本发明涉及了一种制备大复合体的方法，该方法包括用熔融基质金属自发渗透填料或预型体的可渗透体，并将自发渗透过的材料粘结到至少一种第二种材料（如陶瓷和/或金属）上。具体地讲，将渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛至少在工艺的某一阶段与填料或预型体相联系，使熔融基质金属自发渗入填料或预型体。而且在渗透之前，将填料或预型体与至少一部分第二种材料接触，以便在填料或预型体自发渗透后，经渗透的材料粘结到第二种材料上形成大复合体。 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地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Al B12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和/或带有一种阻挡元件。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”的共同所有且未决的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完整或基本完整的形状。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，以使得不仅有足够量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。
组合复合体的制备是通过先形成一种金属基质复合体，然后经接触粘结到第二种材料上。用熔融基质金属自发渗入填料或预型体的可渗透体来制备金属基质复合体。具体地讲，渗透增强剂和/或其前体和/或渗透气氛至少在工艺中的某一阶段与填料或预型体接触，使熔融基质金属自发渗入填料或预型体。
在本发明的优选方案中，可以向预型体（或填料）和/或基质金属，和/或渗透气氛中的至少一种中直接提供渗透增强剂。总之，至少在自发渗透期间渗透增强剂应位于至少一部分填料或预型体中。
在形成大复合体的第一个优选方案中，提供超过自发渗入填料或预型体，并使可渗透材料获得完全渗透量的基质金属。因此，（例如未用于渗入填料或预型体的）过量或残余基质金属与经渗透体保持接触状态，最后紧密地粘结在该渗透体上。通过控制残余基质金属的量，大小，形状和/或组成实际上可以制备出无数的结合物。此外，可以控制金属基质复合体与残余基质金属的相对大小，使残余基质金属表面上形成金属基质复合体的表层（如仅发生少量的自发渗透）直至金属基质复合体上形成残余基质金属的表层（如仅提供少量过量基质金属）。
在第二个优选方案中，将填料或预型体与至少部分另一种或第二种物体（如陶瓷体或金属体）接触，并使熔融基质金属自发渗入填料或预型体，使其至少渗透至第一种物体的表面，导致金属基质复合体与第二种物体紧密结合。金属基质复合体与第二种物的结合（粘结）可以是基质金属和/或填料或预型体与第二种物体发生了反应所致。此外，如果第二种物体至少部分或基本全部围绕在形成的金属基质复合体周围或被后者所环绕，可以发生收缩配合或压缩配合。这种收缩配合可以是结合金属基质复合体与第二种物体的唯一方式，也可以与另一种结合方式一起使复合体与第二种物体结合。通过适当地选择基质金属，填料或预型体和/或第二种物体之间的组合，可得到所需的匹配热膨胀系数，由此控制收缩配合的程度。例如，可以制备出这样的金属基质复合体，使其热膨胀系数高于第二种物体，并且使其至少部分环绕第二种物体。在这个例子中，金属基质复合体至少通过收缩配合结合到第二种物体上。因此，可形成多种其中金属复合体结合到第二种物体（如另一种陶瓷或金属）上的大复合体。
在另一个优选方案中，即在上述谈及的第二种优选方案中提供过量或残余基质金属（如金属基质复合体与第二种物体的组合）。在此方案中，类似于上述第一个优选方案，提供自发渗入填料或预型体，且超过使可渗透材料完全渗透的基质金属量。此外，类似于上述第二个优选方案，将填料或预型体与至少部分另一种或第二种物体（如陶瓷体或金属体）接触，熔融基质金属则自发渗入填料或预型体，至少渗入到第二种物体的表面，使金属基质复合体与第二种物体密切结合。因此，甚至可以制备出比前面二个优选方案中讨论的大复合体更复杂的大复合体。具体地讲，对于能够选择金属基质复合体与第二种物体（如陶瓷和/或金属）和过量或残余基质金属的组合来说，这种组合或变换实际是多种多样的。例如，如果需要制备一个大复合体杆，其内部可以是第二种物体（如陶瓷或金属）。第二种物体可以至少被金属基质复合体部分环绕。金属基质复合体然后可以至少被第二种物体或残余基质金属环绕。如果金属基质复合体被残余基质金属环绕，另一种金属基质复合体可以至少被残余基质金属部分环绕（例如，可以提供足够量的残余基质金属，使其从内部向与基质金属内部接触的填料（或预型体）渗透，并从外部向与基质金属外部接触的填料（或预型体）渗透。因此，本发明的第三个方案提供了重要的工艺控制点。
