制備金屬基體復合材料的方法

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制備金屬基體復合材料的方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于制備金屬基體復合材料的方法，所述方法包括：(a)形成金屬盒，所述金屬盒包括具有長度和寬度的底部成型板、具有長度和高度的第一對側面成型板以及具有寬度和高度的第二對側面成形板；(b)將金屬粉末和陶瓷粉末混合以制備混合粉末；(c)用所述混合粉末填充所述金屬盒；(d)在所述金屬盒中將所述混合粉末壓實以提供包括壓實粉末預成型件的所述金屬盒；(e)以與包括所述壓實粉末預成型件的所述金屬盒穩固鄰接的方式將頂部成型板設置到所述金屬盒上并且圍繞其邊緣密封以生成預軋制組件；以及(f)在所述預軋制組件上進行熱加工以獲得具有金屬鍍層的所述金屬基體復合材料。
【專利說明】
制備金屬基體復合材料的方法
技術領域
[0001] 本發明描述了用于制備金屬基體復合物的方法。在一個實施方案中，金屬基體復合物用作中子屏蔽材料。
【背景技術】
[0002] 包括金屬和陶瓷的金屬基體復合(MMC)材料已經越來越多地在用于新燃料和廢燃料的存儲和運輸的核工業中用作中子屏蔽材料。

【發明內容】

[0003] 需要具有增大的最終密度和/或更高陶瓷含量的MMC制品，從而在至少一個實施方案中得到改善的性能。另外需要改善加工成本和/或降低制造成本。
[0004] 在一個方面，提供了用于制備金屬基體復合材料的方法，該方法包括：
[0005] (a)形成金屬盒，該金屬盒包括:具有長度和寬度的底部成型板、具有長度和高度的第一對側面成型板W及具有寬度和高度的第二對側面成型板.
[0006] (b)將金屬粉末和陶瓷粉末混合W制備混合粉末；
[0007] (C)用混合粉末填充金屬盒；
[000引（d)在金屬盒中將混合粉末壓實W提供包括壓實粉末預成型件的金屬盒；
[0009] (e)w與包括壓實粉末預成型件的金屬盒穩固鄰接的方式將頂部成型板設置到金屬盒上并且圍繞其邊緣密封W生成預社制組件；W及
[0010] (f)在預社制組件上進行熱加工W獲得具有金屬鍛層的金屬基體復合材料。
[0011] 上述
【發明內容】
并非旨在描述每個實施方案。本發明的一個或多個實施方案的細節還在下面的說明書中給出。根據本說明書和權利要求書，其他特征、目標和優點將顯而易見。
【附圖說明】
[0012] 在附圖中；
[OOU]圖巧預社制組件10的透視圖；
[0014] 圖2為金屬盒20的透視圖，其示出了長度(1)、寬度(W)和高度化）；
[0015] 圖3為壓實組件30的側視圖；并且
[0016] 圖4為在(A)0TSI、（B)3TSI、和(07TSI下壓實的金屬基體復合材料的顯微圖。
【具體實施方式】
[0017] 如本文所用，術語
[0018] "-個(一種r和"所述"可互換使用并意指一個或多個;并且
[0019] "和/或"用于表示所說明的情況的一者或兩者均可能發生，例如，A和/或B包括(A 和B)和(A或B)。
[0020] 另外，本文中由端點表述的范圍包括該范圍內所包含的所有數值(例如，1至10包括 1.4、1.9、2.33、5.75、9.98等）。
[0021] 亦如文中所述，表述"至少一個"包括一及大于一的所有數字(例如，至少2、至少4、至少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至少100等）。
[0022] 近年來，已經開發出了侶復合材料，不僅是因其強度和低密度，而且因需要高楊氏模量、耐磨性、熱耗散、耐腐蝕性、低熱膨脹W及中子吸收能力的其他用途。一般來講，可通過增加具有所需功能的陶瓷的量來增加每項功能，但僅僅增加量可導致可加工性、擠出能力、社制能力、延展性和鍛造能力大大降低。
