Способ получения композиционного материала с металлической матрицей

Способ получения композиционного материала с металлической матрицей

Реферат

 

Сущность изобретения: композиционный материал с алюминиевой матрицей образуют посредством формования проницаемой массы керамического наполнителя с определенной границей поверхности, имеющей барьер, и контактирования жидкого сплава алюминия и магния с проницаемой массой керамического наполнителя в присутствии газа, содержащего примерно от 10 до 100% азота от объема, остальное безокислительный газ, например водород или аргон. В этих условиях расплавленный сплав самопроизвольно пропитывает керамическую массу при нормальном атмосферном давлении до достижения преграды. Твердое тело из сплава можно поместить смежно с проницаемым слоем керамического наполнителя, имеющего барьер, и довести до жидкого состояния предпочтительно до температуры, по крайней мере, примерно 700°С для образования композита сетчатой структуры с алюминиевой матрицей посредством пропитки. Помимо магния можно применять с алюминием вспомогательные легирующие элементы. Полученные изделия из композитного материала могут содержать несплошную фазу нитрида алюминия в алюминиевой матрице. 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение касается способов получения формованных композитных материалов с металлической матрицей. В частности, изобретение относится к способам получения формованных композитов с металлической матрицей посредством самопроизвольной пропитки проницаемой массы керамического материала наполнителя расплавленным сплавом алюминия, пока последний не будет контактировать с барьерным средством, для определения поверхности, периметра, границ или т.п. и получения сетчатых форм.

Изделия из композитных материалов, содержащих металлическую матрицу и упрочненную фазу, например керамические частицы, усы, волокна или т.п., могут иметь различные применения, поскольку они объединяют в себе прочность и твердость упрочняющей фазы с пластичностью и вязкостью металлической матрицы. Вообще композит с металлической матрицей будет показывать улучшение таких свойств, как, например, прочность, жесткость, износостойкость при контакте, причем прочность сохраняется при высоких температурах в сравнении с материалом матрицы, однако степень, до которой может быть улучшено данное свойство, зависит главным образом от специальных компонентов или объемной, или весовой доли и в зависимости от того, как они поддаются обработке во время формования композитного материала. В некоторых случаях композит может быть легким по массе. Композитные материалы, содержащие алюминиевую матрицу и усиленные керамикой, например, карбидом кремния в порошковой форме, в виде пластинок или, например, усов, представляют собой интерес благодаря высокой прочности, износостойкости и прочности при высоких температурах в сравнении с алюминием.

Известны различные металлургические способы изготовления композитов с алюминиевой матрицей, начиная от способов, основанных на технологии порошковой металлургии, до способов, включающих пропитку жидким металлом, например литье под давлением и применение вакуума и смачивающих агентов для пропитки металлом керамической массы.

Известен способ получения композитного материала с керамической матрицей путем самопроизвольной пропитки проницаемой массы керамического материала наполнителя жидким металлом, по которому композитный материал с металлической матрицей получают путем пропитки проницаемой массы керамического материала наполнителя или наполнителя, покрытого керамикой, жидким алюминием, содержащим, по крайней мере, примерно 1 мас.% магния, предпочтительно, примерно 3 мас.%. Пропитка достигается самопроизвольно без необходимости приложения наружного давления или высокого вакуума. Порция жидкого металлического сплава контактирует с массой материала наполнителя при температуре примерно 700^оС в присутствии газа, содержащего примерно от 10 до 100% , предпочтительно, по меньшей мере, примерно 50% азота от объема, а остальное безокислительный газ, например аргон. В этих условиях жидкий сплав алюминия пропитывает керамическую массу при нормальном атмосферном давлении для получения композитного материала с алюминиевой матрицей. После пропитки керамического материала жидким алюминием в требуемом количестве температуру уменьшают для отверждения сплава, в результате образуется твердая структура с металлической матрицей, которая окружает упрочняющий материал. Обычно подача жидкого сплава будет достаточной для пропитки по существу до границ керамической массы.

