DD301900A9 - Methoden zur Herstellung von Keramik und Keramikverbundkoerpern - Google Patents

Abstract

Es werden Methoden zur Herstellung von selbsttragenden Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern durch diskontinuierliche, semikontinuierliche und kontinuierliche Verfahren unter Anwendung der gerichteten Oxydation eines flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel zur Bildung eines Oxydationsreaktionsproduktes, welches Füllmaterial einbetten kann, offenbart.

Description

Ein ähnliches Oxydationsphänomen wurde angewendet, um Oxydationsreaktionsprodukt in ein Füllmaterial wachsen zu lassen, um keramische Verbundkörper herzustellen, wie das in dor im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien Nr. 265 835 vom 1. November 1988, jetzt US-PS 4 916 113 vom 10. April 1990, die eine Weiterführung der US-PA, Serion-Nr. 819 397, jetzt US-PS 4 851 375 vom 25. Juli 1989, und eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 697 876 vom 4. Februar 1985 (und jetzt aufgegeben), war, beschrieben wird. Alle Patentanmeldungen und Patente, die in diesem Abschnitt genannt werden, wurden auf den Namen von MarcS.Newkirku.a. und unter dem Titel „Composite Ceramic Articles and Methods of Making Same" (Keramische Verbundartikel und Methoden zu ihrer Herstellung) eingereicht. US-PS 4 851 375 wurde unter dem Titel „Methods of Making Composite Ceramic Articles Having Embedded Filler" (Methoden zur Herstellung von keramischen Verbundartikeln mit eingebettetem Füllstoff) veröffentlicht, und US-PS 4916113 wurde unter dem Titel „Methods of Making Composite Ceramic Articles" (Methode zur Herstellung von keramischen Verbundartikeln) veröffentlicht. Die genannte US-PA, Serien-Nr. 819 397 entspricht der EP-PA 86 300 739.9 vom 3. September 1986, europäische Patentanmeldungspublikation 0 193 292. Die eben genannten Patentanmeldungen und Patente offenbaren neuartige Methoden zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundstoffs durch Wachsen eines Oxydationsreaktionsprodukte? von einem Grundmetall in eine durchlässige Masse von Füllstoff (z. B. einen Siliciumcarbidpartikulatfüllstoff), wodurch der Füllstoff mit einer Keramikmatrix infiltriert wird. Der resultierende Verbundstoff hat jedoch keine definierte oder vorher festgelegte Geometrie, Form oder Konfiguration. Eine Methode zur Herstellung von keramischen Verbu.ndkörpern mit einer festgelegten Geometrie oder Form wird in der im gleichen Besitz befindlichen und hiermit im Zusammenhang stehenden US-PA, Serien-Nr. 338 471 vom 14. April 1989 beschrieben, die eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 861 025 vom 8. Mai 1986 (und nun aufgegeben) ist, beide auf den Namen von Marc S. Newkirk u. a. Nach der Methode dieser Patentanmeldung infiltriert das sich entwickelnde Oxydationsreaktionsprodukt eine durchlässige Vorform des Füllmaterials (z. B. ein Siliciumcarbidvorformmaterial) in einer Richtung nin zu einer definierten Oberflächengrenze. Die genannte US-PA, Serien-Nr. 861 025 entspricht der EP-PA 87 630075.7, veröffentlicht als EP-Anmeldungspublikation 0 245 192.

Es wurde festgestellt, daß eine hohe Formtreue leichter durch Versehen der Vorform mit einem Sperrelement erreicht wird, wie das in der im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien-Nr. 295 488 vom 10. Januar 1989, beschrieben wird, welche eine Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 861 024 vom 8. Mai 1986, jetzt US-PS 4 923 832 vom 8. Mai 1990, ist, alle auf den Namen von Marc S. Newkirk u.a. Diese Methode ergibt geformte, selbsttragende keramische Körper, einschließlich geformter keramischer Verbundkörper, durch Wachsen des Oxydationsreaktionsproduktes eines Grundmetalls zu einem Sperrelement, das einen Abstand zum Metall hat, um eine Grenze oder Oberfläche zu bilden. Die genannte US-PA, Serien-Nr. 861024, entspricht der EP-PA 87 630 076.5, die am 11. November 1987 als EP-Anmeldungsveröffentlichung 0 245 193 veröffentlicht wurde. Keramische Verbundkörper mit einem Hohlraum, dessen Innengeometrie umgekehrt die Form einer positiven Form oder eines Schemas repliziert, werden in der im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien-Nr. 329 794 vom 28. März 1989, offenbart, welche eine Abtrennung der US-PA, Serien-Nr. 823 542 vom 27. Januar 1986, jetzt US-PS 4 828 785 vom 9. Mai 1989, ist, alle auf den Namen von Marc S. Newkirk u.a., und in der im gemeinsamen Besitz befindlicher, US-PS 4 859 640 vom 22. August 1989, aus der US-PA, Serien-Nr. 896157 vom 13. August 1986, Marc S. Newkirk. Die genannt j US-PA, Serien-Nr. 82? 542, entspricht der EP-PA 87 300 409.7, die am 2. September 1987 als EP-Anmeldungspublikation 0 234 704 veröffentlicht wurde. Die genannte US-PA, Serien-Nr. 896 157, entspricht der EO-PA 87 630 109.4, die am 9. März 1989 als EP-Anmeldungspublikation 0 259 239 veröffentlicht wurde.

Eine Methode, nach der zusätzliches flüssiges Grundmetall von einem Reservoir dem ursprünglichen Körper an flüssigem Metall zugeführt wird, wird in der hiermit im Zusammenhang stehenden und im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien-Nr. 478 845 vom 12. Februar 1990, beschrieben, als Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 168 358 vom 15. März 1988, jetzt US-PS 4 918 034 vom 17. April 1990, welche eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 908 067 vom 16. September 1986, jetzt US-PS 4 900 699 vom 13. Februar 1990, ist. Alle in diesem Absatz beschriebenen Patentanmeldungen und Patente trugen den Titel „Reservoir Feed Method of Making Ceramic Composite Structures and Structures Made Thereby" (Reservoirbeschickungsmethode zur Herstellung von keramischen Verbundstrukturen und danach hergestellte Strukturen). US-PA, Serien-Nr. 478 845 und 168 358, wurden auf den Namen von Weinstein u.a. eingereicht. US-PA, Serien-Nr. 903 067, wurde auf den Namen von Newkirk u.a. eingereicht. Die oben genannte US-PA 908 067 entspricht der EP-PA 87 630176.3, die am 30. März 1988 als EP-Anmeldungspublikation 0 262 075 veröffentlicht wurde. Die oben behandelte Reservoirbeschickungsmethode wurde erfolgreich bei Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundstrukturen angewendet. Nach der Methode dieser Erfindung umfaßt der Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundkörper, die hergestellt werden, eine selbsttragende Keramikmatrixverbundstruktur, welche eine Keramikmatrix einschließt, die durch das Oxydationsreaktionsprodukt eines Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel gewonnen wurde, um ein polykristallines Metall zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens, nach welchem ein Keramikmatrixverbundkörper hergestellt wird, werden ein Körper des Grundmetalls und eine durchlässige Masse oder Vorform aus Füllmaterial im Verhältnis zueinander ausgerichtet, so daß die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes in einer Richtung hin zum und in das Füllmaterial erfolgt. Das Grundmetall wird als in einer ersten Quelle und als Reservoir vorhanden beschrieben, wobei das Reservoir des Metalls mit der ersten Quelle beispielsweise auf Grund des Schwerkraftstromes in Verbindung steht. Die erste Quelle des flüssigen Grundmetalls reagiert mit dem Oxydationsmittel und leitet die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes ein. Wenn die erste Quelle des flüssigen Grundmetalls verbraucht wird, wird es, vorzugsweise auf kontinuierlicher Basis, aus dem Reservoir des Grundmetalls aufgefüllt. Diese Auffüllung der ersten Quelle des Grundmetalls dauert an, während das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes das Füllmaterial infiltriert. Auf diese Weise gewährleistet das Reservoir, daß ausreichend Grundmetall vorhanden ist, um das Verfahren fortzusetzen, bis das Oxydationsreaktionsprodukt im gewünschten Maße gewachsen ist.

Eine Methode zur genauen Abstimmung der metallischen Komponente der Keramikmatrixverbundstrukturen wird in der hiermit im Zusammenhang stehenden und im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien-Nr. 269 152 vom 9. November 1988, Robert C. Kantner u. a„ „Method for in situ Tailoring the Metallic Component of Ceramic Articles and Articles Made Thereby" (Methode zur genauen In-situ-Abstimmung der Metallkomponente von Keramikartikeln und nach dieser Methode hergestellte Artikel), offenbart, welche eine Weiterführung der im gleichen Besitz befindlichen US-PA, Serien-Nr. 152 513 vom 5. Februar 1988, unter gleichem Namen und Titel, ist, welche eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 908 454 (jetzt aufgegeben) vom

17.September 1986, Marc S. Newkirk u.a., mit dem gleichen Titel war. US-I-A, Serien-Nr. 152 518 wurde am 4.April 1989 als US-PS 4 818 '/34 unter dem Titel „Method for In Situ Tailoring The Metallic Component of Ceramic Articles" (Methode zur genauen In-situ-Abstimmung der Metallkomponente von Keramikartikeln) veröffentlicht. Schließlich wurde US-PA, Serien-Nr. 389 506 am 2. August 1989 auf den Namen von Marc S. Newkirk als eine Weiterführung der US-PA, Serien-Nr, 908 454 unter dem Titel „Method for In Situ Tailoring the Metallic Component of Ceramic Articles and Articles Made Thereby "(Methode zur genauen In-situ-Abstimmung der Metallkomponente von Keramikartikeln und nach dieser Meihode hergestellte Artikel) eingereicht. Die oben genannte US-PA, Serien-Nr. 90C 454 entspricht dor EP-PA87 630161.5, die am 6. April 1988 als RP-Anmeldungspublikation 0 263 051 veröffentlicht wurde. Jede dieser Anmeldungen und Patonte offenbart eine Methode zur genauen Abstimmung der Art der Metallkomponente (sowohl isoliert als auch untereinander verbunden) von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern während deren Bildung, um dam resultierenden Körper eine oder mehrere wünschenswerte Eigenschaften zu geben. So werden gewünschte Leistungskenndaten dos fertigen Keramikmatrix-- oder Keramikmatrixverbundkörpers vorteilhaft durch In-Situ-Einbeziehung der gewünschten Metallkompononte, nicht durch Methoden erreicht, die mit einer äußeren Quelle oder mit Nachformungsschritten arbeiten.

Wie in diesen im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patenten ausführlich beschrieben wird, werden neuartige polykristalline Keramikmatrixmaterialien oder polykristalline Keramikmatrixverbundmaterialien durch die Oxydationsreaktion zwischen einem Grundmetall und einem Oxydationsmittel produziert, welches ein fester Stoff, eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein kann. Nach dem generischen Verfahren, das in diesen im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patenten offenbart wird, wird ein Grundmetall (z.B. Aluminium) auf eine erhöhte Temperatur über dem Schmelzpunkt, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsproduktes erhitzt, um einen Körper des flüssigen Grundmetalls zu schaffen, der bei Kontakt mit einem Ox/dationsmittel reagiert, um das Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden. Bei dieser Temperatur ist das Oxydationsreaktionsprodukt oder wenigstens ein Abschnitt davon in Kontakt mit dem Körper des flüssigen Grundmetalls und dem Oxydationsmittel und erstreckt sich zwischen diesen, und flüssiges Metall wird durch das gebildete Oxydationsreaktionsprodukt und hin zu dem Oxydationsmittel gezogen oder transportiert. Das transportierte, flüssige Metall bildet zusätzliches, frisches Oxydationsreaktionsprodukt beim Kontakt mit dem Oxydationsmittel an der Oberfläche des vorher gebildeten Oxydationsreaktionsproduktes. Wenn das Verfahren vorangeht, wird zusätzliches Metall durch diese Bildung des polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes transportiert, wodurch kontinuierlich eine keramische Struktur von untereinander verbundenen Kristalliten „wächst". Der resultierende Keramikmatrixkörper kann metallische Bestandteile, wie nichtoxydierte Bestandteile des Grundmetalls, und/oder Hohlräume enthalten. Oxydation wird in allen diesen im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patenten, die in der vorliegenden Anmeldung genannt werden, im breitesten Sinne angewendet und bezieht sich auf den Verlust oder die Teilung von Elektronen durch ein Metall an ein oder mit einem Oxydationsmittel, das ein oder mehrere Elemente und/oder Verbindungen sein kann. Demzufolge kennen auch andere Elemente als Sauerstoff als Oxydationsmittel dienen.

In bestimmten Fällen kann das Grundmetall die Anwesenheit eines oder mehrerer Dotierungsmittel verlangen, um das Wachstum d6s Oxydationsreaktionsproduktes günstig zu beeinflussen oder zu erleichtern. Diese Dotierungsmittel können sich zumindest teilweise mit dem Grundmetall an einem Punkt während des oder vor dem Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes legieren. Beispielsweise können bei Aluminium als Grundmetall und Luft als Oxydationsmittel solche Dotierungsmittel wie Magnesium und Silicium, um nur zwei der größeren Klassen von Dotierungsmitteln zu nennen, mit dem Aluminium legiert werden, und die erzeugte Wachstumslegierung wird als Grundmetall genutzt. Das resultierende Oxydationsreaktionsprodukt einer solchen Wachstumslegierung umfaßt Aluminiumoxid, im typischen Fall Alpha-Aluminiumoxid.

Neuartige keramische Matrixverbundstrukturen und Methoden zu ihrer Herstellung wurden auch in bestimmten der genannten, im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patente beschrieben, bei den*n die Oxydationsreaktion zur Herstellung von Keramikmatrixverbundstrukturen genutzt wird, die einen im wesentlichen inerten Füllstoff umfassen (Anmerkung: in einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen reaktiven Füllstoff, z. B. einen Füllstoff, der wenigstens teilweise innerhalb des vorrückenden Oxydationsreaktionsproduktes und/oder des Grundmetalls reaktiv ist, zu verwenden), der durch die polykrisialline Keramikmatrix infiltriert und durch diese eingebettet wird. Als erster Schritt wird ein Grundmetall angrenzend an eine durchlässige Masse des Füllmaterials gebracht, welche geformt und/oder behandelt sein kann, um eine selbsttragende Vorform zu bilden. Das Grundmetall wird dann erhitzt, um einen Körper flüssigen Grundmetaiis zu bilden, der, wie oben beschrieben, mit einem Oxydationsmittel reagiert, um ein Oxydationsreaktionsprodukt zu biiden. Wenn das Oxydationsreaktionsprodukt wächst und die angrenzenae Masse des Füllmaterials infiltriert, wird flüssiges Grundmetall durch das vorher gebildete Oxydationsreaktionsprodukt innerhalb der Masse des Füllmaterials gezogen und reagiert mit dem Oxydationsmittel, um zusätzliches, frisches Oxydationsreaktionsmittel an der Oberfläche des vorher gebildeten Oxydationsreaktionsproduktes zu bilden, wie das oben beschrieben wurde. Das resultierende Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes infiltriert oder bettet das Füllmaterial ein und führt zur Bildung einer Keramikmatrixverbundstruktur, welche eine polykristalline Keramikmatrix umfaßt, die das Füllmaterial einbettet. Wie ebenfalls oben ausgeführt wurde, kann die Masse des Füllmaterials (oder die Vorform) mit Sperrelementen versehen werden, um eine Grenze oder Oberfläche für die Keramikmatrixverbundstruktur zu bilden. Also beschreiben die oben genannten, im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patente die Herstellung von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern, die Oxydationsreaktionsprodukte umfassen, welche leicht zu gewünschten Größen und Stärken wachsen können, von denen vorher angenommen wurde, daß sie nur schwer, wenn überhaupt, mit herkömmmlichen keramischen Bearbeitungstechniken erreicht werden können.

Die vollständigen Offenlegungsschriften aller vorstehend genannten, im gleichen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patente werden hier ausdrücklich als Verweis einbezogen.

