CN1042493A - 利用粉碎的多晶氧化反应产物作为填料制备金属基质复合体的方法及其由此生产的产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备金属基质复合体的新方法与由此方法生产的新型金属基质复合体。

Description

本发明涉及制备金属基质复合体的新方法与由此方法生产的新型金属基质复合体。具体地讲，首先制备母体金属与氧化剂的多晶氧化反应产物。随后将多晶氧化反应产物研磨成可被置于适宜容器之中、尺寸适宜的填料或制成预型体。此后，在渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛存在下，至少在过程中的某一时刻，使经过研磨多晶氧化反应产物而得到的填料或预型体与基质金属合金相互接触，从而使基质金属合金自发渗透填料或预型体。由于采用了经过研磨或粉碎的多晶氧化反应产物，因而促进了渗透过程（例如使速率或程度加大）。此外，生产出新型金属基质复合体。

含有金属基质和加强或增强相（如陶瓷颗粒、晶须、纤维等）的复合产品对于许多应用显示出广阔的前途，因为它们具有增强相的部分刚性和耐磨性以及金属基质的可延伸性和韧性。一般来说，金属基质复合体与整块基体金属相比，将表现出在强度、刚性、接触耐磨性和高温强度保持性等性能方面的改进，但是对任何给出的性能可能被改进的程度主要取决于特定的组分，它们的体积或重量比，以及在形成该复合体中如何处理这些组分。在某些情况下，这种复合体在重量上还可能比基质金属本身更轻。例如，用陶瓷（如颗粒、片晶或晶须状的碳化硅）增强的铝基复合体是令人感兴趣的，因为相对于铝而言，它们的具有更高的刚性、耐磨性和高温强度。

许多冶金方法被介绍用于生产铝基复合体，这些方法包括以使用加压浇铸、真空浇铸、搅拌和润湿剂的粉末冶金技术和液体-金属渗透技术为基础的方法。采用粉末冶金技术时，使粉末状的金属和粉末、晶须、切断的纤维等形式的增强材料混合，然后进行冷压和烧结或进行热压。已报道出用这种方法生产的碳化硅增强的铝基复合体中最大的陶瓷体积比在晶须情况下约为25%（体积），在颗粒的情况下约为40%（体积）。

利用常规工艺方法通过粉末冶金技术生产金属基质复合体对可得到的产品的性能产生一定的限制。该复合体中陶瓷相的体积比在颗粒情况下典型地限制为约40%。另外，加压操作还会对可得到的实际尺寸产生限制。在没有后续加工（如成形或机械加工）或不借助于复杂压制的条件下，只有可能产生相对简单的产品形状。再有，由于压实体中的分凝和晶粒生长会造成显微结构的非均匀性外，在烧结期间会发生不均匀收缩。

在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美国专利第3，970，136号中，叙述了一种形成金属基质复合体的方法，所说的复合体中结合有具有预定纤维取向模式的纤维增强材料，如碳化硅或氧化铝晶须。这种复合体的制备是通过在一个具有熔融基质金属（如铝）的储池的模中在至少部分板之间放置共平面纤维的平行板或毡，然后对熔融金属施加压力使其渗入所说的板并环绕在定向纤维周围。也可能把熔融金属倒在所说板的堆积体上，然后施加压力使其流入板之间。已报道出在这种复合体中增强纤维的填充量高达约50%（体积）。

鉴于上述渗透方法取决于施加在熔融基质金属上使其通过纤维板堆积体的外部压力，因此该方法受到压力诱导的流动过程的多变性的影响，即可能形成非均匀性基体，孔隙等。即使熔融金属可能在纤维堆积体中的许多位置引入，也可能造成性能的不均匀性。因此，需要提供复杂的板/储池排列和流动通道，以实现在纤维板堆积体上的充分均匀渗透。另外，上述压力渗透法只使得到的基质体积获得较低量的增强材料，这是由于渗入一个大板体积中所故有的困难性所致。再有，要求模具在压力下盛装熔融金属，这就增加了工艺过程的费用。最后，仅限于渗透排列好的颗粒或纤维的上述方法不能用来形成用无规则取向的颗粒、晶须或纤维形式材料增强的铝金属基复合体。

在铝基氧化铝填充的复合体的制造中，铝不能容易地润湿氧化铝，因此难于形成粘结产品。针对这一问题，曾建议过使用各种溶液。一种方法是用一种金属（如镍或钨）涂敷所说氧化铝，然后使其与铝一同进行热压。在另一种方法中，使所说的铝与锂合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所说的氧化铝。但是，这些复合体在性能方面表现出各种变化，或者，所说的涂层会降低填料的质量，或者所说的基体含有能影响基体性能的锂。

授予R.W.Grimshaw等人的美国专利4，232，091克服了在生产铝基氧化铝复合体中遇到的某些困难。这一专利叙述了对熔融铝（或熔融铝合金）施加75～375kg/平方厘米的压力使其渗入已预热到700～1050℃的氧化铝纤维或晶须的板中。在得到的固体铸体中氧化铝对金属的最大体积比为0.25/1。由于取决于完成渗透的外界压力，所以这种方法受到许多与Cannell等人专利的同样缺点的影响。

欧洲专利公报115，742叙述了通过用熔融铝充填预成型的氧化铝基质的孔隙来制造铝-氧化铝复合体的方法，这种铝-氧化铝复合体特别适用于电解池组分。该申请强调了铝对氧化铝的非润湿性，因此采用各种方法来润湿整个预型体中的氧化铝。例如，用一种润湿剂，即钛、锆、铪或铌的二硼化物或者用一种金属，即锂、镁、钙、钛、铬、铁、钴、镍、锆或铪来涂敷氧化铝。采用惰性气氛（如氩气）以促进润湿。这一参考文献还表示出施加压力导致熔融铝渗入未涂敷的基质中。在这一方面，渗透是在惰性气氛（如氩气）中通过抽空气孔，然后向所说的熔融金属施加压力来实现。另一方面，这种预型体也以在用熔融铝渗透来填充空隙之前，通过气相铝沉积来润湿其表面的方法来渗透。为了保证铝保留在预型体的气孔中，需要在真空或氩气气氛下进行热处理，例如在1400～1800℃下进行处理。否则，压力渗透材料暴露于气体或者渗透压力的除去都将造成铝从复合体中的损失。

在欧洲专利申请公报94353中还表示了使用润湿剂来实现用熔融金属渗透电解池中的氧化铝组分的方法。该公报叙述了用一个以阴极电流供给器作为电池衬里或基质的电池，通过电积法生产铝的方法，为了保护这种基质免受熔融冰晶石的作用，在电池启动前或者将其浸在用该电解法生产的熔融铝中对氧化铝基质施加一种润湿剂和溶解性抑制剂的混合物的薄涂层，所公开的润湿剂有钛、铪、硅、镁、钒、铬、铌或钙，而钛为优选的润湿剂。据描述，硼、碳和氮的化合物对于抑制这种润湿剂在熔融铝中的溶解性是有用的。但是，该参考文献既没有建议生产金属复合物，也没有建议，例如在氮气气氛中，形成这种复合体。

除采用压力和润湿剂外，还公开了采用的真空条件将有助于熔融铝渗入多孔陶瓷压块。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美国专利3，718，441叙述了在小于10^-6乇的真空条件下，使熔融的铝、铍、镁、钛、钒、镍或铬渗透陶瓷压块（例如碳化硼，氧化铝渗透和氧化铍）。10^-2～10^-6乇的真空压强使这种熔融金属对所述涂层的润湿性很差，以致于该金属不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，当真空压强降低到低于10^-6乇时，润湿情况有所改善。

1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美国专利3，864，154还公开了采用真空以达到渗透的方法。该专利叙述了将一个Al B₁₂粉末的冷压块放在一个冷压铝粉床上。然后再将一部分铝置于Al B₁₂粉末压块的顶上。将装有夹在铝粉层之间的AlB₁₂压块的坩埚放在一个真空炉中。然后将该炉抽空到约10^-5乇进行脱气。再将炉温提高到1100℃并保持3小时。在这些条件下，这种熔融铝金属渗透了多孔Al B₁₂压块。

1968年1年23日授予John    N.Reding等人的美国专利3，364，976公开了在一个物体内产生自生真空以促进熔融金属向该物体中的渗透的观点。具体地说，将一物体，例如一个石墨模、一个钢模或一个多孔耐久材料，全部浸在熔融金属中。在模的情况下，充有可以与该金属反应的气体的模的空腔与外部的熔融金属通过模中至少一个小孔相接触，当这种模浸在熔体中时，空腔的充填在空腔中的气体与该熔融金属反应产生自生真空时发生。具体地说，这种真空是该金属的固体氧化物形成的结果。因此，Reding等人公开了重要的是诱导空腔中的气体与该熔融体之间的反应。但是，由于与模有关的固有限制，利用模具来产生真空可能是不理想的。首先必须将模具机加工成一个特殊的形状;然后精加工，在该模上产生一个可行的铸造表面;然后在使用之前安装好;在使用后将其折卸以从中取出铸件;之后回收模具，回收时很可能包括对模具表面进行再次精加工，如果该模不能再继续使用的话，就将其放弃。将一个模具机加工成复杂的形状是很贵的并且很费时间。另外，从一个复杂形状的模具上取出形成的铸件也是困难的（即，具有复杂形状的铸件在从模具中取出时会发生破裂）。另外;虽然有人建议多孔耐火材料可以直接浸在熔融金属中，不需要模具，但是这种耐火材料将必须是整块的，因为在不使用容器模具时，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的条件（即，一般认为，这种颗粒材料放在熔融金属中时，其典型特征是四处分散或浮动）。另外，如果希望渗透颗粒材料或疏松地形成的预型体时，应该引起注意的是这种渗透金属至少不能置换颗粒或预型体的一部分，而导致不均匀的显微结构。

因此，长期以来一直希望有一种简单而又可靠的生产成型金属基质复合体的方法，该方法不依靠使用压力和真空（无论是外部施加的还是内部产生的）条件，或者损失润湿剂来生产嵌在另一种材料如陶瓷材料中的一种金属基质。另外;长期以来一直希望使生产金属基质复合体所需的最终机械加工量达最小。本发明通过提供一种用熔融基质金属（如铝）渗透一种材料（如陶瓷材料）的自发渗透机理满足了这些希望。其中所说的材料可形成一个预型体。这种自发渗透是在常压，渗透气氛（如氮气）存在下进行的，并且在工艺过程中至少在某一处存在渗透增强剂。

本申请的主题涉及一些其它共同未决或共同所有的专利申请的主题。特别是这些其它共同未决专利申请描述了制造金属基质复合材料的方法（以下有时称“共同所有的金属基质专利申请”）。

在1987年5月13日，以White等人的名义提交的，现已在美国审定的题目为“金属基质复合体”的共同所有美国专利申请系列号049，171的申请中，公开了一种生产金属基质复合材料的新方法。根据White等人的发明的方法，通过用熔融铝渗透一种可渗透填料（如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料）体来生产金属基质复合体，其中所用的熔融铝含有至少约1%（重量）的镁，优选的是含有至少约3%（重量）的镁。在不采用外部压力和真空的条件下，自发地发生渗透。于至少约675℃的温度下，在一种含有约10～100%，最好至少约50%（体积）氮气的气体存在下，使一定量的熔融金属合金与填料体接触，其中的气体，除氮气外，如果有的话为非氧化性气体，如氩气。在这些条件下，这种熔融铝合金在常压下渗透所说的陶瓷体形成铝（或铝合金）基质复合体。当所需量的填料已被这种熔融铝合金渗透时，降低温度使该合金固化，因此形成嵌有该增强填料的固体金属基质结构。通常，供给的一定量熔融合金最好足以使这种渗透基本进行到填料体的边缘。根据White等人的发明生产的铝基复合体中填料的量可以非常高。在这方面，填料对合金的体积比可达到1∶1以上。

在上述White等人发明的工艺条件下，氮化铝可以形成一种分散在整个铝基体中的不连续相。铝基体中氮化物的量可随温度、合金组成、气体组成和填料等因素而变化。因此，通过控制反应体系因素的一个或多个，可能调节这种复合体的某些性能。但是，对于某些实际应用来说，可能希望这种复合体含有少量的或基本不含氮化铝。

已观察到较高的温度有利于渗透，但使得该方法更有助于氮化物的形成。White等人的发明提供了平衡渗透动力学和氮化物形成的选择。

在以Michel    K.Aghajanian等人的名义于1988年1月7日提交的，题目为“用阻挡元件制造金属基质复合体的方法”的共同所有美国专利申请系列号为141，624的申请中，叙述了一个适用于形成金属基质复合体的阻挡元件的例子。根据Aghajanian等人的发明方法，将阻挡元件（例如，颗粒状二硼化钛或石墨材料如Union    Carbide公司以Grafoil为商品名出售的软石墨带产品）放置于填料的限定界表面，并且基质合金渗透到该阻挡元件限定的边界处。这种阻挡元件被用来抑制、防止或中止该熔融合金的渗透，由此为得到的金属基质复合体提供了基本的或大致的形状。因此，所形成的金属基质复合体具有一个基本符合于该阻挡元件内部形状的外形。

1988年3月15日以Michael    K.Aghajanian和Marc    S.Newkirk名义提交的题目为“金属基质复合体及其生产方法”的共同所有，共同未决美国专利申请系列号168，284对系列号为049，171的美国专利申请的方法进行改进，根据在该美国专利申请中公开的方法，基质金属以一个第一金属源和一个例如由于重力流动与该第一金属源相联的基质金属合金储备源形式存在。具体地说，在该专利申请中所述的条件下，在常压下这种第一熔融金属合金源首先渗入填料体中，由此开始形成金属基质复合体。这种第一熔融基质金属合金源，在其渗入填料体期间被消耗掉，如果需要的话，当自发渗透继续进行时，可以从所说的熔融基质金属储备源进行补充，这种补充最好通过一个连续方式进行。当所需量的可渗透填料已被这种熔融基质合金自发渗透时，使温度降低以使该熔融合金固化，因此形成一种嵌有该增强填料的固体金属基质结构。应该明白的是这种金属储备源的使用仅仅是本专利申请中所述的发明的一个实施方案，并不是在所述的发明的每个其它实施方案中都必须采用该金属储备源，但是将本发明储备源用于部分实施方案中还是有利的。

这种金属储备源应提供足够量的金属，以使其渗透该填料的可渗透体至预定的程度。另一方面，可以选择阻挡元件与该可渗透填料体的至少一个侧面接触，以限定出一个表面边界。

另外，虽然提供的一定量熔融基质合金应至少足以使自发渗透基本进行到可渗透填料体的边界（如阻挡元件），但是所说的储备源中存在的合金量应超过这个这个足够量，以使得不仅有足够是的合金用于完全渗透，而且有过量的熔融金属合金保留并与该金属基质复合体相连。因此，当过量的熔融合金存在时，所得到的物体将是一个复杂的复合体（例如，一个大复合体），其中具有金属基质的渗透陶瓷体将会直接粘结到该储备中剩余的过量金属上。

每个上述讨论的共同所用的金属基质专利申请都叙述了生产金属基质复合体的方法和由此生产的新型金属基质复合体。将所有上述共同所有的金属基质专利申请的公开内容结合在此以供参考。

此外，同样属于共同所有（下文称其为“共同所有的陶瓷基质专利申请）的几篇共同未决专利申请和一篇授权专利描述了用于可靠地生产陶瓷材料和陶瓷复合材料的新方法。该方法总地来说公开于以Marc    S.Newkirk等人的名义于1987年12月15日授权、题目为“新型陶瓷材料及其制造方法”的共同所有美国专利No.4713360（其对应外国专利申请于1985年9月25日由欧洲专利局公开，申请号为No.0155831）之中。该专利公开了生产自撑陶瓷体的方法，该陶瓷体是作为与气相氧化剂反应的熔融母体金属的氧化反应产物而生长。熔融金属迁移通过形成的氧化反应产物与氧化剂反应从而连续地形成陶瓷多晶体，必要时可以包含内连金属组分。借助一种或多种与母体金属形成合金的掺杂剂可以有助于该方法的进行或者在某种程度上保证方法实施。举例来说，在铝于空气中氧化的情况下，需要的是使镁和硅与铝形成合金产生α-氧化铝陶瓷结构。

通过将掺杂材料施用于母体金属的表面可使美国专利No.4713360的方法得到改进，正如共同所有与共同未决美国专利申请系列No.822，999（于1986年1月27日提交）所述，该专利申请是1985年9月17日提交的申请系列No.776，965、系列号为776，965的申请又是1985年6月25日提交的申请系列No.747，788的部分继续申请，系列号为747，788的申请又是1984年7月20日提交的申请系列No.632，636的部分继续申请，所有这些申请均以Marc    S.Newkirk等人的名义、以“制备自支撑陶瓷材料的方法”（与此对应的外国申请已于1986年1月22日由欧洲专利局公开，申请号为0，169，067）为标题提交。

按照于1986年1月17提交的共同拥有与共同未决美国专利申请系列No.819，397所述，在生产陶瓷复合体中可以利用类似的氧化现象，该申请为1985年2月4日提交的申请系列No.697876的部分继续申请，这两篇均以Marc    S.Newkirk等人的名义、以“复合陶瓷制品及其制备方法”（与此对应的外国申请已于1986年9月3日由欧洲专利局公开，申请号为0，193，292）为标题提交。这些申请公开了通过使由母体金属前体形成的氧化反应产物发展到可渗透填料体（例如，碳化硅颗粒填料或氧化铝颗粒填料）进而用陶瓷基质渗透或嵌入填料。来制备自支撑陶瓷复合体的新方法。然而，所得到的复合体并不具备确定的或预定的几何形状或构型。

在以Marc    S.Newkirk等人的名义、于1986年5月8日提交的题目为“成型陶瓷复合体及其制备方法”的共同所有与共同未决美国专利申请系列No.861，025（与此对应的外国申请由欧洲专利局于1987年11月11日公开，申请号为0.245，192）之中披露了一种生产具备预定几何形状的陶瓷复合体的方法。按照此方法，产生的氧化反应产物沿着朝向限定表面边界的方向渗透填料的可渗透自支撑预型体（例如，氧化铝或碳化硅预型体材料），从而得到具有预定几何形状的复合体。

每一篇上述共同所有陶瓷基质专利申请均公开了生产陶瓷基质复合体的方法及其由此得到的新型陶瓷基质复合体。将上述共同所有金属基质专利申请的全部内容结合在此以供参考。

正如这些共同所有陶瓷基质专利申请及专利所述，可通过母体金属与氧化剂（例如，固体、液体和/或气体）之间的氧化反应生产新型多晶陶瓷材料或多晶陶瓷复合材料。按照这些共同所有陶瓷基质专利申请与专利中所述的通用方法，将母体金属（例如，铝）加热至高于其熔点但低于氧化反应产物的熔点的高温度，形成熔融母体金属体，一旦与氧化剂接触，它使会发生反应从而生成氧化反应产物。在此温度下，氧化反应产物或至少其一部分与熔融母体金属体和氧化剂相接触并且延伸至它们之间，熔融金属被抽引或传递通过形成的氧化反应产物并接近氧化剂。被传递的熔融金属经过与氧化剂接触于先前形成的氧化反应产物的表面上形成附加的新氧化反应产物。随着该工艺过程的继续进行，在整个多晶氧化反应产物的形成过程中附加金属均被转移，从而连续地“生成”一种内连微晶的陶瓷结构。所得到的陶瓷体可以含有诸如母体金属的未氧化组分之类金属组分和/或空隙。本申请所采用的氧化是所有共同所有陶瓷基质专利申请及专利中所用的广义词，是指金属向可以是一种或多种元素和/或化合物的氧化剂提供电子或与其共用电子的情形。因此，除氧之外的元素也可以作氧化剂。

在某些情况下，母体金属需要一种或多种掺杂剂以便有利地影响或有利于氧化反应产物的生长。这种掺杂剂可以在氧化反应产物生长期间或之前的某一时刻至少部分地与母体金属形成合金。例如，在采用铝作为母体金属而选用空气为氧化剂的条件下，诸如镁和硅（举出两大类掺杂材料）之类掺杂剂可以与铝形成合金，所形成的生长合金可被用作母体金属。所得到的这类生长合金的氧化反应产物包括氧化铝、典型地是α-氧化铝。

在上述某些共同所有陶瓷基质专利申请中还公开和要求保护了新型陶瓷复合结构及其制造方法，该方法是利用氧化反应生产包括被多晶陶瓷基质渗透的基本惰性的填料（注意：在某些情况下需要使用反应性填料，例如，至少可部分地与先前氧化反应产物和/或母体金属反应的填料）的陶瓷复合结构。将母体金属置于可被成型与处理为自支撑的可渗透填料体（或预型体）附近，随后将其加热形成熔融母体金属体，如上所述，它与氧化剂反应形成氧化反应产物。随着氧化反应产物生长与渗透邻近的填料，如上所述，熔融母体金属被引出通过在填料体中先前形成的氧化反应产物并且与氧化剂反应从而在先前形成的氧化反应产物的表面上形成附加的新氧化反应产物。所得到的氧化反应产物增量会渗透或嵌入填料并且导致形成多晶陶瓷基质嵌入填料的陶瓷复合结构。同样如上所述，填料（或预型体）借助阻挡元件可以建立陶瓷复合结构的边界或表面。

本发明涉及通过渗透填料或预型体的可渗透体制备金属基质复合体的改进方法，可渗透填料或预型体含有熔融母体金属与氧化剂按照上述共同拥有陶瓷基质专利申请的方式进行氧化反应而生长的粉碎多晶氧化反应产物。出人意料地发现，多晶氧化反应产物的研磨形式可以提高基质金属渗入可渗透填料体或预型体的动力学特性，和/或降低工艺温度，和/或减少金属/颗粒反应的可能性和/或降低成本。此外，本发明还可以提供填料的体积百分比。

一旦获得粉碎的多晶氧化反应产物并且形成于填料或预型体之中，然后，通过渗透可渗透填料体或预型体可生产金属基质复合体。具体地讲，至少在该过程期间的某一时刻，渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛与填料或预型体相联系，可使熔融基质金属自发渗透填料或预型体。此外，可以直接向预型体、填料体和/或基质金属中至少一种提供渗透增强剂而不是提供渗透增强剂前体。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该被放在填料或预型体中的至少部分中。

举例来说，可以放置一种基质金属（例如铝合金）使其与可渗透填料体或预型体（例如陶瓷颗粒、须晶和/或纤维）的表面相联，以使得当基质金属处于熔融状态时，它可以自发渗透可渗透填料体或预型体。此外，如果渗透增强剂或渗透增强剂前体不是固有地由粉碎的多晶氧化反应产物供给，那么可将其加到基质金属与粉碎氧化反应产物（无论是被用作填料还是预型体）中的至少一种之中。粉碎的多晶氧化反应产物、基质金属、渗透增强剂前体和/或渗透增强剂来源与渗透气氛的组合可使得基质金属自发渗透填料或预型体。

