拌或手动搅拌。连续搅拌1～15分钟，最好10～15分钟，或者如图1c所示搅拌成均匀的，完全分散的混合物（7）。

最好应在自发渗透的温度（下面将讨论）下进行搅拌，以避免在混合物的分散完成之前复合体硬化。例如，使用安装在炉内的顶部搅拌装置可以是有效的。在另一种情况下，如果不在加工温度下进行搅拌，应采取避免过早冷却的步骤，其中包括使用加热搅拌装置和绝缘性好的容器等。

达到全部分散之后，可如图1d所示将分散的混合物倒入模具形成较用其它自发渗透方法得到的颗粒填料量更低的物体。任何常规的模具都可以使用，如熔模壳模，可拆壳模，多件模，可再用模等。最好加热模具，延缓已分散复合体的冷却，使浇注时间尽可能长，使浇注的分散复合体达到最佳工作性能。如果某一特殊应用需要快速冷却，也可以使用室温模具或冷模具，如铜激冷板。

在另一个方案中，复合体分散的容器形状相当于最终形成物体的所需形状。因此，不用浇注填料和基质金属的悬浮体，取而代之的是使复合体在容器内冷却，这时容器的作用就象模具一样。也可以将悬浮体冷却，然后再加热至其熔点以上，浇注或成模，以便进一步加工或成形。此外，可以将悬浮体倒入模具中，形成中间体，如锭，然后作为进一步加工的前体。

由上述方案得到的复合体显示了其它自发渗透复合体所具有的非常符合要求的性能。而且，采用本发明的分散方法，可得到低颗粒填料量，如5～40%（体积）。

在本发明另一个方案中，图1a中不使用过量基质金属。取而代之的是一填料床或预型体被自发渗透，然后冷却。然后按上述程序，再加热渗透的金属基质复合体，将附加的基质金属分散在其中，得到低颗粒填料量的金属基质复合体。也可以在已渗透复合体中的基质金属还处于液态时加入附加的基质金属。

在上面所有方案中的附加或第二种基质金属的组成均相同于，或类似于或完全不同于自发渗入填料或预型体中基质金属。通过使用不同的第一和第二种基质金属，可得到金属基质复合体中不同的以三维方式连接的金属基质，因此可提供满足特殊应用的各种合金或金属互化物。所以，可以调整所需的化学，电学，机械以及其它性能，以满足特殊的应用。第二种基质金属最好是与第一种基质金属可混合的金属。

可以多种不同方式加入第二种基质金属。参照图Ⅰa，基质金属（3）可以是一种多层的多相熔融合金，在其与界面相邻的表面上有第一种基质金属，在其上端有第二种基质金属，例如第一种基质金属可富含有能促进渗透的渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或第二种合金中。按照图Ⅰb，第一种基质金属自发渗透后，向悬浮体中加入第二种或附加的基质金属。

自发渗透之后，也可以浇注或加入固态或液态的第二种或附加的基质金属。而且如上所述，可以先形成金属基质复合体并冷却之，然后在后续加工步骤中，将复合体再次加热并在悬浮体中分散第二种或附加的基质金属。

为了使基质金属自发地渗透进入预型体，应该将渗透增强剂加至自发体系之中。渗透增强剂可以由渗透增强剂前体形成，它可以（1）在基质金属中;和/或（2）在预形体中：和/或（3）由渗透气氛;和/或（4）由外界来源被提供给自发体系。此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预形体、和/或基质金属、和/或渗透气氛之中至少一种提供渗透增强剂。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该位于至少一部分填料之中。

在一优选实施方案中，渗透增强剂前体可能至少是部分地与渗透气氛反应使得在先于或基本上接近于填料或预型体与基质金属接触之时在至少一部分填料中形成渗透增强剂（例如，若镁是渗透增强剂前体而氮为渗透气氛的话，那么渗透增强剂则可以是位于至少一部分填料之中的氮化镁）。

基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系的实例为铝/镁/氮体系。具体地讲，可将铝基金属装在一个在工艺条件下铝被熔化时不会与铝基金属和/或填料反应的适宜的耐火容器之中。随后，填料与熔融铝基金属接触。在加工条件下，铝基质金属被引导自发渗入填料。