[0023] 因此，已經設想出使陶瓷預成型、用侶烙體浸潰、隨后將高濃度陶瓷均勻分散在基體相中的方法，但運帶有由于烙體滲透不足和凝固過程中形成的收縮而出現的可能缺陷的缺點。另外，常常存在陶瓷在侶中的凝聚和分離。
[0024] 美國專利7,998,401(01?1111^等人)公開了據說易于產生的增加11(：中的陶瓷含量的可供選擇方法。Okaniwa等人公開了在金屬薄片內對侶/陶瓷粉末混合物進行電壓力燒結并且隨后使該金屬包覆材料經受塑性加工步驟。
[0025] 在本公開中，已發現通過壓實包括金屬粉末和陶瓷粉末的混合粉末，可實現高密度的粉末，同時將熱成型期間的材料變形和鋪展降到最低，從而得到例如具有增大的性能效率的材料。
[00%]可通過參考圖1來理解本公開。圖1所示為預社制組件10,該組件包括金屬盒12、壓實粉末預成型件15和頂部成型板18。隨后社制預社制組件W形成被封入的金屬基體復合物。
[0027] 金屬盒
[0028] 金屬盒包括5個金屬側面:底部成型板、第一對側面成型板和第二對側面成型板。金屬盒可由五個單獨的金屬小片或更少個制成。例如，金屬盒可通過2個金屬小片成型：形成側壁的單片W及底片。
[0029] 成型板由金屬制成。只要金屬在粘附力方面優于粉末材料并且適用于熱社制，所使用的金屬就沒有具體限制，此類金屬包括：侶、儀和不誘鋼。示例性金屬包括例如純侶 (AA1100、AA1050、AA 1070等）；侶合金材料，諸如A1-Cu合金(AA2017等）、A1-Mg合金 (AA5052等）、A1 - Mg-Si 合金(AA6061等）、A1-化一 Mg 合金(AA7075等）和 A1 - Μη 合金;儀合金材料，諸如Mg-A^ai-Mn (ΑΖ31、ΑΖ61等）；W及不誘鋼合金材料，諸如化-Cr (SAE 304、316、 31化等）。
[0030] 金屬盒主要用作容器W將壓實粉末如所加工的那樣保持。所選金屬應當參考期望的特性、成本等等來確定。例如，當希望改善可加工性和熱耗散能力時，純侶為優選的。與侶合金相比較，純侶在核應用的污染控制和原材料成本方面也是優選的。當希望改善強度或可加工性時，A1 - Mg合金(AA5052等)為優選的。
[00川金屬粉末
[0032]將包括金屬粉末和陶瓷粉末的混合粉末容納在金屬盒內。通常，金屬粉末為侶，然而可使用其他金屬粉末，包括儀或不誘鋼。金屬粉末的示例性類型包括純侶（具有至少 99.0%純度的侶粉末，例如AA1100、AA1050、AA1070等），或包含侶W及0.2質量％至2質量％的另一金屬的侶合金。此類合金包括:A1-Cu合金(AA2017等）、A1-Mg合金(AA5052等）、 A1 - Mg-Si合金(AA6061等）、A1-化一 Mg合金(AA7075等)和A1 - Μη合金，其單獨地存在或作為兩者或更多者的混合物存在。
[0033] 要選擇的金屬粉末的組成可參考例如期望的特性、耐腐蝕性、污染控制、熱加工中的變形阻力、混合的陶瓷顆粒的量W及原料成本來確定。例如，當希望增加可加工性或熱耗散時，純侶粉末(諸如ΑΑ1ΧΧΧ侶系列，其中X為編號）為優選的。與侶合金粉末的情況相比較，純侶粉末在原材料成本方面也是有利的。作為純侶粉末，優選的是使用具有至少99.0質量％的純度(可商購獲得的純侶粉末通常具有至少99.7重量％的純度)的純侶粉末。
[0034] 當希望獲得中子吸收能力時，使用棚化合物作為要在下面描述的陶瓷顆粒，但當希望進一步增加所得中子吸收能力時，優選的是向侶粉末中添加1-50質量％的提供中子吸收能力的一種類型的元素，諸如倍化f)、衫(Sm)或似Gd)。另外，當需要高溫強度時，可W添加選自鐵(Ti)、饑(V)、銘(Cr)、儘(Μη)、鐵(Fe)、銅(Cu)、儀(Ni)、鋼(Mo)、妮(nb)、錯(Zr)和鎖（Sr)的至少一種元素，并且當需要室溫強度時，可W添加選自娃(Si)、銅(Cu)、儀(Mg)和鋒(Zn)的至少一種元素，每種元素按2質量％或更小的比例，并且總計為15質量％或更小的質量％添加。
[0035] 雖然金屬粉末的平均粒度沒有具體限制，但一般來講金屬粉末應當為至多約50化 m(微米K150WI1或甚至60皿或更小。雖然只要可生產，平均粒度的下限就沒有具體限制，但一般來講粉末應當為至少1皿、5皿、10皿或甚至20皿。出于本公開的目的，平均粒度是指通過激光衍射粒度分布所測量的化0值。金屬粉末的形狀也沒有限制，并且可為淚滴狀、球形、楠圓形、片狀或不規則中的任何一者。
[0036] 在本公開的一個實施方案中，金屬粉末具有單峰粒度分布。在本公開的另一個實施方案中，金屬粉末具有多峰粒度分布(例如，雙峰、Ξ峰等）。在一個實施方案中，金屬粉末具有雙峰分布，其中第一模式(包括較小顆粒)與第二模式(包括較大顆粒)的平均粒度的比率為至少1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的寬度可為寬的或窄的。
[0037] 金屬粉末的生產方法沒有限制，并且可通過金屬粉末生產的公共已知方法而產生。生產方法可為例如通過霧化、烙紡、旋轉盤、旋轉電極或其他快速冷卻固化方法，但對于工業生產來說，霧化方法，特別是其中通過霧化烙體來產生粉末的惰性氣體霧化方法為優選的。
[00；3引陶瓷粉末
[0039] 陶瓷粉末與金屬粉末混合W最終形成金屬基體復合物。示例性陶瓷粉末包括 Al2〇3、SiC或B4C、BN、氮化侶和氮化娃。運些可單獨地或作為混合物使用，并且根據復合材料的預期用途來選擇。
[0040] 要選擇的陶瓷粉末的組成可參考例如期望的特性、所使用的陶瓷顆粒的量W及成本來確定。當希望獲得中子吸收能力時，通常將棚化合物用于陶瓷顆粒。
[0041] 棚(B)具有吸收中子的能力，因此如果使用含棚陶瓷顆粒，則本公開的MMC可用作中子吸收材料。在那種情況下，含棚陶瓷可為例如B4C、TiB2、B2化、BN FeB或化B2,其單獨地或作為混合物使用。具體地，優選的是使用碳化棚B4C，其包含大量1?，它是良好吸收中子的B 的同位素。
[0042] 陶瓷粉末的生產方法沒有限制，并且可通過陶瓷粉末生產的公共已知方法而產生。在陶瓷的合成之后，可使用修整工藝(諸如噴射研磨或球磨)調節粒度。導致楠圓體形狀顆粒或球形形狀顆粒的修整工藝是優選的。
[0043] 雖然陶瓷顆粒的平均粒度沒有具體限制，但一般來講陶瓷粉末應當為至多約60μ m、40皿或甚至20μηι并且至少1皿、3μηι或甚至扣m。如果平均粒度大于60皿，則粗顆粒使金屬基體復合物變得易碎，從而影響機械性能。如果平均粒度小于Ιμπι，則運些細粉可聚集在一起，使得難W實現與金屬粉末的均勻混合物。出于本發明的目的，平均粒度是指通過激光衍射粒度分布測量所測量的化0值。粉末的形狀也沒有限制，并且可為球形、楠圓形、片狀或不規則中的任何一者。
[0044] 在本公開的一個實施方案中，陶瓷粉末具有單峰粒度分布。在本公開的另一個實施方案中，陶瓷粉末具有多峰粒度分布(例如，雙峰、Ξ峰等）。在一個實施方案中，陶瓷粉末具有雙峰分布，其中第一模式(包括較小顆粒)與第二模式(包括較大顆粒)的平均粒度為至少1:2、1:3、1:5、1:7、1:11或甚至1:20。模式的寬度可為寬的或窄的。
[0045] 制備方法
[0046] 用于產生根據本公開的金屬基體復合材料的方法包括(a)形成金屬盒；（b)將金屬粉末和陶瓷粉末混合并且將其置于金屬盒中；（C)壓實金屬盒內的混合粉末；（d)將頂部成型板置于金屬盒的頂部并且將盒密封W形成預社制組件；W及(e)對預社制組件熱加工。
[0047] 制備盒
[0048] 金屬盒可由多個板成型構件形成，或可為單片。在一個實施方案中，金屬盒由通過 W下過程獲得的單片金屬制成：（i)切割出金屬板材料的中屯、部分，或（ii)切割成適當長度的中空擠出材料，并且隨后使底板成型至單片金屬，從而形成盒。
[0049] 圖2所示為金屬盒20的示意圖，該金屬盒包括底部成型板21、彼此相對的第一對側面成型板23a和23bW及彼此也相對的第二對側面成型板25a和25b。底板具有第一厚度、長度和寬度。第一對側面成型板具有第二厚度、長度和寬度。第二對側面成型板具有第Ξ厚度、寬度和局度。