Summarische Darstellung der Erfindung

Vorliegende Erfindung betrifft Techniken, nach denen Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörper auf kontinuierliche oder semikontinuierliche Weise hergestellt werden können. Im allgemeinen beinhalten diese Techniken das Wachstum eines Oxydationsreaktionsproduktes, das durch die Reaktion eines flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel gebildet wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der geformte Körper einen Keramikmatrixverbundkörper,

der durch Wachsen eines Oxydationsreaktionsproduktes in einen Körper aus Füllmatei ial hergestellt wird, wobei der Körper aus Füllmaterial entweder als ungebundene Masse oder als Vorform konfiguriert ist. Das Oxydaf'onoreaktionsprodukt umfaßt das Produkt einer Oxydationsreaktion eines flüssigen Grundmetalls (z.B. Aluminium) mit einem Oxydationsmittel. Im einzelnen wire! der Körper des Füllmaterials angrenzend an eine Quelle des Grundmetalls angeordnet, so daß die Bildung eines Oxydationsreaktionsproduktes des Grundmetalls in eine Richtung hin zu dem Oxydationsmittel (z. B. einem festen, flüssigen oder dampfförmigen Oxydationsmittel) und in den Körper dos Füllmaterials erfolgt. Außerdem kann in Kombination mit dom Körper des Füllmaterials ein Sperrelement verwendet werdon, wobei das Sperrelemont in der Lage ist, das fortgesetzte Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes lokal zu unterbinden, verhindern, beeinträchtigen, stoppen, stören oder ähnliches. Im typischen Fall wird das Grundmotall auf eine Temperatur erhitzt, die über dessen Schmelzpunkt, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsproduktes liegt, um einen Körper flüssigen Metalls zu bilden. Bei dieser Temperatur oder innerhalb dieses Temperaturbereiches reagiert das flüssige Metall mit dem Oxydationsmittel, um ein Oxydationsreaktionsprodukt zu oiMnn '"'-mi^.jiis ein Abschnitt des Oxydationsreaktionsproduktes wird im Kontakt mit und zwischen dem flüssigen Metall und dom Oxydationsmittel gehalten, um flüssiges Metall durch das Oxydationsreaktionsprodukt hin zu und in Kontakt mit dem Oxydationsmittel zu ziehen, so daß sich weiter frisches Oxydationsreaktionsprodukt an einer Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und dem vorher gebildeten Oxydationsreaktionsprodukt bildet, um so das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes in den angrenzenden Körper des Füllmaterials infiltrieren zu lassen. Die Reaktion wird über eine ausreichende Zeitdauer fortgesetzt, um wenigstens einen Abschnitt des Körpers des Füllmaterials mit einem polykristallinen Material infiltrieren zu lassen, welches im wesentlichen aus dem Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls und, wahlweise, wenigstens einem nichtoxydierten, metallischen Bestandteil besteht, der durch das polykristalline Material dispergiert oder verteilt ist. Der Körper des Füllmaterials sollte ausreichend durchlässig sein, um das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes innerhalb des Körpers des Füllmaterials zu ermöglichen oder aufzunehmen, und es sollte dem gasförmigen Oxydationsmittel erlauben (venn ein gasförmiges Oxydationsmittel verwendet wird), den Körper des Fülln .aterials zu durchdringen und das flüssige Grundmetall zu kontaktieren. Es versteht sich von selbst, daß das polykristalline Matrixmaterial Hohlräume oder Porosität anstelle der metallischen Komponente enthalten kann, aber der Volumenprozentsatz der Hohlräume ist stark von solchen Bedingungen wie Temperatur, Zeit, Dotierungsmittel und Typ des Grundmetalls abhängig. Wenn ein Sperrelement verwendet wird, geht das Wachstum des Keramikmatrixverbundkörpers bis zu diesem Sperrelement weiter, vorausgesetzt, daß genügend Grundmetall vorhanden ist, um dieses Wachstum zu ermöglichen. Die Methoden der vorliegenden Erfindung nutzen die Methoden der Bildung von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern, die oben beschrieben wurden. Im einzelnen sind die Methoden der vorliegenden Erfindung auf die Herstellung der oben beschriebenen Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundkörper in großer Stückzahl durch die Anwendung von kontinuierlichen, semikontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verfahren in Kombination mit den oben beschriebenen Techniken zur Herstellung von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern gerichtet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Produktionstechnik angewendet, nach welcher wenigstens eine Vorform auf der Oberfläche eines Schmelzbades von Grundmetall schwimmt, bis die Vorform wenigstens teilweise durch das Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls und eines Oxydationsmittels eingebettet ist. Sobald die Vorform wenigstens teilweise durch das Reaktionsprodukt eingebettet ist, wird die Oxydationsreaktion beendet, entweder durch (1) Wegnahme der infiltrierten Vorform aus dem Kontakt mit dem flüssigen Metall, (2) Änderung der Umgebung auf eine solche Weise, daß die Oxydationsreaktion nicht weitergehen kann, z. B. durch Wegnahme des Oxydationsmittels, oder (3) Kontaktieren des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes mit einem Sperrmaterial.

Definitionen

In der vorliegenden Patentbaschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben die verwendeten Begriffe folgende Definition:

„Legierungsstelle", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet die Stelle des fertigen Keramikmatrixverbundstoffs, die der Stelle des Körpers des Füllmaterials entspricht, welche anfangs mit dem flüssigen Metall kontaktiert, bevor das Oxydationsreaktionsprodukt aus diesem flüssigen Metall und einem Oxydationsmittel den Körper des Füllmaterials infiltrierte, um den fertigen Keramikmatrixverbundkörper zu bilden.

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

„Sperre" oder „Sperrelement", wie der Begriff hier verwendet wird, kann jedes Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder ähnliches sein, das unter Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität bewahrt, im wesentlichen nicht flüchtig ist (α. h., das Sperrmaterial verflüchtigt sich nicht in einem solchen Maße, daß es als Sperre unwirksam wird) und vorzugsweise für ein dampfförmiges Oxydationsmittel (wenn ein solches verwendet wird) durchlässig ist, während es in der Lage ist, lokal das fortgesetzt Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes zu unterbinden, stören, stoppen, beeinträchtigen, verhindern oder ähnliches.

„Grundkörper" oder „Grundkörper des Grundmetalls", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden ursprünglichen Körper des Grundmetalls, der während der Bildung des Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundkörpers nicht verbraucht wurde und im typischen Fall wenigstens teilweise im Kontakt mit dem gebildeten Körper bleibt. Es sollte be.ichtet werden, daß der Grundkörper im typischen Fall auch bestimmte oxydierte Bestandteile des Grundmetalls und/oder eines zweiten oder Fremdmetalls einschließen kann.

„Keramik", wie der Begriff hier verwendet wird, sollte nicht unangemessen eingeschränkt auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne verstanden werden, das heißt, in dem Sinne, daß er ausschließlich aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen besteht, sondern bezieht sich vielmehr auf einen Körper, der vorwiegend keramisch entweder hinsichtlich der

Zusammensetzung oder der dominierenden Eigenschaften ist, obwohl der Körper kleinere oder beachtliche Mengen eines odor mehrerer metallischer Bestandteile (isoliert und/odor untereinander verbunden, in Abhängigkeit von den Bearbeitungsbedingungen, die zur Bildung des Körpers angewendet wurdon) enthalten kann, die vom Grundmetall abgeleitet sind oder vom Oxydationsmittel oder einem Dotierungsmittel reduziert werden können, im typischen Fall im Bereich von etwa 1 bis 40VoI.-%, aber er kann auch mehr Metall enthalten.

„Keramikverbundkörper* oder „Keramikmatrixverbundkörper", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine Keramikmatrix, welche ein Füllmaterial einbettet.

„Ootlerungsmlttel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet Stoffe (Legierungsbestandteile oder Bc tandteile, die mit oder auf einen Füllstoff kombiniert und/oder eingeschlossen und/oder enthalten sind), welche bei der Verwendung in Kombination mit dem Grundmetall den Oxydationsreaktionsvorgang vorteilhaft beeinflussen oder fördern und/oder den Wachstumsvorgang modifizieren, um die MikroStruktur und/oder die Eigenschaften des Produkts zu ändern. Obwohl man sich nicht auf eine bestimmte Theorie oder Erklärung der Funktion von Dotierungsmitteln festlegen wird, scheint es offensichtlich, daß einigo Dotierungsmittel bei der Förderung der Bildung des Oxydationsreaktionspioduktes in solchen Fällen von Nutzen sind, in denen angemessene Oberflächenenergiebeziehungen zwischen dem Grundmetall und dejstn Oxydationsreaktionsprodukt nicht innewohnend vorhanden sind, um diese Bildung zu fördern. Dotieru'igsmittel können:

(1) günstige Oberflächenenergiebeziehungen herstellen, welche die Benetzung des Oxydationsreaktionsproduktes durch das flüssige Grundmetall steigern oder induzieren;

(2) an der Wachstumsfläche eine „Vorläuferschicht" durch Reaktion mit der Legierung, dem Oxydationsmittel und/oder Füllstoff bilden, welche (a) die Bildung einer schützenden und kohärenten Oxydationsreaktionsproduktschicht(en) minimiert, (b) die Löslichkeit des Oxydationsmittels (und damit seine Permeabilität) im flüssigen Metall steigern kann und/oder (c) den Transport des Oxydationsmittels aus der oxydierenden Atmosphäre durch mögliche Vorläuferoxidschichten erlaubt, um sich anschließend mit dem flüssigen Metall zur Bildung eines anderen Oxydationsreaktionsproduktes zu kombinieren;

(3) mikrostrukturelle Modifikationen des Oxydationsreaktionsproduktes während dessen Bildung bewirken oder anschließend die Zusammensetzung des metallischen Bestandteils und die Eigenschaften dieses Oxydationsreaktionsproduktes ändern und/oder

(4) die Wachstumsnukleation und Einheitlichkeit des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes vergrößern. „Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, soll entweder einzelne Bestandteile oder Gemische von Bestandteilen einschließen, die im wesentlichen mit dem Metall (z. B. dem Grundmetall) und/oder dem Oxydationsreaktionsprodukt nichtreaktiv und/oder in diesen von begrenzter Löslichkeit sind und einzel- oder mehrphasig sein können. Füllstoffe können in einer Vielzahl von Formen vorhanden sein, wie Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whiskern, Blasen usw., und sie können dicht oder porös sein. „Füllstoffe" können auch keramische Füllstoffe einschließen, wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, zerkleinerten Fasern, Parti» ulatmaterial, Whiskern, Kugeln, Blasen, Fasermatten oder ähnlichen, und keramisch beschichtete Füllstoffe, wie Kohlenstoffasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor dem Angriff durch beispielsweise ein flüssiges Aluminiumgrundmetall zu schützen. Füllstoffe können auch Metalle einschließen.

„Wachstumslegierung", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet eine Legierung, welche (1) anfangs enthält oder (2) zu einem Zeitpunkt während der Verarbeitung eine ausreichende Menge der erforderlichen Bestandteile erhält, um zum Wachstem eines Oxydationsreaktionsproduktes aus diesen führen zu können.

„Oxydationsmittel in flüssiger Phase" oder „flüssiges Oxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein Oxydationsmittel, in welchem die angegebene Flüssigkeit der einzige, vorherrschende oder wenigstens ein signifikanter Oxydator des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingungen des Verfahrens ist.

Der Verweis auf ein flüssiges Oxydationsmittel bezeichnet eines, das unter den Oxydationsreaktionsbedingungen flüssig ist.

Demzufolge kann ein flüssiges Oxydationsmittel einen festen Vorläufer, wie ein Salz, haben, welcher unter den Oxydationsreaktionsbedingungen schmilzt. Als Alternative dazu kann ein flüssiges Oxydationsmittel einen flüssigen Vorläufer (z.B. eine Lösung eines Stoffes) haben, welcher zum Imprägnieren eines Teils oder des gesamten Füllstoffs verwendet wird und der unter den Oxydationsreaktionsbedingungen geschmolzen oder zersetzt wird, um eine geeignete Oxydationsmittelkomponente zu bilden. Zu den Beispielen für flüssige Oxydationsmittel, wie sie hier definiert sind, können die niedrigschmelzenden Gläser gezählt werden.

Wenn ein flüssiges Oxydationsmittel in Verbindung mit dem Grundmetall und einem Füllstoff eingesetzt wird, werden im typischen Fall das gesamte Füllstoffbett oder der Abschnitt, welcher den gewünschten Keramikmatrixverbundkörper umfaßt, mit dem Oxydationsmittel imprägniert (z B. durch Beschichten oder Eintauchen in das Oxydationsmittel).

„Stickstoffhaltiges Gasoxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein bestirntes Gas oder einen Dampf, in welchen Stickstoff der einzige, vorherrschende oder wenigstens ein signifikanter Oxydator des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingungen ist, die in der eingesetzten Oxydationsumgebung existieren.

„Oxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder gemeinsame Elektronenbinder und kann ein fester Stoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas oder eine Kombination der genannten sein

(z. B. ein fester Stoff und ein Gas) unter den Oxydationsreaktionsbedingungen. Zu den typischen Oxydationsmitteln gehören, ohne einschränkend zu sein. Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und/oder Verbindungen und Kombinationen der genannten, beispielsweise Siliciumdioxid oder Silicate (als Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen (der Kohlenwasserstoff als Kohlenstoffquelle) und Gemische, wie Luft,H₂/ H₂O und CO/CO2 (Sauerstoffquelle), wobei die beiden letztgenannten (d.h., H₂/H₂O und CO/CO₂) nützlich bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung sind.

„Oxydationsreaktionsprodukt", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein oder mehrere Metalle im oxydierten Zustand, wobei das oder die Metall(e) Elektronen an ein anderes Element, Verbindung oder deren Kombination abgegeben oder gemeinsam hat. Demzufolge schließt ein „Oxydationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem oder mehreren Oxydationsmitteln ein.

„Sauerstoffhaltiges Gasoxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein bestimmtes Gas oder einen Dampf, in welchen Sauerstoff der einzige, vorherrschende oder wenigstens ein signifikanter Oxydator des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingugnen ist, welche in der eingesetzten oxydierenden Umgebung existieren.

„Grundmetair, wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet das (die) Metall(e) (z. B. Aluminium, Silicium, Titan, Zinn, Hafnium und/oder Zirconium), welches der Vorläufer eines polykristallinen Oxydationsroaktionsproduktes ist, und schließt das (die) Metall(e) als im wesentlichen reines Metall, ais kommerziell erhältliches Metall mit Verrnreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen oder eine Legierung ein, in welcher der Metallvorläufer der Hauptbestandteil ist. Wenn ein bestimmtes Metall als Grund- oder Vorläufermetall genannt wird (z. B. Aluminium usw.), sollte dieses angegebene Metall unter Berücksichtigung dieser Definition gelesen werden, wenn im Zusammenhang nichts anderes angegeben wird. Ein Metall, das vom Grundmetall „verschieden" ist, bezeichnet ein Metall, das als Hauptbestandteil nicht das gleiche Metall wie das Grundmetall enthält (wenn z. B. der Hauptbestandteil des Grundmetalls Aluminium ist, könnte das „verschiedene" Metall als Hauptbestandteil beispielsweise Nickel haben).

„Vorform" oder „durchlässige Vorform", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet eine poröse Masse an Füllstoff oder Füllmaterial, die mit wenigstens einer Oberflächengrenze hergestellt wird, welche eine Grenze für das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt bildet, so daß die Masse ausreichende Formintegrität und Grünstandfestigkeit aufweist, um vor der Infiltration durch die wachsende Keramikmatrix Dimensicnstreue zu gewährleisten. Diese Masse ist (1) ausreichend porös, um das Durchdringen der Vorform und das Kontaktieren des Grundmetalls zu erlauben, wenn das dampfförmige Oxydationsmittel eingesetzt wird, und (2) ausreichend durchlässig, um die Entwicklung oder das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes aufnehmen zu können. Eine Vorform besteht im typischen Fall aus einer verbundenen Reihe oder Anordnung von Füllstoff, homogen oder heterogen, und kann durch jedes geeignete Material (z. B. Keramik- und/oder Metallpartlkulatmaterial, Pulver, Whisker, Fasern usw. und deren Kombinationen) gebildet werden. Eine Vorform kann einzeln oder als Baugruppe vorhanden sein.

„Reaktiver Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen Füllstoff, der mit einem flüssigen Grundmetall in Wechselwirkung tritt (z.B. durch das Grundmetall und/oder das Oxydationsreaktionsprodukt reduziert wird und so die Zusammensetzung des Grundmetalls modifiziert und/oder ein Oxydationsmittel für die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes erzeugt.

„Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen gesonderten Körper an Grundmetall, der so im Verhältnis zu einer Füllstoffmasse oder einer Vorform angeordnet ist, daß das Metall, wenn es geschmolzen wird, flioßen kann, um den Abschnitt, das Segment oder die Quelle von Grundmetall, die mit dem Füllstoff oder der Vorform in Kontakt ist, aufzufüllen oder, in einigen Fällen, zunächst zu bilden und dann aufzufüllen und zu infiltrieren und/oder zu reagieren, um das Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden.

„Zweites oder FremdmetaN", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet jedes geeignete Metall, Kombination von Metallen, Legierungen, intermetallischen Verbindungen oder die jeweiligen Quellen dafür, welches in die metallische Komponente eines geformten Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundkörpers anstelle von, zusätzlich zu oder in Kombination mit unoxydierten Bestandteilen des Grundmetalls einbezogen wird oder werden soll. Diese Definition schließt intermetallische Verbindungen, Legierungen, feste Lösungen oder ähnliches ein, die zwischen dem Grundmetall und einem zweiten oder Fremdmetall gebildet werden.

„Oxydationsmittel in fester Phase" oder „festes Oxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein Oxydationsmittel, bei welchem der angegebene feste Stoff der einzige, vorherrschende oder wenigstens ein signifikanter Oxydator des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Verfahrensbedingungen ist. Wenn ein festes Oxydationsmittel in Verbindung mit dem Grundmetall und einem Füllstoff eingesetzt wird, wird es in der Regel im gesamten Füllstoffbett oder in dem Abschnitt des Bettes, in welches das Oxydationsreaktionsprodukt wachsen wird, dispergiert, wobei das feste Oxydationsmittel beispielsweise besteht aus Partikulatmaterial, gemischt mit dem Füllstoff oder Beschichtungsmaterial auf dem Füllstoff. Auf diese Weise kann jedes geeignete feste Oxydationsmittel eingesetzt werden, einschließlich Elemente, wie Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbare Verbindungen, wie Siliciumdioxid oder bestimmte Boride von geringerer thermodynamischer Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn beispielsweise Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxydationsmittel für ein Aluminiumgrundmetall eingesetzt werden, umfaßt das resultierende Oxydationsreaktionsprodukt Aluminiumborid. In einigen Fällen kann das Verfahren der Oxydationsreaktion des Grundmetalls so schnell ablaufen, wenn ein festes Oxydationsmittel verwendet wird, daß das Oxydationsreaktionsprodukt dazu tendiert, auf Grund des exothermen Charakters des Verfahrens zu schmelzen. Dadurch kann die mikrostrukturelle Einheitlichkeit des Keramikmatrixkörpers beeinträchtigt werden. Diese rasche exotherme Reaktion kann durch Mischen von relativ inerten Füllstoffen, welche die überschüssige Wärme absorbieren, in die Zusammensetzung gemindert werden. Ein Beispiel für ein solches geeignetes inertes Füllmaterial ist eines, das mit dem vorgesehenen Oxydationsreaktionsprodukt identisch oder im wesentlichen identisch ist.

„Dampfphasenoxydationsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein Oxydationsmittel, das einen bestimmten Dampf oder ein Gas enthält, und er bezeichnet außerdem ein Oxydationsmittel, in welchem das angegebene Gas oder der Dampf der einzige, vorherrschende oder wenigstens ein signifikanter Oxydator des Grund- oder Vorläufermetalls unter den Bedingungen ist, die in der eingesetzten oxydierenden Umgebung erreicht werden. Obwohl beispielsweise der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, ist der Sauerstoffgehalt der Luft der einzige Oxydator für das Grundmetall, weil Sauerstoff ein signifikant stärkeres Oxydationsmittel als Stickstoff ist. Luft gehört folglich in die Definition eines „sauerstoffhaltigen Gasoxydationsmittels", nicht in die Definition eines „stickstoffhaltigen Gasoxydationsmittels" (ein Beispiel für ein „stickstoffhaltiges Gasoxydationsmittel" ist ein Formungsgas, das im typischen Fall etwa 96Vol.-% Stickstoff und etwa 4 Vol.-% Wasserstoff enthält).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 ist ein Querschnitt einer Anordnung, welche beim Tauch-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird, wobei ein Dampfphasenoxydationsmittel verwendet wird.

