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    关 键 词:
    制备 金属 基体 复合材料 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201580008539.4

    申请日:

    2015.02.12

    公开号:

    CN105992661A

    公开日:

    2016.10.05

    当前法律状态:

    公开

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):B22F 3/03申请日:20150212|||公开
    IPC分类号: B22F3/03; B22F3/17; B22F3/18; B22F3/20 主分类号: B22F3/03
    申请人: 赛瑞丹公司
    发明人: 艾蒂安·朗德里-德希; 吉纳维夫·贾森; 穆罕默德·祖拜尔·纳瓦兹
    地址: 美国加利福尼亚州
    优先权: 2014.02.13 US 61/939,357
    专利代理机构: 中原信达知识产权代理有限责任公司 11219 代理人: 王潜;郭国清
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201580008539.4

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2016.11.09|||2016.10.05

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供了一种用于制备金属基体复合材料的方法,所述方法包括:(a)形成金属盒,所述金属盒包括具有长度和宽度的底部成型板、具有长度和高度的第一对侧面成型板以及具有宽度和高度的第二对侧面成形板;(b)将金属粉末和陶瓷粉末混合以制备混合粉末;(c)用所述混合粉末填充所述金属盒;(d)在所述金属盒中将所述混合粉末压实以提供包括压实粉末预成型件的所述金属盒;(e)以与包括所述压实粉末预成型件的所述金属盒稳固邻接的方式将顶部成型板设置到所述金属盒上并且围绕其边缘密封以生成预轧制组件;以及(f)在所述预轧制组件上进行热加工以获得具有金属镀层的所述金属基体复合材料。

    权利要求书

    1.一种用于制备金属基体复合材料的方法,所述方法包括:
    (a)形成金属盒,所述金属盒包括:具有长度和宽度的底部成型
    板、具有长度和高度的第一对侧面成型板以及具有宽度和高度的第二
    对侧面成型板;
    (b)将金属粉末和陶瓷粉末混合以制备混合粉末;
    (c)用所述混合粉末填充所述金属盒;
    (d)在所述金属盒中将所述混合粉末压实以提供包括压实粉末预
    成型件的所述金属盒;
    (e)以与包括所述压实粉末预成型件的所述金属盒稳固邻接的方
    式将顶部成型板设置到所述金属盒上并且围绕其边缘密封以生成预轧
    制组件;以及
    (f)在所述预轧制组件上进行热加工以获得具有金属镀层的所述
    金属基体复合材料。
    2.根据权利要求1所述的方法,其中所述压实粉末预成型件具有
    至少0.65的密度比率。
    3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中使用下列中的至
    少一者来实施所述压实步骤:固体压实、冷等静压和单轴冷压。
    4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述金属盒的所
    述高度对所述宽度的比率为至少1:2.5。
    5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述金属盒选自
    铝、镁和不锈钢中的至少一者。
    6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述金属粉末选
    自铝、镁和不锈钢中的至少一者。
    7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述陶瓷粉末包
    括碳化硼。
    8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述底部成型
    板、顶部成型板、侧面成型板和端部成型板具有至少2mm的厚度。
    9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述预轧制组件
    的所述厚度通过轧制到其原始厚度的至少1/4而减小。
    10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中对所述预轧制
    组件在所述金属粉末的熔融温度的至少90%内进行加热。
    11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中对所述预轧制
    组件在所述热加工之前进行预加热。
    12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述热加工选
    自热轧制、热挤出和热锻造中的至少一者。

    说明书

    制备金属基体复合材料的方法

    技术领域

    本发明描述了用于制备金属基体复合物的方法。在一个实施方案
    中,金属基体复合物用作中子屏蔽材料。

    背景技术

    包括金属和陶瓷的金属基体复合(MMC)材料已经越来越多地在用
    于新燃料和废燃料的存储和运输的核工业中用作中子屏蔽材料。

    发明内容

    需要具有增大的最终密度和/或更高陶瓷含量的MMC制品,从而
    在至少一个实施方案中得到改善的性能。另外需要改善加工成本和/或
    降低制造成本。

    在一个方面,提供了用于制备金属基体复合材料的方法,该方法
    包括:

