DE68910273T2

DE68910273T2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Körpern unter Verwendung eines zerkleinerten polykristallinen Oxidationsreaktionsproduktes als Füllmaterial und Produkte daraus.

Info

Publication number: DE68910273T2
Application number: DE89630165T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Marc Stevens Newkirk
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: AU624860B2; FI894927A0; AU4165889A; PH26122A; NZ231085A; JP2801303B2; KR900007510A; CN1042493A; DK460589D0; JPH02236246A; TR25230A; ATE96469T1; DE68910273D1; KR970008035B1; BR8905617A; NO893982D0; NO176186B; EP0368782B1; US5541004A; FI91833C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die dadurch hergestellt werden. Insbesondere wird zuerst ein polykristallines Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetalls und eines Oxidationsmittels gebildet. Das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt wird danach zu einem Füllstoffmaterial einer geeigneten Größe zerkleinert, welches in einen geeigneten Behälter verbracht werden oder zu einer Vorform gebildet werden kann. Das Füllstoffmaterial oder die Vorform des zerkleinerten, polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts wird dann in Berührung mit einer Matrixmetall-Legierung in Anwesenheit eines Infiltrationsverstärkers und/oder eines Infiltrationsverstärkervorläufers sowie einer Infiltrierungsatmosphäre, zumindest zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, gebracht, woraufhin die Matrixmetall-Legierung das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert. Als Ergebnis der Verwendung von zerkleinertem oder zerstoßenem, polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt wird eine verstärkte Infiltrierung (beispielsweise eine erhöhte Geschwindigkeit oder eine vergrößerte Menge) erzielt. Außerdem werden neue Metallmatrix-Verbundkörper hergestellt.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die eine Metallmatrix und eine Verstärkungsphase wie keramische Teilchen, Einkristallfäden, Fasern oder dergleichen umfassen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen vielversprechend, da sie etwas von der Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der Verstärkungsphase mit der Verformbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix verbinden. Im allgemeinen zeigt ein Metallmatrix-Verbundkörper eine Verbesserung bei solchen Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Festigkeitsbeibehaltung bei erhöhter Temperatur mit Bezug auf das das Matrixmetall in monolithischer Form; aber der Grad, zu dem irgendeine gegebene Eigenschaft verbessert werden kann, hängt großenteils ab von den spezifischen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil und wie sie bei der Herstellung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundkörper auch leichter sein als das Matrixmetall an sich. Aluminiummatrix-Verbundkörper, die mit Keramik wie Siliciumcarbid in Teilchenform, Blättchenform oder Einkristallfadenform beispielsweise verstärkt sind, sind von Interesse aufgrund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen mit Bezug auf Aluminium.
Verschiedene metallurgische Verfahren sind für die Herstellung von Aluminiummatrix-Verbundkörpern beschrieben worden, einschließlich Verfahren, die auf Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrierungstechniken beruhen, die Druckgieß-, Vakuumgieß-, Rühr- und Benetzungsmittel verwenden. Bei Pulvermetallurgietechniken werden das Metall in der Form eines Pulvers und das Verstärkungsmaterial in der Form eines Pulvers, von Einkristallfäden, zerkleinerten Fasern usw. gemischt und dann entweder kalt gepreßt und gesintert oder heiß gepreßt. Es wird berichtet, daß der maximale keramische Volumenanteil bei Aluminiummatrix-Verbundkörpern, die mit Siliciumcarbid verstärkt sind, welche durch dieses Verfahren hergestellt wurden, etwa 25 Vol.-% im Fall von Einkristallfäden, und etwa 40 Vol.-% im Fall von Teilchen beträgt.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch Pulvermetallurgietechniken unter Verwendung herkömmlicher Verfahren legt gewisse Beschränkungen mit Bezug auf die erzielbaren Eigenschaften der Produkte auf. Der Volumenanteil der keramischen Phase in dem Verbundkörper wird typischerweise in dem Fall von Teilchen auf etwa 40% beschränkt.
Auch legt der Preßvorgang der erzielbaren praktischen Größe eine Grenze auf. Nur relativ einfache Produktformen sind ohne nachträgliches Bearbeiten (beispielsweise spanlose Formgebung oder spanende Bearbeitung) oder ohne Zurückgreifen auf komplexe Pressen möglich. Auch kann eine nicht gleichmäßige Schrumpfung während des Sinterns auftreten und auch eine Nichtgleichförmigkeit der Mikrostruktur aufgrund von Segregation in Preßlingen und Kornwachstum.
Das US-Patent Nr. 3 970 136 von J. C. Cannell et al., erteilt am 20. Juli 1976, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Matrixmetall-Verbundkörpers, dem eine faserförmige Verstärkung, beispielsweise Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxideinkristallfäden mit einem vorbestimmten Muster der Faserorientierung einverleibt sind. Der Verbundkörper wird hergestellt, indem parallele Matten oder Filze coplanarer Fasern in eine Form mit einem Reservoir von schmelzflüssigem Matrixmetall, beispielsweise Aluminium, zwischen zumindest einige der Matten verbracht werden, und Druck angewendet wird, um das schmelzflüssige Metall zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umgeben. Schmelzflüssiges Metall kann auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es unter Druck gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beschickungen von bis zu etwa 50 Vol.-% der Verstärkungsfasern in dem Verbundkörper berichtet.
Das vorstehend beschriebene Infiltrierungsverfahren unterliegt in Anbetracht seiner Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu zwingen, den Launen von druckinduzierten Fließverfahren, das heißt, einer möglichen Nicht- gleichförmigkeit der Matrixbildung, Porosität usw.. Die Nichtgleichförmigkeit der Eigenschaften ist möglich, selbst wenn schmelzflüssiges Metall an einer Vielfalt von Stellen innerhalb der faserförmigen Anordnung eingeführt werden kann. Folglich müssen komplizierte Matten-/Reservoiran ordnungen und Fließwege vorgesehen sein, um eine adäquate und gleichförmige Durchdringung des Stapels von Fasermatten zu erzielen. Das vorstehend erwähnte Druckinfiltrierungsverfahren gestattet auch nur eine relativ niedrige Verstärkung mit Bezug auf den zu erzielenden Matrixvolumenanteil, aufgrund der der Infiltrierung eines großen Mattenvolumens innewohnenden Schwierigkeit. Weiterhin sind Formen erforderlich, um das schmelzflüssige Metall unter Druck zu enthalten, was das Verfahren verteuert. Außerdem ist das vorstehende Verfahren, das auf die Infiltrierung ausgerichteter Teilchen oder Fasern beschränkt ist, nicht auf die Bildung von Aluminiummetallmatrix-Verbundkörpern gerichtet, die mit Materialien in der Form von zufällig orientierten Teilchen, Einkristallfäden oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von mit Aluminiumoxid gefüllten Aluminiummatrix-Verbundkörpern benetzt Aluminium das Aluminiumoxid nicht leicht, wodurch es schwierig gemacht wird, ein zusammenhängendes Produkt zu bilden. Verschiedene Lösungen des Problems wurden vorgeschlagen. Ein solcher Ansatz ist die Beschichtung des Aluminiumoxids mit einem Metall (beispielsweise Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium heiß gepreßt wird. Bei einer anderen Technik wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Diese Verbundkörper weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf oder die Überzüge können den Füllstoff verschlechtern oder die Matrix enthält Lithium, welches die Matrixeigenschaften beeinträchtigen kann.
Das US Patent Nr. 4 232 091 von R. W. Grimshaw et al. überwindet bestimmte Schwierigkeiten des Stands der Technik, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxidverbundkörpern angetroffen werden. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um schmelzflüssiges Aluminium (oder schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine faserförmige oder Einkristallfadenmatte von Aluminiumoxid zu zwingen, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt wurde. Das maximale Volumenverhältnis des Aluminiumoxids zum Metall in dem sich ergebenden massiven Gußteil betrug 0,25/1. Aufgrund seiner Abhängigkeit von einer äußeren Kraft zur Bewirkung der Infiltrierung, unterliegt dieses Verfahren vielen der gleichen Nachteile wie das von Cannell et. al.
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Aluminium-Aluminiumoxidverbundkörpern, die insbesondere brauchbar als elektrolytische Zellbestandteile sind, durch Füllen der Leerräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit schmelzflüssigem Aluminium. Die Anmeldung betont die Nichtbenetzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und deshalb werden verschiedene Techniken verwendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Das Aluminiumoxid wird beispielsweise mit einem Benetzungsmittel eines Diborids von Titan, Zirconium, Hafnium oder Niobium, oder mit einem Metall, das heißt Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium überzogen. Inerte Atmosphären wie Argon werden verwendet, um die Benetzung zu erleichtern. Diese Druckschrift zeigt auch die Anwendung von Druck, um zu bewirken, daß schmelzflüssiges Aluminium in eine nicht überzogene Matrix eindringt. Bei diesem Aspekt wird die Infiltrierung bewirkt, indem die Poren evakuiert werden und dann Druck auf das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise Argon, angewandt wird. Alternativ kann die Vorform durch Dampfphasen-Aluminiumabscheidung inf iltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Leerräume durch Infiltrierung mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um die Beibehaltung des Aluminiums in den Poren der Vorform sicherzustellen, ist eine Wärmebehandlung, beispielsweise bei 1400 bis 1800ºC entweder in einem Vakuum oder in Argon erforderlich. Sonst würde entweder die Aussetzung des druckinfiltrierten Materials an Gas oder die Entfernung des Infiltrierungdrucks den Verlust von Aluminium aus dem Körper verursachen.
Die Verwendung von Benetzungsmitteln zur Bewirkung der Infiltrierung einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94 353 gezeigt. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle mit einem Kathodenstromzuführer als Zellauskleidung oder -substrat. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug einer Mischung eines Benetzungsmittels und eines Löslichkeitssuppressors auf das Aluminiumoxidsubstrat vor der Anlaufperiode der Zelle aufgetragen oder während sie in dem durch das elektrolytische Verfahren hergestellten schmelzflüssigen Aluminium eingetaucht ist. Die offenbarten Benetzungsmittel sind Titan, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niobium oder Calcium, und Titan wird als bevorzugtes Mittel genannt. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in schmelzflüssigem Aluminium beschrieben. Die Druckschrift schlägt jedoch die Herstellung von Matrixmetall-Verbundkörpern nicht vor und schlägt auch nicht die Bildung eines solchen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre vor.
Zusätzlich zu der Anwendung von Druck und der Verwendung von Benetzungsmitteln wurde offenbart, daß ein angewandtes Vakuum bei dem Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen, keramischen Preßling hilft. Das US Patent Nr. 3 718 441 von R. L. Landingham, erteilt am 27. Februar 1973, berichtet beispielsweise über die Infiltrierung eines keramischen Preßlings (beispielsweise Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) mit entweder schmelzflüssigem Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch das schmelzflüssige Metall in dem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die Keramikleerräume floß. Es wurde jedoch gesagt, daß die Benetzung verbessert war, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr verringert wurde.
Das US Patent Nr. 3 864 154 von G.E. Gazza et al., erteilt am 4. Februar 1975, zeigt auch die Verwendung von Vakuum, um die Infiltrierung zu erzielen. Dieses Patent beschreibt das Beschicken eines kaltgepreßten Preßlings aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett von kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Zusätzliches Aluminium wurde dann auf den AlB&sub1;&sub2;-Pulverpreßling gelegt. Der Schmelztiegel, der mit dem AlB&sub1;&sub2;-Preßling, sandwichartig zwischen den Schichten von Aluminiumpulver angeordnet, beschickt war, wurde in einen Vakuumofen verbracht. Der Ofen wurde auf etwa 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um das Ausgasen zu gestatten. Die Temperatur wurde anschließen auf 1100ºC erhöht und während eines Zeitraums von 3 Stunden beibehalten. Unter diesen Bedingungen drang das schmelzflüssige Aluminium in den porösen AlB&sub1;&sub2;-Preßling.
Das US Patent Nr. 3 364 976 von John N. Reding et al., erteilt am 23. Januar 1968, offenbart das Konzept der Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung des Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper. Spezifisch wird offenbart, daß ein Körper, beispielsweise eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. in dem Fall einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem mit dem Metall reaktionsfähigen Gas gefüllt ist, mit dem sich außen befindenden, schmelzflüssigen Metall durch mindestens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, tritt ein Füllen des Hohlraums auf, während das selbsterzeugte Vakuum aus der Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall erzeugt wird. Insbesondere ist das Vakuum ein Ergebnis der Bildung einer festen, oxidierten Form des Metalls. So offenbaren Reding et al., daß es wesentlich ist, eine Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall herbeizuführen. Die Verwendung einer Form zur Schaffung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der inhärenten Beschränkungen unerwünscht sein, die mit der Verwendung einer Form verbunden sind. Formen müssen zuerst spanend zu einer bestimmten Form bearbeitet werden, dann müssen sie endbearbeitet werden, spanend bearbeitet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form herzustellen, dann müssen sie vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden, dann müssen sie nach ihrer Verwendung auseinandergebaut werden, um das gegossene Stück daraus zu entfernen und dann muß die Form zurückgewonnen werden, was höchstwahrscheinlich ein Nachbearbeiten der Oberflächen der Form oder ein Wegwerfen der Form, falls sie nicht länger zur Verwendung annehmbar ist, umfaßt. Die spannende Bearbeitung einer Form zu einer komplexen Gestalt kann sehr kostspielig und zeitraubend sein. Außerdem kann das Entfernen eines geformten Stücks aus einer komplex geformten Form auch schwierig sein (das heißt, gegossene Stücke mit einer komplexen Gestalt können brechen, wenn sie aus der Form entfernt werden). Während es einen Vorschlag gibt, daß ein poröses, feuerfestes Material direkt in einem schmelzflüssigen Metall ohne die Notwendigkeit einer Form eingetaucht werden kann, müßte das feuerfeste Material ein einstückiges Stück sein, weil es keine Vorkehrung zur infiltrierung eines losen oder getrennten porösen Materials gibt, falls keine Behälterform verwendet wird (das heißt, es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material sich typischerweise dissoziiert oder voneinander wegschwimmt, wenn es in ein schmelzflüssiges Metall verbracht wird). Falls es erwünscht ist, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, müßten außerdem Vorkehrungen getroffen werden, so daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Teile des teilchenförmigen Materials oder der Vorform verschiebt, was zu einer nicht homogenen Mikrostruktur führt.
Entsprechend bestand seit langem ein Bedarf nach einem einfachen und zuverlässigen Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, welches sich nicht auf die Verwendung von angewandtem Druck oder Vakuum (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen) oder beschädigenden Benetzungsmitteln zur Schaffung einer Metallmatrix verläßt, in der ein weiteres Material, wie ein keramisches Material, eingebettet ist. Außerdem besteht seit langem ein Bedarf zur Minimierung der Anzahl an abschliessenden spanenden Bearbeitungsvorgängen, die benötigt werden, um einen Metallmatrix-Verbundkörper herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse, indem sie einen spontanen Infiltrierungsmechanismus zur Infiltrierung eines Materials (beispielsweise eines keramischen Materials) schafft, das zu einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall (beispielsweise Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise Stickstoff) unter normalen atmosphärischen Drücken geformt wird, solange ein Infiltrationsverstärker mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens anwesend ist.

