DE69617014T2

DE69617014T2 - Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE69617014T2
Application number: DE1996617014
Authority: DE
Inventors: Robin Michael Kurt Young
Original assignee: Accentus Medical PLC
Current assignee: Accentus Medical PLC
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: DE69617014D1; ATE208672T1

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Verbundmaterials und genauer ein Verfahren für die Herstellung eines solchen Materials, in dem eine poröse Vorform mit einem Matrixmaterial über ein Infiltrationsverfahren imprägniert wird.
Die Patentbeschreibung GB 2 247 636 beschreibt eine Anzahl von Verfahren, die bei der Herstellung von Verbundmaterialien mit metallischer Matrix verwendet worden sind und identifiziert Nachteile in Verfahren, die die Verwendung von massiven Formblöcken involvieren, um dem Druck zu widerstehen, der aufgebracht wird, um das geschmolzene Metall zum Infiltrieren der Vorform zu zwingen.
Die EP 0 728 849 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Pulver eines metallischen Matrixmaterials und ein Pulver eines verstärkenden Materials trocken gemischt und in einer Formpresse auf eine Temperatur erwärmt werden, die hoch genug ist, das Schmelzen des metallischen Materials zu verursachen, und Aufbringen eines Hochdruckes, um die metallischen Matrixteilchen in eine kontinuierliche Matrix zu verschmelzen, welche die Teilchen der Verstärkung einbettet. Die Verwendung von einer Mischung von Siliziumcarbidteilchen der Korngröße 240 und von Teilchen der Größe 600 als Verstärkung ist offenbart, um eine maximal gepackte Fraktion von Siliziumcarbidverstärkungen zu erzielen. Es gibt jedoch keine Offenbarung dahingehend, dass eine solche Mischung in einer Verstärkungsvorform geeignet wäre, um mit einem flüssigen metallischen Matrixmaterial infiltriert zu werden.
GB 2 247 636 beschreibt ein Verfahren, bei dem Matrixmaterial und eine Form, enthaltend eine poröse Vorform aus verstärkendem Material, in einem Druckbehälter angeordnet sind. Der Druckbehälter wird evakuiert, während sowohl das Matrixmaterial als auch die Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmaterials erwärmt werden. Das geschmolzene Matrixmaterial wird anschließend in die Form überführt und der Druckbehälter unter Druck gesetzt, um dafür zu sorgen, dass das geschmolzene Matrixmaterial die Vorform infiltriert.
US-A-5,322, 109 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Infiltrieren einer verstärkenden Vorform aus faserigem oder teilchenförmigem Material über ein Verfahren, das das Vorerwärmen unter Evakuierung, gefolgt von unter Druck setzen für die Infiltration und anschließend gerichtete Verfestigung unter Verwendung einer Kühlplatte involviert. Getrennte Stationen sind für die Vorheiz-/Evakuierungsstufe und die Infiltrationsstufe unter Druck vorgesehen. Eine Form, enthaltend eine Vielzahl von Vorformen, verbunden durch Eingusszapfen mit einer Quelle für geschmolzenes Matrixmaterial, ist ebenfalls offenbart (Fig. 13 und 14).
Wir haben nun eine Zahl von Entwicklungen durchgeführt, die die oben genannten Verfahren erweitern und verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials durch Infiltration eines geschmolzenen Matrixmaterials in poröse Vorformen eines verstärkenden Materials bereitgestellt, umfassend die Schritte des Anordnens einer Vielzahl von so geformten Trennelementen in einer Form, dass eine Vielzahl von Hohlräumen definiert werden, welche die Dimensionen des fertigen Produkts definieren, und Füllen der Hohlräume mit einem porösen verstärkenden Material, Unterwerfen der Form zusammen mit einer Menge des Matrixmaterials unter eine Sequenz von Schritten, umfassend:
(i) einen Evakuierschritt,
(ii) Erwärmen sowohl des Matrixmaterials als auch der Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmaterials, welches so angeordnet ist, dass es in Kontakt mit dem porösen verstärkenden Material steht oder gebracht werden kann,
(iii) einem Schritt des Druckaufbringens, um das Infiltrieren des geschmolzenen Matrixmaterials in das poröse verstärkende Material innerhalb der Form zu veranlassen, und
(iv) Abkühlen der Form, um ein Verfestigen des Matrixmaterials zu veranlassen, gekennzeichnet durch eine Kombination von Merkmalen, dass die Form zusammen mit der Menge an Matrixmaterial, angeordnet außerhalb der Hohlräume, in einem Druckbehälter angeordnet ist, in dem die Schritte (i) bis (iv) durchgeführt werden und dass das die Hohlräume ausfüllende, poröse verstärkende Material teilchenförmiges Material umfasst, enthaltend Teilchen von zwei verschiedenen Größenstufen, wobei die Größenverteilung dermaßen ist, dass die Mehrheit der Teilchen in jeder Stufe eine Größe der oder in der Nähe der jeweiligen Größe aufweisen, die für diesen Grad angegeben ist, wobei die relativen Mengen an Teilchen in den jeweiligen zwei Größenstufen vorgewählt werden.
