способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей и композиционный материал, полученный этим способом

Формула изобретения

1. Способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей, включающий самопроизвольную пропитку нереактивного наполнителя расплавленным металлом в газовой атмосфере в присутствии усилителя пропитки, причем в качестве металла матрицы используют алюминий или его сплав, а в качестве нереактивного наполнителя керамический материал, отличающийся тем, что в качестве газовой атмосферы используют атмосферу, содержащую азот или кислород, в качестве усилителя пропитки по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей кальций, стронций, магний и цинк, а самопроизвольную пропитку осуществляют при 675 1200^oС в течение 1 60 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что самопроизвольную пропитку осуществляют с использованием барьерного средства, содержащего материал, проницаемый для газовой атмосферы.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что самопроизвольную пропитку осуществляют с использованием барьерного средства, выбранного из группы, состоящей из углерода, графита, диборида титана и мелкоизмельченного чешуйчатого материала, не смачиваемого алюминием или его сплавом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве барьерного средства используют основной металл матрицы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усилитель пропитки вводят в газовую атмосферу.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усилитель пропитки приводят в контакт по крайней мере с частью наполнителя в течение по крайней мере части периода пропитки.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активатор пропитки располагают на границе между наполнителем и металлом матрицы.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усилитель пропитки сплавляют с металлом матрицы.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усилитель пропитки располагают в металле матрицы и наполнителе.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что усилитель пропитки располагают по крайней мере в двух из следующих сред: металл матрицы, наполнитель, газовая атмосфера.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют спрессованную заготовку.

12. Способ по п. 1 или 11, отличающийся тем, что спрессованную заготовку изготавливают любым из следующих способов: шликерное литье, сухое брикетирование, литье, ленточное литье, ленточное формование, изостатическое прессование, экструзия, литье под давлением, уплотнение рыхлых частиц.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют по крайней мере один материал, выбранный из группы, содержащей оксиды, карбиды, бориды, нитриды.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что материал наполнителя используют в виде порошков, хлопьев, пластинок, микрошариков, нитевидных кристаллов, бусинок, волокон, частиц волоконных матов, раскрошенных волокон, шариков, таблеток, трубочек и жаропрочных тканей.

15. Способ по п. 1 или 14, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют материал с размером частиц 1 100 мкм.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют материал с ограниченной растворимостью в расплавленном металле матрицы.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют по крайней мере материал, выбранный из группы, содержащей глинозем, магнезит, двуокись циркония, карбид кремния, диборид титана, нитрид алюминия и их смеси.

18. Способ по п. 1 или 17, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют по крайней мере один материал, выбранный из группы, содержащей частицы расплавленного глинозема, частицы кальцинированного глинозема, раскрошенные волокна глинозема, непрерывные волокна глинозема, частицы карбида кремния, углеродные волокна, покрытые карбидом кремния, частицы двуокиси циркония, пластинки диборида титана, частицы нитрида алюминия и их смеси.

19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла матрицы используют алюминий, в качестве усилителя пропитки используют по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей магний, стронций, кальций, а в качестве газовой атмосферы используют вещество, содержащее азот.

20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла матрицы используют алюминий, в качестве усилителя пропитки используют цинк, а в качестве газовой атмосферы вещество, содержащее кислород.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла матрицы используют алюминий, в качестве усилителя пропитки стронций и/или магний.

22. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла матрицы используют сплав алюминия с элементом, выбранным из группы, содержащей кремний, железо, медь, марганец, хром, цинк, кальций, магний и стронций.

23. Способ по п. 1 или 9, отличающийся тем, что в качестве металла матрицы используют алюминий, а в качестве усилителя пропитки магний.

24. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплавленный металл матрицы нагревают до температуры по крайней мере 1100^oС.

25. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку проводят при 675 - 1000^oC.

26. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку проводят при 750 - 800^oС.

27. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку проводят в течение 1

30 ч.

28. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитанный наполнитель подвергают тепловой обработке.

29. Композиционный материал с металлической матрицей на основе алюминия или его сплава, включающий нереактивный наполнитель из керамики, содержащий по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, включающей оксиды, карбиды, нитриды, бориды, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, об.

Нереактивный наполнитель 10 95

Металлическая матрица 5 90

30. Материал по п. 29, отличающийся тем, что в качестве металлической матрицы он содержит сплав алюминия с элементом, выбранным из группы, содержащей кремний, железо, медь, марганец, хром, цинк, кальций, магний и стронций.

31. Материал по п. 29, отличающийся тем, что металлическая матрица дополнительно содержит нитрид алюминия.

32. Материал по п. 29, отличающийся тем, что он содержит наполнитель с нереактивным покрытием.

33. Материал по п.32, отличающийся тем, что в качестве нереактивного покрытия он содержит керамическое покрытие.

34. Материал по п. 33, отличающийся тем, что керамическое покрытие содержит по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей оксиды, карбиды, бориды и нитриды.

35. Материал по п. 29 или 34, отличающийся тем, что в качестве оксида он содержит по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида циркония, оксида алюминия и оксида магния.

36. Материал по п. 29 или 34, отличающийся тем, что в качестве карбида он содержит карбид кремния.

37. Материал по п. 29 или 34, отличающийся тем, что в качестве борида он содержит по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей борид алюминия и борид титана.

38. Материал по п. 29 или 34, отличающийся тем, что в качестве нитрида он содержит по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей нитрид алюминия и нитрид кремния.

39. Материал по п. 31, отличающийся тем, что нереактивный наполнитель содержит смесь по крайней мере двух веществ, выбранных из группы, содержащей оксиды, карбиды, бориды, нитриды.

40. Материал по п. 29, отличающийся тем, что он имеет коэффициент теплового расширения (6,5 17,7)10^{-6 o}C^-1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к новому способу формования композитных тел с металлической матрицей. В частности, усилитель пропитки и/или исходное вещество усилителя пропитки и/или атмосфера пропитки сообщаются с наполнительным материалом или предварительно сформованной заготовкой, именуемой далее подпрессовкой, по крайней мере в некоторой зоне в ходе процесса, который дает возможность расплавить металл матрицы с целью самопроизвольной пропитки наполнительного материала или подпрессовки. Такая самопроизвольная пропитка происходит без необходимости использования какого-либо давления или вакуума.

Композитные изделия, содержащие металлическую матрицу и упрочняющую или армирующую фазу, например керамические макрочастицы, нитевидные кристаллы, волокна и тому подобные материалы, являются многообещающими для разнообразных применений, так как они объединяют в себе кое-что от жесткости и износостойкости армирующей фазы с прочностью металлической матрицы. В основном композит с металлической матрицей будет демонстрировать улучшение таких свойств, как прочность, жесткость, контактная износостойкость, коэффициент теплового расширения (КТР), плотность, теплопроводность, сохранение прочности при повышенных температурах по отношению к основному металлу в монолитной форме, но степень, в какой может быть улучшено любое заданное свойство, зависит во многом от конкретных составляющих, их объемной или весовой доли и от того, каким образом их обрабатывают при формовании композита. В некоторых случаях композит также может быть легче по весу, чем основной металл сам по себе. Представляют интерес композиты с алюминиевой матрицей, армированные керамическими материалами, как карбид кремния в виде мелких частиц, хлопьев или нитевидных кристаллов, например, из-за их более высоких удельной жесткости (например, модуль упругости по отношению к плотности), износостойкости, теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения (КТР) и прочности при высоких температурах и/или удельной прочности (например, прочности от отношению к плотности) в отношении алюминия.

До настоящего времени описаны различные металлургические процессы по изготовлению композитов с алюминиевой матрицей, включая способы, основанные на технологии порошковой металлургии и технологии пропитки жидким металлом, в которых используется литье под давлением, вакуумное литье, перемешивание и смачивание. Посредством технологии порошковой металлургии металл в виде порошка и армирующий материал в виде порошка, нитевидных кристаллов, раскрошенных волокон и тому подобное, смешивают и затем либо подвергают холодному прессованию и спеканию, либо горячему прессованию. Сообщалось, что композиты с алюминиевой матрицей, армированные карбидом кремния, которые были получены этим способом, имели максимальную долю объема керамического материала около 25 об. в случае нитевидных кристаллов и около 40 об. в случае мелких частиц.

Производство композитов с металлической матрицей способом порошковой металлургии с использованием известных процессов налагает определенные ограничения в отношении характеристики получаемой продукции. Объемная доля керамической фазы в композите обычно ограничена, например в случае мелких частиц до 40 Операция прессования также налагает ограничения в отношении практически достижимого размера. Только относительно простые формы изделия возможны без последующей обработки (например, формования или механической обработки) или без использования сложных процессов. В процессе спекания также может иметь место неравномерная усадка, равно как и неоднородность структуры, вызванная ликвацией в прессовках и ростом зерна.

Известен способ формирования композита с металлической матрицей, содержащего волокнистый армирующий материал, например карбид кремния или глинозем в виде нитевидных кристаллов, имеющих заданные образцы ориентации волокон (см. Патент США N 3.970.136, кл. B 22 D 19/02, 1976). Композит получают путем укладки параллельных матов или войлока планарных волокон в изложнице с резервуаром расплавленного основного металла, например по крайней мере между несколькими из матов, и создание давления для того, чтобы вызвать пропитку матов расплавленным металлом и окружить им ориентированные волокна. Расплавленный металл можно сливать на стопу матов при одновременном пропускании его под давлением между матами. Сообщалось, что в композите загрузка или наполнение армирующих волокон доходили до 50 об.

Вышеописанный способ пропитки в виде его зависимости от внешнего давления для форсирования расплавленного основного металла в сторону волокнистых матов подвержен воздействию превратностей, вызываемых давлением технологических процессов, т. е. возможной неоднородности формирования матрицы, пористости и тому подобное. Неоднородность свойств возможна даже несмотря на то, что расплавленный металл может быть введен во множестве мест в волокнистой структуре. Следовательно, для достижения адэкватного и однородного проникновения в стопу волокнистых матов необходимо обеспечить сложные структуры расположения матов и резервуара, а также траекторий потока. Упомянутый способ пропитки под давлением также дает возможность обеспечить только относительно низкое содержание армирующего материала по отношению к объемной доле матрицы, которая должна быть достигнута по причине трудности, присущей пропитке матов большего объема. Кроме того, для поддержания расплавленного металла под давлением необходимы изложницы, что повышает стоимость процесса. Наконец, вышеназванный способ, ограниченный пропиткой выравненных частиц или волокон, не направлен на формирование композитов с алюминиевой металлической матрицей, армированных материалами в форме хаотично ориентированных частиц, нитевидных кристаллов или волокон.

При изготовлении композитов с алюминиевой матрицей, наполненных глиноземом (оксидом алюминия), алюминий не так легко увлажняет глинозем, тем самым затрудняя образование когерентного продукта. Предложены разные технические решения этой проблемы. Одним из них является покрытие глинозема металлом, например никелем или вольфрамом, который затем подвергается горячему прессованию совместно с алюминием. В другом способе алюминий сплавляют с литием, и глинозем может быть покрыт кремнеземом. Однако эти композиты показывают изменения в свойствах, или покрытия могут разрушать наполнитель, или же матрица содержит литий, который может отрицательно влиять на свойства матрицы.

Известен способ, при котором устраняются некоторые трудности в области техники, которые встречаются в производстве композитов с алюминиевой матрицей, армированной глиноземом (см. Патент США N 4.232.091, кл. B 22 B 15/04). В этом патенте описывается применение давлений в диапазоне 75-375 кг/см² для формирования расплавленного алюминия (или расплавленного алюминиевого сплава) в мат глинозема из волокон или нитевидных кристаллов, который предварительно нагревается до 700-1050^oC. Максимальное объемное соотношение между глиноземом и металлом в результирующей твердой отливке составило 0,25 1. В связи с зависимостью достижения пропитки от внешнего давления этот способ подвержен многим из тех же недостатков, что способ Кеннела и др.

Известно получение композитов на основе алюминия-глинозема, особенно полезных в качестве компонентов электролизеров, путем наполнения пустот в предварительно сформованной матрице из глинозема расплавленным алюминием (см. Европейскую патентную заявку N 115.742). В этой заявке подчеркивается несмачиваемость глинозема алюминием, поэтому для смачивания глинозема по всей подпрессовке используют различные способы. Например, глинозем покрывают смачивающим агентом диборидом титана, циркония, гафния или ниобия, или металлом, например литием, магнием, кальцием, титаном, хромом, железом, кобальтом, никелем, цирконием или гафнием. Для облегчения смачивания используются инертные атмосферы, например аргон. В этой заявке также описывается применение давления, чтобы побудить расплавленный алюминий проникать в непокрытую матрицу. В этом отношении пропитка достигается путем вакууминизации пор, а затем приложения давления к расплавленному алюминию в инертной атмосфере, например аргоне. Альтернативно подпрессовка может быть пропитана путем осаждения из паровой фазы для смачивания поверхности перед заполнением пустот путем пропитки расплавленным алюминием. Для обеспечения гарантированного удерживания алюминия в порах подпрессовки необходима термическая обработка, например, при температуре 1400 1800^oC либо в вакууме, либо в среде аргона. В противном случае либо воздействие газа на пропитываемый под давлением материал, либо снятие давления пропитки вызовут потери алюминия из тела изделия.

Также известно использование смачивающих агентов для осуществления пропитки глиноземного компонента в электролизере расплавленным металлом (см. Европейскую патентную заявку N 94353). В этой заявке описывается производство алюминия путем электролитического выделения с помощью электролитической ячейки, содержащей фидер катодного тока в виде обкладки или основы электролитической ячейки. Для защиты этой основы от расплавленного криолита перед включением электролитической ячейки или пока она погружена в расплавленный алюминий, полученный в результате электролитического процесса, на основу из глинозема наносят тонкий слой смеси смачивающего агента и подавителя растворимости. В качестве смачивающих веществ в этой заявке упоминается титан, цирконий, гафний, кремний, магний, ванадий, хром, ниобий или кальций, в качестве предпочитаемого вещества упоминается титан. В качестве соединений, полезных для давления растворимости смачивающих агентов в расплавленном алюминии, упоминаются соединения бора, углерода и азота. В этом источнике однако не предлагается получение композитов с металлической матрицей и не предлагается формование таких композитов, например, в атмосфере азота.

Кроме использования давления и смачивающего агента также публиковалось, что примененный вакуум будет помогать пенетрации расплавленного алюминия в пористую керамическую плотную массу. Например, известна пропитка керамической плотной массы (например, карбида бора, оксида алюминия и окиси бериллия) либо расплавленным алюминием, бериллием, магнием, титаном, ванадием, никелем или хромом под вакуумом менее 10^-6 Тор (см. Патент США N 3.718.441, кл. B 44 D 1/02, 1973). Вакуум 10^-2 10^-6 Тор привел к плохому смачиванию керамического материала расплавленным металлом в той степени, что металл свободно не поступал в пустоты, имеющиеся в керамическом материале. Однако указывалось, что смачивание улучшается, когда вакуум понижался до менее 10^-6 Тор.

Также известно использование вакуума для достижения пропитки (см. Патент США N 3.864.154, кл. C O3 C 17/00, 1975). В этом патенте описывается загрузка плотной массы холодного прессования порошка AlB₁₂ на слой алюминиевого порошка холодного прессования. Дополнительный алюминий затем наносят поверх уплотненного порошка AlB₁₂. Тигель, заполненный уплотненным AlB₁₂, "расположенным подобно сэндвичу" между слоями порошка алюминия, поместили в вакуумную печь. Для осуществления дегазирования в печи был создан вакуум глубиной примерно до 10^-5 Тор. Температуру в дальнейшем повысили до 1100^oC и поддерживали ее в течение 3 ч. При этих условиях расплавленный алюминий пропитал пористую уплотненную массу AlB₁₂.

Известна концепция создания самогенерируемого вакуума в теле для улучшения пенетрации расплавленного металла в тело (см. Патент США N 3.364.976, 1968). В частности, описывается, что тело, например графитовая изложница, стальная изложница или пористый огнеупорный материал, полностью погружают в расплавленный металл. В случае изложницы полость изложницы, заполненная газом, взаимодействующим с металлом, сообщается с расположенным снаружи расплавленным металлом через по меньшей мере одно отверстие в изложнице. Когда изложница погружена в расплав, заполнение полости происходит тогда, когда в результате реакции между газом, находящимся в полости, и расплавленным металлом образуется самогенерируемый вакуум. В частности, вакуум является результатом образования твердой окисленной фазы металла. Таким образом, в этом патенте описывается то, что является существенным для начала реакции между газом, содержащимся в полости, и расплавленным металлом. Однако использование изложницы для создания вакуума может быть нежелательным из-за характерных ограничений, связанных с использованием изложницы, так как последней необходимо придать особую форму путем механической обработки, после чего подвергнуть отделке путем механической обработки для получения приемлемой литьевой поверхности в изложнице, после чего производится сборка перед применением, а затем разборка после использования для извлечения отлитого изделия из нее; после этого изложница ремонтируется, что скорее всего выражается в повторной чистовой обработке поверхностей изложницы или отбраковке изложницы, если она больше не пригодна для использования. Механическая обработка изложницы сложной конфигурации может быть очень дорогой и требовать больших затрат времени. Кроме того, извлечение сформованной детали из изложницы сложной конфигурации также может быть трудным (т. е. отлитые детали сложной конфигурации могут быть повреждены во время извлечения из изложницы). И еще, хотя указывается, что пористый угнеупорный материал может погружаться непосредственно в расплавленный металл без потребности в изложнице, огнеупорный материал должен быть монолитным куском, потому что нет сообщений о пропитке рыхлого или раздельного пористого материала при отсутствии использования содержащей изложницы (т. е. вообще считается, что частицеобразный материал будет типично диссоциироваться или расплываться по помещении на расплавленный металл). Кроме того, при необходимости пропитки порошкообразного материала или рыхло сформованной подпрессовки необходимо принять меры предосторожности, чтобы пропитывающий металл не перемещал, по крайней мере, участки макрочастиц или подпрессовки, приводя к неоднородной микроструктуре.

Соответственно, давно ощущается потребность в простом и надежном способе для производства сформированных композитов с металлической матрицей, который не основывается на использовании приложения давления или вакуума (прилагаемого снаружи или создаваемого внутри), или не разрушал бы смачивающие агенты, используемые для образования металлической матрицы, поглощающей другой материал, как керамический материал. Кроме того, также давно ощущается необходимость в снижении количества конечных механических обработок, связанных с производством композитного тела с металлической матрицей.

Изобретение удовлетворяет эти потребности путем создания механизма самопроизвольной пропитки для пропитки материала, например керамического, который может быть сформован в подпрессовку, расплавленным основным металлом, например алюминием, в присутствии пропитывающей атмосферы, например азота, при нормальных атмосферных давлениях при условии, что исходный компонент усилителя пропитки присутствует по крайней мере в некоторой точке во время процесса.

Объект изобретения относится к объекту изобретения нескольких других ожидающих решения и находящихся в общей собственности заявок на патент. В частности, в этих заявках на патент описываются новые способы получения композитных материалов с металлической матрицей (здесь и далее иногда именуемые как "Общей собственности патентные заявки на металлические матрицы").

Известен новый способ получения композитного материала с металлической матрицей (см. Патент США N 4.823.008, 1989), согласно которому композит с металлической матрицей получают путем пропитки проницаемой массы наполнительного материала, например керамического или керамикой покрытого, расплавленным алюминием, содержащим по крайней мере 1 мас. магния, предпочтительно не менее 3 мас. магния. Пропитка протекает самопроизвольно без применения внешнего давления или вакуума. Подача расплавленного сплава металла приводится в контакт с массой наполнительного материала при температуре не менее 675^oC в присутствии газа, содержащего 10 100 и предпочтительно не менее 50 азота по объему, а остальной газ, если он присутствует, представляет собой неокисляющий газ, например аргон. В этих условиях расплавленный алюминиевый сплав пропитывает керамическую массу при нормальном атмосферном давлении, образуя композит с алюминиевой матрицей или матрицей из алюминиевого сплава. После того, как необходимое количество наполнительного материала было пропитано расплавленным сплавом алюминия, температуру снижают для отверждения сплава с образованием в результате прочной структуры металлической матрицы, которая содержит армирующий наполнительный материал. Обычно и предпочтительно подача подаваемого расплавленного сплава будет достаточной для возможности пропитки по существу до границ массы наполнительного материала. Количество наполнителя в композитах с алюминиевой матрицей, полученных согласно этому патенту, может быть очень высоким. В этом отношении могут быть достигнуты объемные соотношения между наполнителем и сплавом выше 1 1.

В условиях этого способа нитрид алюминия может образовать прерывистую фазу, диспергированную по алюминиевой матрице. Количество нитрида в алюминиевой матрице может изменяться в зависимости от таких факторов, как температура, состав сплава, состав газа и наполнительный материал. Таким образом, путем управления одним или более факторами в системе, можно придавать определенные свойства композиту. Однако для некоторых целевых применений может быть необходимым, чтобы композит содержал мало или совсем не содержал нитрида алюминия.

Отмечено, что более высокие температуры содействуют пропитке, но делают процесс более активным в отношении образования нитрида. В этом известном способе предоставляется возможность выбора баланса между кинетикой пропитки и образованием нитрида.

Пример соответствующего барьерного средства для использования при образовании композита с металлической матрицей известен (см. Патентную заявку США совместной собственности N 141.642, 1988). Согласно этому способу барьерное средство, например частицеобразный диборид титана или графитовый материал, как гибкая графитовая фольга, производимая фирмой "Юнион карбид" и продаваемая под товарным знаком Графойл, размещалось на определенной поверхностной границе наполнителя и основной сплав пропитывает до границы, определяемой барьерным средством. Барьерное средство используется для ингибирования, предотвращения или прекращения пропитки расплавленного сплава, тем самым обеспечивая чистые или почти чистые формы в результирующем композите с металлической матрицей. Соответственно сформованные композитные тела с металлической матрицей имеют наружную форму, которая по существу соответствует внутренней форме барьерного средства.