Элемент использования известных способов для получения композита сетчатой или примерно сетчатой формы с металлической матрицей заключается в уменьшении или предотвращении переноса, или пропитки металлической матрицы за определенные границы поверхности проницаемой массы керамического наполнителя или заготовки. Сверхпропитку за границу поверхности можно по существу исключить посредством регулирования пропитки металлической матрицы до любых определенных границ матрицы, причем это может быть достигнуто, например, посредством применения определенного количества металла, выпуска атмосферы из азотсодержащего газа или снижения температуры до ниже точки плавления металла. Любые эти шаги могут потребовать точный контроль или меры предосторожности для исключения по существу переноса металлической матрицы за определенную границу поверхности массы керамического наполнителя или заготовки, однако наиболее желательная сетчатая или примерно сетчатая форма может не достигаться, либо может потребоваться дополнительная механическая или чистовая обработка.

Изобретение предлагает средство для получения композита с металлической матрицей при атмосферном давлении, при этом надежно устанавливается граница или практически исключается сверхпропитка или перенос за границу пропитки металлической матрицы, что является желательным в достижении сетчатых форм композитов с металлической матрицей.

В описании изобретения используются следующие термины и выражения. Выражение "безокислительный газ для равновесия", как оно применяется здесь, означает, что любой газ, который присутствует дополнительно к элементарному азоту, является либо инертным, либо восстановительным газом, который практически не вступает в реакцию с алюминиевым в условиях процесса. Количество окислительного газа (а не азота), который может присутствовать как примесь в применяемом газе, недостаточно для окисления металла до значительной степени.

Термины керамика, "керамический материал", "керамический наполнитель" или "керамический материал наполнителя" охватывают керамические наполнители, например волокна из окиси алюминия или карбида кремния, и материалы наполнителя с керамическим покрытием, например волокна углерода, покрытые окисью алюминия или карбидом кремния для защиты углерода до атаки расплавленного металла. Также должно быть ясно, что алюминий, применяемый в этом способе, помимо легированного магнием, может быть по существу чистым или технически чистым алюминием, либо он может быть легирован другими элементами, например, железом, кремнием, медью, марганцем, хромом и т.п.

На фиг.1 изображена вертикальная проекция сбоку в разрезе, показывающая двойной слой гибких графитовых листов из графита Grafoil, окружающих керамический материал наполнителя, покрытого алюминиевым сплавом, причем все это погружается в инертный слой и содержится в огнеупорном контейнере для обработки в соответствии с способом, описанным в примере 1; на фиг.2 - вид в вертикальном разрезе керамического материала наполнителя (фиг.1), пропитанного до определенных границ поверхности матрицей из алюминиевого сплава; на фиг.3 - вертикальная проекция сбоку в разрезе, показывающая керамическую заготовку, имеющую форму усеченного конуса, несущего прямоугольный слиток алюминиевого сплава, причем керамическая заготовка погружена в порошок внутри огнеупорного контейнера для обработки в соответствии со способом, описанным в примере 2; на фиг.4 - вертикальный разрез керамической заготовки, показанной на фиг.3, которая пропитана до определенных границ поверхности матрицей из алюминиевого сплава, окружая не вступивший в реакцию сплав алюминия; на фиг.5 - вертикальная проекция в разрезе, показывающая керамическую заготовку с расположенным на ней слитком алюминиевого сплава, причем всю эту конструкцию погружают в порошок внутри огнеупорного контейнера для обработки в соответствии со способом, описанным в примере 3; на фиг.6 - вид в вертикальном разрезе керамической заготовки, показанной на фиг.5, которую пропитали до определенных границ поверхности матрицей из алюминиевого сплава.