[0050] 金屬成型板可密封在一起W形成金屬盒。金屬盒的密封可為連續或不連續的，前提是只要盒保持在一起，使得即使當組件經受熱社制時其也能包含下文所述的混合粉末。通常，此類密封材料包括:金屬(例如，金屬惰性氣體焊接，諸如鶴惰性氣體焊接;或摩擦攬拌焊接）。在一個實施方案中，平滑焊接接合設置在小片的邊緣之間。焊接可通過連續、利落、均勻的流動而形成。在一個實施方案中，不允許焊接中有任何空隙，因為運將意味著盒或鑄塊中的結構薄弱并且致使其在后續社制期間斷開。
[0051] 金屬盒具有如圖2所示的長度（1)、寬度(W)和高度化）。金屬盒的長度和寬度均大于高度。應當理解，可采用不同尺寸的盒并且后續操作可產生不同厚度的成品。
[0052] 通常，盒的長度沒有具體限制，因為熱加工步驟沿長度軸線進行。通常，盒的寬度受到所用機械長度(例如，漉，擠出機的尺寸）的限制，其用于在熱加工步驟中使制品變平。在一個實施方案中，盒的長度和寬度不同。在一個實施方案中，盒的長度和寬度相同。示例性長度包括：至少10cm(厘米）、15cm、25cm或甚至50cm;并且不超過Im (米）、2m、5m或甚至 10m。示例性寬度包括：至少5cm、10cm、15cm、25cm或甚至50cm; W及至多50cm、100cm或甚至 200cm。
[0053] 金屬盒的高度通常受熱加工機械(例如，漉)的尺寸的限制。示例性高度包括:至多 600mm(毫米）、400mm、200mm、80mm 或甚至 50mm;并且至少 10mm、20mm 或甚至 30mm。
[0054] 在一個實施方案中，金屬盒的高度小于金屬盒的長度和寬度。由于在混合粉末和金屬盒側面之間產生的摩擦，在進行冷壓實時運是特別優選的。在一個實施方案中，金屬盒的高度對寬度的比率為至少1: 2、1:2.5或甚至1:5;并且不超過1:100或甚至1:200。
[0055] 每塊板將具有厚度，通常小于1英寸（2.5cm)。板應當足夠厚W經受熱加工的壓實和應力，但足夠薄W將包覆厚度降到最低，并且降低所得成品的成本、重量和堆積體積。在一個實施方案中，頂部成型板和底部成型板為相同厚度。在一個實施方案中，頂部成型板和底部成型板為不同厚度。在一個實施方案中，底部成型板和相對的頂部成型板比各對側面成型板薄。在一個實施方案中，底板和相對頂板與各對側面成型板相同或底板和相對頂板比各對側面成型板更厚。板中每一者的示例性厚度包括至少1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、12mm 或甚至20mm;并且不大于50mm、100mm、125mm或甚至200mm。
[0056] 莖含
[0057] 金屬粉末和陶瓷粉末均勻地混合。在一個實施方案中，混合粉末包含至少0.1質量％、0.5質量％、1質量％、5質量％、10質量％、20質量％或甚至30質量％^及最多40質量％、50質量％、55質量％或甚至60質量％的陶瓷粉末。就中子屏蔽而言，由于活性材料為碳化棚，因此存在的碳化棚越多，越好。然而，當陶瓷粉末的含量增加時，熱加工的變形阻力增加，可加工性變得更難，并且形成的制品變得更易碎。另外，金屬顆粒和陶瓷顆粒之間的粘附力變差，并且可出現間隙，從而使得不可獲得期望功能并且無法減小所得MMC的密度、強度和熱導率。此外，當陶瓷含量增加時切割能力也降低。
[0058] 金屬粉末可為單獨的一個類型，或可為多個類型的混合，并且陶瓷顆粒同樣可由單獨的一個類型或多個類型組成，諸如通過在B4C和Al2〇3中混合。同樣，粉末可包括單峰或多峰(例如，雙峰)粒度分布。
[0059] 通常，將選擇金屬粉末和陶瓷粉末的平均粒度W用于最終材料中的均勻度，W及最大加工容易度(例如，增加可壓縮性）。例如，如果金屬和陶瓷粉末具有類似密度，則優選的是將金屬粉末粒度分布與陶瓷粒度匹配。運將允許陶瓷粉末顆粒更均勻地分布在所得 MMC中，從而具有性能穩定作用。如果平均粒度變得太大，則變得難W實現與陶瓷顆粒的均勻混合物，所述陶瓷顆粒的平均粒度由于易于斷裂而不可太大，并且如果平均粒度變得太小，則細金屬粉末可聚集在一起，從而使得極其難W獲得與陶瓷粉末的均勻混合物。