应指出的是本申请主要讨论铝基质金属，该金属在金属基质复合体形成过程的某一时刻，在起渗透气氛作用的氮气存在下，与起渗透增强剂前体作用的镁接触。从而，这种铝/镁/氮的基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系显示出自发渗透。但是，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系也可能表现出与铝/镁/氮体系相似的行为。例如，在铝/锶/氮体系;铝/锌/氧体系和铝/钙/氮体系已观察到相似的自发渗透现象。因此，虽然在此主要讨论了铝/镁/氮体系，应理解的是其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系可以以相似的方式产生作用。

当基质金属包括铝合金而粉碎的多晶氧化反应产物含有粉碎的氧化铝多晶氧化反应产物时，举例来说，在该过程的某一时刻存在镁的条件下使铝合金与预型体或填料接触和/或暴露于镁。至少在过程中的一段时间内使铝合金与填料或预型体处于氮气氛之中。在这些条件下，预型体或填料将被自发渗透，自发渗透与金属基质复合体形成的程度或速率会随着给定的加工条件而变化，举例来说，所说的工艺条件包括供给于体系的渗透增强剂前体（例如镁）和/或渗透增强剂的浓度（例如，在铝合金和/或预型体之中）、填料或预型体的大小和/或组成、渗透气氛中氮的浓度、渗透时间和/或渗透温度。自发渗透典型地发生到足以基本上完全嵌入预型体或填料的程度。

在此与陶瓷基质复合体和金属基质复合体组合使用的“铝”的意思是指并且包括基本纯的金属（例如，一种相对纯的市售非合金化的铝）或者其它等级的金属和金属合金，如含有杂质和/或合金成分（如铁、硅、铜、镁、锰、铬、锌等）的市售金属。这一定义下的铝合金是一种以铝为主要成分的合金或金属互化物。

在此与金属基质复合体组合使用的“平衡非氧化性气体”的意思是除构成所说渗透气氛的主要气体之外存在的任何气体，在所用工艺条件下，或者是惰性的或者是基本不与所述基质金属反应的还原性气体。在所用工艺条件下可能以杂质形式存在于所用气体中的任何氧化性气体应不足以使所用的基质金属氧化到任何显著的程度。

本文所述“阻挡元件”与陶瓷基质复合体相联系，可以是化合物、元素、组合物等在加工条件下保持某种完整性的任何材料，它们基本上不挥发（即阻挡材料不会挥发到不具备阻挡元件功能的程度）并且以可被气相氧化剂（如果有的话）渗透为佳，同时又能够局部地抑制、毒化、终止、干扰、阻碍氧化反应产物的继续生长。

在此所用的“阻挡元件”的意思是妨碍、抑制、防止或中止熔融基质金属超过可渗透填料体或预型体表面边界的移动、运动等，其中的表面界（界表面）是由所说的阻挡元件所限制的。适用的阻挡元件可以是在工艺条件下，保持某种程度的完整性并且基本不挥发（即，阻挡材料没有挥发到使其失去作为阻挡元件的程度）的任何适当的材料、化合物、元素、组合物等。

另外，适用的“阻挡元件”包括在所利用的工艺条件下基本本能被运动的熔融基质金属润湿的材料。这种类型的阻挡元件显示出对所说的熔融基质金属具有很小的亲合力或没有亲合力。用这种阻挡元件阻止或抑制了超越该填料体或预型体的限定界面的运动。这种阻挡元件减少了可能需要的任何最终机械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金属基质复合产物的一部分表面。这种阻挡元件在某些情况下，可以是可渗透的或多孔的，或者例如通过钻孔或穿孔使其可渗透，以使得气体与所说的熔融基质金属接触。

本文所述的“残余物”或“母体金属残余物”或“基质金属残余物”是指在陶瓷体、陶此复合体或金属基质复合体的形成期间未被消耗并且典型地至少与形成体保持部分接触的任何母体金属或基质金属残留的原始体。应该理解的是残余物还可以典型地包括母体金属或基质金属和/或其中第二或外来金属的被氧化组分。

本发明所用的“陶瓷”一词不应不适当限制于传统意义上的陶瓷体，就是说，它完全由非金属和无机材料组成，而且指在组成或主要性能方面主要为陶瓷的物体尽管其中含有少量或大量一种或多种由母体金属衍生或由氧化剂或掺杂剂还原的、最为典型的是其用量取值范围为大约1-40%（体积）金属组分（分离的和/或内连的，取决于用于形成上述物体的加工条件）。其中可以含有更多金属。

本文所述的与陶瓷基质复合体相联的“掺杂剂”，可以是在与母体金属组合使用之时对氧化反应过程能够产生有利影响或促进作用和/或改进生长工艺以便改变产品的微观结构和/或特性的材料（与填料结合和/或包含于填料之中和/或处于填料之中或之上的组分或合金组分）。由于不希望任何特定理论或说明对掺杂剂的作用有所限制，看起来某些掺杂剂适用于在母体金属及其氧化反应产物之间不存在固有的适宜的表面能关系的情况下促进氧化反应产物形成。掺杂剂可以：产生适宜的能够促进或引发熔融母体金属润湿氧化反应产物的表面能关系;通过与合金、氧化剂和/或填料反应在生长表面上形成“前体层”，它可以（a）最大限度地减少保护性和粘附的氧化反应产物层的形成，（b）提高氧化剂在熔融金属中的溶解度（并且因此也是渗透性），和/或（c）来自氧化气氛的氧化剂转移通过任何前体氧化物层随后与熔融金属结合形成另一种氧化反应产物;随着氧化反应产物的形成或者随后改变其金属组分组成及特性，改善其微观结构;和/或促进氧化反应产物的晶核生长与生长的均匀性。

在此与陶瓷基质复合体和金属基质复合体组合使用的“填料”是指单一成分或多种成分的混合物，所说的成分基本不与所说的金属（例如母体金属）和/或氧化反应产物反应和/或在所说金属中具有限定溶解性的，并且可以是单相或者多相的。填料可以各种形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶须、液体等，并且可以是密实也可以是多孔的，“填料”还可以包括陶瓷填料，如纤维、切断纤维、颗粒、晶须、泡体、球、纤维板等形状的氧化铝或碳化硅，和陶瓷涂敷的纤维，如用氧化铝或碳化硅涂敷的碳纤维，例如通过用熔融的母金属铝涂敷以保护碳免受腐蚀。填料还可以包括金属。

本文所述的与陶瓷或陶瓷复合体相联的“生长合金”，可以是一开始便含有或者在加工期间某一时刻产生足量可以导致氧化反应产物生长的必要组分的任何合金。

在此与金属基质复合体组合使用的“渗透气氛”意思是指存在的与所用的基质金属和/或预型体（或填料）和/或渗透增强剂前体和/或渗透增强剂相互作用并且使或促进所用的基质金属发生自发渗透的气氛。

在此与金属基质复合体组合使用的“渗透增强剂”是指一种能促进或有助于一种基质金属自发渗透到一种填料或预型体中的材料。渗透增强剂可以由下述方法形成，例如一种渗透增强剂前体与渗透气氛反应形成（1）一种气体物质和/或（2）该渗透增强剂前体和渗透气氛的反应物和/或（3）该渗透增强剂前体和填料或预型体的反应物。另外，这种渗透增强剂可能直接向预型体和/或基质金属和/或渗透气氛中至少一种提供并起着与渗透添加剂前体和另一物质反应而形成的渗透增强剂的基本相同的作用。归根到底，在该自发渗透期间，至少该渗透增强剂应放在至少一部分所用的填料或预型体中，以完全自发渗透。

此处与金属基质复合体组合使用的“渗透增强剂前体”是指这样一种材料，当使其与基质金属、预型体和/或渗透气氛相结合使用时能形成促使或有助于基质金属自发地渗透填料或预型体的渗透增强剂。由于不希望受到任何特定理论或说明的限制，对于渗透增强剂前体来说似乎必要的是使该渗透增强剂前体能够被定位于或可移动至允许与渗透气氛和/或预型体或填料和/或金属发生反应的部位。举例来说，在某些基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系中，对于渗透增强剂前体来说，必要的是使其处于、接近于、或者在某些情况下甚至稍高于基质金属熔融温度下挥发。这一挥发过程可以导致：（1）渗透增强剂前体与渗透气氛发生反应形成一种有助于基质金属润湿填料或预型体的气态物质;和/或（2）渗透增强剂前体与渗透气氛反应生成处于至少一部分填充物或预形体之中、有助于润湿的固态、液态或气态渗透增强剂;和/或（3）渗透增强剂前体与填料或预型体反应，该反应形成处于至少一部分填充料或预型体之中、有助于润湿的固体、液态或气态渗透增强剂。

本发明所述的“液相氧化剂”或“液体氧化剂”与陶瓷基质复合体相联系，可以是这样一种氧化剂，其中液体在加工条件下是唯一的主要或者至少起着重要作用的母体或前体金属氧化剂。

液体氧化剂是指在氧化反应条件下为液体的氧化剂。因此，液体氧化剂可以具有诸如盐之类的固体前体，在氧化反应条件下它被熔化。另外，液体氧化剂可以具有用于浸渍部分或全部填料并且在氧化反应条件下熔化或分解以便提供适宜氧化剂部分的液体前体（例如，材料的溶液）。本发明定义的液体氧化剂的实例包括低熔点玻璃。

如果采用与母体金属和填料相联系的液体氧化剂，典型地，可以用氧化剂浸渍整个填料床层或含有所需陶瓷体的部分（例如，通过涂敷或浸入氧化剂之中）。

此处与金属基质复合体组合使用的“基质金属”或“基质金属合金”是指用于形成金属基质复合体（例如，于渗透之前）的金属和/或用于与填料互相混合从而形成金属基质复合体（例如，于渗透之后）的金属。当指定某一特定金属为基质金属时，应该理解为该基质金属包括基本上纯的金属、其中含有杂质和/或合金成分的市售金属、其中该金属为主要成分的金属互化物或合金。

本文与金属基质复合体组合使用的“基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系”或“自发体系”是指能够自发地渗透到预型体或填料之中的材料组合体。应该理解的是无论在供列举的基质金属、渗透增强剂前体和渗透气氛之间何时出现“/”，“/”均被用于表示当以某一特定方式组合而成之时便能够自发渗透进入预型体或填料体系或组合体。

本文与金属基质复合体组合使用的“金属基质复合体”或是指包含嵌入预型体或填料的二维或三维互连合金或基质金属的材料。该基质金属可以包括各种合金元素以便使所得到的复合体具有特别需要的机械物理特性。

与陶瓷基质复合体和/或金属基质复合体结合使用的“不同的”金属是指不含有作为主要组分与基质金属或母体金属相同的金属的那些金属（举例来说，如果基质金属或母体金属的主要组分为铝，那么“不同的”金属，举例来说，可以具有主要组分镍）。

