用于改善鋁-碳化硼復(fù)合材料的可鑄性的添加劑的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年11月19日提交并且以全文同此并入的美國臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/727,949的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明關(guān)于鑄造鋁/碳化硼復(fù)合金屬基體材料，其具有從包晶反應(yīng)獲得的產(chǎn)物以 在鑄造之前增加其流動(dòng)性。反應(yīng)產(chǎn)物是通過使用能夠與碳化硼的硼進(jìn)行包晶反應(yīng)的添加劑 來獲得。
【背景技術(shù)】
[0004] 為了增加熔融Al-B4C混合物的流動(dòng)性，并且如美國專利系列號(hào)7, 562, 962中所描 述，可以添加鈦。當(dāng)添加鈦到熔融鋁金屬與B4C粉末的混合物中時(shí)，在B4C顆粒與使B 4C顆 粒"中毒"的鋁基體的界面附近形成反應(yīng)產(chǎn)物。據(jù)教導(dǎo)，反應(yīng)產(chǎn)物將B4C顆粒與鋁相屏蔽。
[0005] 將非常需要提供在鑄造和成形之前維持熔融Al-B4C混合物的適當(dāng)流動(dòng)性的手段 和方法。這些手段和方法將優(yōu)選地提供/維持在工業(yè)環(huán)境中可經(jīng)受成形和/或鑄造的流動(dòng) 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明概要
[0007] 本公開提供了一種鑄造復(fù)合材料，其包含鋁、添加劑與硼之間的包晶反應(yīng)的產(chǎn)物 以及分散的碳化硼顆粒。包晶反應(yīng)的產(chǎn)物的存在在鑄造之前維持熔融復(fù)合材料的流動(dòng)性， 并且促進(jìn)復(fù)合材料的可鑄性和成形。
[0008] 在第一個(gè)方面，本公開提供了一種鑄造復(fù)合材料，其包含（i)鋁，（ii)添加劑與硼 之間的包晶反應(yīng)的產(chǎn)物，（iii)分散的碳化硼顆粒，以及（iv)任選的鈦。添加劑選自由鉻、 鉬、釩、鈮、鋯、鍶、鈧以及其任何組合組成的群組。復(fù)合材料的樣品在鑄造之前已經(jīng)被加熱 到約700°C的溫度持續(xù)約120分鐘之后具有流動(dòng)性，對(duì)應(yīng)于當(dāng)使用具有用于容納樣品的凹 槽的模具測量時(shí)至少IOOmm的鑄造長度，這種凹槽的寬度為約33mm，高度介于約6. 5mm與 約4.0_之間，并且從水平軸向下傾斜約10°。在一個(gè)實(shí)施方案中，樣品的鑄造長度為至 少190mm。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造復(fù)合材料在保持時(shí)間內(nèi)被保持并且在鑄造時(shí)間內(nèi)被鑄 造，并且其中保持時(shí)間和鑄造時(shí)間總計(jì)為120分鐘。在另一個(gè)實(shí)施方案中，包晶反應(yīng)的產(chǎn)物 是通過組合熔融鋁或熔融鋁合金與能夠進(jìn)行包晶反應(yīng)的添加劑（在并入碳化硼顆粒之前） 來提供。在另一個(gè)實(shí)施方案中，添加劑選自由鋯、鍶、鈧以及其任何組合組成的群組。在另一 個(gè)實(shí)施方案中，添加劑是鈧。在另一個(gè)實(shí)施方案中，添加劑是鍶。在另一個(gè)實(shí)施方案中，添 加劑是鋯。在一個(gè)實(shí)施方案中，分散的碳化硼顆粒的濃度（v/v)以鑄造復(fù)合材料的總體積 計(jì)介于4%與40%之間。在所述實(shí)施方案中，添加劑的濃度（w/w)以鑄造復(fù)合材料的總重 量計(jì)可以介于〇. 47%與8. 00%之間，并且任選地，復(fù)合材料可以進(jìn)一步包含以鑄造復(fù)合材 料的總重量計(jì)濃度（w/w)介于0.50%與4. 00%之間的鈦。在另一個(gè)實(shí)施方案中，分散的碳 化硼顆粒的濃度（v/v)以鑄造復(fù)合材料的總體積計(jì)介于4. 5%與18. 9%之間。在所述實(shí)施 方案中，添加劑的濃度（w/w)以鑄造復(fù)合材料的總重量計(jì)可以介于0.38%與4. 00%之間， 并且任選地，鑄造復(fù)合材料進(jìn)一步包含以鑄造復(fù)合材料的總重量計(jì)濃度（w/w)介于0.40% 與2. 00%之間的鈦。在另一個(gè)實(shí)施方案中，分散的碳化硼顆粒的濃度（v/v)以鑄造復(fù)合材 料的總體積計(jì)介于19. 0%與28. 0%之間。在所述實(shí)施方案中，添加劑的濃度（w/w)以鑄 造復(fù)合材料的總重量計(jì)可以介于1. 68%與6. 00%之間，并且任選地，鑄造復(fù)合材料可以進(jìn) 一步包含以鑄造復(fù)合材料的總重量計(jì)濃度（w/w)介于1. 80%與3. 00%之間的鈦。在另一 個(gè)實(shí)施方案中，分散的碳化硼顆粒的濃度（v/v)以鑄造復(fù)合材料的總體積計(jì)介于25.0%與 28. 0%之間或介于28. 0%與33. 0%之間。在所述實(shí)施方案中，添加劑的濃度（w/w)以鑄造 復(fù)合材料的總重量計(jì)可以介于〇. 94%與4. 00%之間，并且任選地，鑄造復(fù)合材料可以進(jìn)一 步包含以鑄造復(fù)合材料的總重量計(jì)濃度（w/w)介于1. 00%與2. 00%之間的鈦。
[0009] 根據(jù)第二個(gè)方面，本公開提供了一種制備鑄造復(fù)合材料的方法。寬泛地說，這種方 法包括（a)組合（i)包含能夠與硼進(jìn)行包晶反應(yīng)的添加劑的熔融鋁合金與（ii)碳化硼顆 粒的來源，以提供包含添加劑與硼之間的包晶反應(yīng)的產(chǎn)物和分散的碳化硼顆粒的熔融復(fù)合 材料；以及（b)鑄造熔融復(fù)合物以形成鑄造復(fù)合材料。添加劑選自由鉻、鉬、釩、鈮、鋯、鍶、 鈧以及其任何組合組成的群組。復(fù)合材料的樣品在鑄造之前已經(jīng)被加熱到約700°C的溫度 持續(xù)約120分鐘之后具有流動(dòng)性，對(duì)應(yīng)于當(dāng)使用具有用于容納樣品的凹槽的模具測量時(shí)至 少IOOmm的鑄造長度，這種凹槽的寬度為約33mm，高度介于約6. 5mm與約4. Omm之間，并且 從水平軸向下傾斜約10°。在一個(gè)實(shí)施方案中，鑄造長度為至少190mm。在另一個(gè)實(shí)施方 案中，這種方法進(jìn)一步包括在步驟（b)之前，在保持時(shí)間內(nèi)保持熔融復(fù)合材料并且在鑄造 時(shí)間內(nèi)鑄造熔融復(fù)合物，其中保持時(shí)間和鑄造時(shí)間總計(jì)為120分鐘。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 這種方法進(jìn)一步包括在步驟（a)之前，通過組合熔融鋁或熔融鋁合金與能夠進(jìn)行包晶反應(yīng) 的添加劑來提供熔融鋁合金。關(guān)于可以使用的添加劑的類型、添加劑的濃度、碳化硼顆粒的 濃度、復(fù)合材料中鈦的任選的存在的實(shí)施方案已經(jīng)描述于上文并且應(yīng)用于本文中。
[0010] 根據(jù)第三個(gè)方面，本公開提供了一種改善包含鋁、添加劑與硼之間的包晶反應(yīng)的 產(chǎn)物以及分散的碳化硼顆粒的熔融復(fù)合材料的鑄造和/或成形特性的方法。寬泛地說，這 種方法包括組合（i)包含能夠與硼進(jìn)行包晶反應(yīng)的添加劑的熔融鋁合金與（ii)碳化硼顆 粒的來源，以提供熔融復(fù)合材料。添加劑選自由鉻、鉬、釩、鈮、鋯、鍶、鈧以及其任何組合組 成的群組。復(fù)合材料的樣品在鑄造之前已經(jīng)被加熱到約700°C的溫度持續(xù)約120分鐘之 后具有流動(dòng)性，對(duì)應(yīng)于當(dāng)使用具有用于容納樣品的凹槽的模具測量時(shí)至少IOOmm的鑄造長 度，這種凹槽的寬度為約33mm，高度介于約6. 5mm與約4. Omm之間，并且從水平軸向下傾斜 約10°。關(guān)于鑄造長度、可以使用的添加劑的類型、添加劑的濃度、碳化硼顆粒的濃度、復(fù)合 材料中鈦的任選的存在的實(shí)施方案已經(jīng)描述于上文并且應(yīng)用于本文中。
[0011] 根據(jù)第四個(gè)方面，本公開提供了一種促進(jìn)包含鋁、添加劑與硼之間的包晶反應(yīng)的 產(chǎn)物以及分散的碳化硼顆粒的熔融復(fù)合材料成形的方法。寬泛地說，這種方法包括組合（i) 包含能夠與硼進(jìn)行包晶反應(yīng)的添加劑的熔融鋁合金與（ii)碳化硼顆粒的來源，以提供熔 融復(fù)合材料。添加劑選自由鉻、鉬、釩、鈮、鋯、鍶、鈧以及其任何組合組成的群組。復(fù)合材料 的樣品在鑄造之前已經(jīng)被加熱到約700°C的溫度持續(xù)約120分鐘之后具有流動(dòng)性，對(duì)應(yīng)于 當(dāng)使用具有用于容納樣品的凹槽的模具測量時(shí)至少IOOmm的鑄造長度，這種凹槽的寬度為 約33mm，高度介于約6. 5mm與約4. Omm之間，并且從水平軸向下傾斜約10°。關(guān)于鑄造長 度、可以使用的添加劑的類型、添加劑的濃度、碳化硼顆粒的濃度、復(fù)合材料中鈦的任選的 存在的實(shí)施方案已經(jīng)描述于上文并且應(yīng)用于本文中。
【附圖說明】
[0012] 這樣一般地描述了本發(fā)明的性質(zhì)，現(xiàn)在將參考隨附圖式，其中：
[0013] 圖1示出了含有不同批次的B4C粉末的熔融鋁混合物的流動(dòng)性的損失。結(jié)果對(duì)于 在735°C的初始溫度下添加到熔融鋁中的多個(gè)批次（A到E)的B 4C粉末（30% v/v)以隨著 在熔爐中的保持時(shí)間（min)而變的流動(dòng)性（以使用K模具測量的樣品的鑄造長度（mm)來 測量）示出。示出了含有3. 5%w/w Ti的批次A(^)、含有3. 5%w/w Ti的批次B(·)、 含有3.5%w/w Ti的批次(：（▲)、含有3.0%w/w Ti的批次D(·)以及含有2.0%Ti w/ w的批次E(〇）的結(jié)果。
[0014] 圖2圖解了可以用于測定復(fù)合材料的鑄造長度的K模具的一個(gè)實(shí)施方案。（A)K模 具的下部傾斜部分10的示意性側(cè)立視圖。（B)K模具的含凹槽部分40的示意性頂立視圖。 (C)K模具的含凹槽部分50的示意性剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 具有高B4C含量（例如，至少30% v/v)的硼金屬基體復(fù)合物（MMC)的制造通常需 要超凡質(zhì)量的B4C粉末。高質(zhì)量的B4C粉末具有良好的粒度分布并且具有最少的精細(xì)粉末 樣顆粒。一般來說，只有這種B 4C粉末可以被大量并入到金屬基體中。當(dāng)B4C粉末不具有所 述良好質(zhì)量時(shí)，在熔融金屬的保持時(shí)間內(nèi)，即，在鑄造之前，可以觀測到流動(dòng)性的顯著損失。 另外，增加熔融金屬的保持溫度并不補(bǔ)償這種流動(dòng)性損失，因?yàn)檫@可以有利于鋁與B 4C粉末 之間的反應(yīng)，從而進(jìn)一步增加粘度（流動(dòng)性損失）。在所述情形中，熔融金屬表現(xiàn)為觸變材 料。
[0016] 圖1示出了在鑄造之前，在熔融復(fù)合物的保持時(shí)間內(nèi)流動(dòng)性的損失。在工業(yè)環(huán)境 中，對(duì)于一定量的時(shí)間來說需要一定的流動(dòng)性以允許Al-B 4C混合物的成形/鑄造。圖1中 所示的曲線示出，制備復(fù)合材料所用的B4C粉末增加材料的粘度并且未能滿足在工業(yè)環(huán)境 中對(duì)于后續(xù)步驟（例如，成形）所需的流動(dòng)性，甚至在鈦存在下也如此。
[0017] 根據(jù)本公開，提供了一種鑄造 Al-B4C復(fù)合材料，其包含鋁、包晶反應(yīng)的產(chǎn)物以及分 散的碳化硼顆粒。復(fù)合材料是通過首先組合鋁（或鋁合金）與能夠與碳化硼顆粒的硼進(jìn)行 包晶反應(yīng)的添加劑（或添加劑的組合）并且最終提供在鋁或鋁合金中的所述包晶反應(yīng)的產(chǎn) 物來獲得。在鋁中（或鋁合金中）已經(jīng)包括添加劑后，將碳化硼顆粒與鋁（或鋁合金）組 合，從而使添加劑與硼之間發(fā)生包晶反應(yīng)。如本文所示，在鋁/鋁合金中使用添加劑（并且 最終在復(fù)合材料中存在包晶反應(yīng)產(chǎn)物）已經(jīng)顯示適用于維持熔融復(fù)合物的流動(dòng)性并且像 這樣對(duì)熔融復(fù)合材料賦予良好的