[0060] 粉末材料完全混合W確保基本上絕對的均勻度。為此，優選的是將所需量的粉末材料置于動力混合器中并且攬拌，直至已產生一種材料在另一材料整個范圍內的均勻分布。可使用例如混合器諸如錯流V共混機、V共混機或交叉旋轉式混合器、或者振動磨或行星磨，在指定的時間（例如，5分鐘至10小時）內使用本領域已知的混合方法。另外，可添加介質諸如氧化侶球等W用于在混合期間壓扁的目的。此外，混合可在干燥或潤濕條件下進行。例如，為了易于壓實或防塵控制，可使用某種材料諸如水、油、溶劑、溶媒或者其他有機或無機化合物。
[0061] 壁
[0062] ^將完全混合的粉末，其為具有第一密度的松散混合粉末，置于金屬盒中并且使用壓力壓實W生成具有第二密度的混合粉末。在壓實之后，壓實粉末預成型件具有至少 0.65、0.68、0.70、0.73、0.75、0.78或甚至0.80、并且不大于1.00的密度比率(或相對密度）。如本文所用，密度比率是指混合粉末的實際密度與完全不含孔隙度（即，呈現完全致密的材料)的相同材料的密度相比較。
[0063] 將金屬盒置于模具內并且用混合粉末完全填充金屬盒。為了確保粉末材料沉淀W 及消除任何大量的空氣混入，可用棒或鍵敲打盒的側面，或可使填充的容器劇烈振動W實現相同目的。使用計算量的混合粉末，使得在壓實之后，理想地，壓實混合粉末與金屬盒的頂表面齊平。因為盒初始填充過量，在一個實施方案中，將立管架（或套筒)置于金屬盒上方，該金屬盒位于模具內，W容納具有第一密度的額外混合粉末。參見圖3。在金屬盒內壓實混合粉末。如本文所用，壓實是指使用壓力（或力）來壓實粉末，運增加材料的密度，同時允許粉末保持為固態。換句話講，壓實不僅重新布置金屬盒內的顆粒W將其更緊密地堆積，而且還使顆粒變形，從而實現更緊密地堆積。顆粒緊密地堆積，從而阻止其在進一步處理和加工之后位移。然而，在壓實步驟期間未發生金屬粉末的大量烙融。可使用任何壓實方法(即，施加壓力或力），包括例如固體壓實、冷等靜壓(CIP)或單軸冷壓。在一個實施方案中，可將沖壓機插入模具中W壓實混合粉末。
[0064] 雖然不想受到理論的限制，但據信壓實不僅使材料致密化，而且使顆粒"固定"，防止其在后續處理和加工期間移動或流動，從而得到均勻的金屬基體復合物。因此，在一個實施方案中，壓力(或力)應當足夠大W固定混合粉末，從而防止顆粒在處理和/或加工時沉淀或移動。通常，在施加更多壓力時材料可變得更致密。在一些應用中，在壓實的壓力下陶瓷顆粒可被壓扁，運可減弱MMC的所得性能。根據所使用的粉末的特性，所施加的典型壓力為至少1TSI (噸/每平方英寸）、3了51、5了51、7了51或甚至9了51。在一些實施方案中，根據所使用的粉末的特性，所施加的壓力不超過10TSI、15TSI或甚至20TSI。
[0065] 在一個實施方案中，振動與壓實一起使用。在一個實施方案中，混合粉末不經受燒結。
[0066] 圖3所示為壓實組件30的側視圖，其示出了金屬盒31、混合粉末32、模具底板33和模具框架35。套筒34用作過量填充的混合粉末的立管，所述混合粉末用頂部沖壓機36壓實。
[0067] 混合粉末的壓實將給定部分中的活性材料的量最大化，從而改善所得材料的功能性。粉末的壓實也可在熱加工之前將粉末固定，從而在熱加工步驟期間迫使壓實并且限制變形。
[0068] 包括壓實混合粉末的填充金屬盒隨后由頂部成型板閉合，所述頂部成型板被切割成所需尺寸。頂部成型板與和底部成型板相對的金屬盒穩固鄰接。頂部成型板可為如針對金屬盒所述的相同材料。W與上文所述密封金屬盒的底部構件和側面構件類似的方式將頂部成型板密封到適當位置，W形成預社制組件。