Abb. 2 ist ein Querschnitt eines kontinuierlichen Verfahrens, bei welchem das Tauch-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird.

Abb.3: ist ein Querschnitt einer Anordnung, wie sie im Flotationsausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet

Abb.4 ist ein Querschnitt einer Anordnung, wie sie im Flotationsausführungsbeispiel der vorlierjenden Erfii Jung angewendet wird, wobei mehrere Vorfornipn eingesetzt werden.

Abb. 5 ist ein Querschnitt einer Anordnung, wie sie im Flotationsausführungsbeispiel dei vorlisgenden Erfindung angewendet wird, wobei Auflagezapfen eingesetzt werden.

Abb. 6 ist ein Querschnitt einer Anordnung, wie sie im Flotationsausführungsbeispiel der vorliegen inn Erfindung angewendet wird, wobei Flotationsmanschetten eingesetzt werden.

Abb. 7 ist ein Querschnitt einer Anordnung, wie sie im Flotationsausführungsbeispiel der vorliege'den Erfindung angewendet wird, wobei mit oben angeordneten Auflageelementen gearbeitet wird.

Detalllie-te Beschreibung der Erfindung und von bevorzugten Ausführungsbeispielen

Vorliegende Erfindung betrifft Methoden zur kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Herstellung von Keramikmatrix- oder Keramikmatrixverbundkörpern. Die Keramikmatrixkörper der vorliegenden Erfindung werden durch Reaktion eines Körpers flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel zur Bildung eines Körpers aus Oxydationsreaktionsprodukt hergestellt. Die Keramikmatrixverbundkörper der vorliegenden Erfindung werden durch Reaktion eines Korpers flüssigen Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel zur Bildung eines Oxydationsreaktionsproduktes hergestellt, welches wenigstens teilweise wenigstens ein Füllmaterial einbettet (d.h., in dieses hineinwächst).

Im allgemeinen wird zur Bildung eines Keramikmatrixverbundkörpers, welcher das bevorzugte Produkt der vorliegenden Erfindung ist, ein Grundmetall (z. B. die Wachstumslegierung) zu einem Block, Knüppel, Stab, einer Platte oder ähnlichem geformt und in ein inertes Bett, Schmelztiegel oder anderen feuerfesten Behälter gegeben oder in diesem aufgenommen. Das Grundmetall, das dotiert sein kann, wie das unten ausführlicher .eschrieben wird, ist der Vorläufer des Oxydationsreaktionsproduktes. Außerdem kann das Grundmetall ein oder mehrere Stücke, Blöcke oder ähnliches umfassen und kann mit geeigneten Mitteln in entsprechender Weise geformt sein. Eine durchlässige Masse von Füllmaterial oder, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, eine durchlässige, geformte Vorform (die unten ausführlicher beschrieben wird) wird so hergestellt, daß sie wenigstens eine definierte Oberflächengrenze hat und durchlässig für das Dampfphasenoxydationsmittel ist, wenn mit einem Dampfphasenoxydationsmittel allein oder in Kombination mit einem anderen Oxydationsmittel gearbeitet wird, und durchlässig für das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Vorform angrenzend an und vorzugsweise in Kontakt mit wenigstens einer Oberfläche oder einem Abschnitt der Oberfläche des Grundmetalls gebracht, so daß wenigstens ein Abschnitt der definierten Oberflächengrenze der Vorform sich generell im Abstand von oder außerhalb getrennt von der Oberfläche des Grundmetalls befindet. Die Vorform ist vorzugsweise in Kontakt mit einer flächigen Oberfläche des Grundmetalls, aber wenn das gewünscht wird, kann die Vorform auch teilweise oder im wesentlichen vollständig, aber nicht gänzlich in das flüssige Metall eingetaucht werden. Ein gänzliches Eintauchen würde den Zugang des Dampfphasenoxydationsmitteis in die Vorform ausschließen oder blockieren und damit eine angemessene Entwicklung des Oxydationsreaktionsproduktes unterbinden, welches die Voiform einbettet. Wenn jedoch der Vorform ein Dampfphasenoxydationsmittel über äußere Mittel, wie durch ein Hohlrohr aus feuerfestem Material, zugeführt wird, ist auch das gänzliche Eintauchen der Vorform eine realisierbare Alternative. Außerdem ist das gänzliche Eintauchen der Vorform in flüssiges Grundmetall auch dann eine realisierbare Alternative, wenn kein Dampfphasenoxydationsinittel verwendet wird (d. h„ das einzige bei Verfahrensbedingungen eingesetzte Oxydationsmittel ist ein festes Oxydationsmittel und/oder ein flüssiges Oxydationsmittel. Die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes erfolgt in einer Richtung hin zu der definierten Oberflächengrenze. Zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens werden das Grundmetall und die durchlässige Vorform, entweder gemeinsam oder einzeln, in einen geeigneten Behälter gegeben und in einen Ofen eingeführt. Die Atmosphäre im Ofen kann ein Oxydationsmittel enthalten, damit eine Dampfphasenoxydation des flüssigen Grundmetalls auftrftten kann. Der Ofen kann auf die Bearbeitungstemperatur vorerhitzt sein, oder er kann auf die Bearbeitungstemperatur erhitzt werden, während er die Anordnung aus Grundmetall und durchlässiger Vorform enthält.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Körper des flüssigen Grundmetalls (z. B. die Wachstumslegierung) innerhalb eines Behälters gehalten, um so einen Pool flüssigen Grundmetalls zu bilden. Auf die Oberfläche des Pools des flüssigen Grundmetalls werden durchlässige Vorformen gebracht (dieses Ausführungsbeispiel wird später manchmal als „Flotationsausführungsbeispiel" bezeichnet). Bei dem Flotationsausführungsbeispiel wird veranlaßt, daß die Vorformen (auf Grund ihrer natürlichen Schwimmfähigkeit oder auf Grund der Anwendung äußerer Mittel) auf der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall schwimmen. Wenn mit einem Dampfphasenoxydationsmittel gearbeitet wird, reagiert das flüssige Grundmetall mit dem Dampfphasenoxydationsmittel, um ein Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden, welches in die Vorform wächst, um Keramikmatrixverbundkörper herzustellen.

Eine Methode, das Flotationsausführungsbeispiel anzuwenden, ist ein diskontinuierliches Verfahren, bei welchem (1) wenigstens eine Vorform auf die Oberfläche eines Schmelzbades von Grundmetall gebracht wird; (2) die Vorform dann wenigstens teilweise durch das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt des flüssigen Grundmetalls und eines Oxydationsmittels eingebettet wird und (3) nach Erreichen eines gewünschten Wachstumsumfangs der Keramikmatrixverbundkörper aus dem Pool flüssigen Grundmetalls genommen wird. Nachdem der Keramikmatrixverbundkörper aus dem Schmelzbad des Grundmetalls genommen wurde, wird das Schmelzbad des Grundmetalls abgeleitet, und das Verfahren wird unter Verwendung eines frischen Pools von Grundmetall wiederholt. Abb.3 zeigt einen Querschnitt der Standardanordnung (11) für die diskontinuierliche Verfahrenstechnik des Flotationsausführungsbeispiels. Wie in der Abb. 3 gezeigt wird, schwimmt eine Vorform (19) auf der Oberfläche eines Schmelzbades des Grundmetalls (15), das in einem Behälter (13) gehalten wird. Die Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls (15) und der Vorform (19), die der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, werden mit einer dünnen Schicht (17) eines Materials bedeckt, welches die Reaktion zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Die Schicht (17) verhindert jedoch nicht den Kontakt der Atmosphäre mit der Vorform (19), wodurch das Oxydationsreaktionsprodukt in die Vorform (19) wachsen und diese zumindest teilweise einbetten kann.

Abb.4 zeigt einan Querschnitt der Anordnung (12) für das diskontinuierliche Verfahren des Flotationsausführungsboispiels, welches angewe^et werden kann, um mehrere Keramikmatrixverbundkörper jo Beschickung herzustellen. Wie in der Abb.4 gezeigt wird, werden mehrere Vorformen (19) zum Schwimmen auf die Oberfläche eines Schmelzbades von Grundmetall (15) gebracht, welches in einem Behälter (13) gehalten wird. Die Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls (15) und der Vorformen (19), die der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, werden mit einer dünnen Schicht (17) eines Materials bedeckt, welches die Reaktion zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Die Schicht (17) verhindert jedoch nicht den Kontakt der Atmosphäre mit don Vorfoimen (19), wodurch das Oxydationsreaktionsprodukt in die Vorformen (19) wachsen und diese zumindest teilweise einbetten kann. Das oben beschriebene Flotationsausführungsbejspiel der vorliegenden Erfindung kann auch als semikontinuierliches Verfahren betriebon werden. Das kann dadurch erreicht werden, daß man den ursprünglichen Pool flüssigen Grundmetalls zum Wachsen des Oxydationsreaktionsproduktes in verschiedene Sätze von Vorformen verwendet. Beispielsweise würden, nachaem der erste Satz von Vorformon wenigstens teilweise durch das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt eingebettet wurde, die resultierender; Keramikmatrixverbundkorper auo dem Pool des flüssigen Grundmetalls genommen und durch einen frischen (unfiltrior ten) Sai? von Vorformen ersetzt. Nachdem dieser zweite Satz von Vorformen wenigstens teilweise durch das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt eingebettet wäre, würde der zweite Satz aus dem Schmelzbad des Grundmetalls genommen und durch einen dritten Satz von Vorformen ersetzt usw. Dieser Vorgang könnte unendlich fortgesetzt werden, bis entweder das Schmelzbad des Grundmetalls erschöpft ist oder bis die Konzentration von bestimmten Bestandteilen des Gi undmetalls zu klein oder zu groß werden, um das gewünschte Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes zu ermöglichen. Das Plotationsausführungsbeispiel, das in den vorstehenden Abschnitten beschrieben wurde, kann auch für die kontinuierliche Produktion von Keramikmatrixverbundkörpern angepaßt werden. Das wird dadurch möglich, dal? Möglichkeiten geschaffen werden, um die Vorformen auf der oder über die Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls zu bewegen. Beispielsweise könnte die kontinuierliche Produktion erreicht werden durch (1) Aufsetzen von frischen Vorformen (19) auf die Oberfläche eines Schmolzbades von Grundmetall an einem ersten Punkt, vorzugsweise an einem Ende des Schmulzbades an Grundmetall, so daß wenigstens ein Abschnitt der Vorform mit dem Schmelzbad des Grundmetalls in Kontakt ist; (2) Bewegen der Vorformen durch geeignete Mittel über die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall zu einem zweiten Punkt, vorzugsweise am gegenüberliegenden Ende des Schmelzbades von Grundmetall, und Bewirken des Hineinwacnsens des Oxydationsreaktionsproduktes aus dem Grundmetall und dom Dc-npfphasenoxydationsmittel in die Vorformen und deren Einbettung darin, während die Verformen über die Oberfleche des Schmelzbades von Grundmetall bewegt werden, und (3) Herausnahme der eingebetteten Vorformen aus dem Schmelzbad von Grundmetall an einem zweiten Punkt. Die Mittel zur Bewegung der Vorformen könnten geeicht sein, um eine bestimmte Vorform von dem ersten Punkt auf der Oberfläche des Schmelzbades von Grundrnetall zu dem zweiten Punkt in einer Zeitspanne zu bewegen, die der Zeitspanne entspricht, welche notwendig ist, um das gewünschte Ausmaß des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes in die Vorform zu erreichen. So kann durch kontinuierliches Zuführen frischer Vorformen auf die Oberfläche des Schmelzbades an einem Punkt und die Abnahme der infiltrierten Vorformen aus dem Schmelzbad, nachdem eine berechnete Zeitspanne verstrichen ist, ein kontinuierliches Verfahren erreicht werden. Als Alternative könnte mit visueller Beobachtung gearbeitet werden, um festzustellen, ob eine Vorform im gewünschten Umfang durch das wachsende Oxydationsreaktionsprodukt eingebettet wurden (z. B. kann die Vorform in den Pool flüssigen Grundmetalls einsinken, wenn das Oxydationsreaktionsprodukt in die Vorform hineinwächst, und so könnte die Menge der Vorform, die über der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall bleibt, zur Bewertung des Umfangs des Hineinwachsens des Oxydationsreaktionsproduktes in die Vorform genutzt werden). Weiter sollte beachtet werden, daß die Konzentration von bestimmten Bestandteilen im Schmelzbad von Grundmetall unter Umständen während des kontinuierlichen Verfahrens erhöht oder verringert werden muß. Das kann daher erforderlich sein, weil bestimmte Bestandteile des Grundmetalls mit einer Geschwindigkeit verbraucht werden, die sich von der Verbrauchsgeschwindigkeit anderer Bestandteile unterscheidet. Die Konzentration der verschiedenen Bestandteile kann beispielsweise unter Verwendung von Sensoren oder unter Anwendung von kontinuierlichen Probenahmetechniken überwacht werden. Wenn es notwendig wird, die Konzentration von bestimmten Bestandteilen des Grundmetalls zu erhöhen oder zu verringern, kann jedes geeignete Mittel genutzt werden, wie der direkte Zusatz von einem oder mehreren Bestandteilen oder der Zusatz von Elementen oder Verbindungen, welche mit bestimmten Bestandteilen reagieren, um die Konzentration dieser Bestandteile zu erhöhen oder zu verringern.

Es sollte beachtet werden, daß die diskontinuierlichen, semikontinuierlichen und kontinuierlichen Methoden zur Anwendung des Flotationsausführungsbeispiels nicht auf die Anwendung eines Dampfphasenoxydationsmittels beschränkt sind. In diesem Ausführungsbeispiel kann auch jede Kombination von festen Oxydationsmitteln und/oder flüssigen Oxydationsmitteln und/ oder Dampfphasenoxydationsmitteln angewendet werden.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Vorformen entweder anfangs odsr zu einem bestimmten Punkt während des Verfahrens dazu neigen, unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall zu sinken. Wenn ein solches Einsinken auftritt, kann eine Möglichkeit vorgesehen werden, welche verhindert, daß die Vorformen vollständig unter der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall sinken. Beispielsweise kann ein Haltesystem vorgesehen werden, welches wenigstens einen Abschnitt der Vorform über die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall hält. Beispielsweise könnte ein Haltesystem, welches aus einem Sieb oder einer Reihe von Zapfen aus einem Material besteht, welches das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes bei den im vorliegenden Verfahren angewendeten Temperaturen nicht wesentlich mindert oder ungünstig beeinflußt, unter den Vorformen angeordnet werden, so daß der Kontakt zwischen den Vorformen und dem Haltesystem es ermöglicht, daß wenigstens ein Abschnitt jeder Vorform über der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall bleibt. Bei der kontinuierlichen Verfahrensmethode kann das Haltesystem an der Vorrichtung zur Bewegung der Vorformen über das Schmelzbad von Grundmetall angebracht werden. Abb. 5 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung (14) für die diskontinuierliche Verfahrensmethode des Flotationsausführungsbeispiels, welche eingesetzt werden kann, um das Absinken der Vorform (19) unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) zu verhindern, während die Vorform (19) durch das Oxydationsreaktionsprodukt infiltriert wird. Wie in der Abb. 5 gezeigt wird, schwimmt eine Vorform (19) auf der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) Über einer Reihe von Stöpseln (?1), die am Boden eines Behälters (13) angebracht sind oder auf diesem ruhen. Der Behälter (13)

nimmt das Schmelzbad des Grundmetalls (15) auf. Die Oberflächen des Schmelzbades von Grundmetall (15) und der Vorform (19), die der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, werden mit einer dünnen Schichi (17) eines Materials bedockt, welches die Reaktion zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Dagegen verhindert die Schicht (17) nicht den Kontakt zwischen der Atmosphäre und der Vorform (19) und ei laubtos dem Oxyditionsreaktionsprodukt, in die Vorform (19) zu wachsen und diese zumindest teilweise zu infiltrieren. Wie oben beschrieben wurde, wird die Reine von Stöpseln (21) aus einem Material hergestellt, welches das flüssige Grundmetall bei den im vorliegenden Verfahren angewendeten Temperaturen nicht wesentlich abbaut oder mit diesem reagiert. Außerdem sollte die Reihe von Stöpseln (21) eine Größe und Form haben, die ausreichend sind, wenigstens einen Abschnitt der Vorform (19) daran zu hindern, unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) zu sinken, nachdem die Vorform (19) zumindest teilweise durch das Oxydationsreaktionsprodukt infiltriert wurde.

Eine andere Möglichkeit, das Einsinken dor Vorformen unter die Oberfläche des Schmelzbades an Grundmetall zu vorhindorn, ist das Anlegen einer Flotationsmanschette an der Vorform. Diese Flotationsmanschette könnte aus einem Material bestehen, welches das Gewicht der Vorform unterstützen kann, d. h., wenigstens einen Abschnitt der Vcrform über der Oberfläche des Schmelzbades an Grundmetall halten. Außerdem könnte bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Flotationsmanschette zumindest etwas undurchlässig für das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes des flüssigen Grundmetalls und des Oxydationsmittels sein. Im einzelnen heißt das, wenn die Flotationsmanschetle nicht undurchlässig ist, kann die Manschette ein integraler Bestandteil der eingebetteten Vorform werden, was in den meisten Fällen nicht erwünscht sein dürfte. Eine andere Erwägung im Zusammenhang mit der Flotationsmanschette ist die, daß die Flotationsmanschetto, wenn sie teilweise durch das Oxydationsreakcionsprodukt infiltriert wird, noch genügend Schwimmfähigkeit in diosem teilweise infiltrierten Zustand haben sollte, um das Gewicht der eingebetteten Vorform zu halten.

Abb.6 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung (16) für die diskontinuierliche Verfahrensmethode des Flotationsausführungsbeispiels, die angewendet werden kann, um das Einsinken der Vorformen (19) unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) z.u verhindern, wenn die Vorformen (19) durch das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes eingebettet werden. Wie in der Abb. 6 gezeigt wird, schwimmen mehrere Vorformen (19) auf der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15), das sich in einem Behälter (13) befindet. An jeder Vorform ist eine Flotationsmanschette (23) angebracht, w ilche aus einem Material besteht, welches die im vorangegangenen Absatz beschriebenen Charakteristika hat. Die Flotationsmanschetten (23) halten die Vorformen (19) über der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15). Die Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls (15), die der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, können mit einer dünnen Schicht (17) eines Materials bedeckt werden, welches die Reaktion zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Die exponierten Oberflächen der Vorformen (19) können ebenfalls mit einem solchen Material bedeckt werden, wenn sie nicht bereits durch Sperrmaterial oder die Flotationsmanschette (23) bedeckt werden.

