[发明专利]金属基复合材料的制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及含铝合金等基体的金属基复合材料的制备方法，特别是通过无压浸入制备金属基复合材料的方法。

现有技术

金属基复合材料是由基体金属和各种强化填料结合起来组成的，所述的基体金属具有诸如强度、延展性、韧性等基本性质。多数情况下，因为它们包含诸如长短陶瓷纤维、陶瓷颗粒等强化填料，同时具有基体金属本身的成型性和导热性以及强化填料的刚性、耐磨性、低热膨胀系数等，所以它们广泛地用于各种应用中，如用作重量日益减轻的运输车辆的部件和需要低热膨胀系数电子元件的线路板等。

在金属基复合材料中，有多种分散强化的复合材料，这些复合材料具有陶瓷等强化填料，该填料分散于如铝、镁等合金基体中。特别是铝合金更广泛地用作复合材料的基体，这是因为它们的重量轻和成本低。

包含如铝合金、镁合金等轻质合金基体的分散强化复合材料，不仅因为轻质合金而重量轻，而且具有多种提高了的性能，如强度、刚性、耐磨性、热膨胀系数、密度、高温强度等，这是因为它们含有强化填料。其性能提高得如何，很大程度上取决于合金组分与强化填料的比例、强化填料的形状和尺寸以及制备分散强化复合材料的方法。

按照惯例，现已存在多种制备包含轻质合金基体的复合材料的方法，而且这些制备方法主要分为粉末冶金法、熔体搅拌法和熔体渗透法。

粉末冶金法包括使粉末状的基体金属与长短纤维、颗粒等强化填料混合，同时将所得到的混合物在室温下模铸成型，然后烧结或热处理所得到的料坯，以制备复合材料。由于粉末冶金法通常包括压模，所以它不适于形状复杂的产品，因而不可避免地指向形状相对简单的产品。此外，由于压模是在高温高压下进行的，因此其缺点是特大型产品的成本高。

熔体搅拌法包括向熔融金属加入强化填料，长时间高速搅拌所得到的混合物以将强化填料分散于基体金属熔体中，由此制备复合材料。尽管该方法可以以较低的成本制备大量的复合材料锭坯，但是提供部分复合的材料是极其困难的。

熔体渗透法包括将熔融金属渗透到强化填料之间的空间，由此制备复合材料。该方法可以制备最终形状复杂的复合材料。但是，譬如将铝合金渗透到SiC颗粒之间的空间，该SiC颗粒必须对铝合金具有良好的润湿性。“良好的润湿性”是液体对固体具有小接触角的特征，这意味着该液体容易在固体表面扩展。但是，由于SiC颗粒对铝合金的可润湿性较差，所以铝合金渗透到SiC颗粒之间的空隙中不能在大气压下自然地发生。也就是说，SiC颗粒受到铝合金熔体的排斥，不能得到均质的复合材料。

熔体渗透法包括加压熔体渗透法和无压熔体渗透法，在加压熔体渗透法中，基体金属熔体在高压下渗透到陶瓷等强化填料的多孔料坯中制得复合材料；在无压熔体渗透法中，基体金属熔体无须压力即可渗透到强化填料的间隙中制得复合材料。

在加压熔体渗透法中，由于铝等轻质合金的熔体是在高压下渗透到强化填料的料坯中，因此可以得到部分复合的材料。例如，日本专利公开6-38968提出一种制备金属-强化填料复合材料的方法，该方法包括将第一金属(如NiO粉末)氧化物碎片与强化填料(如碳化硅晶须)的混合物压模，以形成多孔体，使形成氧化物趋势比第一金属大的第二金属(基体金属)的熔体如铝熔体在压力下渗透到所述的多孔体中。但是，该方法的缺点在于：由于第一金属氧化物碎片与强化填料的均匀混合物通过压模形成多孔体，并通过高压铸造设备使基体金属熔体渗透到多孔体中，所以其缺点是高生产成本。因此，该方法不能在没有压力的情况下制备复合材料，所述的铸造法也限于高压铸造法或离心铸造法。

作为无压熔体渗透法的实例，日本专利2801302公开了称做PRIMAX^TM的方法，在该方法中，铝等基体金属无须压力即可渗透到强化填料中，得到金属-强化填料复合材料。具体地，该方法包括将镁粉等渗透加速剂与碳化硅等强化填料的混合物或其预成型体置于非反应容器中；将基体金属邻近于该混合物或其预成型体放置；将二者置于炉子中；在该炉子中充满氮气氛；保持炉子温度为约675-1200℃，熔融的基体金属自然地渗透到强化填料中，由此制得金属-强化填料复合材料。据认为，渗透加速剂的作用是与氮气反应改善强化填料表面的润湿性，由此加快熔融的基体金属向强化填料中自然地渗透。