    (a)形成金属盒,该金属盒包括:具有长度和宽度的底部成型板、
    具有长度和高度的第一对侧面成型板以及具有宽度和高度的第二对侧
    面成型板;

    (b)将金属粉末和陶瓷粉末混合以制备混合粉末;

    (c)用混合粉末填充金属盒;

    (d)在金属盒中将混合粉末压实以提供包括压实粉末预成型件的
    金属盒;

    (e)以与包括压实粉末预成型件的金属盒稳固邻接的方式将顶部
    成型板设置到金属盒上并且围绕其边缘密封以生成预轧制组件;以及

    (f)在预轧制组件上进行热加工以获得具有金属镀层的金属基体
    复合材料。

    上述发明内容并非旨在描述每个实施方案。本发明的一个或多个
    实施方案的细节还在下面的说明书中给出。根据本说明书和权利要求
    书,其他特征、目标和优点将显而易见。

    附图说明

    在附图中:

    图1为预轧制组件10的透视图;

    图2为金属盒20的透视图,其示出了长度(l)、宽度(w)和高度(h);

    图3为压实组件30的侧视图;并且

    图4为在(A)0TSI、(B)3TSI、和(C)7TSI下压实的金属基体复
    合材料的显微图。

    具体实施方式

    如本文所用,术语

    “一个(一种)”和“所述”可互换使用并意指一个或多个;并

    “和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生,例如,
    A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

    另外,本文中由端点表述的范围包括该范围内所包含的所有数值
    (例如,1至10包括1.4、1.9、2.33、5.75、9.98等)。

    亦如文中所述,表述“至少一个”包括一及大于一的所有数字(例
    如,至少2、至少4、至少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至
    少100等)。

    近年来,已经开发出了铝复合材料,不仅是因其强度和低密度,
    而且因需要高杨氏模量、耐磨性、热耗散、耐腐蚀性、低热膨胀以及
    中子吸收能力的其他用途。一般来讲,可通过增加具有所需功能的陶
    瓷的量来增加每项功能,但仅仅增加量可导致可加工性、挤出能力、
    轧制能力、延展性和锻造能力大大降低。

    因此,已经设想出使陶瓷预成型、用铝熔体浸渍、随后将高浓度
    陶瓷均匀分散在基体相中的方法,但这带有由于熔体渗透不足和凝固
    过程中形成的收缩而出现的可能缺陷的缺点。另外,常常存在陶瓷在
    铝中的凝聚和分离。

    美国专利7,998,401(Okaniwa等人)公开了据说易于产生的增加
    MMC中的陶瓷含量的可供选择方法。Okaniwa等人公开了在金属薄片
    内对铝/陶瓷粉末混合物进行电压力烧结并且随后使该金属包覆材料经
    受塑性加工步骤。

    在本公开中,已发现通过压实包括金属粉末和陶瓷粉末的混合粉
    末,可实现高密度的粉末,同时将热成型期间的材料变形和铺展降到
    最低,从而得到例如具有增大的性能效率的材料。

    可通过参考图1来理解本公开。图1所示为预轧制组件10,该组
    件包括金属盒12、压实粉末预成型件15和顶部成型板18。随后轧制
    预轧制组件以形成被封入的金属基体复合物。

    金属盒

    金属盒包括5个金属侧面:底部成型板、第一对侧面成型板和第
    二对侧面成型板。金属盒可由五个单独的金属小片或更少个制成。例
    如,金属盒可通过2个金属小片成型:形成侧壁的单片以及底片。

    成型板由金属制成。只要金属在粘附力方面优于粉末材料并且适
    用于热轧制,所使用的金属就没有具体限制,此类金属包括:铝、镁
    和不锈钢。示例性金属包括例如纯铝(AA1100、AA1050、AA 1070等);
    铝合金材料,诸如Al—Cu合金(AA2017等)、Al—Mg合金(AA5052
    等)、Al—Mg—Si合金(AA6061等)、Al—Zn—Mg合金(AA7075
    等)和Al—Mn合金;镁合金材料,诸如Mg-Al-Zn-Mn(AZ31、AZ61
    等);以及不锈钢合金材料,诸如Fe-Cr(SAE 304、316、316L等)。