Способ (см. Патентную заявку США N 049.171) был усовершенствован патентной заявкой США общей собственности и одновременно рассматриваемой N 168.284, поданной 15 марта 1988 г. и озаглавленной "Композиты с металлической матрицей и способы их получения". В соответствии со способами, описанными в этой патентной заявке США, сплав основного металла присутствует как первый источник металла и как резервуар сплава основного металла, который сообщается с первым источником расплавленного металла в силу, например, гравитационного потока. В частности, в условиях, описанных в этой патентной заявке, первый источник расплавленного основного сплава начинает пропитывать массу наполнителя при нормальных атмосферных давлениях и тем самым начинает формование композита с металлической матрицей. Первый источник расплавленного основного металлического сплава потребляется во время его пропитки в массе наполнителя и при необходимости может пополняться предпочтительно непрерывно из резервуара расплавленного основного металла, когда продолжается самопроизвольная пропитка. Когда требуемое количество проницаемого наполнителя было самопроизвольно пропитано расплавленным основным сплавом, температура снижается для отверждения, образуя в результате твердую структуру с металлической матрицей, которая заключает в себе армирующий наполнительный материал. Должно быть понятно, что использование резервуара с металлом является просто одним вариантом реализации изобретения, описанного в этой патентной заявке, и необязательно объединять вариант резервуара с каждым альтернативным вариантом реализации изобретения, который здесь описан, причем некоторые из них могут быть выгодными для использования в комбинации с данным изобретением.

Резервуар для металла может присутствовать в таком количестве, что он обеспечивает достаточное количество металла для пропитки проницаемой массы наполнителя до заданной степени. Альтернативно возможное барьерное средство может соприкасаться с проницаемой массой наполнителя по меньшей мере на одной его стороне для ограничения поверхностной границы раздела.

Кроме того, в то время как подача подаваемого расплавленного основного сплава должна быть по крайней мере достаточной для возможности самопроизвольной пропитки и достигнуть по существу границ (например, барьеров) проницаемой массы наполнителя, количество сплава, присутствующего в резервуаре, может превышать такое достаточное количество, что будет не только достаточное количество сплава для полной пропитки, но и может оставаться избыточный расплавленный основной сплав и может быть присоединен к композитному телу с металлической матрицей. Таким образом, когда имеет место избыточный расплавленный сплав, результирующее тело будет сложным композитным телом (например, макрокомпозитным), в котором пропитанное керамическое тело, имеющее металлическую матрицу, будет непосредственно связано с избыточным металлом, остающимся в резервуаре.

В каждой из рассмотренных выше (находящихся в общей собственности) патентных заявок на металлическую матрицу описываются способы получения композитных тел с металлической матрицей и новых композитных тел с металлической матрицей, полученных с их помощью. Все технические решения во всех вышеупомянутых (находящихся в общей собственности) патентных заявках на металлическую матрицу специально включены в эту заявку как прототипы.

Композитное тело с металлической матрицей получают путем самопроизвольной пропитки проницаемой массы наполнителя или подпрессовки расплавленным основным металлом. В частности, усилитель пропитки и/или исходный компонент усилителя пропитки и/или пропитывающая атмосфера сообщаются с наполнителем или подпрессовкой по крайней мере в некоторой точке в ходе процесса, что дает возможность основному металлу самопроизвольно пропитывать наполнитель или подпрессовку.

В первом предпочитаемом варианте реализации исходный компонент усилителя пропитки можно вводить по крайней мере в наполнитель или подпрессовку и/или основной металл и/или пропитывающую атмосферу. Вводимый исходный компонент усилителя пропитки может после этого вступать в реакцию по крайней мере либо с наполнителем и/или подпрессовкой, и/или основным металлом и/или пропитывающей атмосферой для образования усилителя пропитки из исходного компонента (предшественника усилителя) по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки или на них. По крайней мере в ходе самопроизвольной пропитки усилитель пропитки должен находиться в контакте по крайней мере с частью наполнителя или подпрессовки.

В другом предпочтительном варианте реализации изобретения вместо подачи исходного компонента усилителя пропитки усилитель пропитки может подаваться непосредственно по крайней мере в одно из: или подпрессовку, и/или основной металл, и/или пропитывающую атмосферу. Наконец, по крайней мере в течение самопроизвольной пропитки усилитель пропитки должен быть в контакте по крайней мере с частью наполнителя или подпрессовки.

В данном описании приводятся разные примеры основных металлов, которые в некоторой точке во время формования композита с металлической матрицей находятся в контакте с исходным компонентом усилителя пропитки в присутствии пропитывающей атмосферы. Таким образом, будут сделаны ссылки на конкретные системы основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера, которые показывают самопроизвольную пропитку. Однако считается, что многие другие системы основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера иные, чем описанные в данном изобретении, могут вести себя аналогично системам, описанным выше. Конкретно, явление самопроизвольной пропитки можно наблюдать в системе алюминий/магний/азот, системе алюминий/стронций/азот, системе алюминий/цинк/кислород, системе алюминий/кальций/азот. Соответственно, даже, если в этом описании приводятся только те системы, которые упомянуты выше, должно быть понятно, что другие системы основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера могут вести себя аналогичным образом.

В предпочтительном варианте реализации для достижения самопроизвольной пропитки в проницаемую массу наполнителя или подпрессовки расплавленный основной металл вводится в контакт с подпрессовкой или наполнительным материалом. Подпрессовка или наполнитель могут смешиваться там и/или в некоторой другой точке во время процесса, где происходит взаимодействие с исходным компонентом усилителя пропитки. Кроме того, в предпочтительном варианте реализации расплавленный основной металл и/или подпрессовка или наполнитель сообщаются с пропитывающей атмосферой по крайней мере в течение части процесса. В другом предпочтительном варианте реализации основной металл и/или подпрессовка или наполнитель сообщаются с пропитывающей атмосферой по существу в течение всего процесса. Подпрессовка или наполнитель будут самопроизвольно пропитываться расплавленным основным металлом и размер или степень самопроизвольной пропитки и образования композита с металлической матрицей будут изменяться при данной совокупности рабочих условий, в том числе, например, концентрация предшественника усилителя пропитки, предназначенного для системы (например, в расплавленном основном металле и/или наполнителе или подпрессовке и/или пропитывающей атмосфере), размер и/или состав наполнительного материала, размер и/или состав частиц в подпрессовке, возможная пористость для пропитки в подпрессовку или наполнитель, время, предоставленное для пропитки и/или температура, при которой происходит пропитка. Самопроизвольная пропитка происходит обычно в достаточной степени, чтобы по существу полностью охватить подпрессовку или наполнитель.

Кроме того, путем изменения композиции основного металла и/или условий обработки физические и механические свойства сформованных композитных тел с металлической матрицей могут быть адаптированы для любого конкретного применения или потребности. Далее подвергают образованное композитное тело с металлической матрицей последующей обработке (например, направленное затвердевание, термическая обработка и т. д.), механические и/или физические свойства могут быть далее адаптированы в соответствии с требованиями конкретного применения или в связи с необходимостью. Также еще путем управления условиями обработки во время формования композита с металлической матрицей азотное содержание в образованном композите с металлической матрицей может быть адаптировано в соответствии с требованиями широкого диапазона промышленных применений.

Кроме того, путем управления композицией и/или размером (например, диаметром частиц) и/или геометрией наполнительного материала или материала, содержащего подпрессовку, физические и/или механические свойства сформированного композита с металлической матрицей могут управляться и адаптироваться для удовлетворения любого числа промышленных требований. Например, установлено, что износостойкость композита с металлической матрицей может быть повышена путем увеличения размера наполнительного материала, например путем увеличения среднего диаметра частиц наполнительного материала, при условии, что износостойкость наполнительного материала выше, чем у основного металла. Однако прочность и/или ударная вязкость могут проявлять тенденцию к повышению при уменьшении размера наполнителя. Коэффициент теплового расширения композита с металлической матрицей может снижаться с увеличением загрузки наполнителя при условии, что коэффициент теплового расширения наполнителя ниже, чем коэффициент теплового расширения основного металла. Кроме того, механические и/или физические свойства (например, плотность, модуль упругости и/или удельный модуль упругости, прочность и/или удельная прочность и т. д.) образованного композитного тела с металлической матрицей могут адаптироваться в зависимости от загрузки наполнительного материала в рыхлой массе или подпрессовке. Например, путем создания рыхлой массы или подпрессовки, содержащей смесь частиц наполнителя разных размеров и форм, в которой плотность наполнителя больше, чем у основного металла, может быть достигнута более высокая загрузка наполнителя благодаря усиленной набивке наполнительного материала, что ведет к образованию композитного тела с металлической матрицей повышенной плотности. Путем использования технических решений согласно изобретению объемный процент наполнительного материала или подпрессовки, который пропитывается, может изменяться в широком диапазоне. Нижний объемный процент наполнителя, который может быть пропитан, ограничен главным образом способностью образовать пористый наполнительный материал или подпрессовку (например, около 10 об.), тогда как верхний объемный процент наполнителя или подпрессовки, который может быть пропитан, ограничен главным образом способностью образовать плотный наполнительный материал или подпрессовку по крайней мере с частично сообщающейся пористостью (например, около 95 об.). Соответственно путем реализации вышеназванных технических решений, поодиночке или в комбинации можно подогнать композит с металлической матрицей так, чтобы он содержал требуемую комбинацию свойств.

Термин "Алюминий", используемый здесь, означает и включает в себя по существу чистый металл (например, относительно чистый выпускаемый промышленностью нелегированный алюминий) или другие марки металла и сплавы металлов, такие как выпускаемые промышленностью металлы, имеющие примеси и/или легирующие добавки, такие как железо, кремний, медь, магний, марганец, хром, цинк и т. д. Алюминиевый сплав для целей данного определения есть сплав или межметаллическое соединение, в котором алюминий является преобладающим компонентом.

"Баланс неокислительного газа", как это здесь используется, означает, что любой газ, присутствующий дополнительно к основному газу, составляющему пропитывающую атмосферу, является либо инертным газом, либо восстановительным газом, который по существу не реагирует с основным металлом в условиях процесса. Любой окислительный газ, который может присутствовать как примесь в используемом (-ых) газе (-ах), должен быть недостаточным для окисления основного металла в какой-либо значительной степени в условиях процесса.

"Барьр" или "барьерное средство", как это здесь используется, означает любое соответствующее средство, которое мешает, препятствует, предотвращает или прекращает миграцию, движение или тому подобное расплавленного основного металла за поверхностную границу проницаемой массы наполнителя или подпрессовки, где такая поверхностная граница определена барьерным средством. Соответствующими барьерными средствами могут быть любые такие материалы, соединения, элементы, составы и тому подобное, которые в условиях процесса сохраняют целостность и по существу не испаряются (т. е. барьерный материал не улетучивается в такой степени, что становится не способным функционировать как барьер).

Соответствующие "барьерные средства" включают в себя материалы, которые по существу не смачиваются мигрирующим расплавленным основным металлом в условиях процесса. Барьер этого типа проявляет по существу небольшое средство или совсем его не проявляет с расплавленным основным металлом и движение за определенную поверхностную границу массы наполнителя иди подпрессовки предотвращается или ингибируется барьерным средством. Барьер сокращает любую отделочную обработку или шлифование, которые могут потребоваться, и определяет по крайней мере часть поверхности результирующего композита с металлической матрицей. Барьер может в некоторых случаях быть проницаемым или пористым, или становится проницаемым, например путем просверливания отверстий или протыкания отверстий в барьере, чтобы дать возможность газу входить в контакт с расплавленным основным металлом и т. д.

"Каркас" или "каркас основного металла", как здесь используется, означает первоначальное тело основного металла, остающееся после процесса, которое не было употреблено во время образования композитного тела с металлической матрицей, и обычно, если ему предоставляется возможность для охлаждения, он остается по крайней мере в частичном контакте с композитным телом с металлической матрицей, которое было сформировано. Должно быть понятно, что каркас может также включать в себя второй или инородный металл.

"Наполнитель", как здесь используется, означает либо единичные компоненты, либо их смеси, которые по существу не вступают в реакцию с основным металлом и/или обладают ограниченной растворимостью в нем и могут быть однофазными или многофазными. Наполнители могут использоваться в широком разнообразии форм, например порошков, чешуек, таблеток, микросфер, нитевидных кристаллов, газовых пузырьков и тому подобное, и могут быть плотными или пористыми. Наполнитель может также включать в себя керамические наполнители, такие как глинозем или карбид кремния, в виде волокон, рубленых волокон, микрочастиц, нитевидных кристаллов, газовых пузырьков, шариков, матов из волокон и тому подобное, и покрытых керамическим материалом наполнителей, таких как углеродные волокна, покрытые глиноземом или карбидом кремния для защиты углерода от воздействия, например, расплавленного основного металла алюминия. Наполнители могут также включать в себя металлы.

"Установка прибыльных надставок", как здесь используется, означает размещение вещества на одном конце ("верхнем прибыльном" конце) по крайней мере частично сформированного композита с металлической матрицей, которое (вещество) реагирует экзотермически по крайней мере с одним из следующих компонентов: основной металл и/или наполнительный материал и/или другой материал, подаваемый на верхний прибыльный конец. Эта экзотермическая реакция должна обеспечить достаточно тепла, чтобы поддерживать основной металл на верхнем прибыльном конце в расплавленном состоянии, тогда как остальная часть основного металла в композите охлаждается до температуры отверждения.

"Пропитывающая атмосфера", как здесь используется, означает, что атмосфера, которая присутствует, взаимодействует с основным металлом и/или подпрессовкой (или наполнителем) и/или предшественником усилителя пропитки и/или усилителем пропитки, и обеспечивает или усиливает самопроизвольную пропитку основного металла и ее нормальное протекание.

"Усилитель пропитки", как здесь используется, означает материал, который содействует или помогает самопроизвольной пропитке основного металла в наполнительном материале или подпрессовке. Усилитель пропитки может быть образован, например, в результате реакции исходного компонента (предшественника) усилителя пропитки с пропитывающей атмосферой, с образованием: 1) газообразных продуктов, и/или 2) продукта реакции предшественника усилителя пропитки и пропитывающей атмосферы, и/или 3) продукта реакции предшественника усилителя пропитки и наполнителя или подпрессовки. Кроме того, усилитель пропитки может подаваться непосредственно по крайней мере на один из следующих компонентов: подпрессовку, и/или основной металл и/или пропитывающую атмосферу, и функционировать по существу таким же образом, как усилитель пропитки, который был образован в ходе реакции между предшественником усилителя пропитки и другими компонентами. Наконец, по крайней мере в течение самопроизвольной пропитки усилитель пропитки должен находиться по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки, чтобы достигнуть самопроизвольной пропитки.

"Предшественник усителя пропитки" или "исходный компонент усителя пропитки", как здесь используется, означает материал, который при использовании в комбинации с основным металлом, подпрессовкой и/или пропитывающей атмосферой образует усилитель пропитки, который побуждает или содействует основному металлу самопроизвольно пропитывать наполнитель или подпрессовку. Без стремления быть связанным какой-либо конкретной теорией или объяснением, считается необходимым, чтобы предшественник усилителя пропитки был в состоянии, приемлемом для размещения, расположения или транспортирования до места, в котором предшественник усилителя пропитки может взаимодействовать с пропитывающей атмосферой и/или подпрессовкой или наполнителем и/или основным металлом. Например, в некоторых системах основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера желательно, чтобы предшественник усилителя пропитки испарялся на уровне температуры, а иногда чуть выше уровня температуры, при котором основной металл становится расплавленным. Такое испарение может вести к:

1) реакции предшественника усилителя пропитки с пропитывающей атмосферой с образованием газовых веществ, которые усиливают смачивание наполнителя или подпрессовки основным металлом; и/или

2) реакции предшественника усилителя пропитки с пропитывающей атмосферой с образованием твердого, жидкого или газообразного усилителя пропитки по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки, что усиливает смачивание; и/или

3) реакции предшественника усилителя пропитки с наполнителем или подпрессовкой с образованием твердого, жидкого или газообразного усилителя пропитки по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки, что усиливает смачивание.

"Основной металл" или "Основной сплав металла", как здесь используется, означает металл, который используется для образования композита с металлической матрицей (например, до пропитки) и/или металл, который смешивается с наполнителем для образования композитного тела с металлической матрицей (например, после пропитки). Когда данный металл указан как основной металл, должно быть понятно, что такой основной металл включает в себя названный металл по существу как чистый металл, выпускаемый промышленностью металл, имеющий примеси и/или легирующие компоненты в нем, межметаллическое соединение или сплав, в котором этот металл является преобладающим или господствующим компонентом.

"Система основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера" или "Самопроизвольная система", как здесь используется, означает комбинацию материалов, которые показывают самопроизвольное пропитывание в подпрессовку или наполнитель. Должно быть понятно, что когда представлен знак "/" между показательными основным металлом, предшественником усилителя пропитки и пропитывающей атмосферой, знак "/" используется для обозначение системы или комбинации материалов, которые объединены данным образом и проявляют самопроизвольную пропитку в подпрессовку или наполнитель.

"Композит с металлической матрицей" или "КММ", как здесь используется, означает материал, содержащий двух- или трехмерно связанный сплав или основной металл, который заполнил подпрессовку или наполнитель. Основной металл может заключать в себя разные легирующие элементы для получения специально требуемых механических или физических свойств результирующего композита.

Металл, "отличающийся" от основного металла, означает металл, который не содержит в качестве основного компонента тот же самый металл, что и основной металл (например, если основной компонент основного металла алюминий, "отличающийся" металл может иметь в качестве основного компонента, например, никель).

"Нереакционный сосуд для размещения основного металла" означает любой сосуд или резервуар, который может вмещать или содержать наполнитель (или подпрессовку) и/или расплавленный основной металл в условиях процесса и не реагирует с основным металлом и/или пропитывающей атмосферой и/или предшественником усилителя пропитки и/или наполнителем или подпрессовкой в такой степени, что могло бы значительно разрушить механизм самопроизвольной пропитки. Нереакционный сосуд может устраняться и передаваться после завершения самопроизвольной пропитки расплавленного основного металла.

"Подпрессовка" или "проницаемая подпрессовка", как здесь используется, означает пористую массу наполнителя или наполнительного материала, который изготавливается по крайней мере с одной поверхностной границей раздела, которая по существу образует границу пропитывания основным металлом, причем такая масса сохраняет достаточно целостность своей формы и прочность сырой формовочной смеси для обеспечения точности воспроизведения размеров перед пропиткой основным металлом. Масса должна быть достаточно пористой для размещения основного металла во время самопроизвольной пропитки. Подпрессовка, как правило, включает в себя связанный порядок или расположение наполнителя (гомогенный или гетерогенный) и может состоять из любого подходящего материала (например, керамических и/или металлических частиц, порошков, волокон, нитевидных кристаллов и т. д.), и любой их комбинации. Подпрессовка может существовать любо отдельно, либо в сборке.

"Резервуар", как здесь используется, означает отдельное тело основного металла, расположенное относительно массы наполнителя или подпрессовки таким образом, что, когда металл расплавлен, он может течь для пополнения или в некоторых случаях сначала для первоначального образования и затем для пополнения той части, доли или источника основного металла, которая находится в контакте с наполнителем или подпрессовкой.

"Самопроизвольная пропитка", как здесь используется, означает пропитывание или проникание основного металла в проницаемую массу наполнителя или подпрессовки, которое происходит без необходимости применения давления или вакуума (создаваемого снаружи или внутри).

На фиг. 1 дано схематичное изображение в поперечном разрезе укладки для получения композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки; на фиг. 2 схематичное изображение в поперечном сечении укладки для получения композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки; на фиг. 3 схематичное изображение в поперечном сечении укладки для получения композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки; на фиг. 4 схематичное изображение в поперечном сечении укладки для получения композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки; на фиг. 5 схематичное изображение в поперечном сечении наслаиваний для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 6 схематичное изображение в поперечном сечении наслаиваний для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 7 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 8 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 9 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 10 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 11 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно примеру 5; на фиг. 12 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования с самопроизвольной пропиткой композита с металлической матрицей согласно примеру 5; на фиг. 13 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей и самопроизвольной пропиткой согласно примеру 6; на фиг. 14 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей и самопроизвольной пропиткой согласно примеру 6; на фиг. 15 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей и самопроизвольной пропиткой согласно примеру 6; на фиг. 16 схематичное изображение в поперечном сечении наслоений для образования композита с металлической матрицей и самопроизвольной пропиткой согласно примеру 16.

Изобретение касается получения композита с металлической матрицей способом самопроизвольной пропитки наполнителя или подпрессовки расплавленным основным металлом. В частности, усилитель пропитки, и/или исходный компонент усилителя пропитки/ и/или пропитывающая атмосфера сообщаются с наполнителем или подпрессовкой по крайней мере в некоторой точке в ходе процесса, что позволяет расплавленному основному металлу самопроизвольно пропитывать наполнитель или подпрессовку.

На фиг. 1 показана простая укладка 10 для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки. Конкретно, наполнитель или подпрессовка 1, которые могут быть из любого соответствующего материала, как подробно пояснено ниже, помещается в нереакционный сосуд 2 для содержания основного металла и/или наполнителя. Основной металл 3 помещается на или смежно с наполнителем или подпрессовкой 1. После этого укладка помещается в печь для инициирования самопроизвольной пропитки.

