CN1051591A

CN1051591A - 用自生真空工艺制造金属基体复合体的方法及其产品

Info

Publication number: CN1051591A
Application number: CN90104632A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·坎贝尔·坎特; 拉特尼师·库玛·德维瓦迪
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1991-05-22
Also published as: FI91613B; JPH03153832A; NZ234366A; CA2020672A1; BR9003430A; ZA905591B; PT94740A; NO902979L; PL166555B1; YU47108B; JP3256218B2; AU5878490A; NO902979D0; PL286091A1; CS354890A3; FI91613C; EP0427658A3; RU1825325C; HUT64933A; DD301860A9

Abstract

本发明涉及一种制造网状或近似网状的金属基体复合体的新工艺。特别地，在反应气氛下，熔融基体金属与填料或预型相接触，至少在工艺过程中的某点，至少部分地或者基本上完全地，使熔融的基体金属与反应性气氛发生反应，结果，由于，至少部分地由于，自省真空的产生，使熔融基体金属输入进入填料或预型。这样的自生真空渗透作用不需要施加外压或真空。熔融的基体金属渗透了填料，直至所提供的阻挡层的至少一部分。

Description

本发明涉及制造金属基体复合体。特别是，在反应气氛下，熔融基体金属与填料或预型相接触，并且，在工艺过程中的至少某点，熔融基体金属与反应气氛部分或基本上全部发生反应，结果，由于或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填料或预型，这样的自生真空渗透作用不需要施加任何外压或真空。

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，当容器容顺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。

Dwivedi发明的，并为Kantner等所改进的方法，属于共同拥有的未决美国专利申请系列号No.07/381523，1989，7，18提交，题目为“用自生真空工艺制造金属基体复合体的方法及其产品”。根据Kantner等人的方法，制造了一种不渗透的容器，填料或预型放在容器内，将基体金属熔融并注入与填料或预型相接触。形成了密封层，隔绝了环境气氛与填料成预型中含有的反应性气氛。在容器内形成了自生真空，结果熔融的基体金属渗透了填料或预型。然后将基体金属冷却（即直接固化），将形成的金属基体复合体从容器中移去。Kantner等人公开了一组不同的基体金属和填料的组合，适用于这里公开的本发明的实施。

Kantner等人的进一步发明，包含共同拥有的未决美国专利申请系列号No.07/383，935中，1989，7，21提交，题目为“用自生真空工艺制造大复合体的方法，以及得到的产品”。根据Kantner等人的这个申请的方法，使用了一个类似系列号No.07/3831523申请中公开的反应体系，在该发明中，在渗透之前，填料或预型放置在至少一种第二种材料旁，或与之相接触，结果，在填料成预型的渗透之后，渗透材料固结在至少部分的第二种材料上，于是形成了大复合体。

上述共同拥有的专利申请描述了生产金属基体复合体和新材料（金属基体复合体和大复合体）的方法，以及得到的产品。两件共同拥有的专利申请的整个公开内容均合并在此供参考。

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透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加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，熔融的铝母体金属的侵袭。填料还包括金属。

“不（渗透）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，但它并不限制本发明的范围。在每张图中，使用了类似的参考号以表示相同的部件，如下：

图1是利用外部封层，由本发明的方法生产的典型的组合体的横截面的示意图;

图2是用了标准组合体的本发明方法的简化工艺流程图;

图3是由本发明的方法生产的，具有网状外表面的金属基体复合体的横截面的示意图;

图4是由本发明的方法生产的，具有网状内空腔的金属基体复合体的横截面的示意图;

图5是由本发明的方法生产的，具有网状内外轮廓的网状复合材料的典型的组合体的横截面的示意图;

图6是由本发明的方法生产的，网状金属复合体的典型模型的横截面的示意图;

图7是实施例1制备的样品的照片;

图8是实施例2制备的样品的照片;

图9a是实施例3制备的样品的照片;

图9b是实施例4制备的样品的照片;

图10a是由本发明的方法生产的，网状金属复合体的典型的组合体的横截面的示意图;

图10b是实施例5制备的样品的照片;

图11a是实施例6制备的样品的照片;

图11b是实施例6制备的样品的照片;

图12是实施例7制备的产品的照片;

图13是实施例8制备的产品的照片;

图14是由本发明的方法生产的，网状金属基体复合体的典型分离模型组合体的横截面的示意图;

图15是实施例10制备的样品的照片;

图16a是实施例11所用模板的横截面的示意图;

图16b是实施例11制备的样品的照片;

图17是实施例12制备的样品的照片;

图10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组合体（10）。特别是，把填料或预型（11）（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（13）和反应气氛的不透气的容器（12）中。例如，填料（11）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（12）中的填料中。基体金属（13）（熔化的或固态的）与填料（11）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（14）可存在于基体金属（13）的表面，从而把反应气氛与周围气氛（17）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）。把组合体（10）放到炉中，炉子可可保持室温，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池的表面。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）;和（d）硼化物（如二硼化钛）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，氮化物和硼化物。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1，不透容器（12）和填料（11）中的反应性气体必须与周围的气体（17）分隔得很好，这样就可使反应性气体与熔融基体金属（13）和/或填料或预型（13）和/或不透容器（12）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（12）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（13）来实现的。但是必须注意到，在不透容器（12）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。

专门用于铝基体金属的合适的阻挡层是含碳的，特别是称之为石墨的碳的同素异形体的结晶形式。在所述工艺条件下，石墨基本上不被熔融的铝合金所湿润。特别优选的石墨产品包括石墨薄片产品PERMA-FOIL

和GRAFOIL ，其特性是可阻止熔融铝的迁移超出填料限定的表面周界。这些石墨还是绝热的，并且大体上是化学惰性的。GRAFOIL 石墨薄片和PERMA-FOIL 是韧性的，相容的，相似的和有弹性的，可制成各种各样的形状，以适合大多数阻挡层应用。石墨阻挡层也以浆状或膏状甚至以涂料薄膜的形式，围绕放置于填料或预型的周界之上。

GRAFOIL

石墨薄片和PERMA-FOIL 特别优选，因为它们是柔韧的石墨层。使用这种纸状石墨薄片材料的方法之一是在一层石墨薄片材料内，卷入要渗透的填料或预型。另一种方法是，石墨薄片材料可以制成阴模，其形状适于所要求的金属基体复合体，该阴模可以用填料填充。

