DE68913153T2

DE68913153T2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Körpern mit Metallmatrix durch freiwillige von aussen nach innen gerichtete Infiltration.

Info

Publication number: DE68913153T2
Application number: DE68913153T
Authority: DE
Inventors: Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: FI91495B; IE893186L; KR0121462B1; KR900007516A; FI894940A0; PT92255B; NZ231077A; CN1042488A; IL91723A0; AU4165989A; DK559689D0; NO893993D0; BR8905764A; PT92255A; EP0369930B1; DK559689A; JP2905524B2; EP0369930A1; US5005631A; AU623681B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen sowie die damit erzeugten Produkte. Im einzelnen wird eine permeable Masse aus Füllstoffmaterial zu einer Vorform ausgebildet, wobei die Vorform in zumindest einem Teil einen Hohlraum enthält. Ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre befinden sich zumindest an einem bestimmten Punkt während des Prozesses ebenfalls in Verbindung mit der Vorform, wodurch es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht wird, die Vorform spontan zu infiltrieren, wenn die Vorform in das schmelzflüssige Matrixmetall gebracht wird. Die Infiltrationsatmosphäre sollte zumindest während eines Teils des Prozesses zumindest mit dem Hohlraum in der Vorform in Verbindung stehen. Weiterhin infiltriert, wenn das schmelzflüssige Matrixmetall mit einem äußeren Abschnitt der Vorform in Kontakt gebracht wird, das schmelzflüssige Matrixmetall spontan die Vorform von einer ihrer äußeren Oberflächen in Richtung des in ihr vorliegenden Hohlraums.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einem Matrixmetall und einer stabilisierenden oder verstärkenden Phase, wie z.B. keramischen Teilchen, Whiskern, Fasern oder dergleichen, bestehen, erscheinen für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend zu sein, da sie einen Teil der Steifheit und der Verschleißfestigkeit der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix- Verbundgegenstand Verbesserungen solcher Eigenschaften wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit, der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls, wenn es als ein Stück vorliegt auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschaft verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundgegenstands verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundgegenstände auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundgegenstände mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen oder Whiskern verstärkt ist, sind beispielsweise aufgrund ihrer größeren Steifheit, Verschleißfestigkeit und größeren Hitzestabilität im Vergleich zum Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundgegenständen mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, einschließlich von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken und Techniken der Infiltration flüssiger Metalle beruhen, die Preßgießen, Vakuumgießen, Rühren und Netzmittel zum Einsatz bringen. Bei den pulvermetallurgischen Techniken wird das Metall in Form eines Pulvers und das verstärkende Material in Form eines Pulvers1 von Whiskern, Schnittfasern etc., miteinander vermischt und entweder kalt gepreßt und gesintert oder warm gepreßt. Es wurde berichtet, daß der maximale Volumenanteil der Keramik in Verbundgegenständen mit einer durch Siliziumkarbid verstärkten Aluminiummatrix, die durch dieses Verfahren erzeugt werden, im Falle von Whiskern bei ungefähr 25 Volumenprozent liegt und im Falle von Teilchen bei ungefähr 40 Volumenprozent.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundgegenstand ist typischerweise, im Falle von Teilchen, auf 40 Prozent begrenzt. Auch setzt der Preßvorgang der erzielbaren Größe Grenzen. Es sind nur relativ einfache Formen der Produkte ohne eine sich anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Ausformen oder maschinelles Bearbeiten) oder ohne den Rückgriff auf komplexe Prozesse möglich. Auch kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen sowie zu einer Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das U.S.-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid, und der ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Der Verbundgegenstand wird dadurch herstellt, daß parallele Matten oder Filze aus Fasern, die in derselben Ebene liegen, in eine Form gegeben werden, wobei sich ein Reservoir aus schmelzflüssigem Matrixmetall, z.B. Aluminium, zwischen zumindest einigen der Matten befindet, und durch Anwenden von Druck, um das schmelzflüssige Metall dazu zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die ausgerichteten Fasern zu umgeben. Es kann schmelzflüssiges Metall auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es durch Anwendung von Druck dazu gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beladungen von bis zu ungefähr 50 Volumenprozent an verstärkenden Fasern im Verbundgegenstand berichtet.
Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß ist, im Hinblick auf seine Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu pressen, den Unregelmäßigkeiten des druckinduzierten Flußprozesses ausgesetzt, d.h. einer möglichen Uneinheitlichkeit der Matrixbildung, der Porosität, etc. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist auch, wenn das schmelzflüssige Metall an mehreren Stellen in die faserförmige Anordnung eingebracht werden kann, möglich. Deshalb ist es erforderlich, komplizierte Anordnungen aus Matte und Reservoir und Flußwegen zu schaffen, um eine angemessene und gleichmäßige Durchdringung des Stapels aus Fasermatten zu erzielen. Auch ermöglicht die eben beschriebene Methode der Druckinfiltration aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Infiltration großer Mattenvolumina verbunden sind, nur eine relativ geringe Verstärkung des Volumens der Matrixfraktion. Außerdem müssen die Formen das schmelzflüssige Metall unter Druck aufnehmen, was die Kosten des Prozesses erhöht. Schließlich zielt der genannte Prozeß, der auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht darauf ab, Aluminium-Metallmatrix- Verbundgegenstand zu erzielen, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von Verbundgegenständen, die aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid-Füllstoffen bestehen, benetzt das Aluminium nicht ohne weiteres das Aluminiumoxid, wodurch es schwierig wird, ein zusammenhängendes Produkt herzustellen. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein derartiger Ansatz liegt darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall zu beschichten (z.B. Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium warm gepreßt wird. Bei einer anderen Technik ist das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliziumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstand Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das U.S.-Patent Nr. 4232091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundgegenständen aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25:1. Da äußerer Druck angelegt werden muß, um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundgegenständen aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirkoniums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Kalzium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, daß durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt sowohl die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Enffernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug aus einer Mischung aus einem Netzmittel und einem Löslichkeitserniedriger auf das Substrat aus Aluminiumoxid vor dem Anfahren der Zelle, oder während es im schmelzflüssigen Aluminium, das durch den elektrolytischen Prozeß gebildet wird, eingetaucht ist, aufgetragen. Zu den offengelegten Netzmitteln gehören Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Kalzium, und Titan wird als das bevorzugte Mittel bezeichnet. Von Verbindungen des Bors, Kohlenstoffs und des Stickstoffs wird beschrieben, da sie nützlich für die Erniedrigung der Löslichkeit des Netzmittels im schmelzflüssigen Aluminium sind. Diese Arbeit legt jedoch nicht die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundgegenstands in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre nahe.
Zusätzlich zur Anwendung von Druck und von Netzmitteln wurde offengelegt, daß das Anlegen eines Vakuums das Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen keramischen Preßkörper erleichtert. Zum Beispiel berichtet das U.S.-Patent Nr. 3 718 441, das am 27. Februar 1973 an R. L. Landingham erteilt wurde, über die Infiltration eines keramischen Preßkörpers (z.B. Borkarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das U.S.-Patent Nr. 3864 154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AlB&sub1;&sub2;, der sandwichartig zwischen den Schichten aus Aluminiumpulver vorlag, beladen war, wurde in einen Vakuumschmelzofen gegeben. Der Ofen wurde auf ungefähr 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um ein Ausgasen zu ermöglichen. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und 3 Stunden lang gehalten. Unter diesen Bedingungen durchdrang das schmelzflüssige Aluminium den porösen Preßkörper aus AlB&sub1;&sub2;.
Das U.S.-Patent Nr. 3 364 976, das am 23. Januar 1968 an John N. Reding et al. erteilt wurde, legt das Konzept zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung das Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper offen. Speziell wird offengelegt, daß ein Körper, z.B. eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses hitzebeständiges Material, vollkommen in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas gefüllt ist, das mit dem Metall reagiert, mit dem außen lokalisierten schmelzflüssigen Metall durch zumindest eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird füllt sich der Hohlraum, da die Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall das selbsterzeugte Vakuum schafft. Insbesondere ist das Vaküum das Ergebnis der Bildung einer festen oxidierten Form des Metalls. Somit legen Reding et al. offen, daß es essentiell ist, eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall hervorzurufen. Die Verwendung einer Form zur Erzeugung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der Beschränkungen, die zwangsläufig mit der Verwendung einer Form verbunden sind, unerwünscht sein. Formen müssen zunächst durch maschinelle Bearbeitung in die jeweilige Gestalt gebracht werden; dann müssen sie geglättet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form zu erzeugen; dann vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden; dann nach ihrer Verwendung auseinandergenommen werden, um das gegossene Stück aus ihnen zu entfernen; und danach muß die Form überholt werden, wozu höchstwahrscheinlich eine Neubearbeitung der Oberflächen der Form oder das Verwerfen der Form gehört für den Fall, daß sie nicht mehr für eine Verwendung geeignet ist. Die maschinelle Bearbeitung der Form, um ihr eine komplexe Gestalt zu geben, kann sehr teuer und zeitaufwendig sein. Darüber hinaus kann das Entfernen eines geformten Stückes aus einer Gußform von komplexer Gestalt ebenfalls schwierig sein (d.h., gegossene Stücke mit einer komplexen Form könnten beim Entfernen aus der Form zerbrochen werden). Weiterhin muß, obwohl vorgeschlagen wurde, daß ein poröses hitzebeständiges Material direkt in ein schmelzflüssiges Metall eingetaucht werden kann, ohne daß eine Form notwendig ist, das hitzebeständige Material aus einem Stück bestehen, da in Abwesenheit eines Formbehälters keine Möglichkeit besteht, ein in mehrere Teile zerfallenes poröses Material zu infiltrieren (d.h., es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material beim Eintauchen in ein schmelzflüssiges Metall typischerweise auseinanderfällt oder auseinanderschwimmt). Weiterhin sollte, wenn es gewünscht war, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, Vorsorge getroffen werden, daß das inflltrierende Metall nicht zumindest Bereiche der Teilchen oder der Vorform verdrängt, was zu einer inhomogenen Mikrostruktur führen würde.
Die EP-A-250210 beschreibt eine poröse Vorform aus Borkarbid, die mit schmelzflüssigem Aluminium infiltriert wird, wodurch Boroxide an der Oberfläche in einer stickstoffhaltigen Argonatmosphäre thermisch modifiziert werden, so daß es zur Bildung von Bornitrid kommt, das für den Infiltrationsprozeß besser geeignet ist.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundgegenstand, der nicht auf die Verwendung eines Druckes oder eines Vakuums angewiesen ist (ganz gleich, ob äußerlich angewendet oder intern erzeugt) oder auf schädigende Netzmittel, um eine Metallmatrix zu erzeugen, die ein anderes Material, wie z.B. ein keramisches Material, einbettet. Darüber hinaus besteht schon lange ein Bedarf danach das Ausmaß der abschließenden maschinellen Bearbeitungen, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands erforderlich sind, zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß sie einen Mechanismus zur spontanen Infiltration eines Materials (z.B. eines keramischen Materials) liefert, das zu einer Vorform ausgebildet ist, mit schmelzflüssigem Matrixmetall (z.B. Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoff) bei normalem atmosphärischem Druck, solange wie ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses anwesend ist.

Beschreibung von Patentanmeldungen desselben Anmelders

Der Gegenstand dieser Anmeldung steht in Zusammenhang mit denjenigen verschiedener anderer ebenfalls anhängiger Patentanmeldungen desselben Anmelders. Speziell beschreiben diese anderen ebenfalls anhängigen Anmeldungen neuartige Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Metallmatrix (die hier im folgenden manchmal als "Metallmatrix- Patentanmeldungen desselben Anmelders" bezeichnet werden).
Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix wird in der EP-A-291 441 offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundgegenstand durch die Infiltration einer durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angewendet wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundgegenstands mit einer Matrix aus Aluminium (oder aus einer Aluminiumlegierung). Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung fest werden zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise wird soviel schmelzflüssige Legierung bereitgestellt, daß die Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen der Masse aus Füllstoffmaterial voranschreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials im Aluminiummatrix-Verbundgegenstand, der gemäß der Erfindung der EP- A-291 441 hergestellt wird, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt 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 schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundgegenstands maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß der Verbundgegenstand wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, aber den Prozeß auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eines Gleichgewichtes zwischen der Infiltrationskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für ein geeignetes Sperrschichtelement für die Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundgegenständen wird in der EP-A-323945 beschrieben. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sperrschichtelement (z.B. teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie z.B. ein biegsames Graphitband, das von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil vertrieben wird) auf eine festgelegte Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials aufgebracht, und die Matrixlegierung infiltriert bis zu der Grenze, die durch das Sperrschichtelement festgelegt wird. Das Sperrschichtelement wird verwendet, um die Infiltration der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch sie zu Metallmatrix-Verbundgegenständen mit einer endgültigen oder nahezu endgültigen Form führt. Dementsprechend weisen die gebildeten Metallmatrix-Verbundgegenstand eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelements entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291441 wurde dann durch die EP-A-333629 verbessert. Gemäß den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offengelegt werden, liegt eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle eines Metalls und als ein Reservoir an Matrixmetallegierung vor, das z.B. aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Quelle an schmelzflüssigem Metall kommuniziert. Insbesondere beginnt unter den Bedingungen, die in dieser Patentanmeldung beschrieben werden, die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse aus Füllstoffmaterial bei normalem Atmosphärendruck zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrix- Verbundgegenstands. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn die spontane Infiltration voranschreitet, bei Bedarf nachgeliefert werden, vorzugsweise kontinuierlich aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall. Wenn eine gewünschte Menge an durchlässigem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der durchlässigen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin sollte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern das überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix- Verbundgegenstand verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundgegenstand (z.B. ein Makrokomposit), bei dem ein infiltrierter keramischer Körper, der eine Metallmatrix enthält, direkt an überschüssiges Metall, das im Reservoir verblieben ist, gebunden ist.