与陶瓷基质复合体结合的“含氮气体氧化剂”是指其中氮为唯一的在氧化条件下起着主要或者至少重要作用的母体或前体金属氧化剂的特殊气体或蒸汽。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“氧化剂”是指一种或多种适宜的电子受体或电子共用体，它们在氧化反应条件下可以是固体、液体或气体或者是这些物质形态的某种组合形式（例如，固体和气体）。典型的氧化剂包括（但并不局限于）氧、氮、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲及其化合物和它们的组合产物，例如，氧化硅或硅酸盐（作为氧源），甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔（作为碳源的烃），以及诸如空气、H₂/H₂O和CO/CO₂之类的混合物（氧源），后两者（即H₂/H₂O和CO/CO₂）适用于降低环境的氧活性。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“氧化反应产物”是指一种或多种在任意氧化状态下将电子给予另一种元素、化合物或其组合形式或者与它们共用电子的金属。因此，在此定义下的“氧化反应产物”包括一种或多种金属与一种或多种氧化剂形成的反应产物。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“含氧气体氧化剂”为其中氧在氧化条件下是唯一的、主要的或者至少是重要的母体或前体金属氧化剂的特殊气体或蒸汽。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“母体金属”是指作为多晶氧化反应产物前体的金属（例如铝、硅、钛、锡和/或锆），其中包括基本纯的金属、含有杂质和/或合金组分的市售金属、或其中以金属前体为主要组分的合金。当采用确定的金属作为母体或前体金属（例如铝等）时，除非另有说明，应该按照这一定义理解给定的金属。

本文与陶瓷基质复合体和金属基质复合体组合使用的“预型体”或“可渗透预型体”是指组成后具有至少一个表面界面的多孔状填料体或填充物体，其中表面边界基本上限定了渗透基质金属的边界，该多孔状物质在被基质金属渗透之前充分地保持了形状的完整性与生坯强度从而达到了尺寸精确度的要求。该多孔状物质应该具备足够高的多孔性以便使基质金属能够自发地渗透进去。预型体典型地包含结合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何适宜的材料构成（例如，陶瓷和/或金属的颗粒、粉末、纤维、晶须等以及它们的任意组合体）。预型体可以单独地存在或以集合体的形式存在。

本文所述的“储备源”是指母体金属或基质金属的分离体，其所处的位置与填料物质或预形体相关联，这样，当金属熔化时，它可以流动以便补充与填料或预形体相接触并且渗透或反应从而形成氧化反应产物的母体金属或基质金属部分或源，或者是在某些情况下开始时先进行提供随后进行补充。该储备源可用于提供与基质金属不同的金属。

与陶瓷或金属基质复合体结合使用于本发明的“第二种或外来金属”是指任何适宜的金属、金属组合物、合金、金属互化物、或结合于成型陶瓷或金属基质复合体的金属组分之中的来源，此外，还可以与母体金属的未被氧化组分相结合。该定义还包括形成于母体金属与第二金属之间的金属互化物、合金、固体溶液等。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“固相氧化剂”或“固体氧化剂”是指其中给定固体在工艺条件下是唯一的、主要的或者至少是一种重要的母体或前体金属氧化剂。

当固体氧化剂与母体金属和填料结合使用时，通常要将其彻底地分散于整个填料床层或其中会生长氧化反应产物的那部分床层之中，举例来说，固体氧化剂为与填料混合的颗粒或填料颗粒上的涂层。因此，任何适宜的固体氧化剂均可以使用，其中包括诸如硼或碳之类的元素单质，或可被还原的化合物如二氧化硅或者热力学稳定性低于母体金属的硼化物反应产物的特定硼化物。举例来说，当采用硼或可还原硼化物作为铝母体金属的固体氧化剂时，所得到的氧化反应产物含有硼化铝。

在某些情况下，借助固体氧化剂可使母体金属的氧化反应迅速地进行从而使氧化反应产物因该方法的放热本性而易于熔化。这样会降低陶瓷体的微观结构均匀性。通过混入组合物中能够吸收过剩热量的惰性填料可以改善快速放热反应。这类适宜惰性填料的实例之一为与目的氧化反应产物相同或基本上相同的物质。

本文所述的“自发渗透”是指在无需加压或抽真空（无论是外部施加或内部产生）的条件下基质金属向填料或预型体的可渗透部分所产生的渗透现象。

与陶瓷基质复合体结合使用于本发明的“气相氧化剂”是含有或包含特定气体或蒸汽的氧化剂，它代表其中给定气体或蒸气在氧化条件下是唯一的、主要的或者至少是重要的母体或前体金属的氧化剂。举例来说，虽然空气中的主要组分为氮，但是由于氧是比氮强得多的氧化剂，所以空气中的氧是唯一的母体金属氧化剂。因此，就象本文及权利要求书中所说的那样，空气属于“含氧气体氧化剂”而不属于“含氮气体氧化剂”的限定范围（“含氮气体氧化剂”的实例为其中典型地含有大约96%（体积）氮和大约4%（体积）氢的混合气体）。

下列附图有助于了解本发明，但是并不构成对本发明的限制。各附图中相同的编号代表同一部分，其中：

图1为用于按照实施例1生产陶瓷复合体的材料的组合体的横截面示意图。

图2为用于按照实施例1生产金属基质复合体的材料的组合体的横截面示意图。

图3为按照实施例1制成的金属基质复合体截面经放大400倍得到的显微照片。

为了形成有待按照本发明方法研磨的陶瓷或陶瓷复合体（即为了制备用于形成金属基质复合体的填料或预型体），将可按如下详述方式被掺杂的母体金属（即生长合金）制成铸块、方坯、棒条、平板等等并且置于或容纳于惰性床层、坩埚或其它耐火容器之中。母体金属可以含有一种或多种坯料、铸块等并且可用任何适宜的方法进行适当的成型处理。母体金属可以与掺杂材料结合在一起被氧化（将在下文对此详述）。将可渗透填料体，或者，在一优选实施方案中，可渗透的成型预型体（下文将对此详述）制成具有至少一个确定的边界表面，并且当气相氧化剂单独使用或与另一种氧化剂组合被使用时可被气相氧化剂渗透，而当采用可渗透体时，可被渗透氧化反应产物渗透，母体金属可被置于所述渗透体的顶部。另外，使预型体放在靠近、最好是接触母体金属的至少一个表面或一部分表面，从而使预型体的至少一部分确定的边界表面通常与母体金属的表面彼此远离。预型体以与母体金属的表面相接触为佳;但是在必要时，预型体可被部分地、而不是全部地被浸渍于熔融金属中。全部浸渍会截断或阻碍气相氧化剂进入预型体的通路从而抑制嵌入预型体的反应产物的适度发展。然而，当未采用气相氧化剂时（即在工艺条件下所采用的氧化剂只是固体氧化剂或液体氧化剂），预型体全部被浸于熔融母体金属之中便成为可行的替代方案。氧化反应产物将以朝向确定边界表面的方向形成。将母体金属与可渗透体或预型体的组合体置于诸如由氧化铝或可浇铸耐火材料形成的舟皿之类容器之中并且将其放入炉中。炉中气氛可含有氧化剂以使熔融母体金属发生气相氧化反应。随后将炉子加热至加工条件。另外，典型情况下是采用电加热达到本发明所采用的温度。然而，本发明可以采用任何能够引起氧化反应生长并且使基质金属熔化而不会产生不利影响的加热装置。

当至少有一种氧化剂为气相氧化剂时，适用于制备复合体的预型体须具备充足的多孔性或可渗透性以便使气相反应剂渗透预型体从而与母体金属相接触。预型体还应该是自支撑的和具备充分的可渗透性以便在基本上不发生干扰、破坏或其它改变预型体构型或几何形状的情况下适应作为预型体内基质的氧化反应产物的发展或生长。

可以采用固体、液体或气相氧化剂或者这些氧化剂的组合形式。举例来说，典型的氧化剂包括（但并不仅限于）氧、氮、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲和/或它们的化合物及其组合形式，举例来说，氧化硅（作为氧源）、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯（作为碳源）和诸如空气、H₂/H₂O和CO/CO₂之类的混合物，后两者（即H₂/H₂O和CO/CO₂）可用来降低环境的氧活性。因此，本发明的陶瓷结构可以含有其中存在一种或多种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物与氧氮化物的氧化反应产物。更具体地说，氧化反应产物可以是，例如氧化铝、氮化铝、碳化硅、硼化硅、硼化铝、氮化钛、氮化锆、硼化钛、硼化锆、碳化钛、碳化锆、氮化硅、硼化铪和氧化锡中的一种或多种。虽然通常所描述的氧化反应采用单独的气相氧化剂或者与在加工条件下呈固态或液体的氧化剂组合在一起的气相氧化剂，但是应该理解，气相氧化剂的使用对于生产陶瓷基质复合体并不是必须的。当未采用气相氧化剂而采用在加工条件下呈固态或液态的氧化剂时，预型体不必对环境气氛是可渗透的。然而，预型体还应该具备充分的可渗透性以便在基本上不发生干扰、破坏或其它改变预型体构型或几何形状的情况下适应作为预型体内基质的氧化反应产物的发展或生长。

采用固体或液体氧化剂可以在预型体内产生一种比预型体外部环境更有利于母体金属氧化动力学的环境。这一改善的环境有助于预型体内的基质发展到边界并且可以最大限度地降低过度生长。当采用固体氧化剂时，它可以采取诸如颗粒之类的形式分散于整个预型体之中或预型体与母体金属相邻的部分并且与预型体混合，或者以涂层的形式应用于构成预型体的颗粒上。适宜的固体氧化剂包括诸如硼或碳之类的适宜单质、或适宜的可被还原的化合物如二氧化硅（作为氧源）或者热力学稳定性低于母体金属的硼化物反应产物的某些硼化物。

如果采用液体氧化剂，可将液体氧化剂分散在整个预型体之中或其与熔融母体金属相邻的部分。液体氧化剂是指在氧化反应条件下为液体的氧化剂，所以液体氧化剂可以具有固体前体如盐，它在氧化反应条件下呈熔融状或液态。另外，液体氧化剂可以是液体前体，例如，物质的溶液，它可被用于涂敷部分或全部预型体的多孔表面并且在加工条件下熔化或分解形成适宜的氧化剂部分。本文所定义的液体氧化剂的实例包括低熔点玻璃。

如共同所有专利申请及专利所述，添加掺杂材料与，例如，铝母体金属相结合可以对氧化反应过程产生有利的影响。掺杂材料所起的作用取决于除去掺杂材料自身以外的许多其它因素。举例来说，这些因素包括所需要的目的产物、采用两种以上掺杂剂时所形成的特定组合方式，应用外来掺杂剂与形成合金的掺杂剂相互组合、掺杂剂的浓度、氧化环境和加工条件。

与母体金属组合使用的掺杂剂（1）可以母体金属的合金组分的形式提供，（2）可以通过诸如喷涂或刷涂之类的方式施用于至少一部分母体金属的一部分表面上，（3）可加至填料中，或者采用上述技术（1）、（2）和（3）的任何一种组合方式。举例来说，形成合金的掺杂剂可以与外加掺杂剂组合的方式使用。可以通过使掺杂剂粉末或刚性体与至少一部分母体金属表面相接触来提供掺杂体源。举例来说，可将含硅玻璃的薄板置于铝母体金属的表面上。当被含硅材料覆盖的铝母体金属（可用Mg内掺杂）在氧化环境（例如，在铝处于空气中的情况下，在大约850-1450℃，以大约900-1350℃为佳）中加热时，会发生多晶陶瓷材料的生长。当将掺杂剂外部施用到至少一部分铝母体金属的表面上时，多晶氧化铝结构的生长通常基本上超出掺杂剂层（即超出被添加的掺杂剂层的厚度）。无论在哪一种情况下，都可以向母体金属表面外施加一种或多种掺杂剂。另外，母体金属内形成合金的掺杂剂在浓度方面的任何不足都可以通过由外部向母体金属添加附加浓度的相应掺杂剂来补充。