В соответствии с предлагаемым способом, проницаемую массу керамического материала наполнителя, например керамические частицы, усы или волокна, формируют так, чтобы иметь, по меньшей мере, одну определенную границу поверхности, причем, по меньшей мере, часть определенной границы поверхности имеет, окружена или покрыта барьерным средством. Термин "наполнитель" может включать брикет или блок брикетов, в конечном счете связанных в малый композит. Керамический наполнитель размещают смежно или в контакте с поверхностью сплава алюминия и магнит так, что, по меньшей мере, часть определенной границы поверхности, окруженная или покрытая барьерным средством, располагается на расстоянии или снаружи поверхности сплава алюминия и магния, которая находится в контакте с керамическим наполнителем, таким образом, пропитка расплавленным сплавом алюминия и магния будет осуществляться в керамическом наполнителе в направлении определенной границы поверхности с барьерным средством. Проницаемая масса керамического материала наполнителя является частью слоя покрытия и после нагрева в печи, по крайней мере, до точки плавления сплава алюминия и магния в присутствии азотсодержащего газа, сплав алюминия плавится, и расплавленный сплав алюминия самопроизвольно и постепенно пропитывает проницаемую керамическую массу. Самопроизвольная пропитка продолжается до тех пор, пока металлическая матрица не будет находиться в контакте с определенной границей поверхности, имеющей барьерное средство, наложенное в виде покрытия или оболочки. Обычно границы керамического материала наполнителя и металлической матрицы практически совпадают, но отдельные компоненты на поверхностях керамического материала наполнителя могут быть открытыми или они могут выступать из металлической матрицы, поэтому пропитка может не быть завершенной в значении полного окружения или капсулирования керамического материала наполнителя керамической матрицей. Барьерное средство препятствует, исключает или прекращает миграцию или движение жидкого алюминиевого сплава при контакте с барьерным средством и практически не происходит перенос или "сверхпропитка" жидким алюминиевым сплавом за определенную границу поверхности. Степень образования металлической матрицы может также изменяться в зависимости от условий процесса. После значительной пропитки жидким алюминиевым сплавом проницаемой массы керамического материала наполнителя до барьерного средства покрывающий слой охлаждают, т.е. его удаляют из печи ниже точки плавления алюминиевого сплава так, что расплавленный алюминиевый сплав отверждается внутри проницаемой керамической массы. Полученное композитное изделие с керамической матрицей включает массу керамического материала, пропитанного или заделанного до его границ матрицей из алюминиевого сплава. Таким образом, граничное средство в соответствии с изобретением способствует образованию хорошо определенного композита сетчатой или примерно сетчатой формы с металлической матрицей.

Барьерным средством, согласно изобретению, может быть любое соответствующее средство, которое препятствует, мешает, исключает либо завершает миграцию, движение или т.п. жидкого алюминиевого сплава за определенную границу поверхности керамического материала наполнителя. Соответствующим барьерным средством может быть любой материал, соединение, элемент, композиция или т. п. , которое в условиях процесса согласно изобретению поддерживает некоторую целостность, не является летучим и предпочтительно является проницаемым для азотсодержащего газа, а также обладает способностью локально препятствовать, останавливать или исключать продолжающуюся пропитку или любой другой тип движения за определенную границу поверхности керамического наполнителя.

Соответствующее барьерное средство включает материалы, которые практически не смачиваются мигрирующим жидким алюминиевым сплавом в условиях процесса. Барьерное средство такого типа, по-видимому, имеет мало или не имеет сродства с жидким алюминиевым сплавом и препятствует движению сплава за определенную границу поверхности керамического материала наполнителя. Барьерное средство уменьшает какую-либо окончательную механическую обработку или шлифование, которое может потребоваться для керамического композитного изделия с металлической матрицей. Как было указано, барьерное средство должно быть предпочтительно проницаемым или пористым, либо оно должно быть сделано проницаемым посредством прокаливания, чтобы азотсодержащий газ мог контактировать с расплавленным алюминиевым сплавом.

Соответствующими барьерными средствами являются те, которые содержат углерод, особенно углерод в кристаллической аллотропной форме, известной как графит. Графит практически не смачивается мигрирующим расплавленным алюминиевым сплавом. Предпочтительной формой графита является графитовая лента, известная как Grafoil, продукт фирмы Юнион Карбайд. Эта графитовая лента обладает уплотняющими характеристиками, препятствуя миграции жидкого алюминиевого сплава за определенную границу поверхности керамического материала наполнителя. Такая графитовая лента является также стойкой к воздействию тепла и химически инертной. Графитовый материал "Грофойл" является гибким, совместным и упругим. Из него можно получить различные формы для его применения в любом барьерном средстве. Графитовое барьерное средство можно применять в виде суспензии или пасты, или даже в виде пленки краски вокруг и на границе керамического материала наполнителя. Grafoil является предпочтительным, потому что он выполняется в форме графитового листа. Во время применения до нагрева в печи этот графит, подобный бумаге, просто формуют вокруг уложенных в пакет листов из алюминиевого сплава, керамического материала-наполнителя. Когда уложенные в пакет листы нагревают до точки плавления алюминиевого сплава, самопроизвольная пропитка происходит через керамический материал наполнителя, однако она прекращается, когда достигает листа гибкого графита.

