CS276729B6 - Process for producing self-supporting ceramic body - Google Patents

Description

(57) Anotace :

Oxidační reakcí roztaveného základního kovu s okysličovadlem se vytvoří první těleso, sestávající z produktu oxidační reakce a obsahující popřípadě^nezoxidovaný kov a/nebo alespoň jednu výplň, a alespoň na části povrchu prvního tělesa se vytvoří propojené póry, do kterých se nechá vrůstat produkt oxidační reakce druhého roztaveného základního kovu a druhého okysličovadla; propojené póry se vytvoří odleptáním nezoxidovaného kovu alespoň z povrchu prvního tělesa nebo vyčerpáním základního kovu v první nebo po první oxidační reakci nebo zahříváním prvního keramického tělesa v netečné atmosféře až do odpaření propojené kovové složky.

CS 276 729 B6

CS 276 729 86

Vynález se týká způsobu výroby samonosného keramického tělesa.

Dosavadní stav techniky

V US pat. spise 4 713 360 byl navržen způsob výroby samonosných keramických těles, rostoucích jako produkt oxidační reakce z kovového prekursorů. Roztavený základní kov se při tomto způsobu nechá reagovat s plynným okysličovadlem na produkt oxidační reakce a kov migruje tímto produktem směrem k okysličovadlu a spojitě vytváří keramické polykrystalické těleso, které může být vyrobeno tak, aby mělo propojenou kovovou složku a/nebo propojené póry. Postup se může vylepšit a zrychlit použitím legující dotovací příměsi, zejména v případě hliníku jako základního kovu oxidovaného vzduchem. Tento způsob lze podle US pat. spisu 4 853 352 ještě zlepšit použitím vnějších příměsí, nanášených na povrch kovového prekursorů.

V US pat. spise 4 851 375 byl navržen způsob výroby samonosných keramických kompozitů růstem produktu oxidační reakce základního kovu a okysličovadla do propustné hmoty výplně, takže výplň je infiltrována keramickou matricí.

Vyrobené keramické těleso sestává z produktu oxidační reakce a popřípadě z jedné nebo několika nezoxidovaných složek základního kovu a/nebo z dutin. Produkt oxidační reakce může óbsahovat propojené póry, které mohou částečně nebo úplně nahradit kovovou fázi. Propojená pórovitost závisí do značné míry na takových činitelích, jako je teplota, při které se vyrábí produkt oxidační reakce, doba, po kterou oxidační reakce může postupovat, složení základního kovu, přítomnost dotovacích příměsí atd. Některé propojené póry jsou přístupné z vnější plochy nebo z vnějších ploch keramického tělesa nebo jsou zpřístupněny dodatečnou operací, například osoustružením, řezáním, broušením rozlámáním a podobně.

Podstata vynálezu

Účelem vynálezu je zlepšit, modifikovat nebo vyvolat určité vlastnosti keramického tělesa a jeho předmětem je způsob výroby, při kterém se oxidační reakcí roztaveného základního kovu a okysličovadla vytvoří první těleso sestávající z produktu oxidační reakce a obsahující popřípadě nezoxidovaný kov a/nebo alespoň jednu výplň. Podstata vynálezu spočívá v tom, že alespoň na části povrchu prvního tělesa se vytvoří propojené póry, do kterých se nechá vrůstat produkt oxidační reakce druhého roztaveného základního kovu a druhého okysličovadla; propojené póry se vytvoří odleptáním nezoxidovaného kovu alespoň z povrchuprvního tělesa nebo vyčerpáním základního kovu v první nebo po první oxidační reakci nebo zahříváním prvního keramického tělesa v netečné atmosféře až do odpaření propojené kovové složky.

Podle vynálezu se první keramické těleso vyrábí tak, že se první základní kov zahřívá do roztavení a nechá se reagovat s prvním okysličovadlem při zvýšené teplotě na první produkt oxidační reakce. Tento první produkt oxidační reakce se udržuje ve styku s roztaveným základním kovem a s okysličovadlem a mezi nimi a teplota se udržuje na takové výši, aby roztavený základní kov prostupoval postupně prvním produktem oxidační reakce směrem k okysličovadlu a vytvářel na rozhraní mezi okysličovadlem a dříve vzniklým prvním produktem oxidační reakce neustále další a další vrstvu. Reakce se udržuje v uvedeném teplotním rozmezí po tak dlouhou dobu, aby vzniklo první samonosné keramické těleso, obsahující polykrystalický materiál, sestávající z prvního produktu první oxidační reakce a z pórů 'a/nebo kovových složek. Zlepšení tohoto způsobu spočívá v tom, že první polykrystalický materiál se vytvoří s požadovaným stupněm pórovitostí, a to tak, že se buň vhodně regulují shora uvedené podmínky při jeho výrobě, a/nebo dodatečným zpracováním. Po vytvoření polykrystalického tělesa se toto těleso a druhý základní kov orientují vzájemně tak, aby ve směru do pórů prvního polykrystalického materiálu rostl polykrystalický druhý produkt druhé oxidační reakce. Potom, se uvedené výrobní fáze pro první keramické těleso opakují s druhým základním kovem, prvním polykrystalickým materiálem a druhým plynným okysličovadlem. To má za následek vznik druhého produktu druhé oxidační reakce, která se udržuje

CS 276 729 B6

I

A 3 í i ? ΐ •s í

po tak dlouhou dobu, až tento druhý produkt oxidační reakce infiltruje alespoň do části .í pórů prvního polykrystalického materiálu, a tím vytvoří požadovanou keramickou strukturu. 1

Keramická samonosná struktura podle vynálezu obsahuje první produkt oxidační reakce v polykrystalické formě, vzniklý oxidací prvního roztaveného základního kovu okysličovad- 1 lem a jehož původně propojené póry, alespoň částečně přístupné z jeho jedné nebo několika I ploch, jsou vyplněny druhým produktem oxidační reakce v polykrystalické formě, vzniklým ;

oxidací druhého roztaveného základního kovu okysličovadlem. !Í

V následujícím textu je použito těchto výrazů:

- keramika neznamená pouze keramické tělese v klasickém slova smyslu, tedy těleso sestá- i vající výlučně z nekovových a anorganických materiálů, ale zahrnuje tělesa, která jsou \ převážně keramická buň co do složení, nebo co do hlavních vlastností, třebaže mohou obsahovat větší nebo menší množství jedné nebo několika kovových složek a/nebo pórů, a to !;

propojených i izolovaných, typicky v rozmezí asi od 1 do 40 % objemu, přičemž toto množství však může být vyšší.

- Produkt oxidační reakce všeobecně znamená jeden nebo několik kovů v oxidovaném stavu, kde kov odevzdal elektrony nebo sdílí elektrony s jiným prvkem, sloučeninou nebo jejich kombinací. Produkt oxidační reakce tedy znamená produkt reakce jednoho nebo několika kovů s okysličovadlem.

- Okysličovadle znamená jeden nebo několik akceptorů elektronů nebo látek sdílejících elektrony a může být v pevném, kapalném nebe plynném skupenství nebo v jejich kombinaci, například v pevném a plynném skupenství, v podmínkách vhodných pro růst keramiky.

- Základní kov znamená poměrně čisté kovy, komerční kovy s nečistotami a/nebo legujícími ί· složkami, slitiny a intermetalické sloučeniny kovů. Kde se uvádí určitý kov, je tomu tře- i ba! rozumět v rámci definice, pokud není ze souvislosti patrný jiný význam. Když je například hliník základním kovem, může jít o poměrně čistý kov, například o komerční hliník s čistotou 99,7 % nebo o hliník, který má jmenovité nečistoty asi 1 % hmot. křemíku + železo, nebo slitiny hliníku jako je slitina 5052.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příklady provedení znázorněnými na připojených výkresech, kde na obr. 1 je schematický pohled na keramické těleso s propojenými póry a propojeným kovem, na obr. IA je zvětšený řez, vedený rovinou A-A na obr. 1, na obr. 2 je schematický částečný řez keramickým tělesem z obr. 1 po odstranění větší části propojeného kovu, na obr. 3 je schematický pohled na keramické těleso umístěné v netečném loži uleženém v kelímku, který se má uložit v peci k vypaření propojeného kovu, na obr. 4 je schematický pohled na keramické těleso, ponořené v leptacím roztoku k odstranění propojeného kovu, na obr. 5 je schematický pohled na první keramické těleso, na němž je uložen druhý základní kov, přičemž celek je umístěn v netečném loži uvnitř žárovzdorné nádoby a na obr. 6 až 10 jsou mikrofotografie při čtyřistanásobném zvětšení řezů zkušebních vzorků, připravených postupem podle příkladů 1 a 2.

Podle vynálezu se první samonosné keramické těleso vyrobí s propojenými póry. Propojené póry jsou alespoň zčásti otevřené nebo přístupné z vnější plochy nebo vnějších ploch tělesa nebo jsou zpřístupněny dodatečným zpracováním. Značné množství propojených pórů je vyplněno a/nebo infiltrováno druhým polykrystalickým materiálem, který se tím stane nedílnou součástí vyrobené keramické struktury a modifikuje, zlepšuje nebo přispívá k určitým vlastnostem prvního keramického tělesa. Třebaže vynález je v následujícím popsán zejména v souvislosti s hliníkem jako prvním i druhým základním kovem, je třeba chápat, že lze použít i jiných základních kovů, jako je křemík, titan, cín, zirkonium a hafnium.