Jede der oben diskutierten Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders beschreibt Verfahren für die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen und neuartige Metallmatrix-Verbundgegenstand, die damit hergestellt werden. Die gesamten Offenlegungen aller vorangehender Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein Metallmatrix-Verbundgegenstand durch das spontane Infiltrieren einer durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial, die zu einer Vorform ausgebildet wurde, hergestellt, wobei die genannte Vorform in zumindest einem Teil einen Hohlraum enthält. Genauer gesagt wird ein Matrixmetall geschmolzen, und das Matrixmetall wird in einem für die Aufnahme des Matrixmetalls geeigneten nichtreaktiven Schiffchen (d.h. einem geeigneten feuerfesten Behälter) gehalten, um eine Masse aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden. Die Vorform, die den Hohlraum enthält, kann zumindest teilweise in das schmelzflüssige Matrixmetall gegeben werden, so daß eine lokalisierte Infiltrationsatmosphäre zumindest während eines Teils des Prozesses mit dem Hohlraum in der Vorform in Verbindung stehen kann, damit eine spontane Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls von einer äußeren Oberfläche der Vorform in Richtung des in ihr gelegenen Hohlraums erzielt wird.
Es stehen, um noch genauer zu sein, ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer zumindest an einem bestimmten Punkt während des Prozesses in Verbindung mit der Vorform, wodurch es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht wird, oder wodurch dieses dazu gebracht wird, die Vorform spontan zu infiltrieren, wenn eine äußere Oberfläche der Vorform zumindest zum Teil in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall gebracht wird. Somit infiltriert das schmelzflüssige Matrixmetall die Vorform von einer äußeren Oberfläche derselben in Richtung des Hohlraums, wodurch ein Metallmatrix-Verbundgegenstand erzeugt wird, der im wesentlichen die äußeren Abmessungen der Vorform aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Hohlraum oder ein innerer Teil einer Vorform im wesentlichen kontinuierlich mit einer Infiltrationsatmosphäre beschickt. Ein äußerer Teil oder eine Oberfläche der Vorform wird dem schmelzflüssigen Matrixmetall ausgesetzt. Die im wesentlichen gleichzeitig erfolgenden Expositionen des Hohlraums in der Vorform gegen eine Infiltrationsatmosphäre und der äußeren Oberfläche der Vorform gegen das schmelzflüssige Matrixmetall bringen das schmelzfiüssige Matrixmetall dazu, die Vorform spontan zu infiltrieren, und zwar so lange, wie ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder ein Infiltrationsverstärker in zumindest dem Matrixmetall und/oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre dem spontanen System ebenfalls zur Verfügung steht bzw. stehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Eintauchen einer zylindrisch oder röhrenförmig gestalteten Vorform in schmelzflüssiges Matrixmetall, die keinen natürlichen Hohlraum enthält, ein temporärer Hohlraum in der Vorform gebildet. Insbesondere kann z.B. ein offenes Ende der Vorform, die in schmelzflüssiges Matrixmetall eingetaucht werden soll, mit einem geeigneten Stopfen verschlossen werden. Ein derartiger Stopfen dient dazu, einen temporären Hohlraum in der Vorform zu erzeugen. Demgemäß kann der temporäre Hohlraum eine Infiltrationsatmosphäre für einen erforderlichen Zeitraum aufnehmen und aufrechterhalten. Der Stopfen kann aus einem Material bestehen, das im wesentlichen weder mit dem Matrixmetall noch mit der Vorform oder der Infiltrationsatmosphäre oder dem Infiltrationsverstärker oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer reagiert oder zumindest mit einem von diesen nicht reaktiv ist. Wenn eine derartige Vorform einen Stopfen enthält, damit ein temporärer Hohlraum erzeugt wird, kann schmelzflüssiges Matrixmetall die Vorform von einer ihrer äußeren Oberflächen in Richtung des temporären Hohlraums infiltrieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Vorform mit einem natürlich gebildeten Hohlraum in der Vorform oder einem temporären Hohlraum, der durch die Verwendung eines Stopfens gebildet wird, in einem anderen Teil ein Begrenzungsmittel enthalten, das die Verbindung des Hohlraums in der Vorform mit einer beliebigen nichtinfiltrierenden Atmosphäre, die vorhanden sein kann, begrenzt oder einschränkt. Insbesondere ist, damit eine begrenztere oder separatere Atmosphäre in einem natürlich vorkommenden Hohlraum oder einem temporären Hohlraum erzeugt wird, ein offenes Ende der Vorform zumindest teilweise abgegrenzt oder geschlossen, so daß die infiltrierende Atmosphäre, die in den Hohlraum strömen soll, am Entweichen gehindert wird, und/oder eine beliebige nichtinflltrierende Atmosphäre (z.B. ein Oxidationsmittel) kann an einer Verbindung mit dem Hohlraum gehindert werden. Die Verwendung des genannten Begrenzungsmittels in der Vorform kann dazu beitragen, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Vorform von einem äußeren Bereich der Vorform in Richtung des Hohlraums in der Vorform infiltriert.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Oxidationsmittel-Fänger in einen natürlichen Hohlraum in einer Vorform oder einen temporären Hohlraum in einer Vorform gegeben werden, um als Fänger oder Sammler eines beliebigen festen, flüssigen oder gasförmigen Oxidationsmittels zu wirken. Genauer gesagt kann es erwünscht sein, einen Oxidationsmittel-Fänger zuzugeben, um die Bildung von Oxidationsreaktionsprodukt als Folge z. B. oxidierender Verunreinigungen zu minimieren, die in der infiltrierenden Atmosphäre vorhanden sein können oder die in der infiltrierenden Atmosphäre verfügbar werden können, und die, wenn sie nicht kontrolliert werden, mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung eines Reaktionsprodukts reagieren können.
Somit kann, um die spontane Infiltration zu erreichen, ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer oder ein Infiltrationsverstärker zumindest der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre direkt zugefügt werden. Jedoch sollte letztlich der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration zumindest in einem Teil der Vorform vorkommen.
Es wird angemerkt, daß diese Anmeldung primär Matrixmetalle aus Aluminium diskutiert, die an einem gewissen Punkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands mit Magnesium in Kontakt gebracht werden, das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert, und zwar in Gegenwart von Stickstoff, der als Infiltrationsatmosphäre fungiert. Somit kommt es in dem System Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff zur spontanen Infiltration. Jedoch können sich andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre auf ähnliche Weise wie das System Aluminium/Magnesium/Stickstoff verhalten. Zum Beispiel wurde ein ähnliches spontanes Infiltrationsverhalten in dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Kalzium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß, obwohl hier primär das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff diskutiert wird, sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten können.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform in Kontakt gebracht, die ein Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid) aufweist, wobei das genannte Füllstoffmaterial zugesetztes Magnesium enthält und/oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt wird. Darüberhinaus liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und die Vorform für zumindest einen Abschnitt des Prozesses in einer Stickstoffatmosphäre vor. Dabei wird die Vorform spontan vom Matrixmetall infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration unter Bildung der Metallmatrix hängt von einer vorgegebenen Kombination an Prozeßbedingungen ab, zu denen z.B. die Konzentration des Magnesiums gehört, die dem System zur Verfügung steht (z.B. in der Aluminiumlegierung und/oder in der Vorform und/oder in der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeit, über die man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß das ausreicht, im wesentlichen die gesamte Vorform einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. im Handel erhältliche Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen, Silizium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink etc. enthalten. Eine Aluminiumlegierung für die Zwecke dieser Definition ist eine Legierung oder eine Zwischenmetallverbindung, in der Aluminium den Hauptbestandteil darstellt.
"Restliches nichtoxidierendes Gas", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu dem primären Gas, das die Infiltrationsatmosphäre ausmacht, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen unter den Prozeßbedingungen mit dem Matrixmetall nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas, welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
"Sperre" oder "Sperrschichtelement", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet jedes geeignete Mittel, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze aus einem durchlässigen Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetallmaterial auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, das notwendig sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metallmatrix- Verbundgegenstandproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen durchlässig oder porös sein oder durchlässig gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten.