Другими предпочтительными барьерами являются бориды переходных металлов, например, диборид титана (TiB₂), которые обычно не смачиваются расплавленным сплавом металла в условиях процесса. С барьерами такого типа рабочая температура не должна превышать примерно 975^оС, иначе материал барьера будет менее эффективен и действительно при повышенной температуре пропитка будет проникать внутрь барьера. Бориды переходных металлов обычно находятся в порошковой форме (1-30 мк). Материалы барьера применяются в качестве окружающей засыпки для уложенных в стопу листов или их можно наносить в виде суспензии или пасты на границы проницаемой массы керамического материала наполнителя, который предварительно формуют в виде заготовки.

Другими пригодными барьерами являются малолетучие органические соединения, наносимые в виде пленки или сплава на керамический материал наполнителя или предварительно отформованную заготовку. После обжига в азоте, в условиях процесса согласно изобретению, органическое соединение разлагается, оставляя пленку углеродной сажи. Органическое соединение можно наносить обычными средствами, например путем окраски, распыления или погружения и т.п.

Кроме того, тонко измельченные порошковые материалы могут действовать как преграда, поскольку пропитка порошкового материала будет происходить со скоростью, которая ниже скорости пропитки керамического материала наполнителя.

Для достижения минимальной пропитки или по существу исключения пропитки расплавленным сплавом, переноса или сверхпропитки за определенную границу поверхности в образовании композита с керамической матрицей барьерное средство может представлять окружающий слой для сплава (керамический наполнитель, помещенный в тигель или расположенный на или в непосредственной близости от определенной границы поверхности проницаемой массы слоя керамического наполнителя или заготовки. Барьерное средство можно наносить любым соответствующим средством, например путем покрытия определенной границы поверхности барьерными средствами. Такой слой барьерного средства можно наносить посредством окраски, окунания, экранирования шелком, испарения или нанесения барьерного средства в форме жидкости, суспензии, пасты, напыления испаряемого барьерного средства или просто путем осаждения слоя твердого порошкового барьерного средства, либо нанесения твердого тонкого листа или пленки барьерного средства на определенную границу поверхности. Когда барьерное средство находится на месте, самопроизвольная пропитка по существу завершается при достижении определенной границы поверхности и контактирования с барьерным средством.

В условиях процесса, применяемых согласно изобретению, керамическая масса или тело является достаточно проницаемой, чтобы газообразный азот мог проникать в массу и контактировать с жидким металлом, в результате проницаемый для азота керамический материал самопроизвольно пропитывается жидким алюминиевым сплавом для образования композита с алюминиевой матрицей. Степень самопроизвольной пропитки и образование металлической матрицы будут изменяться в зависимости от данного ряда условий процесса, т.е. содержания магния в алюминиевом сплаве, присутствия дополнительных легирующих элементов, размера, состояния поверхности и типа материала наполнителя, концентрации азота в газе, времени и температуры. Для того, чтобы пропитка жидким алюминием проходила самопроизвольно, алюминий легируют, по меньшей мере, 1% , предпочтительно, примерно 3% магния на основе веса сплава. Сплав может включать один или несколько дополнительных легирующих элементов, например кремний, цинк или железо, которые могут влиять на минимальное количество магния, используемого в сплаве. Известно, что определенные элементы могут улетучиваться из расплава алюминия, причем улетучивание зависит от времени и температуры, поэтому во время проведения способа согласно изобретению может проходить улетучивание магния, а также цинка. Поэтому желательно применять сплав, содержащий сначала примерно 1 мас.% магния. Способ проводят в присутствии азотной атмосферы, содержащей, по крайней мере, примерно 10% от объема азота и остальное безокислительный газ в условиях процесса. После по существу полной пропитки керамической массы металл затвердевает в результате охлаждения в азотной атмосфере, таким образом образуется твердая металлическая матрица, по существу окружающая керамический материал наполнителя. Поскольку сплав алюминия и магния смачивает керамику, то между металлом и керамикой предполагается хорошая связь, которая может улучшить характеристики композита.

