CN1048893A - 用自生真空工艺制造金属基复合体的方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明是一种制造金属基复合材料的新颖工 艺。特别是，在一不透气的容器中，把适当的基体金 属(通常处于熔化态)在适当的气氛下与适当的填料 相接触，至少在工艺过程的某些阶段，在反应气体与 熔化的粘结金属和/或填料或预型和/或不透气的 容器之间会发生反应，产生自生真空，从而使熔化的 基体金属渗入到填料或预型中去，这种自生真空渗透 不需要施加任何外部压力或真空。

Description

本发明涉及金属基复合体的制造。特别是，把熔融的基体金属与填料或预型一起放置于反应气氛中，至少在整个工艺的某些阶段，熔融的基体金属要部分地或相当完全地与反应气氛作用，这样由于（至少是部分地由于）自生真空而使熔融的基体金属渗透到填料或预型中去。这种自生真空渗透不需要施加任何外界压力或真空。

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独石型金属材料的强度、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，正是因为它们相对于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积份数，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-氧化铝复合材料的生产过程中所遏到的一些困难。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75到375公斤/厘米²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。

欧洲专利申请公开号115，742介绍了一种铝-氧化铝复合材料的制造方法，其特点是把事先制成的氧化铝基和熔融铝预型的空隙用电解电池填充。这一申请特别强调，由于氧化铝不能被铝湿润，因此需要用一些方法预先把氧化铝湿润。例如，把氧化铝涂上湿润剂（如钛、锆、铪、铌等的二硼化物）或金属（如锂、镁、钙、钛、铬、铁、钴、镍、锆、铪等），再引入惰性气体如氩气以促进湿润。这一方法表明同样需要施加应力使熔融氧化铝穿透未经涂覆的基体。在这方面，渗透需要先把气孔抽空，然后在惰性气氛如氩气中对熔化的铝加压。另外，在用熔融铝金属渗透空隙之前，也可把预型用气相铝沉积的方法而使表面湿润。为了保证金属铝在预型气孔中的滞留时间，必须在真空或氩气氛中在1400-1800℃的高温下进行热处理。而且在压力下渗透材料的气化或者渗透压的解除过程都会引起材料中铝的损失。

欧洲专利申请公开号94353也提到了用在电解电池与熔融金属中加入湿润剂以改善氧化铝渗透性能的方法。该专利用电解沉积的方法制造铝，以电池衬或基片作为阴极，通过阴极电流进行填料。为了保护熔融冰晶石基片，必须在把氧化铝基片浸入由电解所产生的熔融铝金属中或开始电解之前，先在氧化铝基片上涂上一层薄薄的湿润剂与可溶性抑制栅的混合物。所用的湿润剂有钛、锆、铪、硅、镁、钒、铬、铌或钙，其中以钛为最好。硼、碳、氮等的化合物对于抑制湿润剂在熔融金属铝中的可溶性有一定的作用。然而该专利并没有提到金属基复合材料的制造。

除了施加应力和使用湿润剂以外，还报道过真空也有助于熔融金属铝在多孔陶瓷压坯中的穿透。例如，美国专利3，718，441号中，1973年2月27日R.L.Landingham说明了陶瓷压坯（如碳化硼、氧化铝、氧化铍）与熔融金属铝、铍、镁、钛、钒、镍或铬在小于10^-6乇的真空中的渗透。10^-2-10^-6乇的真空会在一定程度上使熔融金属对陶瓷的湿润性能恶化，因为金属此时不能在陶瓷空隙中自由流动。但是，当真空降低到10^-6乇以下时会对湿润性能有所改善。

1975年2月4日授予G.E Gazza等人的美国专利3，864，154号利用真空来获得渗透。该专利是把冷压的AlB₁₂粉末坯体安置在冷压铝粉床上，再在AlB₁₂上面覆盖上一层铝粉，把这和“三明治”式的AlB₁₂放置在坩锅中，再在真空炉中烧结。炉中的真空度近似为10^-5乇，然后把温度提高到1100℃，保温3小时。在这些条件下，熔融金属铝可以穿透多孔AlB₁₂压坯。

1982年2月3日Donomoto的欧洲专利申请公开号045，002也提出了一种用增强材料如纤维、线材、粉末、晶须或类似材料制造复合材料的方法。这种复合材料的制造方法是：把不与气氛反应的多孔增强材料（如排布好的氧化铝或碳或硼纤维）与熔融金属（如镁或铝一起放在部分开口的容器中，向里面吹入大量的氧气，再把容器浸入到熔融金属池中，使熔融金属渗透到增强材料的空隙中。该专利表明熔化金属会与容器中的氧气发生反应生成固态的金属氧化物，从而在容器中产生真空，这会驱动熔化金属使之进入到增强材料的空隙及容器中。具体地讲，就是在容器中放入能与氧反应的元素（如镁）使之在容器中与氧气反应以产生真空。这个真空与50公斤/厘米²的氩气压一起把熔化金属（如铝）挤入到填充有增强材料（如排布好的碳纤维）的容器中。

美国专利3，867，177号是1975年2月18日，J.J.Ott等人关于用金属浸渍多孔体的发明，其中首先把待浸渍体与“活化金属”相接触，然后再浸渍在“填充金属”中。其特点是用Reding等人的方法（专利3，364，976号，将在下面讨论）把填料毡或压块浸没在熔融的活性金属中，保持足够的时间使以熔融活性金属能完全填充到空隙中去。然后等活性金属固化后，再把复合体完全浸没到第二种金属中保持一段足够的时间，使第二种金属能取代第一种金属，直到符合要求为止。将所得到的型体冷却。这种方法还可以把多孔体部分或全部浸渍在熔化的取代金属中足够的时间。使一定量的取代金属溶解或扩散到多孔体中去，从而用至少是第三种金属来取代或至少是部分地取代多孔复合体中的填料。在所得到的复合体中也可能在填料的间隙之间存在金属互化物。用这种多步方法，包括用活性金属制造具有所需组成的复合材料，既费时又费钱。而且工艺上的局限性，如金属的互混溶体（即溶解度、熔点、反应性等等），也影响了具有特殊用途的材料性能的获得。

美国专利3，529，655（1970年9月22日授予G.D.Lawrence）是关于镁或镁合金与碳化硅晶须复合材料的制造工艺的。其特点是将内部装有碳化硅晶须的模型（该模型至少有一个敞口）浸没在熔融镁池中，使所有开口都低于熔融金属镁表面，保持一段时间使之填充完模型的剩余部分。该专利表明当熔融金属进入到模型中后会与其中的空气反应，产生少量的氧化镁和氮化镁，这样就会形成真空从而驱使另外的熔融金属进入到碳化硅晶须的空隙中。最后将填充满的模型从熔融镁池中取出使其中的金属镁固化。

美国专利3，364，976号（1968年1月23日授予John  N.Reding等）是关于在型体中产生自生真空从而加强熔融金属在型体中的渗透能力的方法的。其特点是把一个型体，如石墨模或钢模，也可以是多孔耐火材料，完全浸渍到熔融金属如镁、镁合金或铝合金中。模型的空隙中填有气体，如空气、它们可与熔融金属反应。模型至少有一个小孔，外面的熔融金属可通过此小孔进入到模型中去。当模型浸入到熔体中以后，孔隙中的气体会与烷融金属反应产生真空而使熔体填充到模型中去。注意，这种真空是金属形成固体氧化物所造成的。

美国专利3，396，777（1968年8月13日授予，John  N.Reding，Jr）涉及产生自生真空以加强熔融金属在填料中的渗透能力的。其特点是用一个一端开口的钢制或铁制容器，容器中装有粒状多孔固体，如焦碳或铁，开口一段用含有钻孔或穿孔的盖子盖住，这种钻孔或穿孔要比多孔固体填料的粒径小。容器内的多孔填料的孔隙中也含有气体，如空气，这些气体会与（至少是一部分与）熔融金属如镁、铝等反应。容器的盖在熔融金属表面以下有一段足够的距离以保证外面的气体不会进入到容器中，同时也要保持一段足够的时间使容器中的气体与熔化金属反应生成固态化合物。气体与熔融金属的反应会在容器与多孔固体中产生低压或相当程度的真空而促使熔化的金属不断流进容器中与多孔固体中。

Reding，Jr.的方法涉及欧洲专利公开号045，002，美国专利3，867，177号，3，529，655号以及3，364，976号，有关工艺在这里都已作了讨论。其特点是把装有填料的容器深深浸入到熔融金属池中，诱使空隙中的气体与熔融金属反应从而用熔融金属把空隙填满。这个专利的另一特点是，基体金属的熔化池表面在金属的熔化态可能会被与之接触的周围的空气氧化，因此把它用一层保护层或矿渣给覆盖住。在把容器放入熔融金属中之前把矿渣除去，但是绝不能把矿渣中的有害物质混入到熔融基体金属与/或容器与多孔固体材料中去，这些有害物质，即使非常少，也可能会影响到容器中真空的形成以及最后复合材料的物理性能。另外，当容器从熔融基体金属池中取出时，由于重力的作用会使过量的基体金属从容器中排出，使渗透体中的基体金属造成损失。

因此，长期以来一直希望用一种简单的方法来制造金属基复合材料，这种方法不需要外加压力或真空，不破坏湿润性，也不需要用熔融基体金属池，因为它们有如上所述的一些缺点。另外，还希望这种方法能减少后续机加工操作。本发明采用自生真空法使熔融的基体金属（如铝、镁、青铜、铜、铸铁等等）在一般大气压的反应性气氛（如空气、氮气、氧气等等）中渗透到某种材料（如陶瓷材料，这种材料可先制成预型）中去。

