Диффузионно-связанные металлические материалы

Использование: для диффузионного связывания металлических частиц. Сущность изобретения заключается в том, что способ диффузионного связывания металлических материалов включает: нанесение наночастиц (106) ZrH₂ на первый металлический материал и выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом, причем по меньшей мере один из первого металлического материала или второго металлического материала содержит слой поверхностного оксида, и во время операции диффузионного связывания наночастицы ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем поверхностного оксида. Технический результат - обеспечение возможности диффузионного связывания металлических частиц. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в основном относится к диффузионно-связанным металлическим материалам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диффузионное связывание представляет собой метод, который включает сжатие составных элементов друг с другом в условиях нагрева, чтобы вызвать диффузию атомов и получить металлическую связь. Некоторые металлические материалы (например, алюминиевые сплавы) имеют прочный поверхностный оксид, который быстро образуется при низких парциальных давлениях кислорода. Такие слои поверхностного оксида бывает трудно удалить (например, с помощью химических и/или механических средств). Быстрое формирование слоев поверхностного оксида может сделать диффузионное связывание таких металлических материалов практически нецелесообразным.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном конкретном варианте осуществления, способ включает нанесение наночастиц гидрида циркония (ZrH₂) на первый металлический материал. Способ включает выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом. По меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала содержит слой поверхностного оксида. Во время операции диффузионного связывания наночастицы ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем поверхностного оксида.

В другом конкретном варианте осуществления раскрыт диффузионно-связанный металлический материал. Диффузионно-связанный металлический материал сформирован при помощи процесса, включающего в себя нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал и выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом. По меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала содержит слой поверхностного оксида. Во время операции диффузионного связывания наночастицы ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем поверхностного оксида.

В другом конкретном варианте осуществления раскрыт диффузионно-связанный металлический материал. Диффузионно-связанный металлический материал включает в себя два металлических материала, участок диффузионного связывания, расположенный между двумя металлическими материалами, и оксидированный участок, расположенный между двумя металлическими материалами. Участок диффузионного связывания содержит оксид циркония и диффундированные атомы металла из двух металлических материалов. Оксидированный участок содержит металлические оксиды двух металлических материалов. Оксидированный участок не содержит оксида циркония.

Описанные признаки, функции и преимущества могут быть получены независимо друг от друга в различных вариантах осуществления, либо могут быть объединены в других вариантах осуществления, дополнительные детали которых описаны со ссылкой на последующее описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая процесс формирования диффузионно-связанного металлического материала согласно одному варианту осуществления.

На фиг. 2 показана схема, иллюстрирующая процесс формирования диффузионно-связанного/суперпластично формованного (ДС/СПФ) металлического материала согласно одному варианту осуществления.

На фиг. 3 показана схема последовательности операций, иллюстрирующая конкретный вариант осуществления способа процесса формирования диффузионно-связанного металлического материала.

На фиг. 4 показана схема последовательности операций, иллюстрирующая конкретный вариант осуществления способа процесса формирования ДС/СПФ металлического материала.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее раскрытие описывает диффузионно-связанные металлические материалы и процессы формирования диффузионно-связанных (ДС) металлических материалов. Настоящее раскрытие дополнительно описывает металлические материалы, полученные диффузионным связывание/суперпластичным формованием (ДС/СПФ) и процессы формирования ДС/СПФ металлических материалов.

В настоящем раскрытии наночастицы гидрида циркония (ZrH₂) могут быть использованы для того, чтобы по существу разрушить слой поверхностного оксида на поверхности металлического материала для обеспечения возможности миграции атомов металла во время операции диффузионного связывания. Металлические материалы, например материалы из алюминия (Al), бериллия (Be) или магния (Mg) (наряду с другими материалами, например, материалами на основе никеля, материалами на основе хрома, материалами из нержавеющей стали и т.д.), могут быть склонны к тому, что на их поверхности образуются слои поверхностных оксидов, которые могут препятствовать диффузии атомов металла между двумя металлическими материалами, подлежащими связыванию. Химическая реакция наночастиц ZrH₂ со слоями поверхностных оксидов (например, слоями оксидов Al, Be, или Mg) может обеспечить возможность миграции атомов металла (например, атомов Al, Be, или Mg) во время операции диффузионного связывания. Для иллюстрации, в случае двух алюминиевых материалов (например, двух листов из алюминия или алюминиевого сплава), наночастицы ZrH₂ могут вступать в реакцию со слоями оксида алюминия, сформированными на поверхностях алюминиевых материалов, для образования оксида циркония и металлического алюминия, обеспечивая возможность диффузионного связывания в местах, в которых нанесены наночастицы ZrH₂. Хотя настоящее раскрытие описывает применение наночастиц ZrH₂, можно использовать альтернативные материалы, способные вступать в химическую реакцию с пассивирующим слоем оксида, чтобы обеспечить возможность диффузии атомов металла.

