[发明专利]用于生产金属基复合材料的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产金属基复合材料的工艺，涉及相应的材料，特别是覆层形式的相应材料，还涉及这种材料的应用，所述金属基复合材料包括具有至少一个金属成分的金属基和至少一种布置在所述金属基中的增强成分。

背景技术

电气和电子应用以及生产结构支撑(production of technical bearings)的日益小型化的趋势、与材料成本提高相关的成本压力以及未来的需求都需要新的材料和新的涂层。

与专用的陶瓷材料或金属材料相比，金属基复合材料或金属基复合物(MMCs，Metal Matrix Composites，金属基复合材料)具有卓越的性能组合。出于这个原因，人们对采用最初为空天旅行以及军事技术的一系列应用所开发的MMC具有很浓厚的兴趣。

通常，MMC专指相应增强的铝，但在特殊情况下，它还表示增强的镁和铜材料。MMC金属成分是以纯金属形式或合金形式出现的。通常采用颗粒(增强的颗粒，其直径为0.01-150μm)、短纤维(直径为1-6μm，长度为50-200μm)、连续纤维(直径为5-150μm)或具有开气孔的泡沫作为增强的相或成分，这些材料通常由陶瓷材料(SiC、Al₂O₃、B₄C、SiO₂)或纤维或石墨形式的碳组成(详见下文：“Metallmatrix-Verbundwerkstoffe：Eigenschaften，Anwendungen und Bearbeitung”[Metal matrix composite materials：properties，applications and machining]，by Dr.O.Beffort，6^th International IWF Colloquium，April 18/19，2002，Egerkingen，Switzerland)。

在现有技术中主要有三种制造MMC颗粒材料的工艺，即，将陶瓷颗粒搅拌到熔融的金属中、金属浸入以及粉末冶金。现有技术中用于生产MMC涂层的是电解沉积工艺。

在相应的搅拌工艺中，通常需要克服在熔融金属和颗粒之间缺乏润湿性的缺陷，并限制两种相位之间的反应。出于黏度方面的考虑，颗粒物的含量最大不得超过体积的30％。

在浸入工艺中，对增强成分进行处理以形成多孔的预制件，然后，在加压或不加压的情况下将熔融金属浸入该预制件。在这种情况下，除了颗粒外，还可以采用纤维和泡沫作为增强成分，增强成分的体积含量很高，可高达80％。超高负荷的区域局部增强是可行的。不过，相应的工艺非常复杂。

MMC的粉末冶金(PM，powder metallurgy)与通常采用的PM工艺的区别仅在于采用陶瓷颗粒或增强成分颗粒和金属颗粒的粉末混合物，而不采用和金属粉末的混合物。原则上，PM只适用于精细颗粒(颗粒直径为0.5-20μm)。另外，必须确保随后可以用挤压、锻造或压延工艺对获得的MMC进行变形处理，从而，增强颗粒的含量限制为最大约为体积含量的40％。

扩散层的电气沉积中存在的一个问题是，如何保持这些颗粒以良好的分布悬浮在电解液中以及同时将这些颗粒沉积为基，以获得均质层。由于颗粒和基的电势不同，在很多情况下无法同时沉积颗粒和基。

碳纳米管(CNTs，carbon nanotubes)具有卓越的性能。例如，这些性能包括大约40GPa的机械拉伸强度以及1TPa的刚度(分别为钢的20倍和5倍)。存在具有导体性质的CNTs，同时还存在具有半导体性质的CNTs。CNTs是富勒烯族中的一员，直径范围在1nm到几百nm之间。特别地，CNTs与其他成分的混合物使人有理由期待性能显著改善了的复合材料和涂层。