CN1051395A - 抗冲击材料及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型防护材料及其生产方法。 具体地说，金属基质复合体是用填料和基质金属形成 的，其中的填料的量至少约50％(体积)。

Description

本发明涉及新型复合材料及其生产方法。具体地说，这种新型复合材料可以用于防护材料。

现有技术叙述了许多不同的生产防护材料的方法。具体地说，进行了大量的研究以生产金属防护材料和陶瓷防护材料以及复合体防护材料。但是，还需要生产一种可靠的防护材料，该材料的成本低廉并且易于生产。

常规的防护***还包括层状结构，该结构包括例如金属、陶瓷和/或复合材料等各种材料层。但是还需要提供具有理想抗冲击性能的更好的防护材料，它可以在低成本下生产，并包括简单的制造技术。

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“金属基质复合材料的制备方法”，提出了一种向装有填料的陶瓷基质复合材料模型中渗透可渗透物质制造金属基质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）的预型体嵌在其中。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，不需要在熔融基质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。

在1989年7月18日提交的题目为“通过自生真空真法形成金属基质复合体的方法”的共同所有第07/381，523号美国专利申请中，Kantner等人对Dwivedi等人的方法进行了改进。根据Kantner等人的方法，制造一个不可渗透的容器，并在其内部放入填料或预型体。然后使基质金属熔融并使其与所说的填料或预型体相接触。然后制备一个密封装置使填料或预型体中包含的反应气氛与任何室内气氛隔绝。然后在所说的容器内形成一个自生的真空，该真空使熔融的基质金属渗透所说的填料或预型体。然后使所说的基质金属冷却（例如定向固化），之后将所形成的金属基质复合体从所说的容器中取出。Kantner等人公开了许多不同的基质金属和填料组合，它们均适用于本发明之中。

本申请的主题还涉及一些其它的共同未决和共同所有的金属基质复合体专利申请的主题。具体地说，一种生产金属基质复合材料的新方法公开于以White等人的名义于1987年5月13日申请的题为“金属基质复合体”的共同所有美国专利申请第0.49，171中，该申请已于1989年5月9日批准，美国专利号为4，828，008。根据White等人的发明的方法，通过用熔融铝渗透一种可渗透填料（如陶瓷或用陶瓷涂敷的材料）体来生产金属基质复合体，其中所用的熔融铝含有至少约1%（重量）的镁，优选的是含有至少约3%（重量）的镁。在不采用外部压力和真空的条件下，自发地发生渗透。于至少约675℃的温度下，在一种含有约10～100%，最好至少约50%（体积）氮气的气体存在下，使一定量的熔融金属合金与填料体接触，其中的气体，除氮气外，如果有的话为非氧化性气体，如氩气。在这些条件下，这种熔融铝合金在常压下渗透所说的陶瓷体形成铝（或铝合金）基质复合体。当所需量的填料已被这种熔融铝合金渗透时，降低温度使该合金固化，因此形成嵌有该增强填料的固体金属基质结构。通常，供给的一定量熔融合金最好足以使这种渗透基本进行到填料体的边缘。根据White等人的发明生产的铝基复合体中填料的量可以非常高。在这方面，填料对合金的体积比可达到1∶1以上。

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

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

在以Michel K.Aghajanian等人的名义于1988年1月7日提交的，题目为“用阻挡元件制造金属基质复合体的方法”的共同所有美国专利申请系列号为141，624的申请中，叙述了一个适用于形成金属基质复合体的阻挡元件的例子。根据Aghajanian等人的发明方法，将阻挡元件（例如，颗粒状二硼化钛或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil

为商品名出售的软石墨带产品）放置于填料的限定界表面，并且基质合金渗透到该阻挡元件限定的边界处。这种阻挡元件被用来抑制、防止或中止该熔融合金的渗透，由此为得到的金属基质复合体提供了基本的或大致的形状。因此，所形成的金属基质复合体具有一个基本符合于该阻挡元件内部形状的外形。

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

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

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

金属基质技术的进一步改进叙述于以Aghajanian等人的名义，于1989年10月6日提交的题为“用自发渗透法生产金属基质复合体的方法及其制品”的共同所有和共同未决美国专利申请第07/416，327中。根据Aghajanian等人的这一发明，金属基质进入可渗透的填料体或预型体的自发渗透是通过使用与所说的填料或预型体相联合的渗透促进剂和/或渗透促进剂前体和/或渗透气氛，至少在该工艺过程的某一时刻，使熔融基质金属自发渗透所说的填料或预型体来实现的。Aghajanian等人公开了许多显示出自发渗透的基质金属/渗透促进剂前体/渗透气氛体系。具体地说，Aghajanian等人公开了在铝/镁/氮体系;铝/锶/氮体系;铝/锌/氧体系和铝/钙/氮体系中均已观察到自发渗透现象。但是，从Aghajanian等人的发明中所述公开内容清楚地知道，所说的自发渗透现象也会发生在其它基质金属/渗透促进剂前体/渗透气氛体系中。

每个上述讨论的共同所有专利申请和专利叙述了一些金属基质复合体的生产方法及其由此生产的新型金属基质复合体。将所有上述共同所有金属基质专利申请的全部公开内容结合在此以供参考。

本发明涉及防护材料，该材料包括金属基质复合体。具体地说，所说的防护材料可以基本由所说的金属基质复合体本身组成，或者所说的金属基质复合体可以是用于防护***（例如，用于陆地运载工具、飞机和水上运载工具）的辅助***的一部分。

具体地说，已发现高负荷金属基质复合体（即，在基质金属中含有高体积百分比填料的复合体）可显示出理想的防护特性。具体地说，高负荷金属基质复合体可显示出对炮弹的腐蚀作用;典型地具有远远高于所说的基质金属本身的刚性;比所说的基质金属本身更硬，并且可显示出接近所说的填料硬度的硬度;以及可具有相当高的机械强度。

因此，可用于生产高负荷金属基质复合体的任何适当的方法是与本发明相容的。另外，可以使用显示出所要求的抗冲击性能的任何填料和基质金属的结合。例如，可以利用诸如压铸、加压浇铸等技术来生产本发明的金属基质复合体。

但是，在此公开了生产金属基质复合体的两种优选实施方案。这两种优选实施方案已在“相关的共同所有专利和专利申请的讨论”部分中进行一般性讨论。更具体地说，所说的自生真空和自发渗透技术的每一种都可以用来生产具有所要求特性的复合体。

如上所述，可以使用具有所要求抗冲击性能的金属与填料的任何组合。但是，优选的基质金属包括铜、钛、铁、铸铁、铝、镍、钢等。优选的填料包括碳化硅、氧化铝、二硼化钛、氧化锆、碳化钛、氮化钛氮化铝等。所说的填料可以是任何所要求的形状，包括颗粒、纤维、晶须等。

特别优选的基质金属包括与优选的填料碳化硅和氧化铝结合使用的铜、钛、铸铁和铝。

“合金面”是指在熔融金属渗透到填料和预型体中去之前，金属基质复合体最初与熔融基质金属接触的一面。

“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，如市场上可得到的含有杂质和/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”是指填料或预型体与不透容器以外的气氛。其组成可以与反应气体基质一致，也可以不同。

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

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

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

“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“基质金属残余”是指金属基质复合体的形成过程中没有被消耗而剩下的基质金属，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质复合体接触。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。

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

在此所用的“热顶”是指在至少部分形成的金属基质复合体的一端（所说的“顶”端）物质的放置，该物质与至少一种所说的基质金属和/或填料和/或提供给顶端的另一种物质发生放热反应。该放热反应提供足以使所说的基质金属在所说的顶端保持熔融状态的热量，同时使在所说的复合体中的剩余部分的基质金属冷却到固化温度。

“不可渗透容器”是指在工艺条件下用来装盛反应气体与填料（或预型体）和/或熔融基质金属和/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。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

“反应体系”是能够形成自生真空使熔融基质金属渗透到填料或预型体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体的容器，反应性气氛及基质金属。

“反应（性）气氛”是指可以与基质金属和/或填料（或预型体）和/或不可渗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质金属渗透到填料或预型体中去。

“储存器”是位于与填料或预型体相对的位置而与基质金属分离的部分。当金属熔化时，它可以流动以补充与填料或预型体相接触的基质金属。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质金属不同。

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

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

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

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

图1为生产自发渗透金属基质复合体的组装体的截面示意图。

图2为用自生真空技术生产金属基质复合体的典型组装体的截面示意图。

图3为适用于标准组装体的自生真空法的流程简图。

本发明一般涉及用作防护材料的金属基质复合体。具体地说，具有高体积百分比填料含量（例如，填料含量至少约50%（体积））的金属基质复合体可以作为理想的防护材料。

任何许多适当的形成技术都可以用于生产具有高体积百分比填料的金属基质复合体。但是，生产这种防护材料的两种优选技术包括如上和下面讨论的自生真空技术和自发渗透技术。

图1所示为用于形成自发渗透金属基质复合体的简单组装体（10）。具体地讲，如下详述的，将任何适宜材质的填料或预型体（2）置于用于容纳基质金属（4）和/或填料的非反应性容器之中。将基质金属（3）置于或接近于填料或预型体（2）之上。随后，将组装体置于一加热炉中以便引发自发渗透。

由于不希望受到任何特定理论或说明的限制，当渗透增强剂前体与基质金属和/或填料或预型体和/或渗透气氛中的至少一种组合使用时，渗透增强剂前体会发生反应从而生成能够促进或有助于熔融基质金属自发地渗透填料或预型体的渗透增强剂。此外，对于渗透增强剂前体来说，似乎必要的是使该渗透增强剂前体能够被定位于或可移动至允许与渗透气氛和/或预型体或填料和/或熔融基质金属中的至少一种发生反应的部位。举例来说，在某些基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系中，对于渗透增强剂前体来说，必要的是使其处于、接近于、或者在某些情况下甚至稍高于基质金属熔融温度下挥发。这一挥发过程可以导致：（1）渗透增强剂前体与渗透气氛发生反应形成一种有助于基质金属润湿填料或预型体的气态物质;（2）渗透增强剂前体与渗透气氛反应生成处于至少一部分填料或预形体之中、有助于润湿的固态、液态或气态渗透增强剂;和/或（3）渗透增强剂前体与填料或预型体发生反应形成处于至少一部分填料或预型体之中、有助于润湿的固态、液态或气态渗透增强剂。

因此，举例来说，若渗透增强剂前体至少在工艺过程中的某一时刻包括在熔融基质金属中或与其结合的话，那么渗透增强剂就有可能自熔融基质金属中挥发出来并与填料或预型体和/或渗透气氛中的至少一种发生反应。该反应导致固体物质形成，如果该固体在渗透温度下能够稳定存在的话，则该固体便能够以例如涂层的形式沉积于至少一部分填料或预型体之上。此外，可以想象这些固体是以可辩别的固体形式存在于至少一部分预型体或填料之中。若该固体形成，那么熔融基质金属就易于发生反应（例如，熔融基质金属可以还原所形成的固体）从而使渗透增强剂前体与熔融基质金属缔合（例如，溶解于熔融基质金属之中或与之形成合金）。因此，之后还可以有另一些渗透增强剂前体挥发并与其另一种物质（例如，填料或预型体和/或渗透气氛）反应从而再形成类似的固体，可以相象的是渗透增强剂前体首先被连续地转化为渗透增强剂，随后渗透增强剂经熔融基质金属还原再次形成附加的渗透增强剂，如此进行直至形成自发渗透金属基质复合体为止。

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

在本发明的一优选实施方案中，渗透增强剂前体可能至少是部分地与渗透气氛反应使得在先于或基本上接近于填料或预型体与基质金属接触之时在至少一部分填料或预型体中形成渗透增强剂（例如，若镁是渗透增强剂前体而氮为渗透气氛的话，那么渗透增强剂则可以是位于至少一部分预型体或填料之中的氮化镁）。

基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系的实例为铝/镁/氮体系。具体地讲，可将铝基金属装在一个在工艺条件下铝被熔化时不会与铝基金属和/或填料反应的适宜的耐火容器之中。随后，填料或预型体与熔融铝基金属接触并且被自发渗透。

此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预型体或填料、和/或基质金属、和/或渗透气氛之中至少一种提供渗透增强剂。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该位于至少一部分填料或预型体之中。

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

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

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

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

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

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

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

形成金属基质复合体的方法适用于许多填料，而填料的选择取决于诸如基质合金、工艺条件、熔融基质合金与填料的反应能力以及目的复合体产物应具备的特性之类因素。举例来说，当基质金属为铝时，适宜的填料包括（a）氧化物，例如氧化铝、氧化镁、氧化锆;（b）碳化物，例如碳化硅;（c）硼化物，例如十二硼化铝、二硼化钛;以及（d）氮化物，例如氮化化铝和（e）及其混合物。如果填料易于与熔融铝基质金属反应，这可以通过最大限度地缩短渗透时间与最大限度地降低渗透温度或者通过向填料提供非反应涂层来加以调节。填料可以包含一种基质如碳或其它非陶瓷材料，该基质带有陶瓷涂层以防受到化学侵蚀与老化作用。适宜的陶瓷涂层包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的优选陶瓷材料包括呈颗粒、片晶、晶须和纤维状的氧化铝和碳化硅。纤维可以是不连续的（被切断）或以连续单位如多丝束的形式存在。此外，填料或预型体可以是均相的或非均相的。

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

填料（或预型体）可以呈现获得复合体必要性能所需的任何尺寸、形状、化学组成和体积百分比。因此，既然渗透并非受到填料形状的限制，所以填料可以呈颗粒、晶须、片晶或纤维状。也可以选用诸如球体、小管、丸粒、耐火纤维布等之类形状的填料。另外，虽然与较大的颗粒相比，较小颗粒进行完全渗透需要更高的温度或更长的时间，或相反取决于特殊的反应条件，但是填料的大小并不限制渗透。小至1微米或小于约1100微米或更大的平均粒径（小于约8微米-约800微米更好）可以成功地用于本发明，在约2微米到约1000微米的范围的颗粒优先用于大部分商业应用中。另外，有待渗透的填料体（或预型体）应该是可渗透的（即，含有至少一些内连空隙，以使其可被熔融基质金属和渗透气氛所渗透）。另外;通过控制填料或构成预型体的材料的组成和/或尺寸（例如，粒径）和/或几何形状，可以调节或改变所形成的金属基质复合体的机械和/或物理性能以满足许多工业需要。例如，已经发现在填料的耐磨性高于基质金属的耐磨性的条件下，通过增加填料的尺寸（例如，增加填料颗粒的平均粒径）可以提高金属基质复合体的耐磨性。但是，强度和/或韧度随着填料尺寸的减小有增加的趋势。再有，在填料的热膨胀系数低于基质金属热膨胀系数的条件下，随着填料含量的增加，金属基质复合体的热膨胀系数降低。另外;根据疏松体或预型体中填料的不同含量，可以改变形成的金属基质复合体的机械或物理性能（例如，密度，弹性模量和/或比模量，强度和/或比强度等）。例如，通过提供包括不同尺寸和/或形状的填料颗粒的混合物的疏松体或预型体，（其中填料的密度大于基质金属的密度，由于提供的填料填充可以达到更高的填料含量，由此导致金属基质复合体具有增加的密度。通过利用本发明的技术，可以在很宽范围内改变可以渗透的填料或预型体的羰基百分比。可以渗透的较低填料体积百分比主要由形成多孔填料或预型体的能力来限制（例如，约10%（体积））;而可以渗透的较高的填料或预型体的体积百分比主要由形成具有至少一些内连孔隙的致密填料或预型体的能力来限制（例如，约95%（体积））。因此，通过单独或结合实施任何上述技术，可以使金属基质复合体具有所需的结合性能。

本发明的形成金属基质复合体的方法并不依赖于施加压力迫使或挤压熔融基质金属进入预型体或填料体中从而产生具有高体积百分比的填料和低孔隙率、基本均匀的金属基质复合体。通过采用低孔隙率的原始填料可以获得体积百分比较高的填料。只要不会将填料转化为有碍于熔融合金渗透具有闭孔多孔性压块或完全密实的结构，通过将填料压实或以其它方式进行致密处理同样会获得体积百分比较高的填料。具体地说，通过例如振动密实、控制粒度分布等方法可以获得约60-80%的体积百分比。但是，可以用其它可选择的技术来获得甚至更高的填料百分比。对于本发明所进行的热成形来说，填料的体积百分比以40-50%为宜。当体积百分比在此取值范围内时，经过渗透的复合体保持或基本保持其形状，这样有助于进行二次加工。根据热成形后所需的目的复合体含量，可以选用更高或更低的颗粒含量或体积百分比。此外，可以与本发明的热成形方法结合，采用降低颗粒含量的方法实现较低的颗粒含量。

已经观察到对于铝的渗透和在陶瓷填料周围形成基质，铝基质金属对陶瓷填料的润湿可能是渗透机理的重要部分。另外，熔融基质金属对填料的润湿可以使填料均匀分散在形成的金属基质复合体中，并促进填料与基质金属的粘合。另外，在低加工温度下，产生小量的金属氮化，从而导致小量的不连续的氮化铝相分散于金属基质中。但是，当接近于温度范围的上限时，金属的氮化更易发生。因此，金属基质中的氮化物相的量可以通过改变发生渗透时的工艺温度来控制。氮化物的形成变得更明显的特定加工温度还随着下列因素的变化，例如，所用的基质铝合金及其相对填料或预型体体积的量，待渗透的填料和渗透气氛的氮气浓度。例如，我们相信随着这种合金对填料润湿能力的降低以及气氛的氮气浓度的增加，在给定加工温度下的氮化铝形成量增加。

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

另外，这种金属基质复合体中的基质金属的组成和缺陷（例如，孔隙）可以通过控制金属基质复合体的冷却速度来改善。例如，可以通过许多技术使这种金属基质复合体定向固化，所说的技术包括：将盛装该金属基质复合体的容器放在一个激冷板上;和/或在容器的周围选择性地放置绝缘材料。另外，金属基质的组成可以在金属基质复合体形成之后进行改善。例如，使形成的金属基质复合体经受热处理，它可以改进该金属基质复合体的抗拉强度。（这种抗拉强度标准试验为ASTM-D3552-77（1982年再审定的））。

例如，对于含有520.0铝合金作为基质金属的金属基质复合体的理想的热处理包括使金属基质复合体加热到高温（例如，到约430℃），然后将其保持在该温度下一段时间（如，18-20小时）。然后可以使这种金属基质复合体在约100℃的沸水中淬火约20秒钟（即，T-4热处理），这种处理可以提高该复合体耐火拉伸应力的能力。

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

本发明中也可以结合使用阻挡元件。具体地讲，应用本发明的阻挡元件可以在任何适于干扰、抑制、防止或中止熔融基质合金（如铝合金）超出由填料限定的界表面而形成的迁移，运动等的元件。合适的阻挡元件可以是满足下述要求的任何材料，化合物，元素或组合物等：能够局部抑制，停止，干扰或防止（及其它类似作用）超出陶瓷填料的限定界表面的连续渗透或任一其它类型的运动，在本发明的加工条件下，能保持某种整体性，不挥发，最好能使过程中使用的气体渗透。阻挡元件可用于自发渗透中，或用于在自发渗透金属基质复合体热成型时所使用的任何模具或其它固定装置中。对此更详细的描述见下文。

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

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

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

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

另一种较好的、用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件是过渡金属硼化物[如二硼化钛（TiB₂）]。在使用时的某些加工条件下，它一般不被熔融铝金属合金润湿。用这种阻挡元件时，加工温度不应超过约875℃，否则阻挡元件就会失效。事实上，随着温度的增加，会发生向阻挡元件的渗透。另外，阻挡材料的粒度会影响这种材料抑制自发渗透的能力。过渡金属硼化物一般呈粒状（1～30微米）。阻挡元件也可以淤浆或糊的形式用于可渗透的陶瓷填料块的界面，这种材料块最好被预先成型，组成预型体。

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

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

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

图2是根据本发明用自生真空技术制造金属基质复合材料的典型的装置（30）。特别是，把填料或预型体（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质金属（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，存在于填料或预型体的气孔中的气氛）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。基质金属（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）可存在于基质金属（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（如在基质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，炉温必须在基质金属的熔化温度以上。这样才能使熔化的基质金属在自生真空的作用下渗透到填料或预型体中去。

图3给出了采用本发明工艺所需要的工艺步骤简化流程。第（21）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质复合体的排出。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，加到基质金属中去的锡，也都可能会有助于容器或模型中形成的金属基质复合体的排出。在容器内装入一定量的合适的填料或预型体，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质复合材料从渗流后留下的基质金属的残余中分离开来。

把一定量的熔融基质金属如铝、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。基质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质金属池的表面。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。将熔融基质金属或预型体接触，并通过外加密封层把基质金属与/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质金属不同（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质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体中产生真空（下面将更详细地讨论），而使熔融基质金属可渗流到填料或预型体中。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质金属定向固化。然后就可把金属基质复合材料用各种方便的方法从容器中取出，如果还有基质金属残余的话，再将之分开。

上面对图2和图3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。

不希望受到任何特殊理论或说法的限制，人们就能理解，当某一种适当的基质金属（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体相接触时，在反应性气氛和熔融基质金属与/或填料或预型体与/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体中产生真空而驱使熔融基质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，反应气体与熔融基质金属和/或填料或预型体和/或不透气容器之间的进一步反应可以使基质金属随着真空的不断产生而不断渗流到填料或预型体中。反应可以继续进行一段时间，以使熔融的基质金属能部分地或相当完全地渗流到填料或预型体中，填料或预型体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体中。

本申请讨论了金属基质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质金属。对一些特殊的能产生自生真空的基质金属/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/氮气体系，青铜/空气体系，青铜/氮气，铜/空气，铜/氮气以及铸铁/空气等体系所产生的自生真空的性能作了说明。然而，必须明白，其它一些基质金属/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器的尺寸、形状可以是任意的，其成份是否与基质金属和/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/或基质金属和/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质金属中溶解度很小的金属（如不锈钢，它在铝、铜及青铜等基质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体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体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。

