DE68919652T2

DE68919652T2 - Verfahren zum Formen von Makro-Verbundwerkstoff-Körpern und Makroprodukte daraus.

Info

Publication number: DE68919652T2
Application number: DE68919652T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Christopher Robin Kennedy; Alan Scott Nagelberg; Marc Stevens Newkirk; Danny Ray White; Robert James Wiener
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: NO177583C; EP0369931A1; FI894941A0; DK559789D0; NZ231079A; PH26794A; CN1064289C; TR27147A; EP0369931B1; AU649561B2; IE893187L; AU4170489A; NO893994D0; KR0148341B1; CA2000790A1; US5618635A; PT92261A; JP2905525B2; US5040588A; FI91496B

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Makroverbundkörpers durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer permeablen Vorform durch schmelzflüssiges Matrixmetall und Verbinden des spontan infiltrierten Materials mit mindestens einem zweiten Material, z.B. einer Keramik und/oder einem Metall. Im einzelnen stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Außerdem wird das Füllstoffmaterial oder die Vorform vor der Infiltration in Kontakt mit zumindest einem Teil eines zweiten Materials angeordnet, so daß nach der Infiltrafion des Füllstoffmaterials oder der Vorform das infiltrierte Material mit dem zweiten Material verbunden ist, wodurch ein Makroverbundkörper gebildet wird.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einer Metallmatrix und einer stabilisierenden oder verstärkenden Phase, wie z.B. keramischen Teilchen, Whiskern, Fasern oder dergleichen, bestehen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend, da sie einen Teil der Steifheit und der Verschleißfestigkeit der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix-Verbundmaterial Verbesserungen solcher Eigenschaften wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit und der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls, wenn es als ein Stück vorliegt, auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschaft verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen und ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundmaterials verarbeitet werden. In einigen Fällen kann das Verbundmaterial auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundmaterialien mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliciumcarbid in Form von beispielsweise Teilchen, Plättchen oder Whiskern verstärkt sind, sind aufgrund ihrer größeren Steifheit, Verschleißfestigkeit und größeren Hitzestabilität im Vergleich zum Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, einschließlich von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken und Techniken der Infiltration flüssiger Metalle beruhen, die Preßgießen, Vakuumgießen, Rühren und Netzmittel zum Einsatz bringen. Bei pulvermetallurgischen Techniken wird das Metall in Form eines Pulvers und das verstärkende Material in Form eines Pulvers, von Whiskern, Schnittfasern etc. miteinander vermischt und entweder kalt gepreßt und gesintert oder warm gepreßt. Es wurde berichtet, daß der maximale Volumenanteil der Keramik in Verbundmaterialien mit einer durch Siliciumcarbid verstärkten Aluminiummatrix, die durch dieses Verfahren erzeugt werden, im Falle von Whiskern bei ungefähr 25 Volumenprozent liegt und im Falle von Teilchen bei ungefähr 40 Volumenprozent.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundmaterialien durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundmaterial ist typischerweise, im Falle von Teilchen, auf ungefähr 40 Prozent begrenzt. Auch setzt der Preßvorgang der erzielbaren Größe Grenzen. Es sind nur relativ einfache Formen der Produkte ohne eine sich anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Ausformen oder Abspanen) oder ohne komplexe Pressen möglich. Auch kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen sowie zu einer Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das U.S.-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundmaterials, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, die ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Der Verbundmaterial wird dadurch herstellt, daß parallele Matten oder Filze aus Fasern, die in derselben Ebene liegen, in eine Form gegeben werden, wobei sich ein Reservoir aus schmelzflüssigem Matrixmetall, z.B. Aluminium, zwischen zumindest einigen der Matten befindet, und durch Anwenden von Druck, um das schmelzflüssige Metall dazu zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die ausgerichteten Fasern zu umgeben. Es kann schmelzflüssiges Metall auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es durch Anwendung von Druck dazu gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beladungen von bis zu ungefähr 50 Volumenprozent an verstärkenden Fasern im Verbundmaterial berichtet.
Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß ist, im Hinblick auf seine Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu pressen, den Unregelmäßigkeiten druckinduzierter Flußprozesse ausgesetzt, d.h. einer möglichen Uneinheitlichkeit der Matrixbildung, der Porosität, etc.. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist auch, wenn das schmelzflüssige Metall an mehreren Stellen in die faserförmige Anordnung eingebracht werden kann, möglich. Deshalb ist es erforderlich, komplizierte Anordnungen aus Matte und Reservoir und von Flußwegen zu schaffen, um eine angemessene und gleichmäßige Durchdringung des Stapels aus Fasermatten zu erzielen. Auch ermöglicht die eben beschriebene Methode der Druckinfiltration aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Infiltration großer Mattenvolumina verbunden sind, nur eine relativ geringe Verstärkung des Volumens der Matrixfraktion. Außerdem müssen die Formen das schmelzflüssige Metall unter Druck aufnehmen, was die Kosten des Prozesses erhöht. Schließlich zielt der genannte Prozeß, der auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht darauf ab, Aluminium- Metallmatrix-Verbundmaterialien zu erzielen, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von Verbundmaterialien, die aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid-Füllstoffen bestehen, benetzt das Aluminium nicht ohne weiteres das Aluminiumoxid, wodurch es schwierig wird, ein zusammenhängendes Produkt herzustellen. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein derartiger Ansatz liegt darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall zu beschichten (z.B. Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium warm gepreßt wird. Bei einer anderen Technik ist das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstände Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das U.S.-Patent Nr. 4232 091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundmaterialien aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25/1. Da äußerer Druck angelegt werden muß, um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundmaterialien aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirkoniums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, wie durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt entweder die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Entfernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug aus einer Mischung aus einem Netzmittel und einem Löslichkeitserniedriger auf das Substrat aus Aluminiumoxid vor dem Anfahren der Zelle, oder während es im schmelzflüssigen Aluminium, das durch den elektrolytischen Prozeß gebildet wird, eingetaucht ist, aufgetragen. Die offengelegten Netzmittel sind Titan, Zirkonium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium, und Titan wird als das bevorzugte Mittel bezeichnet. Von Verbindungen des Bors, Kohlenstoffs und des Stickstoffs wird beschrieben, da sie nützlich für die Erniedrigung der Löslichkeit der Netzmittel im schmelzflüssigen Aluminium sind. Diese Arbeit legt jedoch weder die Herstellung von Metallmatrix-Verbundmaterialien nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundmaterials in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre nahe.
Zusätzlich zur Anwendung von Druck und von Netzmitteln wurde offengelegt, daß das Anlegen eines Vakuums das Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen keramischen Preßkörper erleichtert. Zum Beispiel berichtet das U.S.-Patent Nr. 3 718 441, das am 27. Februar 1973 an R. L. Landingham erteilt wurde, über die Infiltration eines keramischen Preßkörpers (z. B. Borcarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das U.S.-Patent Nr. 3864154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem AIB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AIB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AIB&sub1;&sub2;, der sandwichartig zwischen den Schichten aus Aluminiumpulver vorlag, beladen war, wurde in einen Vakuumschmelzofen gegeben. Der Ofen wurde auf ungefähr 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um ein Ausgasen zu ermöglichen. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und 3 Stunden lang gehalten. Unter diesen Bedingungen durchdrang das schmelzflüssige Aluminium den porösen Preßkörper aus AIB&sub1;&sub2;.
Das U.S.-Patent Nr. 3 364 976, das am 23. Januar 1968 an John N. Reding et al. erteilt wurde, legt das Konzept zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung das Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper offen. Speziell wird offengelegt, daß ein Körper, z.B. eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses hitzebeständiges Material, vollkommen in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas gefüllt ist, das mit dem Metall reagiert, mit dem außen lokalisierten schmelzflüssigen Metall durch zumindest eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird füllt sich der Hohlraum, da die Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall das selbsterzeugte Vakuum schafft. Insbesondere ist das Vakuum das Ergebnis der Bildung einer festen oxidierten Form des Metalls. Somit legen Reding et al. offen, daß es essentiell ist, eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall hervorzurufen. Die Verwendung einer Form zur Erzeugung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der Beschränkungen, die zwangsläufig mit der Verwendung einer Form verbunden sind, unerwünscht sein. Formen müssen zunächst durch Abspanen in die jeweilige Gestalt gebracht werden; dann müssen sie geglättet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form zu erzeugen; dann vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden; dann nach ihrer Verwendung auseinandergenommen werden, um das gegossene Stück aus ihnen zu entfernen; und danach muß die Form überholt werden, wozu höchstwahrscheinlich eine Neubearbeitung der Oberflächen der Form oder das Verwerfen der Form gehört für den Fall, daß sie nicht mehr für eine Verwendung geeignet ist. Das Abspanen der Form, um ihr eine komplexe Gestalt zu geben, kann sehr teuer und zeitaufwendig sein. Darüber hinaus kann das Entfernen eines geformten Stückes aus einer Gußform von komplexer Gestalt ebenfalls schwierig sein (d.h., gegossene Stücke mit einer komplexen Form könnten beim Entfernen aus der Form zerbrochen werden). Weiterhin muß, obwohl vorgeschlagen wurde, daß ein poröses hitzebeständiges Material direkt in ein schmelzflüssiges Metall eingetaucht werden kann, ohne daß eine Form notwendig ist, das hitzebeständige Material aus einem Stück bestehen, da in Abwesenheit eines Formbehälters keine Möglichkeit besteht, ein in mehrere Teile zerfallenes poröses Material zu infiltrieren (d.h., es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material beim Eintauchen in ein schmelzflüssiges Metall typischerweise auseinanderfällt oder auseinanderschwimmt). Weiterhin sollte, wenn es gewünscht war, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, Vorsorge getroffen werden, daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Bereiche der Teilchen oder der Vorform verdrängt, was zu einer inhomogenen Mikrostruktur führen würde.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundmaterialien, der nicht auf die Verwendung eines Druckes oder eines Vakuums angewiesen ist (ganz gleich, ob äußerlich angewendet oder intern erzeugt) oder auf schädigende Netzmittel, um eine Metallmatrix zu erzeugen, die ein anderes Material, wie z.B. ein keramisches Material, einbettet. Darüber hinaus besteht schon lange ein Bedarf danach, das Ausmaß der abschließenden maschinellen Bearbeitungen, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers erforderlich sind, zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß sie einen Mechanismus zur spontanen Infiltration eines Materials (z.B. eines keramischen Materials) liefert, das zu einer Vorform ausgebildet und/oder mit einem Sperrschichtelement versehen sein kann, durch schmelzflüssiges Matrixmetall (z.B. Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoff) bei normalem Atmosphärendruck, solange wie ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses anwesend ist.