1988年1月11日Dwivedi等人提交的美国专利申请系列142，385号，题目是“金属基复合材料的制备方法”，提出了一种向装有填料的陶瓷基复合材料模型中渗透可渗透物质制造金属基复合材料的新颖方法，这个专利现已被批准。根据Dwivedi等人发明的方法，把一种熔融的先质金属或母体金属与氧化剂一起使之有控制地氧化制成一种模型，生长出一种多晶氧化反应产物，这种产物至少把一部分的含有适当填料（称作“第一种填料）的预型嵌在其中。然后再把所形成的陶瓷基复合材料模型装入第二种填料，第二种填料与模型一起与熔融金属接触，再把模型密封。最典型的是引入至少一种熔融金属或打开模型的密封。密封层可能含有夹杂的空气，但这种夹杂的空气与模型内的东西都是孤立的，或者说它们是被密封住的，所以它们与外部的或周围的空气并不接触。通过给予一定的封闭的环境，在适当的熔融金属的温度下，就可以使第二种填料有效地渗透。这种方法避免了使用湿润剂，不需要在熔融基体金属中加入合金的组分，不需要施加机械压力，不需要真空，也不需要特殊的气氛条件或其它一些渗透手段。

上面所讨论的已有的专利给出了一种制造金属基复合体的方法，这种复合体可以是陶瓷基复合体，也可以是另外的新型复合体。这篇专利申请的全部内容在这里全部用来作为参考。

在本发明中，用一种新颖的自生真空技术，把熔融的基体金属渗透到放置在不渗透的容器中的填料或预型可渗透物质中，制成了一种新型的金属基复合体。特别是，把熔融基体金属与反应性气体至少在整个工艺的某个环节中与可渗透的物质保持连通，通过反应性气体与基体金属与/或填料或预型与/或不可渗透的容器的接触，产生真空，导致熔融基体金属渗透到填料或预型中。

在第一个优选实施方案中，反应系统是由含有填料的不可渗渗的容器与熔融基体金属以及反应气氛所组成的，该反应系统再用密封材料密封避免与周围环境接触。这种反应气体会部分地或相当完全地与熔融基体金属与/或填料与/或不透容器反应生成反应产物，产生真空，驱使熔融金属至少部分地进入到填料中。这种反应气体与熔融基体金属和/或填料和/或不渗透容器的反应持续足够的时间，从而使熔融基体金属部分地或相当完全地渗透到填料或预型中。用于密封反应系统的外在密封材料根据基体金属的不同，其组成有所区别。

在另一个优选实施方案中，基体金属也可以与周围的气氛反应形成内在化学密封层，它与基体金属的成份不同，可以把反应体系与周围气氛分离开来。

在本发明的另一个实施方案中，可以不用外加密封手段来隔离反应体系，而是通过基体金属对不渗透容器的湿润而形成一层内在物理封蔽层，从而把反应体系与周围气氛分隔开来。而且，还可以把合金添加剂加入到基体金属中以促进基体金属对不渗透容器的湿润，最终把反应体系与周围气氛分隔开来。

在另一个优选实施方案中，填料至少可以部分地与反应气体反应，产生真空，从而驱使熔融的基体金属进入到填料或预型中。而且可以在填料中加入添加剂，使之部分地或相当完全地与反应气体反应产生真空，并能提高最终复合体的性能。更进一步的说，除了填料与基体金属外，不渗透容器至少可部分地与反应气体反应产生真空。

说明书和权利要求书中所用术语定义如下：

“合金面”是指在熔融金属渗透到填料和预型中去之前，金属基复合材料最初与熔融基体金属接触的一面。

“铝”是指（包括）纯金属（如相对纯的，市场上可得到的未合金化的铝）或其它级别的金属与金属合金，如市场上可得到的具有杂质与/或合金组分（如铁、硅、铜、镁、锰、铬、锌等）的金属。所定义的铝合金是指铝作为主成份的金属互化物。

“周围（环境）气氛”是指填料或预型与不透容器以外的气氛。其组成可以与反应气体基体一致，也可以不同。

“阻挡”或“阻挡层”是与金属基复合体相连接的部分，它是指熔融基体金属表面影响，阻止或终止它向填料或预型中移动、运动等的一层适当的物质。适当的阻挡层可以是各种材料、化合物、元素、复合材料等等，在工艺条件下，它可保持一定的完整性而不会大量地挥发（即阻挡材料不会挥发到不能起阻挡作用的程度）。

另外，适当的“阻挡层”包括在工艺条件下可被移动的熔融基体金属湿润的材料，也包括不能被湿润的材料，只要阻挡层的湿润不会在阻挡材料的表面大量进行（即表面湿润）。这种阻挡层可以对熔融基体金属的亲合性很小或完全没有亲合性，熔融基体金属在限定的填料或预型表面上的运动也被阻挡层所阻止了。阻挡层至少可以部分地减少最终金属基复合材料产品所需要的机加工与磨削加工。

“青铜”是指（包括）富铜的合金，其中可能含有铁、锡、锌、铝、硅、铍、镁和/或铅。特殊的青铜合金中，铜的重量百分比约为90%。硅约为6%，铁约3%。

“残余”或“基体金属残余”是指金属基复合体的形成过程中没有被消耗而剩下的基体金属，在典型情况下，如果冷却下来，残余至少有一部分会与所形成的金属基复合体接触。必须明白的是可能包含第二种或外来的金属。

“铸铁”是指整个铸铁合金系，其中碳的重量百分含量至少为2%。

“铜”是指商品级的相当纯的铜，如重量比为99%的含有其它不同杂质的铜。另外它还指主成份是铜的合金或金属互化物。只要它不属于青铜的范围。

“填料”可以是单一成份，也可是多成份的混合物，它们不会与熔融基休金属反应，在熔融基体金属中的溶解度也有限，可以是单相，也可以是多相。填料的形态可大不相同，可以是粉末，鳞片，片晶，微球，晶须，球泡等等，可以是致密的，也可以是多孔的。“填料”也可包括陶瓷填料，如制成纤维、碎段纤维、颗粒、晶须、球泡、球状、纤维毡等形式的氧化铝或碳化硅，也可包括具有陶瓷涂层的填料，如用氧化铝或碳化硅涂覆的碳纤维。这样可保护碳不受侵袭。例如，熔融的铝基体金属的侵袭。填料还包括金属。

“不（渗）容器”是指在工艺条件下用来装盛反应气体与填料（或预型）和/或熔融基体金属和/或密封层的容器。容器的密实性必须很好，不能使气体或蒸气渗透过去。这样就有可能形成反应气氛与环境气氛的气压差。

“基体金属”或“基体金属合金”是指用于制造金属基复合材料的金属（即渗透后的金属）与/或与填料互相混合形成金属基复合体的金属（即渗透后的金属）。如果指定一种金属为基体金属，应该把它理解为可以是有一定纯度的金属，也可以是商业上可得到的含有杂杂和/或合金成份的金属，还可以是金属互化物或以该金属为主导成份的合金。

“金属基复合材料（或复合体”或“MMC”是指嵌有预型或填料的合金或基体金属，这些合金或基体金属是二维或三维连通的。基体金属可能包括各种各样的合金元素，以获得必需的机械性能与物理性能。

某种“不同于”基体金属的金属是指该金属的主要成份与基体金属不同（例如，如果基体金属的主成份是铝，那么“不同”的金属的主要成份就可能是镍）。

“预型”或“可渗透的预型”是指多孔质的填料，它至少有一个表面层是加工过的，作为基体金属渗透的界面层。这种材料具有一定的形状完整性与坯体强度，因此在基体金属开始渗透之前不需要任何外力就可保持其尺度的精确性。这种预型必须有足够的孔洞以保证基体金属能够渗透。典型的预型都是由排列好的填料所组成的，其排列可以是均匀的，也可以是不均匀的。它可能含有特定的材料（如陶瓷与/或金属颗粒、粉末、纤维、晶须等以及它们的组合）。预型可以是单个存在的，也可以以组合形式存在。

“反应体系”是能够形成自生真空使熔融基体金属渗透到填料或预型中去的所有材料的组合。它至少应包括装有可渗透的填料或预型的容器，反应性气氛及基体金属。

“反应（性）气氛”是指可以与基体金属和/或填料（或预型）和/或不透容器反应而形成自生真空的气氛。它所产生的自生真空能使熔融的基体金属渗透到填料或预型中去。

“储存器”是位于与填料或预型相对的位置而与基体金属分离的部分。当金属熔化时，它可以流动以补充与填料或预型相接触的基体金属。这种补充在某种情况下从一开始就逐步进行了。

“密封”或“密封层”是指在工艺条件下不能使气体透过的一层物质，它可以是独立形成的（如外加密封）或由于反应体系所形成的（内部封密），它把环境气氛与反应气氛分离开来。密封或密封层的组成可能与基体金属不同。

“密封促进体”是指可以通过促进基体金属与环境气氛和/或不透容器和/或填料或预型反应以形成密封层的材料。这种材料可加到基体金属中，而基体金属中的密封促进体的存在又可提高生成复合体的性能。

“湿润增强剂”是指加到基体金属与/或填料或预型中，可以增强基体金属对填料或预型的湿润（如减少基体金属的表面张力）的材料。湿润增强剂还可通过提高基体金属与填料之间的结合力来提高生成金属基复合体的性能。

下面的一些图可以帮助理解本发明，但它并没有限制本发明的范围。在每个图中都尽可能地用类似的参数算出同样的组元，其中

图1A是根据本发明的方法做画出的典型的装置的横断面图，它使用的是外部密封层。

图1B是与之比较的装置的截面图;

图2是应用于标准装置的本发明方法的一个简化流程图;

图3A是根据图1A所制出的产品的照片;

图3B是根据图1B所制出的产品的照片;

图4A是根据图1A所制成的青铜金属基复合材料的照片;

图4B是根据图1B所制出的青铜金属基复合材料的照片;

图5是用于制造p样品的装置的断面图;

图6是用于制造U样品的装置的断面图;

图7是根据例3所得到的样品的一组照片;

图8是根据例6得到的样品的一组照片;

图9是根据例7得到的样品的一组照片;