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。

本发明的方法，采用自生真空技术连同使用阻挡层，制造金属基体复合体。和现有技术相比，本方法有很大优点。突出的是，采用本发明的方法，可生产金属基体复合体而不需要昂贵而复杂的工艺。在本发明中，一个不渗透的容器，可商业上购得或定制用于专门需要，它容纳了一个所需形状的填料成预型，反应气氛以及阻挡层。阻挡层用于避免基体金属的渗透超出所要求的表面。当反应气氛与基体金属相接触时，在工艺条件下，基体金属注入不渗透的容器和/或填料，造成了自生真空，使熔融的基体金属渗透填料。本方法避免了复杂的工艺步骤，例如，为复杂形状加工模型，保持熔融金属浴，从复杂形状模型中移出形成的件，等等。进一步地，通过提供一个稳定的容器，该容器不必浸没在熔融金属浴中，使填料被熔融金属的置换基体上为最小。

图1表示一个简单的方法，制造指定形状的金属基体复合体，即是不渗透容器的形状的金属基体复合体，也可采用与本发明一致的模型方法和装置，以获得更复杂的形状。

如图3所示，本发明的另一个组合体20可以构成模型形状，它不同于不渗透容器的形状，举例说，模型21，它的内轮廓与所要制造的金属基体复合体要求的外轮廓相一致，用要渗透的填料11填塞。用填料填满的模型21放入填充物23中，填充物23对熔融基体金属（的渗透）是基本上不渗透的。例如，这样的抗渗透填充物可以包括任何合适的颗粒阻挡材料，例如细筛号氧气铝。在下面的实施例中将作更详细的阐述，合适的模型可以由有涂层的金属制得，例如不锈钢、石墨、陶瓷、陶瓷复合材料、粘土、熟石膏、氧化铝或氧化硅涂层，或其它耐火材料，这些材料构成了合适的阻挡层以阻止渗透，或者这些材料被涂敷，或者在要渗透的模型和填料之间插入适当的阻挡层。优选的模型和填料之间插入适当的阻挡层。优选的模型是经济地生产的，可以重新生产或者易于处理。而且，优选的模型易于制造以复制出所要求的最终复合体的形状。虽然，在某些应用中，模型与最终的复合体固结，并保留下来作为最终复合体的一部分，但在大多数应用中，优选的模型应该易于分离并移去，它不应该与最终形成的金属基体复合体固结或者发生反应。

将填塞了填料的模型放在基本上不渗透的填充物23中之后，石墨薄片22或者任何其它合适的材料可以，但不是必需地，放在模型之上，使得在完成渗透后，模型的最终的填充物与残留的基体金属易于分离。在适当的材料（例如石墨薄片）插在基体金属13和模型21的情形下，应该提供合适的通道或空隙24使基体金属13能够有效地渗透进入填料11。

然后，将熔融的基体金属13注入基本上不渗透的填充物23，模型21和填料11上，在熔融基体金属13上形成了外部密封14，或者在基体金属13和不渗透的容器12之间形成了内部密封（未表示）。组合体20放在空气气氛炉中，与本发明的方法相一致。在模型21中，熔融的基体金属13渗透进入填料11，而围绕模型21的基本上不渗透的填充物23则不发生渗透。

如图4所示，本发明的另外一个概括的实施方案30中，一个构件或型芯31，它不会被熔融基体金属所渗透，可以用作阻挡层，以限定要形成的金属基体复合体部件的形状。不渗透的构件31，可以由任何在工艺条件下保持基本上不渗透的材料来制造。如果构件31要移去的话，它在该由易于移去的齿轮来制造，例如用物理、化学或机械的手段将其移去。如图4所示，可以形成这样的阻挡层，仅仅限定要制造的部件的周界。另一种方法是，多个这样的构件可以用来限定复杂形状。用于阻挡构件31的合适的材料包括这里讨论的适于作模型的材料。

如图4所示，成型的阻挡构件31放在不锈钢或者其它合适的不渗透容器12之中，在构件31和容器之间的空隙中插入填料11，与上述方法一致。然后将熔融基体金属13注入填料11中，埋入构件31，形成了外部或内部密封14。然后将整个组合体30放在空气气氛炉中，与上述的自生真空工艺相一致。在基体金属13和填料11之间可以插入石墨薄片或者其它合适的易于分离的阻挡层22，如上述方式。

在本发明的又一个实施方案中，如图5所示，另一个组合体40，包含了要制造的金属体复合体部件的内部形状和外部形状。举例说，模型21的内轮廓与金属基体复合体部件的要求的外轮廓相一致，而一个构件成型芯26，真外轮廓与要制造的金属基体复合体部件的内轮廓相一致，型芯26或者是阻挡模型的一部分，或者在模型制造好之后，插入阻挡模型中。如果型芯26要被移去的话，它应该优选易于移去的材料来制造（例如，用物理、化学或机械的手段）。多个这样的构件可用来限定复杂的内部形状。模型21和型芯26之间的空隙可以用要渗透的填料11来填塞，模型21可以放在基本上不渗透的填充物23上。这样的不渗透填充物，例如，可以是任何合适的颗粒阻挡材料，例如细粒度氧化铝，它在工艺条件下，不被熔融基体金属所渗透。下面的实施例中将作详细阐述，合适的模型和型芯可以由有涂层或没有涂层的金属来制造，例如不锈钢、石墨、陶瓷、陶瓷复合体、粘土、石膏、氧化铝或氧化硅涂层，或者其它耐火材料，这些材料构成了合适的阻挡层以阻止渗透，或者这些材料被涂敷，或者在要渗透的模型和填料之间插入适当的阻挡层。优选的模型和型芯是经济地生产的，可以重新生产或者易于处理。而且，优选的模型易于制造以复制出所要求的最终复合体的形状。虽然，在某些申请中，模型与型芯与最终的复合体固结，并保留下来作为最终复合体的一部分，但在大多数申请中，优选的模型和型芯在该易于分离并移去，它们不应该与最终形成的金属基体复合体固结或者发生反应。

