CN1675394A - 金属基质复合材料及其制备方法 - Google Patents

金属基质复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1675394A
CN1675394A CNA038197596A CN03819759A CN1675394A CN 1675394 A CN1675394 A CN 1675394A CN A038197596 A CNA038197596 A CN A038197596A CN 03819759 A CN03819759 A CN 03819759A CN 1675394 A CN1675394 A CN 1675394A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
matrix composite
goods
inset
ceramic oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA038197596A
Other languages
English (en)
Inventor
卡玛尔·E·阿明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3M Innovative Properties Co
Original Assignee
3M Innovative Properties Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 3M Innovative Properties Co filed Critical 3M Innovative Properties Co
Publication of CN1675394A publication Critical patent/CN1675394A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C22C47/062—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
    • C22C47/068—Aligning wires
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C22C47/12—Infiltration or casting under mechanical pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D55/00—Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes
    • F16D2055/0004—Parts or details of disc brakes
    • F16D2055/0016—Brake calipers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00—Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0004—Materials; Production methods therefor metallic
    • F16D2200/0026—Non-ferro
    • F16D2200/003—Light metals, e.g. aluminium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00—Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0034—Materials; Production methods therefor non-metallic
    • F16D2200/0039—Ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00—Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/006—Materials; Production methods therefor containing fibres or particles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开一种金属基质复合材料制品，其包括第一种金属及增强该第一种金属的插入物，其中该第一种金属选自铝、其合金及其组合物，其中该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维，和选自铝、其合金及其组合物的第二种金属，其中该第二种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中该第二种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，其中在该第一种金属和该插入物之间有界面层，及其中在该第一种金属和该插入物之间的界面层结合强度峰值至少为100MPa。本发明还公开用于增强金属基质复合材料制品的含有金属的插入物及其制备方法。在另一个方面中，本发明提供用插入物增强的金属基质复合材料制品及其制备方法。有用的金属基质复合材料制品包括航空用结构元件。

Description

金属基质复合材料及其制备方法
发明领域
本发明涉及用于增强金属基质复合材料制品的含有金属的插入物及用插入物增强的金属基质复合材料制品。
相关技术说明
用陶瓷增强金属基质在本领域中是公知的(请参见例如美国专利4,705,093(Ogino)，4,852,630(Hamajima等人)，4,932,099(Corwin等人)，5,199,481(Corwin等人)，5,234,080(Pantale)和5,394,930(Kennerknecht)；分别公开于1987年5月28日和1988年9月14日的英国专利2,182,970 A和B号；2002年4月4日公布的公布WO02/26658、WO 02/27048和WO 02/27049的PCT申请。用于增强的陶瓷材料的实例包括颗粒、不连续的纤维(包括细丝)和连续的纤维及陶瓷预型件。
通常，陶瓷材料加到金属中，以提供金属基质复合材料(MMC)，其与没有加入陶瓷材料的金属制得的制品相比，机械性能有所提高。例如机动车辆的常规制动钳(例如小汽车和卡车)通常由铸铁制成。为降低车辆的总重，尤其是非弹簧负荷重量如制动钳，需要使用轻重的元件和/或材料。一种用于设计MMC的方法是有限元分析，包括为特定应用放置陶瓷氧化物材料及最小化陶瓷氧化物材料的所需量。
由铸铝制成的制动钳比由铸铁制成的相同(即相同尺寸和结构)制动钳轻约50wt.％。铸铝和铸铁的机械性能不相同(例如铸铁的杨氏模量约为100-170GPa，而铸铝的杨氏模量约为70-75GPa；铸铁的屈服强度为300-700MPa，而铸铝的屈服强度为200-3000MPa)。因此，对于给定尺寸和形状而言，由铸铝制成的制动钳其机械性能如弯曲硬度和屈服强度明显低于铸铁制动钳。通常，这种铝制动钳的机械性能与铸铁制动钳相比低至不可接受的程度。需要由铝金属基质复合材料(例如用陶瓷纤维增强的铝)制成的制动钳与铸铁制动钳相比结构相同，且机械性能如弯曲硬度和屈服强度至少相同(或更好)。
对于某些MMC制品的一种考虑是需要形成后加工(例如添加孔或螺纹，或切削材料以提供所需要的形状)或其他处理(例如将两个MMC制品焊接在一起，以制得复杂形状的零件)。许多常规MMC通常含有足量的陶瓷增强材料，因而使加工或焊接是不实际的或甚至是不可能的。然而需要制备″网形″制品，而要求较少的形后成加工或处理。制备″网形″制品的方法在本领域中是公知的(请参见例如美国专利5,234,045(Cisko)和5,887,684(Doll等人))。此外或可选择地，在某种实用程度上，可以减少陶瓷增强，或不放在会影响加工或其他处理如焊接的区域。
在设计和制备MMC的另一种考虑是陶瓷增强材料的成本。连续多晶α-氧化铝纤维(如由3M Company，St。Paul，MN以商品名″NEXTEL610″出售的那些)的机械性能高于低密度金属如铝。此外，陶瓷氧化物材料如多晶α-氧化铝纤维的成本上基本上高于金属如铝。因此，需要最小化陶瓷氧化物材料的所用量，并最优化陶瓷氧化物材料的放置，以最大化陶瓷氧化物材料产生的性能。
此外，需要在包装中提供陶瓷增强材料，或从陶瓷增强材料可相对容易地制备金属基质复合材料制品。
尽管2002年4月4日公布的公布WO 02/26658、WO 02/27048和WO 02/27049的PCT申请包括对解决需要在包装中提供陶瓷增强材料或从陶瓷增强材料可相对容易地制备金属基质复合材料制品的实施方案的说明，但是也需要提供金属基质复合材料制品的额外方案和/或可选择的其他新方法，优选其比常规金属基质复合材料制品具有更优越的性能。
发明概述
在一个方面中，本发明提供一种金属基质复合材料制品，其包括第一种金属及增强该第一种金属的插入物(在某些实施方案中，至少为两个、三个或更多个插入物)，其中该第一种金属选自铝、其合金及其组合，其中该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第二种金属，其中该第二种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中该第二种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，其中在该第一种金属和该插入物间有界面层，及其中在该第一种金属和该插入物间的界面层结合强度峰值至少为100MPa(在某些实施方案中，至少为125MPa，150MPa，175MPa或甚至至少为200Mpa)。在某些实施方案中，优选地该界面层不含有氧。
在另一个方面中，在一个实施方案中本发明提供制备本发明的金属基质复合材料制品的方法，该方法包括：
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面，第二种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)在该第一种金属外表面上，该第二种金属其厚度至少为5微米(在某些实施方案中，优选至少为10微米，至少为15微米或甚至至少为20微米；更优选为5～20微米)；
将选自铝、其合金及其组合的熔融第三种金属放入模具中；及
冷却该熔融第三种金属以提供制品；及
热等静压(HIPing)该制品以提供本发明的金属基质复合材料制品。尽管铸造可在空气中进行，但是在某些实施方案中在含有氩的气氛中进行(例如按气体总体积计至少为90vol.％(至少为95vol.％，99vol.％，或甚至100vol.％)的Ar；通常按气体总体积计O2不大于10vol.％，5vol.％，1vol.％，或甚至0vol.％)。
在另一个方面中，本发明提供制备本发明的金属基质复合材料制品的方法，该方法包括：
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸；
将选自铝、其合金及其组合的熔融第三种金属放入模具中，其中提供包括按气体总体积计至少为90vol.％(至少为95vol.％，99vol.％，或甚至100vol.％)的Ar及通常按气体总体积计不大于10vol.％(5vol.％，1vol.％，或甚至0vol.％)的O2的气氛，使得将该熔融第三种金属放入模具中在该气氛下进行；及
冷却该熔融第三种金属以提供金属基质复合材料制品。在某些实施方案中，该第一种金属包括外表面，第二种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)在该第一种金属外表面上，其中该第二种金属其厚度至少为5微米(在某些实施方案中，优选至少为10微米，至少为15微米或甚至至少为20微米；更优选为5～20微米)。在某些实施方案中，该方法包括在至少部分冷却该熔融第三种金属以提供该金属基质复合材料制品之后热等静压(HIPing)。
在本申请中：
″结合强度峰值″指通过下面的比较例A或实施例4中至少一个测试确定的结合强度峰值；
″不含有氧″指在下面的″氧层测试″中用光学显微镜以250X放大倍率观察，在界面处没有可目测区分的连续氧化物层；及
″基本上连续的陶瓷氧化物纤维″指长度至少为5cm的陶瓷氧化物纤维。
本发明金属基质复合材料制品的实例包括航空应用中用的结构元件，工业设备中用的制动钳、高速旋转环和高速机械臂。
附图简要说明
图1-3和图5-7是用于制备本发明金属基质复合材料制品的示例性(金属基质复合材料)插入物的立体图。
图4是从图3所示的(金属基质复合材料)插入物制得的示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图8A和图8B分别是工作实施例中所用的沙模组件的示意性侧视图和俯视图。
图9A、9B和9C是试样的示意性俯视图、侧视图和端视图。
图10是比较例A的金属基质复合材料制品的断裂表面在约4X时的光学显微照片。
图11是比较例A的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子(SAM)显微照片。
图12是比较例A的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子(SAM)显微照片和电子微探针铜线扫描。
图13是比较例C的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子(SAM)显微照片。
图14是比较例C的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子微探针氧线扫描。
图15是比较例C的金属基质复合材料制品的x射线显微照片。
图16是实施例1的金属基质复合材料制品的x射线显微照片。
图17是实施例1的金属基质复合材料制品横截面在20X时的光学显微照片。
图18是实施例1的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子(SAM)显微照片和电子微探针氧线扫描。
图19是实施例4的金属基质复合材料制品的断裂表面在约4X时的光学显微照片。
图20是实施例4的金属基质复合材料制品横截面的扫描俄歇电子(SAM)显微照片和电子微探针氧线扫描。
详细说明
本发明提供金属基质复合材料制品，其包括至少一种金属和基本上连续的陶瓷氧化物纤维。通常，本发明的金属基质复合材料制品被设计成适于特定应用，以使所需要的性能、低成本和容易制造之间达到最优化或至少可接受的平衡。
通常，本发明的金属基质复合材料制品如插入物被设计成适于特定应用和/或某些性能和/或特征。例如，选择由一种金属(例如钢)制成的现有制品用包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的材料增强的另一种金属(例如铝)进行重新设计，使得后者(即制品的金属基质复合材料形式)具有某些所需要的性能(例如杨氏模量、屈服强度和延展性)，其性能至少等于使用由该第一种金属制成的原始制品所需要的性能。可选择地，该制品可被重新设计成具有与原始制品相同的物理尺寸。
综合所需要的金属基质复合材料制品的结构、所需要的性能、可能的金属和陶瓷氧化物材料(优选适于制造)及那些材料的相关性能，并用来提供可能的适合结构。在某些实施方案中，产生可能的结构的优选方法是使用有限元分析(FEA)，包括利用常规计算机系统(包括使用中央处理单元(CPU)、输入和输出装置)使用FEA软件。适合的FEA软件商业上可得到，包括由Ansys，Inc.，Canonsburg，PA以商品名″ANSYS″出售的FEA软件。FEA有助于精确地模拟制品，并可确定可提供所需性能水平的连续的陶瓷氧化物纤维、金属和可能的其他材料的放置区域。通常需要反复运行FEA几次，以得到更优选的设计。
参照图1，用于制备本发明的金属基质复合材料制品的示例性(金属基质复合材料)插入物10包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维12及铝或其合金14。在某些实施方案中，铝或其合金14的外表面15包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)16。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属18的外表面17包括第二种可选择的金属(例如Ni)18。如果第一种可选择的金属是Cu和/或Ag，那么通常使用第二种可选择的金属。使用Ni有助于金属如Cu和/或Ag与插入物表面粘合。
参照图2，用于制备本发明的金属基质复合材料制品的示例性(金属基质复合材料)插入物10包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维22及铝或其合金24。在某些实施方案中，铝或其合金24的外表面25包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)26。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属28的外表面27包括第二种可选择的金属(例如Ni)28。
在本发明的某些示例性实施方案中，连续的陶瓷氧化物纤维基本上纵向排列，从而它们通常彼此平行。尽管陶瓷氧化物纤维可以在本发明的第一种金属基质复合材料制品(或在某些实施方案中是第二种金属基质复合材料制品)中作为单根纤维，但它们更通常在第一种金属基质复合材料制品(或在某些实施方案中是第二种金属基质复合材料制品)中以捆或束的形式作为一组纤维。捆或束中的纤维可以保持在彼此纵向排列的关系(即通常是平行的)。当使用多捆或多束时，纤维捆或束也保持在彼此纵向排列的关系(即通常是平行的)。在某些实施方案中，优选的是所有连续的陶瓷氧化物纤维保持在基本上纵向排列的结构，其中单根纤维的排列保持在其平均纵轴的±10°、更优选为±5°、最优选为±3°之内。
对于本发明的某些金属基质复合材料制品而言，优选或需要陶瓷氧化物纤维弯曲，与直陶瓷氧化物纤维相对(即不在平面内延伸)。因此，例如陶瓷氧化物纤维在全部纤维长度内可以是平面的，在全部纤维长度内可以是非平面的(即弯曲的)，或它们可以在某些部分是平面的，在其他部分是非平面的(即弯曲的)。在某些实施方案中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维在全部金属基质复合材料制品弯曲的部分中保持在基本上不交叉的曲线结构(即纵向排列的)。在某些实施方案中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维在全部金属基质复合材料制品的弯曲部分中保持在基本上彼此等距的关系。
例如参照图3，用于制备本发明的金属基质复合材料制品的示例性插入物50包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维52及铝或其合金54，其中基本上连续的陶瓷氧化物纤维52在其全部长度内是弯曲的。在某些实施方案中，铝或其合金54的外表面55包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)56。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属58的外表面57包括第二种可选择的金属(例如Ni)58。可由后者插入物制成的金属基质复合材料制品的例子是如图4所示的金属基质复合材料环。环60包括铝或其合金54及陶瓷氧化物纤维52(请参见图3)。这种环例如用于高速旋转并产生较大离心力的设备。
在另一个方面中，对于本发明的某些金属基质复合材料制品而言，优选或需要具有两层、三层、四层或多层的基本上连续的陶瓷氧化物纤维(即一层是至少一层基本上连续的陶瓷氧化物纤维(在某些实施方案中，优选至少一层纤维束包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维))。各层可以任何方式彼此定向。各层彼此关系的例子表明在图5和图6中。参照图5，插入物70包括第一层和第二层基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维71和72及铝或其合金74。在某些实施方案中，铝或其合金74的外表面75包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)76。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属78的外表面77包括第二种可选择的金属(例如Ni)78。第一层基本上连续的陶瓷氧化物纤维71相对于第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维72为45°，尽管取决于特定的应用，一层与另一层的位差可以为大于0°至90°。如果金属基质制品在使用时承受双轴和三轴负载，那么这种层结构是有用的。可选择地，本发明的金属基质复合材料制品可以包括两层或多层。
如图6所示用基本上连续的陶瓷氧化物纤维缠绕有益于一组纤维，其中插入物80包括绕基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维81螺旋缠绕的基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维82及铝或其合金84。在某些实施方案中，铝或其合金74的外表面75包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)76。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属78的外表面77包括第二种可选择的金属(例如Ni)78。通过基本上连续的陶瓷氧化物纤维层有益于性能的金属基质复合材料制品的例子包括在使用时在两个垂直轴周围受到弯折力的制品。
通常，基本上连续的陶瓷氧化物纤维其长度至少为10cm(经常至少为15cm、20cm、25cm或更大)。在本发明某些实施方案中中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纤维束的形式(即纤维束包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维)。通常，基本上连续的陶瓷氧化物纤维束其长度至少为10cm(经常至少为15cm、20cm、25cm或更大)。
陶瓷氧化物纤维可包括基本上连续的纵向排列的陶瓷氧化物纤维或甚至基本上由其组成，其中″纵向排列″指纤维相对于纤维长度通常是平行的排列。
在某些实施方案中，基本上连续增强陶瓷氧化物纤维被用于制备本发明的金属基质复合材料制品，优选其平均直径至少约10微米。在某些实施方案中，平均纤维直径不大于约200微米，更优选不大于约100微米。对于纤维束而言，在某些实施方案中，平均纤维直径优选不大于约50微米，更优选不大于约25微米。
在某些实施方案中，尽管取决于特定的应用可以使用较低平均抗张强度的纤维，但是基本上连续的陶瓷氧化物纤维其平均抗张强度优选至少约为1.4GPa，更优选至少约为1.7GPa，甚至更优选至少约为2.1Gpa，最优选至少约为2.8GPa。
连续的陶瓷氧化物纤维商业上可以单根纤维或成组纤维(例如股或束)得到。股或束可以包括例如至少为420单根纤维/束，至少为760单根纤维/束，至少为2600单根纤维/束，或更大。在纤维领域中束是公知的，指以解开形式收集的多根(单根)纤维(通常至少为100根纤维，更通常至少为400根纤维)，而股指某种程度缠绕或绳状结构。可以得到各种长度过的包括陶瓷氧化物纤维束的陶瓷氧化物纤维。纤维的横截断面形状可以是圆形或椭圆形。
有用的陶瓷氧化物纤维实例包括α氧化铝纤维，铝硅酸盐纤维和铝硼硅酸盐纤维。在阅读说明书后，其他有用的陶瓷氧化物纤维对于本领域所属技术人员是清楚的。
制造氧化铝纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利4,954,462(Wood等人)中所述的方法。在某些实施方案中，优选氧化铝纤维是多晶α氧化铝基纤维，按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2。在另一个方面中，在某些实施方案中，优选的多晶，α氧化铝基纤维包括平均粒度小于1微米(更优选小于0.5微米)的α氧化铝。在另一个方面中，在某些实施方案中，优选的多晶α氧化铝基纤维其平均抗张强度至少为1.6GPa(优选至少为2.1GPa，更优选至少为2.8GPa)。α氧化铝纤维商业上例如可从3M Company of St.Paul，MN以商品名″NEXTEL 610″得到。另一种α氧化铝纤维按纤维总重计包括约89wt.％的Al2O3，10wt.％ ZrO2和约1wt.％ Y2O3，商业上可从3M Company以商品名″NEXTEL 650″得到。
制备铝硅酸盐纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利4,047,965(Karst等人)中所述的方法。在某些实施方案中，优选铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约67～85wt.％的Al2O3和约33～15wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约67～77wt.％的Al2O3和约33～23wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约85wt.％的Al2O3和约15wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约73wt.％的Al2O3和约27wt.％的SiO2。铝硅酸盐纤维商业上例如可从3M Company以商品名″NEXTEL 440″、″NEXTEL 720″和″NEXTEL 550″得到。
制备铝硼硅酸盐纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利3,795,524(Sowman)中所述的方法。在某些实施方案中，优选铝硼硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硼硅酸盐纤维总重：约35wt.％～75wt.％(甚至例如约55wt.％～75wt.％)的Al2O3；大于0wt.％(甚至例如至少约为15wt.％)并小于约50wt.％(或例如小于约45％、或甚至小于约44％)的SiO2；大于约5wt.％(或例如小于约25wt.％，小于约1wt.％～5wt.％或甚至小于约2wt.％～20wt.％)的B2O3。铝硼硅酸盐纤维商业上例如可从3M Company以商品名″NEXTEL 312″得到。
商业上可得到的基本上连续的陶瓷氧化物纤维经常包括在其制造中加到纤维中的有机胶料，以在处理中提供润滑性并保护纤维绳。可以认为胶料例如在转化成织物过程中易于降低纤维的破损，降低静电，降低灰尘量。例如可通过溶解或使其燃烧除去胶料。
在陶瓷氧化物纤维上带有涂层也在本发明范围内。涂层例如可用于增强纤维的可湿性，减小或防止纤维和熔融金属基材料之间的反应。这种涂层和提供这种涂层的技术在纤维和金属基质复合材料领域中是公知的。
插入物周围的金属铸件与固定连续陶瓷氧化物纤维的金属可相同或不同。尽管用于制造包括本发明的插入物和金属基质复合材料制品的铝和铝合金可含有杂质，但在某些实施方案中优选是使用相对较纯的金属(即金属包括小于0.1wt.％或甚至小于0.05wt.％的杂质(即Fe、Si和/或Mg中的每一种小于0.25wt.％、0.1wt.％或甚至小于0.05wt.％))。尽管较高纯度金属对于制造较高抗张强度的材料是优选的，但也可使用纯度较低的金属。
适合的铝和铝合金在商业上可得到。例如铝可从Pittsburgh，PA的Alcoa以商品名″SUPER PURE ALUMINUM；99.99％ Al″得到。铝合金(例如Al-2wt.％的Cu(0.03wt.％杂质)可从Belmont Metals，NewYork，NY得到。在某些实施方案中，优选的铝合金例子包括含有至少98wt.％的Al的合金，含有至少1.5wt.％的Cu的铝合金(例如按合金总重计，Cu的重量百分比为1.5～2.5、优选为1.8～2.2的铝合金)。有用的铝合金系列包括200(例如201铝合金、A201.1铝合金、201.2铝合金、203铝合金、206铝合金、A206.0铝合金、224铝合金和224.2铝合金)、300(例如A319.1铝合金、354.1铝合金、355.2铝合金、A356铝合金、D356铝合金、A356.1铝合金、A357铝合金和D357铝合金)、400(例如413铝合金、443铝合金、443.2铝合金和444.2铝合金)、700(例如713铝合金和771铝合金)、2000(例如2036铝合金和2618铝合金)、6000(例如6061铝合金、6063铝合金、6101铝合金、6151铝合金和6201铝合金)和/或7000(例如7072铝合金)系列铝合金。
在某些实施方案中，优选的插入物用铝合金例子包括含有至少98wt.％的Al的合金，含有至少1.5wt.％的Cu的铝合金(例如按合金总重计，Cu的重量百分比为1.5～2.5、优选为1.8～2.2的铝合金)。在某些实施方案中，优选的插入物用铝合金包括200(例如2036铝合金和2618铝合金)、6000(例如6061铝合金、6063铝合金、6101铝合金、6151铝合金和6201铝合金)、和/或7000(例如7072铝合金)系列铝合金。
在某些实施方案中，优选的插入物周围的铝合金铸件包括200(例如201铝合金、203铝合金、206铝合金和224铝合金)、300(例如A356铝合金、D356铝合金、A357铝合金和D357铝合金)、400(例如413铝合金和443铝合金)、700(例如771铝合金)和/或6000(例如6061铝合金)系列铝合金。
尽管金属如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合的厚度在预定值之外也是可用的，但是如果厚度过低，那么插入物被预热时，涂层扩散，因而不能防止界面被氧化或有助于降低界面处的氧化，而过大厚度易于影响插入物的金属和金属基质复合材料制品的金属之间所需的粘结强度。沉积金属如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合的方法在本领域中是公知的，包括电镀和真空沉积方法。
通常，可选择的Ni的厚度大于约1微米，更通常大于2微米。在另一个方面中，通常这种金属的厚度小于约10微米，更通常小于约5微米。尽管厚度在这些值之外也是可用的，但是如果厚度过低，那么涂层不能有助于金属如Cu、Au、Ag、Zn及其组合与插入物粘合，而过大厚度易于影响插入物的金属和金属基质复合材料的金属之间所需的粘结强度。在某些实施方案中，通过无电镀沉积沉积Ni。
插入物例如可通过将多根连续的陶瓷氧化物纤维(在某些实施方案中，优选是成组纤维(例如股或束))缠绕在用于金属插入物设计并具有所需要的尺寸和形状的心轴上来进行制造。在某些实施方案中，优选地被缠绕的纤维经胶料处理。示例性的胶料包括水(在某些实施方案中，优选去离子水)，蜡(例如石蜡)，聚乙烯醇(PVA)。如果胶料是水，那么纤维通常缠绕在心轴上。缠绕完成后，从缠绕机上取下心轴，然后置于冷却器中，直到缠绕的纤维冻结。根据需要可切割冻结的缠绕纤维。例如如果纤维绕由四个相邻板组成的心轴缠绕，那么可取下矩形板，从而提供冻结的纤维预型件。预型件可被切成片，以提供较小的预型件。通常在形成插入物之前除去胶料。可通过例如将形成的纤维置于模具中(在某些实施方案中，优选是石墨或沙子)，然后加热模具来除去胶料。模具被用于制造插入物。
为形成插入物，如果有胶料，那么在除去胶料后，将模具置于罐中，通常是不锈钢罐，优选仅有一端开口。在某些实施方案中，罐的内部优选用氮化硼或相似的材料涂覆，以在随后的浇铸过程中最小化铝/铝合金和罐之间的反应，和/或加快金属基质复合材料制品从模具释放。罐和模具置于压力浇铸机的压力容器内。随后，铝和/或铝合金(例如从铸锭上切下来的多片铝和/或铝合金)置于罐的上部。然后抽空压力容器，并加热到高于铝/铝合金的熔点(通常高于液相线温度约50℃～120℃)。一旦达到所需要的温度，就关掉加热器，然后通常用氩气(或相似的惰性气体)将压力容器加压到压力约为8.5～9.5MPa，从而使熔融铝/铝合金渗入预型件。随着温度下降，压力容器内的压力也缓慢下降。当制品固化时(即其温度降到低于约500℃)，通入气体，从模具中取出浇铸的金属基质复合材料制品(例如插入物)，然后在空气中进一步冷却。
通过例如在本领域中公知的其他技术也可制造插入物，包括模压铸造。对于模压铸造而言，例如形成的陶瓷氧化物纤维可置于模具中(例如钢模)，烧掉任何存在的胶料，将熔融铝/铝合金加到模腔中，施加压力，直到浇铸制品固化完成。冷却后，从模具中取出制得的插入物。
制成的插入物可进一步处理(例如喷砂和/或表面研磨(例如使用垂直轴金刚石研磨机)，例如消除或降低插入物表面上的氧化。根据需要也可切割插入物，以提供所需要的形状(包括用喷水机切割)。接下来，需要时用第一种金属如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合涂覆插入物。可选择地，在涂覆第一种金属之前，将第二种金属如Ni涂覆到插入物上。尽管不希望限于理论，但是可以认为使用Ni有助于金属如Cu和Ag与插入物的粘合。
选择特定的基本上连续的陶瓷氧化物纤维、基质材料、固持器等及制备插入物和/或金属基质复合材料制品的方法步骤，以提供具有所需要的性能的金属基质复合材料制品。例如为制备所需要的制品，选择彼此及与制品制作方法充分相容的基本上连续的陶瓷氧化物纤维和金属基材料。在某些实施方案中，优选选择包括本发明的插入物和/或金属基质复合材料制品区域的金属，使得金属基质与基本上连续的陶瓷氧化物纤维没有明显的化学反应(即相对于熔融材料是相对化学惰性的)，从而例如不需要在纤维外部提供保护性涂层。
可使用插入物根据本领域中公知的方法来制备本发明的金属基质复合材料制品(例如重力浇注和模压铸造)。可以使用有限元分析(FEA)模型，例如确定陶瓷氧化物纤维的最佳位置和量，以满足所需要的性能规格。这种分析也可被用于例如选择插入物所用的尺寸、数量和位置。在浇铸前可预热插入物和/或模具。在某些实施方案中，优选地插入物被预热到500℃-600℃。在某些实施方案中，优选地模具被预热到200℃-500℃。
也可以使用FEA，以例如用于选择浇铸本发明的插入物和/或金属基质复合材料制品的浇铸方法、浇铸条件和/或模具设计。适合的FEA软件可在商业得到，包括由UES，Annapolis，MD以商品名″PROCAST″出售的软件。
对于在空气中浇铸的本发明的金属基质复合材料制品而言，插入物通常包括可选择的Cu、Au、Ni、Ag、Zn或其组合。对于在含有例如氩气的气氛中浇铸的本发明的金属基质复合材料制品，通常在浇铸前用氩气清洗浇铸气氛一次或多次是更有利的。
