DE60131597T2

DE60131597T2 - Verfahren zur Herstellung von auf einer intermetallischen Verbindung basiertem Verbundmaterial

Info

Publication number: DE60131597T2
Application number: DE60131597T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Nagoya City Aichi Pref. Kida
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: EP1160343A3; JP4115682B2; US6852275B2; DE60131597D1; EP1160343B1; JP2002047519A; EP1160343A2; US20020051724A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung, welches Verfahren weder eine Vorbehandlung zur Ausbildung einer intermetallischen Verbindung noch Hochtemperatur-/Hochdruckbedingungen zum Ausbilden eines Verbundmaterials aus der Matrix (der intermetallischen Verbindung) und ein Verstärkungsmaterial als Voraussetzung hat.
Stand der Technik
Verbundmaterialien sind ein makroskopisches Gemisch einer Vielzahl an Materialien, in denen die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Materialien synergistisch zusammenwirken und dadurch mit nur einem einzigen Material nicht erzielbare Eigenschaften möglich gemacht werden. Verbundmaterialien können durch Kombinieren verschiedener Materialien nach verschiedenen Verfahren erhalten werden und eine Anzahl an Materialkombinationen sind je nach Art der Matrix und des verwendeten Verstärkungsmaterials, der beabsichtigen Anwendung, der geplanten Kosten etc. möglich.
Aus den Verbundmaterialien sind Verbundmaterialien auf Metallbasis oder auf Basis einer intermetallischen Verbindung Verbundmaterialien, die durch Verstärken einer Matrix, also eines Metalls (beispielsweise Al, Ti, Ni oder Nb) oder einer intermetallischen Verbindung (beispielsweise TiAl, Ti₃Al, Al₃Ti, NiAl, Ni₃Al, Ni₂Al, Al₃Ni, Nb₃Al, Nb₂Al oder Al₃Nb), mit einem anorganischen Material (beispielsweise einer Keramik) erhalten werden. Diese Verbundmaterialien auf Metallbasis oder auf Basis einer intermetallischen Verbindung haben wenig Gewicht und weisen eine hohe Stärke auf und sind daher in einem großen Anwendungsgebiet in Raumfahrt, Luftfahrt und anderen Bereichen einsetzbar.
Im Allgemeinen weist ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung Eigenschaftsmerkmale auf, wodurch dieses in Bezug auf die thermische Eigenschaft und den Abreibwiderstand, welcher aus den mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Matrix abgeleitet wird, überlegen ist, während es den Nachteil aufweist, dass es in Bezug auf Bruch-Festigkeit verglichen mit einem Verbundmaterial auf Metallbasis unterlegen ist. Ferner weist es ebenfalls Merkmale auf, die zeigen, dass es einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine höhere Steifigkeit hat.
Zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung kann ein Verfahren erwähnt werden, welches zuerst die Erzeugung eines intermetallischen Verbundpulvers durch mechanisches Legieren oder Ähnliches und Unterziehen der intermetallischen Verbindung und eines Verstärkungsmaterials (beispielsweise einer Faser und/oder Teilchen) einem Heißpressen (HP) oder einem heißisostatischen Pressen (HIP) unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen umfasst. Zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Metallbasis kann ebenfalls ein Verfahren genannt werden, welches einen hohen Druck benötigt, beispielsweise Imprägnierung unter Druck, Warmschmieden oder Ähnliches.
Herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung weisen die folgenden Probleme auf. So ist es zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung nötig, eine hohe Temperatur und einen hohen Drucks durch HP, HIP oder Ähnliches anzulegen, um eine gesinterte intermetallische Verbindung zu erhalten. Daher ist ein Vorbehandlungsschritt zur Ausbildung der intermetallischen Verbindung notwendig und ferner sind Einschränkungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Größe der verwendeten Herstellungsvorrichtungen vorhanden, was die Erzeugung eines Verbundmaterials in großen Größen oder komplizierten Formen erschwert. Ferner ist eine endkonturnahe Herstellung nicht möglich und eine maschinelle Bearbeitung ist in dem später erfolgenden Schritt notwendig.
Da als Vorbehandlungsschritt die Synthese einer intermetallischen Verbindung durch MA oder Ähnliches nötig ist, sind die Herstellungsschritte ferner zahlreich und kompliziert.
Daher ist in herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung eine Vielzahl an Schritten nötig und ferner werden eine hohe Temperatur und ein hoher Druck verwendet; daher sind herkömmliche Verfahren kostenintensiv.
JP-B-2.609.376 und JP-A-9-227969 und Ähnliches offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, um eine intermetallische Aluminidverbindung und deren Oxide in situ zu erzeugen, insbesondere von Aluminiumoxid in einer Oberflächenschicht einer Vorform, die Metalloxide und Ähnliches umfasst, welche mit Al und Ähnlichem reduzierbar sind, indem die Vorform einer Reaktion mit verflüssigtem Al und Ähnlichem auf der Oberflächenschicht unterzogen wird, um die oben genannten Probleme zu lösen.
Im Falle der offenbarten Verfahren JP-B-2.609.376 und JP-A-9-227969 ist die Gestaltung der objektiven Verbundmaterialien innerhalb der spezifischen Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien aufgrund der in dem objektiven Verbundmaterial zu verteilenden Verstärkungsmaterialien, die auf spezifische eingeschränkt sind, eingeschränkt. Daher ist die Modifikation der charakteristischen Eigenschaften des Verbundmaterials durch Veränderung der Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien schwierig. Ferner haben diese Verfahren das Problem, dass Metalloxide oder Ähnliches oder Al oder Ähnliches nicht reagieren, wenn die Menge der Ausgangsmaterialien nicht genau kontrolliert wird. Ferner ist es oft nicht möglich, die Reaktion zu steuern, da eine große Wärmemenge der Reaktion umgehend erzeugt wird.
Nebenbei bemerkt offenbart JP-B-3.107.563 ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Metallbasis, welches das Ausbilden einer Vorform aus Feinteilchen des Verstärkungsmaterials und Feinteilchen aus Ti und Ähnlichem mit Getterungseffekten von Sauerstoff und Stickstoff und dann das Eintauchen der so ausge bildeten Vorform in Al-Schmelze und Ähnlichem umfasst, wodurch die Matrix aus Al und Ähnlichem ausgebildet wird.
Im Falle des in JP-B-3.107.563 offenbarten Verfahrens ist die Form des erzeugten Verbundmaterials jedoch aufgrund der Einschränkung der Herstellungsausrüstung eingeschränkt, da die Vorform in einer Metallschmelze zurückbehalten werden sollte, um die Matrix aus dieser für eine bestimmte Zeitdauer auszubilden. Tatsächlich sind die erzeugbaren Verbundmaterialien auf Verbundmaterial auf Metallbasis eingeschränkt, in dem Metall zur Ausbildung einer Matrix verwendet wird.
US-A-5.366.686 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer höchstschmelzenden Verbindung durch Infiltration einer Vorform mit einer eindringenden Flüssigkeit und Initieren einer Reaktion zwischen diesen.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts der oben erwähnten Probleme des Stands der Technik hat die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung einer großen Größe oder einer komplizierten Form in einer geringeren Schrittanzahl zum Ziel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung bereitgestellt, das ein Verstärkungsmaterial und eine intermetallische Verbindung umfasst, welches folgende Schritte umfasst: Mischen eines Metallpulvers und eines Oxidpulvers, das durch Al reduzierbar ist, mit einem Verstärkungsmaterial, um ein Mischpulver zu erhalten, Füllen des so erhaltenen gemischten Pulvers in ein Gefäß, Positionieren von Al auf einer oberen Seite des Mischpulvers, das in das Gefäß gefüllt worden ist, und Imprägnieren des Mischpulvers mit einer Al-Schmelze, um eine spontane Verbrennungsreaktion zwischen dem Metallpulver und der Al-Schmelze hervorzurufen, um die Al-Schmelze in eine intermetallische Aluminidverbindung umzuwandeln, worin die Al-Schmelze, das Metallpulver und das Oxidpulver jeweils in solchen Mengen ver wendet werden, dass ein Masseverhältnis eines zurückbleibenden Al nach der spontanen Reaktion mit dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 liegt und worin der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials im Verbundmaterial auf der Basis einer intermetallischen Verbindung im Bereich von 10 bis 70 Vol.-% liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung von Ti als Metallpulver bevorzugt und es wird das Mischen von Ti und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,34 bis 1:0,57 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung von Ti als Metallpulver bevorzugt und es wird das Mischen von Ti und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,47 bis 1:0,72 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls die Verwendung von Nb als Metallpulver bevorzugt und es wird das Mischen von Nb und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,75 bis 1:1,13 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
In der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass ein Metallpulver und Al in solchen Mengen gemischt werden, dass Al nach der spontanen Verbrennungsreaktion im Wesentlichen nicht zurückbleibt. Es wird ebenfalls die Verwendung von Ti als Metallpulver bevorzugt und es wird das Mischen von Ti mit Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,57 bis 1:6,14 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
In der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls die Verwendung von Nb als Metallpulver bevorzugt und wird das Mischen von Nb mit Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,72 bis 1:7,20 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
In der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls die Verwendung von Nb als Metallpulver bevorzugt und es wird das Mischen von Nb mit Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:1,13 bis 12, 16 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird.
In der vorliegenden Erfindung ist daher die Anpassung des Volumenanteils des Verstärkungsmaterials in dem vorliegenden Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung im Bereich von 10 bis 70% nötig.
Die vorliegende Erfindung ist daher auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung ausgerichtet, umfassend ein Verstärkungsmaterial und eine intermetallische Verbindung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Mischen eines Metallpulvers und eines Oxidpulvers, das durch Al reduzierbar ist, mit einem Verstärkungsmaterial, um ein Mischpulver zu erhalten, Füllen des so erhaltenen Mischpulvers in ein Gefäß, Positionieren von Al auf einer oberen Seite des Mischpulvers und Imprägnieren des Mischpulvers mit einer Al-Schmelze, um eine spontane Verbrennungsreaktion zwischen dem Metallpulver und der Al-Schmelze hervorzurufen, um die Al-Schmelze in eine eine intermetallische Aluminidverbindung umzuwandeln, worin die Al-Schmelze, das Metallpulver und das Oxidpulver jeweils in solchen Mengen verwendet werden, dass ein Masseverhältnis eines zurückbleibenden Al nach der spontanen Reaktion mit dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 liegt und worin der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials im Verbundmaterial auf der Basis einer intermetallischen Verbindung im Bereich von 10 bis 70 Vol.-% liegt.
In dieser Ausführungsform wird die Verwendung von Al, Metallpulver und Oxidpulver in solchen Mengen bevorzugt, dass weder Al, noch das Metallpulver oder das Oxidpulver nach der spontanen Verbrennungsreaktion zurückbleiben. Die Anpassung des Volumenanteils des Verstärkungsmaterials in dem vorliegenden Verbundmaterial auf 10 bis 70% ist notwendig.
In der vorliegenden Erfindung ist das Verstärkungsmaterial bevorzugt ein anorganisches Material mit einer faserigen, teilchenförmigen oder whiskerförmigen Form und das Verstärkungsmaterial ist vorzugsweise ein beliebiges aus Al₂O₃, AlN, SiC und Si₃N₄.
Ferner wird in der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Metallpulvers mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 bis 80% eines durchschnittlichen Teilchendurchmessers eines Verstärkungsmaterials bevorzugt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Diagramm der jeweiligen XRD-Analysen des Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einem Masseverhältnis von Al zur intermetallischen Aluminidverbindung von 0:10, 2:8 bzw. 3:7.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten stehend im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen eingeschränkt.
Zuerst wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Folgenden erläutert. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1–5. In dem vorliegenden Verfahren wird ein Metallpulver im voraus einem Verstärkungsmaterial beigemengt, um ein Mischpulver zu bilden; das so gebildete Mischpulver wird in ein Gefäß mit einer entsprechenden Form gefüllt, dann wird Al auf einem oberen Abschnitt des so gefüllten Mischpulvers positioniert und Al wird geschmolzen, um eine Al-Schmelze zu erzeugen, welche in Spalte des Mischpulvers eindringt, das als ein poröser Körper angesehen werden kann, wodurch eine spontane Verbrennungsreaktion beginnt, um eine intermetallische Aluminidverbindung als Ergebnis einer In-Situ-Synthese zu erzeugen. So wird Al in die intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt und die so ausgebildete Verbin- Verbindung bildet eine Matrix, wodurch ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung erzeugt wird.
In dem vorliegenden Verfahren wird die Verwendung eines Metallpulvers bzw. von Al in solchen Mengen bevorzugt, dass ein nach der Reaktion zurückbleibendes Al innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 im Hinblick auf das Masseverhältnis mit der intermetallischen Aluminidverbindung liegt. Im Falle der vorliegenden Ausführungsform ist keine Vorbehandlung zum Ausbilden der oben genannten intermetallischen Verbindung nötig; daher kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer niedrigeren Schrittanzahl und geringeren Kosten erzeugt werden. Ferner kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer ausgezeichneten Bruchfestigkeit durch Zurücklassen von unreagiertem Al im Inneren der Matrix, welche aus einer intermetallischen Aluminidverbindung besteht, erzeugt werden.
Die Verwendung eines Metallpulvers und Al in solchen Mengen, dass das nach der Reaktion zurückbleibende Al den Wert von 3:7 im Hinblick auf das Masseverhältnis mit der intermetallischen Aluminidverbindung nicht übersteigt, wird nicht bevorzugt. Dies wird durch die Verringerung der Attraktivität als hochsteifes Material aufgrund der Reduktion im E-Modul bedingt. Ferner wird sie nicht bevorzugt, da die Reduktion der mechanischen Festigkeit dazu neigt, um den Schmelzpunkt von Al herum aufzutreten, während die Bruchfestigkeit zunimmt. Die Verwendung eines Metallpulvers und Al in solchen Mengen, dass das nach der Reaktion zurückbleibende Al sich in einem Bereich von 0:10 bis 2:8 im Hinblick auf das Masseverhältnis mit der intermetallischen Aluminidverbindung befindet, wird nicht bevorzugt, um ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit gut ausgeglichener Bruchfestigkeit und mechanischer Festigkeit zu erhalten.
Ferner fördert im vorliegenden Verfahren die durch die spontane Verbrennungsreaktion zwischen der Al-Schmelze und dem Metallpulver erzeugte Wärme die Ausbildung einer intermetallischen Aluminidverbindung; daher kann das Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden. Ferner ist kein hoher Druck (beispielsweise HP oder HIP), wie in herkömmlichen Verfahren verwendet, nötig und daher kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung durch Imprägnieren ohne Druckanwendung erzeugt werden. Als Resultat ist es möglich, beispielsweise ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer relativ großen Größe oder einer komplizierten Form zu erzeugen, das durch herkömmliche Verfahren aufgrund der eingeschränkten Leistungsfähigkeit der verwendeten Herstellungsvorrichtung schwierig zu erzeugen ist.
Ferner werden in dem vorliegenden Verfahren das Innere des Reaktionssystems vorübergehend auf hohe Temperaturen aufgrund der spontanen Verbrennungsreaktion zwischen der Al-Schmelze und dem Metallpulver gebracht; daher wird die Al-Schmelze in die Spalte des Verstärkungsmaterials ohne Druckanwendung imprägniert, während die Al-Schmelze zu einer spontanen Verbrennungsreaktion führt, und daher kann ein dichtes Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung ohne Anwenden eines hohen Drucks erzeugt werden.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „das nach der Reaktion zurückbleibende Al beträgt 0:10 im Hinblick auf das Masseverhältnis zur intermetallischen Aluminidverbindung" den Zustand, in dem das unreagierte Al nicht in der ausgebildeten Matrix in der wesentlichen Menge zurückbleibt. Daher gilt anzumerken, dass dieser Ausdruck den Zustand mit einschließt, dass Al in einer solchen Menge zurückbleibt, dass die physikalischen Eigenschaften des zurückbleibenden Al nicht die Eigenschaften des erzeugten Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung beeinflusst.
In der vorliegenden Erfindung ist das Metallpulver vorzugsweise aus einem beliebigen aus Ti, Ni und Nb. Wenn die Al-Schmelze in die Mikroräume eines Mischpulvers imprägniert wird, reagiert die Al-Schmelze mit dem Metallpulver, um eine intermetallische Aluminidverbindung auszubilden. Repräsentative Beispiel für eine solche Reaktion sind in den folgenden Formeln 1 bis 3 dargestellt.
Formel 1