"Gerüst" oder "Gerüst aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in Kontakt mit zumindest einem Teil des Metallmatrix-Verbundgegenstands, der gebildet wurde, bleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Hohlraum", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet irgendeinen nicht ausgefüllten Raum in einer Masse oder einem Körper, der entweder natürlich vorkommt oder künstlich erzeugt wird, und der Begriff ist nicht auf irgendeine bestimmte Form des Raums beschränkt. Genauer gesagt können zu einem Hohlraum solche Räume gehören, die im wesentlichen von einer Verbindung mit einem äußeren Teil der Masse oder des Körpers abgeschlossen sind, die aber immer noch eine Verbindung mit einem äußeren Teil der Masse oder des Körpers erlauben. Weiterhin gehört zu einem Hohlraum ein nicht natürlicherweise vorkommender (d.h. ein temporärer Hohlraum), teilweise abgeschlossener Raum in einem Körper, der durch Einbringen eines Stopfens, der die Bildung eines temporären Hohlraums in einem Körper unterstützt, in zumindest einen Teil des nicht abgeschlossenen Raums zu einem Hohlraum gemacht werden kann.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen im wesentlichen nichtreaktiven Füllstoff, der keramische Füllstoffe, die von B&sub4;C verschieden sind, sowie beschichtete Füllstoffmaterialien einschließlich von keramikbeschichteten Fasern umfaßt. Der Füllstoff kann entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen beinhalten. Füllstoffe können in einer großen Vielzahl von Formen bereitgestellt werden, wie z.B. als Pulver, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whisker, Blasen etc., und sie können entweder dicht oder porös sein. Zu "Füllstoffen" können auch keramische Füllstoffe gehören, wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff- Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen. Zu Füllstoffen können auch keramikbeschichtete Metalle gehören.
"Infiltrationsatmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige vorliegende Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung tritt und den Ablauf der spontanen Infiltration des Matrixmetall gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüberhinaus kann der Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und im wesentlichen wirkt er auf ähnliche Weise wie ein Infiltrationsverstärker, der sich aus einer Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer anderen Spezies gebildet hat. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen, damit die spontane Infiltration erzielt wird.
"Infiltrationsverstärker-Vorläufer" oder "Vorläufer des Infiltrationsverstärkers", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) der Infiltrationsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall zur Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bringt oder es dabei unterstützt. Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu treten. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur, in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetallegierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeuten dasjenige Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands eingesetzt wird (z.B. vor der Infiltration) und/oder dasjenige Metall, das mit einem Füllstoff vermischt wird, so daß ein Metallmatrix-Verbundgegenstand gebildet wird (z.B. nach der Infiltration). Wenn ein bestimmtes Metall als das Matrixmetall erwähnt wird, dann sollte klar sein, daß dieses Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, eine Zwischenmetallverbindung oder eine Legierung, in der dieses Metall den Hauptbestandteil oder vorherrschenden Bestandteil darstellt, beinhaltet.
"System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre" oder "spontanes System", wie die Begriffe hier verwendet werden, bezieht sich auf diejenige Kombination von Materialien, die zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führt. Es sollte klar sein, daß immer wenn ein "/" zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, das "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu benennen, die, wenn sie auf bestimmte Weise kombiniert werden, zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führen.
"Metallmatrix-Verbundgegenstand" oder "MMC", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das ein(e) in zwei oder drei Dimensionen in sich verbundene(s) Legierung oder Matrixmetall aufweist, die bzw. das eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente enthalten, um dem resultierenden Verbundgegenstand bestimmte gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen.
"Ein Metall, das vom Matrixmetall "verschieden" ist", bedeutet ein Metall, das nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall als Hauptbestandteil enthält (wenn z.B. der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, dann kann das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nicht-infiltrierende Atmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsvorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung treten kann oder auch nicht, die es aber nicht zuläßt oder unterstützt, daß eine spontane Infiltration des Matrixmetalls erfolgt.
"Nichtreaktives Gefäß für das Unterbringen des Matrixmetalls" bedeutet jedes beliebige Gefäß, das ein schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen könnte.
"Oxidationsmittel-Fänger", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet jedes beliebige geeignete Material (z.B. Stückchen aus Titanmetall), das, wenn es zusammen mit dem System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker/Infiltrationsatmosphäre unter den Prozeßbedingungen der spontanen Infiltration verwendet wird, dazu eingesetzt werden kann, jedes beliebige feste, flüssige oder gasförmige Oxidationsmittel, das im Reaktionssystem vorkommt und das die spontane Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform hemmen würde, zu fangen oder zu sammeln. Vorzugsweise reagiert der Oxidationsmittel-Fänger nicht nennenswert mit irgendeiner Komponente im spontanen System auf eine Weise, die die spontane Infiltration unter den Prozeßbedingungen erheblich nachteilig beeinflussen könnte.
"Stopfen", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet jedes beliebige Material, das in Kombination mit einer Vorform verwendet werden kann und das die Erzeugung eines temporären Hohlraums in der Vorform unterstützt. Vorzugsweise reagiert der Stopfen nicht mit irgendwelchen Komponenten im spontanen System auf eine Weise, die die spontane Infiltration unter den Prozeßbedingungen erheblich nachteilig beeinflußt. Der Stopfen kann nach der Infiltration der Vorform aus der Vorform entfernbar sein, muß es aber nicht. Außerdem kann der Stopfen durch schmelzflüssiges Matrixmetall inflltriert werden und dadurch einen integralen Teil der Vorform bilden.
"Vorform oder durchlässige Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächenbegrenzung hergestellt wird, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall inflltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff, entweder homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeignetem Material bestehen (z.B. aus Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulvern, Fasern, Whiskern etc. und jeder Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu Füllstoffmasse oder zur Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt, fließen kann, um denjenigen Teil, der sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen, oder um in bestimmen Fällen denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der bzw. das bzw. die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, bereitzustellen und anschließend aufzufüllen.
"Begrenzungsmittel" oder "begrenzendes Mittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet jedes beliebige Material, das in Kombination mit einer Vorform verwendet werden kann und das die Begrenzung des Ausstroms der Infiltrationsatmosphäre aus einem Hohlraum in einer Vorform unterstützt und/oder das die Verbindung des Hohlraums in der Vorform mit einer beliebigen nicht-infiltrierenden Atmosphäre, die vorhanden sein kann, begrenzt oder vermindert. Vorzugsweise reagieren Begrenzungsmittel nicht mit irgendwelchen Komponenten im spontanen System, was sonst zu einer erheblichen schädigenden Wirkung auf die spontane Infiltration führt.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalls in die durchlässige Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).