对于在插入物和插入物周围的金属铸件界面处的氧化高于所需水平的金属基质复合材料制品而言，可以使用热等静压(HIPing)进一步处理制品，以破坏和使氧化物远离界面分散，从而使其更完全润湿和/或压实。HIPing技术在本领域中是公知的。可用于本发明实施方案的HIPing温度、压力和时间的实例分别包括500℃～600℃，25Mpa～50Mpa，4～6小时。也可以使用这些范围之外的温度、压力和时间。较低温度易于例如提供较小的压实性和/或提高HIPing时间，而较高温度使金属基质复合材料制品变形。较低压力易于例如提供较小的压实性和/或提高HIPing时间，而较高压力可能是不需要的，或在某些情况下甚至会损坏金属基质制品。较短时间易于例如提供较小的压实性，而较长时间可能是不需要的。
如上所述，通常根据某些应用来设计金属基质复合材料制品(包括插入物)，因而其需要具有某些性能、具有某些结构并由某些材料制成等。通常，选择模具或制造模具，以提供所需要形状的金属基质复合材料制品，从而提供网形或接近网形制品。网形或接近网形制品例如可最小化或取消对浇铸的金属基质复合材料制品随后加工或其他浇铸后处理的需要。通常，制造模具或用来使插入物处于所需要的位置，使得基本上连续的陶瓷氧化物纤维在制得的金属基质复合材料制品中处于适当位置。制备适合腔体的方法和材料对本领域所属技术人员是公知的。用于制备特定模具的材料(例如石墨、钢和沙)取决于例如用于制备金属基质复合材料制品的金属。
在阅读说明书后，制备金属基质复合材料制品的其他方法对本领域所属技术人员是清楚的。
本发明的金属基质复合材料制品可以包括多于一组(例如两组、三组等)的基本上连续的陶瓷氧化物纤维，其中一组基本上连续的陶瓷氧化物纤维与另一组用其间将基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置的金属隔开。例如参照图7，插入物90包括基本上连续的(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维92的组93A，93B和93C，及铝或其合金94。在某些实施方案中，铝或其合金94的外表面95包括第一种金属(例如Cu、Au、Ni、Ag、Zn及其组合)96。此外，在某些实施方案中，第二种可选择的金属98的外表面97包括第二种可选择的金属(例如Ni)98。
本发明的金属基质复合材料制品可以是各种形状，包括杆状(包括圆形、矩形或正方形横截面的杆状)、I-条状、L-形状或管状。本发明的金属基质复合材料制品可拉长，并具有基本上恒定的横截面积。
在某些实施方案中，本发明的插入物和金属基质复合材料制品在包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的区域中包括按区域总体积计约30～70％(在某些实施方案中，优选约35～60％或甚至约35～45％)体积的金属及约70～30％(在某些实施方案中，优选约65～40％或甚至约65～55％)体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。在某些实施方案中，优选本发明的插入物和金属基质复合材料制品在包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的区域中包括按区域总体积计约50％体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
在某些实施方案中，插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维，包括按插入物总体积计约30～70％(在某些实施方案中，优选约35～60％或甚至约35～45％)体积的金属及约70～30％(在某些实施方案中，优选约65～40％或甚至约65～55％)体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。在某些实施方案中，优选插入物包括按插入物总体积计至少为50％体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
本发明某些金属基质复合材料制品的实施方案在插入物或固持器与插入物或固持器周围的铝或铝合金铸件界面处不含有氧，这可由下面的″氧层测试″确定。切割金属基质复合材料制品的一部分，以得到插入物或固持器及插入物或固持器周围的铝或铝合金铸件的横截面。然后用半自动金相研磨/抛光装置(从Struers，Inc，Cleveland，OH以商品名″ABRAMIN″得到)抛光横截面。抛光速度为150rpm。按下面连续的6个步骤进行抛光。抛光力是150N，除了步骤6是250N：
-步骤1使用120粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies，Northbrook，IL得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤2使用220粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤3使用600粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤4使用抛光衬垫(从Struers，Inc.以商品名″DP-MOL″得到)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用6微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-6μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤5使用抛光衬垫(″DP-MOL″)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用3微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-3μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤6使用多孔合成抛光布(从Struers以商品名″OP-CHEM″得到)将样品抛光4.5分钟，通过用手将水和硅胶悬浮液(从Struers以商品名″OP-S SUSPENSION″得到)倒在布上来润湿。在抛光的最后5秒中用水洗涤样品。抛光后，干燥样品。
用光学显微镜以250X放大倍率观察制得的抛光样品，以确定在插入物或固持器与插入物或固持器周围的铝或铝合金铸件间是否存在可目测区分的连续氧化物层。请参考2002年8月20日提交的共同未决的申请U.S.60/404,672的实施例3(如图10)，测试表明在界面处没有可目测区分的连续氧化物层，而该申请的比较例H(如图11)有连续氧化物层。参照图10，实施例3的抛光横截面在插入物基质166和浇铸合金163的界面处162没有明显的边界。参照图11，比较例H的抛光横截面在插入物基质186和浇铸合金183的界面182处表现出明显的边界，被认为是氧化物层。
本发明金属基质复合材料制品的实例包括制动钳和航空应用(例如电子通道门，增强结构元件(例如I梁、刚架及面板)，及起落装置)。
本发明可由下面的实施例进一步阐明，但在实施例中所述的特定材料、其量及其他条件和细节不应被解释为不适当地限制本发明。本发明的各种修改和变化对于本领域所属技术人员是显然的。除非另有所指，所有的份数和百分比是以重量计的。
实施例
比较例A
两个铝基质复合材料制品(比较例A1和A2)的制备如下。使用去离子水胶料缠绕连续α氧化铝纤维束(从3M Company，St.Paul，MN以商品名“NEXTEL 610”得到；3,000 denier；杨氏模量约为370GPa；平均抗张强度约为3GPa；平均直径为11微米)，其中在缠绕到四面的20.3cm(8-英寸)正方形心轴上之前立即在水浴中浸渍纤维束，以制备纤维体积装填为49.5％的纤维预型件。施加张力(约75克，用张力仪(从Tensitron，Boulder CO以商品名″CERTEN″得到)测定)缠绕纤维，从而形成矩形的预型板(8.25cm(3.25英寸)×20.3cm(8英寸)×0.254cm(0.1英寸)厚)。然后将心轴置于冷却器中，使水冷冻，并稳定制得的预型件。当冻结时，修剪预制件的边缘，将预型板切成7.6cm×15.2cm(3英寸×6英寸)的预型件。
将制得的7.6cm×15.2cm×0.254cm的纤维预型件放到已用氮化硼涂覆的石墨模具中。将含有预型件的石墨模具置于不锈钢罐中，其一端开口。然后将罐组件置于常规压力浇铸机的圆柱容器内。从铸锭上切下来的多片铝合金(6061铝合金，从Pittsburgh，PA的Alcoa得到)置于罐的上部。将罐放置在压力容器内指定的加热区中，以确保均匀的熔化温度。然后抽空压力容器，并加热到高于铝合金的液相点(715℃)。一旦达到所需要的温度，就关掉加热器，然后用氩气将压力容器加压到压力约为9MPa(1300psi)，从而使熔融铝合金渗入预型件。随着温度下降，压力容器内的压力也缓慢下降。当插入物温度低于约500℃时，通入气体，从压力容器中取出罐，从罐中取出浇铸的金属基质复合材料制品(插入板)，然后在空气中冷却。
然后延长度方向锯开这些插入板，并研磨形成尺寸为0.9525cm(0.375英寸)×15.2cm(6英寸)×0.254cm(0.1英寸)的最终插入物。
最终插入物的表面经喷砂处理以清洗表面并除去任何氧化物层。然后将插入物沉浸在常规硫酸镍电镀溶液中，施加1.5A的电流4.5分钟以在插入物表面上沉积1微米的Ni。然后将插入物沉浸在常规硫酸铜电镀溶液中，施加4.4A的电流3分钟以沉积约5微米的Cu。
将四个铜涂覆的插入物放在沙模中。参照图8A和图8B，模具100由实现表明，四个插入物101处于沙模中，由虚线表明。构成最终金属基质复合材料制品的铸板102是正矩形棱柱，其尺寸为15.2cm×20.3cm×2.54cm。模具100包括浇口104，物料通过12.5mm×19mm的节流口106进入宽度为63mm的锥形浇道108中。浇道108向四个25.4mm直径的冒口100中加料，其包括源于浇道108上的25.4mm直径冒口的7.6mm宽的叶片进口112。通过将746℃(1375°F)的熔融铝合金D357倒进模具浇口来浇铸金属基质复合材料制品。倾倒时间为7秒。插入物未预热。为加速将冷却金属铸模置于沙模中。熔融铝合金固化后，从沙模中取出制得的金属基质复合材料制品，从制品上切下铸模废物。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品弯曲，直到断裂，以得到如图10所示的横截面断裂表面。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品进行横截，切成约10cm大小，用环氧胶固定，用半自动金相研磨/抛光装置(从Struers，Inc，Cleveland，OH以商品名″ABRAMIN″得到)抛光。抛光速度为150rpm。按下面连续的6个步骤进行抛光。抛光力是150N，除了步骤6是250N：
-步骤1
使用120粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies，Northbrook，IL得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤2
使用220粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤3
使用600粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤4
使用抛光衬垫(从Struers，Inc.以商品名″DP-MOL″得到)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用6微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-6μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤5
使用抛光衬垫(″DP-MOL″)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用3微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-3μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤6
使用多孔合成抛光布(从Struers以商品名″OP-CHEM″得到)将样品抛光4.5分钟，通过用手将水和硅胶悬浮液(从Struers以商品名″OP-SSUSPENSION″得到)倒在布上来润湿。在抛光的最后5秒中用水洗涤样品。抛光后，干燥样品。
抛光的横截面通过溅射金来涂覆几埃的金层。得到的样品在扫描俄歇电子(SAM)显微镜(从Physical Electronics Company(前称是PerkinsElmer)，Eden Prairie，MN以商品名SAM 600得到)。参照图11，SAM显微照片表明插入物111、界面112及铸铝合金113。此外，沿穿过插入物、界面和铸铝合金的线进行电子微探针铜线扫描。结果表明在图12中，其中121是插入物，122是界面，123是铸铝合金，铜线扫描是124。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品用金刚锯切成四部分，每一部分其中包括一个插入物以形成试样。然后将每一部分研磨成如图9A、图9B和图9C所示的最终试样130，其中插入物用标号135代表，其中尺寸d1是5.08cm(2英寸)，尺寸d2是2.54cm(1英寸)，尺寸d3是0.25cm(0.1英寸)，d4是1cm(0.4英寸)，d5是0.9525cm(0.375英寸)，d6标定为0.254cm(0.1英寸)，但实际上根据每一样品进行测定以确定承受负载的界面面积的面积(″界面面积″)(图9A、图9B和图9C中用字母″Z″表示)。然后将试样放在万用测试机中(从Canton，MA的Instron Corporation得到Model 8500-133)。更具体而言，将试样夹在测试机的下夹爪中。施加约10MPa(1.5Ksi))的液压(使用连接伺服传动装置的脚踏板)以使夹爪夹住试样。降低上十字头，施加约10Mpa的压力使上夹爪夹住试样。小心以确保负载轴与试样结合平面对齐。以0.017mm/sec的速率拉动试样，记录位移和负载(″负载″)直到界面完全分离。通过用最大″负载″除以″界面面积″测得结合强度峰值。实施例1a和1b的结果表明在下面的表1中。
表1
  实施例 金属厚度，微米   浇铸气氛   热等静压   结合强度峰值，Mpa(Ksi)
  比较例A1比较例A2     Cu，20Cu，20     空气空气     无无     20.0(2.9)34.5(5.0)
  比较例B1比较例B2比较例B3     Cu，5Cu，5Cu，5     空气空气空气     无无无     38.0(5.5)54.0(7.8)69.0(10.0)
  比较例C1比较例C2比较例C3比较例C4     没有没有没有没有     空气空气空气空气     无无无无     18(2.5)19(2.75)25(3.6)28(4.1)
    1a1b1c1d1e1f1g1h     没有没有没有没有没有没有没有没有     氩气氩气氩气氩气氩气氩气氩气氩气     无无无无无无无无     86(12.5)64(9.2)94(13.6)114(16.5)91(13.6)68(9.9)114(16.5)114(16.5)
    2a2b     Cu，5Cu，5     空气空气     有有     60(8.75)*112(16.25)
    3a3b     Cu，20Cu，20     空气空气     有有     144(20.9)203(29.3)
*尽管不希望限于理论，但是对样品进行显微镜观察表明在界面处有没显的分离，这是由用于制备制品的材料中的杂质所引起的。
比较例B
按实施例1所述的制备三个其他金属基质复合材料制品(即比较例B1、B2和B3)，除了铜电镀进行8分钟，得到的Cu涂层约为20微米厚。
比较例B1、B2和B3的结合强度及Cu的厚度列于上表1中。
比较例C
按比较例A所述的制备比较例A(即比较例C1、C2、C3和C4)的金属基质复合材料制品，除了插入物未经喷砂且未提供Ni或Cu涂层。比较例C1、C2、C3和C4的结合强度列于上表1中。
按比较例A中所述，对四个制得的金属基质复合材料制品中的一个样品横切，并抛光及在SAM中观察。参照图13，SAM显微照片表明插入物131、界面132及铸铝合金133。此外，沿穿过插入物131、界面132和铸铝合金133的线进行电子微探针氧线扫描，结果表明在图14中，其中145是氧线扫描。尖锐氧化物峰(被认为是氧化铝)宽约为3微米，被认为抑制插入物和铸铝合金间的结合。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个样品放在常规x射线照相机中。制品放在该照相机可旋转的室内，并置于x射线束的光路中心。未暴光的x射线胶卷(从Eastman Kodak Company，Rochester，NY得到的中速胶卷)放在保护框中并置于制品后面。打开x射线源，将制品在90KV、3.5安下暴光约3～5分钟(ASTM标准E-94-88)，胶卷密度约为3。使用常规技术处理暴光的胶卷。照片表明在图15中，其中151是插入物，153是铸铝合金。插入物151和铸铝合金153间的脱结合明显可见。
实施例1