Neben den oben beschriebenen Methoden zur Verhinderung des Einsinkens der Vorform unter die Oberfläche des Schmelzbades aus Grundmetall kann auch eine Möglichkeit genutzt werden, bei welcher die Vorform von oben oder wenigstens von einer Seite gehalten wird. Im einzelnen kann die Vorform an einem Halteelement befestigt werden, welches biß zu einem Punkt über oder wenigstens zu einer Seite des Schmelzbades aus Grundmetall reicht und welches verhindert, daß wenigstens ein Abschnitt der Vorform unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetali sinkt. Beispielsweise könnte ein feststehendes Halteelement an der Vorform und an einem Punkt über oder wenigstens auf einer Seite der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall angebracht werden. Dieses feststehende Halteelement wäre bei diskontinuierlichen und semikontinuierlichen Methoden des vorliegenden Ausführungsbeispiels nützlich. Bei einem kontinuierlichen Ausführungsbeispiel sollte die Haltevorrichtung an einer Spur oder einem Draht angebracht werc*° , der sich über oder auf wenigstens einer Seite der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall befindet. Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte das Halteelement auch als Teil der Vorrichtung zur Bewegung der Vorformen über die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall dienen. Abb. 7 zeigt den Querschnitt einer Anordnung (18) für die diskontinuierliche Verfahrensweise des Flotationsausführungsbeispiels, welche eingesetzt werden kann, um das Einsinken der Vorformen (19) unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) zu verhindern, während die Vorformen (19) durch das Oxydationsreaktionsprodukt infiltriert werden. Wie in der Abb. 7 gezeigt wird, schwimmen mehrere Vorformen (19) auf der Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15), das sich in einem Behälter (13) befindet. Die Vorformen (19) sind an Halteelementen (25) befestigt, welche an einer oberirdischen Halterung (27) befestigt sind. Die Kombination aus Halteelement (25) und oberirdischer Halterung (27) bildet eine Überkopfhaltevorrichtung, welche das Einsinken der Vorformen (19) unter die Oberfläche des Schmelzbades von Grundmetall (15) verhindert. Die Auflageelemente (25) können so aufgebaut sein, daß sie die einzige Halterung bilden, nachdem die Vorformen (19) teilweise in das Schmelzbad aus Grundmetall (15) eingesunken sind. Die Oberflächen des Schmelzbades von Grundmetall (15) und der Vorformen (19), die der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, können mit einer dünnen Schicht (17) eines Materials bedeckt werden, welches die Reaktion zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Die Schicht (17) verhindert jedoch nicht den Kontakt zwischen der Atmosphäre und den Vorformen (19), wodurch es möglich ist, daß das Oxydationsreaktionsprodukt in die Vorformen (19) hineinwachsen und diese wenigstens teilweise einbetten kann.

Ein äußeres Element, welches ein Einsinken der Vorform unter die Oberfläche des Grundmetalls verhindert, ist nur in den Fellen erforderlich, in denen ein Dampfphasenoxydationsmittel erforderlich ist und kein geeignetes Mittel vorhanden is» das Dampfphasenoxydationsmittel der Vorform zuzuführen, wenn die Vorform vollständig in das Schmelzbad des Grundmetalls eingetaucht ist.

Das Schmelzbad von flüssigem Grundmetall, das oben beschrieben wurde, ist nicht durch Größe oder Form begrenzt. Beispielsweise kann das Schmelzbad von Grundmetall eine Oberfläche haben, die quadratisch, rechteckig, rund, dreieckig usw. ist. Außerdem kann das Schmelzbad von Grundmetall eine wirksame Oberfläche haben, die von weniger als einigen Quadratmillimetern bis zu mehreren tausend Quadratmetern reicht.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine lose Masse aus Füllstoff oder eine Vorform innerhalb eines Halteelementes zumindest teilweise beschränkt und dann in ein Schmelzbad von Grundmetall abgesenkt (dieses Ausführungsbeispiel wird gegelentlich anschließend als „Tauchausführungsbeispiel" bezeichnet). Wie bei den früheren Ausführungsbeispielen kann dieses Verfahren diskontinuierlich, semikontinuierlich oder kontinuierlich angewendet werden.

Wenn das Tauchausführungsboispiel als diskontinuierliches Vorfahren nusgofuhrt wird, kttnnon oinn Mnsso mis I'ullmntnriiil oder eine Vorform entweder innerhalb oinos Haltoolomontos bogronzl odor nn diosem bnfostigt wordon, woltho·, d.inn anschließend in Kontakt mit oinom Schmolzbad von Grunilmetnll nh(|osonkt wird Nachdom das Oxydationsroaktionsprodukt aus dom flüssigen Grundmotoll und oinom Oxydationsmittel im wnsnntlichnii vollständig in dio lose Masse dos Füllmatorials odor dio Vorform hinein gowachson ist und dioso oingobottot lint, wild din oingobetteto Masso dos Füllmatorinls odor dio Vorform aus dom Schmolzbnd dos (irundmotnlls gnhobon und nhkiihlnn lnssnn Das Schmelzbad von Grundmetall würdo dann abgolasson und durch oinon frr.chon Pool nn flüssig' η Grumlmntnll orsoi/t, <lr< für das Wachstum dos nächsten Koramikmatrixvorbundkörpors vorwondot würdo.

Wonn beim Tauchausführungsboispiol mit oinom Dampfphnsonoxydationsmittol gonrboitnt wird, sollte wenigstens oin Abschnitt dor Vorform odor der losen Masse dos Füllmatorials übor der Oborflitcho dos Schmol/bndos nn Omndmntnll hlnilipn. wenn nicht mit einer Vorrichtung gearboitot wird, um dom loson Fiillmatorial odor dor Vorform Pnmpfphnsonoxydnlionsmiitnl zuzuführen. Ein Beispiel für oinosolcho Vorrichtung wird im Querschnitt in dor AbI). 1 gozoigt, wooin Mohr (I)nus rostfrninm Stahl eingesetzt wird, um dor Vorform (2) Damnfphnsonoxydalionomittol zuzuführon. Wio in dor Abb. 1 goicigt wild, wild onm Vorform (2) mit dor Form einos Kogolstumpfos in oinom Haltoolomont (3) gohnlton, wolchos aus oinom Gowindostnb (4) mit oinn am unteren Ende befestigten Mutter (5) besteht. Die Muttor (5) wird in oinom fouerfoston Stopfen (0) gohnlton Am oboron (ndo der Vorform führt der Gowindestab (4) durch eino Platto (9) aus rostfroiom Stahl und in ein Mohr (37) mn rostfioiom Stahl. Ons untero Ende des rostfreien Stahlrohres (37) ist mit der rostfroion Stahlplatte (9) in Kontakt, und das oboro Endo dos rostfroion Stahlrohres (37) ist mit oinor Untorlogschoibe (35) in Kontakt. Übor diosor Untorlogschoibo wird doi Gowindostno (4) von zwni Federn (39) umschlosson, dio in drei Untorlegschoibon (35) gohalton wordon. Obon auf dom rostfroion Stnhlstnb (Ί) bofindot sich oine zweite Mutter (33). Wenn die obere Muttor (33) angczogon wird, übt dns rostfroio Stahlrohr (37) Druck nuf dio rottfioin Stahlplatte (9) aus. Außerdem wird dor fouerfosto Stopfen (6) zur Vorform (?) hin gozogon Durch dio Vorwondung von Dichtungsmanschette!! (8), die aus einem fouerfoston Papier bostohon, fins als „Fiborfrnx'-Pnpior" (horgostcllt von Sohin/ Carborundum) bekannt ist, zwischen dem oberen Endo dor Vorform (2) und dom Boden dor rostfroion Stnlilplntto (9) und zwischen dem unteron Ende der Vorform (2) und dor Oborsoito dos fourrfoston Stopfons (0) und durch dns An/iohon dor oboren Mutter (33) können die Innenflächen (41) dor Vorform gogonübor dor umgobondon Umgebung nbgodichtot wordon Fuhrt nun ein Dampfphasonoxydationsmittol durch das rostfruio Stahlrohr (1) und in das Innere dor Vorform (?), knnn aus dom flüssigen Grundmotall (43) ein Oxydationsreaktionsprodukt hin zu den Innenflächen (41) dor Vorform (2) wachsen. In Kombination mit dem rostfreien Stahlrohr (1) kann eino Vorrichtung zum Richtondos Stroms des Dampfphasonoxydntionsmittolsnuf dio Innenflachen (41) der Vorform (2) eingesetzt worden. Boi einem bovorz'.jton Ausfi.hrungsboispiol dor vorliegenden firfuidung besteht die obengenannte Vorrichtung aus oinom notzortigonKoramiKStück, das sich invorschiodonoMichtungonorstrockl, und vorzugsweise in alle Richtungen, ausgehend vom iostfroion Stahlrohr und hin zu den Innonflrichon (41) dor Vorform (2) Dns netzartige Keramikstück kann eine untereinander verbundono Porosität aufwoison, dio im Volumen mohr als 20% und weniger als etwa 95% beträgt, z.B. gehören zu den geeigneten Materialien flüssigo Motallfiltor Amporox (Güten T-IOgrnb und T-? grob, Astro Met., Inc., Cincinnati, OH 45215). Das Dampfphasonoxydationsmittcl wird an oiner odor mohruron Stollen in dns nolmr ligc Keramikstück gedruckt und tritt an mohroron Stollen aus dom Stück aus, von (ionon sich oinigo vorzugsweise in dor Nriho dor unteren Abschnitte der Innenflächen (41) dor Vorform (2) befinden, wodurch bowirkt wird, dniS dor Strom diosos Dampfphasenoxydationsmittels zu don unteren Ab ichnitten dor Innonflächon dor Vorform golonkt wird, bevor dns Dampfphasenoxydationsmittel hochsteigt und die mittleren und oboron Abschnitto der Innonflrichon (41) dor Vorform (?) berührt. Diese Methode vermittelt den unteren Abschnitton der Innenflächen (41) dor Vorform (2) größorun Zugang zu dom Dampfphasenoxydationsmittel, was zu oinem einhoitlicheron Wachstumsmustor dos Oxydationsroaktionsproduktos innorhiilli der Vorform (2) führt. Die Innenflächen (41) der Vorform (2) können mit oinom Sporrmatorinl beschichtet wordon, um oinon Überwuchs des Oxydationsreaktionsproduktes zu verhindern. Eino äußere Vorrichtung zur Zuführung dos Dampfphasenoxydationsmittels, wie dio in der Abb. 1 gezeigte Vorrichtung, braucht in solchon Systomon nicht orfordorlirh zu sein, die mit einem Oxydationsmittel wenigstens arbeiten, das aus dor Gruppo ausgewählt wird, die aus oinom feston Oxydationsmittel, einem flüssigen Oxydationsmittel und oinor innoron Ouollo oinos Dar.ipfphnsonoxydntionsmittols bostoht. U ν beispielsweise wenigstens ein Dampfphasenoxydationsmittol boi oinor Temperatur zu orzougon, dio größer nls Zimmertemperatur ist und vorzugsweise annähernd bei oder boi dor Schmolztomporatur dos Grundmotnlls lingt, knnn im Inneren der Vorform eino Substanz oder ein Gemisch von Substanzen angcordnot weidon, dio sich zersotzon odor miteinander reagieren, um dem Inneren der Vorform bei der Oxydationsreaktionstomporntur wenigstens oin Dnmpfphnsonoxydntionsmittol zuzuführen. A¹S Alternative dazu kar.n die Vorform solbst ein fost»s Oxydationsmittel, oin flüssigos Oxydationsmittel odor oinnr Kombination der beiden enthalten. Bei der semikontinuiorlichoii Version dos Tauchnusführungsboispiols könntn das Schmelzbad an Grundmetall für viele aufeinanderfolgende Wachstumsvorgängo des OxydationsrenktionsprodiAtos wiederverwendet werden, bis (1) entwoder der Pool des flüssigen Grundmetalls erschöpft würo rvlor (2) dio Konzentration von bestimmten Bestandteilen des Grundmetalls in einem solchon Maße entweder erhöht odor verringert wird, d»ß dns gewünschte Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes ungünstig beeinflußt wird.

Bei der kontinuierlichen Version des Tauchausführungsbcispicls könnte eine Reiho von Anordnungen, wobei jodo Anordnung eine lose Masse von Füllmaterial oder eine Vorform umfaßt, welcho entweder in oinom Halteolomont bcgronM odor an diesem angebracht sind, in ein Schmelzbad des Grundmetalls abgesenkt, durch dieses gozogon und aus diosom hornusgohobon werden. Disses kontinuierliche Verfahren könnte so durchgeführt werden, daß das Hnltoelemont jeder Anordnung nn einer Spur oder einem Draht befestigt und die Bewegung der Spur oder des Drahtes so geeicht worden, daß dio Anordnung übor eino ausreichende Zeitspanne mit dem Schmelzbad des Grundmetalls in Kontakt ist, um das gewünschte Ausmaß des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes in die lose Masse des Füllmaterial oder dio Vorform zu ermöglichen. Ein kontinuierliches Verfahren unter Anwendung des Tauchausführungsbeispiols und eines Dampfphasei.Oxydationsmittels wird in der AbI). 2 dargestellt.

Wie in der Abb. 2 gezeigt wird, wird ein Reihe von Anordnungen (47) kontinuierlich in ein Schmelzbnd dos Grundmotalls (50) abgesenkt, durch dieses gezogen und aus diesem herausgehoben. Dio Anordnungen (47) sind an Halteolomonton (<i8) bofostif!·, welche an einer Spur (49) befestigt sind und längs dieser bewegt werden.

Wie bei der diskontinuierlichen Verfahrensmethode des Tauchausführungsbeispiels kann auch das semikontinuierliche und kontinuierliche Verfahren mit einer äußeren Vorrichtung arbeiten, um der Vorform oder der losen Masse des Füllstoffs ein Dompfphasenoxidationsmittol zuzuführen, wenn diese Vorform oder lose Masse des Füllstoffs vollständig in das Schmelzbad des Grundmetalls eingetaucht wird. So kann, wie in der Abb. 2 gezeijt wird, die Anordnung der Abb. 1 auch bei den semikontinuierlichen und kontinuierlichen Versionen des Tauchausführungsbeispiels eingesetzt werden. Wie oben ausgeführt wurde, kann es notwendig oder wünschenswert sein, beim kontinuierlichen Verfahren die Konzentration von bestimmten Bestandteilen des Schmelzbades des Grundmetalls während des kontinuierlichen Verfahrens zu erhöhen oder zu verringern. Diese Erhöhung oder Verringerung kann wünschenswert sein, weil bestimmte Bestandteile des Grundmetalls mit einer größeren Geschwindigkeit als andere Bestandteile verbraucht werden. Die Konzentrationen der verschiedenen Bestandteile können beispielsweise durch Verwendung von Sensoren oder durch Anwendung kontinuierlicher Probenahmeverfahren überwacht werden. Wenn es notwendig wird, die Konzentration von bestimmten Bestandteilen des Grundmetalls zu erhöhen oder zu verringern, kann jedes geeignete Mittel angewendet werden, wie der direkte Zusatz von einem oder mehreren Bestandteilen oder der Zusatz von Elementen oder Verbindungen, welche mit bestimmten Bestandteilen reagieren, um die Konzentration dieser Bestandteile zu erhöhen oder zu verringern.

Sowohl beim Flotations- als auch beim Tauchausf ührungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können Sperrelemente eingesetzt werden, um das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes zu steuern und die Bildung von geformten Keramikmatrixverbundkörpern zu ermöglichen. Diese Sperrelemente und die Stoffe, aus denen sie gebaut werden, werden in anderen Abschnitten behandelt.

Ein anderes Ausführungsb'eispiel der vorliegenden Erfindung betrifft kontinuierliche Methoden zur Bildung von Keramikmatrixkörpern, welche das Oxydationsreaktionsprodukt eines flüssigen Grundmetalls und eines Oxydationsmittels umfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel würde ein flüssiges Grundmetall mit einem Oxydationsmittel in Kontakt gebracht, um das Oxydationsreakionsprodukt des Grundmetalls mit dem Oxydationsmittel zu bildon. Vorzugsweise würde wenigstens eine geformte Sperre verwendet, um einen geformten Hohlraum zu bilden, in welchen das Oxydationsreaktionsprodukt wachsen würde. Beim Kontakt mit dem Sperrelement endet das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes, was einen geformten Keramikmatrixkörper ergibt, der innerhalb des durch das Sperrelement definierten Hohlraumes existiert. Der fertige, geformte Keramikmatrixkörper würde durch Entfernung des Sperrelementes und möglicherweise vorhandenen Grundkörpers des Grundmetalls, der an der Oberfläche des Keramikmatrixkörpers haften kann, die mit dem flüssigen Grundmetall in Kontakt war, hergestellt. Um dieses Verfahren in kontinuierlicher oder semikontinuierlicher Weise anwenden zu können, würde eine Reihe von vorgefertigten Strukturen, die aus wenigstens einem Sperrmaterial bestehen, mit einem flüssigen Grundmetail über eine ausreichende Zeitspanne in Kontakt gebracht, um das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes bis zu den Grenzen zu ermöglichen, welche durch die Innenwände jeder geformten Sperrmaterialstruktur gebildet werden. Wenn das Wachstum des Oxydationsproduktes den Innenhohlraum, der innerhalb der Sperrmaterialstruktur gebildet wird, im wesentlichen vollständig gefüllt hat, würde die Oxydationsreaktion beendet entweder durch (1) Beendigung des Kontaktes zwischen dem gebildeten Keramikmatrixkörper und der Quelle für flüssiges Grundmetall oder (2) Beendigung des Kontaktes zwischen dem Oxydationsmittel und der Quelle für flüssiges Grundmetall. Mit Bezug auf die Methode (1), die eben beschrieben wurde, könnte der Kontakt zwischen dem flüssigen Grundmetall und dem Keramikmatrixkörper dadurch beendet werden, daß der Keramikmatrixkörper, der innerh ilb der Sperrmaterialstruktur enthalten ist, physisch vom Kontakt mit der flüssigen Quelle des Grundmetalls getrennt wird. Als Alternative dazu könnte dem Inrienhohlraum in der Sperrmaterialstruktur eine im voraus berechnete Menge des Grundmetalls zugeführt werden, die ausreichend ist, um eine gewünschte Menge des Oxydationsreaktionsproduktes wachsen zu lassen.