Beschreibung der sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen

Der Gegenstand dieser Patentanmeldung bezieht sich auf den Gegenstand von verschiedenen anderen, gleichzeitig anhängigen und sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen. Insbesondere beschreiben diese anderen, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen neue Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpermaterialien (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Metallmatrix-Patentanmeldungen" bezeichnet). Ein neues Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpermaterials ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-291 441 offenbart. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch Infiltrieren einer permeablen Masse des Füllstoffmaterials (beispielsweise einer Keramik oder eines mit Keramik überzogenen Materials) hergestellt, wobei das schmelzflüssige Aluminium mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium, enthält. Die Infiltrierung erfolgt spontan ohne die Anwendung von äußerem Druck oder Vakuum. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metall- Legierung wird mit der Masse des Füllstoffmaterials bei einer Temperatur von mindestens etwa 675ºC in Anwesenheit eines Gases in Berührung gebracht, das etwa 10 bis 100 Vol.- %, und vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff, enthält, und ein Rest des Gases, falls vorhanden, ein nichtoxidierendes Gas ist, beispielsweise Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse unter normalen Atmosphärendrücken zur Bildung eines Aluminium-(oder Aluminiumlegierungs-)Matrix-Verbundkörpers. Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials mit der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur gesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise reicht der Vorrat von zugeführter schmelzflüssiger Legierung aus, um zu gestatten, daß die Infiltrierung im wesentlichen zu den Grenzen der Masse des Füllstoffmaterials fortschreitet. Die Menge des Füllstoffmaterials in den gemäß der White et al. Erfindung hergestellten Aluminiummatrix-Verbundkörpern kann äußerst hoch sein. in dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Verfahrensbedingungen in der vorstehenden Erfindung von White et al. kann sich Aluminiumnitrid als diskontinuierliche Phase, die in der gesamten Aluminiummatrix dispergiert ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann in Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial, variieren. So ist es durch Steuerung von einem oder mehreren dieser Faktoren in dem System möglich, bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßzuschneidern. Für einige Endverbrauchsanwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß der Verbundkörper wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltrierung begünstigen, aber das Verfahren der Nitridbildung gegenüber geneigter machen. Diese Erfindung gestattet die Wahl eines Gleichgewichts zwischen der Infiltrierungskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für geeignete Sperrschichten zur Verwendung mit der Metallmatrix-Verbundkörperbildung ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-323945 beschrieben. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird eine Sperrschicht (beispielsweise teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial wie ein flexibles Graphitbandprodukt, vertrieben von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil auf einer definierten Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials angeordnet, und eine Matrix-Legierung infiltriert bis zu der durch die Sperrschicht definierten Grenze. Die Sperrschicht wird verwendet, um die Infiltrierung der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch Netto- oder nahezu Nettoformen in dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper geschaffen werden. Entsprechend haben die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form, die im wesentlichen der inneren Form der Sperrschicht entspricht.
Das Verfahren der Patentanmeldung EP-A-291 441 wurde durch die sich im gemeinsamen Besitz bef indende EP-A-333 629 verbessert. In Übereinstimmung mit den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offenbart sind, ist eine Matrixmetall- Legierung als erste Quelle des Metalls und als Reservoir der Matrixmetall-Legierung vorhanden, das mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Metalls aufgrund von beispielsweise Schwerkraftfluß in Verbindung steht. Insbesondere unter den in dieser Patentanmeldung beschriebenen Bedingungen beginnt die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse des Füllstoffmaterials unter normalen atmosphärischen Drücken zu infiltrieren und beginnt so die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers. Die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixmetall-Legierung wird während ihrer Infiltrierung in die Masse des Füllstoffmaterials verbraucht und kann, falls gewünscht, vorzugsweise durch eine kontinuierliche Einrichtung aus dem Reservoir des schmelzflüssigen Matrixmetalls nachgefüllt werden, während sich die spontane Infiltrierung fortsetzt. Wenn eine gewünschte Menge des permeablen Füllstoffs spontan durch die schmelzflüssige Matrix-Legierung infiltriert wurde, wird die Temperatur gesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Reservoirs von Metall einfach eine Ausführungsform der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Erfindung ist, und es nicht notwendig ist, die Reservoirausführungsform mit jeder der alternativen Ausführungsformen der Erfindung, die dort offenbart sind, zu kombinieren, von denen einige auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden können.
Das Reservoir des Metalls kann in einer solchen Menge vorhanden sein, daß es für eine ausreichende Menge an Metall sorgt, um die permeable Masse des Füllstoffmaterials in einem vorbestimmten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann eine wahlweise Sperrschicht die permeable Masse des Füllstoffs auf mindestens einer Seite davon kontaktieren, um eine Oberflächengrenze zu definieren.
Außerdem könnte, während die Zuführung der zugeführten schmelzflüssigen Matrixlegierung mindestens ausreichend sein sollte, um es der spontanen Infiltrierung zu gestatten, im wesentlichen zu den Grenzen (beispielsweise den Sperrschichten) der permeablen Masse des Füllstoffmaterials fortzuschreiten, die Menge an der in dem Reservoir vorhandenen Legierung eine solche ausreichende Menge übersteigen, so daß es nicht nur eine ausreichende Menge an Legierung für die vollständige infiltrierung gibt, sondern die überschüssige schmelzflüssige Metall-Legierung könnte verbleiben und an dem Metallmatrix-Verbundkörper anhaften. So ist, falls eine überschüssige schmelzflüssige Legierung vorliegt, der sich ergebende Körper ein komplexer Verbundkörper (beispielsweise ein Makroverbundkörper), wobei ein infiltrierter keramischer Körper mit einer darin enthaltenen Metallmatrix direkt an das überschüssige Metall, das in dem Reservoir verbleibt, gebunden wird.
Jede der vorstehend erörterten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patentanmeldungen beschreibt Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die daraus hergestellt sind. Die gesamten Offenbarungen aller vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix- Patentanmeldungen sind ausdrücklich in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.
Außerdem beschreiben verschiedene, gleichzeitig anhängige Patentanmeldungen und ein erteiltes Patent, die sich auch in gemeinsamen Besitz befinden (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Keramikmatrix-Patentanmeldungen" bezeichnet) neue Verfahren zur zuverlässigen Herstellung von keramischen Materialien und keramischen Verbundmaterialien. Das Verfahren ist generisch in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-155 831 beschrieben. Diese Patentanmeldung offenbart ein Verfahren zur Herstellung selbsttragender, keramischer Körper, die als Oxidationsreaktionsprodukt eines schmelzflüssigen Grundvorläufermetalls gewachsen sind, das mit einem Dampfphasenoxidationsmittel zur Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt wird. Schmelzflüssiges Metall wandert durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt, um mit dem Oxidationsmittel zu reagieren, wodurch kontinuierlich ein keramischer polykristalliner Körper gebildet wird, der, falls gewünscht, eine miteinander verbundene metallische Komponente aufweisen kann. Das Verfahren kann verbessert oder in bestimmten Fällen ermöglicht werden durch die Verwendung von einem oder mehreren Dotierungsmitteln, die mit dem Grundmetall legiert sind. im Fall der Oxidierung von Aluminium in Luft ist es beispielsweise wünschenswert, Magnesium und Silicium mit dem Aluminium zu legieren, um α-Aluminiumoxid-Keramikstrukturen herzustellen.
Das Verfahren der EP-A-155831 wurde durch die Anwendung von Dopierungsmaterialien auf die Oberfläche des Grundmetalls, wie in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-169 067 beschrieben, verbessert.
Ein ähnliches Oxidationsphänomen wurde bei der Herstellung keramischer Verbundkörper, wie in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-193 292 beschrieben, verwendet. Diese Anmeldung offenbart neue Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden, keramischen Verbundkörpers durch Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetallvorläufer in eine permeable Masse von Füllstoff (beispielsweise ein teilchenförmiger Siliciumcarbidfüllstoff oder ein teilchenförmiger Aluminiumoxidfüllstoff), wodurch der Füllstoff mit einer keramischen Matrix infiltriert oder darin eingebettet wird. Der sich ergebende Verbundkörper hat jedoch keine abgegrenzte oder vorbestimmte Geometrie, Gestalt oder Konfiguration. Ein Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundkörper mit einer vorbestimmten Geometrie oder Gestalt ist in der EP-A-245 192 offenbart. In Übereinstimmung mit dem Verfahren in dieser Patentanmeldung infiltriert das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt eine permeabie, selbsttragende Vorform des Füllstoffmaterials (beispielsweise ein Aluminiumoxid- oder Siliciumcarbid-Vorformmaterial) in einer Richtung auf eine definierte Oberflächengrenze zu, um zu vorbestimmten geometrischen oder geformten Verbundkörpern zu führen.
Jede der vorstehend erörterten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix-Patentanmeldungen beschreibt Verfahren zur Herstellung von keramischen Matrixverbundkörpern und neue keramische Matrixverbundkörpern, die damit hergestellt sind. Die gesamten Offenbarungen aller vorstehender, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patentanmeldungen sind ausdrücklich hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Wie in diesen der sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix-Patentanmeldungen und dem Keramikmatrix-patent erörtert, werden neue polykristalline, keramische Materialien oder polykristalline, keramische Verbundkörper durch die Oxidationsreaktion zwischen einem Grundmetall und einem Oxidationsmittel (beispielsweise einem Feststoff, einer Flüssigkeit und/oder einem Gas) hergestellt. In Übereinstimmung mit dem generischen, in diesen sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix-Patentanmeldungen offenbarten Verfahren, wird ein Grundmetall (beispielsweise Aluminium) auf eine erhöhte Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts zur Bildung eines Körpers von schmelzflüssigem Grundmetall erhitzt, das bei Berührung mit einem Oxidationsmittel zur Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts reagiert. Bei dieser Temperatur steht das Oxidationsreaktionsprodukt oder mindestens ein Teil davon in Berührung mit dem Körper des schmelzflüssigen Grundmetalls und dem Oxidationsmittel und erstreckt sich dazwischen, und schmelzflüssiges Metall wird durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt und in Richtung auf das Oxidationsmittel gezogen oder transportiert. Das transportierte, schmelzflüssige Metall bildet zusätzliches frisches Oxidationsreaktionsprodukt bei Berührung mit dem Oxidationsmittel an der Oberfläche des zuvor gebildeten Oxidationsreaktionsprodukts. Während das Verfahren fortschreitet, wird zusätzliches Metall durch diese Bildung von polykristallinem Oxidationsreaktionsprodukt transportiert, wodurch kontinuierlich eine keramische Struktur von miteinander verbundenen Kristalliten wachsen gelassen wird. Der sich ergebende keramische Körper kann metallische Bestandteile, wie nicht oxidierte Bestandteile des Grundmetalls, und/oder Leerräume enthalten. Die Oxidation wird in ihrem weiten Sinn in allen der sich im gemeinsamen Besitz bef indenden Keramikmatrix-Patentanmeldungen in dieser Anwendung verwendet und bezieht sich auf den Verlust von Elektronen von einem Metall an ein Oxidationsmittel, oder dem Teilen von Elektronen von einem Metall mit einem Oxidationsmittel, das eines oder mehrere Elemente und/oder Verbindungen sein kann. Entsprechend können andere Elemente als Sauerstoff als Oxidationsmittel dienen. in bestimmten Fällen kann das Grundmetall die Anwesenheit von einem oder mehreren Dotierungsmitteln erfordern, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts günstig zu beeinflussen oder zu erleichtern. Solche Dotierungsmittel können sich mindestens teilweise mit dem Grundmetall zu irgendeinem Zeitpunkt während oder vor dem Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts legieren. Im Fall von Aluminium als Crundmetall und Luft als Oxidationsmittel können beispielsweise Dotierungsmittel wie Magnesium und Silicium, um nur zwei einer größeren Klasse von Dotierungsmaterialien anzugeben, mit Aluminium legiert werden, und die geschaffene Wachstumslegierung wird als Grundmetall verwendet. Das sich ergebende Oxidationsreaktionsprodukt einer solchen Wachstumslegierung umfaßt Aluminiumoxid, typischerweise α-Aluminiumoxid.
Neue keramische Verbundstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung sind auch in bestimmten der vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix- Patentanmeldungen offenbart und beansprucht, welche die Oxidationsreaktion zur Herstellung keramischer Verbundstrukturen verwenden, die einen im wesentlichen inerten Füllstoff umfassen (es ist zu beachten, daß es in einigen Fällen wünschenswert sein kann, einen reaktionsfähigen Füllstoff, beispielsweise einen Füllstoff, oder mindestens teilweise mit dem fortschreitenden Oxidationsreaktionsprodukt und/oder dem Grundmetall reaktionsfähig ist, zu verwenden), der durch die polykristalline Keramikmatrix infiltriert ist. Ein Grundmetall wird in die Nähe einer Masse von permeablen Füllstoff (oder einer Vorform) positioniert, die geformt und behandelt sein kann, um selbsttragend zu sein, und wird dann erhitzt, um einen Körper von schmelzflüssigem Grundmetall zu bilden, der mit einem Oxidationsmittel zur Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt wird, wie vorstehend beschrieben. Während das Oxidationsreaktionsprodukt wächst, und das benachbarte Füllstoffmaterials infiltriert, wird schmelzflüssiges Grundmetall durch zuvor gebildetes Oxidationsreaktionsprodukt innerhalb der Masse des Füllstoffs gezogen und reagiert mit dem Oxidationsmittel gezogen und reagiert mit dem Oxidationsmittel zur Bildung von zusätzlichem, frischen Oxidationsreaktionsprodukt an der Oberfläche des zuvor gebildeten Oxidationsreaktionsprodukts wie vorstehend beschrieben. Das sich ergebende Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts infiltriert den Füllstoff oder bettet ihn ein und führt zu der Bildung einer keramischen Verbundstruktur einer polykristallinen keramischen Matrix, in der der Füllstoff eingebettet ist. Wie auch vorstehend erörtert, kann der Füllstoff (oder die Vorform) eine Sperrschicht verwenden, um eine Grenze oder Oberfläche für die keramische Verbundstruktur festzulegen.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch Infiltrierung einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder einer Vorform, die ein zerkleinertes, polykristallines Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, das durch eine Oxidationsreaktion zwischen einem schmelzflüssigen Grundmetall und einem Oxidationsmittel in Übereinstimmung mit den Lehren der vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix-Patentanmeldungen wachsen gelassen wird. Es wurde unerwarteterweise entdeckt, daß die zerkleinerte Form des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts für eine verbesserte Kinetik der Infiltrierung eines Matrixmetalls in eine permeable Masse von Füllstoffmaterial oder eine Vorform und/oder niedrigere Verfahrenstemperaturen und/oder eine verringerte Wahrscheinlichkeit von Metall/Teilchenreaktionen und/oder niedrigere Kosten sorgt. Außerdem kann die vorliegende Erfindung erhöhte Volumenanteile des Füllstoffmaterials erzielen.
Nachdem ein zerkleinertes, polykristallines Oxidationsreaktionsprodukt erhalten und zu einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform gebildet wurde, wird ein Metallmatrix-Verbundkörper dann durch Infiltrierung der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform gebildet. Spezifisch stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer wie auch eine Infiltrierungsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder einer Vorform, zumindest zu irgendeinem Zeitpunkt des Verfahrens, was gestattet, daß das schmelzflüssige Matrixmaterial das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert. Außerdem kann ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens entweder der Vorform, der Masse des Füllstoffmaterials und/oder dem Matrixmetall zugeführt werden, statt einen Infiltrationsverstärkervorläufer zuzuführen. Schließlich sollte zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker mindestens in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden sein. Beispielsweise wird ein Matrixmetall (beispielsweise eine Aluminiumlegierung) so angeordnet, daß sie in Verbindung mit einer Oberfläche einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder einer Vorform (beispielsweise keramische Partikel, Einkristallfäden und/oder Fasern) steht, so daß das Matrixmetall, wenn es sich in dem schmelzflüssigen Zustand befindet, spontan die permeable Masse des Füllstoffmaterials oder die Vorform infiltrieren kann. Außerdem kann, falls ein Infiltrationsverstärker oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer nicht inhärent durch das zerkleinerte, polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt geliefert wird, dasselbe mindestens zu dem Matrixmetall und/oder dem zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukt (gleichgültig, ob als Füllstoffmaterial oder Vorform) zugegeben werden. Die Kombination von zerkleinertem, polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts, Matrixmetall, der Zufuhr von Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker und der Infiltrierungsatmosphäre bewirkt, daß das Matrixmetall spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform infiltriert.
Es ist zu beachten, daß diese Anmeldung hauptsächlich Aluminiummatrixmetalle erörtert, die zu irgendeinem Zeitpunkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit Magnesium in Berührung gebracht werden, das als Infiltrationsverstärkervorläufer wirkt, in Anwesenheit von Stickstoff, der als Infiltrierungsatmosphäre wirkt. So weist das Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-System von Aluminium/Magnesium/Stickstoff eine spontane Infiltrierung auf. Andere Matrixmetall/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systeme können jedoch in ähnlicher Weise mit Bezug auf das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System wirken. Beispielsweise wurde ein ähnliches spontanes Infiltrierungverhalten bei dem Aluminium-/Strontium-/Stickstoff-System, dem Aluminium-/Zink-/Sauerstoffsystem und dem Aluminium/Calcium-/Stickstoff-System beobachtet. Entsprechend gilt, daß auch wenn das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System hier hauptsächlich erörtert wird, zu beachten ist, daß andere Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer/Infiltrierungsatmosphären-Systeme auf ähnliche Weise wirken können, und es beabsichtigt ist, daß diese von der Erfindung umfaßt werden.
Wenn das Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt und das zerkleinerte, polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt ein zerkleinertes polykristallines Aluminiumoxidoxidationsreaktionsprodukt umfaßt, wird die Aluminiumlegierung mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial in Anwesenheit von beispielsweise Magnesium in Berührung gebracht und/oder kann dem Magnesium zu irgendeinem Zeitpunkt des Verfahrens ausgesetzt sein. Die Aluminiumlegierung und das Füllstoffmaterial oder die Vorform sind in einer Stickstoffatmosphäre während mindestens einem Teil des Verfahrens enthalten. Unter diesen Bedingungen wird die Vorform oder das Füllstoffmaterial spontan infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers variiert mit dem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich beispielsweise der Konzentration des Infiltrationsverstärkervorläufers (beispielsweise Magnesium) und/oder des Infiltrationsverstärkers, das dem System (beispielsweise in der Aluminiumlegierung und/oder in der Vorform) zugeführt wird, der Größe und/oder Zusammensetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform, der Konzentration von Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung erlaubten Zeit und/oder der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Die spontane Infiltrierung tritt typischerweise in einem Ausmaß auf, das ausreicht, um die Vorform oder das Füllstoffmaterial im wesentlichen vollständig einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie hier verwendet, bedeutet und umfaßt im Zusammenhang sowohl mit Keramikmatrix-Verbundkörpern als auch mit Metallmatrix-Verbundkörpern im wesentlichen reines Metall (beispielsweise ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metall-Legierungen wie die im Handel erhältlichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie beispielsweise Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. darin. Für die Zwecke dieser Definition ist eine Aluminiumlegierung eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, bei der Aluminium der Hauptbestandteil ist.
"Nichtoxidierendes Restgas", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern, daß irgendein Gas, das zusätzlich zu dem Hauptgas vorhanden ist, das die infiltrierende Atmosphäre umfaßt, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen mit dem Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen nicht reaktionsfähig ist. Jegliches oxidierende Gas, das als eine Unreinheit in dem verwendeten Gas (den verwendeten Gasen) vorhanden sein kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall in irgendeinem wesentlichen Ausmaß unter den Verfahrensbedingungen zu oxidieren.
"Sperrschicht", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern jegliches Material, jegliche Verbindung, jegliches Element, jegliche Zusammensetzung oder dergleichen, die unter den Verfahrensbedingungen etwas Integrität beibehält, im wesentlichen nicht flüchtig ist (das heißt, das Sperrschichtmaterial verflüchtigt sich nicht in einem solchen Ausmaß, daß es als Sperrschicht nicht mehr funktioniert) und ist vorzugsweise einem Dampfphasenoxidationsmittel gegenüber permeabel (falls dieses verwendet wird), während sie imstande ist, örtlich das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts zu hemmen, zu vergiften, zu stoppen, es zu stören, es zu verhindern oder dergleichen.
"Sperrschicht", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern jegliches geeignete Mittel, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen von schmelzflüssigem Matrixmetall über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder der Vorform stört, hemmt, verhindert oder beendet, wo eine solche Oberflächengrenze von der Sperrschicht definiert ist. Geeignete Sperrschichten können irgendein Material, irgendeine Verbindung, irgendein Element, irgendeine Zusammensetzung oder dergleichen sein, die unter den Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität beibehält und im wesentlichen nicht flüchtig ist (das heißt, das Sperrschichtmaterial Verflüchtigt sich nicht in einem solchen Ausmaß, daß es als Sperrschicht unbrauchbar gemacht wird).
Außerdem umfassen geeignete "Sperrschichten" Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde, schmelzflüssige, Matrixmetall unter den verwendeten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches endgültige spanende Bearbeiten oder Schleifen, das erforderlich sein kann, und definiert zumindestens einen Teil der Oberfläche des sich ergebenden Matrixmetall-Verbundkörperprodukts. Die Sperrschicht kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder beispielsweise durch Bohren von Löchern oder Durchbohren der Sperrschicht permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zu kommen.
"Gerippe" oder "Grundmetallgerippe" oder "Matrixmetallgerippe", wie hier verwendet, bezieht sich auf irgendeinen ursprünglichen Körper des Grundmetalls oder des Matrixmetalls, der verbleibt und der während des Bildung des keramischen Körpers, des keramischen Verbundkörpers oder des Metallmatrix-Verbundkörpers verbraucht wurde und typischerweise einen, der zumindest teilweise in Berührung mit dem gebildeten Körper verbleibt. Es ist zu beachten, daß das Gerippe typischerweise auch irgendwelche oxidierten Bestandteile des Grundmetalls oder des Matrixmetalls und/oder eines zweiten oder Fremdmetalls umfassen kann.
"Keramik", wie hier verwendet, sollte nicht unangemessen als auf einen keramischen Körper im klassischen Sinn beschränkt ausgelegt werden, das heißt, in dem Sinn, daß er vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern betrifft eher einen Körper, der hauptsächlich keramisch mit Bezug auf entweder die Zusammensetzung oder die vorherrschenden Eigenschaften ist, obgleich der Körper geringe oder beträchtliche Mengen von einem oder mehreren metallischen Bestandteilen (isoliert und/oder miteinander verbunden, je nach den Verfahrensbedingungen, die zur Bildung des Körpers verwendet werden) enthalten kann, die von dem Grundmetall abgeleitet sind oder aus dem Oxidationsmittel oder einem Dotierungsmittel reduziert sind, am typischsten innerhalb eines Bereichs von etwa 1-40 Vol.-%, aber noch mehr Metall enthalten kann.
"Dotierungsmittel", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpermaterialien (Legierungsbestandteile oder Bestandteile, die mit einem Füllstoff kombiniert sind und/oder in einem Füllstoff enthalten sind und/oder in oder auf einem Füllstoff) die, wenn sie in Kombination mit dem Grundmetall verwendet werden, das Oxidationsreaktionsverfahren günstig beeinflussen oder fördern und/oder den Wachstumsprozeß modifizieren, um die Mikrostruktur oder die Eigenschaften des Produkts zu ändern. Während nicht gewünscht wird, daß man durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung der Funktion der Dotierungsmittel gebunden ist, scheint es, daß einige Dotierungsmittel bei der Förderung der Bildung des Oxidationsreaktionsprodukt in Fällen nützlich sind, in denen geeignete Oberflächenenergiebeziehungen zwischen dem Grundmetall und seinem Oxidationsreaktionsprodukt nicht an sich existieren, um eine solche Bildung zu fördern. Dotierungsmittel können: günstige Oberflächenenergiebeziehungen schaffen, die die Benetzung des Oxidationsreaktionsprodukts durch das schmelzflüssige Grundmetall verbessern oder herbeiführen; eine "Vorläuferschicht" an der Wachstumsoberfläche durch die Reaktion mit Legierung, Oxidationsmittel und/oder Füllstoff bilden, die (a) die Bildung einer schützenden und zusammenhängenden Oxidationsreaktionsproduktschicht (en) auf ein Minimum herabsetzt, (b) die Oxidationsmittellöslichkeit (und so die Permeabilität) in schmelzflüssigem Metall verbessern kann und/oder (c) den Transport von Oxidationsmitteln von der oxidierenden Atmosphäre durch irgendeine Vorläuferoxidschicht zur späteren Kombination mit dem schmelzflüssigen Metall zur Bildung eines anderen Oxidationsreaktionsprodukts gestattet;
mikrostrukturelle Modifikationen des Oxidationsreaktionsprodukts bewirken, während es gebildet wird oder danach, die metallische Bestandteilszusammensetzung und Eigenschaften solcher Oxidationsreaktionsprodukte ändern; und/oder die Wachstumskristallkeimbildung und Gleichförmigkeit des Wachstums des Oxidationsreaktionsprodukts verbessern.
"Füllstoff" wie hier verwendet, soll im Zusammenhang sowohl mit den Metallmatrix- und Keramikmatrix-Verbundkörpern entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen bedeuten, die im wesentlichen nicht reaktionsfähig mit oder von begrenzter Löslichkeit in dem Metall (beispielsweise dem Grundmetall) und/oder dem Oxidationsreaktionsprodukt sind und die Einzelphasen- oder Mehrphasenbestandteile sein können. Füllstoffe können in einer großen Vielfalt von Formen, wie Pulver, Flocken, Blättchen, Mikrokügelchen, Einkristallfäden, Blasen usw. vorgesehen sein und können entweder dicht oder porös sein. "Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid als Fasern, zerkleinerte Fasern, Teilchen, Einkristallfäden, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen umfassen und beschichtete Füllstoffe wie Kohlenstoff-Fasern, beschichtet mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, um den Kohlenstoff vor einem Angriff beispielsweise durch ein schmelzflüssiges Aluminiumgrundmetall zu schützen. Füllstoffe können auch Metalle umfassen.
"Wachstumslegierung", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Keramik oder keramischen Verbundkörpern irgendeine Legierung, die anfänglich eine ausreichende Menge der erforderlichen Bestandteile zur Bewirkung des Wachstums des Oxidationsreaktionsprodukts daraus enthält oder diese zu irgendeinem Zeitpunkt während der Verarbeitung erhält.
"Infiltrierungsatmosphäre", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern, diejenige Atmosphäre, die vorhanden ist und die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform, (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung steht, und das Auftreten der spontanen Infiltrierung des Matrixmetalls gestattet oder verbessert.
"Infiltrationsverstärker", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern ein Material, das die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder dabei hilft. Ein Infiltrationsverstärker kann beispielsweise aus (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und des Füllstoffmaterials oder der Vorform gebildet sein. Außerdem kann der Infiltrationsverstärker direkt zu mindestens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden und kann in im wesentlichen der gleichen Weise wie ein Infiltrationsverstärker wirken, der als Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer anderen Spezies gebildet wurde. Schließlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltrierung sich in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform befinden, um eine spontane Infiltrierung zu erzielen.
"Infiltrationsverstärkervorläufer" oder "Vorläufer für den Infiltrationsverstärker" bedeutet, wie hier verwendet, im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrierungsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall dazu verleitet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren, oder dem Matrixmetall dabei hilft. Ohne durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, scheint es, daß es für den Vorläufer für den Infiltrationsverstärker notwendig sein kann, daß er imstande ist, an eine Stelle positioniert, angeordnet oder zu einer Stelle transportiert zu werden, die es dem Infiltrationsverstärkervorläufer gestattet, mit der Infiltrierungsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu stehen. Beispielsweise ist es in einigen Matrixmetall/Infiltrationsverstärkervorläufer/Infiltrierungsatmosphären-Systemen wünschenswert, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer sich bei, in der Nähe von oder in einigen Fällen sogar etwas oberhalb der Temperatur verflüchtigt, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird. Eine solche Verflüchtigung kann zu folgendem führen: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verbessert und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, welche die Benetzung verbessert und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die einen festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform bildet, welcher die Benetzung verbessert.
"Flüssigphasenoxidationsmittel" oder "Flüssiges Oxidationsmittel", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern ein Oxidationsmittel, bei dem die identifizierte Flüssigkeit das einzige, vorherrschende oder zumindest ein wesentliches Oxidans des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Verfahrensbedingungen ist.
Die Bezugnahme auf ein flüssiges Oxidationsmittel bedeutet eines, das unter den Oxidationsreaktionsbedingungen flüssig ist. Dementsprechend kann ein flüssiges Oxidationsmittel einen festen Vorläufer, wie ein Salz haben, der bei den Oxidationsreaktionsbedingungen geschmolzen wird. Alternativ kann das flüssige Oxidationsmittel einen flüssigen Vorläufer (beispielsweise eine Lösung eines Materials) haben, der verwendet wird, um einen Teil oder den gesamten Füllstoff zu imprägnieren und der bei den Oxidationsreaktionsbedingungen geschmolzen oder zersetzt wird, um eine geeignete Oxidationsmittelkomponente zu liefern. Beispiele von flüssigen Oxidationsmitteln wie definiert umfassen niedrig schmelzende Gläser.
Falls ein flüssiges Oxidationsmittel im Zusammenhang mit dem Grundmetall und einem Füllstoff verwendet wird, wird typischerweise das gesamte Bett des Füllstoffs oder der Teil, der den gewünschten keramischen Körper umfaßt, mit dem Oxidationsmittel imprägniert (beispielsweise durch Überziehen oder Eintauchen in das Oxidationsmittel).
"Matrixmetall" oder "Matrixmetall-Legierung", wie hier verwendet, bedeutet im Zusammenhang mit Matrixmetall-Verbundkörpern das Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet wird (beispielsweise vor der Infiltrierung) und/oder das Metall, das mit einem Füllstoffmaterial zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers vermischt ist (beispielsweise nach der Infiltrierung). Wenn ein Spezifisches Metall als Matrixmetall erwähnt wird, ist zu verstehen, daß ein solches Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin, eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung, bei der das Metall der Haupt- oder ein vorherrschender Bestandteil ist, umfaßt.
"Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer/Infiltrierungsatmosphären-System" oder "spontanes System" wie hier im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bezieht sich auf die Kombination von Materialien, die eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigen. Es ist zu beachten, daß, wenn immer ein "/" zwischen einem beispielhaften Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärkervorläufer oder einer Infiltrierungsatmosphäre erscheint, daß "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu bezeichnen, die, auf eine besondere Art kombiniert, eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigt.
"Metallmatrix-Verbundkörper" oder "MMC" wie hier im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet ein Material, das eine zwei- oder dreidimensional miteinander verbundene Legierung oder Matrixmetall umfaßt, in dem eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet ist. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente umfassen, um die spezifisch gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften in dem sich ergebenden Verbundkörper zu liefern.
Ein "unterschiedliches" Metall, wie im Zusammenhang mit Keamikmatrix-Verbundkörpern und/oder Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet ein Metall, das als einen Hauptbestandteil nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall oder das Grundmetall enthält (beispielsweise falls der Hauptbestandteil des Matrixmetalls oder Grundmetalls Aluminium ist, könnte das "unterschiedliche" Metall einen Hauptbestandteil aus beispielsweise Nickel aufweisen).
"Stickstoffenthaltendes Gasoxidationsmittel", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, ist ein bestimmtes Gas oder ein bestimmter Dampf, bei dem Stickstoff das einzige, vorherrschende oder zumindest ein wesentliches Oxidans des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingungen ist, die bei der verwendeten Oxidierungsum gebung herrschen.
"Oxidationsmittel", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder Elektronenteiler und kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas oder irgendeine Kombination hiervon (beispielsweise ein Feststoff und ein Gas) bei den Oxidationsreaktionsbedingungen sein. Typische Oxidationsmittel umfassen ohne Beschränkung Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und/oder Verbindungen oder Kombinationen davon, beispielsweise Siliciumoxid oder Silicate (als Quelle von Sauerstoff), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen (den Kohlenwasserstoff als Quelle von Kohlenstoff) und Mischungen wie Luft, H&sub2;/H&sub2;O CO/CO&sub2; (Quelle von Sauerstoff), wobei die letzteren beiden (das heißt H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) nützlich bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung sind.
"Oxidationsreaktionsprodukt", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet eines oder mehrere Metalle in irgendeinem oxidierten Zustand, bei dem das Metall (die Metalle) einem anderen Element, einer anderen Verbindung oder einer Kombination davon Elektronen abgegeben oder mit diesen geteilt hat. Entsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" gemäß dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem oder mehreren Oxidationsmitteln.
"Sauerstoffenthaltendes Gasoxidationsmittel", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, ist ein bestimmtes Gas oder ein bestimmter Dampf, bei dem Sauerstoff das einzige, vorherrschende oder zumindest ein wesentliches Oxidans oder das Grund- oder Vorläufermetall unter den Bedingungen ist, die bei der verwendeten Oxidierungsatmosphäre herrschen.
"Grundmetall", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix- Verbundkörpern verwendet, bedeutet das Metall(e) (beispielsweise Aluminium, Silicium, Titan, Zinn und/oder Zirconium), das (die) der Vorläufer eines polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts ist (sind) und umfaßt das Metall(e) als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Leerungsbestandteilen darin oder eine Legierung, bei der der Metallvorläufer der Hauptbestandteil ist. Wenn ein spezifisches Metall als Grund- oder Vorläufermetall erwähnt wird (beispielsweise Aluminium usw.), sollte man das identifizierte Metall mit dieser Definition vor Augen lesen, es sei denn, etwas anderes ist durch den Zusammenhang angegeben.