将填塞了填料的模型放在基本上不渗透的填充物中之后，石墨薄片22或者任何其它合适的材料可以，但不是必需的，放在上述含有型芯的模型之上，使得在完成渗透后，模型和最终的复合体与残留的基体金属易于分离。在适当的材料22插在基体金属合金13和含有型芯26的模型21的情形下，应该提供合适的通道或空隙24使基体金属能够有效地渗透进入填料。

然后，将熔融的基体金属合金13注入基床，模型和填料上，形成了外部密封或内部密封14。组合体放在空气气氛炉中，与本发明的方法相一致。在模型内填料的渗透，结果便是，当自生真空与不渗透的模型相接触后，模型和填料周围的基床不会渗透。

与本发明相一致，可用几种专门的模型工序的装置。可以利用主部件从石膏、胶体氧化铝，胶体氧化硅或任何其它合适的材料来制造模型。可直接利用主要部件来制造最终模型或者中间模型，（例如，橡胶、石膏、石腊，或其它合适的模型），中间模型用于制造最后模型。但是，重要的是，最终模型要化学地和物理地能经受工艺条件，不被损坏或渗透。它们复制出主部件，使得能够从最终模型生产网状或近似网状的部件，与本发明相一致。

在本发明的一个实施方案中，在实施例3-4中作详细讨论。用主部件制造橡胶阴模，又从橡胶阴模制造橡胶阳模。橡胶阳模又用于制造阻挡层模型，阻挡层模型是含有要被熔融的母体金属渗透的填料的最终模型。某些模型上需要涂层，以确保渗透不会进入模型，也确保良好的表面光洁度和得到的网状特性。用于这些模型的令人满意的涂层包括胶体氧化硅、胶体氧化铝、胶体蛭石、胶体石墨、石墨、铝涂料，以及其它涂层。这些涂层可以促进模型与最终的金属基体复合体部件的分离。

在上述实施方案的一个变化形式中，如实施例1详细讨论，不是从橡胶阴模制造橡胶阳模，而是制造一个涂有抗固结材料的石膏阳模。从石膏阳模，用石膏、胶体氧化铝，胶体氧化硅或其它任何合适的材料制造一个阴模。然后用合适的手段从石膏阴模中移去石膏阳模。阴模的壳体上涂敷有适当的阻挡涂层，用做含有被熔融的基体金属渗透的填料的阻挡模型。

失蜡或失泡工艺也可用于制造自生真空工艺所用的模型，在实施例中将作更详细的讨论。特别地，要求的金属基体复合体的最后形状由石蜡或聚苯乙烯泡沫，或者其它合适的材料制得，这些材料能够用物理的，化学的和/或加热挥发的方式移去。这样的石蜡、泡沫或其它材料埋入上述的模型材料中，如果需要移去或挥发模型材料的话，模型材料易受到合适的化学或热处理而移去。结果在模型材料中留下空洞，这样的空洞可以用填料来填塞，并被渗透，与本发明相一致。

虽然图3、4、5只表示在一个不渗透的容器中使用单个模型，但在工艺的一个专门容器中，多个模型可以堆积起来和/或并列放置。

另外，上面讨论描述了组合体，在分开的气密容器中，模型放在组合体内，整个地没有分开的气密容器也是可能的。代之以，使用气密的模型，或一个渗透的模型也可以变成不渗透的。密封层可以直接放在模型上，结果模型也作为不渗透的容器。如图6所示，模型51有一个不渗透的表面52，和一个用填料填塞的空洞11。基体金属13放在填料附近，用密封层14密封。图6中的组合体是一个自含模型和一个不渗透的容器。由它可以制造部件的模型的空洞的轮廓。

本发明的各种各样的示范包括在下面的实施例中。但是，这些实施例应该认为是说明性的，不应该以此限制权利要求书中限定中的本发明的保护范围。

实施例1

本实施例描述一种闭面阴模技术，用于通过自生真空技术来制造复杂形状的，网状或近似网状的金属基体复合体。特别地，本实施例描述制造一种小球阀，从一个外径为大约1.25英寸（32mm），圆柱形内腔直径为大约0.73英寸（19mm）的单个主部件来制造。图5表示一个组合体的横截面，该组合体类似于下面要描述的，用于制造近似网状的金属基体复合体的组合体。

制造橡胶阴模，是围绕主部件浇注上制模橡胶化合物（GI-1000，Plastic Tooling Supply Co.，Easton，PA，大约1份重量的激活剂和大约10份重量的橡胶基质），一旦橡胶阴模充分放置后，从橡胶阴模，用混合物浇注主部件的三个复制品，该混合物包含大约5%（重量）的以粘合剂为基的聚醋酸乙烯酯，（ELMER′S glue，Borden Co.，Columbus，OH），大约6%（重量）的，熟石膏（Bondex，Bondex International Inc.，Brunswick，OH），大约26%（重量）的水和大约63%（重量）的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA），置于橡胶阴模内的主部件的复制品一起放在保持在大约-18℃的冷冻器中。在-18℃下保持2小时后，将阴模和主部件的复制品分离开。主部件的复制品放在大约46℃的空气炉中干燥。一旦充分干燥，复制品上喷上两层Ag涂层（P-1140 distributed by Pep Boys，Philadelphia，PA），

当主部件的复制品如上所述造好并涂敷好之后，制造三个阻挡模型21，混合大约1%（重量）的胶体SiO₂（NYACOL 2040 NH，Nyacol Products，Ashland，MA），大约2%（重量）的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.，WorcesterMA），大约1%（重量）220号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.，Worcester MA），以及大约0.2%（重量）的水。这种阻挡层混合物，在消泡和排气之后，注入主部件的复制品中，使其在室温下硬化大约2小时。2小时之后，倒出阻挡层混合物中多余的水，含有阻挡层模型的主部件的复制品一起放入一个冷冻器中，在大约-18℃保持大约8小时。然后将含有阻挡层模型的主部件的复制品一起放入箱式空气电阻炉中，在大约1000℃保持大约1小时。从炉中移出后，主部件的复制品分离出来了，从阻挡模型21内吹去其残余的粉末。然后，向阻挡模型\1轰注入涂层混合物。该涂层混合物包括大约50%（重量）的胶体蛭石，（Microlite No.903，W.R.Grace &Co.，Lexvington，MA），和大约50%（重量）的水。涂层混合物在烧结过的阻挡模型21中停留大约2分钟，然后倒出。在此期间，在阻挡模型21上形成了涂层25。随后，有涂层的阻挡模型21放在大约110℃的炉中保持大约2小时。2小时之后，将其在大约1000℃下烧结大约1小时。