Без стремления быть связанным какой-либо теорией или объяснением, когда предшественник усилителя пропитки используется в комбинации по крайней мере с одним из следующих компонентов: основной металл, и/или наполнитель или подпрессовка, и/или пропитывающая атмосфера, предшественник усилителя пропитки может реагировать с образованием усилителя пропитки, который вызывает или содействует расплавленному основному металлу самопроизвольно пропитывать наполнитель или подпрессовку. Кроме того, считается, что предшественник усилителя пропитки обязательно должен быть в состоянии, позволяющим его размещение, расположение или транспортирование до места, в котором предшественник усилителя пропитки может взаимодействовать с пропитывающей атмосферой, и/или подпрессовкой или наполнителем, и/или расплавленным основным металлом. Например, в некоторых системах основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера требуется обеспечить испарение предшественника усилителя пропитки на уровне температуры и иногда даже выше уровня, при которой плавится основной металл. Такое испарение может привести к:

1) реакции предшественника усилителя пропитки с пропитывающей атмосферой с образованием газовых веществ, которые усиливают смачивание наполнителя или подпрессовки основным металлом; и/или

2) реакции предшественника усилителя пропитки с пропитывающей атмосферой с образованием твердого, жидкого или газообразного усилителя пропитки по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки, что усиливает смачивание; и/или

3) реакции предшественника усилителя пропитки с наполнителем или подпрессовкой с образованием твердого, жидкого или газообразного усилителя пропитки по крайней мере части наполнителя или подпрессовки, что усиливает смачивание.

Так, например, если исходный компонент усилителя пропитки был введен или объединен по крайней мере в некоторой точке в ходе процесса c расплавленным основным металлом, то возможно, что усилитель пропитки мог бы испариться из расплавленного основного металла и вступить во взаимодействие по крайней мере с одним из компонентов, таким как наполнитель или подпрессовка, и/или пропитывающая атмосфера. Такая реакция могла бы привести к образованию твердых веществ, если такой тип твердого вещества устойчивый при температуре пропитки, при этом упомянутое твердое вещество способно отлагаться по крайней мере на части наполнителя или подпрессовки в качестве, например, покрытия. Кроме того, считается, что такое твердое вещество могло бы присутствовать как ощутимое твердое вещество внутри по крайней мере части подпрессовки или наполнителя. Если такое твердое вещество было образовано, то расплавленный основной металл может иметь тенденцию к взаимодействию (например, расплавленный основной металл может восстановить образовавшееся твердое вещество), так что предшественник усилителя пропитки может быть связанным с расплавленным основным металлом (например, быть растворенным в нем или сплавленным с ним). Соответственно, дополнительный предшественник усилителя пропитки может быть после этого доступным для испарения и реагирования с другими типами веществ, например наполнителем или подпрессовкой и/или пропитывающей атмосферой, и снова образовать твердый тип вещества. Считается, что непрерывный процесс преобразования предшественника усилителя пропитки в усилитель пропитки с последующей реакцией восстановления усилителя пропитки с помощью расплавленного основного металла, чтобы снова образовать дополнительный усилитель пропитки и т. д. может происходить до достижения результата образования композита с металлической матрицей путем самопроизвольной пропитки.

Для осуществления самопроизвольной пропитки основного металла в наполнителе или подпрессовке усилитель пропитки должен быть предусмотрен для самопроизвольной системы. Усилитель пропитки может быть образован из исходного компонента усилителя пропитки, который может быть предусмотрен: 1) в основном металле, и/или 2) в наполнителе или подпрессовке; и/или 3) из пропитывающей атмосферы, и/или 4) из внешнего источника в самопроизвольной системе. Кроме того, вместо использования предшественника усилителя пропитки усилитель пропитки может подаваться непосредственно по крайней мере на один из компонентов, такой как наполнительный материал или подпрессовка, и/или основной металл, и/или пропитывающая атмосфера. Наконец, по крайней мере во время самопроизвольной пропитки усилитель пропитки должен быть помещен по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки.

В предпочитаемом варианте реализации изобретения возможно, что исходный компонент усилителя пропитки может по крайней мере частично взаимодействовать с пропитывающей атмосферой таким образом, что усилитель пропитки может быть образован по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки до или одновременно с контактированием наполнителя или подпрессовки с основным металлом, например, если магний был предшественником усилителя пропитки и азот был пропитывающей атмосферой, усилитель пропитки может быть нитридом магния, который должен находиться по крайней мере в части подпрессовки или наполнителя.

Примером системы основной металл/предшественник усилителя пропитки/пропитывающая атмосфера является система алюминий/магний/азот. Конкретно, алюминий как основной металл может содержаться в соответствующем огнеупорном сосуде, который в условиях процесса не реагирует с алюминием как основным металлом и/или наполнителем, когда алюминий находится в расплавленном состоянии, с отрицательными для них последствиями. После этого наполнитель или подпрессовка может входить в контакт с расплавленным алюминием как основным металлом и самопроизвольно пропитываться.

Кроме того, вместо подачи предшественника усилителя пропитки усилитель пропитки может подаваться непосредственно по крайней мере на один из компонентов, как подпрессовка или наполнитель, и/или основной металл и/или пропитывающая атмосфера. Наконец, по крайней мере во время самопроизвольной пропитки усилитель пропитки должен находиться по крайней мере в части наполнителя или подпрессовки.

В условиях, применяемых в способе согласно изобретению, в случае системы самопроизвольной пропитки алюминия/магний/азот, подпрессовка или наполнитель должен быть достаточно проницаемым для возможности проникновения содержащего азот газа или пропитывания наполнителя или подпрессовки в некоторой точке во время процесса и/или контакта с расплавленным основным металлом. Кроме того, проницаемый наполнитель или подпрессовка могут размещать пропитывающий расплавленный основной металл, тем самым заставляя пропитанную азотом подпрессовку пропитываться самопроизвольно расплавленным основным металлом для образования композитного тела с металлической матрицей и/или побуждения азота реагировать с предшественником усилителя пропитки для образования усилителя пропитки в наполнителе или подпрессовке, тем самым приводя к самопроизвольной пропитке. Степень самопроизвольной пропитки и образования композита с металлической матрицей может намеренно изменяться при данной совокупности рабочих условий, включая содержание магния в сплаве алюминия, содержание магния в подпрессовке или наполнителе, количество нитрида магния в подпрессовке или наполнителе, присутствие дополнительных легирующих элементов, например кремния, железа, меди, марганца, хрома, цинка, и тому подобное, средний размер наполнительного материала, например диаметр частицы, содержащего подпрессовку или наполнитель, поверхностное условие и тип наполнителя или подпрессовки, концентрация азота пропитывающей атмосферы, время предоставленное для пропитки, и температура, при которой происходит пропитка. Например, для самопроизвольного протекания пропитки расплавленного основного металла алюминия алюминий может 1 по весу, предпочтительно не менее 3 по весу магнием, который функционирует как предшественник усилителя пропитки, основываясь на весе сплава. Вспомогательные легирующие элементы, как сказано выше, могут также включаться в основной металл для получения специфических свойств его. Дополнительно вспомогательные легирующие элементы могут влиять на минимальную величину магния, необходимого в основном металле алюминия, чтобы иметь самопроизвольную пропитку наполнителя или подпрессовки.

Потеря магния из самопроизвольной системы по причине, например, испарения, не должна происходить в такой степени, что магний не будет присутствовать для образования усилителя пропитки. Таким образом, необходимо использовать достаточное количество исходных легирующих элементов для обеспечения того, чтобы самопроизвольная пропитка не подвергалась отрицательному воздействию в результате испарения. Наличие магния в подпрессовке (или наполнитель) и в основном металле или только в одной подпрессовке (или наполнителе) может привести к снижению требуемого количества магния для достижения самопроизвольной пропитки (что поясняется более подробно ниже).

Объемный процент азота в пропитывающей атмосфере также влияет на скорости образования композитного тела с металлической матрицей. Если в атмосфере присутствует меньше 10 об. азота, будет протекать очень медленная или незначительная самопроизвольная пропитка. Установлено, что предпочтительно по крайней мере около 50 об. азота в атмосфере, что ведет к более коротким периодам времени пропитки благодаря более повышенной скорости пропитки. Пропитывающая атмосфера, например газ, содержащий азот, может подаваться непосредственно на наполнитель или подпрессовку и/или основной металл или может образовываться или вытекать в результате разложения материала.

Минимальное содержание магния, необходимое для пропитки расплавленным основным металлом наполнителя или подпрессовки, зависит от одной или более таких переменных как рабочая температура, время, наличие вспомогательных легирующих элементов, таких как кремний или цинк, природа наполнительного материала, местоположение магния в одном или больше компонентах самопроизвольной системы, содержание азота в атмосфере и скорость, с какой протекает атмосфера азота. Более низкие температуры или более короткие периоды времени нагревания могут использоваться для проведения полной пропитки, когда содержание магния в сплаве и/или подпрессовке увеличено. Также при данном содержании магния добавление некоторых вспомогательных легирующих элементов, таких как цинк, дает возможность использовать более низкие температуры. Например, содержание магния в основном металле при более низкой границе допустимого диапазона, примерно 1 3 вес. можно использовать в сочетании с одним из следующих параметров: сверхминимальная рабочая температура, высокая концентрация азота, один или более дополнительных легирующих элементов. Когда в подпрессовку вообще не вводят магний, предпочтительны сплавы, содержащие примерно 3 5 вес. в связи с их общей полезностью при широком разнообразии рабочих условий, причем при использовании более низких температур и более коротких периодов времени предпочтительное содержание магния составляет не менее 5 Содержание магния свыше 10 вес. в сплаве алюминия можно использовать для смягчения температурных условий, необходимых для пропитки. Содержание магния может быть уменьшено при одновременном использовании дополнительного легирующего элемента, но эти элементы выполняют лишь вспомогательную функцию и используются вместе по крайней мере с вышеупомянутым количеством магния. Не наблюдалось, например, никакой пропитки номинально чистого алюминия, легированного лишь кремнием в количестве 10 при температуре 1000^oC, в слое 39 Кристолона 500 меш (99-ный чистый карбид кремния, фирмы "Нортон Ко. "). Однако было установлено, что в присутствии магния кремний содействует процессу пропитки. В качестве еще одного примера можно указать, что количество магния изменяется, если он подается только на подпрессовку или наполнитель. Установлено, что самопроизвольная пропитка будет происходить при меньшем весовом процентном количестве магния, вводимом в самопроизвольную систему, когда по крайней мере часть от общего количества вводимого магния помещают в подпрессовку или наполнитель. Может быть желательным предусмотреть меньшее количество магния для предотвращения образования нежелательных межметаллических соединений в композитном теле с металлической матрицей. В случае подпрессовки в виде карбида кремния установлено, что когда подпрессовка соприкасается с основным металлом алюминием, при этом подпрессовка содержит по крайней мере 1 вес. магния и находится в присутствии практически чистой азотной атмосферы, основной металл самопроизвольно пропитывает подпрессовку. В случае подпрессовки из глинозема количество магния, необходимое для достижения соответствующей самопроизвольной пропитки, несколько выше. В частности, установлено, что в случае глиноземной подпрессовки при ее соприкосновении с аналогичным основным металлом алюминием примерно при той же температуре, при которой алюминий пропитывал подпрессовку из карбида кремния, и в присутствии той же атмосферы, для достижения аналогичной самопроизвольной пропитки, которая достигнута в подпрессовке из карбида кремния, описанной перед этим, потребовалось по меньшей мере около 3 вес. магния.

Также отмечено, что можно вводить в самопроизвольную систему исходный компонент усилителя пропитки и/или усилитель пропитки на поверхность сплава и/или поверхность подпрессовки или наполнителя и/или внутрь подпрессовки или наполнителя перед пропиткой основного металла наполнителя или подпрессовки (т. е. необязательно легировать вводимые усилитель пропитки или исходный компонент усилителя пропитки основным металлом, а можно просто вводить его в самопроизвольную систему). Например, в системе алюминий/магний/азот, если магний был нанесен на поверхность основного металла, то может быть предпочтительнее, чтобы эта поверхность была ближе всего к проницаемой массе наполнителя или подпрессовки или предпочтительно соприкасалась с ним, или наоборот; либо такой магний можно смешать по крайней мере с частью подпрессовки или наполнителя. Кроме того, можно использовать некоторую совокупность приемов поверхностного нанесения, легирования и помещения магния по крайней мере в часть подпрессовки. Такая совокупность применения усилителя (-ей) пропитки и/или исходного (-ых) компонента (-ов) усилителя пропитки может привести к снижению общего весового количества магния в процентном отношении, необходимого для промотирования пропитки основного металла алюминия в подпрессовку, а также к достижению более низких температур, при которых может происходить пропитка. Кроме того, также можно свести к минимуму количество нежелательных межметаллических соединений, образованных в результате наличия магния.

Использование одного или более дополнительных легирующих элементов и концентрации азота в окружающем газе также влияет на степень азотирования основного металла при данной температуре. Например, дополнительные легирующие элементы, такие как цинк, железо, введенные в сплав или помещенные на поверхности сплава, могут быть использованы для снижения температуры пропитки и тем самым для уменьшения количества образования нитрида, в то время как увеличение содержания азота в газе можно использовать для промотирования образования нитрида.

Содержание магния в сплаве и/или помещенного на поверхность сплава и/или объединенного с материалом наполнителя или подпрессовки, также имеет тенденцию воздействия на степень пропитки при данной температуре. Следовательно, в некоторых случаях, в которых с подпрессовкой или наполнителем соприкасается небольшое количество магния или не соприкасается вообще, может оказаться предпочтительным введение в сплав по крайней мере около 3 вес. магния. Все количественные значения меньше этого количества (например, 1 вес. магния) могут потребовать более высоких температур для проведения процесса пропитки или включения дополнительного легирующего элемента. Температура, необходимая для осуществления процесса самопроизвольной пропитки согласно изобретению, может быть ниже: 1) при увеличении количества магния только в сплаве, например по крайней мере до 5 вес. и/или 2) при смешивании легирующих компонентов с проницаемой массой наполнителя или подпрессовки, и/или 3) при наличии в сплаве алюминия еще одного элемента, такого как цинк или железо. Температура также может изменяться в зависимости от различных наполнительных материалов. В основном в системе алюминий/магний/азот/ самопроизвольная и постепенная пропитка будет происходить при температуре процесса по крайней мере около 675^oC и предпочтительно при температуре процесса в диапазоне 750 - 800^oC. Температуры в основном свыше 1200^oC не считаются выгодными для процесса и было установлено, что наиболее полезный температурный диапазон составляют температуры примерно 675 1200^oC. Однако, как правило, температурой самопроизвольной пропитки является температура, которая превышает точку плавления основного металла, но ниже температуры испарения основного металла. Кроме того, температура самопроизвольной пропитки должна быть ниже точки плавления наполнительного материала. Кроме того, с увеличением температуры возрастает тенденция к образованию продукта реакции между основным металлом и пропитывающей атмосферой, например в случае основного металла алюминия и азотной атмосферы пропитки может быть получен нитрид алюминия. Такой продукт реакции может быть желательным или нежелательным в зависимости от целевого назначения композитного тела с металлической матрицей. Дополнительно для достижения температур пропитки используется нагревание за счет электрического сопротивления. Однако для использования в изобретении приемлемо любое средство нагревания, которое может вызвать расплавление основного металла и которое не влияет неблагоприятно на самопроизвольную пропитку.

Например, в предлагаемом способе проницаемый наполнитель или подпрессовка приходит в соприкосновение с расплавленным металлом алюминием в присутствии по крайней мере иногда в ходе процесса азотсодержащего газа. Азотосодержащий газ можно вводить путем поддерживания непрерывного потока газа в контакте по крайней мере с одним из компонентов, таким как наполнитель или подпрессовка и/или расплавленный основной металла алюминий. Хотя скорость потока азотсодержащего газа на является важной, предпочтительно, чтобы скорость потока была достаточной для компенсации любой потери азота из атмосферы в результате образования нитридов в основном сплаве, а также для предотвращения или замедления просачивания воздуха, который может оказывать окислительное воздействие на расплавленный металл.

Способ формирования композита с металлической матрицей применим к широкому разнообразию наполнительных материалов и выбор наполнителей будет зависеть от таких факторов, как основной сплав, условия процесса, реакционная способность расплавленного основного металла по отношению к наполнителю, от свойств, необходимых для конечного композитного изделия. Например, когда основным металлом является алюминием, соответствующими наполнительными материалами могут быть следующие: а) оксиды, например оксид алюминия, оксид магния, диоксид циркония; б) карбиды, например карбид кремния; в) бориды, например додекаборид алюминия, диборид титана; г) нитриды, например нитрид алюминия; е) их смеси. При наличии тенденции наполнителя к взаимодействию с расплавленным основным металлом алюминием это может быть компенсировано путем нанесения на наполнитель нереакционноспособного покрытия и за счет сведения к минимуму времени пропитки. Наполнительный материал может содержать основу, такую как уголь или другой некерамический материал, на который нанесено керамическое покрытие для защиты основы от воздействия или разрушения. Соответствующие керамические покрытия включают в себя оксиды, карбиды, бориды и нитриды. Предпочтительные керамические материалы для использования в изобретении включают в себя оксид алюминия и карбид кремния в виде частиц, таблеток, нитевидных кристаллов и волокон. Волокна могут быть раскрошенными или в виде непрерывных нитей, как сгруппированные жгуты волокон. Кроме того, наполнитель или подпрессовка могут быть гомогенными или гетерогенными.

Также установлено, что некоторые наполнители показывают повышенную пропитку по отношению к наполнителям такого же химического состава. Например, раскрошенные глиноземные тела, полученные известным способом (см. Патент США N 4.713.360, 1987), в котором показаны требуемые свойства пропитки по сравнению с глиноземными продуктами, выпускаемыми промышленностью. Кроме того, раскрошенные глиноземные тела, полученные по способу, описанному в одновременно поданной и совместной собственности заявке N 819.397, "Композитные керамические изделия и способы их получения", М. С. Ньюкирка и др. также показывают требуемые свойства пропитки по сравнению с глиноземными продуктами, выпускаемыми промышленностью. Таким образом, установлено, что полная пропитка проницаемой массы керамического материала может происходить при более низких температурах пропитки и/или более коротких периодах времени пропитки путем использования раскрошенных или истолченных тел, полученных по известному способу (см. Патент США N 4.713.360, 1987 и патентную заявку N 819.397).

Размер, форма, химический состав и объемный процент наполнительного материала или подпрессовки могут быть любыми, которые могут потребоваться для достижения требуемых свойств в композите. Так, например, наполнительный материал может быть в форме частиц, нитевидных кристаллов, таблеток или волокон, так как пропитка не ограничивается формой наполнительного материала. Могут использоваться другие формы, такие как шарики, трубообразные таблетки, огнеупорный нетканый материал и тому подобное. Дополнительно, размер наполнительного материала не ограничивает пропитку, хотя более высокая температура и более длительный период времени могут потребоваться для завершения пропитки массы более мелких частиц, чем более крупных, или наоборот в зависимости от конкретных условий реакции. Средние диаметры частиц, такие небольшие как 1 мкм или менее и до 1100 мкм или более могут успешно использоваться в изобретении, предпочтительно в диапазоне 2 1000 мкм, в отношении подавляющего большинства промышленных применений. Масса наполнительного материала (или подпрессовки), которая должна быть пропитана, должна быть пропитывающейся (т. е. содержать по крайней мере частично сообщающиеся поры, чтобы он был проницаемым для расплавленного основного металла и/или для пропитывающей атмосферы). Кроме того, путем управления размером, например диаметром частиц, и/или геометрией и/или составом наполнительного материала или материала, содержащего подпрессовку, физические и механические свойства формуемого композита с металлической матрицей могут управляться или адаптироваться для удовлетворения любого числа промышленных потребностей. Например, износостойкость композита с металлической матрицей может быть повышена путем увеличения размера наполнительного материала, например путем увеличения среднего диаметра частиц наполнительного материала, при условии, что наполнительный материал имеет более высокую износостойкость, чем основной металл. Однако прочность и/или ударная вязкость могут проявлять тенденцию к повышению с уменьшением размера наполнителя. Коэффициент теплового расширения композита с металлической матрицей может снижаться с увеличением загрузки наполнителя при условии, что коэффициент теплового расширения наполнителя ниже, чем коэффициент теплового расширения основного металла. Механические и/или физические свойства, например плотность, коэффициент теплового расширения, модуль упругости и/или удельная упругость, прочность и/или удельная прочность и т. д. формуемого композитного тела с металлической матрицей могут подгоняться (адаптироваться) в зависимости от загрузки наполнительного материала в рыхлой массе или в подпрессовке. Например, путем образования рыхлой массы или подпрессовки, содержащей смесь частиц наполнителя разных размеров и/или форм, в которой плотность наполнителя больше, чем у основного металла, может достигаться более высокая загрузка наполнителя благодаря повышенному уплотнению (набивке) наполнительных материалов, что в результате дает композитное тело с металлической матрицей повышенной плотности. Путем использования технических решений согласно изобретению объемный процент наполнительного материала или подпрессовки, который может быть пропитан, может изменяться в широком диапазоне. Нижний объемный процент наполнителя, который может быть пропитан, ограничивается главным образом способностью образовать пористый наполнительный материал или подпрессовку, например около 10 об. тогда как верхний объемный процент наполнителя или подпрессовки, который может быть пропитан, ограничен главным образом способностью образовать плотный наполнительный материал или подпрессовку по крайней мере с частичной сообщающейся пористостью, например около 95 об. Соответственно путем реализации вышеназванных технических решений, поодиночке или в комбинации, композит с металлической матрицей может быть адаптирован, чтобы содержать требуемую комбинацию свойств.

Способ формования композитов с металлической матрицей согласно изобретению, не зависящий от использования давления для принуждения или форсирования расплавленного основного металла пропитывать подпрессовку или массу наполнительного материала, дает возможность производить по существу однородные композиты с металлической матрицей, имеющие высокую объемную долю наполнителя и низкую пористость. Более высокие объемные доли наполнителя могут достигаться путем использования исходной массы наполнительного материала с более низкой пористостью. Более высокие объемные доли могут также достигаться, если масса наполнителя спрессована или иначе уплотнена при условии, что масса не преобразуется ни в компакт с закрытой пористостью, ни в полностью плотную структуру, которая будет препятствовать пропитке расплавленным сплавом. Конкретно, объемные доли порядка 60 80 об. могут быть достигнуты такими способами как вибрационное уплотнение, управление размером частиц, распределение и т. д. Однако альтернативные средства могут использоваться для достижения более высоких объемных долей наполнителя. Объемные доли наполнителя порядка 40 50 являются предпочтительными для термоформования согласно изобретению. При таких объемных долях пропитанный композит сохраняет или почти сохраняет свою форму, тем самым облегчая вторичную обработку. Более высокие или более низкие загрузки частиц или объемные доли могут использоваться в зависимости от требуемой загрузки конечного композита после термоформования. Кроме того, способы снижения загрузок частиц могут использоваться в связи с процессами термоформования согласно изобретению для достижения более низких загрузок частиц.

Установлено, что алюминиевая пропитка и образование матрицы вокруг керамического наполнителя, смачивание керамического наполнителя основным металлом алюминием могут быть важной частью механизма пропитки. Смачивание наполнителя расплавленным основным металлом может обеспечить однородную дисперсию наполнителя во всем сформованном композите с металлической матрицей и улучшить связь наполнителя с основным металлом. Кроме того, при низких температурах обработки образуются пренебрегаемые или минимальные количества азотированного металла, приводя к минимальной дисперсной фазе нитрида алюминия, диспергированного в металлической матрице. Однако, когда приближается верхний предел температурного диапазона, азотирование металла вероятно происходит значительнее. Таким образом, величина нитридной фазы в металлической матрице может управляться путем изменения температуры обработки, при которой происходит пропитка. Специальная температура процесса, при которой образование нитридов становится ярко выраженным, также изменяется в зависимости от таких факторов как используемый основной сплав алюминия и его количество по отношению к объему наполнителя или подпрессовки, пропитываемый наполнитель и концентрация азота в пропитывающей атмосфере. Например, размер образования нитрида алюминия при данной рабочей температуре считается будет увеличиваться, так как способность сплава смачивать наполнитель снижается и концентрация азота в атмосфере увеличивается.

Поэтому можно подгонять или адаптировать состав металлической матрицы во время образования композита, чтобы придать определенные характеристики конечному продукту. Для данной системы условия процесса могут выбираться для управления образованием нитрида. Композитный продукт, содержащий фазу нитрида алюминия, будет показывать некоторые свойства, которые могут быть благоприятными или улучшать характеристики продукта. Температурный диапазон для самопроизвольной пропитки сплавом алюминия может намеренно изменяться с помощью используемого керамического материала. В случае глинозема как наполнительного материала температура пропитки предпочтительно не должна превышать примерно 1000^oC, если требуется, чтобы пластичность матрицы не снижалась из-за значительного образования нитрида. Однако могут использоваться температуры, превышающие 1000^oC, если требуется получить композит с менее пластичной и более жесткой матрицей. Для пропитки карбида кремния могут использоваться более высокие температуры, около 1200^oC, так как сплав алюминия образует нитриды в меньшей степени по сравнению с использованием глинозема в качестве наполнителя, когда карбид кремния используется в качестве наполнителя.

Состав основного металла в композите с металлической матрицей и дефекты, например пористость, могут модифицироваться путем управления скоростью охлаждения композита с металлической матрицей. Например, композит с металлической матрицей может направленно отверждаться любым из способов, в том числе помещением контейнера, содержащего композит с металлической матрицей, на охлаждающую пластину, и/или выборочным размещением изоляционного материала вокруг контейнера. Состав металлической матрицы может быть модифицирован после образования композита с металлической матрицей. Например, термообработка сформированного композита с металлической матрицей может улучшить прочность на разрыв композита с металлической матрицей (стандартное испытание прочности на разрыв приведено в A S TM D 3552-77, пересмотрено в 1982 г.).

Например, соответствующая термообработка композита с металлической матрицей, содержащего сплав алюминия 520,0 в качестве основного металла, может включать в себя нагревание композита с металлической матрицей до высокой температуры, например около 430^oC, которая поддерживается в течение длительного времени, например 18 20 ч. Металлическая матрица может затем быть охлаждена в кипящей воде с температурой около 100^oC в течение 20 с (т. е. термообработка T-4), что может упрочить или повысить способность композита выдерживать напряжения растяжения.

Кроме того, можно использовать резервуар основного металла для обеспечения полной пропитки наполнителя и/или металла для обеспечения полной пропитки наполнителя и/или подавать второй металл, который имеет другой состав, отличающийся от первого источника основного металла в резервуаре. Конкретно, в некоторых случаях может оказаться необходимым использовать основной металл в резервуаре, который отличается по составу от первого источника основного металла. Например, если используется сплав алюминия в качестве первого источника основного металла, тогда возможно любой другой металл или сплав металла, который был расплавлен при рабочей температуре, может использоваться в качестве металла резервуара. Расплавленные металлы часто имеют высокую способность смешиваться с другими, что может привести к смешиванию металла резервуара с первым источником металла, если адэкватная величина времени отведена для протекания смешивания. Таким образом, путем использования металла резервуара, который отличается по составу от первого источника основного металла, можно приспосабливать свойства металлической матрицы для удовлетворения различных рабочих требований и тем самым приспосабливать свойства композита с металлической матрицей.

Барьерное средство также может использоваться в сочетании с изобретением. В частности, барьерным средством для использования в изобретении может служить любое соответствующее средство, которое мешает, тормозит, препятствует или прекращает миграцию, перемещение или тому подобное расплавленного основного сплава, например сплава алюминия, за обозначенную поверхностную границу наполнителя. Соответствующим барьерным средством может быть любой материал, соединение, элемент, состав и тому подобное, который в условиях процесса согласно изобретению сохраняет целостность, не испаряется и предпочтительно является проницаемым для газа, используемого в процессе, а также способен локально тормозить, останавливать, мешать, препятствовать и тому подобное продолжению пропитки или другому типу движения расплава за обозначенную границу поверхности керамического наполнителя. Барьерное средство может использоваться во время самопроизвольной пропитки в изложницах или удерживающих устройствах, используемых в связи с термообработкой для формирования композита с металлической матрицей с самопроизвольной пропиткой, как более подробно описано ниже.

Соответствующее барьерное средство включает в себя материалы, которые практически не смачиваются в условиях процесса мигрирующим расплавленным основным металлом. Барьер этого типа проявляет сходство с расплавленным основным сплавом в незначительной степени или совсем не проявляет такого сходства и движение за обозначенную поверхностную границу наполнителя или подпрессовки предотвращается или замедляется барьерным средством. Барьер уменьшает конечную механическую обработку или притирку, которые могут быть необходимы для композитного изделия с металлической матрицей. Как сказано выше, барьер предпочтительно должен быть проницаемым или пористым или сделан проницаемым путем создания отверстий, чтобы дать возможность газу соприкасаться с расплавленным основным сплавом.

Соответствующими барьерами, наиболее полезными для основных сплавов алюминия, являются материалы, содержащие углерод, особенно углерод в кристаллической аллотропной форме, известной как графит. Графит по существу является несмачивающимся расплавленным сплавом алюминия в описанных условиях процесса. Конкретным предпочитаемым графитом является графитная фольга, которая продается под товарным знаком ГРАФОЙЛ, зарегистрированным фирмой "Юнион карибид". Эта графитовая фольга показывает характеристики уплотнения, которые предотвращают миграцию расплавленного сплава алюминия за обозначенную поверхностную границу наполнителя. Эта графитовая фольга также является стойкой к теплу и химически является инертной. Графитовая фольга Графойл является гибкой, совместимой, соответствующей и упругой. Она может быть выполнена в разнообразных формах, чтобы соответствовать барьерному применению. Однако графитное барьерное средство может использоваться как суспензия или паста или даже как пленка краски вокруг и на границе наполнителя или подпрессовки. Графойл, в частности, предпочтителен по той причине, что имеет форму гибкого графитового листа. При использовании этот бумагообразный графит просто применяется вокруг наполнителя или подпрессовки.

Другими предпочтительными барьерными в отношении сплавов металлической матрицы алюминия в азоте являются переходные бориды металлов (например, диборид титана TiB₂), которые вообще являются несмачивающимся расплавленным металлом алюминия при определенных условиях процесса, применяемых при использовании этого материала. В случае барьера этого типа температура процесса не должна превышать примерно 875^oC, так как в противном случае барьерный материал становится менее эффективным и фактически при повышенной температуре происходит пропитка в барьер. Кроме того, размер частиц барьерного материала может влиять на способность материала тормозить или замедлить самопроизвольную пропитку. Образующиеся бориды металла типичного находятся в форме макрочастиц (1 30 мкм). Барьерные материалы могут применяться как суспензии или пасты и наносится в местах границ на проницаемых массах керамических наполнителей, которые предпочтительно предварительно формуются как подпрессовки.

Другими полезными барьерами для сплавов металлической матрицы алюминия в азоте включают в себя органические соединения низкой летучести, наносимые как пленка или слой на наружную поверхность наполнителя или подпрессовки. При обжиге в азоте, особенно в условия процесса согласно изобретению, органическое соединение разлагается, оставляя углеродную законченную пленку. Органическое соединение может наноситься традиционными средствами, такими как крашение, распыление, окунание и т. д.

Кроме того, мелкоизмельченный порошкообразный материал может функционировать как барьер, когда пропитка порошкового материала протекает со скоростью, которая медленнее, чем скорость пропитки наполнителя.

Таким образом, барьерное средство можно наносить любым соответствующим способом, таким как, например, покрытие обозначенной поверхностной границы слоем барьерного средства. Такой слой барьерного средства может наносится путем крашения, окунания, распыления, испарения или иным способом, применяя барьерное средство в жидкой, суспензионной или пастообразной форме, или путем разбрызгивания летучего барьерного средства, либо просто путем осаждения слоя твердого частицеобразного барьерного средства, или путем нанесения тонкого твердого листа или пленки барьерного средства на обозначенную поверхностную границу. При установленном на месте барьерном средстве самопроизвольная пропитка по существу прекращается, когда пропитывающий основной металл достигает обозначенной поверхностной границы и входит в контакт с барьерным средством.

Разные показательные варианты реализации изобретения включены в приведенные примеры.

Пример 1. На фиг. 1 показан комплекс в поперечном сечении, который использовался для формирования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно изобретению. Чаша из пеностирола высотой примерно 3 и 1/4 дюйма (83 мм), внутренним диаметром на широком конце около 2 и 3/4 дюйма (70 мм) и внутренним диаметром на узком конце около 1 и 9/16 дюйма (40 мм) была погружена в суспензию (или шлам), содержащую по существу равные весовые части по 20 коллоидного глинозема фирмы "Ремет ко.", и порошкового карбида кремния зернистостью 1000 фирмы "Нортон ко.", продаваемого под товарным знаком 37 Кристолон. Покрытую суспензией извлекаемую оправку посыпали сухим порошком карбида кремния зернистостью 90 (37 Кристолон), который адгезировал к суспензионному покрытию. Последующие стадии погружения - напыления повторялись три раза, после чего напыляемый порошок был заменен на карбид кремния зернистостью 24 (37 Кристолон). Последующие стадии погружения

напыления снова повторялись три раза. Образовавшаяся оболочка высушивалась при 65^oC в течение 1/2 ч после каждой стадии погружения напыления в порядке последовательности стадий.

После последней стадии погружения напыления в порядке последовательности осажденная оболочка подвергалась обжигу в воздушной печи при температуре около 850^oC в течение около 1 ч для удаления пеностирольной чаши путем испарения. Результирующая покрывающая оболочка 4, которая была толщиной примерно 3/16 дюйма, затем наполнялась примерно до половины слоем наполнителя 2, содержащим смесь карбида кремния зернистостью 1000, продаваемого под товарным знаком Кристолон 39 и производого фирмой "Нортон ко.", и примерно 2 вес. порошкового магния зернистостью 350 меш, выпускаемого фирмой "Аезар" отделением "Джонсон Маттей ко.". Эта смесь предварительно тщательно перемешивалась на шаровой мельнице в течение 24 ч. Слой наполнителя 2 затем слегка уплотнялся (путем надавливания руками) для образования более плотного тела наполнителя в покрывающей оболочке 4. После этой стадии уплотнения слиток основного металла 3, состоящий по весу из примерно 15 кремния, 5 магния и баланса алюминия и имеющий размеры примерно 1,5"" (38 мм) х 1,5"" (38 мм) х 1"" (25 мм), был помещен на верхнюю часть слоя наполнителя 2. Перед помещением слитка 3 основного сплава на поверхность слоя наполнителя слиток был сначала немного очищен пескоструйной очисткой и затем промыт в этаноле для удаления инородностей с поверхности, таких как масла от обработки, которые могли остаться.

Покрывающая оболочка 4, содержащая слиток основного сплава 3 и наполнительный материал 2, была помещена в слой огнеупорных частиц 5 таким образом, что поверхность слоя огнеупорных частиц была примерно на половине высоты боковой стороны покрывающей оболочки 2. Огнеупорные частицы, которые содержались в графитовой лодочке 1, состояли из глинозема зернистостью 24, известного под товарным знаком 38 Алундум производства фирмы "Нортон ко.".

Комплекс, состоящий из графитовой огнеупорной лодочки и ее содержимого, помещался в вакуумную электропечь сопротивления с управляемой атмосферой при комнатной температуре и высоком вакууме (примерно 110^-4 Тор) был создан в вакуумной печи. Печь наполнялась азотом до давления 1 атм. и затем в печи устанавливался постоянный поток газа азота с расходом 1,5 л/мин. Затем температура печи была доведена до 750^oC за 3 ч и поддерживалась при 750^oC в течение 20 ч. После 20-часового периода нагревания электропитание печи было отключено и комплекс остывал естественно в печи примерно до 40^oC в течение около 12 ч. При достижении 40^oC комплекс был изъят из печи и разобран. Композит с металлической матрицей, содержащий основной металл, поглотивший в себя смесь наполнителя, был извлечен из комплекса.

Таким образом, этот пример показывает, что можно самопроизвольно пропитывать наполнитель в системе сплав алюминия/магний/азот для образования композита с металлической матрицей.

Пример 2. На фиг. 2 показан комплекс в поперечном сечении, который использовался для получения композитного тела с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки в соответствии с изобретением. Коробка 2 с размерами примерно 2"" (51 мм) х 1"" (25 мм) х 2"" (51 мм) была выполнена из графитовой фольги марки ОТВ толщиной 15/1000 дюйма (0,38 мм) производства фирмы "Юнион карбид", продаваемой под товарным знаком Графойл. Коробку изготовили путем скрепления скобами секций Графойла соответствующего размера и герметизации стыков пастой, приготовленной мешением порошкообразного графита (марки KS-44 фирмы "Лонца инк.") и коллоидного диоксида кремния (Людекс HS фирмы "Дюпон де-Немур"). Весовое соотношение между графитом и коллоидным диоксидом кремния составило примерно 1 3. Коробка из Графойла была помещена поверх слоя толщиной примерно 1/2 дюйма (13 мм) частицеобразного карбида бора (фирмы "Атлантик экипмент инжинирс"), который содержался в лодочке 1 из огнеупорного глинозема. Слиток основного металла 4 размером примерно 2"" (51 мм) х 1"" (25 мм) и 0,5"" (13 мм) и с содержанием примерно 3 вес. кальция и баланса из алюминия, помещался на дно коробки из Графойла. Глинозем 5 с зернистостью 220, известный под товарным знаком Алундум 38 и производимый фирмой "Нортон ко.", высыпался в графойловую коробку 2 поверх слитка основного металла 4, пока слиток не покрывался слоем толщиной примерно 1 дюйм наполнителем 5 из Алундума 38. Затем вводился дополнительный карбид бора 3 в глиноземную лодочку снаружи графойловой коробки 2, пока поверхность слоя карбида бора не стала чуть ниже верхней части графойловой коробки 2.

Комплекс, состоящий из лодочки 1 из огнеупорного глинозема и ее содержимое, помещался в электрическую трубчатую печь сопротивления при комнатной температуре. Печь вакууминизировалась примерно до 110^-1 Тор и затем продувалась при комнатной температуре газом азотом до давления примерно 1 атм. После наполнения печи азотом в печи устанавливался непрерывный поток газа азота с расходом 800 см³/мин. Затем температура печи поднималась примерно до 900^oC со скоростью 250^oC/ч, поддерживалась при 900^oC примерно 5 ч и затем охлаждалась до комнатной температуры со скоростью 250^oC/ч. После достижения комнатной температуры комплекс изымался из печи и демонтировался. Композит с металлической матрицей, содержащий Алундум 38 в качестве наполнителя, вкрапленный в основной металл, был обнаружен.

Таким образом, этот пример показывает, что можно самопроизвольно пропитывать массу наполнительного материала в системе сплав алюминия/кальций/азот.

Пример 3. На фиг. 3 в поперечном сечении схематично показан комплекс, который использовался для образования композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно изобретению. Для образования подпрессовки примерно 94 вес. порошкового нитрида алюминия (порошок "А" фирмы "Герман Старк"), 5 вес. порошкового нитрида кремния (фирмы "Атлантик экипмент инжинирс") и примерно 1 вес. поливинилприолена 30 (поливинилприолен, мол. м. 30, производства "ГАФ корп.") смешивались со 100-ным этанолом для образования суспензии, содержащей примерно 50 об. твердых веществ и 50 об. этанола. Суспензия затем выливалась в изложницу размером 3"" (76 мм) х 3"" (76 мм) х 1"" (25 мм) и образованной из квадратной стальной рамы и днищем из гипсовой панели. Стальная рама не была соединена с гипсовой панелью и могла легко сниматься путем подъема. Гипсовая панель использовалась для оттягивания влаги (жидкости) из суспензии. После высушивания суспензия образовала подпрессовку размером 3"" (76 мм) х 3"" (76 мм) х 1"" (25 мм). Подпрессовка 5 размером 1,5"" (38 мм) х 3/4"" (76 мм) х 1/2"" (13 мм) была вырезана из более крупной подпрессовки. Слиток основного металла 3 размером примерно 1"" (25 мм) х 2"" (51 мм) х 1/2"" (13 мм), содержащий по весу 3 стронция, 8 кремния, 8 никеля и баланс алюминий, был покрыт на одной поверхности слоем толщиной примерно 0,25 мм смеси, содержащей 50 вес. порошкообразного железа (фирмы "Серак инк. ") и 50 вес. порошкообразного нитрида алюминия (фирмы "Эксолон-ЭСК компани"). Подпрессовка 5 затем была помещена поверх слоя 4 порошкообразных нитрида алюминия/железа и сборка основной металл/подпрессовка помещалась сверху слоя толщиной 1"" (25 мм) частицеобразного карбида бора 6 (Атлантик экипмент инжинирс"), содержащегося в коробке 2, выполненной из графитовой ленты марки ОТВ толщиной 15/1000 дюйма (0,38 мм) (производства фирмы "Юнион карбид" и продаваемой под товарным знаком Графойл). Коробка была образована путем скрепления скобами соответствующих секций графойловой ленты вместе и герметизации стыков коробки шламом, изготовленным смешиванием графитового порошка (марки KS-44 фирмы "Лонца инк") и коллоидного кремнезема (Людекс HS фирмы "Дюпон"). Весовое соотношение графита к коллоидному кремнезему было около 1 3. Коробка 2 была достаточно большой для возможности размещения сборки основной металл/подпрессовка без соприкосновения со сборкой. Графойловая коробка 2 устанавливалась на дно лодочки 1 из огнеупорного глинозема. Дополнительный карбид бора 6 вводился в графойловую коробку 2, пока сборка основной металл/подпрессовка не была полностью окружена и покрыта карбидом бора 6. Слой карбида бора толщиной примерно 1/2 дюйма (13 мм) покрывал верхнюю поверхность подпрессовки.

Комплекс, состоящий из глиноземной огнеупорной лодочки 1 и ее содержимого, помещался в трубчатую электропечь сопротивления при комнатной температуре. Печь затем вакууминизировалась примерно до 110^-1 Тор, заполнялась при комнатной температуре азотом примерно до 1 атм. После заполнения азотом в печи устанавливался непрерывный поток азота с расходом примерно 600 см³/мин. Затем температура печи повышалась примерно до 1200^oC со скоростью 200^oC/ч. Температура печи поддерживалась при 1200^oC в течение около 10 ч и затем снижалась до комнатной температуры со скоростью 250^oC/ч. После достижения комнатной температуры комплекс извлекался из печи и разбирался. Был получен композит с металлической матрицей, содержащий основной металл с вкрапленной подпрессовкой.

Таким образом, этот пример показывает, что можно самопроизвольно пропитывать основной металл в подпрессовку из наполнительного материала в системе сплав алюминия/стронций/азот.

Пример 4. На фиг. 4 в поперечном сечении показан комплекс, который использовался для получения композита с металлической матрицей с помощью самопроизвольной пропитки согласно изобретению. Для получения подпрессовки примерно 85 вес. кальцинированного глинозема А-17 фирмы "Алкоа" смешивалось примерно с 15 вес. воды, содержащей небольшое количество Дарвин-821А (фирмы "Р. Т. Вандербилт энд ко.") в качестве диспергирующего агента для образования шлама (суспензии). Шлам залили в гипсовую или парижскую прямоугольную форму размером примерно 3"" (76 мм) х 2"" (51 мм) х 1/2 дюйма (13 мм). Шлам высушивался в течение 8 ч в форме перед извлечением из нее как подпрессовки 3. Подпрессовка 3 затем высушивалась в течение дополнительных 24 ч на воздухе перед использованием в предлагаемом способе.