在本发明方法所选用的条件下，在铝/镁/氮自发渗透体系的情况下，填料应该具备足够的可渗透性以便于含氮气体在过程进行期间某一时刻穿透或渗透熔融材料和/或与熔融基质金属接触。此外，可渗透            预型体能够适应熔融基质金属的渗透，从而使得被氮气渗透的预型体被熔融基质金属自发渗透从而形成金属基质复合体和/或使氮气与渗透增强剂前体反应从而在预型体内形成渗透增强剂并且导致自发渗透。自发渗透的程度以及金属基质复合体的形成将随着给定的工艺条件而发生变化，这些条件包括铝合金中的镁或氮化镁含量、填料中的镁或氮化镁含量、填料中的镁或氮化镁量、附加合金元素（例如硅、铁、铜、锰、铬、锌等）的存在，构成填料的材料的平均粒度（例如粒径）、填料的表面状况和类型、渗透气氛中的氮浓度、渗透时间和渗透温度。举例来说，对于熔融铝基金属所进行的自发渗透来说，铝可以与以合金重量为基准计至少大约1%（重）、以至少大约3%（重）为佳的镁（起着渗透增强剂前体的作用）形成合金。如上所述，基质金属中还可以包括辅助合金元素以便使其具备特定的性能。另外，辅助合金元素会改变基质铝金属中进行自发渗透填料或预型体所需的最低镁量。由于，举例来说，挥发所造成的镁损失不应该发展到没有用于形成渗透增强剂的镁这一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保证自发渗透不会受到挥发作用的不利影响。再说，当镁同时存在于预型体与基质金属之中或者仅存在于预型体中时均会使进行自发渗透所需的镁量有所减少（下文将对此作更详细的讨论）。

氮气氛中氮的体积百分比同样会对金属基质复合体的形成速率有所影响。具体地说，渗透气氛中若存在低于大约10%（体积）氮的话，自发渗透就会非常缓慢或者几乎未发生自发渗透。业已发现，该气氛中以存在至少50%（体积）左右的氮为佳，因而使得，举例来说，渗透时间由于渗透速率大大加快而更加短暂。渗透气氛（例如含氮气体）可被直接提供给填料或预型体和/或基质金属，或者它可以由某一材料分解而成。

熔融基质金属渗透填料或预型体所需的最低镁量取决于一种或多种诸如加工温度、时间、辅助合金元素如硅或锌的存在、填料的性质、在一种或多种自发体系中镁所处的位置、气氛中氮含量以及氮气氛的流动速率之类的变量。随着合金和/或预型体的镁含量增加，可以选用更低的温度或更短的加热时间以实现完全渗透。此外，对于给定的镁含量来说，添加特定的辅助合金元素如锌允许选用较低的温度。举例来说，当基质金属的镁含量处于可操作范围下端例如大约1～3%（重）的时候，与其组合选用的至少为下列因素之一：高于最低加工温度、高氮含量或者一种或多种辅助合金元素。当预型体中未加镁时，以通用性为基础，在宽范围的加工条件下合金以含有大约3～5%（重）镁为佳，当选用较低温度和较短时间时以至少大约5%为佳。可以采用超过大约10%（铝合金重量）的镁含量以调节渗透所需温度条件。当与辅助合金元素结合使用时可以降低镁含量，不过这些元素仅具有辅助功能并且与至少上述最低镁量共同投入使用。举例来说，仅与10%硅形成合金的足够纯的铝于1000℃下基本上不渗透500目39    Crystolon（99%纯度碳化硅，Norton公司出品）的垫层。然而，在镁存在下，业已发现硅有助于渗透过程。再举一个例子，如果镁仅仅被提供给预型体或填料，其数量会有所改变。已经发现，当被供给自发体系的全部镁中至少有一部分被置于预型体或填料中时，自发渗透将借助较低重量百分率所供给的镁进行。必要的是提供转少量的镁以防止在金属基质复合体内形成不必要的金属互化物。在碳化硅预型体的情况下，业已发现，当该预型体与铝基质金属接触时，在该预型体含有至少约1%（重）镁和有基本上纯的氮气氛存在条件下，基质金属自发渗透该预形体。在氧化铝预型体的情况下，实现可被接受的自发渗透所需镁量稍有增加。具体地说，业已发现，当氧化铝预型体与类似铝基质金属接触时，在大约与铝渗透碳化硅预型体相同的温度以及有相同氮气氛存在的条件下，需要至少约3%（重）镁实现与上述在碳化硅预型体中类似的自发渗透。