"Temporärer Hohlraum", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen durch einen Stopfen erzeugten Hohlraum, wobei dieser Hohlraum natürlicherweise nicht in der Vorform vorkommt und nur so lange existiert, wie der Stopfen in Kontakt mit der Vorform bleibt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, aber sie sollen den Bereich der Erfindung nicht einschränken. Es wurden, wann immer es möglich war, ähnliche Referenzziffern in den Figuren verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen:
Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Anordnung aus Materialien, die verwendet wurde, um eine von außen nach innen gerichtete Infiltration einer Vorform zu erreichen;
Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Anordnung aus Materialien, die verwendet wurde, um eine von außen nach innen gerichtete Infiltration einer Vorform zu erreichen;
Figur 3 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Anordnung aus Materialien, die verwendet wurde, um eine von außen nach innen gerichtete Infiltration einer Vorform zu erreichen;
Figur 4 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Anordnung aus Materialien, die gemäß Beispiel 1 verwendet wurde;
Figur 5a ist eine Fotografie einer Seitenansicht des Metallmatrix-Verbundgegenstands, der gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde; und
Figur 5b ist eine Fotografie einer Aufsicht auf den Metallmatrix-Verbundgegenstand, der gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch zumindest teilweises Exponieren einer Vorform gegen schmelzflüssiges Matrixmetall. Die Vorform enthält, zumindest in einem Teil, der sich anfangs nicht in Kontakt mit schmelzflüssigem Matrixmetall befindet, einen Hohlraum. Weiterhin steht die Vorform an einem gewissen Punkt während des Prozesses zumindest mit entweder einem Infiltrationsverstärker und/oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie mit einer Infiltrationsatmosphäre in Kontakt, was dazu führt, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Vorform von einer ihrer äußeren Oberflächen spontan in Richtung des Hohlraums infiltriert.
Im einzelnen wird, wie in Figur 1 gezeigt ist, ein Matrixmetall geschmolzen, und das Matrixmetall wird in einem für die Aufnahme des Matrixmetalls 21 geeigneten Schiffchen (z.B. einem passenden feuerfesten Behälter) unter Bildung einer Masse aus schmelzflüssigem Matrixmetall 20 gehalten. Die Vorform 22, die den Hohlraum 30 enthält, kann zumindest teilweise so in das schmelzflüssige Matrixmetall 20 gegeben werden, daß eine Infiltrationsatmosphäre 23 mit dem Hohlraum 30 in der Vorform zumindest während eines Abschnitts des Prozesses in Verbindung stehen kann, damit eine spontane Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls von einer äußeren Oberfläche der Vorform in Richtung des Hohlraums darin erzielt wird. Die Infiltrationsatmosphäre kann, wie es durch 24 gezeigt ist, aus der Vorform strömen.
Weiterhin kann ein Infiltrationsverstärker und/oder ein I nfiltrationsverstärker-Vorläufer mit der Vorform in Verbindung stehen, zumindest an einem bestimmten Punkt während des Prozesses, wodurch es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht wird, oder wodurch schmelzflüssiges Matrixmetall dazu gebracht wird, die Vorform spontan zu infiltrieren, wenn eine äußere Oberfläche der Vorform zumindest teilweise in Kontakt mit schmelzflüssigem Matrixmetall gebracht wird. Somit infiltriert schmelzflüssiges Matrixmetall die Vorform von einer ihrer äußeren Oberflächen in Richtung des Hohlraums, wodurch ein Metallmatrix-Verbundkörper hergestellt wird, der im wesentlichen die Abmessungen der Vorform aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Infiltrationsatmosphäre im wesentlichen kontinuierlich in einen Hohlraum oder inneren Teil der Vorform geleitet. Ein äußerer Teil der Oberfläche der Vorform wird dem schmelzflüssigen Matrixmetall ausgesetzt (z.B. indem er zumindest teilweise eingetaucht wird). Die im wesentlichen gleichzeitig erfolgenden Expositionen des Hohlraums in der Vorform gegen eine Infiltrationsatmosphäre und der äußeren Oberfläche der Vorform gegen das schmelzflüssige Matrixmetall bringen das schmelzflüssige Matrixmetall dazu, die Vorform spontan zu infiltrieren, und zwar so lange, wie ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder ein Infiltrationsverstärker in zumindest dem Matrixmetall und/oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre dem spontanen System ebenfalls zur Verfügung steht bzw. stehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Exponieren einer zylindrisch oder röhrenförmig gestalteten Vorform gegen schmelzflüssiges Matrixmetall, die keinen natürlichen Hohlraum enthält, ein temporärer Hohlraum in der Vorform gebildet. Insbesondere kann z.B., wie in Figur 2 gezeigt ist, ein offenes Ende der Vorform 22, die in schmelzflüssiges Matrixmetall 20 eingetaucht ist, mit einem geeigneten Stopfen 25 verschlossen werden. Ein derartiger Stopfen 25 dient dazu, einen temporären Hohlraum 30 in der Vorform 22 zu erzeugen. Demgemäß kann der temporäre Hohlraum 30 eine Infiltrationsatmosphäre 23 für einen erforderlichen Zeitraum aufnehmen und aufrechterhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Stopfen 25 aus einem Material bestehen, das im wesentlichen weder mit dem Matrixmetall 20 noch mit der Vorform 22 oder der Infiltrationsatmosphäre 23 oder dem Infiltrationsverstärker oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer reagiert oder zumindest mit einem von diesen nicht reaktiv ist. Wenn eine derartige Vorform 22 einen Stopfen 25 enthält, damit ein temporärer Hohlraum 30 erzeugt wird, kann schmelzflüssiges Matrixmetall 20 die Vorform 22 von einer ihrer äußeren Oberflächen in Richtung des temporären Hohlraums 30 spontan infiltrieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Stopfen 25 so gewählt werden, daß er nicht nur seinen Zweck erfüllt, einen temporären Hohlraum 30 zu erzeugen, sondern daß er auch spontan durch das schmelzflüssige Matrixmetall 20 infiltriert werden kann. In diesem Falle wird der Stopfen 25 ein integraler Bestandteil des Metallmatrix-Verbundkörpers.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthalten ein natürlich gebildeter Hohlraum in der Vorform oder ein temporärer Hohlraum, der durch die Verwendung eines Stopfens gebildet wird, außerdem in einem Teil davon ein Begrenzungsmittel, das die Verbindung des Hohlraums in der Vorform mit einer beliebigen nichtinfiltrierenden Atmosphäre, die vorhanden sein kann, begrenzt oder einschränkt. Insbesondere ist, damit eine begrenztere oder separatere Atmosphäre in einem natürlich vorkommenden Hohlraum 30 oder einem temporären Hohlraum 30 erzeugt wird, wie in Figur 3 gezeigt ist, ein offenes Ende der Vorform 22 durch ein Begrenzungsmittel 26 zumindest teilweise abgegrenzt oder geschlossen, so daß die infiltrierende Atmosphäre 23, die in den Hohlraum 30 strömen soll, am Entweichen gehindert wird, und/oder es kann eine beliebige nichtinfiltrierende Atmosphäre (z.B. ein Oxidationsmittel) daran gehindert werden, mit dem Hohlraum in Verbindung zu treten. Die Verwendung des genannten Begrenzungsmittels 26 in der Vorform 22 kann dazu beitragen, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Vorform 22 von einem äußeren Bereich der Vorform in Richtung des Hohlraums in der Vorform infiltriert.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Oxidationsmittel-Fänger in einen natürlichen Hohlraum in einer Vorform oder einem temporären Hohlraum in einer Vorform gegeben werden, um als Fänger oder Sammler eines beliebigen festen, flüssigen oder gasförmigen Oxidationsmittels zu wirken. Genauer gesagt kann es erwünscht sein, einen Oxidationsmittel-Fänger zuzugeben, um die Bildung von Oxidationsreaktionsprodukt als Folge z.B. oxidierender Verunreinigungen zu minimieren, die in der infiltrierenden Atmosphäre vorhanden sein können oder die in der infiltrierenden Atmosphäre verfügbar werden können, und die, wenn sie nicht kontrolliert werden, mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung eines Reaktionsprodukts reagieren können. Dementsprechend kann, wie in Figur 1 gezeigt ist, ein Oxidationsmittel-Fänger 27 in den Hohlraum 30 gegeben werden. Vorzugsweise reagieren die Oxidationsmittel-Fänger nicht nennenswert mit irgendeiner Komponente im spontanen System auf eine Weise, die die spontane Infiltration unter den Prozeßbedingungen erheblich nachteilig beeinflußt.