Стопа из трех слитков основного металла 2 размером каждый примерно 3"" (76 мм) х 2"" (51 мм) х 0,5"" (13 мм), состоящих из выпускаемого промышленностью сплава алюминия 170,1, содержащего примерно 3 вес. цинка дополнительно к цинку, содержащемуся в первоначальном сплаве, стопа покрывалась по верхней поверхности самого верхнего слитка слоем толщиной 0,05"" (0,013 мм) огнеупорного материала, известного как Ликот LX-60 WPS (фирма "Акме резин корпорейшн"). Подпрессовка 3 затем помещалась на верхнюю часть слоя 5 Ликота и сборка слитка основного металла/подпрессовка помещалась на верхнюю часть слоя толщиной примерно полдюйма (13 мм) частицеобразного волластонита 4 крупной зернистости Iияд SP фирмы "НИКО инк.", содержащегося в глиноземной огнеупорной лодочке 1. Сборка слитка основного металла/подпрессовка устанавливалась смежно со слоем волластонита так, что самый нижний слиток основного металла был в контакте со слоем. Дополнительный волластонит 4 затем вводился в глиноземную огнеупорную лодочку 1, пока поверхность волластонита не достигала уровня верхней поверхности подпрессовки 3.

Комплекс, состоящий из глиноземной огнеупорной лодочки 1 и ее содержимого, помещался в электрическую печь сопротивления с воздушной атмосферой при атмосферном давлении. Температура печи повышалась до 1050^oC в течение 10 ч, поддерживалась при 1050^oC в течение 60 ч, затем охлаждалась до 40^oC в течение 10 ч. После достижения приблизительно температуры 40^oC комплекс извлекали из печи и разбирали. Был получен композит с металлической матрицей, содержащий сплав матрицы, внедренный в подпрессовку.

Фиг. 4 представляет собой микрофотографию композита с металлической матрицей, полученного в соответствии с примером 4.

Таким образом, данный пример демонстрирует то, что возможно самопроизвольно пропитать подпрессовку из наполнительного материала в системе сплав алюминий/цинк/кислород.

Пример 5. Этот пример показывает, что может успешно использоваться множество разных геометрий наполнительного материала для формования композитных тел с металлической матрицей способом самопроизвольной пропитки.

В табл. 1 приведены обобщенные данные об экспериментальных условиях, используемых для формования множества композитных тел с металлической матрицей, включая разные основные металлы, геометрии наполнительного материала, рабочие температуры и периоды времени обработки.

Образец А (011189-АА1).

На фиг. 5 схематично показан в поперечном сечении комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано далее. Из кремнезема была приготовлена специально литейная форма 10, которая имела внутреннюю полость длиной около 5"" (127 мм), шириной 5"" (127 мм) и высотой 3,25"" (83 мм) и имела пять отверстий 11 диаметром около 0,75"" (19 мм) и глубиной 0,75"" (19 мм) в нижней части кремнеземной литейной формы. Литейная форма была образована сначала путем смешивания шлама, содержащего 2,5 3 вес. ч. порошкообразного кремнезема (RA NSO-SIL 4 фирмы "Ренсом энд Рендолф", Мауни, ОХ), 1 вес. ч. коллоидального кремнезема (NYACOL 830 фирмы "Найакол продакт инк. ", Астланд, МА) и 1 1,5 вес. ч. кремнистого песка (RANCO-SILA, продаваемого фирмой "Ренсом энд Рендолф", Мауни, ОХ). Шламовая смесь выливалась в форму для вулканизации резиновых изделий, имеющую отрицательный образец требуемой внутренней полости кремнеземной формы, и помещалась в холодильник на всю ночь (примерно 14 ч). Кремнеземная форма 10 затем отделялась от формы для вулканизации, обжигалась при 800^oC в печи в атмосфере воздуха в течение около 1 ч и охлаждалась до комнатной температуры.

Нижняя поверхность сформованной кремнеземной литейной формы 10 покрывалась куском графитовой фольги 12 (PERMA-FOIL фирмы "ТТ Америка", Портланд, ОР) длиной 5"" (127 мм), шириной 5"" (127 мм) и толщиной около 0,010"" (0,25 мм). Отверстия 13 диаметром около 0,75"" (19 мм) были образованы в графитовой фольге в местах, соосно совпадающих с положениями отверстий 11 в нижней части кремнеземной формы 10. Отверстия 11 в нижней части кремнеземной формы 10 были наполнены цилиндрами 14 из основного металла диаметром 0,75"" (19 мм) и толщиной 0,75"" (19 мм) и имели состав, идентичный основному металлу, как описано ниже. Около 826 г смеси 15 наполнительного материала, содержащей около 95 вес. крупнозернистого глинозема 220 (38 ALUNDUM, фирмы "Нортон ко. ", Ворцестер, МА), и около 5 порошкообразного магния 325 (продается фирмой "АЭзар, Джонсон Маттей", Сибрук, НХ), было приготовлено в четырехлитровом пластмассовом сосуде и встряхивалось в течение 15 мин. Смесь 15 наполнительного материала затем выливалась в нижнюю часть кремнеземной формы 10 на глубину около 0,75"" (19 мм) и слегка сливалась до уровня поверхности смеси наполнительного материала. Около 1220 г основного металла 16, содержащего примерно менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. Fe, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, помещалось на верхнюю часть смеси 15 наполнительного материала в кремнеземной форме 10. Кремнеземная форма 10 и ее содержимое затем помещались в контейнер 17 из нержавеющей стали длиной 10"" (254 мм), шириной 10"" (254 мм) и высотой 8"" (203 мм). Титановый губчатый материал 18 весом около 15 г (фирмы "Кемаллой инк.", Брин Маур, ПА), разбрызгивался вокруг кремнеземной формы 10 в контейнере 17 из нержавеющей стали. Лист медной фольги 19 помещался на проем контейнера 17 из нержавеющей стали, образуя изолированную камеру. Труба 20 азотной продувки проходила через лист медной фольги 19 и контейнер 17 из нержавеющей стали и его содержимое помещались в печь, нагреваемую блоком резисторов, с атмосферой воздуха.

Печь доводилась от комнатной температуры до 600^oC со скоростью примерно 400^oC/ч с расходом азота примерно 10 л/мин (следует отметить, что изолированная камера не является газонепроницаемой и обеспечивает возможность утечки азота из нее) и затем нагревалась от 600^oC до примерно 750^oC со скоростью 400^oC/ч и расходом азота около 2 л/мин. После выдерживания системы при 775^oC в течение примерно 1,5 ч с расходом азота 2 л/мин контейнер 17 из нержавеющей стали и его содержимое извлекались из печи. Кремнеземная форма 10 извлекалась из контейнера 10 из нержавеющей стали и часть оставшегося основного металла фильтровалась в кремнеземную форму 10. Комнатной температуры медная охлаждающая пластина длиной 5"" (127 мм), шириной 5"" (127 мм) и толщиной 1"" (25 мм) помещалась в кремнеземную форму 10 таким образом, что она входила в контакт с верхней частью оставшегося основного металла, чтобы направленно отверждать сформованный композит с металлической матрицей.

Образец B (011889-АХ).

На фиг. 6 в поперечном сечении схематично показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано далее. Специально была образована стальная коробка 32 путем размещения стальной рамы 30, имеющая внутреннее свободное пространство длиной 5"" (127 мм), шириной 5"" (127 мм) и высотой 2,75"" (70 мм) и имеющая толщину стенки 0,34 (7,9 мм), на стальную пластину 31 длиной 7"" (178 мм), шириной 7"" (178 мм) и толщиной 0,25"" (6,4 мм). Стальная коробка 32 была футерована внутри коробкой 33 из графитовой фольги длиной 5"" (127 мм), шириной 5"" (127 мм) и высотой 3"" (76 мм). Коробка 33 из графитовой фольги была изготовлена из куска графитовой фольги (Перма-Фойл, фирмы "ТТ Америка", Портланд, ОР), который был длиной 11"" (279 мм), шириной 11"" (279 мм) и толщиной 0,010"" (0,25 мм). Четыре параллельных разреза около 3"" (76 мм) от боковой стороны и 3"" (76 мм) длиной было произведено в графитовой фольге. Разрезанная графитовая фольга затем сгибалась и укладывалась с образованием коробки 33 из графитовой фольги.

Около 782 г смеси наполнительного материала 34, содержащей 95 вес. глинозема (С-75 РО фирмы "Алкан кемикалс", Монреаль, Канада) и около 5 вес. порошкообразного магния с зернистостью 325 меш. (продается фирмой "Аезар Джонсон Маттер", Сибрук, НХ), было получено путем объединения материалов в пластмассовом сосуде и встряхивания руками в течение 15 мин. Смесь 34 наполнительного материала затем выливалась в коробку 33 из графитовой фольги на глубину 0,75"" (19 мм) и затем смесь слегка сливалась до уровня поверхности. Поверхность смеси 34 наполнительного материала была покрыта примерно 4 г порошкообразного магния 35 с зернистостью 50 меш. (продается фирмой "Альфа продактс", Мортон Тиокол, Данверс, МА). Около 1268 г основного металла 36, содержащего менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. Fe, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, было помещено на смесь 34 наполнительного материала, покрытую порошкообразным магнием 35.

Стальная коробка 32 и ее содержимое помещались в контейнер 37 из нержавеющей стали длиной 10"" (254 мм), шириной 104 (254 мм) и высотой 8"" (202 мм). Нижняя часть контейнера 37 из нержавеющей стали была образована путем покрытия нижней части (днища) коробки куском графитовой фольги 38 длиной 10"" (254 мм), шириной 10"" (254 мм) и толщиной 0,010"" (0,25 мм) и огнеупорный кирпич 39 был помещен на графитовую фольгу 38, чтобы поддерживать стальную коробку 32 в контейнере 37 из нержавеющей стали. Примерно 20 г титанового губчатого материала 40 (фирмы "Кемаллой компани, инк."", Врин Моу, ПА) было разбрызгано по графитовой фольге 38 в нижней части контейнера 37 из нержавеющей стали вокруг огнеупорного кирпича 39, поддерживающего стальную коробку 32. Лист медной фольги 41 накрывался на проем (открытую часть) контейнера 37 из нержавеющей стали для образования изолированной камеры. Труба 42 азотной продувки проходила через лист медной фольги 41. Контейнер 37 из нержавеющей стали и его содержимое помещались в электрическую печь с атмосферой воздуха.

Печь нагревалась от комнатной температуры до примерно 600^oC со скоростью 400^oC/ч с расходом азота через трубу 42 около 10 л/мин, затем нагревалась от 600^oC до 800^oC со скоростью 400^oC/ч с расходом азота 2 л/мин. Система поддерживалась при 800^oC около 2 ч с расходом азота 2 л/мин. Контейнер 37 из нержавеющей стали и его содержимое изымались из печи и стальная коробка 32 изымалась из контейнера 37 из нержавеющей стали и помещалась на медную охлаждающую пластину комнатной температуры с водяным охлаждением, имеющую длину 8"" (203 мм), 8"" ширину (203 мм) и толщину 0,5"" (13 мм), для направленного отверждения композита с металлической матрицей.

Образец C (022189D AHI).

На фиг. 7 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для образования образца композита с металлической матрицей, как описано далее. Специально была образована графитовая лодочка 50, имеющая внутреннюю полость длиной 12"" (305 мм), шириной 8"" (203 мм) и высотой 5,25"" (13,3 мм), выполненная из графита ATJ, производимого "Юнион карбид". Три коробки 52 из графитовой фольги длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и высотой 5"" (127 мм), были помещены в нижнюю часть графитовой лодочки 50. Коробка 52 из графитовой фольги была изготовлена из куска графитовой фольги (Графойл фирмы "Юнион карбид") длиной 14"" (356 мм), шириной 12,5"" (318 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм). Четыре параллельных разреза 5"" (127 мм) от боковой стороны и 5"" (127 мм) длиной было произведено в графитовой фольги. Разрезанная графитовая фольга затем складывалась в коробку 52 из графитовой фольги, склеивалась смесью, содержащей 1 вес. ч. графитового порошка (KS 44 фирмы "Лонда инк."", Фейр Лоун. НДж) и 3 вес. ч. коллоидного кремнезема (LODOX SM фирмы "Э.И.Дюпон-де-Немур", Вилмингтон, ДЕ), и сшивалась проволокой для удержания. Нижняя часть коробки 52 из графитовой фольги была равномерно покрыта слоем магниевого порошка 50 с зернистостью 50 меш. (продается "Фльфой продактс", Мортон Тиокол, Данверс, МА). Магниевый порошок 53 был адгезирован к нижней части коробки 52 из графитовой фольги с помощью смеси, содержащей 25 - 50 об. графитового цемента (RIGIDLOCK фирмы "Поликарбон", Валенсия, КА) и баланс этиловый спирт.

Около 1000 г смеси 54 наполнительного материала, содержащей 98 пластинчатого глинозема с размером частиц 60 (Т-64 фирмы "Алкоа индастриал кемикалс дивижн", Боксит, АР) и 2 порошкового магния с зернистостью 325 меш. (продается "АЗЕАРом Джонсон Маттей", Сибрук, НХ), помещалось в пластмассовый сосуд и перемешивалось на шаровой мельнице в течение 2 ч. Смесь 54 наполнительного материала затем высыпалась в нижнюю часть коробки 52 из графитовой фольги, футерующей графитовую лодочку 50, вручную уплотнялась и покрывалась 6-граммовым слоем порошкового магния 56 с зернистостью 50 меш ("Альфа продактс инк. "Мортон Тиокол, Данверс, МА). Около 1239 г основного металла 55, содержащего менее 0,35 вес. Si, менее 0,40 вес. Fe, 1,6 2,6 вес. Cu, менее 0,20 вес. Mn, 2,6 3,4 вес. Mg, 0,18 0,35 вес. Cr, 6,8 8,0 вес. Zn, менее 0,20 вес. Тi и баланс алюминий, было помещено на смесь 54 наполнительного материала в коробке 52 из графитовой фольги.

Графитовая лодочка 50 и ее содержимое были помещены в реторту с комнатной температурой, ретортной электрической печи сопротивления. Окно реторты было закрыто и реторта вакууминизировалась по крайней мере до 762 мм рт. ст. После образования вакуума в ретортную полость вводился азот с расходом 2,5 л/мин. Ретортная печь нагревалась примерно до 700^oC со скоростью 120^oC/ч и поддерживалась в течение 10 ч при 700^oC в протекающей атмосфере азота с расходом 2,5 л/мин. Затем ретортная печь доводилась до 700^oC примерно до 675^oC со скоростью около 150^oC/ч. Примерно при 675^oC графитовая лодочка 50 и ее содержимое изымались из реторты и производилось направленное отверждение. Графитовая лодочка 50 помещалась на графитовую пластинку комнатной температуры и примерно 500 мл внешнего материала прибыльных надставок (FEE D OL-9, поставляется фирмой "Фосеко инк. "Трук парк. OX) высыпалось на верхнюю часть расплавленного основного металла, содержащегося в коробке 52 из графитовой фольги, и поверхностный слой из керамического волокна (CERAB LAN KET, фирмы "Менвилл рефрактори продактс") толщиной около 2"" (51 мм) был обернут вокруг графитовой лодочки 50. При комнатной температуре коробка 52 из графитовой фольги разбиралась для установления факта, что композитное тело с металлической матрицей было сформовано.

Образец D (060889 DAE3).

На фиг. 8 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для образования образца композита с металлической матрицей, как описано далее. Была изготовлена графитовая лодочка 70 с внутренней полостью длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и высотой 2,5"" (63 мм), выполненная из графита АТ (производства фирмы "Юнион карбид"). Коробка 71 из графитовой фольги длиной 8"" (203 мм), шириной 1,5"" (38 мм) и высотой 3"" (76 мм) была помещена в графитовую лодочку 70. Коробка 71 из графитовой фольги была выполнена из куска графитовой фольги (Графойл фирмы "Юнион карбид") 14"" длиной (356 мм), шириной 7,5"" (191 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм). Четыре параллельных разреза 3"" (76 мм) от боковой стороны и 3"" (76 мм) длины было произведено в графитовой фольге. Затем графитовая фольга сгибалась в коробку 71 из графитовой фольги, склеивалась графитовым цементом (Риджилокк, фирмы "Поликарбон", Валенсия, КА) и сшивалась проволокой. После удовлетворительного высыхания коробка 71 из графитовой фольги помещалась в графитовую лодочку 70.

Около 1000 г смеси наполнительного материала 73, содержащей 96 вес. глиноземных пластинок диаметром 10 мкм и тодщиной около 2 мкм (разработанная степень F пластинок Al₂O₃, поставляемая фирмой "Дюпон де Немур и ко. инк." Вилмингтон Д. Е. ) и 4 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш. (фирмы "АЕЗАР Джонсон Маттей", Сибрук, НХ), было помещено в четырехлитровый пластмассовый сосуд и остальной объем сосуда был наполнен этиловым спиртом для образования смеси шлама. Пластмассовый сосуд и его содержимое затем помещались на шаровую мельницу не менее, чем на 3 ч. Шламовая смесь подвергалась вакуумной фильтрации для отделения этилового спирта и смеси 73 наполнительного материала. После удаления по существу этилового спирта смесь 73 наполнительного материала помещалась в открытую для воздуха печь, установленную на уровне температуры 110^oС и сушилась всю ночь. Смесь 73 наполнительного материала затем пропускалась через сито 40 меш. для завершения ее отделения. Этот способ дисперсии жидкости здесь и далее именуется как "способ ДЖ".

Нижняя часть коробки 71 из графитовой фольги была покрыта примерно 1,5-граммовым слоем порошкового магния 74 зернистостью 50 меш. ("Альфа продактс, инк. "Мортон Тиоколо, Данверс МА), который был адгезирован к нижней части коробки 71 из графитовой фольги графитовым цементом (Риджилокк, поставляемый фирмой "Поликарбон", Валенсия КА). Смесь 73 наполнительного материала затем вливалась в нижнюю часть коробки 71 из графитовой фольги, уплотнялась вручную и покрывалась 1,5-граммовым слоем порошкового магния 75 зернистостью 50 меш. ("Альфа продактс инк.", Мортон Тиоколо, Данверс, МА). Примерно 644 г основного металла 72, содержащего менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. Fе, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, помещалось на смесь 73 наполнительного материала в коробке 71 из графитовой фольги. Две графитовых опорных пластины 76 длиной 8"" (203 мм), шириной 3"" (76 мм) и толщиной 0,5"" (13 мм) были установлены вдоль наружных боковых сторон коробки 71 из графитовой фольги (см. фиг. 12). Материал 77 глинозема зернистостью 220 (38 АЛУНДУМ фирмы "Нортон ко", Ворцестер, МА) помещался в графитовую лодочку вокруг графитовых пластин 76.

Система, содержащая графитовую лодочку 70 и ее содержимое, помещалась в ретортную электрическую печь сопротивления при комнатной температуре. Окно реторты было закрыто и реторта вакууминизировалась по крайней мере до 508 мм рт. ст. Ретортная печь затем нагревалась примерно до 775^oC со скоростью 100^oC/ч с расходом азота 4 л/мин. После 10 ч при 775^oC при расходе азота 4 л/мин графитовая лодочка 70 и ее содержимое извлекались из ретортной печи и производилось направленное отверждение. Графитовая лодочка 70 помещалась на охлаждаемую пластину из глинозема с водяным охлаждением при комнатной температуре и примерно 500 мл внешнего материала прибыльной надбавки (ФИДОЛ-9, продаваемый фирмой "Фосеко инк.", Брук Парк, ОХ) высыпалось на верхнюю часть расплавленного основного металла, содержащегося в коробке 71 из графитовой фольги, и слой керамических волокон (Серабланкет, фирма "Менвилл рефрактори продактс") толщиной около 2"" (51 мм) обертывался вокруг графитовой лодочки 70. При комнатной температуре коробка 71 из графитовой фольги разбиралась для установления сформирования композитного тела с металлической матрицей.

Сформированный композит с металлической матрицей затем подвергался тепловой обработке. Композит был помещен в корзинку из проволоки из нержавеющей стали, которая затем помещалась в электропечь сопротивления с атмосферой воздуха. Печь доводилась до 435^oС через 40 мин, удерживалась в течение 18 ч, затем композит извлекался из печи и охлаждался в водяной ванне комнатной температуре.

Образец E (072988TAM).

На фиг. 9 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано далее. Коробка 90 из нержавеющей стали с длиной 6"" (152 мм), шириной 3"" (76 мм) и высотой 5"" (127 мм) была изготовлена путем сваривания вместе листов нержавеющей стали серии 300. Коробка 90 из нержавеющей стали была фетурована коробкой 91 из графитовой фольги с длиной 6"" (152 мм), шириной 3"" (76 мм) и высотой 5"" (127 мм). Коробка 91 из графитовой фольги была изготовлена из куска графитовой фольги (Грайфол фирмы "Юнион карбид") длиной 16"" (406 мм), шириной 13"" (330 мм) и толщиной 0,015"" (38 мм). Четыре параллельных разреза 5"" (127 мм) от боковой стороны и 5"" (127 мм) длиной было произведено в графитовой фольге. Графитовая фольга складывалась и сшивалась проволокой для образования коробки 91 из графитовой фольги, затем помещалась внутрь коробки 90 из нержавеющей стали.