Im Bezug auf die Methode (2), die im vorstehenden Abschnitt beschrieben wurde, könnte der Kontakt zwischen dem Oxydationsmittel und der Quelle für flüssiges Metall durch Zuführen des Oxydationsmittels in die Geformte Sperrmaterialstruktur von außen, beispielsweise ein Hohlrohr aus feuerfestem Material oder rostfreiem Stahl, und Beenden der Zuführung des Oxydationsmittels bewirkt werden, wenn das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes den Innenhohlraum innerhalb der Sperrmaterialstruktur in einem gewünschten Umfang gefüllt hat. Als Alternative dazu könnte dem Innenhohlraum, der innerhalb der Sperrmaterialstruktur gebildet wird, anfangs eine im voraus berechnete Menge des Oxydationsmittels zugeführt werden, so daß das Oxydationsmittel erschöpft ist, wenn das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes den Innenhohlraum im gewünschten Maße gefüllt hat.

Eine Methode, die kontinuierliche Produktion von Keramikmatrixkörpern zu erreichen, besteht darin, in sich selbst geschlossene Strukturen aus Sperrmaterial mit wenigstens einem Innenhohlraum zu schaffen. Wenigstens ein Teil eines der Innenhohlräume könnte eine Konfiguration haben, welche die Produktion von Keramikmatrixkörpern mit einer Form erlauben würde, die der Form des Innenhohlraums entspricht. Außerdem könnte wenigstens ein Teil eines der Innenhohlräume Grundmetall enthalten. Dieses Grundmetall könnte anfangs während der Bildung der in sich selbst geschlossenen Sperrmaterialstruktur als fester Block des Grundmetalls eingeführt werden, oder das Grundmetall könnte zu einem Zeitpunkt im pulverisierten oder flüssigen Zustand durch ein kleines Loch oder eine Öffnung in der Sperrmaterialstruktur eingeführt werden. Die Menge des Grundmetalls, die in die in sich geschlossene Sperrmaterialstruktur eingeführt würde, könnte entweder: (1) eine im voraus berechnete Menge sein, die ausreicht, um ein Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes zu erzeugen, welches die geformten Abschnitte des Innenhohlraums im gewünschten Umfang füllt, oder (2) eine Menge, die mehr als ausreichend sein könnte, um das Wachstum eines Oxydationsreaktionsproduktes zu bewirken, welches alle geformten Abschnitte des Innenhohlraumes vollständig füllen würde. Diese zuletzt genannte Methode, (2), könnte einen Keramikmatrixkörper ergeben, an den etwas restliches, unreagiertes Grundmetall, d. h., ein Grundmetallgrundkörper, gebunden ist.

Die in sich selbst geschlossene Sperrmaterialstruktur, die im vorangegangenen Absatz beschrieben wurde, kann über eine Reihe von Vorrichtungen mit Oxydationsmittel gespeist werden. Erstens kann die Sperrmaterialstruktur für ein umgebendes Oxydationsmittel durchdringbar sein. Zweitens kann ein äußeres Mittel eingesetzt werden, um dem Innenhohlraum ein Oxydationsmittel zuzusetzen. Beispielsweise könnte ein Hohlrohr aus feuerfestem Material oder ros.freiem Stahl verwendet werden, durch welches wenigstens ein Oxydationsmittel passieren kann. Schließlich könnte dem geformten Abschnitt des Innenhohlraums anfangs eine im voraus berechnete Menge von wenigstens einem Oxydationsmittel zugegeben werden, welche ausreicht, um die Bildung eines Wachstums eines Oxydationsreaktionsproduktes zu ermöglichen, welches die geformten Abschnitte des Innenhohlraumes im gewünschten Ausmaß füllen würde.

Die oben beschriebenen, in sich selbst geschlossenen Sperrmaterialstrukturen könnten kontinuierlich über eine Vorrichtung zugeführt werden, welche die Strukturen durch eine Erhitzungsvorrichtung (beispielsweise einen Ofen) führt, wodurch es ermöglicht wird, daß die in sich selbst geschlossenen Sperrmaterialstrukturen und ihr Inhalt die notwendige Temperatur erreichen, damit die Oxydationsreaktion auftreten kann. Die Vorrichtung zur Bewegung der in sich selbst geschlossenen Sperrmaterialstrukturen könnte so geeicht sein, daß die in sich selbst geschlossenen Sperrmaterialstrukturen und ihr Inhalt über eine ausreichende Zeit bei Oxydationsreaktionstemperatur bleiben, so daß ein Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes die geformten Abschnitte des Innenhohlraumes der Sperrmaterialstrukturen im gewünschten Umfang füllen kann. Nachdem der gewünschte Umfang des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes erfolgt ist, ν /erden die in sich geschlossenen Sperrmaterialstrukturen und deren Inhalt gekühlt, und das Sperrmaterial und die Grundmetallkörper, soweit vorhanden, werden von den resultierenden, geformten Keramikmatrixkörpern entfernt.

Eine andere Methode der kontinuierlichen Produktion von Keramikmatrixkörpern ist die Horbeiführung des Kontaktes zwischen dem offenen Abschnitt einer Reihe von Sperrmetallstrukturen, welche enthalten (1 leinen geformten Hohlraum und (2) einen offenen Abschnitt, mit einem Schmelzpool des Grundmetalls. Das flüssige Grundmetall könnte mit einem Oxydationsmittel reagieren, um ein Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden, das in den geformten Hohlraum wachsen könnte, der in der jeweiligen Sperrmaterialstruktur enthalten ist. Wenn das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes im gewünschten Maße den geformten Hohlraum gefüllt hat, der in der jeweiligen Sperrmaterialstruktur enthalten ist, werden die Zufuhr des Oxydationsmittels oder der Kontakt zwischen dem Ketamikmatrixkörper, der in der Sperrmaterialstruktur enthalten ist, und der flüssigen Quelle des Grundmetalls beendet, wodurch ein weiteres Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes verhindert wird.

Es gibt viele Techniken, nach denen Sperrmaterialstrukturen kontinuierlich mit dem Schmelzbad des Grundmetalls in Kontakt gebracht werden könnten. Eine Methode umfaßt das Abdecken des Schmelzbades aus Grundmetall mit einem Sperrmaterial, das Löcher oder Schlitze enthält, durch welche das Oxydationsmittel das flüssige Grundmetall kontaktieren kann. Eine Sperrmaterialstruktur, welche einen geformten Hohlraum enthält, wird oben auf jedes Loch oder jeden Schlitz aufgebracht, so daß das Oxydationsreaktionsprodukt von dem Loch oder Schlitz in den geformten Hohlraum hineinwachsen kann, der innerhalb der Sperrmaterialstruktur enthalten ist. Diese Methode kann es erforderlich machen, daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Schmelzbades aus Grundmetall mit dem Sperrelement bedeckt ist, um ein unerwünschtes Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes an anderen Stellen als den Löchern oder Schlitzen zu verhindern. Es könnte ein System entwickelt werden, wonach die Oberfläche des Schmelzbades aus Grundmetall ständig mit wenigstens einem Sperrmaterial bedeckt ist, wenn Temperatur- und Oxydationsmittelbedingungen so sind, daß sich das Oxydationsreaktionsprodukt an allen Grundmetallstellen entwickeln würde, die nicht durch das Sperrmaterial bedeckt sind. So kann durch Kontrolle der Temperatur des Grundmetalls und/oder der Atmosphäre oder Umgebung, die mit dem Grundmetall in Kontakt ist, das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes während der Perioden gesteuert werden, in denen die Oberfläche des Grundmetalls nicht durch ein 'oerrmaterial bedeckt ist. Durch ständiges Abnehmen der Sperrmaterialstrukturen, welche bis zum gewünschten Umfang mit dem Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes gefüllt wurden, und durch Aufsetzen frischer Sperrmaterialstrukturen über den exponierten Löchern oder Schlitzen kann ein kontinuierliches Verfahren erreicht werden.

Eine andere Methode der kontinuierlichen Bildung von Keramikmatrixkörpern unter Verwendung eines Schmelzbades aus Grundmetall ist der ständige Kontakt des offenen Abschnitts einer Sperrmaterialstruktur, die aus (1) einen offenen Abschnitt und (2) einem geformten Hohlraum, der mit dem offenen Abschnitt verbunden ist, besteht, mit einem Schmelzbad des Grundmetalls. Die Sperrmaterialstruktur könnte mit einer Vorrichtung verbunden sein, welche die Sperrmaterialstruktur über die Oberfläche eines oder durch ein Schmelzbad des Grundrnetalls bewegt. In einem Hohlraum, der sich innerhalb der Sperrmaterialstruktur befindet, könnte anfangs ein festes oder flüssiges Oxydationsmittel angeordnet werden, oder ein Oxydationsmittel könnte durch äußere Mittel, beispielsweise unter Verwendung eines Hohlrohres aus feuerfestem Material oder rostfroiem Stahl, welches mit einer Quelle für das Oxydationsmittel verbunden ist, eingeführt werden. Die exponierten Oberflächen des Schmelzbades aus Grundmetall, die nicht mit dem offenen Abschnitt der Grundmetallstruktur in Kontakt sind, könnten in den Situationen, in denen die Atmosphäre oder Umgebung mit dem flüssigen Grundmetall reaktiv sein können, mit einem Sperrmaterial (wie Wollastonitpartikulatmaterial) bedeckt sein. Die Vorrichtungen zur Bewegung der Sperrmaterialstrukturen über die Oberfläche des oder durch das Schmelzbad des Grundmetalls könnten geeicht sein, um es dem offenen Abschnitt der Sperrmaterialstrukturen zu ermöglichen, mit dem Schmelzbad des Grundmetalls über eine ausreichende Zeit in Kontakt zu sein, um ein Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes zu ermöglichen, welches den Innenhohlraum, der in der Sperrmate, ialstruktur enthalten ist, im gewünschten Umfang füllen würde. Durch ständige Zufuhr frischer Sperrmaterialstrukturen zu einem Abschnitt des Schmelzbades des Grundnietalls und Abnahme von Sperrmaterialstrukturen, die im gewünschten Umfang durch den Wuchs des Oxydationsreaktionsproduktes gefüllt sind, von einem anderen Abschnitt des Grundmetallschmelzbades kann ein kontinuierliches Verfahren erreicht werden.

Viel.. der oben behandelten Methoden zur kontinuierlichen Bildung von Keramikmatrixkörpern können angewendet werden, um Keramikmatrixverbundkörper herzustellen. Beispielsweise kann der geformte Hohlraum, der sich in der Sperrmaterialstruktur befindet, anfangs ein Füllmaterial enthalten, welches anschließend durch den Wuchs des Oxydationsreaktionsproduktes eingebettet werden kann, wodurch ein Keramikmatrixverbundkörper gebildet wird. Außerdem kann der Hohlraum wenigstens eine Vorform enthalten, die durch den Wuchs des Oxydationsreaktionsproduktes eingebettet wird. Es kann notwendig sein, Auflageelemente vorzusehen, welche verhindern, daß das Füllmaterial durch den offenen Abschnitt der Sperrmaterialstruktur entweicht. Dieses Auflageelement könnte wenigstens eine Öffnung haben, die dem flüssigen Grundmetall den Zugang zu dem geformten Hohlraum ermöglicht, während sie das Entweichen des Füllmaterials in das Schmelzbad des Grundmetalls verhindert.

Eine Vorform, die bei der Herstellung des Keramikmatrixverbundkörpers von Nutzen ist, wenn wenigstens ein Oxydationsmittel ein Dampfphasenoxydationsniittel ist, ist eine, die ausreichend porös oder durchlässig ist, um es dem dampfförmigen Oxydationsmittel zu erlauben, in die Vorform einzudringen und so das Grundmetall zu kontaktieren. Die Vorform sollte auch selbsttragend und ausreichend durchlässig sein, um die Entwicklung oder das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes aufnehmen zu können, und zwar als Matrix inncihalb der Vorform, ohne die Konfiguration oder Geometrie der Vorform wesentlich zu stören, zu verzerren oder anderweitig zu ändern.

Es kann mit einem festen, flüssigen oder Dampfphasenoxydationsmittel oder mit einer Kombination dieser Oxydationsmittel gearbeitet werden. Beispielsweise gehören zu den typischen Oxydationsmitteln, ohne einschränkend sein zu wollen, Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und/oder Verbindungen und Kombinationen dieser Stoffe, beispielsweise Siliciumdioxid (als Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen) und deren Gemische, wie Luft, H₂/H₂O und CO/CO₂, die beiden letztgenannten (d.h. H₂/H₂O und CO/CO₂) sind dabei nützlich bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung. Demzufolge kann die Keramikmatrixstruktur der Erfindung ein Oxydationsreaktionsprodukt umfassen, das aus einem oder mehreren Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden und Oxynitriden besteht. Im einzelnen kann das Oxydationsreaktionsprodukt beispielsweise eines oder mehrere der folgenden sein, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirconiumnitrid, Titanborid, Zirconiumborid, Titancarbid, Zirconiumcarbid, Siliciumnitrid, Hafniumborid und Zinnoxid. Obwohl die Oxydationsreaktion in der Regel unter Einsatz eines Dampfphasenoxydationsmittels, allein oder in Verbindung mit einem Oxydationsmittel, das unter den Verfahrensbedlngungen ein fester Stoff oder flüssig ist, beschrieben wird, ist es selbstverständlich, daß nicht der Einsatz eines Dampfphasenoxydationsmittels notwendig ist, um einen Keramikmatrixverbundkörper herzustellen. Wenn nicht ein Dampfphasenoxydationsmittel eingesetzt wird und ein Oxydationsmittel verwendet wird, das unter den angewendeten Verfahrensbedingungen ein fester Stoff oder eine Flüssigkeit ist, braucht die Vorform nicht durchlässig für die umgebende Atmosphäre zu sein. Die Vorform sollte jedoch noch ausreichend durchlässig sein, um die Entwicklung oder das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktss als Matrix innerhalb der Vorform aufnehmen zu können, ohne die Konfiguration oder Geometrie der Vorform wesentlich zuhören, zu beeinträchtigen oder anderweitig zu ändern.

Die Verwendung von festen oder flüssigen Oxydationsmitteln kann innerhalb der Vorform eine für die Oxydationskinetik des Grundmetalls günstigere Umgebung schaffen, als die Umgebung außerhalb der Vorforr ι vorhanden ist. Diese verbesserte Umgebung ist vorteilhaft bei der Förderung der Matrixentwicklung innerhalb der Vorform bis zur Grenze und minimiert den Überwuchs. Wenn mit einem festen Oxydationsmittel gearbeitet wird, kann es in der gesamten Vorform oder in einem Abschnitt der Vorform, der an das Grundmetall angrenzt, dispergiert sein, beispielsweise in Partikulatform und mit der Vorform gemischt, oder es kann als Überzug auf die Teilchen aufgebracht werden, welche die Vorform bilden. Zu den geeigneten festen Oxydationsmitteln können geeignete Elemente gehören, wie Bor oder Kohlenstoff, oder geeignete reduzierbare Verbindungen, wie Siliciumdioxid (als Sauerstoffquelle) oder bestimmte Boride mit geringerer thermodynamischer Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Grundmetalls.

Wenn mit einem flüssigen Oxydationsmittel gearbeitet wird, kann das flüssige Oxydationsmittel in der gesamten Vorform oder in einem Abschnitt davon, angrenzend an das flüssige Grundmetall, dispergiert sein. Unter einem flüssigen Oxydationsmittel versteht man eines, das unter Oxydationsreaktionsbedingungen flüssig ist, also kann ein flüssiges Oxydationsmittel einen festen Vorläufer, beispielsweise ein Salz, haben, das unter den Oxydationsreaktionsbedingungen geschmolzen oder flüssig ist. Als Alternative dazu kann ein flüssiges Oxydationsmittel ein flüssiger Vorläufer sein, z. B. eine Lösung eines Materials, die dazu genutzt wird, einen Teil oder alle porösen Oberflächen der Vorform zu beschichten, und das unter Verfahrensbedingungen geschmolzen oder zersetzt wird, um eine geeignete Oxydationsmittelkomponente zu bilden. Beispiele für flüssige Oxydationsmittel, wie sie hier definiert sind, sind die niedrigschmelzenden Gläser.

Wie in den im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen und Patenten erklärt wird, kann der Zusatz von Dotierungsmitteln in Verbindung mit, beispielsweise, Aluminiumgrundmotall den Oxydationsreaktionsprozeß vorteilhaft beeinflussen. Die Funktion oder Funktionen des Dotierungsmaterials können von einer Reihe andei er Faktoren als dem eigentlichen Dotierungsmaterial abhängig sein. Zu diesen Faktoren gehören beispielsweise das gewünschte Endprodukt, die besondere Kombination der Dotierungsmittel, wenn mit 'wei oder mehreren Dotierungsmitteln gearbeitet wird, der Einsatz von äußerlich angewendeten Dotierungsmitteln in Kombination mit einem legierten Dotierungsmittel, die Konzentration des (der) Dotierungsmittel(s) und die Verfahrensbedingungen.