图10是根据例8所得到的样品的一组照片;

图11是根据例9所得到的样品的一组照片;

图12A和12B是根据10所用的装置的断面图;

图13是AK样品和AL样品的真空度随时间的变化曲线;

图14A和14B分别是AK样品和AL样品的产品照片;

图15是例14的真空度随时间的变化曲线;

图16是例18中制造AU样品所用装置的断面图。

图1A是根据本发明用自生真空技术制造金属基复合材料的典型的装置（30）。特别是，把填料或预型（31）（它可以是各种材料制成的，这将在下面详细讨论）放置在可以容纳熔融基体金属（33）和反应气氛的不透气的容器（32）中。例如，填料（31）可能与反应气氛（例如，存在于填料或预型的气孔中的气氛）接触相当长的时间，使反应性气氛部分地或相当完全地渗透到位于不透气容器（32）中的填料中。基体金属（33）（熔化的或固态的）与填料（31）相接触。在下面对优选实施方案的详细描述中会看到，外加密封层（34）可存在于基体金属（33）的表面，从而把反应气氛与周围气氛（37）隔离开来。无论是外部的还是内部的密封层，在室温下可能起到密封的效果，也可能起不到，但是在工艺条件下则必须起到密封作用（如在基体金属的熔化温度以上）。把装置（30）放到炉中，炉子可以保持室温，也可预先加热到工艺温度。在工艺条件下，炉温必须在基体金属的熔化温度以上。这样才能使熔化的基体金属在自生真空的作用下渗透到填料或预型中去。

图2给出了采用本发明工艺所需要的工艺步骤简化流程。第（1）步，必须制造或得到一定性能的不透气容器（这些性能要求将在下面详细说明）。例如，一个简单的顶端敞开口钢制（如不锈钢）园柱即是一个合适的模型。把钢制容器与GRAFOIL 石墨带（GRAFOIL

是联合碳化物公司的注册商标）任意地放置在一起来促进在容器中形成的金属基复合体的排出。在下面会更详细地讲解，其它一些材料，如涂在容器内部的B₂O₃粉末，加到基体金属中去的锡，也都可能会有助于容器或模型中形成的金属基复合体的排出。在容器内装入一定量的合适的填料或预型，然后再在上面用一层GRAFOIL 石墨带随意地盖上，至少要盖上一部分。这一层石墨带有助于金属基复合材料从渗流后留下的基体金属的残余中分离开来。

把一定量的熔融基体金属如铝、青铜、铜、铸铁、镁等注入到容器中，容器可能是室温的也可能被预先加热到一合适温度。基体金属也可以是固体铸铁，然后再加热使之熔化。从一组外部密封层与内部密封层中选出一种合适的来使之形成有效的密封（这在下面将更详细地讨论）。例如，要形成一种外部密封，就可以把这种外部密封料如玻璃（如B₂O₃）料加入到容器中的熔融基体金属属的表面。待玻璃料熔化后就会覆盖池的表面，但正如下面所要详细描述的那样，不需要完全覆盖。将熔融基体金属或预型接触，并通过外加密封层把基体金属与/或填料与周围气氛隔开。如果需要的话，可把容器放在一合适的炉子中，炉子可预先加热到工艺温度，保温适当的时间使之产生渗流。炉子的工艺温度可以随基体金属不同（如，一些铝合金的温度为950℃，而一些青铜合金的温度为1100℃较为合适）。适当的工艺温度在相当程度上取决于基体金属的熔点以及其它一些特性，另外还与反应体系中各组元的特殊性能与密封料有关。在炉温下保温一段时间后就会在填料或预型中产生真空（下面将更详细地讨论），而使熔融基体金属可渗流到填料或预型中。然后把容器从炉中取出，使之冷却，如放在一个冷却平台上使基体金属定向固化。然后就可把金属基复合材料用各种方便的方法从容器中取出，如果还有基体金属残余的话，再将之分开。

上面对图1和图2的描述简单地强调了本发明的显著特点，这在后面可以看出。对工艺中每一步骤及本工艺中所用材料特性的进一步描述将在下面给出。

不需要什么特殊的理论或解释，人们就能理解，当某一种适当的基体金属（一般是在熔化态）在不透气的、含有反应气氛的容器中与一定的填料或预型相接触时，在反应性气氛和熔融基体金属与/或填料或预型与/或不透气容器之间就会发生反应而产生反应产物（可以是固态的，也可以是液态的或蒸汽状态的），这些产物所占有的体积要较原来的反应物所占的体积小。当反应气氛与周围气氛被分隔开时，就可能在可透气的填料或预型中产生真空而驱使熔融基体金属进入到填料的空隙之中。另外，真空的产生还可能促进湿润，反应气体与熔融基体金属和/或填料或预型和/或不透气容器之间的进一步反应可以使基体金属随着真空的不断产生而不断渗流到填料或预型中。反应可以继续进行一段时间，以使熔融的基体金属能部分地或相当完全地渗流到填料或预型中，填料或预型必须有中够的透气性使反应性气氛能至少部分地渗入到填料或预型中。

本申请讨论了金属基复合材料的形成的某个阶段，与反应性气氛的接触的各种基体金属。对一些特殊的能产生自生真空的基体金属/反应性气氛的组合体系进行了一些说明。尤其是对铝/空气体系;铝/氧气体系，铝/氮气系统，青铜/空气系统，青铜/氮气，铜/空气，铜/氮气以及铸铁/空气等系统所产生的自生真空的性能作了说明。然而，必须明白，其它一些基体金属/反应性气氛体系的特性与上述一些特殊的体系的特性基本相似。

要使本发明中的自生真空技术实用化，必须把反应气氛与周围的气氛分隔开来，这样才能在渗流过程中所降低了的反应性气氛的压力不至于受到从周围气氛中传入的气体的严重影响。本发明中所用的不透气容气的尺寸、形状可以是任意的，其成份是否与基体金属和/或反应气氛反应也没有要求，但是在工艺条件下必须保证不能让周围气体渗入。重要的是，这种不透气容器的材料可以是任意的（如陶瓷、金属、玻璃、高分子材料等等），只要它们能在工艺条件下保持其形状与尺寸，并且不让周围的气体从容器壁上渗入。使用气密性相当好的容器，使气体不能通过容器壁渗入，就可能在容器中形成自生真空。另外，根据所使用的反应体系的性质，如果不透容器至少能部分地与反应气氛和/或基体金属和/或填料反应的话，则有可能在容器内产生或有助于产生自生真空。

不透气容器的性质与气孔、裂纹或还原性的氧化物无关，但它们影响到自生真空的产生与保持。因此不难理解可用多种材料来制成不透气容器。例如，铸造成型的氧化铝或碳化硅就可以象在基体金属中溶解度很小的金属（如不锈钢，它在铝、铜及青铜等基体金属中的溶解度就很小）一样作为容器材料。

另外，其它一些不合适的材料如多孔材料（象陶瓷体）也可通过适当的涂层来提高不透气性。这些不透气的涂层可以是各种釉料和凝胶，它们可用来把这些多孔材料粘结在一起并把气孔封住。而且某种合适的涂层在工艺温度下也可以是液态，只要在这种情况下涂料足够稳定，可以在自生真空中保持不透性即可，例如可通过在容器或填料或预型上的粘性流来做到这一点。这些合适的涂层材料包括玻璃态材料（如B₂O₃），氯化物，碳酸盐等等，只需填充材料或预型中的气孔尺寸足够小，使涂料能有效地堵住气孔而形成不透气的涂层。

本发明中所用的基体金属可以是各种金属，只要它们在工艺条件下熔化时，可通过填料中所产生的自生真空渗流到填料或预型中去。例如，一些金属在工艺条件下，它们或其中一些成份能部分地或相当完全地与反应气氛反应，由于（至少是部分地）自生真空的产生而使熔融的基体金属渗流到填料或预型中去，这些金属即可作为基体金属。而且根据所用体系的不同，基体金属可以不与反应性气氛反应，真空可由反应性气氛与体系中的其它组成反应而形成，这样也可以使基体金属渗流到填料中去。

在优选实施方案中，基体金属可以是与湿润增进剂组成的合金，从而可使它的润湿能力有所提高，这样还有助于形成基体金属与填料之间的结合力，减少所生成的金属基复合材料中的气孔率，减少完成渗流过程所需要的时间等等。另外，含有湿润增进剂的材料还可以作为密封促进剂，这在下面会讲到，它有助于将反应性气氛与周围的气氛分隔开。而且在另外一些具体装置中，湿润增进剂还可以直接加入到填料中去，而不是与基体金属制成合金。

因此，基体金属对填料的湿润可以提高所生成的复合体的性能（如抗张强度，抗腐蚀性等等），另外，熔融基体金属对填料的湿润可以使填料在金属基复合材料中均匀分散，并且改善基体金属与填料的结合性能。对铝基体金属有效的湿润增强剂有镁、铋、铅、锡等等，而对青铜和铜则有硒、碲、硫等等。而且，正如上面所讨论的那样，至少有一种湿润增强剂可加入到基体金属与/或填充材料中去赋予所形成的金属基复合体所必要的性能。

除此之外，还可以使用一个基体金属的储存器以保证基体金属向填料中的渗流的完成或提供一种与第一种金属成份不同的金属，尤其在某种情况下需要储存器中的基体金属的成份与第一种基体金属源的成份不同。例如，如果铝合金是第一种基体金属的话，事实上任何其它金属或金属合金都可以是储存器中的金属，只要在工艺温度下它是处于熔融态的。熔融金属经常是彼此互溶的，这样就使得储存器中的金属能与第一种金属源相混合（如果给予足够的时间的话）。因此，使用与第一种基体金属源成份不同的储存金属，就可以获得具有不同性能的基体金属以满足各种操作要求，从而也就可以获得所需要的金属基复合体的性能。