Смесь 92 наполнительного материала была приготовлена путем смешивания в четырехлитровом пластмассовом сосуде примерно 600 г смеси, содержащей около 73 вес. карбида кремния зернистостью 1000 (39CRYSTOLON фирмы "Нортор ко", Ворцестер, МА), 24 вес. нитевидных кристаллов карбида кремния (фирмы "Никкей текно-резерч. ко. лтд.", Япония) и около 3 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш. (фирмы "АЕЗАР, Джонсон Маттей", Сибрук, НХ), и сосуд помещался на шаровую мельницу примерно на 1 ч.

Слой размером примерно 0,75"" (19 мм) смеси наполнительного материала 92 насыпался в нижнюю часть коробки 91 из графитовой фольги, содержащейся в коробке 90 из нержавеющей стали. Слитки 93 основного металла, содержащие 10 вес. кремния, 5 вес. меди и баланс алюминия и имеющие общий вес около 1216 г, помещались на верхней части смеси 92 наполнительного материала, содержащейся в коробке 91 из графитовой фольги. Коробка 90 из нержавеющей стали и ее содержимое помещались в наружный контейнер 94 из нержавеющей стали длиной 10"" (254 мм), шириной 8"" (203 мм) и высотой 8"" (203 мм). Около 15 г титанового губчатого материала (фирмы "Кемаллой компани инк.", Брин Моур, ПА) и около 15 г порошкового магния зернистостью 50 меш. (фирмы "Альфа продактс", Морто Тиокол, Данверс, МА) разбрызгивались в наружном контейнере 94 из нержавеющей стали вокруг коробки 90 из нержавеющей стали. Лист медной фольги 97 накрывал проем наружного контейнера 94 из нержавеющей стали. Труба 98 азотной продувки проходила через медную фольгу 97.

Система, содержащая контейнер 94 из нержавеющей стали и его содержимое, была помещена в электрическую печь сопротивления с атмосферой воздуха. Печь нагревалась от комнатной температуры до 800^oC со скоростью 550^oC/ч с расходом азота в контейнере 94 из нержавеющей стали около 2,5 л/мин. После 2,5 ч при 800^oC с расходом азота 2,5 л/мин наружный контейнер 94 из нержавеющей стали и его содержимым был извлечен из печи. Коробка 90 из нержавеющей стали, футерованной графитовой фольгой, была извлечена из наружного контейнера 94 из нержавеющей стали и ее содержимое было помещено на медную охлаждающую пластину с комнатной температурой, имеющей длину 8"" (203 мм), ширину 8""(203 мм) и толщину 0,5"" (13 мм), для направленного отверждения композита с металлической матрицей. При комнатной температуре коробка 91 из графитовой фольги была демонтирована для подтверждения сформирования композита с металлической матрицей.

Образец F (090789DU).

На фиг. 14 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, описанного ниже. В этом случае использовалась глиноземная лодочка с внутренней полостью длиной 3,75"" (95 мм), шириной 1,8"" (45 мм) и глубиной 0,79"" (20 мм). Слой примерно 1/8 дюйма наполнительного материала 111, содержащего полые глиноземные шарики (аэросферы, продаваемые фирмой "Керамик фильтерс инк." Атланта ГА), помещался на дно глиноземной лодочки 110. Слитки 112 основного металла, содержащего менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. F, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, помещались на слой наполнительного материала 111 в глиноземной лодочке 110.

Глиноземная лодочка 110 и ее содержимое помещались в электропечь сопротивления при комнатной температуре. Трубчатая печь была по существу герметизирована и трубообразная полость ее была вакуумизирована по крайней мере 762 мм рт. ст. Затем в печь подавался азот с расходом 0,5 л/мин и печь нагревалась до 800^oC со скоростью 300^oC/ч. Система поддерживалась при 800^oC в течение 0,5 ч с расходом азота 0,5 л/мин. Трубчатая печь затем охлаждалась до комнатной температуры со скоростью 300^oC/мин. При комнатной температуре глиноземная лодочка 110 была извлечена из печи для определения образования композитного тела с металлической матрицей.

Образец G (123187-DE).

На фиг. 11 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано ниже. Была изготовлена графитовая лодочка 130 длиной 4"" (102 мм), шириной 4"" (102 мм) и высотой 3"" (76 мм) из графита АТ производства "Юнион карюбид". Материал 131 глинозема зернистостью 24 (38 Алундум фирмы "Нортон ко" Ворцестер, МА) помещался на дно графитовой лодочки 130. Коробка 132 из графитовой фольги длиной 2"" (51 мм), шириной 2"" (51 мм) и высотой 3"" (76 мм) помещалась в глинозем 131 зернистостью 24, покрывающий дно графитовой лодочки 130, и графитовая коробка была окружена дополнительным глиноземом 131 зернистостью 24. Коробка 132 из графитовой фольги была изготовлена из куска графитовой фольги (Графойл фирмф "Юнион карюид") длинлй 8"" (203 мм), шириной 8"" (203 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм). Четыре параллельных разреза с расчетом 2"" (51 мм) от боковой стороны и 3"" (76 мм) длиной было произведено в графитовой фольге. Разрезанная графитовая фольга затем складывалась/сгибалась, склеивалась смесью, содержащей 1 вес. ч. графитового порошка (KS-44 фирмы, "Лонца, инк.", Фейр Лоун НДж) и 3 вес. ч. коллоидного кремния (ЛЮДОКС СМ фирмы "Э.И.Дюпон де-Немур ко. инк.", Вилмингтон, ДЕ), и сшивалась проволокой, образуя коробку 132 из графитовой фольги.

Подпрессовка 133 из глиноземных волокон длиной 2"" (51 мм), шириной 2"" (51 мм) и толщиной 0,8"" (20 мм) была приготовлена из смеси, содержащей 90 вес. раскрошенных глиноземных волокон диаметром около 20 мкм (волокно FP фирмы "Дюпон де Немур ко. инк." Вилмигтон, ДЕ), 10 вес. глиноземных волокон диаметром 3 мкм (под названием СТАФФИЛ фирмы "Ай-Си-Ай Америкас", Вилмингтон, ДЕ), связывалась с помощью коллоидного глинозема. Подпрессовка 133 из глиноземного волокна, которая содержала примерно 12 об. керамических волокон, помещалась на дно коробки 132 из графитовой фольги в графитовой лодочке 130. Два слитка основного металла 134 длиной 2"" (51 мм), шириной 2"" (51 мм) и высотой 1"" (25 мм), содержащие 10,5 вес. Mg, 4 вес. Zn, 0,5 вес. Si, 0,5 вес. Cu и баланс алюминий, помещались на подпрессовку 133 из глиноземного волокна в коробке 132 из графитовой фольги. Пространство между периметром слитков основного металла 134 и боковой стенкой коробки 132 из графитовой фольги заполнялось пастообразной графитовой смесью 135, содержащей 1 вес. ч. графитового порошка (KS-44 фирмы "Лонца инк.", Фейр Лоун НДж) и 3 вес. ч. коллоидного кремнезема (ЛЮДОКС СМ фирмы Э.И.Дюпон де Немур ко. Инк. ", Вилмингтон. ДЕ).

Графитовая лодочка 130 и ее содержимое помещались в печь с управляемой атмосферой при комнатной температуре. Печная дверца была закрытой и печь вакууминизировалась по крайней мере до 762 мм рт. ст. Затем печь нагревалась до 200^oС в течение 0,75 ч. После не менее 2 ч при 200^oc и вакууме не менее 762 мм рт. ст. печь продувалась азотом с расходом 32 л/мин и нагревалась до 675^oc в течение 5 ч. После 20 ч при 675^oC с расходом азота 2 л/мин печь выключалась и охлаждалась до комнатной температуры. При комнатной температуре коробка 132 из графитовой фольги демонтировалась для определения сформирования композитного тела с металлической матрицей.

Образец H (042088-DN).

На фиг. 16 схематично в поперечном разрезе показан комплекс, использованный для образования образца композита с металлической матрицей, армированной волокном, как описано ниже. Контейнер 150 из нержавеющей стали длиной 6,5"" (165 мм), шириной 6,5"" (165 мм) и высотой 3"" (76 мм) был изготовлен путем сварки вместе листов нержавеющей стали серии 300. Контейнер 150 из нержавеющей стали был футерован коробкой 151 из графитовой фольги длиной 6"" (152 мм), шириной 6"" (152 мм) и высотой 3"" (76 мм). Коробка 151 из графитовой фольги была изготовлена из куска графитовой фольги (ГРАФОЙЛ фирмы "Юнион карбид") длиной 9"" (229 мм), шириной 9"" (229 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм). Четыре параллельных разреза с расчетом 3"" (76 мм) от боковой стороны и 3"" (76 мм) длиной было сделано в графитовой фольге. Разрезанная графитовая фольга затем складывалась/сгибалась, склеивалась смесью, содержащей 1 вес. ч. графитового порошка (KS-44 фирмы "Лонца инк.", Фейр Лоун. НДж) и 3 вес. ч. коллоидного кремнезема (ЛЮДОКС СМ фирмы Э.И.Дюпон де Немур и ко. инк." Вилмингтон, ДЕ), и смешивалась проволокой, образуя коробку 151 из графитовой фольги. После достаточно удовлетворительного высыхания клея коробка 151 из графитовой фольги помещалась в нижнюю часть контейнера 150 из нержавеющей стали. Слой толщиной примерно 0,25"" (6,4 мм) SiC 152 с зернистостью 90 (39 КРИСТОЛОН фирмы "Нортон ко.", Ворцестер, МА) размещался в нижней части коробки 151 из графитовой фольги.

Подпрессовка 153 из непрерывных волокон длиной 6"" (152 мм), шириной 6"" (152 мм) и толщиной 0,5"" (13 мм), изготовленной из глиноземного волокна диаметром около 20 мкм (волокно FP фирмы Э.И.Дюпон де Немур и ко. инк. "Вилмингтон, ДЕ), помешалась на верхнюю часть слоя 152 SiC зернистостью 90 в коробке 151 из графитовой фольги, футерующей контейнер 150 из нержавеющей стали. Лист 155 графитовой фольги (ГРАФОЙЛ фирмы "Юнион карбид", размером примерно 6"" (152 мм) на 6"" (152 мм) и на 0,015"" (0,38 мм) с отверстием 156 в центре графитового листа диаметром примерно 2"" (51 мм) помещался на подпрессовку 153 из непрерывных волокон. Слитки основного металла 154 каждый длиной 3,5"" (89 мм), шириной 3,5"" (89 мм) и толщиной 0,5"" (13 мм), содержащие менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. Fe, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, помещались на графитовый лист 155.

Контейнер 150 из нержавеющей стали и его содержимое помещались в ретортную электропечь сопротивления при комнатной температуре. Окно реторты было закрыто и реторта вакууминизировалась по крайней мере до 762 мм рт. ст. Ретортная печь затем нагревалась до 200^oC в течение 0,75 ч. После 2 ч при 200^oC с вакуумом 762 мм рт. ст. вакууминизированная реторта продувалась азотом с расходом 2,5 л/мин. Ретортная печь затем нагревалась до 725^oC со скоростью 150^oC/ч с расходом азота 2,5 л/мин. Система поддерживалась при 725^oC в течение 25 ч с расходом азота 2,5 л/мин. Контейнер 150 из нержавеющей стали и его содержимое изымались затем из реторты. Затем направленное отверждение производилось путем помещения контейнера 150 из нержавеющей стали на графитовые пластины и выливания глинозема зернистостью 90 (38 АЛУНДУМ фирмы "Нортон ко", Ворцестер, МА)), который предварительно нагревался по крайней мере до 700^oC, на остаточный расплавленный основной металл и контейнер из нержавеющей стали и его содержимое покрывались слоем керамического волокна (КЕРАБЛАНКЕТ фирмы "Менвилл рефрактори продактс"). При комнатной температуре комплекс был разработан для определения сформирования композита с металлической матрицей, армированной непрерывным волокном.

Образец I (083187-Vg-7).

Комплекс, аналогичный тому, который использовался для Образца G и показанный на фиг. 15, использовался для образования образца композита с металлической матрицей, как описано ниже. Использовалась графитовая лодочка длиной 22,75" (578 мм), толщиной 9,75" (248 мм) и высотой 63 "(152 мм), изготовленная из графита ATJ фирмы "Юнион карбид". Коробка из графитовой фольги длиной 17" (452 мм), шириной 1" (25 мм) и высотой 1" (25 мм) была сделана из куска графитовой фольги (ГРАФОЙЛ фирмы "Юнион карбид"), как описано в образце G.

Коробка из графитовой фольги была помещена в графитовую лодочку и окружена глиноземом зернистостью 24 (38 АЛУНДУМ фирмы "Нортон ко.", Ворцестер, МА). Слой рыхлых графитовых волокон, покрытых карбидом кремния, осажденным из газовой фазы (Торнел Т 300 марки 309. Т волокон из каменно-угольных и нефтяных пеков фирмы "Амоко перформанс продактс, инк."), помещался в нижнюю часть коробки из графитовой фольги. Та же смесь графитового порошка/коллоидного кремнезема, использованная для склеивания коробки из графитовой фольги, использовалась для покрытия концов графитовых волокон с покрытием из карбида кремния, осажденного из газовой фазы. Слиток основного металла длиной 12"" (305 мм), шириной 0,75"" (19 мм) и толщиной 1"" (25 мм), содержащий 6 вес. Mg, 5 вес. Zn, 12 вес. Si и баланс алюминий, помещался на рыхлые графитовые волокна, покрытые карбидом кремния, в коробке из графитовой фольги. Графитовая лодочка и ее содержимое помещались в печь с управляемой атмосферой при комнатной температуре. Дверца печи была закрыта и камера вакууминизировалась по крайней мере до 762 мм рт. ст. при комнатной температуре. Затем печь нагревалась до 200^oC в течение 0,75 ч. После 2 ч при 200^oC с вакуумом не менее 762мм рт. ст. печь продувалась азотом с расходом 1,5 л/мин. Печь затем доводилась до 850^oC в течение 5 ч. После 10 ч при 850^oC с азотной атмосферой, подаваемой с расходом 1,5 л/мин, печь охлаждалась до комнатной температуры за 3 ч. При комнатной температуре коробка из графитовой фольги демонстрировалась для определения сформования композита с металлической матрицей (см. табл. 1).

После того, как каждый из образцов А-1, описанных выше, был охлажден до комнатной температуры, каждый разрезался поперек для определения сформования композитного тела с металлической матрицей. Все образцы А-1 в этом примере наблюдались в отношении формования композитов с металлической матрицей из алюминия.

Пример 6. Этот пример показывает большое разнообразие композиций наполнительного материала, который может успешно использоваться для образования композитных тел с металлической матрицей способом самопроизвольной пропитки.

В табл. 2 содержатся обобщенные данные об экспериментальных условиях, использованных для получения композитных тел с металлической матрицей, используя разные основные металлы, наполнительные материалы, условия температуры и времени обработки.

Образцы A-D.

Образцы A-D, как описано в примере 5, были сформованы, используя плавленый глинозем, кальцинированный глинозем, пластинчатый глинозем и глиноземные пластинки в качестве наполнительного материала соответственно. Каждый из примеров A-D содержится в табл. 2.

Образец J (030689-D AF).

Этот образец был получен с помощью комплекса, по существу аналогичного комплексу для образца C, как показано на фиг. 7. Коробка из графитовой фольги длиной 4"" (102 мм), шириной 4"" (102 мм) и высотой 3"" (76 мм) (изготовленная из ГРАФОЙЛА производства фирмы "Юнион карбид корпорейшн") помещалась в графитовую лодочку. Примерно 300 г порошкового оксида магния (TECO MoO, марки "C-E-минералс", Гринвилл, СК) помещалось вниз коробки из графитовой фольги, футерующую графитовую лодочку. Поверхность порошкового оксида магния была по существу покрыта порошковым магнием зернистостью 50 меш. (фирмы "Альфа продактс, инк " Мортон Тиокол, Данверс, МА). Слиток основного металла, содержащий менее 0,25 вес. Si, менее 0,30 вес. Fe, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5-10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий, длиной 4,5"" (114 мм), шириной 1,5"" (38 мм) и высотой 1,5"" (38 мм), помещался в порошковый оксид магния и порошковый магний зернистостью 50 меш. в коробке из графитовой фольги.

Графитовая лодочка и ее содержимое помещались в ретортовую электропечь сопротивления. Окно реторты было закрыто и при комнатной температуре реторта вакууминизировалась по крайней мере до 762 мм рт. ст. После достижения вакуума печь продувалась азотом с расходом 4 л/мин. Ретортная печь затем нагревалась до 750^oC со скоростью 200^oC/ч при расходе азота 4 л/мин. После 19 ч при 750^oC с расходом азота 4 л/мин ретортная печь охлаждалась до 650^oC со скоростью 200^oC/ч. При 650^oC окно реторты было открыто и графитовая лодочка с ее содержимым извлекались и помещались в контакт с графитовой пластиной для направленного отверждения композита с металлической матрицей и остаточного основного металла. При комнатной температуре коробка из графитовой фольги демонтировалась для определения сформования композита с металлической матрицей, содержащего оксид магния в качестве наполнителя.

Образец К (042089-AAI-1).

На фиг. 13 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано ниже. Стальная форма 190 с трапециедальным поперечным сечением, имеющая по закрытому концу длину 3"" (76 мм) и ширину 3"" (76 мм), а по открытому концу длину 3,75"" (95 мм), ширину 3,75"" (95 мм) и высоту около 2,5"" (64 мм) была изготовлена из углеродистой стали 14 калибра 1,9 мм толщиной. Внутренняя поверхность стальной формы была покрыта графитовой смесью 191, содержащей 1,5 об. ч. этанола (производства фирмы "Фармко продактс инк", Байон, НДж) и 1 об. ч. коллоидного графита D AO-154 (фирмы "Ачесон коллоид", Порт Гурон, МИ). По крайней мере три покрытия было нанесено графитовой смеси с помощью воздушной щетки на внутреннюю поверхность контейнера. Каждое покрытие графитовой смеси высушивалось перед нанесением следующего покрытия. Стальная форма помещалась в электропечь сопротивления с воздушной атмосферой, доведенной до 330^oC за 2 ч для сушки и адгезии коллоидных графитовых покрытий 191 к стальной форме 190.

Около 2,2 фунта (1 кг) частично стабилизированного оксида циркония (HSY-3SD, фирмы "Циркониа сейлс инк.", Атланта, ГА) было подвергнуто предварительному обжигу в алюминиевом тигле высотой 7"" (177,8 мм), верхним диаметром 6,25"" (159 мм) и нижним диаметром 3,75"" (95 мм) в течение 1 ч при 1350^oC. Смесь наполнительного материала 192 была приготовлена путем смешивания в 4-литровом пластиком сосуде примерно 600 г смеси, содержащей 95 вес. предварительно отожженного ZrO₂ и 5 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш (фирмы "Рид мануфекчуринг ко", Харст, НДж). Смесь перемешивалась в шаровой мельнице примерно 1 ч, затем встряхивалась в течение 10 мин вручную.

Слой смеси 192 наполнительного материала помещался в нижнюю часть покрытой коллоидным графитом формы 190 на глубину 1,75"" (19 мм). Наполнительный материал по существу был покрыт слоем магниевого порошка 193 зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс", Мортон Тиокол, Данверс, МА). Слитки основного металла, содержащие 99,7 вес. алюминия и баланс из рассеянных элементов, общим весом 537 г, помещался на верхнюю часть смеси 192 наполнительного материала и слоя 193 порошкового магния в стальной форме 190, покрытой коллоидным графитом. Дополнительные 16,9 г второго основного металла 195, содержащего 15 вес. кремния и баланс алюминий, добавлялась на верхнюю часть первоначального основного металла 194. Форма 190 и ее содержимое устанавливались в наружный контейнер 196 из углеродистой стали длиной 12"" (305 мм), шириной 10"" (254 мм) и высотой 10"" (254 мм). Кусок графитовой фольги 197 (обозначенной PF-25-H и продаваемой под товарным знаком Перма-Фойл фирмой "ТТ Америка", Портланд, ОР), длиной 12"" (305 мм), шириной 10"" (254 мм) и толщиной 0,01"" (0,25 мм) покрывал нижнюю часть внутренней полости наружного контейнера 196 из углеродистой стали. Титановый губчатый материал 198 весом 20 г (фирмы "Кемаллой компани инк.", Брин Моур, ПА) и порошковый магний 193 зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс инк.", Мортон Тиокол, Данверс, МА) весом 0,8 г разбрызгивалось в наружном контейнере 196 из углеродистой стали вокруг покрытой коллоидным графитом стальной формы 190 и на графитовой фольге 197. Лист медной фольги 200 был помещен на проем (открытую верхнюю часть) наружного стального контейнера 196. Труба 201 азотной продувки 201 была смонтирована в боковой стенке наружного контейнера 196 из углеродистой стали. Наружный стальной контейнер 196 и его содержимое помещались в электропечь сопротивления. Печь доводилась от комнатной температуры до 600^oC со скоростью 400^oC/ч при расходе азота 10 л/мин, затем от 600^oC до 800^oC со скоростью 400^oC/ч и расходом азота 2 л/мин. Печь поддерживалась при 800^oC в течение 1 ч при расходе азота 2 л/мин. Наружный контейнер 196 из углеродистой стали и его содержимое извлекались из печи, покрытая коллоидным графитом стальная форма 190 извлекалась из наружного стального контейнера и вводилась в контакт с медной охлаждающей пластиной комнатной температуры длиной 8"" (203 мм), шириной 8"" (203 мм) и высотой 0,5"" (13 мм), чтобы направленно отверждать сформованный композит с металлической матрицей.

Образец L 042789-AX-1.

Образец L был получен путем использования комплекса, аналогичного показанному на фиг. 13 в отношении образца К. Форма с трапециедальным поперечным сечением была подготовлена аналогично тому, как это имело место для образца K за исключением, что форма обжигалась 2 ч для отверждения коллоидного графитового покрытия.