Angemessenerweise ist das Matrixmaterial anfänglich in einem ebenfalls in dem Druckbehälter angeordneten Tiegel enthalten, wobei der Tiegel, die Form und der Inhalt der Form zusammen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmaterials erwärmt werden und das Matrixmaterial, wenn es geschmolzen ist, von dem Tiegel zur Form transferiert wird.
Vorzugsweise ist das Matrixmaterial anfänglich zusammen mit, jedoch getrennt von dem porösen Verstärkungsmaterial in der Form enthalten, wodurch beim Erwärmen der Form sowohl das poröse Verstärkungsmaterial als auch das Matrixmaterial auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmaterials erwärmt werden, das das poröse Verstärkungsmaterial infiltriert.
Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung liegen die Trennelemente in Form von dünnen Platten vor, welche zwischen diesen eine Vielzahl von scheibenförmigen Hohlräumen definieren, die mit dem porösen verstärkenden Material gefüllt sind.
In einer anderen Anordnung gemäß der Erfindung sind die Trennelemente in Paaren angeordnet, wobei ein Element jedes Paars Hohlräume enthält, die mit dem porösen verstärkenden Material gefüllt sind, und mit Ausnahme einer Seite die Form des Produkts definiert, das beim Infiltrieren des porösen verstärkenden Materials mit dem Matrixmaterial gebildet wird, und wobei das zweite Element jedes Paars eine dünne Platte umfasst, die in der Nähe des einen Elements angeordnet ist, um diese eine Seite des zu formenden Produkts zu definieren.
Die Trennelemente können Graphit, Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) oder Metall umfassen, mit der Maßgabe, dass das Metall so beschaffen ist, dass es den Temperaturen, denen die Form unterworfen wird, widerstehen wird. Wir haben gefunden, dass dünne Trennplatten, insbesondere aus rostfreiem Stahl, gut dazu dienen, die Zufuhr von geschmolzenem Aluminium in die inneren Bereiche des Hohlraums, der das verstärkende Material enthält, zu fördern. Die Trennelemente müssen so beschaffen sein, dass sie der Exposition an das flüssige Matrixmaterial widerstehen. Die Beständigkeit der Trennelemente gegenüber den flüssigen Metallen können durch Aufbringen von Beschichtungen erhöht werden. Vorzugsweise weisen solche Beschichtungen Formtrenneigenschaften auf, wie sie beispielsweise von Bornitrid- oder -oxidschichten bereitgestellt werden.
Wir haben ebenso gefunden, dass es möglich ist, die Form für die Verwendung in dieser Art von Vorrichtung aus einem Metall wie rostfreiem Stahl mit sehr dünnen Wänden zu konstruieren. Die Form kann dann leicht von dem Inhalt abgeschält werden, nachdem die Infiltration und das Abkühlen zum Verfestigen der Matrix abgeschlossen sind. Es ist bevorzugt, wo praktikabel, Flussstahl anstatt rostfreiem Stahl zu verwenden, auf Grund seiner geringeren Kosten und höheren thermischen Leitfähigkeit.
Durch Einführen einer Atmosphäre (die unter atmosphärischem Druck stehen kann) von Stickstoff oder anderen Gasen, die keinen Wasserstoff enthalten, in den Druckbehälter wird die thermische Diffusivität der Vorformen erhöht mit einer folgenden Verringerung der Aufheizzeiten. Das Erwärmen kann unter Verwendung von Widerstandselementen durchgeführt werden. Es ist jedoch bevorzugt, die HF-Erwärmung anzuwenden. Dies ist besonders vorteilhaft dahingehend, dass die Radiofrequenz thermische Isolierung umgehen kann, so dass die Form mit selektiven thermischen Isolierungen um die Wände herum ausgestattet werden kann, um eine gerichtete Verfestigung des Matrixmaterials während des Abkühlschrittes zu fördern. Ein weiterer Vorteil der HF-Erwärmung besteht darin, dass isotherme Bedingungen kontrollierbar während der Infiltration aufrechterhalten werden können. Es ist ebenso möglich, die Vorformen außerhalb des Druckbehälters vorzuwärmen und anschließend in den Druckbehälter zu überführen.
Falls die Trennelemente aus Metall sind und eine geeignete Frequenz des HF-Erwärmens angewandt wird, werden die Trennelemente dazu dienen, den Transfer von Wärme in das Zentrum der Vorformen so zu fördern, dass die Aufheizzeiten verringert werden können. Vorzugsweise weisen die Trennelemente eine höhere thermische Diffusivität als die Vorformen auf, was zu einer schnelleren Erwärmung des Kerns, das heißt des inneren Inhalts der Form, führen wird. Die Trennelemente in der Form von dünnen Platten mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit werden vorteilhafterweise mit geflanschten Anteilen an ihren Kanten bzw. Ecken versehen, um verstärkte Wärmetransferpfade von der Formwandlung zu der nächsten benachbarten Trennplatte bereitzustellen.