按比较例A所述的制备八个实施例1(即实施例1a，1b，1c，1d，1e，1f，1g和1h)的金属基质复合材料制品，除了未提供Ni或Cu涂层且模具用氩气吹洗(即氩气流过模具约15分钟)。实施例1a，1b，1c，1d，1e，1f，1g和1h的结合强度列于上表1中。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品按比较例C所述的进行x射线照射。参照图16，其中161是插入物，163是铸铝合金。与图15相比，在图16中没有界面脱结合，表明插入物161和铸铝合金163间完全结合。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品按比较例A所述的进行横切和抛光。按比较例A所述的将抛光的横截面用几埃的金涂覆。用扫描电子显微镜(SEM)(从Physical Electronics，Eden Prairie，MN得到；Model 600)观察得到的样品。参照图17，光学显微照片表明插入物171和铸铝合金173。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品按比较例A所述的进行横切，并抛光及在SAM中观察。此外，沿穿过插入物、界面和铸铝合金的线进行电子微探针氧线扫描。参照图18，SAM显微照片表明插入物181、界面182、铸铝合金183及氧线扫描185。
实施例2
按比较例A所述的制备两个金属基质复合材料制品(即实施例2a和2b)，除了制品用热等静压进一步处理。制品在氩气中在约1010°F(543℃)的温度下热等静压，压力约为34.5MPa(5.0Ksi)，约为4小时。实施例2a和2b的结合强度及Cu的厚度列于上面的表1中。
实施例3
按实施例2所述的制备两个金属基质复合材料制品(即实施例3a和3b)，除了制品按实施例3所述的用热等静压进一步处理。实施例3a和3b的结合强度及Cu的厚度列于上面的表中。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品弯曲，直到断裂，以得到如图19所示的横截面断裂表面。
实施例4
按实施例3所述的制备八个金属基质复合材料制品(即实施例4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h)，并按比较例A所述的进行测试，除了从这些制品加工出的试样其厚度d4尺寸为5mm(0.2英寸)。实施例4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h的结合强度峰值及Cu的厚度列于下面的表2中。
将四个制得的金属基质复合材料制品中的一个制品按比较例A所述的进行横切，并抛光及在SAM中观察。此外，沿穿过插入物、界面和铸铝合金的线进行电子微探针氧线扫描。参照图20，SAM显微照片表明插入物201、界面202、铸铝合金203及氧线扫描205。
表2
  实施例 金属厚度，微米   浇铸气氛  热等静压 结合强度峰值，Mpa(Ksi)
    4a4b4c4d4e4f4g4h     Cu，20Cu，20Cu，20Cu，20Cu，20Cu，20Cu，20Cu，20     空气空气空气空气空气空气空气空气     有有有有有有有有       212.3(30.8)212.3(30.8)179.2(26.0)178.6(25.9)166.8(24.2)144.0(20.9)143.4(20.8)106.5(15.5)
本发明的各种变化和修改对于本领域所属技术人员是显然的，这不会脱离本发明的范围和精神，也应该理解本发明不限于其中所述的
实施方案。

Claims (27)

1.一种金属基质复合材料制品，其包括第一种金属及增强该第一种金属的插入物，其中该第一种金属选自铝、其合金及其组合物，其中该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维，和选自铝、其合金及其组合物的第二种金属，其中该第二种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中该第二种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，其中在该第一种金属和该插入物之间有界面层，及其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值至少为100MPa。
2.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中该基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
3.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值至少为150MPa。
4.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值按比较例A进行测定至少为150MPa。
5.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值按实施例4进行测定至少为150MPa。
6.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值至少为200MPa。
7.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值按比较例A进行测定至少为200MPa。
8.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中在该第一种金属和该插入物之间界面层的结合强度峰值按实施例4进行测定至少为200MPa。
9.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
10.如权利要求9所述的金属基质复合材料制品，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
11.如权利要求9所述的金属基质复合材料制品，其中所述α氧化铝纤维占所述金属基质制品的总体积的至少50％体积。
12.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维占所述金属基质制品总体积的至少50％体积。
13.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中该第一种金属是包括按所述铝合金总重计至少1.5wt.％Cu的铝合金。
14.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中该第一种金属是包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％Cu的铝合金。
15.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中该第一种金属是包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％Cu的铝合金。
16.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中该第一种金属是6061铝合金。
17.如权利要求16所述的金属基质复合材料制品，其中该第二种金属是200、300、400或700系列铝合金之一。
18.一种制备金属基质复合材料制品的方法，该方法包括：
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，该第一种金属具有外表面，Cu在该第一种金属外表面上，该第二种金属的厚度至少为5微米；
将选自铝、其合金及其组合物的熔融第三种金属放入模具中；及
冷却该熔融第三种金属以提供制品；及
热等静压该制品以提供如权利要求1所述的金属基质复合材料制品。
19.如权利要求18所述的方法，其中该第二种金属的厚度至少为15微米。
20.如权利要求18所述的方法，其中该第二种金属的厚度至少为20微米。
21.一种制备金属基质复合材料制品的方法，该方法包括：
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸；
将选自铝、其合金及其组合物的熔融第三种金属放入模具中，其中提供包括按气体总体积计至少为90vol.％Ar及不大于10vol.％O2的气氛，以使该熔融第三种金属放入模具中在该气氛下进行；及
冷却该熔融第三种金属以提供如权利要求1所述的金属基质复合材料制品。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重的大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述α氧化铝纤维占所述金属基质制品总体积的至少50％体积。