在上述每一个优选方案中，金属基质复合体都可以在基质金属基体上形成外表面和/或内表面。而且，根据基质金属基体的大小，可以选择金属基质复合体表面或预测其厚度。本发明的自发渗透技术可以制备出厚壁或薄壁金属基质复合体结构，其中向金属基质复合体表面提供的相对于基质金属体积基本大小或小于金属基体的体积。此外，可以呈内表面或外表面或这两个表面的金属基质复合体也可以结合到第二种材料（如陶瓷或金属）上，因此，金属基质复合体和/或过量基质金属和/或第二种物体（如陶瓷或金属体）之间有多种组合方案。
就金属基质复合体的形成而言，应注意到，本申请主要讨论了铝基质金属，该金属在形成金属基质复合体过程中的某一时刻，在作为渗透气氛的氮气存在下，与作为渗透增强剂前体的镁接触。因此，铝/镁/氮的基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛体系也可以类似于铝/镁/氮体系的方式作用。例如，已观察到铝/锶/氮体系，铝/锌/氧体系，和铝/钙/氮体系中存在类似自发渗透现象。所以，即使本文主要讨论的是铝/镁/氮体系，但应理解，其它基质金属/渗透增强剂前体/渗透气氛的体系也能以类似方式作用。
当基质金属含铝合金时，铝合金与一种含填料（如氧化铝或碳化硅粒）的预型体或一种填料接触。该填料或预型体与镁混合或在工艺中某一时刻暴露于该镁之下。此外，在一个优选方案中，至少在部分过程内，氮气氛中含有铝合金和/或预型体或填料。预型体将被基质金属自发渗透，自发渗透的程度或速度和金属基质的形成随给定的工艺条件而变，例如这些条件包括向体系（如铝合金和/或填料和/或渗透气氛）提供的镁的浓度，含填料的颗粒的大小和/或组成，渗透气氛中的氮气浓度，渗透时间，和/或发生渗透的温度。自发渗透一般发生至基本全部嵌入预型体填料中的程度。
在此所用的“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。
在此所用的“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。
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不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。
在此所用的“残余物”或“基质金属残余物”是指任何在所说的金属基质复合体形成期间没有被消耗掉的原始基质金属残余物，并且在典型情况下如果将其复合体相接触的形式保留下来。应该理解为这种残余物还可以包括第二种或外来金属。
本文中的短语“过量基质金属”或“残余基质金属”是指在所需的自发渗入填料或预型体的程度到达后，残留的并与生成的金属基质复合体密切结合的基质金属量。过量或残余基质金属的组成可以与已自发渗入填料或预型体的基质金属相同或不同。
在此所用的“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基质金属反应和/或在所说基质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。
在此所用的“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。
在此所用的“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。
此处所用的“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。
本文中“大复合体”一词是指某一构型中两种或多种材料的组合体，其中的材料通过如化学反应和/或压力或收缩配合密切结合在一起，并且至少一种材料含有通过熔融基质金属向填料、预型体，或至少带一些孔的、精加工过过陶瓷或金属体的可渗透体进行自发渗透而形成的金属基质复合体。金属基质复合体也可以以外表面和/或内表面的形式存在，应理解，金属基质复合体相对于残余基质金属和/或第二种物体的顺序，数量，和/或位置可以多种方式变化或控制。
此处所用的“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。
本文所述的“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。
本文所述的“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。
“不同于”基质金属的金属是指这样一种金属，其中不含有作为主要成分的与基质金属相同的金属（例如，若基质金属的主要成分为铝，那么“不同的”金属，举例来说，可以含有主要成分镍）。