三个有涂层的阻挡模型21随后放在一个不渗透的容器12中，该容器由16号（1.6mm厚）304型不锈钢构成，内经为大约3英寸（76mm），高3.25英寸（83mm）。有涂层的阻挡模型21和不锈钢容器12之间的空隙用填充物23填塞，填充物23是500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），一个阻挡模型21由填料混合物11填塞，该混合物为大约50%（重量）54号粒度Al₂O₃，以及大约50（重量）90号粒度Al₂O₃（均为38Alundum，Norton Co.生产）第二个阻挡模型21也由填料混合物11填塞，该混合物为大约50%（重量）的Al₂O₃，其余的为ZrO₂（MCA 1360，Norton Co.）第三个阻挡模型21亦由填料混合物11填塞，该混合物为大约98%（重量）的220号粒度Al₂O₃（EI Alundum，Norton Co.），以及大约2%（重量）的-325目Mg粉末（Atlantic Equipment Engineers，Bergenfield，NJ）

每一个填塞了阻挡模型21的填料都用一片石墨薄片22覆盖（Perma-foil，TT America，Portland，Oregon）。基体金属13由市售标号为6061Al合金，以及外加的大约2%（重量）熔融的Mg所组成。将接近270g的熔融基体金属注入不锈钢容器和填塞了阻挡模型的填料之上。随后，粉末B₂O₃放入熔融的基体金属13上，组合体40放入箱式空气电阻炉中，保持在大约900℃。大约15分钟使B₂O₃粉末基本本熔化，排气，形成一个气密的密封14。组合体40在大约900℃再保持大约2小时之后，组合体40连同它的内容物从炉中移出，放在水冷冷却铜板中，使金属基体填充物直接固化。

在室温下，从不锈钢容器12上切去残留的固化基体金属和有涂层的阻挡模型。观察到各段石墨带22，（石墨带22）促进基体金属的残余与三个金属基体复合体球阀中的每一个分离。另外，观察到基体金属13没有渗入500号粒度Al₂O₃的填充物23中。然后将有涂层的阻挡模型21放入一个喷砂器中，带涂层的阻挡模型21被砂岩掉，显露出由铝金属基体复合体构成的三个网状球阀。

图7表示两个铝基体球阀61。本实施例说明在用自生真空技术制造网状铝母体复合体的过程中，不同类型材料的使用，例如很细的粉末，石墨材料以及固结细粉末作为阻挡材料。

实施例2

本实施例描述一种闭面阴模技术，用于采用青铜基体金属，通过自生真空技术来制造复杂形状的，网状或近似网状的金属基体复合体。

实验步骤基本上与实施例1相同，仅基体金属和工艺温度不同。实施例2中所用组合体40类似图5所示。青铜基体金属13由大约（重量）6%Si，0.5%Fe，0.5%Al和其余为Cu所组成。不锈钢容器内径大约1.63英寸（41mm）高大约2.63英寸（67mm）。填料11是90号粒度Al₂O₃（EI Alundum，Norton Co.），组合体40放在大约1100℃保持大约2.25小时，箱式空气电阻炉中，随后在水冷冷却铜板上直接固化。

在室温下，拆开组合体40，如实施例1，如图8所示，观察到石墨薄片22，它促进母体金属66的残余与新基体组合体球阀63分离开来。另外，还观察到基体金属13不渗入500号粒度Al₂O₃的填充物23。然后将有涂层的阻挡模型21放入一个喷砂器中，带涂层的阻挡模型21被砂岩掉，显露出由青铜基体复合体构成的网状球阀。专门地，图8表示青铜基体复合体球阀63的照片，石墨薄片22的残余物，和连接的青铜基体金属66的残余。于是，本实施例表明，在用自生真空技术制造青铜基体复合体的过程中，各种类型材料，例如很细的衬垫，石墨材料以及固结细粉末，可以作为阻挡材料。

实施例3-4

本实施例描述一种开面阴模技术，用于通过自省真空技术来制造更复杂形状的，网状或近似网状的金属基体复合体。实施例3-4专门分别描述铝和青铜基体金属，制造成两种金属基体复合体齿轮，主部件的外径为大约1.5英寸（38mm），最大厚度为大约0.4英寸（10mm），实施例3-4中所用的组合体类似图3所示。

为了制造主部件的橡胶阴模，围绕主部件浇注上制模橡胶化合物（GI-1000，Plastic Tooling Supply Co.，Easton，PA，大约1份重量的激活剂和大约10份重量的橡胶基质）。一旦橡胶阳模充分固化后，将主部件和橡胶阳模分离开，橡胶阳模用碳氟化合物为基的干燥润滑剂喷涂两次（MS-122，Miller-Stephenson Chemical Company，Inc.，Danbury，CT），然后，用GI-1000制模橡胶，再由促进阳模浇注出橡胶阳模，如上所述。一旦充分放置后，从橡胶阴模中移出橡胶阳模，然后，橡胶阳模用于制造两个部件的两个阻挡模型21，如下所述。

阻挡模型21的制造采用下述混合物：大约1份重量的胶体SiO₂（NYACOL 2040 NH，Nyacol Products of Ashland，MA），大约2份重量的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），大约1份重量的220号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），以及大约0.2份重量的水。该混合物，在消泡和排气之后，注入橡胶阳模中，使其在室温下硬化大约2小时。2小时之后，倒出硬化后的混合物中多余的水。橡胶阳模连用阻挡模型材料一起放入一个冷冻器鬃，在大约-18℃保持大约8小时。然后将橡胶阳模与每个汽冻的阻挡模型21分离，每个阻挡模型21放入箱式空气电阻炉中，在大约1000℃保持大约1小时。涂层混合物包括大约50%（重量）的胶体蛭石（Microlite No.903，W.R.Grace & Co.，Lexington，MA）以及大约50%（重量）的水）。将涂层混合物倒入每个阻挡模型21中停留大约2分钟，然后倒出。在此期间，在每个阻挡模型21的空腔内形成了一个涂层（图3中表示）。随后，有涂层的阻挡模型21放在大约110℃的炉中保持大约2小时。2小时之后，将其在大约1000℃下烧结大约1小时。

每个有涂层的阻挡模型21随后放在一个分离的不锈钢容器12中，该容器与实施例1中所述基本相同。阻挡模型21和不锈钢容器12之间的空隙用填充物23填塞，填充物23是500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），在实施例3中，填料11是90号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）将填料放在带涂层的阻挡模型21中，并且整平。在实施例4中，填料11是90号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），将填料放在带涂层的阻挡模型21中，并且整平。填塞有填料的阻挡模型21连同青铜基体金属，用一片石墨薄片22覆盖（Perma-foil，TT America，Portland，OR）。

在实施例3中，熔融的铝基体金属13由大约（重量）7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，0.2-0.3%Mg，＜1.3%Fe，＜0.5%Mn，＜0.35%Sn以及其余为Al所组成。将熔融的基体金属注入不锈钢容器12中，深度为大约0.5英寸（13mm），盖住了填塞了阻挡模型21的填料。在实施例4中，熔融的青铜基体金属13由大约（重量）6%Si，大约0.5%Fe，大约0.5%Al，以及其余为Cu所组成。将熔融的基体金属注入不锈钢容器12中，深度接近0.5英寸（13mm），盖住了覆盖在阻挡模型21之上的石墨薄片22。随后，B₂O₃粉末倒入熔融的基体金属13之上基本上将其完全覆盖，组合体20放入箱式空气电阻炉中，在实施例3中保持在大约900℃，在实施例4中保持在大约1100℃。大约15分钟使B₂O₃粉末基本上熔化、排气，形成了一层气密的密封14。实施例3中的组合体20在大约900℃保持大约2小时。实施例4中的组合体20在大约1100℃保持大约2小时。在此之后，组合体20分别从炉中移出，放在水冷冷却铜板中，直接固化基体金属13。

在室温下，各个不锈钢容器12分别从阻挡模型21上切离。在实施例4中，观察到石墨薄片22，使得基体金属的残余与要制造的金属基体复合体相分离。进一步地，在实施例3和4中，完全渗透的金属基体复合体展示了获得很好的近似网状的特性。专门地，图9a是一张照片，表示实施例3中制造的铝基体齿轮70，图96是另一张照片，表示实施例4中制造的青铜基体材料71。

实施例5

本实施例表示应用失蜡模型技术，通过自生真空技术来制造复杂形状的，网状或近似网状的金属基体复合体。专门地，实施例5是关于制造一种内燃机的铝金属基体复合体活塞，主部件的外径为大约0.75英寸（199mm），最大高度为大约0.75英寸（19mm）。图10a是实施例5中所用的实验结构的横截面示意图。

通过在主部件周围浇注制模橡胶化合物来制造橡胶阴模（GI-1000，Plstic Tooling Co.，Easton，PA，大约1份重量的激活剂和大约10份重量的橡胶的石蜡（No.9 red extruded wax，Casting Supply House New York，NY），得到主部件的阳模复制品。石蜡固化后，橡胶模型与活塞的阳模石蜡复制制品分开。

然后将阳模石蜡复制品放入圆柱形不锈钢容器12中。阻挡层混合物，由大约1份重量的胶体Al₂O₃（Bluonic A distributed by wesboud Corporation，Wilmington，DE）和大约3份重量的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）所组成。将其阻挡层混合物注入不锈钢容器12中，深度基本上是阳模石蜡复制品的高度。至少大约6小时之后，阻挡层混合物硬化，形成了阻挡壳体21。不锈钢容器12和其内含物倒转，放入大约180℃的空气炉中。在大约180℃保持大约3小时后，阳模石蜡复制品熔化，在阻挡模型21中形成了空腔。然后，将不锈钢容器和其那含物一起放入箱式空气电阻炉中，在大约1000℃保持大约1小时，烧去剩余的石蜡。然后在阻挡模型21中清理出主部件的阴模。

阻挡模型21中通过挥发石蜡而造成的空腔用220号粒度SiC（39 Crystolon，Norton Co.）的填料填塞。铝基体金属12由大约（重量）7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，0.2-0.3%Mg，＜1.3%Fe，＜0.5%Mn，＜0.35%Sn以及其余为Al所组成。将基体金属熔融，注入不锈钢容器中，盖片用220号粒度SiC所填塞的阻挡模型21，深度为大约0.5英寸（13mm）再用B₂O₃粉末覆盖熔融的铝基体金属表面。

组合体160，由不锈钢容器12和其内含物所组成，放入箱式空气电阻炉中，保持在大约850℃。在大约850℃保持大约16小时，在此期间，B₂O₃熔化，排气，形成了气密的密封14，组合体从炉中移出并冷却。

一旦组合体160冷至室温，不锈钢容器12被移去，阻挡模型21被砂岩掉，显露出近似网状的铝金属基体复合体活塞。专门地，图10b是一张照片，表示外表面被加工后的铝金属基体复合体活塞80。图10b表示复制好的活塞的内腔81。

实施例6

基本上重复了实施例5的方法，不同之处是阻挡模型21的阻挡混合物由2份重量的220号粒度Al₂O₃和1份重量的500号粒度Al₂O₃（均为38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）以及1份重量的胶体Al₂O₃（Bluonic A distributed by Wesbond Corporation，Wilmington，DE）所组成。填料11是90号粒度的SiC（39 Crystolon Norton Co.）;主部件的外径为大约2.75英寸（70mm），高度为大约2.5英寸（64mm）。

如实施例5中装配的组合体160，在大约850℃下保持大约4小时，然后在水冷冷却铜板中直接固化，和实施例5一样，基体金属13完全渗透了填料11，得到了近似网状的铝金属基体复合体活塞。专门地，图11a是一张照片，表示在砂磨条件下，本实施例制造的铝金属基体复合体活塞90。图11b是一张照片，表示同一铝金属基体复合体活塞，其外表面被加工过。

实施例7

本实施例描述使用石墨模型，通过自生真空技术制造金属基体复合体，本实施例中实验用的组合体20类似图3中所示。

石墨模型21（ATJ级石墨，graphite Union Carbide和MGP，Womelsdorf，PA）的内径为大约1.25英寸（32mm），高度为大约2英寸（51mm），壁厚为大约0.5英寸（13mm），放在不锈钢容器12的底部。该不锈钢容器的内径为大约2.6英寸（67mm）高度为大约3.5英寸（89mm），该容器由16号（1.6mm厚）304型不锈钢构成。石墨模型21和不锈钢容器12之间的空隙，用500号粒度Al₂O₃（El Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）基本上填塞至石墨模型21的顶部。石墨模型21的园柱体空腔21，用大约80g的90号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）构成的填料11，基本上填满。石墨模型21底部的填充物23的表面，大体上，但不是全部地，覆盖了一片石墨薄片22（Perma-foil，TT America，Portland，OR）。大约1英寸（25mm）的熔融青铜基体金属13，注入不锈钢容器12中，并盖满了用石墨薄片覆盖的石墨模型21。该熔融青铜基体金属13，由大约（重量）6%Si，大约0.5%Fe，大约0.5%Al以及其余为Cu所组成，温度为大约1100℃。大约20g的粉末B₂O₃（Aesar，Johnson Matthey，Seabrook，NH），大体上覆盖了青铜基体金属13的表面。组合体20，由不锈钢容器12及其内含物所组成，放入空气箱式电阻炉中，保持在大约1100℃。在大约1100℃保持大约2小时，在此期间B₂O₃粉末基本上完全熔化，排气，形成了一层气密的密封14。组合体20，由不锈钢容器12和其内含物所组成，从炉中移去，放在水冷冷却铜板中，直接固化青铜基体金属。

在室温下，拆开组合体20，观察到青铜基体金属13渗透了填料11，形成了青铜基体金属复合体园柱，在所有表面上都有良好的表面洁度。专门地，图12是一张照片，表示用本实施例中的工艺制造的青铜基体金属复合体园柱100。

实施例8

本实施例描述通过自生真空技术，使用一种石墨构件或型芯，来制造金属基体复合体的内表面。本实施例中用的实验组合体类似图4中所示。专门地，一个肋状型芯31（AGSX石墨Union Carbide），内径为大约1英寸（24mm），高度为大约1.5英寸（38mm），沿型芯31周长的大约每20°上有一肋条，超出型芯的周长0.16英寸（1.6mm），宽度为大约0.1英寸（2.5mm），石墨型芯31的长度延伸到1.5英寸（38mm），该型芯用来制造一个金属基体复合体，它有一个肋状内轮廓，与型芯31的外轮廓一致，并有一个光滑的外轮廓。

型芯31，制造成最终复合体所要求的内部形状的阴模，放入容器12中，该容器内径为大约1.9英寸（48mm），高度为大约3.5英寸（84mm），用16号（1.6mm厚）304型不锈钢构成。填料11由大约95%（重量）的90号粒度SiC（39 Crystolon，Norton Co.）和大约5%（重量）的-325目的Sn（Atlantic Equipment Engineers，Bergenfield，NJ）所组成。将填料11注入不锈钢容器12和肋状石墨型芯31之间所限定的环状空间中。熔融的基体金属13由大约（重量）5%Si，大约2%Fe，大约3%Zn以及其余为Cu所组成。将大约1.5英寸（38mm）厚的熔融基体金属13注入不锈钢容器和填塞在肋状石墨型芯31中的90号粒度SiC填料11之上。大约20g的粉末B₂O₃（Aesar，Johnson Matthey，Seabrook，NH），大体上完全覆盖了熔融青铜基体金属的表面。组合体30，由不锈钢容器12及其内含物所组成，放入箱式空气电阻炉中，保持在大约1100℃。在大约1100℃保持大约2小时，在此期间B₂O₃粉末基本上熔化，排气，形成了一层气密的密封14，并观察到基体金属13的水平面下降，组合体30从炉中移出，固化青铜基体复合体。在室温下，拆开组合体30，显露出肋状石墨型芯31中的青铜基体复合体。

为了将肋状石墨型芯31从青铜金属基体复合体中移去，将青铜金属基体复合体连同肋状石墨型芯31放入箱式空气电阻炉中，保持在大约600℃。在大约600℃保持大约12小时后，肋状石墨型芯31被基本上完全氧化，分离出了青铜金属基体复合体，其内径恰为肋状石墨型芯的外径。专门地，图13是一张照片，表示青铜基体金属复合体元体110，其外表面112加工过了，其内表面恰好复制了石墨型芯31的外表面。

实施例9

本实施例描述通过自生真空技术，使用一种分离模型，来制造金属基体复合体。图14是本实施例中所用组合体的示意图。

模型，外径为大约1.75英寸（45mm），高度为大约0.81英寸（21mm），有一个半球形空腔，直径为1.38英寸（35mm），是用市售的铝合金加工的。将主模型同心地放入一个市售的PVC管中，外径为大约3英寸（76mm），高度为大约1.5英寸（38mm），壁厚为大约0.38英寸（9.5mm），将制模橡胶化合物（GI-1000，Plastic Tooling Co.，Easton，PA，大约1份重量的激活剂和大约10份重量的橡胶基质），浇注到PVC管和铝主模型的环状空间中，制造出橡胶阴模。

一旦洗净阴模充分固化后，用混合物从橡胶阴模浇注出阻挡阳模21。该混合物由1份重量的胶体SiO₂（NYACOL 20401 NH，Nyacol Products，Ashland，MA），大约2份重量的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），大约1份重量的220号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）和0.2份重量的水所组成。浇注的阻挡阳模在大约室温下固化大约2小时。2小时之后，从浇注混合物中倒出多余的水。橡胶阴模连同阻挡模型21，一起放入冷冻器中，在大约-18℃下保持大约8小时。然后，橡胶阴模与阻挡阳模21相分离，阻挡阳模21放入箱式空气电阻炉中，在大约1000℃保持大约1小时。然后，沿着一个阻挡模型外轮廓的轴，钻一个大约0.38英寸（9mm）的孔121，穿入半球形空腔（如图14所示）。有孔的阻挡阳模21与另一个阻挡阳模相接触，结果形成了一个直径为大约1.38英寸（35mm）的球形空腔。于是两个阻挡阳模21形成了一个分离模型122。一种涂层混合物由50%（重量）的胶体蛭石（W.R.Grace & Co.，Lexington，MA）和50%（重量）的水所组成。将涂层混合物通孔121注入分离模型的球形空腔中。涂层混合物分离模型122中停留大约2分钟，然后倒出。在此期间，在分离模型122的球形空腔中形成了涂层25。随后，有涂层的分离模122放入炉中，在大约110℃保持大约2小时。在2小时之后，有涂层的分离模型122在大约1000℃烧结大约1小时。