Als Alternative kann die Mikrowellenerwärmung eingesetzt werden, in welchem Fall die Anwesenheit von Metallen in der Form und ihrem Inhalt zu vermeiden wäre, und die Mikrowellenerwärmung kann selbstverständlich nicht zum Schmelzen des metallischen Matrixmaterials oder in jedem fortgesetzten Erwärmen während der Infiltration angewandt werden. Eine verstärkte innere Erwärmung unter Verwendung von Mikrowellen kann jedoch unter Verwendung von Trennplatten aus einer geeigneten Keramik wie Zirkonia oder einer mit Zirkonia beschichteten Keramik erzielt werden.
Gemäß bevorzugten Merkmalen der Erfindung wird die Teilchengrößenverteilung gesteuert, um dafür zu sorgen, dass
(a) die Volumenfraktion im Produkt aus dem verstärkenden Material die erforderlichen Spezifikationen erfüllt, insbesondere zum Anpassen eines spezifischen thermischen Expansionskoeffizienten,
(b) die Kapillargröße der Zwischenräume zwischen den Teilchen innerhalb der Vorform so bemessen ist, dass sie die Infiltration bei moderaten Drücken und Zeiten gestattet,
(c) die minimale Teilchengröße größer als der Kapitsa-Radius ist,
(d) die maximale Teilchengröße kleiner als ein kritischer Wert ist, um übergroße Teilchen zu vermeiden, da übergroße Teilchen häufig fehlerhaft (beispielsweise gerissen) sind. Solche Defekte können die mechanischen Eigenschaften des Produkts beeinträchtigen und den Auftrag von metallisierenden Schichten nachteilig beeinflussen. Die Anwesenheit von übergroßen Teilchen kann auch dahingehend unerwünscht sein, dass die physikalischen Eigenschaften des Verbundprodukts zu heterogen sind, insbesondere in dünnen Abschnitten.
Eine Referenz bezüglich des Kapitsa-Radius ist A. G. Every, Y. Tzou, D. P. H. Hasselman und R. Raj: Acta Metall Mater 40, 1992, 123. Der Kapitsa-Radius ist das Produkt des thermischen Kapitsa-Grenzwiderstandes und der thermischen Leitfähigkeit der Matrix. Dies hat die Dimension von Länge und kann als Äquivalent zur Dicke eines Bereichs der Matrix mit einem Widerstand gleich dem thermischen Kapitsa-Grenzwiderstand betrachtet werden. Der thermische Kapitsa-Grenzwiderstand ist ein thermischer Grenzwiderstand, der zwischen leitfähigen Teilchen und einer Matrix in einem Verbundmaterial existiert, hervorgehend aus Schallquanten-Transmissionsverlusten an der Grenze. Die Bedeutung besteht darin, dass beim Designen eines thermisch leitfähigen Verbundmaterials die Größe der leitfähigen Teilchen größer als der Kapitsa-Radius sein muss, damit die leitfähigen Teilchen effektiv zur Gesamtleitfähigkeit des Verbundmaterials beitragen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die zwei Teilchengrößenstufen die Korngröße 240 bzw. Korngröße 600. Die Mischung der Teilchen der jeweiligen zwei Größenstufen kann angemessenerweise das umfassen, was die maximale Volumenfraktion an teilchenförmiger Verstärkung in dem infiltrierten Endprodukt bereitstellt. Die Mischung der Teilchen der zwei Größenstufen kann einen Überschuss des Bestandteils mit der größeren Teilchengrößenkorngröße im Vergleich zu derjenigen, die die maximale Volumenfraktion an teilchenförmiger Verstärkung im infiltrierten Endprodukt bereitstellt, umfassen.
Um die Verteilung des geschmolzenen Matrixmaterials in eine poröse Vorform aus einem verstärkenden Material zu erleichtern, sind die Trennelemente und die mit einem porösen verstärkenden Material gefüllten Hohlräume mit einem perforierten Verschlussglied abgedeckt, das genau in die Form passt und vor dem Anordnen der Form in dem Druckbehälter wird festes metallisches Matrixmaterial oben auf dem perforierten Verschlussglied im oberen Teil der Form angeordnet, wodurch beim Erwärmen der Form das metallische Matrixmaterial schmilzt und durch das perforierte Verschlussglied durchtritt, um das poröse verstärkende Material zu infiltrieren.