Минимальное содержание магния в алюминиевом сплаве, пригодном для образования керамического композита с керамической матрицей, зависит от одного или нескольких факторов, например рабочей температуры, времени, присутствия вспомогательных легирующих элементов, например кремния или цинка, типа керамического материала наполнителя и содержания азота в потоке газа. Когда содержание магния в сплаве увеличивается, то можно применять более низкие температуры или более непродолжительное время нагрева. Также, для данного содержания магния добавка определенных вспомогательных легирующих элементов, например цинка, позволяет применять более низкие температуры. Например, содержание магния на нижней границе рабочего интервала, например примерно от 1 до 3 мас.% можно применять в сочетании с, по крайней мере, одним из следующих условий: указанная минимальная рабочая температура, высокая концентрация азота или одного или нескольких вспомогательных легирующих элементов. Сплавы, содержащие примерно от 3 до 5 мас.% магния, являются предпочтительными за счет их применения при различных рабочих условиях, причем предпочтительны, по крайней мере, примерно 5%, когда применяют более низкие температуры и непродолжительное время. Содержание магния свыше примерно 10 мас.% в алюминиевом сплаве можно применять, чтобы сделать температурные условия, которые необходимы для пропитки, боле умеренными. Содержание магния можно уменьшить, когда его применяют в сочетании с дополнительными легирующими элементами, однако эти элементы выполняют только вспомогательную функцию, причем обычно их применяют в комбинации с указанным количеством магния. Например, не отмечалась пропитка номинально чистым алюминием, легированным только 10% кремния, при температуре 1000^оС, 39 Кристолона, 500 меш (93% чистый карбид кремния от фирмы Нортон).

Применение одного или нескольких вспомогательных легирующих элементов и концентрация азота в окружающем газе также влияют на степень азотирования матрицы сплава при данной температуре. Например, увеличение концентрации вспомогательного легирующего элемента, например цинка или железа, в сплаве можно применять для уменьшения температуры пропитки и, следовательно, можно уменьшить образование нитрида, тогда как увеличение концентрации азота в газе можно применять для способствования образованию нитрида.

Концентрация магния в сплаве также влияет на степень пропитки при данной температуре. Следовательно, даже более предпочтительно, чтобы сплав включал, по меньшей мере, примерно 3 мас.% магния. Сплав, содержащий меньше этого указанного количества, например 1 мас.% магния, требует более высокие рабочие температуры или вспомогательный легирующий элемент для пропитки. Температуру, необходимую для осуществления самопроизвольной пропитки в способе согласно изобретению, можно уменьшить, когда содержание магния в сплаве увеличивается, например, по крайней мере, примерно до 5 мас.%, или когда в сплаве алюминия присутствует другой элемент, например цинк или железо. Также температура может изменяться в зависимости от различных керамических материалов. Самопроизвольная и постепенная пропитка будет возникать при рабочей температуре, равной, по меньшей мере, примерно 700^оС, предпочтительно, по меньшей мере, примерно 800^оС. Температуры обычно свыше 1200^оС не являются полезными для процесса, причем было обнаружено, что особенно благоприятным температурным интервалом является интервал от примерно 800^оС до примерно 1200^оС. ва алюминия, рабочих условий, реактивности жидкого алюминия с материалом наполнителя и тех свойств, которые должны быть у конечного композитного изделия. Эти материалы включают (а) окислы, например окись алюминия, окись магния, окись титана, окись циркония и окись гафния; (b) карбиды, например каpбид кремния и карбид титана; (с) бориды, например диборид титана и додекаборид алюминия; и (d) нитриды, например нитрид алюминия, нитрид кремния и нитрид циркония. Если отмечается тенденция керамического материала наполнителя вступать в реакцию с жидким сплавом алюминия, то это можно компенсировать посредством уменьшения времени пропитки и температуры, либо посредством нанесения нереактивного покрытия на наполнитель. Материал наполнителя может содержать основу, например, углерод или другой некерамический материал и керамическое покрытие для защиты основы от атаки или деградации. Соответствующие керамические покрытия включают окислы, карбиды, бориды и нитриды. Керамические материалы, которые являются предпочтительными для применения в настоящем способе, включают окись алюминия и карбид кремния в виде частиц, таблеток, усов и волокон. Волокна могут быть несплошными (в измельченной форме), либо в виде сплошных нитей, например, многонитевых жгутов волокон. Также керамическая масса или предварительно формованная заготовка может быть однородной или гетерогенной.