有涂层的分离模型122的内部用填料11填塞，填料11为90号粒度SiC（39 Crystolon，Norton Co.）然后，将分离模型122放入不锈钢容器12中，该容器中有填充物23，填充物23是500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）分离模型122下部的孔121用石墨薄片（Perma-Foil TT America，Portl and，OR）22基本上覆盖熔融青铜基体金属由大约（重量）5%Si，大约2%Fe，大约3%Zn，以及其余为Cu所组成。将熔融的青铜基体金属注入不锈钢容器12及填有细粒填充物23的分离模型122之上，并在熔融基体金属之上覆盖一层B₂O₃粉末。

组合体120，由不锈钢容器12及其内含物所组成，放入空气箱式电阻炉中，保持在大约1100℃。在大约1100℃保持大约3小时之后，组合体120从炉中移出，固化青铜金属基体复合体显露出熔融青铜基体金属13渗透了填料11，形成了青铜金属基体复合体。本实施例除了说明分离模型的使用外，还说明基体金属可被向上吸入一个阻挡模型，以渗透填料，来制造金属基体复合体。

实施例10

本实施例描述使用一种由细粒度衬垫和粘合剂组成的阻挡型芯，来限定金属基体复合体的内部形状。本实施例中的组合体类似于图4所示。

专门地，制造一个内接齿轮，先制造一个阻挡构件或型芯31，它具有要求的齿轮的内轮廓的阴模形状，所用混合物包括大约20%（重量）的熟石膏（Bondex，Bondex International，Inc.Brunswick，OH）和80%（重量）的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）。一旦充分放置和干燥，阻挡型芯31在圆柱形不锈钢容器12中对准中心，该容器的内径与要制造的最终金属基体复合体部件所要求的外径一致。阻挡型芯31和不锈钢容器12之间的空隙用填料11填塞。填料11由90%（重量）的90号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）和10%（重量）-325目的Sn（Atlantic Equipment Engineers，Bergenfield，NJ）所组成。熔融的青铜基体金属，由大约（重量）5%Si，大约2%Fe，大约3%Zn及其余为Cu所组成。将熔融的基体金属注入不锈钢容器12和填料11之上，深度加工为大约1英寸（25mm），B₂O₃粉末盖在熔融的基体金属之上，在熔融后形成内密封14。

组合体30，由不锈钢容器及其内含物组成，将组合体30放入箱式空气电阻炉中，保护在大约1100℃。组合体30从炉中移出，冷至室温。阻挡型芯31从制造好的青铜金属基体复合体上砂磨掉，结果金属基体复合体的内形状与阻挡型芯31的外表面相一致。专门地，图15是一张照片，表示金属基体复合体130，以及齿轮131在金属基体复合体130的内部部分。

实施例11

本实施例描述一种相对紧密的金属基体结构，可以用一种短效型芯技术来制造。特别地，用轻木模板制造金属基体构架，这种轻木模板用市售的轻木条粘结在一起，如图16a所示。该轻木模板涂敷有至少两层Ag涂层（P-1140，Pep Bays，Philadelphia，PA）轻木模板与纸盒的底部连接在一起，纸盒的尺寸大约5英寸（127mm）X大约2英寸（51mm）X大约1英寸（25mm）高，以及矿脂（Vaseline Cheeseborough-pond′s，Inc.，Greenwich，CT）。

在主部件与纸盒连接后，制备一种阻挡模型混合物，由大约1份重量的胶体SiO₂（NYACOL 2040 NHA Nyacol Products，Ashland，MA），大约2份重量的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），大约1份重量的220号粒度Al₂O₃（38Alundum，Norton Co.）以及大约0.2份重量的水组成。该阻挡混合物，在去泡和排气之后，注入轻木主部件中，并使其在大约室温下硬化大约2小时。2小时之后，用擦手纸吸收阻挡混合物中多余的水并且将220号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）倒在浇注体表面，以吸收多余的水。轻木模板连同其中的阻挡混合物一起放入冷冻器中，在大约-18℃下保持大约8小时。硬化的阻挡材料模型，连同轻木模板放入一个空气箱式电阻炉中，在大约1000℃保持大约1小时。在大约1000℃的这1小时中，轻木被烧掉了，在阻挡模型中形成了内空腔。出炉后，阻挡模型冷却，从阻挡模型内部吹去轻木的灰分残余物。切割阻挡模型，使其尺寸适合如下描述的不渗透容器。将涂层混合物注入阻挡模型中，将涂层混合物由大约50%（重量）的胶体蛭石，（Microlite No.903，W.R.Grace & Co.，Lexington，MA）和大约50%（重量）的水组成。该涂层混合物在烧结过的阻挡模型中保留大约2分钟，其间在阻挡模型上形成了涂层。随后，有涂层的阻挡模型放入大约60℃的炉中，保持大约2小时。在大约60℃的大约2小时之后，将其在大约1000℃下烧结大约1小时。

然后将带涂层的阻挡模型放入不渗透的容器中，该容器由16号（1.6mm厚）304型不锈钢构成，内部尺寸为大约4.9英寸（125mm）长×大约1.4英寸（36mm）宽×大约1.7英寸（43mm）深。有涂层的阻挡模型的不锈钢容器12之间的空隙用500号粒度Al₂O₃的填充物填塞（38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）。有涂层的阻挡模型用220号粒度Al₂O₃填料填塞（38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）。

填塞了填料的阻挡模型上面覆盖了一片石墨薄片（Perma-Foil，TT America，Portland，OR）这里基体金属市售的标号为6061铝合金，外加4%（重量）的Mg所组成。将基体金属熔融，注入不锈钢容器，以及石墨薄片之上，于是覆盖了阻挡模型中的填料。随后，粉末B₂O₃倒入熔融的基体金属，粘合体放入箱式空气电阻炉中，保持在大约850℃。大约15分钟使B₂O₃熔化，排气，形成一个气密的密封。组合体在大约950℃再保持大约2小时。在此之后，组合体和内含物从炉中移出，放在水冷冷却铜板中，直接固化金属基体复合体。