同样应该注意的是在基质金属渗入填料或预型体之前可以将渗透增强剂前体和/或渗透增强剂以置于合金表面和/或预型体或填料表面和/或置于预型体或填料之中的方式提供给自发体系（即不必使被提供的渗透增强剂或渗透增强剂前体与基质金属形成合金，而是被简单地提供给自发体系）。如果将镁施用于基质金属表面，则该表面优选地是十分接近于、或者最好是与填料的可渗透部分相接触，反之亦然;或者是这种镁混合于至少一部分预型体或填料之中。此外，还可以采用表面施用、形成合金与将镁置于至少一部分预形体中三种应用方式的某一组合形式。这一应用渗透增强剂和/或渗透增强剂前体的组合方式不仅能够减少促进基质铝金属渗透预型体所需镁的总重百分比，同时还能够降低渗透温度。此外，还能够将由于存在镁而形成的不需要的金属互化物数量减少至最低限度。

一种或多种辅助合金元素的应用以及周围气体中氮的浓度同样会对在给定温度下进行的基质金属的氮化程度产生影响。举例来说;包含在合金之中或被置于合金表面的辅助合金元素如锌或铁可被用于降低渗透温度从而减少氮化物的生成量，但是提高气体中氮气的浓度可用于促进氮化物形成。

合金中和/或被置于合金表面之上和/或结合于填料之中的镁的浓度同样易于影响在给定温度下的渗透的程度。因此，在某些几乎没有或完全没有镁与填料直接相接触的情况下，以合金中至少包含大约3%（重）镁为佳。若合金含量低于此数值如含有1%（重）镁，则需要较高的加工温度或辅助合金元素进行渗透。在下列情况下进行本发明的自发渗透方法所需温度较低：（1）当只有合金的镁含量增加例如达到至少5%（重）左右时;和/或（2）当合金成分与填料或预型体的可渗透部分混合时;和/或（3）当铝合金中存在另一种元素如锌或铁时。温度还可以随着填料的不同而有所变化。一般说来，自发和渐进渗透的工艺温度至少约为675℃、以至少约750～800℃为佳。此外，在第二次基质金属分散后，在约800℃或更高的温度下，生成的悬浮体具有满意的浇注性。但是根据悬浮体的性质，此温度可能低些。一般情况下，当温度超过1200℃时似乎对该工艺过程不会产生任何益处，业已发现，特别适用的温度范围约为675～1200℃。然而，作为一般规律，自发渗透温度高于基质金属的熔点但是却低于基质金属的挥发温度。此外，自发渗透温度应该低于填料的熔点。再说，随着温度升高，基质金属与渗透气氛之间相互反应形成产物的倾向性也会有所增强（例如，在铝基质金属与氮渗透气氛的情况下，会形成氮化铝）。这类反应产物可以是必要的也可以是不需要的，这要取决于金属基质复合体的目的应用。另外，电阻加热是达到渗透温度的典型途径。然而，任何能够使基质金属熔化却对自发渗透不会产生不利影响的加热方式均适用于本发明。

在本方法中，举例来说，至少是在该工艺过程期间的某一时刻在含氮气体存在下使可渗透的填料与熔融铝相接触，通过保持一连续的气流提供含氮气体，使其与填料和熔融铝基质金属中的至少一种相互接触。虽然含氮气体的流量并非至关重要，但是该量最好足以补偿由于合金基质中形成氮化物而在气氛中造成的氮损失，并且足以防止或抑制能对熔融金属产生氧化作用的空气侵入。

形成金属基质复合体的方法适用于许多填料，而填料的选择取决于诸如基质合金、工艺条件、熔融基质合金与填料的反应能力以及目的复合体产物应具备的特性之类因素。举例来说，当基质金属为铝时，适宜的填料包括（a）氧化物，例如氧化铝;（b）碳化物，例如碳化硅;（c）硼化物，例如十二硼化铝;以及（d）氮化物，例如氮化铝。如果填料易于与熔融铝基质金属反应，这可以通过最大限度地缩短渗透时间与最大限度地降低渗透温度或者通过向填料提供非反应涂层来加以调节。填料可以包含一种基体如碳或其它非陶瓷材料，该基体带有陶瓷涂层以防受到化学侵蚀与老化作用。适宜的陶瓷涂层包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的优选陶瓷材料包括呈颗粒、片晶、晶须和纤维状的氧化铝和碳化硅。纤维可以是不连续的（被切断）或以连续单位如多丝束的形式存在。此外，填料或预型体可以是均相的或非均相的。根据本发明，分散第二种或附加基质金属时，使用氧化铝和碳化硅都能获得满意的悬浮体。如实施例中详细讨论的那样，已经发现，在分散成为悬浮体之后，碳化硅比氧化铝的可浇注性好。