Beschreibung von Patentanmeldungen desselben Anmelders

Der Gegenstand dieser Anmeldung steht in Zusammenhang mit denjenigen verschiedener anderer ebenfalls anhängiger Patentanmeldungen desselben Anm elders. Im einzelnen beschreiben diese anderen ebenfalls anhängigen Anmeldungen neuartige Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Metallmatrix (die hier im folgenden manchmal als "Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders" bezeichnet werden).
Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix wird in der EP-A-291 441 desselben Anmelders offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundmaterial durch die Infiltration einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angelegt wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nicht oxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Matrix aus Aluminium (oder aus einer Aluminiumlegierung). Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung fest werden zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise wird soviel schmelzflüssige Legierung bereitgestellt, daß die Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen der Masse aus Füllstoffmaterial voranschreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials in den Aluminiummatrix-Verbundmaterialien, die gemäß der Erfindung der EP-A-291 441 hergestellt werden, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann, in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundmaterials maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß der Verbundmaterial wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, aber den Prozeß auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eines Gleichgewichtes zwischen der Infiltrationskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für ein geeignetes Sperrschichtelement für die Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundmaterialien wird in der EP-A-323 945 desselben Anmelders beschrieben. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird ein Sperrschichtelement (z.B. teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie z.B. ein biegsames Graphitband, das von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil vertrieben wird) auf eine festgelegte Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials aufgebracht, und die Matrixlegierung infiltriert bis zu der Grenze, die durch das Sperrschichtelement festgelegt wird. Das Sperrschichtelem ent wird verwendet, um die Infiltration der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch es zur Bildung von Metallmatrix-Verbundmaterialien mit einer endgültigen oder nahezu endgültigen Form kommt. Dementsprechend weisen die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelementes entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291 441 wurde dann durch die EP-A-333 629 desselben Anmelders verbessert. Gemäß den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offengelegt werden, liegt eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle eines Metalls und als ein Reservoir an Matrixmetallegierung vor, das z.B. aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Quelle an schmelzflüssigem Metall kommuniziert. Insbesondere beginnt unter den Bedingungen, die in dieser Patentanmeldung beschrieben werden, die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse aus Füllstoffmaterial bei normalem Atmosphärendruck zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrix-Verbundmaterials. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn es gewünscht wird, bei Bedarf nachgeliefert werden, vorzugsweise kontinuierlich aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall, wenn die spontane Infiltration voranschreitet,. Wenn eine gewünschte Menge an permeablem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die permeable Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der permeablen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin könnte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern daß überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix-Verbundkörper verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundkörper (z.B. ein Makrokomposit), bei dem ein infiltrierter keramischer Körper, der eine Metallmatrix enthält, direkt an überschüssiges Metall, das im Reservoir verblieben ist, gebunden ist.
Jede der oben diskutierten Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders beschreibt Verfahren für die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neuartige Metallmatrix-Verbundkörper, die damit hergestellt werden. Die gesamten Offenlegungen aller vorangehender Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein Makroverbundkörper durch Ausbilden eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der mit einem zweiten Material in Kontakt gebracht und verbunden wird, hergestellt. Ein Metallmatrix-Verbundkörper wird durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall hergestellt. Im einzelnen befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt des Prozesses, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Infiltrationsverstärker direkt entweder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Makroverbundkörpers, das in der EP-A- 333 629 desselben Anmelders beschrieben wird, ist die Menge an Matrixmetall, die für die spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bereitgestellt wird, größer als die Menge, die zur Erreichung einer vollständigen Infiltration des permeablen Materials benötigt wird. Somit verbleibt restliches oder überschüssiges Matrixmetall (z.B. dasjenige Matrixmetall, das nicht bei der Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgebraucht wurde) in Kontakt mit der infiltrierten Masse und wird fest mit der infiltrierten Masse verbunden. Die Menge, Größe, Form und/oder Zusammensetzung des restlichen Matrixmetalls kann so gesteuert werden, daß eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Kombinationen erzeugt wird. Weiterhin kann die relative Größe des Metallmatrix-Verbundkörpers im Vergleich zum restlichen Matrixmetall von einem Extrem, das aus der Ausbildung einer Haut aus Metallmatrix-Verbundmaterial auf einer Oberfläche des restlichen Matrixmetalls (es erfolgte z.B. eine spontane Infiltration nur in geringem Ausmaß) besteht, bis zu einem anderen Extrem reichen, das aus der Ausbildung einer Haut aus Matrixmetall auf einer Oberfläche eines Metallmatrix-Verbundkörpers (z.B. wurde nur eine geringe Menge an überschüssigem Matrixmetall bereitgestellt) besteht.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit zumindest einem Teil eines anderen oder zweiten Körpers (z.B. eines keramischen oder metallenen Körpers) in Kontakt gebracht, und schmelzflüssiges Matrixmetall infiltriert spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zumindest einer Oberfläche des zweiten Körpers, wodurch der Metallmatrix-Verbundkörper fest mit dem zweiten Körper verbunden wird. Die Verbindung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit dem zweiten Körper kann darauf beruhen, daß das Matrixmetall und/oder das Füllstoffmaterial oder die Vorform mit dem zweiten Körper reagieren. Weiterhin kann es, wenn der zweite Körper den Metallmatrix- Verbundkörper zumindest teilweise oder im wesentlichen vollständig umgibt oder vom gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper umgeben wird, zu einem Schrumpfsitz oder Drucksitz kommen. Ein derartiger Schrumpfsitz kann die einzige Möglichkeit darstellen, den Metallmatrix-Verbundkörper mit dem zweiten Körper zu verbinden, oder er kann zusammen mit anderen Mechanismen der Verbindung zwischen einem Metallmatrix-Verbundkörper und dem zweiten Körper vorkommen. Weiterhin kann der Umfang des Schrumpfsitzes durch Auswahl geeigneter Kombinationen der Matrixmetalle, der Füllstoffmaterialien oder Vorformen und/oder der zweiten Körper zur Erzielung einer gewünschten Übereinstimmung oder durch Auswahl der Wärmeausdehnungskoeffizienten gesteuert werden. So könnte z.B. ein Metallmatrix-Verbundkörper so hergestellt werden, daß er einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein zweiter Körper besitzt, und der Metallmatrix-Verbundkörper umgibt zumindest teilweise einen zweiten Körper. Bei diesem Beispiel würde der Metallmatrix-Verbundkörper mit dem zweiten Körper zumindest durch einen Schrumpfsitz verbunden werden. Somit kann ein breites Spektrum an Makroverbundkörpern hergestellt werden, die aus einem Metallmatrix-Verbundkörper, der mit einem zweiten Körper, z.B. einem weiteren Keramik- oder Metallkörper, verbunden ist, bestehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird überschüssiges oder restliches Matrixmetall der oben diskutierten ersten bevorzugten Ausführungsform zugesetzt (z.B. der Kombination aus Matrixmetall-Verbundkörper und zweitem Körper). Bei dieser Ausführungsform wird, ähnlich wie bei dem hierin diskutierten Verfahren der EP-A-333 629, mehr Matrixmetall für die spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bereitgestellt, als für das Erzielen einer vollständigen Infiltration des permeablen Materials erforderlich ist. Weiterhin wird, ähnlich wie bei der ersten, oben diskutierten Ausführungsform, ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit wenigstens einem Teil eines anderen oder zweiten Körpers in Kontakt gebracht (z.B. eines Körpers aus Keramik oder eines Körpers aus Metall), und schmelzflüssiges Matrixmetall infiltriert spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zu wenigstens einer Oberfläche des zweiten Körpers, was dazu führt, daß der Metallmatrix-Verbundkörper fest mit dem zweiten Körper verbunden wird. So kann ein Makroverbundkörper erhalten werden, der sogar noch komplexer ist als der Makroverbundkörper, der in den beiden oben diskutierten Ausführungsformen erhalten wurde. Genauer gesagt kann dadurch, daß ein Metallmatrix-Verbundkörper ausgewählt und mit sowohl einem zweiten Körper (z.B. einer Keramik und/oder einem Metall) als auch mit überschüssigem oder restlichem Matrixmetall kombiniert werden kann, eine praktisch unbegrenzte Zahl an Permutationen oder Kombinationen erzielt werden. Zum Beispiel könnte, wenn es gewünscht wird, einen Schaft oder einen Stab aus Makroverbundmaterial herzustellen, ein innerer Teil des Schaftes aus einem zweiten Körper bestehen (z.B. einer Keramik oder einem Metall). Der zweite Körper könnte zumindest teilweise von einem Metallmatrix-Verbundkörper umgeben sein. Der Metallmatrix-Verbundkörper könnte dann zumindest teilweise von einem zweiten Körper oder restlichem Matrixmetall umgeben sein. Wenn der Metallmatrix-Verbundkörper von restlichem Matrixmetall umgeben ist, dann könnte ein anderer Metallmatrix-Verbundkörper das restliche Matrixmetall zumindest teilweise umgeben (z.B. könnte das restliche Matrixmetall in ausreichender Menge bereitgestellt werden, so daß es sowohl nach innen in Richtung eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform, das bzw. die mit einem inneren Teil eines Matrixmetalls in Kontakt steht, als auch nach außen in Richtung eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform, das bzw. die mit einem äußeren Teil eines Matrixmetalls in Kontakt steht, infiltriert. Dementsprechend werden durch diese dritte Ausführungsform der Erfindung beträchtliche Konstruktionsmöglichkeiten geschaffen.
Bei jeder der oben diskutierten bevorzugten Ausführungsformen kann ein Metallmatrix- Verbundkörper auf einem Träger aus Matrixmetall als entweder eine äußere oder eine innere Oberfläche oder als beides ausgebildet werden. Weiterhin kann die Oberfläche aus dem Metallmatrix-Verbundkörper in Hinblick auf die Größe des Trägers aus Matrixmetall von ausgewählter oder vorher festgelegter Dicke sein. Die Techniken der spontanen Infiltration der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung von dickwandigen oder dünnwandigen Bauteilen aus Metallmatrix-Verbundmaterial, bei denen das relative Volumen des Matrixmetalls, das die Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers darstellt, erheblich größer oder geringer als das Volumen des Substrates aus Matrixmetall ist. Weiterhin kann der Metallmatrix-Verbundkörper, der entweder eine äußere oder eine innere Oberfläche oder beides darstellen kann, auch mit einem zweiten Material verbunden werden, wie z.B. einer Keramik oder einem Metall, wodurch eine beträchtliche Zahl von Kombinationen der Verbindung zwischen einem Metallmatrix- Verbundkörper und/oder überschüssigem Matrixmetall und/oder einem zweiten Körper, wie z.B. einem Körper aus Keramik oder Metall, bereitgestellt wird.
Bezüglich der Herstellung des Metallmatrix-Verbundkörpers wird angemerkt, daß diese Anmeldung primär Matrixmetalle aus Aluminium diskutiert, die an einem gewissen Punkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit Magnesium in Kontakt gebracht werden, das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert, und zwar in Gegenwart von Stickstoff, der als Infiltrationsatmosphäre fungiert. Somit kommt es in dem System Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff zur spontanen Infiltration. Jedoch können sich andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre auf ähnliche Weise wie das System Aluminium/Magnesium/Stickstoff verhalten. Zum Beispiel wurde ein spontanes Infiltrationsverhalten in dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Calcium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß, obwohl hier primär das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff diskutiert wird, sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten können.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform aus einem Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid) oder einem Füllstoffmaterial in Kontakt gebracht, wobei das genannte Füllstoffmaterial oder die Vorform beigemischtes Magnesium enthält, und/oder es bzw. sie wird an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt. Darüber hinaus sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial für zumindest einen bestimmten Abschnitt des Prozesses in einer Stickstoffatmosphäre enthalten. Die Vorform wird spontan infiltriert werden, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundmaterials hängt von einer vorgegebenen Kombination an Prozeßbedingungen ab, zu denen z.B. die Konzentration des Magnesiums gehört, die dem System zur Verfügung steht (z.B. in der Aluminiumlegierung und/oder im Füllstoffmaterial und/oder in der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeit, für die man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß, das ausreicht, die Vorform oder das Füllstoffmaterial im wesentlichen vollständig einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. die im Handel erhältlichen Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink etc. enthalten. Eine Aluminiumlegierung für die Zwecke dieser Definition ist eine Legierung oder eine Zwischenmetallverbindung, in der Aluminium den Hauptbestandteil darstellt.
"Restliches nichtoxidierendes Gas", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu dem primären Gas, das die Infiltrationsatmosphäre ausmacht, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen unter den Prozeßbedingungen mit dem Matrixmetall nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas, welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
"Sperre" oder "Sperrschichtelement", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet jedes geeignete Mittel, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetallmaterial auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes Abspanen oder ein Schleifen, das notwendig sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metall matrix-Verbundkörperproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder permeabel gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten.
"Gerüst" oder "Gerüst aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in Kontakt mit zumindest einem Teil des Metallmatrix-Verbundkörpers, der gebildet wurde, bleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst typischerweise auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Überschüssiges Matrixmetall" oder "restliches Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet diejenige Menge an Matrixmetall, die übrigbleibt, nachdem die spontane Infiltration in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform in einem gewünschten Umfang erreicht worden ist, und die eng mit dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper verbunden ist. Das überschüssige oder restliche Matrixmetall kann die gleiche oder eine andere Zusammensetzung haben wie bzw. als das Matrixmetall, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert hat.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen, die mit dem Matrixmetall im wesentlichen nicht reagieren und/oder von begrenzter Löslichkeit im Matrixmetall sind, und die aus einer Phase oder mehreren Phasen bestehen können. Füllstoffe können in einer großen Vielzahl von Formen bereitgestellt werden, wie z.B. als Pulver, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whisker, Blasen etc., und sie können entweder dicht oder porös sein. Zu "Füllstoffen" können auch keramische Füllstoffe gehören, wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff-Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen. Zu Füllstoffen können auch Metalle gehören.
"Infiltrationsatmospäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige vorliegende Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung tritt und den Ablauf der spontanen Infiltration des Matrixmetalls gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüber hinaus kann der Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und im wesentlichen wirkt er auf ähnliche Weise wie ein Infiltrationsverstärker, der sich aus einer Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer anderen Spezies gebildet hat. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen, damit die spontane Infiltration erzielt wird.
"Infiltrationsverstärker-Vorläufer" oder "Vorläufer des Infiltrationsverstärkers", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrationsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall zur spontanen Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bringt oder es dabei unterstützt. Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu treten. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur, in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Makroverbundkörper", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine beliebige Kombination von zwei oder mehreren Materialien beliebiger Konfiguration, die eng miteinander verbunden sind, z.B. durch eine chemische Reaktion und/oder eine Druckanpassung oder ein Aufschrumpfen, wobei zumindest eines der Materialien aus einem Metallmatrix-Verbundmaterial besteht, das durch die spontane Infiltration eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in eine permeable Masse aus Füllstoffmaterial, eine Vorform oder einen fertigen keramischen oder metallenen Körper, der zumindest etwas Porosität enthält, hergestellt wurde. Das Metallmatrix- Verbundmaterial kann als eine äußere Oberfläche und/oder als eine innere Oberfläche vorliegen. Es sollte klar sein, daß die Reihenfolge, Zahl und/oder Lokalisation eines Metallmatrix- Verbundkörpers oder von Metallmatrix-Verbundkörpern bezüglich der Körper aus restlichem Matrixmetall und/oder der zweiten Körper auf un begrenzte Weise manipuliert oder gesteuert werden können.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetallegierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeuten dasjenige Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers eingesetzt wird (z.B. vor der Infiltration) und/oder dasjenige Metall, das mit einem Füllstoffmaterial vermischt wird so daß ein Metallmatrix-Verbundkörper gebildet wird (z.B. nach der Infiltration). Wenn ein bestimmtes Metall als das Matrixmetall erwähnt wird, dann sollte klar sein, daß dieses Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, eine Zwischenmetallverbindung oder eine Legierung, in der dieses Metall den Hauptbestandteil oder den vorherrschenden Bestandteil darstellt, beinhaltet.
"System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre" oder "spontanes System", wie die Begriffe hier verwendet werden, bezieht sich auf diejenige Kombination von Materialien, die zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führt. Es sollte klar sein, daß immer, wenn ein "/" zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, das "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu benennen, die, wenn sie auf bestimmte Weise kombiniert werden, zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führen.
"Metallmatrix-Verbundmaterial oder "MMC", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das ein(e) in zwei oder drei Dimensionen in sich verbundene(s) Legierung oder Matrixmetall aufweist, die bzw. das eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente enthalten, um dem resultierenden Verbundkörper bestimmte gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen.
Ein Metall, das vom Matrixmetall "verschieden" ist, bedeutet ein Metall, das nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall als Hauptbestandteil enthält. (Wenn z.B. der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, dann kann das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nicht reaktives Schiffchen für die Aufnahme des Matrixmetalls" bedeutet jedes beliebige Schiffchen, das das schmelzflüssige Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform auf eine Art reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen könnte.
"Vorform oder permeable Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die eine bearbeitete Oberfläche aufweist (d.h. aus vollständig gesinterten oder ausgeformten keramischen oder metallenen Körpern) mit mindestens einer Oberflächenbegrenzung hergestellt wird, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall infiltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff, entweder homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeignetem Material bestehen (z.B. aus Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulvern, Fasern, Whiskern etc. und jeder Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu einer Füllstoffmasse oder einer Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt, fließen kann, um denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der/das/die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen oder in bestimmen Fällen zunächst bereitzustellen und anschließend aufzufüllen.
"Zweiter Körper" oder "zusätzlicher Körper", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet einen weiteren Körper, der entweder durch eine chemische Reaktion und/oder eine mechanische Anpassung oder ein Aufschrumpfen mit einem Metallmatrix-Verbundkörper verbunden werden kann. Zu einem derartigen Körper zählen traditionelle Keramiken, wie gesinterte Keramiken, warmgepreßte Keramiken, extrudierte Keramiken etc., und auch nichttraditionelle Keramiken und keramische Verbundkörper wie diejenigen, die durch die Verfahren erzeugt werden, die in der Patentanmeldung EP-A-155831 desselben Anmelders, der EP-A- 193 292 desselben Anmelders, der EP-A-245 192 desselben Anmelders, der EP-A-263 051 desselben Anmelders und der EP-A-322 336 desselben Anmelders beschrieben werden, sowie durch Variationen und Verbesserungen dieser Prozesse, die in anderen Patentanmeldungen desselben Anmelders enthalten sind. Zum Zwecke der Vermittlung des Verfahrens zur Herstellung und der Charakteristika der keramischen Körper und der keramischen Verbundkörper, die in diesen Patentanmeldungen desselben Anmelders offengelegt und beansprucht werden, werden die gesamten Offenlegungen der oben erwähnten Anmeldungen hiermit mit den entsprechenden Quellenangaben aufgeführt. Weiterhin umfaßt der zweite oder zusätzliche keramische Körper der vorliegenden Erfindung auch Metallmatrix-Verbundkörper und Ausführungen des Körpers aus Metall, z.B. hochwarmfesten Metallen, korrosionsbeständigen Metallen, erosionsbeständigen Metallen etc.. Demgemäß umfaßt ein zweiter oder zusätzlicher Körper eine praktisch unbegrenzte Zahl von Körpern.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalls in die permeable Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt, ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, aber sie sollen den Bereich der Erfindung nicht einschränken. Es wurden, wann immer es möglich war, ähnliche Referenzziffern in allen Figuren verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen:
Figur 1 ist ein Querschnitt durch den Aufbau, der zur Erzeugung des in Beispiel 1 hergestellten Makroverbundkörpers verwendet wurde.
Figur 2 ist eine Fotografie eines Querschnitts durch den in Beispiel 1 hergestellten Makroverbundkörper.
Figur 3 ist ein Querschnitt durch den Aufbau, der zur Erzeugung des in Beispiel 2 hergestellten Makroverbundkörpers verwendet wurde.
Figur 4 ist eine mikroskopische Aufnahme, die die Grenzfläche zwischen dem feuerfesten Schiffchen aus Aluminiumoxid und dem in Beispiel 2 hergestellten Metallmatrix-Verbundkörper zeigt.
Figur 5 ist eine bei starker Vergrößerung aufgenommene mikroskopische Aufnahme der Mikrostruktur des in Beispiel 2 hergestellten Metallmatrix-Verbundkörpers.
Figur 6 ist ein Querschnitt durch den Aufbau, der zur Erzeugung des in Beispiel 3 hergestellten Makroverbundkörpers verwendet wurde.
Figur 7 ist eine Fotografie, die einen Querschnitt durch den in Beispiel 3 hergestellten Metallmatrix-Verbundkörper zeigt.
Figur 8 ist ein Querschnitt durch den Aufbau, der zur Erzeugung des Makroverbundkörpers in Beispiel 4 verwendet wurde;
Figur 9 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts durch den in Beispiel 4 gebildeten Makroverbundkörper.
Figur 10 ist ein Querschnitt durch den Aufbau, der zur Erzeugung des Makroverbundkörpers in Beispiel 5 verwendet wurde.
Figur 11 ist eine Fotografie eines Querschnitts durch den in Beispiel 5 hergestellten Makroverbundkörper.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Makroverbundkörpers, bei dem ein Teil aus einem Metallmatrix-Verbundkörper besteht, der durch das spontane Infiltrieren eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall gebildet worden ist.
Es wird ein Makroverbundkörper gemäß der vorliegenden Erfindung durch Ausbilden eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der sich in Kontakt mit wenigstens einem zweiten oder zusätzlichen Körper befindet, hergestellt. Genauer gesagt wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch das spontane Infiltrieren einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall hergestellt. Noch genauer gesagt stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem bestimmten Punkt während des Prozesses, was es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Infiltrationsverstärker direkt entweder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Makroverbundkörpers, das in der EP-A- 333 629 beschrieben ist, übersteigt die für die Infiltration bereitgestellte Menge des Matrixmetalls die für die Infiltration benötigte. Mit anderen Worten wird Matrixmetall in einer Menge bereitgestellt, die größer ist als diejenige, die für eine vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform benötigt wird, so daß restliches oder überschüssiges Matrixmetall (z.B. dasjenige Matrixmetall, das nicht für die Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform verwendet wurde) fest mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, das bzw. die infiltriert worden ist, verbunden wird.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit einem zweiten Körper aus z.B. Keramik oder Metall in Kontakt gebracht. Schmelzflüssiges Matrixmetall wird dann dazu gebracht, spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zum zweiten Körper zu infiltrieren, und wird fest mit dem zweiten Körper verbunden, so daß ein Makroverbundkörper gebildet wird, der aus einem Metallmatrix-Verbundkörper besteht, der mit einem zweiten Körper aus Keramik oder Metall verbunden ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit einem zweiten Körper, wie z.B. einem anderen keramischen Körper oder Metall, in Kontakt gebracht, und schmelzflüssiges Matrixmetall wird dazu gebracht, spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zu einem Kontaktpunkt zwischen dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und dem zweiten Körper zu infiltrieren. Der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper wird fest mit dem zweiten Körper verbunden. Weiterhin kann zusätzliches Matrixmetall so bereitgestellt werden, daß es in einer Menge vorhanden ist, die größer ist als diejenige, die für eine vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform benötigt wird. Dementsprechend wird ein Makroverbundkörper gebildet, der überschüssiges Matrixmetall aufweist, das fest mit einem Metallmatrix-Verbundkörper verbunden ist, der fest mit einem zweiten Körper, wie z.B. einem keramischen Körper, einem Metallkörper oder einem keramischen Verbundkörper, verbunden ist.