"Vorform" oder "permeable Vorform", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern und Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächengrenze hergestellt ist, die im wesentlichen eine Grenze für die Infiltrierung des Matrixmetalls definiert, wobei eine solche Masse eine ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit beibehält, um eine Abmessungsbeständigkeit vor der Infiltrierung durch das Matrixmetall zu liefern. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls dort hinein aufzunehmen. Eine Vorform umfaßt typischerweise eine gebundene Anordnung des Füllstoffs, entweder homogen oder heterogen, und kann aus irgendeinem geeigneten Material (beispielsweise Keramik- und/oder Metallteilchen, Pulvern, Fasern, Einkristallfäden usw. und irgendeiner Kombination davon) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Zusammenstellung existent sein.
"Reservoir", wie hier verwendet, bedeutet einen eigenständigen Körper des Grundmetalls oder des Matrixmetalls, der mit Bezug auf eine Masse Füllstoff oder eine Vorform so angeordnet ist, daß das Metall, wenn es geschmolzen wird, fließen kann, um den Teil, das Segment oder die Quelle des Grundmetalls oder Matrixmetalls nachzufüllen oder in einigen Fällen anfänglich vorzusehen und anschließend nachzufüllen, das in Berührung mit dem Füllstoff oder der Vorform steht und infiltriert oder reagiert, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden. Das Reservoir kann auch verwendet werden, um ein Metall zu liefern, das sich von dem Matrixmetall unterscheidet.
"Zweites oder Fremdmetall", wie hier im Zusammenhang mit Keramik- oder Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet irgendein geeignetes Metall, eine Kombination von Metallen, Legierungen, intermetallischen Verbindungen oder Quellen von beiden, das in die metallische Komponente eines gebildeten Keramik- oder Metallmatrix-Verbundkörpers statt oder zusätzlich zu oder in Kombination mit nichtoxidierten Bestandteilen des Grundmetalls einverleibt ist oder einverleibt werden soll. Diese Definition umfaßt intermetallische Verbindungen, Legierungen, feste Lösungen oder dergleichen, die zwischen dem Grundmetall und einem zweiten Metall gebildet sind. "Festphasenoxidationsmittel oder "festes Oxidationsmittel", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet ein Oxidationsmittel, bei dem der identifizierte Feststoff das einzige, vorherrschende oder zumindest ein beträchtliches Oxidans des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Verfahrensbedingungen ist.
Wenn ein festes Oxidationsmittel im Zusammenhang mit dem Grundmetall und einem Füllstoff verwendet wird, wird es üblicherweise in dem gesamten Bett des Füllstoffs oder dem Teil der Betts dispergiert, in welchen das Oxidationsreaktionsprodukt wachsen wird, wobei das feste Oxidationsmittel beispielsweise aus Teilchen besteht, die mit dem Füllstoff oder Überzügen auf den Füllstoffteilchen gemischt sind. Jedes geeignete feste Oxidationsmittel kann so verwendet werden, einschließlich Elementen wie Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbaren Verbindungen wie Siliciumdioxid, oder bestimmten Boride von niedrigerer thermodynamischer Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Grundmetalls. Falls Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminiumgrundmetall verwendet wird, umfaßt das sich ergebende Oxidationsreaktionsprodukt beispielsweise Aluminiumborid. In einigen Fällen kann die Oxidationsreaktion des Grundmetalls so schnell mit einem festen Oxidationsmittel fortschreiten, daß das Oxidationsreaktionsprodukt dazu neigt, aufgrund der exothermen Natur des Verfahrens zu schmelzen. Dieses Auftreten kann die mikrostrukturelle Gleichförmigkeit des Keramikkörpers verschlechtern. Diese schnelle exotherme Reaktion kann dadurch verbessert werden, daß relativ inerte Füllstoffe in die Zusammensetzung gemischt werden, die die überschüssige Hitze absorbieren. Ein Beispiel eines solchen geeigneten inerten Füllstoffs ist einer, der mit dem beabsichtigten Oxidationsreaktionsprodukt identisch oder im wesentlichen identisch ist. "Spontane Infiltrierung", wie hier im Zusammenhang mit Metallmatrix-Verbundkörpern verwendet, bedeutet, daß die Infiltrierung des Matrixmetall in die permeable Masse des Füllstoffs oder der Vorform ohne das Erfordernis der Anwendung von Druck oder Vakuum stattfindet (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen).
"Dampfphasenoxidationsmittel", wie hier im Zusammenhang mit Keramikmatrix-Verbundkörpern verwendet, identifiziert das Oxidationsmittel als ein bestimmtes Gas oder einen bestimmten Dampf enthaltend oder umfassend und bedeutet ein Oxidationsmittel, bei dem das identifizierte Gas oder der identifizierte Dampf das einzige, vorherrschende oder zumindest ein wesentliches Oxidans des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingungen ist, die in der verwendeten Oxidierungsatmosphäre erhalten werden. Beispielsweise ist, obgleich der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, der Sauerstoffgehalt von Luft das einzige Oxidans für das Grundmetall, weil Sauerstoff ein wesentlich stärkeres Oxidationsmittel als Stickstoff ist. Luft fällt deshalb unter die Definition eines "Sauerstoffenthaltenden Gasoxidationsmittels", aber nicht unter die Definition eines "stickstoffenthaltenden Gasoxidationsmittels" (ein Beispiel eines "stickstoffenthaltenden Gasoxidationsmittel ist Formiergas, das typischerweise etwa 96 Vol.-% Stickstoff und 4 Vol.-% Wasserstoff enthält), wie diese Begriffe hier und in den Ansprüchen verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren sind vorgesehen, um beim Verständnis der Erfindung zu helfen, aber sie sind nicht dafür gedacht, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Gleiche Bezugszeichen wurden wo immer möglich in jeder der Figuren verwendet, um gleiche Bauteile zu bezeichnen, von denen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Materialien, die verwendet werden zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers gemäß Beispiel 1,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung der Materialien, die verwendet werden zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 1,
Fig. 3 eine Mikrofotografie in 400-facher Vergrößerung eines Schnitts durch den gemäß Beispiel 1 gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und der bevorzugten Ausführungs formen

Zur Herstellung eines Keramik- oder Keramik-Verbundkörpers, der in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu zerkleinern ist (das heißt, zur Bildung eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform zur Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundkörpern) wird ein Grundmetall (das heißt, die Wachstumslegierung), die wie nachstehend detaillierter erklärt dotiert sein kann, zu einem Block, Barren, einer Stange, Platte oder dergleichen geformt und in ein inertes Bett, einen Schmelztiegel oder einen anderen feuerfesten Behälter verbracht oder ist in diesem enthalten. Das Grundmetall kann ein oder mehrere Stücke, Blöcke oder dergleichen umfassen, und in geeigneter Weise durch irgendwelche geeigneten Mittel geformt sein.
Das Grundmetall kann in Verbindung mit einem Dotierungsmaterial (nachstehend detaillierter beschrieben) oxidiert sein. Eine permeable Masse des Füllstoffmaterials oder, bei einer bevorzugten Ausführungsform, eine permeable, geformte Vorform (nachstehend detaillierter beschrieben) wird so hergestellt, daß sie mindestens eine definierte Oberflächengrenze aufweist und einem Dampfphasenoxidationsmittel gegenüber permeabel ist, wenn ein solches Dampfphasenoxidationsmittel allein oder in Kombination mit einem anderen Oxidationsmittel verwendet wird und dem infiltrierenden Oxidationsreaktionsprodukt gegenüber permeabel ist, wenn eine permeable Masse verwendet wird, wobei das Grundmetall auf die permeable Masse gelegt werden kann. Alternativ wird die Vorform in die Nähe von, und vorzugsweise in Berührung mit mindestens einer Oberfläche oder eines Teils einer Oberfläche des Grundmetalls gebracht, so daß mindestens ein Teil der definierten Oberflächengrenze der Vorform im allgemeinen von der Oberfläche des Grundmetalls entfernt oder nach außen von dieser getrennt angeordnet ist. Die Vorform steht vorzugsweise in Kontakt mit einer Oberfläche des Grundmetalls; aber falls gewünscht, kann die Vorform teilweise, aber nicht vollständig in das schmelzflüssige Metall eingetaucht sein. Ein totales Eintauchen würde den Zugang des Dampfphasenoxidationsmittels in die Vorform abschneiden oder blockieren und so die ordnungsgemäße Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts, in den die Vorform eingebettet ist, hemmen. Falls ein Dampfphasenoxidationsmittel nicht verwendet werden kann (das heißt, das bei den Verfahrensbedingungen verwendete einzige Oxidationsmittel ist ein festes Oxidationsmittel oder ein flüssiges Oxidationsmittel), dann wird das totale Eintauchen der Vorform in ein schmelzflüssiges Grundmetall eine gangbare Alternative. Die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts tritt in Richtung auf die definierte Oberflächengrenze auf. Die Anordnung des Grundmetalls und der permeablen Masse oder Vorform wird in einen geeigneten Behälter, wie einem aus Aluminiumoxid oder einem gießbaren, feuerfesten Material gebildeten Schiffchen, verbracht und in einen Ofen verbracht. Die Atmosphäre in dem Ofen kann ein Oxidationsmittel enthalten, um das Auftreten der Dampfphasenoxidation des schmelzflüssigen Grundmetalls zu gestatten. Der Ofen wird dann zu Verfahrensbedingungen aufgeheizt. Zusätzlich wird typischerweise eine elektrische Beheizung verwendet, um die von der Erfindung verwendete Temperatur zu erzielen. Jedoch sind irgendwelche anderen Heizeinrichtungen, die das Oxidationsreaktionswachstum und das Schmelzen des Matrixmetalls bewirken, und beides nicht nachteilig beeinflussen, annehmbar zur Verwendung bei der Erfindung.
Eine Vorform, die bei der Herstellung des Verbundkörpers brauchbar ist, wenn mindestens ein Oxidationsmittel ein Dampfphasenoxidationsmittel ist, ist eine, die ausreichend porös oder permeabel ist, um es dem Dampfphasenoxidations mittel zu gestatten, in die Vorform einzudringen, um das Grundmetall zu kontaktieren. Die Vorform sollte auch selbsttragend und ausreichend permeabel sein, um die Entwicklung oder das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts als Matrix innerhalb der Vorform aufzunehmen, ohne im wesentlichen die Konfiguration oder Geometrie der Vorform zu stören, durcheinanderzubringen oder anderweitig zu ändern.
Ein festes, flüssiges oder Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination solcher Oxidationsmittel kann verwendet werden. Typische Oxidationsmittel umfassen ohne Beschränkung beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, SeIen, Tellur und/oder Verbindungen und Kombinationen davon, beispielsweise Siliciumoxid (als Quelle von Sauerstoff), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen und Propylen (als Quelle von Kohlenstoff) und Mischungen wie Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;), wobei die letzteren beiden (das heißt H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) brauchbar bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung sind. Entsprechend kann die Keramikstruktur der Erfindung ein Oxidationsreaktionsprodukt umfassen, das eines oder mehrere Oxide, Nitride, Carbide, Boride und Oxidnitride umfaßt. Spezifischerweise kann das Oxidationsreaktionsprodukt beispielsweise aus einem oder mehreren von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbide, Siliciumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirconiumnitrid, Titanborid, Zirconiumborid, Titancarbid, Zirconiumcarbid, Siliciumnitrid, Hafniumborid und Zinnoxid sein. Wenngleich beschrieben wird, daß die Oxidationsreaktion üblicherweise ein Dampfphasenoxidationsmittel verwendet, entweder allein oder in Verbindung mit einem Oxidationsmittel, welches ein Feststoff oder eine Flüssigkeit unter den Verfahrensbedingungen ist, ist zu beachten, daß die Verwendung eines Dampfphasenoxidationsmittels nicht notwendig ist, um den Keramikmatrix-Verbundkörper herzustellen. Wenn ein Dampfphasenoxidationsmittel nicht verwendet wird, und ein Oxidationsmittel, das ein Feststoff oder eine Flüssigkeit unter den Verfahrensbedingungen ist, verwendet wird, muß die Vorform der Umgebungsatmosphäre gegenüber nicht permeabel sein. Die Vorform sollte jedoch noch ausreichend permeabel sein, um die Entwicklung oder das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts als Matrix innerhalb der Vorform auf zunehmen, ohne die Konfiguration oder Geometrie der Vorform im wesentlichen zu stören, durcheinanderzubringen oder anderweitig zu ändern.
Die Verwendung von festen oder flüssigen Oxidationsmitteln kann eine Umgebung innerhalb der Vorform schaffen, die der Oxidationskinetik des Grundmetalls gegenüber günstiger ist als die Umgebung außerhalb der Vorform. Diese verbesserte Umgebung ist bei der Förderung der Matrixentwicklung innerhalb der Vorform zu der Grenze und der Minimierung von Überwachsung günstig. Wenn ein festes Oxidationsmittel verwendet wird, kann es durch die gesamte Vorform oder durch einen Teil der Vorform in der Nähe des Grundmetalls, wie in Teilchenform und gemischt mit der Vorform dispergiert sein, oder es kann als Überzug auf den Teilchen, die die Vorform umfassen, verwendet werden. Geeignete feste Oxidationsmittel können geeignete Elemente wie Bor oder Kohlenstoff oder geeignete reduzierbare Verbindungen wie Siliciumdioxid (als Quelle von Sauerstoff) oder bestimmte Boride niedrigerer thermodynamischer Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Grundmetalls umfassen.
Falls ein flüssiges Oxidationsmittel verwendet wird, kann das flüssige Oxidationsmittel innerhalb der gesamten Vorform oder einen Teil davon in der Nähe des schmelzflüssigen Grundmetalls dispergiert sein. Die Bezugnahme auf ein flüssiges Oxidationsmittel bedeutet eines, das unter den Oxidationsreaktionsbedingungen eine Flüssigkeit ist, und so kann ein flüssiges Oxidationsmittel einen festen Vorläufer haben wie ein Salz, das bei den Oxidationsreaktionsbedingungen geschmolzen oder flüssig ist. Alternativ kann das flüssige Oxidationsmittel ein flüssiger Vorläufer sein, beispielsweise eine Lösung eines Materials, die benutzt wird, um einen Teil der oder die gesamten porösen Oberflächen der Vorform zu überziehen und die bei den Verfahrensbedingungen schmilzt oder sich zersetzt, um eine geeignete Oxidationsmittelkomponente zu liefern. Beispiele von flüssigen Oxidationsmitteln, wie hier definiert, umfassen niedrig schmelzende Gläser.
Wie in den sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen und dem Patent erklärt, kann die Zugabe von Dotierungsmaterialien in Verbindung mit beispielsweise Aluminiumgrundmetall das Oxidationsreaktionsverfahren günstig beeinflussen. Die Funktion oder die Funktionen des Dotierungsmaterials können von einer Anzahl von Faktoren außer dem Dotierungsmaterial selbst abhängen. Diese Faktoren umfassen beispielsweise das gewünschte Endprodukt, die besondere Kombination von Dotierungsmitteln, wenn zwei oder mehr Dotierungsmittel verwendet werden, die Verwendung von von außen aufgebrachten Dotierungsmitteln in Kombination mit einem legierten Dotierungsmittel, der Konzentration des (der) Dotierungsmittel(s), der Oxidierungsumgebung und der Verfahrensbedingungen.
Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel, die in Verbindung mit dem Grundmetall verwendet werden, können (1) als Legierungsbestandteile des Grundmetalls vorgesehen sein, (2) auf mindestens einen Teil der Oberfläche des Grundmetalls wie durch Sprühüberziehen oder Anstreichen aufgetragen werden, (3) dem Füllstoffmaterial zugegeben werden, oder es kann eine Kombination der Techniken (1), (2) und (3) verwendet werden. Beispielsweise kann ein legiertes Dotierungsmittel in Kombination mit einem von außen aufgebrachten Dotierungsmittel verwendet werden. Eine Quelle des Dotierungsmittels kann geschaffen werden, indem entweder ein Dotierungsmittelpulver oder ein starrer Körper eines Dotierungsmittels in Berührung mit mindestens einem Teil der Grundmetalloberfläche gebracht wird. Beispielsweise kann eine dünne Platte von Silicium enthaltendem Glas auf eine Oberfläche eines Aluminiumgrundmetalls gelegt werden. Wenn das Aluminiumgrundmetall (das innerlich mit Mg dotiert sein kann), das auf dem Silicium enthaltenden Material liegt, in einer Oxidierungsumgebung (beispielsweise in dem Fall von Aluminium in Luft, zwischen etwa 850ºC und etwa 1450ºC, vorzugsweise etwa 900ºC und etwa 1350ºC) erhitzt wird, tritt das Wachstum des polykristallinen keramischen Materials auf. In dem Fall, in dem das Dotierungsmittel äusserlich auf mindestens einen Teil der Oberfläche des Aluminiumgrundmetalls aufgebracht wird, wächst die polykristalline Aluminiumoxidstruktur im allgemeinen wesentlich über die Dotierungsschicht hinaus (das heißt, bis über die Tiefe der aufgetragenen Dotierungsschicht hinaus). Auf jeden Fall können ein oder mehrere Dotierungsmittel äußerlich auf die Grundmetalloberfläche aufgebracht werden. Zusätzlich können irgendwelche Konzentrationsmängel der Dotierungsmittel, die in dem Grundmetall legiert sind, durch die zusätzliche Konzentration des bzw. der jeweiligen Dotierungsmittel(s), die äußerlich auf das Grundmetall aufgebracht sind, erhöht werden.