适用于铝母体金属、尤其是与作为氧化剂的空气共存的掺杂剂，包括，例如，彼此组合或与下述其它掺杂剂组合在一起的镁、锌和硅。这些金属或其适宜的来源可以分别以按照所形成的掺杂金属总重为基准计约为0.1-10%（重）的浓度在铝基母体金属中形成合金。在此取值范围内的浓度看起来可以引发陶瓷生长、促进金属转移并且对所得到的氧化反应产物的生长表面几何形状产生有利影响。任何一种掺杂剂的浓度范围都将取决于诸如掺杂剂的组合以及加工温度等因素。

其它能够有效地促进从铝母体金属体系生长氧化铝多晶氧化反应产物的掺杂剂，举例来说，有锗、锡和铅，尤其是当与镁组合使用时。这些其它掺杂剂或其适宜的来源可以分别以按照合金总重为基准计约为0.5-15%（重）的浓度在铝母体金属体系中形成合金;然而，采用浓度取值范围以母体金属合金总重为基准计约为1-10%（重）的掺杂剂可以获得更为理想的生长动力学和生长表面几何形状。作为掺杂剂的铅通常在至少1000℃的温度下在铝基母体金属中形成合金以便使其在铝中的溶解度较低;然而，添加诸如锡之类的其它合金组分通常会提高铅的溶解度并且使合金材料于较低温度下被加入。

在铝母体金属和以空气作为氧化的情况下，特别适用的是掺杂剂的组合形状包括（a）镁和硅或（b）镁、锌和硅。在这些实例中，优选的镁浓度范围约为0.1-3%（重），锌浓度范围约为1-6%（重），硅浓度范围约为1-10%（重）。

适合与铝母体金属共同使用的掺杂材料的另外例子包括钠和锂，它们可取决于加工条件单独使用或者与一种或多种其它掺杂剂组合使用。钠和锂的用量很小（以ppm表示，典型地约为100-200ppm）并且可单独地或共同地、或者以与其它掺杂剂组合的方式使用。同样适用的掺杂剂有钙、硼、磷、钇和诸如铈、镧、镨、钕和钐之类的稀土元素，尤为适用的是与其它掺杂剂组合。

这类掺杂材料当在外部使用时通常以均匀的涂层的形式施用于母体金属的一部分表面上。相对于母体金属的数量，掺杂剂的用量在较宽范围内均可发挥效力，在使用铝时，无法实验确定其用量的上下限。例如，当采用以二氧化硅形式存在的硅作为外用的掺杂剂时，对于使用空气或氧作为氧化剂的铝基母体金属来说，采用低至0.00003克硅/克母体金属或大约0.0001克硅/平方厘米暴露的母体金属表面与镁的第二掺杂表面一起可产生多晶陶瓷生长现象。同样业已发现，通过使用数量大于约0.0008克Mg/克待氧化母体金属并且大于0.003克Mg/平方厘米母体金属表面的MgO作为掺杂剂并且使用空气或氧作为氧化剂，便可由铝-硅合金母体金属得到陶瓷结构。

当母体金属为镁内掺杂的铝而氧化介质为氧或空气时，已观察到在大约820-950℃的温度下镁至少被部分地氧化并脱离合金。在这种镁掺杂体系中，镁在熔融铝合金表面形成氧化镁和/或铝镁尖晶石相，在生长过程期间，这种镁化合物在长成的陶瓷结构中主要保留在母体金属合金的初始氧化表面（例如，“起始表面”）上。因此，在这种镁掺杂体系中，所得到的氧化铝基结构远离位于起始表面上的铝镁尖晶石薄层。必要时，在使用多晶陶瓷产物之后通过研磨、车削、抛光、喷铁砂很溶液脱除起始表面。

在本发明的可供选择的另一实施方案中，在多晶氧化反应产物生长期间，可以引入不同的气相氧化剂。本文所用的“不同的”应该理解为化学组成不同于初始气（或固）相氧化剂。所以，与“不同的”气相氧化剂形成的第二氧化反应产物会导致形成彼此整体连接具有分级特性的两种陶瓷体或相（例如，可以在第一成型陶瓷复合体上形成的一层）。

在另一实施方案中，首先完整地形成陶瓷复合体，随后将其暴露于氧化剂，该氧化剂最好是“不同于”用于形成嵌入陶瓷复合体中填料内的基质氧化反应产物的氧化剂。在该方案中，陶瓷复合体中的内连母体金属残余物被引向陶瓷复合体的至少一个表面并且使其与“不同的”氧化剂反应，因而在第一成型的氧化反应产物基体上形成不同的氧化反应产物。

在本发明的另一实施方案中，通过改变组成可以确定陶瓷复合体中的金属组分。具体地讲，举例来说，在氧化反应产物生长期间可以使第二金属与母体金属形成合金或扩散进入母体金属之中以便适宜地改变组成，因此而改变母体金属的机加工、电气和/或化学性能。

为了有助于形成陶瓷复合体，可以使阻挡元件与填料或预型体组合在一起。具体地说，适用于本发明的阻挡元件可以是任何能够干扰、抑制或终止氧化反应产物生长或发展的适宜元件。适宜的阻挡元件可以是在本发明加工条件下保持某种完整性并且不易挥发、最好是可被气相氧化剂渗透而同时又能局部地抑制、毒化、终止、干扰、阻碍氧化反应产物继续生长的任何材料、化合物、单质、组合物等。

显然，其中一类阻挡元件为基本上不可以被转移熔融母体金属润湿的材料。这类阻挡元件看起来对熔融金属产生很小或者不产生任何亲和力，这样，生长过程被阻挡元件终止或抑制。其它阻挡元件易于与转移熔融母体金属反应从而通过溶解于与过度稀释转移金属或通过形成固体反应产物（例如，金属互化物，它会妨碍熔融金属转移过程的进行）从而进一步抑制生长。这类阻挡元件可以是金属或金属合金，包括诸如氧化物或可被还原化合物之类任何适宜的前体或密实的陶瓷材料在内。由于借助这类阻挡元件抑制或妨碍生长过程的特性，生长会在其最终之前扩展进入或者多少有点超出阻挡元件。所以，阻挡元件会降低成型氧化反应产物需要的任何最终机加工性能或研磨特性。如上所述，阻挡元件应该以可渗透的或多孔的为佳，因此，当采用固体、不可渗透壁时，阻挡元件应该在至少一个区域或在一端或两端上开口以便使气相氧化剂与熔融母体金属接触。

在选用铝母体金属和空气氧化剂的条件下，特别适用于本发明的阻挡元件为硫酸钙、硅酸钙和磷酸三钙。这些阻挡元件会与发展氧化反应产物局部地发生反应从而形成能局部地终止氧化反应产物进一步生长的不可渗透铝酸钙层。这类阻挡元件典型地可以淤浆或糊浆的形式施用于以预成形为预型体为佳的填料床层表面上。阻挡元件中还可以包含受热时可消除的适宜的可燃烧或可挥发材料或受热时可分解的材料，其目的在于提高阻挡元件的孔隙率与可渗透性。另外，阻挡元件可以包含适宜的耐火材料颗粒以便减少同样会在过程期间发生的收缩或破裂现象。尤其需要其膨胀系数与填料床层基本上相同的颗粒。举例来说，如果预型体含有氧化铝而所得到的陶瓷中也含有氧化铝，那么阻挡元件可以与其必要粒径约为20-1000目的氧化铝颗粒混合。氧化铝颗粒可以与硫酸钙、举例来说以大约10∶1-1∶10、以大约1∶1为佳的比率范围相混。在本发明的一个实施方案中，阻挡元件包括硫酸钙的混合物（即熟石膏和波特兰水泥）。卜特兰水泥可以与熟石膏以10∶1-1∶10、以1∶3为佳的比率相混合。必要的话，也可以单独使用波特兰水泥作为阻挡材料。

在另一实施方案中，采用铝母体金属和空气氧化剂，所用的阻挡元件为以化学计量与氧化硅混合的熟石膏，不过可以存在过量的熟石膏。在加工期间，熟石膏与氧化硅反应形成硅酸钙，这样便产生了基本上无裂缝的特别有益的阻挡元件。在另一实施方案中，熟石膏与大约25-40%（重）碳酸钙混合。一旦受热，碳酸钙便会分解放出二氧化碳，从而增加阻挡元件中的多孔部分。

其它特别适用于铝基母体金属体系的阻挡元件包括铁质材料（例如不锈钢容器）、氧化铬和其它耐火氧化物，它们可被用作填料床的叠加壁或容器或者可被用作填料床表面的层。附加的阻挡元件包括诸如氧化铝之类密实的、烧结的或熔化的陶瓷材料。这些阻挡元件通常为不可渗透的，因而要经过特殊制作以满足多孔性要求或需要诸如开口端之类的开口部分。在反应条件下阻挡元件可以形成脆弱的产物并且可以通过研磨而被脱除以便回收陶瓷体。

阻挡元件可以按照任何适宜的形式、大小和形状生产或制造，并且以可以渗透气相氧化剂为佳。阻挡元件可以按照薄膜、糊浆、淤浆、渗透性或非渗透性片材或板材、诸如金属或陶瓷筛或布之类网状或有小孔的结构、或者它们的组合形式而被使用。阻挡元件中还可以含有某种填料和/或粘合剂。

阻挡元件的大小与形状取决于陶瓷产品的所需形状。仅仅作为实例，如果将阻挡元件置于与母体金属相隔预定距离的位置上，那么陶瓷基质的生长就会在与阻挡元件相遇的地方被局部地终止或抑制。一般说来，陶瓷产品的形状为阻挡元件的相反形状。举例来说，如果凹形阻挡元件至少是部分地与母体金属相间隔，那么就会在被凹形阻挡元件的边界与母体金属表面限定的体积空间内发生多晶生长。生长基本上终止于凹形阻挡元件上。撤走阻挡元件后，陶瓷体仍保留有由阻挡元件凹面限定的至少一个凸起部分。应该注意的是，由于阻挡元件具有多孔部分，因此在整个空隙中都会出现一定程度上的多晶材料过度生长，尽管这一过度生长受到严重的限制或者可通过更为有效的阻挡材料消除。在此情况下，待阻挡元件自生长多晶陶瓷体中被脱除后，通过研磨、喷铁砂等方式可以消除陶瓷体中任何多晶过度生长，从而生产出无任何残存的多晶材料过度生长现象的所需陶瓷部分。作为进一步描述，与母体金属间隔并且在该金属方向上具有圆柱状突出部分的阻挡元件会产生具有反形地重现圆柱形突出部分的直径与深度的圆柱状凹进部分的陶瓷体。

为了在陶瓷复合体的形成期间最小程度地产生或根本不产生多晶材料过度生长的现象，可以将阻挡元件放在或紧挨在任何填料床或预型体的限定边界表面上。可以通过诸如用阻挡元件使限定边界表面成层之类任何适宜的方式将阻挡元件配置在床层或预型体的限定边界表面上。可以通过刷涂、浸涂、丝网印刷、蒸发、或采用其它方式将阻挡元件以液体、淤浆、或糊浆的形式施用、或喷涂可挥发阻挡元件、或简单地使用固体粒状阻挡元件层沉积、或将阻挡元件的固体薄膜或薄片施用于限定边界表面来施用阻挡元件层。借助阻挡元件，一旦到达预型体的限定边界表面并与阻挡元件接触便可终止多晶氧化反应产物的生长。

在制备陶瓷基质复合体的优选实施方案中，得到的可渗透成型预型体（下文详述）具有至少一个限定边界表面，其中有至少一部分限定边界表面带有或叠加有阻挡元件。应该理解“预型体”一词可以包括最后被连接到完整复合体上的分离预型体的组合体。预型体与一种或多种母体金属表面或母体金属的一部分表面相邻或相互接触从而使至少一部分带有或叠加有阻挡元件的限定边界表面通常远离于金属表面，并且使氧化反应产物在预型体内并且沿着朝向带有阻挡元件的限定边界表面的方向形成。可渗透预型体是组合体的一部分，于炉中受热时，母体金属与预型体被暴露于或被包围在与固体或液体氧化剂组合的气相氧化剂之中。金属与氧化剂反应直至氧化反应产物渗透预型体并与带有或叠加有阻挡元件的限定边界表面接触为止。更为典型地，预型体的边界与多晶基质的边界基本吻合;但是预型体表面的单一组分可被暴露于或突出基质，因此，渗透和嵌入就基质完全包围或密封预型体而论不会进行完全。阻挡元件在与多晶材料接触时，会防止、抑制或终止多晶材料的生长，因此基本上不会出现多晶材料的过度生长。所得到的陶瓷复合体包括一个预型体，其边界被含有基本上由母体金属与氧化剂形成的氧化反应产物以及视具体情况而存在的一种或多种诸如母体金属的非氧化组分之类金属组分或氧化剂的还原组分组成的多晶材料的陶瓷基质所渗透或嵌入。一般说来，氧化反应持续足以耗尽母体金属源的时间。通过诸如用锤子敲打之类的方式除掉残余物以便提供陶瓷或陶瓷复合体。

一旦形成陶瓷或陶瓷复合体，在使用它作为制备金属基质复合体的填料之前必须将其研磨。具体地说，在实施本发明期间，要对多晶氧化反应产物进行研磨、粉碎等处理并将其制成填料体，或者最好是将填料成型为预型体。可以借助诸如颚式破碎、冲击破碎、滚压破碎、回转破碎或其它在很大程度上取决于用于金属基质复合体所需粒径的传统技术之类工艺研磨陶瓷或陶瓷复合体。筛分经过研磨的陶瓷材料并且将其回收用作填料或预型体。首先采用，例如颚式破碎机、锤磨机等将陶瓷体破碎为较大的约为1/4-1/2英寸的试样。此后，借助诸如球磨机、冲击破碎机之类装置将较大试样研磨为较细的（例如，50目或更细小）颗粒。随后筛分颗粒，得到所需粒径的颗粒部分。取决于制成的陶瓷复合体及有待制备的金属基质复合体（例如，目的成型金属基质复合体），适宜的填料粒径取值范围约为-200-500目或更细小。

一旦氧化反应产物经研磨成为所需粒经填料或预型体后，有必要用基质金属自发渗透填料或预型体。

为了使基质金属自发地渗透进入预型体，应该将渗透增强剂加至自发体系之中。渗透增强剂可以由渗透增强剂前体形成，它可以（1）在基质金属中;和/或（2）在预形体中：和/或（3）由渗透气氛;和/或（4）由外界来源被提供给自发体系。此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预形体、和/或基质金属、和/或渗透气氛之中至少一种提供渗透增强剂。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该位于至少一部分填料或预型体之中。

在一优选实施方案中，渗透增强剂前体可能至少是部分地与渗透气氛反应使得在先于或基本上与预型体与基质金属例如作为渗透增强剂前体的镁接触的同时在至少一部分预型体中形成渗透增强剂。氮为渗透气氛。

基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系的实例为铝/镁/氮体系。具体地讲，可将铝基金属装在一个在工艺条件下铝被熔化时不会与铝基金属和/或填料反应的适宜的耐火容器如氧化铝舟皿之中。预型体材料与熔融铝基质金属接触。

此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预型体或填料、和/或基质金属、和/或渗透气氛之中至少一种提供渗透增强剂。具体地说，渗透增强剂可以是经过研磨的氧化反应产物填料中的残余镁。归根结底，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应该位于至少一部分填料或预型体之中。

在本发明方法所选用的条件下，在铝/镁/氮自发渗透体系的情况下，预型体应该具备足够的可渗透性以便于含氮气体穿透或渗透填料和/或与熔融基质金属接触。此外，可渗透预型体能够适应熔融基质金属的渗透，从而使得被氮气渗透的预型体被熔融基质金属自发渗透从而形成金属基质复合体。自发渗透的程度以及金属基质复合体的形成将随着给定的工艺条件而发生变化，这些条件包括铝合金中的镁含量、预型体或填料中的镁含量、预型体或填料中的氮化镁含量、附加合金元素（例如硅、铁、铜、锰、铬、锌等）的存在构成预型体的填料的平均粒度（例如粒径）、填料或预型体的表面状况和类型、渗透气氛中的氮浓度、渗透时间和渗透温度。举例来说，对于熔融铝基金属所进行的自发渗透来说，铝可以与以合金重量为基准计至少大约1%（重）、以至少大约3%（重）为佳的镁（起着渗透增强剂前体的作用）形成合金。如上所述，基质金属中还可以包括辅助合金元素以便使其具备特定的性能。（另外，辅助合金元素会改变基质铝金属中进行自发渗透填料或预型体所需的最低镁量）。由于，举例来说，挥发所造成的镁损失不应该发展到没有用于形成渗透增强剂的镁这一程度。因此，有必要使用足量的初始合金元素以保证自发渗透不会受到挥发作用的不利影响。再说，当镁同时存在于预型体（或填料）与基质金属之中或者仅存在于预型体中时均会使进行自发渗透所需的镁量有所减少（下文将对此作更详细的讨论）。

氮气氛中氮的体积百分比同样会对金属基质复合体的形成速率有所影响。具体地说，该气氛中若存在低于大约10%（体积）氮的话，自发渗透就会非常缓慢或者几乎未发生自发渗透。业已发现，该气氛中以存在至少50%（体积）左右的氮为佳，因而使得，举例来说，渗透时间由于渗透速率大大加快而更加短暂。渗透气氛（例如含氮气体）可被直接提供给填料或预型体和/或基质金属，或者它可以由某一材料分解而成。

熔融基质金属渗透填料或预型体所需的最低镁量取决于一种或多种诸如加工温度、时间、辅助合金元素如硅或锌的存在、填料的性质、在一种或多种自发体系中镁所处的位置、气氛中氮含量以及氮气氛的流动速率之类的变量。随着合金和/或预型体的镁含量增加，可以选用更低的温度或更短的加热时间以实现完全渗透。此外，对于给定的镁含量来说，添加特定的辅助合金元素如锌允许选用较低的温度。举例来说，当基质金属的镁含量处于可操作范围下端例如大约1～3%（重）的时候，与其组合选用的至少为下列因素之一：高于最低加工温度、高氮含量或者一种或多种辅助合金元素。当预型体中未加镁时，以通用性为基础，在宽范围的加工条件下合金以含有大约3～5%（重）镁为佳，当选用较低温度和较短时间时以至少大约5%为佳。可以采用超过大约10%（铝合金重量）的镁含量以调节渗透所需温度条件。当与辅助合金元素结合使用时可以降低镁含量，不过这些元素仅具有辅助功能并且与至少上述最低镁量共同投入使用。举例来说，仅与10%硅形成合金的足够纯的铝于1000℃下基本上不渗透500目39    Crystolon（99%纯度碳化硅，Norton公司出品）的垫层。然而，在镁存在下，业已发现硅有助于渗透过程。再举一个例子，如果镁仅仅被提供给预型体或填料，其数量会有所改变。。经发现，当被供给自发体系的全部镁中至少有一部分被置于预型体或填料中或选用较高的渗透温度时，自发渗透将借助较低重量百分率所供给的镁进行。必要的是提供转少量的镁以防止在金属基质复合体内形成不必要的金属互化物。在碳化硅预型体的情况下，业已发现，当该预型体与铝基质金属接触时，在该预型体含有至少约1%（重）镁和有基本上纯的氮气氛存在条件下，基质金属自发渗透该预形体。在氧化铝预型体的情况下，实现可被接受的自发渗透所需镁量稍有增加。具体地说，业已发现，当氧化铝预型体与类似铝基质金属接触时，在大约与铝渗透碳化硅预型体相同的温度以及有相同氮气氛存在的条件下，需要至少约3%（重）镁实现与上述在碳化硅预型体中类似的自发渗透。

同样应该注意的是在基质金属渗入填料或预型体之前可以将渗透增强剂前体和/或渗透增强剂以置于合金表面和/或预型体或填料表面和/或置于预型体或填料之中的方式提供给自发体系（即不必使被提供的渗透增强剂或渗透增强剂前体与基质金属形成合金，而是被简单地提供给自发体系）。如果将镁施用于基质金属表面，则该表面优选地是十分接近于、或者最好是与填料的可渗透部分相接触，反之亦然;或者是这种镁混合于至少一部分预型体或填料之中。此外，还可以采用表面施用、形成合金与将镁置于至少一部分预形体中三种应用方式的某一组合形式。这一应用渗透增强剂和/或渗透增强剂前体的组合方式不仅能够减少促进基质铝金属渗透预型体所需镁的总重百分比，同时还能够降低渗透温度。此外，还能够将由于存在镁而形成的不需要的金属互化物数量减少至最低限度。

一种或多种辅助合金元素的应用以及周围气体中氮的浓度同样会对在给定温度下进行的基质金属的氮化程度产生影响。举例来说;包含在合金之中或被置于合金表面的辅助合金元素如锌或铁可被用于降低渗透温度从而减少氮化物的生成量，但是提高气体中氮气的浓度可用于促进氮化物形成。

合金中和/或被置于合金表面之上和/或结合于填料或预型体之中的镁的浓度同样易于影响在给定温度下的渗透的程度。因此，在某些几乎没有或完全没有镁与预型体或填料直接相接触的情况下，以合金中至少包含大约3%（重）镁为佳。若合金含量低于此数值如含有1%（重）镁，则需要较高的加工温度或辅助合金元素进行渗透。在下列情况下进行本发明的自发渗透方法所需温度较低：（1）当只有合金的镁含量增加例如达到至少5%（重）左右时;和/或（2）当合金成分与填料或预型体的可渗透部分混合时;和/或（3）当铝合金中存在另一种元素如锌或铁时。温度还可以随着填料的不同而有所变化。一般说来，自发和渐进渗透的工艺温度至少约为675℃、以至少约750～850℃为佳。一般情况下，当温度超过1200℃时似乎对该工艺过程不会产生任何益处，业已发现，特别适用的温度范围约为675～1200℃。然而，作为一般规律，自发渗透温度高于基质金属的熔点但是却低于基质金属的挥发温度。此外，自发渗透温度应该低于填料的熔点。再说，随着温度升高，基质金属与渗透气氛之间相互反应形成产物的倾向性也会有所增强（例如，在铝基质金属与氮渗透气氛的情况下，会形成氮化铝）。这类反应产物可以是必要的也可以是不需要的，这要取决于金属基质复合体的目的应用。另外，电阻加热是达到渗透温度的典型途径。然而，任何能够使基质金属熔化却对自发渗透不会产生不利影响的加热方式均适用于本发明。