    金属盒主要用作容器以将压实粉末如所加工的那样保持。所选金
    属应当参考期望的特性、成本等等来确定。例如,当希望改善可加工
    性和热耗散能力时,纯铝为优选的。与铝合金相比较,纯铝在核应用
    的污染控制和原材料成本方面也是优选的。当希望改善强度或可加工
    性时,Al—Mg合金(AA5052等)为优选的。

    金属粉末

    将包括金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末容纳在金属盒内。通常,
    金属粉末为铝,然而可使用其他金属粉末,包括镁或不锈钢。金属粉
    末的示例性类型包括纯铝(具有至少99.0%纯度的铝粉末,例如
    AA1100、AA1050、AA1070等),或包含铝以及0.2质量%至2质量%
    的另一金属的铝合金。此类合金包括:Al—Cu合金(AA2017等)、
    Al—Mg合金(AA5052等)、Al—Mg—Si合金(AA6061等)、Al—Zn—Mg
    合金(AA7075等)和Al—Mn合金,其单独地存在或作为两者或更多
    者的混合物存在。

    要选择的金属粉末的组成可参考例如期望的特性、耐腐蚀性、污
    染控制、热加工中的变形阻力、混合的陶瓷颗粒的量以及原料成本来
    确定。例如,当希望增加可加工性或热耗散时,纯铝粉末(诸如AA1XXX
    铝系列,其中X为编号)为优选的。与铝合金粉末的情况相比较,纯
    铝粉末在原材料成本方面也是有利的。作为纯铝粉末,优选的是使用
    具有至少99.0质量%的纯度(可商购获得的纯铝粉末通常具有至少99.7
    重量%的纯度)的纯铝粉末。

    当希望获得中子吸收能力时,使用硼化合物作为要在下面描述的
    陶瓷颗粒,但当希望进一步增加所得中子吸收能力时,优选的是向铝
    粉末中添加1-50质量%的提供中子吸收能力的一种类型的元素,诸如
    饸(Hf)、钐(Sm)或钆(Gd)。另外,当需要高温强度时,可以添加选自钛
    (Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、铌(nb)、
    锆(Zr)和锶(Sr)的至少一种元素,并且当需要室温强度时,可以添加选
    自硅(Si)、铜(Cu)、镁(Mg)和锌(Zn)的至少一种元素,每种元素按2质
    量%或更小的比例,并且总计为15质量%或更小的质量%添加。

    虽然金属粉末的平均粒度没有具体限制,但一般来讲金属粉末应
    当为至多约500μm(微米)、150μm或甚至60μm或更小。虽然只要
    可生产,平均粒度的下限就没有具体限制,但一般来讲粉末应当为至
    少1μm、5μm、10μm或甚至20μm。出于本公开的目的,平均粒度是
    指通过激光衍射粒度分布所测量的D50值。金属粉末的形状也没有限
    制,并且可为泪滴状、球形、椭圆形、片状或不规则中的任何一者。

    在本公开的一个实施方案中,金属粉末具有单峰粒度分布。在本
    公开的另一个实施方案中,金属粉末具有多峰粒度分布(例如,双峰、
    三峰等)。在一个实施方案中,金属粉末具有双峰分布,其中第一模
    式(包括较小颗粒)与第二模式(包括较大颗粒)的平均粒度的比率
    为至少1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的宽度可为宽的或
    窄的。

    金属粉末的生产方法没有限制,并且可通过金属粉末生产的公共
    已知方法而产生。生产方法可为例如通过雾化、熔纺、旋转盘、旋转
    电极或其他快速冷却固化方法,但对于工业生产来说,雾化方法,特
    别是其中通过雾化熔体来产生粉末的惰性气体雾化方法为优选的。

    陶瓷粉末

    陶瓷粉末与金属粉末混合以最终形成金属基体复合物。示例性陶
    瓷粉末包括Al2O3、SiC或B4C、BN、氮化铝和氮化硅。这些可单独地
    或作为混合物使用,并且根据复合材料的预期用途来选择。

    要选择的陶瓷粉末的组成可参考例如期望的特性、所使用的陶瓷
    颗粒的量以及成本来确定。当希望获得中子吸收能力时,通常将硼化
    合物用于陶瓷颗粒。

    硼(B)具有吸收中子的能力,因此如果使用含硼陶瓷颗粒,则本公
    开的MMC可用作中子吸收材料。在那种情况下,含硼陶瓷可为例如
    B4C、TiB2、B2O3、BN FeB或FeB2,其单独地或作为混合物使用。具
    体地,优选的是使用碳化硼B4C,其包含大量10B,它是良好吸收中子
    的B的同位素。

    陶瓷粉末的生产方法没有限制,并且可通过陶瓷粉末生产的公共
    已知方法而产生。在陶瓷的合成之后,可使用修整工艺(诸如喷射研
    磨或球磨)调节粒度。导致椭圆体形状颗?;蚯蛐涡巫纯帕5男拚?br />艺是优选的。

    虽然陶瓷颗粒的平均粒度没有具体限制,但一般来讲陶瓷粉末应
    当为至多约60μm、40μm或甚至20μm并且至少1μm、3μm或甚至5μm。
    如果平均粒度大于60μm,则粗颗粒使金属基体复合物变得易碎,从而
    影响机械性能。如果平均粒度小于1μm,则这些细粉可聚集在一起,
    使得难以实现与金属粉末的均匀混合物。出于本发明的目的,平均粒
    度是指通过激光衍射粒度分布测量所测量的D50值。粉末的形状也没有
    限制,并且可为球形、椭圆形、片状或不规则中的任何一者。

    在本公开的一个实施方案中,陶瓷粉末具有单峰粒度分布。在本
    公开的另一个实施方案中,陶瓷粉末具有多峰粒度分布(例如,双峰、
    三峰等)。在一个实施方案中,陶瓷粉末具有双峰分布,其中第一模
    式(包括较小颗粒)与第二模式(包括较大颗粒)的平均粒度为至少
    1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的宽度可为宽的或窄的。

    制备方法

    用于产生根据本公开的金属基体复合材料的方法包括(a)形成金属
    盒;(b)将金属粉末和陶瓷粉末混合并且将其置于金属盒中;(c)压实金
    属盒内的混合粉末;(d)将顶部成型板置于金属盒的顶部并且将盒密封
    以形成预轧制组件;以及(e)对预轧制组件热加工。

    制备盒

    金属盒可由多个板成型构件形成,或可为单片。在一个实施方案
    中,金属盒由通过以下过程获得的单片金属制成:(i)切割出金属板材
    料的中心部分,或(ii)切割成适当长度的中空挤出材料,并且随后使底
    板成型至单片金属,从而形成盒。

    图2所示为金属盒20的示意图,该金属盒包括底部成型板21、
    彼此相对的第一对侧面成型板23a和23b以及彼此也相对的第二对侧
    面成型板25a和25b。底板具有第一厚度、长度和宽度。第一对侧面成
    型板具有第二厚度、长度和宽度。第二对侧面成型板具有第三厚度、
    宽度和高度。

    金属成型板可密封在一起以形成金属盒。金属盒的密封可为连续
    或不连续的,前提是只要盒保持在一起,使得即使当组件经受热轧制
    时其也能包含下文所述的混合粉末。通常,此类密封材料包括:金属
    (例如,金属惰性气体焊接,诸如钨惰性气体焊接;或摩擦搅拌焊接)。
    在一个实施方案中,平滑焊接接合设置在小片的边缘之间。焊接可通
    过连续、利落、均匀的流动而形成。在一个实施方案中,不允许焊接
    中有任何空隙,因为这将意味着盒或铸块中的结构薄弱并且致使其在
    后续轧制期间断开。

    金属盒具有如图2所示的长度(l)、宽度(w)和高度(h)。金属盒的长
    度和宽度均大于高度。应当理解,可采用不同尺寸的盒并且后续操作
    可产生不同厚度的成品。

    通常,盒的长度没有具体限制,因为热加工步骤沿长度轴线进行。
    通常,盒的宽度受到所用机械长度(例如,辊,挤出机的尺寸)的限
    制,其用于在热加工步骤中使制品变平。在一个实施方案中,盒的长
    度和宽度不同。在一个实施方案中,盒的长度和宽度相同。示例性长
    度包括:至少10cm(厘米)、15cm、25cm或甚至50cm;并且不超过
    1m(米)、2m、5m或甚至10m。示例性宽度包括:至少5cm、10cm、
    15cm、25cm或甚至50cm;以及至多50cm、100cm或甚至200cm。