Brauchbare Dotierungsmittel für ein Aluminiumgrundmetall, insbesondere mit Luft als Oxidationsmittel, umfassen beispielsweise Magnesium, Zink und Silicium in Kombination miteinander oder in Kombination mit anderen, nachstehend beschriebenen Dotierungsmitteln. Diese Metalle oder eine geeignete Quelle dieser Metalle können in das Grundmetall auf der Basis von Aluminium mit Konzentrationen von jeweils zwischen etwa 0,1 und 10 Gew.-% mit Bezug auf das Gesamtgewicht des sich ergebenden dotierten Metalls legiert werden. Konzentrationen innerhalb dieses Bereichs scheinen das keramische Wachstum zu initiieren, den Metalltransport zu verbessern und die Wachstumsmorphologie des sich ergebenden Oxidationsreaktionsprodukts günstig zu beeinflussen. Der Konzentrationsbereich für jedes der Dotierungsmittel hängt von solchen Faktoren wie der Kombination der Dotierungsmit tel und der Verfahrenstemperatur ab.
Andere Dotierungsmittel, die bei der Förderung des Wachstums von polykristallinem Aluminiumoxidoxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumgrundmetallsystemen wirksam sind, sind beispielsweise Germanium, Zinn und Blei, die insbesondere in Kombination mit Magnesium verwendet werden. Eines oder mehrerer dieser anderen Dotierungsmittel oder eine geeignete Quelle von ihnen wird in das Aluminiumgrundmetallsystem mit Konzentrationen von jeweils etwa 0,5 und etwa 15 Gew.-% der Gesamtlegierung legiert. Eine erwünschtere Wachstumskinetik und Wachstumsmorphologie wird jedoch mit Dotierungsmittelkonzentration im Bereich von etwa 1 - 10 Gew.-% der Gesamtgrundmetall-Legierung erhalten. Blei als Legierungsmittel wird im allgemeinen in das Grundmetall auf der Basis von Aluminium bei einer Temperatur von mindestens 1000ºC legiert, um seiner niedrigen Löslichkeit in Aluminium Rechnung zu tragen. Der Zusatz von anderen Legierungsbestandteilen wie Zinn wird jedoch im allgemeinen die Löslichkeit von Blei erhöhen und es gestatten, daß die Legierungsmaterialien bei einer niedrigeren Temperatur zugegeben werden.
Im Fall eines Aluminiumgrundmetalls und mit Luft als Oxidationsmittel, umfassen besonders nützliche Kombinationen von Dotierungsmitteln (a) Magnesium und Silicium oder (b) Magnesium, Zink und Silicium. Bei solchen Beispielen liegt eine bevorzugte Magnesiumkonzentration innerhalb des Bereichs von 0,1 bis etwa 3 Gew.-%, für Zink im Bereich von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-% und für Silicium im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%.
Weitere Beispiele von Dotierungsmittelmaterialien, die brauchbar bei einem Aluminiumgrundmetall sind, umfassen Natrium und Lithium, die einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Dotierungsmitteln in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen verwendet werden können. Natrium und Lithium können in sehr kleinen Mengen (in dem Bereich von ppm, typischerweise etwa 100 - 200 ppm) verwendet werden, und jedes davon kann allein oder zusammen oder in Kombination mit einem anderen Dotierungsmittel (anderen Dotierungsmitteln) verwendet werden. Calcium, Bor, Phosphor, Yttrium und seltene Erdelemente wie Cerium, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium sind auch brauchbare Dotierungsmittel und hier wiederum insbesondere, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln verwendet werden. Die Dotierungsmittelmaterialien werden, wenn sie äußerlich angewandt werden, üblicherweise auf einen Teil einer Oberfläche des Grundmetalls als gleichmäßige Beschichtung darauf aufgebracht. Die Menge des Dotierungsmittels ist über einen weiten Bereich mit Bezug auf die Menge des Grundmetalls wirksam, auf das sie aufgebracht wird und, im Fall von Aluminium, haben Experimente keine obere oder untere funktionsfähige Grenze identifiziert. Wenn Silicium in der Form von Siliciumdioxid äußerlich aufgebracht wird als Dotierungsmittel für ein Grundmetall auf der Basis von Aluminium und der Verwendung von Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel, wurden beispielsweise Mengen von so wenig wie 0,00003 g Silicium pro Gramm Grundmetall oder etwa 0,0001 g Silicium pro cm² der freiliegenden Grundmetalloberfläche zusammen mit einer zweiten Dotierungsmittelquelle von Magnesium verwendet, um das polykristalline Keramikwachstumsphänomen zu erzeugen. Es wurde auch gefunden, daß eine Keramikstruktur aus einem Aluminiumsiliciumlegierungsgrundmetall unter Verwendung von Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel durch Verwendung von MgO als Dotierungsmittel in einer Menge von mehr als etwa 0,0008 g Mg pro Gramm zu oxidierendes Grundmetall und mehr als 0,003 g Mg pro cm² der Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgetragen ist, erzielbar ist.
In Fällen, in denen das Grundmetall innerlich mit Magnesium dotiertes Aluminium ist und das Oxidierungsmedium Luft oder Sauerstoff ist, wurde beobachtet, daß Magnesium zumindest teilweise aus der Legierung bei Temperaturen von etwa 820 - 950ºC herausoxidiert wird. In solchen Fällen von magnesiumdotierten Systemen bildet das Magnesium eine Magnesiumoxidund/oder Magnesiumaluminatspinellphase an der Oberfläche der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung und während des Wachstumsprozesses verbleiben solche Magnesiumverbindungen hauptsächlich an der anfänglichen Oxidoberfläche der Grundmetall-Legierung (beispielsweise der "Initiierungsoberfläche") in der gewachsenen keramischen Struktur. So wird in solchen mit Magnesium dotierten Systemen eine Struktur auf der Basis von Aluminiumoxid, abgesehen von der relativ dünnen Schicht von Magnesiumaluminatspinell an der Initiierungsoberfläche, hergestellt. Wo erwünscht, kann diese Initiierungsoberfläche leicht, beispielsweise durch Schleifen, spanende Verarbeitung, Polieren oder Sandstrahlen vor Verwendung des polykristallinen keramischen Produkts, entfernt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann während des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts ein unterschiedliches Dampfphasenoxidationsmittel einverleibt werden. In diesem Zusammenhang ist "unterschiedlich" so zu verstehen, daß es eine Zusammensetzung hat, die sich von der Zusammensetzung eines anfänglichen Dampf-(oder Fest-)Phasenoxidationsmittel chemisch unterscheidet. So führt das zweite Oxidationsreaktionsprodukt, das mit dem "unterschiedlichen" Dampfphasenoxidationsmittel gebildet wurde, zu der Bildung von zwei keramischen Körpern oder Phasen, die integral miteinander verbunden sind und abgestufte Eigenschaften aufweisen (beispielsweise kann eine Schicht auf einem ersten gebildeten keramischen Verbundkörper gebildet sein).
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein keramischer Verbundkörper zuerst vollständig hergestellt, und dann wird der vollständig hergestellte keramische Verbundkörper einem Oxidationsmittel, vorzugsweise einem "unterschiedlichen" Oxidationsmittel, mit Bezug auf dasjenige, das zur Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts verwendet wurde, das als Matrix für das eingebettete Füllstoffmaterial in dem keramischen Verbundkörper dient, ausgesetzt. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird restliches miteinander verbundenes Grundmetall in dem keramischen Verbundkörper in Richtung auf mindestens eine Oberfläche des keramischen Verbundkörpers gezogen und zur Reaktion mit dem "unterschiedlichen" Oxidationsmittel gebracht, wodurch ein unterschiedliches Oxidationsreaktionsprodukt auf einem Substrat eines zuerst gebildeten Oxidationsreaktionsprodukts gebildet wird.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der metallische Bestandteil in dem keramischen Verbundkörper maßgeschneidert werden, indem dessen Zusammensetzung geändert wird. Insbesondere kann beispielsweise ein zweites Metall mit dem Grundmetall legiert werden oder in das Grundmetall diffundiert werden, während beispielsweise des Wachstums des Oxidationsreaktionsprodukts, um die Zusammensetzung, und somit mechanische, elektrische und/oder chemische Eigenschaften des Grundmetalls, günstig zu ändern.
Um bei der Bildung eines geformten keramischen Verbundkörpers zu helfen, kann eine Sperrschicht im Zusammenhang mit einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform verwendet werden. Insbesondere kann eine Sperrschicht die zur Verwendung mit dieser Erfindung geeignet ist, irgendein geeignetes Mittel sein, welches das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts stört, hemmt oder beendet. Geeignete Sperrschichten können irgendein Material, irgendeine Verbindung, irgendein Element oder irgendeine Zusammensetzung oder dergleichen sein, die unter den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung eine gewisse integrität beibehalten, nicht flüchtig sind und vorzugsweise einem Dampfphasenoxidationsmittel gegenüber permeabel sind, falls ein Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, während sie imstande sind, das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukt örtlich zu hemmen, zu vergiften, anzuhalten, es zu stören, es zu verhindern oder dergleichen.
Es scheint, daß eine Kategorie von Sperrschichten die Klasse von Materialien ist, die im wesentlichen durch das transportierte, schmelzflüssige Grundmetall nicht benetzbar ist. Eine Sperrschicht dieser Art scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das schmelzflüssige Material aufzuweisen, und das Wachstum wird durch die Sperrschicht beendet oder gehemmt. Andere Sperrschichten scheinen mit dem transportierten, schmelzflüssigen Grundmetall zu reagieren, um weiteres Wachstum zu hemmen, entweder indem sie in das transportierte Metall übermäßig gelöst werden oder dieses übermäßig verdünnen oder durch Bildung fester Reaktionsprodukte (beispielsweise intermetallische Verbindungen, die das Transportverfahren des schmelzflüssigen Metalls blockieren). Eine Sperrschicht dieses Typs kann ein Metall oder eine Metall-Legierung sein, einschließlich jeglicher geeigneter Vorläufer davon, wie ein Oxid oder eine reduzierbare Metallverbindung oder ein dichtes keramisches Material. Aufgrund der Natur der Wachstumshemmungs- oder blockierungsverfahren mit dieser Art von Sperrschicht kann sich das Wachstum in die Grenzschicht hinein oder etwas über diese hinaus erstrecken, bevor das Wachstum beendet ist. Trotzdem verringert die Sperrschicht jegliche abschließende spanende Bearbeitung oder abschließende Schleifbearbeitung, die bei dem gebildeten Oxidationsreaktionsprodukt erforderlich sein kann. Wie vorstehend erwähnt, sollte die Sperrschicht vorzugsweise permeabel oder porös sein, und deshalb sollte, falls eine feste, inpermeable Wand verwendet wird, die Sperrschicht in mindestens einem Bereich oder an einem oder beiden Enden geöffnet sein, um es dem Dampfphasenoxidationsmittel zu erlauben, mit dem schmelzflüssigen Grundmetall in Berührung zu kommen. Geeignete Sperrschichten, die besonders nützlich bei dieser Erfindung im Fall der Verwendung von Aluminiumgrundmetallen und der Verwendung von Luft als Oxidationsmittel sind, sind Calciumsulphat, Calciumsilicat und Tricalciumphosphat. Diese Sperrschichten scheinen örtlich mit dem sich entwickelnden Oxidationsreaktionsprodukt zur Bildung einer impermeablen Calciumaluminatschicht zu reagieren, die örtlich das weitere Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts beendet. Solche Sperrschichten können typischerweise als Aufschwemmung oder Paste auf die Oberflächen eines Füllstoffbetts aufgetragen werden, das vorzugsweise als Vorform vorgeformt ist. Die Sperrschicht kann auch ein geeignetes feuerfestes oder flüssiges Material umfassen, das bei Erhitzung eliminiert wird oder ein Material, das sich bei Erhitzung zersetzt, um die Porosität und Permeabilität der Sperrschicht zu erhöhen. Weiterhin kann die Sperrschicht ein geeignetes feuerfestes, teilchenförmiges Material umfassen, um jegliche mögliche Schrumpfung oder Rißbildung zu verringern, die sonst während des Verfahrens auftreten kann. Ein solches teilchenförmiges Material mit im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie dem des Füllstoffbetts ist besonders wünschenswert. Falls die Vorform Aluminiumoxid umfaßt und die sich ergebende Keramik Aluminiumoxid umfaßt, kann die Sperrschicht beispielsweise mit Aluminiumoxidteilchen gemischt sein, die wünschenswerterweise eine Maschengröße von etwa 20 - 1000 haben. Die Aluminiumoxidteilchen können mit dem Calciumsulfat beispielsweise in einem Verhältnis von etwa 10:1 bis 1:10 gemischt sein, wobei das bevorzugte Verhältnis etwa 1:1 ist. In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Sperrschicht eine Mischung von Calciumsulphat (das heißt Gipshalbhydrat und Portlandzement). Der Portlandzement kann mit dem Gipshalbhydrat in einem Verhältnis von 10:1 bis 1:10 gemischt sein, wobei das bevorzugte Verhältnis von Portlandzement zu Gipshalbhydrat etwa 1:3 ist. Wo erwünscht, kann der Portlandzement auch allein als Sperrschichtmaterial verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform umfaßt, wenn ein Aluminiumgrundmetall und Luft als Oxidationsmittel verwendet werden, die Verwendung von Gipshalbhydrat gemischt mit Siliciumoxid in einer stöchiometrischen Menge als Sperrschicht, aber Gipshalbhydrat kann im Überschuß vorliegen. Während der Verarbeitung reagieren das Gipshalbhydrat und das Siliciumoxid zur Bildung von Calciumsilicat, was zu einer besonders günstigen Sperrschicht führt, da sie im wesentlichen frei von Rissen ist. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Gipshalbhydrat mit etwa 20-40 Gew.-% Calciumcarbonat gemischt. Bei Erhitzen zersetzt sich das Calciumcarbonat und gibt Kohlenstoffdioxid frei, wodurch die Porosität der Sperrschicht verbessert wird.
Andere besonders nützliche Sperrschichten für Grundmetallsysteme auf der Basis von Aluminium umfassen eisenhaltige Materialien, (beispielsweise ein Behälter aus rostfreiem Stahl), Chromoxid und andere feuerfeste Oxide, die als beschichtete Wand oder Behälter für das Füllstoffbett oder als Schicht für die Oberfläche eines Füllstoffbetts verwendet werden können. Zusätzliche Sperrschichten umfassen dichte, gesinterte oder geschmolzene Keramik wie Aluminiumoxid. Diese Sperrschichten sind üblicherweise impermeabel und deswegen entweder besonders hergestellt, um der Porosität Rechnung zu tragen, oder sie erfordern einen offenen Abschnitt wie ein offenes Ende. Die Sperrschicht kann unter den Reaktionsbedingungen ein brüchiges Produkt bilden und kann beispielsweise durch Abschleifen entfernt werden, um den Keramikkörper zu erhalten.
Die Sperrschicht kann in irgendeiner geeigneten Form, Größe und Gestalt hergestellt werden und ist vorzugsweise dem Dampfphasenoxidationsmittel gegenüber permeabel. Die Sperrschicht kann als Film, Paste, Aufschlämmung, durchlässiges oder undurchlässiges Blatt oder Platte oder als eine netzförmige oder löchrige Bahn wie ein Metall- oder Keramiksieb oder -gewebe oder eine Kombination davon aufgetragen oder verwendet werden. Die Sperrschicht kann auch irgendeinen Füllstoff und/oder irgendein Bindemittel enthalten.