В некоторых случаях наночастицы ZrH₂ (или металлический порошок, например, алюминиевый порошок или порошок алюминиевого сплава, содержащий наночастицы ZrH₂), можно наносить выборочно (например, при помощи холодного напыления, плазменного напыления, нанесения покрытия или иным способом) на конкретные области металлических материалов, подлежащих связыванию. Выборочное нанесение наночастиц ZrH₂ может обеспечить возможность формирования участка(ов) диффузионного связывания в областях, на которые нанесены наночастицы ZrH₂. Области, на которые наночастицы ZrH₂ не нанесены, могут представлять собой оксидированный участок(и), которому в некоторых случаях можно придать форму посредством операции суперпластичного формования (например, для формования суперпластичного гофра жесткости) с получением в результате диффузионно связанного/суперпластично формованного (ДС/СПФ) металлического материала.

Со ссылкой на фиг. 1 на схеме 100 показан конкретный вариант осуществления процесса формирования диффузионно-связанного металлического материала 140. На фиг. 1 первый металлический материал 102 (обозначенный на фиг. 1, как "Металлический материал (1)") связан со вторым металлическим материалом 104 (обозначенным на фиг. 1, как "Металлический материал (2)") с использованием наночастиц 106 ZrH₂, которые наносят на поверхность первого металлического материала 102, на поверхность второго металлического материала 104 или их комбинацию. Наночастицы 106 ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем(ями) 105 поверхностного оксида на одном или обоих металлических материалах 102, 104 для разрушения слоя(ев) 105 поверхностного оксида с целью обеспечения возможности диффузии атомов металла между металлическими материалами 102, 104. На фиг. 1 показан пример, в котором наночастицы 106 ZrH₂ покрывают обе поверхности металлических материалов 102, 104. В других случаях, как показано и далее описано в данном документе со ссылкой на фиг. 2, наночастицы 106 ZrH₂ можно наносить выборочно на конкретную область(и) металлического материала(ов) 102, 104 (например, для формирования ДС/СПФ металлического материала).

На фиг. 1 показан пример операции 110 нанесения наночастиц ZrH₂, во время которой наночастицы 106 ZrH₂ наносят на первый металлический материал 102, на второй металлический материал 104 или их комбинацию. В примере на фиг. 1 наночастицами 106 ZrH₂ покрывают или наносят их на поверхности обоих, первого металлического материала 102 и второго металлического материала 104. В других случаях наночастицы 106 ZrH₂ можно наносить выборочно только на один из металлических материалов 102, 104. В любом случае, на фиг. 1 показано, что операция 110 нанесения наночастиц ZrH₂ приводит к тому, что наночастицы 106 ZrH₂ располагаются между двумя металлическими материалами 102, 104. В одном из конкретных вариантов осуществления, металлические материалы 102, 104 включают в себя листы алюминия или алюминиевого сплава (или материалы, включающие в себя различающиеся металлы, такие как, алюминийсодержащий материал и железосодержащий материал, например, сталь), и операция 110 нанесения наночастиц ZrH₂ включает в себя нанесение порошка алюминиевого сплава, содержащего наночастицы 106 ZrH₂, на первый металлический материал 102 (и опционально на втором металлическом материале 104). Используемый в данном описании термин "наночастица" относится к частицам, имеющим характерный размер (например, средний диаметр) в диапазоне от 1 нм до 100 нм.

Операция 120 диффузионного связывания может быть выполнена после операции 110 нанесения наночастиц ZrH₂. Операция 120 диффузионного связывания может включать нагрев в атмосфере инертного газа (например, в атмосфере аргона). В некоторых случаях операцию 120 диффузионного связывания можно выполнять при меньшем давлении, чем давление окружающей среды. По меньшей мере один из первого металлического материала 102 или второго металлического материала 104 содержит слой 105 поверхностного оксида, и химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере части слоя(ев) 105 поверхностного оксида, обеспечивая возможность миграции атомов металла во время операции 120 диффузионного связывания. Как описано далее в данном документе, в некоторых случаях металлические материалы 102, 104 могут включать в себя алюминий (или алюминиевый сплав), бериллий (или бериллиевый сплав), или магний (или магниевый сплав), наряду с другими альтернативами. В некоторых случаях металлические материалы 102, 104 могут иметь различающиеся металлические составы. В качестве иллюстративного неограничивающего примера, один из металлических материалов 102, 104 может быть алюминийсодержащим материалом, а другой из металлических материалов 102, 104 может быть железосодержащим материалом, например сталью. Другие примеры могут включать в себя алюминийсодержащий материал и магнийсодержащий материал или никельсодержащий материал и железосодержащий материал (например, сталь), наряду с другими альтернативами. Как показано на фиг. 1, операция 120 диффузионного связывания приводит к формированию диффузионно-связанного металлического материала 140, в котором первый металлический материал 102 связан со вторым металлическим материалом 104.

На фиг. 1 показан не ограничивающий иллюстративный пример, в котором по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 включает в себя алюминий (или алюминиевый сплав), и слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида алюминия. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида алюминия, обеспечивая возможность миграции атомов алюминия во время операции 120 диффузионного связывания. В качестве другого примера, по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 может включать в себя бериллий (или бериллиевый сплав), и слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида бериллия. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида бериллия, обеспечивая возможность миграции атомов бериллия во время операции 120 диффузионного связывания. В качестве дополнительного примера, по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 может включать в себя магний (или магниевый сплав), и слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида магния. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ми) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида магния, обеспечивая возможность миграции атомов магния во время операции 120 диффузионного связывания.

Фиг. 1 содержит выделенный фрагмент 142, показывающий наглядный пример части диффузионно-связанного металлического материала 140 (который изображает миграцию атомов металла во время операции 120 диффузионного связывания). В выделенном фрагменте 142 атомы металла обозначены буквой М, причем М представляет собой Al, Be или Mg (в зависимости от состава металлических материалов 102, 104). Диффузионно-связанный металлический материал 140 может иметь участок диффузионного связывания, имеющий толщину в диапазоне от 1 до 100 нм. Хотя на выделенном фрагменте 142 на фиг. 1 это не показано, но участок диффузионного связывания может содержать оксид циркония (ZrO₂) и диффундированные атомы металла (например, атомы Al, Be, или Mg). Таким образом, хотя на выделенном фрагменте на фиг. 1 изображена диффузия атомов металла (М), следует иметь ввиду, что диффузионно-связанный металлический материал 140 также содержит оксид циркония в качестве побочного продукта химической реакции наночастиц 106 ZrH₂ и поверхностных оксидов металлов (с газовыделением побочного продукта Н₂ во время операции 120 диффузионного связывания).

В некоторых случаях, после нанесения наночастиц 106 ZrH₂ на первый металлический материал 102 (или оба металлических материала 102, 104), для усиления связывания между двумя металлическими материалами 102, 104 можно выполнять одну или более дополнительных операций. Дополнительная операция(и) может заключаться в подводе энергии по меньшей мере к части первого металлического материала 102 и части второго металлического материала 104 для увеличения подвижности атомов. Иллюстративные примеры подведения энергии могут включать в себя применение по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний, применение по меньшей мере одного источника лазерного излучения, проковки по меньшей мере одного из указанных первого металлического материала 102 или второго металлического материала 104 или применение кавитации текучей среды (наряду с другими альтернативами). В некоторых случаях энергию можно подводить во время или после операции 120 диффузионного связывания.

Таким образом, на фиг. 1 показан пример процесса формирования диффузионно-связанного металлического материала. На фиг. 1, наночастицы ZrH₂, расположенные между двумя металлическими материалами (например, листами Al, Be или Mg), вступают в химическую реакцию со слоем(ми) поверхностного оксида, для разрушения слоя(ев) поверхностного оксида с целью обеспечения возможности диффузии атомов металла между металлическими материалами. В некоторых случаях, диффузионно-связанный металлический материал, сформированный согласно процессу, изображенному на фиг. 1, можно использовать в качестве составного элемента транспортного средства (например, летательного аппарата или автомобиля), наряду с другими альтернативами.

Со ссылкой на фиг. 2 на схеме 200 показан конкретный вариант осуществления процесса формирования диффузионно-связанного/суперпластично формованного (ДС/СПФ) металлического материала 250. На фиг. 2 показано, что наночастицы 106 ZrH₂ можно наносить выборочно на конкретную область(и) металлического материала(ов) 102, 104. Наночастицы 106 ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем(ми) 105 поверхностного оксида на одном или обоих металлических материалах 102, 104, чтобы обеспечить возможность диффузии атомов металла между металлическими материалами 102, 104. На фиг. 2 дополнительно показано, что области(ям), на которую наночастицы 106 ZrH₂ не нанесены, может быть придана форма посредством операции суперпластичного формования.

На фиг. 2 показан пример операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂, в которой наночастицы 106 ZrH₂ нанесены на первую область 212 между двумя металлическими материалами 102, 104. В примере на фиг. 2, наночастицы 106 ZrH₂ покрывают или наносят на поверхности обоих, первого металлического материала 102 и второго металлического материала 104. В других случаях, наночастицы 106 ZrH₂ могут быть нанесены выборочно только на один из металлических материалов 102, 104. В любом случае, на фиг. 2 показано, что операция 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂ приводит к тому, что наночастицы 106 ZrH₂ располагаются в первой области 212 между двумя металлическими материалами 102, 104. В конкретном варианте осуществления металлические материалы 102, 104 включают в себя листы алюминия или алюминиевого сплава, и операция 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂ включает в себя нанесение порошка алюминиевого сплава, содержащего наночастицы 106 ZrH₂, на первый металлический материал 102 (и в некоторых случаях на второй металлический материал 104). В примере на фиг. 2, наночастицы 106 ZrH₂ не нанесены на вторую область 214 между двумя металлическими материалами 102, 104 в качестве части операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂.

Операцию диффузионного связывания 220 можно выполнять после операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂. По меньшей мере один из указанных первого металлического материала 102 или второго металлического материала 104 содержит слой 105 поверхностного оксида, и химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ми) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере части слоя(ев) 105 поверхностного оксида, обеспечивая возможность миграции атомов металла во время операции диффузионного связывания 220. Как описано далее в данном документе, в некоторых случаях металлические материалы 102, 104 могут включать в себя алюминий (или алюминиевый сплав), бериллий (или бериллиевый сплав), или магний (или магниевый сплав), наряду с другими альтернативами. В некоторых случаях металлические материалы 102, 104 могут включать в себя различающиеся металлы. В качестве иллюстративного неограничивающего примера, один из металлических материалов 102, 104 может быть алюминийсодержащим материалом и один из металлических материалов 102, 104 может быть железосодержащим материалом, например, сталью (наряду с другими альтернативами). Как показано на фиг. 2, операция диффузионного связывания 220 приводит к формированию диффузионно-связанного металлического материала 240, имеющего участок(ки) 222 диффузионного связывания, соответствующий первой области 212, и оксидированный участок(и) 224, соответствующий второй области 214.

Участок 222 диффузионного связывания(й) содержит оксид циркония и диффундированные атомы металла из двух металлических материалов 102, 104. Оксидированный участок(и) 224 включает металлические оксиды двух металлических материалов 102, 104. Поскольку наночастицы 106 ZrH₂ не наносят на вторую область 214 в время операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂, оксидированный участок(и) 224 не содержит оксида циркония. Участок 222 диффузионного связывания(й) может иметь толщину в диапазоне от 1 нм до 100 нм.

На фиг. 2 изображен не ограничивающий иллюстративный пример, в котором по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 включает в себя алюминий (или алюминиевый сплав), а слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида алюминия. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида алюминия, обеспечивая возможность миграции атомов алюминия во время операции диффузионного связывания 220. В качестве другого примера, по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 может включать в себя бериллий (или бериллиевый сплав), и слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида бериллия. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида бериллия, обеспечивая возможность миграции атомов бериллия во время операции диффузионного связывания 220. В качестве дополнительного примера, по меньшей мере один из металлических материалов 102, 104 может включать в себя магний (или магниевый сплав), и слой(и) 105 поверхностного оксида включает в себя слой оксида магния. В данном примере химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ями) 105 поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) оксида магния, обеспечивая возможность миграции атомов магния во время операции диффузионного связывания 220.

Фиг. 2 содержит выделенный фрагмент 242, показывающий наглядный пример части диффузионно-связанного металлического материала 240 (изображающий миграцию атомов металла во время операции диффузионного связывания 220). В выделенном фрагменте 242 атомы металла обозначены буквой М, причем М представляет собой Al, Be или Mg (в зависимости от состава металлических материалов 102, 104). Хотя на выделенном фрагменте 242 на фиг. 2 это не показано, но участок диффузионного связывания может содержать оксид циркония (ZrO₂) и диффундированные атомы металла (например, атомы Al, Be или Mg). Таким образом, хотя на выделенном фрагменте на фиг. 1 изображена диффузия атомов металла (М), следует иметь ввиду, что диффузионно-связанный металлический материал 140 также содержит оксид циркония в виде побочного продукта химической реакции наночастиц 106 ZrH₂ с поверхностными оксидами металлов (с газовыделением побочного продукта Н₂ во время операции 120 диффузионного связывания).

В некоторых случаях после нанесения наночастиц 106 ZrH₂ на первом металлическом материале 102 (или обоих металлических материалах 102, 104), можно выполнять одну или более дополнительных операций для усиления связывания между двумя металлическими материалами 102, 104. Дополнительная операция(и) может включать в себя подведение энергии по меньшей мере к части первого металлического материала 102 и части второго металлического материала 104 для увеличения подвижности атомов. Иллюстративные примеры подведения энергии могут включать в себя применение по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний, применение по меньшей мере одного источника лазерного излучения, проковку по меньшей мере одного из указанных первого металлического материала или второго металлического материала, или применение кавитации текучей среды (наряду с другими альтернативами). В некоторых случаях энергию можно подводить во время или после операции 220 диффузионного связывания.

В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 2, процесс дополнительно включает в себя выполнение операции 230 суперпластичного формования. Операцию 230 суперпластичного формования применяют для придания формы второй области 214 первого металлического материала 102 после операции диффузионного связывания 220. Вторая область 214 соответствует оксидированному участку 224, на который наночастицы 106 ZrH₂ не были нанесены во время операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал 102. На фиг. 2 показано, что операция 230 суперпластичного формования может приводить к приданию формы профилированной области, 252, включающей в себя суперпластично формованный гофр 254 жесткости (причем оксидированный участок 224, изображенный на диффузионно-связанном металлическом материале 240, соответствует суперпластично формованному гофру 254 жесткости, изображенному на ДС/СПФ металлическом материале 250).

Таким образом, на фиг. 2 показан пример процесса формирования диффузионно-связанного/суперпластично формованного (ДС/СПФ) металлического материала. На фиг. 2 наночастицы ZrH₂, выборочно нанесенные на поверхность(и) двух металлических материалов (например, листов Al, Be, или Mg), вступают в химическую реакцию со слоем(ями) поверхностного оксида, чтобы обеспечить возможность диффузии атомов металла между металлическими материалами. На фиг. 2 показано, что участку(ам), на который не нанесены наночастицы ZrH₂, можно придавать форму для формирования признака(ов) суперпластичного формования. В некоторых случаях ДС/СПФ металлический материал, сформированный в соответствии с процессом, изображенном на фиг. 2, наряду с другими альтернативами можно использовать в качестве составного элемента транспортного средства (например, летательного аппарата или автомобиля).

Со ссылкой на фиг. 3, на схеме последовательности операций показан конкретный вариант осуществления процесса 300 формирования диффузионно-связанного металлического материала. В некоторых случаях процесс 300 на фиг. 3 можно использовать для формирования диффузионно-связанного металлического материала 140 согласно фиг. 1. На фиг. 3 показано, что в некоторых случаях, во время или после операции диффузионного связывания, для увеличения подвижности атомов металлического материала(ов) можно подводить энергию, чтобы дополнительно повысить прочность связывания в месте(ах) диффузионного связывания.

Процесс 300 включает в себя нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал на этапе 302. Например, со ссылкой на фиг. 1 операция 110 нанесения наночастиц ZrH₂ включает в себя нанесение наночастиц 106 ZrH₂ на первый металлический материал 102 (например, холодным напылением наночастиц 106 ZrH₂ на первый металлический материал 102). В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, операция 110 нанесения наночастиц ZrH₂ также включает в себя нанесение наночастиц 106 ZrH₂ на второй металлический материал 104 (например, холодным напылением наночастиц 106 ZrH₂ на второй металлический материал 104).

Процесс 300 включает в себя выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом, на этапе 304. Например, со ссылкой на фиг. 1, для связывания первого металлического материала 102 со вторым металлическим материалом 104 можно выполнять операцию 120 диффузионного связывания. Как изображено на выделенном фрагменте 142 на фиг. 1, химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со споем(ми) 105 поверхностного оксида (например, слоем оксида алюминия, слоем оксида бериллия или слоем оксида магния) одного или более металлических материалов 102, 104 по существу разрушает слой(и) 105 поверхностного оксида, обеспечивая возможность миграции атомов металла (М) во время операции 120 диффузионного связывания.

В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, процесс 300 также включает в себя подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов, по меньшей мере к части первого металлического материала и части второго металлического материала, на этапе 306. Например, со ссылкой на фиг. 1, после нанесения наночастиц 106 ZrH₂ на первый металлический материал 102 (или обоих металлических материалах 102, 104), можно выполнять одну или более дополнительных операций для усиления связывания между двумя металлическими материалами 102, 104. Дополнительная операция(и) может включать в себя подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов, по меньшей мере к части первого металлического материала 102 и части второго металлического материала 104. Иллюстративные примеры подведения энергии могут включать в себя применение ультразвуковых колебаний, с использованием по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний, применение лазерного излучения с использованием по меньшей мере одного источника лазерного излучения, проковку по меньшей мере одного первого металлического материала или второго металлического материала, или применение кавитации текучей среды (наряду с другими альтернативами). В некоторых случаях энергию можно подводить во время или после операции 120 диффузионного связывания.

Таким образом, на фиг. 3 показан пример процесса формирования диффузионно-связанного металлического материала. В примере на фиг. 3, наночастицы ZrH₂, расположенные между двумя металлическими материалами (например, листами Al, Be или Mg) вступают в химическую реакцию со слоем(ями) поверхностного оксида, для разрушения по меньшей мере части слоя(ев) поверхностного оксида с целью обеспечения возможности диффузии атомов металла между металлическими материалами.

Со ссылкой на фиг. 4, схема последовательности операций показывает конкретный вариант осуществления процесса 400 формирования диффузионно-связанного/суперпластично формованного (ДС/СПФ) металлического материала. В некоторых случаях процесс 400 на фиг. 4 можно использовать для формирования ДС/СПФ металлического материала 250 на фиг. 2.

Процесс 400 включает в себя выборочное нанесение наночастиц ZrH₂ на первую область первого металлического материала на этапе 402. Например, со ссылкой на фиг. 2, операция 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂ включает в себя нанесение наночастиц 106 ZrH₂ на первую область 214 первого металлического материала 102 (например, холодным напылением наночастиц 106 ZrH₂ на первую область 214 первого металлического материала 102). В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 2, операция 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂ также включает в себя нанесение наночастиц 106 ZrH₂ на первую область 212 второго металлического материала 104 (например, холодным напылением наночастиц 106 ZrH₂ на первую область 212 второго металлического материала 104).

Процесс 400 включает в себя выполнение операции диффузионного связывания для связывания первой области первого металлического материала со вторым металлическим материалом на этапе 404. Например, со ссылкой на фиг. 2, операцию диффузионного связывания 220 можно выполнять для связывания первой области 212 первого металлического материала 102 со вторым металлическим материалом 104. Как изображено на выделенном фрагменте 242 на фиг. 2, химическая реакция наночастиц 106 ZrH₂ со слоем(ми) 105 поверхностного оксида (например, слоем оксида алюминия, слоем оксида бериллия, или слоем оксида марганца) одного или более металлических материалов 102, 104 разрушает по меньшей мере часть слоя(ев) 105 поверхностного оксида, обеспечивая возможность миграции атомов металла (М) во время операции диффузионного связывания 220.

В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, процесс 400 также включает в себя подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов, по меньшей мере к части первого металлического материала и части второго металлического материала на этапе 406. Например, ссылаясь на фиг. 2, после нанесения наночастиц 106 ZrH₂ на первый металлический материал 102 (или обоих металлических материалах 102, 104), можно выполнять одну или более дополнительных операций для усиления связывания между двумя металлическими материалами 102, 104. Дополнительная операция(и) может включать в себя подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов по меньшей мере к части первого металлического материала 102 и части второго металлического материала 104. Иллюстративные примеры подведения энергии могут включать в себя применение по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний, применение по меньшей мере одного источника лазерного излучения, проковку по меньшей мере одного из указанных первого металлического материала или второго металлического материала или применение кавитации текучей среды (наряду с другими альтернативами). В некоторых случаях энергию можно подводить во время или после операции 220 диффузионного связывания.

В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, процесс 400 дополнительно включает в себя выполнение операции суперпластичного формования для придания формы области первого металлического материала на этапе 408. Например, со ссылкой на фиг. 2, операцию 230 суперпластичного формования можно выполнять для придания формы второй области 214 (на которую наночастицы 106 ZrH₂ не наносят во время операции 210 выборочного нанесения наночастиц ZrH₂) для придания формы профилированной области 252. Как показано в примере на фиг. 2, профилированная область 252 может включать в себя суперпластично формованный гофр 254 жесткости.

Таким образом, на фиг. 4 показан пример процесса формирования ДС/СПФ металлического материала. В примере на фиг. 4 наночастицы ZrH₂, которые выборочно нанесены на первую область, расположенную между двумя металлическими материалами (например, листами Al, Be или Mg), вступают в химическую реакцию со слоем(ями) поверхностного оксида чтобы обеспечить возможность диффузии атомов металла в первую область между металлическими материалами. Во второй области, куда наночастицы ZrH₂ не наносят, можно выполнять операцию суперпластичного формования для придания формы второй области (например, для формирования суперпластично формованного гофра жесткости).

Иллюстрации вариантов осуществления, описанных в данном документе, предназначены обеспечить общее понимание структуры различных вариантов осуществления. Иллюстрации не предназначены для использования в качестве полного описания всех элементов и признаков устройств и систем, которые используют структуры или способы, описанные в настоящем документе. Многие другие варианты осуществления могут быть очевидны специалистам в данной области техники при рассмотрении описания. Другие варианты осуществления можно получить из раскрытия и использовать так, что структурные и логические замены и изменения могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения. Например, этапы способа могут быть выполнены в порядке, отличном от показанного на чертежах, или один или более этапов способа могут быть опущены. Соответственно, описание и фигуры следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.

Дополнительно, описание содержит варианты осуществления в соответствии со следующими пунктами:

Пункт 1. Способ, включающий:

нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал; и

выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом, причем

по меньшей мере один из первого металлического материала или второго металлического материала содержит слой поверхностного оксида, и

во время операции диффузионного связывания наночастицы ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем поверхностного оксида.

Пункт 2. Способ по пункту 1, дополнительно включающий выполнение операции суперпластичного формования после выполнения операции диффузионного связывания.

Пункт 3. Способ по пункту 1, согласно которому нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал включает в себя нанесение металлического порошка на первый металлический материал, причем металлический порошок содержит наночастицы ZrH₂.

Пункт 4. Способ по пункту 3, согласно которому металлический порошок содержит алюминиевый порошок или порошок алюминиевого сплава.

Пункт 5. Способ по пункту 1, согласно которому по меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала включает в себя алюминий, причем

слой поверхностного оксида включает в себя слой оксида алюминия, а

химическая реакция наночастиц ZrH₂ со слоем поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя оксида алюминия, обеспечивая возможность миграции атомов алюминия во время операции диффузионного связывания.

Пункт 6. Способ по пункту 1, согласно которому по меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала включает в себя бериллий, причем

слой поверхностного оксида включает в себя слой оксида бериллия, а

химическая реакция наночастиц ZrH₂ со слоем поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя оксида бериллия, обеспечивая возможность миграции атомов бериллия во время операции диффузионного связывания.

Пункт 7. Способ по пункту 1, согласно которому по меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала включает в себя магний, причем

слой поверхностного оксида включает в себя слой оксида магния, а

химическая реакция наночастиц ZrH₂ со слоем поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя оксида магния, обеспечивая возможность миграции атомов магния во время операции диффузионного связывания.

Пункт 8. Способ по пункту 1, дополнительно включающий подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов, по меньшей мере к части первого металлического материала и части второго металлического материала, после нанесения наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал.

Пункт 9. Способ по пункту 8, согласно которому подведение энергии включает в себя:

применение по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний;

применение по меньшей мере одного источника лазерного излучения;

проковку по меньшей мере одного из указанных первого металлического материала или второго металлического материала или

применение кавитации текучей среды.

Пункт 10. Способ по пункту 8, согласно которому энергию подводят во время или после операции диффузионного связывания.

Пункт 11. Способ по пункту 1, согласно которому нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал включает в себя выборочное нанесение наночастиц ZrH₂ на первую область первого металлического материала.

Пункт 12. Способ по пункту 11, дополнительно включающий выполнение операции суперпластичного формования для придания формы второй области первого металлического материала после операции диффузионного связывания.

Пункт 13. Диффузионно-связанный металлический материал, сформированный при помощи процесса, включающего:

нанесение наночастиц ZrH₂ на первый металлический материал и

выполнение операции диффузионного связывания для связывания первого металлического материала со вторым металлическим материалом, причем

по меньшей мере один из указанных первого металлического материала или второго металлического материала содержит слой поверхностного оксида, и

во время операции диффузионного связывания наночастицы ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем поверхностного оксида.

Пункт 14. Диффузионно-связанный металлический материал по пункту 13, в котором процесс дополнительно содержит выполнение операции суперпластичного формования после выполнения операции диффузионного связывания.

Пункт 15. Диффузионно-связанный металлический материал, содержащий:

два металлических материала;

участок диффузионного связывания, расположенный между двумя металлическими материалами и содержащий оксид циркония и атомы металла, диффундированные из двух металлических материалов; и

оксидированный участок, расположенный между двумя металлическими материалами, причем

оксидированный участок содержит металлические оксиды по меньшей мере одного из двух металлических материалов, и

оксидированный участок не содержит оксида циркония.

Пункт 16. Диффузионно-связанный металлический материал по пункту 15, в котором оксидированный участок соответствует гофру жесткости, полученному суперпластичным формованием.

Пункт 17. Диффузионно-связанный металлический материал по пункту 15, в котором два металлических материала имеют различающиеся металлические составы.

Пункт 18. Диффузионно-связанный металлический материал по пункту 15, в котором участок диффузионного связывания имеет толщину в интервале от 1 нм до 100 нм.

Пункт 19. Транспортное средство, содержащее диффузионно-связанный металлический материал по пункту 15.

Пункт 20. Транспортное средство по пункту 19, в котором транспортное средство включает в себя космическое транспортное средство, водное транспортное средство, подводное транспортное средство или наземное транспортное средство.

Кроме того, хотя в данном документе были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления, следует понимать, что вместо показанных конкретных вариантов осуществления можно использовать любое логически следующее средство, предназначенное для достижения таких же или аналогичных результатов. Данное раскрытие предназначено для охвата любых и всех последующих адаптаций или вариаций различных вариантов осуществления. Комбинации вышеупомянутых вариантов осуществления и другие варианты осуществления, конкретно не описанные в настоящем документе, будут очевидны для специалистов в данной области техники при рассмотрении описания.