在室温下，从不锈钢容器上切去残留的固化的基体金属和有涂层的阻挡模型。观察到石墨带，它促进基体金属的残余与金属基体复合体的分离。然后将有涂层的阻挡模型放在喷砂器中，有涂层的阻挡模型被砂磨掉，显露出由铝金属基体复合体组成的网状构架。图16b是一张照片，表示由本实施例制造的铝金属基体复合体构架141。

实施例12

本实施例描述采用失蜡技术，制造相对紧密的基体金属结构。特别地，从一块模板制造金属基体构架。模板140，如图16a所示，由规则的板蜡（165，Freeman Co.，Belleville，NJ）条粘结在一起。石蜡模板放在不锈钢容器中，该容器长大约6英寸（152mm），宽大约2英寸（51mm）以及高大约2英寸（51mm）。阻挡材料混合物由大约50%（重量）的铝酸钙水泥（Secar 71，Lafarge Calcium Aluminates，Chesapeake，VA），和大约50%（重量）的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），以及基本上能使阻挡混合物具有可浇注性的足够的水所组成，将阻挡混合物注入不锈钢容器并盖满蜡模至蜡模的高度。

当阻挡混合物在有蜡模的不锈钢容器中充分放置后，先将组合体放在大约150℃的炉子中保持大约3小时，使蜡模熔化，即将蜡模除去。然后将组合体放入箱式空气电阻炉中在大约800保持接近1小时，在熔化之后，烧尽残留的蜡，得到模板的石蜡构架的阴模阻挡壳体。阻挡壳体中的空隙用90号粒度SiC填料填塞（39 Crystolon，Norton Co.）熔融的铝基体金属由大约（重量）7.5-9.5Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，0.2-0.3%Mg，＜1.3%Fe，＜0.5%Mn，＜0.35%Sn以及其余为Al所组成。将熔融的基体金属注入不锈钢容器以及塞了填料的阻挡壳体之上，深度为大约0.5英寸（13mm）。将B₂O₃粉末基本上完全覆盖了熔融铝基体金属的表面。组合体，由不锈钢容器和其内含物所组成，放在大约850℃的箱式空气电阻炉中。在大约850℃保持大约4小时，其间B₂O₃基本上熔化，排气，形成了一层气密的密封，将组合体移出，冷至室温。拆开组合体，阻挡壳体被砂磨掉，显露出铝基体复合体构架。

实施例13

基本上重复实施例1的方法，用以制造泵叶轮，其外径为大约3.5英寸（89mm），仅所用的基体金属，工艺温度以及阻挡壳体有所不同。制造阻挡壳体的混合物由2份重量的500号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.），1份重量的90号粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.）以及1份重量的胶体Al₂O₃（Bluonic A Wesbond Corp.Wilmington，DE）所组成。基体金属13是一种青铜合金，它由（重量）大约6%Si，大约1%Fe以及其余为Cu所组成。填料11是90号粒度SiC（39 Crystolon，Norton Co.），结构40放入箱式空气电阻炉中，在大约1100℃，保持大约3.5小时，使得基体金属能够渗透填料。专门地，图17是一张照片，表示本实施例中制造的青铜基体叶轮150。

Claims

1、金属基复合体制造方法，其步骤包括：

形成反应体系，其中包括基体金属，反应性气氛，不渗透容器，渗透物质，该物质包括至少一种选自疏松填料和预型，以及阻挡层，该阻挡层接触所说渗透物质的至少一个面上的至少一部分并且与所说基体金属至少部分隔开以形成所说成型金属基体复合体的至少一个面；

至少部分密封反应体系以使其与外界的周围气氛隔开，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，直至所说阻挡层，从而形成所说的成型金属基体复合体，其中所说至少一个面由所说阻挡层形成。

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

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直至所说阻挡层期间存在。

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5的方法，其中所说至少一种湿润增强剂由外源供给。

16、权利要求1的方法，其中所说不渗透容器的至少一部分由所说阻挡层构成。

17、权利要求1的方法，其中所说阻挡层包括至少一种选自金属，陶瓷，陶瓷复合体和粘土的物料。

18、权利要求17的方法，其中所说阻挡层包括在工艺条件下不可渗透的粒状物料。

19、权利要求1的方法，其中所说阻挡层包括至少一种选自碳，石墨，二硼化钛，熟石膏，氧化铝和二氧化硅的物料。

20、权利要求1的方法，其中所说阻挡层基本上不会被所说基体金属所湿润。

21、权利要求1的方法，其中所说阻挡层包括在所说不渗透容器中。

22、权利要求1的方法，其中所说阻挡层施于所说渗透物质的至少一个面上，其中采用至少一种选自涂层，浸涂，丝网过筛，蒸发和溅射的方法。

23、权利要求1的方法，其中所说阻挡层包括柔性石墨带，其位置是与所说至少一个面紧帖接触。

24、权利要求1的方法，其中进一步包括提供分离促进剂，用以促进所说成型金属基复合体与所说不渗透容器，所说阻挡层和所说基体金属中的至少一种分开。

25、权利要求24的方法，其中所说分离促进剂包括至少一种选自石墨，氧化硼和锡的物料。

26、权利要求24的方法，其中所说分离促进剂含于所说阻挡层中。

27、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。

28、权利要求1的方法，其中所说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。

29、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。

30、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。

31、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。

32、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，氧化或氮气。

33、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，氧化或氮气。

34、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填料的熔点。

35、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。

36、权利要求1的方法，其中所说密封反应体系加热到：当所说基体金属包括铝时，约700-1000℃;当所说基体金属包括青铜或铜时，约1050-1125℃;而当所说基体金属包括铸铁时，约1250-1400℃。

37、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。

38、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。

39、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。

40、权利要求1的方法，其中所说阻挡层包括模型，掀渲邪邪至少一种选自氧化铝，二氧化硅，蛭石，石墨，熟石膏和不锈钢的物料。

41、权利要求41的方法，其中所说模型也作为不渗透容器。

42、按照上述权利要求中任一项的方法制成的成型金属基体复合体。