业已发现的还有，某些填料相对于具备类似化学组成的填料，其渗透性有所增强。举例来说，按照美国专利No.4713360（题目为“新型陶瓷材料及其制备方法”，Marc    S.Newkirk等人，于1987年12月15日颁发）所述方法组成的粉碎的氧化铝主体相对于市售氧化铝产品具有理想的渗透特性。此外，按照共同未决与共同所有的申请系列No.819397（题目为“复合陶瓷制品及其制造方法”，Marc    S.Newkirk等人）所述方法组成的粉碎氧化铝主体相对于市售氧化铝产品同样具有理想的渗透特性。颁布专利及其共同未决专利申请的各自主题在此引用仅供参考。因此，业已发现，陶瓷材料的可渗透体的彻底渗透可通过采用上述美国专利和专利申请的方法再次的粉碎或细碎主体于较低的渗透温度下和/或较短的渗透时间内进行。

填料可以呈现达到复合体必要特性所需的任何尺寸和形状。因此，既然渗透并非受到填料形状的限制，所以填料可以呈颗粒、晶须、片晶或纤维状。也可以选用诸如球体、小管、丸粒、耐火纤维布之类形状的填料。另外，虽然与较大的颗粒相比，较小颗粒进行完全渗透需要更高的温度或更长的时间，但是材料的大小并不限制渗透。此外，有待渗透的填料（被加工成预型体）应该是可渗透的（即可被熔融基质金属和渗透气氛所渗透）。

本发明形成金属基质复合体的方法不依赖于使用压力，将熔融基质金属压迫或挤压成预型体或填料块，本发明方法所生产的是具有高体积比填料且孔隙率低的基本均匀的金属基质复合体。使用初始低孔隙率的填料块可获得填料的高体积比。只要填料块不转变为阻碍熔融合金渗透的闭孔隙压实块或完全致密结构，通过压实或其它致密处理填料，也可以获得高体积比填料。按照本发明分散第二种基质金属也可实现低体积比或低颗粒填料量。因此，本发明可获得很宽范围的颗粒填料量，同时还具有自发渗透方法的加工优点和性能。

已经观察到对于在陶瓷填料周围发生的铝渗透和基质形成来说，铝基质金属对陶瓷填料的润湿在渗透机理中起着重要的作用。此外，在低加工温度下，可忽略不计或极少量金属的氮化导致有极少量不连续相的氮化铝分散于金属基质之中。然而，当温度达到上限时，金属的氮化更容易发生。因此，可以通过改变渗透温度来控制金属基质中氮化物相的数量。当氮化物的形成更为明显时的特定加工温度同样会随着下列因素发生变化，这些因素有如所使用的基质铝合金，及其相对于填料体积的数量、有待渗透的填料和渗透气氛中的氮浓度。举例来说，人们认为在给定加工温度下氮化铝生成的多少随着合金润湿填料能力的下降以及随着气氛中氮浓度的增大而增加。

因此，能使金属基质的组成在产生复合体的过程中赋予所得到的产物以特定的特性。对于一给定的体系来说，可以选择工艺条件控制氮化物的形成。含有氮化铝相的复合体产物具有对于产物的性能起促进作用或能够改善产物性能的特性。此外，铝合金进行自发渗透的温度范围可以随着所用的陶瓷材料而有所变化。在选用氧化铝作为填料的情况下，如果想要使基质的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么渗透温度以不超过大约1000℃为佳。然而，如果希望形成含有延展性较差而硬度较高的基质复合体那么渗透温度可以超过1000℃。当选用碳化硅作为填料时，相对于使用氧化铝作为填料的情况，由于所形成的铝合金氮化物较少，所以，为了渗透碳化硅可以选用1200℃左右的较高温度。