Bei den oben diskutierten bevorzugten Ausführungsformen kann ein Metallmatrix- Verbundkörper als entweder eine äußere oder eine innere Oberfläche oder als beides auf einem Träger aus Matrixmetall ausgebildet werden. Weiterhin kann die Oberfläche aus dem Metallmatrix- Verbundkörper in Hinblick auf die Größe des Trägers aus Matrixmetall von ausgewählter oder vorher festgelegter Dicke sein. Die Techniken der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung von dickwandigen oder dünnwandigen Bauteilen aus Metallmatrix-Verbundmaterial, bei denen das relative Volumen des Matrixmetalls, das die Oberfläche des Metallmatrix- Verbundkörpers darstellt, erheblich größer oder geringer als das Volumen des Substrates aus Matrixmetall ist. Weiterhin kann der Metallmatrix-Verbundkörper, der entweder eine äußere oder eine innere Oberfläche oder beides darstellen kann, auch mit einem zweiten Material verbunden werden, wie z.B. einer Keramik oder einem Metall, wodurch eine beträchtliche Zahl von Kombinationen der Verbindung zwischen einem Metallmatrix-Verbundkörper und/oder überschüssigem Matrixmetall und/oder einem zweiten Körper, wie z.B. einem Körper aus Keramik oder Metall, bereitgestellt wird.
Demgemäß kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, eine große Zahl industrieller Anforderungen zu erfüllen oder zu befriedigen, wodurch die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung belegt wird.
Um die Makroverbundkörper der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, muß ein Metallmatrix-Verbundkörper durch die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in eine Masse aus Füllstoffmaterial oder in eine Vorform gebildet werden. Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer gebildet werden, der (1) im Matrixmetall und/oder (2) im Füllstoffmaterial oder in der Vorform und/oder (3) von der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) von einer äußeren Quelle dem spontanen System zur Verfügung gestellt werden könnte. Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitstellt, direkt entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärker-Vorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen der Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall gebildet werden kann (wenn z.B. Magnesium als Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff als Infiltrationsatmosphäre verwendet werden, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Im einzelnen kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall reagiert, wenn das Aluminium geschmolzen wird. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder Magnesium ausgesetzt wird und das, zumindest an einem gewissen Punkt der Verarbeitung, einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt wird, kann dann mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht werden. Das Metallmatrix infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform.
Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker- Vorläufer bereitstellt, direkt entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff das Füllstoffmaterial oder die Vorform in ausreichendem Maße permeabel sein, damit es dem stickstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial oder die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Weiterhin kann das permeable Füllstoffmaterial oder die permeable Vorform die Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls aufnehmen, wodurch das von Stickstoff durchdrungene Füllstoffmaterial oder die von Stickstoff durchdrungene Vorform dazu gebracht wird, spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert zu werden, und/oder wodurch der Stickstoff dazu gebracht wird, mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung des Infiltrationsverstärkers im Füllstoffmaterial oder in der Vorform zu reagieren, was zur spontanen Infiltration führt. Das Ausmaß der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundmaterials hängt von verschieden en Parametern des Prozesses ab, wozu der Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, der Magnesiumgehalt des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die Menge des Magnesiumnitrids im Füllstoffmaterial oder in der Vorform, die Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), die durchschnittliche Größe (z.B. der Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, die Oberflächenbeschaffenheit und der Typ des Füllstoffmaterials, die Stickstoffkonzentration der Infiltrationsatmosphäre, die Zeitspanne, für die man die Infiltration ablaufen läßt, und die Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gehören. Zum Beispiel kann, damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls spontan erfolgt, das Aluminium mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, Magnesium (das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert) legiert werden. Zusätzliche Legierungselemente können, wie oben diskutiert wurde, auch im Matrixmetall enthalten sein, um dessen spezifische Eigenschaften maßzuschneidern. (Außerdem können die zusätzlichen Legierungselemente die minimale Menge an Magnesium beeinflussen, die im Matrix- Aluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken.) Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Umfang erfolgen, daß kein Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers zurückbleibt. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung negativ beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in sowohl dem Füllstoffmaterial oder der Vorform als auch dem Matrixmetall oder lediglich im Füllstoffmaterial oder in der Vorform allein zu einer Verminderung der benötigten Magnesiummenge führen, die gebraucht wird, um die spontane Infiltration zu bewirken (wie unten genauer diskutiert werden wird).
Die Volumenprozente des Stickstoffs in der Stickstoffatmosphäre beeinflussen ebenfalls die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere findet eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltration statt, wenn weniger als ungefähr 10 Volumenprozent an Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt, daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. zu einer erheblich schnelleren Infiltrationsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrationsatmosphäre (z.B. ein stickstoffhaltiges Gas) kann dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall direkt zugeführt werden, oder sie kann als das Ergebnis eines Zerfalls eines Materials erzeugt werden.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silicium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit, mit der die Stickstoffatmosphäre strömt.
Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Einsetzbarkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminiumlegierung können eingesetzt werden, um die Temperaturbedingungen, die für die Infiltration benötigt werden, zu mäßigen. Der Gehalt an Magnesium kann vermindert werden, wenn es zusammen mit einem weiteren Legierungselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine unterstützende Funktion und werden zusammen mit mindestens der oben angegebenen Mindestmenge an Magnesium verwendet. Zum Beispiel wurde bei 1000ºC praktisch keine Infiltration von nominal reiner Aluminiumlegierung, die lediglich mit 10 Prozent Silicium legiert war, in eine Einbettung aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliciumcarbid von Norton Co.) von 500 Mesh beobachtet. Jedoch wurde für Silicium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Infiltrationsprozeß fördert. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert, wenn es lediglich der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird. Es wurde entdeckt, daß die spontane Infiltration bei einem geringeren Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem spontanen System zugesetzt wurde, erfolgt, wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge in die Vorform oder das Füllstoffmaterial gegeben wird. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundkörper verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliciumcarbid wurde entdeckt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminium- Matrixmetall in Kontakt gebracht wird und mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliciumcarbid infiltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige zu erreichen, die mit der eben diskutierten Vorform aus Siliciumcarbid erreicht wurde.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vor der Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der zugegebene Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, dann wird es manchmal bevorzugt, daß die genannte Oberfläche diejenige Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials beigemischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und dem Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auftragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrixaluminiummetalls in die Vorform zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Darüber hinaus könnte auch die Menge an unerwünschten Zwischenmetallverbindungen, die aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildet werden, minimiert werden.
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im umgebenden Gas beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel können zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder die auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht werden, verwendet werden, um die Infiltrationstemperatur zu erniedrigen und dadurch das Ausmaß der Nitridbildung zu vermindern, während eine Erhöhung der Konzentration des Stickstoffs im Gas verwendet werden kann, um die Nitridbildung zu fördern.
Die Konzentration des Magnesiums, das in der Legierung enthalten ist und/oder auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht wurde und/oder mit dem Material des Füllstoffs oder der Vorform kombiniert wurde, beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Demnach kann es in einigen Fällen, in denen wenig oder kein Magnesium mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen oder ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration dieser Erfindung zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC-800ºC. Temperaturen, die generell über 1200ºC liegen, scheinen den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt, daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 675ºC bis ungefähr 1200ºC reicht. Als allgemeine Regel gilt jedoch, daß die Temperatur der spontanen Infiltration eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber unter der Temperatur, die für die Verflüchtigung des Matrixmetalls erforderlich ist, liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials oder der Vorform liegen, es sei denn, das Füllstoffmaterial oder die Vorform sind mit einem Stützmittel versehen, das die porösen äußeren Abmessungen des Füllstoffmaterials oder der Vorform während des Infiltrationsschrittes aufrechterhält. Ein derartiges Stützmittel könnte aus einem Überzug auf den Teilchen des Füllstoffs oder den Durchlässen in der Vorform bestehen, oder es könnten bestimmte Bestandteile der Masse des Füllstoffs oder der Vorform bei der Infiltrationstemperatur nicht geschmolzen sein, während andere Bestandteile schmelzflüssig vorliegen könnten. Bei dieser letzteren Ausführungsform könnten die nicht geschmolzenen Bestandteile die schmelzflüssigen Bestandteile abstützen und eine angemessene Porosität für die spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufrechterhalten. Weiterhin steigt, wenn die Temperatur steigt, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalls und einer Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen). Ein derartiges Reaktionsprodukt kann entweder erwünscht oder unerwünscht sein, was von der vorgesehenen Anwendung des Metallmatrix-Verbundkörpers abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren in der Erfindung eingesetzt werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringen kann und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren wird z.B. ein permeables Füllstoffmaterial oder eine permeable Vorform in Kontakt mit schmelzflüssigem Aluminium in Gegenwart eines, zumindest während eines bestimmten Prozeßabschnittes, stickstoffhaltigen Gases gebracht. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit mindestens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall bereitgestellt werden. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund der Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und auch den Einbruch von Luft zu verhindern oder zu hemmen, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall ausüben kann.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixmetallegierung mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; b) Carbide, z.B. Siliciumcarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann aus einem Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder einem anderen nicht keramischen Material, das eine keramische Beschichtung aufweist, um das Trägermaterial vor dem Angriff oder einem Abbau zu schützen, bestehen. Zu geeigneten keramischen Beschichtungen gehören Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend (in gehackter Form) oder in Form von kontinuierlichen Filamenten vorliegen, wie z.B. als Werg aus vielen Filamenten. Weiterhin kann die Keramikmasse oder die Vorform entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein erhöhtes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-155831 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Weiterhin weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-193 292 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt aller genannten Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen. Somit wurde entdeckt, daß eine komplette Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen erfolgen kann und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten, wenn ein zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundkörper angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Material in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie z.B. Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden. Weiterhin sollte die Masse des Füllstoffmaterials (die zu einer Vorform geformt ist), die infiltriert werden soll, permeabel sein (d.h. permeabel für das schmelzflüssige Matrixmetall und für die Infiltrationsatmosphäre.) Im Falle von Aluminiumlegierungen kann die Infiltrationsatmosphäre ein stickstoffhaltiges Gas aufweisen
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix-Verbundkörpern, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, die die Infiltration durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde (d.h. eine Struktur, die zu wenig Porosität für den Ablauf der spontanen Infiltration aufweist).
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoff oder der Vorform, dem Füllstoffmaterial, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundmaterials maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom Keramikmaterial, das verwendet wird, variieren. lm Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration vorzugsweise nicht ungefähr 1000ºC übersteigen, wenn es gewünscht wird, daß die Duktilität der Matrix durch die erhebliche Nitridbildung nicht verringert wird. Es können jedoch Temperaturen verwendet werden, die 1000ºC überschreiten, wenn es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliciumcarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Insbesondere kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange wie eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern, um verschiedene Anforderungen an die Verwendung zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers maßzuschneidern.
Es kann auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Genauer gesagt kann das Sperrschichtelement, das in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, jede geeignete Vorrichtung sein, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (z.B. einer Aluminiumlegierung) über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus beeinflußt, hemmt, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche bzw. welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Gas, das im Prozeß verwendet wird, permeabel ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des keramischen Füllstoffs hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die im wesentlichen durch die wandernde schmelzflüssige Matrixlegierung unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität gegenüber der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert eine möglicherweise erforderliche abschließende maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen des Produktes aus dem Metallmatrix-Verbundmaterial. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise permeabel oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung in Kontakt zu treten.
Geeignete Sperrschichtelemente, die besonders für Aluminium-Matrixlegierungen nützlich sind, sind diejenigen, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline allotrope Form des Kohlenstoffs, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist unter den beschriebenen Prozeßbedingungen durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung im wesentlichen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein bandförmiges Produkt aus Graphit, das unter dem Handelsnamen Grafoil, der auf Union Carbide eingetragen ist, verkauft wird. Dieses Graphitband weist abdichtende Eigenschaften auf, die die Wanderung der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzeresistent und chemisch inert. Das Grafoil-Graphitmaterial ist biegsam, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch. Es kann in verschiedene Formen gebracht werden, so daß es als jede beliebige Sperre eingesetzt werden kann. Sperrschichtelemente aus Graphit können jedoch auch als ein Brei oder eine Paste oder sogar als ein aufgemalter Film um das Füllstoffmaterial oder die Vorform herum oder auf deren Grenze verwendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt, da es in Form eines biegsamen Graphitbogens vorliegt. Bei der Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial herum geformt.
Andere bevorzugte Sperren für Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in Stickstoff sind die Boride der Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-legierung benetzbar sind. Mit einer Sperre dieses Typs sollte die Prozeßtemperatur nicht ungefähr 875ºC überschreiten, da andernfalls das Sperrmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich erfolgt mit steigender Temperatur eine Infiltration in die Sperre. Die Boride der Übergangsmetalle liegen typischerweise in Teilchenform vor (1-30 µm). Die Sperrmaterialien können als ein Brei oder eine Paste auf die Grenzflächen der permeablen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für eine Aluminiummetall-Matrixlegierung in Stickstoff nützlich sind, gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf die äußere Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff, speziell unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung, zerfällt die organische Verbindung unter Zurücklassung eines Rußfilmes aus Kohlenstoff. Die organische Verbindung kann mit konventionellen Techniken, wie z.B. durch Aufmalen, Sprayen, Eintauchen etc., aufgetragen werden.
Weiterhin können fein gemahlene teilchenförmige Materialien als eine Sperre fungieren, solange die Infiltration des teilchenförmigen Materials mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die geringer ist als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Somit kann das Sperrschichtelement auf jede geeignete Weise aufgetragen werden, wie z.B. durch Bedecken der festgelegten Oberflächengrenze mit einer Schicht des Sperrschichtelementes. Eine derartige Schicht des Sperrschichtelementes kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdrucken, Verdampfen oder ein sonstiges Verfahren zum Auftragen des Sperrschichtelementes in flüssiger, breiiger oder pastöser Form aufgetragen werden oder durch Aufdampfen eines verdampfbaren Sperrschichtelementes oder einfach durch Auflagem einer Schicht eines festen teilchenförmigen Sperrelementes oder durch Auftragen einer festen dünnen Schicht oder eines Films des Sperrschichtelementes auf die festgelegte Oberflächengrenze. Wenn das Sperrschichtelement aufgetragen ist, hört die spontane Infiltration im wesentlichen auf, wenn das infiltrierende Matrixmetall die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Techniken liefert die vorliegende Erfindung eine Technik, durch die ein geformter Metallmatrix-Verbundkörper mit zumindest einem zweiten oder zusätzlichen Körper verbunden oder als integraler Bestandteil an ihm befestigt werden kann. Dieser Körper kann bestehen aus: einem Körper mit einer Keramikmatrix; einem Verbundkörper mit einer Keramikmatrix, d.h. einer keramischen Matrix, die ein Füllstoffmaterial einbettet; einem Metallkörper; einem Metallmatrix-Verbundkörper; und/oder jeder beliebigen Kombination der oben aufgeführten Materialien. Das durch die vorliegende Erfindung erzeugte fertige Produkt ist ein Makroverbundkörper, der wenigstens einen Metallmatrix-Verbundkörper aufweist, der durch die spontane Infiltration einer Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform mit einem Matrixmetall gebildet wurde, das mit zumindest einem Körper, der aus einem der oben aufgeführten Materialien besteht, verbunden oder als integraler Bestandteil an ihm befestigt ist. Somit kann das fertige Produkt der vorliegenden Erfindung eine praktisch unbegrenzte Zahl von Permutationen und Kombinationen spontan infiltrierter Metallmatrix-Verbundkörper umfassen, die mit einer Oberfläche oder mehreren Oberflächen von wenigstens einem Körper, der aus wenigstens einem der oben aufgeführten Materialien besteht, verbunden sind.
Wie in den Beispielen 2, 3 und 5 gezeigt wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bildung von mehrschichtigen Makroverbundkörpern durch einen einzigen Schritt der spontanen Infiltration. Genauer gesagt kann ein schmelzflüssiges Matrixmetall spontan in eine Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform infiltriert werden, das bzw. die in Kontakt mit einem zweiten oder zusätzlichen Körper steht, z.B. einem Keramikkörper. Nach der Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bis zur Grenzfläche zwischen dem genannten Füllstoffmaterial oder der genannten Vorform und dem genannten zweiten oder zusätzlichen Körper tritt das schmelzflüssige Matrixmetall, entweder allein oder in Kombination mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, auf eine solche Art und Weise mit dem genannten zweiten oder zusätzlichen Körper in Wechselwirkung, daß beim Abkühlen des Systems eine Verbindung oder eine integrale Befestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit bzw. an dem zweiten oder zusätzlichen Körper ermöglicht wird. Somit könnte durch die Verwendung der in den Beispielen 2, 3 und 5 beschriebenen Techniken eine beliebige Zahl von zweiten oder zusätzlichen Körpern in einer oder um eine Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform herum angeordnet werden, so daß, wenn schmelzflüssiges Matrixmetall die Masse aus Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zur Grenzfläche zwischen dem genannten Füllstoffmaterial oder der genannten Vorform und den genannten zweiten oder zusätzlichen Körpern infiltriert, eine integrale Befestigung oder Bindung zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und den anderen Körpern erfolgt, und zwar beim Abkühlen des Systems auf eine Temperatur, die sowohl unterhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls als auch des Schmelzpunkts aller anderen Körper im System liegt.
Zusätzlich zur Ausbildung einer stabilen Verbindung oder einer integralen Befestigung zwischen dem spontan infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörper und dem oder den zweiten oder zusätzlichen Körper(n) schafft die vorliegende Erfindung auch eine Technik, durch die der oder die zweite(n) oder zusätzliche(n) Körper durch den Metallmatrix-Verbundkörper unter Druck gesetzt werden können. Alternativ könnte der Metallmatrix-Verbundkörper durch den oder die zweiten oder zusätzlichen Körper unter Druck gesetzt werden. So kann der Metallmatrix-Verbundkörper den anderen Körper zumindest teilweise einschließen, und wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallmatrix-Verbundkörpers größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des oder der zweiten oder zusätzlichen derartig eingeschlossenen Körper(s), dann setzt der Metallmatrix- Verbundkörper den eingeschlossenen Körper beim Herunterkühlen von der Infiltrationstemperatur unter Druck. Alternativ könnte der Metallmatrix-Verbundkörper zumindest teilweise innerhalb eines zweiten oder zusätzlichen Körpers gebildet werden, der einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Metallmatrix-Verbundkörper aufweist. Somit wird beim Abkühlen der Teil des Metallmatrix-Verbundkörpers, der im zweiten oder zusätzlichen Körper eingeschlossen ist, durch den zweiten oder zusätzlichen Körper unter Druck gesetzt.
Die Technik der vorliegenden Erfindung kann so adaptiert werden, daß sie eine kontinuierliche Kette von Makroverbundkörpern praktisch beliebiger Länge erzeugt. Genauer gesagt könnte der Prozeß der vorliegenden Erfindung an ein kontinuierliches Produktionsverfahren adaptiert werden, bei dem z.B. ein kontinuierlicher Strom von Rohmaterialien durch einen Schmelzofen geleitet werden kann, der das Matrixmetall auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt; daß genannte Matrixmetall für eine ausreichende Zeit in schmelzflüssigem Zustand vorliegt, damit das genannte Matrixmetall ein vorher festgelegtes Volumen des Füllstoffmaterials oder der Vorform infiltriert; und anschließend, wenn das infiltrierte Material abgekühlt wird (z.B. aus dem Ofen entfernt wird), das genannte Matrixmetall auf seine Erstarrungstemperatur abkühlt, wobei sich ein Metallmatrix-Verbundkörper bildet. Durch die Verwendung dieses kontinuierlichen Prozesses könnte ein Metallmatrix-Verbundkörper mit einem zweiten Material verbunden werden, das mit einem anderen Metallmatrix-Verbundkörper verbunden würde, der mit einem anderen zweiten Material verbunden werden könnte usw.. Das schmelzflüssige Matrixmetall könnte in situ bereitgestellt werden, oder es könnte dem Schmelzofen kontinuierlich durch einen zweiten Strom bereitgestellt werden, der z.B. durch ein Matrixmetall-Reservoir bereitgestellt wird. Zusätzlich könnte eine Schicht aus Sperrschichtmaterial, wie z.B. Grafoil (wird hierin beschrieben), zwischen vorher festgelegte Segmente der Makroverbundkörper-Kette eingefügt werden, wodurch die Kette an der Sperrschicht beendet wird.
Die integrale Befestigung an dem oder Bindung des Metallmatrix-Verbundkörpers an den zweiten oder zusätzlichen Körper kann durch die Anwendung mechanischer Verbindungstechniken verbessert werden. Genauer gesagt kann die Oberfläche von einem oder von beiden des Metallmatrix-Verbundkörpers und des zweiten oder zusätzlichen Körpers Zapfen, Löcher, Schlitze oder beliebige andere Unregelmäßigkeiten der Oberfläche aufweisen, die mit der entsprechenden umgekehrten Form auf der Oberfläche des Körpers, zu dem die Verbindung oder an dem die Befestigung erfolgen soll, zur Deckung gebracht werden. Diese umgekehrt zueinanderpassenden Unregelmäßigkeiten können zusätzlich zu einer chemischen Bindung, die zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem zweiten oder zusätzlichen Körper erzeugt werden kann, eine mechanische Bindung bewirken. Die Kombination dieser Verbindungs- oder Befestigungsmechanismen kann eine viel stabilere Verbindung oder Befestigung erzeugen als die jeweiligen Verbindungs- oder Befestigungsmechanismen für sich genommen.
Die Gegenstände, die durch die Technik der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, werden für industrielle Anwendungen nützlich sein, die Oberflächen erfordern, die hohen Temperaturen, Schleifwirkungen, Korrosion, Erosion, Wärmespannung, Reibung, und/oder vielen anderen Beanspruchungen widerstehen müssen. Somit wird der Prozeß, der in der vorliegenden Anmeldung offengelegt und beansprucht wird, für die Herstellung praktisch jedes beliebigen industriellen Produktes nützlich sein, dessen Leistungsfähigkeit durch die Verwendung von Oberflächen, die aus Metallmatrix-Verbundkörpern, Keramikmatrix-Verbundkörpern, Metallen oder Kombinationen der obigen Materialien bestehen, verbessert werden kann. Durch die Bereitstellung von Techniken zur Erzeugung von Makroverbundkörpern mit Schichten aus Materialien, die sich bezüglich ihrer Eigenschaften und Charakteristika unterscheiden, kann nun eine Fülle industrieller Anwendungen, von denen man bisher annahm, daß sie nicht machbar seien oder bei Verwendung konventioneller Materialien unmöglich durchführbar seien, durch geeignete Konstruktion der Makroverbundkörper, die durch den erfindungsgemäßen Prozeß hergestellt werden, abgedeckt werden. Insbesondere können industrielle Anwendungen, die es erfordern, daß ein Teil eines Körpers bestimmten Bedingungen widersteht und ein anderer Teil anderen Bedingungen widersteht, nun durch die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Materialtypen, die zu einem Makroverbundkörper mit der Form des gewünschten industriellen Werkstücks geformt werden, ermöglicht werden. Weiterhin können durch die hierin beschriebene Verwendung der Vorform- und Sperrschicht-Techniken Makroverbundkörper von fertiger oder nahezu fertiger Form gebildet werden, die nach dem Schritt der spontanen Infiltration nur wenig oder keine maschinelle Bearbeitung mehr benötigen.
Demnach bieten die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Gegenstände praktisch unbegrenzte industrielle Möglichkeiten und können dabei helfen, viele der dringendsten technischen Lücken, die heutzutage in der Welt der Werkstoffe bestehen, zu schließen.
Die unmittelbar folgenden Beispiele enthalten verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung. Jedoch sollten diese Beispiele nur als illustrativ verstanden werden, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, einschränken sollen.

Beispiel 1 (gemäß der in der EP-A-333 629 offengelegten Technik)

Dieses Beispiel zeigt, daß es möglich ist, die spontane Infiltration eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in eine geformte Vorform zu benützen, um einen geformten Metallmatrix- Verbundkörper zu erhalten, der mit einem festen Stück überschüssigen Matrixmetalls verbunden oder integral an ihm befestigt ist.
Das Folgende bezieht sich auf die Figur 1. Ein Block 2 aus Matrixmetall mit den Abmessungen 5,1 x 5,1 x 1,3 cm (2 in x 2 in x 1/2 in), der eine ungefähre Zusammensetzung von 5 Gewichtsprozent Silicium und 5 Gewichtsprozent Mg, der Rest war Aluminium, hatte, wurde auf eine Vorform 4 mit den ungefähren Abmessungen 5,1 x 5,1 x 1,3cm (2 in x 2 in x 1/2 in) gesetzt. Die Vorform 4 wurde durch Mischen von ungemahlenem calcifiziertem Aluminiumoxid C-75 von Alcan und Elmers Holzleim (von Bord on Co.) hergestellt. Das Gewicht des eingesetzten Elmers Holzleim betrug ungefähr 10% des Gewichtes des ungemahlenen calcifizierten Aluminiumoxids C-75. Der Mischung aus Elmers Holzleim/Aluminiumoxid wurde genügend Wasser zugesetzt, um einen Brei zu erzeugen. Der Brei wurde gut gemischt und in eine Gummiform gegossen. Die Gummiform und ihr Inhalt wurden dann in einen Gefrierschrank gegeben, bis der Inhalt der Gummiform vollständig gefroren war. Dann wurde die gefrorene Vorform aus der Gummiform entfernt, und man ließ die Vorform trocknen.
Wie in der Figur 1 gezeigt ist, wurde die Anordnung aus der Vorform 4 und dem Block 2 aus Matrixmetall auf eine etwa 1,3 cm (1/2 in) dicke Schicht aus Grade-HTC-Titandiborid von Union Carbide, die in einem feuerfesten Aluminiumoxidschiffchen 6, das von Bolt Technical Ceramics bezogen worden war, gesetzt. Dann wurde weiteres Grade-HTC-Titandiborid auf das feuerfeste Schiffchen 6 gegeben, bis die Oberfläche des Titandiboridbettes 8 ungefähr bündig mit der oberen Fläche des Blockes 2 aus Matrixmetall abschloß.
Dieser aus dem feuerfesten Schiffchen 6 und seinem Inhalt bestehende Aufbau wurde in einen elektrischen widerstandsbeheizten Vakuumschmelzofen mit kontrollierter Atmosphäre von Raumtemperatur gegeben. Im Schmelzofen wurde ein hohes Vakuum (ungefähr 1,3 x 10&supmin;² Pa (1 x 10-- Torr) erzeugt und beim Erhöhen der Temperatur von Raumtemperatur auf ungefähr 200ºC aufrechterhalten. Der Schmelzofen und sein Inhalt wurden ungefähr zwei Stunden lang bei ungefähr 200ºC gehalten, ehe Formiergas (ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff, 4 Volumenprozent Wasserstoff) bis zu einem Druck von ungefähr einer Atmosphäre in den Schmelzofen eingelassen wurde, und es wurde ein kontinuierlicher Fluß an Formiergas von einer Geschwindigkeit von ungefähr 1000 cm³/min eingestellt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde dann innerhalb von 10 Stunden gleichmäßig auf ungefähr 875ºC erhöht, ungefähr 15 Stunden bei ungefähr 875ºC gehalten und in ungefähr 5 Stunden gleichmäßig auf Raumtemperatur abgesenkt.
Nach dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entfernt und auseinandergenommen. Es wurde ein Metallmatrix-Verbundkörper, der aus der vom Matrixmetall infiltrierten Aluminiumoxidvorform bestand, geborgen. Wie in Figur 2 gezeigt wird, war der Metallmatrix-Verbundkörper 10 integral mit überschüssigem restlichem Matrixmetall 12 verbunden.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel zeigt, daß es möglich ist, ein Bett aus Füllstoffmaterial spontan mit Matrixmetall zu infiltrieren, um einen Makroverbundkörper herzustellen, der überschüssiges Matrixmetall aufweist, das integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper seinerseits integral an einem Keramikkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist.
Wie in der Figur 3 gezeigt ist, wurden vier Blöcke 14 aus Matrixmetall mit den Abmessungen 5,1 x 2,5 x 1,3 cm (2 in x 1 in x 1/2 in), die eine ungefähre Zusammensetzung von 3 Gewichtsprozent Silicium und 3 Gewichtsprozent Mg, der Rest war Aluminium, hatten, auf ein Bett 16 aus Aluminiumoxidmaterial von 216 µm (90 Grit), das unter dem Handelsnamen 38-Alundum bekannt ist und von Norton Co. hergestellt wird, gesetzt. Das Bett 16 aus 38-Alundum von 216 -m (90 Grit) war in einem feuerfesten Aluminiumoxidschiffchen 18, das von Bolt Technical Ceramics hergestellt wird, enthalten. Die Blöcke 14 aus Matrixmetall wurden so angeordnet, wie es in der Figur 3 gezeigt ist.
Der aus dem feuerfesten Schiffchen 18 aus Aluminiumoxid und seinem Inhalt bestehende Aufbau wurde in einen Rohrofen gegeben, und Formiergas (ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff, 4 Volumenprozent Wasserstoff) wurde mit einer Gasfluß-Geschwindigkeit von ungefähr 300 cm³/min durch den Schmelzofen geleitet. Die Temperatur des Schmelzofens wurde dann innerhalb von ungefähr 10 Stunden auf ungefähr 1000ºC erhöht, ungefähr 10 Stunden bei ungefähr 1000ºC gehalten und dann in ungefähr 6 Stunden gleichmäßig auf Raumtemperatur abgesenkt.
Nach dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entfernt und auseinandergenommen. Es wurde ein Metallmatrix-Verbundkörper, der aus 38-Alundum von 216 µm (90 Grit) bestand, das vom Matrixmetall infiltriert war, geborgen. Der Metallmatrix- Verbundkörper war sowohl an dem feuerfesten Schiffchen 18 aus Aluminiumoxid als auch an einem Körper aus überschüssigem Matrixmetall integral befestigt oder mit ihnen verbunden. Die Figur 4 ist eine mikroskopische Aufnahme, die die Grenzfläche 20 zwischen dem feuerfesten Schiffchen 22 aus Aluminiumoxid und dem Metallmatrix-Verbundkörper 24 zeigt. Diese Figur zeigt, daß an der Grenzfläche zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem feuerfesten Schiffchen aus Aluminiumoxid eine gute Verbindung oder Befestigung erhalten wird. Obwohl es in der Figur 4 nicht gezeigt ist, wurde auch eine stabile Verbindung oder gute Befestigung an der Grenzfläche zwischen dem überschüssigen Matrixmetall und dem Metallmatrix-Verbundkörper erhalten. Diese Verbindung wird durch die Tatsache offensichtlich, daß das überschüssige Matrixmetall ohne maschinelle Bearbeitung nicht entfernt werden konnte.
Die Figur 5 ist eine bei starker Vergrößerung aufgenommene mikroskopische Aufnahme der Mikrostruktur des im vorliegenden Beispiel gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers. Wie durch die als 26 bezeichneten Linien angezeigt wird, wurden signifikante Mengen an Aluminiumnitrid im Metallmatrix-Verbundkörper gebildet. Das Aluminiumnitrid 26 erscheint in der Figur 5 als die dunkelgraue Phase, während das Matrixmetall 28 als die hellgraue Phase erscheint, und das 38-Alundum von 216 µm (90 Grit) erscheint als die dunkel gefärbten Teilchen 30. Demnach zeigt dieses Beispiel, daß es möglich ist, die Mikrostruktur des Metallmatrix-Verbundkörpers so maßzuschneidern, daß es Produkte der Reaktion zwischen dem infiltrierenden Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre enthält.
Somit zeigt dieses Beispiel, daß es möglich ist, die spontane Infiltration dazu zu verwenden einen Makroverbundkörper herzustellen, der überschüssiges Matrixmetall aufweist, das integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper seinerseits integral an einem Keramikkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist. Weiterhin zeigt dieses Beispiel, daß die Mikrostruktur des Metallmatrix-Verbundkörpers dadurch modifiziert werden kann, daß man die Bildung von Produkten der Reaktion zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre ermöglicht.