Spezifische Konstruktionen der Vorrichtung und des Verfahrens, die die Erfindung ausmachen, sollen nun durch Beispiele und unter Bezugnahme auf die hiermit eingereichten Abbildungen beschrieben werden, worin:
Fig. 1 eine zeichnerische Schnittansicht einer Vorrichtung ist,
Fig. 2 eine zeichnerische Schnittansicht einer modifizierten Vorrichtung ist,
Fig. 3 eine vergrößerte zeichnerische Schnittansicht eines Teils der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ist, und
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3 ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 umfasst eine Vorrichtung für die Herstellung eines mit einer metallischen Matrix verstärkten Verbundmaterials einen Druckbehälter 1, der eine Grundplatte 2 aufweist. Eine Austrittsöffnung 3 verbindet den Druckbehälter 1 mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) oder einem Druckakkumulator, der ebenfalls nicht gezeigt ist, über ein Zweiwegventil 4. Befestigt innerhalb des Druckbehälters 1 ist eine Kammer 5. Am Boden der Kammer 5 ist eine Auslassöffnung 6, die mit dem Inneren des Druckbehälters 1 kommuniziert. In der Nähe der Spitze der Kammer 5 ist eine Belüftung 7, die durch die Basis 2 des Druckbehälters 1 durchführt und ein Ventil 8 umfasst. Innerhalb der Kammer 5 ist eine Form 9, die von einem Heizer 10 umgeben ist. Oberhalb der Form 9 ist ein offener Tiegel 11, der ebenfalls von einem Heizer 12 umgeben ist. Ein Loch 13 im Boden des Tiegels 11 kommuniziert mit einem vergleichbaren Loch 14 oben in der Kammer 5. Das Loch 13 im Tiegel 11 wird normalerweise durch einen Stopfen 15 verschlossen, der, wenn erforderlich, mit Hilfe eines geeigneten Mechanismus (nicht gezeigt) entfernt werden kann.
In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung umfasst die Form 9 einen dünnwandigen zylindrischen Stahlbehälter mit einem perforierten Deckel 21, bei dem es sich um eine Übermaßpassung im zylindrischen Inneren der Form 9 handelt und der oberhalb eines offenmaschigen Gliedes angeordnet ist. Der Deckel 21 und das offenmaschige Glied können so zum Herunterpressen und Verdichten des Inhalts der Form 9 verwendet werden und gestatten außerdem die Permeation und die Verteilung von geschmolzenem Matrixmaterial 17 durch diese hindurch, wenn dieses aus dem Tiegel 11 übermittelt wird. Der Deckel 21 dient weiterhin dazu, ein Auftreiben der Inhalte der Form 9 zu verhindern, wenn das geschmolzene Matrixmaterial in die Form 9 eingeführt wird.
Innerhalb der Form 9 befindet sich eine gestapelte Anordnung von Trennelementen in Paaren, bezeichnet als 22, 23. Die Anordnung erstreckt sich kontinuierlich vom Boden der Form 9 bis zum Deckel 21, aus Gründen der Einfachheit sind jedoch nur drei Paare an Trennelementen in der Zeichnung gezeigt.
Jedes Trennelement 22 liegt in der Form einer dünnen Platte aus rostfreiem Stahl vor. Dieses kooperiert mit einem doppelseitigen, geformten Trennelement 23, ebenfalls aus rostfreiem Stahl, um eine Vielzahl von scheibenförmigen Hohlräumen 24 zu definieren. Es ist ersichtlich, dass andere Formen mittels geeigneter Konfiguration des Trennelements 23 leicht bereitgestellt werden können.
Die Hohlräume 24 sind mit Vorformen aus verstärkendem Material gefüllt, das in diesem Beispiel verpresste Teilchen aus Siliziumcarbid umfasst.
Die Vorformen werden aus einer Mischung von hochreinem (grünem) Siliziumcarbid der Teilchengrößen 240 und 600 hergestellt (erhältlich von Norton, Korngröße 240 umfassend Teilchen mit einem Größenbereich von 42,5 bis 46,5 um in der 50%-Fraktion in der gemessenen Teilchengrößenverteilung. Die mittlere Größe der Korngröße 600 beträgt 9,5 um (± 1 um) - es wird in diesem Zusammenhang auf den britischen Standard BS 410-2(2000) verwiesen). Es ist wichtig, eine Teilchengrößenverteilung zwischen den beiden mittleren Größenwerten zu erzielen, die die Anwesenheit von Feinteilchen minimiert und defacto, wie oben angezeigt, die Anzahl von Teilchen mit einer Größe kleiner als der Kapitsa- Radius minimiert. In entsprechender Weise ist es wesentlich, die Anwesenheit von übergroßen Teilchen zu vermeiden.
Eine Mischung, enthaltend zwischen 60 bis 70 Vol.-% Teilchen der Korngröße 240 und dementsprechend zwischen 40 und 30 Vol.-% Teilchen der Korngröße 600 ergibt eine maximal gepackte Volumenfraktion an Siliziumcarbid, die in der Praxis etwa 70% erreichen kann. Falls dieses Maximum im Produkt erforderlich ist, haben wir gefunden, dass es praktikabel ist, eine Mischung zu wählen, die auf die gröbere Fraktion hin verschoben ist, beispielsweise 70 Vol.-% Korngröße 240 mit 30 Vol.-% Korngröße 600. Dieses deshalb, weil die Packungsfraktion sich in der Nähe des Maximalwertes in dem ersten erwähnten Bereich oben befindet und sich daher nur sehr langsam mit der Änderung in der Teilchenfraktion ändert. Im Gegensatz dazu ändert sich die Permeabilität der Mischung mit einer schnellen Geschwindigkeit über diesen Bereich und eine wesentliche Steigerung der Permeabilität kann durch spezifizieren einer Packungsfraktion weg von dem absoluten Maximum der Volumenfraktion ohne signifikanten Verlust an Volumenfraktion realisiert werden.