此外，可以使用一种基质金属储备源，以保证填料全部渗透，和/或提供与第一基质金属源的组成不同的第二种金属。具体地讲，就是在某些情况下，可能需要使用该储备源中与第一基体金属源组成不同的基质金属。例如，如果铝合金用做第一基质金属源，那么实质上任何其它在加工温度下能熔融的金属或金属合金都可以用做储备源金属。熔融金属通常具有良好的互溶性，因此，只要混合时间适当，储备源金属就会与第一基质金属源混合。所以，通过使用不同于第一基质金属源组成的储备源金属，就可能使金属基质的性能满足各种操作要求，由此调节金属基质复合体的性能。

本发明中也可以结合使用阻挡元件。在渗透最初发生的容器2中以及将浇注分散悬浮体的任何模具中都可能需要合适的阻挡元件。具体地讲，应用本发明的阻挡元件可以是任何适于干扰、抑制、防止或中止熔融基质合金（如铝合金）超出由填料限定的界表面而形成的迁移，运动等的元件。合适的阻挡元件可以是满足下述要求的任何材料，化合物，元素或组合物等：能够局部抑制，停止，干扰或防止（及其它类似作用）超出填料的限定界表面的连续渗透或任一其它类型的运动，在本发明的加工条件下，能保持某种整体性，不挥发，最好能使过程中使用的气体渗透。阻挡元件可用于自发渗透中，或用于在自发渗透金属基质复合体热成型时所使用的任何模具或其它固定装置中。

合适的阻挡元件由在所采用的加工条件下，基本不被渗透的熔融基质合金润湿的材料构成。这种阻挡元件对熔融基质合金几乎没有或没有亲合力，因此阻挡元件防止或抑制了超出填料或预型体的限定界表面的运动。阻挡元件可缩短金属基质复合体产品可能需要的目的加工或研磨过程。如上所述，阻挡元件最好是可渗透的或多孔的，或通过穿孔使其变成可渗透的，以使气体能够与熔融基质合金接触。

特别适用于铝基质合金的阻挡元件含有碳，尤其是称为石墨的同素异形结晶碳。在上述加工条件下，石墨基本不被熔融的铝合金润湿。特别优选的石墨是一种以商标为Grafoil （注册在“联合碳化物公司”名下）销售的石墨条产品。这种石墨条具有防止熔融金属移出填料的限定界表面的封闭特性，它也耐热，并呈化学惰性。Grafoil

石墨材料是能变形的，可配伍的，整合的并且有弹性的材料。它能够被制成各种形状来满足对阻挡元件的使用要求。但是石墨阻挡元件也可以以淤浆或糊，甚至漆膜的形式用于填料或预型件界面之上及四周。Grafoil

是一种可变形的石墨片，因此在这里是特别优选的。使用时，这种象纸一样的石墨只是简单地被固定在填料或预型件的周围。

另一种较好的、用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件是过渡金属硼化物[如二硼化钛（Ti B₂）]。在使用时的某些加工条件下，它一般不被熔融铝金属合金润湿。用这种阻挡元件时，加工温度不应超过约875℃，否则阻挡元件就会失效。事实上，随着温度的增加，会发生向阻挡元件的渗透。过渡金属硼化物一般呈粒状（1～30微米）。阻挡元件也可以淤浆或糊的形式用于可渗透的陶瓷填料块的界面，这种材料块最好被预先成型，组成预型件。

另一种可用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件由低挥发性的有机化合物构成，它以膜或层的形式涂敷在填料或预型件的外表面上。在氮气中烧成时，特别是在本发明的加工条件下烧成时，有机化合物分解，留下一层碳黑膜。也可以用常规方法，如刷涂，喷涂或浸渍等涂敷这种有机化合物。

此外，只要经过细磨的粒状材料的渗透速率低于填料的渗透速率，该粒状材料就能起到阻挡元件的作用。

由此看来，阻挡板元件可以任何合适的方式使用，例如在限定的界表面上覆盖一层阻挡材料。将这样一层阻挡元件施用在限定的界表面时，可通过刷涂，浸渍，丝网印制，蒸发等方式，或者通过使用液状，浆状或糊状的阻挡元件，或者通过喷涂一种可蒸发的阻挡元件，或者通过简单地沉积一层粒状固体阻挡材料，或者通过使用阻挡元件的固体薄片或薄膜。放置好阻挡元件后，当正在渗透的基质金属到达限定的界面并与阻挡元件接触时，自发渗透则基本终止。

