金属基体复合材料的制备方法
2020-01-08

金属基体复合材料的制备方法

在含10~100%氮气,其余为非氧化性气体如氩气的气氛下,熔融铝-镁合金与渗透性陶瓷填料团块接触,制备陶瓷强化的铝基复合材料。在此条件下,熔融合金在常压下自发渗入陶瓷团块。固体合金置于与可渗透的陶瓷团块相接位置,加热熔融,最好至少在约700℃,通过渗透,生成铝基体复合材料。除镁外,辅助合金元素可以与铝一起使用。最终复合材料产品的铝基体中含有一不连续的氟化铝相和/或氟化铝外表面层。

在一实施方案中,将一合金体放置靠近或接触一渗透性陶瓷填料床,一定量的熔融铝合金渗入到陶瓷体中。合金和床暴露于含氮气氛中,温度高于合金熔点,无须加压或抽真空。因此,熔融合金自发地渗入到靠近的或四周的床中,一旦温度降到低于合金熔点温度,便得到一包嵌陶瓷的固体铝合金基体,应理解,铝合金固体可近陶瓷体放置,该金属熔化渗入陶瓷体,或该合金单独熔融然后浇注入填充体中。

本发明涉及一种通过熔融金属自发渗入可渗透性陶瓷填料而制备金属基体复合材料的方法,更具体地说,是在氮气氛下熔融铝合金渗入的方法。本发明亦涉及用本方法制备铝基体复合材料。

按本发明的方法,以处于熔融态的铝-镁合金与一可渗透性的陶瓷材料,如陶瓷颗粒,须或纤维体表面相接触,在某种含氮气体存在条件下该熔融铝合金自发地,逐渐地渗入可渗透的陶瓷体中。自发渗入程度和金属基体的生成将随工艺条件而变化,下面将作更详细说明。合金自发渗入陶瓷体生成了复合材料产物,其中铝合金基质包嵌了陶瓷材料。

如上所述,在渗入氧化铝填充料过程中,氮化铝会在基体合金中生成。氮化铝的生成程度可通过所得合金百分重量测定,即合金重量相对于有效渗入所用合金量的增量。由于镁或锌的挥发可能造成重量损失,这一损失极大地依赖于时间和温度。这样的挥发影响不能直接测量并且氮化的测量也不能将这一因素考虑进去。根据铝完全转化成氮化铝,理论百分重量增量应高达52%。用这一标准,铝合金基体中氮化物的生成随温度的升高而增加。例如实施例8中(见下面表1)5Mg-10Si合金的百分重量的增加量在1000℃下是10.7%,但在基本相同的实验中(表1未示出)除了在900℃外,百分重量增加量为3.4%。同样的结果亦于下列实施例14中,因此,通过在某特定的温度区间操作,有了能预选或控制基体的组成,从而预选和控制复合材料的性能。

除氧化铝和碳化硅以外的各种陶瓷材料亦可用作本发明中复合材料陶瓷填充料。这些材料包括氧化锆、氮化铝、二硼化钛、分别示于实施例22~24中。

用常规的粉末冶金法制备金属基体复合材料对所得产品特性有一定局限性。在复合材料中陶瓷相体积份数局限于约40%。而且,加压操作对所得产品实际尺寸亦有限制。只有简单的产品形状才无须后续加工(如成形,或机加工)或无须借助于复杂的压制。而且,在烧结过程中,会发生不均匀收缩。以及在压坯及晶粒长大时由于偏析而造成微结构上的不均匀性。

欧洲专利申请公开N.115,742中述及了铝-氧化铝复合材料的制备,方法是使熔融铝填充入预形成的氧化铝孔隙中,该复合材料做为电解池组件尤为有用。申请着重指出了氧化铝不被铝润湿的性质,因此使用各种技术去润湿坯中的氧化铝。例如,将氧化铝涂上如钛、锆、铪、或铌的二硼化物浸湿剂,或涂镀上某种金属,如锂、镁、钙、钛、铬、铁、钴、镍、锆或铪。润湿和渗透过程在惰性气氛如氩气中进行。该文中还示出了通过加压使熔融铝渗入未经涂层的坯。在这一方面,渗入的完成是先将孔隙排空然后再在惰性气氛下,如氩,加压使熔融铝渗入。用另一种方法,坯(预型件)可以在熔融铝充入孔隙之前先将蒸气相铝沉积渗入以润湿其表面。为确保铝滞留在坯的孔隙中,在真空或氩气氛中预热1400℃-1800℃是必要的。否则加压渗入材料会暴露于气体,或渗入压除去后会使铝从复合材料中流失。

附图用以说明按本发明方法制备的铝基体复合材料的显微组织:图1是按实施例3于850℃制备的氧化铝强化的铝基体复合材料的显微照片,放大倍数为400。

在制备陶瓷填充的金属基体复合材料时,所用铝合金的镁的最低含量依赖于一种或多种因素如,处理温度,时间,辅助合金元素如锌,硅的存在,陶瓷填充材料的性质和气流中的氮含量。镁含量越高,所需加热温度越低,加热时间超短。此外,对给定的镁含量。某些辅助合金元素如锌的加入降低加热温度。如,使用的镁含量处于操作范围下限,按重量计约1%~3%,则须与下述至少一种条件相结合:高于最低加工温度,高的氮浓度,或使用一种或多种辅助合金元素。可以使用按重量计含3~5%镁的合金以适应加工条件的较大的变化,当使用的加热温度低和加热温度低和加热时间短时,镁含量最好至少约5%。铝合金中镁含量超过10%也是可以使用的,这可降低渗透要求的温度条件。当与某种辅助合金元素结合使用时,镁含量可以减少,但这些元素只是起到辅助元素作用并且要与上面规定的特定量的镁一起使用。例如,纯铝与10%硅形成的合金在1000℃下基本不渗入500目,39Crystoton构成的床。(99%的纯碳化硅,出自Norton    Co.)一种或多种辅助合金元素的使用和环境气体氮的含量亦影响给定温度下合金基体的氮化程度。例如,增加合金中辅助合金元素,如锌或铁的浓度可降低渗透温度并由此而降低氮化物形成,反之增加气体中氮的浓度可以促进氮化物形成。

除了施加压力和使用润湿剂外,还披露了使用真空将有助于熔融铝渗入陶瓷体的孔隙。例如,1973年2月27日授予R.L.Landingham的美国专利N.3,718,441中报导了在其空度低于0.000133Pa(10-6乇)下,使熔融铝,铍、镁钛、矶、镍及铬渗入陶瓷体(如,碳化硼、氧化铝、氧化铍)的方法。在真空度1.33-0.000133Pa(10-2-10-6乇Torr),熔融金属对陶瓷体的浸润程度不好,金属不能自由地流入陶瓷体孔隙中。然而,真空达到0.000133Pa(10-6乇)以下浸润得到改善。

实施例11~21除氧化铝以外的陶瓷材料可用于本发明。如表2中实施例11-21所示,可制备碳化硅强化的铝合金基体复合材料。各种含镁铝合金,碳化硅强化材料,含氮气体和温度/时间条件的组合可用于制备该复合材料。除以碳化硅代替氧化铝外,实验程序与实施例1~9所述相同。气体流量为200~350cm3/min。在表2中实施例11~21所述条件下,发现合金可自发渗入碳化硅团块。