Примерно 2,2 фунта (1 кг) Al₂O₃, упрочненного ZrO₂ (ZTA-85 фирмы "Циркониа сейлс инк.", Атланта ГА), было приготовлено аналогично тому, как и наполнительный материал в образце K. Слой смеси наполнительного материала наносится в нижней части, покрытой коллоидным графитом стальной формы на глубину 0,75"" (19 мм). Наполнительный материал по существу покрывался слоем порошкового магния зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс" Мортон Тиокол, Денверс, МА). Слитки основного металла, содержащие 99,7 вес. алюминия и баланс рассеянных элементов, весом 368 г помещались на верхнюю часть смеси наполнительного материала, которая была покрыта порошковым магнием. Второй основной металл, содержащий 15 вес. кремния и баланс алюминия, весом 17,11 г помещался на верхнюю часть первого основного металла. Покрытая коллоидным графитом стальная форма и ее содержимое помещались в наружный контейнер из углеродистой стали длиной 12"" (305 мм), шириной 10"" (254 мм) и высотой 10"" (254 мм). Кусок графитной ленты (индекс PF25-H и продается под товарным знаком Перма-Фойл фирмы "ТТ Америка", Портланд, ОР) длиной 12"" (305 мм), шириной 10"" (254 мм) и толщиной 0,01"" (0,25 мм) наносился на нижнюю часть внутренней полости наружного контейнера из углеродистой стали. Титановый губчатый материал весом 20 г (фирмы "Кемаллой компани инк.", Врин Маур, ПА) и порошковый магний зернистостью 50 меш, весом 2 г разбрызгивались вокруг покрытой коллоидным графитом формы и на графитовую ленту в наружном контейнере из углеродистой стали. Лист медной фольги помещался на проем наружного контейнера из углеродистой стали. Труба азотной продувки была смонтирована в боковой стенке наружного контейнера из углеродистой стали.

Закрытый стальной контейнер и его содержимое помещались в электропечь сопротивления. Печь доводилась от комнатной температуры до 600^oC со скоростью 400^oC/ч с расходом азота 10 л/мин, затем от 600^oC до 800^oC со скоростью 400^oC/ч с расходом азота 2 л/мин. Печь поддерживалась при 800^oC 1 ч с расходом азота 2 л/мин, затем охлаждалась до 580^oC. Наружный контейнер из углеродистой стали и его содержимое затем изымались из печи и покрытая коллоидным графитом стальная форма извлекалась из наружного контейнера из углеродистой стали и помещалась на медную охлаждающую пластину комнатной температуры длиной 8"" (203 мм), шириной 8"" (203 мм) и высотой 0,5"" (13 мм) для направленного отверждения сформованного композита с металлической матрицей.

Образец M.

На фиг. 14 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения образца композита с металлической матрицей, как описано ниже. Была изготовлена графитовая лодочка 210, имеющая внутреннюю полость размером 12"" х 9"" х 5,5"" (марки AT. фирмы "Юнион карбид"). Была образована коробка 217 из графитовой фольги примерно длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и глубиной 3"" (76 мм) (Графойл фирмы "Юнион карбид"), как описано в образце C. Примерно 1 г порошкового магния 211 зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс, инк") помещался в нижнюю часть коробки 217. Небольшое распыление покрытия (не показано на фиг. 14) графитового цемента (Рижидлокк фирмы "Поликарбон) было образовано на нижней части коробки 217 из графитовой фольги для адгезии магниевого порошка к нижней части коробки 217.

Смесь 212 наполнительного материала была приготовлена путем смешивания примерно 763 г смеси, содержащей 98 вес. карбида кремния зернистостью 1000 меш (39 Кристолон фирмы "Нортон ко.") и 2 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш (Аезар фирмы "Джонсон Маттей") в шламе этанола (способом ДЖ, описанном в образце примера 5). Эта смесь наполнительного материала 212 затем помещалась в графитовую коробку 217 на верхнюю часть магниевого порошка 211.

Слой графитовой фольги 213 (Грайфол фирмы "Юнион карбид") примерно длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм), имеющей отверстие 214 диаметром 1,25"" (32 мм) в центре графитовой фольги, помещался на поверхность карбида кремния как наполнительного материала 212 в графитовой лодочке 210. Примерно 1 г порошкового магния 215 зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс инк.") помещался на открытую поверхность наполнительного материала 212 вокруг отверстия 214 в графитовой фольге 213.

Слиток основного металла 216 весом примерно 1237 г и содержащий 413,0 сплава, имеющего номинальный состав примерно 11,0 13,0 Si, менее 2,0 Fe, менее 1,0 Cu, менее 0,35 Mn, менее 1,0 Mg, менее 0,50 Ni, менее 0,50 Zn, менее 0,15 Sn и баланс алюминий, помещался на поверхность графитовой фольги 213 так, что сплав 216 покрывал отверстие 214 в графитовом листе 213.

Реакционная система, содержащая лодочку 210 и ее содержимое, помещалась в ретортную электропечь сопротивления. Печь вакууминизировалась по крайней мере до 508 мм рт. ст. затем продувался азот с расходом примерно 4,5 л/мин. Температура печи была доведена от комнатной температуры примерно до 775^oC со скоростью 200^oC/ч. Система поддерживалась при 775^oC в течение примерно 20 ч, затем температура была понижена до 760^o со скоростью 150^oC/ч. При температуре 760^oC система была извлечена из печи и помещена на алюминиевую охлаждающую пластину с водяным охлаждением. Примерно 500 мл материала экзотермической прибыльной надставки (Фидал-9 фирмы "Фосеко инк.") разбрызгивалось по верхней части комплекса и слой керамического волокна (Керабланкет фирмы "Менвилл рефрактори продактс") обертывался вокруг графитовой лодочки. Фидал-9 использовался для образования экзотермической реакции на верхней части комплекса для формирования композита с металлической матрицей в целях направленного отверждения при охлаждении, тем самым препятствуя образованию усадочной пористости в композите с металлической матрицей.

Образец N (060889-DAE-4).

Этот образец был получен с помощью комплекса по существу аналогичного описанному в примере 5 для образца D, как показано на фиг. 12. Две графитовые пластины марки ATJ длиной 8"" (203 мм), шириной 3"" (76 мм) и толщиной 0,54 (13 мм) были помещены в графитовую лодочку длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и высотой 3"" (76 мм) для образования полости в графитовой лодочке примерно длинлй 8"" (203 мм), шириной 2"" (50,8 мм) и высотой 3"" (76 мм). Часть графитовой лодочки снаружи графитовых пластин была заполнена глиноземом зернистостью 220 меш (38 Алундум фирмы "Нортон компани"). В полость между пластинами глинозема была помещена коробка из графитовой фольги (Графойл фирмы "Юнион карбид) размером 8"" (203 мм) х (2"" (50,8 мм) х 3"" (76 мм), которая была образована, как описано в образце C. Во внутреннюю часть коробки из графитовой фольги был помещен порошковый магний зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс инк."), адгезированный к нижней части коробки графитовой фольги с помощью графитового цемента (Рижидлокк фирмы "Поликарбон лтд.").

Смесь наполнительного материала с пластинками карбида кремния была подготовлена способом ДЖ, описанным в образце примера 5, благодаря чему было получено примерно 303 г смеси с содержанием 96 вес. пластинок карбида кремния диаметром 50 мкм и толщиной 10 мкм (фирмы "С-эксис текнолоджи, лтд") и 4 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш (Аезар фирмы "Джонсон Матей"). Смесь наполнительного материала помещалась на верхней части магниевого слоя в графитовой лодочке. Второй слой порошкового магния зернистостью 50 меш в количестве 1,5 г был помещен на верхней части смеси материала наполнителя карбида кремния. Слиток весом 644 г, содержащий 413,0 сплава, с составом как изложено в табл. 2, был помещен на верхней части магниевого слоя в системе.

Система, содержащая графитовую лодочку и ее содержимое, была помещена в ретортную электропечь сопротивления. Печь вакууминизировалась по крайней мере до 508 мм рт. ст. затем продувалась газом азот с расходом 4,0 л/мин. Температура в печи была повышена от комнатной температуры до примерно 775^oC со скоростью 100^oC/ч. Система поддерживалась при 775^oC в течение 10 ч, затем температура была понижена до 760^oC со скоростью 200^oC/ч. Система была извлечена из печи при 760^oC и помещена на алюминиевую охлаждающую пластину с водяным охлаждением. Примерно 500 мл материала экзотермической прибыльной надставки (Фидал-9 фирмы "Фосеко инк.") разбрызгивалось на верхней части комплекса, слой керамических волокон обертывался вокруг поверхности графитовой лодочки. Фидал-9 использовался для образования экзотермической реакции на верхней части комплекса для форсирования композита с металлической матрицей направленно отверждаться при охлаждении, тем самым препятствуя образованию усадочной пористости в композите с металлической матрицей.

Образец O (050289. АЕ-3).

Этот образец был получен в соответствии со схематичным комплексом для образца M, как показано на фиг. 14. Графитовая лодочка была изготовлена с размерами внутренней полости 12"" х 9"" х 5,5"" (марки ATY фирмы "Юнион карбид"). Коробка из графитовой фольги длиной 8"" (203 мм), шириной 4"" (102 мм) и глубиной 3"" (76 мм) (Графойл фирмы "Юнион карбид") была образована, как описано в образце C. Примерно 1 г порошкового магния с зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс инк.") был помещен на нижнюю часть коробки из графитовой фольги. Небольшое покрытие распылением графитового цемента (Рижидлокк фирмы "Поликарбон") было произведено на нижней части коробки из графитовой фольги для адгезии порошкового магния к нижней части коробки.

Наполнительный материал был подготовлен путем смешивания 94 вес. пластинок диборида титана диаметром 10 мкм и толщиной 2,5 мкм (НТС-30 фирмы "Юнион карбид") и 6 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш (Аезар фирмы "Джонсон Матей") по ДЖ способу, как описано в примере 5 для образца D. Эта смесь наполнительного материала выливалась на верхнюю часть порошкового магния в коробке из графитовой фольги.

Графитовая фольга (Графойл фирмы "Юнион карбид") размером 8"" (203 мм) х 4"" (102 мм) х 0,015"" (0,38 мм) с отверстием в центре фольги диаметром 1,25"" (32 мм) была помещена на верхней части наполнительного материала. Примерно 1 г порошкового магния зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс") было помещено на открытую поверхность наполнительного материала через отверстие в графитовом листе. Слиток основного металла примерно 1498 г сплава 520, содержащего менее 0,25 вес. Si, менее 0,35 вес. Fe, менее 0,25 вес. Cu, менее 0,15 вес. Mn, 9,5 10,6 вес. Mg, менее 0,15 вес. Zn, менее 0,25 вес. Ti и баланс алюминий) помещался на верхнюю часть листа графитовой фольги.

Графитовая лодочка и ее содержимое помещались в ретортную электропечь сопротивления при комнатной температуре. Окно реторты было закрыто и реторта вакууминизировалась по крайней мере до 508 мм рт. ст. Реторта затем продувалась азотом с расходом 4,5 л/мин. Ретортная печь затем нагревалась от комнатной температуры до 775^oC со скоростью 200^oC/ч. После 20 ч при 775^oC ретортная печь охлаждалась до 760^oC со скоростью 150^oC/ч. При 760^oC окно реторы было открыто и графитовая лодочка с ее содержимым была извлечена из реторты на алюминиевую охлаждающую пластину с водяным охлаждением при комнатной температуре, имеющую длину 12"" (305 мм), ширину 9"" (229 мм) и толщину 2"" (51 мм). Примерно 500 мл материала экзотермической прибыльной насадки (Фидал-9 фирмы "Фосеко инк.") разбрызгивалось на верхней части комплекса и слой керамического волокна (Керабланкет фирмы "Манвилл рефрактори продактс") обертывался вокруг поверхности графитовой лодочки. Материал прибыльной насадки использовался для образования экзотермической реакции на верхней части остаточного основного металла для содействия композиту с металлической матрицей направленно отверждаться при охлаждении, тем самым препятствуя образованию усадочной пористости в композите с металлической матрицей.

Образец P (071489 DAF-1).

На фиг. 15 показан схематично в поперечном сечении комплекс, использованный для получения композитного тела с металлической матрицей, как описано ниже. Контейнер из нержавеющей стали 230 длиной 6"" (152 мм), шириной 6"" (152 мм) и высотой 7,5"" (191 мм) был футерован коробкой из графитовой фольги 231 размером 6"" (152 мм) х 6"" (152 мм) х 7,5"" (191 мм), выполненную согласно с вышеназванными примерами. Примерно 2 г порошкового магния зернистостью 325 меш (Аезар фирмы "Джонсон Маттей") было адгезировано к нижней части графитовой коробки с помощью графитового цемента (Рижидлокк фирмы "Поликарбон"). Примерно 500 г смеси, 95 вес. порошкового нитрида алюминия со средним размером диаметра частиц 3 6 мкм (А-200 AlN фирмы "Адвенсд рефрактори текнолоджи, инк." Буффало, НЙ) и 5 вес. порошкового магния зернистостью 325 меш (Аезар фирмы "Джонсон Маттей") смешивалось с помощью механического средства в четырехлитровом пластиковом сосуде в течение 2 ч для получения однородной смеси наполнительного материала 233. Эта смесь 233 наполнительного материала помещалась в коробку 231 из графитовой фольги. Примерно длиной 1"" (25 мм) проход 234 из графитовых трубок с внутренним диаметром 2"" (51 мм) был установлен на верхней части наполнительного материала 233. Рыхлый слой глинозема 235 с зернистостью 220 (Е-38 Алунду-м фирмы "Нортон ко.") насыпался вокруг наружного диаметра прохода из графитовых трубок 234, который находился по центру на верхней части наполнительного материала 233 в графитовой коробке 230. Достаточно глинозема 235 с зернистостью 220 было добавлено по существу вокруг прохода 234 из графитовых трубок. Примерно 5 г порошкового магния зернистостью 50 меш (фирмы "Альфа продактс") было помещено во внутреннюю часть прохода из графитовых трубок для покрытия поверхности наполнительного материала 233. Примерно 1210 г сплава основного металла 237, имеющего номинальный состав 413,0, содержащий 11,0 - 13,0 вес. Si, менее 2,0 вес. Fe, менее 1,0 вес. Cu, менее 0,35 вес. Mn, менее 0,10 вес. Mg, менее 0,50 вес. Zn, менее 0,15 вес. Sn и баланс алюминий, помещалось на верхнюю часть реакционных компонентов, как показано на фиг. 20.

Система, содержащая стальной контейнер 230 и его содержимое, помещалась в ретортную электропечь сопротивления и печь вакууминизировалась до не менее 508 мм рт. ст. и продувалась газом азотом с расходом 4,0 л/мин. Печь доводилась от комнатной температуры до 200^oC со скоростью 200^oC/ч, поддерживалась при 200^oC в течение примерно 49 ч, затем охлаждалась до 550^oC со скоростью 200^oC/ч, поддерживалась при 550^oC 1 ч, затем доводилась до 775^oC со скоростью 150^oC/ч. Система поддерживалась при 775^oC в течение 10 ч, затем охлаждалась до 760^oC со скоростью примерно 150^oC/ч. При 760^oC система была извлечена из печи и направленно охлаждалась с помощью прибыльной насадки. Система помещалась на алюминиевую охлаждающую пластину с водяным охлаждением, имеющую длину 12"" (305 мм), ширину 9"" (229 мм) и толщину 2"" (51 мм). Примерно 500 мл материала экзотермической прибыльной насадки (Фидал-9 фирмы "Фосеко инк.") разбрызгивалось на верхней части комплекса. Слой керамических волокон (Керабланкет фирмы Манвилл рефрактори продактс") обертывался вокруг контейнера из нержавеющей стали для изоляции системы. Материал прибыльной насадки использовался для образования экзотермической реакции на верхней части остаточного основного металла для содействия композиту с металлической матрицей направленно отверждаться при охлаждении, тем самым препятствуя образованию усадочной пористости в композите с металлической матрицей.

Механические свойства некоторых композитных тел с металлической матрицей, образованных в соответствии с этим примером, приведены в табл. 2. Описание способов, использованных для определения механических свойств, приводятся ниже.

Измерение предела прочности на разрыв (ППР).

Прочность на разрыв некоторых композитов с металлической матрицей была определена с использованием ASTM N B557-84 "Стандартные способы испытания на растяжение кованых и литых алюминиевых и магниевых продуктов". Использовались прямоугольные образцы для испытания на растяжение длиной 6"" (154 мм), шириной 0,5"" (413 мм) и толщиной 0,1"" (2,5 мм). Контрольная секция прямоугольных образцов для испытания на растяжение была шириной 3/8 дюйма (10 мм) и длиной 0,75"" (19 мм) и радиус от концевой секции до контрольной секции был 3"" (76 мм). Четыре захватных алюминиевых ушка длиной 2"" (51 мм), шириной 0,5"" (13 мм) и толщиной 0,3"" (7,6 мм) были прикреплены к концевым секциям каждого прямоугольного образца для испытания на растяжение с помощью эпоксидной смолы (именуемой Эпокси-петч, фирмы "Декстер корпорейшн оф хай сол аэроспейс энд индастриал продактс", Сибрук, НХ). Напряжение на прямоугольных образцах для испытания на растяжение измерялось с помощью тензодатчиков (мосты 350 Ом) с индексом CEE-06-3750YY-350 фирмы "Микромжюрментс оф Ралей", НК. Прямоугольные образцы для испытания на растяжение, включая алюминиевые захватные ушки и тензодатчики, помещались в клиновые захваты на динамометрическом датчике Синтек 5000 фунтов (2269 кг) (универсальное устройство для испытания, модель N CITS 2000/6, производства фирмы "Систем интегрейшн текнолоджи инк.", Стартон, МА.). Компьютерная система выборки данных была соединена с измерительным блоком и тензодатчики регистрировали испытательные реакции. Прямоугольные образцы для испытания на растяжение деформировались при постоянной скорости 0,039 дюйм/мин (1 мм/мин) до разрыва. Максимальное напряжение, максимальное усилие и усилие до образования разрыва вычислялись из геометрии образца и зарегистрированных реакций с помощью программы в компьютере.

Измерение модуля резонансным методом.

Модуль упругости композитов с металлической матрицей определялся способом звукового резонанса, который по существу такой же, как способ ASTM C848-88. Образец композита длиной 1,8 2,2 дюйма, шириной 0,24 дюйма и толщиной 1,9 дюйма (45 -55 х 6 х 4,8 мм соответственно) помещался между двумя датчиками, изолированными от комнатных вибраций с помощью воздушного стола, поддерживающего гранитный камень. Один из датчиков использовался для возбуждения частот в композитном образце, тогда как другой использовался для контроля частотной характеристики композита с металлической матрицей. Путем сканирования по частотам, контроля и регистрации уровней характеристики для каждой частоты и путем отмечания резонансной частоты определялся модуль упругости.

Измерение вязкости разрушения материала с металлической матрицей, используя образец с надрезами, расположенными "елочкой".

Способ Мунца, Шаннона и Басея использовался для определения вязкости разрушения материалов с металлической матрицей. Вязкость разрушения вычислялась из максимальной нагрузки образца с надрезами типа "елочки" в четырех точках нагрузки. Конкретно, геометрия образца с надрезами типа "елочки" была следующая: длина 1,8 2,2 дюйма (45 55 мм), ширина 0,19"" (4,8 мм) и высота 0,24"" (6 мм). Надрез типа "елочки" производился алмазной пилой для содействия развитию трещины в образце. Образцы с надрезами типа "елочки", с вершиной надреза, обращенной вниз, помещались в зажимное устройство в универсальном испытательном аппарате. Надрез образца с надрезами "елочкой" помещался между двумя пальцами (шпильками) на расстоянии 1,6"" (40 мм) друг от друга и примерно 0,79"" (20 мм) от каждого пальца. Верхняя сторона образца с надрезами "елочкой" входила в контакт с двумя пальцами на расстоянии 0,79"" (20 мм) друг от друга и примерно 0,39"" (10 мм) от надреза. Измерения максимальной нагрузки производились с помощью Синтек-модели CITS 2000/6 универсального испытательного аппарата производства фирмы "Систем интегрейшн текнолоджи инкорпорейтед". Использовалась поперечная скорость 0,02 дюйма/мин (0,58 мм/мин). Динамометрический датчик универсального испытательного аппарата имел интерфейсную связь с системой компьютерной выборки данных. Геометрия образца с надрезами "елочкой" и максимальная нагрузка использовались для вычисления вязкости разрушения материала. Несколько образцов использовалось для определения средней вязкости разрыва в отношении данного материала.

Количественный изобразительный анализ (КИА).

Объемная доля наполнителя, съемная доля основного металла и объемная доля пористости определялись способом количественного изобразительного анализа. Представленный образец композитного материала монтировался и полировался. Полированный образец помещался на столик оптического микроскопа "Никон микрофото FX" с видеокамерой DAgE-MTI серии 68 производства "Мичиган сити", соединенной с верхним портом. Сигнал видеокамеры посылается на модель DV 4400 Научной оптической аналитической системы производства фирмы "Ламонт сьянтифик штата колледж", ПА. При соответствующем увеличении десять видеоизображений микроструктур было сделано через оптический микроскоп и загружалось в Научную оптическую аналитическую систему "Ламонта" на хранение. Видеоизображения, полученные при 50 100-кратном увеличении и в некоторых случаях при 200-кратном увеличении, подверглись цифровой обработке для выравнивания освещенности. Для видеоизображений, полученных при 200 - 100-кратном увеличении, цифровая обработка в отношении выравнивания освещенности не потребовалась. Видеоизображения при равной освещенности, в диапазонах интенсивности серого уровня и специального цвета предназначались для специфических микроструктурных разломов, специального наполнительного материала, основного металла или пористости и т. д. Для проверки правильности заданных значений цвета и интенсивностей производилось сравнение между видеоизображением с заданными значениями и первоначально полученными видеоизображениями. Если отмечалось расхождение, производились коррекции в отношении заданных значений видеоизображения с использованием вручную дискретизирующего пера и пульта цифровой дискретизации. Представленные видеоизображения с заданными значениями анализировались автоматически с помощью компьютерных средств программирования, содержащихся в Научной оптической аналитической системы "Ламонта", чтобы получить процент площади наполнителя, процент площади основного металла и процент площади пористости, которые по существу являются тем же, что объемные проценты.