Für die Herstellung von Verbundwerkstoffen, in denen geringere Volumenfraktionen akzeptabel sind, ist eine Relaxation des oben erwähnten Erfordernisses, die Korngrößenverteilung zu kontrollieren und insbesondere die Anwesenheit von feinen Teilchen zu vermeiden, möglich. Für solche Anwendungen kann es angemessen sein, unklassifizierte Stufen bzw. Grade an Material, wie Gemahlenes, zu verwenden.
Eine weitere Verdichtung der Vorformen kann wünschenswert sein und beispielsweise durch zusätzliches Vorpressen unter Verwendung kaltem isostatischem Pressen erzielt werden. Eine gewisse kohäsive Festigkeit in den Vorformen kann durch die Verwendung von Bindemitteln (beispielsweise Syton als kolloidalem Siliziumoxidbindemittel) oder durch partielles Vorsintern entwickelt werden. Vorsintern ist zum Erhöhen der Volumenfraktionen bei Erhalt der Permeabilität geeignet. Wir haben jedoch gefunden, dass es für jedes solche Vorsintern wesentlich ist, dass dieses sorgfältig kontrolliert wird, um den Verlust an zugänglicher Porosität zu vermeiden. Idealerweise sollte die Wirkung des Vorsinterns darin bestehen, dass alle vorhandenen Poren zwischen den Partikeln verbleiben und zugänglich bleiben, jedoch verkleinerte Dimensionen aufweisen. Diesem Ideal kann man sich unter Verwendung eines sorgfältig gesteuerten Mikrowellenerwärmens für den Vorsinterschritt annähern.
Die gewünschte Packungsdichte kann durch Schlickerguss der Siliziumcarbidmischungen, Gefrierguss oder Sedimentation aus einem Fluid erzielt werden, alternativ kann ein Warmformen von mit Siliziumcarbid beladenen Verbindungen eingesetzt werden. Die Anwendung von Vibration (beispielsweise Ultraschallvibration) kann die Packungsdichte verbessern. Tatsächlich kann die Ultraschallvibration vorteilhafterweise während der Infiltration angewandt werden, um den Infiltrationsprozess zu unterstützen.
Wenn die vorbereitet Form 9 und ihr Inhalt in Position in Kammer 5 sind, fertig für die Infiltration mit, in diesem Beispiel, einem geschmolzenen Aluminiummatrixmaterial 17 aus dem Tiegel 11, wird das Belüftungsventil 8 der Belüftung 7 geschlossen und das Ventil 4 gesetzt, um den Druckbehälter 1 mit der Vakuumpumpe zu verbinden. Wenn der Druckbehälter 1 und die Kammer 5 evakuiert sind, wird der Auslass 6 geschlossen. Die Heizer 10 und 12 werden angestellt und sowohl die Form zusammen mit den Vorformen 24 und der Tiegel 11 auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmaterials 17 im Tiegel 11 erhöht. Für Aluminium werden die Form 9 und ihr Inhalt auf etwa 700ºC vorgewärmt und das Aluminium-Matrixmaterial 17 auf etwa 730ºC. Der Stopfen 15 wird entfernt, so dass das geschmolzene Matrixmaterial 17 in die Form 9 nur unter Einfluss der Schwerkraft durchtritt. Ventil 4 wird anschließend umgekehrt, um den Druckbehälter 1 unter Druck zu setzen und das Matrixmaterial 17 dazu zu bringen, die Vorformen 24 zu infiltrieren. Schließlich werden das Ventil 8 und der Auslass 6 geöffnet, so dass das Gas dem Inneren des Druckbehälters 1 entlang der Form 9 zum Kühlen derselben und Verfestigen des Verbundmaterials innerhalb derselben strömt. Diese Kühlkonfiguration hat die Wirkung, dass das Schrumpfen der infiltrierten Vorformen 24 während der Verfestigung durch verbleibende Flüssigkeit aus dem Vorrat gespeist wird. Diese Wirkung wird durch Bereitstellen der Isolierung (nicht gezeigt) entlang der Seitenwandungen der Form 9 gefördert.
Es ist ersichtlich, dass die Infiltration isothermisch solange, wie erforderlich, fortgesetzt werden kann. Ein spezieller Vorteil für das Siliziumcarbid-Aluminium-System besteht darin, dass es ein Merkmal dieses Systems ist, dass der Benetzungswinkel von Siliziumcarbid/flüssigem Aluminium sich über eine Zeitskala von Minuten verringert. Die kleinsten Poren, die ansonsten unter dem aufgebrachten Drücken anfänglich nicht infiltriert würden, werden anschließend beim Aufrechterhalten des Druckes und der Temperatur über diesen Zeitbereich infiltriert. In dem oben beschriebenen Beispiel, das eine Anordnung von Trennelementen und Vorformen 24 involviert, wurde eine Infiltrationszeit von 5 Minuten, die man vor dem Abkühlen gestattete, als für angemessen befunden.
Fig. 2 zeigt eine Modifikation der Vorrichtung von Fig. 1, welche modifizierte Vorrichtung eine Anzahl von Vorteilen bereitstellt. Komponenten, die eine vergleichbare Funktion zu derjenigen erfüllen, die in Fig. 1 gezeigt ist, werden durch dieselbe Bezugsziffer identifiziert, gekennzeichnet bzw. unterscheiden durch das Suffix "a".
Form 9a umfasst einen dünnwandigen Stahlbehälter mit der Form einer rechteckigen Schachtei. Die Seitenwandungen der Form 9a sind thermisch isoliert 31. Eine HF- Erwärmung wird über die Spulen 10a bereitgestellt, was sich gut mit dem rostfreien Stahl der Form 9a verbindet, um eine schnelle Erwärmung bereitzustellen.
Auslassöffnung 3a und Ventil 4a sorgen für die Evakuierung und das unter Druck setzen, wie mit der Vorrichtung der Fig. 1. Eine getrennte Leitung 32 und ein Ventil 33 sorgen für den Nachschub an Kühlgas. Eine Auslassleitung 7a, gesteuert durch Ventil 8a, wird aus einer perforierten Sammelringleitung 34 gespeist. Die Leitung für Kühlgas 32 und die Sammelringleitung 34 sind so angeordnet, dass sie den Strom an Kühlgas über die nicht isolierte Bodenwandung der Form 9a leiten.
Eine Vorform 35 aus porösem verstärkenden Material wird innerhalb der Form 9a mit Hilfe eines perforierten Deckels 21a in Position gehalten, der eine Übermaßpassung in der Form 9a darstellt. Ein offenmaschiges Glied 36 ist zwischen dem Deckel 21a und der Vorform 35 angeordnet, um geschmolzenes metallisches Matrixmaterial 37 zu verteilen, wenn dieses durch die Perforationen in dem Deckel 21a hindurch tritt. Das Maschenglied dient auch dazu, Siliziumcarbidpulver an Ort und Stelle innerhalb der Form 9a zu halten. Es ist ersichtlich, dass die Funktionen des Deckels 21a und des Maschengliedes 36 in einer einzelnen Komponente kombiniert werden können, beispielsweise in Form eines Deckels alleine, der mit Poren versehen ist, die fein genug sind, um dazu zu dienen, das Siliziumcarbidpulver zurückzuhalten.
Das metallische Matrixmaterial 37 ist anfänglich, wie gezeigt, als fester Block in der Form 9a selbst oben auf dem perforierten Deckel 21 angeordnet. Der Freiraum zwischen dem Block aus Matrixmaterial 37 und den Wandungen der Form ist erforderlich, um ein Entweichen von Gasen aus der Vorform während des Evakuierens zu gestatten.
Wenn die vorbereitete Form 9a und ihr Inhalt in Position im Druckbehälter 1a sind, wird der Behälter 1a zunächst evakuiert und der Heizer 10a angestellt. Wenn das metallische Matrixmaterial 37 geschmolzen ist, wird ein Druck über Ventil 4a angelegt. Nachdem die Infiltration im Wesentlichen abgeschlossen ist, wird der Heizer 10a abgestellt und Kühlgas unter Druck über Ventil 33 und Leitung 32 bereitgestellt. Gleichzeitig wird die Entlüftung 7a über Ventil 8a an die Atmosphäre geöffnet. Der daraus resultierende kontrollierte Strom an Kühlgas ermöglicht das Auftreten einer wohl gesteuerten, gerichteten Verfestigung in der Form.
Es ist ersichtlich, dass die Konfiguration aus Fig. 2 Vorteile über diejenige aus Fig. 1 dahingehend hat, dass die Vorrichtung einfacher ist, insbesondere nur einen einzelnen HF- Heizer benötigt und die Notwendigkeit einer Kontrolle bei hoher Temperatur des Stroms an geschmolzenem metallischen Matrixmaterial vermeidet. Die für jeden Durchlauf verwendete Menge an letzterem kann eng gesteuert werden und größere Kontrolle über die Temperatur sowohl während des Erwärmens als auch des Abkühlens kann ausgeübt werden.
Die Vorrichtung sowohl aus Fig. 1 als auch aus Fig. 2 kann in einem verbesserten Modus betrieben werden, der ein anfängliches Erwärmen der Vorform im Druckbehälter 1, 1a mit einer Gasatmosphäre gestattet, die so gewählt ist, dass sie die thermische Diffusivität des Vorformmaterials im Vergleich zur thermischen Diffusivität dann, wenn das Gas evakuiert ist, substantiell erhöht. Bei diesem Betriebsmodus wird der Druckbehälter 1, 1a wie zuvor zum Entfernen unerwünschter Rückstände an Sauerstoff oder Wasserdampf evakuiert. Sobald er evakuiert ist, kann Gas in den Behälter 1, 1a eingelassen werden. Dieses ist so gewählt, dass es nicht reaktiv oder oxidierend ist und auch einen ausreichend niedrigen Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Das Gas kann dasselbe sein, wie das Gas, das zum unter Druck setzen des Behälters 1, 1a in den späteren Stufen des Verfahrens verwendet wird, in welchem Fall Ventil 4 verwendet wird und den Behälter 1, 1a mit dem Druckakkumulator verbindet. Alternativ können andere Gase eingesetzt werden.
Wenn der Druckbehälter 1, 1a mit dem Gas bis zum erforderlichen Druck (üblicherweise atmosphärischem Druck) gefüllt ist, werden die Heizer angestellt. Sobald die Kerntemperatur der Vorform ausreichend ist, wird das Gas evakuiert, indem man den Druckbehälter 1, 1a wie zuvor an die Vakuumpumpe anschließt. Der Rest des Verfahrens ist dann, wie zuvor beschrieben.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Form 9a in größerem Detail und insbesondere veranschaulichen sie eine bevorzugte Anordnung zur Ausbildung einer Vielzahl von rechteckigen Bahnen an Produkt.
Vorformen an teilchenförmigem Siliziumcarbid in der Form einer rechteckigen Bahn werden definiert und durch eine Anordnung von Trennplatten 41 angeordnet. Zwei gegenüberliegende Seiten der Trennplatten 41 werden mit Flanschen 42 (siehe Fig. 4) versehen, die dazu dienen, die gewünschte Trennung der Platten 41 aufrecht zu erhalten und den Wärmetransfer von den Wandungen der Form 9a in die den Kern bildenden, innersten Komponenten zu unterstützen.
Die Inhalte der Form 9a werden mit Hilfe des Deckels 21a an Ort und Stelle gehalten und das dazwischen angeordnete offene Netz 36 dient dazu, geschmolzenes metallisches Matrixmaterial 37 zu verteilen, wenn dieses über den perforierten Deckel 21a in die Vorformen tropft.
Die Lücke zwischen der inneren Oberfläche der Wandungen der Form 9a und den Flanschen 42 der Trennplatten 41 ist so angeordnet, dass sie so schmal wie möglich ist, um den Wärmetransfer zu fördern, und dieses wird außerdem die Trennung der Platten 41 voneinander nach der Filtration und Entfernung der Form 9a unterstützen.
Die Siliziumcarbidvorformen können in die Räume zwischen den Platten 41 mit Hilfe jedes der oben in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verfahren eingeführt werden. Die speziell gezeigte Konfiguration lässt sich jedoch leicht unter Verwendung von vorgefertigten Bahnen aus Kunststoffmaterial beladen, die aus mit Bindemittelmaterial zusammengepressten Siliziumcarbidpulvern gebildet sind. Das Bindemittel kann durch Erwärmen vor dem Infiltrationsverfahren entfernt werden.
Es ist zu beobachten, dass die Trennplatten 41 in der Anordnung der Fig. 3 und 4 vertikal sind, im Unterschied zu der im Allgemeinen horizontalen Konfiguration aus Fig. 1. Das vertikale Stapeln ist vorteilhaft dahingehend, dass es für eine bessere Orientierung für die Infiltration des geschmolzenen metallischen Matrixmaterials sorgt, insbesondere während des Einfüllens, wenn eine gerichtete Verfestigung abläuft.
Obwohl graphitische oder keramische Trennplatten 41 möglich sind, sind diese vorzugsweise aus Metall gemacht, da sie leichter rückzugewinnen und wieder zu verwerten sind und im Allgemeinen für eine bessere thermische Leitfähigkeit sorgen können. Metallische Trennplatten 41 scheinen für das Bereitstellen verbesserter Infiltrationswege für das geschmolzene metallische Material wirksam zu sein.
Die Verwendung von Legierung mit einem sorgfältig gewählten thermischen Expansionskoeffizienten kann jedoch vorteilhaft sein, in welchem Fall die thermische Leitfähigkeit nicht so gut sein kann. Beispielsweise ist es insbesondere vorteilhaft, die Zusammensetzung der Legierung der Trennplatten 41 so maßzuschneidern, dass deren Koeffizient der thermischen Expansion kleiner ist als derjenige des Verbundmaterials mit metallischer Matrix oberhalb des Schmelzpunktes des metallischen Matrixmaterials, jedoch höher unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen Matrixmaterials. Der Effekt besteht dann für die Trennplatten 41 darin, dass sie das Verbundmaterial während der Infiltration komprimieren und von diesem nach Verfestigung wegschrumpfen, um die anschließende Trennung zu erleichtern.