本发明中所用的基质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体中去。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质金属渗流到填料或预型体中去，这些金属即可作为基质金属。而且根据所用体系的不同，基质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，这样也可以使基质金属渗流到填料中去。

在优选实施方案中，基质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质金属与填料之间的结合力，减少所生成的金属基质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，而不是与基质金属制成合金。

因此，基质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，熔融基质金属对填料的湿润可以使填料在金属基质复合材料中均匀分散，并且改善基质金属与填料的结合性能。对铝基质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质金属与/或填充材料中去赋予所形成的金属基质复合体所必要的性能。

除此之外，还可以使用一个基质金属的储存器以保证基质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质金属的成份与第一种基质金属源的成份不同。例如，如果铝合金是第一种基质金属的话，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，使用与第一种基质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质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质复合体的性能。

所设计的反应体系的温度（如操作温度）可以随所使用的基质金属，填料或预型体;反应性气氛而变。例如，对于基质金属铝，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质金属的熔点以上，气化点以下。

可以通过控制复合体的形成过程中金属基质的成份与/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质复合体的冷却速率来调节。在一些情况下，希望金属基质复合材料能定向固化，这可通过把装有合成好的金属基质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。金属基质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质金属单独的热处理，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，填料或预型体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体中去。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质金属和/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质金属进入到填料中。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质复合体的形成。

本发明中的金属基质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，如基质金属，工艺条件，熔融基质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，熔融质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，当基质金属含有铝时，合适的填料包括（a）氧化物（如氧化铝）;（b）碳化物（如碳化硅）;和（c）氮化物（如氮化钛）。如果填料不利于与熔融基质金属反应，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，填料或预型体的成份与/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，材料的形状并不影响渗流，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体的渗透体的尺寸（如粒径）可以获得所希望的金属基质复合材料的物理与/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质金属和/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质金属和/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质金属进入到填料或预型体中去。反应性气体与基质金属和/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，可以使基质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，基质金属（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，从而导致熔融基质金属向填料或预型体中渗流。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，从而有助于熔融基质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质复合体的形成。

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体中（即阻止周围气体流入反应性气体），参看图2，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质金属（33）和/或填料或预型体（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。由于大多数的基质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质金属池（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质金属无关，或者是附加于由熔融基质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质金属的一种或几种特性所产生的（例如由基质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质金属池或把填料或预型体浸没在熔融基质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质金属。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质金属表面，在工艺条件下，它们可以与基质金属不发生反应。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质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质金属表面来实现。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，基质金属可以与周围气体反应形成与基质金属成份不同的密封或密封料，例如，由基质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，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，促进基质金属与周围气氛的反应而增强密封效果（例如，在铝金属属加入镁、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，基质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。特别是当熔融基质金属向填料或预型体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，当容器中熔融基质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质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质金属湿润的材料，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质合金的亲合能很小，或没有亲合力，在所限定的填料或预型体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质复合材料产品的最终机加工或磨削加工。

对铝基质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体表面。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体上，这样填料或预型体就只被GRAFOIL

阻挡层内的基质金属所渗入了。这种石墨片还可制成所希望得到的金属基质复合体的复型，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，当渗透的基质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质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质复合材料。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体，反应气体以及用于阻止金属基质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。通过反应气体与基质金属（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，从而使熔融基质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，因此熔融基质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。

实施例1

本实施例说明了各种几何形状的填料都可以成功地通过自发渗透技术形成金属基质复合体。表Ⅰ总结了形成许多金属基质复合体所利用的实验条件，包括各种基质金属填料几何形状，加工温度和加工时间。

样品A

制备一个二氧化硅模，该模具有一个内空腔，其尺寸为长约5英寸（127mm），宽约5英寸（127mm），深约3.25英寸（83mm），并且在该二氧化硅模的底部带有5个孔11，其尺寸为直径约0.75英寸（19mm），深约0.75英寸（19mm）。该模的形成是通过首先混合一种泥浆，该泥浆包括约2.5-3重量份的二氧化硅粉（得自Ransom & Randolph，Maunee，OH的RANCO-SIL^TM4）、约1重量份的胶态二氧化硅（Nyacol Products，Inc.Ashland，MA生产的Nyacol

830）和约1-1.5重量份的二氧化硅砂（由Ransom & Randolph，Maunee，OH出售的RANCO-SIL^TMA）。将得到的泥浆混合物倒入一个橡胶模中，所说的橡胶模具有所需的二氧化硅模的内空腔的负型，并将其放在一个冷冻器中过夜（约14小时）。接着将二氧化硅模从橡胶模上分离出来，并将其在一个空气气氛炉中于约800℃下烧制约1小时，然后使其冷却至室温。

将所形成的二氧化硅模的底表面用一块石墨箔（得到TTAmerica，Portland，OR的Perma-Foil）盖住，所用的石墨箔尺寸为长约5英寸（127mm），宽约5英寸（127mm），厚约0.010英寸（0.25mm）。在相应于二氧化硅模10的底部上的孔11的位置处，在该石墨箔上切出孔，其直径约为0.75英寸（19mm）。将二氧化硅模底上的孔用基质金属圆柱填充，其中基质金属圆柱的尺寸为直径约0.75英寸（19mm），厚约0.75英寸（19mm），并且具有与下面所述的基质金属相同的组成。在一个约4升的塑料缸中制备约826g包括约95%（重量）的220粒度（grit）的氧化铝（得自Norton  Co.，Worcester，MA）和约5%（重量）的-325目镁粉（由Johnson  Matthey，Seabrook，NH，出售的Aesar）的填料混合物，并用手振荡约15分钟。然后将这种填料混合物倒入二氧化硅模的底部，其厚度约为0.75英寸（19mm），并轻轻地拍打以平整填料混合物的表面。将约1220克基质金属放在二氧化硅模中的填料混合物的顶上，所说的基质金属含有（以重量计）约小于0.25%Si，小于0.30%Fe，小于0.25%Cu，小于0.15%Mn，9.5-10.6%Mg，小于0.15%Zn，小于0.25%Ti，其余为铝。将该二氧化硅模及其内含物放入一个不锈钢容器，该容器的尺寸为长约10英寸（254mm），宽约10英寸（254mm），高约8英寸（203mm）。将重约15g钛海绵材料（得自Chemalloy  Inc.，Bryn  Maer，PA）撤在不锈钢容器中的二氧化硅摸的周围。将一片铜箔放在不锈钢容器的开口上，以便形成一个封闭室。通过铜箔片有一个氮气清洗管，并将该不锈钢容器和其内含物放入一个空气气氛的电阻加热的箱式炉中。

将炉温在约10升/分钟的氮气流量下以约400℃/小时的速度从室温提高到约600℃（注意这种封闭室不是气密的，可允许一些氮气从中逸出），然后在约2升/分钟的氮气流量下以约400℃/小时的速度将炉温度从约600℃提高到750℃。在约2升/分钟的氮气流量下，于约775℃下将该体系保温约1.5小时后，将不锈钢容器及其内含物从炉中取出。将二氧化硅模从不锈钢容器中取出，并从二氧化硅模内倾倒出一部分残余基质金属。将一个室温铜激冷板[长约5英寸（127mm），宽约5英寸（127mm），厚约1英寸（25mm）]放在二氧化硅模内，以使得该板与顶部的残余基质金属接触，来定向固化形成的金属基质复合体。

样品B

通过在一个钢板（长约7英寸（178mm），宽约7英寸（178mm），厚约0.25英寸（6.4mm））上放置一个钢框形成一个钢盒，内空腔具有尺寸为长约5英寸（127mm），宽约5英寸（127mm），深约2.75英寸（70mm），并且壁厚约为0.3英寸（7.9mm）。将钢盒用一个石墨箔盒做衬里，盒的尺寸为长约5英寸（127mm），宽约5英寸（127mm），高约3英寸（76mm）。该石墨箔盒是由一块长约11英寸（279mm），宽约1英寸（279mm），厚约0.010英寸（0.25mm）的石墨箔盒（得自TT  America，Portlomd，OR的Perma-Foil）制成。从该石墨箔的四个角上切掉四块长宽各约3英寸（76mm）的方块，然后将切后的石墨箔的边折起，钉住形成石墨箔盒。

通过在一个塑料缸中混合材料并用手振荡约15分钟制备约782g的填料混合物，该混合物含有（以重量计）约95%的氧化铝（得自Alcan  Chemicals，Montreal，Cemada）和约5%的-325目镁粉（由Jphnson  Matlhey，Seabrook，NH出售的AESAR）。然后，将该填料混合物倒入石墨盒中，深度约为0.75英寸（19mm），并轻轻拍打该混合物以平整其表面。将该填料混合物的表面用约4g的-50目的镁粉（由Morton  thiokol，Danvers，MA出售的Alphec  Products）覆盖。将约1268g的基质金属放在用镁粉覆盖的填料混合物的上面，其中的基质金属含有（以重量计）约小于等于0.25%Si，小于等于0.30%Fe，小于等于0.25%Cu，小于等于0.15%Mn，9.5-10.6%  Mg，小于等于0.15%Zn，小于等于0.25%Ti和余量为铝。

将钢盒及其内含物放入一个不锈钢容器中，该容器的尺寸为长约10英寸（254mm），宽约10英寸（254mm），高约8英寸（202mm）。将一块石墨箔[尺寸为长约10英寸（254mm），宽约10英寸（254mm），厚约0.010英寸（0.25mm）]覆盖在不锈钢容器的底部，并且预先将一块耐火砖放在石墨箔上以支撑不锈钢容器内的钢盒。将约20g的钛海绵材料（得自Chemalloy  Company，Inc.，Bryn  Mawr，PA）撤在支撑钢盒的耐火砖周围不锈钢容器底部的石墨箔上。将一片铜箔放在不锈铜容器的开口上以形成一个封闭室。通过港箔片提供一个氮气清洗管。将该不锈钢容器及其内含物放入一个空气气氛的电阻加热的箱式炉中。

将炉子以约400℃/小时的速度，在通过管的氮气流量约为10升/分钟的条件下，从室温加热到约600℃，然后在氮气流量约为2升/分钟的条件下，以约400℃/分钟的速度使炉子从约600℃加热到约800℃。然后在氮气流量约为2升/分钟的条件下，使该体系在约800℃下保持约2小时。然后将不锈钢容器及其内含物从炉中取出，并将钢盒从不锈钢容器中取出，放在一个室温水冷却的铜激冷板[尺寸为长约8英寸（203mm），宽约8英寸（203mm），厚约0.5英寸（13mm）]上以便定向固化金属基质复合体。

样品C

提供一个石墨舟，该石墨舟是由联合碳化物公司生产的ATJ石墨制成，并且带有一个尺寸为长约12英寸（305mm），宽约8英寸（203mm），高约5.25英寸（13.3mm）的内高腔。在石墨舟的底部放入3个石墨箔制的盒子[尺寸为长约8英寸（203mm），宽约4英寸（102mm），高约5英寸（127mm）]。该石墨箔盒是由一块石墨箔（得自联合碳化物公司的Grafoil

）制成，其尺寸为长约14英寸（356mm），宽约12.5英寸（318mm），厚约0.015英寸（0.38mm）。从这块石墨箔的4个角切掉长宽各约为5英寸（127mm）的方块，然后将石墨箔折起形成一个石墨箔盒，用含有（以重量计）约1份的石墨粉（得自Lonza，Inc.Fair Lawn，NJ的KS-44）和约3份的胶态二氧化硅（得自E.I.du Pont de Nemours & Co.Inc.Wilmington，DE的LUDOX

SM）的混合物粘合并且钉住以固定盒子。将该石墨箔盒的底部均匀地用一层-50目的镁粉（由Alpha Proclucts，Morton Thiokol，Danvers，MA出售的）覆盖。用一种含有（以体积计）约25-50%的石墨粘合剂（得自Polycarbon，Valencia，CA的RIGIDLDCK^TM）和余量的乙醇的混合物使镁粉粘粘附到该石墨箔盒的底上。

将约1000g的填料混合物放入一个塑料缸中，并在球磨机上混合至少2小时，所说的混合物含有约98%的-60粒度的片状氧化铝（得自Alcoa Industrial Chemicals Division，Bauxite，AR的T-64）和约2%的-325目镁粉（由Johnson Mattey，Seabrook，NH出售的AESAR

）。然后将这种填料混合物倒入衬在石墨舟中的石墨箔盒的底部，用手压实，并且用一层6g的-50目的镁粉（得自Alpha Proelucts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）覆盖。将约1239g的基质金属55放在石墨箔盒52中的填料混合物54的上面，其中的基质金属含有（以重量计）约小于等于0.35%Si，小于等于0.40%Fe，1.6-2.6%Cu，小于等于0.20%Mn，2.6-3.4%Mg，0.18-0.35%Cr，6.8-8.0%Zn，小于等于0.20%Ti，其余为铝。

将石墨舟及其内含物放入一个处于室温的衬甑电阻加热炉中。将甑门关闭，并将其抽空到至少30英寸（762mm）Hg柱。达到该真空后，以约2.5升/分钟的流量向甑室中充入氮气。然后将该衬甑炉以约120℃/小时的速度加热到约700℃，在约2.5升/分钟的流氮气氛下，于约150℃/小时的速度从约700℃降到约675℃。在约675℃下，从甑室中取出石墨舟及其内含物，进行定向固化。具体地说，将石墨舟放在一个室温下的石墨板上，将约500ml的外部热顶材料（由Foseco Inc.，Brook Park，OH出售的Feedol

-9）倒到石墨箔盒中的熔融基质金属的顶上，并将约2英寸（51mm）厚的陶瓷纤维毡（Manville Refra-clory Products公司的CERABANET^TM）缠绕在石墨舟的周围。在室温下，折开石墨箔盒表明已形成了金属基质复合体。

样品D

提供一个石墨舟，该石墨舟是由联合碳化物公司制造的ATJ石墨制成，并且具有尺寸为长约8英寸（203mm），宽约4英寸（102mm），深约2.5英寸（63mm）的内空腔。将一个石墨箔盒（长约8英寸（203mm），宽约1.5英寸（38mm），高约3英寸（76mm）]放入石墨舟中。该石墨箔盒是由一块石墨箔（得自联合碳化物公司的Grafoil ）制成，该石墨箔的尺寸为长约14英寸（356mm），宽约7.5英寸（191mm），厚约0.015英寸（0.38mm）。从这块石墨箔的四个角上各切掉一块长宽均约为3英寸（76mm）的正方块，然后将切后的石墨箔折起形成一个石墨箔盒，再用石墨粘合剂（得自Polycarbon，Valeacia，CA的RIGIDLOCK^TM）粘结，并钉住。充分干燥后，将该石墨箔盒放入石墨舟中。

将约1000g的填料混合物放入一个约4升的塑料缸中，并将该塑料缸的剩余体积用乙醇填充以产生一种泥浆混合物，其中的填料混合物包括（以重量计）约96%的氧化铝片晶（直径约10微米;厚约2微米）（由Wilmington，DE的E.I.du Pont de Nemours & Co.，Inc提供的改进级的FaAl₂O₃片晶）和约4%的-325目镁粉（AESAR

，得自Johnson Mathey，Seabrook，NH）。然后将该塑料缸及其内含物放在一个球磨机上混合至少3小时。然后使泥浆混合物经真空过滤从填料混合物中分离出乙醇。基本除去乙醇后，将填料混合物放在一个温度约为110℃的空气干燥箱内干燥过夜。然后将这种填料混合物经过一个40目的筛子来完成其制备。这种液体分散技术在后面将称为“LD技术”。

将该石墨箔核的底用一层约1.5g的-50目的镁粉（由于Morton thiokol，Danvers，MA的Plpha Products，Inc.提供）涂敷，并用一种石墨粘合剂（由Polycarbon，Valencia，CA出售的RIGIDLOCK^TM）将其粘附到石墨箔盒71的底上。用手压实，并用一层约1.5g的-50目镁粉（由Morton Thiokol，Danvers，MA的Hlpha Products，Inc.公司提供）涂敷。将约644g的基质金属放在石墨箔盒中的填料混合物上，所说的基质金属包括（以重量计）约小于等于0.25%Si，小于等于0.30%Fe，小于等于0.25%Cu，小于等于0.15%Mn，9.5-10.6%Mg，小于等于0.15%Zn，小于等于0.25%Ti和余量的铝。沿着石墨箔盒的外侧放置两块石墨支撑板（长约8英寸（203mm），宽约3英寸（76mm），厚约0.5英寸（13mm）。将220粒度的氧化铝材料（得自Worcester，MA的Norton公司的38  Alundum）放入石墨板周围的石墨舟中。

将包括石墨舟及其内含物的体系放入一个室温下的衬甑电阻加热炉中。将甑门关闭，并将甑中抽空到至少20英寸（508mm）Hg粒。在氮气流量约为4升/分钟的条件下，以约100℃/小时的速度将该衬甑炉加热到约775℃。在氮气流量约4升/分钟的条件下于约775℃保温约10小时后，将石墨舟及其内含物从炉中取出，实现定向固化。具体地说，将石墨舟放在一个室温水冷却的氧化铝激冷板上，并向石墨箔盒中的熔融基质金属的顶上倒入约500ml的外部热顶材料（由Brook Park，OH的Foseco Inc.公司销售的Feeclol -9），再在石墨舟70的周围缠绕约2英寸（51mm）厚的陶瓷纤维毡（Manville Refractory Products的CERABANKET^TM）。在室温下，折开石墨箔盒，展现在出已形成了金属基质复合体。

接着将形成的金属基质复合体进行热处理。具体地说，将该复合体放入一个不锈钢网蓝中，然后将该蓝子放入一个空气气氛的电阻加热炉中。在约40分钟内，将炉温提供到约435℃，并在该温度下保温约18小时，然后将复合体从炉中取出，在室温水浴中进行淬火。

样品E

通过将300系列不锈钢板焊接在一起制成一个长约6英寸（152mm）、宽约2英寸（76mm）、高约5英寸（127mm）的不锈钢盒。该盒衬有长约6英寸（152mm）、宽约3英寸（26mm）、高约5英寸（127mm）的石墨箔盒。该石墨盒由长约16英寸（406mm）、宽约13英寸（330mm）、厚约0.015英寸（38mm）的石墨箔（Grafoil

，联合碳化物公司出品）制成。从这块石墨箔的四个角切掉四块长宽约为5英寸（127mm）的方块。石墨箔经折叠与装钉形成石墨箔盒，随后将其放入不锈钢盒之中。

通过在一体积为4升的塑料罐中混合约600g由大约73%（重）1000粒度碳化硅（Norton公司提供的39 crystolon）、约24%（重）碳化硅晶须（由日本NIKK EI技术研究有限公司生产）和大约3%（重）-325目镁粉（来自AESAR ，Johnson Matthey，Seahrook，NH）组成的混合物并且通过将该罐放在球磨机中大约1小时来制备填料混合物。

将厚度约为0.75英寸（19mm）的填料混合物的层倒入不锈钢盒内的石墨箔盒的底部。将总重约为1216g的由大约10%（重）硅、5%（重）铜、其余为铝的基质金属铸块放在石墨箔盒内的填料混合物的顶部。随后将不锈钢盒及其内含物放入长约10英寸（254mm）、宽约8英寸（203mm）、深约8英寸（203mm）的***不锈钢容器之中。将大约15g钛海棉材料（来自Chemalloy，Inc.，Bryn  Mawr，PA）、大约15g-50目镁粉（来自AlphaProducts，Morton  Thiokol，Danvers，MA）撒入处于***不锈钢容器之中的不锈钢盒的四周。将铜箔板放在***不锈钢容器的开口上。有一条氮气清洗管通过铜箔。

将含有不锈钢容器及其内含物的体系放在电阻加热空气气氛炉中。在氮气以大约2.5升/分钟的流量进入不锈钢容器的同时，该炉以大约550℃/小时的速率由室温被加热至大约800℃。在温度为800℃左右、氮气流量约2.5升/分钟的条件下经过大约2.5小时后，从炉中取出***不锈钢容器及其内含物。从***不锈钢容器中取出衬有石墨箔的不锈钢盒并且将其内含物放在室温铜激冷板上以便定向固化金属基质复合体，该板长约8英寸（203mm）、宽约8英寸（203mm）、厚约0.5英寸（13mm）。于室温下，拆分石墨箔盒得到所形成的金属基质复合体。

样品F

使用带有内腔尺寸约为3.75英寸（95mm）长、大约1.8英寸（45mm）宽、大约0.79英寸（20mm）深的氧化铝舟。将含有空心氧化铝球（Aerospheres，由陶瓷填料公司，Atlanta，GA出售）、厚约1/8英寸的填料层放在氧化铝舟的底部。将含有大约≤0.25%（重）Si、≤0.30%（重）Fe、≤0.25%（重）Cu、≤0.15%（重）Mn、9.5-10.6%（重）Mg、≤0.15%（重）Zn、≤0.25%（重）Ti、其余为铝的基质金属铸块放在氧化铝舟中的填料层上。

将氧化铝舟及其内含物放在于室温下电阻加热管式炉中。该管式炉基本上是密封的，并且被抽空达到至少30英寸（762mm）Hg。随后，将氮气以大约0.5升/分钟的流量导入管内并且以大约300℃/小时的速率将该管式炉加热至大约800℃。该体系在温度约为800℃、氮气流速约0.5升/分钟的条件下经过大约0.5小时后，以大约300℃/分钟的速率将管式炉冷却至室温。于室温下，从炉中取出氧化铝舟得到所形成的金属基质复合体。

样品G

提供一个由ATJ石墨（联合碳化物公司出口）制造、长约4英寸（102mm）、宽约4英寸（102mm）、高约3英寸（76mm）的石墨舟。将24粒度氧化铝材料（38 Alundum，由Norton公司，Worcester，MA出品）放入石墨舟的底部。将长约2英寸（51mm）、宽约2英寸（51mm）、高约3英寸（76mm）的石墨箔盒放在涂敷石墨舟底部的24粒度氧化铝之上。该石墨盒四周被附加的24粒度氧化铝包围。石墨箔盒由长约8英寸（203mm）、宽约8英寸（203mm）、厚约0.015英寸（0.38mm）的石墨箔（Grafoil

，由联合碳化物公司提供）制成。从这块石墨箔的四角上切掉四块长宽均为3英寸（76mm）的方块。石墨箔经折叠、用含有大约1重量份石墨粉末（KS-44，由Lonza公司，Fair Lawn，NJ提供）和大约3重量份胶态氧化硅（LUDOX SM，来自E.I.du Pont de Nemours & Co.Inc.，Wilmington，DE）的混合物胶合与装钉形成石墨箔盒。

由含有大约90%（重）直径约为20μm的切断氧化铝纤维（Fiber FP

，来自E.I.du Pont de Nemours & Company，Inc.，Wilmington，DE）和大约10%（重）直径为约3μm的氧化铝纤维（指定产品Saffil

，来自ICI Americas，Wilmington，DE）的混合物制备长约2英寸（51mm）、宽约2英寸（51mm）、厚约0.8英寸（20mm）的氧化铝纤维预型体。该预型体用胶态氧化铝粘结。将含有大约12%（体积）陶瓷纤维的氧化铝纤维预型体放在石墨舟中的石墨箔盒的底部。将两个长约2英寸（51mm）、宽约2英寸（51mm）、高约1英寸（25mm）、含有大约10.5%（重）Mg、4%（重）Zn、0.5%（重）Si、0.5%（重）Cu、其余为铝的基质金属铸块放在石墨箔盒中的氧化铝纤维预型体上。用含有大约1重量份石墨粉末（KS-44，由Lonza，Inc.，Fair Lawn，NJ出售）和3重量份胶态氧化硅（LUDOX

SM，由E.I.du Pont de Nemours & Co.，Inc.，Wilmington，DE生产）的糊状石墨混合物填充基质金属铸块的周边与石墨箔盒的侧壁之间的空间。

将石墨舟及其内含物放在室温受控气氛炉中。关闭炉门并将炉子抽空到至少30英寸（762mm）Hg。然后在大约0.75小时内将炉子加热至大约200℃。在大约200℃、真空度至少为30英寸（762mm）Hg下经过至少2小时后，以大约2升/分钟的流量用氮气回充炉子并且加热至大约675℃，历时大约5小时。在大约675℃、氮气流量约为2升/分钟下经过约20小时后，将炉子关闭并且冷却至室温。于室温下，拆分石墨箔盒得到所形成的金属基质复合体。

样品H

通过将300系列不锈钢板焊接在一起制成一个长约6.5英寸（165mm）、宽约6.5英寸（165mm）、高约3英寸（76mm）的不锈钢容器。该容器衬有长约6英寸（152mm）、宽约6英寸（152mm）、高约3英寸（76mm）的石墨箔盒。该石墨盒由长约9英寸（229mm）、宽约9英寸（229mm）、厚约0.015英寸（0.38mm）的石墨箔（Grafoil ，由联合碳化物公司提供）制成。从这块石墨箔的四角上切掉四块长宽均为3英寸（76mm）的方块。切割的石墨箔经折叠、用含有约1重量份石墨粉末（KS-44，由Lonza，Inc.，Fair Lawn，NJ）提供）和约3重量份胶态氧化硅（LUDOX

SM，来自E.I.du Pont de Nemours&Co.Inc.，Wilmington，DE）的混合物胶合与装钉形成石墨箔盒。待胶水基本上干燥后，将石墨箔盒放在不锈钢容器的底部。将厚约0.25英寸（6.4mm）的90粒度Si C层（39 Crystolon，来自Norton Co.，Worcester，MA）倾入石墨箔盒的底部。

将长约6英寸（152mm）、宽约6英寸（152mm）、厚约0.5英寸（13mm）、由直径约为20μm的氧化铝纤维（Fiber FP

，由E.I.du Pont de Nemours & Company，Inc.，Wilmington，DE出售）制成的连续纤维预型体放在作为不锈钢容器衬里的石墨箔盒中90粒度Si C层的顶部。将尺寸约为6英寸（152mm）×6英寸（152mm）×0.015英寸（0.38mm）、其中心有直径约为2英寸（51mm）孔的石墨箔板（Grafoil

，由联合碳化物公司出品）放在连续纤维预型体上。将长约3.5英寸（89mm）、宽约3.5英寸（89mm）、厚约0.5英寸（13mm）、含有约≤0.25%（重）Si、≤0.30%（重）Fe、≤0.25%（重）Cu、≤0.15%（重）Mn、9.5-10.6%（重）Mg、≤0.15%（重）Zn、≤0.25%（重）Ti其余为铝的基质金属铸块放在石墨板上。

将不锈钢容器及其内容物放在室温电阻加热衬甑炉中。关闭甑门，将其抽空达到至少30英寸（762mm）Hg。然后将衬甑炉加热至大约200℃，历时约0.75小时。在大约200℃的温度及真空度约为30英寸（762mm）Hg下经过约2小时后，以大约2.5升/分钟的量用氮气回充抽空的甑。然后在氮气流量约为2.5升/分钟的条件下以大约150℃/小时的速度将衬甑炉加热至大约725℃。在氮气流量约为2.5升/分钟的条件下将该体系在大约725℃下保持大约25小时。从甑中取出不锈钢容器及其内含物。通过将不锈钢容器放在石墨板上并且将预热到至少700℃的90粒度氧化铝（38 Alundum，由Norton Co.，Wocester，MA出售）倾至残余熔融基质金属来完成定向固化，用陶瓷纤维毡（OERABLANKET^TM，Manville Refractory Products）覆盖不锈钢容器及其内含物。于室温下，折分组合体得到所形成的连续纤维增强金属基质复合体。

样品Ⅰ

采用长约22.75英寸（578mm）、宽约9.75英寸（248mm）、高约6英寸（152mm）、由ATJ石墨（由联合碳化物公司出售）制成的石墨舟。如样品G中所述，由石墨箔（Grafoil

，由联合碳化物公司提供）制成长约17英寸（452mm）、宽约1英寸（25mm）、高约1英寸（25mm）的石墨箔盒。

将石墨箔盒放入石墨舟并且用24粒度氧化铝（38  Alundum，由Norton  Co.，Worcester，MA出售）包围。将一层疏松CVD碳化硅涂敷的石墨纤维（Thornel  T300  Gracle  309  ST  Carbon  Pitch  Fibers，Amoco  Performance  Products，Inc.）放入石墨箔盒的底部。采用与用于粘合石墨箔盒相同的石墨粉末/胶态氧化硅混合物涂敷CVD碳化涂敷过的石墨纤维的端部。将长约12英寸（305mm）、宽约0.75英寸（19mm）、厚约1英寸（25mm）、含有大约6%Mg、5%（重）Zn、12%（重）Si、其余为铝的基质金属铸块放在石墨箔盒中经过疏松碳化硅涂敷的石墨纤维上。将石墨舟及其内含物放入室温控制气氛炉中。关闭炉门，内部抽空到至少30英寸（762mm）Hg，其间温度为室温。然后在大约0.75小时内将炉子加热至大约200℃。在温度为200℃、真空度为至少30英寸（762mm）Hg的条件下经过约2小时后，以大约1.5升/分钟的流量用氮气回充炉子。在大约5小时内使炉温升至约850℃。在约850℃、氮气流速约为1.5升/分钟的条件下经过约10小时后，在约3小时内将炉子冷却至室温。在室温下，折分石墨箔盒得到所形成的金属基质复合体。

实施例2

本实施例表明可以采用各种不同的填料组合物通过自发渗透技术成功地制备金属基质复合体。表Ⅱ汇总了采用各种基质金属制备金属基质复合体的实验条件、填料、操作温度与操作时间。

样品A-D

采用熔凝氧化铝填料、煅烧氧化铝填料、片状氧化铝填料和片晶状氧化铝填料分别地如实施例5所述制备样品A-D。样品A-D被列于表Ⅱ中。

样品J

将长约4英寸（102mm）、宽约4英寸（102mm）、高约3英寸（76mm）的石墨箔盒（由Grafoil

制成，联合碳化物公司的产品）放入石墨舟中。将大约300g氧化镁粉末（TECO Mg O，品位120s，C-E Minerals，Greewille，SC）放在石墨箔盒衬里的石墨舟底部。用-50目镁粉（来自Alpha Products，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）基本上覆盖氧化镁粉的表面。将含有≤0.25%（重）Si、≤0.30%（重）Fe、≤0.25%（重）Cu、≤0.15%（重）Mn、9.5-10.6%（重）Mg、≤0.15%（重）Zn、≤0.25%（重）Ti、其余为铝、长约4.5英寸（114mm）、宽约1.5英寸（38mm）、高约1.5英寸（38mm）的基质金属铸块放入石墨箔盒内的氧化镁粉末及-50目镁粉之中。

将石墨舟及其内含物放入衬甑电阻加热炉中。关闭甑门并且于室温下将甑抽空到至少为30英寸（762mm）Hg。待达到该真空度后，以大约4升/分钟的流量用氮气回充该炉。然后在氮气流量约为4升/分钟的条件下以大约200℃/小时的速度将该衬甑炉加热至大约750℃。在温度约为750℃、氮气流量约为4升/分钟的条件下经过约19小时后，以大约200℃/小时的流速将衬甑炉冷却至大约650℃。在大约650℃时，打开甑门，取出石墨舟及其内含物并且使其与石墨板接触以便使金属基质复合体与残余基质金属定向固化。于室温下，折分石墨箔盒得到所形成的含有氧化镁填料的金属基质复合体。

样品K

由14规格（1.9mm）厚的碳钢制作具有梯形横截面、其密闭端长约3英寸（76mm）、宽为3英寸（76mm）、其敞口端长约3.75英寸（95mm）、宽为3.75英寸（95mm）、其高度约为2.5英寸（64mm）的钢模具。该钢模具的内表面用由大约1.5体积份乙醇（来自Pharmco.Porducts，Inc，，of  Byon，NJ）与大约1体积份DAG-154胶态石墨（来自Acheson  Chlloid，Port  Huronm  MI）组成的石墨混合物涂敷。用气刷将至少三层石墨混合物喷涂于该容器的内表面上。在每涂敷下一层石墨混合物之前须使前一层干燥。将钢模具放入约为330℃的电阻加热空气气氛炉中干燥约2小时并使胶态石墨涂层粘着在钢模具上。

将约2.2磅（1kg）部分稳定的氧化锆（HSY-3SD，Zirconia Sales，Inc.，Altlanta，GA）放在高约7英寸（177.8mm）、上部直径约为6.25英寸（159mm）、底部直径约为3.75英寸（95mm）的氧化铝坩埚中在大约1350℃下预烧约1小时。通过在一个4升塑料罐内混合约600g由大约95%（重）预烧的ZrO₂和大约5%（重）-325目镁粉（来自Reede制造公司，Labe Hurst，NJ）组成的混合物制成填料混合物。将该混合物球磨约1小时，随后手动振摇10分钟。

将一层填料混合物倒入胶态石墨涂敷的模具的底部直至深度约为0.75英寸（19mm）为止。用一层-50目Mg粉（来自Alpha  Products，Morton  Thiokol，Danvers，MA）基本上覆盖填料。将含有大约99.7%（重）铝、其余为痕量元素、总重约为537g的基质金属铸块放在胶态石墨涂敷的钢模具内填料混合物和镁粉层的顶部。将另外16.9g含有大约15%（重）硅、其余为铝的第二基质金属加至原有基质金属的顶部。随后将模具及其内含物放入长约12英寸（305mm）、宽约10英寸（254mm）、高约10英寸（254mm）的***碳钢容器中。用一块长约12英寸（305mm）、宽约10英寸（254mm）、厚约0.01英寸（0.25mm）的石墨箔（指定产品PF-25-H，以商品名Perma-Foil由TT  America，Portland，OR提供）覆盖***碳钢容器的内腔体底部。将重约20g的钛海锦材料（来自Chemalloy  Company，Inc，，Bryn  Mawr，PA）和重约0.8g的-50目镁粉（Alpha  Products，Inc.，Morton  Thiokol，Danvers，MA）撒在***碳钢容器内胶态石墨涂敷的钢模具周围与石墨箔之上。将一块铜箔放在***钢容器的开口上。***碳钢容器的侧壁上设置有一条氮气清洗管。将***钢容器及其内含物放入电阻加热通用炉中。在氮气流量约为10升/分钟的条件下以大约400℃/小时的速率将炉子温度由室温升至大约600℃，然后在氮气流量约为2升/分钟的条件下以大约400℃/小时的速度由大约600℃升至大约800℃。在氮气流量约为2升/小时和温度约为800℃的条件下经过约1小时后，从炉中取出***碳钢容器及其内含物，从***钢容器中取出胶态石墨涂敷的钢模具并且与长约8英寸（203mm）、宽约8英寸（203mm）、高约0.5英寸（13mm）的室温钢激冷板接触以便使所形成的金属基质复合体发生定向固化。

样品L

采用与制备样品K相同的方式制备具有梯形横截面的模具，所不同的是模具被煅烧2小时以便固化胶态石墨涂层。

采用与样品K中填料相同的制备方法制备大约2.2磅（1kg）ZrO₂韧化Al₂O₃（ZTA-85，Zirconia Sales，Inc.，Altantam GA）。将一层填料混合物倒入胶态石墨涂敷的钢模具底部直至深度约为0.75英寸（19mm）为止。用一层-50目镁粉（来自Alpha products，Morton Thiokol，Danvers，MA）基本上覆盖填料。将含有大约99.7%（重）铝、其余为痕量元素、重约368g的基质金属铸块放在被镁粉覆盖的填料混合物顶部。将含有约15%（重）硅、其余为铝、重约17.11g的第二基质金属放在第一基质金属的顶部。将胶态石墨涂敷的钢模具及其内含物放入长约12英寸（305mm）、宽约10英寸（254mm）、高约10英寸（254mm）的***碳钢容器中。用长约12英寸（305mm）、宽约10英寸（254mm）、厚约0.01英寸（0.25mm）的石墨带产品（指定产品PF-25-H，以商品名Perma-Foil由TT  America，Portland，OR出售）覆盖***碳钢容器内腔的底部。将重约20g的钛海绵材料（来自Clemalloy  Company，Inc.，Bryn  Mawr，PA）和重约2g的-50目镁粉撒在***碳钢容器内的胶态石墨涂敷的模具四周与石墨带产品之上。将一片铜箔放在***碳钢容器的开口上。***碳钢容器的侧壁上设置有一条氮气清洗管。

将封盖的钢容器及其内容物放入电阻加热通用炉中。在氮气流量约为10升/分钟时，以大约400℃/小时的速率将炉温由室温升至大约600℃，随后在氮气流量约为2升/分钟时，以大约400℃/小时的速率将炉温由大约600℃升至大约800℃。将炉子在温度约为800℃、氮气流量约为2升/分钟下保持1小时后，将其冷却至大约580℃。取出炉中的***碳钢容器及其内含物，从***碳钢容器中取出胶态石墨涂敷的钢模具并使其与长约8英寸（203mm）、宽约8英寸（203mm）、厚约0.5英寸（13mm）的室温铜激冷板接触以便定向固化所形成的金属基质复合体。

样品M

提供一个其内空腔长约12英寸、宽约9英寸、高约5.5英寸的石墨舟（ATJ品位，来自联合碳化物公司，由MGP，Inc.，Womelsdorf，PA制造）。如在样品C中所述的那样制备长约8英寸（203mm）、宽约4英寸（102mm）、深约3英寸（76mm）的石墨箔盒217（Grafoil ，来自联合碳化物公司）。将大约1g的-50目镁粉（来自Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）放入盒的底部。在石墨盒的底部喷涂少量石墨粘合剂（RIGIDLOCK ，来自Polycarbon，Valencia，CA），以便将镁粉粘结于盒的底部。

通过使大约763g由大约98%（重）1000目碳化硅（39 Crystolon，来自Norton Co.，Worcester，MA）与大约2%（重）-325目镁粉（Aesar

，Johnson Mathey，Seabrook，NH）组成的混合物于乙醇淤浆中混合（借助在实施例1的样品D中讨论的LD技术）制填料混合物。然后将该填料混合物放入石墨盒中镁粉顶部。

将一层长约8英寸（203mm）、宽约4英寸（102mm）、厚约0.015英寸（0.38mm）、其中具有直径约为1.25英寸（32mm）的孔214的石墨箔213（Grafoil

，由联合碳化物公司出品）放在石墨舟内碳化硅填料的表面上。将大约1g的-50目镁粉（来自Alpha Products，Znc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）放在暴露于石墨箔上孔的填料的表面上。

将重约1237g并且含有413.0合金（公称组成约为11.0-13.0%Si、≤2.0%Fe、≤1.0%Cu、≤0.35%Mn、≤1.0%Mg、≤0.50%Ni、≤0.50Zn、≤0.15%Sn、其余为铝）的基质金属铸块放在石墨箔的表面上，从而使合金覆盖石墨板上的孔。

将包括舟及其内含物的反应体系放入衬甑电阻加热炉。将炉子抽空到至少20英寸（508mm）Hg，然后用氮气以大约4.5升/分钟的流量回充炉子。以大约200℃/小时的速度将炉温由室温升至大约775℃。将该体系在大约775℃下保持约20小时，随后以大约150℃/小时的速率将炉温降至大约760℃。在约760℃下，取出该体系并且放在水冷却铝急冷板上。将大约500ml放热的热顶材料（Feedal -9，Foseco，Inc.，of Brook Park，OH）撒在组装体的顶端，用陶瓷纤维毡（CERAB LANKET，Manville Refractory Products）缠绕石墨舟。利用Feedal -9在组装体的顶部发生放热反应从而迫使金属基质复合体在其冷却时发生定向固化，这样便可以抑制金属基质复合体内形成收缩空隙。

样品N

将长约8英寸（203mm）、宽约3英寸（26mm）、厚约0.5英寸（0.3mm）的两块ATJ品位石墨板放在一个长约8英寸（203mm）、宽约4英寸（102mm）、深约3英寸（76mm）的石墨舟中以便在石墨舟内形成长约8英寸（203mm）、宽约2英寸（50.8mm）、高约3英寸（76mm）的空腔。用220粒度氧化铝（38 Alundum，来自Norton公司）填充位于石墨板以外的石墨舟部分。将如样品C中所述制得的、长约8英寸（203mm）、宽约2英寸（50.8mm）、高约3英寸（76mm）的石墨箔盒（Grafoil

，来自联合碳化物公司）放入氧化铝板之间的空腔内。将大约1.5g-50目镁粉（Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）放入石墨箔盒的内部，使其粘结在具有石墨粘合剂（RIGIDLOCK^TM，来自Polycarbon，Ltd.，Valencia，CA）的石墨箔盒的底部。

借助在实施例1的样品D中所述的LD技术制备碳化硅片晶填料混合物，从而制备约303g含有约96%（重）碳化硅片晶（直径约为50μm、厚约10μm）（C-Axis Technology，Ltd.，Jonquiere，Quebec，Canada）和约4%（重）-325目镁粉（Aesar ，Johnson Mathey，Seabrook，NH）的混合物。将该填料混合物放在石墨舟中镁粉层的顶部。将第二层约1.5g-50目镁粉（Alpha Products，Morton Thiokol，Danvers，MA）放在碳化硅填料混合物的顶端。将重约644g、由413.0合金构成、其组成如表Ⅱ底部所示的铸块放在该体系中镁层的顶部。

将包括石墨舟及其内含物在内的体系放入衬甑电阻加热管式炉中。将炉子抽空到至少为-20英寸（508mm）Hg，然后以大约4.0升/分钟的流量用氮气回流炉子。以大约100℃/小时的速率使炉温由室温升至大约775℃。在大约775℃下将该体系保持约10小时，然后于大约200℃/小时的速率将其温度降至大约760℃。于大约760℃下从炉中取出该体系并且将其放在水冷却的铝激冷板上。将大约500ml放热的热顶材料（Feedal

-9，来自Foseco，Inc.，of Brook Park，OH）撒在组装体的顶部，并且将陶瓷纤维毡缠绕石墨舟的表面。利用Feedal

-9在组合体的顶部发生放热反应以便迫使金属基质复合体在其冷却时发生定向固化，从而抑制金属基质复合体内形成收缩空隙。

样品O

提供一个其内空腔尺寸约为长12英寸×宽约9英寸×高5.5英寸的石墨舟（ATJ品位，来自联合碳化物公司，MGP，Inc.，Womelsdorf，PA）。如样品C中所述，制备长约8英寸（（203mm）、宽约4英寸（102mm）、深约3英寸（76mm）的石墨箔盒（Grafoil

，来自联合碳化物公司）。将约1g的-50目镁粉（来自Alpha Prcducts，Inc.，Morton Thiokol，Danvers，MA）放在石墨箔盒的底部。将少量石墨粘合剂（RIGIDLOCK

，来自Polycarbon，Valencia，CA）喷涂在石墨箔盒的底部以便使镁粉粘结在盒的底部。

通过使大约94%（重）直径约为10μm、厚约2.5μm的二硼化钛片晶（HTC-30，来自联合碳化物公司）与大约6%（重）-325目镁粉（Aesar

，来自Johnson Mathey，Seabrook，NH）借助LD技术混合来制备填料，如实施例1的样品D中所述。然后将该填料混合物倒至石墨箔盒中镁粉顶部。

将其中心孔径约为1.25英寸（32mm）、尺寸约为8英寸（203mm）×4（102mm）×0.015（0.38mm）的石墨箔（Grafoil ，来自联合碳化物公司）放在填料的顶部。将大约1g-50目镁粉（Alpha Prochccts，Morton Thiokol，Danvers，MA）放在通过石墨板中的孔暴露的填料表面上。将大约1498g 520合金（含有大约≤0.25%（重）Si、≤0.35%（重）Fe、≤0.25%（重）Cu、≤0.15%（重）Mn、9.5-10.6%（重）Mg、≤0.15%（重）Zn、≤0.25%（重）Ti、其余为铝）放在石墨箔板的顶部。

将石墨舟及其内含物放入室温衬甑电阻加热炉中。关闭甑门并且将其抽空到至少20英寸（508mm）Hg。然后用氮气以大约4.5升/分钟的流量回充。以大约200℃/小时的速度将衬甑炉由室温加热至大约775℃。于大约775℃下经过大约20小时后，以大约150℃/小时的速度将其冷却至大约700℃。在此温度下，打开甑门，取出石墨舟及其内含物并将其放在室温水冷却的铝激冷板[尺寸约为12英寸（305mm）×9英寸（229mm）×2英寸（51mm）]上。将大约500ml放热的热顶材料（Feedal -9，来自Foseco，Inc.，of Brook Park，off）撒在组装体顶端，用陶瓷纤维毡（CERABANKET，Manville Refractory Products）缠绕石墨舟的表面。利用热顶材料在残余基质金属顶部发生放热反应以便迫使金属基质复合体在冷却时发生定向固化，从而抑制金属基质复合体内形成收缩空隙。

样品P

用按照所述实施例制备、尺寸约为6英寸（152mm）×6英寸（152mm）×7.5英寸（191mm）的石墨箔盒作为尺寸约为6英寸（152mm）×6英寸（152mm）×7.5英寸（191mm）的不锈钢容器的衬里。将其大约2g-325目镁粉（Aesar

，来自IohnsonMathey，Seabrook，NH）用石墨粘合剂（RIGIDLOCK^TM，来自Polycarbon，Valencia，CA）粘着在石墨盒底部上。将大约500g含有大约95%（重）氮化铝粉末（平均粒径约为3-6μm）（A-200AlN，来自Advanced Refractory Technology，Inc.，Buffalo，NY）和大约5%（重）-325目镁粉（Aesar

，来自Johnson Mathey，Seabrook，NH）的混合物放在一个体积为四升的塑料罐中进行机械混合达至少2小时以便获得均匀的填料混合物。将该填料混合物放入石墨箔盒中。将长约1英寸（25mm）、内径约为2英寸（51mm）的石墨管状门放在填料的顶部。将粒度氧化铝（E-38Alundum，来自Norton Co.，的疏松床层倒入石墨盒内、填料顶部中心处石墨管状门的外径周围。加入足量的220粒度氧化铝，使其基本上包围石墨管状门。将大约5g-50目镁粉（Alpha Products，Morton Thiokol，Danvers，MA）放入石墨管状门的内部以便覆盖填料的界面。将大约1210g标称组成为413.0的基质金属合金（含有大约11.0-13.0%（重）Si、≤2.0%（重）Fe、≤1.0%（重）Cu、≤0.35%（重）Mn、≤0.10%（重）Mg、≤0.50%（重）Ni、≤0.50%（重）Zn、≤0.15%（重）Sn、其余为铝）放在反应组分的顶端。

将包括钢容器及其内含物的体系放入衬甑电阻加热炉中，将该炉抽空到至少为-20英寸（508mm）Hg并且用氮气以大约4.0升/分钟的速率回充该炉。以大约200℃/小时的速度将炉子由室温升至大约200℃，在此温度下保持约49小时。随后以大约200℃/小时的速度将其加热至大约550℃，在此温度下保持约1小时，再以大约150℃/小时的速度将其加热至大约775℃。该体系在大约775℃下保持约10小时后，以大约150℃/小时的速率将其冷却至大约760℃。此时取出该体系并且借助热顶将其定向冷却。具体地说，将该体系放在长约12英寸（305mm）、宽约9英寸（229mm）、厚约2英寸（51mm）、水冷却的铝激冷板上。将大约500ml放热的热顶材料（Feedal

-9，来自Foseco，Inc.，of Brook Park，OH）撒在组合体的顶部。用陶瓷纤维毡（CERABLANKET，Manville Refractory Products缠绕在不锈钢容器周围以便使其绝缘。利用热预材料在残余基质金属的顶部发生放热反应有助于金属基质复合体在其冷却时发生定向固化，从而抑制金属基质复合体内产生收缩空隙。

本例中形成的部分金属基质复合体的机械性能在表Ⅱ中给出。测定机械性能的方法见下文。

极限抗拉强度（U.T.S）的测量

采用ASTM  ＃  B557-84“测试锻压和铸铝和镁产品的拉力的标准方法”。使用矩型拉力测样品品，其尺寸6英寸（154mm）长，0.5英寸（13mm）宽，0.1英寸（2.5mm）厚。该样品的测量面约为3/8英寸（10mm）宽，0.75英寸（19mm）长，底面至测量面的半径距离约为3英寸（76mm）。用一种环氧树脂（名称为Epoxy-Patch，Dexter  Corporation  of  High  Sol  Aerospace  and  Zndustrial  Products，Seabrook，NH）将四个长约为2英寸（51mm），宽约为0.5英寸（13mm），厚约为0.3英寸（7.6mm）的铝夹头固定在每个距型拉力测试样品的底面上。用产自北卡罗来纳州的Raleigh微测量公司的，品名为CEA-06-375  UW-350的应变仪（350欧姆电桥）测量矩型拉力测样品品的变形。用楔形夹将所述样品及铝夹头和应变仪放在一个Syntec  5000磅（2269kg）负荷仪（万能测试机，型号为CITS2000/b，由MA州Straton的***综合技术公司制造）上。将计算机测量***与测量物连接，应变仪记录测试影响值。在0.039英寸/分钟（1mm/分钟）的不变速率下，矩型拉力测样品品变形直至破裂。借助计算机内各程序由样品的几何形状记录下的影响计算最大应力，最大变形和破裂时变形。

由共振方法测量模量

采用与ASTM  C848-88基本相同的声波共振技术测量金属基质复合体的弹性模量。具体地讲，将约1.8-2.2英寸长，0.24英寸宽和1.9英寸厚（约45mm-55mm长，6mm宽，4.8mm厚）的复合体样品放在两个放射器之间，用一个花岗岩支撑空气台使该发射器与室内振动隔离。一个发射器用来激发复合体样品内部的振动，另一个则用来监测金属基质复合体的振动响应。通过对振动扫描，监测并记录每次振动的响应程度，同时注意振动频率，测定弹性模量。

用人字缺口样品测量金属基质材料的断裂韧度

用Munz，Shannon和Bubsey方法测量金属基质材料的断裂韧度。根据人字缺口样品在四次负荷中的最大负荷计算断裂韧度。具体地说，人字缺口样品的几何形状约为1.8-2.2英寸（45-55mm）长、约0.19英寸（4.8mm）宽、约0.24英寸（6mm）高。用金钢石锔割出一个人字缺口，使样品产生一条裂缝。将带有人字缺口的样品，以人字顶尖向下放在万能测试机的一个卡具中。使样品的缺口位于彼此相隔1.6英寸（40mm）的两根杆之间，距离每根杆约0.79英寸（20mm）。人字缺口样品的顶边与彼此相隔0.79英寸（20mm）的两跟杆接触，距离缺口的约0.39英寸（10mm）。用由MA州，Straton的“***综合技术公司”制造的Sintec型CITS-2000/6万能测试机测量最大负荷。滑块速度为0.02英寸/分钟（0.58毫米/分钟）。将万能测试机的负荷仪与计算机测量***连接。根据人字缺口样品的几何形状和最大负荷计算材料的断裂韧度。用数个样品测定某一材料的平均断裂韧度。

定量象分析（QIA）

由定量象分析确定填料体积比，基质金属体积及孔体积比。将一份有代表性的复合体材料的样品固定并磨光。磨光后的样品被放在尼康微像-FX显微镜的载物台上，并将在IN州密支根市制造的DAGE-MTI系列68摄像机连接到顶部。摄像机的信号被送至由PA的Lamont***国家学院生产的DV-4400型***光学分析***。通过显微镜得到经适当放大的十张微结构拍摄影像，这些影像贮存在Lamont***光学分析***中。在放大50倍至100倍以及有时为200倍时获得的影像经数字处理，使其画面明暗分布均匀。在放大200倍至1000倍下获得的影像不用数字处理来使画面明暗分布均匀。将带有均匀画面明暗分布，特定颜色和灰色强度范围的影像转换成特定的微结构特征，特定的填料，基质金属或孔隙率等。为了证实颜色和强度转换符号的精确性，将带有转换符号的影像与原始得到的影像进行比较。如果注意到偏差，则用手动数字化笔和数字化板对影像转换符号进行校正。Lamont***光学分析***中的计算机软件自动对带有转换符号的有代表性的影像进行分析，得出填料，基质金属以及孔隙率的面积百分比，该面积百分比基本与体积百分比相等。

实施例3

本例说明采用自发渗透技术，用不同的碳化硅填料混合物可成功地制备金属基质复合体。此外，根据填料的规格和/或加工条件可获得不同的填料填充量。表Ⅲ汇集于制备本例的金属基质复合体的样品条件，其中包括不同的基质金属，填料，加工温度及时间。

样品Q-AH

这些样品的制备基本类似于制备例1中的样品C。但是在制备中在加入填料之前，石墨薄片盒底部不放置镁粉。

样品AI-AJ

这些样品的制备方式基本类似于实施例1中的样品K。

样品的机械性能由上述的标准试验程序测定，结果列在表Ⅲ中。

实施例4

本例阐明了在制造铝金属基质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装体。其中一个区别就是一种组装体使用了形成外部密封的材料，而另一种组装体则没有使用形成外部密封的材料。

图2为实施例4中所用的实验组装体的截面示意图，其中向该***中提供密封板34。如上述制备两个组装体，一个带有密封板而另一个不带密封板。如图2所示，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23/8英寸（60mm），高约21/2英寸（64mm）。每个容器都是用内径约23/8英寸（60mm），长约21/2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质金属（33），而把填料（31）覆盖上。熔融基质金属的温度约900℃。把熔融基质金属用密封材料（34）盖上。特别的是，向熔融基质金属中加入了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。使每个组装体在约900℃下保持在所说炉中约另外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，使基质金属定向固化。

把组装体冷却到室温，然后剖开，看看基质金属（33）是否已渗入到填料（31）中而形成了金属基质复合材料。用了密封材料（34）的图2所示的组装体中形成了金属基质复合材料，而没有用密封材料（34）的组装体则没有形成金属基质复合材料。

实施例5

本例说明了用外部密封促进青铜基质复合材料的形成的可行性与重要性。实验过程与组装体基本上是例1的重复，只是基质金属是由约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4相同，而且不锈钢容器（32）和B₂O₃密封材料（34）也基本与例4一致。先把青铜基质材料加热到约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4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。然后把两种组装体都在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质金属定向固化。

把组装体冷却到室温然后剖开，看看青铜基质金属（33）是否已渗入到填料（31）中而形成了金属基质复合材料。所观察的结果与例4相似，使用了B₂O₃密封材料的组装体制成了青铜金属基质复合材料，而没有B₂O₃密封材料（34）的容器则没能产生金属基质复合材料。

实施例6

本例说明了使用能有助于铝金属基质复合材料的形成的不透气容器的重要性。它把一种可透气的容器与四种不可透气的容器进行了比较。四种不透气容器是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Ⅳ给出了有关的实验参数。