Weiterhin kann, um die spontane Infiltration zu erreichen, ein Infiltrationsverstärker- Vorläufer oder ein Infiltrationsverstärker zumindest der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre direkt zugefügt werden. Jedoch sollte letztlich der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration zumindest in einem Teil der Vorform vorkommen.
Es kann auch möglich sein, eine durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial gegen schmelzflüssiges Matrixmetall zu exponieren, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials zu erreichen. Genauer gesagt kann eine durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial, die beim Erhitzen unter Bildung einer festen Masse hart werden (z.B. sintern) kann, in eine Form gegeben werden, die während der Reaktion verbraucht wird (sich z.B. verflüchtigt oder in das Matrixmetall diffundiert), so daß eine Form erzeugt wird, die Füllstoffmaterial enthält und darin einen Hohlraum aufweist, der entweder natürlich vorkommt oder künstlich erzeugt wurde, die einer Infiltrationsatmosphäre ausgesetzt wird.
Die die Form enthaltende Legierung wird erhitzt entweder nachdem sie in einen aufgeheizten Schmelzofen, der das schmelzflüssige Matrixmetall enthält, gegeben wird, oder in einen separaten Schritt, um die durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial im wesentlichen fest werden zu lassen. Die Form, die das im wesentlichen fest gewordene Füllstoffmaterial enthält, wird der schmelzflüssigen Matrixlegierung ausgesetzt (z.B. durch zumindest teilweises Eintauchen). Die im wesentlichen gleichzeitig erfolgenden Expositionen des Hohlraums in der im wesentlichen fest gewordenen Masse aus Füllstoffmaterial gegen eine Infiltrationsatmosphäre und des Äußeren der im wesentlichen fest gewordenen Vorform bringen das schmelzflüssige Matrixmetall dazu, das Füllstoffmaterial spontan zu infiltrieren, und zwar so lange, wie eine Infiltrationsatmosphäre und der Infiltrationsverstärker und/oder der Infiltrationsverstärker-Vorläufer zumindest während eines Teils des Prozesses vorhanden sind. Sobald dieses Füllstoffmaterial einen Stopfen zur Erzeugung eines temporären Hohlraums darin enthält, kann schmelzflüssiges Matrixmetall die Vorform von einer äußeren Oberfläche in Richtung des temporären Hohlraum spontan infiltrieren.
Um die spontane Infiltration des Matrixmetall in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugegeben werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer gebildet werden, der (1) im Matrixmetall und/oder (2) im Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder (3) aus der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) aus einer äußeren Quelle dem spontanen System bereitgestellt werden könnte. Weiterhin kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zufügen. Letztlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärker- Vorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen der Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall gebildet wird (wenn z.B. Magnesium als Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff als Infiltrationsatmosphäre verwendet werden, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Speziell kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall reagiert, wenn man das Aluminium schmilzt. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder gegen dieses exponiert wird und das zumindest an einem gewissen Punkt der Verarbeitung gegen eine Stickstoff-Atmosphäre exponiert wird, kann mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht werden. Das Matrixmetall infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff das Füllstoffmaterial oder die Vorform ausreichend durchlässig sein, um es dem stickstoffhaltigen Gas zu ermöglichen, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial oder die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und/oder mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Darüber hinaus kann das durch lässige Füllstoffmaterial oder die Vorform die Infiltration durch das schmelzflüssige Matrixmetall aufnehmen, was dazu führt, daß das vom Stickstoff durchdrungene Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands infiltriert wird und/oder daß der Stickstoff mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung eines Infiltrationsverstärkers im Füllstoffmaterial oder der Vorform reagiert, was zur spontanen Infiltration führt. Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix- Verbundgegenstands hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, einschließlich des Magnesiumgehaltes der Aluminium-Legierung, des Magnesiumgehaltes des Füllstoffmaterials oder der Vorform, der Menge des Magnesiumnitrids im Füllstoffmaterial oder der Vorform, der Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe des Füllstoffmaterials (z.B. dem Teilchendurchmesser), der Oberflächenbedingungen und des Typs des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeitspanne, für die man die Infiltration ablaufen läßt, und der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Zum Beispiel kann, damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls spontan erfolgt das Aluminium mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, Magnesium (das als Infiltrationsverstärker- Vorläufer fungiert) legiert werden. Zusätzliche Legierungselemente können, wie oben diskutiert wurde, auch im Matrixmetall enthalten sein, um spezifische Eigenschaften maßzuschneidern. Weiterhin können die zusätzlichen Legierungselemente die minimale Menge an Magnesium beeinflussen, die im Matrixaluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken. Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Ausmaß erfolgen, daß kein Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung ungünstig beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium sowohl in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform als auch im Matrixmetall oder lediglich im Füllstoffmaterial oder der Vorform allein zu einer geringeren benötigten Menge an Magnesium führen, die gebraucht wird, um die spontane Infiltration zu bewirken (wie unten genauer diskutiert werden wird).
Die Volumenprozente des Stickstoffs in der Stickstoffatmosphäre beeinflussen ebenfalls die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundgegenstands. Insbesondere findet eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltration statt, wenn weniger als ungefähr 10 Volumenprozent an Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. zu kürzeren Infiltrationszeiten aufgrund einer erheblich schnelleren Infiltrationsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrationsatmosphäre (z.B. ein stickstoffhaltiges Gas) kann direkt dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall zugesetzt werden, oder es kann als Ergebnis des Zerfalls eines Materials gebildet werden.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silizium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit, mit der die Atmosphäre zuströmt. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls vom unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt einer hohen Stickstoffkonzentration und einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Nützlichkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminium-Legierung können eingesetzt werden, um die Temperaturbedingungen, die für die Infiltration benötigt werden, zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann vermindert werden, wenn er zusammen mit einem weiteren Legierungselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine unterstützende Funktion und werden zusammen mit mindestens der oben angegebenen Mindestmenge an Magnesium verwendet. Zum Beispiel wurde praktisch keine Infiltration von nominal reiner Aluminium-Legierung beobachtet, die lediglich 10 Prozent Silizium enthielt und bei 1000ºC in einer Einbettung von 25 um (500 Mesh) aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliziumkarbid von Norton Co.). Jedoch wurde für Silizium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Infiltrationsprozess fördert. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert, wenn es lediglich der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird. Es wurde entdeckt, daß die spontane Infiltration bei einem geringeren Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem spontanen System zugesetzt wurde, erfolgt, wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial enthalten ist. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundgegenstand verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliziumkarbid wurde entdeckt daß wenn die Vorform mit dem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, wobei die Vorform mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die benötigte Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliziumkarbid infiltrierte, und in Gegenwart der Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sind, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige, die mit einer Vorform aus Siliziumkarbid erreicht wurde, wie gerade oben diskutiert wurde, zu erreichen.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vor der Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der zugesetzte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wird, ist es manchmal bevorzugt, daß die genannte Oberfläche diejenige Oberfläche ist, die der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte mit zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials vermischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und dem Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auttragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrixaluminiummetalls in die Vorform zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Darüber hinaus könnte auch die Menge an unerwünschten Zwischenmetallverbindungen, die aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildet werden, minimiert werden.