Beispiel 3

Das folgende Beispiel zeigt, daß es möglich ist, einen Makroverbundkörper herzustellen, der überschüssiges Matrixmetall aufweist, das integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper seinerseits integral an einem Keramikkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist.
Wie in der Figur 6 gezeigt ist, wurde eine Platte 32 aus im Handel erhältlichem Aluminiumoxid (AD85, hergestellt von Coors) mit den ungefähren Abmessungen 7,6 x 10,2 x 1,3 cm (3 in x 4 in x 1/2 in) in einem feuerfesten Aluminiumoxidschiffchen 34 auf eine ungefähr 1,3cm (1/2 in) dicke Schicht aus einem Aluminiumoxidmaterial von 216 µm (90 Grit), das unter dem Handelsnamen 38-Alundum bekannt ist und von Norton Co. hergestellt wird, gesetzt. Dann wurde dem feuerfesten Schiffchen 34 weiteres 38-Alundum zugegeben, bis die Aluminiumoxidplatte 32 mit einer ungefähr 2,54 cm (1 in) dicken Schicht 38-Alundum bedeckt war. Zwei Stäbe 36 aus einem Matrixmetall, das eine ungefähre Zusammensetzung von 5 Gewichtsprozent Silicium, 3 Gewichtsprozent Mg und 6 Gewichtsprozent Zink, der Rest war Aluminium, hatte, wurden oben auf das 38-Alundum gesetzt, so daß sie sich direkt über der Aluminiumoxidplatte befanden. Jeder Stab 36 aus Matrixmetall maß ungefähr 11,4 x 5,1 x 1,3 cm (4 1/2 in x 2 in x 1/2 in), und die beiden Stäbe 36 aus Matrixmetall wurden aufeinander gestapelt, wie es in der Figur 6 gezeigt ist. Dann wurde dem feuerfesten Schiffchen 34 weiteres 38-Alundum zugegeben, bis die Oberfläche des Bettes 38 aus 38-Alundum ungefähr bündig mit der Oberfläche des oberen Stabes 36 aus Matrixmetall abschloß.
Der aus dem feuerfesten Schiffchen 34 aus Aluminiumoxid und seinem Inhalt bestehende Aufbau wurde in einen elektrischen, widerstandsbeheizten Muffelofen von Raumtemperatur gegeben, und es wurde ein kontinuierlicher Strom Formiergas (ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff, 4 Volumenprozent Wasserstoff) mit einer Gasfluß-Geschwindigkeit von ungefähr 350 cm³/min eingestellt. Die Temperatur im Schmelzofen wurde innerhalb von ungefähr 12 Stunden auf ungefähr 1000ºC erhöht, ungefähr 18 Stunden bei ungefähr 1000ºC gehalten und dann in ungefähr 5 Stunden gleichmäßig auf Raumtemperatur abgesenkt.
Nach dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entfernt und auseinandergenommen. Die Figur 7 ist eine Fotografie, die einen Querschnitt durch den Makroverbundkörper 40 darstellt, der aus der Anordnung geborgen wurde. Im einzelnen ist ein Körper 42 aus überschüssigem Matrixmetall integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper 44, der aus 38-Alundum von 216 µm (90 Grit) besteht, das von der Matrixlegierung eingebettet ist, befestigt oder mit ihm verbunden, und der Metallmatrix-Verbundkörper ist seinerseits wieder an einer Keramikplatte 46 integral befestigt oder mit ihr verbunden. Somit zeigt dieses Beispiel, daß es möglich ist, einen mehrschichtigen Makroverbundkörper herzustellen, der aus einem Metallmatrix-Verbundkörper besteht, der mit einem Keramikteil und einem festen Metallteil, die sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Metallmatrix-Verbundkörpers befinden, verbunden ist. Weiterhin zeigt das vorliegende Beispiel, daß es möglich ist, einen derartigen vielschichtigen Makroverbundkörper in einem spontanen Infiltrationsschritt herzustellen.

Beispiel 4

Dieses Beispiel zeigt, daß es möglich ist, einen Makroverbundkörper herzustellen, der einen Körper aus überschüssigem Matrixmetall aufweist, der integral an einem Metallmatrix- Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist, der seinerseits integral an einem Keramikkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist. Genauer gesagt sind der Keramikkörper und der Körper aus überschüssigem Matrixmetall integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper aus einer dreidimensional in sich verbundenen Keramikstruktur besteht, die in einem Matrixmetall eingebettet ist.
Wie in der Figur 8 gezeigt ist, wurde ein Keramikfilter 62 mit den ungefähren Abmessungen 2,5 x 3,8 x 1,3 cm (1 in x 1,5 in x 0,5 in) aus Aluminiumoxid von ungefähr 99,5% Reinheit, der ungefähr 18 Poren pro cm (45 Poren pro in) aufwies, von High Tech Ceramics of Alfred, New York, bezogen. Der Keramikfilter 62 wurde in den unteren Teil eines Schiffchens 64 aus Aluminiumoxid gegeben, und ein Block 66 aus Matrixmetall mit den ungefähren Abmessungen 2,5 x 2,5 x 1,3 cm (1 in x 1 in x 1/2 in), das eine Zusammensetzung von ungefähr 5 Gewichtsprozent Silicium, ungefähr 6 Gewichtsprozent Zink, ungefähr 10 Gewichtsprozent Mg, der Rest war Aluminium, hatte, wurde auf den Keramikfilter 62 gesetzt. Das Aluminiumoxidschiffchen 62 war ein aus 99,7% Aluminiumoxid bestehendes Schiffchen, das von Bolt Technical Ceramics (BTC-AL-99,7%) bezogen wurde und ungefähr 100 mm lang, 45 mm breit und 19 mm hoch war und eine Bodendicke von 3 mm hatte. Der aus dem feuerfesten Schiffchen aus Aluminiumoxid und seinem Inhalt bestehende Aufbau wurde in einen Rohrofen von Raumtemperatur gegeben. Die Ofentür wurde dann geschlossen, und Formiergas (ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff, 4 Volumenprozent Wasserstoff) wurde mit einer Gasfluß-Geschwindigkeit von ungefähr 250 cm³/min in den Ofen geleitet. Die Ofentemperatur wurde mit ungefähr 150ºC/Stunde gleichmäßig auf ungefähr 775ºC gebracht, ungefähr 7 Stunden bei ungefähr 775ºC gehalten und dann mit ungefähr 200ºC/Stunde gleichmäßig auf Raumtemperatur abgesenkt. Nach dem Entfernen aus dem Schmelzofen wurde ein Makroverbundkörper aus dem Aufbau geborgen. Die aus Metallmatrix- Verbundkörper bestehende Schicht des Makroverbundkörpers wurde geschnitten, und es wurde eine mikroskopische Aufnahme der Mikrostruktur angefertigt. Diese mikroskopische Aufnahme ist als Figur 9 dargestellt.
Wie in der Figur 9 gezeigt wird, wurde eine effektive Infiltration des Matrixmetalls 68 in die Porosität des Keramikfilters 70 erhalten. Außerdem war, wie durch die mit 72 markierten Linien in der Figur 9 angegeben ist, die Infiltration des Matrixmetalls so vollständig, daß es die in der Aluminiumoxidkomponente des Keramikfilters 70 enthaltene Porosität infiltrierte. Die Figur 9 zeigt auch die Grenzfläche 75 zwischen der Unterseite des Aluminiumoxidschiffchens 76 und dem Metallmatrix-Verbundkörper 78. Zusätzlich war, obwohl es nicht in der Fotografie gezeigt ist, überschüssiges Matrixmetall integral an dem Ende des Metallmatrix-Verbundkörpers, das dem Keramikteil gegenüberlag, d.h. der Unterseite des Aluminiumoxidschiffchens gegenüber, befestigt oder mit ihm verbunden.
Somit zeigt dieses Beispiel, daß es möglich ist, einen mehrschichtigen Makroverbundkörper herzustellen, der aus einem Körper aus überschüssigem Matrixmetall besteht, der integral an einem Metallmatrix-Verbundkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper seinerseits wieder integral an einem Keramikkörper befestigt oder mit ihm verbunden ist.