Die Größe und Form der Sperrschicht hängt von der gewünschten Gestalt für das Keramikprodukt ab. Nur beispielsweise, dann, wenn die Sperrschicht in einer vorbestimmten Entfernung von dem Grundmetall angeordnet wird, würde das Wachstum der Keramikmatrix örtlich beendet oder gehemmt, wo sie auf die Sperrschicht trifft. Im allgemeinen ist die Gestalt des Keramikprodukts die umgekehrte Gestalt der Sperrschicht. Falls beispielsweise eine konkave Sperrschicht zumindest teilweise von einem Grundmetall im Abstand angeordnet ist, tritt das polykristalline Wachstum innerhalb der volumetrischen Raums auf, der durch die Grenze der konkaven Sperrschicht und den Oberflächenbereich des Grundmetall definiert ist. Das Wachstum endet im wesentlichen an der konkaven Sperrschicht. Nachdem die Sperrschicht entfernt worden ist, verbleibt ein Keramikkörper, der mindestens einen konvexen Teil aufweist, der durch die Konkavität der Sperrschicht definiert ist. Es ist festzustellen, daß mit Bezug auf eine Sperrschicht mit Porosität, etwas polykristallines Material durch die Zwischenräume übergewachsen sein kann, obwohl ein solches Überwachsen durch die wirksameren Sperrschichtmaterialien ernsthaft begrenzt oder eliminiert ist. In einem solchen Fall kann, nachdem die Sperrschicht auf dem gewachsenen polykristallinen Keramikkörper entfernt worden ist, jegliches polykristalline Überwachsen von dem Keramikkörper durch Schleifen, Sandstrahlen oder dergleichen entfernt werden, um das gewünschte Keramikteil ohne verbleibendes, übergewachsenes polykristallines Material herzustellen. Zur weiteren Veranschaulichung erzeugt eine Sperrschicht, die im Abstand von einem Grundmetall angeordnet ist und einen zylindrischen Vorsprung in Richtung auf das Metall aufweist, einen Keramikkörper mit einer zylindrischen Aussparung, die invers den gleichen Durchmesser und die gleiche Tiefe des zylindrischen Vorsprungs repliziert.
Um ein minimales oder kein polykristallines Materialüberwachsen bei der Bildung der keramischen Verbundkörper zu erzielen, kann die Sperrschicht auf die oder in sehr großer Nähe der definierten Oberflächengrenze irgendeines Füllstoffbetts oder einer Vorform plaziert werden. Die Anordnung der Sperrschicht auf der definierten Oberflächengrenze des Betts oder der Vorform kann durch irgendein geeignetes Mittel, wie durch Beschichten der definierten Oberflächengrenze mit der Sperrschicht durchgeführt werden. Solch eine Sperrschicht kann aufgebracht werden durch Anstreichen, Eintauchen, Siebdruck, Verdampfen oder anderweitiges Aufbringen der Sperrschicht in flüssiger, Aufschlämmungs- oder Pastenform oder durch Sputtern einer verdampfbaren Sperrschicht oder durch einfache Abscheidung einer Schicht einer festen Teilchensperrschicht oder durch Aufbringen eines festen, dünnen Blatts oder einer Folie der Sperrschicht auf die definierte Oberflächengrenze. Wenn die Sperrschicht an Ort und Stelle ist, endet das Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts bei Erreichen der definierten Oberflächengrenze der Vorform und Berühren der Sperrschicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung eines Keramikmatrix-Verbundkörpers wird eine permeable geformte Vorform (nachstehend detaillierter beschrieben) gebildet, die mindestens eine definierte Oberflächengrenze, wobei mindestens ein Teil der definierten Oberflächengrenze die Sperrschicht aufweist oder auf dem die Sperrschicht aufgebracht ist. Es ist ersichtlich, daß der Ausdruck "Vorform" eine Anordnung von getrennten Vorformen umfassen kann, die schließlich zu einem integralen Verbundkörper verbunden sind. Die Vorform wird in die Nähe von oder in Berührung mit einer oder mehreren Grundmetalloberflächen oder einem Teil einer Oberfläche des Grundmetall so plaziert, daß mindestens ein Teil der definierten Oberflächengrenze, welche die Sperrschicht aufweist oder auf der sie aufgebracht ist, im allgemeinen von der Metalloberfläche entfernt oder außerhalb dieser angeordnet ist, und die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts tritt in die Vorform und in einer Richtung auf die definierte Oberflächengrenze der Sperrschicht auf. Die permeable Vorform ist Teil der Anordnung und bei Erhitzen in einem Ofen werden das Grundmetall und die Vorform dem Dampfphasenoxidationsmittel ausgesetzt oder von diesem umhüllt, das in Kombination mit einem festen oder flüssigen Oxidationsmittel verwendet werden kann. Das Metall und das Oxidationsmittel reagieren, und das Reaktionsverfahren wird fortgesetzt, bis das Oxidationsreaktionsprodukt die Vorform infiltriert hat und in Berührung mit der definierten Oberflächengrenze kommt, die die Sperrschicht umfaßt oder auf der diese aufgebracht ist. Am typischsten fallen die Grenzen der Vorform und die der polykristallinen Matrix im wesentlichen zusammen, aber einzelne Bestandteile an den Oberflächen der Vorform können freigelegt sein oder aus der Matrix vorstehen, und deshalb ist die Infiltrierung und Einbettung vielleicht nicht vollständig, was das vollständige Umgeben oder Einkapseln der Vorform durch die Matrix betrifft. Die Sperrschicht verhindert, hemmt oder beendet das Wachstum bei Berührung mit der Sperrschicht, und es tritt im wesentlichen kein Überwachsen des polykristallinen Materials auf. Der sich ergebende Keramikverbundkörper umfaßt eine Vorform, die bis zu ihren Grenzen durch eine Keramikmatrix infiltriert oder eingebettet ist, welche ein polykristallines Material aufweist, das im wesentlichen aus dem Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel und wahlweise einem oder mehreren metallischen Bestandteilen, wie nichtoxidierten Bestandteile des Grundmetall oder reduzierten Bestandteilen eines Oxidationsmittels besteht. Im allgemeinen wird die Oxidationsreaktion für einen Zeitraum fortgesetzt, der ausreicht, um die Quelle des Grundmetalls zu erschöpfen. Das Gerippe wird entfernt wie durch Abschlagen mit einem Hammer, um einen keramischen oder Keramikverbundkörper zu ergeben.
Nach Bildung des Keramik- oder Keramikverbundkörpers muß dieser dann vor seiner Verwendung als Füllstoffmaterial zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers zerkleinert werden. Insbesondere wird bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung das polykristallinee Oxidationsreaktionsprodukt zermahlen, pulverisiert oder dergleichen und zu einer Masse von Füllstoffmaterialzuin einer Vorform geformt. Der Keramik- oder Keramikverbundkörper kann durch Techniken wie Zerkleinern in einem Backenbrecher, einer Feinprallmühle, einer Walzenmühle oder einem Kreiselbrecher oder mit anderen herkömmlichen Techniken, größtenteils in Abhängigkeit von der gewünschten Teilchengröße zur Verwendung bei dem Metallmatrix-Verbundkörper, zerkleinert werden. Das gemahlene oder vermahlene Keramikmaterial wird durch Sieben klassiert und zur Verwendung als Füllstoffmaterial oder Vorform gewonnen. Es kann wünschenswert sein, den Keramikkörper zuerst in große Stücke von etwa 0,6 bis etwa 1,3 cm (etwa 1/4 Zoll bis etwa 1/2 Zoll) mit beispielsweise einem Backenbrecher, einer Hammermühle usw. zu zerkleinern. Dann könnten die großen Stücke in feinere Teilchen von beispielsweise 297 um (50 mesh) oder mittels einer Kugelmühle, einer Feinprallmühle usw. feiner gemahlen werden. Die Teilchen können dann gesiebt werden, um Größenfraktionen einer gewünschten Größe zu erhalten. Geeignete Füllstoffmaterialien können in der Größe von etwa 74 um (-200 mesh) bis etwa 25 um (500 mesh) oder feiner, je nach dem Keramikverbundkörper, der hergestellt wurde, und dem Metallmatrix- Verbundkörper, der herzustellen ist (beispielsweise zur geplanten Verwendung für den gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper) reichen.
Nachdem das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt zu einer gewünschte Teilchengröße als Füllstoffmaterial oder zu einer Vorform gebildet worden ist, ist es dann notwendig, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan mit Matrixmetalls zu infiltrieren.
Um eine spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in die Vorform zu bewirken, sollte dem spontanen System ein Infiltrationsverstärker zugegeben werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärkersvorläufer gebildet sein, der (1) in dem Matrixmetall oder (2) in der Vorform und/oder (3) aus einer äußeren Quelle in dem Spontanen System vorgesehen wird. Außerdem kann ein Infiltrationsverstärker direkt entweder zu der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden, statt einen Infiltrationsverstärkervorläufer zu liefern. Schließlich sollte zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrierungsatmosphäre reagiert werden kann, so daß Infiltrationsverstärker in wenigstens einem Teil der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Kontaktieren der Vorform mit dem Matrixmetall gebildet werden kann, beispielsweise Magnesium als Infiltrationsverstärkervorläufer und Stickstoff war die Infiltrierungsatmosphäre.
Ein Beispiel eines Matrixmetall/Infiltrationsverstärkervorläufer/Infiltrierungsatmosphären-Systems ist das Aluminium/Magnesium-/Stickstoff-System. Insbesondere kann ein Aluminiummatrixmetall innerhalb eines geeigneten feuerfesten Gefäßes wie eines Aluminiumoxidschiffchens enthalten sein, das unter den Verfahrensbedingungen nicht mit dem Aluminiummatrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform reagiert, wenn das Aluminium schmelzflüssig gemacht wird. Ein Vorformmaterial kann mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht werden. Außerdem kann ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens zu der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden, statt einen Infiltrationsverstärkervorläufer zu liefern. Der Infiltrationsverstärker kann insbesondere Restmagnesium in dem zerkleinerten Oxidationsreaktionsproduktfüllstoff sein. Schließlich sollte zumindest während der spontanen Infiltrierung Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform angeordnet sein.
Unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bedingungen sollte im Fall eines spontanen Aluminium/Magnesium-/Stickstoff-Infiltrierungssystems die Vorform ausreichend permeabel sein, um es dem stickstoffenthaltenden Gas zu gestatten, in die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und das schmelzflüssige Matrixmetall zu kontaktieren. Außerdem kann die permeable Vorform die Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetall aufnehmen, wodurch bewirkt wird, daß die stickstoffdurchdrungene Vorform spontan mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert wird. Das Ausmaß der spontanen Infiltrierung und Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers variiert mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich dem Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, dem Magnesiumgehalt der Vorform, der Menge an Magnesiumnitrid in der Vorform, der Anwesenheit von zusätzlichen Legierungselementen (beispielsweise Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe des Füllstoffmaterials (beispielsweise Teilchendurchmesser), aus der die Vorform besteht, der Oberflächenbedingung und Art des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung gestatteten Zeit und der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Beispielsweise kann, damit die Infiltrierung des schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetalls spontan auftritt, das Aluminium mit mindestens etwa 1 Gew.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium (das als Infiltrationsverstärkervorläufer dient) mit Bezug auf das Legierungsgewicht legiert sein. Legierungshilfselemente, wie vorstehend erörtert, können in dem Matrixmetall auch enthalten sein, um die Eigenschaften spezifischen Bedürfnissen anzupassen. (Zusätzlich können die Legierungshilfselemente die Mindestmenge von Magnesium beeinflussen, die in dem Matrixaluminiummetall erforderlich ist, um zur spontanen Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu führen.) Der Verlust von Magnesium aus dem spontanen System aufgrund von beispielsweise Verflüchtigen sollte nicht in einem solchen Ausmaß auftreten, daß kein Magnesium zur Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. So ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge an anfänglichen Legierungselementen zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltrierung nicht nachteilig durch die Verflüchtigung beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium sowohl in der Vorform als auch dem Matrixmetall oder der Vorform allein zu einer Verringerung der erforderlichen Menge an Magnesium zur Erzielung der spontanen infiltrierung (nachstehend detaillierter erörtert) führen.
Der Volumenprozentsatz von Stickstoff in der Stickstoffatmosphäre beeinflußt auch die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere tritt, wenn weniger als etwa 10 Vol.-% Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre vorhanden sind, eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltrierung auf. Es wurde festgestellt, daß wenn vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sind, dies beispielsweise zu kürzeren Infiltrierungszeiten aufgrund einer viel schnelleren infiltrierungsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise ein Stickstoff enthaltendes Gas) kann dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall direkt zugeführt werden, oder kann aus einer Zersetzung eines Materials hergestellt werden oder sich daraus ergeben.
Der Mindestmagnesiumgehalt, der erforderlich ist, damit schmelzflüssiges Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen wie der Verfahrenstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit von Legierungshilfselementen, wie Silicium oder Zink, der Natur des Füllstoffmaterials, der Lage des Magnesiums in einer oder mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit ab, mit der die Stickstoffatmosphäre fließt.
Niedrigere Temperaturen oder kürzere Heizungszeiten können verwendet werden, um eine vollständige Infiltrierung zu erhalten, während der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Bei einem gegebenen Magnesiumgehalt gestattet die Zugabe von bestimmten Legierungshilfselementen, wie Zink, auch die Verwendung von niedrigeren Temperaturen. Ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des funktionsfähigen Bereichs, beispielsweise etwa 1-3 Gew.-%, kann beispielsweise im Zusammenhang mit mindestens einem der folgenden Parameter verwendet werden: einer Verarbeitungstemperatur, die oberhalb des Minimums liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren Legierungshilfselementen. Wenn der Vorform kein Magnesium zugefügt wird, werden Legierungen, die von etwa 3-5 Gew.-% Magnesium enthalten, auf der Grundlage ihrer allgemeinen Brauchbarkeit über eine große Vielfalt von Verfahrensbedingungen bevorzugt, wobei mindestens etwa 5 Gew.- % bevorzugt sind, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten verwendet werden. Magnesiumgehalte, die über etwa 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung liegen, können verwendet werden, um die für die Infiltrierung erforderlichen Temperaturbedingungen zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann verringert werden, wenn er im Zusammenhang mit einem Legierungshilfselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine Hilfsfunktion und werden zusammen mit mindestens der vorstehend angegebenen Mindestmenge Magnesium verwendet. Beispielsweise gab es im wesentlichen keine Infiltrierung von nominell reinem Aluminium, legiert nur mit 10% Silicium bei 1000ºC in ein Bett von 25 um (500 mesh) 39 Crystolon (99% reines Siliciumcarbid von der Norton Co.). In Anwesenheit von Magnesium wurde jedoch gefunden, daß Silicium das Infiltrierungsverfahren fördert. Als weiteres Beispiel variiert die Menge an Magnesium, falls es exklusiv der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugeführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine spontane Infiltrierung mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz an Magnesium auftritt, das dem spontanen System zugeführt wird, wenn mindestens etwas der Gesamtmenge an zugeführtem Magnesium in die Vorform oder das Füllstoffmaterial verbracht wird oder eine höhere Infiltrierungstemperatur verwendet wird. Es kann wünschenswert sein, daß eine geringere Menge Magnesium geliefert wird, um die Bildung von unerwünschten intermetallischen Verbindungen in dem Metallmatrix-Verbundkörper zu verhindern. Im Fall einer Siliciumcarbidvorform wurde festgestellt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, wobei die Vorform mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium enthält und sich in Gegenwart einer im wesentlichen reinen Stickstoffatmosphäre befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Fall einer Aluminiumoxidvorform ist die Menge an Magnesium, das für die Erzielung einer annehmbaren spontanen infiltrierung benötigt wird, geringfügig höher. Es wurde insbesondere gefunden, daß bei einer Aluminiumoxidvorform, wenn sie mit einem ähnlichen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, bei etwa der gleichen Temperatur wie das Aluminium, das in die Siliciumcarbidvorform infiltriert ist, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltrierung zu erzielen wie die, die bei der vorstehend erörterten Siliciumcarbidvorform erzielt wurde.