Das oder die Dotierungsmittel, die in Verbindung mit dem Grundmetall eingesetzt werden, können (DaIs Legierungsbestandteile des Grundmetalls eingesetzt werden, (2) auf wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des Grundmetalls aufgebracht werden, (3) dem Füllmaterial zugesetzt werden, oder (4) es kann jede Kombination der Techniken (1), (2) und (3) angewendet werden. Beispielsweise kann ein legiertes Dotierungsmittel in Kombination mit einem äußerlich aufgebrachten Dotierungsmittel eingesetzt werden. Eine Quelle für das Dotierungsmittel kann dadurch gebildet werden, daß entweder ein Dotierungspulver oder ein starrer Körper des Dotierungsmittels in Kontakt mit wenigstens einem Abschnitt der Grundmetalloberfläche gebracht werden. Beispielsweise kann eine dünne Scheibe eines siliciumhaltigen Glases auf eine Oberfläche eines Aluminiumgrundmetalls aufgebracht werden. Wenn das Aluminiumgrundmetall (das innerlich mit Mg legiert sein kann), auf dem das siliciumhaltige Glas liegt, in einer oxydierenden Umgebung erhitzt wird (beispielsweise bei Aluminium und Luft auf eine Temperatur zwischen etwa 85O⁰C und etwa 1450°C, vorzugsweise von etwa 900°C bis etwa 135O⁰C), tritt Wachstum des polykristallinen keramischen Materials auf. In dem Fall, wenn das Dotierungsmittel äußerlich auf wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des Aluminiumgrundmetalls aufgebracht wird, wächst die polykristalline Aluminiumoxidstruktur im allgemeinen wesentlich über die Dotierungsschicht hinaus (d. h., über die Tiefe der aufgebrachten Dotierungsschicht). Auf jeden Fall können ein oder mehrere Dotierungsmittel äußerlich auf die Oberfläche des Grundmetalls aufgebracht werden. Außerdem können alle Konzentrationsmängel der in das Grundmetall legierten Dotierungsmittel durch eine zusätzliche Konzentration des (der) entsprechenden Dotierungsmittel(s), die äußerlich auf das Grundmetall aufgebracht werden, gesteigert werden. Zu den geeigneten Dotierungsmitteln für ein Aluminiumgrundmetall, besonders mit Luft als Oxydationsmittel, gehören beispielsweise Magnesium, Zink und Silicium, in Kombination miteinander oder mit anderen Dotierungsmitteln, die unten beschrieben werden, in Kombination. Diese Metalle oder eine geeignete Quelle der Metalle können in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentration legiert werden, die jeweils zwischen etwa 0,1 und 10% auf der Grundlage des Gesamtgewichts des resultierenden, dotierten Metalls betragen. Konzentrationen innerhalb dieses Bereichs scheinen das Keramikwachstum einzuleiten, den Metalltransport vergrößern und die Wachstumsmorphologie des resultierenden Oxydationsreaktionsproduktes günstig beeinflussen zu können. Der Konzentrationsbereich für jedes einzelne Dotierungsmittel ist von solchen Faktoren wie Kombination der Dotierungsmittel und Verfahrenstemperatur abhängig

Andere Dotierungsmittel, die wirksam bei der Förderung des Wachstums eines polykristallinen Aluminiumoxydoxydationsreaktionsproduktes aus einem Aluminiumgrundmetallsystem sind, sind beispielsweise Germanium,

Zinn und Blei, vor allem, wenn sie in Kombination mit Magnesium eingesetzt werden. Eines oder mehrere dieser Ootierungsmittel oder eine geeignete Quelle für diese werden in das Aluminiumgrundmetallsystem in Konzentrationen legiert, die jeweils zwischen etwa 0,5 und 15% auf der Grundlage des Gewichts der Gesamtlegierung betragen; eine wünschenswertere Wachstumskinetik und Wachstumsmorphologie aber erreicht man mit Dotierungsmittelkonzentrationen im Bereich von etwa 1 bis 10% auf der Grundlage des Gewichts der Gesamtlegierung. Blei als Dotierungsmittel wird im allgemeinen in das Grundmetall auf Aluminiumbasis bei einer Temperatur von wenigstens 1000°C legiert, um dessen geringer Löslichkeit in Aluminium Rechnung zu tragen; der Zusatz anderer Legierungsbestandteile aber, wie Zinn, erhöht im allgemeinen die Löslichkeit des Bleis und erlaubt es, die Legierungsstoffe bei einer niedrigeren Temperatur zuzusetzen.

Bei einem Aluminiumgrundmetall und Luft als dem Oxydationsmittel gehören zu den besonders geeigneten Kombinationen von Dotierungsmitteln (a) Magnesium und Silicium oder (b) Magnesium, Zink und Silicium. Bei diesen Beispielen liegt eine bevorzugte Magnesiumkonzentration im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 3%, für Zink im Bereich von etwa 1 bis etwa 6% und für Silicium im Bereich von etwa 1 bis 10%.

Zu den zusätzlichen Beispielen von Dotierungsmitteln, die bei einem Aluminiumgrundmetall nützlich sind, gehören Natrium und Lithium, die einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Dotierungsmitteln in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen eingesetzt werden können. Natrium und Lithium können in sehr geringen Mengen (im Bereich von Teilchen/ Mill., im typischen Fall von etwa 100-200 Teilchen/Mill.) eingesetzt werden und können jeweils allein oder zusammen oder in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln eingesetzt werden. Calcium, Bor, Phosphor, Yttrium und Seltenerdenelemente, wie Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium, sind ebenfalls geeignete Dotierungsmittel, wiederum vor allem, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln eingesetzt werden. Wenn die Dotierungsstoffe äußerlich angewandt werden, werden sie im allgemeinen als einheitlicher Überzug auf einen Abschnitt einer Oberfläche des Grundmetalls aufgebracht. Die Menge des Dotierungsmittels ist über einem breiten Bereich im Verhältnis zur Menge des Grundmetalls wirksam, auf welche sie aufgebracht wird, und bei Aluminium ist es nicht gelungen, in Experimenten die wirksamen Ober- und Untergrenzen zu ermitteln. Wird beispielsweise Silicium in Form des Siliciumdioxids äußerlich als Dotierungsmittel für ein Grundmetall auf Aluminiumbasis mit Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel eingesetzt, wurden so geringe Mengen wie 0,00003g Silicium je Gramm Grundmetall oder etwa 0,0001 g Silicium je Quadratzentimeter der exponierten Grundmetalloberfläche, zusammen mit einer zweiten Dotierungsquelle von Magnesium, gebraucht, um das Phänomen des polykristallinen Keramikwachstums zu bewirken. Es wurde auch festgestellt, daß eine Keramikstruktur aus einem Aluminium-Silicium-Legierungsgrundmetall unter Verwendung von Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel unter Einsatz von MgO als Dotierungsmittel in einer Menge, die über 0,0008g Mg je Gramm des zu oxydierenden Grundmetalls und über 0,003g Mg je Quadratzentimeter der Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgebracht wird, liegt, hergestellt werden kann. Wenn das Grundmetall Aluminium ist, das innerlich mit Magnesium dotiert ist, und das oxydierende Medium ist Luft oder Sauerstoff, wurde festgestellt, daß das Magnesium bei Temperaturen zwischen etwa 850°C und 95O⁰C zumindest teilweise aus der Legierung herausoxydiert wird. Bei diesen Fällen von magnesiumdotierten Systemen bildet das Magnesium eine Magnesiumoxid- und/oder Magnesiumaluminatspinellphase an der Oberfläche der flüssigen Aluminiumlegierung, und während des Wachstumsprozesses bleiben diese Magnesiumverbindungen hauptsächlich an der anfanglichen Oxidoberfläche der Grundmetallegierung (z.B. der „Initiierungsfläche") in der wachsenden Keramikmatrixstruktur. So wird in'diesen magnesiumdotierten Systemen eine Struktur auf der Grundlage von Aluminiumoxid neben einer verhältnismäßig dünnen Schicht von Magnesiumaluminatspinell an der Initiierungsfläche gebildet. Wem das gewünscht wird, kann diese Initiierungsfläche leicht durch Schleifen, maschinelles Bearbeiten, Polieren oder Sandstrahlen vor der Verwendung des polykristallinen Keramikmatrixproduktes entfernt werden.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann während des Wachstums des polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes ein unterschiedliches Dampfphasenoxydationsmittel eingeführt werden. In diesem Zusammenhang sollte „unterschiedlich" in dem Sinne verstanden werden, daß es eine Zusammensetzung hat, die sich chemisch von der Zusammensetzung des ursprünglichen Dampfphasen- (oder festen) Oxydationsmittels unterscheidet. So führt das zweite Oxydationsreaktionsprodukt, das mit dem „unterschiedlichen" Dampfphasenoxydationsmittel gebildet wird, zur Bildung von zwei Keramikmatrixkörpern oder -phasen, die integral aneinander haften und abgestufte Eigenschaften haben (z. B. kann auf einem ersten gebildeten Keramikmatrixverbundkörper eine Schicht gebildet werden).

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird zuerst ein Keramikmatrixverbundkörper vollständig gebildet und anschließend wird der vollständig gebildete Keramikmatrixverbundkörper einem Oxydationsmittel, vr 'zugsweise einem „unterschiedlichen" Oxydationsmittel als dem, das zur Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes verwendet wurde, das als Matrix für das eingebettete Füllmaterial in dem Keramikmatrixverbundkörper dient, ausgesetzt. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel wird restliches, untereinander verbundenes Grundmetall im Keramikmatrixverbundkörper zu wenigstens einer Fläche des Keramikmatrixverbundkörpers gezogen und veranlaßt, mit dem „unterschiedlichen" Oxydationsmittel zu reagieren, so daß ein unterschiedliches Oxydationsreaktionsprodukt auf einem Substrat eines zuerst gebildeten Oxydationsreaktionsproduktes gebildet wird.

Nach noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die metallische Komponente im Keramikmatrixverbundkörper durch Änderung von deren Zusammensetzung abgestimmt werden. Im einzelnen kann beispielsweise ein zweites Metall beispielsweise während des Wachstums des Oxydationsreaktionsproduktes mit dem Grundinetail legiert oder in dieses diffundiert werden, um die Zusammensetzung und damit die mechanischen, elektrischen und/oder chemischen Eigenschaften des Grundmetalls günstig zu verändern.

Um die Bildung eines geformten Keramikmatrixverbundkörpers zu unterstützen, kann in Verbindung mit einem Füllmaterial oder einer Vorform ein Sperrelement verwendet werden. Im einzelnen kann ein Sperrelement, das für die Verwendung in dieser Erfindung geeignet ist, jedes geeignete Mittel sein, welches das Wachstum oder die Entwicklung des Oxydationsreaktionsproduktes stört, unterbindet oder beendet. Geeignete Sperrelemente können jedes Material, jede Verbindung, jedes Element, Zusammensetzung oder ähnliches sein, die unter den Verfahrensbedingungen der Erfindung eine gewisse Integrität bewahren, nicht flüchtig sind und vorzugsweise durchlässig für ein Dampfphasenoxydationsmittel sind, wenn mit einem Dampfphasenoxydationsmittel gearbeitet wird, während sie in der Lage sind, das fortgesetzte Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes lokal zu unterbinden, zu stören, zu stoppen, zu beeinträchtigen, zu verhindern oder ähnliches.

Es ist offensichtlich, daß eine Kategorie von Sperrelementen die Klasse von Materialien ist, welche im wesentlichen durch das transportierte flüssige Grundmetall nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint im wesentlichen nur wenig oder keine Affinität für das Grundmetall aufzuweisen, und das Wachstum wird durch das Sperrelement beendet oder unterbunden. Andere Sperren neigen dazu, mit dem transportierten, flüssigen Grundmetall zu reagieren, um das weitere Wachstum entweder durch Auflösung in dem und übermäßiges Verdünnen des transportierten Grundmetalls oder durch Bildung von festen Reaktionsprodukten (z. B. intermetallischen Verbindungen, welche den Transportvorgang des flüssigen Metalls behindern) zu unterbinden. Eine Sperre dieses Typs kann ein Metall oder eine Metallegierung sein, einschließlich entsprechender Vorläufer, wie Oxide, oder oine reduzierbare Metallverbindung oder ein dichtes keramisches Material. Auf Grund der Art der Wachstumsunterbindung oder der Obstruktionsvorgänge bei diesem Typ von Sperre kann das Wachstum in die oder etwas über die Sperre hinaus reichen, bevor das Wachstum beendet wird. Trotzdem verringert die Sperre jede abschließende maschinelle Bearbeitung oder jedes Schleifen, die für das gebildete Oxydationsroaktionsprodukt erforderlich sein können. Wie oben ausgeführt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise durchlässig oder porös sein, und daher sollte die Sperre, wenn mit einer festen, undurchlässigen Wand gearbeitet wird, wenigstens an einer Zone oder an einem oder beiden Enden geöffnet werden, um den Kontakt zwischen dem flüssigen Grundmetall und dem Dampfphasenoxydationsmittel zu ermöglichen. Geeignete Sperren, die in dieser Erfindung besonders nützlich sind, wenn Aluminii"ngrundmetalle verwendet und Luft als Oxydationsmittel eingesetzt werden, sind Calciumsulfat, Calciumsilicat und Tricaldjmphosphat. Diese Sperren scheinen lokal mit dem sich entwickelnden Oxydationsreaktionsprodukt zu reagieren, um eine undurchlässige Calciumaluminatschicht zu bilden, welche lokal das weitere Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes beendet. Solche Sperren können im typischen Fallals Aufschlämmung oder Paste auf ein Füllstoffbett aufgebracht werden, welches vorzugsweise als Vorform vorgeformt ist. Das Sperrelement kann auch ein geeignetes brennbares oder flüchtiges Material einschließen, das beim Erhitzen eliminiert wird, oder ein Material, das sich beim Erhitzen zersetzt, um die Porosität und Durchlässigkeit des Sperrelements zu vergrößern. Außerdem können die Sperrelemente ein geeignetes feuerfestes Partikulatmaterial einschließen, um eine mögliche Schrumpfung oder Rißbildung zu verringern, die andernfalls während des Verfahrens auftreten kann. Ein solches Partikulatmaterial, das im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Füllstoffbett hat, ist besonders vorteilhaft. Wenn beispielsweise die Vorform aus Aluminiumoxid besteht und der resultierende keramische Stoff Aluminiumoxid umfaßt, kann dem Sperrelement Aluminiumoxidpartikulatmaterial beigemischt werden, das vorteilhaft eine Siebgröße von etwa 20-1000 hat. Das Aluminiumoxidpartikulat kann mit dem Calciumsulfat, beispielsweise, in einem Verhältnis zwischen etwa 10:1 und 1:10 gemischt werden, wobei das bevorzugte Verhältnis etwa bei 1:1 liegt. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schließt das Sperrelement eine Mischung von Calciumsulfat (d. h., gebranntem Gips und Portlandzement) ein. Der Portlandzement kann mit dem Gips (gebrannt) in einem Verhältnis von 10:1 bis 1:10gemischt werden, wobei das bevorzugte Verhältnis von Portlandzement zu gebranntem Gips etwa 1:3 beträgt. Wenn das gewünscht wird, kann Portlandzement auch allein als Sperrmaterial verwendet werden.

Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem Aluminiumgrundmetall und Luft als Oxydationsmittel eingesetzt werden, umfaßt die Verwendung eines Sperrelementes aus gebranntem Gips, gemischt mit Siliciumdioxid in einer stöchiometrischen Menge, es kann aber auch ein Überschuß angebranntem Gips vorhanden sein. Während der Verarbeitung reagieren der gebrannte Gips und das Siliciumdioxid, um ein Calciumsilicat zu bilden, was zu einem besonders vorteilhaften Sperrelement dahingehend führt, daß es im wesentlichen rißfrei ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der gebrannte Gips mit etwa 25 bis 40% Calciumcarbonat gemischt. Beim Erhitzen zersetzt sich das Calciumcarbonat und emittiert Kohlendioxid, wodurch die Porosität des Sperrelementes verstärkt wird.

Zu den anderen besonders geeigneten Sperren für Systeme auf der Grundlage von Aluminiumgrundmetall gehören Eisenmaterialien (z. B. ein Behälter aus rostfreiem Stahl), Dichromiumoxid und andere feuerfeste Oxide, die als darüberliegende Wand oder Behälter für das Füllstoffbett oder als Schicht auf der Oberfläche eines Füllstoffbettes eingesetzt werden können. Zu den zusätzlichen Sperren gehören dichte, gesinterte oder verschmolzene keramische Stoffe, wie Aluminiumoxid. Diese Sperre sind in der Regel undurchlässig und werden daher entweder einer speziellen Fertigung unterzogen, um Porosität zu ermöglichen, oder sie verlangen einen offenen Abschnitt, beispielsweise ein offenes Ende. Die Sperrelemente können unter Reaktionsbedingungen ein zerreibbares Produkt bilden und können beispielsweise durch Abreiben entfernt werden, um den Keramikmatrixkörper zu gewinnen.

Die Sperrelemente können in jeder geeigneten Weise, Größe und Form gefertigt oder hergestellt werden und sind vorzugsweise für das Dampfphasenoxydationsmittel durchlässig, wenn ein solches Oxydationsmittel verwendet wird. Das Sperrelement kann als Film, Paste, Aufschlämmung, Hnmhlässine oder undurchlässige Folie oder Platte oder als netzartiges oder lochartiges Gewebe, wie ein Metall- oder Keramiksieb oder -tuch, oder als deren Kombination aufgebracht oder verwendet werden. Das Sperrelement kann auch einen Teil Füllstoff und/oder Bindemittel umfassen.

Größe und Form der Sperrelemente sind von der gewünschten Form für das Keramikmatrixprodukt abhängig. Wenn beispielsweise das Sperrelement in einem festgelegten Abstand von dem Grundmetall angebracht oder aufgestellt wird, würde das Wachstum der Keramikmatrix lokal beendet oder unterbunden, wo es auf das Sperrelement trifft. Im allgemeinen ist die Form des Keramikmatrixproduktes das Negativ der Form des Sperrelementes. Wenn beispielsweise ein konkaves Sperrelement im teilweisen Abstand wenigstens zu einem Grundmetall angeordnet wird, erfolgt das polykristalline Wachstum innerhalb des volumetrischen Raumes, der durch die Grenze des konkaven Sperrelementes und die Oberfläche des Grundmetalls definiert wird. Das Wachstum endet im wesentlichen an dem konkaven Sperrelement. Nachdem das Sperrelement entfernt ist, bleibt ein Keramikmatrixkörper mit wenigstens einem konvexen Abschnitt, der durch die Konkavität des Sperrelementes definiert ist. Es sollte bei Sperrelementen mit einer gewissen Porosität beachtet werden, daß ein polykristalliner Materialüberwuchs durch die Zwischenräume auftreten kann, während ein solcher Überwuchs dgrch wirksamere Sperrelemente stark beschränkt oder verhindert wird. In einem solchen Fall kann nach der Entfernung des Sperrelementes von dem gewachsenen, polykristallinen Keramikmatrixkörper jeder polykristalline Überwuchs vom Keramikmatrixkörper durch Schleifen, Sandstrahlen und ähnliches entfernt werden, um das gewünschte Keramikmatrixteil ohne restlichen Überwuchs an polykristallinem Material herzustellen. Zur weiteren Illustration wird angeführt, daß ein Sperrelement, das im Abstand zu einem Grundmetall angeordnet ist und einen zylindrischen Hocker in Richtung auf das Metall hin hat, einen Keramikmatrixkörper mit einer zylindrischen Aussparung ergibt, welche umgekehrt einen zylindrischen Hocker mit dessen Durchmesser und Tiefe repliziert.