3Al + Ti → Al3Ti : ΔH298 = –146 kJ/mol
(ΔH: Wärme der erzeugten Reaktion; eine exotherme Reaktion aufgrund ΔH < 0)

Formel 2

3Al + Ni → Al3Ni : ΔH298 = –150 kJ/mol
(ΔH: Wärme der erzeugten Reaktion; eine exotherme Reaktion aufgrund ΔH < 0)

Formel 3

3Al + Nb → Al3Nb : ΔH298 = –160 kJ/mol
(ΔH: Wärme der erzeugten Reaktion; eine exotherme Reaktion aufgrund ΔH < 0)

Wie in den Formeln 1 bis 3 gezeigt, sind diese Reaktionen eine exotherme Reaktion (eine spontane Verbrennungsreaktion). Die durch diese Reaktion erzeugte Wärme wird in dem vorliegenden Verfahren zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung verwendet. In der vorliegenden Erfindung werden daher die hohe Temperatur und der hohe Druck, wie in herkömmlichen HP etc. verwendet, nicht benötigt und es ist möglich, beispielsweise ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer relativ großen Größe oder einer komplizierten Form zu erzeugen, dessen Erzeugung bisher aufgrund der eingeschränkten Leistungsfähigkeit der verwendeten Herstellungsvorrichtung nicht möglich war.
Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich von den in JP-B-2.609.376 und JP-A-9-227969 offenbarten Verfahren darin, dass im Falle des vorliegenden Verfahrens nur der Matrixabschnitt in situ ausgebildet ist. Daher kann nicht nur das Verstärkungsmaterial frei gewählt werden, sondern auch jedes Verbundmaterial mit gewünschten Eigenschaften durch Dimensionieren der zu erstellenden Eigenschaften erzeugt werden. Ferner kann die Wärme der Reaktion auf einem vorbestimmten Pegel durch willkürliches Auswählen der Arten und Mengen der Verstärkungsmateria lien gemäß den vorgegebenen Eigenschaften problemlos geregelt werden. Daher kann das vorliegende Verfahren in einem Industriemaßstab anwendbar sein.
Im Falle der Verwendung von Ti als Metallpulver, das zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird das Mischen von Ti und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,34 bis 1:0,57 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird. Durch die Verwendung dieses Mischverhältnisses kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit dem Masseverhältnis des nach der spontanen Reaktion zurückbleibenden Al mit dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung, welches sich innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 befindet, erhalten werden.
In dem Fall, in dem Ni als Metallpulver verwendet wird, das zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird das Mischen von Ni und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,47 bis 1:0,72 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird. Durch Verwenden dieses Mischverhältnisses kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit dem Masseverhältnis des nach der spontanen Reaktion zurückbleibenden Al mit dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung, welches sich innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 befindet, erhalten werden.
In dem Fall, in dem Nb als Metallpulver verwendet wird, was zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird das Mischen von Ni und Al in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,75 bis 1:1,13 bevorzugt, wobei die Masse von Al als 1,0 angenommen wird. Durch Verwenden dieses Mischverhältnisses kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit dem Masseverhältnis des nach der spontanen Reaktion zurückbleibenden Al mit dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung, welches sich innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 befindet, erhalten werden.
Es wird die Verwendung von Al und eines Metallpulvers in solchen Verhältnissen, dass Al im Wesentlichen nicht in der Matrix des entstehenden Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung zurückbleibt, im Falle des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wodurch ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung erhalten werden kann, welche das Phänomen einer verringerten mechanischen Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al oder Ähnliches aufweist. Demgemäß weist das entstehende Produkt einen exzellenten thermischen Widerstand bei einem Biegefestigkeitstest bei einer höheren Temperatur als 400°C auf, wie später beschrieben wird, ohne eine Verringerung der Festigkeit aufzuzeigen, wie ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung, in dessen Matrix Al zurückbleibt. Demgegenüber kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer erhöhten Bruchfestigkeit erhalten werden, da die Brüchigkeit des Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung, welche als einer der Nachteile derselben bekannt ist, durch das zurückbleibende Al verbessert wird, das als duktile Phase in diesem dient, wenn Al in der Matrix zurückbleibt. Der thermische Widerstand wird jedoch, wie zuvor erwähnt, verringert. Daher kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit überlegenen Eigenschaften, beispielsweise mechanische Festigkeit und Ähnliches, durch Mischen von Al in ein Metallpulver in den zuvor erwähnten Verhältnissen erzeugt werden.
Wenn Ti als Metallpulver verwendet wird, das zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird die Verwendung von Al und Ti in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,57 bis 1:6,14 bevorzugt, wobei das Masseverhältnis von Al als 1 angenommen wird, um ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung zu erzeugen. Durch die Verwendung des oben genannten Verhältnisses zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung kann die gesamte Matrix des Verbundmaterials aus dem leicht schmelzbaren Al in eine schwer schmelzbare intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt werden. Daher ist es nicht mehr länger nötig, die oben genannte intermetallische Aluminidverbindung im voraus auszubilden, und ferner wird es möglich, ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung zu erzeugen, wel ches beispielsweise keine Verringerung der Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al aufweist.
Wenn Ni als Metallpulver verwendet wird, das zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird die Verwendung von Al und Ni in einem relativen Masseverhältnis von 1:0,72 bis 1:7,20 bevorzugt, wobei das Masseverhältnis von Al als 1 angenommen wird, um ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung zu erzeugen. Durch die Verwendung des oben genannten Verhältnisses zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung kann die gesamte Matrix des Verbundmaterials aus dem leicht schmelzbaren Al in eine schwer schmelzbare intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt werden. Daher ist es nicht mehr länger nötig, die oben genannte intermetallische Aluminidverbindung im voraus auszubilden, und ferner wird es möglich, ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung zu erzeugen, welches beispielsweise keine Verringerung der Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al aufweist.
Wenn Nb als Metallpulver verwendet wird, das zu einer spontanen Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze führt, wird die Verwendung von Al und Nb in einem relativen Masseverhältnis von 1:1,13 bis 1:12,16 bevorzugt, wobei das Masseverhältnis von Al als 1 angenommen wird, um ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung zu erzeugen. Durch die Verwendung des oben genannten Verhältnisses zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung kann die gesamte Matrix des Verbundmaterials aus dem leicht schmelzbaren Al in eine schwer schmelzbare intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt werden, ähnlich wie in den oben erwähnten Fällen, welche Ti oder Ni verwenden. Daher ist es nicht mehr länger nötig, die oben genannte intermetallische Aluminidverbindung im voraus auszubilden, und ferner wird es möglich, ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung zu erzeugen, welches beispielsweise keine Verringerung der Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al aufweist.
Wenn ein anderes Metallpulver als das erwähnte verwendet wird, bleibt durch die Verwendung dieses Metallpulvers und der Al-Schmelze auf eine Weise, dass weder das Metallpulver noch die Al-Schmelze zurückbleiben, wenn die imprägnierte Al-Schmelze in eine intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt worden ist, kann die Matrix des Verbundmaterials ebenfalls vollständig von einem leicht schmelzbaren Al in eine schwer schmelzbare intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt werden, ähnlich wie in den oben erwähnten Fällen unter Verwendung von Ti, Ni oder Nb. Daher ist es nicht mehr länger nötig, die oben genannte intermetallische Aluminidverbindung im voraus auszubilden, und ferner wird es möglich, ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung zu erzeugen, welches beispielsweise keine Verringerung der Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al aufweist.
Ein Al-Material, das bei der Ausführung dieser Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens verwendet wird, ist nicht auf reines Al eingeschränkt und eine Al-Legierung kann selbstverständlich verwendet werden, um den gleichen Effekt zu erzielen. Da das vorliegende Verfahren ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung bei Temperaturen erzeugen kann, die unter dem Schmelzpunkt der ausgebildeten intermetallischen Verbindung liegen, findet ferner die Reaktion und/oder die Schmelzverbindung des Verbundmaterials mit dem mit Mischpulver zu füllenden Gefäß, der verwendeten Schablone oder Produktform kaum statt. Daher ist die Freisetzbarkeit des erzeugten Verbundmaterials sehr gut und das vorliegende Verfahren kann in geeigneter Weise auch für die Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer komplizierten Form verwendet werden.
Gemäß dem beanspruchten Verfahren ist die Verwendung eines Verstärkungsmaterials in solchen Mengen notwendig, dass der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials im Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung als Endprodukt 10 bis 70 Vol.-%, bevorzugterweise 30 bis 60 Vol.-%, betragen wird. Wenn der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials unter 10% liegt, ist das entstehende Verbundmaterial nicht in der Lage, eine ausreichende Festigkeit aufzuweisen. Wenn der Volumenanteil desselben über 70 Vol.-% hinausgeht, ist die Imprägnierung der Al-Schmelze in das Verstärkungsmaterial nicht zufriedenstellend und die Synthese der intermetallischen Aluminidverbindung wird nicht mehr ausreichend sein. Daher kann die vorliegende Erfindung vorzugsweise verwendet werden, wenn der Gehalt des Verstärkungsmaterials sich bei einem Wert befindet, der in herkömmlichen Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung verwendet wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden detailliert beschrieben. Es betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung, das ein Verstärkungsmaterial und eine intermetallische Verbindung umfasst. Es umfasst das Mischen eines Metallpulvers und eines Oxidpulvers, das durch Al mit einem Verstärkungsmaterial reduzierbar ist, um ein Mischpulver zu erhalten, das Füllen des so erhaltenen Mischpulvers in ein Gefäß, das Positionieren von Al auf einer oberen Seite des in das Gefäß gefüllten Mischpulvers und das Imprägnieren des Mischpulvers mit einer Al-Schmelze, um eine spontane Verbrennungsreaktion zwischen dem Metallpulver und der Al-Schmelze hervorzurufen, um die Al-Schmelze in situ in eine intermetallische Aluminidverbindung umzuwandeln. In diesem Fall wird Al in eine gewünschte intermetallische Aluminidverbindung umgewandelt, um die Matrix des Metalls auszubilden. In dieser Ausführungsform besteht keine Notwendigkeit, eine intermetallische Verbindung im voraus auszubilden, wie im Verfahren der ersten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, worin nur ein Metallpulver mit einem Verstärkungsmaterial gemischt wird. Daher kann die Anzahl der Schritte im Herstellungsverfahren reduziert werden.
Ein Oxidpulver wird zu einem Metall zu einem Zeitpunkt reduziert, wenn Al zu einem Mischpulver in einem Gefäß geschmolzen und imprägniert wird. Das so ausgebildete Metall reagiert mit Al, um eine intermetallische Aluminidverbindung als Matrix auszubilden. Das Al, welches das Oxid reduziert hat, wird in Aluminiumoxid umgewandelt und innerhalb der Matrix verteilt. Daher wird die äußerst problemlose Erzeugung eines Verbundmaterials möglich, welches das Verstärkungsmaterial in einem hohen Volumenverhältnis gemäß dieser Ausführungsform enthält. Das folgende Reaktionsschema (4) ist gegeben, um ein Beispiel für eine solche Reaktion zu zeigen: 3TiO₂ + 13Al → 2Al₂O₃ + 3Al₃Ti (4)
Ein in der vorliegenden Ausführungsform verwendbares Oxidpulver ist nicht auf TiO₂ eingeschränkt und kann jedes Oxid sein, solange das Oxid mit Al reduzierbar ist. Ein bevorzugtes, beispielhaftes Oxid kann TiO₂, TiO, CaO, Cr₂O₃, CuO, Cu₂O, CoO, Co₂O₃, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₃, HfO₂, Li₂O, MnO, MgO, MoO₃, Na₂O, Nb₂O, Nb₂O₅, NiO, SiO₂, V₂O₃, WO₃, Y₂O₃, ZrO₂, Mullit, Spinell, Zirkonat, Titanat, Mineralien, welche Fe, Ti, Co, Ni, Zr, Si, Nb oder Ähnliches enthalten, umfassen.
Al, ein Metallpulver, und ein Oxidpulver werden gemischt, um ein Mischpulver unter jeweiliger Verwendung derselben in solchen Mengen zu erstellen, dass sich ein Masseverhältnis eines zurückbleibenden Al in der Matrix nach der spontanen Verbrennungsreaktion innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 im Hinblick auf das Masseverhältnis der intermetallischen Aluminidverbindung befindet. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist keine Vorbehandlung zur Ausbildung der oben erwähnten intermetallischen Verbindung nötig; daher kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung in wenigen Schritten und mit geringeren Kosten hergestellt werden. Ferner kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer exzellenten Bruchfestigkeit erzeugt werden, indem unreagiertes Al im Inneren des Matrix zurückbleibt, die aus einer intermetallischen Aluminidverbindung besteht.
Die Verwendung eines Metallpulvers und Al in solchen Mengen, dass das nach der Reaktion zurückbleibende Al den Wert von 3:7 im Hinblick auf das Masseverhältnis zur intermetallischen Aluminidverbindung übersteigt, wird nicht bevorzugt. Was dadurch bedingt wird, dass die Attraktivität als hochsteifes Material durch die Reduktion im E-Modul abnimmt. Ferner ist die Reduktion der mechanischen Festigkeit dazu geeignet, um den Schmelzpunkt von Al herum aufzutreten, während die Bruchfestigkeit zunimmt. Daher wird die Verwendung eines Metallpulvers und Al in solchen Mengen bevorzugt, dass sich das nach der Reaktion zurückbleibende Al innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 2:8 im Hinblick auf das Masseverhältnis der intermetallischen Aluminidverbindung befindet, um ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit gut ausgeglichener Bruchfestigkeit und mechanischer Festigkeit zu erhalten.
In dem vorliegenden Verfahren zur Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung wird die Verwendung von Al und einem Metallpulver (beispielsweise Ti, Ni oder Nb) in solchen Verhältnissen bevorzugt, dass Al im Wesentlichen nicht in der Matrix des entstehenden Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung zurückbleibt, wodurch das Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung erzeugt werden kann, welches keine Reduktion in der mechanischen Festigkeit, auch nicht rund um den Schmelzpunkt von Al herum, aufweist.
Gemäß dem beanspruchten Verfahren ist die Verwendung eines Verstärkungsmaterials in solchen Mengen nötig, dass der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials in dem Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung als Endprodukt 10 bis 70 Vol.-%, bevorzugterweise 30 bis 60 Vol.-%, betragen wird. Wenn der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials unter 10% liegt, ist das entstehende Verbundmaterial nicht in der Lage, eine ausreichende Festigkeit aufzuweisen. Wenn der Volumenanteil desselben über 70 Vol.-% hinausgeht, ist die Imprägnierung der Al-Schmelze in das Verstärkungsmaterial nicht zufriedenstellend und die Synthese der intermetallischen Aluminidverbindung wird nicht mehr ausreichend sein. Daher kann gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung erhalten werden, welches das Verstärkungsmaterial in einem höheren Volumengehalt enthält.
Als Nächstes wird ein Beispiel des vorliegenden Verfahrens beschrieben, um die vorliegende Erfindung detailliert zu erläutern. Als Verstärkungsmaterial werden Al₂O₃-Teilchen, AlN-Teilchen, SiC-Teilchen oder Si₃N₄-Teilchen (alle diese Teilchen haben einen bestimmten durchschnittlichen Teilchendurchmesser und sind Bodenteilchen) verwendet; als Metallpulver werden Ti, Ni oder Nb verwendet, die alle einen bestimmten durchschnittlichen Teilchendurchmesser haben. Als ein in die Vorform imprägniertes Metall wird Al verwendet. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers beträgt vorzugsweise 5 bis 80%, bevorzugterweise 10 bis 60%, des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des Verstärkungsmaterials. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers unter 5% des durchschnitt lichen Teilchendurchmessers des Verstärkungsmaterials liegt, ist ein solches Metallpulver schwierig zu beschaffen und es besteht ein Staubexplosionsrisiko, was eine besondere Vorsicht bei der Handhabung des Metallpulvers erfordert. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers 80% übersteigt, erreicht die für die spontane Verbrennungsreaktion benötigte Aktivität den ausreichenden Pegel nicht und die Erzeugung eines dichten Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung ist nicht möglich.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des verwendeten Metallpulvers zum Auslösen einer spontanen Verbrennungsreaktion mit Al ist vorzugsweise 2 bis 40 μm, bevorzugterweise 5 bis 30 μm, wenn der Teilchendurchmesser des Verstärkungsmaterials beispielsweise 50 μm ist. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Metallpulvers weniger als 2 μm ist, ist ein solches Metallpulver schwierig zu beschaffen und dessen Handhabung ist unangenehm. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser mehr als 40 μm ist, löst ein solches Metall eine spontane Verbrennungsreaktion mit der Al-Schmelze aus, aber die Beschaffung eines dichten Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung ist nicht möglich.

Das für die Imprägnierung verwendete Al und das Metallpulver werden gewogen, so dass sie eine intermetallische Aluminidverbindung mit einer in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung ausbilden können. Was die ausgebildete intermetallische Aluminidverbindung betrifft, beispielsweise eine intermetallische Ti-Al-Verbindung, sind drei repräsentative Phasen von Al₃Ti, TiAl und Ti₃Al vorhanden und Phase eins bis drei dieser Phasen werden ausgebildet; daher kann eine gewünschte intermetallische Verbindungsphase (Matrixphase) je nach den Eigenschaften ausgewählt werden, die für das zu erzeugenden Verbundmaterial benötigt werden. Durch Reagieren der Al-Schmelze und des Metallpulvers miteinander in in Tabelle 1 gezeigten Verhältnissen kann die Matrix des Verbundmaterials von einem leicht schmelzbaren Al in eine schwer schmelzbare intermetallische Aluminidverbindung vollständig umgewandelt werden. Daher wird die im voraus erfolgte Ausbildung der oben genannten intermetallischen Aluminidverbindung unnötig und ferner wird die Erzeugung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung möglich, welches beispielsweise zeigt, dass keine Reduktion der Festigkeit um den Schmelzpunkt von Al herum vorhanden ist. Übrigens ist die Umwandlung von Al in eine intermetallische Aluminidverbindung durch eine spontane Verbrennungsreaktion annehmbar, wenn das entstehende Verbundmaterial keine Eigenschaftsverschlechterung (beispielsweise keine Reduktion der Festigkeit) aufweist, die durch das Vorhandensein einer mikroskopischen Menge an zurückbleibendem Al verursacht wird. Insbesondere ist die Umwandlung annehmbar, wenn das Verbundmaterial keine Spitzen an zurückbleibendem Al durch Röntgenbeugung zeigt oder thermische Analyse unter Verwendung von DTA, wie später beschrieben, oder Ähnliches oder lediglich eine nicht vermeidbare, zurückbleibende und vernachlässigbare Menge an Al in dem entstehenden Verbundmaterial bemerkt wird. Tabelle 1

Zusammensetzung der Materialien	Intermetallische Verbindungsphase	Schmelzpunkt (°C)	Al-Gehalt (Gew.-%)
Al-Ti	Al₃Ti	1350	62,5–63,5
	TiAl	1480	34–56,2
	Ti₃Al	1180	14–23
Al-Ni	Al₃Ni	854	58
	Ni₂Al₃	1133	40–44,7
	NiAl	1638	23,5–36
	Ni₃Al	1385	12,2–15
Al-Nb	Al₃Nb	1680	45–47
	Nb₂Al	1940	12–17
	Nb₃Al	2060	7,6–8,8

In der vorliegenden Erfindung wird ein anorganisches Material mit einer faserigen, teilchenförmigen oder whiskerförmigen Form als Verstärkungsmaterial bevorzugt.
Durch die Verwendung eines anorganischen Materials mit einer solchen Form kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung erzeugt werden, die eine Festigkeit und andere Eigenschaften aufweist, welche die beabsichtigte Anwendung des Endprodukts erfüllen. Selbstverständlich ist das in der vorliegenden Er findung verwendbare Verstärkungsmaterial nicht auf ein solches anorganisches Material eingeschränkt.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „ein Verstärkungsmaterial mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 bis 150 μm" ein granulares Verstärkungsmaterial mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 bis 150 μm, wenn das Verstärkungsmaterial granular ist, und wenn das Verstärkungsmaterial faserig, whiskerförmig oder Ähnliches ist, deckt der Ausdruck entweder eines mit einem Faserdurchmesser von 0,1 bis 30 μm in dem Fall, in dem das Verhältnis zwischen der Faserlänge und dem Faserdurchmesser unter 150 liegt, oder eines mit einem Faserdurchmesser von 0,5 bis 500 μm in dem Fall ab, in dem das Verhältnis zwischen der Faserlänge und dem Faserdurchmesser 150 oder mehr ist.

In der vorliegenden Erfindung ist das anorganische Material vorzugsweise eines aus Al₂O₃, AlN, SiC und Si₃N₄. Ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung zeigt verschiedene Eigenschaften je nach der Zusammensetzung des in diesem verwendeten Verstärkungsmaterials und der intermetallischen Verbindung. Daher ist es durch Kombinieren einer intermetallischen Verbindung mit dem oben erwähnten anorganischen Material möglich, ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung, das für eine geplante Anwendung geeignet ist, zu erzeugen. In Tabelle 2 werden die Eigenschaften einiger Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung gezeigt, die aus Zusammensetzungen verschiedener Verstärkungsmaterialien (verschiedene anorganische Materialien) und einer intermetallischen Verbindung erhalten werden. In der vorliegenden Erfindung sind jedoch selbstverständlich andere Zusammensetzungen zwischen einem anderen Verstärkungsmaterial und einer intermetallischen Verbindung möglich. Tabelle 2

Verstärkungsmaterial	Eigenschaften des Verbundsmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung, das unter Verwendung des Verstärkungsmaterials erzeugt worden ist
Al₂O₃	Hohe Oxidationsbeständigkeit, hohe Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit und niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient
AlN	Hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit und niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient
SiC	Hohe thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit und niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient
Si₃N₄	Hohe Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit und niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient

Ein Mischpulver eines Verstärkungsmaterials und eines Metallpulvers wird in ein Gefäß mit einer geeigneten Form gefüllt, dann wird das eingefüllte Mischpulver unter Druck von etwa 1 MPa verdichtet, um einen Presskörper zu erhalten; Al (handelsübfiches, reines Al) wird auf dem so erhaltenen Presskörper positioniert. Ein verwendbares Al ist nicht allein auf reines Al eingeschränkt und kann jedes Al mit einer Reinheit von etwa 90% und mehr sein. Eine Al-Legierung kann ebenfalls verwendet werden. Folglich wird der Presskörper mit Al auf diesem auf eine Temperatur von einigen zehn °C mehr als der Schmelzpunkt von Al, etwa auf 700°C, unter verringertem Druck, beispielsweise Vakuum, erwärmt, um geschmolzenes Al zum Imprägnieren in die Mikroräume zwischen den Ausgangsmaterialien im Presskörper zu bringen. Das Eindringen des geschmolzenen Al wird umgehend mithilfe der durch die spontane Verbrennungsreaktion induzierten Kapillarwirkung erzielt, wodurch ein gewünschtes Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung ausgebildet wird.
Al-Schmelze kann in das verdichtete Mischpulver durch Gießen einer zuvor in situ vorbereiteten Al-Schmelze imprägniert werden. Es wird jedoch das Imprägnieren eines geschmolzenen Al in das verdichtete Mischpulver durch Erwärmen des Mischpulvers und des auf diesem positionierten Al bevorzugt. Was dadurch bedingt ist, dass auf die Vorbereitungsarbeiten zur Vorbereitung der Al-Schmelze im voraus und die spezifischen Vorrichtungen zur Vorbereitung der Al-Schmelze verzichtet werden kann.
Da die Ausbildung der Matrix selbst innerhalb einer sehr kurzen Zeit fertiggestellt ist, reicht es aus, die Erwärmung ein paar Minuten lang durchzuführen. Das Aufrechterhalten des Ergebnisses unter isothermen Bedingungen oder unter erhöhten Temperaturen wird bevorzugt, um die Matrix des entstehenden Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung nach der Fertigstellung der spontanen Verbrennungsreaktion zu homogenisieren und zu stabilisieren. Eine bevorzugte Temperatur für diese Beibehaltung reicht von der gleichen Temperatur, wie sie durch die spontane Verbrennungsreaktion erzeugt wird, bis zu einer Temperatur, die etwa 400 bis 500°C höher als die durch die spontane Verbrennungsreaktion erzeugte Temperatur ist, während diese je nach Art der Ausgangsmaterialtypen variiert. Eine bevorzugte Rückhaltezeit reicht von etwa 1 Stunde bis zu einigen Stunden, je nach Bedarf.
Das oben beschriebene, vorliegende Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung kann verschiedene Arten an Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung erzeugen, was durch die dem Verfahren inhärenten Eigenschaften bedingt ist. Ferner kann ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einer großen Größe oder einer komplizierten Form in dem vorliegenden Verfahren problemlos erzeugt werden und eine endkonturnahe Form ist möglich, was die Beseitigung der Maschinenbearbeitung im späteren Schritt erlaubt. Ferner ist in der vorliegenden Erfindung kein Vorbehandlungsschritt zur Ausbildung einer intermetallischen Aluminidverbindung nötig, was die Reduktion der Herstellungskosten des Verbundsmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung erleichtert.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wurde im Besonderen wie unten aufgeführt ausgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden gesammelt.
(Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis intermetallischer Aluminidverbindungen)
Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurden als Verstärkungsmaterialien Al₂O₃, AlN, SiC und Si₃N₄ vorbereitet, wobei alle Masseteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 47 bis 54 μm sind; als Metallpulver wurden Ti, Ni und Nb vorbereitet, wobei alle einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 125 μm haben und Al in das verdichtete Mischpulver [handelsübliches reines Al (Al050, Reinheit: > 99,5%)] zu imprägnieren ist. Als Nächstes werden Al und die jeweiligen Metallpulver in Verhältnissen gewogen, die geeignet sind, einer intermetallischen Aluminidverbindung mit einer in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung bereitzustellen. Das Metallpulver und das Verstärkungsmaterial wurden so gemischt, dass das Volumenverhältnis des Verstärkungsmaterials wie in Tabelle 3 gezeigt wurde, um ein Mischpulver zu erhalten. Jedes der so vorbereiteten Mischpulver wurde in ein Gefäß gefüllt; jedes der eingefüllten Mischpulver wurde unter Druck von etwa 1 MPa verdichtet; Al wurde auf dem verdichteten Mischpulver positioniert. Jedes der verdichteten Mischpulver mit Al auf diesen wurde unter Vakuum eine Zeit lang belassen, dann auf 700°C bei gleichem Druck erwärmt, für etwa 1 Stunde bei der gleichen Temperatur belassen und langsam abgekühlt, um Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung (Proben Nr. 1 bis 11), wie in Tabelle 3 gezeigt, zu erzeugen.
(Syntheseergebnis und Analyse der Dichte)
Die Teststücke wurden aus den Verbundmaterialien auf Basis intermetallischer Aluminidverbindungen, die wie oben erzeugt und einer REM-Beobachtung unterzogen wurden etc., ausgeschnitten, um die Dichte jedes Verbundmaterials zu analysieren. Jedes Teststück wurde ebenfalls einer thermischen Analyse unterzogen. Als Ergebnis wurde in den Proben Nr. 1 bis 11, die gemäß dem vorliegenden Verfahren erzeugt wurden, keine endotherme Reaktion festgestellt, die mit der Auflösung von Al in Verbindung steht, und nur die Spitze der synthetisierten intermetallischen Aluminidverbindung wurde gemessen. So wurde bestätigt, dass die gesamte Matrix vollständig aus Al in eine intermetallische Aluminidverbindung durch eine exotherme Reaktion umgewandelt wurde. Wenn der Teilchendurchmesser des Ti-Pulvers, das mit Al₂O₃-Pulver (Verstärkungsmaterial) vermischt ist, geändert wurde, war die Synthese der intermetallischen Aluminidverbindung möglich, aber die entstehende Matrix war nicht dicht ausgebildet, wenn der Teilchendurchmesser des Ti-Pulvers 125 μm und 44 μm betrug (Proben Nr. 1 und 2). Dadurch wurde bestätigt, dass zur Umwandlung der gesamten Matrix in eine intermetallische Aluminidverbindung der Teilchendurchmesser des verwendeten Ti-Pulvers kleiner zu sein hatte, als jeder des verwendeten Verstärkungsmaterials. Dies scheint deshalb der Fall zu sein, da, wenn der Teilchendurchmesser des Metallpulvers kleiner ist als der Teilchendurchmesser des Verstärkungsmaterials, der spezifische Oberflächenbereich des Metallpulvers zunimmt und die Aktivität der spontanen Verbrennungsreaktion verbessert wird. Das Verfahren der thermischen Analyse wird im Folgenden beschrieben.
(Thermische Analyse)
Die thermische Analyse wird unter Verwendung einer Differential-Thermowaagenvorrichtung TG-DTA (Modell TG8120, ein Produkt von Rigaku) in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt.
(Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Aluminidverbindung (Al-Ti))
Wie in Tabelle 4 gezeigt, wurden ein Al₂O₃-Verstärkungsmaterial (Masseteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 47 μm), ein Ti-Metallpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 μm und in die Spalten des Verstärkungsmaterials zu imprägnierendes Al [handelsübliches, reines Al (Al050, Reinheit: > 99,5%)] vorbereitet. Als Nächstes wurde die zu imprägnierende Al-Menge in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-% variiert und die Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung (Proben Nr. 12–22), in Tabelle 4 gezeigt, wurden unter den gleichen Bedingungen wie in den Proben Nr. 1 bis 12 hergestellt.
(Syntheseergebnis und -messung der Hochtemperatur-Biegefestigkeit)
Teststücke wurden aus den Verbundmaterialien auf Basis der intermetallischen Aluminidverbindung, wie oben erzeugt, ausgeschnitten und einer thermischen Analyse in einer Inertgasatmosphäre unterzogen, wobei eine Differential-Thermowaagenvorrichtung TG-DTA (Modell TG8120, ein Produkt von Rigaku) verwendet wurde. In den Proben Nr. 16 bis 22, die gemäß dem vorliegenden Verfahren erzeugt wurden (die Menge des imprägnierten Al betrug 20 bis 63 Masseprozent), war keine mit der Auflösung von Al verbundene endotherme Reaktion vorhanden und nur die Spitze der synthetisierten, intermetallischen Aluminidverbindung wurde gemessen. So wurde bestätigt, dass die gesamte Matrix vollständig von Al in eine intermetallische Aluminidverbindung durch eine exotherme Reaktion umgewandelt wurde. Im Gegensatz dazu war in den Proben Nr. 12 bis 15, worin die Menge der imprägnierten Al-Schmelze 64 bis 80 Masse-% betrug, eine mit der Auflösung von Al verbundene endotherme Reaktion vorhanden und das Zurückbleiben von Al in der Matrix wurde bestätigt.
Die Proben Nr. 12 bis 22 und die Al-Legierungen (Vergleichsbeispiel) wurden einem Hochtemperatur-Biegefestigkeitstest bei 400°C unterzogen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4 gezeigt. In einer beliebigen Probe Nr. 12 bis 15, in denen Al in der Matrix zurückblieb, war die Biegefestigkeit niedriger als 200 MPa. Im Gegensatz dazu war in jeder der Proben Nr. 16 bis 22, erzeugt gemäß dem vorliegenden Verfahren, die Biegefestigkeit höher als 200 MPa. Als Grund dafür wird angesehen, dass die Matrix 100% einer intermetalischen Aluminidverbindung war und diese zu einer Erhöhung der Hochtemperatur-Biegefestigkeit beitrug.
(Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung unter Verwendung verschiedener Verstärkungsmaterialien)
Wie in Tabelle 5 gezeigt, wurden als Verstärkungsmaterialien Al₂O₃, AlN, SiC und Si₃N₄ vorbereitet, die alle Masseteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 47 bis 54 μm sind; als Metallpulver wurden Ti, Ni und Nb vorberei tet, die alle einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 125 μm haben; und Al war in das verdichtete Mischpulver [handelsübliches reines Al (Al050, Reinheit: > 99,5%)] zu imprägnieren. Jede der Proben Nr. 23 bis 34 der intermetallischen Aluminidverbindungen mit einer in Tabelle 5 gezeigten Zusammensetzung unter den gleichen Bedingungen wie für die Proben Nr 1 bis 11 durch Ändern der Menge des zu imprägnierenden Al in einem Bereich von 30 bis 50 Masse-% synthetisiert. Ferner wurden die Mengen an Ti-Pulver und Al so angepasst, dass die Matrix der Al₃Ti-Phase zur Ausbildung gebracht wurde.
Ein Verbundmaterial als Vergleichsbeispiel 2 wurde unter Verwendung eines zur in situ Erzeugung geeigneten Verstärkungsmaterials und der Matrix geeigneten Verfahrens erzeugt. So wurde ein zylinderförmiger Presskörper, umfassend ein TiO₂-Granulat mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,6 μm durch Pressformen unter Druck von 300 MPa erzeugt. Der so ausgebildete Presskörper wurde dann in einem Gefäß für die Imprägnierung positioniert und wurde auf eine Temperatur von 1000°C aufgeheizt. Nachdem der Presskörper bei der gleichen Temperatur etwa 30 Minuten lang belassen worden war, wurde Al-Schmelze an diesen unter Druck von etwa 30 MPa zur Imprägnierung angelegt. Das Resultat wurde etwa 1 Stunde lang unter den gleichen Bedingungen zur Beschleunigung der Reaktion und zur Homogenisierung der ausgebildeten Gewebe belassen, um ein Verbundmaterial als Vergleichsbeispiel 2 zu erstellen. Der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials betrug 42 Vol.-%.
(Syntheseergebnisse und Bestimmung der physikalischen Eigenschaften)
Jedes Teststück der vorbereiteten Proben, wie oben erwähnt, wurde aus den jeweiligen Proben der vorbereiteten intermetallischen Aluminidverbindungen ausgeschnitten, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die themische Leitfähigkeit derselben zu bestimmen. Die Ergebnisse der Bestimmung werden unten stehend in Tabelle 5 gemeinsam mit den Ergebnissen der Synthese gezeigt. Das Verfahren zur Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit werden unten beschrieben.
(Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten)
Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird unter Verwendung eines Thermodilatometers (hergestellt von Max Science: Modell TD-5000S) in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur (25°C) bis zu einer vorbestimmten Temperatur unter Argonatmosphäre bestimmt.
(Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit)
Die thermische Leitfähigkeit wird gemäß des Laserblitzverfahrens unter Verwendung einer Wärmekonstant-Messvorrichtung (hergestellt von Shinku Riko: Model 5000S) bei Raumtemperatur (25°C) bestimmt.
Wie anhand der in Tabelle 5 gezeigten Ergebnisse ersichtlich, kann im Falle der gemäß dem vorliegenden Verfahren erzeugten Proben der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials auf einen gewünschten Pegel durch Ändern der Menge an Ausgangsmaterialien geregelt werden; im Falle des vorliegenden Verfahrens wird nur die Matrix in situ ausgebildet. Demgegenüber wird der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials auf einen bestimmten Wert fixiert, wenn Al₂O₃ als Verstärkungsmaterial verwendet wurde oder die Matrix und das Verstärkungsmaterial in situ, wie in Vergleichsbeispiel 2, ausgebildet wurden. Es wird deutlich, dass ein Verbundmaterial mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten unter Verwendung von SiC, AlN, Si₃N₄ als Verstärkungsmaterial, vorzugsweise durch Erhöhung der Menge eines solchen Verstärkungsmaterials, erzeugt werden kann.
Wenn SiC als Verstärkungsmaterial verwendet wurde, wurde die thermische Leitfähigkeit im Vergleich zum Fall, in dem Al₂O₃ oder Si₃N₄ verwendet wurde, auf das Zweifache erhöht. Ferner wurde die thermische Leitfähigkeit auf das Dreifache erhöht, wenn AlN verwendet wurden, verglichen mit dem Fall, in dem Al₂O₃ oder Si₃N₄ verwendet wurde. Daher kann ein Verbundmaterial mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften durch Ändern der Art des Verstärkungsmaterials und des Volumenanteils desselben erzeugt werden.
[Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung unter Verwendung von Metallpulver]
Wie in Tabelle 6 gezeigt, wurde als Verstärkungsmaterial Al₂O₃ vorbereitet, welches einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 47 μm hat; als Metallpulver wurde Ti mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 μm vorbereitet; als Oxidpulver wurde TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,6 μm vorbereitet; und Al war in das verdichtete Mischpulver [handelsübliches reines Al (Al050, Reinheit: > 99,5%)] zu imprägnieren. Die Mengen an Ti-Pulver, TiO₂-Pulver und Al wurden so angepasst, dass die Matrix der Al₃Ti-Phase zum Ausbilden gebracht wurde. Danach wurden Al₂O₃-Körnchen dieser in einer solchen Menge beigemengt, dass das Verstärkungsmaterial den in Tabelle 6 gezeigten Volumenanteil aufwies. Das Ergebnis wurde in ein Gefäß mit einer gewünschten Form gefüllt, dann wurde die Mischung unter Druck von etwa 1 MPa verdichtet. Al wurde auf der so verdichteten Mischung positioniert. Die entstehende Mischung wurde eine Zeit lang unter Vakuum belassen und dann auf eine Temperatur von 700°C unter dem gleichen Druck erwärmt. Nach dem Belassen des Ergebnisses für etwa 1 Stunde wurde dieses allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt, um die jeweiligen Proben Nr. 35 bis 39 der Verbundmaterialen auf Basis intermetallischer Verbindungen, wie in Tabelle 6 gezeigt, zu erstellen.
Jedes Teststück der Proben, welche wie oben erwähnt vorbereitet wurden, wurde aus den entsprechenden Proben der vorbereiteten intermetallischen Aluminidverbindungen ausgeschnitten, um die Ergebnisse der Synthese und den Dichtegrad derselben zu überprüfen. Die Ergebnisse derselben werden unten in Tabelle 6 gemeinsam mit dem Volumenanteil und Ähnlichem dargestellt.
Es wurde bestätigt, dass die gesamte Matrix in eine intermetallische Verbindung der Proben Nr. 35 bis 39 umgewandelt wurde, die gemäß dem vorliegenden Verfahren erzeugt wurden, sogar in einem Fall, in dem der Volumenanteil des Verstärkungsmaterials 50% übersteigt. Hierin ist nicht erwünscht, eine bestimmte Theorie als verbindlich anzusehen, es wird jedoch überlegt, dass das als Ergebnis der Reaktion, welche durch die Reduktionsreaktion des TiO₂-Pulvers in den Mikroräumen zwischen den im voraus hinzugefügten Al₂O₃-Körnchen induziert wurde, in situ ausgebildetes Al₂O₃ die Mikroräume ausfüllte und dies könnte zur Verbesserung des Volumenanteils des Verstärkungsmaterials beigetragen haben.
Im Falle der Proben der Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurde festgestellt, dass die ausgebildete Matrix aufgrund der störenden Ereignisse während der Al-Imprägnierung nicht dicht genug ausgebildet wurde. Diese Proben sind intermetallische Verbindungen, die ohne die Verwendung von TiO₂-Pulver erzeugt wurden.
[Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis einer intermetallischen Verbindung ohne Veränderung der Matrix-Zusammensetzung]
Als Verstärkungsmaterial wurde Al₂O₃ vorbereitet, welches in Form von Masseteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 47 μm vorliegt; als Metallpulver wurde Ti mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 μm vorbereitet; und Al war in das verdichtete Mischpulver [handelsübliches reines Al (Al050, Reinheit: > 99,5%)] zu imprägnieren. Die Menge an Ti-Pulver und Al wurden so angepasst, dass die Matrix eine gemischte Phase einer intermetallischen Verbindung der Al₃Ti-Phase und ein zurückbleibendes Al/eine intermetallische Verbindung der Al₃Ti-Phase wurde. Danach wurden Al₂O₃-Körnchen dieser in einer solchen beigemengt, dass das Verstärkungsmaterial einen Volumenanteil von 40% aufwies. Das Ergebnis wurde in ein Gefäß mit einer gewünschten Form gefüllt, dann wurde die eingefüllte Mischung unter Druck von etwa 1 MPa verdichtet. Al wurde auf der so verdichteten Mischung positioniert. Die entstehende Mischung wurde unter einer Atmosphäre von 0,00133 Pa eine Zeit lang belassen, dann wurde sie auf eine Temperatur von 700°C unter dem gleichen Druck erwärmt. Nach dem Belassen des Ergeb nisses für etwa 3 Minuten wurde dieses allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt, um die jeweiligen Proben Nr. 40 bis 44 des in Tabelle 7 gezeigten Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung zu erstellen. Ferner wurden ein Metallmatrix-Verbundmaterial, umfassend Al₂O₃ als Verstärkungsmaterial und Al als Matrix, als Vergleichsbeispiel 2 und eine Al-Legierung (A5050) als Vergleichsbeispiel 6 vorbereitet.
Jede Probe mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung wird einer XRD-Analyse unterzogen, um die Intensität der Röntgenstrahlen zu bestimmen, und das Masseverhältnis zwischen Metall und der intermetallischen Verbindung jeder Probe wurde unter Verwendung der Standardkurve berechnet, welche durch Aufzeichnen der Ergebnisse der XRD-Analyse auf den Standardproben vorbereitet wurde, deren Masseverhältnis zwischen Metall und der intermetallischen Verbindung an die entsprechenden vorbestimmten Pegel angepasst worden ist. Die Ergebnisse derselben sind unten in Tabelle 7 dargestellt. Proben Nr. 41, 42 und 44 wurden einer XRD-Analyse unterzogen. Das entstandene Diagramm derselben wird in 1 gezeigt. Hierbei ist anzumerken, dass die Ziffernanzeigen 0:10, 2:8 bzw. 3:7 das Masseverhältnis zwischen Al und intermetallischen Aluminidverbindungen anzeigen.
(Bestimmung des E-Moduls)
Der E-Modul jeder Probe wird durch ein Vierpunkt-Biegeverfahren gemäß JIS R 1601 unter Verwendung einer Probe mit einer vorbestimmten Form bestimmt.
Es wurde bestätigt, dass die Proben Nr. 41 bis 44 gemäß dem vorliegenden Verfahren nicht nur einen höheren E-Modul, sondern auch einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 5 aufweisen, dessen Matrix Al ist. So wird bevorzugt, dass die gesamte Matrix eine intermetallische Verbindung ist, um ein Verbundmaterial mit einem höheren E-Modul zu erhalten. Demgegenüber nimmt die Bruchfestigkeit zu, wenn der Gehalt des zurückbleibenden Al zunimmt. Leider führt dies jedoch mit dem Ansteigen des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einem abrupten Abfall des E-Moduls, wenn der Gehalt des zurückbleibenden Al zunimmt, wie etwa in Probe Nr. 40. Demgemäß wird bevorzugt, ein passendes Masseverhältnis von Al zur Ausbildung der Matrix und der intermetallischen Verbindung innerhalb eines Bereichs von 0:10 bis 3:7 auszuwählen.
Die Anwesenheit von Al in der Matrix wurde durch das Auftreten der Spitze im Diagramm, das die Resultate der XRD-Analyse, für jedes Beispiel zeigt, das durch Änderung des Massenverhältnisses zwischen Al und Aluminium-Intermetallverbindung in einem Bereich von 0:10 bis 3:7 hergestellt wurde. Es ist deutlich geworden, dass die Ausbildung der intermetallischen Aluminidverbindung als eine nach der Synthese ausgebildete Phase und des zurückbleibenden Al ebenfalls durch die XRD-Analyse bestätigt werden kann, neben der thermischen Analyse unter Verwendung von DTA.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ungehindert ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung mit einem gewünschten Verhältnis zwischen der intermetallischen Aluminidverbindung und Al, das die Matrix in dem Verbundmaterial bildet, durch Anpassen des Mischungsverhältnisses von Al und Ti erzeugt werden.
Wie oben beschrieben, werden gemäß dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung (1) ein Metallpulver und ein Oxidpulver, welches durch Al reduzierbar ist, mit einem Verstärkungsmaterials gemischt und (2) eine Al-Schmelze führt zu einer spontanen Verbrennungsreaktion, wodurch ein Verbundmaterial auf Basis einer intermetallischen Verbindung im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren bei einer niedrigen Temperatur ohne Druckanlegung erzeugt werden. Da eine intermetallische Aluminid verbindung in situ synthetisiert wird, kann ferner ein Vorbehandlungsschritt zur Ausbildung der intermetallischen Verbindung beseitigt werden. Ferner wird eine endkonturnahe Ausformung möglich. Daher sind Reduktionen sowohl bei den Herstellungsschritten als auch bei den Herstellungskosten möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Basis einer intermetallischen Verbindung, das ein Verstärkungsmaterial und eine intermetallische Verbindung umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Vermischen eines Metallpulvers und eines Oxidpulvers, das mit Al reduziert werden kann, mit einem Verstärkungsmaterial zum Erhalt eines Pulvergemischs, Füllen des so erhaltenen Pulvergemischs in ein Gefäß, Platzieren von Al auf einer Oberseite des in das Gefäß gefüllten Pulvergemischs und Erhitzen des Al und des Pulvergemischs unter reduziertem Druck, um das Al zu schmelzen, wodurch das Pulvergemisch mit Al-Schmelze imprägniert wird, um eine spontane Reaktion zwischen dem Metallpulver und der Al-Schmelze hervorzurufen, um die Al-Schmelze in eine intermetallische Aluminid-Verbindung überzuführen, worin das Al, das Metallpulver und das Oxidpulver jeweils in einer solchen Menge eingesetzt werden, dass das Massenverhältnis zwischen nach der spontanen Reaktion zurükbleibendem Al und dem auf der intermetallischen Verbindung basierenden Verbundmaterial im Bereich von 0:10 bis 3:7 liegt und worin der Volumsanteil des Verstärkungsmaterials in dem auf der intermetallischen Verbindung basierenden Verbundmaterial im Bereich von 10 bis 70 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Metallpulver mit Al in einer solchen Menge imprägniert wird, dass nach der spontanen Verbrennungsreaktion kein Al zurückbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin es sich bei dem Verstärkungsmaterial um ein faser-, teilchen- oder whiskerförmiges Material handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Verstärkungsmaterial eines von Al₂O₃, AlN, SiC und Si₃N₄ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Metallpulver einen mittleren Teilchendurchmesser aufweist, der 5 bis 80% des mittleren Teilchendurchmessers des Verstärkungsmaterials entspricht.