DE3783545T2

DE3783545T2 - Verfahren zur herstellung von keramischen gegenstaenden mit kanaelen.

Info

Publication number: DE3783545T2
Application number: DE8787630180T
Authority: DE
Inventors: Michael K Aghajanian; Danny R White; Harry R Zwicker
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2007-09-11
Also published as: EP0261060A2; TR24268A; IN168157B; PL156504B1; NZ221748A; CN87106230A; KR880003855A; EP0261060B1; EP0261060A3; DD285776A5; FI874022L; IE61217B1; BR8704752A; IL83805A; ATE84511T1; HU204237B; BG60245B2; PL267686A1; JP2505208B2; DK481187A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im weiten Sinne selbsttragende keramische Körper und Verfahren zu ihrer Herstellung, einschließlich keramischer Verbundkörper, die einen Kanal oder mehrere Kanäle aufweisen, die die äußere Form eines geformten flüchtigen Metalls invers wiederholen.

Hintergrund und Patentanmeldungen desselben Anmelders

Der Gegenstand dieser Anmeldung steht im Zusammenhang mit dem der EP-A-155831 desselben Anmelders. Diese Anmeldung legt ganz allgemein die Entdeckung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper durch Ausnützung eines besonderen Oxidationsphänomens für das Oxidieren eines Vorläufers aus Grundmetall offen. Die Oxidationsreaktion kann durch die Verwendung eines in das Grundmetall einlegierten Dotierungsmittels verstärkt werden und liefert selbsttragende keramische Körper der gewünschten Größe die man als das Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetallvorläufers wachsen läßt.
Das vorhergehende Oxidationsverfahren wurde dann durch die Verwendung äußerlicher Dotierungsmittel, die auf die Oberfläche des Grundmetallvorläufers aufgetragen werden, verbessert, wie in der EP-A-169067 desselben Anmelders offengelegt wurde.
Die Anwendung der vorangehenden Oxidationsverfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper, die einen Füllstoff oder mehrere Füllstoffe einbetten, ist in der EP-A-193292 desselben Anmelders offengelegt. Diese ebenfalls anhängige Anmeldung legt ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkörpers durch Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetall in eine durchlässige Füllstoffmasse offen. Der resultierende Verbundkörper hat jedoch keine definierte oder vorher festgelegte äußere Form.
Die Fähigkeit, den keramischen Körpers mit einer definierten oder vorher festgelegten äußeren Form zu versehen, d.h. die Fähigkeit, einen keramischen Körper bis zu einer vorher festgelegten Größe und Form wachsen zu lassen, wurde durch die Infiltration eines Füllstoffs mit dem Oxidationsreaktionsprodukt erreicht, d.h. durch Infiltrieren der Vorform aus Füllstoff bis zu ihrer Oberflächengrenze. Diese Technik ist in der EP-A-245192 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders offengelegt.
Eine Weiterentwicklung der vorhergehenden Verfahren ermöglicht die Bildung selbsttragender keramischer Strukturen, die einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume enthalten, der bzw. die die äußere Form einer positiven Form aus geformtem Vorläufergrundmetall invers wiederholt bzw. wiederholen, die in ein Bett aus anpassungsfähigem Füllstoff eingebettet ist, der unter bestimmten Bedingungen zumindest teilweise selbstbindend ist, wie in der EP-A-234704 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders beschrieben ist. Noch eine andere Entwicklung der vorhergehenden Verfahren ermöglicht die Bildung selbsttragender keramischer Körper, die ein negatives Modell bilden, das das positive Modell eines Grundmetallvorläufers invers wiederholt, der angrenzend an eine Masse aus Füllstoff angeordnet ist, wie in der EP-A-259239 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders beschrieben ist. In diesen beiden Anmeldungen wiederholt der Hohlraum invers die äußere Form des Grundmetalls.
Die gesamten Offenlegungen aller vorhergehenden Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hierin ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.
Für bestimmte Anwendungen besteht ein Interesse am Ersatz von Metallen durch Keramikmaterialien, da, im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften, Keramikmaterialien Metallen überlegen sind. Es gibt aber bei der Durchführung dieses Ersatzes auch einige bekannte Einschränkungen oder Schwierigkeiten, die die Breite des Größenspektrums, die Fähigkeit zur Herstellung komplexer Formen, das Erfüllen der an die Endverwendung gestellten Anforderungen und die Kosten betreffen. Die oben beschriebenen Patentanmeldungen desselben Anmelders überwinden viele dieser Einschränkungen oder Schwierigkeiten und schaffen neuartige Verfahren zur zuverlässigen Herstellung von Keramikmaterialien, einschließlich von Verbundmaterialien.
Die oben erwähnte Erfindung, die in der EP-A-234704 desselben Anmelders beschrieben ist, vermindert die Schwierigkeiten bei der Herstellung keramischer Körper, die Formen mit komplizierten inneren Hohlräumen aufweisen, und besonders von Formen mit sich wiederholenden Hohlräumen. Konventionelle oder bekannte Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände mit derartigen Formen durch Kompaktieren oder Sintern von Pulverteilchen sind nicht anwendbar, da das innere Modell, das benötigt wird, um die gewünschten Abmessungen des Teils festzulegen, nicht leicht entfernt werden kann, nachdem sich der Körper um es herum gebildet hat. Obwohl derartige äußere Formen von Teilen manchmal durch maschinelles Herausarbeiten der gewünschten Form aus einem fertigen keramischen Rohling hergestellt werden können, wird dieser Ansatz nur selten gewählt, da er sehr kostspielig ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung keramischer Körper mit einem Kanal oder mehreren inneren Kanälen. Dementsprechend liefert diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Körpers, der einen Kanal oder mehrere Kanäle, Durchlässe, Hohlräume oder dergleichen aufweist, die die äußeren Abmessungen oder das Modell eines geformten flüchtigen Metalls invers wiederholen. Der keramische Körper wird durch Cxidation eines Grundmetalls mit einem Qxidationsmittel unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten, das im wesentlichen aus dem Oxidationsreaktionsprodukt und einem oder mehreren metallischen Bestandteil(en), einschließlich von Bestandteilen des flüchtigen Metalls, besteht, das bei der Bildung des keramischen Körpers im Inneren des genannten Körpers dispergiert wird. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Baugruppe aus einem modellierten oder geformten Metall und dem Grundmetall so angeordnet, daß das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts aus dem Grundmetall zumindest einen Teil des geformten flüchtigen Metalls verschluckt. Das Grundmetall wird unter Bildung eines Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt, und bei dieser Temperatur wird das schmelzflüssige Metall mit dem Oxidationsmittel unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt. Bei dieser Temperatur wird zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts in Kontakt mit und zwischen dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall und dem Oxidationsmittel gehalten, um fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt und schließlich um das geformte flüchtige Metall herum zu ziehen, so daß das letztere verschluckt wird, wenn das Oxidationsreaktionsprodukt fortwährend an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt gebildet wird. Die Reaktion wird für eine Zeit fortgesetzt die ausreicht, zumindest einen Teil des geformten flüchtigen Metalls im polykristallinen Material zu verschlucken, und das verschluckte flüchtige Metall wird in das polykristalline Material unter Ausbildung eines Kanals oder mehrerer Kanäle, der bzw. die im wesentlichen die äußeren Abmessungen des geformten flüchtigen Metalls invers wiederholt bzw. wiederholen, dispergiert.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das obige Verfahren so modifiziert, daß ein selbsttragender keramischer Verbundkörper hergestellt wird, der einen Kanal oder mehrere Kanäle enthält, indem das Grundmetall an eine durchlässige Füllstoffmasse angrenzend angeordnet wird und indem das Grundmetall und der Füllstoff so zueinander orientiert werden, daß die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts in Richtung auf und in die Füllstoffmasse erfolgt. In einem derartigen Fall wird das geformte flüchtige Metall durch das Füllstoffbett abgestützt, und das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts infiltriert gleichzeitig den Füllstoff und verschluckt das geformte flüchtige Metall, das im keramischen Verbundkörper dispergiert wird. Wenn es gewünscht wird kann das geformte flüchtige Metall mit einem Überzug versehen werden, damit das flüchtige Metall vor einem vorzeitigen Auflösen oder einem vorzeitigen Zusammenfallen durch Schmelzen, wodurch es seine vorher festgelegte Form oder Konfiguration verlieren würde, geschützt wird. Weiterhin kann ein Überzug gewählt werden, der beim Dispergieren des flüchtigen Metalls eine Auskleidung auf den Wänden des Kanals bildet, wodurch die Eigenschaften des keramischen Körpers verbessert werden.
Als noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein selbsttragender keramischer Körper oder keramischer Verbundkörper geschaffen, der einen Kanal oder mehrere Kanäle enthält, der bzw. die die äußeren Abmessungen eines geformten flüchtigen Metalls invers wiederholt bzw. wiederholen, und der durch ein Oxidationsphänomen eines Grundmetalls, wie oben beschrieben, erhalten wurde.
Ein weiterer spezifischer Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Verwendung eines Metalls als flüchtiges Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen, Nickel, Chrom und Legierungen und Zwischenmetallverbindungen von einem oder mehreren davon besteht.
Ganz allgemein kombiniert die vorliegende Erfindung die Prozesse der Patentanmeldungen desselben Anmelders mit zusätzlichen neuartigen Konzepten zur Herstellung keramischer Körper, die einen Kanal oder mehrere Kanäle enthalten, wozu komplexe Durchlässe mit Verbindungen, Richtungsänderungen, scharfen Kurven und komplexen Konfigurationen gehören, durch eine Technik, die die getreue inverse Wiederholung der angenäherten Abmessungen und Konfiguration eines Modells aus flüchtigem Metall, d.h. einer vorgeformten Struktur von gewünschter Konfiguration, das aus einem Metall besteht, das im polykristallinen Material dispergiert werden kann, das aus dem Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetalls besteht. Beim Dispergieren im polykristallinen Material läßt das flüchtige Metall einen Kanal oder mehrere Kanäle zurück, der bzw. die seine frühere Form invers wiederholt bzw. wiederholen. Die gewünschten äußeren Abmessungen von inneren Öffnungen und Durchlässen in einem keramischen Körper können durch die Techniken der vorliegenden Erfindung viel leichter erzielt werden als durch konvenfionelle Ansätze oder durch Bohren, Schleifen oder dergleichen der gewünschten Form aus einem hergestellten keramischen Rohling.
Die folgenden Begriffe sind, wie sie in dieser Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen verwendet werden, wie folgt definiert:
"Keramik" soll nicht streng beschränkt sein auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne, d.h. in dem Sinne, daß er vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern bezieht sich eher auf einen Körper, der entweder im Hinblick auf seine Zusammensetzung oder auf seine vorherrschenden Eigenschaften vorwiegend keramisch ist, obwohl der Körper geringe oder größere Mengen eines metallischen Bestandteils oder mehrerer metallischer Bestandteile, die vom Grundmetall abstammen oder aus dem Oxidationsmittel oder dem Dotierungsmittel durch Reduktion gewonnen wurden, enthalten kann, am typischsten innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1-40 Volumenprozent, der aber noch mehr Metall beinhalten kann.
"Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet allgemein ein Metall oder mehrere Metalle in einem beliebigen oxidierten Zustand, in dem ein Metall Elektronen an ein anderes Element, eine andere Verbindung oder eine Kombination davon abgegeben hat oder Elektronen mit diesen teilt. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem Oxidationsmittel, wie z.B. den in dieser Anmeldung beschriebenen.
"Oxidationsmittel" bedeutet einen oder mehrere geeignete(n) Elektronenakzeptor(en) oder Elektronen teilende(n) Stoff(e) und kann bei den Prozeßbedingungen ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination von diesen (z.B. ein Festkörper und ein Gas) sein.
"Grundmetall" bezieht sich auf dasjenige Metall, z.B. Aluminium, das den Vorläufer des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts darstellt, und beinhaltet dieses Metall als relativ reines Metall, als kommerziell verfügbares Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen oder als eine Legierung, in der der Metallvorläufer den Hauptbestandteil darstellt; und wenn ein bestimmtes Metall als das Grundmetall erwähnt wird, z.B. Aluminium, dann sollte dieses angegebene Metall unter Beachtung dieser Definition gelesen werden, es sei denn, aus dem Zusammenhang geht etwas anderes hervor.
"Flüchtiges Metall" bedeutet ein Metall, eine Zwischenmetallverbindung oder eine Legierung, das bzw. die nach dem Verschlucktwerden durch das wachsende polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt im polykristallinen Material dispergiert wird und einen Kanal zurückläßt der sich in seiner Größe und Form im wesentlichen dem Raum anpaßt, der vorher vom flüchtigen Metall besetzt war. Es versteht sich weiterhin, daß das flüchtige Metall in jeder beliebigen oder gewünschten Konfiguration, Gestalt oder Form vorliegen kann, wie z.B. als Hohlkörper, Teilchen, Pulver, Fasern, Drähte, Kugeln, Blasen, Metallwolle, Platten, Aggregate, Stäbe, Stangen, Plättchen, Pellets, Röhren, Drahtgewebe, Schwamm, Röhrchen und Bleche.
"Kanal" oder "Kanäle" wird so verwendet, daß es im weiten Sinne einen nicht ausgefüllten Raum, Hohlraum, Durchlaß oder dergleichen bedeutet, nicht notwendigerweise von einheitlichen Abmessungen, innerhalb einer Masse oder eines Körpers von geeigneter oder gewünschter Konfiguration, und ist nicht auf eine röhrenartige Form Konfiguration beschränkt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von vorn, die eine Baugruppe aus einem Grundmetallvorläufer und einem geformten flüchtigen Metall zeigt, die aneinander angrenzend in einem Bett aus teilchenförmigem Füllstoff angeordnet sind, wobei die Anordnung in einem feuerfesten Behälter enthalten ist;
FIGUR 2 ist eine Aufsicht der Baugruppe aus dem geformten Grundmetallvorläufer und dem geformten flüchtigen Metall in leicht vergrößertem Maßstab, die in der Baugruppe aus FIGUR 1 verwendet wurde, wobei der Füllstoff weggelassen wurde, um die Darstellung übersichtlicher zu machen;
FIGUR 3 ist eine Ansicht entlang der Linie 3-3 in FIGUR 1;
FIGUR 4 ist eine perspektivische Ansicht eines selbsttragenden keramischen Verbundgegenstands, der aus der Baugruppe aus FIGUR 1 hergestellt wurde, in noch stärker vergrößertem Maßstab, wobei die Ansicht gestrichelt die ursprünglichen Öffnungen zeigt, die im Inneren ein Netzwerk aus Durchlässen bilden;
FIGUR 5, 6 und 7 sind mikroskopische Aufnahmen von Querschnitten durch das keramische Verbundmaterial aus den Beispielen 1, 2 und 3;
FIGUR 8 ist ein Foto eines keramischen Verbundgegenstands, der Kanäle enthält und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei einer der Kanäle von hinten beleuchtet ist, um die Kontinuität des beleuchteten Kanals zu zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung wird das Grundmetall als Teil einer Baugruppe aus einem Grundmetallvorläufer und einem geformten flüchtigen Metall bereitgestellt. Das flüchtige Metall wird mit einer Gestalt oder einer Form versehen, um die Konfiguration bereitzustellen, die im wesentlichen als ein Kanal oder mehrere Kanäle im keramischen Körper, vorzugsweise einem keramischen Verbundkörper, invers wiederholt werden soll. Durch Anwenden der Praktiken der vorliegenden Erfindung können komplexe Formen, wie z.B. ein Netzwerk aus Durchlässen, während der Bildung oder des Wachstums des keramischen Materials im keramischen Körper invers wiederholt werden. Der Begriff "invers wiederholt" wird verwendet um anzudeuten, daß die Kanäle im keramischen Körper, die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden, durch innere Oberflächen des keramischen Körpers definiert werden, die im wesentlichen mit der Form des geformten flüchtigen Metalls, das im Prozeß verwendet wird kongruent sind. Das geformte flüchtige Metall kann auf jede beliebige geeignete Weise geformt werden, z.B. können geeignete Metalldrähte zu einem Netzwerk aus Drähten geformt werden, die die gewünschte Form, Größe und Anordnung eines Netzwerks aus Durchlässen definieren. Alternativ kann ein Stück Metall, z.B. ein Block, ein Blatt, eine Stange oder Platte, auf geeignete Weise maschinell bearbeitet oder zur gewünschten Konfiguration ausgezogen werden, oder das geformte flüchtige Metall kann gegossen, geformt, extrudiert oder auf eine sonstige Weise geformt werden, um es mit äußeren Abmessungen zu versehen, die mit denjenigen kongruent sind, die für die Kanäle angestrebt werden, die im keramischen Körper gebildet werden sollen. Typischerweise übertreffen die jeweiligen Längenabmessungen von Elementen des geformten flüchtigen Metalls ihre entsprechenden Querschnittsdicken. So ist es möglich, keramische Körper mit extrem engen oder feinen Öffnungen herzustellen, z.B. durch Verwendung von Draht als geformtem flüchtigen Metall. Das geformte flüchtige Metall kann aus einem oder mehreren, durch ein oder mehrere Verfahren geeignet geformten Stücken bestehen, so daß, wenn es in ein Bett aus Füllstoff gebracht oder auf eine sonstige Weise an den Grundmetallvorläufer angrenzend angeordnet wird, das wachsende polykristalline Material, das durch die Oxidation des Grundmetalls geliefert wird, das geformte flüchtige Metall verschluckt und den Füllstoff, wenn einer vorhanden ist, oder zumindest einen Teil von ihm infiltriert.
Die Materialien und Reaktionsbedingungen werden so gewählt, daß das polykristalline Material nicht in den Raum wächst und ihn besetzt, der von dem geformten flüchtigen Metall besetzt ist, sondern das geformte flüchtige Metall verschluckt, das dann im umgebenden polykristallinen Material dispergiert wird. Ob sich nun das flüchtige Metall in dem polykristallinen Material oder Bestandteilen davon auflöst, sich mit ihnen legiert, in sie hinein diffundiert oder auf sonstige Weise mit ihnen reagiert, als Ergebnis wandert das flüchtige Metall letztlich aus dem Raum oder Volumen aus, der ursprünglich von ihm besetzt wurde, und in den Körper aus polykristallinem Material hinein, das ihn einschließt. Das läßt einen geformten Kanal zurück, der im wesentlichen die äußeren Abmessungen des geformten flüchtigen Metalls invers wiederholt. Die vorliegende Erfindung bietet somit den großen Vorteil, daß sie es ermöglicht, daß die äußeren Abmessungen der Kanäle, die im Keramikgegenstand gebildet werden sollen, durch das Ausformen oder Ausarbeiten des geformten flüchtigen Metalls festgelegt werden und nicht durch Bohren oder ein sonstiges Bearbeiten des keramischen Körpers.
Der Grundmetallvorläufer kann von jeder geeigneten oder passenden Form sein, wie z.B. Blöcken, Platten, Stangen oder dergleichen, um eine Quelle eines Grundmetalls bereitzustellen. In Bezug auf die Ausbildung der erwünschten Kanäle ist es nicht erforderlich, daß das Grundmetall in irgendeiner besonderen Form oder Konfiguration eingesetzt wird, so lange genügend Grundmetall relativ zum geformten flüchtigen Metall angeordnet wird, um das letztere, oder einen gewünschten
Teil davon, im wachsenden Körper aus polykristallinem Matenal, der durch die Oxidation des Grundmetalls erhalten wird, zu verschlucken. Das Grundmetall kann unter Aluminium, Zirkon, Titan, Zinn und Silizium gewählt werden.
Der Füllstoff, der bei Bedarf bei der Anwendung der Erfindung verwendet wird, kann aus einer großen Vielzahl von Materialien, die für diesen Zweck geeignet sind, ausgewählt werden. Zum Beispiel kann der Füllstoff aus teilchenförmigem Material, wie z.B. feinen Körnern aus feuerfestem Metalloxid, wie z.B. Aluminiumoxid, bestehen, oder er kann in Form von Fasern oder Whiskern vorliegen oder in Form eines wollfaserartigen Materials, wie keramischen Fasern. Der Füllstoff kann eine Kombination aus zwei oder mehreren derartigen geometrischen Konfigurationen aufweisen, z.B. eine Kombination aus kleinen teilchenförmigen Körnern und Fasern. Es ist lediglich erforderlich, daß die physikalische Konfiguration des Füllstoffs so beschaffen ist, daß sie es dem geformten flüchtigen Metall erlaubt, auf oder in einem Bett oder einer Masse des Füllstoffs gelagert zu werden, und daß der Füllstoff einer ist, der unter den unten beschriebenen Bedingungen der Oxidationsreaktion der Erfindung für den Durchtritt des Oxidationsmittels, wenn ein derartiger Durchtritt erforderlich ist, um das Oxidationsmittel mit dem Grundmetall in Kontakt zu bringen, und für das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts durch ihn hindurch durchlässig ist. Der Füllstoff muß durchlässig für das Oxidationsmittel sein, wenn ein Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, damit er dem letzteren ermöglicht, mit dem schmelzflüssigen Grundmetall in der Füllstoffmasse in Kontakt zu treten und es zu oxidieren.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Baugruppe aus dem geformten flüchtigen Metall und dem Grundmetallvorläufer durch Anordnen des geformten flüchtigen Metalls und dem Grundmetallvorläufer angrenzend aneinander hergestellt. Diese Komponenten können bei Bedarf auf jede geeignete Weise abgestützt werden, wie z.B. durch Abstützen des geformten flüchtigen Metalls auf dem Füllstoffbett oder teilweise oder ganz im Inneren des Füllstoffbetts. Der Füllstoff muß nicht verwendet werden, und das geformte flüchtige Metall und das Grundmetall können ohne die Verwendung eines Füllstoffs aneinander angrenzend angeordnet werden. In jedem Fall wird die Baugruppe auf eine Temperatur erhitzt, die in einem Bereich liegt, der sich von oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls bis unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erstreckt. Dieses Erhitzen führt zur Entstehung eines Körpers oder Pools aus schmelzflüssigem Grundmetall, der bei einer Temperatur innerhalb des vorher erwähnten Temperaturbereichs einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird. Das schmelzflüssige Grundmetall reagiert mit dem Oxidationsmittel unter Bildung des polykristallinen Materials, das aus dem Oxidationsreaktionsprodukt besteht, wodurch die Einbettung des geformten flüchtigen Metalls im wachsenden polykristallinen Material beginnt. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigen Grundmetall und dem Oxidationsmittel gehalten, so daß, bei fortgesetzter Exposition gegen das Oxidationsmittel, das schmelzflüssige Grundmetall fortschreitend in und durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Kontakt mit dem Oxidationsmittel gezogen wird, so daß es das fortgesetzte Wachstum des polykristallinen Materials an der Grenzfläche zwischen zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt und dem Oxidationsmittel verursacht. Beim fortgesetzten Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts infiltriert es den Füllstoff, wenn Füllstoff vorhanden ist, und verschluckt das geformte flüchtige Metall. Der Prozeß wird fortgesetzt, bis das wachsende polykristalline Material das geformte flüchtige Metall oder einen ausgewählten Teil davon verschluckt hat, das bzw. der dann im polykristallinen Material dispergiert wird.
Das polykristalline Material des keramischen Körpers, der entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann, zusätzlich zur optionalen Verwendung eines darin eingebetteten Füllstoffs, in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen die Oxidationsreaktion durchgeführt wird, einen oder mehrere metallische(n) Bestandteil(e), wie z.B. nichtoxidierte Bestandteile des Grundmetalls, oder auch Hohlräume oder beides enthalten. Das polykristalline Material enthält auch, zumindest in der Nachbarschaft oder der Zone des Raums, der ursprünglich vom geformten flüchtigen Metall besetzt war, die dispergierten Bestandteile des flüchtigen Metalls. Typischerweise besteht in diesen polykristallinen Materialien das Oxidationsreaktionsprodukt aus in sich, vorzugsweise in drei Dimensionen, verbundenen Kristalliten. Die Bestandteile oder Einschlüsse aus Metall oder die Hohlräume können auch zumindest teilweise in sich verbunden sein.
Das flüchtige Metall kann eines enthalten, dessen Schmelztemperatur ungefähr die gleiche ist wie die Wachstumstemperatur oder die unterhalb von dieser liegt, obwohl in derartigen Fällen die Genauigkeit der Wiederholung des flüchtigen Metalls aufgrund einer Deformierung als Folge des vorzeitigen Schmelzens oder Erweichens des geformten flüchtigen Metalls unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion leiden kann. Jedoch können die nachteiligen Effekte eines derartigen Schmelzens oder Erweichens auf die genaue inverse Wiederholung des geformten flüchtigen Metalls vermieden oder vermindert werden, wenn das Metallmodell durch eine Einbettung abgestützt wird oder wenn das geformte flüchtige Metall mit einem hitzebeständigen Überzug beschichtet wird. Zum Beispiel kann das geformte flüchtige Metall einen Überzug aus feinen Teilchen aus einem selbstbindenden oder sinterbaren Material aufweisen, der auf ihm haftet, so daß der Überzug beim Erreichen einer erhöhten Temperatur unter Bildung einer harten Schale, die das geformte flüchfige Metall einschließt, abbindet oder sintert. Der Überzug oder die Schale sollte nicht undurchlässig sein, damit das Dispergieren des flüchtigen Metalls im Oxidationsreaktionsprodukt nicht verhindert wird. Der Überzug kann einer sein, der mit dem polykristallinen Material reagiert oder in ihm dispergiert oder von ihm ununterscheidbar wird.
Ein mögliches Problem durch vorzeitiges Erweichen oder Schmelzen des geformten flüchtigen Metalls mit einem daraus resultierenden Verlust an Wiedergabegenauigkeit bei der inversen Wiederholung des geformten flüchtigen Metalls wird dadurch reduziert, daß als flüchtig es Metall ein Metall oder eine Legierung verwendet wird, dessen bzw. deren Schmelzpunkt oberhalb der Temperatur liegt, bei der die Oxidationsreaktion wirkungsvoll durchgeführt werden kann. Wenn ein Aluminium-Grundmetall verwendet wird, dann können zu geeigneten flüchtigen Metallen, die eine Schmelztemperatur oberhalb derjenigen haben, bei der sich das Oxidationsreaktionsprodukt bildet, z.B. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen des Typs gehören, der unter den Handelsnamen FECRALLOY, KANTHAL und CABOT 214 vertrieben wird, wobei es sich um Handelsnamen der Atomenergiebehörde des United Kingdom, der Kanthal Corporation bzw. der Cabot Company handelt.
In einigen Fällen kann es erwünscht sein, eine Auskleidung für die Wände der Kanäle zu schaffen, um die Eigenschaften der Wände zu modifizieren oder zu verbessern. Diese Auskleidung kann durch Überziehen des geformten flüchtigen Metalls mit einem geeigneten Material erreicht werden, das dann in der Zone, die an die gebildeten Kanäle angrenzt, vom keramischen Körper verschluckt und ein integraler Bestandteil von ihm wird. Alternativ kann ein Überzug gewählt werden, der mit dem schmelzflüssigen Grundmetall unter Bildung einer Verbindung, z.B. eines Oxids, reagiert, die dann als Auskleidung für die Kanäle dient. Unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion wird das flüchtige Metall, das den Überzug trägt, im polykristallinen Material dispergiert, und es entwickelt sich aus dem Überzugsmaterial in der Zone, die an die Kanäle angrenzt, eine Auskleidung. Das Überzugsmaterial wird so gewählt, daß es eine Auskleidung mit den erwünschten Eigenschaften, wie z.B. Korrosionsfestigkeit, bildet. Zum Beispiel kann das geformte flüchtige Metall mit nichtreaktiven Teilchen überzogen werden, wie z.B. Siliziumkarbid Aluminiumoxid oder dergleichen. Das wachsende polykristalline Material infiltriert die Teilchen und verschluckt das flüchtige Metall und bildet somit eine Auskleidung für den Kanal, die aus einer Matrix aus polykristallinem Material besteht, die die Teilchen einbettet. Alternativ kann das geformte flüchtige Metall mit einer reaktiven Verbindung überzogen werden, wie z.B. einem Oxid, die durch das Grundmetall reduziert werden kann. Der Überzug kann aufgetragen werden, indem die Oxidteilchen mit einem Bindemittel, wie z.B. einem organischen Klebstoff, in eine Paste überführt werden, und es kann ein Überzug oder es können mehrere Überzüge auf das geformte flüchtige Metall aufgetragen werden, um die gewünschte Dicke zu schaffen. Zum Beispiel kann bei der Bildung eines polykristallinen Materials aus alpha-Aluminiumoxid, das durch Oxidation eines Aluminium-Grundmetalls an Luft erhalten wird, ein Oxid, wie z.B. Chromoxid, das durch das schmelzflüssige Aluminium-Grundmetall reduziert werden kann, als ein Überzug auf ein flüchtiges Metall, wie z. B. eine Kanthal-Legierung (eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung), aufgetragen werden. Das Chromoxid wird anscheinend zu metallischem Chrom reduziert, das im keramischen Körper dispergiert wird, wahrscheinlich durch Reaktion mit einem Metall oder mehreren Metallen des Aluminium-Grundmetalls. Die Oxidation, die gleichzeitig mit der Reduktion des Chromoxids erfolgt, führt zu Aluminiumoxid, mit dem Ergebnis, daß die Kanalwände im keramischen Körper im wesentlichen mit Aluminiumoxid ausgekleidet sind. Eine derartige Technik kann auch mit einem oder mehreren teilchenförmigen Material(ien) angewandt werden, wie oben diskutiert wurde, indem z.B. Chromoxid- und Aluminiumoxidteilchen vermischt werden und ein Überzug aus dieser Mischung auf das flüchtige Metall aufgetragen wird. Es zeigt sich somit, daß der Überzug, der auf das geformte flüchtige Metall aufgetragen wird, verwendet werden kann, um nicht nur eine Auskleidung für die Kanalwände zu schaffen, sondern auch, um eine oder mehrere Verbindung(en) einzuführen, die, als solche oder als Bestandteile eines Reaktionsprodukts. im keramischen Körper verteilt werden und nicht auf Zonen, die die Kanalwände auskleiden, beschränkt sind.
Das folgende bezieht sich auf die Zeichnungen. Die FIGUR 1 zeigt einen feuerfesten Behälter 2, wie z.B. einen Behälter aus Aluminiumoxid, der ein Füllstoffbett 4 enthält, in das ein geformtes flüchtiges Metall 6 eingebettet ist. Unterhalb der Ebene X-X befindet sich ein Stützbett 8 aus einem teilchenförmigen inerten Material, das unter den Prozeßbedingungen durch das
Grundmetall nicht benetzbar und für das Wachstum des Reaktionsprodukts durch es hindurch nicht durchlässig ist. Zum Beispiel kann das Stützbett 8 im Fall eines Aluminium-Grundmetalls und mäßigen Reaktionstemperaturen aus Teilchen aus E1 Alundum, das von Norton Company hergestellt wird, bestehen. Im Füllstoffbett 4 eingebettet und auf dem Stützbett 8 abgestützt befindet sich ein Körper aus Grundmetall 10. Das Grundmetall 10 kann von jeder geeigneten Form sein und ist, wie in der illustrierten Ausführungsform der FIGUREN 1, 2 und 3 dargestellt ist, von allgemein rechteckiger, flacher Konfiguration, mit einer oberen Oberfläche 11, einer gegenüberliegenden, unteren Oberfläche 13 und nicht numerierten Seitenflächen.
Das geformte flüchtige Metall 6 besteht in der illustrierten Ausführungsform aus einer Anordnung aus flüchtigen Metalldrähten von rundem Querschnitt. In den FIGUREN 1, 2 und 3 weist der Draht 12 eine Unterlegscheibe 15 auf, die an sein freies Ende angrenzend angebracht ist, und der Draht 12 hat einen größeren Durchmesser als der Draht 14, der wiederum einen größeren Durchmesser hat als die Drähte 16a, 16b, 16c, 16d und 16e, die alle den gleichen Durchmesser haben. Wie in der FIGUR 3 gezeigt ist, ist der Draht 14 im wesentlichen parallel zu der nach vorne zeigenden oberen Oberfläche 11 des Grundmetalls 10 angeordnet, wie auch die Drähte 16a-16e, obwohl nur der Draht 16a in FIGUR 3 sichtbar ist. Der Draht 12 liegt nicht parallel zur oberen Oberfläche 11, sondern ist so angeordnet, daß er relativ dazu schräg nach oben ragt d.h. in der Richtung vom freien Ende des Drahts 12 auf den Punkt zu, an dem er den Draht 14 berührt. Ein Ende eines jeden Drahtes 16a-16e berührt den Draht 14. Die einzelnen Drähte können durch einen geeigneten Kleber, durch eine mechanische Verbindung oder durch jede beliebige geeignete Technik zum Verbinden von Metallen, wie z.B. Hartlöten, Weichlöten oder Schweißen, miteinander verbunden sein. Alternativ kann bzw. können das geformte flüchtige Metall 6 oder Segmente davon gegossen oder auf sonstige Art und Weise als ein Stück bereitgestellt werden. Es ist von besonderem Vorteil, daß das geformte flüchtige Metall 6 in jeder geeigneten gewünschten Form hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann ein Draht oder können mehrere der Drähte gebogen sein, und das geformte flüchtige Metall kann geformte Stücke einschließen oder aufweisen, wie z.B. Scheiben, Würfel, Zylinder von rundem, ovalem oder polygonalem Querschnitt, oder geformte Stücke wie z.B. mit Gewinde versehene, gerillte oder gezahnte Stücke usw.. Zum Beispiel kann eine Schraubenfeder aus einem geeigneten flüchtigen Metall zur Bildung eines helikalen Durchlasses im keramischen Körper verwendet werden. Geformte Stücke, und gewendelte, schleifenförmige, gerade oder gebogene Drähte können nach Wunsch kombiniert werden, um einen Kanal oder mehrere Kanäle der gewünschten Konfiguration zu erzeugen.
Die Baugruppe aus FIGUR 1 wird auf eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs erhitzt, der hoch genug ist, um das Grundmetall 10 zu schmelzen (und es zu oxidieren), wobei aber nicht das flüchtige Metall des geformten flüchtigen Metalls 6 oder das Oxidationsreaktionsprodukt, das aus dem Grundmetall gebildet werden soll, geschmolzen wird. Ein Dampfphasenoxidationsmittel durchdringt das Füllstoffbett 4 und tritt mit dem schmelzflüssigen Grundmetall innerhalb des erwähnten Temperaturbereichs in Kontakt, wodurch das Grundmetall oxidiert wird und das Oxidationsreaktionsprodukt daraus wächst. Zum Beispiel ist, wenn das Grundmetall ein Aluminium-Grundmetall ist, die Temperatur der Oxidationsreaktion zwischen ungefähr 850ºC und 1450ºC liegt, vorzugsweise zwischen ungefähr 900 und 1350ºC, und wenn Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase das Oxidationsmittel darstellen, das resultierende Oxidationsreaktionsprodukt alpha-Aluminiumoxid. Das schmelzflüssige Metall wird unter Bildung eines keramischen Körpers, der bis zu dem in FIGUR 1 durch die gestrichelte Linie 5 dargestellten Umfang wächst, durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt gezogen. Beim Fortschreiten der Reaktion wird das geformte flüchtige Metall 6 vom polykristallinen Material verschluckt. Die Reaktion wird fortgesetzt, bis das wachsende polykristalline Material zumindest einen Teil des umgebenden Füllstoffbetts 4 und das gesamte oder beinahe das gesamte geformte flüchtige Metall 6 infiltriert. Es kann vorteilhaft sein, wenn die distalen Teile der Drähte 12 und 16a-16e sich über den Umfang des Wachstums des keramischen Körpers hinaus erstrecken, der durch die Oxidation des Grundmetalls erhalten wurde, um die Lage der Drähte im keramischen Körper sichtbar zu machen. Das flüchtige Material wird im polykristallinen Material, das es verschluckt hat, dispergiert, so daß es von dem Raum, der vorher vom geformten flüchtigen Metall 6 besetzt war, wegwandert und diesen als Hohlraum oder Kanal zurückläßt. Es scheint, ohne sich auf irgendeine Theorie oder Spekulation festlegen zu wollen, daß das geformte flüchtige Metall 6 unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion lange genug überlebt, daß das wachsende polykristalline Material gezwungen ist, um es herum zu wachsen, so daß beim letztendlichen Dispergieren des flüchtigen Metalls Kanäle im keramischen Körper zurückbleiben, die im wesentlichen die Form des geformten flüchtigen Metalls 6 oder, genauer, die frühere Form des nun dispergierten flüchtigen Metalls 6, invers wiederholen. Die Abmessungen eines jeden Elements oder Teils des geformten flüchtigen Metalls 6 sind zumindest angenähert kongruent mit den Abmessungen der Kanäle, die im keramischen Körper gebildet wurden.
Nach Fertigstellung der Reaktion, was wünschenswerterweise nach im wesentlichen vollständiger Oxidation des Grundmetallkörpers der Fall ist, damit ein Verstopfen des gebildeten Kanals bzw. der gebildeten Kanäle mit Grundmetall vermieden wird, und nach dem Verschlucken des geformten flüchtigen Metalls 6 (und eines Teils des Füllstoffs 4) durch das polykristalline Material läßt man die Baugruppe abkühlen, und der resultierende keramische Körper, dessen Abmessungen durch die gestrichelte Linie in FIGUR 1 angegeben sind, wird von überschüssigem, im Gefäß zurückgebliebenem Füllstoff (wenn welcher vorhanden ist) abgetrennt. Ein derartiger überschüssiger Füllstoff, oder ein Teil davon, kann einen zusammenhängenden Körper bilden, da der Füllstoff, oder ein Teil davon, bei der Reaktionstemperatur selbstbindend sein kann. Jedoch kann der überschüssige Füllstoff, auch wenn er teilweise gesintert ist, leicht durch Sandstrahlen, Schleifen oder dergleichen vom keramischen Verbundkörper entfernt werden. Eine ökonomische Technik besteht in der Anwendung des Sandstrahlens unter Verwendung von Teilchen als Strahlsand, die als Füllstoff oder als eine Komponente des Füllstoffs geeignet sind, so daß der entfernte Füllstoff und der Strahlsand in einer nachfolgenden Operation als Füllstoff wiederverwendet werden können. Auf jeden Fall wird der keramische Körper, der einen Kanal oder mehrere Kanäle aufweist, maschinell bearbeitet oder geschliffen oder auf sonstige Weise geformt, damit er die gewünschte äußere Form bekommt. Zum Beispiel wurde, wie in FIGUR 4 illustriert ist, der keramische Verbundkörper 18 durch maschinelle Bearbeitung in die Form eines flachen, rechtwinkligen Blocks gebracht, der eine obere Oberfläche 20, eine vordere Fläche 22 und eine hintere Fläche 24 aufweist. Im keramischen Verbundkörper 18 sind Kanäle ausgebildet, die aus in sich verbundenen runden Durchlässen 12' bestehen, wobei eine Vertiefung 15' mit einem Vielfach-Durchlaß 14' verbunden ist, der seinerseits mit jedem einer Reihe von Ausgängen 16a', 16b', 16c', 16d' und 16e' verbunden ist. Ein Ende der Ausgänge öffnet sich zur Vorderfläche 22, und ein Ende des Durchlasses 12' öffnet sich zur hinteren Fläche 24 des keramischen Körpers 18. Es ist besonders vorteilhaft, daß die Form der verschiedenen Durchlässe die Form des geformten flüchtigen Metalls 6 invers wiederholt. Die Durchlässe sind entsprechend der Nummer des jeweiligen Drahts numeriert, dessen Form sie invers wiederholen, abgesehen vom Zusatz eines Strichindex. Der keramische Körper 18 besteht somit aus einem Gegenstand, der gut dafür geeignet ist, als eine Düse oder ein Verteiler eines Fluids zu dienen, das durch den Durchlaß 12' eintritt und durch die Durchlässe 16a'-16e' verteilt wird. Die Durchlässe sind genau positioniert und dimensioniert, ohne daß es erforderlich gewesen wäre, den keramischen Körper 18 zu durchbohren. Statt daß man einen keramischen Körper zu einer rohen Form wachsen läßt und ihn dann maschinell auf eine fertige äußere Form bringt, kann man den keramischen Körper durch geeignete Techniken bis zur gewünschten Größe und Form wachsen lassen, wie z.B. durch Verwendung einer geformten Vorform aus Füllstoff, wie im Detail in der oben angegebenen EP-A- 245192 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders beschrieben wurde. Derartige Techniken vermeiden die Notwendigkeit, den keramischen Körper extensiv zu schleifen oder maschinell zu bearbeiten.
Wenn es gewünscht wird, kann man den keramischen Körper so wachsen lassen, daß er das Modell aus flüchtigem Metall vollständig verschluckt und deshalb wird dann kein gebildeter Kanal zu einer äußeren Oberfläche offen sein. Das keramische Produkt kann geöffnet werden, d.h., es kann geschnitten, geschliffen, gebrochen, maschinell bearbeiten werden usw., so daß zumindest einer der Kanäle mit der Oberfläche verbunden oder an ihr freigesetzt wird.
Ein selbsttragender keramischer Verbundkörper, der entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ist geeignet für eine Verwendung als Düse für Fluide, als Spinndüse, Dosierdüse oder als ähnliche Vorrichtung zum Regulieren oder Erleichtern des Flusses oder des Durchtritts eines Fluids, wie z.B. einer Flüssigkeit, eines Gases, schmelzflüssigen Metalls, Polymers, Harzes oder dergleichen. Wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, wird "Düse für Fluide" im weiten Sinne verwendet und bedeutet jede Art von Düse, wie z.B. zum Zerstäuben oder Auslaufenlassen von Flüssigkeiten, Spritzdüsen, Düsen wie diejenigen, die beim Schmelzblasen oder zum Spinnvlies-Verarbeiten von synthetischen Fasern oder Filamenten etc. verwendet werden, und "Spinndüse" bedeutet eine spezielle Düse, die üblicherweise beim Schmelzspinnen von Glasfasern oder synthetischen organischen Polymerfasern verwendet wird. Das flüchtige Metall wird entsprechend den Konfigurationen und Abmessungen, die für den Kanal oder die Kanäle gewünscht werden, die den Fließweg des Fluids aufnehmen, geformt und im Füllstoff angeordnet. Der Kanal bzw. die Kanäle, die im keramischen Körper gebildet werden, sind so geformt, daß sie einen Eingang und einen Ausgang haben, indem das flüchtige Metall so geformt wird, daß der gebildete Kanal bzw. die gebildeten Kanäle von einer oder mehreren Oberfläche(n) des keramischen Verbundkörpers zugänglich sind, oder dadurch, daß der Verbundkörper, der den gewünschten Kanal bzw. die gewünschten Kanäle aufweist, nach dem Prozeß geöffnet wird, damit ein Kanal oder mehrere Kanäle zugänglich werden. Mit "Öffnen" des keramischen Verbundkörpers ist jedes beliebige maschinelle Bearbeiten, Schneiden, Schleifen, Bohren, Brechen oder dergleichen des keramischen Körpers gemeint, damit ein Kanal oder mehrere Kanäle zugänglich werden, Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung keramischer Verbundgegenstände, die im Inneren einen Fluidweg enthalten. Zum Beispiel kann entsprechend dem hier gesagten ein Gegenstand hergestellt werden, der eine Anzahl von Einlaßkanälen mit einer geringeren Anzahl von Auslaßkanälen oder mit einem Auslaßkanal kombiniert, oder umgekehrt, der den Zustrom von einem einzigen Einlaßkanal in eine Anzahl von Auslaßkanälen unterteilt, wie z.B. bei einer Kraftstoffeinspritzdüse für einen Verbrennungsmotor oder bei einer Spinndüse, die Polymerfasern sprüht. Ganz ähnlich kann durch spezielles Konfigurieren der Abmessungen des flüchtigen Metalls ein innerer Fluidweg zwischen den Einlaßund den Auslaßkanälen hergestellt werden, der z.B. eine Mischkammer zum Vermischen verschiedener Fluide liefert, die durch eine Vielzahl von Einlaßkanälen in den Kanal eingespeist werden.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit besonderem Bezug auf Aluminium als Grundmetall beschrieben worden sind, gehören zu anderen geeigneten Metallen die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, Silizium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Zum Beispiel beinhalten bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung, wenn Aluminium das Grundmetall ist, alpha-Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid als das Oxidationsreaktionsprodukt; Titan als das Grundmetall und Titannitrid als das Oxidationsreaktionsprodukt; Silizium als das Grundmetall und Siliziumkarbid als das Oxidationsreaktionsprodukt.
Es kann ein festes, ein flüssiges oder ein Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination derartiger Oxidationsmittel verwendet werden. Zu typischen Dampfphasenoxidationsmitteln gehören z.B., ohne Einschränkung, Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und Verbindungen und Kombinationen von diesen, z.B. Siliziumoxid (als eine Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen) und Mischungen, wie z.B. Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die letzteren beiden (d.h. H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) für die Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung nützlich sind. Dementsprechend kann die keramische Struktur dieser Erfindung aus einem Oxidationsreaktionsprodukt bestehen, das unter anderem aus einem oder mehreren aus der Gruppe besteht, die durch Oxide, Nitride, Karbide, Boride und Oxynitride gebildet wird. Genauer gesagt kann das Oxidationsreaktionsprodukt aus einer oder mehreren der Verbindungen Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titanborid, Zirkoniumborid, Zirkoniumkarbid, Siliziumnitrid, Molybdänsilizid, Titankarbid, Hafniumkarbid, Hafniumborid und Zinnoxid bestehen.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Verwendung von Dampfphasenoxidationsmitteln beschrieben werden, können alle geeigneten Oxidationsmittel angewandt werden. Wenn ein gas- oder dampfförmiges Oxidationsmittel, d.h. ein Dampfphasenoxidationsmittel zur Herstellung eines keramischen Körpers, der den Füllstoff einbettet, verwendet wird, so ist der verwendete Füllstoff einer, der für das Dampfphasenoxidationsmittel durchlässig ist, so daß bei Exposition des Füllstoffbetts gegen das Oxidationsmittel das Dampfphasenoxidationsmittel das Füllstoffbett durchdringt und mit dem schmelzflüssigen Grundmetall darin in Kontakt tritt. Der Begriff "Dampfphasenoxidationsmittel bedeutet ein verdampftes oder normalerweise gasförmiges Material, das eine oxidierende Atmosphäre bildet, vorzugsweise bei Umgebungsdruck. Zum Beispiel sind Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Gasmischungen (einschließlich Luft) bevorzugte Dampfphasenoxidationsmittel, wie in dem Falle, daß Aluminium das Grundmetall und Aluminiumoxid das gewünschte Reaktionsprodukt ist, wobei Luft üblicherweise aus offensichtlichen wirtschaftlichen Gründen gewöhnlich stärker bevorzugt wird. Wenn für ein Dampfphasenoxidationsmittel angegeben wird, daß es ein spezielles Gas oder einen speziellen Dampf enthält oder aufweist, bedeutet das ein Oxidationsmittel, in dem das angegebene Gas oder der angegebene Dampf der alleinige, vorherrschende oder wenigstens ein wichtiger Oxidierer des Grundmetalls unter den Bedingungen ist, die in der eingesetzten oxidierenden Umgebung herrschen. Zum Beispiel ist, obwohl der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, der Sauerstoffgehalt der Luft der einzige Oxidierer des Grundmetalls, da Sauerstoff ein erheblich stärkeres Oxidationsmittel als Stickstoff ist. Luft fällt demnach unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "Sauerstoff enthaltenden Gases", aber nicht unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "Stickstoff enthaltenden Gases". Ein Beispiel für ein Oxidationsmittel vom Typ eines "Stickstoff enthaltenden Gases" ist Formiergas, das typischerweise 96 Volumenprozent Stickstoff und 4 Volumenprozent Wasserstoff enthält.
Wenn ein festes Oxidationsmittel eingesetzt wird, wird es gewöhnlich im gesamten Füllstoffbett oder in einem Teil des Bettes, der an das Grundmetall angrenzt, dispergiert, in Form von mit dem Füllstoff gemischten Teilchen oder eventuell als Beschichtung auf den Teilchen des Füllstoffs. Jedes geeignete feste Oxidationsmittel kann angewandt werden einschließlich von Elementen, wie z.B. Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbaren Verbindungen, wie z.B. Siliziumdioxid oder bestimmten Boriden von geringerer thermodynamischer Stabilität als das Borid- Reaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn z.B. Siliziumoxid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminium-grundmetall verwendet wird, dann ist das resultierende Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumoxid.
In einigen Fällen kann die Oxidationsreaktion mit einem festen Oxidationsmittel so schnell voranschreiten, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aufgrund der exothermen Natur des Vorgangs zum Verschmelzen neigt. Dieses Geschehen kann die Einheitlichkeit der Mikrostruktur des keramischen Körpers verringern. Diese schnelle exotherme Reaktion kann dadurch vermieden oder abgemildert werden, daß relativ inerte Füllstoffe geringer Reaktivität der Anordnung zugemischt werden. Ein Beispiel für einen derartigen geeigneten inerten Füllstoff ist einer, der mit dem angestrebten Oxidationsreaktionsprodukt identisch ist.
Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel eingesetzt wird, wird das gesamte Füllstoffbett oder ein an das schmelzflüssige Metall angrenzender Teil mit dem Oxidationsmittel imprägniert. Ein Verweis auf ein flüssiges Oxidationsmittel bedeutet eines, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion als Flüssigkeit vorliegt und so kann ein flüssiges Oxidationsmittel einen festen Vorläufer besitzen, wie z.B. ein Salz, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion geschmolzen ist. Alternativ kann das flüssige Oxidationsmittel ein flüssiger Vorläufer sein, z.B. eine Lösung eines Materials, das zur Imprägnierung eines Teils oder des gesamten Füllstoffs verwendet wird, z.B. durch Eintauchen, und das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion unter Bildung einer geeigneten oxidierenden Spezies geschmolzen oder zersetzt wird. Zu den Beispielen für flüssige Oxidationsmittel, wie sie hier definiert wurden, gehören niedrig schmelzende Gläser.
Der Füllstoff, wenn einer verwendet wird, kann entweder aus einem Material oder aus einer Mischung von zwei oder mehreren Material(ien) bestehen und wird außerdem nicht im polykristallinen Material dispergiert. Zu einer geeigneten Klasse von Füllstoffen gehören diejenigen chemischen Spezies, die, bei der Temperatur und den oxidierenden Bedingungen des Verfahrens nicht flüchtig sind, thermodynamisch stabil sind und nicht mit dem schmelzflüssigen Grundmetall reagieren oder sich sehr stark in ihm lösen. Dem Fachmann sind zahlreiche Materialien bekannt, die diese Kriterien erfüllen: z.B. gehören zu diesen Materialien bei dem Fall, bei dem Aluminium als Grundmetall und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden, die einfachen Metalloxide von: Aluminium, Al&sub2;O&sub3;; Kalzium, CaO; Cer, CeO&sub2;; Hafnium, HfO&sub2;; Lanthan, La&sub2;O&sub3;; Lithium, Li&sub2;O; Magnesium, MgO; Neodym, Nd&sub2;O&sub3;; Praseodym, verschiedene Oxide; Samarium, Sm&sub2;O&sub3;; Scandium, Sc&sub2;O&sub3;; Thorium, ThO&sub2;; Uran, UO&sub2;; Yttrium, Y&sub2;O&sub3;; und Zirkonium, ZrO&sub2;. Außerdem sind in dieser Klasse stabiler hitzebeständiger Verbindungen eine große Zahl binärer und ternärer Metallverbindungen und solche höherer Ordnung enthalten, wie z.B. Magnesiumaluminatspinell, MgO Al&sub2;O&sub3;.
Eine zweite Klasse geeigneter Füllstoffe oder Füllstoffkomponenten besteht aus denjenigen, die an sich in der oxidierenden Umgebung hoher Temperatur der bevorzugten Ausführungsform nicht stabil sind, die aber, aufgrund der relativ langsamen Kinetik der Abbaureaktionen, als eine Füllstoffphase in den wachsenden keramischen Körper aufgenommen werden können. Ein Beispiel ist Siliziumkarbid. Dieses Material würde unter den für die Oxidation des Aluminiums mit Sauerstoff oder Luft entsprechend der Erfindung erforderlichen Bedingungen vollständig oxidieren, würde sich nicht eine schützende Schicht aus Siliziumoxid bilden, die die Siliziumkarbidteilchen überzieht und die weitere Oxidation des Siliziumkarbids begrenzt. Die schützende Schicht aus Siliziumoxid ermöglicht es auch den Siliziumkarbidteilchen zu sintern, oder an sich selbst oder an andere Komponenten des Füllstoffs zu binden.
Eine dritte Klasse geeigneter Füllstoffmatenalien besteht aus solchen, wie z.B. Kohlenstoffasern, von denen man aus thermodynamischen oder kinetischen Gründen nicht erwarten kann, daß sie die oxidierende Umgebung, die für die Durchführung der Erfindung erforderlich ist, oder die Exposition gegen schmelzflüssiges Aluminium, die in der bevorzugten Ausführungsform vorkommt, überstehen, die aber mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vereinbar gemacht werden können, wenn 1) die Umgebung weniger aktiv gemacht wird, z.B. durch die Verwendung von H&sub2;/H&sub2;O oder CO/CO&sub2; als oxidierende Gase, oder 2) durch das Auftragen einer Beschichtung auf sie, z.B. aus Aluminiumoxid, welche den Füllstoff in der oxidierenden Umgebung, oder wenn er sich in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Metall befindet, kinetisch nichtreaktiv werden läßt.
Wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wurde, können Dotierungsmittel, die zusammen mit dem Grundmetall verwendet werden, in bestimmten Fällen den Vorgang der Oxidationsreaktion vorteilhaft beeinflussen, besonders in Systemen, die Aluminium als das Grundmetall verwenden. Die Funktion oder Funktionen des Dotierungsmaterials kann bzw. können von einer Anzahl von Faktoren und nicht nur vom Dotierungsmaterial selbst abhängen. Zu derartigen Faktoren gehören, z.B., die jeweilige Kombination von Dotierungsmitteln, wenn zwei oder mehr Dotierungsmittel verwendet werden, die Verwendung eines äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittels in Kombination mit einem in das Grundmetall einlegierten Dotierungsmittel, die Konzentration des Dotierungsmittels, die oxidierende Umgebung und die Prozeßbedingungen.
Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel, die zusammen mit dem Grundmetall verwendet werden, (1) können als legierende Bestandteile des Grundmetalls zur Verfügung stehen, (2) können auf wenigstens einen Bereich der Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen werden oder (3) können auf einen Teil oder das gesamte des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgetragen oder darin eingearbeitet werden, oder es kann eine beliebige Kombination von zwei oder mehr der Techniken (1), (2) und (3) angewandt werden. Zum Beispiel kann ein einlegiertes Dotierungsmittel allein oder zusammen mit einem zweiten äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittel verwendet werden. Im Falle der Technik (3), bei der ein zusätzliches oder zusätzliche Dotierungsmittel auf das Füllstoffmaterial aufgetragen wird bzw. werden, kann das Auftragen auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird.
Zu den nützlichen Dotierungsmitteln eines Aluminium-Grundmetalls, besonders mit Luft als Oxidationsmittel, gehören Magnesium, Zink und Silizium, entweder allein oder miteinander kombiniert oder in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, wie unten beschrieben wird. Diese Metalle, oder eine geeignete Quelle der Metalle, können jedes in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentrationen für jedes zwischen ungefähr 0,1-10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des resultierenden dofierten Metalls, einlegiert werden. Diese Dotierungsmaterialien oder eine geeignete Quelle davon, z.B. MgO, ZnO oder SiO&sub2;, können äußerlich des Grundmetalls verwendet werden. So kann eine keramische Struktur aus Aluminiumoxid aus einer Legierung aus Aluminium-Silizium als Grundmetall unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel hergestellt werden, wenn MgO als oberflächliches Dotierungsmittel in einer Menge von mehr als ungefähr 0,0008 Gramm pro Gramm des zu oxidierenden Grundmetalls und mehr als ungefähr 0,003 Gramm pro Quadratzentimeter der Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgetragen wird, eingesetz:t wird.
Zu weiteren Beispielen für Dotierungsmaterialien für Aluminiumgrundmetalle, die mit Luft oxidiert werden, gehören Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, die einzeln verwendet werden können oder in Kombination mit einem oder mit mehreren Dotierungsmittel(n), in Abhängigkeit vom Oxidationsmittel und den Prozeßbedingungen. Seltenerdelemente, wie z.B. Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium, sind ebenfalls nützliche Dotierungsmittel, und in diesem Zusammenhang wieder besonders, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln verwendet werden. Alle Dotierungsmaterialien sind, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird, bei der Förderung des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts für Grundmetallsysteme auf Aluminiumbasis wirksam.
Die keramischen Verbundstrukturen, die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden, sind gewöhnlich eine dichte, zusammenhängende Masse, in der zwischen ungefähr 5% und ungefähr 98% des Gesamtvolumens der Verbundstruktur ausschließlich der Kanäle aus einer oder mehreren, in das polykristalline Material der Matrix eingebetteten Füllstoffkomponente(n) bestehen. Das polykristalline Matrixmaterial besteht gewöhnlich, wenn Aluminium das Grundmetall ist, zu ungefähr 60 Gewichtsprozent bis ungefähr 98 Gewichtsprozent (des Gewichts des polykristallinen Materials) aus zusammenhängendem alpha-Aluminiumoxid und zu ungefähr 1 Gewichtsprozent bis ungefähr 40 Gewichtsprozent (gleiche Basis) aus nichtoxidierten Bestandteilen des Grundmetalls.
Die folgenden Beispiele stellen Beispiele für die Anwendung bestimmter Aspekte der Erfindung dar.

Beispiel 1

Es wurde ein keramischer Verbundkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung so hergestellt, daß er einen wendelförmigen Kanal in seiner Struktur enthielt. Beim verwendeten flüchtigen Metall handelte es sich um einen im Handel erhältlichen Metalldraht (Kanthal A, von der Kanthal Corporation, mit einer gewichtsmäßigen Legierungszusammensetzung von 5% Al, 22% Cr, 0,5% Co und der Rest Fe, einem Schmelzpunkt von ungefähr 1510ºC und mit einem Durchmesser von 0,8 mm (0,032 in)). Ein Strang des oben beschriebenen Drahts wurde zu einer Wendel von ungefähr 25,4 mm (1 in) Länge und 22 mm (7/8 in) im Durchmesser gewunden. Die Wendel wurde in einer Sauerstoffatmosphäre bei 1200ºC 36 Stunden lang erhitzt, damit sie auf ihrer Oberfläche einen Oxidüberzug entwickelte. Der gewendelte Strang wurde entfernt und um einen zylindrischen Gußkörper aus einer 380.1-Aluminiumlegierung angeordnet (von Belmont Metals, mit einer nominalen angegebenen gewichtsmäßigen Zusammensetzung von 8-8,5% Si, 2- 3% Zn und 0,1% Mg als aktiven Dotierungsmitteln und 3,5% Cu sowie Fe, Mn und Ni, Al als Rest, aber wir beobachten, daß der Mg-Gehalt manchmal höher ist, wie im Bereich von 0,17-0,18%). Der Gußkörper war 25,4 mm (1 in) lang und hatte einen Durchmesser von 22 mm (7/8 in), so daß die Windungen der Wendel an einem Ende des Gußkörpers begannen und am anderen Ende des Gußkörpers endeten. Der mit der Wendel umwickelte Gußkörper wurde in ein Füllstoffbett aus Aluminiumoxidmaterial (38 Alundum von Norton Co., 162 um [90 Mesh] Größe) gegeben, das in einem feuerfesten Behälter enthalten war, so daß eine runde Flache des Gußkörpers leicht über die Ebene des Füllstoffbetts vorstand. Eine Schicht aus Aluminiumoxidteilchen (E1 Alundum von Norton, 162 um [90 Mesh] Größe), die im wesentlichen bei der Prozeßtemperatur hitzebeständig im Hinblick auf die Einbettung durch das Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid waren, wurde so auf das Füllstoffbett gegeben, daß sie die exponierte Oberfläche des Gußkörpers bedeckte. Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gebracht und innerhalb von 5 Stunden auf 1050ºC aufgeheizt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde in Luft 48 Stunden bei 1050ºC gehalten und innerhalb eines Zeitraums von weiteren 5 Stunden wieder abgekühlt. Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt, und der keramische Verbundkörper, der aus dem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid bestand, das Bestandteile des Füllstoffbetts aus Aluminiumoxid einbettete, wurde wiedergewonnen. Das überschüssige, nicht eingebettete Füllstoffmaterial wurde von der Oberfläche des Verbundkörpers entfernt, und der keramische Verbundkörper wurde quergeschnitten, um den gebildeten wendelförmigen Kanal freizulegen, der die Abmessungen der flüchtigen Metallwendel besaß. Die FIGUR 5 ist eine bei 100-facher Vergrößerung aufgenommene mikroskopische Aufnahme des quergeschnittenen keramischen Verbundkörpers. Wie in der FIGUR gezeigt wird, war das flüchtige Metall aus seiner ursprünglichen Lage dispergiert worden, wodurch es den Kanal formte. Der Durchmesser des resultierenden Kanals wurde mit 0,9 mm (0,035 in) gemessen. Der leichte gemessene Unterschied zwischen dem Durchmesser des Drahts aus flüchtigem Metall und dem Durchmesser des gebildeten Kanals wird dem Unterschied zwischen der thermischen Ausdehnung des Metalldrahts, die beim Erhitzen erfolgt, und der thermischen Zusammenziehung des Verbundkörpers, die beim Abkühlen erfolgt zugeschrieben.

Beispiel 2

Es wurde ein keramischer Verbundkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung so hergestellt, daß er in seiner Struktur vier im wesentlichen parallele Kanäle enthielt. Das verwendete flüchfige Metall bestand aus vier Strängen aus Nickeldraht (99,9975% rein, mit einem Schmelzpunkt von 1453ºC) von ungefähr 10,2cm (4 in) Länge und einem Durchmesser von 1 mm. Eine Stange aus der gleichen 380.1-Aluminiumlegierung, die in Beispiel 1 verwendet wurde, von 11,4 cm (4 1/2 in) Länge, 5,1 cm (2 in) Breite und 1,27 cm (1/2 in) Dicke wurde in ein Bett aus den gleichen hitzebeständigen Aluminiumoxidteilchen (E1 Alundum von Norton, 162 um [90 Mesh] Größe), die in Beispiel 1 verwendet wurden, gegeben, so daß eine Fläche von 11,4 x 5,1 cm (4 1/2 x 2 in) gegen die Atmosphäre exponiert war und im wesentlichen bündig mit dem hitzebeständigen Bett abschloß. Eine ungefähr 6,4 mm (1/4 in) dicke Schicht aus Füllstoffmaterial aus Aluminiumoxid (38 Alundum von Norton, 162 um [90 Mesh] Größe) wurde oben auf die exponierte Oberfläche der Aluminiumlegierung gegeben. Die vier Drähte aus Nickelmetall wurden im wesentlichen parallel zueinander oben auf die Füllstoffschicht gelagert, so daß sie ungefähr parallel in gleichem Abstand von der 11,4 x 5,1 cm (4 1/2 x 2 in) großen Oberfläche der darunterliegenden Stange aus Aluminiumlegierung verliefen. Die Drähte wurden dann mit einer Schicht aus dem gleichen Füllstoffmaterial aus Aluminiumoxid (38 Alundum) bedeckt. Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gebracht und in Luft innerhalb von 5 Stunden auf 1080ºC aufgeheizt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 48 Stunden bei 1080ºC gehalten und innerhalb eines Zeitraums von 5 Stunden abgekühlt. Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt, und der resultierende keramische Verbundkörper, der aus dem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid bestand, das Bestandteile des Füllstoffmaterials aus Aluminiumoxid einbettete, wurde wiedergewonnen. Der wiedergewonnene keramische Verbundkörper wurde quergeschnitten, um die eingearbeiteten Kanäle zu zeigen, die die Drähte aus Nickelmetall ersetzten. Die FIGUR 6 ist eine Aufnahme des quergeschnittenen Verbundkörpers, die die vier parallelen Kanäle in seiner Struktur zeigt. Der Durchmesser eines Kanals wurde gemessen und betrug 1,06 mm.

Beispiel 3

Der Aufbau und die Prozedur, die in Beispiel 2 beschrieben wurden, wurden dupliziert, mit der Abweichung, daß die Drähte aus flüchtigem Metall aus dem Kanthal A Material bestanden, das in Beispiel 1 eingesetzt wurde, wobei die Oberfläche der Drähte mit einer Schicht aus Cr&sub2;O&sub3; (gemischt mit Polyvinylalkohol, der als Applikationsvehikel diente, und als eine Schicht aufgetragen) und dann mit einer Mischung aus kolloidalen Siliziumoxid- und Aluminiumoxidteilchen (38 Alundum von Norton Co., 17 um [500 Grit]) überzogen worden war. Dieser Aufbau wurde dem gleichen Heizzyklus, wie er in Beispiel 2 beschrieben wurde, unterzogen, und der resultierende Verbundkörper wurde wiedergewonnen. Der wiedergewonnene Verbundkörper wurde quergeschnitten, um die gebildeten Kanäle freizulegen. Die FIGUR 7 ist eine mikroskopische Aufnahme bei 50-facher Vergrößerung, die einen der Kanäle zeigt, die durch die weitgehende Entfernung des flüchtigen Metalls aus seiner ursprünglichen Position gebildet wurden. Weiterhin zeigt die mikroskopische Aufnahme die ringförmige Auskleidung, die im wesentlichen konzentrisch zum Kanal liegt, die aus dem Überzug resultiert. Bei der Analyse der Auskleidung durch Scanning- Elektronenmikroskopie bestand die Auskleidung im wesentlichen aus Aluminiumoxid. Der Durchmesser des in FIGUR 7 gezeigten Kanals wurde als 0,9 mm (0,035 in) ermittelt.

Beispiel 4

Der Aufbau aus Beispiel 2 wurde erneut dupliziert, mit der Abweichung, daß die vier eingesetzten Drähte aus flüchtigem Metall aus einer Superlegierung aus Nickel-Chrom-Aluminium bestanden (Cabot 214 von Cabot Corporation, mit einer gewichtsmäßigen Zusammensetzung der Legierung von 16% Cr, 4,5% Al, 2% Co, 2,5% Fe, 0,5% Mo, 0,5% W, 0,05% C, 0,02% Y, 0,01% B, der Rest Ni, mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 1345ºC). Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gebracht und innerhalb von 5 Stunden auf 1050ºC aufgeheizt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 72 Stunden bei 1050ºC gehalten und dann innerhalb eines Zeitraums von 5 Stunden abgekühlt. Der keramische Verbundkörper wurde entfernt und quergeschnitten, um die Kanäle zu zeigen, die durch das weitgehende Verschwinden der Drähte aus flüchtigem Metall aus ihrer ursprünglichen Position und dem Dispergieren in der Verbundstruktur gebildet wurden. Die FIGUR 8 ist eine Aufnahme des quergeschnittenen Verbundkörpers, wobei eine Lichtquelle unter einem der gebildeten Kanäle installiert wurde, um ihn zu beleuchten und so die Kontinuität des beleuchteten Kanals zu zeigen.
Obwohl nur wenige exemplarische Ausführungsformen der Erfindung oben im Detail beschrieben wurden, werden die Fachleute gerne anerkennen, daß die vorliegende Erfindung viele Kombinationen und Variationen neben den beispielhaft dargestellten beinhaltet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Körpers, der einen oder mehrere Kanäle aufweist und invers die Geometrie eines geformten flüchtigen Metalls repliziert, wobei der keramische Körper durch die Oxidation eines Grundmetalls unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten wurde, das im wesentlichen besteht aus:

(i) dem Oxidationsreaktionsprodukt des genannten Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel und (ii) einem oder mehreren metallischen Bestandteilen einschließlich von Bestandteilen des genannten flüchtigen Metalls, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Anordnen des genannten geformten Metalls angrenzend an das Grundmetall in einer solchen gegenseitigen Anordnung, daß durch die Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts wenigstens ein Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls verschluckt wird;

(b) Erhitzen des genannten Grundmetalls auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall zu bilden, und, bei der genannten Temperatur, (1) Umsetzen des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem genannten Oxidationsmittel unter Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, (2) Halten wenigstens eines Teils des genannten Oxidationsreaktionsprodukts im Kontakt mit und zwischen dem genannten Körper aus schmelzflüssigem Metall und dem genannten Oxidationsmittel, um fortschreitend schmelzflüssiges Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung des Oxidationsmittels und des genannten geformten flüchtigen Metalls zu saugen, 50 daß sich fortgesetzt Oxidationreaktionsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem genannten Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet, (3) Fortsetzen der genannten Umsetzung für eine Zeit, die ausreicht, daß wenigstens ein Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls in dem genannten polykristallinen Material verschluckt wird, wodurch das genannte flüchtige Metall innerhalb des genannten polykristallinen Materials dispergiert wird und gleichzeitig einer oder mehrere Kanäle gebildet werden, die die Geometrie des verschluckten Teils des genannten geformten flüchtigen Metalls invers replizieren, und (4) Gewinnen des genannten keramischen Körpers.

2. Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkörpers mit einem oder mehreren Kanälen, die invers die Geometrie eines geformten flüchtigen Metalls replizieren, wobei der keramische Verbundkörper aufweist (1) eine keramische Matrix, die erhalten wurde durch die Oxidation eines Grundmetalls unter Bildung eines polykristallinen Materials, das im wesentlichen besteht aus (i) dem Oxidationsreaktionsprodukt des genannten Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel und (ii) einem oder mehreren metallischen Bestandteilen, einschließlich von Bestandteilen des genannten flüchtigen Metalls, und (2) einen Füllstoff, der von der Matrix infiltriert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Anordnen des genannten geformten flüchtigen Metalls, das von einer Masse des genannten Füllstoffs gehalten wird, angrenzend an das genannte Grundmetall in einer solchen gegenseitigen Beziehung, daß durch die Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts der Füllstoff infiltriert und wenigstens ein Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls verschluckt wird, wobei der genannte Füllstoff für das genannte Oxidationsmittel permeabel ist, wenn es erforderlich ist, daß das Oxidatiansmittel das schmelzflüssige Grundmetall kontaktiert, und permeabel ist für ein Durchwachsen durch das genannte Oxidationsreaktionsprodukt;

(b) Erhitzen des genannten Grundmetalls auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall zu bilden, und, bei der genannten Temperatur, (1) Umsetzen des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem genannten Oxidationsmittel unter Ausbildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, (2) Halten wenigstens eines Teils des genannten Oxidationsreaktionsprodukts im Kontakt mit und zwischen dem genannten Körper aus schmelzflüssigem Metall und dem genannten Oxidationsmittel, um fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt auf das genannte Oxidationsmittel und das genannte geformte flüchtige Metall zu zu saugen, um fortgesetzt Oxidationsreaktionsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem genannten Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidaticnsreaktionsprodukt zu bilden, (3) Fortsetzen der genannten Umsetzung für eine Zeit, die ausreicht, daß wenigstens ein Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls von dem genannten polykristallinen Material verschluckt wird, wodurch das genannte flüchtige Metall innerhalb des genannten polykristallinen Materials dispergiert wird und gleichzeitig einer oder mehrere Kanäle gebildet werden, die invers die Geometrie des verschluckten Teils des genannten geformten flüchtigen Metalls replizieren, und (4) Abtrennen des erhaltenen keramischen Verbundkörpers von überschüssigem Füllstoff, wenn ein solcher vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte geformte flüchtige Metall einen Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als die Reaktionstemperatur in Stufe (b).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Grundmetall ein Aluminium-Grundmetall ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Oxidationsmittel ein Dampfphasen-Oxidationsmittel umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte Dampfphasen-Oxidationsmittel ein sauerstoffhaltiges Gas umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte geformte flüchtige Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen, Nickel, Chrom und Legierungen und intermetallischen Verbindungen davon besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte geformte flüchtige Metall einen oder mehrere Drähte umfaßt, die so geformt sind, daß ein Netzwerk aus Drähten erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Grundmetall ein Aluminium-Grundmetall ist, die genannte Temperatur zwischen etwa 850ºC und 1450ºC liegt und das genannte Oxidationsmittel Luft ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 9, bei dem das genannte Grundmetall ein Aluminium- Grundmetall ist und außerdem ein Dotierungsmittel einschließt, das gemeinsam mit dem genannten Grundmetall verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das genannte Dotierungsmittel eine Quelle von einem oder beiden von Magnesium und Zink umfaßt, sowie zusätzlich eine Quelle von einem oder mehreren von Silicium, Blei, Zinn, Germanium, Natrium, Lithium, Calcium, Bor, Phosphor, Yttrium und einem oder mehreren Seltenerdmetallen sowie Mischungen davon.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem auf das genannte geformte flüchtige Metall ein Überzug aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der genannte Überzug aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Chromoxid und Nickeloxid besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der genannte keramische Verbundkörper geöffnet wird, so daß wenigstens einer der genannten Kanäle zu einer Außenoberfläche des genannten keramischen Körpers geöffnet ist.

15. Selbsttragender keramischer Verbundköper mit einem oder mehreren Kanälen und mit einer polykristallinen Matrix, in die ein Füllstoffbett eingelagert ist, wobei die genannten Kanäle invers die Geometrie eines geformten flüchtigen Metalls wiederholen, das an einem Anfangsort innerhalb des genannten Betts lokalisiert war, wobei die genannte keramische Matrix durch die Oxidation eines Grundmetallvorläufers unter Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts des genannten Grundmetalls erhalten wurde, sowie mit einem oder mehreren metallischen Bestandteilen einschließlich flüchtiges Metall, wobei die Oxidation des genannten Grundmetalls unter Bedingungen durchgeführt wird, die bewirken, daß das Wachsen des Oxidationsreaktionsprodukts wenigstens einen Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls verschluckt und das genannte geformte flüchtige Metall in der keramischen Matrix dispergiert wird, wodurch einer oder mehrere Kanäle in dem Raum zurückbleiben, der vorher von dem verschluckten Teil des genannten geformten flüchtigen Metalls eingenommen wurde.

16. Keramischer Verbundkörper nach Anspruch 15, bei dem die genannten Kanäle eine Auskleidung umfassen.

17. Keramischer Körper nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei dem das genannte geformte flüchtige Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem oder mehreren von Eisen, Nickel, Chrom und Legierungen und intermetallischen Verbindungen davon besteht.

18. Keramischer Körper nach Anspruch 15, bei dem der genannte Grundmetallvorläufer ein Aluminium-Grundmetall ist und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumoxid ist.

19. Selbsttragender keramischer Verbundkörper nach Anspruch 15, der für eine Verwendung als Düse, Fluidmeßstrahldüse oder Spinndüse einsetzbar ist, worin der genannte eine Kanal oder die mehreren Kanäle jeder oder gemeinsam einen kontinuierlichen Weg bilden, der einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei sowohl der genannte Eingang als auch der Ausgang von einer Oberfläche des genannten keramischen Verbundkörpers zugänglich sind, so daß der genannte eine Kanal oder die mehreren Kanäle für eine Verwendung als ein kontinuierlicher Fluidströmungsweg geeignet sind.