DE3873362T2

DE3873362T2 - Verfahren zur darstellung von geformten keramischen koerpern durch nachbilden einer verlorenen form.

Info

Publication number: DE3873362T2
Application number: DE8888630006T
Authority: DE
Inventors: Laroche, Jr
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1987-01-07
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2008-01-07
Also published as: IL85032A0; JPS63248776A; IL85032A; BR8800013A; FI90056C; RO100371B1; JP2546870B2; NO176017B; MX167603B; HU210163B; CS276896B6; CA1308885C; BG60291B2; PL270037A1; NO176017C; KR880008958A; CN88100152A; PT86499A; ATE79109T1; TR22931A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im weiten Sinne des Verfahren zur Herstellung geformter keramischer Körper. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung keramischer Körper, die aus dem Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel bestehen und eine ausgewählte äußere Form besitzen, die durch Wiederholung der Form eines verlorenen Modells gebildet wurde.

Hintergrund und Beschreibung von Patentanmeldungen desselben Anmelders

Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Produkts durch eine Oxidationsreaktion wird allgemein in der EP-A-155831 desselben Anmelders offengelegt. Diese Anmeldung legt das Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper offen, die man als das Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetallvorläufers wachsen läßt, was man durch die Verwendung eines einlegierten Dotierungsmittels beschleunigen kann. Das schmelzflüssige Grundmetall wird mit einem Dampfphasenoxidationsmittel unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt. Im geeigneten Temperaturbereich wird schmelzflüssiges Metall fortschreitend durch das Oxidationsreaktionsprodukt und in Kontakt mit dem Oxidationsmittel gezogen, wodurch es fortwährend weiteres Oxidationsreaktionsprodukt bildet und den keramischen Körper aufbaut. Das Verfahren wurde dann durch die Verwendung äußerlicher Dotierungsmittel, die auf die Oberfläche des Vorläufergrundmetalls aufgetragen wurden, verbessert, wie in der EP-A-169067 desselben Anmelders offengelegt wurde.
Das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundprodukts durch Infiltration eines inerten Füllstoffmaterials mit einem Oxidationsreaktionsprodukt entsprechend den Verfahren, die in den obigen Anmeldungen offengelegt wurden, ist allgemein in der EP-A-193292 desselben Anmelders offengelegt. Diese Anmeldung legt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers durch Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts in einen inerten Füllstoff durch Anordnen einer Masse des genannten Füllstoffs angrenzend an ein Grundmetall und Umsetzen des Grundmetalls entsprechend der oben offengelegten Oxidationsreaktion offen.
Es können Sperrmaterialien verwendet werden, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts stark zu hemmen oder zu verhindern, damit das Herstellen eines keramischen Produkts in fertiger Form erleichtert wird. Dieser Ansatz wurde in der EP-A-245193 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders offengelegt.
Das Interesse an der Verwendung von Keramikmaterialien anstelle von Metallen ist gewachsen, da, im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften, Keramiken 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. Viele dieser Einschränkungen oder Schwierigkeiten sind durch die oben beschriebenen Patentanmeldungen desselben Anmelders überwunden worden, die neuartige Verfahren zur zuverlässigen Herstellung von Keramikmaterialien, einschließlich von Verbundmaterialien, liefern.
Die Fähigkeit zum Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts von festgelegter Form oder äußeren Gestalt in Abwesenheit einer Vorform ist jedoch noch mit gewissen Schwierigkeiten verbunden. Die vorliegende Erfindung liefert ein zuverlässiges Verfahren für das Wachsenlassen des Oxidationsreaktionsprodukts zu einer vorher festgelegten Form oder äußeren Gestalt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Komponente, die das Oxidationsreaktionsprodukt eines schmelzflüssigen Grundmetalls mit einem Dampfphasenoxidationsmittel umfaßt und die äußere Gestalt eines verlorenen Modells wiederholt. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung werden ein Körper aus Grundmetall und ein verlorenes Modell, das eine Formoberfläche aufweist, bereitgestellt, so daß die Formoberfläche des Modells in einem Abstand außerhalb des Körpers aus Grundmetall angeordnet ist. "Verloren" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß das Modell durch ein Material gebildet wird, wie z. B. Wachs oder Plastik, das unter den Prozeßbedingungen wirkungsvoll zum Verschwinden gebracht wird, wie z. B. durch Erhitzen.
Es wird ein gasdurchlässiger Überzug aus formanpassendem Material oder Beschichtungsmaterial (wie unten genauer beschrieben wird) auf die Formoberfläche des Modells aufgetragen, um aus dem Überzug aus formanpassendem Material eine kongruente Oberfläche zu bilden, die im wesentlichen kongruent mit der Formoberfläche des Modells ist und sich entlang dieser erstreckt. Diese kongruente Oberfläche wird gegenüber dem Körper aus Grundmetall angeordnet, so daß die verlorene Form ein Volumen zwischen dem Grundmetall und der Formoberfläche definiert. Das Material des Überzugs weist eine ihm eigene selbstbindende Stützzone auf, die unmittelbar an die Formoberfläche des Modells angrenzt und sich entlang dieser erstreckt und von sich aus selbstbindend ist, um ausreichende Kohäsionsfestigkeit bereitzustellen damit das Material des Überzugs die Form oder äußere Gestalt der kongruenten Oberfläche bewahrt ohne zusammenzubrechen oder abgebaut zu werden und beim Verschwinden des verlorenen Modells einen Formhohlraum im Überzugsmaterial bildet.
Dieser Aufbau wird in Gegenwart eines Dampfphasenoxidationsmittels über den Schmelzpunkt des Grundmetalls, aber unter den Schmelzpunkt des Oxidationsreaktionsprodukts des Grundmetalls mit dem Dampfphasenoxidationsmittel erhitzt, wobei sich ein Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall bildet und das verlorene Modell verschwindet. Das Verschwinden des verlorenen Modells wird, in Abhängigkeit vom jeweiligen Material des Modells, durch Verdampfen, Verbrennen oder dergleichen hervorgerufen. Typischerweise wird das verlorene Modell aus einem Material hergestellt, wie z. B. einem Kunststoff oder Wachs, das, wenn es den Prozeßtemperaturen ausgesetzt wird, verbrennt oder verdampft. Beim Verschwinden des Modells entwickelt sich ein Formhohlraum zwischen der kongruenten Oberfläche, die durch das Material des Überzugs gebildet wird, und dem Grundmetall. Die kongruente Oberfläche des Überzugsmaterials, die den Formhohlraum festlegt, wiederholt die Formoberfläche des Modells oder ist dessen positiver Abdruck.
Bei dieser Temperatur reagiert das schmelzflüssige Grundmetall mit dem Dampfphasenoxidationsmittel unter Bildung einer Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt. Schmelzflüssiges Grundmetall wird in diese Schicht gezogen und durch diese Schicht hindurch in Richtung des Oxidationsmittels und des Überzugsmaterials transportiert. Wenn das schmelzflüssige Grundmetall an der Grenzfläche zwischen dem Dampfphasenoxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt mit dem Dampfphasenoxidationsmittel in Kontakt tritt, reagiert es im Formhohlraum unter Ausbildung eines zunehmend dickeren Körpers aus Oxidationsreaktionsprodukt, der sich auf das Überzugsmaterial zu entwickelt. Die Oxidationsreaktion wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, den Formhohlraum mit Oxidationsreaktionsprodukt auszufüllen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Überzugsmaterial ein geeignetes Sperrmaterial (wie in der EP-A-245193 desselben Anmelders offengelegt wurde), wie z. B. Kalziumsilikat oder Gips, das das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts an der festgelegten kongruenten Oberfläche hemmt. In diesem Falle umfaßt das Produkt eine keramische Komponente, die das Oxidationsreaktionsprodukt mit einer geformten Oberfläche, die die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt, umfaßt.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Überzugsmaterial ein Füllstoffmaterial (wie in der EP-A-193292 desselben Anmelders offengelegt wurde), das durch das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts infiltriert wird. Die Oxidationsreaktion wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, den Formhohlraum mit Oxidationsreaktionsprodukt auszufüllen und außerdem den Füllstoff bis zu einer gewünschten Tiefe zu infiltrieren. In diesem Falle umfaßt das resultierende Produkt eine keramische Komponente, die das Oxidationsreaktionsprodukt mit einer geformten Oberfläche, die die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt, umfaßt, und außerdem einen keramischen Verbundkörper, der den Füllstoff als integralen Bestandteil der geformten Oberfläche der keramischen Komponente umfaßt.
Bei noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Füllstoff vor dem Erhitzen zwischen dem Grundmetall und dem verlorenen Modell so angeordnet, daß das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt zuerst den Füllstoff infiltriert ehe es den Formhohlraum ausfüllt. Das resultierende Produkt ist eine keramische Komponente, die das Oxidationsreaktionsprodukt mit einer geformten Oberfläche, die die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt, umfaßt und aus einem Stück mit einem keramischen Verbundkörper besteht der gegenüber der geformten Oberfläche gebildet wurde. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann das angewandte Überzugsmaterial entweder ein Sperrmaterial oder ein zweites Füllstoffmaterial mit einer Stützzone sein.
"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, dem Dotierungsmittel oder einem reduzierbaren Füllstoff, die mit dem Füllstoff aus Krätze vermischt wurden, durch Reduktion gewonnen wurden, 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 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", wie es in dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen verwendet wird, 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 dieser 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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines festen verlorenen Modells von vorn, das sich in Kontakt mit einem Grundmetallkörper befindet und einen gasdurchlässigen Überzug aus formanpassendem Material aufweist, der auf seine Formoberfläche aufgetragen wurde.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht von vorn, die im wesentlichen mit der aus Fig. 1 identisch ist, außer daß ein verlorenes Modell mit offenem Ende gezeigt ist.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von vorn, die im wesentlichen mit der aus Fig. 1 identisch ist, außer daß ein hohles verlorenes Modell gezeigt ist.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von vorn, die im wesentlichen mit der aus Fig. 1 identisch ist, außer daß ein mehrstückiges verlorenes Modell gezeigt ist.
Fig. 5 ist eine Fotografie einer ebenen Ansicht der geformten keramischen Komponente, die im Beispiel 1 hergestellt wurde.
Fig. 6 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts durch den keramischen Körper bei 100facher Vergrößerung, der im Beispiel 2 hergestellt wurde, die den aus einem Stück mit der geformten Oberfläche der Komponente bestehenden keramischen Verbundkörper zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden ein Grundmetall (das dotiert sein kann, wie unten detaillierter diskutiert werden wird) und ein verlorenes Modell mit einer Formoberfläche, die in einem Abstand außerhalb des Grundmetalls angeordnet ist, bereitgestellt. Typischerweise wird das Grundmetall als Barren, Block, Stange, Platte oder dergleichen ausgebildet und in ein inertes Bett, einen Schmelztiegel oder einen anderen hitzebeständigen Behälter gegeben, so daß eine Oberfläche der Atmosphäre ausgesetzt ist, und das für die Bereitstellung eines verlorenen Modells geeignet ist.
Ein verlorenes Modell kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, das unter den Prozeßbedingungen verschwindet. Das Verschwinden kann z. B. aus dem Verdampfen oder Verbrennen des Modellmaterials bestehen. Im allgemeinen werden für die Modelle Materialien bevorzugt, die beim Erhitzen verdampfen oder verbrennen, ohne daß sie Asche oder Rückstände zurücklassen, da derartige Rückstände unerwünscht sein können, wenn man sie nach dem Verschwinden des Modells im Formhohlraum verbleiben läßt. Für die Modelle geeignete Materialien können z. B. aus aufgeschäumtem Polystyrol, Polyurethan, Polyethylen oder Wachsen bestehen. Es sollte für die Modelle ein Material gewählt werden, das mit dem jeweiligen Bereich der Prozeßtemperatur, dem angewandten Dampfphasenoxidationsmittel und dem Überzugsmaterial (das unten genauer diskutiert wird) vereinbar ist, besonders im Hinblick auf Trägerstoffe oder Medien, die verwendet werden, um das Überzugsmaterial auf das Modell aufzutragen. Außerdem sind bestimmte Modellmaterialien besser als andere für bestimmte Formtechniken geeignet.
Das Modellmaterial kann auf jede geeignete Art und Weise auf die passende Form gebracht werden. Zum Beispiel kann das Material des Modells durch konventionelle Verfahren geformt werden, wozu Spritzgießen, Blasformen, Gießen, maschinelles Bearbeiten und dergleichen gehören. Spritzgießen stellt gegenwärtig ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung großer Stückzahlen der Modelle dar. Blasformen kann bei anderen Ausführungsformen wegen seiner Fähigkeit zur Herstellung hoher verlorener Gußformen auch bevorzugt werden. Blasformen kann besonders erwünscht sein, da es die für das Modell eingesetzt Menge des Modellmaterials minimiert, damit ein schnelleres Verschwinden des Modells im Prozeß erleichtert wird. Das Modell kann Rillen, Bohrungen, Nischen, Grate, Buckel, Flansche, Bolzen, Gewinde und dergleichen, die in ihm ausgebildet sind, sowie Bünde, Buchsen, Scheiben, Stangen oder dergleichen auf sich angeordnet enthalten und so Modelle von praktisch jeder gewünschten äußeren Gestalt bilden. Das Modell kann auch aus einem oder mehreren Stück(en) bestehen, die geeignet geformt sind, so daß, wenn sie zusammengebaut oder vereinigt und mit einem Überzugsmaterial überzogen worden sind, die Anordnung der Modelle als das funktionelle Äquivalent eines Modells aus einem Stück dient.
Es wird ein gasdurchlässiger Überzug aus formanpassendem Material, oder Überzugsmaterial, auf die Formoberfläche des verlorenen Modells aufgetragen, so daß sich eine kongruente Oberfläche bildet, die im wesentlichen kongruent mit der Formoberfläche des Modells ist und sich entlang dieser erstreckt, so daß das verlorene Modell ein Volumen zwischen dem Grundmetall und der Formoberfläche definiert. Das Überzugsmaterial paßt sich der äußeren Gestalt der Oberfläche des Modells an und bildet oder entwickelt eine Stützzone, wodurch es zum strukturellen Zusammenhalt kommt, so daß das Überzugsmaterial beim Verschwinden des verlorenen Modells nicht in den resultierenden Formhohlraum kollabiert und auch den positiven Abdruck der Formoberfläche des verlorenen Modells bewahrt. Außerdem ist das Überzugsmaterial für das Dampfphasenoxidationsmittel genügend durchlässig, um den Durchtritt des Oxidationsmittels in den Formhohlraum zu gestatten und die Oxidation des schmelzflüssigen Metalls mit ihm darin zu ermöglichen.
Zur Schaffung des strukturellen Zusammenhalts besitzt das Überzugsmaterial eine Stützzone, die direkt an die Formoberfläche des verlorenen Modells angrenzt. Die Stützzone versetzt das Überzugsmaterial in die Lage, sowohl selbsttragend zu sein als auch die äußere Form der Formoberfläche des Modells zu bewahren. Eine Stützzone kann durch Zugabe geeigneter Bindemittel, wie z. B. Materialien mit Siliziumoxid oder anorganischen Tonen, z. B. wasserhaltigen Aluminiumsilikaten, die bei der Prozeßtemperatur sintern oder selbstbinden, gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Schicht aus Siliziumoxid mit einem geeigneten Klebstoff oder Bindemittel auf die Formoberfläche des verlorenen Modells aufgetragen werden. Das Überzugsmaterial wird anschließend auf die Siliziumoxidschicht aufgetragen. Beim Erhitzen auf die Prozeßtemperatur sintert das Siliziumoxid oder bindet ab, wodurch es eine direkt an die Formoberfläche angrenzende Stützzone bildet. Weiterhin bilden bestimmte Überzugsmaterialien von Haus aus nach dem Auftragen auf das verlorene Modell eine Stützzone. Zum Beispiel kann Gips, der durch Hydratisierung eine Stützzone bildet, als Überzugsmaterial verwendet werden. Die für die Stützzone erforderliche Dicke hängt vor allem von den jeweiligen angewandten Prozeßparametern ab. Im allgemeinen muß die Stützzone jedoch zumindest ausreichende Stabilität besitzen, daß Gewicht des Überzugsmaterials während der Verarbeitung abstützen zu können. Deshalb sind Faktoren, die beim Entwerfen einer Stützzone berücksichtigt werden müssen, die Größe und die äußere Gestalt des verlorenen Modells, das angewandte Überzugsmaterial, die Reaktionszeit, das Grundmetall, die Oxidationsbedingungen etc..
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Überzugsmaterial ein Sperrmaterial, wie in der EP-A-245193 desselben Anmelders, auf die oben Bezug genommen wurde, offengelegt wurde, damit das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts über die kongruente Oberfläche hinaus gehemmt wird. Somit erfolgt das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts im wesentlichen im Formhohlraum. Wie in der oben erwähnten Anmeldung offengelegt wurde, können geeignete Sperrmittel jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche(s) unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung einen gewissen Zusammenhalt bewahrt, nicht flüchtig und vorzugsweise für das Dampfphasenoxidationsmittel durchlässig ist, während es gleichzeitig in der Lage ist, das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts lokal zu hemmen, zu vergiften, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen. Zu geeigneten Sperren für die Verwendung mit einem Aluminiumgrundmetall und einem sauerstoffhaltigen Gas gehören Kalziumsulfat (Gips), Kalziumsilikat, wie z. B. Wollastonit, Portland-Zement und Kombinationen davon. Weiterhin kann, wenn ein Sperrmaterial als Überzugsmaterial verwendet wird, ein geeignetes hitzebeständiges teilchenförmiges Material ebenfalls enthalten sein, damit ein mögliches Schrumpfen oder Springen vermindert wird, das sonst während des Prozesses beim Erhitzen erfolgen kann und die Wiedergabegenauigkeit beeinträchtigen würde. Wie oben diskutiert wurde, sind viele dieser Sperrmaterialien von Haus aus selbsttragend, wenn man sie abbinden oder hydrolysieren läßt. In einem solchen Fall kann die Erzeugung einer separaten Stützzone unnötig sein.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt das Matrixmaterial einen Füllstoff, der durch das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts infiltriert werden kann. Derartige Füllstoffmaterialien und die Infiltration derartiger Füllstoffe durch eine Matrix aus Oxidationsreaktionsprodukt sind in der oben zitierten EP-A-193292 desselben Anmelders offengelegt. Zu ihnen können Teilchen, Fasern, Stangen etc. gehören. Typischerweise umfaßt das Füllstoffmaterial Teilchen, wie z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, die in der konventionellen Technologie der Keramikherstellung Anwendung finden. Das Füllstoffmaterial wird, wie oben diskutiert wurde, mit einer Stützzone versehen und auf die Formoberfläche des verlorenen Modells aufgetragen. Zum Beispiel kann ein Füllstoff aus Aluminiumoxid mit einem Quantum Siliziumoxid vermischt werden, das geeignet ist, bei der Prozeßtemperatur eine Stützzone zu bilden. Alternativ kann auch eine Menge an Siliziumoxid direkt auf die Formoberfläche des verlorenen Modells aufgetragen und der Füllstoff aus Aluminiumoxid über das Siliziumoxid geschichtet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform beeinträchtigt oder hemmt die kongruente Oberfläche, die durch das Auftragen des Überzugsmaterials auf das verlorene Modell gebildet wurde, das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts über die Grenzen des Formhohlraums nicht wesentlich, wie es bei einer Sperre der Fall ist, sondern sie wird das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts aufnehmen. In diesem Falle füllt das Produkt der Oxidationsreaktion des Grundmetalls mit dem Dampfphasenoxidationsmittel den Formhohlraum aus und infiltriert dann das Überzugsmaterial bis zu einer gewünschten Tiefe. Somit wächst das Oxidationsreaktionsprodukt bis jenseits der Grenzen des Formhohlraums und in das Überzugsmaterial hinein. Der resultierende Gegenstand ist eine keramische Komponente, die eine geformte Oberfläche, die die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt, und einen keramischen Verbundkörper besitzt, der das Oxidationsreaktionsprodukt, das die Bestandteile des Füllstoffmaterials einbettet, einstückig mit seiner geformten Oberfläche aufweist.
Typischerweise wird das jeweilige Überzugsmaterial in einem Trägerstoff, Lösungsmittel oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit verteilt unter Bildung eines bzw. einer anpassungsfähigen Breis, Paste, oder Mischung, der bzw. die auf das verlorene Modell aufgetragen werden und sich den Einzelheiten der Formoberfläche anpassen kann. Die Genauigkeit, mit der die keramische Komponente die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt, hängt zumindest teilweise von der Genauigkeit ab, mit der das Überzugsmaterial die Formoberfläche des Modells annimmt, und vom Zusammenhalt der Stützzone zum Aufrechterhalten dieser Genauigkeit. Im allgemeinen ist die Genauigkeit der Anpassung an die Formoberfläche umso größer, je feiner die Teilchen oder Bestandteile der Mischung des Überzugsmaterials sind. Analog ist die Genauigkeit der Anpassung umso größer, je flüssiger die aufgetragene Mischung des Überzugsmaterials ist.
Das Überzugsmaterial wird auf die Formoberfläche des verlorenen Modells in einer Menge aufgetragen, die beim Verschwinden des verlorenen Modells eine selbsttragende Struktur ergibt. Wie oben diskutiert wurde, kann die Menge des auf das Modell aufgetragenen Überzugsmaterials in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren variieren, zu denen die Größe des Modells, die Art des Überzugsmaterials und der Stützzone, die Prozeßbedingungen etc. gehören, die aber nicht auf diese beschränkt sind.
Zur Erleichterung des Auftragens und der Anpassung eines Überzugsmaterials an das verlorene Modell wird das Überzugsmaterial typischerweise mit einem geeigneten Trägerstoff kombiniert, z. B. einer Flüssigkeit oder einem Lösemittel, die verdunsten oder mit dem Überzugsmaterial oder anderem vorhandenen Material unter Bildung der gewünschten Zusammensetzung und einer geeigneten Stützzone reagieren. Es sollte jedoch klar sein, daß, wenn ein bestimmtes Medium oder ein bestimmter Trägerstoff, wie z. B. ein Lösemittel, für das Auftragen ausgewählt werden, sich bestimmte Lösemittel mit bestimmten eingesetzten Modellmaterialien nicht vertragen. Zum Beispiel sind bestimmte organische Lösemittel, wie z. B. Aceton, nicht verträglich, wenn sie direkt mit bestimmten organischen Schaumstoffen in Kontakt gebracht werden, wie z. B. aufgeschäumtem Polystyrol, und sie lösen ein verlorenes Modell, das aus einem derartigen Schaumstoff hergestellt ist, auf, oder sie bauen es ab. Deshalb sollte man Sorgfalt walten lassen um sicherzustellen, daß derartige Kombinationen vermieden werden und daß sich Kombinationen oder Mischungen, die auf ein verlorenes Modell aufgetragen werden und das Überzugsmaterial beinhalten, mit der Materialzusammensetzung des Modells vertragen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann das verlorene Modell fest, hohl oder offenendig sein, vorausgesetzt, daß die Formoberfläche das aufgetragene Überzugsmaterial stützen kann. Außerdem kann ein verlorenes Modell mehrere Stücke oder Abschnitte aufweisen, die zusammengebaut werden, um die gewünschte äußere Gestalt herzustellen. Zum Beispiel können, unter Bezugnahme im Detail auf die Fig. 1-4, in denen jeweils das Grundmetall als 1, die Formoberfläche als 3 und das Überzugsmaterial als 5 bezeichnet ist, durch Verwendung entweder eines festen verlorenen Modells 2, das in Fig. 1 gezeigt ist, eines offenendigen Modells 4, das in Fig. 2 gezeigt ist, eines hohlen Modells 6 in Fig. 3 oder eines mehrstückigen Modells 8, das in Fig. 4 gezeigt ist, oder ähnlichen Kombinationen von diesen, keramische Komponenten hergestellt werden, die die gleichen Formoberflächen aufweisen. In jedem Falle paßt sich das Überzugsmaterial, das eine Stützzone enthält, der Formoberfläche an und liefert die gleiche kongruente Oberfläche.
In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Schicht aus Füllstoffmaterial vor dem Erhitzen zwischen dem Grundmetall und dem verlorenen Modell angeordnet. Beim Erhitzen des Aufbaus reagiert das schmelzflüssige Metall mit einem Dampfphasenoxidationsmittel, und es erfolgt das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts, zuerst in und durch das Füllstoffmaterial und danach in den Formhohlraum. Das Überzugsmaterial kann entweder eine Sperre oder einen Füllstoff aufweisen, wie oben diskutiert wurde. Das resultierende Produkt umfaßt eine keramische Komponente, die eine geformte Oberfläche aufweist, die die Formoberfläche des verlorenen Modells wiederholt und einen keramischen Verbundkörper aufweist, der gegenüber der geformten Oberfläche gebildet wurde.
Obwohl die Erfindung unten im Detail unter besonderer Bezugnahme auf Aluminium als das bevorzugte Grundmetall beschrieben wird, gehören zu anderen geeigneten Metallen, die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, ohne auf diese Metalle beschränkt zu sein, Silizium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium.
Wie oben diskutiert, werden ein Grundmetall und ein verlorenes Modell so bereitgestellt, daß die Formoberfläche des Modells vom Grundmetall aus nach außen angeordnet ist. Typischerweise wird das Überzugsmaterial vor der gegenseitigen Anordnung des Grundmetalls und des Modells auf das verlorene Modell aufgetragen. Jedoch kann das Überzugsmaterial nach der gegenseitigen Anordnung auf das Modell aufgetragen werden. Zum Beispiel kann das Modell auf eine Oberfläche des Grundmetalls, das in einem hitzebeständigen Behälter gelagert ist, gesetzt und dann das Überzugsmaterial auf das Modell aufgetragen werden. Dieser Aufbau aus dem Behälter, seinem Inhalt, einschließlich des verlorenen Modells mit dem Überzugsmaterial darauf, wird in einen Schmelzofen, der mit einem Dampfphasenoxidationsmittel beschickt ist, gebracht und auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt. Zum Beispiel liegt im Falle von Aluminium und bei Verwendung von Luft als Dampfphasenoxidationsmittel zur Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts aus Aluminiumoxid ein geeigneter Temperaturbereich im allgemeinen zwischen ungefähr 850 und 1450ºC und vorzugsweise zwischen ungefähr 900 und 1350ºC. Typischerweise wird während des Erhitzens die Materialzusammensetzung des verlorenen Modells verbrannt oder verdampft, wodurch das verlorene Modell verschwindet und der Formhohlraum weitgehend geleert wird. Es sollte klar sein, daß bei der Verwendung bestimmter Modellmaterialien eine vollständige Leerung des Formhohlraums u. U. nicht erfolgt. In einigen Fällen bleibt ein Rückstand oder Nebenprodukt oder bleiben mehrere Rückstände oder Nebenprodukte, das bzw. die aus der Verbrennung oder Verdampfung des Modells resultiert bzw. resultieren, im Formhohlraum zurück. In den meisten Fällen beeinträchtigt die Anwesenheit kleiner Mengen derartiger Materialien jedoch das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts oder die Genauigkeit der Wiedergabe kaum. Es wird jedoch im allgemeinen die Verwendung eines Materials bevorzugt, das nach dem Verschwinden des Modells keine derartigen Rückstände im Formhohlraum zurückläßt.
In diesem anwendbaren Temperaturintervall oder -bereich bildet sich ein Körper oder Pool aus schmelzflüssigem Metall, und bei Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung einer Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt. Jedoch kann in bestimmten Fällen, z. B. wenn bestimmte Metallegierungen als Grundmetall verwendet werden, oder wenn bestimmte Dotierungsmittel verwendet werden, die Bildung einer Verbindung wie z. B. eines Spinells, z. B. Magnesiumaluminatspinell, der Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts vorausgehen. Bei fortgesetzter Exposition gegen die oxidierende Umgebung wird fortschreitend schmelzflüssiges Metall in und durch zuvor gebildetes Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf das Oxidationsmittel in den Formhohlraum hinein und auf die kongruente Oberfläche zu, die durch das Überzugsmaterial gebildet wird, gezogen. Beim Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung weiteren Oxidationsreaktionsprodukts und bildet dadurch ein zunehmend dickeres Oxidationsreaktionsprodukt, wodurch es den Formhohlraum zunehmend ausfüllt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Überzugsmaterial ein Sperrmaterial aufweist, wird die Reaktion des schmelzflüssigen Metalls mit dem Oxidationsmittel fortgesetzt, bis das Oxidationsreaktionsprodukt den Formhohlraum ausgefüllt hat und bis zu der kongruenten Oberfläche des Überzugsmaterials gewachsen ist, die ein weiteres Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts verhindert oder hemmt. Wenn das Überzugsmaterial einen Füllstoff aufweist, wird die Oxidationsreaktion noch für eine Zeit weiter fortgesetzt, die ausreicht, daß das Oxidationsreaktionsprodukt das den Formhohlraum umgebende Füllstoffmaterial bis zur gewünschten Tiefe infiltriert.
Es sollte klar sein, daß das resultierende polykristalline Material der keramischen Komponente Porosität aufweisen kann, die einen teilweisen oder nahezu vollständigen Ersatz der Metallphase(n) darstellen kann, die sonst typischerweise vorkommt bzw. vorkommen und im Oxidationsreaktionsprodukt verteilt vorliegt bzw. vorliegen, aber der Volumenanteil der Hohlräume hängt stark von solchen Bedingungen wie der Temperatur, der Zeit, dem Typ des Grundmetalls und den Konzentrationen der Dotierungsmittel ab. Typischerweise sind in diesen polykristallinen keramischen Komponenten die Kristallite aus Oxidationsreaktionsprodukt in mehr als einer Dimension in sich verbunden, vorzugsweise in drei Dimensionen, und das Metall kann zumindest teilweise in sich verbunden sein.
Es kann ein festes, ein flüssiges oder ein Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination derartiger Oxidationsmittel, wie oben festgestellt, 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, Sauerstoff, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen (die Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffquelle), 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.
Obwohl in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung andere geeignete Oxidationsmittel zusammen mit einem Dampfphasenoxidationsmittel verwendet werden können, bezieht sich die folgende Diskussion speziell auf die Verwendung von Dampfphasenoxidationsmitteln. Da ein Gas oder Dampf, d. h. ein Dampfphasenoxidationsmittel, als Oxidationsmittel verwendet wird, ist das Material des Überzugs vorzugsweise durchlässig für das Dampfphasenoxidationsmittel, so daß das Dampfphasenoxidationsmittel das Überzugsmaterial durchdringt und mit dem schmelzflüssigen Grundmetall darin in Kontakt tritt. Wie in den oben erwähnten Patentanmeldungen desselben Anmelders beschrieben wurde, bedeutet der Begriff "Dampfphasenoxidationsmittel" ein verdampftes oder normalerweise gasförmiges Material, das eine oxidierende Atmosphäre bildet. Zum Beispiel sind Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Gasmischungen (einschließlich Luft) bevorzugte Dampfphasenoxidationsmittel, wie in dem Falle, in dem Aluminium das Grundmetall ist, wobei Luft aus offensichtlichen wirtschaftlichen Gründen gewöhnlich stärker bevorzugt wird. Wenn für ein Oxidationsmittel 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 normalerweise 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", wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, ist "Formiergas", das 96 Volumenprozent Stickstoff und 4 Volumenprozent Wasserstoff enthält.
Es kann bei der Anwendung jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Füllstoffmaterial verwendet wird, auch ein festes oder flüssiges Oxidationsmittel zusammen mit dem Dampfphasenoxidationsmittel verwendet werden. Zum Beispiel kann ein festes Oxidationsmittel in Form von Teilchen im Füllstoff verteilt oder mit ihm vermischt werden. In den Fällen, in denen ein festes Oxidationsmittel mit dem Füllstoff, der das Überzugsmaterial aufweist, vermischt wird, werden das feste Oxidationsmittel und das Überzugsmaterial zuerst vermischt und dann auf das verlorene Modell aufgetragen. Auch wenn ein Füllstoff zwischen dem Grundmetall und dem verlorenen Modell angeordnet ist, kann ein festes Oxidationsmittel im Füllstoff verteilt oder mit ihm vermischt werden. In jedem Falle wird das feste Oxidationsmittel das Dampfphasenoxidationsmittel ergänzen, wenn das Oxidationsreaktionsprodukt den Füllstoff des Überzugsmaterials infiltriert. Es kann jedes geeignete feste Oxidationsmittel angewandt werden einschließlich von Elementen, wie z. B. Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbaren Verbindungen, wie z. B. Siliziumdioxid oder bestimmte Boride von geringerer thermodynamischer Stabilität als das Borid-Reaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn z. B. Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminiumgrundmetall verwendet wird, dann ist das resultierende Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumborid. In einigen Fällen kann die Oxidationsreaktion eines Grundmetalls mit einem festen Oxidationsmittel so schnell voranschreiten, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aufgrund der exothermen Natur des Vorgangs zum Verschmelzen neigt. Ein derartiges Geschehen kann die Einheitlichkeit der Mikrostruktur des resultierenden keramischen Oxidationsreaktionsprodukts verringern. Diese schnelle exotherme Reaktion kann dadurch vermieden oder abgeschwächt werden, daß bestimmte Füllstoffmaterialien gewählt werden, die die Reaktionswärme absorbieren können, damit ein möglicher thermischer Durchgeheffekt minimiert wird. Ein Beispiel für einen solchen geeigneten inerten Füllstoff ist einer, der mit dem vorgesehenen Produkt der Oxidationsreaktion zwischen dem festen Oxidationsmittel und dem Grundmetall identisch ist.
Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel zusammen mit einem Dampfphasenoxidationsmittel eingesetzt wird, dann wird das Füllstoffmaterial oder ein Teil von ihm z. B. durch Eintauchen in das Oxidationsmittel beschichtet oder eingeweicht, um den Füllstoff zu imprägnieren. Der Füllstoff wird dann wie oben beschrieben verwendet. Ein Verweis auf ein flüssiges Oxidationsmittel meint eines, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion als Flüssigkeit vorliegt. Ein flüssiges Oxidationsmittel kann 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 Füllstoffmaterials verwendet wird 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.
Wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erläutert wurde, kann der Zusatz von Dotierungsmaterialien zum Grundmetall den Prozeß der Oxidationsreaktion vorteilhaft beeinflussen oder fördern. Die Funktion oder Funktionen der Dotierungsmittel kann bzw. können von einer Anzahl von Faktoren, und nicht nur vom Dotierungsmaterial selbst, abhängen. Zu diesen Faktoren gehören, z. B., das jeweilige Grundmetall, die Art des gewünschten Endprodukts, die jeweilige Kombination von Dotierungsmitteln, wenn zwei oder mehr Dotierungsmittel verwendet werden, die Konzentration des Dotierungsmittels, die oxidierende Umgebung und die Prozeßbedingungen.
Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel kann bzw. können als legierende Bestandteile des Grundmetalls zur Verfügung stehen oder auf eine äußere Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen werden, vorzugsweise auf die Wachstumsoberfläche, und zwar in Form von Teilchen oder als Pulver. Wenn ein Füllstoffmaterial verwendet und zwischen dem Grundmetall und dem verlorenen Modell angeordnet wird, dann können geeignete Dotierungsmittel auf den Füllstoff oder einen Teil des Füllstoffs aufgetragen oder mit ihm vermischt werden. Im Falle der Technik, bei der ein oder mehrere Dotierungsmittel auf den Füllstoff aufgetragen wird bzw. werden, kann das Auftragen auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, wie z. B. durch Verteilen der Dotierungsmittel in einem Teil oder der ganzen Masse des Füllstoffs in Form von Beschichtungen oder in Form von Teilchen, wobei das Dotierungsmittel vorzugsweise in zumindest einem Teil des an das Grundmetall angrenzenden Füllstoffs enthalten ist. Das Auftragen jedes beliebigen Dotierungsmittels auf den Füllstoff kann auch dadurch erfolgen, daß eine Schicht aus einem oder mehreren Dotierungsmaterial(ien) auf und in das Bett gebracht wird, einschließlich aller seiner inneren Öffnungen, Lücken, Durchlässe, Zwischenräume oder dergleichen, die es durchlässig machen. Eine bequeme Art, ein beliebiges Dotierungsmaterial aufzutragen, ist es, den Füllstoff, der verwendet werden soll, einfach in einer flüssigen Quelle (z. B. einer Lösung) des Dotierungsmaterials einzuweichen.
Ein Quelle für ein Dotierungsmittel kann auch durch Anordnen eines festen Körpers aus Dotierungsmittel in Kontakt mit und zwischen wenigstens einem Bereich des verlorenen Modells und dem Grundmetall bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann eine dünne Scheibe aus siliziumhaltigem Glas (das nützlich als Dotierungsmittel für die Oxidation eines Aluminium-Grundmetalls ist) auf eine Oberfläche des Grundmetalls gelegt und das verlorene Modell darauf angeordnet werden. In dem Fall, bei dem das Dotierungsmittel zwischen dem Grundmetall und dem verlorenen Modell oder dem Bett aus Füllstoffmaterial, wenn eines verwendet wird, liegt, wächst die polykristalline Oxidstruktur erheblich über die Schicht des Dotierungsmittels hinaus (d. h., bis jenseits der Dicke der aufgetragenen Dotierungsmittelschicht und in den Hohlraum hinein). Zusätzlich oder alternativ kann eines oder können mehrere der Dotierungsmittel äußerlich auf die Oberfläche des verlorenen Modells aufgebracht werden, die sonst mit dem schmelzflüssigen Metall in Kontakt stehen würde. Zusätzlich können in das Grundmetall einlegierte Dotierungsmittel durch (ein) Dotierungsmittel, (das) die mit den vorher erwähnten Techniken aufgetragen (wird) werden, vermehrt werden. Somit können mögliche zu geringe Konzentrationen von Dotierungsmitteln, die in das Grundmetall einlegiert wurden, durch eine zusätzliche Konzentration des (der) jeweiligen auf die Dotierungsmittel(s), das (die) auf diese verschiedenen möglichen Weisen aufgebracht wird (werden), ausgeglichen werden, und umgekehrt.
Zu nützlichen Dotierungsmitteln für ein Aluminium-Grundmetall, besonders bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel, gehören z. B. Magnesium und Zink, besonders in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, wie unten beschrieben wird. Diese Metalle, oder eine geeignete Quelle dieser Metalle, können bzw. kann in das Grundmetall auf Aluminiumbasis einlegiert werden, mit Konzentrationen eines jeden zwischen ungefähr 0,1-10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des resultierenden dotierten Metalls. Die Konzentration eines jeden Dotierungsmittels hängt von solchen Faktoren wie der Kombination der Dotierungsmittel und der Prozeßtemperatur ab. Konzentrationen innerhalb des geeigneten Bereichs lösen offenbar das keramische Wachstum aus, verstärken den Metalltransport und beeinflussen die Wachstumsmorphologie des resultierenden Oxidationsreaktionsprodukts vorteilhaft.
Andere Dotierungsmittel, die in der Lage sind, das Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts zu fördern, sind, für Grundmetallsysteme auf Aluminiumbasis und wenn Luft als Oxidationsmittel verwendet wird, z. B. Silizium, Germanium, Zinn und Blei, besonders wenn sie in Kombination mit Magnesium oder Zink verwendet werden. Eines oder mehrere dieser anderen Dotierungsmittel, oder eine geeignete Quelle von ihnen, wird/werden in das Grundmetallsystem aus Aluminium einlegiert, und zwar in Konzentrationen, die für jedes von ihnen bei etwa 0,5 bis ungefähr 15 Gewichtsprozent der gesamten Legierung liegen; erwünschtere Wachstumskinetiken und Wachstumsmorphologien werden jedoch mit Konzentrationen der Dotierungsmittel im Bereich von ungefähr 1-10 Gewichtsprozent der gesamten Grundmetallegierung erhalten. Blei als Dotierungsmittel wird im allgemeinen unter Berücksichtigung seiner geringen Löslichkeit in Aluminium bei einer Temperatur von mindestens 1000ºC in das Grundmetall auf Aluminiumbasis einlegiert; jedoch erhöht der Zusatz anderer Legierungskomponenten, wie z. B. Zinn, im allgemeinen die Löslichkeit des Bleis und gestattet es, die Legierungsmaterialien bei niedrigerer Temperatur zuzugeben.
Zu weiteren Beispielen für Dotierungsmaterialien, die für ein Aluminium-Grundmetall nützlich sind, gehören Natrium, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, welche Dotierungsmittel entweder einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Dotierungsmittel(n) verwendet werden können, in Abhängigkeit von Oxidationsmittel und den Prozeßbedingungen. Natrium und Lithium können in sehr geringen Mengen im ppm-Bereich verwendet werden, typischerweise ungefähr 100-200 ppm, und jedes kann allein oder zusammen verwendet werden oder in Kombination mit (einem) anderen Dotierungsmittel(n). 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.
Wie oben angemerkt wurde ist es nicht erforderlich, irgendein Dotierungsmittel in das Grundmetall einzulegieren. Zum Beispiel ermöglicht oder verbessert das selektive Auftragen eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittel in einer dünnen Schicht entweder auf die gesamte Oberfläche oder einen Bereich der Oberfläche des Grundmetalls oder der entsprechenden Fläche des verlorenen Modells das lokale keramische Wachstum aus der Oberfläche des Grundmetalls oder Bereichen davon und eignet sich für ein Wachstum der polykristallinen keramischen Matrix in den Hohlraum. Somit kann das Wachstum des polykristallinen keramischen Materials in den Hohlraum in gewissem Umfang durch lokalisiertes Aufbringen des Dotierungsmaterials auf die Oberfläche des verlorenen Modells gesteuert werden. Der aufgetragene Überzug oder die Schicht aus Dotierungsmittel ist, bezogen auf die angestrebte Dicke des keramischen Verbundkörpers, relativ dünn, und das Wachstum oder die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts in den Formhohlraum erstreckt sich im wesentlichen bis über die Schicht des Dotierungsmittels hinaus, d. h., bis jenseits der Dicke der Schicht des aufgetragenen Dotierungsmittels. Eine derartige Schicht aus Dotierungsmittelmaterial kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdruck, Bedampfen oder sonstige Verfahren zum Auftragen des Dotierungsmaterials in flüssiger oder breiiger Form aufgetragen werden, oder durch Zerstäuben oder einfach durch Auflegen einer Schicht aus festem, teilchenförmigem Dotierungsmittel oder einer festen dünnen Decke oder eines festen dünnen Films aus Dotierungsmittel auf die Oberfläche des verlorenen Modells. Das Dotierungsmittelmaterial kann, aber muß nicht, entweder organische oder anorganische Bindemittel, Trägerstoffe, Lösungsmittel und/oder Dickungsmittel enthalten. Jedoch können, wie oben diskutiert wurde, bestimmte Trägerstoffe oder Medien mit dem Material des Modells nicht verträglich sein. Geeigneter ist es, die Dotierungsmittelmaterialien als Pulver auf die Oberfläche des verlorenen Modells aufzutragen mit Hilfe eines Klebstoffs oder Bindemittels, der zusammen mit dem Modell während der Verarbeitung verschwindet. Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Auftragens der Dotierungsmittel auf die Oberfläche des verlorenen Modells besteht darin, eine flüssige Suspension der Dotierungsmittel in einer Mischung aus Wasser und organischem Bindemittel zu verwenden, die auf eine Oberfläche des verlorenen Modells gesprüht wird, um einen haftenden Überzug zu erzielen, der die Handhabung des verlorenen Modells vor der Verarbeitung erleichtert.
Wenn die Dotierungsmittelmaterialien äußerlich angewandt werden, so werden sie gewöhnlich als gleichmäßiger Überzug auf zumindest einen Bereich der geeigneten Oberfläche des verlorenen Modells oder des Grundmetalls aufgetragen. Die Menge des Dotierungsmittels ist über einen weiten Bereich relativ zur Menge des Grundmetalls, das umgesetzt werden soll, wirksam, und im Falle von Aluminium sind Experimente gescheitert, obere oder untere Grenzen der Anwendung festzulegen. Wenn z. B. Silizium in Form von Siliziumdioxid angewendet wird, das äußerlich als Dotierungsmittel auf ein Grundmetall auf Aluminiumbasis aufgetragen wird, in Gegenwart von Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel, dann sind so geringe Mengen wie 0,00003 g Silizium pro Gramm des Grundmetalls, oder ungefähr 0,0001 g Silizium pro Quadratzentimeter der Grundmetalloberfläche, auf die das SiO&sub2; aufgetragen wurde, wirksam. Es wurde auch gefunden, daß eine keramische Struktur aus einem Aluminium-Silizium-Grundmetall unter Verwendung von Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel erhalten werden kann, wenn MgO als Dotierungsmittel in einer Menge von mehr als ungefähr 0,0008 g Mg pro Gramm des zu oxidierenden Grundmetalls und mehr als 0,003 g Mg pro Quadratzentimeter der Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgetragen wird, eingesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft ein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung geformter keramischer Komponenten, die das Oxidationsreaktionsprodukt eines schmelzflüssigen Grundmetalls mit einem Dampfphasenoxidationsmittel aufweisen, durch die Wiederholung der Form eines verlorenen Modells. Die Güte, in der geformte verlorene Modelle mit den zur Verfügung stehenden Techniken hergestellt werden können, führt dazu, daß die unterschiedlichsten äußeren Gestalten und Formen entsprechend der vorliegenden Erfindung als keramische Komponenten wiedergegeben werden können.
Das folgende sind nicht-einschränkende Beispiele der vorliegenden Erfindung, die zur Veranschaulichung des ganzen gedacht sind.

Beispiel 1

Es wurde ein blockförmiges verlorenes Modell von ungefähr 2,54 cm (1 in) mal 2,54 cm (1 in) mal 1,91 cm (3/4 in) Dicke aus einem Material aus aufgeschäumtem Polystyrol geformt. Die Formoberfläche des Modells umfaßte eine quadratische Fläche von 2,54 cm (1 in) mal 2,54 cm (1 in) und die vier rechteckigen Flächen von 2,54 cm (1 in) mal 1,91 cm (3/4 in) des Modells.
Das Überzugsmaterial bestand aus 50% Wollastonit (einem mineralischen Kalziumsilikat von Nyco Inc., FP Grade) und 50% Gips (Bondex, von Bondex Inc.). Die Wollastonit/Gips- Mischung wurde mit Wasser vermischt, um das Hydrieren des Gipses zu erleichtern, damit eine an die Formoberfläche des Modells angrenzende Stützzone geschaffen wurde. Diese Mischung wurde in einer Schicht von ungefähr 1,27 cm (1/2 in) Dicke auf die Oberseite und die vier Seiten des verlorenen Modells aufgetragen, wobei die Unterseite des Modells unbeschichtet belassen wurde. Zur Ausbildung der Stützzone ließ man die Mischung abbinden.
Ein Block aus einer Aluminiumlegierung (Legierung 380.1 genannt, von Belmont Metals, mit einer nominalen Zusammensetzung von 8-8,5 Gewichtsprozent Si, 2-3 Gewichtsprozent Zn und 0,1 Gewichtsprozent Mg als aktiven Dotierungsmitteln und 3,5 Gewichtsprozent Cu sowie Fe, Mn und Ni, wobei der wirkliche Mg-Gehalt jedoch manchmal höher lag, wie im Bereich von 0,17-0,18 Gewichtsprozent), der 5,08 cm (2 in) mal 5,08 cm (2 in) mal 1,27 cm (1/2 in) maß, wurde so in einem lockeren Bett aus Wollastonitteilchen angeordnet, daß eine Fläche von 5,08 cm (2 in) im Quadrat freilag. Ein Quantum eines Dotierungsmaterials (Lecote LX-60 von Acme Resin Co., das im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht) wurde auf der exponierten Fläche des Grundmetalls verteilt. Das verlorene Modell mit dem aufgetragenen Überzugsmaterial wurde so auf der Oberseite der exponierten Oberfläche des Grundmetalls angeordnet, daß sich die unbeschichtete Fläche des Polystyrolwürfels in Kontakt mit dem Metall befand. Das Modell und die exponierten Bereiche des Metalls wurden ebenfalls so mit Wollastonit überzogen, daß die gesamte Kombination aus Grundmetall und überzogenem Modell in Wollastonit eingebettet war.
Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gegeben, der mit Luft beschickt war, und innerhalb von 4 Stunden auf 1100ºC erhitzt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 120 Stunden bei 1100ºC gehalten und dann innerhalb von 4 Stunden abkühlen gelassen.
Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt, und die keramische Komponente wurde wiedergewonnen. Das Überzugsmaterial wurde durch leichtes Sandstrahlen entfernt. Die Fig. 5 zeigt die keramische Komponente, die hier hergestellt wurde, nach der Entfernung des überschüssigen, nicht umgesetzten Grundmetalls. Das Vermessen der Komponente bestätigt die große Genauigkeit, mit der das verlorene Modell wiedergegeben wurde.

Beispiel 2

Es wurde eine keramische Komponente hergestellt, um ein blockförmiges verlorenes Modell wie bei Beispiel 1 wiederzugeben; jedoch umfaßte das Überzugsmaterial im vorliegenden Beispiel ein Füllstoffmaterial aus Aluminiumoxid.
Das Überzugsmaterial, das zu 30 Gewichtsprozent aus Füllstoff aus Aluminiumoxid blättriges Aluminiumoxid von 44 m (325 Mesh), von Alcoa] und zu 70% aus Lecote (LX-60, das im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht, damit es eine Stützzone bildet) bestand, wurde in einer Schicht von ungefähr 0,9 mm (0,035 in) Dicke auf die Formoberfläche des verlorenen Modells aufgetragen. Die in Beispiel 1 beschriebene Wollastonit/-Gips-Mischung wurde in einer ungefähr 1,27 cm (1/2 in) dicken Schicht auf das Überzugsmaterial aus Aluminiumoxid aufgetragen und abbinden gelassen. Diese Mischung wurde aufgetragen, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts über das Überzugsmaterial aus Füllstoff hinaus zu verhindern.
Das überzogene Modell wurde auf einem Block aus Aluminiumlegierung (genannt Legierung 380.1) gesetzt, der wie in Beispiel 1 mit einem Dotierungsmittel überzogen war; und das überzogene Modell und die noch freiliegenden Bereiche der Metalloberfläche wurden so mit Wollastonit umgeben, daß die gesamte Kombination aus Grundmetall und mit Überzugsmaterial überzogenem verlorenem Modell wie in Beispiel 1 im Kalziumsilikat eingebettet war.
Dieser Aufbau wurde in einen Schmelzofen gegeben, der mit Luft beschickt war, und innerhalb von 4 Stunden auf 1100ºC erhitzt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 120 Stunden bei 1100ºC gehalten und dann innerhalb von 4 Stunden abkühlen gelassen.
Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt und das keramische Produkt wiedergewonnen. Das Gips/Wollastonit-Material wurde durch leichtes Sandstrahlen entfernt. Die Fig. 6 ist eine mikroskopische Aufnahme bei 100facher Vergrößerung, die die keramische Komponente 1 mit der Schicht 2 aus keramischem Verbundmaterial vereinigt zeigt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer geformten keramischen Komponente, die das Oxidationsreaktionsprodukt eines Grundmetalls mit einem Dampfphasenoxidationsmittel aufweist, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Bereitstellen eines Körpers aus Grundmetall und ein verlorenes Modell, das eine Formoberfläche aufweist, die in einem Abstand außerhalb des genannten Körpers aus Grundmetall angeordnet ist,

(b) Aufbringen eines gasdurchlässigen Überzugs aus einem formanpassenden Material auf die genannte Formoberfläche, um eine kongruente Oberfläche zu bilden, die im wesentlichen kongruent mit der genannten Formoberfläche ist und sich entlang dieser erstreckt und so dem genannten Körper aus Grundmetall gegenüberliegend angeordnet ist, daß das genannte verlorene Modell ein Volumen zwischen dem genannten Grundmetall und der genannten kongruenten Oberfläche definiert, wobei der genannte gasdurchlässige Überzug aus einem formanpassenden Material eine ihm eigene selbstbindende Stützzone aufweist, die direkt an die Formoberfläche angrenzt und sich entlang dieser erstreckt, so daß eine ausreichende Kohäsionsfestigkeit erzeugt wird und die Form der genannten kongruenten Oberfläche bei der Entfernung des verlorenen Modells beibehalten wird, wodurch ein Formhohlraum gebildet wird;

(c) Erhitzen des genannten Grundmetalls in Gegenwart des genannten Dampfphasenoxidationsmittels auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Metall zu bilden,

(d) Entfernen des genannten verlorenen Modells, um dadurch den Formhohlraum zu bilden;

(e) bei der genannten Temperatur (i) Umsetzen des genannten schmelzflüssigen Metalls mit dem genannten Dampfphasenoxidationsmittel, um ein Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, wobei dieses Produkt in Kontakt ist mit und sich erstreckt zwischen dem genannten Körper aus schmelzflüssigem Metall und dem genannten Dampfphasenoxidationsmittel, und (ii) Transportieren des genannten schmelzflüssigen Metalls durch das genannte Oxidationsreaktionsprodukt zu dem Dampfphasenoxidationsmittel und dem genannten gasdurchlässigen Überzug aus einem formanpassenden Material, so daß sich fortgesetzt Oxidationsreaktionsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem Dampfphasenoxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet, wobei ein zunehmend dickerer Körper des genannten Oxidationsreaktionsprodukts in den Formhohlraum hinein gebildet wird;

(f) Fortsetzen der genannte Umsetzung für einen Zeitraum, der ausreicht, um den genannten Formhohlraum bis zu der genannten kongruenten Oberfläche durch das genannte Oxidationsreaktionsprodukt zu ersetzen, wodurch eine keramische Komponente hergestellt wird, die eine geformte Oberfläche aufweist, die die genannte Formoberfläche repliziert; und

(g) Gewinnen der genannten keramischen Komponente mit der genannten geformten Oberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das die Bereitstellung eines Füllstoffmaterials vor der genannten Erhitzungsstufe sowie die Anordnung des genannten Füllstoffs zwischen dem genannten Grundmetall und dem genannten verlorenen Modell auf eine Weise umfaßt, daß der genannte Füllstoff als Zwischenschicht zwischen dem genannten Grundmetall und der genannten kongruenten Oberfläche angeordnet ist, und ferner das Infiltrieren des genannten Füllstoffs mit dem genannten Oxidationsreaktionsprodukt vor der Ausbildung des fortschreitend dickeren Körpers aus Oxidationsreaktionsprodukt in den genannten Formhohlraum hinein, und Gewinnen der genannten keramischen Komponente, die einen keramischen Verbundstoff aufweist, der einstückig mit ihr ausgebildet ist und gegenüber der genannten Formoberfläche angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens der Teil des genannten gasdurchlässigen Überzugs aus dem formanpassenden Material, der zur Festlegung der genannten kongruenten Oberfläche verwendet wird, ein Sperrschichtmaterial umfaßt, wodurch das Wachstum des genannten Oxidationsreaktionsprodukts an der genannten kongruenten Oberfläche inhibiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte gasdurchlässige Überzug aus dem formanpassenden Material einen Füllstoff umfaßt, der für das Wachstum des genannten Oxidationsreaktionsprodukts durch ihn hindurch durchlässig ist, und das das Wachsen des genannten Oxidationsreaktionsprodukts über die genannte kongruente Oberfläche und in den genannten Füllstoff hinein einschließt, um wenigstens einen Teil des genannte Füllstoffs in dem genannte Oxidationsreaktionsprodukt einzubetten, wodurch eine keramische Komponente gewonnen wird, die ein keramisches Verbundmaterial als Teil der genannten Formoberfläche aufweist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, bei dem das genannte Grundmetall ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Silicium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium besteht.

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

17. Verfahren nach den Ansprüche 5 oder 6, bei dem das genannte Grundmetall Aluminium umfaßt und der genannte Temperaturbereich von etwa 850ºC bis 1450ºC beträgt.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5, 6 oder 7, das die Verwendung eines Dotierungsmittels in Verbindung mit dem genannte Grundmetall einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, das die Einarbeitung eines Bindemittels in den genannte gasdurchlässigen Überzug aus dem formanpassenden Material wenigstens in der genannten Stützzone davon einschließt.

10. Verfahren nach Anspruch 5, das das Aufbringen eines Sperrschichtmaterials auf die Oberfläche des genannten Füllstoffs, die der genannten Formoberfläche gegenüber liegt, umfaßt, wodurch das Wachstum des genannten Oxidationsreaktionsprodukts an dem genannte Sperrschichtmaterial inhibiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das genannte Sperrschichtmaterial gebrannten Gips, Portland-Zement, Calciumsilicat und Mischungen davon umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte Grundmetall Aluminium ist, das genannte Oxidationsmittel ein sauerstoffhaltiges Gas ist und das die Verwendung eines Dotierungsmittels in Verbindung mit dem genannten Grundmetall einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte verlorene Modell ein Material umfaßt, daß aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus expandiertem Polystyrol, Polyurethan und Polyethylen besteht.

114. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das genannte Bindemittel Siliciumoxid, Kaolin und Mischungen davon umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der genannte Füllstoff Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 5, das die Bereitstellung einer Quelle aus einem festen Oxidationsmittel oder einem flüssigen Oxidationsmittel oder beiden und die Einarbeitung der genannten Quelle in den genannten Füllstoff sowie die Umsetzung der genannten Quelle mit dem genannten Grundmetall einschließt, wobei das genannte feste oder flüssige Oxidationsmittel in Verbindung mit dem genannten Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, um das genannte Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden.