专利名称：具有金属间补强物的金属基质复合材料的制作方法
背景技术：
通常，由于复合材料可根据不同用途的特定需要而设定其性能，从而构成了提供设计灵活性的一类材料。例如，金属基质复合材料，如铝基质复合材料，可用于各种结构和非结构用途，包括用于电子、汽车和航天工业。复合材料通常基于补强物(reinforcements)的形状和尺寸进行分类。
一类复合材料含有沿基质长度延伸的连续纤维。图2示出了由陶瓷纤维(30)补强的金属基质(20)制得的连续纤维复合材料(10)。图3示出了另一类具有不连续的陶瓷纤维补强物的复合材料。在图3所示的金属基质复合材料(50)中，颗粒状补强物(60)为金属间化合物。
复合材料的性能既受到基质材料的影响，又受到补强材料的类型、形状、尺寸和体积比例的影响。连续纤维复合材料的主要补强机制是基于从基质向纤维的载荷转移，载荷主要由纤维承载。由于强纤维承载主要载荷，采用在载荷方向上排列的连续纤维可获得最高水平的强度和劲度。尽管连续纤维复合材料沿纤维方向具有优良的强度，但是其高生产成本、与其处理相关的问题以及其较低的横向性能制约了它们的应用。
通常，不连续的补强复合材料比连续的纤维复合材料差。然而，不连续的补强基质复合材料由于诸如其低成本、处理灵活性较高和机械性能的各向同性的原因而受到关注。
例如，碳化硅(SiC)通常用于制造不连续补强的金属基质复合材料。具体而言，通常使用由碳化硅作为补强材料的铝基质颗粒状复合材料。但是，碳化硅颗粒所分担的载荷受到金属/陶瓷体系固有的较弱结合的限制。
需要一种不连续补强的金属基质复合材料，其具有改进的强度、劲度和刚度，并且提供更大的处理灵活性。还需要一种能够进行更佳处理控制的处理方法。
发明简述本发明提供一种不连续补强的金属基质复合材料，其包括一种金属基质和大量含有至少两种不同金属的金属间化合物颗粒，该金属间化合物颗粒的尺寸在1μm至约10μm的范围内，并以至少20体积％的量分散于金属基质中，其中该金属间化合物颗粒具有至少一种与金属基质中的金属相同的金属。
本发明另外提供一种处理金属基质复合材料的方法，包括雾化(atomizing)至少两种不同金属的熔融合金以形成金属基质，从而生产含有金属基质和金属间化合物颗粒的粉末颗粒，其中该金属间化合物颗粒以至少20体积％的量分散于金属基质中。
本发明另外还提供一种处理金属基质复合材料的方法，包括雾化至少两种不同金属的熔融合金以形成金属基质，从而生产含有金属基质和尺寸在1μm至约10μm范围内的金属间化合物颗粒的粉末颗粒。
附图简述本发明的这些以及其它特征和优点在下面本发明的各具体实施方式
的详细描述中进行说明。
图1为根据本发明的一个具体实施方式
的不连续金属基质复合材料的示意图。
图2为连续纤维金属基质复合材料的示意图。
图3为不连续且随机定向的陶瓷/金属纤维复合材料的示意图。
发明详述本发明提供了一种具有金属间化合物颗粒的不连续补强金属复合材料，所述金属间化合物颗粒具有分散于金属基质中的至少两种不同金属。金属/金属间化合物的界面性能优于那些金属/陶瓷颗粒。而且，与具有非金属颗粒(即陶瓷颗粒)作为补强材料的金属基质复合材料相比，金属间化合物颗粒在其处理过程中具有更高的灵活性。
本发明另外提供通过快速固化和粉末冶金学(P/M)技术用金属间补强物(intermetallic reinforcements)对颗粒状金属复合材料的处理。当使用金属间化合物颗粒时可以采用快速固化处理。此外，当使用金属间化合物颗粒时，所需组成的液态合金被气体雾化以制备预合金粉末。该处理方法能够更好地控制补强颗粒的尺寸范围和分布，从而提供具有改进性能的不连续补强金属基质复合材料。
金属中颗粒的补强效果包括各种补强机制。例如，颗粒对基质的塑性形变产生约束。尽管颗粒分担的载荷发生在不连续补强的基质中，但是颗粒分担的载荷量小于纤维所分担的载荷量。基质补强是不连续补强金属基质复合材料所有强度的一部分。
影响颗粒复合材料机械性能的各种因素包括颗粒相的性质和类型(强度和形变度)、粒径、体积比例、颗粒形状(长宽比)、基质和颗粒相之间的热膨胀系数(CTE)、基质和颗粒材料之间的结合强度以及基质特性。
通常，颗粒复合材料包含相当宽范围的颗粒尺寸。一类颗粒复合材料为分散补强的金属，其由亚微米级硬颗粒组成，上述颗粒通过Orowan机理直接抑制基质中的位错运动。通常，分散补强材料中所需的颗粒相比例相对很小。该分散补强材料可以用于，例如，高温用途。但是，该分散补强材料经受更为广泛而昂贵的处理。