[0069] 在一個實施方案中，在側面提供通往預社制組件的小開口 W用于排氣。例如，鉆出 ^個1/4英寸(6mm)孔并且隨后通過插入1/4英寸(6mm)侶馴釘將孔暫時閉合。運些馴釘作為塞操作并且將材料保持在預社制組件中直至對其進行社制。當對預社制組件進行社制時，從鉆孔中去除塞W允許任何夾帶的空氣逸出。
[0070] 熱加工
[0071] 預社制組件經受熱加工諸如熱社制、熱擠出或熱鍛造，從而進一步改善粉末混合密度，同時實現所需形狀。當制備板形包覆材料時，可W獲得與金屬板材料具有指定包覆比率的包覆板材料。熱加工可由單個過程組成，或可為多個過程的組合。另外，可在熱加工之后進行冷加工。就冷加工而言，材料可通過在加工之前在100-530°C(優選地400-520°C)下退火而變得更易于加工。
[0072] 就熱社制而言，通常首先對預社制組件進行預熱W在熱加工（例如，熱社制）步驟之前使金屬發生軟化。所使用的溫度可根據混合粉末的組成和金屬盒而變化。例如，當混合粉末包括超過22重量％的陶瓷粉末時，預熱應當為使得所使用的溫度應當為金屬粉末烙融溫度的至少90 %、92 %、94 %或甚至96 %，但不大于金屬盒烙點。在一個實施方案中，對侶 (AA1XXX系列）的預社制組件進行加熱W降低材料的阻力，此類溫度包括:至少400°C、45(rC 或甚至500°C ; W及至多600°C、620°C或甚至630°C。
[0073] 在一個實施方案中，制成的預社制組件被堆疊裝載于浸泡加熱爐中并且優選地在預社制組件之間設置1英寸墊片W允許從所有側面均勻加熱。例如，當使用侶時，加熱爐溫度保持在400°C，或優選地500°C或甚至高達600°C，但不高于700°C，并且進行加熱，直至將預社制組件加熱至所需熱加工溫度。
[0074] 由于預社制組件由金屬板材料包覆，因此表面將不具有任何陶瓷顆粒，所述陶瓷顆粒否則可能為熱加工期間損壞的起源點，或者磨損模具、漉或材料所接觸的任何其他設備。因此，可W獲得具有良好可加工性、在強度和表面特性方面優良的金屬基體復合材料。另外，已經受熱加工的所得材料將具有用金屬包覆的表面，其中在表面上的金屬與內部的金屬基體材料之間具有良好粘附力，從而具有優于表面未用金屬材料包覆的侶復合材料的耐腐蝕性、抗沖擊性和熱導率。
[0075] 應當理解，熱加工操作不僅減小陶瓷粉末和金屬粉末的混合物的厚度，而且減小構成成品材料上的相對外覆蓋件的板的厚度。整理包覆層與忍比率取決于壓實粉末上的頂部金屬板和底部金屬板的起始厚度比率。MMC忍的相對側上的金屬護套在所實現的最終總厚度的5 %至75%內變化。MMC忍當然由陶瓷粉末和金屬粉末的分子粘結顆粒形成，并且永久性地分子粘結到外部護套的內表面。
[0076] 雖然精確尺寸可根據需要變化，但希望經由熱加工步驟將預社制組件的厚度減小至不超過其原始厚度的1/4至1/60, W及將社制材料相對側的金屬護套減小至不薄于0.003 英寸(0.07mm)的厚度。
[0077] 在一個實施方案中，在熱加工步驟后，MMC材料變平。為此，其可在承重下熱變平或可使用線圈組去除器、漉式矯直機或任何類似工藝變平。在一個實施方案中，烘箱中的熱變平為優選的。為此，將MMC材料在重物下堆疊置于約40(TC溫度的烘箱中。如果在循環結束時不是所有材料均變平，則去除平坦的那些小片并且返回剩余部分W用于變平。在一些情況下，MMC材料在社制之后將為平坦的并且將不經歷變平處理。
[007引在一個實施方案中，具有金屬鍛層的MMC材料具有至少lmm、1.5mm、2mm、5mm、10m、 15mm或甚至20mm，W及至多50mm、100mm或甚至200mm的厚度。
[0079] 可使用剪板機、水射流切割或任何其他金屬切割工藝將MMC材料切割成所需尺寸 W供使用。
[0080] 在一個實施方案中，從金屬鍛層中去除MMC。
[0081 ] 實施例
[0082] W下實施例進一步說明了本公開的優點和實施方案，但是運些實施例中所提到的具體材料及其量W及其它條件和細節均不應被解釋為對本發明的不當限制。除非另外指明，否則在運些實施例中，所有百分比、比例和比率按重量(wt)計。