所设计的反应体系的温度（如操作温度）可以随所使用的基体金属，填料或预型;反应性气氛而变。例如，对于基体金属铝，其自生真空至少在700℃才能逐渐产生，而到850℃以上才比较有利。超过1000℃是不必要的，最有效的温度范围是850-1000℃。对于青铜或铜基金属，1050-1125℃最好，而对铸铁，1250-1400℃最合适。一般来说，所采用的温度应在基体金属的熔点以上，气化点以下。

可以通过控制复合体的形成过程中金属基体的成份与/或微观结构来获得所必要的产品性能。例如，对于一给定的体系，可以通过工艺条件的选择来控制诸如金属互化物、氧化物、氮化物等的形成。另外，除了可控制复合体的组成以外，其它一些物理性能如气孔率等等，也可通过控制金属基复合体的冷却速率来调节。在一些情况下，希望金属基复合材料能定向固化，这可通过把装有合成好的金属基复合材料的容器放置到冷却板上和/或有选择性地在容器内放置绝缘材料。金属基复合材料的其它性能（如抗张强度）可以用热处理的方法来控制（例如，标准的热处理主要是对基体金属单独的热处理，也可以是经过部分或大量调节过的热处理）。

在本发明方法所采用的条件下，填料或预型必须有足够的透气性，能使反应性气体在反应气氛与周围气氛分隔开来之前的某些阶段，穿透或渗透到填料或预型中去。在下面的例子中，在疏松的尺寸大约为54到220号粒度的颗粒中含有足够多的反应气体。加入这样的填料，反应性气体就可部分地或相当完全地与熔融基体金属和/或填料和/或不透气容器反应，导致真空的产生而促使熔融基体金属进入到填料中。另外，反应性气氛在填料中的分布不必要十分均匀，但是反应气氛的均匀分布有助于理想的金属基复合体的形成。

本发明中的金属基复合材料的合成方法可应用于多种填料中，材料的选择主要取决于以下因素，如基体金属，工艺条件，熔融基体金属与反应性气体的反应能力，填料与反应性气体的反应能力，熔融基体金属与不透气容器的反应能力，以及所希望得到的复合产品的性能。例如，当基体金属含有铝时，合适的填料包括（a）氧化物（如氧化铝）;（b）碳化物（如碳化硅）;（c）氮化物（如氮化钛）。如果填料不利于与熔融基体金属反应，那么这种反应就可用减少渗流时间、降低渗流温度或在填料中加入反应性涂层来调节。填料可以组成基片，如碳或其它的非陶瓷材料，再加上一层陶瓷涂料以保护基片不受侵害或恶化。适当的陶瓷涂料包括氧化物，碳化物和氮化物。本方法中最希望用的陶瓷包括颗粒状、片状、晶须和纤维状的氧化铝和碳化硅。纤维可以是不连续的（碎段状的）或连续的细丝，如多丝纤维束。另外，填料或预型的成份与/或开关也可以是均匀的或不均匀的。

填料的形状与尺寸可以是任意的，它们可根据所希望得到的复合材料的性能而定。因此，由于渗流不受填料的形状的限制，因此材料的形状就可以是粒状的，晶须，片状或纤维状，其它形状如球状，管状，丸状，耐火纤维布，以及其余类似的形状都可采用。另外，材料的开关并不影响渗流，尽管对于颗粒小的材料需要更高的温度和更长的时间才能完成渗流过程。在大多数情况下，填料的平均尺寸在略小于24号粒度至约500号粒度的范围内最好。而且，通过调节填料或预型的渗透体的尺寸（如粒径）可以获得所希望的金属基复合材料的物理与/或机械性能以满足各种工业应用。再者，把含有不同粒径的填料相混合，可以获得堆积密度更高的填充材料的复合体。如果需要的话，还可以在渗流过程中对填料进行搅动（如晃动容器）或在渗流之前把粉末状的粘结金属与填料相混合，以得到颗粒承载更低的复合体。

本发明中所使用的反应性气体可以是任何气体，它们至少能部分地或相当完全地与熔融基体金属和/或填料和/或不透容器反应，生成的反应产物所占的体积要比反应前气体与/或其它反应物所占的体积小。特别是，当反应性气体与熔融基体金属和/或填料和/或不透容器接触时，可以与反应体系中的一个或几个组元反应生成固相、液相或汽相的产物，这些产物所占体积要小于单个组元所占体积的总和，这样就产生了空隙或真空从而有助于熔融基体金属进入到填料或预型中去。反应性气体与基体金属和/或填料和/或不透容器中的一种或几种之间的反应，可以持续一足够的时间，可以使基体金属至少部分地或相当完全地渗流到填料中去。例如，当用空气作为反应性气体时，基体金属（如铝）与空气之间的反应就会导致反应产物（如氧化铝与/或氮化铝）的产生。在工艺条件下，反应产物所占的体积要比所反应的熔融铝与空气的总体积要小，结果就形成真空，从而导致熔融基体金属向填料或预型中渗流。根据所选用的体系，填料与/或不透容器也可跟反应气体发生类似的反应，产生真空，从而有助于熔融基体金属向填料中的渗流。自生真空反应可持续一段足够的时间而导致金属基复合体的形成。

另外，已经发现必须用密封层或密封烙以阻止或限制气体从环境中流入到填料或预型中（即阻止周围气体流入反应性气体），参看图1A，不透容器（32）和填料（31）中的反应性气体必须与周围的气体（37）分隔得很好，这样就可使反应性气体与熔融基体金属（33）和/或填料或预型（33）和/或不透容器（32）之间的反应得以进行，并在反应性气氛与环境气氛之间形成并维持一个压力差，直到完成所希望的渗流过程。可以理解的是，反应性气体与周围气体之间的隔离并不要求特别好，只要足够形成一个净压力差（例如，只要从周围气体中向反应气体中的流速低于补充反应掉的气体所需要的量，这种流动就是允许的）。正如上面所描述的，环境气氛与反应气氛的隔离部分由容器（32）的不透气率所决定。由于大多数的基体金属对于周围气体来说其渗透率也相当低，因此有一部分隔离是通过熔融基体金属池（33）来实现的。但是必须注意到，在不透容器（32）与周围气氛及反应气氛的界面上存在一个泄漏通道，因此密封必须足以禁止或阻止这种泄漏。

适当的密封或密封手段可分为机械的、物理的或化学的这三类，每一类又可以再分为外部的或内部的两种。外部的密封是指这种密封作用与熔融基体金属无关，或者是附加于由熔融基体金属所提供的密封作用之上的（例如，由加到反应体系的其它组元之上的材料所产生的作用），内部密封则是指密封作用毫无例外的由基体金属的一种或几种特性所产生的（例如由基体金属与不透容器的湿润能力所产生的）。内部的机械密封可以用足够深的熔融基体金属池或把填料或预型浸没在熔融基体金属中这样的简单的方法来实现，在上面所引述的Reding等人的专利以及其它一些相关的专利中就是采用的这种方法。

然而，已经发现Reding，Jr等人提出的内部机械密封法对于大量的情况是无效的，它们需要大量过量的熔融基体金属。根据我们的发明，外部密封及内部物理及化学密封可以克服内部机械密封的缺陷。在一个外部密封的具体装置中，密封料可以从外部以固体或液体的形式加入到基体金属表面，在工艺条件下，它们可以与基体金属不发生反应。已经证明这种外部密封阻止了，或者说至少相当程度上制止了周围气氛中的汽相成份流入到反应气氛中。用作外部物理密封的材料可以是固态，也可以是液态，它包括玻璃（如硼玻璃或硅玻璃，B₂O₃，熔融氧化物等等）或其它一些在工艺条件下可在相当程度上阻止周围气体流入到反应气体中去的材料。

外部机械密封可通过把不透容器与基体金属池接触的表面事先光滑或刨光的方法来实现，这样可以在相当程度上禁止周围气体与反应气体之间的流动。象B₂O₃这样的釉或涂料也可加入到容器中以增强不透气性而形成适当的密封。

外部化学密封可通过把能与如不透容器反应的材料放于熔融基体金属表面来实现。反应产物可以是金属互化物，氧化物，碳化物等等。

在优选的内部物理密封的具体实施方案中，基体金属可以与周围气体反应形成与基体金属成份不同的密封或密封料，例如，由基体金属与周围气氛反应的产物（如Al-Mg合金与空气反应生成的MgO或镁铝尖晶石MgAl₂O₄，或青铜合金与空气反应生成的氧化铜）可以把反应气氛与周围气氛分隔开。另外一个内部密封的具体实施方案中，可把密封促进剂加入到基体金属中，促进基体金属与周围气氛的反应而增强密封效果（例如，在铝金属中加入镁、铋、铅等，在铜或青铜中加入硒、碲、硫等）。在形成内部化学密封时，基体金属可以与不透容器反应（例如，容器或其涂料的部分分解，或反应产物或金属互化物的形成等等），这样可以把填料与周围气体分隔开来。

另外，还应懂得密封必须能适应反应体系的体积变化（膨胀或收缩）或其它一样变化而不让周围气体流入到填料（如反应气体）中去。特别是当熔融基体金属向填料或预型的可渗透部分渗流时，容器中熔融金属的深度会减小。在这种体系中的密封料必须有足够的柔性，当容器中熔融基体金属的水平向下降时也能阻止气体从周围气氛中流入填料中去。

在本发明中还用到了阻挡手段。特别是，本发明中所用的阻挡手段可以是任何能干扰、禁止、防止或终止熔融金属在所限制填充材料的表面层之外运动、移动等等的一切手段。适当的阻挡层可以是各种材料，化合物，元素，组合物等等。在本发明所采用的工艺条件下能保持一定的结构完整性，不挥发，并且能在局部禁止或停止或干扰或阻止在限定的填料表面之外的继续渗流或任何其它运动。阻挡层可用在自生真空渗透的过程中，也可用在用与自生真空技术相关的制造金属基复合物的不透气容器中，这在下面将作更详细的讨论。

适当的阻当层包括在所采用的工艺条件下可被或不被移动的熔融基体金属湿润的材料，只要阻挡层的湿润不在阻挡材料的表面（即湿润表面）之外大面积地发生。这种阻挡层似乎对熔融的基体合金的亲合能很小，或没有亲合力，在所限定的填料或预型的表面层外的运动也就被阻挡层止住了。阻挡层减少了金属基复合材料产品的最终机加工或磨削加工。

对铝基体金属特别有效的阻挡层材料是含碳，尤其是碳的多晶态同素异形体-石墨。在以后描述的工艺条件下，石墨基本不被熔融的铝合金所湿润。最好的石墨是GRAFOIL 的石墨带产品，它具有能阻止熔融的铝合金在限定的填料的表面之外流动的特性。这种石墨带还可抗热，基本上是化学惰性的。GRAFOIL

石墨带是柔软的，协调的，有弹性的，可以制成各种形状，适合作多种阻挡层材料。石墨阻挡层还可以制成浆状、糊状甚至印刷膜状而用于填料或预型表面。GRAFOIL

带是柔软的片状，石墨，因此它是最好的。这种纸似的石墨片的一种用法是把它们裹在填料或预型上，这样填料或预型就只被GRAFOIL

阻挡层内的基体金属所渗入了。这种石墨片还可制成所希望得到的金属基复合体的复型，再在复型内装入填料。

另外，其它一些磨细粒状材料，如500号粒度的氧化铝，也可用作阻挡层材料，在一些情况下，只要粒状阻挡层材料的渗透速率比填料小即可。

阻挡层可用各种方法设置，如在所限定的表面层上覆盖上一层阻挡材料。这层阻挡材料可用涂覆、浸渍、印刷、蒸发、或加上液态、浆状、糊状阻挡材料，或喷涂上可蒸发的阻挡材料，或简单地沉积上一层固态粒状阻挡材料，或施加一层固体薄片或薄膜状阻挡材料等方法来实现。有了阻挡层，当渗透的基体金属到达与阻挡层相接触的限定表面时，渗透就基本上被终止了。

本发明中的制造金属基复合材料的自生真空技术，结合阻挡层的使用，与原有工艺相比有许多重要的优点。尤其是，采用本发明的方法，不需要昂贵的和复杂的工艺过程即可生产金属基复合材料。本发明的一个方面是不透容器，它可从市场上得到，也可根据特殊要求来制造，可以容纳所希望的形状的填料或预型，反应气体以及用于阻止金属基复合材料在所形成的复合体的表面之外的渗流的阻挡材料。通过反应气体与基体金属（可注入到不透容器中）和/或填料在工艺条件下的接触，可以产生自生真空，从而使熔融基体金属进入到填料中去。这种方法避免了复杂工艺的使用，例如，形状复杂的模型的机加工，熔融金属池的保持，从形状复杂的模型中取出产品等等。另外，由于容器基本稳定，不需要浸没到熔融金属池中，因此熔融基体金属所引起的填料的位移也就大大减小了。

本发明的各种详细说明包含在后面的例子中。但是这些例子应看作是解释性的，而不是象权利要求书那样是对本发明保护范围的限制。

例1

本例阐明了在制造铝金属基复合材料时使用外部密封的可行性与重要性，它用了两种类似的组合体。其中一个区别就是一种组合体使用了形成外部密封的材料，而另一种组合体则没有使用形成外部密封的材料。

图1A和1B是例1中所使用的两种实验组合体的断面图，它表明除图1A中运用了外部密封材料（34）之外，两图是完全一样的。在图1A和1B中，两个不透气容器都是用16号304型AISI不锈钢（厚1.6mm）制成的，内径约为2  3/8英寸（60mm），高约2  1/2英寸（64mm）。每个容器都是用内径约2  3/8英寸（60mm），长约2  1/2英寸（64mm）的16号不锈钢管（厚1.6mm）（35）与16号不锈钢板（厚1.6mm）（36）焊接而成的。每个不透容器中都装有约150克的填料（31），这些填料是由Norton公司生产的90号粒度的氧化铝38Alundum所组成的。在室温下，向每个容器中注入大约575克的由标号为170.1的铝合金商品组成的熔融基体金属（33），而把填料（31）覆盖上。熔融基体金属的温度约900℃。在图1A所示的组合体中，把熔融基体金属用密封材料（34）盖上。特别的是，向熔融基体金属中加入了20克Seabrook，NH的Aesar公司的B₂O₃粉末。然后把容器分别放到预先加热到约900℃的箱式空气电阻炉中，大约15分钟后，B₂O₃材料（34）就基本完全熔化而形成一玻璃层，另外B₂O₃中所含的水分也基本完全汽化，从而形成一不透气的密封层。把图1A和1B所示的组合体在约900℃的温度的炉中再保持2小时，然后从炉中取出。把容器（32）中的底板直接放到用水冷却的冷却钢板上，使基体金属定向固化。

把组合体冷却到室温，然后剖开，看看基体金属（33）是否已渗入到填料（31）中而形成了金属基复合材料。用了密封材料（34）的图1A所示的组合体中形成了金属基复合材料，而没有用密封材料（34）的组合体则没有形成金属基复合材料。图3A是图1A组合体所制得的产品的照片，而图3B则是图1B装置所制得产品的照片。图3A表明制成了铝基复合体（40），而只有很少的基体金属残渣还粘在上面。另外，图3B表明没有能制得金属基复合体。特别是图3B还表明在图1B中填料的孔洞处还存在着空洞，当容器被剖开时，由于填料没能被基体金属（33）渗入，因此填料（31）会掉出容器（32）。

例2

本例说明了用外部密封促进青铜基复合材料的形成的可行性与重要性。实验过程与组合体基本上是例1的重复，只是基体金属是由约93%的Cu，约6%的Si和1%的Fe（重量比）组成的青铜合金。填料（31）的成份与含量基本与例1相同，而且不锈钢容器（32）和B₂O₃密封材料（34）也基本与例1一致。先把青铜基体材料加热到约1025℃使之熔化。然后再注入到室温下的容器（32）中，把装好材料的不锈钢容器与例1中相同的箱式空气电阻炉中（炉子被预先加热到1025℃）。在20分钟内把炉温提高到1100℃，使B₂O₃在这段时间内基本熔化，排去气体，而形成气体紧密封。然后把两种组合体都在1100℃再保温大约2小时，再从炉中取出，把容器（32）的底板（36）直接放到用水冷却的冷却铜板上使基体金属定向固化。

把组合体冷却到室温然后剖开，看看青铜基体金属（33）是否已渗入到填料（31）中而形成了金属基复合材料。所观察的结果与例1相似，使用了B₂O₃密封材料的组合体制成了青铜金属基复合材料，而没有B₂O₃密封材料（34）的容器则没能产生金属基复合材料。图4A是用图1A所示组合体所制成的青铜金属基复合材料，而从图4B中则可看到在图1B组合体中观察到有孔洞的填料中还有空洞（43）。与例1相似，当容器（32）被剖开时，没被渗透的填充金属也会掉出容器（32）外。

例3

本例说明了使用能有助于铝金属基复合材料的形成的不透气容器的重要性。它把1种可透气的容器与4种不可透气的容器进行了比较。4种不透气容器是16号304型AISI不锈钢容器，可以买到的上了釉的咖啡杯，在内侧表面涂有一层B₂O₃的16号304型AISI不锈钢容器和上了釉的氧化铝容器。可透气的容器是多孔的粘土制坩锅。表1给出了有关的实验参数。

样品A

在内径约2 3/8英寸（60mm），高约2 1/2英寸（64mm）的304型不锈钢容器内，装入重约150克的Norton公司产的90目38 Alundum，基体金属铝，其成份（重量比）为7.5-9.5%的Si，3.0-4.0%的Cu，＜2.9%的Zn，2.2-2.3%的镁，＜1.5%的Fe，＜0.5的Mn，＜0.35的Sn，其余的是铝。把它们从900℃箱式空气电阻炉中倒入不锈钢容器内，再把Aesar公司的B₂O₃粉末盖到熔融的铝表面，整个组合体与图1A中一样。把由容器及其内部材料所组成的实验组合体放到900℃的箱式炉中，在这个温度下，大约15分钟后，B₂O₃粉末基本熔化，并排出其中的气体，在基体金属铝表面形成一层不透气的密封层，再把组合体保温15小时，然后从炉中取出，放到用水冷却的冷却铜板上，使基体金属定向固化。

样品B

把样品A的制成过程中容器（32）（参见图1A）换成上了釉的咖啡杯即可，其它步骤一样。

样品C

把内径约1.7英寸（43mm），高约2.5英寸（64mm）的16号（厚1.6mm）的304型AISI不锈钢制不透气容器内部，涂上一层Johnson  Matthey在Seabrook，NH的Aesar公司生产的B₂O₃粉末。特别是在容器内放上1/2英寸（13mm）高的B₂O₃。把容器放到1000℃的箱式空气电阻炉中，保证足够的时间使B₂O₃基本熔化，并排出其中气体。等B₂O₃熔化后移出炉外，旋转以使熔融的B₂O₃在几乎整个不锈钢容器内部流动，使表面几乎全部被涂上一层。把容器的内表面基本上全部涂上涂层后，在容器内放入由Norton公司生产的54号粒度SiC 39 Crystolon组成的填料，使之达到约3/4英寸（19mm）高。把由工业纯的铝金属和标号为1100的合金组成的熔融基体金属注入到容器中，使之没过填料，深3/4英寸（19mm），把用B₂O₃涂覆的容器及其内部的物料一起放到1000℃的箱式空气电阻炉中，保温15分钟。在熔融基体金属的表面放上重约20克的B₂O₃粉末，15分钟后，这些粉末基本熔化，并排出其中的气体，形成密封层。把组合体在炉中再保温1小时，然后从炉中取出，冷却到室温，使之固化。

样品D

制成一个高约6英寸（152mm），外径约2英寸（51mm）的园柱形不透容器。特别是先用粉浆浇铸法制成一坯体，坯体组成是82%（重量比）的Al₂O₃（从宾夕法尼亚州匹兹堡的Alcoa得到的A1-7），约1%的“Darvan 821A”（由R.T.Vanderbilt和康涅狄格州Norwalk公司提供）和约14.8%的蒸馏水。坯料是球磨而成的，把各组成按比例放入5加仑（18.9升）的nalgene罐中（其中装有约1/4体积的氧化铝磨球），球磨2小时即可。

把浇铸成的园柱容器在室温下干燥一天，再以约200℃/小时的速度加热到1400℃，保温2小时，然后再冷却至室温。将经过素烧的园柱容器的外表面浸涂上一层60%（重量比）的FL-79玻璃料（由俄亥俄州Carroliton的熔融陶瓷公司提供）和乙醇的混合物。再把涂有玻璃料的园柱容器以200℃/小时的速率加热到1000℃，使Al₂O₃园柱容器上形成一层釉而变得不透气。冷却后，在上了釉的容器内放入90号粒度的39Crystolon SiC。把这种组合体放到炉中，以200℃/小时的速度加热到950℃，在炉中，把成份为约10%（重量比）的Mg，10%的Si和80%Al的熔化的基体金属倒入到容器内，再在熔化的基体金属表面放上粉末状的B₂O₃，在950℃保温大约1小时后，将炉子冷却到850℃，把容器从炉中取出，降温使之固化。在冷却过程中，上有釉的氧化铝容器会破裂而暴露出表面光滑的金属基复合材料。

在室温下，把每一个组合体都剖开看看基体金属是否渗入到填料中形成了金属基复合材料。在样品A-D中，都形成了金属基复合材料。

样品E

除了容器（32）以外，本例所采用的方法与制造样品A的方法一样。本例中容器是多孔粘土坩锅（它们是由新泽西州南平原的J.H.Berge公司提供的28-1000号DFC坩锅。这种方法没有能形成金属基复合材料，这说明了必须使用不透气容器。

例4

本例说明了不透气容器对形成青铜基复合材料的重要性。其特点是对一个透气的和两个不透气的容器进行了比较。两个不透容器是304型AISI不锈钢桶和涂有胶体石墨的碳钢容器。透气容器是多孔粘土坩锅，表1给出了有关实验过程的大致情况。

样品F

在内径约2 3/8英寸（60mm），高约2 1/2英寸（64mm）的304型不锈钢容器中装入约150克的90目的Norton公司的38Alundum。把含有6%（重量比）Si和1%Fe和93%Cu的基体金属在1025℃的箱式空气电阻炉中熔化并倒入到不锈钢容器中，在熔化的青铜表面盖上一层Aesar公司的粉末状B₂O₃。把组合体放到1025℃的箱式电炉中，再在20分钟的时间内把炉温提高到1100℃，在这段时间内B₂O₃粉末基本全部熔化，排出气体，在青铜表面形成一不透气的密封层，再保温2个小时，把组合体从炉中取出，放到用水冷冷却铜板上使基体金属定向固化。

样品G

用14号（2mm厚）碳钢焊接成一端开口、一端闭口的梯形容器，其尺寸是：闭口端3×3英寸（76×76mm），开口端3.75×3.75英寸（92×92mm），高2.5英寸（64mm）。容器内表面用1.5份体积的乙醇（新泽西州Bayonne的Pharmco Products有限公司的产品）和1份体积的DAG-154胶体石墨（麻省Port Horon的Atheson Colloids的产品）的混合物涂上，在容器的内表面至少要用喷枪喷三遍。每喷完一次都应先让它干燥，然后再喷第二次。把喷好的容器放到380℃的空气电阻炉中保温2小时，在容器的底部放上1/2英寸（13mm）高的90号粒度的Alundum（Norton公司产品）氧化铝填料，把它们整平。然后再在整平的氧化铝填料表面盖上一层厚约0.01英寸（0.25mm）的石墨带产品（奥尔良Portland的TT America有限公司生产的PF-25-H级石墨带），出售商标是Perma-foil）。向处于室温下的容器内石墨带和氧化铝填料上倒入成份为约6%（重量比）的硅，约0.5%的铁，约0.5%的铝，其余是铜的熔化的基体金属。再在熔化的青铜基体金属上倒入约20克的B₂O₃粉末。把这种由碳钢容器及其内部物质组成的组合体放到温度约1100℃的箱式空气电阻炉中，保温2.25小时后，（这段时间内，B₂O₃基本全部熔化，排出气体而形成密封层），把碳钢容器从炉中取出，放到用水冷冷却铜板上，使基体金属定向固化。尽管熔化的基体金属溶解了一部分碳钢，但仍可从组合体中得到金属基复合体。

样品H

用样品E的制造方法，把容器（32）（见图1A）换成多孔粘土坩锅（28-1000号DFC坩锅，新泽西州南平原的J.H.Berge公司产品），然后把组合体直接放到1100℃的炉中，而不是放到1025℃的炉子中然后再加热。

在室温下，把样品F，G，H中的各个组合体都剖开，看看基体金属是否渗入到填料或预型中而形成了金属基复合材料。可以看到，样品F和G中的组合体形成了有利于生成金属基复合材料的条件，而样品H中的组合体，由于它是透气粘土坩锅，所以没有形成有利于产生金属基复合材料的条件。

本例说明了必须使用不透气容器与不透气的密封层相连结，才能产生有利于形成自生真空的条件，从而制造出金属基复合材料。

例5

本例说明了不同的基体金属（33）（参见图1A）可与不透气的容器（32）和不透气的密封层一起形成有利于金属基复合材料的生成的条件。表2给出了用于制造不同的金属基复合材料的实验条件的概况，包括各种基体金属（33），填料（31），容器（32），工艺温度与保温时间等等。

样品I-M

在样品I-M中，实验组合体基本上分别是图1A和例1的重复。每个组合体中填料的量都约为150克，而合金的量约525克，每种实验组合体都成功地制出了金属基复合体。

样品N-O

对样品N和O，基本上是例1的方法的重复，只是炉温为1100℃。

样品P

样品P的组合体与以上实验中所用的组合体都略有不同，整个组合体都在室温下安装而成，然后放到温度为室温的电阻炉中。特别是如图5所示，是一个内径约2.6英寸（66mm），高约4英寸（102mm）的致密的烧结氧化铝坩锅（得克萨斯Conroe的Bolt陶瓷公司的产品），它可直接用作容器。在坩锅（32）的底部放入从Norton公司得到的90号粒度38 Alundum氧化铝填料（31），在填料（31）的顶住放上灰铸铁（ASTM A-48，30，35级）的园柱形铸块，使基体金属（33）与容器（32）的内壁之间有一间隙（38）。在空隙的顶部（铸铁与容器之间）放入熟石膏（39）（俄亥俄州Brunswick的国际有限公司的Bondex产品），它起到把放在基体金属上表面的B₂O₃粉末（34）与填料（31）分开来的作用，从而有助于在工艺条件下形成密封层。把图5所示的组合体放到空气电阻炉中，在7个小时的时间内从室温升高到1400℃。在这段时间内，B₂O₃（34）基本熔化，排出气体，并在熔化的铸铁上形成密封层。由于熔化并在1400℃保温，大约4小时后，可以看到熔化的铸铁（33）平面会下降，这时把组合体（30）从炉中取出冷却。

样品Q-T

样品Q-T中又基本是图1A所示组合体与例1的方法的大致重复。基体金属、填料、容器、温度和时间等参数都列于表2。

样品U

本实例所用的组合体又与前面讨论的实验组合体有所不同。与样品P相似，整个组合体是在室温下安装成的，然后放到室温的电阻炉中。特别是如图6所示，把一个高约1.5英寸（38mm）内径约1英寸（25mm）的致密的烧结Al₂O₃（Bolt陶瓷Conroe，得克萨斯）用作不透气容器，把公称为39 Crystolon的54号粒度碳化硅填料（31）与重量百分比为25%的325目铜粉（Consolidated Astronautics的产品）相混合，把混合体倒入容器（32）中，使其高度达到1/2英寸（13mm）。把用合金C811制成的碎铜段（33）（即把基本纯的铜线剪成的很小的碎段）放到填料（31）上，深度1/2英寸。然后再在碎铜段上面放上GRAFOIL

石墨带（50），把碎铜段（33）基本盖住。用50%（重量比）的B₂O₃粉（Aesar公司）与50%公认为38 Alundum的22号粒度的Al₂O₃粉混合制成密封材料（34），放置于石墨带（50）的上面，把它全部盖住。将图6所示的组合体（37）放到空气电阻炉中，在大约6 1/2小时的时间内从室温加热到1250℃，在这段时间内，密封材料混合物会熔化排出气体而在熔化的基体金属铜（33）上形成一密封层。在1250℃保温3小时后，把组合体37从炉中取出，使之冷却。

样品I-U都得到了所预想的复合材料，其某些物理性能已列于表2中，另外在图7中还示出了部分样品的显微照片，放大倍数为400。图7A是样品I的显微照片，图7B-7E分别是样品K-N的显微照片。数字51表示填料，数字53表示基体金属。

例6

本例说明自生真空技术可在很宽的温度范围内制造金属铝基复合材料。本例中的组合体基本与图1A相同，另外，除了使用的基体金属的成份是7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5Mn，＜0.35Sn，其余是铝，其它工艺方法都与例1基本相同。与在例1中一样，填料（31）仍用Norton公司的90号粒度的38 Alundum Al₂O₃材料，把三种温度不同的基体金属铝（33）倒入室温下的容器（32）中。这三个温度是800℃，900℃和1000℃。象例1一样，用15分钟使B₂O₃粉熔化，排气，形成不透气的密封层。把三个容器（32）分别放到空气电阻炉中，炉子的操作温度基本与倒入容器（32）中的基体金属的温度相应，即分别为800℃，900℃和1000℃。保温2小时，然后把组合体从炉中取出，放到用水冷冷却铜板上使粘结金属定向固化。

