DD278752A5

DD278752A5 - Verfahren zur herstellung eines keramischen verbundkoerpers

Info

Publication number: DD278752A5
Application number: DD87306981A
Authority: DD
Inventors: Marc S Newkirk; Daniel H Lesher
Original assignee: ��@��@��K@��k��
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1990-05-16
Also published as: HUT46610A; FI88021B; NZ221747A; BR8704680A; ZA876900B; PT85712A; NO873794L; MX170295B; NO873794D0; EP0262076A1; ATE74341T1; EP0262076B1; IL83803A0; PL156549B1; BG48213A3; IN168485B; CS8706607A2; FI873931A0; YU171587A; PT85712B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkoerpers, danach hergestellte keramische Verbundstrukturen und Geschuetztrommeln. Ein Grundmetall wird mit einem Koerper aus Fuellstoff in Kontakt gebracht, der durch Gehaeuseelemente umschlossen ist. Diese Anordnung wird erhitzt, um das Grundmetall, z. B. Aluminium, zu schmelzen und zu oxydieren, um ein polykristallines Material zu bilden, das aus einem Oxydationsreaktionsprodukt besteht, welches durch den Fuellstoffkoerper waechst und an der Ueberdeckungsflaeche der Gehaeuseelemente im Wachstum gestoppt wird, wodurch die Oberflaechengeometrie der Keramikmatrix bestimmt wird. Nach dem Abkuehlen befinden sich die Gehaeuseelemente in Schrumpfpassung um den keramischen Verbundkoerper. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers, der durch ein Gehäuseeleme.U unter Druckspannung gehalten wird, wobei der Verbundkörper aus einer Keramikmatrix, die durch die Oxydation eines Grundmetalls zur Bildung eines polykristallinen Materials gewonnen wird, welches aus dem Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel und, wahlweise, einem oder mehreren metallischen Bestandteilen gebildet wird, und einer Masse aus Füllstoff besteht, die durch die Matrix eingebettet wird.

Die Erfindung betrifft ferner nach diesem Verfahren hergestellte selbsttragende keramische Verbundstrukturen und Geschütztrommeln.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit den US-Patentanmeldungen Nr. 819397, eingereicht am 17. Januar 1986 und Nr.697878, eingereicht am 4.Februar 1985 mit dem Titel „Keramische Verbunderzeugnisse und Verfahren zu ihrer Herstellung". Diese hiermit im Zusammenhang stehenden US-Patentanmeldungen beschreiben ein neuartiges Verfahren für die Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundstoffes durch das Wachsen eines Oxydationsreaktionsproduktes von einem Grundmetall in eine durchlässige Masse eines Füllstoffes. Das Verfahren der Herstellung eines selbsttragenden Keramikkörpers durch Oxydation eines Grundmetallvorläufers wird allgemein in den US-Patentanmeldungen Nr.818943 vom 15. Januar 1986, Nr. 776946 vom 17. September 1985, Nr.591392, eingereicht am 16. März 1984 mit dem Titel „Neuartige keramische Stoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung" beschrieben. Dieses Oxydationsphänomen, das durch den Einsatz eines Dotierungsmittels verstärkt werden kann, welches in das Grundmetall legiert wird, ermöglicht die Schaffung von selbsttragenden Keramikkörpern der gewünschten Größe, die als Oxydationsreaktionsprodukt des Vorläufergrundmetalls gewachsen sind.

Das vorstehende Verfahren wurde durch die Verwandung von äußeren Dotierungsmitteln verbessert, die auf die Oberfläche des Vorläufergrundmetalls aufgebracht wurden, wie Jas in den US-Patentanmeldungen Nr.822999 vom 27. Januar 1986, Nr.776965 vom 17. September 1985, Nr. 747 788 vom 25. Jimi 1985 und Nr. 632636 vom 20. Juli 1984 mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Stoffen" o'fenbart wird.

Eine Weiterentwicklung der vorstehenden Vt rfahren ermöglicht die Bildung von selbsttrngenden Keramikstrukturen, die einen oder mehrere Hohlräume aufweisen, welche umgekehrt die Geometrie einer positiven Form aus geformtem Vorläufergrundmetall widerspiegeln, die in ein Bett aus gleichförmigem Füllstoff eingebettet ist, der unier den spezifizierten Bedingungen selbstbindend ist, wie es in der US-Patentanmeldung Nr.823542, eingereicht am 27. Janutr 1986 mit dem Titel „Inverses Formnachbildungsverfahren zur Herstellung von keramischen Verbunderzeugnissen und die nach diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse" beschrieben wird.

Eine weitere Entwicklung der vorstehenden Verfahren ermöglicht die Schaffung von selbsttragenden Keramikkörpern mit einem Negativmuster, das umgekehrt das Positivmuster eines Grundmetallvorläufers widerspiegelt, das gegen eine Masse aus Füllstoff gebracht wird, wie das in der US-Patentanmeldung Nr. 896157 von 13. August 1986 mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von keramischen Verbunderzeugnissen mit formnachgebildeten Oberflächen und die nach diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse" beschrieben wird.

In den letzten Jahren ist das Interesse am Einsatz von Keramik für strukturelle Anwendungen, in denen bisher Metalle eingesetzt wurden, ständig größer geworden. Angeregt wurde dieses Interesse durch die Überlegenheit keramischer Stoffe gegenüber Metallen bei bestimmten Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit, Härte, Elastizitätsmodul und Feuerfesteigenschaften. Die gegenwärtigen Anstrengungen, zuverlässigere und zähere keramische Stoffe von höherer Festigkeit zu produzieren, konzentrieren sich vor allem auf 1. die Entwicklung von verbesserten Bearbeitungsmethoden für monolithische keramische Stoffe und 2. auf die Entwicklung von neuen Materialzusammensetzungen, insbesondere keramischen Matrixverbundstoffen. Eine Verbundstruktur besteht aus einem heterogenen Material, Körper oder Artikel, die aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien hergestellt wurden, welche eng miteinander kombiniert sind,' ^rn die gewünschten Eigenschaften des

Verbundstoffes zu erreichen. Beispielsweise können zwei verschiedene Materialien durch Einbetten des einen in eine Matrix des anderen eng miteinander kombiniert werden. Eine keramische Matrix-Verbundstruktur besteht im typischen Fall aus einer keramischen Matrix, die einen oder mehrere unterschiedliche Arten von Füllstoffen, wie Partikulatmaterial, Fasern, Stäbe oder ähnliches, umschließt.

Die bekannten US-Patentanmeldungen beschreiben neue Verfahren, durch welche einige der Probleme oder Beschränkungen der traditionellen Keramiktechnologie zur Herstellung von Verbundstoffen, beispielsweise durch Verdichten und Sintern, überwunden werden.

Es ist auf dem Gebiet der Keramik bekannt, daß keramische Stoffe im allgemeinen eine viel höhere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit haben. Wenn der keramische Stoff unter Druck gesetzt wird, beispielsweise durch Anwendung von Druck auf den Innendurchmesser eines Keramikrohres, wird der keramische Stoff dann unter Zugspannung gesetzt. Wenn sich im keramischen Stoff ein Riß bildet, während dieser unter Zugspannung ist, zersplittert der keramische Stoff.

Es ist seit langem bekannt, daß günstig vorgespannte Teile in der Anwendung sehr fest erscheinen können, weil die Spannungen, denen diese Teile in der Anwendung ausgesetzt sind, zuerst tatsächlich dazu dienen können, die Vorspannung abzubauen, bevor sie dem Teil wirksam Spannung hinzufügen. Bei der Verwendung von keramischen Stoffen in Anwendung mit Zugspannung wird das maximale Entwurfspotential durch Vorspannung dieser Stoffe in Druck erreicht, besonders da die Druckfestigkeit in einigen Fällen um einen Faktor von 5 oder mehr größer als die Zugfestigkeit sein kann. Bisher war die Vorspannung eines keramischen Teils mit einer Metallmuffe sehr kostspielig und umständlich. Die Keramik- und die Metallkomponente mußten eine sehr enge Toleranzanpassung bei annähernd perfekter Konformität zwischen den beiden haben, um eine angemessene Menge einer einheitlichen Spannung im Verhältnis zur Keramikkomponente zu erzeugen und die Entstehung von sehr hohen Kontaktspannungen zu vermeiden, die zum Ausfall des keramischen Materials führen. Im typischen Fall konnte diese Bedingung nur durch sehr sorgfältiges und aufwendiges Feintoleranzschleifen des keramischen Teils und der Metallmuffe an den Oberflächen, an denen sie aneinandergrenzen, erreicht werden.

ZieLdor Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Herstellung zuverlässigerer und zäherer keramischer Stoffe von höherer Festigkeit, in der Schaffung von geformten keramischen Verbundstrukturen in einem Gehäuse und einer vorher bestimmten Geometrie und in der Verhinderung des Ausfalls von keramischen Erzeugnissen auch unter Zugspannung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers, danach hergestellte keramische Verbundstrukturen und Geschütztrommeln zu entwickeln, das es gestattet, den keramischen Verbundstoff unter Druckspannung zu halten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, das das Grundmetall durch eine Schichtung von Füllstoff überlagert wird, und die Schichtung wird zumindest teilweise durch ein Gehäuseelement umschlossen. Das Grundmetall wird auf einen Temperaturbereich über seinem Schmelzpunkt, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsproduktes erhitzt, um einen Körper aus flüssigem Grundmetall zu bilden. Das Grundmetall und die Füllstoffschichtung werden so zueinander ausgerichtet, daß die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes in einer Richtung innerhalb der Füllstoffschichtung und hin zum Gehäuse erfolgt. Im oben genannten Temperaturbereich reagiert das flüssige Grundmetall mit dem Oxydationsmittel, um das Oxydationsrecktionsprodukt zu bilden, und wenigstens ein Teil des Oxydationsreaktionsproduktes wird in Kontakt mit und zwischen dem flüssigen Metall und dem Oxydationsmittel gehalten, um flüssiges Metall fortlaufend durch das Oxydationsreaktionsprodukt hin zum Oxydationsmittel zu ziehen, so daß sich das Oxydationsreaktionsprodukt weiter innerhalb des Körpers aus Füllstoff an der Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und dem vorher gebildeten Oxydationsreaktionsprodukt bildet. Die Reaktion wird fortgesetzt, bis das polykristalline Material den Füllstoffkörper bis zur (zu den) Innenfläche(n) des Gehäuses infiltriert hat, um den keramischen Verbundkörper herzustellen. Beim Abkühlen schließt sich das Gehäuseelement, das ihm innewohnende Passungseigenschaften gegenüber dem Verbundkörper aufweist, eng an den Verbundkörper an, wodurch der Verbundkörper unter Druckspannung gesetzt wird. Ein Keramikkörper, der unter Druck gehalten wird, ist insofern vorteilhaft, daß in ihm die Entwicklung eines Zugfehlers unterbunden wird und außerdem der katastrophale Ausfall des Keramikkörpers verhindert wird.

Das polykristalline Oxydationsreaktionsprodukt hat untereinander verbundene Kristallite, die in der Regel in drei Dimensionen untereinander verbunden sind. Außerdem ist eine metallische Komponente und/oder Porosität über den keramischen Körper verteilt oder dispergiert, die untereinander verbunden sein können, aber nicht müssen, in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen, dem Grundmetall, dem Dotierungsmittel usw.

Das Gehäuseelement wird im typischen Fall so gewählt, daß es einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der keramische Verbundkörper hat, wodurch beim Abkühlen des polykristallinen Keramikkörpers und des Gehäuseelementes das Gehäuseelement dazu tendiert, schneller als der Keramikverbundkörper zu schrumpfen, und auf diesen wegen des engen Kontaktes mit dem genannten Körper eine Druckspannung überträgt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuseelement, das aus Stahl, z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt werden kann, aus einem zylindrischen Element oder einer Muffe, damit der Keramikkörper eine zylindrische Konfiguration erhält.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine selbsttragende keramische Verbundstruktur vor, die aus einem Füllstoff (z. B. einer Vorform) besteht, der in eine polykristallin keramische Matrix eingebettet ist. Die keramische Matrix erhält man durch die Oxydationsreaktion eines Grundmetalls jIs dem Vorläufer mit einem Oxydationsmittel zur Bildung eines untereinander verbundenen Oxydationsreaktionsproduktes und, wahlweise, einem oder mehreren metallischen Bestandteilen. Ein Gehäuseelement, das dem Füllstoff überlagert und in situ integral mit der keramischen Matrix verbunden wird, wird dem keramischen Verbundkörper eigenangepaßt, um diesen unter Druckspannung zu halten. Der Begriff „keramischer Stoff oder Körper" ist nicht eng beschränkt auf einen Keramikkörper im klassischen Sinne, d. h. in dem

Sinne, daß er ausschließlich aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen besteht, sondern bezieht sich vielmehr auf einen Körper, der hinsichtlich entweder seiner Zusammensetzung oder seiner dominierenden Eigenschaften vorwiegend keramisch ist, aber auch kleinere oder beachtliche Mengen eines oder mehrerer metallischer Bestandteile enthalten kann, die vom Grundmetall abgeleitet oder aus dem Oxydationsmittel oder einem Dotierungsmittel reduziert wurden, im typischen Fall in einem Bereich vor etwa 1 bis 40Vol.-%, obwohl auch mehr Metall enthalten sein kann.

Unter einem „Oxydationsreaktionsprodukt" versteht man allgemein ein oder mehrere Metalle in einem oxydierten Zustand, worin das Metall(e) Elektronen abgegeben hat oder mit einem anderen Element, Verbindung oder deren Kombination teilt.

Dementsprechend schließt ein „Oxydationsreaktionsprodukt" nach dieser Erfindung das Produkt der Reaktion eines oder mehrerer Metalle mit einem Oxydationsmittel, wie sie in dieser Anmeldung beschrieben werden, ein.

Unter einem „Oxydationsmittel" versteht man einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder Elektronenaufnehmer, wobei es sich um einen festen Stoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination der genannten, z. B. einen festen Stoff und ein Gas, unter Verfahrensbedingungen handeln kann.

„Grundmetall" bezieht sich auf das Metall, z. B. Aluminium, das der Vorläufer des polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes ist, und es schließt dieses Metall ein als ein relativ reines Metall, ein kommerziell verfügbares Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestand.'eilen oder eine Legierung, in welcher dieser Metallvorläufer der Hauptbestandteil ist; wird also ein spezielles Metall als Grundmetall genannt, z. B. Aluminium, ist das genannte Metall im Sinne dieser Definition zu verstehen, wenn im Zusammenhang nichts anderes angegeben wird.

„Eigenpassung" bezeichnet die dem Gehäuseelement innewohnende Eigenschaft, beim Abkühlen aus den Verfahrensbedingungen eine Druckspannung auf den eng umschlossenen Keramikverbundkörper auszuüben.

Ausführungsbeispibl

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, die eine Anordnung mit Reservoir und

Quellengrundmetallkörpern und einem GJiauseelement, in dem sich ein Füllstoffbett befindet, zeigt; Fig. 1A: eine Ansicht des Abschnittes der Anordnung aus Fig. 1, die durch die gestrichelte Linie A in der Fig. 1 umschlossen

wird, im vergrößerten Maßstab und teilweise aufgerissen; Fig. 2: eine teilweise Querschnittansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur mit einem eigenangepaßten Gehäuseelement, die unter Nutzung der Füllstoff bett-Anordnung aus der Fig. 1 nach der vorliegenden Erfindung

hergestelltwurde; und Fig. 2 A: eine Ansicht auf der Lir.ie A-A der Fig. 2.

Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung, die einen Grundmetallkörper einschließt, geschmolzen, um ein flüssiges Grundmetall zu schaffen, das mit einem Körper oder einer Masse aus Füllstoff in Kontakt gebracht wird, der zumindest teilweise von einem Gehäuseelement aufgenommen wird. Der Abschnitt des Gehäuseelementes, der mit dem Füllstoff in Kontakt ist, wird als Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes bezeichnet. Das Gehäuseelement kann den gesamten Füllstoffkörper oder einen Teil davon umschließen, wobei der Füllstoffkörper ein Bett aus losem Partikulatfüllstoff oder eine geformte Vorform aus Füllstoff (wie das unten beschrieben wird) sein kann und der ein Oxydationsmittel enthält oder von diesem durchdrungen wird. Die Anordnung wird einer oxydierenden Umgebung ausgesetzt und auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes des Grundmetalls, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsproduktes des Grundmetalls erhitzt. 3eim Kontakt mit dem Oxydationsmittel reagiert das flüssige Grundmetall und bildet ein Oxydationsreaktionsprodukt, wodurch die Infiltration und Einbettung des Füllstoffes durch das aus der Oxydation des Grundmetalls resultierende wachsende polykristalline Material beginnen.

Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Prozeß fortgesetzt, bis das polykristalline Material den Füllstoff infiltriert und eingebettet hat und in Kontakt mit der Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes gewachsen ist. In einigen Fällen wird nui ein Teil des resultierenden keramischen Körpers durch das Gehäuseelement umschlossen. In anderen Fällen können mehr als ein Gehäuseelement durch einen einzigen keramischen Verbundkörper gefüllt werden. Die Form des Abschnitts des keramischen Verbundkörpers, die sich außerhalb des (der) Gehäuseelemente(s) befindet, soweit ein solcher Abschnitt vorhanden ist, kann dadurch kontrolliert werden, daß der Füllstoff oder ein entsprechender Abschnitt des Füllstoffes als eine geformte Vorform ausgebildet werden, wie das unten beschrieben wird, oder durc* Anordnung eines Bettes von geschichtetem Füllstoff in einem geformten Sperrelement, beispielsweise einem Sperrelement aus gebranntem Gips. Das Sperrelement verhindert das Wachstum des polykristallinen Materials, das durch die Oxydationsreaktion gebildet wird. Ein Sperrelement, wie gebrannter Gips, kann auch auf die Oberfläche einer Vorform aufgebracht werden.

Das Grundmetall kann so angeordnet werden, d;<ß es ein Reservoir an Grundmetall bildet, welches eine erste Quelle des Grundmetalls auffüllt, die in Kontakt mit dem Körper oder der Masse des Füllstoffes ist.

Der Reservoirkörper des Grundmetalls fließt durch Schwerkraftstromverbindung, um das Quellengrundmetall aufzufüllen, das beim Oxydationsreaktionsprozeß verbraucht wurde, wodurch gewährleistet ist, daß genügend Grundmetall vorhanden ist, um den Prozeß weiterzuführen, bis die gewünschte Menge des polykristallinen Materials durch die Oxydationsreaktion gebildet wurde. Das resultierende keramische Verbundprodukt schließt den eingebetteten Füllstoff und das eigenangepaßte Gehäuseele ant ein. Die Oberflächengrenzen des keramischen Verbundproduktes innerhalb des Gehäuseelementes können zumindest teilweise durch die Geometrie der inneren oder Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes definiert werden, wenn dieses den Füllstoff oder einen Teil davon umschließt. In diesem Fall ist die Form des keramischen Verbundstoffes mit der Innenoder Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes kongruent, welches als Sperrelement dient und damit die äußere Geometrie oder Form der keramischen Verbundstruktur im wesentlich in derselben Art und Weise bestimmt wie die Innenfläche einer Form die äußere Geometrie eines darin geformten Gegenstandes definiert

Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Grundmetall oder ein Teil davon, der als Grundmetallquellenkörper

bezeichnet wird, eingebettet sein oder angeordnet werden in geschichteter Überdeckung mit einem Bett aus geschichtetem Füllstoff. Der geschichtete Füllstoff paßt sich der Form des Grundmetallquellenkörpers an, was zur Folge hat, daß die resultierende keramische Verbundstruktur, die darin gebildet wird, ein Negativmuster oder einen oder mehrere Hohlräume hat, welche umgekehrt die Form oder Geometrie des Grundmetallquellenkörpers nachformen. Der Grundmetallquellenkörper kann aus einem oder mehreren Stücken bestehen, und es kann ein einfacher Zylinder, Stab, Block oder ähnliches sein, oder er kann durch eine entsprechende Maßnahme auf geeignete Weise geformt sein, beispielsweise kann ein Grundmetallblock, -barren oder -stab in geeigneter Weise maschinell bearbeitet, gegossen, geformt, stranggepreßt oder anderweitig ausgeführt werden, um einen geformten Grundmetallquellenkörper zu schaffen. So kann der Grundmetallquellenkörper eine oder mehrore Rillen, Bohrungen, Aussparungen, Flächen, Ansätze, Flansche, Schraubenköpfe und ähnliches darin geformt worden. Er kann außerdem oder alternativ dazu einen oder mehrere Bunde, Buchsen, Scheiben, Stäbe oder ähnliches haben, die daran angebncht wurden, um eine gewünschte Konfiguration zu erreichen. Das Negativmuster oder der Hohlraum, die so im keramischen Verbundkörper gebildet werden, enthalten das Grundmetall oder sind mit diesem gefüllt, das wieder fest wird, wenn man die Struktur nach der Bearbeitung wieder abkühlen läßt. Das wiederverfestigte Grundmetall kann wahlweise aus dem Negativmuster oder dem Hohlraum, in welchem es sich befindet, entfernt werden, wie das unten beschrieben wird. Das resultierende geformte keramische Verbundprodukt besteht folglich aus einem Füllstoff, der durch eine polykristalline keramische Matrix eingebettet und einem oder mehreren Gehäuseelementen eigenangepaßt ist. Die Keramikmatrix selbst kann wahlweise einen oder mehrere nichtoxydierte Bestandteile des Grundmetalls oder Hohlräume oder beides einschließen und hat eine Oberflächengeometrie von ausgewählter Form. (Nichtoxydierte Bestandteile des Grundmetalls, die wahlweise in der keramischen Matrix dispergiert sind, dürfen nicht mit voluminösem, wiederverfestigtem Grundmetall verwechselt werden, das im Negativmuster oder im Hohlraum zurückbleibt, der im Füllstoffbett durch den Grundmetalleinbettungskörper.. ingedrückt oder geformt wird.)