Um bei der Bildung von Keramikmatrixverbundkörpern einen minimalen oder keinen polykristallinen Materialüberwuchs zu erreichen, kann das Sperrelement auf der oder in unmittelbarer Nähe der definierten Oberflächengrenzo eines Füllstoffbettes oder einer Vorform aufgebracht oder angeordnet werden. Die Ablagerung des Sperrelementes auf der definierten Oberflächengrenze des Bettes oder der Vorform kann mit allen geeigneten Mitteln ausgeführt werden, beispielsweise durch Schichtungsbildung mit dem Sperrelement auf der definierten Oberflächengrenze. Eino solche Sperrelementschicht könnte durch Anstreichen, Tauchen, Siebdrucken, Aufdampfen oder anderweitiges Aufbringen des Sperrelementes in flüssiger, breiiger oder Pastenform oder durch lonenstrahlzerstäubungsverfahron eines aufdampfbaren Sperrelementes oder einfach durch Ablagerung einer Schicht eines festen Partikulatsperrelementes oder durch Aufbringung einer dünnen, festen Folie oder eines Films des Sperrelementes auf der definierten Oberflachengrenze aufgebracht werden. Wenn das Sperrelement an Ort und Stelle ist, endet das Wachstum des polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes beim Erreichen der definierten Oberflächengrenze der Vorform und beim Kontakt mit dem Sperrelement.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Keramikmatrixverbundkörpers wird eine durchlässige, geformte Vorform (die unten ausführlicher beschrieben wird) gebildet, welche wenigstens eine definierte Oberflächengrenze hat, wobei wenigstens ein Abschnitt der definierten Oberflächengrenze mit dem Sperrelement in Kontakt ist oder durch diese überlagert wird. Es ist davon auszugehen, daß der Begriff „Vorform" eine Baugruppe von getrennten Vorformen einschließen kann, welche abschließend zu einem integralen Verbundkörper gebunden werden. Die Vorform wird angrenzend an oder in Kontakt mit einer oder mehreren Grundmetallflächen oder einem Abschnitt einer Oberfläche des Grundmetalls gebracht, so daß wenigstens ein Abschnitt der definierten Oberfläche der Vorform, der mit dem Sperrelement in kontakt ist oder durch dieses überlagert wird, im allgemeinen im Abstand zu oder außerhalb der Metalloberfläche ist und die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes in die Vorform und in eine Richtung hin zur definierten Oberflächengrenze mit dem Sperrelement erfolgt. Das Sperrelement, die durchlässige Vorform und das Grundmetall bilden eine Anordnung, und beim Erhitzen der Anordnung in einem Ofen werden das Grundmetall und die Vorform durch, beispielsweise, ein Dampfphasenoxydationsmittel eingehüllt oder diesem ausgesetzt, welches in Verbindung mit einem festen oder flüssigen Oxydationsmittel eingesetzt werden kann. Das Metall und das Oxydationsmittel reagieren, und der Reaktionsprozeß setzt sich fort, bis das Oxydationsreaktionsprodukt in die Vorform hineingewachsen ist und diese eingebettet hat und in Kontakt mit der definierten Oberflächengrenze kommt, die mit dem Sperrelement in Kontakt ist oder durch dieses überlagert wird. Im typischsten Fall fallen die Grenzen der Vorform und der Keramikmatrix im wesentlichen zusammen, aber einzelne Bestandteile an den Oberflächen der Vorform können exponiert sein oder aus der Matrix vorstehen, und daher kann die Infiltration und Einbettung der Vorform durch die Keramikmatrix nicht vollständig in Begriffen der vollständigen Einbettung oder Einkapselung der Vorform durch die Matrix sein. Das Sperrelement verhindert, unterbindet oder beendet das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes beim Kontakt mit dem Sperrelement, und es tritt im wesentlichen kein Überwuchs des Oxydationsreaktionsproduktes auf, wenn mit einem Sperrmaterial gearbeitet wird. Das resultierende Keramikmatrixverbundprodukt schließt eine Vorform, die bis zu ihren Grenzen durch eine Keramikmatrix eingebettet ist, welche ein polykristallines Material umfaßt, das im wesentlichen aus dem Oxydationsreaktionsprodukt des Grundmetalls mit dem Oxydationsmittel und wahlweise einem oder mehreren metallischen Bestandteilen, wie nichtoxydierten Bestandteilen des Grundmetalls oder reduzierten Bestandteilen eines Oxydationsmittels, besteht, ein.

Obwohl es manchmal notwendig sein kann, bei der Verwendung eines Dampfphasenoxydationsmittels jede exponierte Oberfläche des Schmelzbades an Grundmetall mit einem Material zu bedecken, welches die Reaktion zwischen der Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet, gibt es bestimmte Bedingungen, welche die Anwendung des Flotationsausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ohne Abdecken der exponierten Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls gestatten. Im einzelnen kann die Masse des Füllmaterials oder die Vorform wenigstens ein Material umfassen, das für das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes aus dem Dampfphasenoxydationsmittel und dem flüssigen Grundmetall notwendig ist. Folglich bildet sich kein Oxydationsreaktionsprodukt auf den Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls, die nicht mit der Masse des Füllmaterials oder der Vorform in Kontakt sind, und damit ist kein Abdeckungsmaterial auf den exponierten Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls erforderlich.

Als Alternative dazu kann die Masse des Füllmaterials oder die Vorform physikalisch, im Gegensatz zu chemisch, mit dem Schmelzbad des Grundmetalls reagieren, um die Bildung eines Oxydationsreaktionsproduktes des flüssigen Grundmetalls und des Dampfphasenoxydationsmittels zu ermöglichen, welches in die Masse des Füllmaterials oder in die Vorform hineinwächst und diese einbettet. Im einzelnen können die Teilchen, die sich in der Masse des Füllmaterials oder der Vorform befinden, dem flüssigen Grundmetall eine benetzbare Oberfläche geben, welche es dem flüssigen Grundmetall ermöglicht, jeder natürlichen Schutzschicht auszuweichen, die auf der Oberfläche des Schmelzbades aus Grundmetall vorhanden sein kann. Sobald das flüssige Grundmetall der natürlichen Schutzschicht ausgewichen ist, kann es mit dem Dampfphasenoxydationsmittel reagieren, um innerhalb der Masse des Füllmaterials oder der Vorform einen Körper des Oxydationsreaktionsproduktes zu bilden. Außerdem bildet sich dieser Körper des Oxydationsreaktionsproduktes nicht auf den Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls, die dem Dampfphasenoxydationsmittel ausgesetzt sind, weil die natürliche Schutzschicht jede weitere Wechselwirkung zwischen dem flüssigen Grundmetall und dem Dampfphasenoxydationsmittel verhindert. Es ist also nicht notwendig, die exponierten Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls mit einem Material zu bedecken, das die Reaktion zwischen der Atmosphäre und dem flüssigen Grundmetall verhindert. Es ist daher in bestimmten Situationen möglich, eine Kombination von Füllmaterial, Grundmetall, Dotierungsmitteln, Oxydationsmittel und Reaktionstemperatur zu wählen, die das Wachstum eines Oxydationsreaktionsproduktes eines flüssigen Grundmetalls und eines Dampfphasenoxydationsmittels in eine Masse von Füllmaterial oder eine Vorform und deren Einbettung ermöglicht, wobei die Masse des Füllmaterials oder die Vorform auf der Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls schwimmen, ohne daß es erforderlich ist, exponierten Oberflächen des Schmelzbades des Grundmetalls mit einem Material zu bedecken, welches die Reaktion zwischen dem Dampfphasenoxydationsmittel und dem flüssigen Grundmetall verhindert oder unterbindet. Das Flotationsausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann angewendet werden, um Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörper herzustellen, die ziemlich groß und dick sind. Außerdem wird, wenn man die sich entwickelnden Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörper bis zu einem gewissen Maße unter die Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls während der Oxydationsreaktion des flüssigen Grundmetalls und eines Dampfphasenoxydationsmittels sinken

läßt, verhindert, daß die Abschnitte der Körper, welche unter die Oberfläche des Schmelzbades des Grundmittels sinken, Zugang zu dem Dampfphasenoxydationsmittel haben und daher einen minimalen Überwuchs des Oxydationsreaktionsproduktes über die Grenzen der ursprünglichen Masse des Füllmaterials oder der Sperre hinaus, wenn mit einer Sperre gearbeitet wird, aufweisen. Schließlich ermöglicht es das Flotationsausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, daß der Ofen kontinuierlich in einem verhältnismäßig engen Temperaturbereich betrieben werden kann, da der Ofen nicht auf die umgebende Zimmertemperatur abgekühlt zu werden braucht, nachdem der einzelne Wachstumsdurchlauf des Oxydationsreaktionsproduktes beendet ist. Folglich entfallen sowohl der abschließende Kühlungsschritt als auch der anfängliche Erwärmungsschritt, wodurch eine beachtliche Spanne an Verarbeitungszei! eingespart wird. Die Vorteile des Flotationsausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, von denen einigo im vorstehenden Abschnitt ausgeführt wurden, ermöglichen es, diese Methode für die kontinuierliche Produktion von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern mit vielfältigen Größen und Geometrien anzuwenden. Demzufolge gestattet das Flotationsausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Massenproduktion eines breiten Bereiches von Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörperri zu niedrigeren Kosten und unter effizienterer Nutzung der Rohstoffe und Energiequellen, als das mit den Methoden möglich ist, die gegenwärtig auf diesem Gebiet angewendet werden.

Beispiel 1

Das folgende Beispiel demonstriert die diskontinuierliche Produktionsmethode unter Anwendung des Flotationsausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Nach den unten ausgeführten Schritten wurden dreißig Vorformen hergestellt.

(1) Ein Gemisch aus etwa 95% ungemahlenen Aluminiumoxidteilchen Alcan C-73 mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2,9 pm (Alcan Chemicals, Division of Alcan Aluminium Co., Cleveland, OH) und etwa 5% feinem, gemahlenen Siliciumdioxid MIN-U-SII.® (U.S. Silica Company, Berkley Springs, WV) wurde hergestellt.

(2) Das unter (1) beschriebene Feststoffgemisch wurde wiederum mit einer etwa 15%igen Lösung von Polyvinylalkohol ELVANOL® 75-15 (E. I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, DE) in Wasser gemischt, um ein neues Gemisch zu bilden, in welchem sich der prozentuale Fe itstoffgehalt der Polyvinylalkohollösung auf etwa 2% des Gewichts der Feststoffe insgesamt belief.

(3) Das Gemisch aus (2) wurde dann bis zu einem Feuchtigkeitspegel von etwa 1-2Gew-% getrocknet.

(4) Nach dem Trocknen wurde das Gemisch durch ein Sieb mit Maschengröße 20 gesiebt, um ein gesiebtes Gemisch von Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 840μηι und kleiner zu ergeben.

(5) Das gesiebte Gemisch wurde mit Drücken von etwa 10000 Pound/Zoll² (703kg/cm²) zu Ringen von etwa 0,4 Zoll (10mm) Höhe (von oben nach unten gemessen), mit einem Außendurchmesser von etwa 1,64ZoII (42 mm) und einer Stärke von etwa 0,23 Zoll (5,8mm) (gemessen vom Innenwanddurchmesser zum Außenwanddurchmesser) gepreßt.

(6) Nach dem Pressen wurden die Ringe auf eine feuerfeste Platte gesetzt, in Luft etwa 24 Stunden auf eine Temperatur von etwa 1 250°C erhitzt und dann auf umgebende Raumtemperatur abgekühlt.

(7) Nachdem Zimmertemperatur erreicht war, wurden die Vorformen von Hand mit einem Sperrmaterialgemisch beschichtet, welches aus etwa 50% Wasser und etwa 50% eines Gemischs bestand, das aus etwa 30% feinmaschigem, gemahlenen Siliciumdioxid MIN-U-SIL* und etwa 70% BONDEX®-gebranntem Gips (Bondex International Inc., Brunswick, OH) bestand.

(8) Die Vorformen wurden mit dem unter (7) beschriebenen Sperrmaterial auf dem Außendurchmesser, dem Innendurchmesser und einer Fläche beschichtet, d. h., nur eine Fläche blieb unbeschichtet.

(9) Dann wurden etwa 10g eines 99,99%ig reinen Siliciummetalls, Siebgröße -325 (Durchmesser von 45μπι oder kleiner) (von der Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ, bezogen) mit etwa 25g Wasser gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, die auf die Fläche der Vorform aufgestrichen wurde, welche nicht mit dem Sperrmaterial beschichtet worden war.

(10) Nachdem die Beschichtung getrocknet war, wurden die Vorformen gewogen, und es wurde festgestellt, daß das Gewicht des Sperrmaterials etwa 0,5 bis 1,5g je Vorform und das Gewicht des Siliciumüberzuges etwa 0,03 bis 0,07g/Vorform betrug.

(11) Die beschichteten Vorformen wurden dann auf eine Temperatur von etwa 900"C erhitzt und direkt auf die Oberfläche eines Schmelzbades einer Aluminiumlegierung mit einer Temperatur von etwa 900⁰C gesetzt.

(12) Die unter (11) genannte Aluminiumlegierung war die kommerziell erhältliche Aluminiumlegierung 380.1 mit einer angegebenen nominellen Gewichtszusammensetzung von 8-8,5% Si, 2-3% Zn und0,1 % Mg als aktiven Dotierungsmitteln und 3,5% Cu sowie Fe, Mn und Ni, aber der Mg-Gehalt lag gelegentlich höher, d.h., im Bereich von etwa 0,17-0,18%.

(13) Die Oberfläche der Vorform, die mit dem Schmelzbad der Aluminiuiiilegierung in Kontakt war, war die siliciumbeschichtete Oberfläche.

(14) Unmittelbar vor Aufsetzen der Vorformen auf die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung wurde die Oberfläche mechanisch geschabt, um jede mögliche Schutzschicht von Aluminiumoxidhaut zu entfernen, die sich möglicherweise gebildet hat.

(15) Nachdem alle dreißig Vorformen auf die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesetzt worden waren, wurde eine etwa Ίι Zoll (13mm) starke Schicht an Wollastonitpulver NYAD^S, Siebgröße -325 (Durchmesser von 45μηι und darunter) (NYCO, Willisboro, NV) auf alle exponierten Oberflächen des Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesiebt, um jedes Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes von diesen exponierten Oberflächen zu verhindern. Das Wollastonitpulver bedeckte auch die exponierten Oberflächen der Vorformen.

(16) Die wirksame Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung betrug etwa 90 Zoll² (58,064 mm²).

(17) Sobald jede einzelne Vorform durch das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes der flüssigen Aluminiumlegierung und von Luft vollständig eingebettet war, wurde sie von der Oberfläche des Schmelzhades der Aluminiumlegierung mit einer Stahlzange genommen und direkt in Luft auf ein Sandbad bei umgebender Raumtemperatur gebracht. Bevor die eingebetteten Vorformen aus dem Ofen genommen wurden, wurde überschüssiges flüssiges Grundmetall durch Schütteln der Vorformen über dem Pool des flüssigen Grundmetalls von den einzelnen Vorformen entfernt. Die erste Vorform wurde etwa 16 Stunden nach dem Aufsetzen auf die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung abgenommen, und die letzte Vorform wurde etwa 24 Stunden nach dem Aufsetzen auf die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung abgenommen. Nachdem das Sperrmaterial und der Grundkörper des Grundmetalls, soweit vorhanden, entfernt worden waren, wurden die resultierenden Keramikmatrixverbundkörper durch visuelle Inspektion untersucht. Es wurde festgestellt, daß kaum oder kein

Überwuchs des Oxydationsreaktionsproduktes auftrat und daß die Abmessungen der resultierenden Keramikmatrixverbundkörper eng den Abmessungen der ursprünglichen Vorformen entsprachen. Außerdem wurde auch festgestellt, daß das Oxydationsreaktionsprodukt aus Aluminiumgrundmetall und Luft die Vorformon ziemlich schnell eingebettet hatte.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel demonstriert die semikontinuierliche Methode unter Anwendung des Flotationsausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Es wurden zwei annähernd 10ZoII (254 mm) mal 12ZoII (305mm) große mal 6ZoII (152 mm) tiefe Behälter konstruiert. Einer der Behälter wurde aus dem Plastfeuerfestprodukt 90RAM® PC (C-E Refractories, Valley Forge, PA) hergestellt, der andere Behälter wurde aus dem gießbaren Aluminiumoxidfeuerfestprodukt CASTOLAST*AL (Harbison-Walker Refractories, Pittsburg, PA) gefertigt. Beide Behälter wurden gebrannt, bevor sie für das vorliegende Experiment eingesetzt wurden. Nach dem Brennen wurden die Behälter in einen Ofen gegeben, und Blöcke von kommerziell erhältlicher Aluminiumlegierung mit der angegebenen nominellen Gewichtszusammensetzung von 8-8,5% Si, 2-3% Zn und 0,1 % Mg als den aktiven Dotierungsmitteln und 3,5% Cu sowie Fe, Mn und Ni wurden in jeden Behälter gegeben und bei etwa 700⁰C geschmolzen, um ein Schmelzbad aus Aluminiumlegierung in jedem Behälter zu erzeugen. Der Magnesiumgehalt der oben beschriebenen Aluminiumlegierung 380.1 lag etwas höher als in der nominellen, angegebenen Zusammensetzung, z. B. lag der Mg-Gehalt manchmal im Bereich von etwa 0,17-0,18%.