После того, как вышеизложенные образцы были охлаждены до комнатной температуры, каждый разрезался поперек для определения образования композитного тела с металлической матрицей. Все образцы A-C и J-P в этом примере наблюдались в отношении образования композитов с алюминиевой металлической матрицей.

Механические свойства образцов обобщены в табл. 2.

Пример 7.

Этот пример показывает, что разные наполнительные смеси карбида кремния могут использоваться для успешного образования композитных тел с металлической матрицей способом самопроизвольной пропитки. Изменение загрузок наполнителя можно достигать в зависимости от размера наполнительного материала и/или применяемых условий обработки. В табл. 3 содержатся обобщенные данные использованных экспериментальных условий для получения композитных тел с металлической матрицей в этом примере, включая изменения основных металлов, наполнительных материалов, условий рабочей температуры и времени обработки.

Образцы Q-AH.

Эти образцы были образованы по существу таким же способом, как образец С в примере 5 и как показано на фиг. 7 в схематичном поперечном сечении за исключением того, что порошковый магний не помещался на нижней части коробки из графитовой фольги перед введением наполнительного материала.

Пример AI-AJ.

Эти образцы были получены по существу также, как образец К в примере 5 и как показано в схематичном поперечном сечении на фиг. 13.

После того, как вышеизложенные образцы были охлаждены до комнатной температуры, каждый разрезался поперек для определения сформования композитное тело с металлической матрицей. Все образцы Q-AJ в этом примере наблюдались в отношении образования композитов с алюминиевой металлической матрицей.

Механические свойства образцов измерялись с помощью стандартных испытательных способов, как изложено ранее, и механические свойства образцов обобщены в табл. 3.

Пример 8.

Этот пример показывает, что композитные тела с металлической матрицей могут быть образованы в широком диапазоне периодов времени обработки. Период времени пропитки наполнительного материала основным металлом в присутствии пропитывающей атмосферы и усилителя пропитки или исходного компонента усилителя пропитки или исходного компонента усилителя пропитки могут изменяться в зависимости от требуемого результата. В табл. 4 приведены сводные данные использованных экспериментальных условий для получения композитных тел с металлической матрицей в широком диапазоне периодов времени обработки, включая основной металл, наполнительный материал и условия обработки.

Образец AL-AN.

Эти образцы были получены таким же образом, как образец С в примере 5 и как показано в схематичном разрезе на фиг. 7, за исключением, что графитовая лодочка покрывалась коллоидным графитом (АО-154 фирмы "Ачесон коллоид", Порт-Хурон, МИ) вместо футеровки коробкой из графитовой фольги. Система нагревалась от комнатной температуры до 350^oC со скоростью 200^oC/ч, поддерживалась при 350^oC около 7 ч, затем нагревалась до 550^oC со скоростью 200^oC/ч, поддерживалась при 550^oC в течение 1 ч, затем нагревалась до 775^oC со скоростью 150^oC/ч и поддерживалась при 775^oC в течение периодов времени, приведенных в табл. 4. Кроме того, после извлечения системы реакции из печи сформованный композит помещался на алюминиевую охлаждающую пластину с водяным охлаждением для направленного отверждения композита.

Пример 9.

Этот пример показывает, что механические свойства композитных тел с металлической матрицей могут изменяться с помощью направленного отверждения и/или последующей тепловой обработки. В табл. 5 содержатся сводные данные о применяемых экспериментальных условиях для образования композитных тел с металлической матрицей и механических свойств, полученных для сформированных композитных тел.

Образцы C, AQ A.

Эти образцы были получены способом, аналогичным способу, описанному в отношении образца С в примере 5 и показанному в схематичном разрезе на фиг. 7. Образцы AQ A подвергнуты тепловой обработке Т-6, как описано ниже.

Тепловая обработка Т6.

Композиты помещались в проволочную корзину из нержавеющей стали, которая затем помещалась в электропечь сопротивления с воздушной атмосферой, нагретой до 500^oC. Композиты нагревались в течение 1 ч при 500^oC, затем извлекались из печи и охлаждались до комнатной температуры с помощью водяной ванны. Для возможности протекания процесса осаждения композиты либо специально подвергались старению при 160^oC в течение 10 ч либо естественному старению при комнатной температуре в течение примерно одной недели.

Образцы AT-AV.

Эти образцы были получены способом, по существу аналогичным описанному в отношении образца C в примере 5, за исключением того, что: 1) магний не размещался в нижней части используемой коробки из графитовой фольги; 2) реакционные системы поддерживались при 750^oC в течение 15 ч. Образцы AYY-AY были подвергнуты тепловой обработке Т4, как описано в образце E примера 5.

После того, как приведенные выше образцы были охлаждены до комнатной температуры, каждый был разрезан поперек для определения сформирования композитного тела с металлической матрицей (см. табл. 5).

Пример 10.

Этот пример показывает, что содержание азота в композитном теле с металлической матрицей, образованном способом самопроизвольной пропитки, может намеренно изменяться. В зависимости от комбинации основного металла, наполнительного материала, пропитывающей атмосферы и усилителя пропитки или исходного компонента усилителя пропитки, а также условий данной обработки содержание азота в сформованном теле композита с металлической матрицей может подгоняться (адаптироваться) в соответствии с требованием.

В табл. 6 содержатся сводные данные используемых экспериментальных условий для образования композитных тел с металлической матрицей в этом примере, включая основные металлы, наполнительные материалы, условия температуры и времени обработки и содержание азота в каждом композитном теле с металлической матрицей, которое формуется.

Образцы A-BB.

Эти образцы были получены способом, который по существу применялся для получения образца F в примере 5, как показано в схематичном разрезе на фиг. 10.

Образец BC.

Этот образец был получен тем же по существу способом, как образец B в примере 5 и как показано схематично в разрезе на фиг. 6.

Образец BD.

Этот образец был получен тем же способом, что и образец K в примере 6 и как показано на фиг.13 в поперечном разрезе из исключением того, что внутренняя часть стальной формы была покрыта путем распыления графитным материалом (Дайлон марки AE, фирмы "Дайлон индастриз инк.", Береа ОХ) и обжигалась при 260^oC в течение 1 ч вместо футеровки стальной формы коробкой из графитовой фольги.

Образец BE.

Этот образец является контрольным образцом, который использовался для определения содержания азота в алюминиевом сплаве, который не содержал наполнительного материала. Внутренняя полость стальной формы, которая была по существу аналогична используемой в случае образца BD, была покрыта графитовым материалом (Дайлн марки AE, фирмы "Дайлн индастриз инк."). Алюминиевый сплав 520,0 помещался в стальную форму и реакционная система нагревалась, как показано в табл. 6.

После того, как вышеназванные образцы были охлаждены до комнатной температуры, определялось содержание азота в композитных телах. Содержание азота в композитах с металлической матрицей измерялось с использованием метода AS TM E 1019-87A "Определение углерода, серы, азота, кислорода и водорода в сталях и в сплавах железа, никеля и кобальта". В этом методе используется теплопроводность инертного газа на стадии плавления для измерения содержания азота. ООбразец помещался в небольшой графитный тигель и плавился либо с медью, либо с никелем в проточной гелиевой атмосфере минимум при 1900^oC. Присутствующий в образце азот высвобождается как молекулярный азот и отделялся от других молекулярных элементов, например водорода и окиси углерода, и измерялась теплопроводность газовой смеси азот-гелий. Этот тест проводился на промышленном анализаторе кислорода-азота ТС436, предназначенном для автоматических операций и калиброванном в стандартных единицах известных азотных содержаний (см. Справочный материал по стандартам NIST 73C с содержанием N₂0,037 и AlN с содержанием N₂32,6).

Пример 11.

Пример показывает, что износостойкость сформованного композитного тела с металлической матрицей может направленно изменяться в зависимости от используемого наполнительного материала глинозема. Разные глиноземные наполнители использовались в комбинации с основным металлом, пропитывающей атмосферой усилителем пропитки и исходным компонентом усилителя пропитки или исходным компонентом усилителя пропитки для получения композитных тел с металлической матрицей в данном примере способом самопроизвольной пропитки.

В табл. 7 приведены сводные данные об основном металле, наполнительном материале, условиях обработки и степенях износа композитных тел с металлической матрицей, образованных в этом примере, а также степень износа необработанного металла (образец BL).

Образцы A, BF, Bg.

Эти образцы были получены по существу таким же способом, как образец A в примере 5 и как показано на фиг. 5.

Образцы BH BK, B.

Эти образцы были получены по существу таким же способом, как образец B в примере 5 и как показано на фиг. 6.

Образец BL.

Этот образец является сравнительным контрольным образцом, в котором алюминиевый сплав 520,0 повергался испытанию на износ, как описано ниже.

Операция испытания на износ образцов, приведенных выше, проводилась с помощью Теста абразивного движения, который является модификацией A S TM 075-82 "Абразивный шлам по номеру теста Миллера", содержащегося в стандартах A S TM, том 3.02.

Этот модифицированный тест определяет степень износа испытываемых материалов, подвергнутых воздействию стандартного шлама. Этот тип испытания на истирание с помощью подвижного шлама является распространенным у изготовителей шламовых насосов и используется для оценки предлагаемых материалов для использования в шламовых насосах.

a) Испытательное устройство.

Испытательное устройство включает в себя четыре механических штока с блоками испытания износа на каждом штоке. Механические штоки имеют возможность свободного шарнирного вращения относительной подвижной поперечины, соединений с коленчатым валом, который вращается со скоростью 48 обор./мин посредством соответствующего соединительного стержня и двигателя. Этот механизм обеспечивает горизонтальное возвратно-поступательное гармоничное движение со штоками испытания износа с длиной хода примерно 8" (203 мм). Каждый механический шток получает нагрузку весом 5 фунтов (2,3 кг) непосредственно над блоком испытания износа. Предусмотрен кулачок для мгновенного подъема каждого механического штока и тем самым блока испытания износа от резиновой кромки в конце цикла. Пластиковые лотки длиной 15"" (381 мм), шириной 3"" (76 мм) и высотой 2"" (51 мм) используются для содержания абразивного шлама и каждый механический шток имеет отдельный лоток. Накладка из неопреновой резины толщиной примерно 0,125"" (3,2 мм) устанавливается на дно лотка. Сформированный эластомер используется для удерживания резиновой накладки на месте на дне лотка и образования U-образного желоба вдоль длины передвижения блока испытания износа. Наклон 45^o в конце цикла кулачка генерирует толчок или противоток шлама под поднятым блоком испытания износа. Держатели блока испытания износа длиной 2"" (51 мм), шириной 2"" (51 мм) и толщиной 0,5"" (13 мм) были изготовлены из пластика с прорезью для приема блока испытания износа и прорезью для крепления блока испытания износа с помощью зажимного винта через держатель. Держатель блока испытания износа соединен с механическим штоком таким образом, что дает возможность регулировки блока испытания износа вертикально и устанавливать параллелизм с резиновой накладкой. Испытательное устройство может работать по существу автоматически бесконечное время.

B) Условия испытания.

Возможные изменения диапазона в испытательных условиях следующие:

I. Тип частиц: любой (кремнезем, алюминий и т. д.).

II. Размер частиц: 500 5000 мкм (лм).

III. Концентрация частиц: 0 100 вес. твердого вещества.

VI. Объем шлама: 0 200 мл.

V. Температура шлама: 30^oC (комнатная температура).

VI. pH шлама: 1 14 (с модификацией).

VII. Нагрузка блока испытания износа: 0 5 фунтов (0 2,3 кг).

VIII. Время: бесконечно, типично 4 ч.

c) Испытываемый образец.

Блоки испытания износа были секционированы от материала основы с помощью алмазной циркулярной пилы и точно шлифовались на шлифовальном устройстве шлифования поверхности до окончательного размера: длина 1"" (25 мм), ширина 0,5"" (13 мм) и толщина 0,2"" (5 мм) до 0,4 (9 мм)

d) Методика проведения испытания.

Блоки испытания износа очищались ультразвуковом в метаноле в течение 15 мин, сушились в вакуумной печи, нагретой до 150^oC не менее 15 мин, доводились до комнатной температуры в сушилке в течение 15 мин и затем взвешивались с точностью до 0,1 мг. Блоки испытания износа затем устанавливались на держателях блоков испытания износа и проверялись в отношении правильного вертикального и горизонтального выравнивания.

Соответствующее количество абразивных частиц и воды взвешивалось с точностью до 0,1 г, смешивалось и затем опускалось на место, опуская тем самым блоки для испытания износа в абразивный шлам, а начиналось возвратно-поступательное движение путем включения электрического двигателя.

Блоки испытания износа приводились в возвратно-поступательное движение в абразивном шламе с заданной частотой в течение заданного периода времени (типично 4 ч). После заданного периода времени механические штоки поднимались и блоки испытания износа изымались. Блоки испытания износа чистились, сушились и взвешивались снова точно так же, как это делалось перед началом испытания. Потеря веса и плотность блока испытания износа использовались для вычисления потерь объема и в конечном счете степени износа (см³/ч). Температура и pH шлама измерялись в начале и в конце испытания. Результаты приведены в табл. 7.

Пример 12.

Этот пример показывает, что износостойкость сформированного композитного тела с металлической матрицей может намеренно изменяться в зависимости от используемого наполнительного материала карбида кремния. Разные наполнители карбида кремния использовались в комбинации с основным металлом, пропитывающей атмосферой и усилителем пропитки или исходным компонентом усилителя пропитки для образования композитных тел с металлической матрицей в данных примерах способом самопроизвольной пропитки.

В таб. 8 содержатся сводные данные об основном металле, наполнительном материале, условиях обработки и степени износа композитных тел с металлической матрицей, образованных в примере 12, а также степень износа необработанного металла (образец BS).

Образцы BM, BN.

Эти образцы были получены таким же по существу тем же способом, что и образец A в примере 5 и как показано на фиг. 5.

Образцы BO BQ.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец B в примере 5 и как показано на фиг. 6.

Образец BR.

Этот образец был получен по существу тем же способом, что и образец K в примере 6 и как показано на фиг. 13.

Пример 13.

Этот пример показывает, что механические свойства сформированного композитного тела с металлической матрицей может намеренно изменяться в зависимости от размера используемого наполнительного материала.

В табл. 9 содержатся сводные данные об основном металле, наполнительном материале, условиях обработки, и механических свойствах композитных тел с металлической матрицей в этом примере, образованных способом самопроизвольной пропитки.

Образцы BT, BU, Q, BV.

Эти образцы получены по существу тем же способом, что и образец C в примере 5, с помощью системы, как показано на фиг. 7 в поперечном сечении, за исключением, что порошковый магний не использовался на дне коробки из графитовой фольги перед введением наполнительного материала.

Пример 14.

Этот пример показывает, что коэффициент теплового расширения композитного тела с металлической матрицей, образованного способом самопроизвольной пропитки и которое содержит в качестве наполнительного материала карбид кремния, может намеренно изменяться в зависимости от размера (-ов) частиц наполнительного материала.

В табл. 10 приведены данные об основном металле, наполнительном материале, условиях обработки и коэффициенте теплового расширения в отношении образцов, полученных в этом примере.

Образцы BYY-CS.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец N в примере 6 и как показано на фиг. 7. В табл. 10 приведены реакционные компоненты и условия обработки в отношении каждого образца. В образце CF вместо использования коробки с графитовой фольгой в графитовой лодочке, графитовое покрытие (DAg 154, фирмы "Ачесон коллоид") было нанесено на внутреннюю полость графитовой лодочки. Наполнительный материал был затем помещен в графитовую лодочку по существу таким же образом, как схематично показано на фиг. 14.

Механические свойства были определены с помощью методики механических испытаний, описанной выше.

Пример 15.

Этот пример показывает, что армированные волокнами композитные тела с металлической матрицей могут быть образованы способом самопроизвольной пропитки.

В табл. 11 приведены комбинации основного металла, наполнительного материала и условия реакции, использованные для образования композитных тел с металлической матрицей перечисленных образцов. В табл. 11 также приведен способ охлаждения каждого композитного тела и последующей тепловой обработки, если таковая применяется.

Образцы CТ-CY.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец G в примере 5 и как показано на фиг. 11.

Образцы CZ-DA.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец С в примере 5 и как показано на фиг. 7, за исключением того, что: 1) порошковый магний не использовался, 2) контейнер был выполнен из нержавеющей стали, а не из графита, 3) слой керамических волокон опоясывал контейнер во время нагревания.

Образцы DB-DD.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец G в примере 5 и как показано на фиг. 11, за исключением того, что стальная пластина была помещена под коробкой из графитовой фольги и графитовый лист с отверстием в центре диаметром 2"" (51 мм) был установлен между наполнительным материалом и основным металлом.

Образцы DE-Dg.

Эти образцы были получены по существу тем же способом, что и образец Н в примере 5 и как показано на фиг. 12, за исключением того, что слой карбида кремния размером 0,5"" (13 мм) был помещен на дно контейнера из нержавеющей стали, вместо коробки из графитовой фольги, проем в графитовой фольге между основным металлом и наполнительным материалом, составляющим зазор шириной около 1/2 дюйма (13 мм) и длиной 5"" (127 мм) с отверстием диаметром 2"" (51 мм) по центру зазора.

Образцы DH-DI.

Эти образцы были получены тем по существу тем же способом, что и образцы DE-Dg, за исключением того, что слой карбида кремния не применялся в системе.

Механические свойства композитных тел с металлической матрицей были определены путем механических испытаний, как описано выше, и приведены в табл. 11. Механические свойства этих композитных тел были измерены методом, по существу аналогичным стандарту Д-3552 AS TM.

Пример 16.

Этот пример показывает, что подпрессовки, имеющие высокую долю объема наполнительного материала, могут самопроизвольно пропитываться с образованием композитных тел с металлической матрицей.

На фиг. 16 схематично в поперечном сечении показан комплекс, использованный для получения композита с металлической матрицей в этом примере, как описано ниже. Стальная форма 250 была изготовлена с внутренней полостью длиной 6"" (152 мм), шириной 6"" (152 мм) и глубиной 6"" (152 мм). Нижняя поверхность стальной формы 250 была покрыта куском графитовой фольги 251 (Графойл фирмы "Юнион карбид") длиной 3"" (76 мм), шириной 3""(76 мм) и толщиной 0,015"" (0,38 мм). Подпрессовка 252 из карбида кремния (получена от "I Сверд R элемент инк."), имеющая наружный диаметр 1,75"" (45 мм) и внутренний диаметр 0,75"" (19 мм) и отрезанная длиной 3"" (76 мм), была завернута в кусок графитовой фольги 253 и помещена на графитовую фольгу 251 в стальной коробке 250. Глинозем 254 зернистостью 90 (38 Алундум фирмы "Нортон ко") был высыпан в пространство между подпрессовкой 252 из карбида кремния и стальной формой 250. Внутренняя полость подпрессовки из карбида кремния была по существу заполнена графитовым порошком 255 (KS 44 фирмы "Лонца инк."). Коробка 256 из графитовой фольги длиной 5,75"" (146 мм), шириной 5,75"" (146 мм) и высотой 3"" (76 мм) была изготовлена по способу, описанному в образце С примера 5. Отверстие 257 диаметром 1,75"" (43 мм) и соответствующее наружному диаметру подпрессовки 252 из карбида кремния было вырезано в нижней части коробки 256 из графитовой фольги и коробка 256 из графитовой фольги была установлена вокруг верхней части подпрессовки 252 из карбида кремния в стальной форме 250. Порошковый магний 258 зернистостью 100 меш (от фирмы "Харт корпорейшн") был помещен на верхнюю часть подпрессовки 252 из карбида кремния, размещенной в коробке 256 из графитовой фольги. Основной металл 259, содержащий 2 вес. кремния, 6 вес. магния и баланс алюминий, был помещен в коробку 256 из графитовой фольги, содержащей в стальной форме 250.

Стальная форма 250 и ее содержимое были помещены в ретортную электропечь сопротивления. Окно реторты было закрыто и реторта была вакууминизирована по крайней мере до 762 мм рт. ст.

После достижения вакуума в ретортную камеру вводился азот с расходом 3 л/мин. Ретортная печь была нагрета до 800^oС во скоростью 200^oC/ч и поддерживалась в течение 10 ч при 800^oC с продувкой азотом при расходе 3 л/мин. Ретортная печь затем снижала свою температуру с 800 до 675^oC со скоростью 200^oC/ч. При 675^oC стальная форма и ее содержимое извлекались из реторты и помещались на графитовую пластину при комнатной температуре для направленного отверждения композита с металлической матрицей и остаточного основного металла. При комнатной температуре комплекс был демонтирован для определения того, что основной металл самопроизвольно пропитал подпрессовку.

Образованный композит с металлической матрицей был затем рассечен поперек, установлен, отполирован и подвергнут количественному изобразительному анализу.

Результаты количественного изобразительного анализа показали, что загрузка армированного карбида кремния композита составляла примерно 78 тем самым показывая, что композиты с металлической матрицей могут формоваться путем самопроизвольной пропитки подпрессовок при высокой объемной доли наполнительного материала.