“用于容纳基质金属的非反应性容器”是指能够在加工条件下容纳或包含熔融基质金属并且不与基质金属和/或渗透气氛和/或渗透增强剂前体和/或填料或预形体以可能严重妨碍自发渗透机理的方式而发生反应的任何容器。
本文所述的“预型体”或“可渗透预型体”是指加工后具有至少一个表面界面的多孔状填料体或填充物体（即充分烧结或成型的陶瓷体和金属体），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”是指一个基质金属的分离体，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的基质金属部分或源，或者是在某些情况下开始时先进行提供随后进行补充。
本文中“第二种物体”或“附加物体”一词是指通过化学反应和/或机械配合或收缩配合中至少一种能够结合到金属基质复合体上的另一种物体。这种物体包括传统的陶瓷，如烧结陶瓷，热压陶瓷，挤压陶瓷，等等，也包括非传统陶瓷和陶瓷复合体，如由下述文献的方法制备出的物体：1987年12月15日颁布的Marc S.Newkirk等人的共有美国专利4，713，360;1986年1月17日申请的，现已批准的Marc，S.Newkirk等人的美国专利申请819，397，题目为“复合陶瓷制品及其制备方法”;1986年5月8日申请的，Marc S.Newkirk等人的共有且未决美国专利申请861，025，题目为“成形陶瓷复合体及其制备方法;1988年2月5日申请的，Robert C.Kantner等人的共有美国专利申请152，518，题目为“原地调整陶瓷制品的金属组分的方法及其制品”，现已批准;1987年12月23日申请的，T.Dennis Claar等人的共有且未决美国申请137，044，题目为“制备自支撑物体的方法及其产品”;以及对上述方法进行变换和改进的其它共有的已批准和尚未批准的美国专利。为了说明这些共有的申请所要求和公开的陶瓷和陶瓷复合体的特性和生产方法;上述申请的全部公开内容在此参照并入本文。此外，本发明的第二种或附加物体也包括金属基质复合体和如高温金属，抗腐蚀金属，耐磨损金属等的金属结构体。因此，第二种或附加物体实际包括无数种物体。
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。
提供下列附图以有助于理解本发明，但是并非意味着对本发明的范围的限定。各图中采用相同的参考号数表示同一组分，其中：
图1是用于按例1制备复合体的组合件的剖面图。
图2是由例1制备的大复合体的剖面照片。
图3是例2中生产大复合体的组合件的剖面图。
图4是一张显微照片，它表明由例2生产的氧化铝耐火盘与金属基质复合体的交界处。
图5是对例2制备的金属基质复合体的微观结构进行高倍放大的显微照片。
图6是在例3中用于制备大复合体的组合件的剖面图。
图7是显示由例3生产的大复合体剖面的照片。
图8是用于在例4中生产大复合体的组合件的剖面图。
图9是表示由例4生产的大复合体的剖面照片。
图10是在例5中用于生产大复合体的组合件的剖面图。
图11是由例5制备的大复合体的剖面显微照片。
图12是在例6中用于制备大复合体的组合件的剖面图。
图13是由例6制备的大复合体的剖面照片。
本发明涉及大复合体的制备，该复合体的一部分含有被熔融基质金属自发渗入填料或预型体而形成的金属基质复合体。
本发明的组合复合体是通过将金属基质复合体与至少一种第二种或附加物体接触得到。具体地讲，用熔融基质金属自发渗入填料或预型体的可渗透体制备出金属基质复合体。在工艺过程的至少某一阶段使渗透增强剂和/或渗透增强剂前体和/或渗透气氛与填料或预型体相联系，使熔融基质金属自发渗入填料或预型体。
在本发明的一个优选方案中，可直接向预型体（或填料）和/或基质金属和/或渗透气氛中的至少一种提供渗透增强剂。总之，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应位于至少部分填料或预型体中。
在形成大复合体的第一个优选方案中，提供用于渗透的量超过渗透所需量。换句话说，提供的基质金属量大于充分渗入填料或预型体所需的量，使残余或过量的基质金属（如未渗入填料或预型体的基质金属）紧密结合到已被渗透的填料或预型体上。
在另一个优选方案中，将填料或预型体与另一种物体（如陶瓷或金属）接触，并使熔融基质金属自发渗入填料或预型体，直至第二种物体（如陶瓷或金属）处，使其紧密结合到第二种物体上，由此形成其中金属基质复合体结合在第二种物体（如另一种陶瓷或金属）上的大复合体。
在另一个优选方案中，将填料或预型体与第二种物体（如另一种陶瓷或金属）接触，并使熔融基质金属自发渗入填料或预型体，直至填料或预型体与第二种物体的接触处，形成的金属基质复合体将紧密结合到第二种物体。此外，可以提供附加基质金属，其量大于自发渗入填料或预型体所需的量。因此，所形成的大复合体含有过量基质金属，它紧密结合在金属基质复合体上，而后者又紧密结合在第二种物体，如陶瓷或陶瓷复合体上。