样品BA

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，基质金属铝，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，整个组装体与图2中一样。把由容器及其内部材料所组成的实验组装体放到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，在基质金属铝表面形成一层不透气的密封层，再把组装体保温15小时，然后从炉中取出，放到用水冷却的冷却铜板上，使基质金属定向固化。

样品BB

把样品BA的制成过程中容器（32）（参见图2）换成上了釉的咖啡杯即可，其它步骤一样。

样品BC

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 39Crystolon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质金属注入到容器中，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。在熔融基质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。把组装体在炉中再保温1小时，然后从炉中取出，冷却到室温，使之固化。

样品BD

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。具体地说，该容器的制备是首先将约84.2%（重量）的Al₂O₃（得自Alcoa，Pittsburgh，PA的A1-7），约1%（重量）的“Darvan 8214”（由R.T.Vanderbilt and Company，Norwalk，CT提供），和约14.8%（重量）的蒸馏水的混合物在装有约1/4的约0.5英寸（13mm）的铝研磨介质的5加仑（18.9升）的nalgene罐中球磨约2小时。然后将得到的混合物粉浆浇铸到一个模中来提供一个具有上述尺寸的圆筒。

把浇铸成的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。再把涂有玻璃料的容器以200℃/小时的速率加热到1000℃，使Al₂O₃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。把这种组装体放到炉中，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的熔化的基质金属倒入到容器内，再在熔化的基质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质复合材料。

在室温下，把每一个组装体都剖开看看基质金属是否渗入到填料中形成了金属基质复合材料。在样品A-D中，都形成了金属基质复合材料。

样品BE

除了容器（32）以外，本例所采用的方法与制造样品BA的方法一样。图2中所述的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质复合材料，这说明了必须使用不透气容器。

实施例7

本例说明了不透气容器对形成青铜基质复合材料的重要性。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Ⅳ给出了有关实验过程的大致情况。

样品BF

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的基质金属在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。把组装体放到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，把组装体从炉中取出，放到用水冷冷却铜板上使基质金属定向固化。

样品BG

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质金属。再在熔化的青铜基质金属上倒入约20克的B₂O₃粉末。把这种由碳钢容器及其内部物质组成的组装体放到温度约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，使基质金属定向固化。尽管熔化的基质金属溶解了一部分碳钢，但仍可从组装体中得到金属基质复合体。

样品BH

用样品F的制造方法，把容器（32）（见图2）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），然后把组装体直接放到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BF，BG，BH中的各个组装体都剖开，看看基质金属是否渗入到填料或预型体中而形成了金属基质复合材料。可以看到，样品BF和BG中的组装体形成了有利于生成金属基质复合材料的条件，而样品BH中的组装体，由于它是透气粘土坩锅，所以没有形成有利于产生金属基质复合材料的条件。

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，从而制造出金属基质复合材料。

实施例8

本例说明了不同的基质金属（33）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质复合材料的生成的条件。表Ⅴ给出了用于制造不同的金属基质复合材料的实验条件的概况，包括各种基质金属（33），填料（31），容器（32），工艺温度与保温时间等等。

样品BH-BM

在样品I-M中，实验组装体基本上分别是图2和实施例4的重复。每个组装体中填料的量都约为150克，而合金的量约525克，每种实验组装体都成功地制出了金属基质复合体。

样品BN-BO

对样品BN和BO，基本上是实施例4的方法的重复，只是炉温为1100℃。

样品BP

样品BP的组装体与以上实验中所用的组装体都略有不同，整个组装体都在室温下安装而成，然后放到温度为室温的电阻炉中。具体地说，将一个内径约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）用作容器。在坩锅的底部放入从Norton公司得到的90号粒度38 Alundum氧化铝填料，在填料的顶住放上灰铸铁（ASTM A-48，30，35级）的园柱形铸块，使基质金属与容器的内壁之间有一间隙。在空隙的顶部（铸铁与容器之间）放入熟石膏（俄亥俄州Brunswick的国际有限公司的Bondex产品），它起到把放在基质金属上表面的B₂O₃粉末与填料分开来的作用，从而有助于在工艺条件下形成密封层。把组装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平面会下降，这时把组装体从炉中取出冷却。

样品BQ-BT

样品BQ-BT中又基本是图2所示组装体与实施例4的方法的大致重复。基质金属、填料、容器、温度和时间等参数都列于表Ⅴ。

样品BU

本实例所用的组装体又与前面讨论的实验组装体有所不同。与样品BP相似，整个组装体是在室温下安装成的，然后放到室温的电阻炉中。具体地说，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，把混合体倒入容器中，使其高度达到1/2英寸（13mm）。把用合金C811制成的碎铜段（即把基本纯的铜线剪成的很小的碎段）放到填料上，深度1/2英寸。然后再在碎铜段上面放上GRAFOIL石墨带，把碎铜段基本盖住。用50%（重量比）的B₂O₃粉（Aesar公司）与50%公认为38Alundum的22号粒度的Al₂O₃粉混合制成密封材料，放置于石墨带的上面，把它全部盖住。将组装体放到空气电阻炉中，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质金属铜上形成一密封层。在1250℃保温3小时后，把组装体从炉中取出，使之冷却。

样品BI-BU都得到了所预想的复合材料，其某些物理性能已列于表Ⅴ中。

实施例9

本例说明在自生真空下，多种填充金属都可以被铝质基质金属渗入。本例仍用图2所示的实验组装体，实验方法与实施例4一样，但把其中的铝质基质金属换成成份为7.5-9.5%Si，3.0-4.0%Cu，＜2.9%Zn，2.2-2.3%Mg，＜1.5%Fe，＜0.5%Mn，＜0.35Sn，其余是铝的铝合金。本例中所用的填料的成份与尺寸以及其它相关的实验参数一同列于表Ⅵ。

待组装体冷却到室温，将之剖开，看看是否已形成了金属基质复合材料。本例中BV-CB的所有样品都观察到了铝基质复合材料。

实施例10

本例说明多种填充金属都在自生真空作用下被青铜基质金属所渗透。本例中所用的组装体与图2相似，除了把基质金属换成93%（重量比）Cu，6%Si和1%Fe的青铜外，其余步骤都与实施例4一样。炉中熔化的基质金属的温度大约1100℃。本例中所用的填料的成份与尺寸与其它相关的实验参数一同列于表Ⅶ。

待实验组装体（30）冷却到室温后把它们剖开，看看各填料中是否渗入了基质金属而形成了相应的复合材料。本例中所有的样品CC-CI都形成了复合材料。

实施例11

本实施例进一步说明了用所说的自生真空技术可以渗透具有高体积百分比填料的预型体形成金属基质复合体。如下所述，使用与实施例4中所用的相似的组装体生产本实施例的金属基质复合体。

提供一个未烧结密度约80%（体积），外经约2英寸（51mm），内经约0.75英寸（19mm），长度约0.75英寸（19mm）的碳化硅预型体，将该预型体的内外表面用凡士林（Vaseline，Cheeseborough-Pond′s Inc.Greenwich，CT）涂敷。该碳化硅预型体如上所述用凡士林涂敷之后，将其同轴放于一个塑料园筒中。制备一种阻挡混合物，该混合物包括约1重量份的胶体二氧化硅（NYACOL

2040 NH，Nyacol Products，Ashland，MA），约2重量份的500粒度Al₂O₃（38Alundum，Norton Co.，Worcester，MA），约1重量份的220粒度Al₂O₃（38 Alundum，Norton Co.，Worcester，MA），和约0.2重量份的水。将该阻挡混合物消泡和除气之后，倒入凡士林涂敷的碳化硅预型体的周围和之中，使其在室温下硬化约两小时。约两小时之后，倒出所说的阻挡混合物中的过量水，并且将所说的塑料园筒及其内含物放入一个冷却器中，在约-18℃下放置约8小时。然后从塑料园筒中取出所说的阻挡层涂敷的预型体，之后，将其放入约1000℃的电阻加热空气气氛箱式炉中约1小时。

然后将所说的阻挡层涂敷的预型体放在一个由16规格（1.6mm厚）的304型不锈钢制成的内经约3英寸（76mm），高度约3.25英寸（83mm）的不可渗透容器的底部。在向所说的不锈钢容器中放入阻挡层涂敷的预型体之前，在所说的不锈钢容器的底上放置一块石墨箔（Perma-Foil，TT America，Portland，OR）。在所说的阻挡层涂敷的预型体和不锈钢之间的空隙用包括500粒度的Al₂O₃（38Alundum，Norton Co.，Worcester，MA）的基床材料充填，之后将一块石墨箔放在所说的阻挡层涂敷的预型体和氧化铝床的顶面上。将一种包括（按重量计）约0.5%Fe，0.5%Al，其余为铜的熔融基质金属倒入所说的不锈钢容器中和所说的石墨箔之上。接着，将粉末状B₂O₃倒在所说的熔融基质金属之上，将包括所说的不锈钢容器及其内含物的组装体放入约1100℃的电阻加热的空气气氛箱式炉中。经过15分钟使所说的B₂O₃粉末基本熔化，除气和形成一种不透气的密封层。将该组装体在约1100℃下保持另外2小时，之后从所说的炉中取出该组装体及其内含物，并放在一个水冷却的铜急冷板上以使所说的金属基质复合体定向固化。

一旦在室温下，将所说的不锈钢容器从被阻挡涂层包围的残余基质金属和所形成的复合体上切掉。观察到所说的石墨箔有利于残余基质金属从所说的金属基质复合体上分离下来。另外，观察到所说的基质金属没有渗透所说的500粒度的Al₂O₃基床材料。然后将所形成的复合体放入一个喷砂器中，除去所说的阻挡材料，表现出所说的基质金属已渗透所说的高负荷碳化硅预型体。

Claims (10)

1、一种防护材料，该材料包括：一种金属基质复合体，所说的金属基质复合体包括至少一种填料和至少一种基质金属，所说的至少一种填料的量至少约40%(体积)。

2、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种基质金属包括至少一种选自铜、钛、铁、铸铁、铝、镍和钢中的材料。

3、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种基质金属包括至少一种选自铝、铜、青铜和铸铁中的材料。

4、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种填料包括至少一种选自氧化铝、氧化镁、氧化锆、碳化硅、十二硼化铝、二硼化钛、碳化钛和氮化铝中。

5、如权利要求3所说的防护材料，其中所说的至少一种填料包括选自氧化铝和碳化硅中的至少一种材料。

6、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种基质金属包括铝。

7、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种填料的量至少约68%（体积）。

8、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种填料的量至少约75%（体积）。

9、如权利要求1所述的防护材料，其中所说的至少一种填料包括至少一种选自氧化镁、氧化锆、碳化硅、十二硼化铝、二硼化钛和氮化铝中的材料，所说的至少一种基质金属包括铝。

10、一种防护材料，该材料包括：一种金属基质复合体，所说的金属基质复合体包括至少一种选自氧化镁、氧化锆、碳化硅、十二硼化铝、二硼化钛和氮化铝中的填料，所说的至少一种基质金属包括铝，所说的至少一种填料的量约为40%（体积）。

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