Es ist auch zu beachten, daß es möglich ist, dem spontanen System Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder auf einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder innerhalb der Vorform oder des Füllstoffmaterials vor dem Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzuführen (d.h. es muß nicht notwendig sein, daß der zugeführte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärkervorläufer mit dem Matrixmetall legiert wird, sondern eher einfach dem spontanen System zugeführt wird). Falls das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, kann es vorzuziehen sein, daß diese Oberfläche die Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse von Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Berührung mit diesem steht oder umgekehrt oder solch ein Magnesium könnte in mindestens einen Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials gemischt sein. Weiterhin ist es möglich, daß irgendeine Kombination der Oberflächenaufbringung, Legierung oder Verbringen des Magnesium in mindestens einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine solche Kombination der Aufbringung von Infiltrationsverstärker (n) und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer(n) könnte zu einer Verringerung des Gesamtgewichtsprozentsatzes des für die Förderung der Infiltrierung des Matrixaluminiummetalls in die Vorform benötigten Magnesiums und zu der Erzielung niedrigerer Temperaturen, bei denen die Infiltrierung auftreten kann, führen. Außerdem könnte die Menge an unerwünschten, aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildeten, intermetallischen Verbindungen auch auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Die Verwendung von einem oder mehreren Hilfslegierungselementen und die Konzentration von Stickstoff in dem Umgebungsgas beeinflußt auch das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Beispielsweise können Hilfslegierungselemente wie Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht sind, verwendet werden, um die Infiltrierungstemperatur zu verringern und dadurch die Menge an Nitridbildung zu verringern, wohingegen die Erhöhung der Konzentration von Stickstoff in dem Gas zur Förderung der Nitridbildung verwendet werden kann.
Die Konzentration von Magnesium, die sich in der Legierung befindet und/oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht wurde und/oder in dem Füllstoff- oder dem Vorformmaterial kombiniert wurde, neigt auch dazu, die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Infiltrierung bei einer gegebenen Temperatur zu beeinflussen. Folglich kann es in einigen Fällen bevorzugt werden, bei denen wenig oder kein Magnesium direkt mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial in Berührung gebracht wird, daß mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte von weniger als dieser Menge, beispielsweise 1 Gew.-% Magnesium, können höhere Verfahrenstemperaturen oder ein Legierungshilfselement für die Infiltrierung benötigen. Die für die Bewirkung des spontanen Infiltrierungsverfahren dieser Erfindung erforderliche Temperatur kann niedriger sein: (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, beispielsweise auf mindestens etwa 5 Gew.-%, und/oder (2) wenn die Legierungsbestandteile mit der oder einem Teil der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform gemischt werden und/oder (3) wenn ein weiteres Element wie Zink oder Eisen in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch mit unterschiedlichen Füllstoffmaterialien variieren. Im allgemeinen tritt eine spontane und fortschreitende Infiltrierung bei einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 675ºC, und vorzugsweise einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 750ºC - 800ºC ,auf. Temperaturen, die im allgemeinen über 1200ºC liegen, scheinen das Verfahren nicht zu begünstigen, und es wurde gefunden, daß ein besonders brauchbarer Temperaturbereich zwischen etwa 675ºC und etwa 1200ºC liegt. im allgemeinen ist jedoch die spontane Infiltrierungstemperatur eine Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls, aber unterhalb der Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls liegt. Außerdem sollte die spontane Infiltrierungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Füllstoffmaterials liegen. Weiterhin nimmt bei Erhöhung der Temperatur die Neigung zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre zu (beispielsweise in dem Fall von Aluminiummatrixmetall und einer Stickstoffinfiltrierungsatmosphäre kann Aluminiumnitrid gebildet werden). Ein solches Reaktionsprodukt kann auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung des Matrixmetall-Verbundkörpers wünschenswert oder nicht wünschenswert sein. Zusätzlich wird typischerweise eine elektrische Widerstandsheizung verwendet, um die Infiltrierungstemperaturen zu erzielen. Jegliche Heizvorrichtung, die zum Schmelzen des Matrixmetalls führt und die spontane Infiltrierung nicht nachteilig beeinf lußt, ist jedoch zur Verwendung bei der Erfindung annehmbar.
Bei dem vorliegenden Verfahren kommt beispielsweise eine permeable Vorform in Berührung mit schmelzflüssigem Aluminium in Anwesenheit eines stickstoffenthaltenden Gases (beispielsweise Formiergas, das aus 96% N&sub2; und 4% H&sub2; besteht), das während der gesamten Zeit, die zur Erzielung der Infiltrierung erforderlich ist, aufrechterhalten wird. Dies wird dadurch erzielt, daß ein kontinuierlicher Strom von Gas in Berührung mit der Vorform und dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall gehalten wird. Obgleich die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffenthaltenden Gases nicht kritisch ist, wird bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, um jeglichen Stickstoff auszugleichen, der aus der Atmosphäre aufgrund von Nitridbildung in der Legierungsmatrix verloren geht und um auch den Einfall von Luft, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Matrixmetall-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Verfahrensbedingungen, der Reaktionsfähigkeit der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial, der Fähigkeit des Füllstoffmaterials, sich dem Infiltrierenden Matrixmetall anzupassen und den für das endgültige Verbundkörperprodukt gewünschten Eigenschaften ab. Wenn Aluminium das Matrixmetall ist, umfassen beispielsweise geeignete Füllstoffmaterialien (a) Oxide, beispielsweise Aluminiumoxid, (b) Carbide, beispielsweise Siliciumcarbid, (c) Boride, beispielsweise Aluminiumdodecaborid und (d) Nitride, beispielsweise Aluminiumnitrid. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt als Füllstoffmaterial verwendet. Weiterhin kann das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt entweder allein oder in Kombination mit anderen Füllstoffmaterialien verwendet werden, um die permeable Masse oder Vorform zur Infiltrierung zu schaffen. Falls das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall zu reagieren, kann dem Rechnung getragen werden, indem die Infiltrationszeit und -temperatur auf ein Minimum herabgesetzt wird, oder indem eine nichtreaktionsfähige Beschichtung auf dem Füllstoff vorgesehen ist. Das Füllstoffmaterial kann ein Substrat umfassen, beispielsweise Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das eine Beschichtung trägt, um das Substrat vor Angriff oder Degradation zu schützen. Geeignete Beschichtungen umfassen keramische Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Keramik, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden kann, umfaßt Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in der Form von Teilchen, Blättchen, Einkristallfäden und Fasern. Die Fasern können diskontinuierlich (in zerkleinerter Form) oder in der Form eines kontinuierlichen Fadens wie Mehrfädenseile vorliegen. Weiterhin kann die keramische Masse oder Vorform homogen oder heterogen sein.
Die Größe und Form des Füllstoffmaterials, das zur Bildung des keramischen Oxidationsreaktionsprodukts verwendet wird oder des Füllstoffmaterials, das mit dem keramischen Oxidationsreaktionsprodukt, nachdem es zerkleinert wurde, gemischt wird, kann irgendein geeignetes Material sein, das benötigt wird, um die in dem Verbundkörper gewünschten Eigenschaften zu erzielen. So kann das Material in der Form von Teilchen, Einkristallfäden, Blättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltrierung nicht durch die Form des Füllstoffmaterials beschränkt ist. Andere Formen wie Kugeln, Röhrchen, Kügelchen, feuerfestes Fasergewebe und dergleichen können verwendet werden. Außerdem beschränkt die Größe des Materials die Infiltrierung nicht, obgleich eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum für die vollständige Infiltrierung einer Masse von kleineren Teilchen benötigt wird als für größere Teilchen. Außerdem sollte die zu infiltrierende Masse des Füllstoffmaterial (zu einer Vorform geformt) permeabel sein (das heißt, dem schmelzflüssigen Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel).
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht auf die Verwendung von Druck angewiesen ist, um schmelzflüssige Metallmatrix in eine Vorform oder in eine Masse von Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu drücken. Die Erfindung gestattet die Herstellung von im wesentlichen gleichförmigen Metallmatrix-Verbundkörpern mit einem hohen Volumenanteil von Füllstoffmaterial und niedriger Porosität. Höhere Volumenanteile von Füllstoffmaterial in der Größenordnung von mindestens etwa 50% können durch Verwendung einer anfänglichen Masse von Füllstoffmaterial niedriger Porosität und/oder Teilchen von unterschiedlichen Größen zur Erhöhung der Packungswirksamkeit erzielt werden. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse gepreßt oder anderweitig verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht entweder in einen Preßling mit enger Zellporosität oder in eine vollständig dichte Struktur umgewandelt wird, was die Infiltrierung durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß das Benetzen des keramischen Füllstoff durch das Aluminiummatrixmetall ein wichtiger Teil des Infiltrierungsmechanismus sein kann für die Aluminiuminfiltrierung und Matrixbildung um einen keramischen Füllstoff herum. Außerdem tritt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen eine vernachlässigbare oder minimale Menge an Metallnitridierung auf, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase von in der Metallmatrix dispergiertem Aluminiumnitrid führt. Wenn man sich jedoch dem oberen Ende des Temperaturbereichs nähert, tritt die Nitridierung des Metalls mit größerer Wahrscheinlichkeit auf. Die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix kann so durch Änderung der Verarbeitungstemperatur, bei der die Infiltrierung auftritt, gesteuert werden. Die spezifische Verfahrenstemperatur, bei der die Nitridbildung ausgeprägter wird, variiert auch mit solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixalumlniumlegierung und ihrer Menge relativ zu dem Volumen des Füllstoffmaterials, dem zu infiltrierenden Füllstoffmaterial und der Stickstoffkonzentration der infiltrierenden Atmosphäre. Man glaubt beispielsweise, daß das Ausmaß der Aluminiumnitridbildung bei einer gegebenen Verfahrenstemperatur erhöht wird, während die Fähigkeit der Legierung, den Füllstoff zu benetzen, abnimmt, und während die Stickstoffkonzentration der Atmosphäre sich erhöht.
Deswegen ist es möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers besonderen Bedürfnissen anzupassen, um dem sich ergebenden Produkt bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Bei einem gegebenen System können die Verfahrensbedingungen zur Steuerung der Nitridbildung ausgewählt werden. Ein Verbundkörperprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für die Leistung des Produkts günstig sein oder diese verbessern können. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltrierung mit einer Aluminiumlegierung mit dem verwendeten Keramikmaterial variieren. Im Fall von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial, sollte die Temperatur für die Infiltrierung vorzugsweise etwa 1000ºC nicht übersteigen, falls es gewünscht wird, daß die Verformbarkeit der Matrix durch die beträchtliche Bildung von Nitrid nicht verringert wird. Temperaturen von mehr als 1000ºC können jedoch angewandt werden, falls es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger verformbaren und steiferen Matrix herzustellen. Um Siliciumcarbid zu infiltrieren, können höhere Temperaturen von etwa 1200ºC angewandt werden, da die Aluminiumlegierung zu einem geringeren Ausmaß nitriert mit Bezug auf die Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird. Von erhöhter Bedeutung ist, daß wenn zerkleinertes oder zerstoßenes Oxidationsreaktionswachstumsprodukt als Füllstoff verwendet wird, Temperaturen von etwa 750-850ºC verwendet werden können.
Insbesondere kann das polykristalline Material, das durch das gezielte Oxidationsverfahren hergestellt wurde, metallische Komponenten wie nichtoxidiertes Grundmetall enthalten. Die Menge an Metall kann über einen breiten Bereich von 1-40 Vol.-% variieren und manchmal höher liegen, größtenteils abhängig von dem Grad der Erschöpfung (Umwandlung des Grundmetalls) bei der Herstellung von keramischen oder Keramikverbundkörpern. Es kann wünschenswert sein, mindestens etwas von dem restlichen Metall oder Gerippe des Grundmetalls von dem Oxidationsreaktionsprodukt vor Verwendung des Materials als Füllstoff abzutrennen. Diese Abtrennung kann erfolgen, bevor und/oder nachdem das polykristalline Material zerkleinert oder zermahlen wurde. Das Oxidationsreaktionsprodukt kann in einigen Fällen leichter brechen als das Metall, deshalb kann es in manchen Fällen möglich sein, daß das Oxidationsreaktionsprodukt teilweise von dem Metall durch Zerkleinern und Sieben getrennt wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist jedoch das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt, entweder allein oder im Kombination mit einem anderen Füllstoffmaterial das verwendet wird, eine Affinität für die schmelzflüssige Legierung auf, was anscheinend auf eine Affinität zwischen ähnlichen Substanzen unter den Verfahrensbedingungen und/oder auf die Anwesenheit von ein oder mehreren Legierungshilfselementen zurückzuführen ist. Es wurde aufgrund dieser Affinität beobachtet, daß eine verbesserte Infiltrierungskinetik, und folglich Infiltrierung mit einer etwas größeren Geschwindigkeit auftritt mit Bezug auf im wesentlichen das gleiche Verfahren, bei dem ein im Handel erhältlicher keramischer Füllstoff verwendet wird,das heißt, ein Füllstoff, der nicht durch ein gesteuertes Oxidationsverfahren hergestellt wurde. Falls ein anderes Füllstoffmaterial mit einem zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukt zu mischen ist, sollte die Menge des zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukt in einer Menge zugeführt werden, die ausreicht, um eine verbesserte Infiltrierungkinetik zu erzielen (beispielsweise mindestens etwa 10-20 Vol.-% des Füllstoffmaterials sollte aus zerkleinertem Oxidationsreaktionsprodukt bestehen). Außerdem wurde beobachtet, daß, wenn zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt als Füllstoffmaterial verwendet wird, das Verfahren bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden kann, was von einem Kosten- und Handhabungsstandpunkt aus gesehen vorteilhaft ist. Bei niedrigeren Temperaturen ist das schmelzflüssige Metall auch weniger geneigt, mit dem Füllstoff zu reagieren und ein unerwünschtes Reaktionsprodukts zu bilden, was schädliche Wirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers haben kann.
Ein Faktor, der zu der verbesserten Infiltrierung der vorliegenden Erfindung beizutragen scheint, ist die Anwesenheit eines Legierungshilfselements und/oder Aluminiumgrundmetalls, das innig mit dem Füllstoff verbunden ist. Wenn beispielsweise Aluminiumoxid als Oxidationsreaktionsprodukt bei der Oxidationsreaktion des Aluminiums in Luft gebildet wird, wird ein Dotierungsmaterial typischerweise in Verbindung oder in Kombination mit dem Aluminiumgrundmetall verwendet, wie in den sich im gemeinsamem Besitz befindlichen Patentanmeldungen erklärt ist. Das Grundmetall oder das Dotierungsmittel oder ein Teil davon können aus dem Reaktionssystem nicht erschöpft werden, und werden deshalb durch einen Teil oder im wesentlichen durch das ganze polykristalline, keramische Material dispergiert. In einem solchen Fall kann das Grundmetall oder das Dotierungsmittel an oder auf einer Oberfläche des zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukts konzentriert sein oder das Grundmetall oder Dotierungsmittel kann innerhalb des Oxidationsreaktionsprodukts gebunden sein. Ohne durch irgendeine bestimmte Tiieorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß, wenn das polykristalline Material zur Verwendung als Füllstoff zerkleinert wird, das Matrixmetall, das zur spontanen Infiltrierung des zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukts verwendet wird, eine Affinität für diesen Füllstoff aufgrund des Grundmetalls und/oder des Dotierungsmaterials, das in dem Füllstoff enthalten ist, aufweisen kann. Spezifisch können das restliche Grundmetall und/oder die restlichen Dotierungsmittel das Infiltrierungsverfahren verbessern, indem sie als brauchbare Legierungshilfselemente bei der Herstellung des Endverbundkörperprodukts dienen, und/oder können als Infiltrationsverstärker wirken und/oder können als Infiltrationsverstärkervorläufer wirken.
Dementsprechend kann ein zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt inhärent zumindest einen Teil des erforderlichen Infiltrationsverstärkers und/oder Infiltrationsverstärkervorläufers liefern, der für die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform benötigt wird.