在本方法中，举例来说，至少是在含氮气体（例如含有96%N₂和4%H₂的混合气体）存在下使可渗透预型体与熔融铝相接触并且在实现渗透所需的全部时间内保持接触，通过保持一连续的气流提供含氮气体，使其与预型体和/或熔融铝基质金属中的至少一种相互接触。虽然含氮气体的流量并非至关重要，但是该量以足以补偿由于合金基质中形成氮化物而在气氛中造成的氮损失。并且足以防止或抑制空气侵入从而对熔融金属产生氧化效果为佳。

形成金属基质复合体的方法适用于许多填料，而填料的选择取决于诸如基质合金、工艺条件、熔融基质合金与填料的反应能力以及目的复合体产物应具备的特性之类因素。举例来说，当基质金属为铝时，适宜的填料包括（a）氧化物，例如氧化铝;（b）碳化物，例如碳化硅;（c）硼化物，例如十二硼化铝;以及（d）氮化物，例如氮化铝。在一优选实施方案中，采用粉碎的氧化反应产物作为填料。此外，可以采用单独的或与其它填料组合在一起的粉碎的氧化反应产物以便得到用于渗透的可渗透预型体。如果填料易于与熔融铝基质金属反应，这可以通过最大限度地缩短渗透时间与最大限度地降低渗透温度或者通过向填料提供非反应涂层来加以调节。填料可以包含一种基体如碳或其它非陶瓷材料，该基体带有陶瓷涂层以防受到化学侵蚀与老化作用。适宜的涂层包括陶瓷氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的陶瓷材料包括呈颗粒、片晶、晶须和纤维状的氧化铝和碳化硅。纤维可以是不连续的（被切断）或以连续单位如多丝束的形式存在。此外，陶瓷体或预型体可以是均相的或非均相的。

用于形成陶瓷氧化反应产物或与经过粉碎的陶瓷氧化反应产物混合的填料可以呈现达到复合体必要特性所需的任何尺寸和形状。因此，既然渗透并非受到填料形状的限制，所以填料可以呈颗粒、晶须、片晶或纤维状。也可以选用诸如球体、小管、丸粒、耐火纤维布之类形状的填料。另外，虽然与较大的颗粒相比，较小颗粒进行完全渗透需要更高的温度或更长的时间，但是材料的大小并不限制渗透。此外，有待渗透的填料（被加工成预型体）应该是可渗透的（即可被熔融基质金属和渗透气氛所渗透）。

本发明的形成金属基质复合体的方法并不依赖于施加压力迫使或挤压熔融金属基质进入预型体填料之中从而产生具有高体积百分比填料和低孔隙率、基本上均匀的金属基质复合体。通过采用低孔隙率的原始填料和/或粒径可变以便提高充填效率的颗粒可以获得体积百分比至少约为50%数量级的较高的填料。只要不会将填料转化为有碍于熔融合金渗透具有闭孔多孔性的压块或完全密实的结构，通过将填料压实或以其它方式进行致密处理同样会获得体积百分比较高的填料。

已经观察到对于在陶瓷填料周围发生的铝渗透和基质形成来说，铝基质金属对陶瓷填料的润湿在渗透机理中起着重要的作用。此外，在低加工温度下，可忽略不计或极少量金属的氮化导致有极少量不连续相的氮化铝分散于金属基质之中。然而，当温度达到上限时，金属的氮化更容易发生。因此，可以通过改变渗透温度来控制金属基质中氮化物相的数量。当氮化物的形成更为明显时的特定加工温度同样会随着下列因素发生变化，这些因素有如所使用的基质铝合金，及其相对于填料体积的数量、有待渗透的填料和渗透气氛中的氮浓度。举例来说，人们认为在给定加工温度下氮化铝生成的多少随着合金润湿填料能力的下降以及随着气氛中氮浓度的增大而增加。

因此，能使金属基质的组成在产生复合体的过程中赋予所得到的产物以特定的特性。对于一给定的体系来说，可以选择工艺条件控制氮化物的形成。含有氮化铝相的复合体产物具有对于产物的性能起促进作用或能够改善产物性能的特性。此外，铝合金进行自发渗透的温度范围可以随着所用的陶瓷材料而有所变化。在选用氧化铝作为填料的情况下，如果想要使基质的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么渗透温度以不超过大约1000℃为佳。然而，如果希望形成含有延展性较差而硬度较高的基质复合体那么渗透温度可以超过1000℃。当选用碳化硅作为填料时，相对于使用氧化铝作为填料的情况，由于所形成的铝合金氮化物较少，所以，为了渗透碳化硅可以选用1200℃左右的较高温度。更为重要地，当使用粉碎的或经过研磨的氧化反应生长产物作为填料时，所选用的温度约为750-850℃。

具体地讲，通过定向氧化法形成的多晶材料可以含有诸如未氧化母体金属之类金属组分。在很大程度上依据在陶瓷或陶瓷复合体生产过程中母体金属的消耗（转化）程度，金属的量可在1-40%（体积）或更高的宽范围内变化。在使用该材料作为填料之前，有必要从氧化反应产物中分离出至少一部分母体金属的残余物或残余金属。这一分离过程可在多晶材料被破碎或研磨之前和/或之后完成。在某些情况下，氧化反应产物比金属更容易破裂，因此，在某些情况下可以通过研磨与筛分由金属中部分地分离氧化反应产物。然而，按照本发明，经过研磨的氧化反应产物单独使用或与另一填料组合使用时对熔融合金表现出亲和力，这显然是由于在加工条件下相同物质之间的亲和力和/或存在有一种或多种辅助合金元素。由于这种亲和力，已观察到与采用未经定向氧化法得到的市售陶瓷填料而进行的基本相同的方法相比，可以提高渗透动力学性能并且因此而使渗透以更快的速度进行。然而，如果使另一种填料与经过研磨的氧化反应产物相混，那么经过研磨的氧化反应产物的用量应该足以提高渗透动力学特性（例如填料中应该至少含有10-25%（体积）经过研磨的氧化反应产物。此外，当经过研磨的氧化反应产物用作填料时，已观察到该方法可在较低温度下进行，从成本与处理的观点考虑这样做是有利的。此外，在较低温度下，熔融金属不太易于与填料反应并且不太易于形成对金属基质复合体的机加工性能产生有害影响的不被欢迎的反应产物。

看起来对提高本发明的渗透作用有所影响的因素之一是与填料密切相关的辅助合金元素和/或铝母体金属的存在。举例来说，当铝在空气中发生氧化反应形成作为氧化反应产物氧化铝时，如共同所有专利及专利申请所述，典型情况下应该使用与铝母体金属组合的掺杂材料。母体金属或掺杂剂或某一部分不可以由反应体系中排出，因而可被分散于部分或基本上全部多晶陶瓷材料之中。这样，母体金属或掺杂材料可被浓缩于经研磨的氧化反应产物表面或者使母体金属或掺杂剂被结合在氧化反应产物之内。由于不希望受到任何特定理论或说明的限制，可以相信当多晶材料被研磨用作填料时，用于自发渗透经研磨的氧化反应产物的基质金属由于被包含在填料中的母体金属和/或掺杂材料而表现出对该填料的亲和力。具体地说，残余母体金属和/或掺杂剂通过被用作目的复合产物制备过程中的辅助合金元素而对渗透过程起到促进作用;和/或可起到渗透增强剂的作用;和/或起到渗透增强剂前体的作用。因此，经过研磨的氧化反应产物可以固有地提供至少一部分实现基质金属自发渗透填料或预型体所需渗透增强剂和/或渗透增强剂前体。

此外，可以使用一种基质金属储备源，以保证填料全部渗透，和/或提供与第一基质金属源的组成不同的第二种金属。具体地讲，就是在某些情况下，可能需要使用该储备源中与第一基体金属源组成不同的基质金属。例如，如果铝合金用做第一基质金属源，那么实质上任何其它在加工温度下能熔融的金属或金属合金都可以用做储备源金属。熔融金属通常具有良好的互溶性，因此，只要混合时间适当，储备源金属就会与第一基质金属源混合。所以，通过使用不同于第一基质金属源组成的储备源金属，就可能使金属基质的性能满足各种操作要求，由此调节金属基质复合体的性能。

本发明中也可以结合使用阻挡元件。具体地讲，应用本发明的阻挡元件可以在任何适于干扰、抑制、防止或中止熔融基质合金（如铝合金）超出由填料限定的界表面而形成的迁移，运动等的元件。合适的阻挡元件可以是满足下述要求的任何材料，化合物，元素或组合物等：能够局部抑制，停止，干扰或防止（及其它类似作用）超出填料的限定界表面的连续渗透或任一其它类型的运动，在本发明的加工条件下，能保持某种整体性，不挥发，最好能使过程中使用的气体渗透。

合适的阻挡元件由在所采用的加工条件下，基本不被渗透的熔融基质合金润湿的材料构成。这种阻挡元件对熔融基质合金几乎没有或没有亲合力，因此阻挡元件防止或抑制了超出填料或预型体的限定界表面的运动。阻挡元件可缩短金属基质复合体产品可能需要的目的加工或研磨过程。如上所述，阻挡元件最好是可渗透的或多孔的，或通过穿孔使其变成可渗透的，以使气体能够与熔融基质合金接触。

特别适用于铝基质合金的阻挡元件含有碳，尤其是称为石墨的同素异形结晶碳。在上述加工条件下，石墨基本不被熔融的铝合金湿润。特别优选的石墨是一种以商标为Grafoil

（注册在“联合碳化物公司”名下）销售的石墨条产品。这种石墨条具有防止熔融金属移出填料的限定界表面的封闭特性，它也耐热，并呈化学惰性。Grafoil

石墨材料是能变形的，可配伍的，整合的并且有弹性的材料。它能够被制成各种形状来满足对阻挡元件的使用要求。但是石墨阻挡元件也可以以淤浆或糊，甚至漆膜的形式用于填料或预型件界面之上及四周。Grafoil

是一种可变形的石墨片，因此在这里是特别优选的。使用时，这种象纸一样的石墨只是简单地被固定在填料或预型件的周围。

另一种较好的、用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件是过渡金属硼化物[如二硼化钛（Ti B₂）]。在使用时的某些加工条件下，它一般不被熔融铝金属合金润湿。用这种阻挡元件时，加工温度不应超过约875℃，否则阻挡元件就会失效。事实上，随着温度的增加，会发生向阻挡元件的渗透。过渡金属硼化物一般呈粒状（1～30微米）。阻挡元件也可以淤浆或糊的形式用于可渗透的陶瓷填料块的界面，这种材料块最好被预先成型，组成预型件。

另一种可用于在氮气中的铝金属基质合金的阻挡元件由低挥发性的有机化合物构成，它以膜或层的形式涂敷在填料或预型件的外表面上。在氮气中烧成时，特别是在本发明的加工条件下烧成时，有机化合物分解，留下一层碳黑膜。也可以用常规方法，如刷涂，喷涂或浸渍等涂敷这种有机化合物。

此外，只要经过细磨的粒状材料的渗透速率低于填料的渗透速率，该粒状材料就能起到阻挡元件的作用。

由此看来，阻挡板元件可以任何合适的方式使用，例如在限定的界表面上覆盖一层阻挡材料。将这样一层阻挡元件施用在限定的界表面时，可通过刷涂，浸渍，丝网印制，蒸发等方式，或者通过使用液状，浆状或糊状的阻挡元件，或者通过喷涂一种可蒸发的阻挡元件，或者通过简单地沉积一层粒状固体阻挡材料，或者通过使用阻挡元件的固体薄片或薄膜。放置好阻挡元件后，当正在渗透的基质金属到达限定的界面并与阻挡元件接触时，自发渗透则基本终止。