在室温下把三种组合体打开，暴露出基体金属渗流到填料中所形成的金属基复合材料。图8A，8B和8C分别是在800℃，900℃和1000℃所形成的金属基复合材料的放大了400倍的显微照片。数字51表示填料，53表示基体金属。

例7

本例说明了自生真空技术可用于在较大的温度范围内合成金属基复合材料。实验组合体基本与图1A一样，实验方法也基本与例1一样，只是把基体金属换成铜合金（即青铜合金），其成份是93%（重量比）的铜，6%的Si和1%的Fe，与例1中一样，填料仍用Norton公司的90号粒度的/38AlundumAl₂O₃材料。在两个不同的温度下把熔融的青铜（33）倒入到室温下的容器（32）中，基体金属（33）的温度分别为1050℃和1100℃。保温15分钟使B₂O₃粉末熔化，排气，形成气密层，然后把容器（32）放到空气电阻炉中，炉温与到入容器内的熔化的基体金属的温度相一致。再过两个小时，然后把实验组合体从炉中取出，放到用水冷冷却铜板上，使基体金属定向固化。

在室温下，把实验组合体打开，露出基体金属渗入到填料中所形成的金属基复合材料。图9A和9B分别是在1050℃和1100℃下制成的青铜复合材料的显微照片，放大倍数为50，数字51表示填料，53表示基体金属。

例8

本例说明在自生真空下，多种填充金属都可以被铝质基体金属渗入。本例仍用图1A所示的实验组合体，实验方法也与例1一样，但把其中的铝质基体金属换成成份为7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5Mn，＜0.35Sn，其余是铝的铝合金。本例中所用的填料（33）的成份与尺寸以及其它相关的实验参数一同列于表3。

待组合体（30）冷却到室温，将之剖开，看看是否已形成了金属基复合材料。本例中V-AB的所有样品都观察到了铝基复合材料。图10A是样品V的显微照片，图10B-10E分别是样品X-AA的显微照片，其放大倍数都是400。图10F是样品AB的显微照片，放大倍数50。数字51和53分别表示填料和基体金属。

例9

本例说明多种填充金属都在自生真空作用下被青铜基体金属所渗透。本例中所用的组合体与图1A相似，除了把基体金属换成93%（重量比）Cu，6%Si和1%Fe的青铜外，其余步骤都与例1一样。炉中熔化的基体金属的温度大约1100℃。本例中所用的填料（33）的成份与尺寸与其它相关的实验参数一同列于表4。

待实验组合体（30）冷却到室温后把它们剖开，看看各填料中是否渗入了基体金属而形成了相应的复合材料。本例中所有的样品AC-AI都形成了复合材料。图11A-11D分别是样品AC-AF的400倍显微照片，而图11E是样品AG的50倍的显微照片。数字51和53分别表示填料和基体金属。

例10

本例揭示了一种用于测量本发明中自生真空度的方法与设备。这种设备还可用来在不透气的容器中产生所希望的可按的气氛。因此自生真空可以看作是气氛的函数。

另外，本例还定量地说明了本例中要讨论的在工艺条件下使用外部物理密封的重要性。

真空测量设备的制造是这样的：首先用16号304型AISI不锈钢制成一个不透气的容器，容器与例1中所用的容器相似，但必须能装入一个总长为21英寸（533mm），内外径分别为1/16和1/8英寸（1.6mm和3mm）的L-形不锈钢管。图12A示出了真空测量设备（60），它是由一个不锈钢容器（32）和穿过容器一壁（64）并焊接好的不锈钢管（61）所组成的。管（61）插到容器（32）内的部分长约3  1/2英寸（89mm），管高约17  1/2英寸（445mm）。应该明白，管（61）的尺寸并不重要，但是管子（61）必须有一端在容器（32）内，另一端在炉外。真空计（63）可从市场上购来，它不一定要能承受得住金属基复合材料的形成温度。把管（61）延伸到炉外，把真空计（63）拧到焊接在管端的螺母（62）上。图12A还是一个与例1中讨论的相似的组合体，但在其底部用一层疏松的500号粒度的Al₂O₃（38Alundum）（65）把不锈钢管（61）给盖住了。这种粉末（65）使管（61）与容器（32）的内腔相连通，因为在本方法给定的工艺条件下，基体金属不能渗透到粉末（65）中。在粉末（65）上面放上一层90号粒度的Al₂O₃材料（31）（38 Alundum，Norton公司产品），使其达到1 1/2英寸（38mm）高，再向处于室温下的容器（32）倒入900℃的熔化的基体金属铝（33），这种是市场上可买到的170.1合金，一种基本纯的铝。然后在熔融金属（33）表面放上一层B₂O₃。将整个组合体（60）放到处于工作温度（约900℃）的电阻炉中（注意真空计（63）应在炉外）。

把另一个与图12A相似的实验组合体放到与上面所讨论相同的炉子中。这种组合体与前者的区别在于它没有使用密封层（34）（即B₂O₃），本例对这两个组合体进行了定量的比较。

特别是，容器（32）中所产生的真空度是时间的函数。图13给出了两种容器中的真空度（英寸汞柱）与时间的关系曲线，其中AK线是用了密封层的容器（样品AK），AL线对应于没有使用密封层的容器内的真空度（样品AL）。从图13中可以很明显地看出，在对比用的容器中没有产生真空度，而在使用了密封层（34）的容器中产生了26英寸（660mm）汞柱高的真空度。

在900℃保温2个小时后，把样品AK和AL中所用的容器（32）分别从炉中取出，用水冷冷却铜板使之定向固化，然后折开、拍照。图14A是AK样品的照片，它表明已经形成了金属基复合体（40），唯一没能形成金属基复合材料的地方是放置500号粒度粉末（65）的地方，而且还可明显地看到插到粉末（65）中的管（61）端。图14B是样品AL的照片，它表明渗透能产生。在样品AL中只能看到空洞（43），基体金属（33）以及留下的管（61）（即折开时，所有的填料全部掉出了容器（32））。

例11

本例说明非空气的气氛也可与铝基体金属相配合。设备（66）如图12B所示，它与示于图12A的设备60相似。但是管61是与氮气源（67）而不是与真空计（63）相通的。氮气通过管（61）以180cc/分钟的速率流到填料（31）中。基体金属与填料都与例10一样。把氮气通入到容器底部，边通气边倒入熔化的金属铝（33），在通气过程中铝会固化。使氮气连续通入一定的时间（例如命名氮气通入的总时间为1小时）。通气约1小时后，把氮气源（67）截断，迅速接上真空计（63），然后立即在固化的基体金属（33）的表面倒入熔化的B₂O₃。把整个组合体（66）调整到与图12A所示的组合体（60）基本一样后放到预先加热到900℃电阻炉中，保温约2小时、测量这段时间内真空度的变化。

在2小时内其最大真空度可达到1.2英寸（305mm）汞柱高。

2小时后把组合体从炉中取出放到水冷冷却铜板上，使残余的基体金属定向固化。待冷到室温后，把组合体打开，发现基体金属已渗透到填料中形成了金属基复合材料。

例12

将基体金属由170.1金属改为组成为7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn的铝合金，重复例11的步骤，可成功地制制金属基复合体。

例13

以氧气取代氮气，重复例11的步骤。在900℃2小时内可达到的最大真空度约为10英寸（254mm）汞柱高。在恒温2小时后，把组合体从炉中取出放到水冷冷却铜板上使粘结金属定向固化。

待冷却室温后，打开组合体，发现基体金属已渗透到填料中形成了金属基复合材料。

例14

采用青铜作为基体金属，相应的工艺炉温也改为1100℃，重复使用例11的步骤。此基体金属具有固定的组成：6%（重量比）的Si，1%Fe，其中是铜。

图15中的曲线AM（对应于用此方法制成的样品AM）表明最大真空度可达29英寸（737mm）汞柱。在1100℃保温约2小时后，把组合体从炉中取出放到水冷冷却铜板上使基体金属定向固化。

待降至室温之后，把组合体打开，发现基体金属已渗透到填料中形成了金属基复合体。

例15

本例说明了可用不同的材料作为外部密封材料。实验组合体与步骤分别与图1A和例1相同。其差别在于本例中所使用的基体金属是成份为93%（重量比）Cu，6%Si，1%Fe的青铜合金，炉子的工作温度是1100℃，所用的密封材料也不相同。三种不同的密封材料是：新罕布什尔州Seabrook的Aesar公司生产的B₂O₃（与例1中的密封材料（34）相同），宾夕法尼亚州Greensburg的Vitrifunctions生产的V213玻璃和V514玻璃，在1100℃恒温2小时后，把样品从炉中取出，放到水冷冷却铜板上使基体金属定向固化，每个例子都成功地合成了金属基复合体。

还做了另一个密封材料的例子。在例1中的不透容器（32）中填入1英寸（25mm）高的填料混合物（在54号粒度的37 Crystolon SiC中加入20%（重量比）的90号粒度的Al₂O₃（38Alundum）而形成），再向容器（32）中倒入1英寸高的成份为93%Cu，6%Si，1%Fe（重量比）的基体金属（33），把普通碎玻璃瓶的碎片撒到熔化的基体金属（33）表面，然后将由不锈钢容器等组成的组合体1100℃的箱式空气电阻炉中，保温3-4小时，取出冷却。在室温下折开，发现已合成了金属基复合体。