Карбид кремния вступает в реакцию с жидким алюминием, образуя карбиды алюминия, причем если применяется карбид кремния в качестве керамического материала наполнителя, то желательно предупредить или уменьшить эту реакцию. Карбид алюминия чувствителен к воздействию влаги, которая может ослабить композит. Таким образом, для уменьшения или предупреждения такой реакции карбид кремния предварительно обжигают на воздухе для образования на нем реактивного покрытия из окиси кремния, либо сплав алюминия дополнительно легируют кремнием или применяют и то, и другое. В любом случае эффект заключается в увеличении содержания кремния в сплаве для исключения образования карбида алюминия. Подобные способы можно применять для исключения нежелательных реакций с другими керамическими материалами наполнителя.

Керамический материал может быть любого размера и формы, которые могут потребоваться для достижения требуемых свойств композита. Таким образом, материал может быть в форме частиц, усов, пластин или волокон, поскольку пропитка не ограничена формой материала наполнителя. Можно применять другие формы, например сферы, цилиндрики, гранулы, полотно из огнеупорного волокна и т.п. Также размер материала не ограничивает пропитку, хотя могут потребоваться более высокие температуры или продолжительное время для полной пропитки массы небольших частиц, чем для больших частиц. Кроме того, масса пропитываемого керамического материала является проницаемой, т.е. проницаемой для жидких алюминиевых сплавов и азотсодержащих газов. Керамический материал может быть либо при плотности засыпки, либо его прессуют до умеренной плотности.

Способ, согласно изобретению, независимо от применения давления для принудительного направления расплавленного металла в массу керамического материала, позволяет получать композиты с матрицей из алюминиевого сплава, имеющие высокое объемное содержание керамического материала и низкую пористость. Высокое объемное содержание керамического материала можно получать при применении исходной массы керамического материала низкой пористости. Высокое объемное содержание может быть также достигнуто, если керамическую массу прессуют под давлением при условии, что масса не будет превращаться в брикет с закрытой пористостью или в совершенно плотную структуру, которая будет препятствовать пропитке жидким сплавом.

Было отмечено, что для пропитки алюминия и образования матрицы при применении данной системы алюминиевый сплав - керамика, смачивание керамики алюминиевым сплавом является преобладающим механизмом пропитки. При низких рабочих температурах происходит незначительное или минимальное азотирование металла, в результате в металлической матрице диспергируется минимальное количество несплошной фазы нитрида алюминия. При приближении к верхнему пределу температурного интервала происходит азотирование металла. Таким образом, содержание фазы нитрида в металлической матрице можно регулировать посредством изменения рабочей температуры. Рабочая температура, при которой образование нитрида становится более заметным, также изменяется от таких факторов как, например, выбор применяемого алюминиевого сплава и его количество по отношению к относительному объему наполнителя, пропитываемый керамический материал и концентрация азота в используемом газе. Считается, что степень образования нитрида алюминия увеличивается при данной рабочей температуре, когда способность сплава смачивать керамический наполнитель уменьшается и когда концентрация азота в газе увеличивается.

Таким образом, можно регулировать строение металлической матрицы во время образования композита, придавая определенные свойства конечному изделию. Для данной системы можно выбрать такую рабочую температуру, чтобы регулировать образование нитрида. Композитное изделие, содержащее фазу нитрида алюминия, будет демонтировать определенные свойства, которые могут быть благоприятными для улучшения рабочих характеристик конечного композитного изделия с металлической матрицей сетчатой формы. Кроме того, может изменяться в зависимости от применяемого керамического материала температурный интервал для самопроизвольной пропитки алюминиевым сплавом. В случае применения окиси алюминия в качестве материала наполнителя температура для пропитки не должна превышать, предпочтительно, примерно 1000^оС, чтобы пластичность матрицы не снижалась в результате значительного образования любого нитрида. Однако можно применять температуры свыше 1000^оС, если требуется получить композит с менее пластичной и более жесткой матрицей. Для пропитки другой керамики, например карбида кремния, можно применять более высокие температуры, например примерно 1200^оС, поскольку сплав алюминия азотируется до меньшей степени при применении окиси алюминия как наполнителя по сравнению с тем, когда карбид кремния используют в качестве материала наполнителя.