下面紧接着是实施例，其中包括了对本发明的各种不同的实施方案。但是，应该理解这些实施例是说明性的，不应将其解释为是对如所附权利要求书所定义的本发明范围的限定。

实施例1

图1所示为可用于生长氧化反应产物的组合体的截面示意图。具体地讲，将由经过稍微改进、Belmont    Metals出品的380.1铝合金构成的1    1/2×4×9英寸母体金属棒（1）放在由Norton公司提供的90粒度E1    Alumina床（2）上，此二者均被容纳在高纯度氧化铝耐火舟皿（4）之中。该氧化铝舟皿由Bolt工艺陶瓷公司出品，其纯度为99.7%。将母体金属棒（1）放在E1    Alumina床（2）之中从而使棒（1）的表面被床层（2）所浸没。铝合金含有大约2.5-3.5%Zn、3.0-4.0%Cu、7.5-9.5%Si、0.8-1.5%Fe、0.2-0.3%Mg、0-0.5%Mn、0-0.001%Be和0-0.35%Sn。通过将大约5g    140粒度的氧化硅颗粒（3）基本上只加在铝合金棒（1）的上表面来从外部掺杂铝金属棒使陶瓷体只由合金（1）的表面朝向气氛（例如背离床层（2））生长。将含有床层（2）、铝合金（1）和掺杂剂（3）的舟皿（4）放在电阻加热炉中，将该炉以大约200℃/小时的速度加热至大约1100℃并且在此温度下保持一段时间足以使熔融铝金属在空气环境中与氧反应从而得到氧化反应产物。加热期间，使空气在炉中循环以便提供氧化剂。生长的氧化反应产物于铝合金（1）之上形成一个“条块”。然后，使舟皿（4）及其内含物冷却。脱除舟皿中的最终氧化反应产物（即条块）并且通过用锤子敲打除掉母体金属残余物。

然后将氧化反应产物放在颚式破碎机中并将其破碎成高尔夫球或豌豆大小的碎块。随后将氧化反应产物的碎块放在装有氧化铝研磨介质和水的瓷罐中。借助球磨机降低碎块的尺寸，使其变成更小的颗粒。此外，由于氧化反应产物可以含有未氧化的来自母体铝合金的残余母体金属，因而有必要控制球磨期间溶液的pH值，从而减少铝与水之间的任何反应。将球磨操作继续进行约36小时。进行球磨之后，采用传统工艺干燥与过滤瓷罐内的物料。待进行球磨之后，将任何大于20目的残存碎块送回到球磨机中再次研磨。收集小于100目却大于-200目的碎氧化反应产物颗粒。

图2为可用于使基质金属渗透经过研磨的氧化反应产物的组合体的截面示意图。具体地说，将经过研磨的氧化反应产物（12）放在与上述所用相似的高纯度氧化铝舟皿（14）之中以便形成氧化反应产物。将待渗透的基质金属（10）的铸块放在碎氧化反应产物（12）的顶端从而使所述基质金属（10）在经过研磨的填料（12）的表面上扩展。用于自发渗透碎氧化反应产物（12）的铝合金（10）为1×2×1/2英寸的基质金属棒或铸块。基质金属铝合金中含有约5%（重）硅和5%（重）镁。将容纳有这一材料组合体的氧化铝舟皿（14）放在电阻加热套炉中。密封该套炉以便基本上只存在渗透气氛。这样，采用成型气体作为渗透气氛（即96%（体积）氮和4%（体积）氢）。混合气体以大约350cc/分钟的速度通过套炉。加热套炉约10小时直至温度达到约800℃为止。在此温度下保持约5小时后，使炉子冷却5小时。提出炉中的组合体可以观察到基质金属（10）基本上全部嵌入填料（12）。

图3为按照实施例1制备的金属基质复合体被放大400倍的显微照片。较暗的区域（26）对应于碎氧化反应产物填料，较亮的区域（21）对应于基质金属。

实施例2

该实施例为对比实施例。在此实施例中，将作为Norton公司生产的熔融氧化铝颗粒的市售90粒度38    Alundum放在氧化铅舟皿之中。将用于实施例1的相同的基质金属放在其上面。将这些材料放在与实施例1所述相同的装置中，如图2所示。将组合体放在套炉内并且按照实施例1进行加热。冷却后，撤走舟皿并且进行检验。未发现明显的合金基质金属渗透的现象。

实施例3

该实施例为对比实施例，为了证实本发明的碎氧化反应产物可以在低温下被自发渗透，进行下列实验。具体地讲，重复实施例2的步骤，所不同的是采用较高的渗透温度。具体地讲，将容纳有实施例2的材料组合体的舟皿放在套炉中并且按照实施例1所述在约900℃的高温下加热。冷却炉子并撤走舟皿。检验后，发现基质金属基本上渗透完全。

上述实施例表明采用碎氧化反应产物作为填料的必要性。具体地讲，业已发现当采用碎氧化反应产物作为填料时可以提高渗透的动力学特性。

虽然已经具体地描述了上述实施例，但是本专业普通技术人员可以对这些实施例作出各种各样的改进，所有这些改进均被视为属于本文附带权利要求书的范围。

图1

Claims (44)

1、一种制备金属基质复合体的方法，该方法包括：提供一种经过研磨的氧化反应产物作为填料；和用熔融基质金属自发渗透至少一部分填料。

2、按照权利要求1所述的方法，其中还包括在至少一部分渗透时间内使渗透气氛与填料和基质金属中的至少一种发生联系的步骤。

3、按照权利要求2所述的方法，其中还包括将渗透增强剂前体和渗透增强剂中的至少一种供给基质金属、填料和渗透气氛中至少一种的步骤。

4、按照权利要求1所述的方法，其中还包括将渗透增强剂前体和渗透增强剂中的至少一种供给基质金属、填料中的至少一种的步骤。

5、按照权利要求3所述的方法，其中渗透增强剂前体和渗透增强剂前体中的至少一种由外部来源提供。

6、按照权利要求1所述的方法，其中所述经过研磨的氧化反应产物固有地含有渗透增透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种。

7、按照权利要求1所述的方法，其中还包括在至少一部分渗透时间内使至少一部分填料与渗透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种相互接触的步骤。

8、按照权利要求3所述的方法，其中通过使渗透增强剂前体与选自渗透气氛、填料和基质金属中的至少一种反应可形成渗透增强剂。

9、按照权利要求8所述的方法，其中渗透增强剂前体在渗透期间挥发。

10、按照权利要求9所述的方法，其中经过挥发的渗透增强剂前体发生反应从而在至少一部分填料中形成反应产物。

11、按照权利要求10所述的方法，其中所述反应产物可被所述熔融基质金属至少部分地还原。

12、按照权利要求11所述的方法，其中所述反应产物涂敷至少一部分所述填料。

13、按照权利要求11所述的方法，其中填料包括预型体。

14、按照权利要求1所述的方法，其中还包括用阻挡元件限定填料表面边界的步骤，其中基质金属自发渗透至阻挡元件。

15、按照权利要求14所述的方法，其中阻挡元件含有选自碳、石墨和二硼化钛的材料。

16、按照权利要求14所述的方法，其中所述阻挡元件基本上不可被基质金属润湿。

17、按照权利要求14所述的方法，其中所述阻挡元件包含至少一种使渗透气氛与基质金属、填料、渗透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种相互联系的材料。

18、按照权利要求1所述的方法，其中填料含有至少一种选自粉末、片晶、薄片、微球、须晶、泡体、纤维、颗粒、纤维簇、切削纤维、球体、丸粒、小管和耐火布的材料。

19、按照权利要求18所述的方法，其中填料在熔融基质金属中的溶解度有限。

20、按照权利要求3所述的方法，其中基质金属含有铝，渗透增强剂前体含有至少一种选自镁、锶和钙的材料，渗透气氛含有氮。

21、按照权利要求3所述的方法，其中基质金属含有铝，渗透增强剂前体含有锌，渗透气氛含有氧。

22、按照权利要求4所述的方法，其中渗透增强剂前体中的至少一种被提供于填料与基质金属的边界处。

23、按照权利要求1所述的方法，其中渗透增强剂前体于基质金属中形成合金。

24、按照权利要求1所述的方法，其中基质金属含有铝与至少一种选自硅、铁、铜、锰、铬、锌、钙、镁和锶的合金元素。

25、按照权利要求4所述的方法，其中渗透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种被供给在基质金属和填料之中。

26、按照权利要求3所述的方法，其中渗透增强剂和渗透增强剂前体中的至少一种被供给基质金属、填料和渗透气氛中的至少一种之中。

27、按照权利要求1所述的方法，其中自发渗透温度高于基质金属的熔点，但却低于基质金属的挥发温度和填料的熔点。

28、按照权利要求1所述的方法，其中自发渗透温度富有为750-850℃。

29、按照权利要求2所述的方法，其中渗透气氛包含选自氧和氮的气氛。

30、按照权利要求3所述的方法，其中渗透增强剂前体包含选自镁、锶和钙的材料。

31、按照权利要求1所述的方法，其中基质金属含有铝，填料含有选自氧化物、碳化物、硼化物和氮化物的材料。

32、按照权利要求1所述的方法，其中经过研磨的氧化反应产物为多晶体。

33、按照权利要求1所述的方法，其中经过研磨的氧化反应产物为复合材料。

34、按照权利要求1、3或4所述的方法，其中所述经过研磨的氧化反应产物包括熔融母体金属与气相氧化剂、液相氧化剂和固相氧化剂中至少一种所形成的反应产物。

35、按照权利要求34所述的方法，其中还包括在熔融基质金属自发渗透之前还原经过研磨的氧化反应产物中母体金属的步骤。

36、按照权利要求1、3或4所述的方法，其中经过研磨的氧化反应产物包括熔融母体金属与选自氧、氮、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲及其组合物之类氧化剂所形成的反应产物。

37、按照权利要求1、3或4所述的方法，其中氧化反应产物包括至少一种选自氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和氧氮化物的材料。

38、按照权利要求1、3或4所述的方法，其中氧化反应产物包括至少一种选自氧化铝、氮化铝、碳化硅、硼化硅、硼化铝、氮化钛、氮化锆、硼化钛、硼化锆、碳化钛、碳化硅、硼化铪和氧化锡之类的材料。

39、按照权利要求1所述的方法，其中氧化反应产物经研磨其粒径约为200-500目。

40、一种含有嵌入氧化反应产物填料的三维内连基质金属的金属基质复合体。

41、按照权利要求40所述的金属基质复合体，其中有至少一种第二填料与氧化反应产物填料相混合，所述至少一种第二填料含有至少一种选自粉末、片晶、薄片、微球、须晶、气泡、纤维、颗粒、纤维簇、切削纤维、球体、丸粒、小管和耐火布之类的材料。

42、按照权利要求40所述的金属基质复合体，其中氧化反应产物含有至少一种选自氧化铝、氮化铝、碳化硅、硼化硅、硼化铝、氮化钛、氮化锆、硼化钛、硼化锆、碳化钛、碳化硅、硼化铪和氧化锡。

43、按照权利要求40所述的金属基质复合体，其中氧化反应产物含有至少一种选自氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和氧氮化物之类的材料。

44、按照权利要求40所述的金属基质复合体，其中氧化反应产物含有由熔融母体金属与选自氧、氮、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲及其组合物之类材料所形成的反应产物。

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