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im umgebenden Gas beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel können zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder die auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht werden, verwendet werden, um die Infiltrationstemperatur zu erniedrigen und dadurch das Ausmaß der Nitridbildung zu vermindern, während eine Erhöhung der Konzentration des Stickstoffs im Gas verwendet werden kann, um die Bildung des Nitrids zu fördern.
Die Konzentration des Magnesiums, das in der Legierung enthalten ist und/oder auf die Oberfläche der Legierung aufgebracht wurde und/oder mit dem Füllstoff oder dem Vorformmaterial kombiniert wurde, beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Demnach kann es in einigen Fällen, in denen wenig oder kein Magnesium mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen und ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC-800ºC. Generell scheinen Temperaturen, die über 1200ºC liegen, den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt, daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 675ºC bis ungefähr 1200ºC reicht. Als allgemeine Regel gilt jedoch, daß die Temperatur der spontanen Infiltration eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber unter der Temperatur, die für die Verflüchtigung des Matrixmetalls erforderlich ist, liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials liegen. Und außerdem steigt, wenn die Temperatur steigt, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalls und einer Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen). Ein derartiges Reaktionsprodukt kann entweder erwünscht oder unerwünscht sein, was von der vorgesehenen Anwendung des Metallmatrix-Verbundgegenstands abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren verwendet werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringt und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren wird z.B. ein durchlässiges Füllstoffmaterial oder eine Vorform in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Gases für zumindest eine gewisse Zeit während des Prozesses mit schmelzflüssigem Aluminium in Kontakt gebracht. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit wenigstens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform bereitgestellt werden. Obwohl die Durchflußgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Durchflußgeschwindigkeit ausreichend ist, den Einbruch von Luft, der eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegiernng mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; b) Karbide, z.B. Siliziumkarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung. auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann aus einem Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder einem anderen nichtkeramischen Material, das eine keramische Beschichtung aufweist, um die Oberfläche vor dem Angriff oder einem Abbau zu schützen, bestehen. Zu geeigneten keramischen Beschichtungen gehören Oxide, Karbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend sein (in gehackter Form) oder in Form von kontinuierlichen Filamenten vorliegen, wie z.B. als Werg aus vielen Filamenten. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein erhöhtes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-155831 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid die besseren Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt jeder der genannten Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen worden. Demnach wurde entdeckt, daß eine komplette Infiltration einer durchlässigen Masse aus einem keramischen Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen erfolgen kann und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten, wenn ein zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundgegenstand angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Material in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie z.B. Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden. Weiterhin sollte die Masse des Füllstoffmaterials (die zu einer Vorform geformt ist), die infiltriert werden soll, durchlässig sein (d.h. durchlässig für das schmelzflüssige Matrixmetall und für die Infiltrationsatmosphäre).
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix- Verbundgegenständen, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, was die Infiltration durch das schmelzflüssige Legierungsmetall verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffs oder der Vorform, dem keramischen Material, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundgegenstands maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom Keramikmaterial, das verwendet wird, variieren. Im Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration vorzugsweise nicht ungefähr 1000ºC übersteigen, wenn es gewünscht wird, daß die Duktilität der Matrix durch die erhebliche Nitridbildung nicht verringert wird. Es können jedoch Temperaturen verwendet werden, die 1000ºC überschreiten, wenn es gewünscht wird, einen Verbundgegenstand mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliziumkarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliziumkarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Speziell kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange wie eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von derjenigen der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern und so verschiedene Anforderungen an den Gebrauch zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundgegenstands maßzuschneidern.
Es kann auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit dieser Erfindung verwendet werden. Genauer gesagt kann das Sperrschichtelement, das in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, jede geeignete Vorrichtung sein, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (z.B. einer Aluminiumlegierung) über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus beeinflußt, hemmt, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche bzw. welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Gas, das im Prozeß verwendet wird, durchlässig ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität gegenüber der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert eine möglicherweise erforderliche abschließende maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen des Produktes aus dem Metallmatrix-Verbundmaterial. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise durchlässig oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen durchlässig gemacht werden, um es dem Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung in Kontakt zu treten.
Geeignete Sperrschichtelemente, die besonders für Aluminium-Matrixlegierungen nützlich sind, sind diejenigen, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline allotrope Form des Kohlenstoffs, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist unter den beschriebenen Prozeßbedingungen durch das schmelzflüssige Aluminium im wesentlichen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein bandförmiges Produkt aus Graphit, das unter dem Handelsnamen Grafoil, der auf Union Carbide eingetragen ist, verkauft wird. Dieses Graphitband weist abdichtende Eigenschaften auf, die die Wanderung der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzeresistent und chemisch inert. Das Grafoil-Graphitmaterial ist biegsam, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch. Es kann in verschiedene Formen gebracht werden, so daß es als jede beliebige Sperre eingesetzt werden kann. Sperrschichtelemente aus Graphit können jedoch auch als ein Brei oder eine Paste oder sogar als ein aufgemalter Film um das Füllstoffmaterial oder die Vorform herum oder auf deren Grenze verwendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt, da es in Form eines biegsamen Graphitbogens vorliegt. Bei der Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial herum geformt.
Andere bevorzugte Sperren für Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in Stickstoff sind die Boride der Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetallegierung benetzbar sind. Mit einer Sperre dieses Typs sollte die Prozeßtemperatur nicht ungefähr 875ºC überschreiten, da andernfalls das Sperrmaterial weniger Wirksam wird, und tatsächlich erfolgt mit steigender Temperatur eine Infiltration in die Sperre. Die Boride der Übergangsmetalle liegen typischerweise in Teilchenform vor (1-30 um). Die Sperrmaterialien können als ein Brei oder eine Paste auf die Grenzflächen der durchlässigen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für eine Matrixlegierung aus Aluminiummetall in Stickstoff nützlich sind, gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf die äußere Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff, speziell unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung, zerfällt die organische Verbindung unter Zurücklassung eines Rußfilmes aus Kohlenstoff. Die organische Verbindung kann mit konventionellen Techniken, wie z.B. durch Aufmalen, Sprayen, Eintauchen etc., aufgetragen werden.