Как показано в следующих примерах, жидкие сплавы алюминия и магния самопроизвольно пропитывают проницаемую массу керамического материала благодаря их тенденции смачивать керамический материал, проницаемый для азота. Пропитка прекращается или заканчивается на определенной границе поверхности, где расположено барьерное средство. Алюминиевые сплавы могут включать вспомогательные легирующие элементы, которые позволяют применять более низкие температуры и низкую концентрацию магния.

Для пропитки необожженного карбида кремния предпочтительны сплавы алюминия и магния, которые содержат 10-20% или больше кремния, поскольку кремний имеет тенденцию уменьшать реакцию расплавленного сплава с карбидом кремния с образованием карбида алюминия. Кроме того, алюминиевые сплавы, применяемые согласно изобретению, могут включать различные другие легирующие элементы для обеспечения особенно желательных механических и физических свойств в матрице сплава. Например, в сплав можно включить медные добавки для образования матрицы, которую можно термообработать для повышения твердости и прочности.

П р и м е р 1. Рассмотрим фиг.1, где показана заготовка размером 3,5"x3,5"x0,5" (90,5х90,5х12,7 мм) толщины, имеющая границы поверхности 12, 14, 16 и 18. Заготовку получили посредством седиментационного литья смеси частиц плавленой Al₂O₃ зернистостью 220 (электрокорунд 38, фирмы Нортон) и коллоидной Al₂O₄ (Ниакол Al-20 золь коллоидной окиси алюминия фирмы PQ Corp. ) в форме из силоксанового каучука (Бейз, G1-1000, Пластик Тулинг Саплай Компани, Экстон, Пенсильвания) и последующего затвердевания и сушки композиции. На границу поверхности 12 поместили слиток 20 алюминиевого сплава, содержащего 5 мас.% кремния, 5 мас.% цинка, 5 мас.% магния и остальное алюминий, размером 2"x3"x1/2" (50,8х76,2х12,7 мм). Вокруг слитка 20 алюминиевого сплава и керамической заготовки 10 образовали двойной слой 22, причем каждый слой состоял из гибкой графитовой ленты Графоил (Юнион Карбайд Корп) толщиной 0,015 дюйма (0,381 мм) и затем все это поместили в слой 24 электрокорунда 38 зернистостью 24 (фирмы Бортон), содержащийся внутри графитовой лодочки 26 размером 10"x10"x4 (254х254х101,6 мм) (марки AGSX, фирмы Юнион Карбайд). Графитовую лодочку 26 и ее содержимое нагревали в графитовой вакуумной печи в 100% азоте, проходящем со скоростью 1,5 л/мин согласно следующему способу: повышение температуры до 865^оС в течение 5 ч, увеличение температуры с постоянной скоростью; выдержка в течение 20 ч при 865^оС и понижение температуры в течение 3 ч до температуры окружающей среды, уменьшение температуры с постоянной скоростью. До снижения температуры до 865^оС графитовую лодочку с ее содержимым нагревали в той же печи при температуре 200^оС под вакуумом в течение 3 ч 30 мин для удаления любой уловленной влаги. Как показано на фиг.2, алюминиевый сплав самопроизвольно пропитывал керамическую заготовку 10 до границ поверхности 14, 16 и 18, при этом образовывался композит 28 с металлической матрицей. Границу поверхности 12 покрывал некоторый остаточный затвердевший сплав алюминия, как показано в позиции 30 на фиг.2. Этот остаточный сплав алюминия можно легко удалить посредством механической обработки или шлифования.

П р и м е р 2. Рассмотрим фиг.3, где показана керамическая заготовка, имеющая форму усеченного конуса (позиция 32) размером примерно 11/2", наружный диаметр на высоту 1 дюйм в среднем и толщиной примерно 1/16 дюйма (38,1х25,4х1,6 мм), причем она имела границы поверхности 33 и 34. Заготовку отлили с отстоем (см. пример 1) из 68 мас.% электрокорунда 38, зернистостью 220; 29 мас,% электрокорунда 38, зернистостью 500 и 3 мас.% металла кремния с размером частиц 325 меш, применяя смесь древесного клея Зимер (Борден Инк, Колумбия, ОН) и Н₂О в качестве связующего раствора. После седиментационного литья заготовку предварительно обжигали в печи сопротивления с нагревателями из карбида кремния на воздухе при температуре 1300^оС в течение 3 ч. На верх заготовки 32 поместили цилиндрический слиток 42 размером 2 дюйма в диаметре, 1 дюйм высоты (50,8х25,4 мм) из алюминиевого сплава, содержащего 5 мас.% кремния, 5 мас.% цинка, 7 мас.% магния и остальное алюминий, и затем все это погрузили в слой 44 TiB₂ размером частиц 5-6 мк, марки НСТ от фирмы Юнион Карбайд Корпорейшн, который содержался внутри тигля 46 из 99,7% Al₂O₃ (изготовлен фирмой Болт Текникл Керэмикс, Инк, Конрое, ТХ, Каталог N 6С). Тигель 46 и его содержимое нагревали в трубчатой печи сопротивления в присутствии газа, содержащего 96% азота и 4% водорода и проходящего со скоростью 500 куб. см/мин согласно следующему способу: снижение температуры до 875^оС со скоростью 150^оС в час; выдержка в течение 10 ч при 875^оС и снижение температуры со скоростью 200^оС в час до температуры окружающей среды. Как показано на фиг.4, алюминиевый сплав мгновенно пропитывал керамическую заготовку до границы поверхности 33, при этом образовывался композит 46 с матрицей из алюминиевого сплава. Граница поверхности 34 была покрыта остаточным отвержденным сплавом алюминия, как показано позицией 50 на фиг.4. Этот остаточный алюминиевый сплав можно легко удалить посредством механической обработки и шлифования.

П р и м е р 3. Рассмотрим фиг.5, где в позиции 52 показана заготовка размером 2"x2"x1/2", полученная посредством седиментационного литья (см. пример 1) из суспензии обожженной Al₂O₃ марки C-75 UNG (Алкан Алюминум Корп), применяя смесь древесного клея элмер (Борден Инк, Колумбус, ОН) и Н₂О в качестве связующего раствора. Заготовку сформовали так, что она имела границы поверхности 54, 56, 58 и 60. На границу поверхности 54 поместили слиток алюминиевого сплава, содержащего 5 мас.% кремния, 5 мас.% магния и остальное алюминий, размером 2x2x1/2" (50,8х50,8х12,7 мм). Все это погрузили в слой 64 TiB₂ с размером частиц 5-6 мк, марки НСТ, полученного от фирмы Юнион Карбайд, слой находился внутри тигля 66 (фирмы Болт Текникл Керемикс, Инк, Конрое ТХ) из Al₂O₃ размером 150х65х35 мм. Тигель 66 и его содержимое нагревали в графитовой вакуумной печи в присутствии газа, содержащего 96% азота и 4% водорода и проходящего со скоростью 1000 куб.см/мин согласно следующему способу: снижение температуры до 875^оС в течение 10 ч, увеличение температуры с постоянной скоростью, выдержка в течение 15 ч при 875^оС и снижение температуры в течение 5 ч до температуры окружающей среды, уменьшение температуры с постоянной скоростью. До снижения температуры до 875^оС тигель и его содержимое нагревали в той же печи при температуре 200^оС под вакуумом в течение примерно 6 ч для удаления любой уловленной влаги. Как показано на фиг.6, сплав алюминия самопроизвольно пропитывал керамическую заготовку 52 до границ поверхности 56, 58 и 60, при этом образовывался композит 68 с матрицей из алюминиевого сплава. Граница поверхности 54 была покрыта некоторым остаточным затвердевшим алюминиевым сплавом, как показано на фиг.6, позицией 70.