第二类颗粒复合材料包括微米级尺寸的颗粒，其劲度和强度有所增强，这些复合材料可以用于结构用途。第三类颗粒复合材料具有尺寸在约50-250μm范围的粗颗粒。该类颗粒复合材料提供更大的处理灵活性和便利，它们可用于易于磨损的用途。
这些复合材料的补强机制通常涉及几个部分，例如，基质补强、由于热膨胀(CTE)系数错误匹配产生的热残余应力、以及从基质向颗粒的载荷转移。颗粒的长宽比是影响从基质向颗粒载荷转移的重要因素。这些颗粒复合材料中的补强程度随着颗粒尺寸的减小以及颗粒相的量的增加而增加。
对于结构用途，强度、劲度和断裂韧度是有益的性能。通常，对于结构用途，采用细颗粒(粒径为20μm或更小、优选小于约10μm的颗粒)以及高体积比例的颗粒(大于或等于约20体积％)。
用于结构用途的金属基质颗粒复合材料的开发包括增强它们的机械性能，同时提高它们的处理灵活性。应当增加颗粒相的载荷分担部分以提高金属基质复合材料的整体强度和劲度。关于载荷分担特征的一个重要性能是基质和补强金属间化合物相之间的界面剪切强度，因为补强物的载荷转移能力和补强效果会随着金属间化合物相和基质之间的结合强度而提高。
从不连续补强金属基质复合材料断裂韧度的角度考虑，较高的结合强度也是有益的。与通过合金和热处理补强的金属基质相比，用金属间化合物补强的金属基质在高温下更加能够保持其强度，并且因此可以在较高的操作温度下使用。纤维推出(push-out)扫描电子显微镜可以用于测定纤维和其基质之间的结合强度和滑动摩擦。
在本发明的一个具体实施方式
中，不连续补强的金属复合材料包括一种金属基质和分散于金属基质中、含有至少两种不同金属的金属间化合物颗粒。在本发明的各具体实施方式
中，用于金属基质的金属没有特别的限制，可以包括，例如，铝、镁、钛和其它可处理的金属及其适于熔合形成金属间化合物的合金。如上所述，金属和金属间化合物之间的界面通常比金属和陶瓷之间的界面强。
在本发明的各具体实施方式
中，金属间化合物颗粒中的至少一种金属与基质金属相同。用于金属间化合物颗粒的金属的组合没有特别的限制，可以包括，例如，铝、钛、铌、铁以及与基质金属形成金属间化合物的其它金属。
在形成本发明不连续补强金属复合材料的过程中，金属间化合物颗粒被分散于金属基质中。如上所述，对于结构用途，金属间化合物颗粒的粒度应当低于20μm，更优选低于约10μm。
在本发明的各具体实施方式
中，金属间化合物颗粒应当以必要的量加入金属基质中，该量使得金属基质复合材料的强度和劲度与单独的金属基质相比有所增强。在本发明的各具体实施方式
中，金属间化合物颗粒以约10体积％至约70体积％的量加入。
图1示出了根据本发明一个具体实施方式
的不连续补强金属基质复合材料100。该不连续补强金属基质复合材料100包括分散于金属基质200中的金属间化合物颗粒300。
金属间化合物颗粒的选择可以包含多种考虑。在本发明的各具体实施方式
中，该金属间化合物颗粒为具有低密度、高弹性模量和强度、以及良好的热稳定性的金属间化合物颗粒。一种这类材料为，例如，三铝化铁(FeAl3)。
根据本发明的不连续补强金属基质复合材料可以通过快速固化和粉末冶金路线进行处理。具有所需组成的合金可以被惰性气体雾化以制备预合金粉末。粉末颗粒的冷却速度取决于粉末颗粒的尺寸。粉末颗粒的尺寸越小，冷却速度越快。金属间化合物颗粒的尺寸随冷却速度变化。较细和/或较粗的粉末尺寸可以进一步的处理以改变颗粒尺寸。
预合金粉末尺寸的选择是改变颗粒尺寸的基础。在本发明的各具体实施方式
中，复合材料中颗粒相的尺寸约为20μm或更小(优选约10μm或更小)。
惰性气体雾化产生的预合金粉末可以通过粉末冶金处理路线进行固结，该处理路线包括真空热压，然后热挤以获得横截面为圆形或矩形的条。
下面说明通过粉末冶金(P/M)路线处理复合材料的方法。通常，P/M路线包括下列步骤(1)制备雾化的基质合金粉末；(2)将基质合金粉末和粉末形式的补强物混合；(3)将该混合粉末罐装并脱气；(4)真空热压以制备坯条；以及(5)热挤出条。
下面是通过P/M路线处理的具体例子。在该例子中，使用铝作为金属基质，并使用FeAl3作为金属间化合物颗粒。但是，如上所述，也可以使用各种不同的金属和金属间化合物颗粒。