Obwohl die Erfindung unten detailliert unter besonderer Bezugnahme auf Aluminium als dem bevorzugten Grundmetall beschrieben wird, können auch andere geeignete Grundmetalle, welche die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, eingesetzt werden, zu denen Silizium, Titan, Blei, Zirkonium und Hafnium gehören, die aber nicht auf diese beschränkt sind. Beispielsweise beinhalten spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung, wenn Aluminium das Grundmetall ist, Alpha-Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid als Oxydationsreaktionsprodukt; wenn Titan das Grundmetall ist, Titannitrid oder Titanborid als Oxydationsreaktionsprodukt; wenn Silizium das Grundmetall ist, Siliziumkarbid, Siliziumborid oder Siliziumnitrid als Oxydationsreaktionsprodukt.

Es kann mit einem festen, flüssigen oder dampfförmigen Oxydationsmittel oder einer Kombination dieser Oxydationsmittel gearbeitet werden. Zu den typischen dampfförmigen Oxydationsmitteln gehören, ohne einschränkend zu sein, Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwofel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selon, Tellur und Verbindungen und Kombinationen dieser Stoffe, beispielsweise Siliziumdioxid (als Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Azetylen, Ethylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen) und solche Gemische wie Luft, H2/H2O und CO/COj, wobei die beiden letztgenannten von Nutzen bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung sind (d. h. H2/H2O und CO/CO₂). Demzufolge kann die Keramikstruktur der Erfindung ein Oxydationsreaktionsprodukt aufweisen, das aus einem oder mehreren Oxiden, Nitriden, Karbiden, Boriden und Oxynitriden besteht. Insbesondere kann das Oxydationsreaktionsprodukt beispielsweise aus einer oder mehreren der folgenden Verbindungen bestehen. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titanborid, Zirkoniumborid, Siliziumnitrid, Hafniumborid und Zinnoxid.

Obwohl jedes geeignete Oxydationsmittel eingesetzt werden kann, werden die speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die unten beschrieben werden, unter Bezugnahme auf den Einsatz von dampfförmigen Oxydationsmitteln beschrieben. Wenn ein Gas- oder Dampfoxydationsmittel, d. h. ein dampfförmiges Oxydationsmittel, eingesetzt wird, ist der Füllstoff durchlässig für das dampfförmige Oxydationsmittel, so daß bei Einwirkung des Füllstoff bettes 'juf das Oxydationsmittel das dampfförmige Oxydationsmittel das Füllstoffbett durchdringt, um mit dem darin befindlichen flüssigon Grundmetall in Kontakt zu kommen. Beispielsweise sind Sauerstoff oder sauerstoffhaitige Gasgemische (einschließlich Luft) bevorzugte dampfförmige Oxydationsmittel, wie in dem Fall, wenn Aluminium das Gundmetall ist und Luft aus offensichtlichen Gründen der Wirtschaftlichkeit besonders bevorzugt wird. Wenn ein dampfförmiges Oxydationsmittel als ein bestimmtes Gas oder einen bestimmten Dampf enthaltend oder daraus bestehend identifiziert wird, versteht man darunter ein Oxydationsmittel, in welchem das identifizierte Gas oder der identifizierte Dampf der einzige, dominierende oder wenigstens ein signifikantei Oxydator des Grundmetalls unter den Bedingungen ist, die in der oxydierenden Umgebung erreicht werden, mit welcher gearbeitet wird. Obwohl beispielsweise der Hauptbestandteil der Luft Stickstoff ist, ist der Sauerstoffgehalt der Luft der einzige oder dominierende Oxydator des Grundmetalls, weil Sauerstoff ein signifikant stärkeres Oxydationsmittel als Stickstoff ist. Luft gehört damit als Oxydationsmittel in die Definition eines „sauerstoffhaltigen Gases", nicht aber als Oxydationsmittel in die Definition eines „stickstoffhaltigen Gases". Ein Beispiel für ein „stickstoffhaltiges Gas" als Oxydationsmittel, wie es in der Spezifikation und in den Patentansprüchen verwendet wird, ist „Formiergas", das zu 96 Vol.-% aus Stickstoff und zu 4 Vol.-% aus Wasserstoff besteht.

Wenn mit einem festen Oxydationsmittel geirbeitet wird, ist es in der Regel durch das gesamte Füllstoffbett oder durch einen Abschnitt des Bettes im Anschluß an das Grundmetall in Form eines mit dem Füllkörper gemischten Partikulatmaterials oder vielleicht als Überzug auf den Füllstoffteilchen dispergiert. Es kann jedes geeignete feste Oxydationsmittel eingesetzt werden, einschließlich von Elementen, wie Bor, oder reduzierbaren Verbindungen, wie Siliziumdioxid, oder bestimmte Boride mit niedrigerer thermodynamischer Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn beispielsweise Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxydationsmittel für ein Aluminiumgrundmetall eingesetzt werden, ist das resultierende Oxydationsreaktionsprodukt Aluminiumborid.

In einigen Fällen kann sich bei einem festen Oxydationsmittel die Oxydationsreaktion so schnell entwickeln, daß das Oxydationsprodukt dazu tendiert, auf Grund des exothermen Charakters des Prozesses zu verschmelzen. Diese Erscheinung kann die mikrostrukturelle Einheitlichkeit des Keramikkörpers beeinträchtigen. Diese schnel'e exotherme Reaktion kann vermieden werden, wenn man in die Zusammensetzung relativ inerte Füllstoffe mischt, die eine geringe Reaktivität aufweisen. Diese Füllstoffe absorbieren die Reaktionswärme, um die Wirkung jedes schnellen thermischen Fließens auf ein Minimum zu reduzieren. Ein Beispiel für ein solches geeignetes inertes Füllmaterial ist eines, das mit dem vorgesehenen Oydationsreaktionsprodukt identisch ist.

Wenn mit einem flüssigen Oxydationsmittel gearbeitet wird, wira das gesamte Füllstoffbett oder ein Abschnitt im Anschluß an das flüssige Metall überzogen oder getränkt, beispielsweise durch Eintauchen in das Oxydationsmittel, um den Füllstoff zu imprägnieren. Wenn auf ein flüssiges Oxydationsmittel verwiegen wird, versteht man darunter ein Oxydationsmittel, das unter den Bedingungen der Oxydationsreakrion flüssig ist, so daß ein flüssiges Oxydationsmittel also einen festen Vorläufer haben kann, beispielsweise ein Salz, der unter den Bedingungen der Oxydationsreaktion geschmolzen wird. Alternativ dazu kann das flüssige Oxydationsmittel einen flüssigen Vorläufer haben, z. B. eine Lösung eines Stoffes, der zur Imprägnierung eines Teils oder des gesamten Füllstoffes verwendet wird und dann unter dun Bedingungen der Oxydationsreaktion geschmolzen oder zersetzt wird, um eine geeignete Oxydationsmittelkomponente zi ergeben. Zu den Beispielen für flüssige Oxydationsmittel nach der vorliegenden Definition gehören niedrigschmelzende Gläser.

Ein Oxydationsmittel, das unter Verfahrensbedingungen flüssig oder fest ist, kann in Verbindung mit einem dampfförmigen Oxydationsmittel eingesetzt werden. Diese zusätzlichen Oxydatio ismittel können besonders bei der Verstärkung der Oxydation des Grundmetalls vorzugsweise innerhalb des Füllstoffbettes odtr der Vorform, weniger außerhalb von deren Grenzen, von Nutzen sein. Das heißt, der Einsatz dieser zusätzlichen Oxydation! mittel kann eine Umgebung innerhalb der Vorform schaffen, welche für die Oxydationskinetik des Grundmetalls günstiger ist als die Umgebung außerhalb der Vorform. Diese unterstützte Umgebung ist vorteilhaft für die Förderung der Matrixbildung innerhalb der Vorform bis zu deren Grenze und die Minimierung des Überwuchses.

Der Grundmetalli eservoirkörper kann vorteilhaft in einem Bett aus inertem Partikulatmaterial enthalten sein, das für das flüssige Metall inert oder undurchlässig ist. Das Bett aus inertem Material hält folglich das flüssige Reservoirgrundmetall und führt es, im typischen Fall durch eine Öffnung im Boden des Bettes aus inertem Material, dem Quellenkörper zu, der in das Bett aus Füllmaterial eingebettet ist. Beispielsweise kann ein zylindrischer oder halbkugelförmiger Block des Grundmetallreservoirkörpers mit einem vorstehenden Abschnitt oben auf den Einbettungskörper innerhalb des Füllstoffbettes gebracht werden.

Als Alternative dazu kann das Grundmetall eingesetzt werden, ohne es zu formen oder ohne daß es umgekehrt die Form oder einen Teil der Form des keramischen Verbundkörpers nachbildet. Es kann also mit jeder Form des Grundmetalls gearbeitet werden, wenn die Form des Grundmetalls nicht umgekehrt im keramischen Verbundkörper nachgeformt werden soll. Folglich kann das flüssige Grundmetall, das mit der Füllstoffmasse in Kontakt gebracht wird, in diesen Fällen als flüssiges Metall oder als Barren oder Block von geeigneter, verfügbarer Form eingesetzt werden. Das Füllstoff bett kann aus einem Bett von geschichtetem Füllstoff oder aus einer geformten Füllstoffvorform bestehen. Die Anordnung kann eine solche Konfiguration haben, daß anfangs eine ausreichende Versorgung an Grundmetall im Kontakt mit dem Füllstoff vorhanden ist, oder es kann ein Reservoirkörper an Grundmetall vorgesehen werden, um das Quellengrundmetall aufzufüllen, das mit dem Füllstoff in Kontakt ist, wenn das flüssige Grundmetall in den Füllstoff wandert. Wenn vom Reservoirkörper genügend flüssiges Metall einem Quellenkörper zugeführt wird, der in einen Füllstoff eingebettet ist oder überdeckend mit diesem geschichtet wurde, wird nach Ende der Reaktion, nachdem das Oxydationsreaktionsprodukt auf die gewünschte Größe gewachsen ist, das nichtoxydierte flüssige Grundmetall wieder fest, und der Hohlraum oder das Negativmuster in der Keramikstruktur wird mit dem wiederverfestigten Grundmetall gefüllt. Wenn jedoch die Gesamtversorgung mit Grundmetal! unzureichend ist, um den Hohlraum oder das Negativmuster mit Grundmetall gefüllt zu halten, können der Hohlraum oder das Negativmuster leer oder nur teilweise mit wiederverfestigtem Metall gefüllt sein. Dieses wiederverfestigte Grundmetall kann, wenn das gewünscht wird, aus dem Negativmusterhohlraum des keramischen Verbundproduktes in einem anschließenden Bearbeitungsschritt entfernt werden, um einen geformten Verbundstoff mit einem leeren Hohlraum oder Muster darin zu schaffen, welche umgekehrt die Geometrie des Quellenkörpers des Grundmetalls nachbilden.

Der bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzte Füllstoff kann aus einer breiten Vielfalt von für diesen Zweck geeigneten Stoffen ausgewählt werden. Der Füllstoff kann ein „anpassungsfähiger" Füllstoff sein, worunter man in der Spezifikation und in den Patentansprüchen einen Füllstoff versteht, der in einen Behälter eingebracht werden kann und sich der Innenkonfiguration des Behälters anpaßt. Ein anpassungsfähiger Füllstoff kann sich auch dem darin eingebetteten Quellenkörper des Grundmetalls anpassen oder in ein überdeckendes Verhältnis mit dem Füllstoff gebracht werden, wie das oben beschrieben wurde. Wenn der Füllstoff beispielsweise aus Partikulatmaterial besteht, wie feinen Körnchen eines feuerfesten Metalloxide wie Aluminiumoxid, stimmt der Füllstoff mit der Innenkonfiguration des Behälters oder Gehäuseelementes, in welche er eingebracht wird, überein, d. h., er paßt sich diesen an. Es ist jedoch nicht notwendig, daß der Füllstoff ein feines Partikulatmaterial ist, um ein anpassungsfähiger Füllstoff zu sein. Beispielsweise könnte der Füllstoff die Form von Fasern haben, so kurzen, zerhackten Fasern, oder die Form eines wollartigen Fasermaterials, z. B. in der Art wie Stahlwolle. Der Füllstoff kann auch aus einer Kombination von zwei oder mehr solchen geometrischen Konfigurationen bestehen, d. h. einer Kombination von kloinem Partikulat, Körnern und Fasern. Um ein anpassungsfähiger Füllstoff nach der vorstehenden Definition zu sein, ist es nur notwendig, daß die physische Konfiguration des Füllstoffes so ist, daß sie es dem Füllstoff ermöglicht, den Sperrelementbehälter, in welchen er eingebracht wird, zu füllen und sich der Konfiguration der Innenfläche dieses Behälters anzupassen. Ein solcher anpassungsfähiger Füllstoff paßt sich auch eng den Oberflächen des Grundmetalleinbettungskörpers oder dem Abschnitt dieses Körpers an, der in die Masse des anpassungsfähigen Füllstoffes eingebettet ist oder mit diesem in ein überdeckendes Verhältnis gebracht wurde. Es kann mit jeder geeigneten Form oder Kombination von Formen des Füllstoffes gearbeitet werden, so einer oder mehreren der folgenden, Hohlkörper, Partikulatmaterial, Pulver, Fasern, Whiskers, Kugeln, Blasen, Stahlwolle, Platten, Grobkorn, Drähten, Stäben, Stangen, Plättchen, Pellets, Rohren, Gewebe aus feuerfestem Material, Röhrchen oder Mischungen derselben.

Der Füllstoff kann auch eine geformte Vorform bilden, die in jeder festgelegten Form oder gewünschten Größe und Form hergestelltodergeformtwird.wozu herkömmliche Methoden, wie Schlickerguß, Spritzguß, Spritzpressen, Vakuumformen oder andere, angewendet werden und jeder geeignete Füllstoff des an anderer Stelle speziell identifizierten und beschriebenen Typs eingesetzt werden kann. Die Füllstoffvor orm, die durchlässig für das darin erfolgende Wachstum des polykristallinen Materials ist, das durch die Oxydation des Grundmetalls mit dem dampfförmigen Oxydationsmittel entsteht, kann ein festes Oxydationsmittel und/oder ein flüssiges Oxydationsmittel enthalten oder einschließen, die in Verbindung mit dem dampfförmigen Oxydationsmittel verwendet werden können. Die Vorform hat eine Oberflächengrenze und sollte ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit bewahren, um nach der Infiltration durch die Keramikmatrix Dimensionstreue zu wahren, obwohl sie durchlässig genug ist, um die wachsende polykristalline Matrix aufzunehmen. Vorzugsweise haben die

Vorformfüllstoffe eine Porosität zwischen etwa 5 und 90Vol.-%, insbesondere zwischen etwa 25 und 50Vol.-%. Die poröse Vorform sollte vorzugsweise in der Lage sein, unter Verfahr jnsbedingungen durch das flüssige Grundmetall benetzt zu werden, um die Entwicklung des polykristallinen Materials innerKalb des Vorformfüüstoffes zu fördern und ein keramisc hes Verb'jndprodukt von hoher Integrität und gut definierten Grenzen zu schaffen.

Die Füllstoffe, aus denen die Vorform hergestellt wird, beispielsweise keramische Pulver oder Partikulatmaterial, können mit einem geeigneten Bindemittel, z. B. Polyvinylalkohol oder ähnliches, verbunden werden, welche die Reaktionen dieser Erfindung nicht beeinträchtigen oder keine unerwünschten Nebenprodukte im keramischen Verbundprodukt zurücklassen. Verwendet werden können geeignete Partikulatstoffe, wie Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid, mit einer Korn- oder Siebgröße von etwa 10 bis 1000 oder feiner oder eine Mi.-chung von Siebgrößen und Typen. Die Partikulatstoffe können nach bekannten oder herkömmlichen Methoden geformt werden, beispielsweise durch Herstellung einer Aufschlämmung des Partikulatmaterials in einem organischen Bindemittel, G sßen der Aufschlämmung in eine Form und anschließendes Abbinden, beispielsweise durch Trocknen bei erhöhter Temperatur.

Was die geeigneten Stoffe betrifft, die bei der Schaffung und Herstellung der durchlässigen Vorform eingesetzt werden können, so sind insbesondere die drei Klassen von Füllstoffen zu nennen, die an andertr Stelle beschrieben werden, welche als geeignete Stoffe für die durchlässige Füllstoffvorform verwendet werden können.

Ob der Füllstoff eine Füllstoffvorform oder ein lose gepacktes Bett oder eine Ma <$b aus anpassungsfähigem Füllstoff ist, der Füllstoff wird durch ein oder mehrere Gehäuseelemente teilweise oder vollständig umschlossen oder eingeschlossen, so daß das Wachstum des polykristallinen Materials, welches im Füllstoff eingebettet ist, ?u der (den) Überdeckungsfläche(n) des (der) Gehäuseelemente(s) erfolgt, um das (die) Gehäuseelement(e) in einer eigenangepaßten Schrumpfpassung mit der keramischen Verbundstruktur zu verbinden. Das Gehäuseelement kann aus jedem geeigneten Material bestehen und jede gewünschte Form haben, durch welche wenigstens ein Teil des Füllstoffes eingeschlossen werden kann. Es kann beispielsweise aus Metall bestehen, wie Stahl oder rostfreiem Stahl oder einer Nickellegierung. Das Gehäuseelement kann perforiert sein oder eine Lochkonstruktion haben, um den Durchgang des dampfförmigen Oxydationsmittels zu ermöglichen. In bestimmten Fällen kann es wünschenswert oder notwendig sein, das Gehäuseelement zu überziehen oder es mit einer Schicht zu versehen, welche dieses Element vor Oxydation, Angriff durch das Grundmetall und/oder den Füllstoff oder beides unter Verfahrensbedingunger schützt.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer Reservoirkammer 12 und einem Gehäuseelement 14, das sich unter der Reservoirkammer 12 befindet und mit dieser durch die eine Öffnung (unnumeriert) im Boden 28 der Reservoirkammer 12 verbunden ist. Gehäuseelement 14 besteht aus einem Sieb 16 und einem Lochzylinder 18, der wie das Sieb 16 im wesentlichen eine zylindrische Konfiguration hat. Die innere Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes 14 wird durch Sieb 16 (Fig. 1 und 1A) definiert, das sich im Lochzylinder 18 befindet und durch dipsen verstärkt wird. Der Lochzylinder 18 dient als äußeres, starres Element, welches den zylindrische:. Schirm oder das zylindrische Sieb 16 verstärkt und in welchem ein Muster von Perforationen 20 gebildet wird (Fig. 1A). Der Zylinder 18 ist ausreichend starr, um während der Bearbeitung die Form eines Bettes 38 aus anpassungsfähigem Füllstoff, der sich darin befindet, zu halten. Das Sieb 16 kann aus einem feuerfesten Gewebe oder aus einem Metall sein, z. B. ein Sieb aus rostfreiem Stahl. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es ein gewebtes, aus rostfreiem Stahl bestehendes Sieb mit offenen Maschen, von dem viele der Öffnungen mit den Perforationen 20 des Lochzylinders 18 ausgerichtet sind, so daß das Gehäuseelement 14 löcherig und damit offen für den Eintritt der umgebenden Atmosphäre in dieses ist. In Abständen ist um die Außenfläche des Lochzylinders 18 eine Vielzahl von Winkeleisenstreben 22 angeordnet, die durch Klemmringe 32 gehalten werden, um die Struktur zu versteifen. Eine Basis 24, die massiv oder löcherig sein kann, schließt den Boden des Gehäuseelementes 14. Reservoirkammer 12, die ebenfalls eine zylindrische Konfiguration und einen größeren Durchmesser als das Gehäuseelement 14 hat, wird von Gehäusewänden 26 und einem Boden 28 umschlossen, die von nichtperforierter Bauweise sind. Bei dem gezeigten Aueführungsbeispiel trägt ein Bett 30 aus inertem Partikulatmateriai einen Grundmetallreservoirkörp^ · 3} in der Reservoirkammer 12. Der Grundmetallreservoirkörper 34 hat einen oberen Abschnitt von generell zylindrischer Konfiguration, an den sich ein nach innen abgeschrägter, konischer Abschnitt anschließt, von dem eine Verlängerung vorsteht, um an der .-lache des Bodens 28 den Quellenkörper 36 zu berühren, der eine lange, generell zylindrische Konfiguration hat und einen Durchmesser ausweist, der wesentlich kleiner als der des Grundmetnllreservoirkörpers 34 ist. Quellenkörper 36 hat eine Reihe von drei allgemeinen zylindrischen oder scheibenförmigen Vorsprüngen 36a; 36b und 36c und befindet sich im Füllstoffbett 38, das vom Gehäuseelement 14 gehalten wird.