[0083] 材料
[0084]
[00化]實施例
[0086] 金屬盒（內尺寸為寬度6英寸（152mm) X長度10英寸（254mm) X高度2英寸 (50.8mm))由焊接4個側板和一個底板的金屬惰性氣體構造。基體材料為45°倒角，3/8英寸 (9.5111111)深^優化焊接電阻。焊接使用1/16英寸（1.6111111^41100焊絲進行。
[0087] 侶粉末包括30重量％精侶和70重量％粗侶。碳化棚粉末包括30重量％精細碳化棚和70重量％粗碳化棚。在氮氣氣氛下將64重量％的侶粉末與36重量％的碳化棚粉末在帕特森-凱利橫流V型共混機（Pat ter son-Kel ley crossflow V-b lender)(紐約州水牛城的 Buflovak有限公司（Buflovak liX，Buffalo，NY))中共混10分鐘。共混粉末包括19.2重量％精侶、44.8重量％粗侶、10.8重量％精細碳化棚和25.2重量％粗碳化棚。將預定量的混合粉末置于金屬盒中。（無壓制(0噸/平方英寸，TSI)下為7.30磅/盒，3TSI下為8.15磅/盒，W及 7TSI下為8.80磅/盒。）注意：當進行壓實時，松散混合粉末過量填充金屬盒，因此圍繞金屬盒放置套筒W容納松散粉末。如果說明，隨后使用470T標稱壓實機(加利福尼亞州貝爾花園的加少 HAccudyne 工程設備公司（Accudyne En 邑 ineerin 邑 feEquipment Co.,Bell Gardens, CA))在給定壓力下壓實混合粉末。將金屬盒置于7英寸X 11英寸鋼模中，6英寸ΧΙΟ英寸鋼沖壓機置于頂部。如果進行壓實，則所施加的力為180噸（3TSI)或420噸（7TSI)。隨后，如果使用則將套筒去除，并且將頂板置于盒的頂部，并且用ΑΑ1100填充焊絲進行MIG焊接W制備預社制組件。將通氣孔(4X1/4英寸直徑孔)鉆到金屬盒的相對側內。在對流加熱爐中將預社制組件加熱16小時至600°C±5°C。隨后使用二漉芬恩可逆式社機(800噸分離力)對加熱的預社制組件進行社制。W22%減小使預社制組件通過13次，從而將厚度從2.5英寸 (63.5mm)減小到0.100英寸(2.5mm)。在每次通過之間對30英寸直徑鋼棍施加社制冷卻劑。在第3次和第4次通過時完成兩個橫社漉(橫向社制）。使所得制品冷卻至室溫。
[0088] 下表1中所示為所得MMC顆粒的結果。對于每個所施加的壓力，如下所述制備和測量2個或3個樣品，并且平均值報告于表1中。熱社制之前的密度比率通過W下過程計算:將所使用的混合粉末的重量除W金屬盒的體積，然后除W呈現完全致密材料（其為2.63g/ cm3)的混合粉末的理論密度。所測量的忍級分通過所得制品的顯微圖確定，方法是用MMC的面積除W制品的總面積并且乘W100來得到百分比。1化同位素面密度基于所使用的碳化棚的量對MMC的厚度來計算，其使用W下公式（改編自Turner&Thomas ,Nuclear Technology, Vo 1.169(2010)(Turner和Thomas的《核技術》，第 169卷，2010年））：
[0089] 1〇BaD = FB4C X Pcou XFB Χρ1〇Β X Tmaterial X ( 1-Fclad)
[0090] 其中1吃AD為1化同位素面密度；
[0091] FB4C為所使用的碳化棚的量(0.36);
[0092] 化。巧為忍密度（2632mg/cm3);
[0093] FB為碳化棚中的棚比例(0.7826);
[0094] 片化為天然棚中的1化的級分(0.184);
[0095] 1^日加1為材料的厚度（2.60畑1);并且
[0096] Fclad為包覆比例(所測量的忍級分）。
[0097] 表 1
[009引
[0099] *混合粉末在首次落入金屬盒內時的密度比率為約0.45，然而，在處理之后，混合粉末在熱加工步驟之前沉淀。
