专利名称：功能梯度金属基复合材料板的制作方法
功能梯度金属基复合材料板
相关申请的交叉引用铸造表面通常是辊或带的表面，在辊或带的表面之间有夹 隙。在一个实施例中，金属产品以约50-300英尺/分钟的速度离开夹 隙。在实践中，熔融金属可以是铝合金，颗粒物可以是例如氧化铝。 如前所述，根据本发明的方法制成的金属产品包括两个外层和一个具 有高浓度颗粒物的中心层。例如，对于铝基MMC，中心层可包括按 体积计约70%的氧化铝颗粒。本发明的产品可以是厚度大约0.004英 寸到大约0.25英寸的带材、薄板或面板，并且本发明的产品是金属基 复合材料，其将MMC的优点与延展性、外观和易于加工方面的增强 结合起来。图2是在本发明方法中使用的一种装置的示意图； [t)012图3是根据本发明运行的装置细节的放大的横截面示意图； [0013图4是根据本发明生产出的带材的横切面的显微照片； [OOl引图5是根据本发明生产并然后热轧成0.008英寸厚的带材的 横切面的显微照片。
具体实施例方式每个外壳6和8的厚度随着金属M朝向辊隙N的前进而 逐渐增加。最初，颗粒物IO位于第一外壳6和第二外壳8各自与熔融 金属M之间的界面处。随着熔融金属M在冷却辊&和R2的对向表 面之间移动，颗粒物10被拖拽到较慢流动的熔融金属M流的中心部 分12中，并沿着箭头d和C2的方向被携带。在辊隙N上游、被称 为区域16的中心部分12，金属M是半固态，包括颗粒物10成分和 熔融金属M成分。在区域16中的熔融金属M具有固液相容性，这部 分地是由于颗粒物IO在其中的分散。换言之，包含颗粒物10的中心部分12位于第一外壳6和 第二外壳8之间。在中心部分12中的熔融金属M形成内层17。换句 话说，内层17夹在或设在第一外壳6和第二外壳8之间。在其他铸造 设备中，第一和/或第二外壳6、 8可完全包围内层17。参考
图1，在 步骤104，内层17凝固。在内层17完全凝固之前，内层17是半固态， 并包括颗粒物成分10和金属成分。在这个阶段，内层17中的金属具 有固液相容性，这部分地是由于颗粒物IO在其中的分散。表面不规则用于增大从冷却铸造表面的表面传热。对冷却 铸造表面施加受控程度的表面非均匀性导致横过冷却铸造表面的传热 更均匀。表面不规则的形式可以是沟槽、凹陷、滚花或其他结构，并 且表面不规则可以规则地间隔开。在本发明的范围中运行的辊铸机中， 对辊&和R2适宜速度的控制、保持和选择会影响本发明的可操作性。 辊速决定熔融金属M朝辊隙N前进的速度。如果速度过慢，颗粒物 10将不会受到足以使其能被夹带到金属产品内层17中的力。因此， 本发明适宜在大于每分钟50英尺的速度下运行。适宜的辊分离力大约是5-1000磅每英寸铸件宽度。通常， 铸造较厚规格的合金时需要较慢的铸造速度，以便从厚合金消除热量。 与传统的辊铸不同，在本发明中这种较慢的铸造速度并不会导致过大 的辊分离力，这是因为在辊隙上游不产生完全固态的有色金属带材。
[0037可以以50-300英尺/分钟的铸造速度生产厚度约为 0.08-0.25英寸的合金带材。
[00381在一个实施例中，熔融金属是铝或铝合金。[0039在第二个实施例中，颗粒物可以是任何非金属材料，例如
氧化铝、碳化硼、碳化硅和氮化硼，或是在铸造过程中现场产生或添如入，设絲备屋^ 仝屋jbl"挑
[0040现在参考图4，示出根据本发明的功能梯度MMC铸件的显微结构。示出的带材400包括以重量计15%的氧化铝，厚度规格是0.004。可以看到，颗粒物10分布在整个带材400中，在中心层401中集中了较高浓度的颗粒，同时可以看到，在外层402和403中分别为低浓度。应当注意，由于在本发明的方法中熔体的快速凝固，颗粒物和铝基体之间没有发生反应。此外，如图5所示，在根据本发明的轧制产品中，在颗粒与金属基体之间的界面处没有损伤。图5示出了功能梯度MMC带材(铝，15%体积的厶1203， 0.2mm厚度的轧态复合材料)，其中，金属外层具有良好的成形性，中心层具有改善的刚性。本发明还允许生产冷轧产品，而不需要在冷轧过程中再加热。由于颗粒物并不突出产品的表面，因此颗粒物就不会磨损或磨蚀轧机辊。