Weiterhin können fein gemahlene teilchenförmige Materialien als eine Sperre fungieren, solange die Infiltration des teilchenförmigen Materials mit einer geringeren Geschwindigkeit erfolgt als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Somit kann das Sperrschichtelement auf jede geeignete Weise aufgetragen werden, wie z.B. durch Bedecken der festgelegten Oberflächengrenze mit einer Schicht des Sperrschichtelements. Eine derartige Schicht des Sperrschichtelements kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdrucken, Verdampfen oder ein sonstiges Verfahren zum Auftragen des Sperrschichtelements in flüssiger, breiiger oder pastöser Form aufgetragen werden oder durch Aufdampfen eines verdampfbaren Sperrschichtelements oder einfach durch Auflagern einer Schicht eines festen teilchenförmigen Sperrelements oder durch Auftragen einer festen dünnen Schicht oder eines Films aus Sperrschichtelement auf die festgelegte Oberflächengrenze. Wenn das Sperrschichtelement aufgetragen ist, hört die spontane Infiltration im wesentlichen auf, wenn das infiltrierende Matrixmetall die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kostensparende Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch den vorher erwähnten Prozeß. Insbesondere vermindert die Verwendung einer lokalisierten Quelle einer Infiltrationsatmosphäre im Hohlraum des Füllstoffmaterials oder der Vorform den Bedarf an teureren Verarbeitungssystemen, indem sie die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen in einer offenen Atmosphäre erlaubt. Ganz ähnlich kann durch dieses Verfahren die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen in einem kontinuierlichen Verarbeitungssystem erfolgen. Außerdem können die erzeugten Metallmatrix- Verbundgegenstände in endgültiger oder nahezu endgültiger Form hergestellt werden.
Die unmittelbar folgenden Beispiele enthalten verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung. Jedoch sollten diese Beispiele nur als illustrativ verstanden werden, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, einschränken sollen.

Beispiel 1

Die Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands durch eine Infiltration von außen nach innen verwendet werden kann. Im einzelnen wurde eine zylindrische Vorform 3, die ein geschlossenes Ende 8 und einen Hohlraum 9 aufwies, durch Schlickergießen eines Breis aus Siliziumkarbid von 5 um (1000 Grit) (bezogen von Exolon-ESK Co. aus Tonawanda, New York, vertrieben unter dem Namen Carbolon F1000) um eine Aluminiumoxidstange mit einem Durchmesser von ungefähr 3,8 cm (1 1/2 in) und 15 cm (6 in) Länge hergestellt. Der Brei wurde anschließend getrocknet und in einem mit Luft beschickten Schmelzofen bei 1100ºC ungefähr fünf Stunden vorgebrannt, um eine Vorform 3 mit einer Wanddicke von ungefähr 5 mm zu erzeugen. Titanstückchen 5 (bezogen von Chem Alloy Co. Inc., vertrieben unter der Bezeichnung QM4-30) wurden in den Hohlraum 9 der Vorform 3 gegeben. Die Vorform 9 wurde in Kontakt mit einer leicht modifizierten 380.1-Aluminiumlegierung 2 (bezogen von Belmont Metals) gebracht, die eine Zusammensetzung von ungefähr 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Cu, < 2,9% Zn, < 6,0% Fe, < 0,5% Mn, < 0,5% Ni, < 0,35% Sn und ungefähr 0,17-0,18% Mg aufwies und der zusätzliche 5 Gewichtsprozent Magnesium zugefügt worden waren. Die Aluminiumlegierung war in einem Bett 7 aus Wollastonitpulver (bezogen von NYCO Inc.) enthalten, und alles zusammen war in einem feuerfesten Schiffchen 1 enthalten. Das Wollastonitpulver 7 wurde verwendet, da schmelzflüssiges Aluminium dieses Material kaum benetzt und da es als Behälter für das schmelzflüssige Aluminium fungiert. Das feuerfeste Schiffchen 1 und sein Inhalt wurden in einem mit Luft beschickten Schmelzofen auf eine Temperatur von ungefähr 800ºC erhitzt, um die Aluminiumlegierung zu schmelzen. Ein dünner Überzug oder eine dünne Beschichtung 6 aus Wollastonitpulver wurde auf eine Oberfläche der schmelzflüssigen Legierung 2 gegeben, die sich nicht in Kontakt mit der teilweise eingetauchten Vorform 3 befand, um eine Oxidation der schmelzflüssigen Legierung 2 zu verhindern. Eine Röhre 4 aus Aluminiumoxid verband eine Infiltrationsatmosphäre aus ungefähr 99,9% reinem Stickstoffgas mit dem Hohlraum 9 in der Vorform 3. Dadurch wurde eine Iokalisierte Stickstoffgas-Atmosphäre im Hohlraum 9 erzeugt. Die Röhre 4 diente auch dazu, die Vorform 3 ungefähr 10,2 cm (4 in) tief in der schmelzflüssigen Legierung 2 eingetaucht zu halten. Der Schmelzofen wurde ungefähr 25 Stunden bei ungefähr 800ºC gehalten. Die Vorform 3 wurde dann aus der Legierungsschmelze 2 entfernt, verblieb aber für ca. 10 Stunden im Schmelzofen, bis sich der gesamte Aufbau auf ungefähr Raumtemperatur abgekühlt hatte.
Die infiltrierte Vorform 3 wurde aus dem System entfernt und untersucht. Wie in der Figur 5a gezeigt ist, die eine Seitenansicht des gebildeten Metallmatrix-Verbundgegenstands darstellt, war die Vorform nur bis zu einer Länge von ungefähr 10,2 cm (4 in) infiltriert, was der Tiefe entsprach, bis zu der die Vorform 3 in die schmelzflüssige Matrixlegierung 2 eingetaucht war. Die Figur 5b, die eine Aufsicht auf den Metallmatrix-Gegenstand darstellt, zeigt den Hohlraum, der in der Vorform 3 existierte. Somit geht aus den Figuren 5a und 5b klar hervor, daß die von außen nach innen gerichtete spontane Infiltration eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in eine Vorform gute Möglichkeiten zur Herstellung von Gegenständen in endgültiger oder nahezu endgültiger Form bietet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands, das umfaßt:

Bereitstellen von (1) einem im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoff, (2) einem Matrixmetall, (3) wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsver stärker und (4) einer lokalisierten Infiltrationsatmosphäre, die die spontane Infiltration des Matrixmetalls ermöglicht oder verstärkt und die mit wenigstens einem Teil des genannten Füllstoffs für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration in Verbindung steht;

und, bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmetalls, spontanes Infiltrieren wenigstens eines Teils des Füllstoffs mit schmelzflüssigem Matrixmetall.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufe der Zuführung von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsverstärker zu wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem Füllstoff und der Infiltrationsatmosphäre umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff eine Vorform umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Microspheres, Whiskers, Blasen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, sphärischen Teilchen, Pellets, Röhrchen und feuerfesten Geweben besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei dem der genannte Füllstoff eine Vorform umfaßt, die einen Hohlraum definiert, und bei dem die Infiltrationsatmosphäre direkt mit dem genannten Hohlraum in Verbindung steht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der genannte Hohlraum wenigstens teilweise durch einen Stopfen definiert wird, der entweder entfernbar ist oder fest angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die genannte Infiltrationsatmosphäre mit dem genannten Hohlraum über wenigstens eine Leitung in Verbindung steht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 7, bei dem der genannte Hohlraum wenigstens teilweise durch ein Begrenzungsmittel begrenzt ist, das an einen Teil von ihm angrenzt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 5, das außerdem die Stufe der Bereitstellung eines Oxidationsmittel-Fängers umfaßt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 5, bei dem das genannte spontane Infiltrieren dadurch durchgeführt wird, daß man die genannte Vorform wenigstens teilweise mit dem genannten schmelzflüssigen Matrixmetall umgibt.