[0100] 所得材料的顯微圖示于圖4中，其中（A)為未壓實的金屬基體復合材料復合物 (0TSI)，（B)為在3TSI下壓實的金屬基體復合材料，并且(C)為在7TSI下壓實的金屬基體材料。在顯微圖中，碳化棚（陶瓷)顆粒為暗灰色，而金屬(侶)為白色。需注意，在圖4A中，觀察到狹窄彎曲的水平取向暗圖案，所述圖案被認為是流型，其歸因于熱社制期間松散粉末的粉末移動。另外需注意，在圖4C中，碳化棚顆粒中的一些聚集在一起和/或破碎。
[0101] 在不脫離本發明的范圍和實質的前提下，本發明的可預知修改和更改對于本領域的技術人員來說將是顯而易見的。本發明不應受限于本申請中為了示例性目的所示出的實施方案。
【主權項】
1. 一種用于制備金屬基體復合材料的方法，所述方法包括： (a) 形成金屬盒，所述金屬盒包括:具有長度和寬度的底部成型板、具有長度和高度的第一對側面成型板以及具有寬度和高度的第二對側面成型板； (b) 將金屬粉末和陶瓷粉末混合以制備混合粉末； (c) 用所述混合粉末填充所述金屬盒； (d) 在所述金屬盒中將所述混合粉末壓實以提供包括壓實粉末預成型件的所述金屬盒； (e) 以與包括所述壓實粉末預成型件的所述金屬盒穩固鄰接的方式將頂部成型板設置到所述金屬盒上并且圍繞其邊緣密封以生成預乳制組件；以及 (f) 在所述預乳制組件上進行熱加工以獲得具有金屬鍍層的所述金屬基體復合材料。2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述壓實粉末預成型件具有至少0.65的密度比率。3. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中使用下列中的至少一者來實施所述壓實步驟:固體壓實、冷等靜壓和單軸冷壓。4. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬盒的所述高度對所述寬度的比率為至少1:2.5。5. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬盒選自鋁、鎂和不銹鋼中的至少一者。6. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬粉末選自鋁、鎂和不銹鋼中的至少一者。7. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述陶瓷粉末包括碳化硼。8. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述底部成型板、頂部成型板、側面成型板和端部成型板具有至少2mm的厚度。9. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述預乳制組件的所述厚度通過乳制到其原始厚度的至少1/4而減小。10. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中對所述預乳制組件在所述金屬粉末的熔融溫度的至少90%內進行加熱。11. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中對所述預乳制組件在所述熱加工之前進行預加熱。12. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述熱加工選自熱乳制、熱擠出和熱鍛造中的至少一者。
【文檔編號】B22F3/20GK105992661SQ201580008539
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發明人】艾蒂安·朗德里-德希, 吉納維夫·賈森, 穆罕默德·祖拜爾·納瓦茲
【申請人】賽瑞丹公司

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