[00411虽然已经参考具体实施例对本发明做了详细介绍，但本领域技术人员将明白可以作出各种变化和修改，而不脱离实施例的精神和范围。因此，本公开意在涵盖本公开的各种改变和修改，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。
权利要求
1、一种制造功能梯度金属基复合材料产品的方法，其包括以下步骤向一对前进的铸造表面提供包含颗粒物的熔融金属；在使熔融金属在所述一对前进的铸造表面之间前进时使熔融金属凝固，以形成包括第一固态外层、第二固态外层和处于第一固态外层与第二固态外层之间的半固态中心层的产品，其中，半固态中心层的颗粒物浓度比第一或第二固态外层的颗粒物浓度高；在半固态中心层经过所述一对前进的铸造表面的夹隙后，使半固态中心层凝固以形成由第一固态外层、第二固态外层和凝固的中心层组成的固态金属产品；以及将固态金属产品从铸造表面之间取出。
2、 如权利要求1所述的方法，还包括对固态金属产品热轧或冷轧。
3、 如权利要求l所述的方法，还包括的步骤是把铸造表面之间的 夹隙设定在约0.08-0.25英寸的范围。
4、 如权利要求l所述的方法，还包括使熔融金属前进的步骤包 括使熔融金属混合物以约50 - 300英尺/分钟的速度在铸造表面之间前 进。
5、 如权利要求l所述的方法，还包括步骤通过一个或多个热轧 或冷轧道次把整体固态金属产品的厚度减薄到约为0.004- 0.125英寸 的最终厚度。
6、 如权利要求l所述的方法，其中，熔融金属是铝合金，颗粒物 选自由氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硼和任何非金属材料组成的组。
7、 如权利要求l所述的方法，其中，固态金属产品为薄板、带材 或面板。
8、 一种功能梯度金属基复合材料产品，其包括第一外层； 第二外层；和处于第一和第二外层之间的中心层，所述中心层的颗粒物浓度比 第一或第二外层的颗粒物浓度高。
9、 如权利要求8所述的产品，其中，第一外层、第二外层和中心 层是铝合金，颗粒物选自由氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硼和任何 非金属材料组成的组。
10、 如权利要求9所述的产品，其中，中心层包括以体积计约70% 的氧化铝颗粒。
11、 如权利要求8所述的产品，其中，该产品是用带材铸造工艺 制成的。
12、 如权利要求8所述的产品，其中，产品的厚度约0.004-0.125英寸。
13、 如权利要求8所述的产品，其中，产品是带材、薄板或面板。
全文摘要
一种制造功能梯度金属基复合材料(MMC)产品(20)的方法，所述产品(20)具有夹在外壳(6、8)之间的富含颗粒物(10)的固态中心层(18)，该方法包括向一对前进的铸造表面(D<sub>1</sub>、D<sub>2</sub>)提供包含颗粒物(10)的熔融金属(M)；使熔融金属(M)凝固；以及从铸造表面(D<sub>1</sub>、D<sub>2</sub>)之间取出MMC产品(20)。固态中心层(18)比任何外层(6、8)包含的颗粒物(10)浓度都要高。MMC产品(20)将金属外层的易于机械加工性能和外观与固态中心层(18)提供的改良性能结合起来。
文档编号B22D11/00GK101678440SQ200880018281
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者A·于纳尔, D·W·蒂蒙斯, G·F·怀亚特-迈尔, 小D·A·托姆斯 申请人:美铝公司