首先，从相图中选择Al-Fe合金组成以得到给定体积比例的FeAl3。然后，具有所需组成的液态合金被惰性气体雾化以制备含有铝基质和在熔融物快速固化过程中形成的FeAl3颗粒的粉末颗粒。接着，筛选该粉末颗粒以获得在所需尺寸范围内的颗粒。然后，该粉末被罐装、脱气和真空热压以在通过热挤出形成条之前制备坯条。具体而言，为了罐装粉末，例如粉末颗粒，可以先对该粉末颗粒进行冷压缩，在该过程中粉末在约室温或稍高的温度下被罐装，然后进行硬压缩，在该过程中，罐装的粉末被压入容器中并加热。
对于本领域普通技术人员来说应当很明显，本发明的不连续补强金属基质复合物可以用于各种需要比单独的金属具有更高强度和劲度的结构中。本发明的材料可以用于汽车部件、结构材料等。
对于本领域普通技术人员来说应当很明显，本发明提供了一种具有金属间化合物颗粒的金属基质，该颗粒由分散于金属基质中的至少两种金属形成。通过提供具有分散于其中的金属间化合物颗粒的金属基质，得到的复合材料比金属/陶瓷复合材料具有更好的界面结合强度。另外，本发明通过快速固化和粉末冶金(P/M)处理路线可以很好地控制金属间化合物颗粒的尺寸范围和分布。对于给定的补强颗粒的颗粒尺寸和体积比例，根据本发明得到的金属间化合物/金属基质复合材料与金属/陶瓷颗粒复合材料相比具有改进的性能。
权利要求
1.一种不连续补强的金属复合材料，其含有一种金属基质；以及大量含有至少两种不同金属的金属间化合物颗粒，该金属间化合物颗粒的尺寸在1μm至约10μm的范围内，并以至少20体积％的量分散于金属基质中，其中该金属间化合物颗粒具有至少一种与金属基质中的金属相同的金属。
2.根据权利要求1所述的不连续补强的金属复合材料，其中该金属基质含有铝，并且大量金属间化合物颗粒含有铝和至少一种其它金属。
3.根据权利要求2所述的不连续补强的金属复合材料，其中该金属间化合物颗粒为FeAl3。
4.根据权利要求1所述的不连续补强的金属复合材料，其中该金属间化合物颗粒以至少20体积％至约50体积％的量分散于金属基质中。
5.根据权利要求1所述的不连续补强的金属复合材料，其中该金属基质为铝、钛、铌和镁中的至少一种，或其合金。
6.根据权利要求5所述的不连续补强的金属复合材料，其中该金属间化合物颗粒含有金属基质的金属和至少一种除金属基质的金属以外的金属。
7.根据权利要求1所述的不连续补强的金属复合材料，其中所述至少一种除金属基质的金属以外的金属为铝、钛、铌、镁、铁、铬、钒和锆中的至少一种。
8.一种处理金属基质复合材料的方法，其包括雾化至少两种不同金属的熔融合金以形成金属基质，从而制备含有金属基质和金属间化合物颗粒的粉末颗粒，其中该金属间化合物颗粒以至少20体积％的量分散于金属基质中。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其中该金属间化合物颗粒以约20体积％至约70体积％的量分散于金属基质中。
10.根据权利要求8所述的处理方法，其中该金属间化合物颗粒以约30体积％至约70体积％的量分散于金属基质中。
11.根据权利要求8所述的处理方法，其中该金属间化合物颗粒的尺寸为1μm至约10μm。
12.根据权利要求8所述的处理方法，其还包括通过热压和挤出对粉末颗粒进行后处理。
13.根据权利要求8所述的处理方法，还包括通过热压和轧制对粉末颗粒进行后处理。
14.根据权利要求8所述的处理方法，还包括通过热等静压对粉末颗粒进行后处理。
15.一种处理金属基质复合材料的方法，其包括雾化至少两种不同金属的熔融合金以形成金属基质，从而制备含有金属基质和尺寸为1μm至约10μm的金属间化合物颗粒的粉末颗粒。
16.根据权利要求15所述的处理方法，其中该金属间化合物颗粒的尺寸为约2μm至约10μm。
17.根据权利要求15所述的处理方法，还包括通过热压和挤出对粉末颗粒进行后处理。
18.根据权利要求15所述的处理方法，还包括通过热压和轧制对粉末颗粒进行后处理。
19.根据权利要求15所述的处理方法，还包括通过热等静压对粉末颗粒进行后处理。
全文摘要
一种不连续补强的金属复合材料，其具有金属基质和大量含有至少两种不同金属的金属间化合物颗粒，该金属间化合物颗粒的尺寸在1μm至约10μm的范围内，并以至少20体积％的量分散于金属基质中，其中该金属间化合物颗粒具有至少一种与金属基质中的金属相同的金属。
文档编号C22C27/02GK1658989SQ03813598
公开日2005年8月24日 申请日期2003年6月13日 优先权日2002年6月13日
发明者G·S·穆尔蒂, B·E·约瑟夫 申请人:塔奇斯通研究实验室有限公司