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

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

Реферат

 

Изобретение касается нового способа формования композиционных материалов с металлической матрицей. В частности, усилитель пропитки и/или исходный компонент усилителя пропитки и/или пропитывающая атмосфера сообщаются с наполнительным материалом или прессовкой по крайней мере в некоторой точке в течение процесса, что дает возможность расплавленному основному металлу самопроизвольно пропитывать наполнительный материал или прессовку. Такая самопроизвольная пропитка происходит без необходимости применения давления или вакуума. 2 с. и 38 з. п. ф-лы, 11 табл., 16 ил.

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 пр