    金属盒的高度通常受热加工机械(例如,辊)的尺寸的限制。示
    例性高度包括:至多600mm(毫米)、400mm、200mm、80mm或甚
    至50mm;并且至少10mm、20mm或甚至30mm。

    在一个实施方案中,金属盒的高度小于金属盒的长度和宽度。由
    于在混合粉末和金属盒侧面之间产生的摩擦,在进行冷压实时这是特
    别优选的。在一个实施方案中,金属盒的高度对宽度的比率为至少1:2、
    1:2.5或甚至1:5;并且不超过1:100或甚至1:200。

    每块板将具有厚度,通常小于1英寸(2.5cm)。板应当足够厚以经
    受热加工的压实和应力,但足够薄以将包覆厚度降到最低,并且降低
    所得成品的成本、重量和堆积体积。在一个实施方案中,顶部成型板
    和底部成型板为相同厚度。在一个实施方案中,顶部成型板和底部成
    型板为不同厚度。在一个实施方案中,底部成型板和相对的顶部成型
    板比各对侧面成型板薄。在一个实施方案中,底板和相对顶板与各对
    侧面成型板相同或底板和相对顶板比各对侧面成型板更厚。板中每一
    者的示例性厚度包括至少1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、12mm或
    甚至20mm;并且不大于50mm、100mm、125mm或甚至200mm。

    混合

    金属粉末和陶瓷粉末均匀地混合。在一个实施方案中,混合粉末
    包含至少0.1质量%、0.5质量%、1质量%、5质量%、10质量%、20
    质量%或甚至30质量%以及最多40质量%、50质量%、55质量%或甚
    至60质量%的陶瓷粉末。就中子屏蔽而言,由于活性材料为碳化硼,
    因此存在的碳化硼越多,越好。然而,当陶瓷粉末的含量增加时,热
    加工的变形阻力增加,可加工性变得更难,并且形成的制品变得更易
    碎。另外,金属颗粒和陶瓷颗粒之间的粘附力变差,并且可出现间隙,
    从而使得不可获得期望功能并且无法减小所得MMC的密度、强度和热
    导率。此外,当陶瓷含量增加时切割能力也降低。

    金属粉末可为单独的一个类型,或可为多个类型的混合,并且陶
    瓷颗粒同样可由单独的一个类型或多个类型组成,诸如通过在B4C和
    Al2O3中混合。同样,粉末可包括单峰或多峰(例如,双峰)粒度分布。

    通常,将选择金属粉末和陶瓷粉末的平均粒度以用于最终材料中
    的均匀度,以及最大加工容易度(例如,增加可压缩性)。例如,如
    果金属和陶瓷粉末具有类似密度,则优选的是将金属粉末粒度分布与
    陶瓷粒度匹配。这将允许陶瓷粉末颗粒更均匀地分布在所得MMC中,
    从而具有性能稳定作用。如果平均粒度变得太大,则变得难以实现与
    陶瓷颗粒的均匀混合物,所述陶瓷颗粒的平均粒度由于易于断裂而不
    可太大,并且如果平均粒度变得太小,则细金属粉末可聚集在一起,
    从而使得极其难以获得与陶瓷粉末的均匀混合物。

    粉末材料完全混合以确?;旧暇缘木榷?。为此,优选的是
    将所需量的粉末材料置于动力混合器中并且搅拌,直至已产生一种材
    料在另一材料整个范围内的均匀分布??墒褂美缁旌掀髦钊绱砹鱒
    共混机、V共混机或交叉旋转式混合器、或者振动磨或行星磨,在指
    定的时间(例如,5分钟至10小时)内使用本领域已知的混合方法。
    另外,可添加介质诸如氧化铝球等以用于在混合期间压扁的目的。此
    外,混合可在干燥或润湿条件下进行。例如,为了易于压实或防尘控
    制,可使用某种材料诸如水、油、溶剂、溶媒或者其他有机或无机化
    合物。

    压实

    随后将完全混合的粉末,其为具有第一密度的松散混合粉末,置
    于金属盒中并且使用压力压实以生成具有第二密度的混合粉末。在压
    实之后,压实粉末预成型件具有至少0.65、0.68、0.70、0.73、0.75、
    0.78或甚至0.80、并且不大于1.00的密度比率(或相对密度)。如本
    文所用,密度比率是指混合粉末的实际密度与完全不含孔隙度(即,
    呈现完全致密的材料)的相同材料的密度相比较。

    将金属盒置于模具内并且用混合粉末完全填充金属盒。为了确保
    粉末材料沉淀以及消除任何大量的空气混入,可用棒或锤敲打盒的侧
    面,或可使填充的容器剧烈振动以实现相同目的。使用计算量的混合
    粉末,使得在压实之后,理想地,压实混合粉末与金属盒的顶表面齐
    平。因为盒初始填充过量,在一个实施方案中,将立管架(或套筒)
    置于金属盒上方,该金属盒位于模具内,以容纳具有第一密度的额外
    混合粉末。参见图3。在金属盒内压实混合粉末。如本文所用,压实是
    指使用压力(或力)来压实粉末,这增加材料的密度,同时允许粉末
    保持为固态?;痪浠敖?,压实不仅重新布置金属盒内的颗粒以将其更
    紧密地堆积,而且还使颗粒变形,从而实现更紧密地堆积??帕=裘?br />地堆积,从而阻止其在进一步处理和加工之后位移。然而,在压实步
    骤期间未发生金属粉末的大量熔融??墒褂萌魏窝故捣椒?即,施加
    压力或力),包括例如固体压实、冷等静压(CIP)或单轴冷压。在一个
    实施方案中,可将冲压机插入模具中以压实混合粉末。

    虽然不想受到理论的限制,但据信压实不仅使材料致密化,而且
    使颗?!肮潭ā?,防止其在后续处理和加工期间移动或流动,从而得
    到均匀的金属基体复合物。因此,在一个实施方案中,压力(或力)
    应当足够大以固定混合粉末,从而防止颗粒在处理和/或加工时沉淀或
    移动。通常,在施加更多压力时材料可变得更致密。在一些应用中,
    在压实的压力下陶瓷颗??杀谎贡?,这可减弱MMC的所得性能。根据
    所使用的粉末的特性,所施加的典型压力为至少1TSI(吨/每平方英寸)、
    3TSI、5TSI、7TSI或甚至9TSI。在一些实施方案中,根据所使用的粉
    末的特性,所施加的压力不超过10TSI、15TSI或甚至20TSI。

    在一个实施方案中,振动与压实一起使用。在一个实施方案中,
    混合粉末不经受烧结。

    图3所示为压实组件30的侧视图,其示出了金属盒31、混合粉
    末32、模具底板33和模具框架35。套筒34用作过量填充的混合粉末
    的立管,所述混合粉末用顶部冲压机36压实。

    混合粉末的压实将给定部分中的活性材料的量最大化,从而改善
    所得材料的功能性。粉末的压实也可在热加工之前将粉末固定,从而
    在热加工步骤期间迫使压实并且限制变形。

    包括压实混合粉末的填充金属盒随后由顶部成型板闭合,所述顶
    部成型板被切割成所需尺寸。顶部成型板与和底部成型板相对的金属
    盒稳固邻接。顶部成型板可为如针对金属盒所述的相同材料。以与上
    文所述密封金属盒的底部构件和侧面构件类似的方式将顶部成型板密
    封到适当位置,以形成预轧制组件。

    在一个实施方案中,在侧面提供通往预轧制组件的小开口以用于
    排气。例如,钻出三个1/4英寸(6mm)孔并且随后通过插入1/4英寸(6mm)
    铝铆钉将孔暂时闭合。这些铆钉作为塞操作并且将材料保持在预轧制
    组件中直至对其进行轧制。当对预轧制组件进行轧制时,从钻孔中去
    除塞以允许任何夹带的空气逸出。

    热加工

    预轧制组件经受热加工诸如热轧制、热挤出或热锻造,从而进一
    步改善粉末混合密度,同时实现所需形状。当制备板形包覆材料时,
    可以获得与金属板材料具有指定包覆比率的包覆板材料。热加工可由
    单个过程组成,或可为多个过程的组合。另外,可在热加工之后进行
    冷加工。就冷加工而言,材料可通过在加工之前在100-530℃(优选地
    400-520℃)下退火而变得更易于加工。

    就热轧制而言,通常首先对预轧制组件进行预热以在热加工(例
    如,热轧制)步骤之前使金属发生软化。所使用的温度可根据混合粉
    末的组成和金属盒而变化。例如,当混合粉末包括超过22重量%的陶
    瓷粉末时,预热应当为使得所使用的温度应当为金属粉末熔融温度的
    至少90%、92%、94%或甚至96%,但不大于金属盒熔点。在一个实施
    方案中,对铝(AA1XXX系列)的预轧制组件进行加热以降低材料的
    阻力,此类温度包括:至少400℃、450℃或甚至500℃;以及至多600
    ℃、620℃或甚至630℃。

    在一个实施方案中,制成的预轧制组件被堆叠装载于浸泡加热炉
    中并且优选地在预轧制组件之间设置1英寸垫片以允许从所有侧面均
    匀加热。例如,当使用铝时,加热炉温度保持在400℃,或优选地500
    ℃或甚至高达600℃,但不高于700℃,并且进行加热,直至将预轧制
    组件加热至所需热加工温度。

    由于预轧制组件由金属板材料包覆,因此表面将不具有任何陶瓷
    颗粒,所述陶瓷颗粒否则可能为热加工期间损坏的起源点,或者磨损
    模具、辊或材料所接触的任何其他设备。因此,可以获得具有良好可
    加工性、在强度和表面特性方面优良的金属基体复合材料。另外,已
    经受热加工的所得材料将具有用金属包覆的表面,其中在表面上的金
    属与内部的金属基体材料之间具有良好粘附力,从而具有优于表面未
    用金属材料包覆的铝复合材料的耐腐蚀性、抗冲击性和热导率。

    应当理解,热加工操作不仅减小陶瓷粉末和金属粉末的混合物的
    厚度,而且减小构成成品材料上的相对外覆盖件的板的厚度。整理包
    覆层与芯比率取决于压实粉末上的顶部金属板和底部金属板的起始厚
    度比率。MMC芯的相对侧上的金属护套在所实现的最终总厚度的5%
    至75%内变化。MMC芯当然由陶瓷粉末和金属粉末的分子粘结颗粒形
    成,并且永久性地分子粘结到外部护套的内表面。

    虽然精确尺寸可根据需要变化,但希望经由热加工步骤将预轧制
    组件的厚度减小至不超过其原始厚度的1/4至1/60,以及将轧制材料相
    对侧的金属护套减小至不薄于0.003英寸(0.07mm)的厚度。

    在一个实施方案中,在热加工步骤后,MMC材料变平。为此,其
    可在承重下热变平或可使用线圈组去除器、辊式矫直机或任何类似工
    艺变平。在一个实施方案中,烘箱中的热变平为优选的。为此,将MMC
    材料在重物下堆叠置于约400℃温度的烘箱中。如果在循环结束时不是
    所有材料均变平,则去除平坦的那些小片并且返回剩余部分以用于变
    平。在一些情况下,MMC材料在轧制之后将为平坦的并且将不经历变
    平处理。

    在一个实施方案中,具有金属镀层的MMC材料具有至少1mm、
    1.5mm、2mm、5mm、10m、15mm或甚至20mm,以及至多50mm、
    100mm或甚至200mm的厚度。

    可使用剪板机、水射流切割或任何其他金属切割工艺将MMC材
    料切割成所需尺寸以供使用。

    在一个实施方案中,从金属镀层中去除MMC。

    实施例

    以下实施例进一步说明了本公开的优点和实施方案,但是这些实
    施例中所提到的具体材料及其量以及其它条件和细节均不应被解释为
    对本发明的不当限制。除非另外指明,否则在这些实施例中,所有百
    分比、比例和比率按重量(wt)计。

    材料


    实施例

    金属盒(内尺寸为宽度6英寸(152mm)×长度10英寸(254mm)×
    高度2英寸(50.8mm))由焊接4个侧板和一个底板的金属惰性气体构
    造?;宀牧衔?5°倒角,3/8英寸(9.5mm)深以优化焊接电阻。焊接使用
    1/16英寸(1.6mm)AA1100焊丝进行。

    铝粉末包括30重量%精铝和70重量%粗铝。碳化硼粉末包括30
    重量%精细碳化硼和70重量%粗碳化硼。在氮气气氛下将64重量%的
    铝粉末与36重量%的碳化硼粉末在帕特森-凯利横流V型共混机
    (Patterson-Kelley crossflow V-blender)(纽约州水牛城的Buflovak有限
    公司(Buflovak LLC,Buffalo,NY))中共混10分钟。共混粉末包括19.2
    重量%精铝、44.8重量%粗铝、10.8重量%精细碳化硼和25.2重量%粗
    碳化硼。将预定量的混合粉末置于金属盒中。(无压制(0吨/平方英
    寸,TSI)下为7.30磅/盒,3TSI下为8.15磅/盒,以及7TSI下为8.80
    磅/盒。)注意:当进行压实时,松散混合粉末过量填充金属盒,因此
    围绕金属盒放置套筒以容纳松散粉末。如果说明,随后使用470T标称
    压实机(加利福尼亚州贝尔花园的加州Accudyne工程设备公司
    (Accudyne Engineering&Equipment Co.,Bell Gardens,CA))在给定压
    力下压实混合粉末。将金属盒置于7英寸×11英寸钢模中,6英寸×10
    英寸钢冲压机置于顶部。如果进行压实,则所施加的力为180吨(3TSI)
    或420吨(7TSI)。随后,如果使用则将套筒去除,并且将顶板置于盒的
    顶部,并且用AA1100填充焊丝进行MIG焊接以制备预轧制组件。将
    通气孔(4×1/4英寸直径孔)钻到金属盒的相对侧内。在对流加热炉中
    将预轧制组件加热16小时至600℃±5℃。随后使用二辊芬恩可逆式
    轧机(800吨分离力)对加热的预轧制组件进行轧制。以22%减小使预
    轧制组件通过13次,从而将厚度从2.5英寸(63.5mm)减小到0.100英
    寸(2.5mm)。在每次通过之间对30英寸直径钢棍施加轧制冷却剂。在
    第3次和第4次通过时完成两个横轧辊(横向轧制)。使所得制品冷
    却至室温。

    下表1中所示为所得MMC颗粒的结果。对于每个所施加的压力,
    如下所述制备和测量2个或3个样品,并且平均值报告于表1中。热
    轧制之前的密度比率通过以下过程计算:将所使用的混合粉末的重量
    除以金属盒的体积,然后除以呈现完全致密材料(其为2.63g/cm3)的
    混合粉末的理论密度。所测量的芯级分通过所得制品的显微图确定,
    方法是用MMC的面积除以制品的总面积并且乘以100来得到百分比。
    10B同位素面密度基于所使用的碳化硼的量对MMC的厚度来计算,其
    使用以下公式(改编自Turner&Thomas,Nuclear Technology,Vol.169
    (2010)(Turner和Thomas的《核技术》,第169卷,2010年)):

    10BAD=FB4C×ρcore×FB×F10B×Tmaterial×(1-Fclad)

    其中10BAD为10B同位素面密度;

    FB4C为所使用的碳化硼的量(0.36);

    ρcore为芯密度(2632mg/cm3);

    FB为碳化硼中的硼比例(0.7826);

    F10B为天然硼中的10B的级分(0.184);

    Tmaterial为材料的厚度(2.60cm);并且

    Fclad为包覆比例(所测量的芯级分)。

    表1


    *混合粉末在首次落入金属盒内时的密度比率为约0.45,然而,
    在处理之后,混合粉末在热加工步骤之前沉淀。

    所得材料的显微图示于图4中,其中(A)为未压实的金属基体复合
    材料复合物(0TSI),(B)为在3TSI下压实的金属基体复合材料,并且(C)
    为在7TSI下压实的金属基体材料。在显微图中,碳化硼(陶瓷)颗粒
    为暗灰色,而金属(铝)为白色。需注意,在图4A中,观察到狭窄弯
    曲的水平取向暗图案,所述图案被认为是流型,其归因于热轧制期间
    松散粉末的粉末移动。另外需注意,在图4C中,碳化硼颗粒中的一些
    聚集在一起和/或破碎。

    在不脱离本发明的范围和实质的前提下,本发明的可预知修改和
    更改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。本发明不应受限于
    本申请中为了示例性目的所示出的实施方案。

    关于本文
    本文标题:制备金属基体复合材料的方法.pdf
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