Реферат раскрытия представлен с учетом понимания того, что он не будет использован для интерпретации или ограничения объема или значения формулы изобретения. Кроме того, в приведенном выше подробном описании, различные признаки могут быть сгруппированы вместе или описаны в одном варианте осуществления с целью оптимизации раскрытия. Данное описание не следует интерпретировать, как отражающее намерение о том, чтобы заявленные варианты осуществления требуют больше признаков, чем явным образом изложено в каждом пункте формулы изобретения. Скорее, как это отражено в нижеследующей формуле изобретения, заявленный предмет изобретения может быть направлен на меньшее количество признаков, чем все признаки любого из раскрытых вариантов осуществления.

1. Способ диффузионного связывания металлических материалов, включающий:

нанесение наночастиц (106) ZrH₂ на первый металлический материал (102) и

выполнение операции (120) диффузионного связывания для связывания первого металлического материала (102) со вторым металлическим материалом (104), причем

по меньшей мере один из первого металлического материала (102) или второго металлического материала (104) содержит слой (105) поверхностного оксида, и

во время операции (120) диффузионного связывания наночастицы (106) ZrH₂ вступают в химическую реакцию со слоем (105) поверхностного оксида.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий выполнение операции суперпластичного формования после выполнения операции (120) диффузионного связывания.

3. Способ по п. 1, согласно которому нанесение наночастиц (106) ZrH₂ на первый металлический материал (102) включает в себя нанесение металлического порошка на первый металлический материал (102), причем металлический порошок содержит наночастицы (106) ZrH₂.

4. Способ по п. 3, согласно которому металлический порошок содержит алюминиевый порошок или порошок алюминиевого сплава.

5. Способ по п. 1, согласно которому по меньшей мере один из первого металлического материала (102) или второго металлического материала (104) включает в себя алюминий, причем

слой (105) поверхностного оксида включает в себя слой оксида алюминия, а

химическая реакция наночастиц (106) ZrH₂ со слоем (105) поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя оксида алюминия, обеспечивая возможность миграции атомов алюминия во время операции (120) диффузионного связывания.

6. Способ по п. 1, согласно которому по меньшей мере один из первого металлического материала (102) или второго металлического материала (104) включает в себя бериллий, причем

слой (105) поверхностного оксида включает в себя слой оксида бериллия, а

химическая реакция наночастиц (106) ZrH₂ со слоем (105) поверхностного оксида

разрушает по меньшей мере часть слоя оксида бериллия, обеспечивая возможность миграции атомов бериллия во время операции (120) диффузионного связывания.

7. Способ по п. 1, согласно которому по меньшей мере один из первого металлического материала (102) или второго металлического материала (104) включает в себя магний, причем

слой (105) поверхностного оксида включает в себя слой оксида магния, а

химическая реакция наночастиц (106) ZrH₂ со слоем (105) поверхностного оксида разрушает по меньшей мере часть слоя оксида магния, обеспечивая возможность миграции атомов магния во время операции (120) диффузионного связывания.

8. Способ по п. 1, дополнительно включающий подведение энергии, достаточной для увеличения подвижности атомов, по меньшей мере к части первого металлического материала (102) и части второго металлического материала (104) после нанесения наночастиц (106) ZrH₂ на первый металлический материал (102).

9. Способ по п. 8, согласно которому подведение энергии включает:

применение по меньшей мере одного источника ультразвуковых колебаний;

применение по меньшей мере одного источника лазерного излучения;

проковку по меньшей мере одного из первого металлического материала (102) или второго металлического материала (104) или

применение кавитации текучей среды.

10. Способ по п. 8, согласно которому энергию подводят во время или после операции (120) диффузионного связывания.

11. Способ по п. 1, согласно которому нанесение наночастиц (106) ZrH₂ на первый металлический материал (102) включает в себя выборочное нанесение наночастиц (106) ZrH₂ на первую область первого металлического материала (102).

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий выполнение операции суперпластичного формования для придания формы второй области первого металлического материала (102) после операции (120) диффузионного связывания.

13. Диффузионно-связанный металлический материал (240), содержащий:

два металлических материала (102, 104);

участок (222) диффузионного связывания, расположенный между двумя металлическими материалами (102, 104) и содержащий оксид циркония и атомы металла, диффундированные из двух металлических материалов (102, 104); и

оксидированный участок (224), расположенный между двумя металлическими материалами (102, 104), причем

оксидированный участок (224) содержит металлические оксиды по меньшей мере одного из двух металлических материалов (102, 104), и

оксидированный участок (224) не содержит оксида циркония.

14. Диффузионно-связанный металлический материал (240) по п. 13, в котором оксидированный участок (224) соответствует гофру (254) жесткости, полученному суперпластичным формованием.

15. Диффузионно-связанный металлический материал (240) по п. 13, в котором два металлических материала (102, 104) имеют различающиеся металлические составы.

16. Диффузионно-связанный металлический материал (240) по п. 13, в котором участок (222) диффузионного связывания имеет толщину в интервале от 1 до 100 нм.