Podle vynálezu se nejprve vytvoří první polykrystalické těleso 12 podle obr. 1, které se připraví například způsoby popsanými v patentové literatuře. Podle těchto způsobů je první základní kov, například hliník, který může být dotován příměsemi, prekursorem prvního produktu první oxidační reakce. První základní kov se roztaví ve vhodném teplot1

CS 276 729 B6 ním rozmezí ve styku s prvním oxidačním prostředím. Při uvedené teplotě nebo v uvedeném teplotním rozmezí reaguje první roztavený základní kov s okysličovadlem a vytvoří první produkt první oxidační reakce, který je v polykrystalické formě. Alespoň část prvního produktu první oxidační reakce se udržuje ve styku s prvním roztaveným základním kovem a okysličovadlem a mezi nimi, takže první roztavený základní kov prostupuje prvním produktem a do styku s prvním okysličovadlem. Tímto způsobem pokračuje tvorba prvního produktu první oxidační reakce, který neustále vzniká na rozhraní mezi dříve vytvořeným produktem oxidační reakce a prvním okysličovadlem. Oxidační reakce se udržuje tak dlouho, až vznikne polykrystalické první keramické těleso 12,, které obsahuje nebo sestává v podstatě z prvního produktu 10 první oxidační reakce, obsahujícího propojené péry 13 a/nebo propojenou kovovou složku £4, jak ukazuje obr. IA. Propojená kovová složka 14 obsahuje nezoxidované složky základního kovu a může také obsahovat dotovací příměsi a jiné kovové vměsky. Propojené póry 13 stejně jako propojená kovová složka 14 jsou propojeny v jednom nebo několika rozměrech a jsou rozloženy nebo dispergovány v ěásti prvního polykrystalického materiálu nebo v celém materiálu. Propojené póry 13 a propojený kov 14, vzniklé in šitu během tvorby prvního produktu první oxidační reakce, jsou alespoň částečně otevřené nebo přístupné alespoň z jednoho povrchu 15 prvního keramického tělesa 12, nebo mohou být zpřístupněné osoustružením nebo rozlomením. Některé póry 13 a kovová složka 14 mohou být izolované jako ostrůvky. Objemové procento propojených i izolovaných pórů 13 a propojené i izolované složky 14 -závisí do značné míry na takových podmínkách jako je teplota, doba, dotovací příměsi a typ prvního základního kovu, použitého při výrobě prvního keramického tělesa 12.

Podle výhodného provedeni vynálezu se má v podstatě veškerá propojená kovová složka 14 odstranit, aby vzniklo první samonosné keramické těleso 12, jehož propojené póry £3 jsou rozprostřeny v části nebo v podstatě ve veškerém polykrystalickém materiálu, jak ukazuje obr. 2. Aby se odstranila veškerá kovová složka 14 nebo její hlavní část, lze oxidační reakci vést až do úplného skončení. To znamená, že když kovová fáze úplně zreagovala nebo téměř úplně zreagovala na produkt oxidační reakce, je propojená kovová složka 14 odebírána z keramického tělesa 12 a zanechává za sebou propojené póry 13, protože je oxidována na další produkt oxidační reakce na každém povrchu 15.. Když se oxidační postup provádí až do konce, má produkt oxidační reakce větší objemové procento pórů 13, které jsou alespoň částečně propojené. První keramické těleso, vyrobené z hliníku oxidovaného ve vzduchu při teplotě asi 1 125 °C, může obsahovat 20 až 30 objemových % kovové složky 14. a asi.....2 až 5 objemových % pórů 13, když se růst zastaví dřív, než dojde k oxidaci veškerého prvního základního kovu. Když oxidace postupuje až k úplnému okysličení veškerého základního kovu, může keramické těleso obsahovat 1 až 3 % objemu kovové složky 14 a asi 25 až 30 % objemu nebo i víc dutinek nebo pórů, když se postup provádí do úplného dokončení.

Druhý způsob, jak odstranit propojenou kovovou složku 14, spočívá v tom, že se první keramické těleso 12 vloží do netečného lože £8, umístěného v kelímku nebo jiné žárovzdorné nádobě ,20. Nádoba 20 se se svým obsahem vloží do pece, v níž je netečná atmosféra, například argon nebo jiný nereaktivní plyn, a zahřívá na teplotu, při které kovová složka 14 má vysoký tlak par. Tato teplota nebo teplotní rozmezí závisí na takových činitelích jako je složení prvního základního kovu, doba zahřívání a konečné složení kovové složky 14 v prvnim keramickém tělese 12. Při vhodné teplotě se kovová složka 14 z keramického tělesa vypaří, avšak nevzniká další produkt oxidační reakce, protože atmosféra v peci je netečná. Když se udržuje tato teplota, propojená složka 14 se neustále vypařuje. a odvádí se z pece, například vhodným větráním.

Třetí způsob odstranění kovové složky 14 spočívá v tom, že se první keramické těleso 12 ponoří do vhodného leptacího činidla 22, které rozpustí propojenou kovovou složku

14. Leptací činidlo 22 může být tvořeno jakýmkoliv kyselým nebo zásaditým kapalným činidlem nebo plynem, což závisí na složení kovové složky 14., na době ponoření atd. V případě hliníku jako prvního základního kovu, kdy tedy hliník tvoří kovovou složku 14, je vhodCS 276 729 B6 ným kyselým leptacím činidlem 22 kyselina chlorovodíková. Kdy keramické těleso obsahuje křemík, vhodnými leptacími činidly jsou hydroxid sodný a/nebo hydroxid draselný. Doba ponoření keramického tělesa v leptacím roztoku závisí na množství a typu kovové složky 14 a na tom, kde je kovová složka 14 situována vzhledem k povrchu nebo povrchům 15 keramického tělesa. Čím hlouběji je kovová složka 14 uvnitř prvního keramického tělesa 1_2, tím déle trvá, než se rozpustí a odleptá a tedy tím déle musí zůstat keramické těleso v leptací lázni. Tuto extrakci lze podporovat zahříváním leptacího činidla 22 nebo mícháním leptací látky. Potom, kdy se první keramické těleso 12 vyjme z leptací lázně, musí se propláchnout vodou, aby se odstranily jakékoliv zbytky leptacího činidla 22.

Když byla veškerá nebo v podstatě veškerá kovová složka 14 odstraněna, vznikne samonosné první keramické těleso _ljO, které obsahuje polykrystalický produkt oxidační reakce, vzniklý oxidací roztaveného základního kovového prekursoru okysličovadlem, přičemž toto těleso 10 má propojené póry 13, které s výhodou tvoří 5 až 45 % jeho objemu.

Druhý polykrystalický materiál se vyrobí ze druhého základního kovu oxidací druhým plynným okysličovadlem, a to postupem podobným nebo identickým s postupem výroby prvního keramického tělesa. Druhý základní kov a první keramické těleso 10 se orientují vzájemně tak, aby vznikající druhý polykrystalický materiál infiltroval alespoň do části pórů prvního keramického tělesa 10. Infiltraci lze omezit na první zónu prvního keramického tělesa nebo může sahat až do celého objemu tohoto prvního keramického tělesa. Když je infiltrace druhého polykrystalického materiálu omezena na první zónu prvního keramického tělesa, je druhá neinfiltrovaná zóna prvního keramického tělesa pórovitá a tato pórovitost není v podstatě ovlivněna infiltrací druhého polykrystalického materiálu. Druhá neinfiltrovaná zóna má tedy větší pórovitost než první neinfiltrovaná zóna konečné keramické struktury.

Jiná technika, kterou se může odstranit kovová složka 14 pouze z první zóny prvního keramického tělesa.10, nebo která umožňuje odstranění nejužitečnější kovové složky z první zóny keramického tělesa 10, spočívá v tom, že se například ponoří jenom část prvního keramického tělesa 10 do leptacího činidla 22.

Druhý polykrystalický materiál se vyrobí způsobem popsaným v patentové literatuře.

Jeden z těchto způsobů je naznačen na obr. 5, podle něhož se první keramické těleso 12^ s vysokým nebo zvýšeným obsahem pórů 13 a tedy s úměrné sníženou kovovou složkou 14 vloží do netečného lože 18. umístěného v žárovzdorné nádobě 20. Na první keramické těleso se položí těleso z druhého základního kovu 24. Póry 13 sahají k povrchu 15 prvního keramického tělesa 12. Celá sestava, znázorněná na obr. 5, se zahřívá na požadovanou reakčni teolotu, která leží nad teplotou tavení druhého základního kovu 24, avšak pod teplotou tavení prvního produktu první oxidační reakce v prvním keramickém tělese 12 a druhého produktu druhé oxidační reakce, které se zúčastní druhý základní kov 24. Celá soustava se zahřívá v oxidačním prostředí, například ve vzduchové atmosféře, a do pórů prvního keramického tělesa 12 začne růst druhý polykrystalický materiál. Růst pokračuje tak dlouho, až druhý polykrystalický materiál vyplní póry 13 do požadované hloubky, například celé keramické těleso 12 nebo jeho požadovanou část. Po skončení reakce se soustava ochladí a výsledná keramická kompozitní struktura se oddělí od lože 18 a zbytků druhého základního kovu 24, pokud nějaké existují.

Následující neomezující příklady vysvětlují způsob podle vynálezu.

Příklad 1

Způsoby navrženými v patentové literatuře byly vyrobeny keramické materiály s propojenými póry. Konkrétně byly vyrobeny ingoty o rozměrech 101,60 x 228,60 x 38,1 mm z hliníkové slitiny, která obsahuje jmenovitě 2,4 % hmot. hořčíku a nejvýše 0,5 % hmot. křemíku a železa. Každý ingot byl ponořen jednotlivě do částic z oxidu hlinitého s velikostí 90 mesh v žárovzdorné nádobě, přičemž plocha o rozměrech 101,60 x 228,60 každého hliníkového

CS 276 729 B6 ingotu byla volná a ležela v podstatě v rovině s povrchem lože přibližně 6,35 mm pod okrajem kelímku. Na volnou plochu kovu byla nanesena tenká vrstva oxidu křemičitého o zrnitosti 140 mesh, která tvořila dotovací příměs k urychlení reakce.

Kelímky a jejich obsah byly vloženy do pece, kde se zahřívaly ve vzduchu na pracovní teplotu 1 125 °C., na které byly udržovány po dobu 160 hodin. Tato doba byla tak dlouhá, aby hliník jako základní kov mohl co nejúplněji zoxidovat, čímž vznikla keramická alumina modifikace s propojenými póry. Chlazení produktu oxidační reakce bylo stejnoměrné a trvalo 10 hodin.

Silně pórovitá struktura keramického produktu oxidační reakce byla potvrzena mikroskopickým zkoumáním vyleštěného výbrusu, jak ukazuje obr. 6. Optická mikrofotografie při 400-násobném zvětšení ukazuje šedý materiál, což je oC -oxid hlinitý, světlejší materiál, což je buó křemík (světlý), nebo hliník (míchaný), a tmavé plochy jsou póry. Obsah prvků, tedy křemíku a hliníku v tělese byl odhadnut asi na 3 % objemu.

Reinfiltraee rostoucího produktu oxidační reakce do keramického materiálu byla potvrzena pomocí dvou různých základních hliníkových slitin. K tomuto účelu byly odříznuty od pórovitých keramických těles obdélníkové kusy o rozměrech asi 50,8 x 19,05 x 12,7 mm. Místa odříznutí byla zvolena tak, aby se odstranila spinelová vrstva, přítomná na původním vnitřním povrchu. Odříznuté kusy byly položeny jednotlivě na obdélníkové ingoty z hliníkové slitiny, z nichž každý měřil 50,8 x 25,4 x 12,7 mm, přičemž plochy o rozměrech 50,8 x x 19,5 a 50,8 x 50,8 ležely na sobě.

Bylo použito dvou různých hliníkových slitin:

První slitina č. 712.2 měla jmenovité složení 5,0 až 6,6¾ zinku, 0,5 až 0,65 ¾ hořčíku, 0,4 až 0,6 ¾'ohromu, 0,4 ¾ železa, 0,25 % mědi, 0,15 až 0,25 % titanu, 0,15 křemíku 30,1¾ manganu.

Druhá slitina č. 380.1 měla jmenovité složení 7,5 až 9,5 ¾ křemíku, 3,0 až 4,0 ¾ mědi, 2,97 ¾ zinku, 1,0 ¾ železa, 0,5 ¾ manganu, 0,5 ¾ niklu, 0,35 ¾ cínu a 0,1 ¾ hořčíku. Druhá slitina ale obsahovala podle zjištění asi 0,17 až 0,18 ¾ hořčíku. Předpokládá se, že vyšší množství hořčíku je důležité s ohledem na funkci hořčíku jako dotovací příměsi nebo promotoru oxidační reakce.

Shora popsané keramické a slitinové soustavy byly uloženy v oddělených žárovzdorných kelímcích a obsypány vrstvou tloušlky 12,7 mm z wollastonitových částic. Wollastonit sloužil jako bariérový materiál k uzavření roztavené slitiny a k omezení oxidační reakce do dutinek keramických těles.

Kelímky a jejich obsah byly vloženy do pece a zahřívány v přítomnosti vzduchu na pracovní teplotu 900 °C, přičemž vlastní zahřívání trvalo 5 hodin. Vzorky potom byly udržovány na pracovní teplotě po dobu 30 hodin a potom ochlazovány během 5 hodin na okolní teplotu. Ochlazené keramické předměty potom byly vyjmuty z lože a bylo zjištěno, že jejich vzhled ani tvar se nijak podstatně nezměnil.

Keramické předměty potom byly rozříznuty, upevněny, vyleštěny a opticky pozorovány, aby se zjistily výsledky pokusu o relnfiltraci. Zkoumání ukázalo, že obě slitiny dobře reinfiltrovaly do pórovitého keramického tělesa. Obr. 7 a 8 ukazují produkt reinfiltrovaný oběma slitinami ve čtyřistanásobném zvětšení. Propojený keramický produkt oxidační reakce nahradil póry v původním tělese. Výsledkem je mnohem hutnější těleso s pouze izolovanými póry.

Příklad 2

Tento příklad dokládá reinfiltraci keramického reakčního produktu do pórovitého keramického materiálu, připraveného poněkud odlišně od příkladu 1. V tomto případě bylo pórovité těleso vyrobeno oxidací slitiny, obsahující 10 ¾ hmot. křemíku, 3 ¾ hmot. hořčíku, zbytek hliník, při reakční teplotě 1 250 °C, udržované po dobu 80 hodin. V ostatních směCS 276 729 B6 rech byla příprava počátečního pórovitého keramického tělesa stejná jako v příkladu 1. Mikrostruktura tohoto materiálu je znázorněna na obr. 9 při čtyřistanásobném zvětšení.

Reinfiltrace keramického reakčního produktu do pórovitého keramického tělesa byla stejná jako v příkladu 1, přičemž bylo použito první slitiny při 900 °C. Obr. 10 ukazuje ve čtyřistanásobném zvětšení řez výsledným materiálem. Bylo zjištěno, že během třicetihodinového trvání ohřevu na 900 °C nebyla infiltrace úplná. Obr. 10 ukazuje rozhraní mezi infiltrovaným a neinfiltrovaným materiálem směrem do levá a do prava. Stejně jako v příkladě 1 bylo zjištěno, že reinfiltrovaný materiál je nově vyrostlý produkt oxidační reakce, vyplňující póry prvního keramického tělesa.

Jak bylo popsáno, je prvni keramické těleso vyrobeno z prvního vhodného základního kovu postupy navrženými V patentové literatuře. Podle jednoho výhodného provedení vynálezu se vyrobí kompozit, použije-li se hmoty nebo lože propustného výplňového materiálu, který je ve styku s povrchem prvního základního kovu, a trvá-li proces tak dlouho, až produkt oxidační reakce infiltruje do lože výplně až k jeho okraji, jenž může být omezen vhodnou bariérou. Hmota výplně, která je s výhodou vytvarována do předlisku, musí být dostatečně pórovitá nebo propustná pro okysličovadlo, pokud se používá plynného okysličovadla, aby mohlo projít výplní a přijít do styku s prvním základním kovem. Mimoto musí umožňovat růst produktu oxidační reakce do výplně. Alternativně může být prvni okysličovadlo obsaženo ve výplni nebo tvořit část výplně. Výplň může obsahovat jakýkoliv vhodný materiál, jako jsou částice, prášky, destičky, dutá tělíska, kuličky, vlákna, drátky atd., což jsou typické keramické materiály. Mimoto může lože výplně obsahovat mřížku z vyztužovacích tyčí, desek nebo drátů. Pro tyto polykrystalické keramické struktury včetně keramických kompozitů je typické, že krystality produktu oxidační reakce jsou propojené a póry a/nebo kovová složka jsou alespoň částečně propojené a přístupné z vnější plochy keramického tělesa.

Dotovací příměsi, použité ve spojení s prvním a/nebo druhým základním kovem, mohou v některých případech příznivě ovlivnit oxidační reakci, zejména když je základním kovem hliník. Funkce dotovacího materiálu může záviset na řadě faktorů jiných než je samotný dotovací materiál. Mezi takové faktory patří například určitá kombinace dotovacích látek, použije-li se několika dotovacích příměsí v kombinaci s příměsí, tvořící legovací plochu základního kovu, koncentrace příměsí, oxidační prostředí a procesní podmínky.

Příměs nebo příměsi, použité ve spojení s prvním a/nebo druhým základním kovem, mohou tvořit legovací složky základního kovu, mohou být naneseny alespoň na část povrchu základního kovu nebo v případě použití výplně mohou být naneseny nebo vneseny do části nebo celé výplně nebo předlisku, popřípadě lze použít dvou nebo několika těchto opatření. Legovací příměs je například použitelná samotná nebo v kombinaci s druhou dotovací příměsí nanášenou z vnějšku. V případě nanášení přídavné dotovací příměsi do výplně lze toto nanášení provést jakýmkoliv vhodným způsobem.

Mezi dotovací příměsi vhodné pro hliník jako základní kov, okysličovaný zejména vzduchem, patří hořčík, zinek a křemík, a to buď samotné, nebo ve vzájemné kombinaci nebo v kombinaci s jinými příměsemi. Těmito kovy nebo jejich vhodným zdrojem se může legovat základní kov na bázi hliníku v jednotlivé koncentraci 0,1 až 10 %, vztaženo k celkové hmotnosti výsledného dotovaného kovu. Tyto dotovací příměsi nebo jejich vhodný zdroj, například oxid hořečnatý, oxid zinečnatý nebo oxid křemičitý se mohou také nanášet z vnějšku na základní kov. Keramickou aluminovou strukturu lze například vyrobit ze slitiny z hliníku a křemíku jako základního kovu při oxidaci vzduchem, použije-li se jako povrchového dotovacího činidla oxidu hořečnatého v množství větším než asi 0,0008 g hořčíku na 1 g 2 základního kovu nebo v množství větším než asi 0,003 g hořčíku na 1 cm základního kovu, na který se oxid hořečnatý nanáší.

Dalším příkladem dotovacího materiálu, který je účinný při reakci hliníku jako základního kovu a jeho oxidaci vzduchem je sodík, germanium, cín, olovo, lithium, vápník,

CS 276 729 B6 bor, fosfor a yttrium, kterých lze použít jednotlivě nebo v kombinaci s jednou nebo několika jinými příměsemi, což závisí na okysličovadle a procesních podmínkách. Vhodnými dotovacími příměsemi jsou také prvky vzácných zemin, jako cer, lanthan, praseodym, neodym a samarium, i v tomto případě zejména v kombinaci s jinými příměsemi. Všechny dotovací látky podporují růst polykrystalického produktu oxidační reakce v,systémech na bázi hliníku jako základního kovu.

S prvním základním kovem lze použít okysličovadla v pevném, kapalném nebo plynném skupenství nebo kombinace takových okysličovadel, as druhým základním kovem plynného okysličovadla. Mezi typická okysličovadla patří bez omezení kyslík, dusík, halogeny, síra, fosfor, arsen, uhlík, bor, selen, tellur, jejich sloučeniny a kombinace, například oxid křemičitý jako zdroj kyslíku, methan, ethan, propan, acetylen, ethylen a propylen jako zdroje uhlíku a směsi jako je vzduch, H₂/H₂0 a C0/C0₂, kde poslední dvě směsi jsou výhodné tím, že snižují aktivitu kyslíku v prostředí.

Třebaže lze použít jakéhokoliv vhodného okysličovadla, je plynně okysličovadlo, které slouží,k oxidaci druhého základního kovu, výhodné i pro oxidaci prvního základního kovu.

Je ovšem samozřejmé, že v kombinaci s prvním základním kovem lze použít dvou nebo několika typů okysličovadel. Okysličovadlo k oxidaci druhého základního kovu je látka v plynné fázi, pro kterou první keramické těleso nebo alespoň ta jeho část, která má být infiltrována druhým polykrystalickým materiálem, je propustné nebo zpřístupněné dodatečným zpracováním. Okysličovadlo v plynné fázi prochází prvním keramickým tělesem nebo jeho zvoleným pásmem a tam přichází do styku s druhým základním kovem, okysličuje jej a vytváří v pórech prvního keramického tělesa druhý polykrystalický materiál. Když je ve spojeni s prvním základním kovem použito okysličovadla v plynné fázi a výplně, propouští výplň plynné okysličovadlo, takže při působení okysličovadla na lože výplně projde okysličovadlo ložem do styku s roztaveným základním kovem. Výraz okysličovadlo v plynné fázi znamená vypařený nebo normálně plynný materiál, který tvoří oxidační atmosféru. Když je žádoucím produktem oxidační reakce oxid, jsou výhodnými okysličovadly v plynné fázi kyslík.nebo plynné směsi obsahující kyslík včetně vzduchu, přičemž vzduchu se dává zpravidla přednost ze zřejmých ekonomických důvodů. Uvádí-li se, že okysličovadlo obsahuje nebo je tvořeno určitým plynem nebo parami, znamená to okysličovadlo, kde uvedený plyn nebo pára jsou jediným, hlavním nebo alespoň významným oxidačním činidlem pro základní kov v podmínkách tvořících oxidační prostředí. Třebaže hlavní složkou vzduchu je' dusík, obsah kyslíku ve vzduchu je jediným okysličovadlem základního kovu, protože kyslík je podstatně silnější oxidační činidlo než dusík, vzduch tedy spadá mezi okysličovadla tvořená plynem s obsahem kyslíku a nikoliv mezi okysličovadla tvořená plynem s obsahem dusíku. Příkladem okysličovadla v plynné fázi s obsahem dusíku je formovací plyn, který obsahuje asi 96 % objemu dusíku a asi A. % objemu vodíku.

Když se ve spojení s prvním základním kovem a výplní použije pevného okysličovadla, je obvykle dispergováno do celého lože výplně nebo alespoň do té části výplně, jež bude uzavřena ve vyráběném keramickém kompozitním tělese, a to ve formě částic smíchaných s výplní nebo popřípadě jako povlak na částicích výplně. Tímto způsobem lze tedy použít jakéhokoliv pevného okysličovadla včetně prvků jako je bor nebo uhlík nebo redukovatelných sloučenin, jako je oxid křemičitý nebo některé boridy s nižší termodynamickou stabilitou než je borid základního kovu tvořící konečný produkt. Když je pro hliník jako první základní kov použito jako pevného okysličovadla boru nebo redukovatelného boridu, je výsledným produktem oxidační reakce borid hliníku.

V některých případech může oxidační reakce prvního základního kovu postupovat s pevným okysličovadlem tak rychle, že produkt oxidační reakce má snahu se spékat v důsledku exothermické povahy procesu. Tím by se mohla poškodit mikrostrukturální stejnoměrnost keramického tělesa. Rychlou exothermickou reakci lze zpomalit tím, že se do směsi přidají netečná rozpouštědla s nízkou reaktivitou. Příkladem takové vhodné netečné výplně je látka identická se zamýšleným produktem oxidační reakce.

CS 276 729 B6

V případě kapalného okysličovadla s prvním základním kovem a výplní se celé lože výplně nebo alespoň část, která tvoří požadované keramické těleso, impregnuje okysličovadlem Výplň lze například povléknout nebo nasytit ponořením do okysličovadla, aby se impregnovala. Kapalné okysličovadlo znamená látku, která je kapalná v podmínkách oxidační reakce, takže kapalné okysličovadlo může mít pevný prekursor, například sůl, která se taví v podmínkách oxidační reakce. Alternativně může mít kapalné okysličovadlo kapalný prekursor, například roztok látky, kterým se impregnuje část výplně nebo veškerá výplň, který se taví nebo rozkládá v podmínkách oxidační reakce a zanechává oxidační zbytek. Příkladem kapalných okysličovadel tohoto typu jsou nízkotavná skla.

Ve spojení s výplňovým materiálem nebo předliskem lze použít bariéry, která brání růstu nebo vývinu prvního produktu oxidační reakce za bariéru, použije-li se při tvorbě keramického tělesa plynného okysličovadla. Bariéra usnadňuje tvorbu keramického tělesa s vymezenými krajními plochami. Vhodnou bariérou může být látka, sloučenina, prvek, směs a podobně, která v podmínkách oxidační reakce má určitou soudržnost, je netěkavá a s výhodou propouští plynné okysličovadlo, přičemž je schopna místně inhibovat, zastavovat nebo bránit pokračujícímu růstu- produktu oxidační reakce. Pro hliník jako základní kov je vhodnou bariérou síran vápenatý neboli pálená sádra, křemičitan vápenatý, portlantský cement a jejich směsi, které se nejvýhodněji nanášejí jako kaše nebo pasta na povrch výplně. Bariéry také mohou obsahovat hořlavý nebo těkavý materiál, který se odstraní zahříváním nebo materiál rozkládající se při ohřevu, aby se zvýšila pórovitost a propustnost bariéry. Mimoto může bariéra obsahovat žárovzdorné zrnité látky, aby se snížila možnost smršíování nebo praskání, ke kterému by mohlo dojít během oxidace. Taková zrnitá látka, která má v podstatě stejný součinitel teplotní roztažnosti jako lože výplně nebo předlisek, je obzvláště výhodná. Když například předlisek obsahuje oxid hlinitý a výsledná keramika také oxid hlinitý, lze bariéru smíchat se zrny aluminy, s výhodou s velikostí částic 20 až 1 000 nebo i jemnější. Mezi bariéry patří i žárovzdorné keramiky nebo kovové plechy alespoň s jedním volným koncem, aby plynné okysličovadlo mohlo procházet ložem do styku se základním kovem.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby samonosného keramického tělesa, při kterém se oxidační reakcí roztaveného základního kovu a okysličovadla vytvoří první těleso sestávající z produktu oxidační reakce a obsahující popřípadě nezoxidovaný kov a/nebo alespoň jednu výplň, vyznačující se tím, že alespoň na části povrchu prvního tělesa se vytvoří propojené póry, do kterých se nechá vrůstat produkt oxidační reakce druhého roztaveného základního kovu a druhého okysličovadla, přičemž propojené póry se vytvoří odleptáním nezoxidovaného kovu alespoň z povrchu prvního tělesa nebo vyčerpáním základního kovu v první nebo po první oxidační reakci nebo zahříváním prvního keramického tělesa v netečné atmosféře až do odpaření propojené kovové složky.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že základní kovy se zvolí ze skupiny zahrnující hliník, křemík, titan, cín, zirkonium a hafnium.
3. 3. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že první okysličovadlo je ze skupiny zahrnující pevná, kapalná a plynná okysličovadla.
4. 4. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že prvním i druhým okysličovadlem je vzduch.