Beispiel 5

Das folgende Beispiel zeigt, daß es möglich ist, eine Reihe von Vorformen in einem Schritt unter Erzeugung eines Makroverbundkörpers spontan zu infiltrieren, wobei der Makroverbundkörper aus zwei Metallmatrix-Verbundkörpern besteht, die mit den gegenüberliegenden Seiten einer dünnen Schicht aus Matrixmetall verbunden sind.
Zwei Vorformen, die beide die ungefähren Abmessungen 17,8 x 17,8 x 1,3 cm (7 in x 7 in x 0,5 in) hatten, wurden aus einer Mischung aus einem Aluminiumoxidmaterial von 66 µm (220 Grit), das unter dem Handelsnamen 38-Alundum bekannt ist und von Norton Co. hergestellt wird, und kolloidalem Aluminiumoxid (Nyacol AL-20) sedimentgegossen. Das ungefähre Gewichtsverhältnis von kolloidalem Aluminiumoxid zu 38-Alundum von 66 µm (220 Grit) betrug 70/30.
Nachdem die Vorformen getrocknet waren und sich abgesetzt hatten, wurde eine dünne (ungefähr 0,4 mm [1/64 in] dicke) Schicht einer kolloidalen Aluminiumoxidpaste (Nyacol AL-20) auf jeweils eine Oberfläche der beiden Vorformen aufgemalt. Die beiden angemalten Oberflächen wurden dann so miteinander in Kontakt gebracht, daß das kolloidale Aluminiumoxid sandwichartig zwischen den beiden Vorformen angeordnet war. Wie in der Figur 10 gezeigt ist, wurde diese Anordnung aus den Vorformen 80, einschließlich der Grenzschicht 81 aus kolloidalem Aluminiumoxid, dann in einem feuerfesten Schiffchen 82 auf eine ungefähr 1,3 cm (1/2 in) dicke Schicht aus Grade-HTC-Titandiborid von Union Carbide gesetzt. Ein Block 84 mit den ungefähren Abmessungen 17,8 x 17,8 x 1,3 cm (7 in x 7 in x 0,5 in) aus Matrixmetall, das eine ungefähre Zusammensetzung von 5 Gewichtsprozent Silicium, 5 Gewichtsprozent Zink, 7 Gewichtsprozent Mg, 2 Gewichtsprozent Kupfer, der Rest war Aluminium, hatte, wurde oben auf die Anordnung aus den Vorformen 80 gesetzt. Dann wurde weiteres Grade-HTC-Titandiborid auf das feuerfeste Schiffchen 82 gegeben, bis die Oberfläche des Bettes 86 aus Titandiborid ungefähr bündig mit der oberen Fläche des Blockes 84 aus Matrixmetall abschloß.
Der aus dem feuerfesten Schiffchen 82 und seinem Inhalt bestehende Aufbau wurde dann i n einen elektrischen widerstandsbeheizten Vakuumschmelzofen mit kontrollierter Atmosphäre von Raumtemperatur gegeben. Im Schmelzofen wurde dann ein hohes Vakuum (ungefähr 1,3 x 10&supmin;² Pa (1 x 10&supmin;&sup4; Torr) erzeugt, und die Ofentemperatur wurde in ungefähr 45 Minuten auf ungefähr 200ºC erhöht. Die Ofentemperatur wurde ungefähr zwei Stunden lang unter Vakuumbedingungen bei ungefähr 200ºC gehalten. Nach dieser anfänglichen zweistündigen Heizperiode wurde Stickstoffgas in den Schmelzofen bis zu einem Druck von ungefähr einer Atmosphäre eingelassen, und die Temperatur wurde dann innerhalb von ungefähr 5 Stunden auf ungefähr 865ºC erhöht, ungefähr 18 Stunden bei ungefähr 865ºC gehalten und dann in ungefähr 5 Stunden gleichmäßig auf Raumtemperatur abgesenkt.
Nach dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entfernt und auseinandergenommen. Die Figur 11 ist eine Fotografie eines Querschnittes durch den Makroverbundkörper, der aus dem Aufbau geborgen wurde. Im einzelnen ist eine Schicht 88 aus Matrixmetall zwischen zwei Metallmatrix-Verbundkörpern 90, die beide aus 38-Alundum von 66 -m (220 Grit) (und restlichem kolloidalem Nyacol-Aluminiumoxid), das in Matrixmetall eingebettet ist, bestehen, sandwichartig eingeschlossen. Die Schicht 88 aus Matrixmetall ist integral an jedem der beiden Metallmatrix-Verbundkörper 90 befestigt oder mit ihnen verbunden, wodurch ein Makroverbundkörper gebildet wird.
Somit zeigt dieses Beispiel, daß es möglich ist, in einem einzigen spontanen Infiltrationsschritt einen Makroverbundkörper herzustellen, der zwei Metallmatrix-Verbundkörper aufweist, die integral an einer dünnen Schicht aus Matrixmetall befestigt oder durch sie verbunden sind.

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Makroverbundkörpers, das umfaßt:

Bereitstellen von (1) einem Matrixmetall und (2) einem ersten zu infiltrierenden Körper, wobei der genannte erste Körper wenigstens ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer lockeren Masse eines im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoffs und einer Vorform, die einen geformten im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoff umfaßt, besteht;

Anordnen von (3) einem zweiten Köper angrenzend an den oder im Kontakt mit dem genannten ersten Körper; und bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmetalls sowie in Gegenwart von (4) wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsverstärker und (5) einer Infiltrationsatmosphäre, die die spontane Infiltration des Matrixmetalls ermöglicht oder verstärkt und wenigstens zu einem Zeitpunkt des Infiltrationsprozesses mit wenigstens einem von dem genannten Matrixmetall und dem genannten ersten Körper in Verbindung steht, Bewirken, daß das Matrixmetall wenigstens einen Teil des ersten Körpers spontan mit schmelzflüssigem Matrixmetall wenigstens bis zu einer Oberfläche des genannten zweiten Körpers infiltriert, um einen Metallmatrixverbundkörper zu bilden, der integral an den genannten zweiten Körper angefügt oder gebunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Matrixmetall in einer solchen Menge bereitgestellt wird, daß nachdem die spontane Infiltration des genannten ersten Körpers erfolgt ist, der genannte Makroverbundkörper restliches Matrixmetall aufweist, das integral an den genannten Metallmatrixverbundkörper angefügt oder gebunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufe des Zugebens von wenigstens einem von dem genannten Infiltrationsverstärkervorläufer und dem genannten Infiltrationsverstärker aus einer externen Quelle zu wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem ersten Körper und der Infiltrationsatmosphäre umfaßt.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem während der Infiltration der Infiltrationsverstärkervorläufer flüchtig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der verflüchtigte Infiltrationsverstärkervorläufer unter Bildung eines Reaktionsprodukts in wenigstens einem Teil des ersten Körpers reagiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte Reaktionsprodukt in Form eines Überzugs auf wenigstens einem Teil des genannten ersten Körpers gebildet wird.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Infiltration mit einer definierten Begrenzung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Begrenzung ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff, Graphit und Titandiborid besteht.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Microspheres, Whiskers, Hohlkügelchen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, sphärischen Teilchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben besteht.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Füllstoff wenigstens ein keramisches Material umfaßt.

11. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Matrixmetall Aluminium umfaßt, der Infiltrationsverstärkervorläufer wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Strontium und Calcium besteht, und bei dem die Infiltrationsatmosphäre Stickstoff umfaßt.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Matrixmetall Aluminium umfaßt, der Infiltrationsverstärkervorläufer Zink umfaßt und die Infiltrationsatmosphäre Sauerstoff umfaßt.

13. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur während der spontanen Infiltration niedriger ist als der Verflüchtigungspunkt des Matrixmetalls sowie der Schmelzpunkt des Füllstoffs.

14. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der genannte zweite Körper wenigstens einen von einem keramischen Körper, einem keramischen Verbundkörper, einem Metallkörper und einem Metallmatrixverbundkörper umfaßt.

15. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das genannte Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt, der genannte erste Körper wenigstens einen von einem Aluminiumoxidfüllstoff und einem Siliciumcarbidfüllstoff umfaßt und der genannte zweite Körper eine selbsttragende Aluminiumoxidstruktur umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der genannte Metallkörper ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Hochtemperatur-Metallegierung, einer korrosionsbeständigen Metallegierung und einer erosionsbeständigen Metallegierung besteht.

17. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der genannte Metallmatrixverbundkörper innerhalb eines zweiten Körpers gebildet wird, der den genannten Metallmatrixverbundkörper wenigstens teilweise umschließt und an diesen integral angefügt oder gebunden ist.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der gebildete Metalltmatrixverbundkörper den genannten zweiten Körper wenigstens teilweise umschließt oder umgibt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das genannte Matrix metall, der genannte erste Körper und der genannte zweite Körper so ausgewählt sind, daß der gebildete Metallmatrix verbundkörper einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der genannte zweite Körper, so daß in dem enddgültigen Makroverbundkörper der genannte zweite Körper von dem genannten Metallmatrixverbundkörper unter Druckspannung gehalten wird.