25.如权利要求21所述的方法，其中该第三种金属是包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％Cu的铝合金。
26.如权利要求21所述的方法，其中中该第三种金属是6061铝合金。
27.一种制备金属基质复合材料制品的方法，该方法包括：
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸；
将选自铝、其合金及其组合物的熔融第三种金属放入模具中，其中提供包括按气体总体积计至少90vol.％的Ar及不大于10vol.％的O2的气氛，以使得该熔融第三种金属放入模具中在该气氛下进行；
冷却该熔融第三种金属以提供制品；及
热等静压该制品以提供如权利要求1所述的金属基质复合材料制品。
CNA038197596A 2002-08-20 2003-07-08 金属基质复合材料及其制备方法 Pending CN1675394A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40470402P 2002-08-20 2002-08-20
US60/404,704 2002-08-20
US40331403A 2003-03-31 2003-03-31
US10/403,314 2003-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1675394A true CN1675394A (zh) 2005-09-28

Family

ID=31949852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA038197596A Pending CN1675394A (zh) 2002-08-20 2003-07-08 金属基质复合材料及其制备方法

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1540025A1 (zh)
JP (1) JP2005536355A (zh)
KR (1) KR20050058342A (zh)
CN (1) CN1675394A (zh)
AU (1) AU2003248844A1 (zh)
WO (1) WO2004018726A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101636516B (zh) * 2007-01-24 2011-12-14 空中巴士公司 制备带有金属基体的纤维复合材料的方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060021729A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
US20060024489A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
US20060024490A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 3M Innovative Properties Company Metal matrix composites, and methods for making the same
FR2970266B1 (fr) * 2011-01-10 2013-12-06 Snecma Procede de fabrication d'une piece metallique annulaire monobloc a insert de renfort en materiau composite, et piece obtenue
GB201223198D0 (en) * 2012-12-21 2013-02-06 Jaguar Cars Sleeve member and method of casting
CN111360269B (zh) * 2020-04-03 2022-05-06 浙江蓝天知识产权运营管理有限公司 一种多级纳米结构增强的叠层状镍基复合材料及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004510056A (ja) * 2000-09-28 2004-04-02 スリーエム　イノベイティブ　プロパティズ　カンパニー 金属基複合体、その製造方法、およびディスクブレーキ
EP1326814A1 (en) * 2000-09-28 2003-07-16 3M Innovative Properties Company Fiber-reinforced ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, and methods for making the same
WO2002027048A2 (en) * 2000-09-28 2002-04-04 3M Innovative Properties Company Ceramic oxide pre-forms, metal matrix composites, methods for making the same and disc brakes

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101636516B (zh) * 2007-01-24 2011-12-14 空中巴士公司 制备带有金属基体的纤维复合材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050058342A (ko) 2005-06-16
WO2004018726A1 (en) 2004-03-04
AU2003248844A1 (en) 2004-03-11
EP1540025A1 (en) 2005-06-15
JP2005536355A (ja) 2005-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4284444B2 (ja) 繊維強化アルミニウムマトリックス（基）複合材料
JP4037901B2 (ja) アルミニウム複合材の製造方法
CN1675393A (zh) 金属基质复合材料及其制备方法
JP4678373B2 (ja) マグネシウム合金材の製造方法
US9221153B2 (en) Preparation method of diamond-metal sawblades in reactive sintering production for singulating QFN packaging device
US20060024490A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
CN1852796A (zh) 超级磨料线锯及相关制造方法
EP2835195B1 (en) Sintered cubic boron nitride tool
CN1918671A (zh) 金属包覆的金属基体复合导线
CN1045049A (zh) 一种在材料制品与铸件之间获得冶金接合的方法
CN1694788A (zh) 钎焊金刚石工具及其制造方法
CN1969344A (zh) 电缆及其制造方法
WO2006023070A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
WO2006023069A1 (en) Metal matrix composites, and methods for making the same
CN101056728A (zh) 近液相线注射模制方法
CN1675394A (zh) 金属基质复合材料及其制备方法
US9475142B2 (en) Fixed abrasive sawing wire with cubo-octahedral diamond particles
CN103192322B (zh) 外刀片切割轮的修整和制造
TWI383053B (zh) 鋁合金厚板之製造方法以及鋁合金厚板
CN1675388A (zh) 金属基质复合材料及其制备方法
JP5663807B2 (ja) 立方晶窒化硼素焼結体工具
CN109371305A (zh) 用于制作法兰盘的过共晶硅铝合金及其制备方法与应用
TWI533960B (zh) 固定磨料鋸線及此種鋸線的製造方法
JP6839434B2 (ja) ナノカーボン繊維含有固定砥粒ワイヤーソーとその製造方法
CN111468722A (zh) 一种3d打印金属粉末验证新型基板、方法以及应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication