DD301859A9

DD301859A9 - Verfahren zur Bildung von Makroverbundkoerpern durch selbsterzeugte Vakuumtechnologien und daraus hergestellte Produkte

Info

Publication number: DD301859A9
Application number: DD34281890A
Authority: DD
Inventors: Robert Campbell Kantner; Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1994-05-26
Also published as: IL94958A; NO902980D0; FI903608A0; PL167044B1; JP3256219B2; YU47110B; FI91612C; IL94958A0; JPH03138329A; EP0409764A3; FI91612B; CA2020675A1; CN1033046C; PL286090A1; AU5877390A; ZA905589B; YU139990A; ATE119509T1; DE69017545T2; KR910002739A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Bildung von Makroverbundkörpern, die einen Metallmatrixverbundkörper aufweisen, der wenigstens an einen Abschnitt wenigstens eines zweiten Materials gebunden ist. Dabei wird ein geeignetes, typischerweise geschmolzenes Matrixmetall in einem undurchlässigen Behälter, der außerdem wenigstens zeitweise eine reaktive Atmosphäre enthält, mit einer permeablen Masse eines Füllstoffs bzw. einer permeablen Vorform in Berührung gebracht, die ihrerseits mit einem zweiten Material in Kontakt stehen. Unter dem Einfluß der Umsetzung zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoff oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter entsteht ein selbsterzeugtes Vakuum, das eine Vakuuminfiltration des geschmolzenen Matrixmetalls in und durch den Füllstoff bzw. die Vorform bis zu dem zweiten Material bewirkt bzw. unterstützt, ohne daß von außen ein Druck oder ein Vakuum angelegt werden. Nach dem Abkühlen unter Erstarrung des Matrixmetalls wird ein Makroverbundkörper erhalten, in dem eine feste Bindung zu dem zweiten Material ausgebildet ist.{Metallmatrixverbundkörper; Makroverbundkörper; Matrixmetalle; Füllstoffe; Vorformen; zweites Material}

Description

Hierzu 12 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Makroverbundkörpern. Im einzelnen wird eine Masse von Füllmaterial oder eine Vorform anliegend oder im Kontakt mit wenigstens einem zweiten Material angeordnet. Die Masse des Füllmaterials oder die Vorform werden dann bei Anwesenheit einer geeigneten reaktiven Atmosphäre in einem undurchlässigen Behälter mit einem flüssigen Matrixmetall in Kontakt gebracht, und zu wenigstens einem Punkt während des Verfahrens tritt zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall und/oder der Masse des Füllmaterials oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter eine Reaktion auf, welche das Infiltrieren des flüssigen Matrixmetalls in die Masse des Füllmaterials oder die Vorform auf Grund, zumindest teilweise, der Erzeugung eines selbsterzeugten Vakuums bewirkt. Diese selbsterzeugte

Vakuuminfiltration erfolgt ohne die Anwendung eines äußeren Drucks oder Vakuums. Zu einem Punkt während des Matrixmetallinfiltrationsprozesses kontaktiert das Matrixmetall das wenigstens eine zweite Material. Nach Abkühlung des Matrixmetalls auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls wird ein Makroverbundkörper gebildet, dereinen Metallmatrixverbundkörper umfaßt, welcher an wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials gebunden ist.

Ausgangssituation der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einem Grundmetall und einer festigenden oder verstärkenden Phase, wie dispersen keramischen Bestandteilen, Whiskern, Fasern oder ähnlichen, bestehen, sind vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen, weil sie eine gewisse Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der verstärkenden Phase mit der Dehnbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix verbinden. Im allgemeinen weist ein Metallmatrixverbundstoff Verbesserungen bei solchen Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Beibehaltung der Festigkeit bei erhöhten Temperaturen gegenüber dem Grundmetall in monolithischer Form auf, der Grad aber, in welchem eine gegebene Eigenschaft verbessert sein kann, ist wesentlich von den speziellen Bestandteilen, deren Volumen- öder Gewichtsfraktion und davon abhängig, wie sie bei der Bildung des Verbundstoffes verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundstoff auch von geringerem Gewicht als das Grundmetatl an sich sein. Aluminiummatrixverbundstoffe, die mit keramischen Stoffen, wie Siliciumcarbid in Partikulat-, Plättchen-oder Whiskerform, verstärkt sind, sind beispielsweise auf Grund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit im Verhältnis zu Aluminium von Interesse.

Es wurden verschiedene metallurgische Verfahren für die Fertigung von Aluminiummatrixverbundstoffen beschrieben,-einschließlich solcher Methoden, die auf Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrationstechniken basieren, bei denen Druckguß-, Vakuumguß-, Rühr- und Benetzungsmittel genutzt wurden.

Bei Pulvermetallurgietechniken werden das Metall in Form eines Pulvers und das Verstärkungsmaterial in Form eines Pulvers, von Whiskern, zerkleinerten Fasern usw. miteinander gemischt und dann entweder kaltgepreßt und gesintert oder warmgepreßt. Die Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen durch Pulvermetallurgietechniken unter Anwendung herkömmlicher Verfahren legt hinsichtlich der Charakterisierung der erreichbaren Produkte bestimmte Beschränkungen auf. Die Volumenfraktion der keramischen Phase im Verbundstoff ist begrenzt, bei dispersen Bestandteilen im typischen Fall auf etwa 40%. Außerdem auferlegt der Preßvorgang eine Grenze für die erreichbare praktische Größe. Ohne anschließende Bearbeitung (z. B. Formen oder maschinelles Bearbeiten) oder ohne Zuhilfenahme komplexer Pressen sind nur verhältnismäßig einfache Erzeugnisformen möglich. Außerdem kann während des Sinternsein ungleichmäßiges Schrumpfen sowie Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur auf Grund von Selgerung in den Preßlingen und Kornwachstum auftreten.

US-PS 3970136 vom 20.JuIi 1976, J.C.Cannell u.a., beschreibt ein Verfahren zur Bildungeines Metallmatrixverbundstoffes unter Einbeziehung einer fasrigen Verstärkung, z.B. von Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxidwhiskern, der ein festgelegtes Schema der Faserorientierung hat. Der Verbundstoff wird so hergestellt, daß parallele Matten oder Filze von coplanaren Fasern in eine Form mit einem Reservoir des flüssigen Grundmetalls, z. B. Aluminium, zwischen wenigstens einigen der Matten gegeben werden und Druck auf die Metallschmelze ausgeübt wird, um die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umschließen. Metallschmelze kann auf den Mattenstapel gegossen werden, während sie unter Druck zum Fließen zwischen den Matten gebracht wird. Es wurden Füllungen bis zu etwa 50 Vol.-% der Verstärkungsfaser angegeben. Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß unterliegt angesichts der Abhängigkeit von äußerem Druck, um das flüssige Grundmetall durch den Stapel fasriger Matten zu drücken, den Unwägbarkeiten von druckinduziertem Fließverfahren, d.h., möglicher Ungleichmäßigkeit der Matrixbildung, Porosität usw. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist selbst dann möglich, wenn die Metallschmelze an einer Vielzahl von Stellen innerhalb der fasrigen Anordnung eingeführt wird. Folglich müssen komplizierte Matten-Reservoir-Anordnungen und Fließbahnen geschaffen werden, um eine angemessene und einheitliche Durchdringung des Stapels der Fasermatten zu erreichen.

Außerdem gestattet die genannte Druckinfiltrationsmethode nur eine verhältnismäßig geringe Verstärkung der Matrixvolumenfraktion, was auf die Schwierigkeiten zurückzuführen ist, die der Infiltration eines großen Mattenvolumens eigen sind. Außerdem müssen die Formen die Metallschmelze unter Druck enthalten, wodurch sich die Kosten des Verfahrens erhöhen. Schließlich ist das genannte Verfahren, das auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht auf die Bildung von Metallmatrixverbundstoffen gerichtet, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.

Bei der Fertigung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxidfüllstoff-Verbundstoffen benetzt das Aluminium das Aluminiumoxid nicht ohne weiteres, wodurch es schwierig ist, ein kohärentes Produkt herzustellen. Gleiche Erwägungen gelten bei anderen Grundmetall-Füllstoff-Kombinationen. Es wurden verschiedene Lösungen dieses Problems vorgeschlagen. Eines dieser Verfahren besteht darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall (z. B. Nickel oder Wolfram) zu beschichten, welches dann zusammen mit dem Aluminium warmgepreßt wird. Bei einer anderen Methode wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Sliciumdioxid beschichtet werden. Diese Verbundstoffe weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abschwächen, oder die Matrix enthält Lithium, was die Eigenschaften der Matrix beeinträchtigen kann.

US-PS 4232091 von R.W.Grishaw u.a. überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf dem Gebiet, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxid-Verbundstoffen auftreten. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um Aluminiumschmelze (oder flüssige Aluminiumlegierung) in eine fasrige oder Whiskermatte aus Aluminiumoxid zu drücken, die auf 700°C bis 1050°C vorerhitzt worden ist. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall in dem resultierenden festen Gußstück beträgt 1:4. Auf Grund der Abhängigkeit von äußerer Kraft zum Erreichen der Infiltration unterliegt dieses Verfahren vielen der Mängel, die oben für das Patent von Cannell u.a. angegeben wurden. EP-PA 115742 beschreibt die Herstellung von Aluminium-Aluminiumoxid-Verbundstoffen, die besonders als Komponenten elektrolytischer Zellen geeignet sind, durch Füllen der Hohlräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit flüssigem Aluminium. Die Anmeldung unterstreicht die Nichtbenetzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und daher werden

verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid überall in der Vorform zu benetzen. Beispielsweise wird das Aluminiumoxid mit einem Benetzungsmittel aus einem Diborid von Titan, Zirconium, Hafnium oder Niob oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Calcium, Than, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium, beschichtet. Um das Benetzen zu erleichtern, wird mit einer inerten Atmosphäre, wie Argon, gearbeitet. Diese Referenz zeigt auch den Einsatz von Druck, um das Durchdringen einer unbeschichteten Matrix durch Aluminiumschmelze zu bewirken. Nach diesem Aspekt wird die Infiltration durch Evakuieren der Poren und anschließende Ausübung von Druck auf die Aluminiumschmelze in einer inerten Atmosphäre, z. B. Argon, erreicht. Als Alternative dazu kann die Vorform durch Dampfphasenablagerung von Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Hohlräume durch Infiltration mit flüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Halten des Aluminiums in den Poren der Vorform zu gewährleisten, ist eine Wärmebehandlung, z. B. bei 1400⁰C bis 1800⁰C, entweder im Vakuum oder in Argon erforderlich. Andernfalls führen entweder die Exponierung des druckinfiltrierten Materials gegenüber Gas oder die Wegnahme des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust des Aluminiums aus dem Körper.

Der Einsatz von Benetzungsmitteln, um die Infiltration einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit einer Metallschmelzezu bewirken, wird auch in der EP-PA 94353 gezeigt. Diese Pulbikation beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytisches Metallgewinnen mit einer Zelle, die eine Katodenstromspeiseleitung als Zellbeschichtung oder -substrat hat. Um dieses Substrat vor flüssigem Kryolith zu schützen, wird vor dem Anfahren der Zelle oder während des Eingetauchtseins in das durch den'elektrolytischen Prozeß hergestellte Aluminium ein dünner Überzug'eines Gemisches aus einem Benetzungsmittel und einem Löslichkeitsunterdrücker auf das Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht. Als Benetzungsmittel werden Titan, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium offengelegt, und Titan wird als das bevorzugte Mittel angegeben. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in der Aluminiumschmelze angegeben. Die Referenz sieht jedoch nicht die Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen vor.

Neben der Anwendung von Druck und Benetzungsmitteln wurde offengelegt, daß ein angelegtes Vakuum das Eindringen der Aluminiumschmelze in ein keramisches, poröses Preßteil unterstützt. Beispielsweise berichtet US-PS 3718441 vom 21. Februar 1973, R. L. Landingham, über die Infiltration eines keramischen Preßteils (z. B. Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) durch flüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10~^eTorr. Ein Vakuum von 10~²bis 10"* Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch die Metallschmelze in einem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die keramischen Hohlräume floß. Es wurde jedoch angegeben, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10~^e Torr verringert wurde.

US-PS 3864154 vom 4. Februar 1975, G.E.Gazza u.a., zeigt ebenfalls die Anwendung von Vakuum zum Erreichen von Infiltration. Das Patent beschreibt die Einbringung eines kaltgepreßten Preßteils aus AIB₁₂-PuIvCr auf ein Bett aus kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde oben auf das Preßteil aus AIB₁₂-Pulver weiteres Aluminium gegeben. Der Schmelztiegel, der mit dem AIB₁₂-Preßteil, zwischen die Schichten des Aluminiumpulvers geschichtet, beladen war, wurde in einen Vakuumofen gebracht. Der Ofen wurde auf etwa 10"⁶ Torr evakuiert, um das Entgasen zu ermöglichen. Anschließend wurde die Temperatur erhöht und 3 Stunden bei 1100⁰C gehalten. Unter diesen Bedingungen drang die Aluminiumschmelze in das poröse AIB₁₂-Preßteil ein.

Eine Methode zur Herstellung von Verbundstoffen, die ein verstärkendes Material, wie Fasern, Drähte, Pulver, Whisker oder ähnliches, enthalten, wird in der EP-PA 045002, die am 3. Februar 1982 auf den Namen von Donomoto veröffentlicht wurde, offengelegt. Ein Verbundmaterial wird so hergestellt, daß ein poröses, verstärkendes Material (z. B. ausgerichtete Fasern von Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder Bor), das mit der Atmosphäre nichreaktiv ist, und eine Metallschmelze (z.B. Magnesium oder Aluminium) in einen Behälter mit einem offenen Abschnitt gegeben werden, in den Behälter im wesentlichen reiner Sauerstoff geblasen wird, dieser Behälter dann in einen Pool der Metallschmelze getaucht wird, wodurch die Metallschmelze die Zwischenräume des verstärkenden Materials infiltriert. Die Publikation legt offen, daß die Metallschmelze mit dem im Behälter vorhandenen Sauerstoff reagiert, um eine feste, oxydierte Form des Metalls zu bilden, wobei im Behälter ein Vakuum entsteht, welches Metallschmelze durch die Zwischenräume des verstärkenden Materials und in den Behälter zieht. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel legt die Publikation die Anordnung eines Sauerstoff-Getter-Elementes (z. B. Magnesium) innerhalb des Behälters offen, um mit dem Sauerstoff in dem Behälter zu reagieren und ein Vakuum zu schaffen, welches, unterstützt durch die Unterdrucksetzung der Metallschmelze durch 50kg/cm² Argon, die Metallschmelze (z. B. AJuminium) in den Behälter zieht, der mit dem verstärkenden Material (z.B. ausgerichteten Kohlenstoffasern)gefüllt ist.

US-PS 3867177 vom 18. Februar 1975, J.J.Ott u.a., legt eine Methode zur Imprägnierung eines porösen Körpers mit einem Metall offen, wobei der Körperzuerst mit einem „Aktivatormetair kontaktiert und dann der Körper in ein „Füllmetair eingetaucht wird. Im einzelnen werden eine poröse Matte oder ein verdichteter Körper aus Füllmaterial in ein flüssiges Aktivatormetall über eine ausreichende Zeitspanne getaucht, um die Zwischenräume des Körpers vollständig mit flüssigem Aktivatormetall nach der Methode von Reding u.a., Patent 3364976, das unten behandelt wird, zu füllen. Anschließend, nachdem sich das Aktivatormetall verfestigt hat, wird der Verbundkörper vollständig in ein zweites Metall getaucht und in diesem über eine ausreichende Zeitspanne gehalten, damit das zweite Metall das Aktivatormetall im gewünschten Umfang ersetzen kann. Dann läßt man den gebildeten Körper abkühlen. Möglich ist es auch, das Füllmaterial zumindest teilweise aus dem Innern des porösen Körpers zu entfernen und mit wenigstens einem dritten Metall zu ersetzen, wiederum durch teilweises oder vollständiges Eintauchen des porösen Körpers in ein flüssiges Austauschmaterial über eine ausreichende Zeitspanne, um eine gewünschte Menge des Austauschmetalls in den porösen Körper hinein aufzulösen oder zu diffundieren. Der resultierende Körper kann auch intermetallische Phasen der Metalle in den Zwischenräumen zwischen dem Füllmaterial enthalten. Die Anwendung eines mehrstufigen Verfahrens, einschließlich des Einsatzes eines Aktivatormetalls zur Bildung eines Verbundstoffes mit der gewünschten Zusammensetzung, ist zeitlich wie auch finanziell aufwendig. Außerdem beschränken die Begrenzungen hinsichtlich der Verarbeitung auf der Grundlage von z.B. der Kompatibilität der Metalle (d.h. der Löslichkeit, des Schmelzpunktes, der Reaktivität usw.) die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials für einen gewünschten Zweck maßzuschneidern.

US-PS 3529655 vom 22.September 1970, G.D.Lawrence, legt ein Verfahren zur Bildung von Verbundstoffen aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen und Siliciumcarbidwhiskern offen. Im einzelnen wird eine Form, die wenigstens eine Öffnung zur Atmosphäre hat und im Innenvolumen der Form Siliciumcarbidwhisker enthält, in ein Bad aus Magnesiumschmelze getaucht,

so daß sich alle Öffnungen in der Form unter der Oberfläche der Magnesiumschmelze über eine ausreichende Zeitspanne befinden, damit das Magnesium das verbleibende Volumen des Formhohlraums füllen kann. Es wird gesagt, daß die Metallschmelze, wenn sie in den Formhohlraum eintritt, mit der darin enthaltenen Luft reagiert, um geringe Mengen an Magnesiumoxid und Magnesiumnitrid zu bilden, wodurch ein Vakuum entsteht, das zusätzlich Metallschmelze in den Hohlraum und zwischen die Whisker des Siliciumcarbids zieht. Anschließend wird die gefüllte Form aus dem flüssigen Magnesiumbad genommen, und man läßt das Magnesium in der Form fest werden.

US-PS 3364976 vom 23. Januar 1968, John N. Reding u.a., legt die Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper offen, um das Eindringen einer Metallschmelze in den Körper zu vergrößern. Im einzelnen wird ein Körper, z. B. eine Graphitform oder eine Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in eine Metallschmelze, z. B. Magnesium, Magnesiumlegierung oder Aluminiumlegierung, eingetaucht. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas, z. B. Luft, das mit der Metallschmelze reaktiv ist, gefüllt ist, mit dem außen befindlichen flüssigen Metall durch wenigstens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, erfolgt das Füllen des Hohlraumes, da bei der Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und der Metallschmelze ein Vakuum erzeugt wird. Das Vakuum ist insbesondere das Ergebnis der Bildung einer festen, oxydierten Form des Metalls.

US-PS 3396777 vom 13. August 1968, John N. Reding jr., legt die Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums zur Verstärkung des Eindringens einer Metallschmelze in einen Körper aus Füllmaterial offen. Im einzelnen beschreibt das Patent einen Stahl- oder Eisenbehälter, der an einem Ende zur Atmosphäre hin offen ist, wobei der Behälter einen porösen, festen Partikulatstoff, z.B. Koks oder Eisen, enthält, und der am offenen Ende mit einem Deckel versehen ist, welcher Perforationen oder Durchgangslöcher von kleinerem Durchmesser als die Teilchengröße des porösen, festen Füllmaterials aufweist. Der Behälter nimmt innerhalb der Porosität des Füllstoffs auch eine Atmosphäre, z. B. Luft, auf, die zumindest teilweise mit der Metallschmelze, z. B. Magnesium, Aluminium usw., reaktiv ist. Der Deckel des Behälters ist in ausreichende Tiefe unter die Oberfläche der Metallschmelze getaucht, um den Eintritt von Luft in den Behälter zu verhindern, und der Deckel wird über eine ausreichende Zeitspanne unter der Oberfläche gehalten, damit die Atmosphäre im Behälter mit der Metallschmelze reagieren kann, um ein festes Produkt zu bilden. Die Reaktion zwischen der Atmosphäre und der Metallschmelze führt innerhalb des Behälters und des porösen, festen Stoffs zu niedrigem Druck oder im wesentlichen Vakuum, welche die Metallschmelze in den Behälter und in die Poren des porösen, festen Stoffs ziehen.

Das Verfahren von Reding jr. ist gewissermaßen mit den Verfahren verwandt, die in der EP-PS 045002 und in den US-PS 3867177, 3529 655 und 3364 976 beschrieben werden, die alle vorstehend behandelt wurden. Im einzelnen sieht dieses Patent von Reding jr. ein Bad flüssigen Metalls vor, in welches ein Behälter, der einen Füllstoff enthält, ausreichend tief eingetaucht wird, um eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und der Metallschmelze zu induzieren und um den Hohlraum mit dem flüssigen Metall abzudichten. Nach einem anderen Aspekt dieses Patentes wird die Oberfläche des flüssigen Bades des Grundmetalls, das im flüssigen Zustand der Oxydation unterliegen kann, wenn es mit der umgebenden Luft in Kontakt kommt, mit einer Schutzschicht oder einem Flußmittel bedeckt. Das Flußmittel wird ausgespült, wenn der Behälter in das flüssige Metall eingeführt wird, trotzdem können aber Kontaminanten aus dem Flußmittel in das Bad des flüssigen Grundmetalls und/oder in den Behälter und das zu infiltrierende, poröse feste Material einbezogen werden. Diese Kontamination kann selbst bei sehr niedrigen Werten schädlich für die Bildung des Vakuums im Behälter sowie für die physikalischen Eigenschaften des resultierenden Verbundstoffs sein. Außerdem kann auf Grund der Gravitationskräfte bei der Entnahme des Behälters aus dem Bad des flüssigen Grundmetalls und der Ableitung von überschüssigem Grundmetall aus dem Behälter ein Verlust an Grundmetall aus dem infiltrierten Körper auftreten.

Demzufolge besteht seit langem die Notwendigkeit eines einfachen und zuverlässigen Verfahrens für die Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen und Makroverbundkörpern, die Metallmatrixverbundstoffe enthalten, welches sich nicht auf die Anwendung eines von außen zugeführten Drucks oder Vakuums, schädigenden Benetzungsmitteln oder die Verwendung eines Pools von flüssigem Matrixmetall mit den oben genannten, ihnen innewohnenden Nachteilen stützt. Außerdem besteht seit langem die Forderung nach einem Verfahren, welches die abschließenden maschinellen Bearbeitungsoperationen minimiert, die zur Herstellung eines Metallmatrixverbundkörpers oder eines Makroverbundkörpers, der einen Metallmatrixverbundkörper enthält, erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Forderungen durch die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung von Makroverbundkörpern, welches ein selbsterzeugtes Vakuum einschließt zur Infiltration eines Materials (z. B. eines keramischen Materials), das zu einer Vorform geformt werden kann, durch ein flüssiges Matrixmetall (z. B. Aluminium, Magnesium, Bronze, Kupfer, Gußeisen usw.) bei Anwesenheit einer reaktiven Atmosphäre (z. B. Luft, Stickstoff, Sauerstoff usw.) unter normalen atmosphärischen Drücken.

Diskussion von verwandten Patenten und Patentanmeldungen derselben Anmelder

Eine neuartige Methode zur Bildung eines Metallmatrixverbundstoffs durch Infiltration einer durchlässigen Masse eines Füllstoffs, weichein einer Keramikmatrixverbundform enthalten ist, wird in US-PA, Serien-Nr. 142385, vom 11.Januar 1988, Dwivedi u.a., unter dem Titel „Method of Making Metal Matrix Composites" (Methode zur Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen) offenbart, die nun in den USA bestätigt wurde. Nach der Methode der Erfindung von Dwivedi u.a. wird eine Form durch die gerichtete Oxydation eines flüssigen Vorläufermetalls oder Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel gebildet, um ein polykristallines Oxydationsreaktionsprodukt zu entwickeln oder wachsen zu lassen, welches wenigstens einen Abschnitt einer Vorform einbettet, die aus einem geeigneten Füllstoff (als „erster Füllstoff" bezeichnet) besteht. Die gebildete Form des Keramikmatrixverbundstoffs wird dann mit einem zweiten Füller versehen, und der zweite Füllstoff und die Form werden mit Metallschmelze in Kontakt gebracht und der Inhalt der Form hermetisch abgedichtet, im typischsten Fall durch Einführung von wenigstens einer Metallschmelze in den Eingang oder die Öffnung, welche die Form verschließen. Die hermetisch abgeschlossene Einbettung kann mitgeführte Luft enthalten, aber die mitgeführte Luft und der Forminhalt sind isoliert oder hermetisch verschlossen, um so die Außen- oder Umgebungsluft auszuschließen oder abzuschalten. Durch die Schaffung der hermetischen Umgebung wird eine wirksame Infiltration des zweiten Füllstoffs bei mäßigen Temperaturen der Metallschmelze erreicht, wodurch die Notwendigkeit von Benetzungsmitteln, speziellen Legierungsbestandteilen im flüssigen

Matrixmetall, zugeführtem mechanischen Druck, angelegtem Vakuum, speziellen Gastemperaturen oder anderen Infiltrationshilfsmitteln überflüssig oder ausgeschaltet wird.

Die oben beschriebene, im gleichen Besitz befindliche Patentanmeldung beschreibt eine Methode für die Herstellung eines Metallmatrixverbundkörpers, der an einen Keramikmatrixverbundkörper gebunden sein kann, und die nach dieser Methode hergestellten neuartigen Körper.

Eine andere, ebenfalls hiermit im Zusammenhang stehende und im gleichen Besitz befindliche Patentanmeldung ist US-PA, Serien-Nr.368284 vom 15. März 1988, Michael K.Aghajanian und Marc S. Newkirk, mit dem Titel „Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same" (Metallmatrixverbundstoffe und Methoden zu ihrer Herstellung). Nach den in dieser US-PA offengelegten Methoden ist eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle für Metall und als ein Reservoir für Matrixmetallegierung vorhanden, das mit der ersten Quelle für Metallschmelze auf Grund von beispielsweise Schwerkraftstrom in Verbindung steht. Im einzelnen beginnt unter den in dieser Patentanmeldung beschriebenen Bedingungen die erste Quelle von flüssiger Metallegierung die Masse des Füllmaterials unter normalen atmosphärischen Drücken zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrixverbundstoffs. Die erste Quelle der flüssigen Matrixmetallegierung wird während der Infiltration in die Masse des Füllmaterials verbraucht und kann, wenn das gewünscht wird, aufgefüllt werden,vorzugsweise durch kontinuierliche Mittel, aus dem Reservoir des flüssigen Matrixmetalls, wenn die Infiltration fortschreitet. Wenn eine gewünschte Menge des durchlässigen Füllstoffs durch die flüssige Matrixlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur gesenkt, um die Legierung erstarren zu lassen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, welche das verstärkende Füllmaterial einbettet. Es sollte beachtet werden, daß die Verwendung eines Reservoirs von Metall nur ein Ausführungsbeispiel der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Erfindung ist, und es ist nicht notwendig, dieses Reservoir-Ausführungsbeispiel mit jedem der alternativen Ausführungsbeispiele der hier offenbarten Erfindung zu kombinieren, von denen einige vorteilhaft auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden könnten.

Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorhanden sein, daß es eine ausreichende Menge an Metall darstellt, um die durchlässige Masse des Füllmaterials bis zu einem festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Als Alternative dazu kann ein wahlweises Sperrelement die durchlässige Masse des Füllstoffs auf wenigstens einer Seite berühren, um eine Oberflächengrenze zu definieren.

Während die Zufuhr an eingesetzter flüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um ein Fortschreiten der Infiltration im wesentlichen bis zu den Grenzen (z. B. Sperrelementen) der durchlässigen Masse an Füllmaterial zu ermöglichen, könnte die Menge der vorhandenen Legierung im Reservoir aber auch diese ausreichende Menge übersteigen, so daß nicht nur eine ausreichende Menge der Legierung vorhanden ist, um die vollständige Infiltration zu gewährleisten, sondern überschüssige flüssige Metallegierung zurückbleiben und am Metallmatrixverbundkörper haften könnte. Folglich ist, wenn überschüssige flüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundkörper (z.B. ein Makroverbundkörper), bei welchem ein infiltriertes Füllmaterial mit einer darin befindlichen Metallmatrix direkt an überschüssiges Metall gebunden ist, welches im Reservoir bleibt.

Eine Methode zur Bildung von Makroverbundkörpern in einem hiermit verwandten Verfahren wird in der hiermit im Zusammenhang stehenden und im gleichen Besitz befindlichen US-PA vom 7.JuIi 1989, Marc S. Newkirk u.a., „Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby" (Methoden zur Bildung von Makroverbundkörpern und nach diesen Methoden hergestellte Makroverbundkörper), offengelegt. Diese Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der PA, Serien-Nr.368564 vom 20. Juni 1989, Marc S. Newkirk u.a., .Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby" (Methoden zur Bildung von Makroverbundkörpern und nach diesen Methoden hergestellte Makroverbundkörper), die wiederum eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 269464 vom 10. November 1988, Marc S. Newkirk u.a., „Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby" (Methoden zur Bildung von Makroverbundkörpern und nach diesen Methoden hergestellte Makroverbundkörper) ist. Diese Anmeldungen offenbaren verschiedene Methoden im Zusammenhang mit der Bildung von Makroverbundkörpern durch spontane Infiltration einer durchlässigen Masse von Füllmaterial oder einer Vorform mit flüssigem Matrixmetall und Bindung des spontan infiltrierten Materials an wenigstens ein zweites Material, wie eine Keramik und/oder ein Metall. Im einzelnen sind ein Infiltrationssteigerungsmittel und/oder ein Vorläufereines Infiltrationssteigerungsmittels und/oder eine infiltrierende Atmosphäre mit einem Füllmaterial oder einerVorform zumindest zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung, was es dem flüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Außerdem werden vor der Infiltration das Füllmaterial oder die Vorform mit wenigstens einem Abschnitt eines zweiten Materials in Kontakt gebracht, so daß das infiltrierte Material nach der Infiltration des Füllmaterials oder der Vorform an das zweite Material gebunden ist, wodurch ein Makroverbundkörper gebildet wird.

Eine Methode zur Bildung von Metallmatrixverbundkörpern durch ein Verfahren des selbsterzeugten Vakuums, die dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, wird in einer hiermit im Zusammenhang stehenden und im gleichen Besitz befindlichen US-PA vom 18.JuIi 1989, Robert C. Kantner u.a., „A Method of Forming Metal Matrix Composite Bodies by a Self-Generated Vacuum Process and Products Produced Therefrom" (Methode zur Bildung von Metallmatrixverbundkörpern nach einem Verfahren mit selbsterzeugtem Vakuum und nach dieser Methode hergestellte Produkte), offenbart. Diese Patentanmeldung offenbart eine Methode, nach welcher flüssiges Matrixmetall mit einem Füllmaterial oder einer Vorform bei Anwesenheit einer reaktiven Atmosphäre in Kontakt gebracht wird und das flüssige Matrixmetall wenigstens zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig mit der reaktiven Atmosphäre reagiert, wodurch die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial oder die Vorform auf Grund, zumindest teilweise, der Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums bewirkt wird. Diese selbsterzeugte Vakuuminfiltration tritt ohne Zuführung eines äußeren Drucks oder Vakuums auf.

Die vollständigen Offenbarungen der oben beschriebenen, im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen sind hier ausdrücklich als Referenz einbezogen.

Summarische Darstellung der Erfindung

Bei der Methode der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Metallmatrixverbundkörper durch eine neuartige Technik eines selbsterzeugten Vakuums produziert, wobei eine Matrix- oder Grundmetallschmelze eine durchlässige Masse des Füllmaterials oder eine Vorform infiltriert, welche sich in einem undurchlässigen Behälter befindet. Im einzelnen sind sowohl eine Matrixmetallschmelze als auch eine reaktive Atmosphäre mit einer durchlässigen Masse, zumindest zu einem Punkt während des Verfahrens, in Verbindung, und nach dem Kontakt zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter wird ein Vakuum erzeugt, was dazu führt, daß flüssiges Matrixmetall das Füllmaterial oder die Vorform infiltriert. Außerdem werden das Füllmaterial oder die Vorform vor der Infiltration anliegend an oder in Kontakt mit wenigstens einem zweiten Material gebracht, so daß das infiltrierte Material nach der Infiltration des Füllmaterials oder der Vorform wenigstens an einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials gebunden ist, wodurch ein Makroverbundkörper entsteht.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Reaktionssystem geschaffen, das folgendes umfaßt: (1) einen undurchlässigen Behälter; (2) eine Masse aus Füllmaterial oder eine Vorform, die darin enthalten sind; (3) wenigstens ein zweites Material, das sich anliegend an oder in Kontakt mit der Masse des Füllmaterials oder der Vorform befindet; (4) ein flüssiges Matrixmetall; (5) eine reaktive Atmosphäre und (6) ein Abdichtungselement zum Abdichten des Reaktionssystems gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Das flüssige Matrixmetall wird dann mit der Masse des Füllmäterials oder der Vorform bei Anwesenheit der reaktiven Atmosphäre und des Dichtungsmittels in Kontakt gebfacht. Die reaktive Atmosphäre reagiert entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial und/oder dem undurchlässigen Behälter, um ein Reaktionsprodukt zu bilden, welches ein Vakuum schaffen kann, wodurch flüssiges Matrixmetall zumindest teilweise in das Füllmaterial und in Kontakt mit wenigstens einem Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials gezogen wird. Die Reaktion unter Beteiligung der reaktiven Atmosphäre und des flüssigen Matrixmetalls und/oder des Füllmaterials und/oder des undurchlässigen Behälters kann über eine ausreichende Zeit fortdauern, damit das flüssige Matrixmetall entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig das Füllmaterial oder die Vorform infiltrieren kann. Das flüssige Matrixmetall sollte das Füllmaterial oder die Vorform aber in einem solchen Umfang infiltrieren, daß das flüssige Matrixmetall wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials berührt. Es kann ein außengelegenes Dichtungselement zur Abdichtung des Reaktionssystems, das eine vom Matrixmetall verschiedene Zusammensetzung hat, vorgesehen werden.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Matrixmetall mit der umgebenden Atmosphäre reagieren, um eine innewohnende chemische Dichtung zu schaffen, welche eine vom Matrixmetall verschiedene Zusammensetzung hat, die das Reaktionssystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichtet.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann statt einem außengelegenen Dichtungselement zur Abdichtung des Reaktionssystems eine innewohnende physikalische Dichtung durch das Matrixmetall gebildet werden, welches den undurchlässigen Behälter und/oder einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials benetzt, welche über die Oberfläche des flüssigen Matrixmetalls hinaus reichen kann, nachdem das flüssige Matrixmetall in den undurchlässigen Behälter gegeben wurde, wodurch das Reaktionssystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet wird. Außerdem ist es möglich, Legierungszusätze in das Matrixmetall einzubeziehen, welche die Benetzung des undurchlässigen Behälters und/oder wenigstens einen zweiten Materials durch das Matrixmetall erleichtern, wodurch das Reaktionssystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet wird.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Füllmaterial, zumindest teilweise, mit der reaktiven Atmosphäre reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen, das flüssiges Matrixmetall in das Füllmaterial oder die Vorform zieht. Außerdem können in das Füllmaterial Zusätze einbezogen werden, welche entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig mit der reaktiven Atmosphäre reagieren können, um ein Vakuum zu erzeugen sowie um die Eigenschaften des resultierenden Körpers zu erweitern. Außerdem kann neben dem oder anstelle des Füllmaterials und des Matrixmetalls der undurchlässige Behälter zumindest teilweise mit der reaktiven Atmosphäre reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen.

Definitionen

In dervorliegenden Patentbeschreibung und den angefügten Ansprüchen werden die untenstehenden Begriffe folgendermaßen definiert:

»Legierungsstelle",· wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Stelle eines Metallmatrixverbundstoffes, die anfänglich das flüssige Matrixmetall kontaktiert, bevor dieses flüssige Metall die durchlässige Masse des Füllmaterials oder der Vorform infiltriert hat.

„Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und schließt im wesentlichen reines Metall ein (z. B. ein relativ reines, kommerziell erhältliches, unlegiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metallegierungen, wie die kommerziell erhältlichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. Eine Aluminiumlegierung ist für den Zweck dieser Definition eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, in welcher Aluminium der Hauptbestandteil ist.

„Umgebende Atmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet die Atmosphäre außerhalb des Füllmaterials oder der Vorform und des undurchlässigen Behälters. Sie kann im wesentlichen die gleichen Bestandteile wie die reaktive Atmosphäre haben, oder sie kann unterschiedliche Bestandteile haben.

„Sperre" oder „Sperrelement", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet in Verbindung mit den Metallmatrixverbundkörpern jedes geeignete Element, welches die Wanderung, Bewegung oder ähnliches des flüssigen Matrixmetalls über die Oberflächengrenze einer undurchlässigen Masse des Füllmaterials oder der Vorform hinaus, wobei diese Oberflächengrenze durch dieses Sperrelement definiert ist, beeinträchtigt, unterbindet, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrelement kann jedes Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder ähnliches sein, welche unter Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität bewahren und im wesentlichen nicht flüchtig sind (d.h., das Sperrelement verflüchtigt sich nicht in einem solchen Maße, daß es nicht mehr als Sperre funktionell wirksam ist).

Außerdem schließen geeignete ,Sperrelemente" Stoffe ein, die durch das wandernde, flüssige Matrixmetall unter den angewendeten Verfahrensbedingungen entweder benetzbar oder nichtbenetzbar sind, solange die Benetzung des Sperrelementes nicht wesentlich über die Oberfläche des Sperrmaterials hinausgeht (d.h. Oberflächenbenetzung). Eine Sperre dieses Typs scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das flüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrelement verhindert oder unterbunden. Die Sperre verringert jede abschließende maschinelle Bearbeitung oder jedes Schleifen, die erforderlich sein können, und definiert wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des resultierenden Metallmatrixverbundproduktes.

„Gebunden", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet eine Methode der Befestigung zwischen zwei Körpern. Die Befestigung kann physikalisch und/oder chemisch und/oder mechanisch sein. Eine physikalische Befestigung verlangt, daß wenigstens einer der beiden Körper, in der Regel im flüssigen Zustand, wenigstens einen Abschnitt der MikroStruktur des anderen Körpers infiltriert. Dieses Phänomen ist allgemein als „Benetzung" bekannt. Eine chemische Befestigung verlangt, daß wenigstens einer der beiden Körper chemisch mit dem anderen Körper reagiert, um wenigstens eine chemische Bindung zwischen den beiden Körpern zu bilden. Eine Methode der Bildung einer mechanischen Befestigung zwischen den beiden Körpern schließt eine makroskopische Infiltration wenigstens eines der beiden Körper in das Innere des anderen Körpers ein. Ein Beispiel dafür wäre die Infiltration wenigstens eines der beiden Körper in eine Nut oder einen"Schlitz auf der Oberfläche des anderen Körpers. Eine solche mechanische Befestigung schließt nicht die mikroskopische Infiltration oder „Benetzung" ein, kann aber in Kombination mit solchen physikalischen Befestigungsmethoden angewendet werden.

Eine zusätzliche Methode der mechanischen Befestigung schließt solche Methoden wie „Schrumpfverbindung" ein, bei denen ein Körper an dem anderen Körper durch Druckpassung befestigt wird. Bei dieser Methode der mechanischen Befestigung würde einer der Körper durch den anderen Körper unter Druck gesetzt.

„Bronze", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und schließt eine an Kupfer reiche Legierung ein, welche Eisen, Zinn, Zink, Aluminium, Silicium, Beryllium, Magnesium und/oder Blei enthalten kann. Spezielle Bronzelegierungen schließen die Legierungen ein, bei denen der Kupferanteil etwa 90%, der Siliciumanteil etwa 6% und der Eisenanteil etwa 3% beträgt. „Grundkörper" oder „Grundkörper des Matrixmetalls", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden ursprünglichen Körper des Matrixmetalls, der verbleibt und nicht während der Bildung des Metallmatrixverbundkörpers verbraucht wurde und, wenn man ihn abkühlen läßt, im typischen Fall wenigstens im partiellen Kontakt mit dem Metallmatrixverbundkörper, der gebildet wurde, bleibt. Es ist davon auszugehen, daß der Grundkörper auch ein zweites oder Fremdmetall enthalten kann.

„Gußeisen", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Familie der Eisengußlegierungen, wobei der Anteil an Kohlenstoff wenigstens etwa 2% beträgt.

„Kupfer", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die kommerziellen Qualitäten des im wesentlichen reinen Metalls, z. B. 99% Kupfer mit unterschiedlichen Mengen von darin enthaltenen Verunreinigungen. Außerdem bezieht er sich auf Metalle, die Legierungen oder intermetallische Verbindungen sind, welche nicht in die Definition der Bronze gehören und die Kupfer als Hauptbestandteil enthalten. ,

„Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, soll entweder einzelne Bestandteile oder Gemische von Bestandteilen einschließen, die mit dem Matrixmetall im wesentlichen nichtreaktiv sind und/oder eine begrenzte Löslichkeit im Matrixmetall aufweisen und einzel- oder mehrphasig sein können. Füllstoffe können in einer breiten Vielfalt von Formen, wie Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whiskern, Blasen usw., vorhanden und entweder dicht oder porös sein. Der Begriff „Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe, wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, zerkleinerten Fasern, dispersen Bestandteilen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder ähnlichem, und keramisch beschichtete Füllstoffe, wie Kohlenstoffasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid zum Schutz des Kohlenstoffs vor dem Angriff durch beispielsweise ein flüssiges Aluminiumgrundmetall beschichtet sind, einschließen. Füllstoffe können auch Metalle einschließen. „Undurchlässiger Behälter", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen Behälter, der eine reaktive Atmosphäre und ein Füllmaterial (oder eine Vorform) und/oder flüssiges Matrixmetall und/oder ein Dichtungselement unter Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und der ausreichend undurchlässig für den Transport von gasförmigen oder Dampfspezies durch den Behälter ist, so daß ein Druckunterschied zwischen der umgebenden Atmosphäre und der reaktiven Atmosphäre hergestellt werden kann.

„Makro verbundstoff" oder „Makro verbundkörper", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet jede Kombination von zwei oder mehr Materialien, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus einem Keramikmatrixkörper, einem Keramikmatrixverbundkörper, einem Metallkörper und einem Metallmatrixverbundkörper besteht, welche in einer beliebigen Konfiguration eng miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eines der Materialien einen Metallmatrixverbundkörper umfaßt, der nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums gebildet wurde. Der Metallmatrixverbundkörper kann als eine Außenfläche und/oder als eine Innenfläche vorhanden sein. Außerdem kann der Metallmatrixverbundkörper als Zwischenschicht zwischen zwei oder mehreren der Materialien in der oben beschriebenen Gruppe vorhanden sein. Es ist davon auszugehen, daß die Reihenfolge, Anzahl und/oder Lage eines Metallmatrixverbundkörpers oder von Metallmatrixverbundkörpern im Verhältnis zum restlichen Matrixmetall und/oder einem der Materialien in der oben behandelten Gruppe manipuliert oder in unbegrenzter Weise gesteuert werden kann.

„Matrixmetall" oder „Matrixmetallegierung", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet das Metall, das zur Bildung eines Metallmatrixverbundstoffes (z. B. vor der Infiltration) verwendet wird, und/oder das Metall, das mit einem Füllmaterial vermischt ist, um einen Matrixverbundkörper zu bilden (z. B. nach der Infiltration). Wenn ein spezielles Metall als Matrixmetall angegeben wird, ist davon auszugehen, daß das Matrixmetall dieses Metall als ein im wesentlichen reines Metall, als kommerziell erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, als intermetallische Verbindung oder als Legierung, in welcher dieses Metall der vorherrschende oder Hauptbestandteil ist, einschließt.

„Metallmatrixverbundstoff" oder „MMC", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das aus einem zwei- oder dreidimensional untereinander verbundenen Legierungs- oder Matrixmetall besteht, welches eine Vorform oder Füllmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente einschließen, um in dem resultierenden Verbundstoff speziell gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu erreichen.

Ein Metall, das sich von dem Matrixmetall „unterscheidet", bezeichnet ein Metall, das als primären Bestandteil nicht dasselbe Metall wie das Matrixmetall enthält (z. B. könnte, wenn der primäre Bestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, das «unterschiedliche" Metall beispielsweise Nickel als primären Bestandteil aufweisen).

„Vorform" oder „durchlässige Vorform", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllmaterial, die mit wenigstens einer Oberflächengrenze gefertigt wird, welche im wesentlichen eine Grenze für die Infiltration des Matrixmetalls definiert, wobei diese Masse ausreichende Form Integrität und Grünstandfestigkeit behält, um vor der Infiltration durch das Matrixmetall ohne äußere Auflagemittel Dimensionstreue zu gewährleisten. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die Infiltration des Matrixmetalls zu ermöglichen. Eine Vorform besteht im typischen Fall aus einer gebundenen Reihe oder Anordnung von Füllstoff, homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeigneten Material (z.B. keramischen und/oder metallischen Partikulatteilchen, Pulvern, Fasern, Whiskern usw. und jeder von deren Kombinationen) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Baugruppe Vorhandensein.

„Reaktionssystem", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Kombination von Stoffen, die selbsterzeugte Vakuuminfiltration eines flüssigen Matrixmetalls in ein Füllmaterial oder eine Vorform aufweist. Ein Reaktionssystem umfaßt wenigstens einen undurchlässigen Behälter mit einer darin befindlichen durchlässigen Masse an Füllmaterial oder Vorform, eine

reaktive Atmosphäre und ein Matrixmetall. _

„Reaktive Atmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder Füllmaterial (oder der Vorform) und/oder dem undurchlässigen Behälter reagieren kann, um ein selbsterzeugtes Vakuum zu bilden, wodurch die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial (oder die Vorform) nach Bildung des selbsterzeugten Vakuums veranlaßt wird.

„Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen gesonderten Körper des Matrixmetalls, der im Verhältnis zu einer Masse von Füllstoff oder einer Vorform angeordnet ist, so daß dieses, wenn das Metall geschmolzen ist, fließen kann, um den·Abschnitt, das Segment oder die Quelle des Matrixmetalls aufzufüllen oder, in einigen Fällen zunächst zu bilden und dann aufzufüllen, die mit dem Füllstoff oder der Vorform in Kontakt sind.

„Dichtung" oder „Dichtungselement", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf eine unter Verfahrensbedingungen gasundurchlässige Dichtung, die unabhängig vom (z. B. eine außen gelegene Dichtung) oder durch das Reaktionssystem (z. B.

eine innewohnende Dichtung) gebildet werden kann, welche die umgebende Atmosphäre gegenüber der reaktiven Atmosphäre isoliert. Die Dichtung oder das Dichtungselement können eine Zusammensetzung haben, die von der des Matrixmetalls unterschiedlich ist.

„Dlchtungshilfsmlttel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Material, welches die Bildung einer Dichtung bei Reaktion des Matrixmetalls mit der umgebenden Atmosphäre und/oder dem undurchlässigen Behälter und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform erleichtert. Das Material kann dem Matrixmetall zugesetzt werden, und die Anwesenheit des Dichtungshilfsmittels im Matrixmetall kann die Eigenschaften des resultierenden Verbundkörpers erweitern.

„Zweites Material", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Keramikmatrixkörper, einem Keramikmatrixverbundkörper, einem Metallkörper und einem Metallmatrixverbundkörper besteht.

„Benetzungssteigerungsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf jedes Material, das, wenn es dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform zugesetzt wird, die Benetzung des Füllmaterials oder der Vorform durch das flüssige Matrixmetall steigert (z. B. Oberflächenspannung des flüssigen Matrixmetalls reduziert). Das Vorhandensein des Benetzungssteigerungsmittels kann auch die Eigenschaften des resultierenden Metallmatrixverbundkörpers steigern, beispielsweise durch Steigerung der Bindung zwischen dem Matrixmetall und dem Füllmaterial.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Die folgenden Abbildungen sollen das Verständnis der Erfindung unterstützen, sie sind jedoch nicht dazu gedacht, den Rahmen der Erfindung zu begrenzen. Soweit das möglich war, wurden gleiche Bezugszahlen in den einzelnen Abbildungen verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen. In den Zeichnungen ist

Abb. 1 ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung nach der Methode der vorliegenden Erfindung, welche mit einem außen gelegenen Dichtungselement arbeitet;

Abb. 2 ein vereinfachtes Ablaufschema der Methode der vorliegenden Erfindung, angewendet bei einer Standardanordnung; Abb.3 eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des fertigen Makroverbundkörpers, der in Beispiel 1 geformt wurde; Abb.4 eine Draufsicht auf die vier Schlitze in der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers, der in den Beispielen 2,3,4, 5 und 7 verwendet wird;

Abb. 5 ist eine Fotografie des fertigen Makroverbundkörpers, der im Beispiel 2 gebildet wurde; Abb.6 ist ein senkrechter Querschnitt eines im Beispiel 3 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb.7 ist ein senkrechter Querschnitt eines im Beispiel 4 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb.8 ist eine Fotografie des im Beispiel 4 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb.9 ist ein senkrechter Querschnitt eines im Beispiel 5 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb.10 eine Fotografie des im Beispiel 5 gebildeten fertigen Makroverbundkörpers; Abb. 11 ein senkrechter Querschnitt der Baugruppe, die zur Herstellung des Makroverbundkörpers in Beispiel 6 verwendet wurde;

Abb. 12 eine Fotografie des im Beispiel 6 gebildeten fertigen Makroverbundkörpers; Abb. 13 ein senkrechter Querschnitt des im Beispiel 7 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb. 14 eine Fotografie des im Beispiel 7 gebildeten fertigen Makroverbundkörpers; Abb. 15 ein Bild eines waagerechten Querschnitts des im Beispiel 8 gebildeten zylindrischen Makroverbundkörpers; Abb. 16 ein senkrechter Querschnitt des im Beispiel 9 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb. 17 eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des im Beispiel 9 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb. 18 ein waagerechter Querschnitt des im Beispiel 10 gebildeten Makroverbundkörpers;

Abb. 19 eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des im Beispiel 11 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb. 20 eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des im Beispiel 12 gebildeten fertigen Makroverbundkörpers; Abb. 21 ein waagerechter Querschnitt des im Beispiel 13 gebildeten Makroverbundkörpers; Abb. 22 ein senkrechter Querschnitt des im Beispiel 14 gebildeten Makroverbundkörpers und Abb. 23 eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des im Beispiel 15 gebildeten fertigen Zweischicht-Makroverbundkörpers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausfuhrungsbeisplele

Es wird auf die Abb. 1 Bezug genommen, sie zeigt eine typische Anordnung 30 zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Metallmatrixverbundkörper, welcher an ein zweites Material gebunden ist, umfaßt, wobei der Metallmatrixverbundkörper nach einer Methode des selbsterzeugten Vakuums gebildet wird. Im einzelnen werden ein Füllmaterial oder eine Vorform 31, die aus jedem geeigneten Material bestehen können,-wie das unten ausführlicher beschrieben wird, anliegend an einem zweiten Material, beispielsweise einem keramischen Matrixkörper 29, in einem undurchlässigen Behälter 32 angeordnet, der ein flüssiges Matrixmetall 33 und eine reaktive Atmosphäre aufnehmen kann. Beispielsweise kann das Füllmaterial 31 mit einerreaktiven Atmosphäre (z. B. der Atmosphäre, die innerhalb der Porosität des Füllmaterials oder der VorfornVexistiert) über eine ausreichende Zeitspanne in Kontakt gebracht werden, um es der reaktiven Atmosphäre zu erlauben, entweder teilweise oder vollständig das Füllmaterial 31 in dem undurchlässigen Behälter 32 zu durchdringen. Dann wird das Matrixmetall 33 entweder in flüssiger Form oder in Form eines festen Blocks mit dem Füllmaterial 31 in Kontakt angeordnet. Wie unten in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausführlicher beschrieben wird, kann eine außen gelegene Dichtung oder ein Dichtungselement 34, beispielsweise auf der Oberfläche des Matrixmetalls 33, vorgesehen werden, um die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre 37 zu isolieren. Das Dichtungselement, ganz gleich, ob es ein außen gelegenes oder ein innewohnendes ist, kann bei Zimmertemperatur als Dichtungselement wirken, muß es aber nicht, unter Verfahrensbedingungen aber sollte es als Dichtungselement wirken (z. B. beim oder über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls). Anschließend wird die Anordnung 30 in einen Ofen gegeben, der entweder Zimmertemperatur aufweist oder etwa auf Verfahrenstemperatur vorerhitzt wurde. Unter Verfahrensbedingungen arbeitet der Ofen bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, um die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial oder die Vorform zu ermöglichen und in Kontakt mit wenigstens einem Abschnitt des zweiten Materials, durch die Bildung eines selbsterzeugten Vakuums.

Es wird auf die Abb. 2 Bezug genommen. Sie zeigt ein vereinfachtes Ablaufschema der Verfahrensschritte, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindungsmethode notwendig sind. Im Schritt (1) kann ein geeigneter undurchlässiger Behälter gefertigt oder anderweitig bereitgestellt werden, welcher die angemessenen Eigenschaften hat, die unten ausführlicher beschrieben werden. Beispielsweise ist ein einfacher, oben offener Stahlzylinder (z. B. aus rostfreiem Stahl) als Form geeignet. Der Stahlbehälter kann dann wahlweise mit GRAFOIL*-Band (GRAFOIL* ist ein eingetragenes Markenprodukt der Union Carbide) ausgekleidet werden, um die Entfernung des Makroverbundkörpers zu erleichtern, der im Behälter gebildet werden soll. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, können auch andere Materialien, wie B₂O₃, das innen in den Behälter gestäubt wird, oder Zinn, das mit dem Matrixmetall gemischt wird, eingesetzt werden, um die Freigabe des Makroverbundkörpers aus dem Behälter oder der Form zu erleichtern. Der Behälter kann dann mit einer gewünschten Menge eines geeigneten Füllmaterials oder einer Vorform beschickt werden. Entweder vor, während oder nach dem Zusatz des geeigneten Füllmaterials oder der Vorform wird wenigstens ein zweites Material innerhalb des undurchlässigen Behälters, entweder anliegend an oder in Kontakt mit der geeigneten Vorform oder dem Füllmaterial angeordnet. Die obere Fläche des Inhalts des undurchlässigen Behälters, der mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt ist, kann dann wahlweise zumindest teilweise mit einer weiteren Lage von GRAFOIL*-Band bedeckt werden. Diese Lage Graphitband erleichtert die Trennung des Makroverbundstoffs von jedem möglichen Grundkörper des Matrixmetalls, der nach der Infiltration des Füllmaterials bleibt.

Dann kann eine Menge flüssiges Matrixmetall, z. B. Aluminium, Bronze, Kupfer, Gußeisen, Magnesium usw., in den Behälter gegossen werden. Der Behälter könnte Zimmertemperatur aufweisen, oder er könnte auf eine geeignete Temperatur vorerhitzt sein. Außerdem könnte das Matrixmetall anfangs in Form von festen Blöcken des Matrixmetalls bereitgestellt und anschließend erhitzt werden, um die Blöcke flüssig zu machen. Dann kann ein geeignetes Dichtungselement (das unten ausführlicher beschrieben wird), welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem außen gelegenen Dichtungselement und einem innewohnenden Dichtungselement besteht, gebildet werden. Wenn es beispielsweise gewünscht wäre, eine außen gelegene Dichtung zu bilden, kann ein außen gelegenes Dichtungselement, wie eine Glasfritte (z. В. В_гОз) auf die Oberfläche des Pools des flüssigen Matrixmetalls im Behälter aufgebracht werden. Die Fritte schmilzt dann und bedeckt im typischen Fall die Oberfläche des Pools, aber eine volle Abdeckung ist, wie unten ausführlicher beschrieben wird, nicht notwendig. Nachdem das flüssige Matrixmetall mit einem Füllmaterial oder der Vorform in Kontakt gebracht worden ist und das Matrixmetall und/oder das Füllmaterial gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch eine außen gelegene Dichtung abgedichtet wurden, wenn das erforderlich ist, wird der Behälter über eine ausreichende Zeitspanne, um ein Auftreten von Infiltration zu ermöglichen, in einen geeigneten Ofen gegeben, der auf die Bearbeitungstemperatur vorerhitzt sein kann. Die Bearbeitungstemperatur des Ofens kann bei unterschiedlichen Matrixmetallen unterschiedlich sein (beispielsweise etwa 95O⁰C bei einigen Aluminiumlegierungen und etwa 1100°C bei einigen Bronzelegierungen als wünschenswerte Werte). Die geeignete Bearbeitungstemperatur variiert in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt und anderen Charakteristika des Matrixmetalls sowie der spezifischen Charakteristika der Komponenten im Reaktionssystem, wie dem wenigstens einen zweiten Material, und dem Dichtungselement. Nach einer ausreichenden Zeitspanne im Ofen wird ein Vakuum erzeugt (was unten ausführlicher beschrieben wird) innerhalb des Füll materials oder der Vorform, wodurch das flüssige Matrixmetall das Füllmaterial oder die Vorform infiltrieren und wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials kontaktieren kann. Der Behälter kann dann aus dem Ofen genommen und abgekühlt werden, beispielsweise durch Setzen auf eine Schreckplatte, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Der Makroverbundkörper kann dann auf geeignete Weise aus dem Behälter genommen werden.

Es ist offensichtlich, daß die vorstehenden Beschreibungen der Abbildungen einfach sind, um die herausragenden Merkmale der vorliegenden Erfindung in diesen Abbildungen 1 und 2 zu unterstreichen. Weitere Einzelheiten zu den Schritten im Verfahren und zur Charakterisierung der Stoffe, die im Verfahren eingesetzt werden können, werden unten gegeben. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie zur Erklärung festlegen zu wollen, wird angenommen, daß beim Kontakt eines geeigneten Matrixmetalls, im typischen Fall im flüssigen Zustand, mit einem geeigneten Füllmaterial oder einer Vorform, welche angrenzend an oder im Kontakt mit wenigstens einem zweiten Material angeordnet sind, bei Vorhandensein einer geeigneten reaktiven Atmosphäre in einem undurchlässigen Behälter eine Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter auftreten kann, die zu einem Reaktionsprodukt (z. B. einem festen Stoff, einer Flüssigkeit oder einem Dampf) führt, welches ein geringeres Volumen als das ursprüngliche Volumen einnimmt, das durch die reagierenden Komponenten eingenommen wurde. Wenn die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre isoliert wird, kann in dem durchlässigen Füllmaterial oder der Vorform ein Vakuum geschaffen werden, welches flüssiges Matrixmetall in die Hohlräume des Füllmaterials zieht. Die fortgesetzte Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter kann zur Infiltration des Füllmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall führen, wenn zusätzliches Vakuum erzeugt wird. Die Reaktion kann über eine ausreichende Zeit fortgesetzt werden, um es dem flüssigen Matrixmetall zuermö glichen, die Masse des Füllmaterials oder der Vorform entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig zu infiltrieren. Das Füllmaterial oder die Vorform sollten ausreichend durchlässig sein, umdie Durchdringung der Masse des Füllmaterials oder der Vorform durch die reaktive Atmosphäre zumindest teilweise zu ermöglichen. Außerdem sollte, um einen Makroverbundkörper bilden zu können, das flüssige Matrixmetall die Masse des Füllmaterials oder der Vorform in einem solchen Ausmaß infiltrieren, daß das flüssige Matrixmetall wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials kontaktiert.

Diese Anmeldung behandelt verschiedene Matrixmetalle, die zu einem Zeitpunkt während der Bildung eines Metallmatrixverbundstoffesjnit einer reaktiven Atmosphäre in Kontakt kommen. Es werden daher verschiedene Verweise auf besondere Kombinationen oder Systeme von Matrixmetall/reaktiver Atmosphäre, welche die Bildung eines selbsterzeugten Vakuums aufweisen, vorgenommen. Im einzelnen wurde das Verhalten des selbsterzeugten Vakuums beim Aluminium-Luft-System, dem Aluminium-Sauerstoff-System, dem Alumlnlum-Stickstoff-System, dem Bronze-Luft-System, dem Bronze-Stickstoff-System, dem Kupfer-Luft-System, dem Kupfer-Stickstoff-System und dem Gußeisen-Luft-System beobachtet. Es ist jedoch selbstverständlich, daß sich andere Systeme aus Matrixmetall und reaktiver Atmosphäre als die in dieser Anmeldung speziell behandelten in ähnlicher Weise verhalten können.

Um die Methode des selbsterzeugten Vakuums dieser Erfindung praktizieren zu können, muß die reaktive Atmosphäre physisch gegenüber der umgebenden Atmosphäre isoliert werden, so daß der verminderte Druck der reaktiven Atmosphäre, der während der Infiltration vorhanden ist, nicht signifikant schädlich durch ein aus der umgebenden Atmosphäre transportiertes Gas beeinflußt wird. Ein undurchlässiger Behälter, der bei der vorliegenden Erfindungsmethode eingesetzt werden kann, kann ein Behälter jeder Größe, Form und/oder Zusammensetzung sein, der mit dem Matrixmetall und/oder der reaktiven Atmosphäre nichtreaktiv ist, aber nicht zu sein braucht, und der unter Verfahrensbedingungen für die umgebende Atmosphäre undurchlässig ist. Im einzelnen kann der undurchlässige Behälter aus jedem Material (z.B. Keramik, Metall, Glas, Polymer usw.) bestehen, das den Verfahrensbedingungen standhalten kann, so daß dieser seine Größe und Form behält, und das den Transport der umgebenden Atmosphäre durch den Behälter verhindert oder ausreichend unterbindet. Durch die Verwendung eines Behälters, der für den Transport von Atmosphäre durch den Behälter ausreichend undurchlässig ist, ist es möglich, innerhalb des Behälters ein selbsterzeugtes Vakuum zu bilden. Außerdem kann, in Abhängigkeit von dem speziellen, eingesetzten Reaktionssystem, ein undurchlässiger Behälter verwendet werden, der zumindest teilweise mit der reaktiven Atmosphäre und/oder dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial reaktiv ist, um ein selbsterzeugtes Vakuum innerhalb des Behälters zu schaffen oder dessen Schaffung zu unterstützen.

Die Charakteristika eines geeigneten undurchlässigen Behälters sind Freiheit von Poren, Rissen oder reduzierbaren Oxiden, die jede einzeln die Entwicklung oder Erhaltung eines selbsterzeugten Vakuums ungünstig beeinflussen können. Es ist also selbstverständlich, daß eine breite Vielfalt von Materialien für die Bildung des undurchlässigen Behälters eingesetzt werden kann. Beispielsweise können gepreßtes oder gegossenes Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid eingesetzt werden, ebenso Metalle mit begrenzter oder geringer Löslichkeit im Matrixmetall, z. B. rostfreier Stahl für Aluminium-, Kupfer- und Bronzematrixmetalle.

Außerdem können ansonsten ungeeignete Materialien, wie poröse Materialien {z. B. keramische Körper), durch die Bildung eines geeigneten Überzugs auf wenigstens einem Abschnitt undurchlässig gemacht werden. Diese undurchlässigen Überzüge können aus einer Vielzahl von Glasuren und Gelen bestehen, die zur Bindung an das und zum Abdichten des porösen Materials geeignet sind. Außerdem kann ein geeigneter undurchlässiger Überzug bei Verfahrenstemperaturen flüssig sein, in diesem Fall sollte das Beschichtungsmaterial ausreichend stabil sein, um unter dem selbsterzeugten Vakuum undurchlässig zu bleiben, beispielsweise durch zähflüssiges Haften am Behälter oder dem Füllmaterial oder der Vorform. Zu den geeigneten Beschichtungsmaterialien gehören glasartige Stoffe (z.B. B₂O₃), Chloride, Carbonate usw., vorausgesetzt, daß die Porengröße des Füllstoffs oder der Vorform ausreichend klein ist, so daß der Überzug die Poren wirksam blockieren kann, um einen undurchlässigen Überzug zu bilden.

Das Matrixmetall, das bei der Methode der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann jedes Matrixmetall sein, welches, wenn es unter Verfahrensbedingungen flüssig ist, das Füllmaterial oder die Vorform nach Schaffung eines Vakuums innerhalb des Füllmaterials infiltriert. Beispielsweise kann das Matrixmetall ein Metall oder jeder Bestandteil innerhalb des Metalls sein, die unter Verfahrensbedingungen mit der reaktiven Atmosphäre entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig reagieren, wodurch das flüssige Matrixmetall veranlaßt wird, das Füllmaterial oder die Vorform auf Grund, zumindest teilweise, der Schaffung eines Vakuums in diesem zu infiltrieren. Außerdem kann das Matrixmetall, in Abhängigkeit vom eingesetzten System, entweder teilweise oder im wesentlichen nichtreaktiv mit der reaktiven Atmosphäre sein, und ein Vakuum kann auf Grund der Reaktion der reaktiven Atmosphäre mit wahlweise einer oder mehreren anderen Komponenten des Reaktionssystems geschaffen werden, wodurch das Matrixmetall das Füllmaterial infiltrieren kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Matrixmetall mit einem Benetzungssteigerungsmittel legiert werden, um die Benetzungsfähigkeit des Matrixmetalls zu erleichtern, um beispielsweise die Bildung einer Bindung zwischen dem

Matrixmetall und dem Füllstoff zu erleichtern, die Porosität in dem gebildeten Matrixverbundstoff zu verringern, die Dauer der notwendigen Zeit für eine vollständige Infiltration zu verkürzen usw. Außerdem kann ein Material, das ein Benetzungssteigerungsmittel umfaßt, auch als Dichtunghilfsmittel, wie das unten beschrieben wird, dienen, um bei der Isolierung der reaktiven Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre hilfreich zu sein. Außerdem kann bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel das Benetzungssteigerungsmittel direkt in das Füllmaterial einbezogen werden, statt mit dem Matrixmetall legiert zu werden. Das Benetzungssteigerungsmittel kann auch die Benetzungsfähigkeit des Matrixmetalls mit dem wenigstens einen zweiten Material erleichtern, wodurch die Herstellung eines festeren und kohäsiveren Makroverbundkörpers möglich ist.

So kann die Benetzung des Füllmaterials durch das Matrixmetall die Eigenschaften (z. B. die Zugfestigkeit, Erosionsbeständigkeit usw.) des resultierenden Metallmatrixverbundkörpers erweitern. Außerdem kann die Benetzung des Füllmaterials durch das flüssige Matrixeine einheitliche Dispersion des Füllstoffs durch den gebildeten Metallmatrixverbundstoff ermöglichen und die Bindung des Füllstoffs an das Matrixmetall verbessern. Zu den brauchbaren Benetzungssteigerungsmitteln für ein Aluminiummatrixmetall gehören Magnesium, Wismut, Blei, Zinn usw., und für Bronze und Kupfer gehören dazu Selenium, Tellur, Schwefel usw. Außerdem kann, wie oben ausgeführt wurde, dem Matrixmetall und/oder Füllmaterial wenigstens ein Benetzungssteigerungsmittel zugesetzt werden, um dem resultierenden Metallmatrixverbundkörper gewünschte Eigenschaften zu vermitteln.

Außerdem ist es möglich, ein Reservoir an Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration von Matrixmetall in das Füllmaterial zu gewährleisten und/oder ein zweites Metall zuzuführen, welches eine von der ersten Quelle für Matrixmetall unterschiedliche Zusammensetzung hat. Im einzelnen kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, im Reservoir ein Matrixmetall zu verwenden, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle von Matrixmetall unterscheidet. Wenn beispielsweise eine Aluminiumlegierung als erste Quelle von Matrixmetall verwendet wird, dann könnte praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei Bearbeitungstemperatur flüssig ist, als Reservoirmetall verwendet werden. Flüssige Metalle sind oft stark miteinander mischbar, was zu einem Mischen des Reservoirmetalls mit der ersten Quelle von Matrixmetall führen würde, solange eine angemessene Zeitspanne für das Eintreten des Mischens vorhanden ist. So ist es durch die Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle von Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften des Matrixmetalls auf die unterschiedlichen Operationserfordernisse abzustimmen und damit die Eigenschaften des Metallmatrixverbundkörpers maßzuschneidern.

Die Temperatur, welcher das Reaktionssystem ausgesetzt ist (z.B. die Bearbeitungstemperatur), kann in Abhängigkeit von den Matrixmetallen, den Füllstoffmaterialien oder Vorformen, den zweiten Materialien und den reaktiven Atmosphären, mit denen gearbeitet wird, variieren. Bei einem Aluminiummatrixmetall beispielsweise erfolgt das vorliegende Verfahren des selbsterzeugten Vakuums im allgemeinen bei einer Temperatur von wenigstens etwa 700⁰C und vorzugsweise bei etwa 850⁰C oder mehr. Temperaturen über 1000⁰C sind im allgemeinen nicht notwendig, und ein besonders nützlicher Bereich liegt zwischen 850°C und 1000⁰C. Bei einem Bronze- oder Kupfermatrixmetall sind im allgemeinen Temperaturen von etwa 1050⁰C bis zu etwa 1125⁰C geeignet, und bei Gußeisen können Temperaturen von etwa 125O⁰C bis zu etwa 1400⁰C angewendet werden. Im allgemeinen können Temperaturen, die über dem Schmelzpunkt, aber unter dem Verdampfungspunkt des Matrixmetalls liegen, angewendet werden.

Es ist möglich, die Zusammensetzung und/oder MikroStruktur der Metallmatrix während der Bildung der Metallmatrixverbundkomponente des Makroverbundkörpers gezielt aufzubauen, um dem resultierenden Makroverbundkörper gewünschte Eigenschaften zu geben.

Beispielsweise können bei einem gegebenen System die Verfahrensbedingungen so gewählt werden, daß die Bildung von z. B. intermetallischen Verbindungen, Oxiden, Nitriden usw. gesteuert wird. Außerdem können neben dem gezielten Aufbau der Zusammensetzung der Metallmatrix andere physikalische Eigenschaften der Metallmatrixverbundkomponente, z.B. die Porosität, durch Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit der Metallmatrixverbundkomponente modifiziert werden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, daß die Metallmatrixverbundkomponente gerichtet erstarrt, wozu beispielsweise der Behälter, in welchem sich der geformte Makroverbundkörper befindet, auf eine Schreckplatte gebracht wird und/oder isoliermaterial selektiv um den Behälter gelegt wird. Außerdem können zusätzliche Eigenschaften (z. B. Zugfestigkeit) der Metallmatrixverbundkomponente des Makroverbundkörpers durch Anwendung einer Wärmebehandlung gesteuert werden iz.B. eine Wärmestandardbehandlung, im wesentlichen einer Wärmebehandlung allein des Matrixmetalls entsprechend, oder sine teilweise oder signifikant modifizierte Behandlung). Diese Techniken zur Modifikation der Eigenschaften der Metallmatrixverbundkomponente des Makroverbundkörpers können angewendet werden, die Eigenschaften des fertigen Makroverbundkörpers zu ändern oder zu modifizieren, um bestimmten industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Unter den Bedingungen, die bei der Methode der vorliegenden Erfindung angewendet werden, sollte die Masse des Füllmaterials oder die Vorform, die sich anliegend an oder in Kontakt mit dem wenigstens einen zweiten Material befindet, ausreichend durchlässig sein, um das Eindringen oder Durchsetzen der reaktiven Atmosphäre in das Füllmaterial oder die Vorform zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens vor der Isolierung der umgebenden Atmosphäre von der reaktiven Atmosphäre zu ermöglichen. Durch Bereitstellen eines entsprechenden Füllmaterials kann die reaktive Atmosphäre beim Kontakt mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial und/oder dem undurchlässigen Behälter entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig reagieren, was zur Bildung eines Vakuums führt, welches flüssiges Matrixmetall in das Füllmaterial und in Kontakt mit wenigstens einem Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials zieht. Außerdem braucht die Verteilung der reaktiven Atmosphäre innerhalb des Füllmaterials nicht im wesentlichen einheitlich zu sein, aber eine im wesentlichen einheitliche Verteilung der reaktiven Atmosphäre kann die Bildung eines wünschenswerten Metallmatrixverbundkörpers unterstützen.

Die Methode der Erfindung zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers kann auf eine breite Vielfalt von Füllmaterialien angewendet werden, und die Auswahl der Materialien ist hauptsächlich von solchen Faktoren wie dem Matrixmetall, dem wenigstens einen zweiten Material, den Verarbeitungsbedingungen, der Reaktivität des flüssigen Matrixmetalls mit der reaktiven Atmosphäre, der Reaktivität des Füllmaterials mit der reaktiven Atmosphäre, der Reaktivität des flüssigen Matrixmetalls mit dem undurchlässigen Behälter und den Eigenschaften abhängig, die für die Metallmatrixverbundkomponente des fertigen Makroverbundkörpers angestrebt werden. Wenn das Matrixmetall beispielsweise Aluminium umfaßt, gehören zu den geeigneten Füllmaterialien (a) Oxide (z.B. Aluminiumoxid); (b) Carbide (z.B. Siliciumcarbid); (c) Nitride (z.B. Titannitrid). Wenn

das Füllmaterial die Tendenz aufweist, nachteilig mit dem flüssigen Matrixmetall zu reagieren, könnte diese Reaktion durch Minimierung der Infiltrationszeit und-temperatur oder durch Schaffungeines nichtreaktiven Überzugsauf dem Füllstoff angepaßt werden. Das Füllmaterial kann ein Substrat aufweisen, wie Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das einen keramischen Überzug trägt, um das Substrat vor Angriff oder Abbau zu schützen. Zu den geeigneten keramischen Überzügen gehören Oxide, Carbide und Nitride. Zu den keramischen Stoffen, die für den Einsatz bei der vorliegenden Methode bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in Form von Partikeln, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unterbrochen (in zerkleinerter Form) oder in Form von kontinuierlichen Fäden, wie mehrfädige Hede, sein. Außerdem können die Zusammensetzungen und/oder Form des Füllmaterials oder der Vorform homogen oder heterogen sein. Größe und Form des Füllmaterials können so sein, wie sie zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften in der Metallmatrixverbundkomponente des fertigen Makroverbundproduktes erforderlich sind. So kann das Material die Form von Partikeln, Whiskern, Plättchen oder Fasern haben, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllmaterials eingeschränkt wird. Andere Formen, wie Kugeln, Tubulusse, Pellets, feuerfestes Faserzeug und ähnliche, können eingesetzt werden. Außerdem begrenzt die Größe des Materials ebenfalls nicht die Infiltration, obwohl eine höhere Temperatur oder eine längere Zeitspanne erforderlich sein können, um die vollständige Infiltration einer Masse kleinerer Teilchen als die einer Masse größererTeilchen zu erreichen. Durchschnittsgrößen des Füllmaterials, die von einer Korngröße unter 24 bis zu einer Korngröße 500 reichen, werden für die meisten technischen Anwendungen Bevorzugt."Außerdem können durch die Kontrolle der Größe (z. B. des Teilchendurchmessers usw.) der durchlässigen Masse des Füllmaterials oder der Vorform die physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften der geformten Metallmatrixverbundkomponente des fertigen Makroverbundproduktes abgestimmt werden, um einer unbegrenzten Anzahl industrieller Anwendungen gerecht werden zu können. Außerdem kann durch die Einbeziehung eines Füllmaterials, das unterschiedliche Teilchengrößen des Füllmaterials aufweist, eine höhere Packung des Füllmaterials erreicht werden, um die Metallmatrixverbundkomponente des Makroverbundkörpers maßzuschneidern. Außerdem ist es möglich, wenn das gewünscht wird, durch Rühren des Füllmaterials (z. B. durch Schütteln des Behälters) während der Infiltration und/oder durch Mischen von pulverisiertem Matrixmetall mit dem Füllmaterial vor der Infiltration eine geringere Teilchenbeschickung zu erreichen.

Die reaktive Atmosphäre, die bei der Methode der vorliegenden Erfindung angewendet wird, kann jede Atmosphäre sein, die wenigstens teilweise oder im wesentlichen vollständig mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial und/oder dem undurchlässigen Behälter reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu bilden, welches ein Volumen einnimmt, das kleiner als das Volumen ist, das von der Atmosphäre und/oder den Reaktionskomponenten vor der Reaktion eingenommen wird. Im einzelnen kann die reaktive Atmosphäre bei Kontakt mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder Füllmaterial und/oder undurchlässigen Behälter mit einer oder mehreren Komponenten des Reaktionssystems reagieren, um ein festes, flüssiges oder Dampfphasenreaktionsprodukt zu bilden, welches ein kleineres Volumen als die kombinierten einzelnen Komponenten einnimmt, wodurch ein Hohlraum oder Vakuum geschaffen wird, welche das Hineinziehen des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial oder die Vorform unterstützen. Die Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und einem oder mehreren der Komponenten Matrixmetall und/oder Füllmaterial und/oder undurchlässiger Behälter kann über eine Zeitspanne andauern, die ausreicht, damit das Matrixmetall das Füllmaterial zumindest teilweise oder im wesentlichen vollständig infiltrieren kann. Das flüssige Matrixmetall sollte das Füllmaterial oder die Vorform jedoch in einem solchen Maße infiltrieren, daß das flüssige Matrixmetall wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials kontaktiert, das angrenzend an oder in Kontakt mit der Masse des Füllmaterials oder der Vorform angeordnet ist. Wenn beispielsweise Luft als reaktive Atmosphäre genutzt wird, kann eine Reaktion zwischen dem Matrixmetall (z.B. Aluminium) und Luft zur Bildung von Reaktionsprodukten (z.B. Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid usw.) führen. Unter den Verfahrensbedingungen tendiert das Reaktionsprodukt (tendieren die Reaktionsprodukte) dazu, ein kleineres Volumen als das Gesamtvolumen einzunehmen, welches das flüssige Aluminium, das reagiert, und die Luft einnehmen. Im Ergebnis der Reaktion wird ein Vakuum geschaffen, wodurch das flüssige Matrixmetall veranlaßt wird, das Füllmaterial oder die Vorform zu infiltrieren. In Abhängigkeit von dem verwendeten System können das Füllmaterial und/oder der undurchlässige Behälter mit der reaktiven Atmosphäre auf ähnliche Weise reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen, wodurch die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial unterstützt wird. Die Reaktion des selbsterzeugten Vakuums kann über eine ausreichende Zeit weitergeführt werden, die zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers führt, der an wenigstens ein zweites Material gebunden ist, um einen Makroverbundkörper zu bilden.

Außerdem wurde festgestellt, daß eine Dichtung oder ein Dichtungselement vorgesehen werden sollten, um dazu beizutragen, den Gasstrom aus der umgebenden Atmosphäre in das Füllmaterial oder die Vorform zu verhindern oder zu beschränken (z.B. den Strom der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre zu verhindern). Es wird wieder auf die Abb. 1 Bezug genommen, die reaktive Atmosphäre innerhalb des undurchlässigen Behälters 32 und des Füllmaterials 31 sollte ausreichend gegenüber der umgebenden Atmosphäre 37 isoliert sein, so daß, wenn die Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall 33 und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform 31 und/oder dem undurchlässigen Behälter 32 voranschreitet, zwischen der reaktiven und der umgebenden Atmosphäre ein Druckunterschied aufgebaut wird und erhalten bleibt, bis die gewünschte Infiltration erreicht ist. Es ist selbstverständlich, daß die Isolierung zwischen der reaktiven und der umgebenden Atmosphäre nicht perfekt zu sein braucht, sondern nur „ausreichend", so daß ein Nettodruckunterschied vorhanden ist (z. B. könnte ein Dampfphasenstrom aus der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre auftreten, solange die Strömungsgeschwindigkeit niedriger als die wäre, welche unmittelbar zum Auffüllen der reaktiven Atmosphäre erforderlich wäre). Wie oben beschrieben wurde, wird ein Teil der notwendigen Isolierung der umgebenden Atmosphäre gegenüber der reaktiven Atmosphäre durch die Undurchlässigkeit des Behälters 32 erreicht. Der Pool des flüssigen Matrixmetalls 33 bildet einen weiteren Teil der notwendigen Isolierung, da auch die meisten Matrixmetalle für die umgebende Atmosphäre genügend undurchlässig sind. Es ist jedoch wichtig festzustellen, daß die Grenzfläche zwischen dem undurchlässigen Behälter 32 und dem Matrixmetall einen Leckweg zwischen der umgebenden und der reaktiven Atmosphäre bilden kann. Dementsprechend sollte eine Dichtung vorgesehen werden, welche dieses Lecken im ausreichenden Maße unterbindet oder verhindert.

Geeignete Dichtungen oder Dichtungselemente können als mechanisch, physikalisch oder chemisch klassifiziert werden, und jede einzelne davon kann weiter als außen gelegen oder innewohnend klassifiziert werden. Unter „außen gelegen" versteht man, daß die Dichtungswirkung unabhängig vom flüssigen Matrixmetall oder zusätzlich zu einer Dichtungswirkung auftritt,

welche vom flüssigen Matrixmetall ausgeht (beispielsweise von einem Material, das anderen Elementen des Reaktionssystems zugesetzt wurde); unter ,innewohnend" versteht man, daß die Dichtungswirkung ausschließlich aus einem oder mehreren Charakteristika des Matrixmetalls entsteht (beispielsweise aus der Fähigkeit des Matrixmetalls, den undurchlässigen Behälter zu benetzen). Eine innewohnende mechanische Dichtung kann einfach dadurch gebildet werden, daß ein ausreichend tiefer Pool des flüssigen Matrixmetalls vorgesehen oder das Füllmaterial oder die Vorform eingetaucht werden, wie das in den oben genannten Patenten von Reding und Reding u. a. und den damit in Verbindung stehenden Patenten beschrieben wird. Es wurde aber festgestellt, daß innewohnende mechanische Dichtungen, wie sie beispielsweise von Reding jr. beschrieben werden, bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen unwirksam sind, und sie können übermäßig große Mengen an flüssigem Matrixmetall erforderlich machen. Nach der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß außen gelegene Dichtungen und die physikalischen und chemischen Klassen der innewohnenden Dichtungen diese Nachteile einer innewohnenden mechanischen Dichtung überwinden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer außen gelegenen Dichtung kann ein Dichtungselement außen auf die Oberfläche des Matrixmetalls in Form eines festen oder flüssigen Materials aufgebracht werden, das unter Verfahrensbedingungen mit dem Matrixmetall im wesentlichen nichtreaktiv ist. Es wurde festgestellt, daß eine solche außen gelegene Dichtung den Transport von Dampfhasenbestandteilen aus der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre verhindert oder zumindest ausreichend unterbindet. Geeignete Stoffe für die Verwendung als außen gelegene, physikalische DichtOhgselemente können entwederfeste Stoffe oder Flüssigkeiten, einschließlich Gläser (z.B. Bor- oder Siliciumgläser, B₃O₃, flüssige Oxide usw.), oder andere Materialien sein, die den Transport der umgebenden Atmosphäre zur reaktiven Atmosphäre unter Verfahrensbedingungen ausreichend unterbinden.

Eine außen gelegene mechanische Dichtung kann durch vorheriges Glätten oder Polieren oder anderweitiges Formen der Innenfläche des undurchlässigen Behälters, welche mit einem Pool an Matrixmetall in Kontakt kommt, gebildet werden, so daß der Gastransport zwischen der umgebenden Atmosphäre und der reaktiven Atmosphäre ausreichend unterbunden wird. Glasuren und Überzüge, wie B₂O₃, die auf den Behälter aufgebracht werden können, um ihn undurchlässig zu machen, können auch eine geeignete Dichtung bilden.

Eine außen gelegene chemische Dichtung könnte durch Aufbringen eines Materials auf die Oberfläche eines flüssigen Matrixmetalls geschaffen werden, welches beispielsweise mit dem undurchlässigen Behälter reaktiv ist. Das Reaktionsprodukt könnte eine intermetallische Verbindung, ein Oxid, ein Carbid usw. einschließen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer innewohnenden physikalischen Dichtung kann das Matrixmetall mit der umgebenden Atmosphäre reagieren, um eine Dichtung oder Dichtungselemente mit einer Zusammensetzung zu schaffen, die sich von der Zusammensetzung des Matrixmetalls unterscheidet. Beispielsweise kann sich bei der Reaktion des Matrixmetalls mit der umgebenden Atmosphäre ein Reaktionsprodukt (z. B. MgO oder/und Magnesium-Aluminat-Spinell bei einer Al-Mg-Legierung, die mit Luft reagiert, oder Kupferoxid bei einer Bronzelegierung, die mit Luft reagiert) bilden, welches die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichten kann. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer innewohnenden physikalischen Dichtung kann dem Matrixmetall ein Dichtungshilfsmittel zugesetzt werden, um die Bildung einer Dichtung nach der Reaktion zwischen dem Matrixmetall und der umgebenden Atmosphäre zu erleichtern (z. B. durch den Zusatz von Magnesium, Wismut, Blei usw. bei Aluminiummatrixmetallen oder durch den Zusatz von Selen, Tellur, Schwefel usw. bei Kupfer- oder Bronzematrixmetallen). Bei der Bildung eines innewohnenden chemischen Dichtungselementes kann das Matrixmetall mit dem undurchlässigen Behälter reagieren (z.B. durch partielle Auflösung des Behälters oder seines Überzugs (innewohnend) oder durch Bildung eines Reaktionsproduktes oder von intermetallischen Verbindungen usw., welche das Füllmaterial gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichten können.

Außerdem ist es offensichtlich, daß die Dichtung in der Lage sein sollte, sich volumetrischen (d.h. Expansions- oder Kontraktions-) oder anderen Änderungen im Reaktionssystem anzupassen, ohne daß die umgebende Atmosphäre in das Füllmaterial fließen kann (z.B. Fluß in die reaktive Atmosphäre). Im einzelnen kann, wenn das flüssige Matrixmetall in die durchlässige Masse des Füllmaterials oder der Vorform infiltriert, die Tiefe des flüssigen Matrixmetalls im Behälter zur Verringerung neigen. Geeignete Dichtungselemente für ein solches System sollten ausreichend anpassungsfähig sein, um den Gastransport aus der umgebenden Atmosphäre auf das Füllmaterial zu verhindern, wenn der Pegel des flüssigen Matrixmetalls im Behälter abnimmt.

Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das wenigstens eine zweite Material, das bei der Bildung des Makroverbundkörpes verwendet wird, über den Oberflächenpegel der flüssigen Matrixlegierung hinaus reichen, nachdem die Matrixlegierung in den undurchlässigen Behälter eingebracht worden ist. In diesem Fall sollte das flüssige Matrixmetall auch eine Dichtung mit dem zweiten Material an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Matrixmetall, dem zweiten Material und der umgebenden Atmosphäre bilden. Die obenstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der Dichtung zwischen dem flüssigen Matrixmetall und dem undurchlässigen Behälter gelten auch für die Dichtung zwischen dem flüssigen Matrixmetall und dem zweiten Material, wenn eine solche Dichtung erforderlich ist.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kann auch ein Sperrelement eingesetzt werden. Im einzelnen kann ein Sperrelement, das bei der Methode dieser Erfindung genutzt werden kann, jedes geeignete Element sein, welches die Wanderung, Bewegung oder ähnliches des flüssigen Matrixmetalls über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials hinaus stört, unterbindet, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrelemente können jedes Material, jede Verbindung, jedes Element, jede Zusammensetzung oder ähnliches sein, welche unter den Verfahrensbedingungen der Erfindung eine gewisse strukturelle Integrität bewahren, nicht flüchtig sind und in der Lage sind, die fortschreitende Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials hinaus lokal zu unterbinden, zu stoppen, zu stören, zu verhindern oder ähnliches. Sperrelemente können während der selbsterzeugten Vakuuminfiltration oder in jedem undurchlässigen Behälter genutzt werden, der in Verbindung mit der Methode des selbsterzeugten Vakuums zur Bildung von Metallmatrixverbundstoffen eingesetzt wird, wie das unten ausführlicher behandelt wird. Diese Sperrelemente erleichtern die Herstellung von geformten Makroverbundkörpern.

Zu den geeigneten Sperrelementen gehören Materialien, die unter den angewendeten Verfahrensbedingungen durch das wandernde, flüssige Matrixmetall benetzbar oder nichtbenetzbar sind, solange die Benetzung des Sperrelementes nicht wesentlich über die Oberfläche des Sperrmaterials hinaus geht (d.h. Oberflächenbenetzung). Ein Sperrelement dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität für die flüssige Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte

Oberflächengrenze des Füllmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrelement verhindert oder unterbunden. Die Sperre verringert die abschließende maschinelle Bearbeitung oder das Schleifen, die erforderlich sein können, um den fertigen Makroverbundkörper zu erzeugen.

Geeignete Sperren, die für Aluminiummatrixmetalle besonders nützlich sind, sind solche, welche Kohlenstoff enthalten, besonders die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen durch die flüssige Aluminiumlegierung nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugtes Graphit ist das Graphitbanderzeugnis GRAFOIL®, welches Charakteristika aufweist, die die Wanderung der flüssigen Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzebeständig und im wesentlichen chemisch inert. Das GRAFOIL®-Graphitband ist flexibel, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch, und es kann in eine Vielzahl von Formen gebracht werden, um sich den meisten Sperranwendungen anzupassen. Graphitsperrelemente können auch als Aufschlämmung oder Paste oder sogar als Anstrichfilm an und auf der Grenze des Füllmaterials oder der Vorform aufgebracht werden.

GRAFOIL^e-Band wird besonders bevorzugt, weil es die Form einer flexiblen Graphitfolie hat. Eine Methode, diese papierartige Graphitfolie anzuwenden, besteht darin, das zu infiltrierende Füllmaterial oder die Vorform in eine Lage des GRAFOIL*-Materials einzuwickeln. Als Alternative dazu kann aus dem Graphitfolienmaterial eine Negativform in der Form gebildet werden, welche der Metallmatrixverbundkörper haben soll, und diese Negativform kann dann mit Füllmaterial'gefüllt werden. Außerdem können andere feingemahlene Partikulatstoffe, beispielsweise Aluminiumoxid mit einer Korngröße 500, als Sperre in bestimmten Situationen dienen, solange die Infiltration des Partikulatsperrmaterials mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die langsamer als die Infiltrationsgeschwindigkeit des Füllmaterials ist.

Das Sperrelement kann auf jede geeignete Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Abdecken der definierten Oberflachengrenze mit einer Lage des Sperrelementes. Eine solche Lage oder Schicht des Sperrelementes kann durch Anstreichen, Tauchen, Siebdruck, Aufdampfen oder Aufbringung des Sperrelementes in flüssiger, breiiger oder Pastenform oder durch lonenstrahlzerstäubung eines verdampfbaren Sperrelementes oder durch Aufbringung einer dünnen Schicht oder eines festen Films des Sperrelementes auf die definierte Oberflächengrenze aufgebracht werden. Wenn das Sperrelement aufgebracht ist, endet die selbsterzeugte Vakuuminfiltration im wesentlichen, wenn das infiltrierende Matrixmetall die definierte Oberflächengrenze erreicht und das Sperrelement berührt.

Die vorliegende Methode der Bildung der Metallmatrixverbundkomponente des Makroverbundkörpers durch die Methode des selbsterzeugten Vakuums bietet in Verbindung mit der Verwendung eines Sperrelementes signifikante Vorteile gegenüber den bekannten technischen Lösungen. Im einzelnen kann durch die Anwendung der Methode der vorliegenden Erfindung ein Metallmatrixverbundkörper ohne die Notwendigkeit einer kostspieligen oder komplizierten Bearbeitung geschaffen werden. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein undurchlässiger Behälter, der kommerziell erhältlich oder auf die speziellen Anforderungen abgestimmt sein kann, ein Füllmaterial oder eine Vorform in der gewünschten Form, welche angrenzend an oder in Kontakt mit dem wenigstens einen zweiten Material angeordnet sind, eine reaktive Atmosphäre und ein Sperrelement zum Stoppen der Infiltration des Matrixmetalls über die Oberfläche des resultierenden, gebildeten Makroverbundkörpers hinaus enthalten. Beim Kontakt der reaktiven Atmosphäre mit dem Matrixmetall, das in den undurchlässigen Behälter und/oder das Füllmaterial unter Verfahrensbedingungen gegossen werden kann, kann ein selbsterzeugtes Vakuum geschaffen werden, wodurch bewirkt wird, daß das flüssige Matrixmetall das Füllmaterial infiltriert und schließlich wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen zweiten Materials kontaktiert. Die vorliegende Methode vermeidet die Notwendigkeit komplexer Bearbeitungsschritte, z.B. die maschinelle Bearbeitung der Formen zu komplexen Formen, die Erhaltung von Metallschmelzbädern, die Entnahme dergeformten Teile aus komplexaufgebauten Formen usw. Außerdem wird die Verschiebung des Füllmaterials durch das flüssige Matrixmetall beachtlich verringert, da ein stabiler Behälter vorhanden ist, der nicht in ein Schmelzbad von Metall getaucht wird.

In die unmittelbar folgenden Beispiele werden verschiedene Demonstrationen der vorliegenden Erfindung einbezogen. Diese Beispiele sollten jedoch als Veranschaulichung betrachtet werden, sie schränken den Rahmen der Erfindung, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert wird, nicht ein.

Beispiel 1

Das folgende Beispie! demonstriert eine Methode der Bindung eines Keramikmatrixkörpers an einen Körper aus rostfreiem Stahl durch Anwendung einer Grenzschicht aus Aluminiummetallmatrixverbundstoff.

Ein Stab aus rostfreiem Stahl mit ungefähren Abmessungen von V2 Zoll (13mm) im Durchmesser und 2V2 Zoll (51 mm) Länge wurde in aufrechter Stellung in einen undurchlässigen Behälter gegeben, welcher einen kommerziell erhältlichen Aluminiumoxidschmelztiegel mit ungefähren Abmessungen von IV2Z0II (38mm) Innendurchmesser und 2V2Z0II (51 mm) umfaßte, so daß ein Ende des Stahlstabes auf dem Boden des Aluminiumoxidschmelztiegels ruhte. Der ringförmige Raum zwischen der Außenfläche des Stahlstabes und der Innenfläche des Aluminiumschmelztiegels wurde dann mit einer etwa ³AZoII (19mm) starken Schicht eines Füllmaterials aus Siliciumcarbidteilchen, Korngröße 54, gefüllt. Die Außenfläche des Stahlstabes war vorher mit einer Lösung von B₂O₃-Pulver in Wasser überzogen worden. Das B₂O₃-Pulver wurde von der Aesar Company of Seabrook, New Hamshire, bezogen. Eine Menge eines festen Matrixmetalls, das aus einer Aluminiumlegierung mit der folgenden ungefähren Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, < 0,50 % Mn, <0,35% Sn und <0,50% Ni, der Rest war Aluminium, bestand, wurde in einen undurchlässigen Behälter gegeben, der Zimmertemperatur aufwies, obenauf das Siliciumcarbidfüllmaterial. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 600⁰C vorerhitzt worden war. Dann wurde die Ofentemperatur über eine Zeitspanne von etwa 1,5 Stunden auf etwa 900"C erhöht, während dieser Zeit schmolz die feste Matrixlegierung und bildete etwa eine ³A Zoll (19 mm) starke Schicht flüssige Matrixlegierung innerhalb des ringförmigen Raums zwischen dem rostfreien Stahlstab und dem Aluminiumoxidschmelztiegel. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company of Seabrook, New Hamshire, oben auf die Oberfläche des flüssigen Aluminiummatrixmetalls gegeben. Nach etwa 15 Minuten bei etwa 900⁰C war das B₂O₃-Material im wesentlichen geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war jedes Wasser, das möglicherweise in B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung entstanden war. Die Anordnung verblieb für eine weitere Stunde bei etwa 900⁰C im Ofen.

Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen und in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Eine Analyse der Endstruktur der Anordnung zeigte, daß das flüssige Matrixmetall das Siliciumcarbidfüllmaterial infiltriert hatte, um einen Metallmatrixverbundstoff zu bilden, der sowohl an den Aluminiumoxidschmelztiegel als auch an den rostfreien Stahlstab gebunden war, so daß ein fester Makroverbundkörper gebildet wurde, bei dem ein Keramikkörper (der Aluminiumoxidschmelztiegel) durch eine Metallmatrixverbundgrenzschicht an einen Metallkörper (den rostfreien Stahlstab) gebunden war. Außerdem war eine Schicht restliches Matrixmetall,welches nicht das Siliciumcarbidfüllmaterial infiltriert hatte, obenauf der oberen Fläche der Anordnung an den Aluminiumoxidschmelztiegel, die Metallmatrixverbundzwischenschicht und den Stahlstab gebunden. Abb.3 ist eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts durch den fertigen Makroverbundkörper, der in diesem Beispiel gebildet wurde. Der Querschnitt wurde unter der Restschicht des Matrixmetalls und über dem Boden des Aluminiumoxidschmelztiegels ausgeführt. Dieser Querschnitt zeigt den rostfreien Stahlstab (60), durch die Metallmatrixverbundzwischenschicht (64) an den Aluminiumoxidschmelztiegel (62) gebunden.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der aus einem Keramikmatrixverbundkörper besteht, welcher an einen Aluminiummetallmatrixverbundkörper gebunden ist. Dieses Beispiel demonstriert auch die Anwendung einer mechanischen Bindung in Kombination mit anderen Bindungsmechanismen. Ein zylindrischer Keramikmatrixverbundkörper, der aus einem durch eine Aluminiumoxidmatrix eingebetteten Siliciumcarbidfüllmaterial bestand, wurde oben auf eine Schicht Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500 (38-Alundum von der Norton Company) gegeben, die sich in einem undurchlässigen Behälter mit einem Innendurchmesser von etwa 1 Vj Zoll (38 mm) u nd einer Höhe von etwa 2¹A Zoll (57 mm) befand, der aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, hergestellt worden war. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 1 Ѵг Zoll (38 mm) und einer Länge von etwa 2V« Zoll (57 mm) an eine rostfreie Stahlplatte, Stärke 16, von 1³A Zoll mal 1³A Zoll (45mm) hergestellt. Der oben beschriebene.zylindrische Keramikmatrixverbundkörper wurde nach Methoden hergestellt, die in den folgenden, im gleichen Besitz befindlichen US-PA beschrieben wurden und deren Offenlegungen hier ausdrücklich als Referenzeinbezogenwerden: US-PS 4851375 vom 25. Juli 1989, MarcS. Newkirku.a., „ Methods of Making Composite Ceramic Articles having Embedded Filler" (Herstellung von Keramikverbunderzeugnissen mit eingebettetem Füllstoff), und US-PS, Serien-Nr.07/338471 vom 14. April 1989, die eine Weiterführung nach Regel 62 der nun aufgegebenen US-PA, Serien-Nr.06/ 861025 vom 8. Mai 1986, beide auf den Namen von MarcS. Newkirku.a., .Shaped Ceramic Composites and Methods of Making the Same" (Geformte Keramikverbundstoffe und Methoden zu ihrer Herstellung), ist. Der ringförmige Raum zwischen der Oberfläche des Keramikmatrixverbundkörpers, welche dem Außendurchmesser des zylindrischen Keramikverbundkörpers entspricht wie der Innenfläche des undurchlässigen Behälters, wurde mit dem oben genannten Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500, bis zu dem Pegel gefüllt, daß der Pulverpegel etwa gleich der Höhe der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers entsprach. Unter den Bedingungen dieses Beispiels wirkte das Pulver mit der Korngröße 500 als Sperrmaterial, das für das flüssige Matrixmetall undurchlässig war. Die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers hatte vier 0,035 Zoll (0,888mm) breite und 0,030 Zoll (0,762 mm) tiefe Schlitze, die in dem in Abb.4 gezeigten Schema angeordnet waren. Die Schlitze (66) waren um etwa 8° gegenüber der senkrechten Achse des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers geneigt. Das Pulver mit Korngröße 500 bedeckte nicht die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers und gelangte nicht in die Schlitze auf der Oberfläche des Keramikmatrixverbundkörpers. Die ungefähren Abmessungen des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers betrugen 1³/e Zoll (35mm) im Durchmesser und ⁶/ie Zoll (7 mm) in der Höhe. Eine etwa 0,125 Zoll (3,175mm) starke Schicht eines Füllmaterials, das aus Siliciumcarbidteilchen, Korngröße 90, bestand, wurde dann oben auf die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers gegeben. Das Siliciumcarbidpartikulatmaterial füllte auch die Schlitze in der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Aluminiumlegierung mit folgender ungefähren Zusammensetzung bestand: 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 5,2-5,3% Mg, < 0,50% Mn, < 0,35% Sn und <0,50% Ni, der Ausgleich war Aluminium, allesauf Gewichtsgrundlage, wurde in den Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 800⁰C. Dann wurde das flüssige Matrixmetall mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Stahlbehälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 800"C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise in dem B₃O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung entstand. Die Anordnung blieb für weitere etwa 2 Stunden bei 800⁰C im Ofen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde sie auseinandergenommen, und man erhielt einen Makroverbundkörper, der aus einem Metallmatrixverbundkörper bestand, welcher an einen Keramikmatrixverbundkörper gebunden war. Der Metallmatrixabschnitt des Makroverbundkörpers wurde dann auf eine Stärke von etwa 0,015 Zoll (0,381 mm) geschliffen. Dieser fertige Makroverbundkörper, der in der Abb. 5 gezeigt wird, wurde einer Reihe von Wärmeschockversuchen unterzogen, um festzustellen, ob sich der Metallmatrixverbundkörper (68) auf Grund einer Wärmeschockbehandlung von dem Keramikmatrixverbundkörper (70) trennen würde. Der Wärmeschockversuch bestand aus einem Wärmezyklus, bei welchem der Makroverbundkörper auf eine Temperatur von 500⁰C in einem Luftofen erhitzt wurde und 500⁰C für weitere 15 Minuten auf ihn einwirkten, bevor der Körper für die Dauer von 15 Minuten außerhalb des Ofens einer Luftatmosphäre bei Zimmertemperatur ausgesetzt wurde. Nachdem der Makroverbundkörper 15 Minuten lang der Zimmertemperaturumgebung ausgesetzt war, wurde er wieder in den 500⁰C warmen Ofen gegeben und der Zyklus wiederholt. Nach sechsmaliger Wiederholung des Zyklusses konnten kein Bindungsversagen oder Trennung des Metallmatrixverbundkörpers vom Keramikmatrixverbundkörper festgestellt werden.

Beispiel 3

Das folgende Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Keramikmatrixverbundkörper umfaßt, der unter Nutzung einer Aluminiummetallmatrixverbundzwischenschicht an einen Behälter aus rostfreiem Stahl gebunden wurde

Ein zylindrischer Keramikmatrixverbundkörper mit ungefähren Abmessungen von einem Zoll (25,4 mm) Durchmesser und einer Höhe von ¹A Zoll (6,35 mm), bestehend aus einem Siliciumcarbidf üllmaterial, das in eine Aluminiumoxidmatrix eingebettet war, wurde oben auf eine Schicht von Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500 (38-Alundum von der Norton Company), gegeben, die sich in einem undurchlässigen Behälter mit einem Innendurchmesser von 1V2 Zoll (38,1 mm) und einer Höhe von 2¹A Zoll (57,15 mm) befand. Der Keramikmatrixverbundkörper wurde nach den Methoden hergestellt, die in den im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen beschrieben wurden, die im Beispiel 2 genannt werden. Die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers hatte vier 0,035 Zoll (0,889mm) breite und 0,030 Zoll (0,762 mm) tiefe Schlitze, die in dem in der Abb.4 gezeigten Schema angeordnet sind. Die Schlitze waren etwa um 8" gegenüber der senkrechten Achse des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers geneigt. Der undurchlässige Behälter wurde aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa Vh Zoll (38,1 mm) und einer Höhe von etwa 2,25 Zoll (57,15mm) an eine Platte ausjOstfreiem Stahl, Stärke 16, mit den Abmessungen 1³A Zoll (44,45mm) mal 1³A Zoll (44,45mm) hergestellt. Um die Oberfläche des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers, die dem Außendurchmesser des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers entsprach, wurde ein Stück Schreibpapier gelegt. Das Papier reichte etwa V2 Zoll (12,7 mm) über die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers, wodurch ein Kapselungsabschnitt entstand. In den Kapselungsabschnitt wurde dann eine Menge eines Füllmaterials aus Siliciumcarbidpartikulatmaterial, Korngröße 90, gegeben, so daß die Schlitze auf der Oberfläche des Keramikmatrixverbundkörpers mit dem Siliciumcarbidfüllmaterial gefüllt waren. Dann wurde dem Kapselungsabschnitt zusätzliches Siliciumcarbid, Korngröße 90, zugesetzt, bis auf der Oberfläche oben auf dem Keramikmatrixverbundkörper eine etwa Vie Zoll starke Schicht von Siliciumcarbid, Korngröße 90, vorhanden war. Oben auf die Siliciumcarbidpartikulatschicht wurde dann eine perforierte Platte aus rostfreiem Stahl gegeben. Die ungefähren Abmessungen der runden Lochplatte betrugen einen Zoll (25,4 mm) im Durchmesser und 0,030 Zoll (0,762 mm) in der Stärke. Etwa 40% der Gesamtfläche der Lochplatte bestanden aus Durchgangslöchern mit einem angenäherten Durchmesser von Vie Zoll (1,5625 mm). Nachdem die rostfreie Stahllochplatte oben auf dieSiliciumcarbidpartikulatschicht aufgebracht worden war, wurden in den Kapselungsabschnitt weitere Siliciumcarbidpartikulatstoffe, Korngröße 90, gegeben. Dieses zusätzliche Siliciumcarbidpartikulatmaterial füllte die Perforationen in der rostfreien Stahlplatte und bildete eine etwa Vie Zoll (1,5625 mm) starke Siliciumcarbidschicht oben auf der oberen Fläche der rostfreien Stahllochplatte. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine zusätzliche Menge des Pulvers mit Korngröße 500 in den ringförmigen Raum zwischen der Außenfläche des Kapselungsabschnittes und der Innenfläche des undurchlässigen Behälters aus rostfreiem Stahl gegeben. Das Pulver mit Korngröße 500 wurde so lange zugesetzt, bis die Höhe des Pulvers mit Korngröße 500 etwa gleich der Höhe des Kapselungsabschnitts war. Eine Menge flüssiges Matrixmetall mit einer ungefähren Gewichtszusammensetzung von 2,5 bis 3,5% Zn, 3,0 bis 4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20 bis 0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium wurde in den Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidmaterial und das Mehl mit der Korngröße 500 zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 900⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Stahlbehälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, derauf eine Temperatur von etwa 900"C vorerhitzt worden wer. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das ВгОз-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung gebildet wurde. Die Anordnung wurde weitere etwa 1,5 Stunden bei 900⁰C im Ofen gehalten. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters definierte, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde aus der Anordnung ein Makroverbundkörper gewonnen. Ein Querschnitt dieses Makroverbundkörpers wird in der Abb.6 gezeigt. Wie in der Abb. 6 gezeigt wird, bestand der Makroverbundkörper (72) aus dem Keramikmatrixverbundkörper (74), der durch eine Zwischenschicht (78) eines Metallmatrixverbundmaterials, das aus dem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in eine Matrix der oben beschriebenen Aluminiumlegierung, bestand, an die rostfreie Stahllochplatte (76) gebunden war. Die Zwischenschicht des vorliegenden Verbundkörpers erstreckte sich auch durch die Perforationen der rostfreien Stahlplane und verband sie damit mit dem Rest des Metallmatrixverbundkörpers (80), der sich über der rostfreien Stahllochplatte befand.

Beispiel 4

Das folgende Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der aus einem Keramikmatrixverbundkörper besteht, der an einen Aluminiummetallmatrixverbundkörper gebunden ist, der wiederum an eine Menge Matrixmetall gebunden ist.

Ein zylindrischer Keramikmatrixverbundkörper, der nach den im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen, die im Beispiel 2 behandelt wurden, hergestellt wurde und aus einem Siliciumcarbidfüllmaterial, eingebettet in eine Aluminiumoxidmatrix, bestand, wurde oben auf eine Schicht Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500 (38-Alundum von der Norton Company), gegeben, die sich in einem undurchlässigen Behälter befand. Der undurchlässige Behälter bestand aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 2VeZoII (54mm) und einer Länge von etwa3 Zoll (76,2mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 2Ѵг Zoll (63,5 mm) mal 2V2 Zoll (63,5 mm) hergestellt. Weiteres Pulver mit Korngröße 500 wurde in den ringförmigen Raum zwischen der Außenfläche des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers, der durch den Außendurchmesser des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers definiert wurde, und der Innenfläche des undurchlässigen Behälters gegeben, bis die Höhe des Pulvers annähernd gleich der Höhe der oberen Fläche des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers war. Der zylindrische Keramikmatrixverbundkörper hatte angenäherte Abmessungen von

1⁹/i β Zo 11 (39 mm) Durchmesserund Ѵг Zoll (12,7 mm) in der Höhe. Außerdem hatte der Keramikmatrixverbundkörper vier annähernd 0,035 Zoll (0,889 mm) breite und 0,03 Zoll (0,762 mm) tiefe Schlitze in der oberen Fläche. Die Schlitze waren in dem in der Abb.4 gezeigten Schema angeordnet. Die Schlitze waren etwa um 8° gegenüber der senkrechten Achse des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers geneigt. Dann wurde oben auf die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers und des Pulvers von Korngröße 500 eine etwa ¹AZoII (6,35 mm) starke Schichteines Füllmaterials aus Siliciumcarbidpartikulatmaterial von Korngröße 90 gegeben. Das Siliciumcarbidfüllmaterial von Korngröße 90 füllte auch die Schlitze auf der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers. Eine Menge an flüssigem Matrixmetall mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8 bis 1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial und das Mehlmaterial zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 85O⁰C. Dann wurde das flüssige Matrixmetall mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Sea brook, New Hampshire, auf die Oberfläche des flüssigen Aluminiummatrixmetalls gegeben. Dann wurde die Anordnung in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 850⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise in dem B₂O₃ eingeschlossen war7 im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung gebildet wurde. Die Anordnung wurde dann für weitere 3 Stunden bei 850⁰C im Ofen gehalten. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters aus rostfreiem Stahl bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nach Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde die Anordnung auseinandergenommen, um den Makroverbundkörper entnehmen zu können. Ein senkrechter Querschnitt dieses Makroverbundkörpers wird in der Abb.7 gezeigt. Wie in der Abb.7 gezeigt wird, bestand der Makroverbundkörper (82) aus dem Keramikmatrixverbundkörper (84), der an einen Metallmatrixverbundkörper (86) gebunden war, welcher wiederum an einen Körper aus Matrixmetall (88) gebunden war. Der Metallmatrixverbundkörper bestand aus Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in eine Matrix der oben beschriebenen Aluminiummatrixlegierung. Der Matrixmetallabschnitt des Makroverbundkörpers wurde dann maschinell bearbeitet, bis man den in der Abb. 8 gezeigten Makroverbundkörper erhielt. Die an die Linien angefügten Zahlen, mit denen in der Abb. 8 gearbeitet wird, bezeichnen dieselben Komponenten wie die mit entsprechenden Zahlen versehenen Teile in der Abb.7.

Wie in den Abbildungen 7 und 8 gezeigt wird, ist der Metallmatrixverbundkörper (86) mechanisch durch das Metallmatrixverbundmaterial, welches die vier Schlitze infiltrierte, an den Keramikmatrixverbundkörper (84) gebunden. Drei der infiltrierten Schlitze (90) sind im Querschnitt (Abb.7) und in der Fotografie des Makroverbundkörpers (Abb.8) sichtbar. Wie bereits in diesem Beispiel ausgeführt wurde, sind die Schlitze gegenüber der senkrechten Achse des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers leicht geneigt. Wenn das Metallmatrixverbundmaterial in diesen Schlitzen erstarrt, bildet sich zwischen dem Metallmatrixverbundkörper und dem Keramikmatrixverbundkörper eine mechanische Bindung. Diese mechanische Bindung verstärkt die Festigkeit jeder anderen Bindung (z.B. einer chemischen Bindung), die zwischen dem Keramikmatrixverbundkörper und dem Metallmatrixverbundkörper vorhanden sein kann, und ergibt damit einen festeren und kohäsiveren Makroverbundkörper. Außerdem hält die mechanische Bindung die beiden Körper auch dann noch zusammen, wenn eine oder alle anderen Bindungen zwischen dem Keramikmatrixverbundkörper und dem Metallmatrixverbundkörper ausfallen sollten. Damit würde ein totaler Ausfall des gesamten Makroverbundkörpers verhindert, wenn dieser bestimmten Typen von Belastungen ausgesetzt ist.

Beispiel 5

Das folgende Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der aus einem Keramikmatrixverbundkörper besteht, welcher an einen Aluminiummetallmatrixverbundkörper gebunden ist. Ein Keramikmatrixverbundkörper, der aus wenigstens einem in einer Aluminiumoxidmatrix enthaltenen Füllmaterial besteht, wurde oben auf eine Schicht von Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500 (38-Alundum von der Norton Company) gegeben, die sich in einem undurchlässigen Behälter befand. Der undurchlässige Behälter hatte einen Innendurchmesservonetwa3¹/e Zoll (85,725 mm) und eine 'Höhe von etwa 2 Zoll (50,8 mm) und war aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, hergestellt worden. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 3Ve Zoll (85,725 mm) und einer Länge von etwa 2 Zoll (50,8mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 3Vs Zoll (98,425mm) mal3⁵/e Zoll (98,425 mm) hergestellt worden. Der Keramikmatrixverbundkörper wurde nach der Methode hergestellt, die in der im gleichen Besitz befindlichen US-PS 4 818734 vom 4. April 1989, Robert C. Kanter u.a., «Method of In Situ Tailoring the Metallic Component of Ceremic Articles" (Methode zur gezielten In-situ-Darstellung der Metallkomponente von Keramikerzeugnissen), beschrieben wird. Die vollständige Offenlegungsschrift in dieser im gleichen Besitz befindlichen US-PS 4818734 wird hier ausdrücklich als Verweis einbezogen. Der Keramikmatrixverbundkörper hatte zylindrische Form und angenäherte Abmessungen von 3 Zoll (76,2mm) im Durchmesser und ¹A Zoll (6,35mm) in der Höhe. Außerdem hatte der Keramikmatrixverbundkörper vier 0,035 Zoll (0,889 mm) breite und 0,03 Zoll (0,762 mm) tiefe Schlitze in seiner oberen Fläche. Die Schlitzewaren in dem Schema ausgerichtet, das in der Abb.4 gezeigt wird. Zusätzliches Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500, wurde in den ringförmigen Raum zwischen der Außenfläche des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers, welche durch den Außendurchmesser des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers definiert wurde, und der Innenfläche des undurchlässigen Behälters aus rostfreiem Stahl gegeben. Es wurde so viel zusätzliches Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500, zugesetzt, bis die Höhe des Pulvers innerhalb des undurchlässigen Behälters annähernd gleich der Hohe der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers war. Dann wurde oben auf die obere Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers und des Mehls mit einer Korngröße 500 eine etwa 0,06 Zoll (1,524 mm) starke Schichteines Füllmaterials gegeben, das aus Siliciumcarbid, Korngröße 90, bestand. Das Siliciumcarbid, Korngröße 90, füllte auch die Schlitze auf der oberen Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium wurde in den Behälter gegossen, der annähernd Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 850⁰C. Das flüssige

Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem rostfreien, undurchlässigen Stahlbehälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 850^cC vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete einen glasartigen Überzug. Außerdem war jedes Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, so daß sich eine gasundurchlässige Dichtung gebildet hatte. Die Anordnung blieb weitere etwa 2,5 Stunden bei 850⁰C im Ofen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde sie auseinandergenommen, um einen zylindrischen Makroverbundkörper zu entnehmen. Abb.9 ist ein senkrechter Querschnitt des gebildeten Makroverbundkörpers. Wie in der Abb.9 gezeigt wird, bestand der Makroverbundkörper (92) aus dem Keramikmatrixverbundkörper (94), der an einen Metallmatrixverbundkörper (96) gebunden war, der wiederum an eine Schicht restlichen Matrixmetalls (98) gebunden war, die nicht in das Füllmaterial infiltriert war. Der Metallmatrixverbundkörper bestand aus einem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in eine Matrix der oben beschriebenen Aluminiumlegierung. Dann wurde der Makroverbundkörper einem abschließenden Oberflächenbearbeitungsverfahren unterzogen, wobei die Schicht des restlichen Matrixmetalls durch Schleifen entfernt wurde. Nach Abschluß dieses Bearbeitungsvorganges wurde in den Metallmatrixverbundkörper etwa an der Grenzfläche zwischen dem Keramikmatrixverbundkörper und dem Metallmatrixverbundkörper eine Nut geschnitten. Die Nut reichte um den gesamten Umfang des zylindrischen Makroverbundkörpers. Der fertige Makroverbundkörper wird in der Abb. 10 gezeigt, in welcher die Nut mit (102) bezeichnet ist. In den Abbildungen 9 und 10 werden viele gleiche Bezugszahlen verwendet, um ähnliche Komponenten und/oder Strukturen zu bezeichnen.

Abb.9 veranschaulicht auch die mechanische Bindung, die durch die mit Metallmatrixverbundstoff gefüllten Schlitze (100) gewährt wird, welche detailliert im Beispiel 4 behandelt wurden.

Beispiel 6

Dieses Beispiel zeigt eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der aus einer Reihe von Keramikmatrixverbundkörpern besteht, die untereinander durch eine Zwischenschicht aus einem Aluminiummetallmatrixverbundmaterial und einer dünnen Schicht Matrixmetall verbunden werden. Abb. 11 zeigt einen senkrechten Querschnitt einer Baugruppe (104), die zur Herstellung des Makroverbundkörpers des vorliegenden Beispiels verwendet wird. Die Baugruppe (104) wurde hergestellt durch Aufbringung einer dünnen Schicht von Elmer's Holzleim (hergestellt von der Borden Company) auf die Oberflächen (106) von fünf Keramikmatrixverbundkörpern (108) und anschließendes Kontaktieren der beschichteten Flächen (106) der Keramikmatrixverbundkörper (108) miteinander. Die Keramikmatrixverbundkörper wurden nach den Methoden hergestellt, die in dem im gleichen Besitz befindlichen Patent dargestellt wurden, das im Beispiel 5 genannt wurde, und jeder Keramikmatrixverbundkörper wies wenigstens ein Füllmaterial auf, das in eine Aluminiumoxidmatrix eingebettet war. Außerdem waren die Keramikmatrixverbundkörper von rechtwinkliger Form und hatten auf der Oberfläche Schlitze (110). Einige dieser Schlitze waren um 8° entweder zur Linie A-A oder Linie B-B der Baugruppe (104) geneigt, wie das in der Abb. 11 gezeigt wird. Nachdem Abbinden des Leims wurde die 4 Zoll (101,6mm) lange und 1³Λ Zoll (44,45mm) breite Anordnung (104) oben auf eine Schicht von Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, gegeben, die in einem undurchlässigen Behälter mit einem Durchmesservonetwa5 Zoll (127 mm) und einer Höhe von etwa 2Ѵг Zoll (63,5 mm) enthalten war. Der undurchlässige Behälter war aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, hergestellt worden. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Durchmesser von etwa 5 Zoll (127 mm) und einer Höhe von etwa 2Ѵг Zoll (63,5mm) mit einer rostfreien Stahlplatte, Stärke 16,6 Zoll (154mm) mal 6 Zoll (154 mm) hergestellt worden. Dann wurde dem undurchlässigen Behälterzusätzliches Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, zugesetzt, bis die gesamte Baugruppe unter einer Schicht von Siliciumcarbidfüllmaterial begraben war. Die abschließende Höhe des Siliciumcarbidfüllmaterials lag etwa Ve Zoll (3,175mm) über den Oberflächen (112) der Baugruppe. Auch die Schlitze (110) wurden mit dem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, gefüllt. Eine Menge flüssiges Matrixmetall mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 2,5 bis 3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 850°C. Dann wurde das flüssige Matrixmetall mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 850⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war jedes Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, so daß sich eine gasundurchlässige Dichtung bildete. Die Anordnung wurde weitere etwa 3,5 Stunden bei etwa 850°C im Ofen gehalten. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommmen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde sie auseinandergenommen, um den Makroverbundkörper zu entnehmen. Der Makroverbundkörper bestand aus der Anordnung von Keramikmatrixverbundkörpern, die vollständig in einen Metallmatrixverbundkörper eingebettet war, der aus dem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in eine Matrix des oben beschriebenen Aluminiummatrixmetalls, bestand. Das Metallmatrixverbundmaterial wurde maschinell von den Außenflächen der Baugruppe der Keramikmatrixverbundkörper entfernt, um den fertigen Makroverbundkörper zu ergeben, der in der Abb. 12 gezeigt wird. Dieser Makroverbundkörper (114) bestand aus fünf Keramikmatrixverbundkörpern (108), welche die Baugruppe bildeten, verbunden durch eine Zwischenschicht (116) des Metallmatrixverbundmaterials, das sich zumindest zwischen einem Abschnitt jedes der einzelnen Keramikmatrixverbundkörper (108) befand. Außerdem waren die Keramikmatrixverbundkörper (108) durch Zwischenschichten (118) von Matrixmetall miteinander verbunden, welches die

Abschnitte der Baugruppe infiltriert hatte, in denen sich vorher der Elmer's Holzleim befunden hatte. So bestand der fertige Makroverbundkörper (114) aus einer Baugruppe der Keramikmatrixverbundkörper, die an eine Metallmatrixverbundzwischenschicht (116) gebunden sind, und außerdem sind sowohl die Metallmatrixverbundzwischenschicht (116) als auch die Keramikmatrixverbundkörper (108) an dünne Zwischenschichten (118) aus Matrixmetall gebunden, die zwischen den einzelnen Keramikmatrixverbundkörpern (108) vorhanden sind. Abb. 12 zeigt auch die mechanische Bindung, die durch die mit Matrixmetallverbundstoff gefüllten Schlitze (120) bewirkt wird, welche ausführlich im Beispiel 4 behandelt wurden. Es sollte beachtet werden, daß der Makroverbundkörper des vorliegenden Beispiels waagerechte, mit Metallmatrixverbundstoff gefüllte Schlitze auf den Keramikmatrixverbundkörpern hat, die sich jeweils an dem Ende des Makroverbundkörpers befinden. Diese mit Metallmatrixverbundstoff gefüllten, waagerechten Schlitze ergeben, wenn sie mit den mit Metallmatrixverbundstoff gefüllten, senkrechten Schlitzen an den anderen Keramikmatrixverbundkörpern kombiniert werden, den Makroverbundkörper mit einem zweidimensionalen, mechanischen Verriegelungssystem.

Beispiel 7

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der aus einem Aluminiummetallmatrixverbundkörper besteht, der sowohl an einen Keramikmatrixverbundkörper als auch an eine Baugruppe * gebunden ist, die aus einer rostfreien Stahllochplatte besteht, welche mit einem Gewindestab aus rostfreiem Stahl verschweißt ist.

Ein Keramikmatrixverbundkörper, der nach den Methoden hergestellt worden war, die in den im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen beschrieben werden, die im Beispiel 2 genannt wurden, und der aus einem in eine Aluminiumoxidmatrix eingebetteten Füllmaterial bestand, wurde in einen undurchlässigen Behälter gegeben. Der undurchlässige Behälter wurde aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, hergestellt. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 2Ve Zoll (54mrn) und einer Länge von etwa 3 Zoll (76,2 mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 2V2 Zoll (63,5mm) mal 2V2 Zoll (63,5mm), hergestellt. Der Durchmesser des zylindrischen Keramikmatrixverbundstoffs war annähernd gleich dem Innendurchmesser des undurchlässigen Behälters. Außerdem hatte der Keramikmatrixverbundkörper vier 0,035 Zoll (0,889 mm) breite und 0,03 Zoll (0,762 mm) tiefe Schlitze in seiner oberen Fläche. Die Schlitze waren in dem Schema ausgerichtet, das in der Abb. 4 gezeigt wird, außerdem waren die Schlitze um etwa 8° gegenüber der senkrechten Achse des zylindrischen Keramikmatrixverbundkörpers geneigt. Eine Menge aus Füllmaterial, bestehend aus Siliciumcarbidpartikulatmaterial, Korngröße 90, wurde auf die Oberfläche des Keramikmatrixverbundkörpers gebracht, um die Schlitze zu füllen, und es erstreckt sich in einer sehr dünnen Schicht über die Oberfläche des Keramikmatrixverbundkörpers. Dann wurde eine Baugruppe, die aus einer rostfreien Stahllochplatte bestand, welche an einem Ende eines rostfreien Stahlgewindestabes verschweißt war, oben auf das Siliciumcarbidfüllmaterial gebracht, so daß eine Fläche der rostfreien Stahllochplatte mit der Schicht des Siliciumcarbidfüllmaterials in Kontakt war und die andere Fläche, die mit dem rostfreien Stahlstab verschweißt war, vom Keramikmatrixverbundkörper weg gerichtet war. Die rostfreie Stahllochplatte hatte eine runde Geometrie und angenäherte Abmessungen von 1³A Zoll (44,45 mm) Durchmesser und 0,03 Zoll (0,762 mm) Stärke. Außerdem wurden etwa 40% der Gesamtfläche der Lochplatte von Durchgangslöchern mit einem angenäherten Durchmesser von Vie Zoll (1,575mm) eingenommen. Dann wurde zusätzliches Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, auf den undurchlässigen Behälter gegeben, bis die obere Fläche der rostfreien Stahllochplatte mit einer etwa Ve Zoll (3,175mm) starken Schicht des Siliciumcarbidfüllmaterials bedeckt war. Das Siliciumcarbidfüllmaterial reichte durch die Perforationen innerhalb der rostfreien Stahlplatte und berührte das Siliciumcarbidfüllmaterial unter der rostfreien Stahllochplatte. Das Siliciumcarbidfüllmaterial umschloß und berührte auch die Basis des rostfreien Stahlstabs. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur hatte, um das Siliciumcarbidfüllmaterial zu bedecken und einen Abschnitt des rostfreien Stahlstabs zu umschließen. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 800°C. Das flüssige Matrixmetall wurde mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein ВгОз-РиІѵег von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Matrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 800⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war jedes Wasser, das möglicherweise im B2O3 eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung entstand. Die Anordnung wurde für weitere etwa zwei Stunden bei 800°C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche die untere Fläche des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde die Anordnung auseinandergenommen, um einen Makroverbundkörper zu entnehmen. Wie in der Abb. 13, die ein senkrechter Querschnitt des Makroverbundkörpers ist, gezeigt wird, bestand der Makroverbundkörper (122) aus dem Keramikmatrixverbundkörper (124), der durch eine Zwischenschicht (130) eines Metallmatrixverbundmaterials an die Baugruppe gebunden war, die aus der rostfreien Stahllochplatte (126) und dem Gewindestab (128) bestand. Außerdem war die Metallmatrixverbundzwischenschicht (130) auch an etwas restliches, unfiltriertes Matrixmetall (132) gebunden, das wiederum an den Gewindestab (128) aus rostfreiem Stahl gebunden war. Das Metallmatrixverbundmaterial bestand aus dem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in das oben beschriebene Aluminiummatrixmetall. Das Metallmatrixverbundmaterial umschloß die rostfreie Stahllochplatte vollständig und reichte auch durch die Perforationen, um das Metallmatrixverbundmaterial unter der rostfreien Platte an das Metallmatrixverbundmaterial über der rostfreien Platte zu binden.