例16

用图10所示的组合体和例2中的实验步骤再制造2个样品。特别是不用B₂O₃。两者的唯一区别是一个样品在炉中保温2小时（与例2一样），而另一个样品则保温3个小时。在2（或3）小时后把组合体从炉中取出放至水冷冷却铜板上使基体金属定向冷却。待冷到室温后，把它打开看看是否形成了金属基复合材料，可以发现保温3小时的容器中形成了金属基复合材料，而保温2小时的容器中却没有形成，还可以看到在保温3小时的容器中还形成了一种渣状材料，这种由Cu₂O形成的渣料在基体材料（33）与容器（32）的界面四周，可能是基体材料中的某一组元与周围的气体反应形成了一不透气的密封层。

例17

本例说明了密封促进剂对促进内部物理和/或化学密封的形成的作用。特别是，制成两个与图1B类似的两个完全相同的组合体，一个容器里的合金含有密封促进剂而另一个没有。两种合金（33）都不用B₂O₃或其它外部密封材料覆盖。填料的组成和用量以及不锈钢容器都与例1中的完全相同。在一个容器（32）中装入约575克的标号为170.1的商业铝合金作为熔融的基体金属（33），另一容器（32）装575克的熔化的另一种铝合金（33），成份为7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn，其余是Al。把两个箱式空气炉中（炉子预先加热到900℃），保温15分钟使组合体的温度升上来达到炉温。再保温2小时，然后从炉中取出放到水冷冷却铜板上使基体金属定向固化。

等降到室温后，把两个组合体打开看看基体金属（33）是否已渗到填料（31）中还形成了金属基复合体。可以看到，装有170.1合金的容器中没能形成金属基复合材料，而装有另一种铝合金（成份为7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Ni，＜0.35%Sn，其余是铝）的容器中则形成了金属基复合材料，还可以看到，第2种合金在基体金属（33）与不锈钢容器（32）接触的地方形成了一层表皮。经过X-光衍射分析发现这层表皮主要是镁铝尖晶石。所以，本例说明了单用密封促进剂（即没有使用任何外部密封）可以产生有利于基体金属向填料中渗透生成金属基复合材料的条件。

例18

本例说明了用自生真空技术制造金属基复合材料的过程中湿润增强剂的作用。表5给出了基体金属填料，工艺时间以及润湿剂等本实验中所采用的各种实验参数的数值。

样品AN

用16号304型AISI不锈钢（1.6mm厚）制成一个与图1A类似的内径约1.6英寸（41mm）、高约2.5英寸（64mm）的不透气容器（32）。在容器（32）中装入220号粒度的SiC填料（31）（Norton公司的39 Crystolon），再向温度为室温的容器（32）中倒入约1英寸（25mm）高的成份为93%Cu（重量比），6%Si，0.5%Fe，0.5%Al的熔化的基体金属（33），在基体金属（33）的表面加上大约20克的B₂O₃粉（位于新罕布什尔州Seabrook，Johnson Matthey的Aeasar公司的产品）而产生一不透气的密封层。把不锈钢容器（32）及其装在内部的物质所组成的组合体放到1100℃的箱式空气电阻炉中，2.25小时后从炉中取出来放到一砂床上使基体金属固化。冷至室温后，把组合体拆开，可以看到基体金属没能渗透到填料中去，因此没有形成金属基复合体。

样品AO-AT

这些例子中所采用的实验方法与实例AN一样，只是用标准混合法在填料中加入了不同量的硒，填料，湿润剂的精确合量、工艺温度、工作时间等都列在表5中。从AO到AT的每个例子中都成功地合成了金属基复合体。

样品AU

本实例所用的实验组合体与本例中的其它实例的组合体略有不同。它把Bolt技术陶瓷有限公司（位于得克萨斯的Conroe）生产的内径1英寸（25mm）高约1.4英寸（36mm）氧化铝坩锅（如图16所示）（70）截出1/2英寸（13mm）高的一段，放在填料（31）中。坩锅的底部放上Atlantic Equipment Engineers（位于新泽西的Bergenfield）产的-325目的Sn粉（71）。在氧化铝坩锅（70）中未填充的部分用38Alundum的Al₂O₃（Norton公司产）填料填入。坩锅（70）中的Sn（71）大约占其中所有材料中的10%。再在坩锅周围和上面放上性能相同的填料。在容器（32）内倒上1英寸（25mm）高的熔化的基体金属（33）（组成为5%Si，2%Fe，3%Zn，90%Cu）。再在熔化的基体金属（33）上盖上一层20克的B₂O₃粉末（34）。将这个组合体放到箱式空气电阻炉中，炉温为1100℃。在1100℃保温5小时后，把组合体从炉中取出，使之冷却。

冷到室温后，把组合体切开，可以看到粘结金属已经渗透到氧化铝坩锅（70）中的220号粒度的38Alundum中。但是在氧化铝坩锅与不锈钢容器之间的220号粒度的38Alundum（它没与Sn接触）却没有能被基体金属渗透。因此，Sn粉末与Se粉相似，起到了增强青铜质基体金属的湿润的作用。

例19

本便说明了可把不同尺寸和组成的填料混入到用自生真空技术制成的铝质金属基复合体中。

本例中的实验方法与例1中的基本一样，实验组合体也与图1A所示的相似。表6给出本例中不同实例的基体金属、填料、工艺温度与时间等参数。所有AV-AZ的实例中都成功地合成了金属基复合体。

例20

本例说明可把不同组成和尺寸的填料溶入到用自生真空技术制造的青铜质金属基复合材料中。

样品BA-BE

实验方法与例1中的基本一样，实验组合体也类似于图1A所示的组合体。

表7是本例中所制得的各样品的基体金属、填料、工艺温度和时间等的参数表。

样品BF

本样品是用例18中制造样品AP的方法制造的。

Claims (34)

1、金属基复合体制造方法，其步骤包括：

制成反应体系，其中包括基体金属，反应性气氛，不渗透容器和渗透物质，其中包括至少一种选自疏松填料和预型的物料；

至少部分密封该反应体系，使其与外界的周围气氛隔离开，从而在所说反应性气氛和所说周围气氛之间形成净压差，由外加密封层，内部物理密封层和内部化学密封层中的至少一种达到所说的密封；以及

加热密封后的反应体系以使基体金属熔融并使其至少部分渗流过所说渗透物质，从而形成金属基复合体。

2、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封包括基本上完全将所说反应性气氛与所说周围气氛隔离开。

3、权利要求1的方法，其中所说净压差在熔融基体金属至少部分渗流入所说可渗透物质期间存在。

4、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括至少一种选自铝，镁，青铜，铜和铸铁的材料。

5、权利要求1的方法，其中进一步向所说反应体系提供至少一种湿润增强剂。

6、权利要求1的方法，其中进一步向所说反应体系提供至少一种密封促进体。

7、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封是由外加密封层提供的，其中包括至少一种玻璃料。

8、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封是由内部化学密封层提供的，其中包括所说基体金属和所说周围气氛的反应产物。

9、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封是由内部物理密封层提供的，其中包括基体金属湿润不渗透容器。

10、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封是由内部化学密封层提供的，其中包括所说基体金属和所说不渗透容器的反应产物。

11、权利要求1的方法，其中所说反应性气氛至少部分与所说基体金属，所说填料和所说不渗透容器中的至少一种反应，从而形成所说净压差。

12、权利要求5的方法，其中所说至少一种湿润增强剂与所说基体金属形成合成。

13、权利要求5的方法，其中所说基体金属包括铝，而所说湿润增强剂包括至少一种选自镁，铋，铝和锡的物料。

14、权利要求5的方法，其中所说基体金属包括青铜和铜中的至少一种，而湿润增强剂包括至少一种选自硒，碲和硫的物料。

15、权利要求1的方法，其中所说疏松填料包括至少一种选自粉，薄片，片晶，微球，晶须，气泡，纤维，颗粒，纤维毡，碎段纤维，球粒，丸，管和耐火布的物料。

16、权利要求1的方法，其中所疏松填料包括至少一种选自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。

17、权利要求1的方法，其中所说不渗透容器包括至少一种选自陶瓷，金属，玻璃和聚合物的物料。

18、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括选自铝，铜和青铜的物料，而不渗透容器包括不锈钢。

19、权利要求17的方法，其中所说不渗透容器包括氧化铝或碳化硅。

20、权利要求1的方法，其中所说反应性气氛包括至少一种选自含氧气氛和含氮气氛的物料。

21、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括铝，而所说反应性气氛包括空气，氧气或氮气。

22、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括青铜基体金属，铜基体金属和铸铁基体金属中的至少一种，而反应性气氛包括空气，氧气或氮气。

23、权利要求1的方法，其中所说反应体系的温度高于所说基体金属的熔点，但低于所说基体金属的挥发点和所说，渗透物质的熔点。

24、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括铝和所说填料包括至少一种选自氧化物，碳化物硼化物和氮化物的物料。

25、权利要求1的方法，其中所说反应体系的温度为约700℃至约1000℃。

26、权利要求1的方法，其中所说基体金属包括青铜或铜，而所说填料包括至少一种选自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。

27、权利要求26的方法，其中所说反应体系的温度为约1050℃至约1125℃。

28、权利要求1的方法，其中所说反应体系基体金属包括铸铁;而所说填料包括至少一种选自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物的物料。

29、权利要求28的方法，其中所说反应体系的温度为约1250℃至约1400℃。

30、权利要求1的方法，其中所说预型包括至少一种选自粉，薄片，片晶，微球，晶须，气泡，纤维，颗粒，纤维毡，碎段纤维，球粒，丸，管和耐火布的物料的成形填料。

31、权利要求4的方法，其中所说填料包括至少一种选自氧化铝，碳化硅，锆，氮化钛，碳化硼和其混合物的物料。

32、权利要求1的方法，其中进一步包括定向固化成型金属基复合体。

33、权利要求1的方法，其中所说至少部分密封是由外加密封层，其中包括至少一种选自硼玻璃，硅玻璃和B₂O₃的物料，在所说渗透的至少某些阶段至少是部分熔融的。

34、按照上述权利要求中任一项形成的基体金属复合体。

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