Außerdem ist es möglich, ein Reservoir von Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige infiltrierung des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall zuzuführen, das eine von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterschiedliche Zusammensetzung hat. Spezifisch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, ein Matrixmetall in dem Reservoir zu verwenden, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet. Falls beispielsweise eine Aluminiumlegierung als erste Quelle von Matrixmetall verwendet wird, könnte praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metall-Legierung, die bei den Verarbeitungstemperaturen schmelzflüssig ist, als Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr mischbar miteinander, was dazu führen würde, daß das Reservoirmetall sich mit der ersten Quelle von Matrixmetall mischt, solange ein angemessener Zeitraum für das Auftreten der Mischung gegeben wird. So ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in der Zusammensetzung von der der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix so anzupassen, daß sie unterschiedliche Betriebserfordernisse erfüllen, und so die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers anzupassen. Eine Sperrschicht kann auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Spezifisch kann die Sperrschicht zur Verwendung bei dieser Erfindung irgendein geeignetes Mittel sein, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (beispielsweise einer Aluminiumlegierung) über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus stört, hemmt, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrschichten können aus irgendeinem Material, irgendeiner Verbindung, irgendeinem Element, irgendeiner Zusammensetzung oder dergleichen bestehen, die unter den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung einige Integrität beibehält, nicht flüchtig ist und vorzugsweise dem bei dem Verfahren verwendeten Gas gegenüber permeabel ist und auch imstande ist, die fortgesetzte Infiltrierung oder irgendeine andere Art der Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus örtlich zu hemmen, zu stoppen, sie zu stören, sie zu verhindern oder dergleichen.
Geeignete Sperrschichten umfassen Materialien, die im wesentlichen durch die Wanderung der schmelzflüssigen Matrixlegierung unter den angewandten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint wenig oder keine Affinität bezüglich der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliche abschließende spanende Bearbeitung oder abschließendes Schleifen, das bei dem Metallmatrix-Verbundkörperprodukt erforderlich sein kann. Wie vorstehend angegeben, sollte die Sperrschicht vorzugsweise permeabel oder porös sein oder durch Durchstechen permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung in Berührung zu kommen.
Bei Aluminiummatrixlegierungen besonders brauchbare geeignete Sperrschichten sind jene, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein Graphitbandprodukt, das unter dem Warenzeichen Grafoil , eingetragen für die Union Carbide vertrieben wird. Dieses Graphitband hat Abdichtungseigenschaften, die die Wanderung von schmelzflüssiger Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch wärmebeständig und chemisch inert. Grafoil -Graphitmaterial ist flexibel, kompatibel, anpassungsfähig und nachgiebig. Es kann zu einer Vielzahl von Formen geformt werden, um jeder Sperrschichtanwendung zu entsprechen. Graphitsperrschichten können jedoch als Aufschlämmung oder Paste und selbst als Anstrichfilm um die und auf die Grenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform angewendet werden. Grafoil ist besonders bevorzugt, weil es in der Form eines flexiblen Graphitblatts vorliegt. Bei Verwendung wird dieses papierähnliche Graphit einfach um das Füllstoffmaterial oder die Vorform herum geformt.
Andere bevorzugte Sperrschicht(en) für Aluminiummetall-Matrixlegierungen in Stickstoff sind die Übergangsmetallboride (beispielsweise Titandiborid (TiB&sub2;)), die im allgemeinen durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-Legierung unter bestimmten der verwendeten Verfahrensbedingungen unter Verwendung dieses Materials nicht benetzbar sind. Mit einer Sperrschicht dieser Art sollte die Verfahrenstemperatur etwa 875ºC nicht übersteigen, da sonst das Sperrschichtmaterial weniger wirksam wird und tatsächlich mit erhöhter Temperatur eine Infiltrierung in die Sperrschicht auftritt. Die Übergangsmetallboride liegen typischerweise in einer Teilchenform (1-10 um) vor. Die Sperrschichtmaterialien können als Aufschlämmung oder Paste auf die Grenzen der permeablen Masse des keramischen Füllstoffmaterials aufgetragen werden, die vorzugsweise als Vorform vorgeformt ist.
Andere brauchbare Sperrschichten für Aluminiummetallmatrixlegierungen in Stickstoff umfassen organische Verbindungen mit niedriger Flüchtigkeit, die als Film oder Schicht auf die Außenoberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgebracht sind. Bei Brennen in Stickstoff, insbesondere bei den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung, zersetzt sich die organische Verbindung unter Belassung eines Rußfilms. Die organische Verbindung kann durch irgendwelche herkömmlichen Mittel wie Anstreichen, Sprühen, Eintauchen usw. aufgebracht werden.
Außerdem können die fein vermahlenen, teilchenförmigen Materialien als Sperrschicht wirken, solange die Infiltrierung des teilchenförmigen Materials mit einer Geschwindigkeit auftritt, die geringer ist als die Infiltrierungsgeschwindigkeit des Füllstoffmaterials.
So kann die Sperrschicht auf irgendeine geeignete Weise aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Bedecken der definierten Oberflächengrenze mit einer Schicht der Sperrschicht. Solch eine Schicht der Sperrschicht kann durch Anstreichen, Eintauchen, Siebdruck, Verdampfen oder anderweitiges Auftragen der Sperrschicht in flüssiger, Aufschlämmungs- oder Pastenform oder durch Sputtern einer verdampfbaren Sperrschicht oder durch einfaches Abscheiden einer Schicht einer festen, teilchenförmigen Sperrschicht aufgebracht werden oder durch Aufbringen eines festen, dünnen Blattes oder Films der Sperrschicht auf die definierte Oberflächengrenze. Wenn sich die Sperrschicht an Ort und Stelle befindet, endet die spontane Infiltrierung im wesentlichen, wenn das Metall die definierte Oberflächengrenze erreicht und die Sperrschicht kontaktiert.
Verschiedene praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung sind in den direkt nachfolgenden Beispielen enthalten. Diese Beispiele sollten jedoch als veranschaulichend erachtet werden, und sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, beschränken.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Anordnung im Querschnitt, die zum Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts verwendet werden kann. Insbesondere wurde eine Grundmetallstange (1) mit der Abmessung 3,8 x 10,2 x 22,8 cm (1 1/2 x 4 x 9 Zoll) und bestehend aus einer geringfügig modifizierten 380.1 Aluminiumlegierung von Belmont Metals auf ein Bett (2) von 216 u m (90 grit) El Alundum , geliefert von Norton Co., verbracht, wobei beide in einem feuerfesten Schiffchen (4) von Hochreinheits-Aluminiumoxid enthalten waren. Das Aluminiumoxidschiffchen wurde von Bolt Technical Ceramics erhalten und hatte eine Reinheit von 99,7%. Die Grundmetallstange (1) wurde innerhalb des El Alundum -Betts (2) so gelegt, daß eine Oberfläche der Stange (1) im wesentlichen mit dem Bett (2) bündig war. Die Aluminiumlegierung (1) enthielt etwa 2,5 - 3,5% Zn, 3,0 - 4,0% Cu, 7,5 - 9,5% Si, 0,8 - 1,5% Fe, 0,2 - 0,3% Mg, 0 - 0,5% Mn, 0 - 0,001% Be und 0 - 0,35% Sn. Die Aluminiumlegierungsstange wurde äußerlich dotiert, indem etwa 5 g 150 um (140 grit) Siliciumoxidteilchen (3) im wesentlichen nur auf eine obere Oberfläche der Aluminiumlegierungsstange (1) so aufgebracht wurden, daß ein keramischer Körper nur von einer Oberfläche der Legierung (1) in Richtung auf die Atmosphäre (beispielsweise weg von dem Bett (2)) wachsen würde. Das Schiffchen (4), das das Bett (2), die Aluminiumlegierung (1) und das Dotierungsmittel (3) enthielt, wurde in einen elektrischen Widerstandsofen verbracht, der auf eine Temperatur von etwa 1100ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhitzt wurde und dort während eines Zeitraums gehalten wurde, der ausreichte, um es der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung zu gestatten, mit Sauerstoff der Luftumgebung zur Herstellung von Oxidationsreaktionsprodukt zu reagieren. Während der Erhitzung konnte Luft in dem Ofen zirkulieren, um ein Oxidationsmittel zu schaffen. Das wachsende Oxidationsreaktionsprodukt bildete einen "Laib" oberhalb der Aluminiumlegierung (1). Das Schiffchen (4) und sein Inhalt wurde dann kühlen gelassen. Das endgültige Oxidationsreaktionsprodukt (das heißt, der Laib) wurde von dem Schiffchen entfernt, und das Grundmetallgerippe wurde durch Draufschlagen mit einem Hammer entfernt.
Das Oxidationsreaktionsprodukt wurde dann in einen Backenbrecher verbracht und zu Brocken von der Größe eines Golfballs oder einer Erbse zerkleinert. Die Brocken des Oxidationsreaktionsprodukts wurden in einen Porzellankrug zusammen mit Aluminiumoxid, Mahlmedien und Wasser verbracht. Durch Mahlen in einer Kugelmühle wurde die Größe der Brokken auf kleinere Teilchen verringert. Außerdem war es nötig, weil das Oxidationsreaktionsprodukt nichtoxidiertes Restgrundmetall von der Grundaluminiumlegierung enthalten kann, den pH-Wert der Lösung während des Mahlens in der Kugelmühle zu steuern, wodurch jegliche Reaktion zwischen dem Aluminium und dem Wasser verringert wurde. Das Mahlen in der Kugelmühle wurde etwa 36 Stunden fortgesetzt. Nach Mahlen in der Kugelmühle wurde der Inhalt des Porzellankrugs unter Verwendung herkömmlicher Techniken getrocknet und gesiebt. Jegliche nach dem Vermahlen in der Kugelmühle verbleibenden Brocken, die größer als 840 um (20 mesh) waren, wurden wieder in die Kugelmühle verbracht, und dort später noch einmal vermahlen. Die Teilchen des zerkleinerten Oxidationsreaktionsprodukts, die kleiner als 149 um (100 mesh) und größer als 74 um (-200 mesh) waren, wurden gesammelt.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung im Querschnitt, welche benutzt werden kann, um ein Matrixmetall in ein zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt zu infiltrieren. Insbesondere wurde das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt (12) in ein Schiffchen (14) aus Hochreinheitsaluminiumoxid verbracht, ähnlich dem, das vorstehend verwendet wurde, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden. Ein Block des zu infiltrierenden Matrixmetalls (10) wurde auf das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt (12) so gelegt, daß das Matrixmetall (10) sich über die Oberfläche des zerkleinerten Füllstoffs (12) erstreckte. Die Aluminiumlegierung (10), die verwendet wurde, um das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt (12) spontan zu infiltrieren, war eine Stange oder ein Block des Matrixmetalls, der ungefähr 2,5 x 5,1 x 1,3 cm (1 Zoll x 2 Zoll x 1/2 Zoll) maß. Die Matrixmetallaluminiumlegierung hatte eine Zusammensetzung, die etwa 5 Gew.-% Silicium und 5 Gew.-% Magnesium enthielt. Das Aluminiumoxidschiffchen (14), das diese Anordnung von Materialien enthielt, wurde in einen elektrischen, widerstandsbeheizten Muffelofen verbracht. Der Muffelofen wurde versiegelt, so daß im wesentlichen nur das infiltrierende Gas anwesend war. In diesem Fall wurde Formiergas als Infiltrierungsatmosphäre verwendet (das heißt, 96 Vol.-% Stickstoff und 4 Vol.-% Wasserstoff). Das Formiergas wurde durch den Muffelofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 350 cm³/Minute geleitet. Der Muffelofen wurde über einen Zeitraum von etwa 10 Stunden erhitzt, bis eine Temperatur von etwa 800ºC erreicht wurde. Der Ofen wurde bei dieser Temperatur während 5 Stunden gehalten. Dann wurde der Ofen während eines Zeitraums von 5 Stunden gekühlt. Die Anordnung wurde dann aus dem Ofen entfernt, und es wurde beobachtet, daß das Matrixmetall (10) das Füllstoffmaterial (12) im wesentlichen vollständig eingebettet hatte.
Fig. 3 zeigt eine Mikrofotografie mit 400-facher Vergrößerung des sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörpers, der in Übereinstimmung mit Beispiel 1 hergestellt wurde. Die dunkleren Bereiche (20) entsprechen dem zerkleinerten Oxidationsreaktionsproduktfüllstoff und die helleren Bereiche (21) entsprechen dem Matrixmetall.

Beispiel 2

Dieses Beispiel ist ein Vergleichsbeispiel. Bei diesem Beispiel wurde im Handel erhältliches 216 um (90 grit) 38 Alundum, das ein geschmolzenes Aluminiumoxidkorn ist, erhalten von der Norton Co., in ein Aluminiumoxidschiffchen verbracht. Das gleiche, wie in Beispiel 1 verwendete Matrixmetall wurde daraufgelegt. Die Materialien wurden in die gleiche Anordnung, wie in Beispiel 1 erörtert und in Fig. 2 gezeigt, verbracht. Die Anordnung wurde in einen Muffelofen verbracht und entsprechend Beispiel 1 erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde das Schiffchen entfernt und inspiziert. Es war keine wesentliche Infiltrierung des Aluminiumlegierungsmatrixmetalls aufgetreten.

Beispiel 3

Dieses Beispiel ist ein Vergleichsbeispiel. Das folgende Beispiel wurde durchgeführt, um festzustellen, daß das zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt der Erfindung eine niedrigere Temperatur für das Auftreten einer spontanen Infiltrierung gestattet. Insbesondere wurde das Verfahren von Beispiel 2 mit der Ausnahme wiederholt, daß eine höhere Infiltrierungstemperatur verwendet wurde. Insbesondere wurde ein die Anordnung von Materialien gemäß Beispiel 2 enthaltendes Schiffchen in einen Muffelofen verbracht, und in Übereinstimmung mit Beispiel 1 auf eine höhere Temperatur von etwa 900ºC erhitzt. Der Ofen wurde kühlen gelassen und das Schiffchen entfernt. Nach der Inspizierung wurde entdeckt, daß eine im wesentlichen vollständige Infiltrierung des Matrixmetalls erzielt worden war.
Das vorstehende Beispiel zeigt, daß es wünschenswert ist, ein zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt als Füllstoffmaterial zu verwenden. Es wurde insbesondere festgestellt, daß eine verbesserte Infiltrierungskinetik erzielt wird, wenn als Füllstoffmaterial ein zerkleinertes Oxidationsreaktionsprodukt verwendet wird.
Während die vorstehenden Beispiele mit Besonderheit beschrieben worden sind, fallen einem Fachmann mit normalen Fähigkeiten unterschiedliche Abänderungen dieser Beispiele ein. Und all diese Abänderungen werden als unter den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallend erachtet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der einen in der Matrix eines Matrixmetalls eingebetteten keramischen Füllstoff aufweist, wobei das Verfahren um aßt:

- Bereitstellen von (1) einem Füllstoff in Form eines zerkleinerten keramischen Materials oder keramischen Verbundmaterials, das durch die Oxidationsreaktion eines schmelzflüssigen Grundmetalls mit wenigstens einem Dampfphasenoxidationsmittel, einem flüssigen Oxidationsmittel und einem Festphasen-Oxidationsmittel, gegebenenfalls in Gegenwart eines zweiten Füllstoffmaterials erhalten wurde, wobei als das Oxidationsreaktionsprodukt ein keramisches Material oder keramisches Verbundmaterial gewachsen ist, und (2) einem Matrixmetall und

- bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls und in Gegenwart von (3) wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einem infiltrationsverstärker sowie (4) einer Infiltrationsatmosphäre, die die spontane Infiltration des Matrixmetalls ermöglicht oder verstärkt und in Verbindung mit wenigstens einem von dem Füllstoff und dem Matrixmetall für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration steht, Bewirken, daß das Matrixmetall spontan wenigstens einen Teil des Füllstoffs infiltriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufe des Versorgens von wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem Füllstoff und der Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einem Infiltrationsverstärker umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das genannte zerkleinerte Oxidationsreaktionsprodukt inhärent wenigstens einen von einem Infiltrationsverstärker und einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer umfaßt.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, das außerdem die Stufe der Festlegung einer Oberflächengrenze des Füllstoffs mit einer Sperrschicht umfaßt, und bei dem das Matrixmetall den Füllstoff spontan bis zu der Sperrschicht infiltriert.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur während der spontanen Infiltration höher liegt als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls jedoch niedriger als Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls und als der Schmelzpunkt des Füllstoffs.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Oxidationsreaktionsprodukt wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden und Oxynitriden besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das genannte Oxidationsreaktionsprodukt wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumborid, Aluminiumborid, Titannitrid , zirconiumnitrid, Titanborid, Zirconiumborid Titancarbid, Hafniumborid und Zinnoxid besteht.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das genannten Oxidationsreaktionsprodukt bis auf eine Größe zerkleinert ist, die im Bereich von etwa 74 11m (200 mesh) bis etwa 25 um (500 mesh) liegt.