Gehäuseelement 14 wird mit einem Füllstoff bett 38 aus anpassungsfähigem Füllstoff gefüllt, in welchem der Quellenkörper 36 eingebettet ist und als zylindrischer Kern des Grundmetalls innerhalb einer Hülle aus Füllstoffbettmaterial angeordnet ist. Quellenkörper 36 ui d/oder das Füllstoff bett 38 können mit einem Dotierungsmittel behandelt werden oder dieses einschließen, um die Oxydationsreaktion zu erleichtern. In das Grundmetall können ein oder mehrere Dotierungsmittel legiert werden, und ein oder mehrere Dotierungsmittel können äußerlich auf den Quellenkörper 36 oder einen Teil davon aufgebracht werden. Außerdem oder stattdessen können ein oder mehr Dotierungsinittel auf das Füllstoffbett 38 aufgebracht werden, zumindest in der Näher des Quellenkörpers 36. Das Bett 30 aus inertem Partikulatmaterial innerhalb der Grundmetallreservoirkammer 12 ist durch den durch es hindurchführenden Strom des flüssigen Grundmetalls nicht benetzbar und damit für diesen inert und undurchlässig, so daß die Bildung und das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes durch das Bett 30 aus inertem Partikulatmaterial nicht möglich ist. Demzufolge steht ein Reservoir aus flüssigem Grundmetall für den Schwerkraftfluß in den Quellenkörper 36 zur Verfügung, um das Grundmetall aufzufüllen, welches das FOllstoffbett 38 des anpassungsfähigen Füllstoffes infiltriert hat und in diesem oxydiert wurde. Bei einem Aluminiumgrundmetall beispielsweise kann das Bett 30 aus inertem Partikulatmaterial aus Aluminiumoxidpa.tikulat bestehen. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Reservoirkammer 12 gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu isolieren oder zu schützen. In diesen Fällen kann eine Reservoirdeckplatte eingesetzt werden, um die obere Öffnung der Reservoirkammer 12 gegenüber der umgebenden Atmosphäre abzuschließen, und eine Abdichtungsplatte kann eingesetzt werden, um die Öffnung (unnumeriert) zwischen der Reservoirkammer 12 und dem Gehäuseelement 14 abzuschließen, abgesehen von einer Öffnung, um den Durchgang des Grundmetalls durch diese zu ermöglichen.

Durch Verdichten des Füllstoffbettes 38 aus anpassungsfähigem Füllstoff innerhalb des Gehäuseelementes 14 paßt es sich dem Inneren oder der Überdeckungsfläche des Gehäuseelementes 14, die durch das Sieb 16 definiert wird, an, wodurch die

Innenkonfiguration des Gehäuseelementes 14 die Oberflächengrenze des Bettes aus Füllstoff und des Elementes definiert, auf welches die keramische Verbundstruktur wirklich schrumpf angepaßt wird. Außerdem wird durch diese Verdichtung der Füllstoff auch der Form des Quellenkörpers 36 angepaßt, so daß dieser einen geformten Hohlraum in der Masse des anpassungsfähigen Füllstoffbettes 38 definiert und füllt.

Die Anordnung 10 wird in einen Ofen gebracht, der ein geeignetes dampfförmiges Oxydationsmittel, wenn mit einem solchen gearbeitet wird, enthält oder in den dieses eingeführt wird. (Andernfalls wird mit einem inerten Gas oder Vakuum gearbeitet.) Das dampfförmige Oxydationsmittel kann aus atmosphärischer Luft bestehen, in diesem Fall können geeignete Lüftungen im Ofen genutzt werden, um eine Quelle des dampfförmigen Oxydationsmittels einfach durch Einlassen von Luft in das Ofeninnore zuzuführen. Die Anordnung 10 kann durch ein geeignetes Auflageelement (nicht gezeigt) im Ofen in einer aufrechten Position gehalten werden. Die Reservoirkammer 12 wird über dem Gehäuseelement 14 gehalten, so daß das flüssige Grundmetall durch die Schwerkraft aus dem Grundmetallreservoirkörper 34 in den Quellenkörper 36 fließt. Das dampfförmige Oxydationsmittel tritt durch Perforationen 20 im I ochzylinder 18 und die Öffnungen des Siebes 16 in das Füllstoffbett 38 des anpassungsfähigen Füllstoffesein.

Das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes geht, wie oben beschrieben wurde, weiter, da flüssiges Metall durch den wachsenden Körper des Oxydationsreaktionsproduktes gezogen wird, um an dessen Oberfläche oxydiert zu werden und zusätzliches Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden. Wenn das wachsende polykristalline Material das Sieb 16 erreicht, wird dessen weiteres Wachstum durch das Sperrelement gestoppt, das durch das Sieb 16, unterstüzt durch den Lochzylinder 18, gebildet wird. Das polykristalline Material wächst folglich so, daß es das Gehäuseelement 14 vollständig füllt u id wird diesem damit wirklich angepaßt. Da das Wachstum des polykristallinen Materials durch das Sperrelement gestoppt wird, das effektiv durch das Gehäuseelement 14 gebildet wird, füllt es das letztgenannte vollständig und wird diesem angepaßt. Das wachsende polykristalline Material wird im wesentlichen vollständig dem Gehäuseeloment angepaßt, so daß es sicher gehalten und nach dem Abkühlen darin eingeschlossen wird. Außerdem wird, wenn der Lochzylinder 18 aus einem Material mit einem höheren Koeffizienten der Wärmeausdehnung als der Keramikkörper besteht, wenn er z. B. aus einem Metall wie rostfreiem Stahl oder einer Nickellegierung besteht, und wenn der Verbundkörper entsprechend Beispiel 1 aufgebaut ist, auch eine Wärmeschrumpfpassung erreicht. Wenn also die Anordnung auf Reaktionstemperatur erhitzt wird, dehnt sich der Zylinder aus rostfreiem Stahl oder Nickellegierung aus, und das polykristalline Material wächst und füllt den durch Wärme ausgedehnten Zylinder. Nach dem Abkühlen der Anordnung ziehen sich sowohl die kermamische Verbundstruktur als auch der Gehäusezylinder zusammen. Da jedoch die Wärmeausdehnung und -kontraktion des Lochzylinders 18 aus Stahl oder Nickellegierung wesentlich größer sind als die des größten Teils des keramischen Materials der Verbundstruktur 40, wird eine enge ScI irumpf passung des Lochzylinders 18 um die keramische Verbundstruktur 40 erreicht, wenn sich die Struktur nach Ende der Bearbeitung abkühlt, wodurch sich die Eigenschaften der Verbundstruktur 40 durch Schaffung einer günstigen Vorspannung an dieser verbessern.

Das Herausnehmen der keramischen Verbundstruktur kann durch Demontage der Anordnung 10 erfolgen. Wenn die Klemmringe 32 gelöst werden, lösen sich die Winkeleisenstreben 22 und ermöglichen es, von ihnen und von der Basis 24 die keramische Verbundstruktur 40 zu entnehmen, auf die durch Schrumpfpassung das Gehäuseclement 14 fest angepaßt ist. Damit ist das Gehäuseelement 14 permanent auf der keramischen Verbundstruktur 40 angebracht. Die keramische Verbundstruktur 40 kann am oberen Abschnitt oder in Nähe des oberen Abschnitts (wie in der Fig. 1 gezeigt) des Gehäuseelementes 14 quer geschnitten werden, um eine im wesentlichen zylindrische, eingeschlossene keramische Verbundstruktur zu schaffen, wie sie in der Fig. 2 gezeigt wird. Die keramische Verbundstruktur 40 hat eine Innenbohrung 42, die eine umgekehrte Nachbildung der Form des Quellenkörpers 36, einschließlich der Reihe von drei vergrößerten Elementen (von denen in der Fig.2 nur zwei, 42a und 42b, sichtbar sind), ist. Die vergrößerten Kammerelemente sind die umgekehrten Nachbildungen der zylindrisch geformten Vorsprünge 36a; 36b bzw. 36c des Quellenkörpers 36. Wiedererstarrtes Grundmetall, das sich ir ^H?r Innenbohrung 42 bildet, wenn die Anordnung nach Beendigung der Oxydationsreaktion abgekühlt wird, kann, wenn das gewünscht wird, auf jede geeignete Weise entfernt werden. Beispielsweise kann eine Bohrung, die etwa den Durchmesser der Innenbohrung 42 hat, gebohrt werden, um die Masse des wiederverfestigten Grundmetalls zu entfernen, und das restliche Grundmetall, vor allem in den vergrößerten Kammern, z. B. 42 a und 42 b, kann durch chemische Auflösung entfernt werden. Beispielsweise kann Chlorwasserstoffsäure bei einem Aluminiumgrundmetall eingesetzt werden. Die Chlorwasserstoffsäure löst das Aluminium auf, hat aber keine schädliche Wirkung auf die keramische Verbundstruktur. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Grundmetallkern oder einen Teil davon an seinem Platz zu belassen, um ein Endprodukt mit einem Metallkern herzustellen.

Die Außenfläche der keramischen Verbundstruktur 40 paßt sich einer Innenfläche des Siebes 16, also einer zylindrischen Fläche an, d. h. sie ist mit dieser kongruent, und die rauhe oder gemusterte Oberfläche, die das Gewebemuster des Siebes durchdringt, trägt dazu bei, das Gehäuseelement in Schrumpfpassung, d. h. das Gehäuseelement 14, an Ort und Stelle zu sichern. Auf dem Lochzylinder 18 können nach innen vorstehende Elemente vorhanden sein, um die Festigkeit der Eigenpassung zu verstärken. Bei einigen Konfigurationen des Gehäuseelementes 14 kann es notwendig oder wünschenswert sein, durch einen krümmerartigen Anschluß eine oder mehrere zusätzliche Metallreservoirs für die Einführung von flüssigem Grundmetall an verschiedenen Punkten zum Quellenkorper 36 vorzusehen, um das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes durch das gesamte Volumen des Füllstoff bettes 38 zu erleichtern.

Wie in den Fig. 2 und 2 A gezeigt wird, kann das Gehäuseelement, z.B. der Lochzylinder 18, der durch Schrumpfpassung auf der keramischen Verbundstruktur 40 sitzt, dazu dienen, ein Element zu schaffen, auf dem ein anderes Element angebracht werden kann. Die Fig.2 und 2A zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die keramische Verbundstruktur 40 mit dem darauf befindlichen Gehäuseelement 14 ein weiteres, geflanschtes Rohrelement 44 hat, das auf dem Gehäuseelement 14 angebracht ist. Das wird dadurch erreicht, daß die eingeschlossene Keramikstruktur mit einem Rohrelement 44 versehen wird, an dessen einem Ende sich ein Flansch 44a befindet. Das Rohrelement 44 kann eine feste, nichtperforierte Konstruktion sein, und es kann einen zweiten Flansch (nicht gezeigt) aufweisen, der am gegenüberliegenden Ende zu dem befestigt ist, an welchem der Flansch 44a angebracht ist, um eine geflanschte Leitung mit einem aus einer keramischen Verbundstruktur bestehenden Kern zu

schaffen, durch den eine Bohrung 42 führt. Das Rohrelement 44 kann an der Außenfläche des Flansches 44a (und an seinem gegenüberliegenden Ende) mit dem Lochzylinder 18 verschweißt werden, wobei mit Punktschweißung gearbeitet wird, wenn das gewünscht wird oder notwendig ist.

Ein Vorteil der Konstruktion, wie sie in den Fig. 2 und 2 A gezeigt wird, ist die Möglichkeit, die keramische Verbundstruktur in Eingriffskontakt mit einem erhitzten, durch Wärme ausgedehnten Lochzylinder 18 wachsen zu lassen, um nach dem Abkühlen eine schrumpfangepaßte, von Metall umschlossene Struktur mit einem Keramikkern zu schaffen. Der Vorteil des Verfahrens der Erfindung gegenüber den bekannten Methoden der Schrumpfpassung einer Metallmuffe übrr einem vorher bestehenden Keramikkern beruht auf der Tatsache, daß bei den bekannten Methoden die Forderung nach extrem engen Toleranzen auf dem Außendurchmesser des Keramikkerns und dem Innendurchmesser der Metallmuffe besteht. Diese engen Toleranzen sind notwendig, damit der Unterschied der Wärmeextraktion und -kontraktion zwischen dem Keramikkern und der Metallmuffe innerhalb eines schmalen Bereichs liegt, wodurch die erhitzte Muffe über den Keramikkern gleiten und sich nach dem Abkühlen zusammenziehen kann, um ein angemessenes Maß an Greif kraft auf dem Keramikkern zu entwickeln. Die engen Toleranzen sind außerdem erforderlich, um eine enge Übereinstimmung zwischen dem Metall und der Keramikfläche anzunehmen, um hohe Kontaktspannungen zu vermeiden, die zu einem Ausfall des Keramikkörpers führen können. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verlangt keine maschinelle Bearbeitung des Keramikkerns und des Metallzylinders, um diese engen Toleranzen zu erreichen. Stattdessen wird ein Metallzylinder von geeignetem Durchmesser ausgewählt, und die keramische Verbundstruktur wächst im und hin zur Innenfläche des Zylinders, um diesem eng anzuliegen und sich diesem anzupassen. Der Zylinder oder eine Innenauskleidung des Zylinders bilden ein Sperrelement, bis zu dem sich das Oxydationsreaktionsprodukt entwickeln kann, nicht aber über dieses hinaus, wodurch eine exakte, angepaßte Passung erreicht wird. Bei einem geeigneten Differential der Wärmeausdehnung zwischen dem Zylinder und dem Keramikkörper wird das richtige Maß an Vorspannung beim Abkühlen auf den Körper und die Anordnung übertragen. In den Fällen, in denen das Gehäusemetall keine Lochkonstruktion zu sein braucht, kann eine Muffe oder ein Rohrstück mit einer geeigneten nichtperforierten Bauweise darüber gepaßt werden, wie das in den Fig. 2 und 2 A durch das Rohrelement 44 gezeigt wird.

Die keramische Verbundstruktur, der das Gehäuseelement durch Schrumpfpassung eigenangepaßt wird, besteht, wie oben festgestellt wurde, aus einer Keramikmatrix, die einen Füllstoffeinbettet, der ein anpassungsfähiger Füllstoff oder ein geformter Vorformkörper sein kann, wie das oben ausführlich beschrieben wurde Eine geeignete Klasse von Füllstoffkomponenten schließt die chemischen Spezies ein, die unter den Temperatur- und Oxydationsbedingungen des Verfahrens nicht flüchtig sind, thermodynamisch stabil sind und nicht mit dem flüssigen Grundmetall reagieren oder sich übermäßig in diesem auflösen. Fachleute kennen zahlreiche Materialien, welche diese Kriterien für den Fall erfüllen, daß Aluminium das Grundmetall ist und Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel eingesetzt werden. Zu diesen Stoffen gehören die Einzelmetalloxide von: Aluminium, AI₂O₃; Zer CeO₂; Hafnium, HfO₂; Lanthan, La₂O₃; Neodym, Nd₂O₃; Praseodym, verschiedene Oxide; Samarium, Sm₂O₃; Skandium, Sc₂O₃; Thor, ThO₂; Uran, UO₂; Yttrium, Y₂O₃ und Zirkonium, ZrO₂. Außerdem ist in dieser Klasse von stabilen, feuerfesten Verbindungen eine große Zahl von binären, ternären und metallischen Verbindungen höherer Ordnung enthalten, so beispielsweise Magnepiuinaluminatspinell, MgO.AI₂O₃.

Eine zweite Klasse von geeigneten Füllstoffen oder Füllkomponenten sind die, welche in der oxydierenden und Hochtemperaturumgebung der bevorzugten Ausführungsbeispiele nicht eigentlich stabil sind, die jedoch auf Grund der relativ langsamen Kinetik der Zersetzungsreaktionen als Füllstoffphase in die wachsende keramische Matrix einbezogen werden können. Ein Beispiel von kommerzieller Bedeutung ist dafür SiC. Dieses Material würde unter den Bedingungen, die zur Oxydation von Aluminium mit Sauerstoff oder Luft nach der Erfindung notwendig sind, vollständig oxydieren, würde sich nicht über den SiC-Teilchen eine Schutzschicht aus Siliziumoxid bilden und diese bedecken, um die weitere Oxydation des SiC zu begrenzen. Diese schützende Siliziumoxidschicht ermöglicht es den SiC-Teilchen auch, zu sintern oder sich aneinander oder an andere Komponenten des Füllstoffes zu binden.

Zu einer dritten Klasse von geeigneten Fülimaterialien gehören die Füllstoffe, beispielsweise Kohlefasern, von denen aus thermodynamischen oder kinetischen Gründen nicht erwartet wird, daß sie bestimmte der oxydierenden Umgebungen überdauern, die für die Ausführung bestimmter Ausführungsbeispiele der Erfindung erforderlich sind, oder die Einwirkung des flüssigen Aluminiums bei der bevorzugten Ausführung, die aber mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kompatibel gemacht werden können, wenn 1.) die Umgebung weniger aktiv gemacht wird, beispielsweise durch die Verwendung von H₂O oder CO/CO₂ als den oxydierenden Gasen, oder 2.) auf diese ein Überzug aufgebracht wird, beispielsweise Aluminiumoxid, wodurch die Spezies in der oxydieienden Umgebung nichtreaktiv gemacht wird.

Im allgemeinen gehören zu den als brauchbar ermittelten Füllstoffen einer oder mehrere der folgenden, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumaluminiumoxynitrid, Zirkoniumoxid, Bariumtitanat, Bornitrid, Siliziumnitrid, Magnesiumaluminat, Eisenlegierungen, Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung, Kohlenstoff und Aluminium. Als weiteres Ausiührungsbeispiel der Erfindung kann der Zusatz von Dotierungsstoffen zum Metall den Oxydationsreaktionsprozeß günstig beeinflussen. Die Funktion oder Funktionen des Dotierungsmaterials können von einer Reihe anderer Faktoren als dem eigentlichen Dotierungsmaterial abhängig sein. Zu diesen Faktoren gehören beispielsweise das jeweilige Grundmetall, das gewünschte Endprodukt, die besondere Kombination von Dotierungsmitteln, wenn mit zwei oder mehr Dotierungsmitteln gearbeitet wird, die Verwendung eines außen aufgebrachten Dotierungsmittels in Verbindung mit einem legierten Dotierungsmittel, die Konzentration des Dotierungsmittels, die Konzentration des Dotierungsmittels, die oxydierende Umgebung und die Verfahrensbedingungen.

Das oder die Dotierungsmittel können vorgesehen werden als 1. Legierungsbestandteile des Grundmetalls, 2. können auf wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des Grundmetalleinbettungskörpers aufgebracht werden oder 3. können auf den Füllstoff oder einen Teil des Füllstoffbettes im Anschluß an den Quellenkörper des Grundmetalls aufgebracht werden, oder es kann mit einer Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Möglichkeiten (1), (2) und (3) gearbeitet werden. Beispielsweise können zwei oder mehrere in das Grundmetall legierte Dotierungsmittel in Verbindung mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln eingesetzt werden, die außen auf die gesamte oder einen Teil der Oberfläche des Einbettungskörpers des Grundmetallkörpers aufgebracht werden. Bei der 3. Möglichkeit, bei welcher das oder die Dotierungsmittel auf den Füllstoff aufgebracht werden, kann die Aufbringung auf jede geeignete Weise erfolgen, beispielsweise durch Dispergieren der Dotierungsmittel in einem Teil oder der gesamten Masse des Füllstoffes als Überzug auf den Füllstoffteilchen oder in Partikulatr'orm, wobei vorzugsweise wenigstens ein Abschnitt des Füllstoffbettes einbezogen wird, der unmittelbar an den

Einbettungskörper aus Grundmetall grenzt. Die Aufbringung jedes einzelnen Dotierungsmittels auf den Füllstoff kann auch durch Aufbringung einer Schicht von einam oder mehreren Dotierungsstoffen auf das und in das Füllstoffbett, einschließlich möglicherweise vorhandener Innenöffnungen, Zwischenräume, Durchführungen, zwischengefügter Räume oder ähnlichen, durch welche dieses durchlässig wird, erfolgen. Eine geeignete Methode zur Aufbringung eines Dotierungsmittels besteht darin, einfach das gesamte Bett des Füllstoffes in einer Flüssigkeit (z. 8. einer Lösung) des Dotierungsmaterials zu tränken. Eine Quelle des Dotierungsmaterials kann auch dadurch geschaffen werden, daß man einen starren Körper des Dotierungsmittels in Kontakt mit und zwischen wenigstens eine,» Abschnitt der Grundmetalloberfläche und das Füllstoffbett bringt. Beispielsweise kann eine dünne Schicht siliziumhaltigen Glases (nützlich als Dotierungsmittel für die Oxydation eines Aluminiumgrundmetalls) auf eine Oberfläche des Grundmetalls gebracht werden. Wenn das Aluminiumgrundmetall (das innen mit Mg dotiert sein kann), das von dem siliziumhaltigen Material überlagert ist, in einer oxydierenden Umgebung (z. B. bei Aluminium in Luft zwischen etwa 850°C und etwa 145O⁰C, vorzugsweise etwa 900⁰C bis etwa 135O⁰C) geschmolzen wird, erfolgt das Wachstum des polykristallinen Materials in das durchlässige Bett. Wenn das Dotierungsmittal außen auf wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des Grundmetalls aufgebracht wird, wächst die polykristalline Oxidstruktur innerhalb des durchlässigen Füllstoffes im wesentlichen über die Dotierungsschicht hinaus (d. h. bis über die Tiefe der aufgebrachten Dotierungsschicht hinaus). In jedem Fall können ein oder mehrere Dotierungsmittel außen auf die Grundmetallfläche aufgebracht und/oder das durchlässige Bett aufgebracht werden. Zusätzlich können Dotierungsmittel, die mit dem Grundmotall legiert wurden und/oder außen auf das Grundmetall aufgebracht wurden, durch Dotierungsmittel verstärkt werden, die auf das Füllstoffbett aufgebracht werden. So können mögliche Konzentrationsmängel an Dotierungsmitteln, die in das Grundmetall legiert und/oder außen auf das Grundmetall aufgebracht wurden, ergänzt werden durch eine zusätzliche Konzentration der (des) entsprechenden Dotierungsmittel(s) die auf das Bett aufgebracht werden, oder umgekehrt.

Dotierungsmittel, die für ein Aluminiumgrundmetall anwendbar sind, insbesondere mit Luft als dem Oxydationsmittel, schließen Magnesium, Zink und Silizium, entweder allein oder in Kombination miteinander oder in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, wie es vorstehend beschrieben wurde, ein. Diese Metalle oder eine geeignete Quelle der Metalle können in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentration von jeweils zwischen etwa 0,1 und 10 Gew.-% legiert werden, ausgehend vom Gesamtgewicht des resultierenden dotierten Metalls. Diese Dotierungsstoffe oder eine geeignete Quelle dafür, z. B. MgO, ZnO oder SiO₂, können außen auf das Grundmetall aufgebracht werden. So kann eine Keramikstruktur aus Aluminiumoxid aus einer Aluminium-Siliziumlegierung als Grundmetall bei Verwendung von Luft als Oxydationsmittel geschaffen werden, wenn man MgO als ein Oberflächendotierungsmittel in einer Menge von mehr als etwa 0,0008g je Gramm des zu oxydierenden Grundmetalls und von mehr als etwa 0,003g je Quadratzentimeter der Grundmetallfläche, auf welche das MgO aufgebracl wird, einsetzt.

Zu den weiteren Beispielen für Dotierungsstoffe, die bei Aluminiumgrundmetallen, welche in Luft oxydiert werden, vo jtzen sind, gehören Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, die einzeln oder in Kor .nation miteinander, in Abhängigkeit vom Oxydationsmittel und den Verfahrensbedingungen, eingesetzt werden können. Seltenerdelemente wie Zer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium sind ebenfalls nützliche Dotierungsmittel, und auch in diesem Fall gilt das besonders, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln eingesetzt werden. Alle diese Dotierungsmittel bewirken, wie das in den im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen erklärt wird, eine Förderung des Wachstums des polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes bei Systemen auf der Grundlage von Aluminiumgrundmetall.

Die keramischen Verbundstrukturen, welche durch die Ausführung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind in der Regel eine dichte, kohärente Masse, wobei etwa 5 bis etwa 98 Vol.-% des gesamten Volumens der Verbundstruktur aus einer oder mehreren der Füllstoffkomponenten, eingebettet in ein polykristallines Matrixmaterial, bestehen. Das polykristalline Matrixmaterial besteht in der Regel, wenn das Grundmetall Aluminium ist und Luft oder Sauerstoff das Oxydationsmittel, zu etwa 60 bis 98Gew.-% (des Gewichts des polykristallinen Materials) aus untereinander verbundenem Alpha-Aluminiumoxid und zu etwa 1 bis 40Gew.-% (gleiche Basis) aus nichtoxydierten Bestandteilen des Grundmetalls.

Die Vorspannungsmerkmale, die durch die vorliegende Erfindung erreicht werden, sind besonders geeignet für die Konstruktion und Fertigung von Körpern, die einem hohen Innendruck ausgesetzt werden, wie beispielsweise in Pistolentrommeln oder Pistolenrohren. Pistolentrommeln haben im typischen Fall eine Umgebung mit sehr hohem Innendruck, in denen Erosion, Korrosion und Kontaktverschleiß kombiniert sind, während gleichzeitig enge Toleranzen, Geradheit und, in vielen Fällen, eine Zuggeometrie verlangt wird. Nach dem gleichen Verfahren, wie es im Beispiel 1 veranschaulicht wird, kann eine keramischs Verbundstruktur mit Zug- oder Geradbohrung hergestellt werden, die eine Metallhülle hat, die in Schrumpfpassung aufgebracht wurde, um diesen Verbundkörper unter Druck zu setzen. Beim Zünden des Geschützrohres wird dieses unter Druck gesetzt und entlädt zuerst die Druckspannungen am Keramikverbundstoff, bevor darin Zugspannungen entstehen. Folglich kann der keramische Verbundstoff in der besonderen Konfiguration eine signifikant höhere Zugfestigkeit als in der nichtvorgespannten Konfiguration aufweisen.

Keramische Verbundstoffe, die eine ähnliche Zusammensetzung wie im Beispiel 1 hatten, wurden auf ihre Teilchenerosionsbeständigkeit geprüft, und es wurde festgestellt, daß sie bei diesen Tests im Verschleiß um das Zwei- oder Mehrfache niedriger liegen als die Stellite-Legierung. Stellite wird gegenwärtig in Maschinengewehren als Lauftrommelauskleidung eingesetzt. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft gegenüber früheren Versuchen, keramische Werkstoffe als Lauftrommelauskleidung einzusetzen, da sie ein einzigartiges Potential bietet, sehr große, keramisch ausgekleidete Trommeln sowie kleine Trommeln herzustellen

Die Erfindung wird durch das folgende, nichteinschränkende Beispiel weiter veranschaulicht.

Beispiel 1

Um eine keramische Verbundstruktur mit einer direkt darauf befindlichen Metallhülse herzustellen, wurde ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 492 mm aus einer Nickellegierung (entspricht 18 in der Fig. 1) mit einer Länge von 152,4mm mit einer Vielzahl von Löchern perforiert, die jeweils einen Durchmesser von 4,7625mm hatten. Die Löcher wurden über den gesamten zylindrischen Körper des Rohres mit Mitten von 9,525mm in einem gestaffelten Reihenmuster gebohrt. Als Innenauskleidung (entspricht der 16 in Fig. 1) für das gebohrte Nickellegierungs-Metallrohr wurde ein perforiertes Blech aus einer rostfreien

Stahllegierung mit einer Stärke von etwa 0,2032 mm bei einem Lochdurchmesser von 0,4064 mm verwondet. Die Löcher ergaben eine offene Fläche des Bleches von 22%. Der perforierte rostfreie Stahl wurde als Sperrelement für das Matrixwachstum der vorliegenden Beispiele gewählt.

Ein Grundmetallelement aus einer Aluminiumlegierung, die 10% Silizium und 3% Magnesium enthielt, bestand aus einem Grundmstallquellenkö'i.: .nd einem Grundmetallreservoirkörper, wie das in der Fig. 1 gezeigt wird. In diesem Beispiel wurde mit einem GrL'nri'v.oi ..^erei-vc·;. körper (der 34 in der Fig. 1 entspricht) gearbeitet, der eine nichtkonische, zylindrische Konfiguration von · -.- r.nn Durchmesser und 50,8 mm Höhe hatte, und der Grundmetailquellenkörper (der 36 in der Fig. 1 entspricht) hatte einen Durchmesser von 19,05mm und eine Länge von 152,4 mm und war durch eine Schraubengewindekonfiguration verbunden und in eine Masse aus Füllstoff (entspricht der Masse des anpassungsfähigen Füllstoffbettes 38 in den Fig. 1 und 1A) eingebettet, der aus einem Gemisch von 5Gew.-% kommerziellem Sand (Siliziumdioxid) und 95Gew.-% Aluminiumoxid, Korngröße 90, bestand. Das Füllstoffgemisch wurde 24 Stunden lang auf etwa 1250⁰C erhitzt, anschließend ließ man es auf Llmwelttemperatur abkühlen, dann wurde das abgekühlte Gemisch gemahlen und in das mit rostfreiem Stahl ausgekleidete, perforierte Nickellegierungsrohr gegeben. Der Grundmetallquellenkörper wurde mit einer Schicht Holzleim und Sand überzogen. Der Reservoirkörper wurde in ein Bett aus Aluminiumoxid, Korngröße 90, eingebettet, das sich in einer Kammer aus rostfreiem Stahl befand, welches dem Bauteil 12 in der Fig. 1 ent-pricht und im Boden (in der Fig. 1 einunnumeriertes)ein Loch mit einem Durchmesser von 50,8mm hat. Der Boden des Nickellegierungsrohres wurde mit dem Umfang des Loches verschweißt. Um die resultierende Anordnung in einer aufrechten Stellung zu halten, wurde der Abschnitt des Nickellegierungsrohres (entspricht 14 in der Fig. 1) in einen perforiert jn Stützzylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 88,9mm gegeben, dar mit Löchern mit «?inem Durchmesser von 2,38125mm versehen war, was eine offene Fläche des Stützzylinders von 40% ergab. Der Stützrylinder hatte eine Länge zum Halten der Reservoirkammer (entspricht 12 in der Fig. 1) oben auf dem Stützzylinder. Durch diese Anordnung wurde die Gruppe aus Grundmetall und Füllstoff in einer senkrechten Stellung gehalten, wobei sich der Reservoirkörper senkrecht direkt über dem Quellenkörper befand. Die resultierende, gestützte Anordnung wurde in einen feuerfesten, offenen Behälter gegeben und in einem Ofen mit einer Luftfltmosphäre 10 Stunden lang bei einer Temperatur von 1245°C erhitzt, 100 Stunden bei 1 245⁰C gehalten und dann über eine Zeitspanne von 30 Stunden auf 125°C abgekühlt, anschließend ließ man ihn auf Umwelttemperatur abkühlen. Innerhalb des Gehäuses des rostfreien Nickellegierungs-Stahlzylinders war ein keramischer Verbundstoff gewachsen und hatte die Füllstoffmasse eingebettet. Nach dem Abkühlen wurde festgestellt, daß das Inconel-Gehäuse eine sehr enge Passung um den keramischen Verbundkörper hat, und es wurde angenomman, daß dieser dem genannten keramischen Verbundkörper auf Grund des größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten übertragen hatte. Nach dem Entfernen des wiederverfestigten Grundmetalls aus der Bohrung des Keramikkörpers durch chemische (Chlorwasserstoff) und Bohrbehandlung, wurde eine Durchgangsbohrung freigelegt, welche umgekehrt die Schrauben-Gewinde-Konfiguration des ursprünglichen Quellenkörpers repolizierte.

Wie im vorstehenden Beispiel veranschaulicht, wurde durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung die direkte Anpassung des keramischen Verbundkörpers auf die Nickellegierungs-Hüis. erreicht, ohne daß es notwendig war, die Keramik-Metall-Grenzfläche zu schleifen.

Obwohl oben nur wenige exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute leicht erkennen, daß die vorliegende Erfindung viele Kombinationen und Varianten einschließt, die nicht ausgeführt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers, der durch ein Gehäuseelement unter Druckspannung gehalten wird, wobei der Verbundkörper aus einer Keramikmatrix, die durch die Oxydation eines Grundmetalls zur Bildung eines polykristallinen Materials gewonnen wird, welches aus dem Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel und, wahlweise, einem oder mehreren metallischen Bestandteilen gebildet wird, und einer Masse aus Füllstoff besteht, die durch die Matrix eingebettet wird, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt:

(a) Erhitzen des Grundmetalls auf einen Temperaturbereich über dessen Schmelzpunkt, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsproduktes, um einen Körper aus flüssigem Grundmetall zu bilden;

(b) Bringen des flüssigen Grundmetalls in Kontakt mit einem Füllstoff bei Vorhandensein eines Oxydationsmittels, wobei wenigstens ein Teil des Füllstoffes in dem Gehäuseelement enthalten und in Überdeckungsven iis mit einer Innenfläche des Gehäuseelementes ist, wodurch die Oberfläche eine Oberflächengrenze der Füllstoffmasse definiert, so daß die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes innerhalb der Füllstoffmasse und in einer Richtung hin zu oder längs der Oberflächengrenze erfolgt, und

. (c) Reagieren des flüssigen Metalls mit dem Oxydationsmittel innerhalb des genannten T "oeraturbereiches zur Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes. Halten von wenigstens t η Abschnitt des Oxydationsreaktionsproduktes in Kontakt mit und zwischen dem flüssigen Grundmetall und dem Oxydationsmittel, um fortlaufend flüssiges Grundmetall durch das Oxydationsreaktionsprodukt hin zu dem Oxydationsmittel zu ziehen, um innerhalb des Füllstoffes an der Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und dem vorher gebildeten Oxydationsreaktionsprodukt weiter das Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden und Weiterführen der Reaktion, bis das polykristalline Material den Füllstoff bis ^ur Oberflächengrenze infiltriert hat, um den keramischen Verbundkörper zu bilden, und Gewinnen des keramischen Verbundkörpers mit dem darauf eigenangepaßten Gehäuseelement, um den Verbundkörper unter Druckspannung zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall ein Aluminiumgrundmetall ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel aus einem sauerstoffhaltigen Gas besteht, das Oxydationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid besteht und der Temperaturbereich zwischen 850⁰C und 1450⁰C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas Luft ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dampfförmiges Oxydationsmittel einbezogen ist und wenigstens ein festes Oxydationsmittel oder ein flüssiges Oxydationsmittel in wenigstens einen Abschnitt des Füllstoffes einbezogen wird und auch das flüssige Grundmetall mit dem zusätzlichen Oxydationsmittel reagiert, wobei das polykristalline Material außerdem das Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls mit dem zusätzlichen Oxydationsmittel einschließt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Oxydationsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Siliziumdioxid, Bor und reduzierbaren Metailoxiden besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Silizium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Magnesiumaluminat und deren Gemischen besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein geeignetes Dotierungsmaterial in Verbindung mit dem Grundmetall verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel ein dampfförmiges Oxydationsmittel ist und daß das Gehäuseelement und der Füllstoff durchlässig für das dampfförmige Oxydationsmittel sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement aus einem inneren, netzartigen Auskleidungselement und einer äußeren, starren Hülle besteht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem rostfreien Stahl, einem CrNiFe-Metall, einem FeCrAI-Metall, einem FeCr-Legierungsmetall, einem CrNiMoFe-Legierungsmetall und einem Incoloy-Metall besteht.

13. Selbsttragende keramische Verbundstruktur, dadurch gekonnzeichnet, daß diese aus einem Füllstoff, einer polykristallinen keramischen Matrix, welche den Füllstoff einbettet, wobei sich die keramische Matrix aus einem untereinander verbundenen Oxydationsreaktionsprodukt eines Vorläufermetalls mit einem Oxydationsmittel und, wahlweise, aus einem oder mehreren metallischen Bestandteilen zusammensetzt und aus einem Gehäuseelement besteht, das dem Füllstoff überlagert ist, um die keramische Verbundstruktur durch die innige Überdeckung mit der keramischen Matrix, welche in situ durch Eigenpassung entwickelt wird, unter Druckspannung zu halten.

14. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus einem rostfreien Stahl, einem CrNiFe-Metall, einem FeCrAI-Metall, einem FeCr-Legierungsmetall, einem CrNiMoFe-Metall und einem Incoloy-Metall besteht.

15. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement aus einer zylindrischen Hülle besteht und der keramische Verbundkörper aus einem durch die Hülle umschlossenen Zylinder besteht.

16_k Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Matrix wenigstens 1 Vol.-% metallische Bestandteile einschließt.

17. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorläufermetall Aluminium ist und das Oxydationsreaktionsprodukt Alpha-Aluminiumoxid ist.

18. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Titan, Zirkonium und Stahl besteht.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement einen Koeffizienten d )r Wärmeausdehnung hat, der größer ist als der des keramischen Verbundkörpers.

20. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäustielement einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung hat, der größer ist als der des keramischen Verbundkörpers.

21. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement mit einer Schutzschicht ausgekleidet oder überzogen ist, welche einen beachtlichen Angriff des Grundmetalls, des Füllstoffes und des Oxydationsmittels auf das Gehäuseelement während der beschriebenen Verfahrensschritte verhindert.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall nach einem Muster geformt wird, das zumindest in einem Abschnitt umgekehrt zur Bohrung einer Geschütztrommel konfiguriert ist, und daß wenigstens ein Abschnitt des Musters vor dem Schritt (a) in dem Füllstoff eingebettet ist.

23. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Verbundstruktur und das Gehäuseelement eine Geschütztrommel oder eine Geschütztrommelauskleidung bilden.

24. Geschütztrommal, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer keramischen Auskleidung und einer die Auskleidung überlagerten Hülle besteht, um die Auskleidung unter Druckspannung zu halten, wobei die Auskleidung einen keramischen Füllstoff und eine polykristalline keramische Matrix aufweist, welche den genannten Füllstoff einbettet, und die polykristalline keramische Matrix im wesentlichen aus dem untereinander verbundenen Oxydationsreaktionsprodukt eines mit einem Oxydationsmittel reagierenden Grundmetalls und metallischen Bestandteilen und/oder Poren besteht.

25. Geschütztrommel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung eine mit den Zügen versehene Bohrung ist.

26. Geschütztrommel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Aluminiumoxid besteht und der keramische Füllstoff aus Aluminiumoxid besteht.

27. Geschütztrommel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Aluminium enthält.

28. Geschütztrommel nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium bis zu etwa 40Gew.-% der Matrix ausmacht.

29. Geschütztrommel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung aus der Oxydation des flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel in einer durchlässigen, rohrförmigen keramischen Vorform resultiert.

30. Geschütztrommel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung eine Bohrung hat, die aus der Verschiebung und der Oxydation des flüssigen Grundmetalls resultiert, wenn die Wand gebildet wird.

31. Geschütztrommel nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung aus der Oxydation des flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel in einer porösen Masse eines keramischen Partikulatfüllstoffes, der einen Metallstab umgibt, und der Infiltration und dem Wachstum des resultierenden keramischen Oxydationsreaktionsproduktes in und durch die Füllstoffmasse resultiert, wenn das flüssige Metall von dem Stab kontinuierlich durch das Reaktionsprodukt gezogen wird.

32. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung hat, der größer ist als der des genannten keramischen Verbundkörpers.

33. Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseelement einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung hat, der größer ist als der des keramischen Verbundkörpers.