Abb. 14 ist eine Fotografie des fertigen Makroverbundkörpers, der durch Entfernung des größten Teils des restlichen Matrixmetalls durch Schleifen hergestellt wurde. Abb. 14 verwendet viele dergleichen Bezugszahlen wie die Abb. 13, um ähnliche Komponenten oder Strukturen zu bezeichnen. Wie in der Abb. 14 gezeigt wird, ließ man um die Basis des Gewindestabes aus rostfreiem Stahl (128) einen Kragen (134) aus restlichem Matrixmetall stehen. Die rostfreie

Stahllochplatte ist in der Abb. 14 nicht sichtbar, weil sie vollständig in die Metallmatrixverbundzwischenschicht (130) eingebettet wurde.

Abb. 14 zeigt auch die mechanische Bindung, welche durch die mit Metallmatrixverbundstoff gefüllten Schlitze (136) bewirkt wird, die ausführlich im Beispiel 4 behandelt wurden.

Beispiele

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Herstellung eines Makroverbundkörpers, der zwei rostfreie Stahlrohre umfaßt, die konzentrisch angeordnet und miteinander durch eine Aluminiummetallmatrixverbundzwischenschicht gebunden werden, die sich zwischen der Außenfläche des inneren rostfreien Stahlrohres und der Innenfleche des äußeren rostfreien Stahlrohres befindet.

Eine erste Baugruppe wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von 1^β/ιβ Zoll (39,0525 mm) und einer Länge von etwa 4³A Zoll (120,65 mm) mit einer rostfreien Stahlplatte, Stärke 16, von 2Ѵг Zoll (63,5mm) mal 2Vj Zoll (63,5mm) hergestellt. Ein zweites Rohr aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 2Ve Zoll(54mm) und einer Länge von etwa 6¹A Zoll (158,75mm) wurde so um das erste rostfreie Stahlrohr angeordnet, daß es mit dem ersten rostfreien Stahlrohr konzentrisch war. Das zweite rostfreie Stahlrohr wiederum wurde mit der rostfreien Stahlplatte, Stärke 16,2Vi Zoll (63,5mm) mal 2Ѵг Zoll (63,5mm) verschweißt, um einen undurchlässigen Behälter zu schaffen. Dann wurde das Innenrohr mit Aluminiumoxidpulver, Korngröße 500 (38-Alundum von der Norton Company) gefüllt, bis die Höhe des Pulvers mit Korngröße 500 etwa gleich dem oberen Rand des Innenrohres war. Das obere Ende des Innenrohres wurde dann durch Bildung einer Schicht aus einem Calciumaluminatgemisch abgedichtet, welches durch Mischen von Zement Secar 71 mit Wasser hergestellt wurde, diese Schicht befand sich auf der oberen Fläche des Innenrohres. Das Ringvolumen zwischen der Außenfläche des Innenrohres und der Innenfläche des Außenrohres wurde dann mit einem Siliciumcarbidpartikulatmaterial von Korngröße 14 gefüllt. Nachdem das oben beschriebene Ringvolumen mit dem Siliciumcarbid, Korngröße 14, gefüllt war, wurde oben auf die Schicht des Siliciumcarbids von Korngröße 14 eine Schicht Siliciumcarbidpartikulatmaterial mit Korngröße 50 aufgebracht, und sie wurde durch Ultraschallvibration in die Schicht des Siliciumcarbidpartikulatmaterials von Korngröße 14 eingearbeitet. Also war nach dem Ultraschallvibrationsschritt das Ringvolumen zwischen der Außenfläche des Innenrohres und der Innenfläche des Außenrohres mit einem Gemisch von Siliciumcarbidpartikulatmaterial mit einer Korngröße von 14 und 50 bis zu einer Höhe gefüllt, die etwa gleich der Höhe des abgedichteten oberen Endes des inneren rostfreien Stahlrohres war. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer kommerziell erhältlichen Aluminiumlegierung mit der Bezeichnung 6061 bestand, wurde in das Volumen gegossen, das durch die Innenfläche des äußeren rostfreien Stahlrohres, das Zimmertemperatur auswies, definiert wurde, um das Siliciumcarbidfüllmaterial und das abgedichtete obere Ende des inneren rostfreien Stahlrohres zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 900⁰C. Dann wurde das flüssige Matrixmetall mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 900⁰C vorerhitzt war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war jedes Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, so daß eine gasundurchlässige Dichtung gebildet wurde. Die Anordnung wurde weitere etwa 2 Stunden bei 900⁰C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche die Bodenfläche der Anordnung bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Schreckplatte aus Kupfer gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde die Platte aus rostfreiem Stahl von den rostfreien Stahlrohren weggeschnitten, ebenso vom Metallmatrixverbundstoff. Außerdem wurde das obere Ende des äußeren rostfreien Stahlrohres etwas unter der Höhe des abgedichteten oberen Endes des inneren rostfreien Stahlrohres abgeschnitten. Der fertige zylindrische Makroverbundkörper bestand aus zwei konzentrischen Rohren aus rostfreiem Stahl, die durch eine Metallmatrixverbundzwischenschicht aneinander gebunden waren. Der Metallmatrixverbundkörper bestand aus einem Gemisch von Siliciumcarbidfüllmaterial mit der Korngröße 14 und 50, eingebettet in eine Matrix aus der oben beschriebenen Aluminiumlegierung. Ein waagerechter Querschnitt des Makroverbundkörpers, der im vorliegenden Beispiel gebildet wurde, wird in der Abb. 15 gezeigt, in welcher das rostfreie Stahlaußenrohr mit (138) bezeichnet ist, das rostfreie Stahlinnenrohr mit (140) bezeichnet ist und die Metallmatrixverbundzwischenschicht mit (142) bezeichnet ist.

Beispiel 9

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Aluminiummetallmatrixverbundkörper umfaßt, der an einen Körper aus Metall gebunden ist.

Eine ungefähr ¹A Zoll (6,35mm) starke Schicht von ungebranntem Siliciumcarbidpartikulatmaterial, Größe 180, wurde in den Boden eines undurchlässigen Behälters gegeben. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 2Ve Zoll (54 mm) und einer Länge von etwa 3 Zoll (76,2 mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von Vh Zoll (63,5 mm) mal 2V2 Zoll (63,5 mm) hergestellt. Obenauf die Schicht aus Siliciumcarbidpartikulatmaterial wurde ein zylindrischer Block einer Aluminiumlegierung 6061 mit Abmessungen von etwa 0,75 Zoll (19 mm) Durchmesser und etwa 1 Zoll Höhe (25,4 mm) gegeben, so daß ein rundes Ende des Zylinders auf dem Partikulat aufsaß und die Höhenabmessung von einem Zoll (25,4 mm) senkrecht zur Schicht des Siliciumcarbidpartikulatmaterials verlief. Dann wurde eine weitere Ѵг Zoll (12,7 mm) starke Schicht Siliciumcarbidpartikulatmaterial in den undurchlässigen Behälter gegeben, so daß das Siliciumcarbidpartikulatmaterial den zylindrischen Aluminiumblock etwa auf die Hälfte seiner Höhe umschloß. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Aluminiumlegierung mit einer ungefähren Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0—4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial und die obere Hälfte des Blocks aus Aluminiumlegierung 6061 zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 800⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Mittel bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der

Aesear Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 800⁰C vorerhitzt worden war. Nach 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-MaIeHaI im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise in das B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, so daß sich eine gasundurchlässige Dichtung bildete. Die Anordnung wurde weitere etwa 3,5 Stunden bei 800°C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung Zimmertemperatur erreicht hatte, wurde die Anordnung auseinandergenommen, um einen Makroverbundkörper zu entnehmen. Abb. 16 ist ein senkrechter Querschnitt des aus der Anordnung entnommenen Makroverbundkörpers. Wie in der Abb. 16 gezeigt wird, bestand der Makroverbundkörper (144) aus einem Körper aus Aluminiummetall (146), der an einen Metallmatrixverbundkörper (148) gebunden war. Der Metallmatrixverbundkörper bestand aus dem Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 180, eingebettet in eine Matrix des oben beschriebenen Matrixmetalls.

Abb. 17 ist eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts eines Makroverbundkörpers, der in dem vorliegenden Beispiel gebildet wurde. Der in der Abb. 17 gezeigte Querschnitt wurde in einer Höhe ausgeführt, die wenig unter der oberen Fläche des Metallmatrixverbundkörpers liegt. Wie in der Abb. 17 gezeigt wird, ist der Metallmatrixverbundkörper (148) an einen Körper aus Aluminiummetall (146) gebunden.

Beispiel 10

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Aluminiummetallmatrixverbundkörper umfaßt, der an einen Metallkörper gebunden ist.

Ein undurchlässiger Behälter mit einem Innendurchmesser von etwa 1^β/ιβ Zoll (39mm) und einer Höhe von etwa 4³A Zoll (121 mm) wurde aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, hergestellt. Der Behälter wurde durch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 1⁸Ae Zoll (39 mm) und einer Länge von etwa 4³A Zoll (121 mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von ѴІг Zoll (63,5 mm) mal 2Ѵг Zoll (63,5mm) hergestellt. In den undurchlässigen Behälter wurde ein Stab einer kommerziell erhältlichen Aluminiumlegierung 6061 mit den angenäherten Abmessungen von einem Zoll (25,4 mm) Durchmesser und 3 Zoll (76,2 mm) Länge gegeben, so daß ein Ende des Stabes auf dem Boden des undurchlässigen Behälters ruhte. Das Ende des Stabes, das mit dem Boden des undurchlässigen Behälters in Kontakt war, hatte einen runden Ansatz, der den Durchmesser des Stabes vergrößerte, so daß dieser etwa den gleichen Durchmesser (1⁹/ie Zoll - 39 mm) wie der Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des undurchlässigen Behälters hatte. Der kreisförmige Ansatz hatte eine Höhe von etwa ¹A Zoll (6,35mm). Der ringförmige Raum zwischen der Außenfläche des Stabes über dem kreisförmigen Ansatz und der Innenfläche des undurchlässigen Behälters wurde dann mit einem Füllmaterial gefüllt, das aus Siliciumcarbidfüllmaterial in Partikulatform, Korngröße 24, bestand. Die Höhe des Siliciumcarbidpartikulatmaterials entsprach etwa dem oberen Ende des Aluminiumstabes. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Aluminiumlegierung mit der angenäherten Gewichtszusammensetzung von 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, <0,50% Mn, <0,35% Sn, <0,50% Ni und dem Rest Aluminium bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Siliciumcarbidfüllmaterial und die obere Fläche des Aluminiumstabes zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 900⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Aluminiummatrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälterund dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, derauf etwa 900⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, so daß sich eine gasundurchlässige Dichtung bildete. Die Anordnung wurde für weitere etwa 2 Stunden bei 900⁰C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit der wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem Zimmertemperatur erreicht war, wurde das untere Ende der Anordnung an einer Stejle geringfügig über dem Ansatz auf dem Aluminiumstab weggeschnitten. Außerdem wurde der obere Teil der Anordnung in einer Höhe geringfügig unter dem oberen Ende des Aluminiumstabes weggeschnitten. Dann wurde der rostfreie Stahlzylinder entfernt, um einen Makroverbundkörper bloßzulegen, der einen Stab aus Aluminiumlegierung umfaßte, der an einen zylindrischen Metallmatrixverbundmantel gebunden war, welcher aus dem Siliciumcarbidpartikulatmaterial, Korngröße 24, eingebettet in eine Matrix des oben beschriebenen Matrixmetalls, bestand. Abb. 18 zeigt einen waagerechten Querschnitt des im vorliegenden Beispiel gebildeten Makroverbundkörpers. Wie in der Abb. 18 gezeigt wird, umfaßt der Makroverbundkörper (150) den Stab aus Aluminiumlegierung (152), gebunden an einen zylindrischen Metallmatrixverbundmantel (154).

Beispiel 11

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der zwei konzentrische Rohre aus rostfreiem Stahl umfaßt, die durch eine Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht miteinander verbunden sind. Ein erstes Rohr aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 1⁹/i6 Zoll (35mm) und einer Länge von 4³AZoII (121 mm) wurde mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, von 2V2 Zoll (63,5mm) mal 2V2 Zoll (63,5 mm) verschweißt. Um das erste rostfreie Stahlrohr wurde ein zweites, größeres Rohr aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, so angeordnet, daß es konzentrisch mit dem ersten rostfreien Stahlrohr war. Das zweite rostfreie Stahlrohr, das einen Innendurchmesser von etwa 2Ve Zoll (55 mm) und eine Länge von etwa 6V2 Zoll (163 mm) hatte, wurde mit der gleichen Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 2Ѵз Zoll (63,5mm) mal 2V2 Zoll (63,5mm) verschweißt, um einen undurchlässigen Behälter zu bilden. Eine runde Platte aus rostfreiem Stahl, Typ AISI 304, Stärke 16, mit etwa dem gleichen Durchmesser wie das rostfreie Innenstahlrohr wurde oben auf das rostfreie Innenstahlrohr aufgeschweißt, um den oberen Teil dieses Rohres abzudichten. Der ringförmige Raum zwischen der Außenfläche des rostfreien Innenstahlrohres und der Innenfläche des rostfreien

Stahlaußenrohres wurde dann mit einem Füllmaterial gefüllt, das aus einem Aluminiumoxidprodukt, Korngröße 90, bestand, das als 38-Alundum von der Norton Company bekannt ist. Die Höhe des Aluminiumoxidfüllmaterials, Korngröße 90, war etwa gleich der Höhe der Oberseite des abgedichteten rostfreien Stahlinnenrohres. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Bronzelegierung mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 90% Kupfer, 5% Silicium, 2% Eisen und 3%Zink bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Füllmaterial und die abgedichtete Oberfläche des rostfreien Stahlinnenrohres zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 1100⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Bronzematrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und seinem Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 1100°C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch sich eine gasundurchlässige Schicht bildete. Die Anordnung wurde weitere etwa 4 Stunden bei 1100⁰C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte wurde die Stahlplatte gebracht, welche den Boden der Anordnung bildete, um so das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde die rostfreie Stahlplatte von den rostfreien Stahlrohren'und dem Metallmatrixverbundstoff weggeschnitten. Außerdem wurde das obere Ende der zweiten Baugruppe in einer Höhe abgeschnitten, die wenig unter der Oberseite des abgedichteten inneren Rohres aus rostfreiem Stahl lag. Der resultierende Makroverbundkörper bestand aus zwei konzentrischen rostfreien Stahlrohren, die durch eine Metallmatrixverbundzwischenschicht aneinander gebunden waren.

Abb.19 ist eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des im vorliegenden Beispiel gebildeten Makroverbundkörpers. Wie in der Abb. 19 gezeigt wird, umfaßte der Makroverbundkörper (156) zwei konzentrische Rohre aus rostfreiem Stahl, ein Außenrohr (158) und ein Innenrohr (160), die miteinander durch eine Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht (162) verbunden waren.

Beispiel 12

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der ein hohles Rohr aus rostfreiem Stahl umfaßt, welches an einen Bronzemetallmatrixverbundkörper gebunden ist.

Ein undurchlässiger Behälter wurde durch Verschweißen eines ersten rostfreien Stahlrohres, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 1⁸/ie Zoll (35 mm) und einer Länge von etwa 4³A Zoll (121 mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16,2V2 Zoll (63,5mm) mal 2¹Λ Zoll (63,5 mm) zur Bildung einer ersten Baugruppe hergestellt. Ein zweites, größeres Rohr aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, wurde so um das erste rostfreie Stahlrohr angeordnet, daß es mit dem ersten rostfreien Stahlrohr konzentrisch war. Das zweite rostfreie Stahlrohr, das einen Innendurchmesser von etwa 2VeZoII (54 mm) und eine Länge von etwa 6V2 Zoll (159mm) hatte, wurde mit der gleichen rostfreien Stahlplatte wie das erste rostfreie Stahlrohr verschweißt, um einen undurchlässigen Behälter zu bilden. Eine runde Platte aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, wurde dann obenauf das innere (erste) rostfreie Stahlrohr geschweißt. Diese runde Platte aus rostfreiem Stahl hatte einen Durchmesser, der wenig größer als der Durchmesser des inneren rostfreien Stahlrohres war, und das obere Ende des inneren rostfreien Stahlrohres abdichtete, sobald sie verschweißt war. Nachdem das rostfreie Innenstahlrohr abgedichtet war, wurde durch den Boden der Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16,2V2 Zoll (63,5mm) mal 2V2 Zoll (63,5mm) ein Ablaßloch gebohrt in den Raum, der durch die Innenwände des inneren Rohres aus rostfreiem Stahl definiert wird. Dieses Ablaßloch verhindert jeden Druckanstieg, der auftreten könnte, wenn die Anordnung von Zimmertemperatur auf Bearbeitungstemperatur erhitzt wird. Dieses Ablaßloch beeinträchtigt nicht die Undurchlässigkeit der Anordnung, weil das obere Ende des Innenrohres abgedichtet war. Der ringförmige Raum zwischen der Außenfläche des rostfreien Innenstahlrohres und der Innenfläche des rostfreien Außenstahlrohres (des zweiten Rohres) wurde dann mit einem Füllmaterial gefüllt, das aus einem Aluminiumoxidprodukt, Korngröße 14, bestand, das als 38-Alundum von der Norton Company bekannt ist. Die Höhe des Aluminiumoxidfüllmaterials war annähernd gleich dem oberen Ende des abgedichteten rostfreien Stahlinnenrohres. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Bronzelegierung mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 90% Kupfer, 2% Eisen, 5% Silicium und 3% Zink bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Aluminiumoxidfüllmaterial und das abgedichtete obere Ende des rostfreien Stahlinnenrohres zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 1100⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Bronzematrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, derauf eine Temperatur von 1100⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung gebildet wurde. Die Anordnung wurde weitere etwa 2 Stunden bei 1100⁰C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden der Anordnung bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde die untere Platte aus rostfreiem Stahl abgeschnitten von den beiden rostfreien Stahlrohren und der Metallmatrixverbundzwischenschicht. Außerdem wurde das obere Ende der Anordnung in einer Ebene, die geringfügig unter dem oberen Ende des rostfreien Stahlinnenrohres lag, abgeschnitten. Der Makroverbundkörper, der aus der Anordnung entnommen wurde, bestand aus zwei konzentrischen Rohren aus rostfreiem Stahl, die durch eine Metallmatrixverbundzwischenschicht miteinander verbunden waren. Die Metallmatrixverbundzwischenschicht bestand aus dem Aluminiumoxidfüllmaterial, Korngröße 14, eingebettet in eine Matrix der oben beschriebenen Bronzematrixlegierung. Nachdem die beiden Enden der Anordnung entfernt waren, wurde auch das äußere Rohr aus rostfreiem Stahl entfernt, um einen fertigen Makroverbundkörper zu bilden, der ein rostfreies Stahlrohr umfaßte, das an einen Mantel aus Bronzemetallmatrixverbundkörper gebunden war.

Abb. 20 ist eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des fertigen Makroverbundkörpers, der im vorliegenden Beispiel gebildet wurde. Wie in der Abb. 20 gezeigt wird, umfaßte der Makroverbundkörper (164) ein rostfreies Stahlinnenrohr (166), das an einen Metallmatrixverbundmantel (168) gebunden war.

Beispiel 13

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Stab aus rostfreiem Stahl umfaßt, welcher an ein Rohr aus rostfreiem Stahl durch eine Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht gebunden ist. Der rostfreie Stahlstab und das rostfreie Stahlrohr sind konzentrisch.

Eine erste Baugruppe wurde durch Verschweißen eines Stabes aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa einem Zoll (25,4mm) und einer Höhe von etwa 4,5 Zoll (113 mm) mit einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 2Ѵг Zoll (63,5 mm) mal 2V2 Zoll (63,5 mm) hergestellt. Um den Stab aus rostfreiem Stahl wurde ein Rohr aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 1VeZoII (44,45 mm) und einer Länge von etwa 6 Zoll (152,4mm) so angeordnet, daß es mit dem Stab aus rostfreiem Stahl konzentrisch war. Das rostfreie Stahlrohr wurde dann mit einer rostfreien Stahlplatte von 2V2 Zoll (63,5mm) mal 2Ѵг Zoll (63,5mm) verschweißt, um einen undurchlässigen Behälter zu bilden. Der ringförmige Raum zwischen der Außenfläche des rostfreien Stahlstabes und der Innenfläche des rostfreien Stahlrohres wurde dann mit einem Füllmaterial gefüllt, das aus einem Aluminiumoxidprodukt, Korngröße 90, bestand, das als Alundum von der Norton Company bekannt ist. Die Höhe des Füllmaterials, Korngröße 90, war etwa gleich dem oberen Ende des rostfreien Stahlstabes. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Bronzelegierung mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 90% Kupfer, 5% Silicium, 2% Eisen und 3% Zink bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um das Aluminiumoxidfüllmaterial und das obere Ende des rostfreien Stahlstabes zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 1100⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Bronzematrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 1100⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen, um eine glasartige Schicht zu bilden. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃-Material eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig verdampft, um eine gasundurchlässige Dichtung zu bilden. Die Anordnung wurde weitere etwa vier Stunden bei 1100⁰C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden der Anordnung bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde der Boden der Anordnung in einer Höhe kurz über der Ebene des Bodens, der aus der rostfreien Stahlplatte bestand, weggeschnitten. Außerdem wurde das obere Ende der Anordnung in einer Höhe abgeschnitten, die wenig unter der Ebene des oberen Endes des rostfreien Stahlstabes lag. Derfertige zylindrische Makroverbundkörper, welcher der Anordnung entnommen wurde, bestand aus einem rostfreien Stahlstab, der durch eine Metallmatrixverbundzwischenschicht an ein rostfreies Stahlrohr gebunden war. Der Metallmatrixverbundstoff bestand aus dem Aluminiumoxidfüllmaterial, Korngröße 90, eingebettet in eine Matrix der oben beschriebenen Bronzelegierung.

Abb. 21 ist ein waagerechter Querschnitt des Makroverbundkörpers, der im vorliegenden Beispiel gebildet wurde. Wie in der Abb. 21 gezeigt wird, umfaßt der Makroverbundkörper (170) einen Stab (172) aus rostfreiem Stahl, der an ein Rohr (174) aus rostfreiem Stahl durch eine Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht (176) gebunden war.

Ein etwa ⁶Ae Zoll (8mm) starker Querschnitt des zylindrischen Makroverbundkörpers, der in diesem Beispiel gebildet und in der Abb. 21 dargestellt wurde, wurde einem Scherversuch unterzogen, um die Bindefestigkeit des Metallmatrixverbundmaterials an den Stab aus rostfreiem Stahl zu bestimmen. Die Querschnittscheibe wurde auf einen Stahlring gesetzt, so daß die mit Aluminiumoxid gefüllte Bronzemetallmatrix mit dem Stahlring in Kontakt war. Dann wurde auf die Mitte des rostfreien Stahls eine Ramme aufgesetzt und Druck auf die Ramme ausgeübt, um die Mitte des rostfreien Stahls in eine Richtung senkrecht zum Durchmesser der Makroverbundscheibe zu schieben. Der Versuch wurde in einer Forney-Druck-Universal-Prüfmaschine (Modell FT-0060-D), die von der Forney, Inc., Wampum, PA, hergestellt wurde, ausgeführt. Es wurde eine Maximallast von etwa 8210 Pound (ca. 3524 kg) über einer Scherfläche von etwa 0,989 Zoll² (ca. 6,381cm²), eine gemessene Scherfestigkeit von etwa 8300 Pound/Zoll² (563,573kg/cm²) also, erreicht.

Beispiel 14

Dieses Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, welcher einen Bronzemetallmatrixverbundkörper umfaßt, der an einen Metallkörper gebunden ist..

Ein Bogen von kommerziell erhältlichem GRAFOIL®-Graphitband, das von der Union Carbide hergestellt wird, wurde auf den Boden eines undurchlässigen Behälters gelegt, um den gesamten Boden des undurchlässigen Behälters zu bedecken. Der undurchlässige Behälter wurde durch Verschweißen von Stahlplatten aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, hergestellt, um einen rechteckigen Behälter mit Innenabmessungen von 4 Zoll (101,6 mm) im Quadrat mal 1¹A Zoll (38,1 mm) Höhe herzustellen. Oben auf die GRAFOIL^e-Folie wurde eine etwa Ve Zoll (3,175mm) starke Schicht eines Füllmaterials gegeben, das aus einem Aluminiumoxidprodukt, Korngröße 90, bestand, das als 38-Alundum von der Norton Company bekannt ist. Oben auf die Schicht des Aluminiumoxidfüllmaterials wurde eine rechteckige Platte von kaltgeformtem Stahl mit angenäherten Abmessungen von ЗѴ2 Zoll (84,9mm) im Quadrat und einer Stärke von Ve Zoll (9,5 mm) gegeben. Dann wurde in den undurchlässigen Behälter weiteres Aluminiumoxidfüllmaterial, Korngröße 90, gegeben, bis die Höhe des Aluminiumoxidfüllmaterials etwa der oberen Fläche des kaltgeformten Stahlstücks entsprach. Dann wurde eine zweite Folie GRAFOIL® oben auf das kaltgeformte Stahlstück gelegt. DieGRAFOIL®-Folie reichte über die Kanten des kaltgeformten Stahlstücks und bedeckte teilweise die Schicht des Aluminiumoxidfüllmaterials. Zwischen den Kanten der GRAFOIL®-Folie und der Innenfläche des undurchlässigen Behälters bestand ein etwa ¹A Zoll (6,35 mm) breiter Spalt. Eine Menge eines flüssigen Matrixmetalls, das aus einer Bronzelegierung mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 90% Kupfer, 2% Eisen, 5% Silicium und 3% Zink bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um die GRAFOIL®-Folie und das exponierte Aluminiumoxidfüllmaterial zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 1100°C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Bronzematrixmetall aufgebracht. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 1100⁰C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O₃-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃

eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung gebildet wurde. Die Anordnung wurde für weitere etwa 3 Stunden bei 1100°Cim Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche den Boden des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde die Anordnung auseinandergenommen, um einen Makroverbundkörper freizulegen.

Der Makroverbundkörper umfaßte einen Metallmatrixverbundkörper, der an das kaltgeformte Stahlstück gebunden war. Abb. 22 ist ein senkrechter Querschnitt des Makroverbundkörpers, der im vorliegenden Beispiel gebildet wurde. Wie in der Abb.22 gezeigt wird, umfaßte der Makroverbundkörper (178) einen Bronzemetallmatrixverbundkörper (180), der an dieses kaltgeformte Stahlstück (182) gebunden war.

Beispiel 15

Das vorliegende Beispiel demonstriert eine Methode zur Bildung eines Makroverbundkörpers, der einen Bronzemetallmatrixverbundkörper umfaßt, welcher an einen anderen Bronzemetallmatrixverbundkörper mit einem unterschiedlichen Füllmaterial gebunden ist. Außerdem demonstriert das vorliegende Beispiel eine Methode zur Bildung eines Mikroverbundkörpers von geringer Dichte.

Eine etwa Ve Zoll (3,175 mm) starke Schicht eines Füllmaterials, das aus einem Siliciumcarbid, Korngröße 90, bestand, wurde auf den Boden eines undurchlässigen Behälters gegeben. Der undurchlässige Behälter wurdedurch Verschweißen eines Rohres aus rostfreiem Stahl, AISI-Typ 304, Stärke 16, mit einem Innendurchmesser von etwa 2 Zoll (51 mm) und einer Länge von etwa 2Vs Zoll (63,5mm) an einer Platte aus rostfreiem Stahl, Stärke 16, von 2³/e Zoll (ca. 60 mm) mal 2Ve Zoll (ca. 60mm) hergestellt. Auf den oberen Abschluß der Schicht des Siliciumcarbids, Korngröße 90, wurde eine etwa ³A Zoll (19,1 mm) starke Schicht von Aluminiumoxidluftkügelchen gegeben. Die AluminiumoxidluftkOgelchen waren von Kugelform, hatten einen Durchmesser von 3,2mm und wurden von der Ceramic Fillers Inc., Atlanta, Georgia, hergestellt. Oben auf die Schicht der Aluminiumoxidluftkügelchen wurde eine weitere Schicht Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90 gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann vorsichtig vibriert, um das Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, in wenigstens einen Teil der Porosität zwischen den AluminiumoxidluftkOgelchen einsinken und diesen füllen zu lassen (d.h., sich darin zu befinden). Wenn kein zusätzliches Siliciumcarbid, Korngröße 90, mehr in die Porosität zwischen den Luftkugelchen einsank, wurde eine weitere Menge an Siliciumcarbid, Korngröße 90, auf die Anordnung gegeben, um eine Ve Zoll (3,175mm) starke Schicht Siliciumcarbid oben auf den Aluminiumoxidluftkügelchen zu bilden. Oben auf die obere Schicht des Siliciumcarbids wurde eine Platte aus rostfreiem Stahl mit angenäherten Abmessungen von 1Ve Zoll (46,6mm) Durchmesser und Ve Zoll (3,175mm) Stärke gegeben. Die rostfreie Stahlplatte hatte einen Durchmesser, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des undurchlässigen Behälters war, so daß ein kleiner Spalt zwischen der Kante der rostfreien Stahlplatte und der Innenfläche des rostfreien Stahlrohres entstand. Eine Menge flüssiges Matrixmetall, das aus einer Bronzelegierung mit einer angenäherten Gewichtszusammensetzung von 90% Kupfer, 5% Silicium, 2% Eisen und 3% Zink bestand, wurde in den undurchlässigen Behälter gegossen, der Zimmertemperatur aufwies, um die rostfreie Stahlplatte und das exponierte Siliciumcarbidfüllmaterial zu bedecken. Das flüssige Matrixmetall hatte eine Temperatur von etwa 1100⁰C. Das flüssige Matrixmetall wurde dann mit einem dichtungsbildenden Material bedeckt. Im einzelnen wurde ein B₂O₃-Pulver von der Aesar Company, Seabrook, New Hampshire, auf das flüssige Matrixmetall gegeben. Die Anordnung, die aus dem undurchlässigen Behälter und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf eine Temperatur von etwa 1100°C vorerhitzt worden war. Nach etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur war das B₂O3-Material im wesentlichen vollständig geschmolzen und bildete eine glasartige Schicht. Außerdem war alles Wasser, das möglicherweise im B₂O₃ eingeschlossen war, im wesentlichen vollständig entgast, wodurch eine gasundurchlässige Dichtung entstanden war. Die Anordnung wurde weitere etwa 2 Stunden bei 1100°C im Ofen belassen. Anschließend wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, und die rostfreie Stahlplatte, welche die Unterfläche des undurchlässigen Behälters bildete, wurde in direkten Kontakt mit einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gebracht, um das Matrixmetall gerichtet erstarren zu lassen. Nachdem die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde die Anordnung auseinandergenommen, um einen Makroverbundkörper freizulegen. Der Makroverbundkörper bestand aus einer ersten Lage Metallmatrixverbundmaterial, welches das Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, umfaßte, eingebettet in eine Matrix des oben beschriebenen Bronzematrixmetalls, gebunden an eine zweite Schicht von Metallmatrixverbundmaterial, welches aus den Aluminiumoxidluftkügelchen bestand, die in eine Matrix des oben beschriebenen Bronzematrixmetalls eingebettet waren, welche wiederum an eine dritte Lage des Metallmatrixverbundstoffs gebunden war, welches das Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, umfaßte, eingebettet in eine Matrix des oben beschriebenen Bronzematrixmetalls. Die obere Metallmatrixverbundschicht wurde vom Makroverbundkörper entfernt, um einen Zweischichten-Makroverbundkörper zu bilden, der aus dem Metallmatrixverbundkörper bestand, welcher die Luftkügelchen enthielt, gebunden an den Metallmatrixverbundkörper, der das Siliciumcarbidfüllmaterial, Korngröße 90, enthielt. Die Dichte des Stücks betrug etwa 3,9g/cm³. Die normale Dichte eines Metallmatrixverbundkörpers, der aus etwa 50 Volumenprozent eines Siliciumcarbidfüllmaterials, Korngröße 90, besteht, das in eine ähnliche Bronzelegierung eingebettet ist wie die im vorliegenden Beispiel eingesetzte Bronzelegierung, beträgt etwa 5,5g/cm³.

Abb. 23 ist eine Fotografie eines waagerechten Querschnitts des fertigen Zweischichten-Makroverbundkörpers, der im vorliegenden Beispiel hergestellt wurde. Wie in der Abb. 23 gezeigt wird, umfaßte der Makroverbundkörper (184) einen Bronzemetallmatrixverbundkörper, welcher die Aluminiumoxidluftkügelchen als Füllmaterial (186) enthielt, gebunden an einen Bronzemetallmatrixverbundkörper, der das Siliciumcarbidfüllmaterial (188), Korngröße 90, enthält.

Bezugszeichenliste

29 Keramikmatrixkörper

30 Aufbau

31 Füllmaterial

32 undurchlässiger Behälter

33 Matrixmetall

34 Dichtungsmaterial

35 Stahlrohr

36 Platte

37 umgebende Atmosphäre 60 Stahlstab

62 Aluminiumoxidschmelztiegel 64 Metallmatrixverbundzwischenschicht 66 Schlitze

68 Metallmatrixverbundkörper 70 Keramikmatrixverbundkörper 72 Makroverbundkörper 74 Keramikmatrixverbundkörper 76 Stahllochplatte

78 Metallmatrixverbundzwischenschicht 80 Metallmatrixverbundkörper 82 Makroverbundkörper 84 Keramikmatrixverbundkörper 86 Metallmatrixverbundkörper 88 Matrixmetall

90 Schlitze

92 Makroverbundkörper 94 Keramikmatrixverbundkörper 96 Metallmatrixverbundkörper 98 Matrixmetall

100 Schlitze

102 Nut

104 Baugruppe

106 Oberfläche

108 Keramikmatrixverbundkörper 110 Schlitze

112 Oberfläche

114 Makroverbundkörper

116 Zwischenschicht

118 Zwischenschicht

120 Schlitze

122 Makroverbundkörper

124 Keramikmatrixverbundkörper

126 Stahllochplatte

128 Gewindestab

130 Zwischenschicht

132 Matrixmetall

134 Kragen

136 Schlitze

138 Stahlaußenrohr

140 Stahlinnenrohr 142 Metallmatrixverbundzwischenschicht 144 Makroverbundkörper 146 Aluminiummetallkörper 148 Metallmatrixverbundkörper 150 Makroverbundkörper 152 Stab

154 Metallmatrixverbundmantel 156 Makroverbundkörper 158 Außenrohr 160 Innenrohr

162 Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht 164 Makroverbundkörper 166 Stahlinnenrohr 168 Metallmatrixverbundmantel 170 Makroverbundkörper 172 Stab

174 Rohr

176 Bronzemetallmatrixverbundzwischenschicht 178 Makroverbundkörper 180 Bronzemetallmatrixverbundkörper 182 Stahlstück

184 Makroverbundkörper 186 Hohlkügelchen-Füllmaterial 188 SiC-Füllmaterial

Claims

1. Methode zur Herstellung eines Makroverbundkörpers, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bildung eines Reaktionssystems, bestehend aus einem Matrixmetall, einer reaktiven Atmosphäre, einem undurchlässigen Behälter, einer durchlässigen Masse, die wenigstens ein Material umfaßt, welches aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus einer losen Masse von Füllstoff oder einer Vorform von Füllstoff besteht, und wenigstens einem zweiten oder zusätzlichen Körper im Anschluß an die durchlässige Masse;

- wenigstens teilweises Abdichten des Reaktionssystems gegenüber einer umgebenden Atmosphäre, die sich außerhalb des Reaktionssystems befindet, um einen Nettodruckunterschied zwischen der reaktiven Atmosphäre und der umgebenden Atmosphäre zu" erreichen, wobei die Abdichtung durch wenigstens eine von außen gelegene Dichtung, innewohnende physikalische Dichtung und innewohnende chemische Dichtung gebildet wird;

- Erhitzen des abgedichteten Reaktionssystems, um das Matrixmetall zu schmelzen und wenigstens teilweise diesen wenigstens einen Körper durch das flüssige Matrixmetall infiltrieren zu lassen, um einen Metallmatrixverbundkörper zu bilden, der integral an dem wenigstens einen zweiten oder zusätzlichen Körper haftet oder an diesen gebunden ist, um so einen Makroverbundkörper zu bilden.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Abdichtung die im wesentlichen vollständige Isolierung der reaktiven Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre umfaßt.

3. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nettodruckunterschied während wenigstens eines Abschnittes der Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in die durchlässige Masse vorhanden ist.

4. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminium, Magnesium, Bronze, Kupfer und Gußeisen besteht.

5. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionssystem außerdem wenigstens ein Benetzungssteigerungsmittel vorhanden ist.

6. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionssystem außerdem wenigstens ein Dichtungshilfsmittel vorhanden ist.

7. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Dichtung durch eine außen gelegene Dichtung erfolgt, die ein glasartiges Material umfaßt.

8. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Dichtung durch eine innewohnende chemische Dichtung erfolgt, welche ein Reaktionsprodukt des Matrixmetalls und der umgebenden Atmosphäre umfaßt.

9. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Dichtung durch eine innewohnende physikalische Dichtung erfolgt, welche eine Benetzung des undurchlässigen Behälters durch das Matrixmetall umfaßt.

10. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Dichtung durch eine innewohnende "chemische Dichtung erfolgt, welche ein Reaktionsprodukt des Matrixmetalls und des undurchlässigen Behälters umfaßt.

11. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Atmosphäre wenigstens teilweise mit wenigstens einem von Matrixmetall, Füllmaterial und undurchlässiger Behälter reagiert, so daß der Nettodruckunterschied entsteht.

12. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Benetzungssteigerungsmittel mit dem Matrixmetall legiert wird.

13. Methodenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein Sperrelement vorhanden ist, welches wenigstens einen Abschnitt einer Oberfläche der durchlässigen Masse bildet.

14. Methode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlenstoff, Graphit, Titandiborid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und rostfreiem Stahl besteht.

15. Methode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement im wesentlichen durch das Matrixmetall nichtbenetzbar ist.

16. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium umfaßt und das Benetzungssteigerungsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Magnesium, Wismut, Blei oder Zinn besteht.

17. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall wenigstens eines von Bronze und Kupfer umfaßt und das Benetzungssteigerungsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Selen, Tellur und Schwefel besteht.

18. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Masse aus wenigstens einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, das aus Pulvern, Flocken. Plättchen, Mikrokugeln, Whiskern, Blasen, Fasern, Partikulatmaterial, Fasermatten, zerkleinerten Fasern, Kugeln, Pellets, Tubulussen und feuerfestem Zeug besteht.

19. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus wenigstens einem Material besteht, dä¥aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Oxiden, Carbiden, Boriden und Nitriden besteht. - - . -

20. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der undurchlässige Behälter wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem keramischen Werkstoff, einem Metall, einem Glas und einem Polymer besteht.

21. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminium, Kupfer und Bronze besteht, und der undurchlässige Behälter rostfreien Stahl umfaßt.

22. Methode nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der undurchlässige Behälter Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid umfaßt.

23. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Atmosphäre wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und einer stickstoffhaltigen Atmosphäre besteht.

24. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium umfaßt und die reaktive Atmosphäre Luft, Sauerstoff oder Stickstoff umfaßt.

25. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall wenigstens eines von Bronzematrixmetall, Kupfermatrixmetall und Gußeisenmatrixmetall umfaßt und die reaktive Atmosphäre Luft, Sauerstoff oder Stickstoff umfaßt.

26. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionssystems größer als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber niedriger als die Verdampfungstemperatur des Matrixmetalls und der Schmelzpunkt des Füllstoffs ist.

27. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgedichtete Reaktionssystem erhitzt wird auf eine Temperatur von etwa 700°C-1 000^cC, wenn das Matrixmetall Aluminium umfaßt; etwa 1 050⁰C-1125°C, wenn das Matrixmetall Bronze oder Kupfer umfaßt, und etwa 1250°C-1400⁰C, wenn das Matrixmetall Gußeisen umfaßt.

28. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zirconium, Titannitrid, Borcarbid und deren Gemischen besteht.

29. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem das gerichtete Erstarren wenigstens des Metallmatrixverbundabschnitts des Makroverbundkörpers vorgesehen ist.

30. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine zweite oder zusätzliche Körper wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Metall, einem keramischen Werkstoff, einem keramischen Matrixverbundstoff, einem Metallmatrixverbundstoff und deren Kombinationen besteht.

31. Makroverbundkörper, der nach einem der vorstehenden Ansprüche gebildet wurde.