在上述讨论的优选方案中，金属基质复合体可以在基质金属的基体上形成外表层或内表层，或内外表层。此外，可以根据基质金属基体的大小选择或预定金属基质复合体表层的厚度。按照本发明的技术，可以制备厚壁或薄壁金属复合体结构，其中向金属基质复合体表层提供的相对基质金属体积基本大于或小于金属基体的体积。此外，金属基质复合体可以内或外表层或内外表层的形式结合到第二种材料（如陶瓷或金属）上，由此可以提供多种金属基质复合体和/或过量基质金属和/或第二种物体（如陶瓷或金属体）之间的组合。
因此，本发明可用来满足工业上的多种要求，并借此证明本发明的使用价值。
为了制备本发明的大复合体，必须通过将基质金属自发渗入填料或预型体的可渗透体制备金属基质复合体。应向自发体系提供渗透增强剂，以实现基质金属向填料或预型体中进行自发渗透。渗透增强剂可由其前体形成，该前体的提供可以通过（1）在基质金属中;和/或（2）在填料或预型体中;和/或（3）从渗透气氛和/或由外界进入自发体系。此外，可以不提供渗透增强剂前体，而直接向填料或预型体，和/或基质金属，和/或渗透气氛中至少一种提供渗透增强剂。总之，至少在自发渗透期间，渗透增强剂应位于至少部分填料或预型体中。
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同时在预型体与熔融基质金属接触之时在至少一部分填料或预型体中形成渗透增强剂（例如，若镁是渗透增强剂前体而氮为渗透气氛的话，那么渗透增强剂则可以是位于至少一部分填料或预型体之中的氮化镁）。
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，当铝被熔化时不会与铝基金属反应的适宜的耐火容器之中。然后使含有镁或暴露于镁之下并且至少在工艺的某一阶段在氮气氛作用下的填料与熔融铝基质金属接触。该基质金属自发渗入填料或预型体。
此外，除了提供渗透增强剂前体以外，还可以直接向预型体和/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，填料或预型体应该具备足够的可渗透性以便于含氮气体在过程进行期间某一时刻穿透或渗透填料和/或与熔融基质金属接触。此外，可渗透填料或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填料或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和/或使氮气与渗透增强剂前体反应从而在填料或预型体内形成渗透增强剂并且导致自发渗透。自发渗透的程度或速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、填料或预型体中的镁含量、填料或预型体中的氮化镁含量、附加合金元素（例如硅、铁、铜、锰、铬、锌等）的存在，填料或填料的平均粒度（例如粒径）、填料的表面状况和类型、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，当镁同时存在于填料或预型体与基质金属之中或者仅存在于填料或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。当填料或预型体中未加镁时，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。已经发现，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;或者是这样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750～800℃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或预型体的熔点，除非填料或预型体用一个在渗透时能保持填料或预型体的多孔几何结构的支撑件提供。这种支撑件可以包括填料粒子或预型体通道上的涂层，或者填料或预型体的某些组份在渗透温度下是不熔的，而其它组份是熔融的。在后一种情况下，非熔融组成能够支撑熔融组分，保持自发渗透时填料或预型体的多孔性。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，至少是在该工艺过程期间的某一时刻在含氮气体存在下使可渗透的填料或预型体与熔融铝相接触，通过保持一连续的气流提供含氮气体，使其与填料或预型体和/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，但是该量最好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能对熔融金属产生氧化作用的空气侵入。
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。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。适宜的陶瓷涂层包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的优选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，填料或预型体可以是均相的或非均相的。
业已发现的还有，某些填料相对于具备类似化学组成的填料，其渗透性有所增强。举例来说，按照美国专利No.4713360（题目为“新型陶瓷材料及其制备方法”，Marc S.Newkirk等人，于1987年12月15日颁发）所述方法组成的粉碎的氧化铝主体相对于市售氧化铝产品具有理想的渗透特性。此外，按照共同未决与共同所有的申请系列No.819397（题目为“复合陶瓷制品及其制造方法”，Marc S.Newkirk等人）所述方法组成的粉碎氧化铝主体相对于市售氧化铝产品同样具有理想的渗透特性。颁布专利及其共同未决专利申请的各自主题在此引用仅供参考。因此，业已发现，陶瓷材料的可渗透体的彻底渗透可通过采用上述美国专利和专利申请的方法再次的粉碎或细碎主体于较低的渗透温度下和/或较短的渗透时间内进行。
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）。在使用铝合金时，渗透气氛中可含有含氮气体。
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可以获得体积百分比较高的填料。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（即对于发生自发渗透的孔隙率不够的结构），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，及其相对于填料或预型体体积的数量、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。
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是任何适于干扰、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）超出陶瓷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。
使用上述本发明的技术，可以将成型的金属基质复合体结合或整体连接到至少一种第二种或附加物体上。该物体可以含有：陶瓷基质体;陶瓷基质复合体，即嵌入陶瓷基质的填料;金属体;金属基质复合体;和/或上述材料的组合体。由本发明生产的最终产品是一种大复合体，它含有至少一种由基质金属向填料或预型体进行自发渗透所形成的金属基质复合体，该复合体结合或整体连接到至少一种由上述至少一种材料构成的物体上。因此，本发明的最终产品实际上包括无数组合体和变体，其中自发渗透的金属基质复合体的一面或多面结合到至少一种至少含一种上述材料的物体上。
如例2，3和5所示，本发明所得在单一自发渗透步骤中形成多层大复合体。具体地讲，熔融基质金属可以自发渗入与第二种或附加物体（如陶瓷体）接触的填料或预型体。当向填料或预型体的渗透达到填料或预型体与第二种或附加物体的交界处时，熔融基质金属，或单独或与填料或预型体组合一起与第二种或附加物体发生相互作用，以使得在体系冷却时金属基质复合体结合或整体连接到第二种或附加物体上。因此，采用例2，3和5中描述的技术，可以将多种第二种或附加物体放在填料或预型体中或其周围，以致于当熔融基质金属渗透填料或预型体并到达填料或预型体与第二种或附加物体的交界处时，一旦将体系冷却至低于基质金属熔点及体系中所有其它物体的熔点，金属基质复合体和其它物体之间将会整体连接或结合在一起。
除了在自发渗透的金属基质复合体与第二种或附加物体之间形成牢固结合或整体连接外，本发明还提供了一种使第二种或附加物体处于金属基质复合体紧压之下的技术。在另一种情况下，金属基质复合体处于第二种或附加物体的紧压之下。因此，金属基质复合体可以至少部分含有另一种物体。如果金属基质复合体的热膨胀系数大于所包含的第二种或附加物体，那么在从渗透温度下冷却时，金属基质复合物将使所含的物体处于压紧状态。在另一种情况下，金属基质复合体可以至少部分地在热膨胀系数较其高的第二种或附加物体中形成。因此，冷却时包含在第二种或附加物体内的这部分金属基质复合体将处于第二种或附加物体的紧压之下。
本发明的技术可适用于生产任意长度的连续大复合体链段。具体地讲，本发明方法适用于连续生产，例如，其中的连续原料物流可以通过一个将基质金属加热至其熔点以上温度的炉;使基质金属在熔融状态下保持足够的时间，以使得熔融基质金属渗入预定体积的填料或预型体中;然后，随着渗透的填料被冷却（如从炉中移出），基质金属冷却至固化温度，由此得到金属基质复合体。采用上述连续方法，金属基质复合体可结合到第二种材料上，后者再结合到另一种金属基质复合体上，后者再结合到另一第二种材料上，等等。熔融基质金属可以就地提供或通过来自如基质金属储备源的第二物流连续向炉内提供。此外，可以在大复合体链段的预定片段之间放置一层阻挡材料，如Grafoil（本文描述过的），以使链段在阻挡层处终至。
采用机械结合技术可以增强金属基质复合体与第二种或附加物体的整体连接或结合。具体地讲，金属基质复合体或第二种或附加物体的一面或两面上可以有与其结合或连接的具有相应反形的物体表面相匹配的槽、洞、缝或其它表面不规则形状。除了可能在金属基质复合体和第二种或附加的物体之间产生的化学结合外，这些相互匹配的不规律形状也能产生机械结合。这些结合或连接方式的组合产生了比通过单独的结合或连接方式强得多的结合或连接。
本发明方法生产的产品可用于在工业上需要表面耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐损耗、耐热应力、耐摩擦和/或经受住许多其它应力的情况。因此，本申请要求和公开的方法可用于生产通过使用由金属基质复合体，陶瓷基质复合体，金属或其组合体构成的表面而使其性能得以改善的工业产品。由于提供了制备具有性质和特征均不相同的材料层的大复合体的技术，通过对本发明方法生产的大复合体进行适当加工，就可以满足工业上的许多应用，而这些应用以前被认为在使用常规材料的条件下是不实际，或是不可能的。具体地讲，工业上要求物体的一部分经受住一定的条件而另一部分经受住不同的一套条件的情况现在通过使用两种或多种不同类型的材料，使其形成具有工业品所需形状的大复合体而得以实现。此外，通过使用本文描述的预型体和阻挡技术，在自发渗透后，经极少或无需机加工就可得到完整或近乎完整形状的大复合体。
因此，由本发明方法生产的产品实际上具有无限的工业潜力，它们可以满足许多目前在材料领域中最复杂的工程要求。
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
本例说明了下述方法是可行的，即使熔融基质金属自发渗入成型预型体，得到整体连接或结合到基质金属固体上的成型金属基质复合体。
参照图1，将尺寸约为2×2×1/2英寸且约由5%硅，5%Mg，其余为铝构成的基质金属锭（2）放在尺寸约为2×2×1/2英寸的预型体（4）的顶部。预型体（4）是通过将来自Alcan的C-75未研磨钙化氮化铝与来自Bordon公司的Elmer′s Wood胶混合制得的。Elmer′s Wood胶的重量约为C-75未研磨钙化氧化铝重量的10%。向Elmer′s Wood胶/氧化铝混合物中加入足够量的水，形成淤浆。将该淤浆充分混合后倒入一个橡胶模具内。将橡胶模具和其内含物放入一个冻结器中，直至模具中的材料完全冻结。此时，将冻结的预型体从橡胶模具中取出，令其干燥。
如图1所示，将预型体（4）和基质金属锭（2）组合体件放在盛装在氧化铝耐火盘（6）（购自Bolt技术陶瓷公司）中的约1/2英寸厚HTC级二硼化钛（购自联合碳化物公司）层之顶部。向耐火盘（6）中再加入HTC级二硼化钛，直至二硼化钛床（8）的表面与基质金属锭（2）的上表面基本呈水平状。
将由耐火船（6）和其内含物构成的组合件放在处于室温下的控制气氛电阻加热真空炉内。在炉内形成高真空（约1×10-4乇），并在此真空下使炉温从室温升至约200℃。将炉与其内含物在约200℃下保持约2小时，然后使混合气（约96%（体积）氮气，4%（体积）氢气）返充入炉内，直至约达到1个大气压。保持连续的混合气流量约为1000毫升/分钟。在约10小时内将炉温升至约875℃，并于约875℃下保持约15小时;然后在约5小时内保护温降至室温。一旦达到室温，就从炉内取出组合件并将其分解。得到含有被基质金属渗透的氧化铝预型体的金属基质复合体。如图2所示，金属基质复合体（10）与过量残留基质金属（12）整体结合在一起。
因此，本例说明了通过自发渗透制备出整体结合到一块过量基质金属固体上的成型金属基质复合体是可能的。
实施例2
本例说明了用基质金属自发渗入填料床生产一种大复合体的可能性。该复合体含有过量基质金属，它整体连接或结合到金属基质复合体上。而后者又整体连接或结合到陶瓷体上。
如图3所示，有四块基质金属锭（14），每块尺寸约为2×1×1/2英寸，并含（以重量计）3%硅，3%Mg，其余为铝。将四块锭（14）放在由Norton公司生产，已知商标为38Alundum的90粒度（grit）氧化铝材料上。90粒度的38 Alundum床（16）被放在由Bolt技术陶瓷公司生产的氧化铝耐火盘（18）中。基质金属锭（14）如图3那样排列。
将氧化铝耐火盘（18）与其内含物构成的组合件放在管式炉内，其中混合气（约96%（体积）氮气，4%（体积）氢气）以300毫升/分钟的流量流过。然后在约10小时内将炉温从室温升至约1000℃，并在约1000℃下保持约10小时;再于约6小时内使其温度降至室温。
达到室温后，从炉中取出组合件并分解之，得到含被基质金属渗透的90粒度38Alundum的金属基质复合体。该复合体与氧化铝耐火盘（18）和过量基质金属整体连接或结合在一起。图4是表示氧化铝耐火盘（22）和金属基质复合体（24）之间交界处（20）的显微照片。它说明了在金属基质复合体与氧化铝耐火盘交界处实现了良好的连接或结合。尽管图4未表示出来，但是在过量基质金属与金属基质复合体的交界处也有牢固的结合或很好的连接。不用机械加工就不能将过量基质金属除去这一事实证明了这种结合的存在。
图5是对本例制成的金属基质复合体的微结构进行高倍放大的显微照片。如标线（26）所示，大量氮化铝在金属基质复合体内形成。图5中，深灰色处表示氮化铝（26），浅灰色处表示基质金属（28），深色颗粒（30）表示90粒度的38Alundum。本例进一步说明调整金属基质复合体的微观结构，使其含有不同的渗透气氛与渗透基质金属之间的反应产物是可能的。
本例说明通过自发渗透制备下述大复合体是可能的的该复合体含有过量基质金属，该金属整体连接或结合到金属基质复合体上，后者又整体连接或结合到一种陶瓷体上。本例进一步说明通过使基质金属与渗透气氛形成反应产物，可以改良金属基质复合体的微观结构。
实施例3
本例说明制备下述大复合体的可能性。该复合体含有过量基质金属，该金属整体连接或结合到金属基质复合体上，后者又依次整体连接或结合到陶瓷体上。
如图6所示，将尺寸约为3×4×1/2英寸的市售氧化铝板（32）（AD85，由Coors生产）放在氧化铝耐火盘（34）内的约1/2英寸厚的90粒度氧化铝材料（已知品名为38Alundum，由Norton公司生产）层上面。再向耐火盘（34）中加入38Alundum，直至氧化铝板（32）被约1英寸厚的38Alundum层覆盖。将约由（以重量计）5%硅，3%Mg，6%锌，其余为铝组成的两条基质金属棒（36）放在位于氧化铝板正上方的38Alundum的顶部。每根基质金属棒（36）的尺寸约为4 1/2×2×1/2英寸，并如图6所示，一个叠放在另一个之上。然后再向耐火盘（34）中加入38Alundum，直至38Alundum床（38）的表面与上面的基质金属棒（36）的表面基本呈水平状。
将由氧化铝耐火盘（34）和其内含物构成的组合件放在于室温下的电阻加热马弗管式炉内，并使混合气（约96%（体积）氮气，4%（体积）氢气）的连续流量达到约350毫升/分钟。在约12小时内使炉温从室温升至约1000℃;在约1000℃下保持约18小时后，使炉温在约5小时内降至室温。
达到室温之后，从炉内取出组合件并分解之，图7是表示从组件中取出的大复合体（40）的剖面之照片。具体地讲，过量基质金属（42）整体连接或结合到金属基质复合体（44）上，该复合体含由基质含金嵌入的90粒度38Alundum并且依次整体连接或结合到陶瓷板（46）上。因此本例说明了形成这样一种多层复合体的可能性。该复合体含有一种金属基质复合体，在其正反面上粘结有陶瓷块和固体金属块。本例进一步说明了经单一自发渗透步骤形成这种多层大复合体的可能性。
实施例4
本例说明形成整体连接到固体基质金属上的金属基质复合体的可能性。
如图8所示，用双层15/1000英寸厚的GTB级石墨条产品（由联合碳化物公司生产，以Grafoil商标出售）、制做尺寸约为6 1/2×6 1/2×2.5英寸的盒（48）。方法是将合适尺寸的Grafoil片段安装在一起，接缝处用由石墨粉（来自Lonza公司的KS-44级产品）和胶体氧化硅（Ludox HS，来自杜邦公司）混合成的淤浆密封。石墨与胶体氧化硅的重量比约为1/3。
将购自Alcan的名为C-75粗氧化铝的未磨氧化铝填料加到Grafoil盒中，直至氧化铝填料床（50）约达1.25英寸厚。将尺寸约为6 1/2×6 1/2×1英寸，约由5%硅、5%Mg、5%锌、其余为铝构成的锭（52）放在Grafoil盒（48）内的氧化铝填料床（50）之上。再将Grafoil盒（48）和其内含物放在石墨耐火盘（54）内的约1英寸厚的24粒度氧化铝材料（名为38 Alundum，由Norton公司生产）层上面。向石墨盘中再加入24粒度38 Alundum，直至24粒度38 Alundum床（56）的表面略低于Grafoil盒（48）的顶部。
将由石墨耐火盘（54）及其内含物构成的组合件放在处于室温下的控制气氛电阻加热真空炉内。然后在炉内形成高真空（约1×10-4乇），并在约45分钟内将炉温升至约200℃。在真空条件下使炉温保持在约200℃下约达2小时，然后用氮气返充入炉内，直至达到约1个大气压。在炉内建立流量约为1.5升/分钟的连续氮气流，并在约5小时内将炉温升至约865℃;在约865℃下约保持24小时后在约3小时内使其降至室温。
到达室温后，从炉内取出组合件并分解之。图9是表示从组合件中取出的大复合体剖面的图片。具体地讲，图9表示了一种金属基质复合体（58），它含有整体连接到残余基质金属体（60）上的、嵌入基质金属的C-75粗氧化铝。
因此，本例说明了获得下述大复合体的可能性。该复合体由整体结合到残余基质金属上的金属基质复合物构成。
实施例5
本例说明制备下述大复合体的可能性。该复合体含有过量基质金属，该金属与一种金属基质复合体整体连接或结合，而后者又与一种陶瓷体整体连接或结合。具体地讲，陶瓷体和过量基质金属体与一种金属基质复合体整体连接或结合，而后者含有嵌在一种金属基质内的立体陶瓷结构。
如图10所示，从纽约的Alfred高技术陶瓷公司购得约由纯度为99.5%的氧化铝构成的，每英寸约有45个孔，规格为1×1.5×0.5英寸的陶瓷滤料（62）。将其放在氧化铝盘（64）的底部，并且陶瓷滤料（62）的上面放有尺寸约为1×1×1/2英寸的基质金属锭（66），该锭由约（以重量计）5%硅、6%锌、10%镁，及余量铝构成。氧化铝盘（64）由Bolt技术陶瓷公司的99.7%氧化铝耐火粘土（BTC-AL-99.7%）构成，其尺寸约为100mm长，45mm宽，19mm高，底厚为3mm。将由氧化铝耐火盘及其内含物构成的组合件于室温下放在管式炉内。关闭炉门，以约250毫升/分钟的气体流量向炉内提供混合气（约96%（体积）氮气，4%（体积）氢气）。炉温以约150℃/小时的速度升至约775℃;在约775℃下保持7小时后，再以约200℃/小时速度降至室温。从炉内取出组合件，并从中得到一个大复合体。切断大复合体的金属基质复合体层，摄取其微观结构的显微照片。该照片如图11所示。
如图11所示，基质金属（68）有效地渗入了陶瓷滤料（70）的孔隙。而且如图11中标线（72）所表示，基质金属充分渗透到陶瓷滤料（70）的氧化铝组分的孔隙内。图11还表示撂氧化铝盘（76）底部和金属基质复合体（78）之间的交界处（75）。此外，尽管图中未示出，但过量基质金属仍然整体连接或结合到与陶瓷件相对的，即相对于氧化铝盘底部的金属基质复合体的一端上。
因此，本例说明了形成这样的多层大复合体的可能性。该复合体含有过量基质金属体，该金属体整体连接或结合到金属基质复合体上，而后者又整体连接或结合到陶瓷体上。
实施例6
本例说明经一步自发渗入几个预型体，制备下述大复合体的可能性。该复合体含有两个金属基质复合体，它们粘结在一基质金属薄层的正反两面上。
用Norton公司生产的，已知商品名为38 Alundum的220粒度氧化铝材料和胶体氧化铝（Nyacol AL-20）的混合体进行沉积浇注，得到两个预型体，每个尺寸约为7×7×0.5英寸。胶体氧化铝与220粒度38 Alundum的重量比约为70/30。
将预型体干燥和定型之后，在每个预型体的一个表面上都涂敷一胶体氧化铝糊（Nyacol AL-20）薄层（约1/64英寸厚）。然后使两个涂敷的表面接触，使得两个预型体之间夹着胶体氧化铝。如图12所示，将预型体（80）的组合件，包括胶体氧化铝边界层（81）在内放在耐火盘（82）内约1/2英寸厚的HCT级二硼化钛（由联合碳化物公司生产）层顶部。在预型体（80）的组合件上面放一块尺寸约为7×7×1/2英寸的基质金属锭（84），该锭约含（以重量计）5%硅，5%锌，7%Mg，2%铜，其余为铝。再向耐火盘（82）中加入HCT级二硼化钛，直至二硼化钛床（86）的表面基本与基质金属锭（84）的上表面基本呈水平状态。
将由耐火盘（82）及其内含物构成的组合件放入在室温下的控制气氛电阻加热真空炉内。使炉内形成高真空（约1×10-4乇），并在约45分钟内将炉温升至约200℃。在真空条件下，保持约200℃炉温约达2小时。在此2小时初次加热时间之后，用氮气返充炉内，至约1个大气压，并在约5小时内将炉温升至约865℃。在约865℃下保持约18小时后，于约5小时内将炉温降至室温。
到达室温后，从炉内取出组合件并分解之。图13是从组合件中取出的大复合体的剖面照片。具体地讲，有一层基质金属（88）夹在二个金属基质复合体（90）之间，每个复合体含有嵌入基质金属的220粒度38 Alundum（以及来自Nyacol胶体氧化铝的残物）。基质金属层（88）整体连接或结合到每个金属基质复合体（90）上，由此形成大复合体。
本例说明了经一次自发渗透制备这种大复合体的可能性。该复合体含有被一基质金属薄层整体连接或结合在一起的两个金属基质复合体。