下面紧接着是实施例，其中包括了对本发明的各种不同的实施方案。但是，应该理解这些实施例是说明性的，不应将其解释为是对如所附权利要求书所定义的本发明范围的限定。

实施例1～4

下面例子说明用基质金属对填料进行自发渗透，以及后续的附加基质金属的分散，并得到完全分散的，均匀的，可浇注的悬浮体与未经分散的自发渗透复合体相比，该悬浮体具有大大降低的颗粒填料量。

图2示意说明了例1和例2的组装件。例1和例2的试验是同时并列进行的。在例1和例2中，直径为6英寸，高为4.5英寸的316不锈钢罐（101）内衬有Permafoil ，该罐作为自发渗透的非反应性容器。

在例1中，提供大约300g填料（102），该填料是碳化硅（来自Norton公司的1000粒度39    Crystolon）和约2%镁（325目）的混合物。将约含12%（重量）硅，5%（重量）锌和6%（重量）镁的约600g铝合金（Al-12Si-5Zn-6Mg）锭（103）放在填料（102）上面。在填料（102）和锭（103）之间的交界处放一层50目镁粉。

在例2中，提供约300g含氧化铝（来自Norton公司的1000粒度E67    Alundum）和5%镁（325目）的混合物的填料（104）。在填料（104）上面放一块约600g重的标准铝520合金（含10%镁）锭（105）。在填料（104）和锭（105）的交界处再放一层50目镁粉。

将两个不锈钢容器（101）放在14英寸长，8英寸宽，7英寸高的316不锈钢罐（106）中，罐上盖有铜箔（108）。在罐（106）底部放一层Fiberfrax （Mc Neil耐火材料公司），使小罐（101）与炉板底部绝缘。将一块海绵钛（109）放在大罐的底部，以便吸收可能进入体系的氧气。

例1和2中采用的基质金属与填料的重量比为2∶1，从而保证基质金属过量，并且在自发渗透完成后仍残留下额外的基质金属。在分散之后，选用2∶1的比值，使基质金属的颗粒填料量为33%（重量）。

将组装件（100）放在炉内。通过进口（110）用氮气吹洗炉腔，并在约2小时内，在氮气流量约为2.5升/分钟的条件下将炉子由室温加热至约800℃。保持上述条件约2小时，直至自发渗透基本完成为止。

在800℃下，从炉中取出装有自发渗透的复合体的罐（101），并且用已被加热至炉温的氧化铝搅拌棒，在空气中手工搅拌2～3分钟。

分别将两个复合体充分混合。然后将得到悬浮体倒入一个5×5英寸的不锈钢方形模具中，该模具放在一块铜激冷板上，板上有室温（22℃）下的水循环通过。

由例1制备的悬浮体（碳化硅填料）的浇注性好，且在填充时成为模具的形状。由例2制备的悬浮体（氧化铝填料）浇注时成为一结块，但是它表现出可模压和挤压的特性。这两个例子说明了采用本发明的分散方法，将颗粒填料量为50%的不可模压和不可浇注的金属基质复合体转化为颗粒填料量为30%的可浇注复合体的可行性。

例3和例4分别完全重复例1和例2的试验，但是采用的固定炉温为850℃，以使复合体（例如悬浮体）的可浇注性更好。

例3的悬浮体比例1的悬浮体更难搅拌和浇注。这种降低的搅拌性和浇注性可能是由于在混合前，例3比例1中发生的自发渗透更完全，导致粒子润湿性更好所致。例4的悬浮体与例2的氧化铝填料和基质悬浮体相比，在浇注性上无变化。

Claims (42)

1、一种制备金属基质复合体的方法，该方法包括提供一种基本非反应性填料；使熔融基质金属自发渗入至少一部分上述填料；以及向上述经自发渗透的填料提供附加基质金属。

2、根据权利要求1的方法，其中至少在渗透的一段时间内，一种渗透气氛与填料和基质金属中至少一种接触。

3、根据权利要求2的方法，该方法还包括向基质金属，填料和渗透气氛中至少一种提供至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质的步骤。

4、根据权利要求1的方法，该方法还包括向基质金属和填料中的至少一种物质提供渗透增强剂前体和渗透增强剂中至少一种物质的步骤。

5、根据权利要求3的方法，其中至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质是由外界来源提供的。

6、根据权利要求1的方法，该方法还包括至少在渗透的一段时间内使至少部分填料与至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的一种物质接触的步骤。

7、根据权利要求3的方法，其中的渗透增强剂是由渗透增强剂前体与至少一种选自渗透气氛，填料和基质金属的物质反应形成的。

8、根据权利要求7的方法，在渗透期间，渗透增强剂前体挥发。

9、根据权利要求8的方法，其中挥发的渗透增强剂前体进行反应，在至少部分填料中形成反应产物。

10、根据权利要求9的方法，其中的反应产物至少是可被上述熔融基质金属部分还原的。

11、根据权利要求10的方法，其中的反应产物至少涂敷在部分填料上。

12、根据权利要求1的方法，其中填料包括一种预型体。

13、根据权利要求1的方法，该方法还包括用阻挡元件限制填料界表面的步骤，其中基质金属自发渗透到阻挡元件处。

14、根据权利要求13的方法，其中的阻挡元件包括一种选自碳，石墨和二硼化钛的材料。

15、根据权利要求13的方法，其中的阻挡元件是基本不被上述基质金属润湿的。

16、根据权利要求13的方法，其中的阻挡元件至少含有一种使渗透气氛和至少一种基质金属，填料，渗透增强剂和渗透增强剂前体中的物质接触的材料。

17、根据权利要求1的方法，其中的填料含有至少一种选自粉，薄片，片晶，微球，须晶，泡，纤维，粒，纤维垫，切削纤维，球，球粒，管和耐火布中的物质。

18、根据权利要求1的方法，其中的填料在熔融基质金属中具有有限的溶解度。

19、根据权利要求1的方法，其中的填料至少含有一种陶瓷材料。

20、根据权利要求2的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体至少含一种选自镁，锶和钙的物质，并且渗透气氛含氮气。

21、根据权利要求2的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体含锌，并且渗透气氛含氧。

22、根据权利要求1的方法，其中在填料和基质金属之间的界面上至少提供一种渗透增强剂和渗透增强剂前体中的物质。

23、根据权利要求1的方法，其中的渗透增强剂前体在基质金属中合金化。

24、根据权利要求1的方法，其中基质金属含铝和至少一种选自硅，铁，铜，镁，铬，锌，钙，锰和锶的合金元素。

25、根据权利要求4的方法，其中在上述基质金属和填料中至少提供一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质。

26、根据权利要求3的方法，其中向基质金属，填料，和渗透气氛中至少一种物质中提供至少一种渗透增强剂前体和渗透增强剂中的物质。

27、根据权利要求1的方法，其中在自发渗透期间的温度高于基质金属的熔点，但是低于基质金属的挥发温度和填料的熔点。

28、根据权利要求2的方法，其中的渗透气氛含有选自氧气和氮气的一种气体。

29、根据权利要求3的方法，其中的渗透增强剂前体含有选自镁、锶和钙中的一种物质。

30、根据权利要求1的方法，其中的基质金属含有铝，填料含有选自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物中的一种物质。

31、根据权利要求1，3或4的方法，其中的附加基质金属是在上述填料的自发渗透基本完成后提供的。

32、根据权利要求1，3或4的方法，其中的附加基质金属与自发渗入填料的熔融基质金属的组成不同。

33、根据权利要求1，3或4的方法，其中的附加基质金属的组成类似于自发渗入填料的熔融基质金属。

34、根据权利要求1，3或4的方法，其中的附加基质金属含有不被用于渗入填料的过量熔融基质金属。

35、根据权利要求1的方法，该方法还包括冷却经自发渗透的填料，然后在提供附加基质金属之前将其再加热的步骤。

36、根据权利要求1的方法，其中的基本非反应性填料装在与所说金属基质复合体的最终形状大体相同的模具中。

37、根据权利要求1，3或4的方法，其中的附加基质金属与经自发渗透的填料形成悬浮体。

38、根据权利要求37的方法，其中还包括将上述悬浮体浇注到与上述金属基质复合体的最终形状大体相同的模具中的步骤。

39、根据权利要求37的方法，其中还包括允许步骤：将上述悬浮体注入符合中间形状的模具中，再对该中间形状体进行后续加工，得到具有最终形状的金属基质复合体。

40、根据权利要求1，3或4的方法，其中金属基质复合体的料粒量约为5～40%（体积）。

41、根据权利要求1，3或4的方法，其中金属基质复合体的料粒量约为5～20%（体积）。

42、根据权利要求1的方法，其中熔融基质金属是多层结构的，其中至少一层含有上述附加基质金属。

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