Der erste Satz von Vorformen, die auf der Oberfläche des Schmelzbades von Legierung schwimmen sollten, waren runde Vorformen, die aus Siliciumcarbid 39 CRYSTLON®, Korngröße 500 (verkauft von der Norton CO., Worcester, MA), gemischt mit etwa 2-4% von ELMERs® Tischlerholzleim (Polyvinylacetat, hergestellt von der Borden Chemical, Columbus, OH), bestanden und angenäherte Abmessungen von 1 Zoll (25mm) Höhe und 2 Zoll (51 mm) im Durchmesser hatten. Bevor das Siliciumcarbid mit dem ELMERs Holzleim gemischt werden, wurde eine Masse des Siliciumcarbids bei etwa 1300⁰C 24 Stunden lang an Luft vorgebrannt, um die Bildung von etwa 15-25Gew.-% Siliciumdioxid innerhalb der Masse des Siliciumcarbidpartikulatmaterials zu ermöglichen. Die Vorformen waren leicht abgeschrägt, so daß der Durchmesser am Boden der Vorform etwa 2 Zoll (51 mm) und der Durchmesser an der Oberseite der Vorform etwa 1³A Zoll (45 mm) betrug. Außerdem hatten die Vorformen in der oberen Fläche eine zylindrische Vertiefung von etwa '/2 Zoll (13mm) Tiefe und 1 Zoll (25mm) Durchmesser. Drei dieser Vorformen (die jeweils Zimmertemperatur aufwiesen) wurden zum Schwimmen auf die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesetzt, dieses befand sich jeweils in einem Behälter. Die Ofentemperatur betrug zu diesem Zeitpunkt des beginnenden Schwimmens der Vorformen etwa 700⁰C. Bei dieser Temperatur wurden die exponierten Oberflächen des Schmelzbades der Aluminiumlegierung mit einer etva V2Z0II (13mm) starken Schicht feinen Wollastonits bedeckt (das im Beispiel 1 beschrieben wurde). Diese Wollastonitschicht bedeckte auch die exponierten Oberflächen der Vorformen. Die Ofentemperatur wurde dann von etwa 700°C auf etwa 900⁰C über eine Periode von etwa zwei Stunden angehoben. Bei etwa 900⁰C wurde die Temperatur für die Dauer von etwa 120 Stunden gehalten, dann wurde sie über eine Zeitspanne von etwa zwei Stunden auf 700⁰C gesenkt. Die Atmosphäre im Ofen bestand aus umlaufender Luft. Man ließ die Vorformen mit der flüssigen Aluminiumlegierung bei etwa 700⁰C für die Dauer von etwa 12 Stunden in Kontakt, danach wurden sie von der Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung genommen. Alle sechs Vorformen waren vollständig durch das Oxydationsreaktionsprodukt des flüssigen Aluminiums und der Luft eingebettet.

Die Behälter, in denen sich die flüssige Aluminiumlegierung befand, wurden bei etwa 700⁰C gehalten, während das Wollastonitsperrmaterial und mögliche Oxidschichten, die sich während des vorangegangenen Durchlaufs gebildet haben könnten, durch mechanisches Abschaben entfernt wurden. Unmittelbar nach Ende des Abschabens wurde eine Vorform (die ursprünglich Zimmertemperatur aufwies), welche aus dem gleichen vorgebrannten Siliciumcarbidpartikulat bestand, wie das im vorausgegangenen Abschnitt beschrieben wurde, aber mit etwa 4Gew.-% ELMERs® Tischlerholzleim gemischt war und Abmessungen von etwa 6 Zoll (152mm) Außendurchmesser mal etwa 4'/2 Zoll (114 mm) Innendurchmesser mal etwa '/2 Zoll (13mm) Höhe aufwies, auf die Oberfläche jedes Schmelzbades der Aluminiumlegierung aufgesetzt. Außerdem wurde eine Vorform (die ursprünglich Zimmertemperatur aufwies), welche aus dem oben beschriebenen, vorgebrannten Siliciumcarbidpartikulatmaterial bestand, gemischt mit etwa 2Gew.-% ELMERs Tischlerholzkaltleim, und angenäherte Abmessungen von etwa 2ZoII (51 mm) mal etwa 2ZoII (51mm) mal etwa 2 Zoll (51 mm) hatte, oben auf die Oberfläche jedes Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesetzt. Vor dem Aufsetzen der Vorformen auf die Oberflächen der Schmelzbäder der Aluminiumlegierung wurde die Oberfläche jeder Vorform, die mit der flüssigen Aluminiumlegierung in Kontakt kommen würde, mit einer ähnlichen Siliciumdotierungsmittelaufschlämmung wie im Beispiel 1 beschichtet. Die Ofentemperatur zum Zeitpunkt des ersten Aufsetzens der Vorformen zum Schwimmen betrug etwa 700⁰C. Bei dieser Temperatur wurden die exponierten Abschnitte der Oberflächen der Schmelzbäder der Aluminiumlegierung mit einer etwa '/2 Zoll (13 mm) starken Schicht feinen Wollastonits überzogen (im Beispiel 1 beschrieben). Die Wollastonitschicht bedeckte auch die exponierten Flächen der Vorformen. Die Temperatur wurde dann von etwa 700⁰C auf etwa 98O⁰C über eine Zeitspanne von etwa zwei Stunden erhöht und etwa 200 Stunden lang bei etwa 980⁰C gehalten, bevor über eine Zeitspanne von etwa zwei Stunden die Abkühlung auf etwa 700⁰C erfolgte. Die Vorformen wurden von der Oberfläche der Schmelzbäder der Aluminiumlegierung bei etwa 700⁰C genommen und einer visuellen Überprüfung unterzogen. Die oben genannten Ringe mit einem Durchmesser von 6 Zoll (152 mm) waren vollständig durch das Oxydationsreaktionsprodukt des flüssigen Aluminiums und der Luftatmosphäre eingebettet. Außerdem waren auch die oben beschriebenen Siliciumcarbidvorformen von 2 Zoll (51 mm) mal 2 Zoll (51 mm) mal 2 Zoll (51 mm) durch das Oxydationsreaktionsprodukt der flüssigen Aluminiumlegierung und der Luftatmosphäre, ausgenommen einer etwa VeZoII (3,2 mm) starken Schicht auf der Oberseite jeder Vorform, eingebettet. Nach dem zweiten Durchlauf (der im vorstehenden Absatz beschrieben wurde) wurden die Schmelzbäder der Aluminiumlegierung teilweise durch frische Blöcke von Aluminiumlegierung mit derselben Zusammensetzung wie die oben beschriebene Aluminiumlegierung aufgefüllt. Die zusätzlichen Blöcke der Aluminiumlegierung wurden bei einer Ofentemperatur von etwa 700⁰C in den Ofen gegeben.

Man ließ etwa 30 Minuten zum Schmelzen der Aluminiumlegierung verstreichen, bevor das restliche Wollastonit und jede mögliche Oxidhaut, die sich noch auf der Oberfläche der Schmelzbäder der Aluminiumlegierung vom zweiten Durchlauf

befinden konnte, entfernt wurden durch mechanisches Schaben. Unmittelbar nach Ende des mechanischen Abschabevorgangs wurde eine etwa 4V2 Zoll (114mm) mal etwa 6V2Z0II (165 mm) mal etwa 1 Zoll (25 mm) große Siliciumcarbid vorform (mit der gleichen Zusammensetzung wie die Wüi felvorform von 2 Zoll [51 mm) Kantenlänge im zweiten Durchlauf) zum Schwimmen auf die Oberfläche jedes Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesetzt. Auch in diesem Fall wurde eine Schicht der im Beispiel 1 beschriebenen Siliciumaufschiämmung auf die Oberfläche jeder Vorform aufgebracht, die mit dem flüssigen Metall in Kontakt kommen würde. Die Atmosphäre im Ofen war umlaufende Luft. Die Vorformen (welche Zimmertemperatur aufwiesen) wurden auf das Schmelzbad der Aluminiumlegierung bei einer Ofentemperatur von etwa 700⁰C gesetzt. Bei dieser Temperatur wurde eine etwa V2 Zoll (13 mm) starke Schicht Wollastonit NYAD⁸, Siebgröße -325 (Durchmesser von 45 pm und darunter) (NYCO, Willboro, NY) auf die exponierten Oberflächen des Schmelzbades der Aluminiumlegierung gesiobt. Diese Wollastonitschicht bedeckte auch die exponierten Flächen der Vorformen. Die Ofentemperatur wurde dann von etwa 700⁰C auf etwa 980⁰C über eine Zeitspanne von etwa zwei Stunden erhöht undd etwa 190 Stunden bei etwa 98O⁰C gehalten, bevor sie über eine Zeitspanne von etwa zwei Stunden auf eine 700⁰C gesenkt wurde. Die Vorformen wurden von den Oberflächen der Schmelzbäder der Aluminiumlegierung bei etwa 700⁰C genommen und durch visuelle Inspektion überprüft. Beide Vorformen waren vollständig durch das Oxydationsreaktionsprodukt der flüssigen Aluminiumlegierung und der Luft eingebettet.

Die anschließenden Durchläufe wurden mit größeren Vorformen mit Abmessungen von etwa 3'/2 Zoll (89mm) mal etwa ~> Zoll (178mm) mal etwa 2 Zoll (51 mm) ausgeführt. Bei diesen Durchläufen wurden DBSC-Siliciumcarbidkeramikschaumblöcke mit offenen Zellen (zehn Poren je Zoll) und Aluminiumoxidkeramikschaumblöcke mit offenen Zellen (10 Poren je Zoll) (92% Aluminiumoxid) (beide kommerziell erhältlich von der Hi-Tech Ceramics, Inc., Alfred, NY) unter den Vorformen eingesetzt, um diese während des Wachstumsprozesses des Oxydationsreaktionsproduktes zu halten. Diese Keramikschaumblöcke mit offenen Zellen ermöglichten es den Vorformen, Kontakt mit der flüssigen Aluminiumlegierung zu halten, und sie verhinderten auch ein Einsinken der Vorformen unter die Oberfläche des Schmelzbades der Aluminiumlegierung. Die Keramikschaumblöcke mit offenen Poren hielten die Vorformen erfolgreich und ermöglichten es, daß die Vorformen vollständig durch das Oxydationsreaktionsprodukt der flüssigen Aluminiumlegierung und der Luftatmosphäre eingebettet wurden.

Claims (15)

1. Methode zur Herstellung wenigstens eines selbsttragenden Keramikmatrixverbundkörpers, gekennzeichnet durch die Schaffung eines Schmelzbades des Grundmetalls; die Herstellung des Kontaktes von wenigstens einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Masse von Füllmaterial und wenigstens einer Vorform besteht, mit wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des Schmelzbades eines Grundmetalls; die Reaktion von flüssigem Grundmetall aus diesem Schmelzbad des Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel zur Bildung eines Oxydationsreaktionsproduktes, welches in wenigstens einen Abschnitt dieses wenigstens einen Materials hineinwächst und diesen einbettet; das Halten dieses Grundmetalls bei einer Temperatur, die höher als die Schmelztemperatur dieses Grundmetalls, aber niedriger als die Schmelztemperatur dieses Oxydationsreaktionsproduktes ist, um zusätzliches Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden, welches in Kontakt mit diesem Schmelzbad des Grundmetalls und dem Oxydationsmittel ist und sich zwischen diesen erstreckt; die Weiterführung dieser Reaktion bei dieser Temperatur, so daß Grundmetall aus diesem Schmelzbad des Grundmetalls fortschreitend durch das vorher gebildete Oxydationsreaktionsprodukt hin zu dem Oxydationsmittel und in das wenigstens eine Material gezogen wird, so daß sich weiter frisches Oxydationsreaktionsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und dem vorher gebildeten Oxydationsreaktionsprodukt bildet, wodurch ein fortschreitend stärkerer Körper des Oxydationsreaktionsproduktes gebildet wird, und dadurch Einbettung wenigstens eines Abschnitts von wenigstens diesem einen Material, und die Abnahme des wenigstens einen Materials von der Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls, wenn dieses wenigstens eine Material wenigstens teilweise durch das Oxydationsreaktionsprodukt eingebettet worden ist, und dadurch Bildung wenigstens eines selbsttragenden Keramikmatrixverbundkörpers.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Material auf wenigstens einem Abschnitt von wenigstens einer Oberfläche mit einem Sperrmaterial überzogen wird.

3. Methode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsreaktionsprodukt bis zu diesem Sperrmaterial wächst.

4. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Material abnehmbar an einer Flotationsmanschette befestigt wird.

5. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flotationsmanschette auch als Sperrmaterial dient.

6. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Zuführungselement zur Zuführung von wenigstens einem Oxydationsmittel zu dem wenigstens einen Material vorgesehen ist, um die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes zu unterstützen.

7. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Kontaktherstellung im wesentlichen die kontinuierliche Bewegung des wenigstens einen Materials überdiese Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls umfaßt.

Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktherstellung das Eintauchen wenigstens eines Abschnitts des wenigstens einen Materials unter die Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls umfaßt.

9. Methode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Eintauchen die Verwendung eines Halteelementes zum Erreichen dieses Eintauchens umfaßt.

10. Methode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel ein Dampfphasenoxydationsmittel umfaßt, welches dem wenigstens einen Material über eine äußere Vorrichtung zugeführt wird.

11. Methode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Material eine Vorform mit einem darin befindlichen Hohlraum umfaßt und wenigstens eine Wand dieser Vorform durchlässig für das Dampfphasenoxydationsmittel ist und diese Vorform in den flüssigen Körper des Grundmetalls eingetaucht wird und der Hohlraum mit einem Dampfphasenoxydationsmittel in Verbindung gebracht wird.

12. Methode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Dampfphasenoxydationsmittel durch eine äußere Vorrichtung zugeführt wird.

13. Methode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfphasenoxydationsmittel und das Grundmetall aus dem flüssigen Körper des Grundmetalls ein Oxydationsreaktionsprodukt bilden, we'ches in wenigstens einen Abschnitt der Vorform hineinwächst und diesen einbettet,

14. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abnahme des wenigstens einen Materials von der Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls wenigstens ein anderes dieses wenigstens einen Materials mit der Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls in Kontakt gebracht wird und die Schritte der Reaktion, des Haltens, der Weiterführung und der Abnahme wiederholt werden.

15. Methode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der äußeren Vorrichtung wenigstens einen netzartigen keramischen Stoff umfaßt, der eine im wesentlichen einheitliche Dispersion des Dampfphasenoxydationsmittels in diesen Hohlraum ermöglicht.

16. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche des Schmelzbades des Grundmetalls mit einem Material bedeckt wird, welches die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes durch dieses hindurch verhindert.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen

Querverwels auf verwandte Anmeldung

Diese Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 376 840 vom 7. Juli 1989, Harold Daniel Lesher u. a., „Methods for Producing Ceramic and Ceramic Composite Bodies" (Methoden zur Herstellung von Keramik- und Keramikverbundkörpern).

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Methoden zur Herstellung von selbsttragenden Keramikmatrix- und Keramikmatrixverbundkörpern durch diskontinuierliche, semikontinuierliche und kontinuierliche Verfahren.

Darlegung des bekannten Standes und Diskussion der im gleichen Besitz befindlichen Patente und Patentanmeldungen

In den letzten Jahren ist das Interesse am Einsatz von keramischen Werkstoffen für strukturelle Anwendungen, bei denen historisch Metalle eingesetzt wurden, ständig gewachsen. Der Anstoß für dieses Interesse kam aus der Überlegenheit von keramischen Werkstoffen in bestimmten Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit, Härte, Elastizitätsmodul und Feuerbeständigkeit, gegenüber Metallen.

Die gegenwärtigen Bemühungen zur Herstellung von zuverlässigeren, zäheren keramischen Erzeugnissen und solchen von höherer Festigkeit konzentrieren sich im wesentlichen auf (1) die Entwicklung verbesserter Bearbeitungsmethoden für monolithische keramische Werkstoffe und (2) die Entwicklung von neuen Materialzusammensetzungen, vor allem keramischen Matrixverbundstoffen. Unter einer Verbundstruktur versteht man eine Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien besteht, welche innig miteinander kombiniert sind, um die gewünschten Eigenschaften des Verbundstoffs zu erreichen. Beispielsweise können zwei verschiedene Materialien durch Einbettung des einen in eine Matrix des anderen innig kombiniert werden. Eine keramische Matrixverbundstruktur umfaßt im typischen Fall eine Keramikmatrix, welche einen oder mehrere unterschiedliche Typen von Füllmaterialien, wie Partikulatmaterial, Fasern, Stäbo und ähnliches, einschließt. Es gibt verschiedene bekannte Einschränkungen oder Schwierigkeiten beim Ersatz von Metallen durch keramische Werkstoffe, wie Maßstabsanpassungsfähigkeit, die Möglichkeit, komplexe Formen herzustellen, Befriedigung der für die Endanwendung erforderlichen Eigenschaften unc' die Kosten. Verschiedene h'ermit im Zusammenhang stehende Patentanmeldungen und gewährte Patente des gleichen Inhabers wie diese Anmeldu'ig, nachstehend manchmal als „im gleichen Besitz befindliche Patentanmeldungen und Patente" bezeichnet, überwinden diese Einschränkungen oder Schwierigkeiten und offenbaren neuartige Methoden für die zuverlässige Herstellung vor Keramischen Materialien, einschließlich von Verbundstoffen. Die Methode wird generisch in der im gleichen Besitz befindlichen US-PS 4 713 360 vom 15. Dezember 1987, MarcS.Newkirku.a., „Novel Ceramic Materials and Methods for Making Same" (Neuartige keramische Materialien und Methoden zu ihrer Herstellung), offenbart. Dieses Patent offenbart eine Methode zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Körpern, die als Oxydationsreaktionsprodukt eines flüssigen Vorläufergrundmetalls wachsen, das mit einem Oxydationsmittel in Dampfphase reagiert wird, um ein Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden. Flüssiges Metall wandert durch das gebildete Oxydationsreaktionsprodukt, um in dem Oxydationsmitte! zu reagieren, wodurch kontinuierlich ein keramischer, polykristalliner Körper entwickelt wird, der, wenn das gewünscht wird, eine metallische Skelettkomponente enthalten kann. Das Verfahren kann durch den Einsatz von einem oder mehreren Dotierungsmitteln verstärkt werden, die mit dem Grundmetall legiert werden. Beispielsweise ist es bei der Oxydierung von Aluminium in Luft wünschenswert, Magnesium und Silicium mit dem Aluminium zu legieren, um Alphaaluminiumoxidkeramikstrukturen herzustellen. Diese Methode wurde durch die Aufbringung von Dotierungsstoffen auf die Oberfläche des Grundmetalls verbessert, wie das in der im gleichen Besitz befindlichen US-PS 4 853 352 vom I.August 1989, aus der US-PA, Serien-Nr. 220 935 vom 23. Juni 1988, die eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 822 999 vom 27. Januar 1986 war (nun aufgegeben), die eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 776 965 vom 17. September 19fib war (und nun aufgegeben), die eine teilweise Weiterführung der US-PA, Serien-Nr. 747 788 vom 25. Juni 1985 war (und nun aufgegeben), die eine teilweise Weiterführung der USPA, Serien-Nr. 632 636 vom 20. Juli 1984 war (und nun aufgegeben), alle Marc S. Newkirk u. a., „Methods of Making Self-Supporting Ceramic Materials" (Methoden zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Stoffen) beschrieben wird. Die genannte US-PA, Serien-Nr. 747 788, entspricht der EP-PA 85 305107.6, die am 22. Januar 1986 als europäische Patentanmeldungspublikation Nr. 0169 067 veröffentlicht wurde.