In einem weiteren Ansatz werden einfache flache Platten aus Zirkonium mit kolloidalem Graphit beschichtet, an den ausgeschnittene Formen aus einer graphitischen Bahn angeheftet sind. Der weggeschnittene Teil definiert die Form, die in dem gewünschten Produkt repliziert werden soll, und wird (beispielsweise mittels Kalandern) mit einer Aufschlämmung an keramischen verstärkenden Teilchen gefüllt. Nach dem Trocknen wird eine Vielzahl von Vorformen, die auf diese Weise hergestellt wurden, gestapelt und wie oben beschrieben infiltriert. Falls gewünscht, können Löcher in der getrockneten Aufschlämmung hergestellt werden. Diese werden sich während des Infiltrationsverfahrens mit Metall füllen, das Metall kann jedoch anschließend viel leichter ausgebohrt werden, als zu versuchen, durch ein mit Keramik verstärktes Metall hindurch zu bohren.
Falls graphitische oder keramische Trennplatten 41 verwendet werden, kann es wünschenswert sein, die Oberfläche mit einem Freisetzungsmittel zu beschichten, das idealerweise auch dazu dient, jede Tendenz des geschmolzenen metallischen Matrixmaterials, in die graphitischen oder keramischen Separatorplatten einzufiltrieren, inhibiert.
Die Erfindung ist nicht auf die Details der oben genannten Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Form der Vorform in der Form 9 oder 9a durch ein Umkleidungsmaterial gestützt werden, insbesondere dann, wenn komplexe Produktformen erforderlich sind. Es ist selbstverständlich wesentlich, dass das Umhüllungsmaterial nicht wesentlich infiltriert wird. Wir haben gefunden, dass feinkörniges Siliziumcarbid für diesen Zweck geeignet ist und angemessenerweise unter Verwendung eines Salzes gebunden werden kann. Ein Salz als Bindemittel, das in Wasser löslich ist, wird für eine leichte Entfernung des Umhüllungsmaterials sorgen, nachdem die Infiltration und Verfestigung des Produkts abgeschlossen ist.
In einer Entwicklung sind Trägerhalterungen für Formen 9a auf einer Spur zwischen einer Vielzahl von Stationen beweglich. An einer oder mehrerer dieser Stationen kann eine HF- Heizungsspule in einer Haube über die geträgerte Form 9a abgesenkt (und anschließend angehoben) werden, um die Form und ihren Inhalt vorzuwärmen. Bei einer weiteren Station kann eine Vakuumkammer und die damit verbundene Ausstattung, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde, abgesenkt (und anschließend angehoben) werden, um sich in vakuumdichten Kontakt mit der Trägerbefestigung einzuklinken. Mit einer solchen Anordnung, die beispielsweise drei Stationen involviert, ist es möglich, den Anlagenbetrieb effizient zu leiten bzw. zu managen. Somit können, während eine beladene Form sich der Infiltration in der zentralen Station (Vakuumkammer) unterzieht, beladene Formen an den anderen Stationen vorbereitet und vorerwärmt werden, fertig für den Transfer zur zentralen Station, sobald die Infiltration der vorangegangenen Charge abgeschlossen ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials durch Infiltration eines geschmolzenen Matrixmaterials (17; 37) in poröse Vorformen eines verstärkenden Materials, umfassend die Schritte des Anordnens einer Vielzahl von so geformten Trennelementen (22, 23; 41) in einer Form (9; 9a), dass eine Vielzahl von Hohlräumen (24) definiert werden, welche die Dimensionen des fertigen Produkts definieren, und Füllen der Hohlräume mit einem porösen verstärkenden Material, Unterwerfen der Form (9; 9a) zusammen mit einer Menge des Matrixmaterials (17; 37) unter eine Sequenz von Schritten, umfassend:

(i) einen Evakuierschritt,

(ii) Erwärmen sowohl des Matrixmaterials (17; 37) als auch der Form (9; 9a) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmaterials (17; 37), welches so angeordnet ist, dass es in Kontakt mit dem porösen verstärkenden Material steht oder gebracht werden kann,

(iii) einem Schritt des Druckaufbringens, um das Infiltrieren des geschmolzenen Matrixmaterials (17; 37) in das poröse verstärkende Material innerhalb der Form (9; 9a) zu veranlassen, und

(iv) Abkühlen der Form (9; 9a), um ein Verfestigen des Matrixmaterials (17; 37) zu veranlassen,

gekennzeichnet durch eine Kombination von Merkmalen, so dass die Form (9; 9a) zusammen mit der Menge an Matrixmaterial (17; 37), angeordnet außerhalb der Hohlräume (24), in einem Druckbehälter (1, 1a) angeordnet ist, in dem die Schritte (i) bis (iv) durchgeführt werden und dass das die Hohlräume (24) ausfüllende, poröse verstärkende Material teilchenförmiges Material umfasst, enthaltend Teilchen von zwei verschiedenen Größenstufen, wobei die Größenverteilung dermaßen ist, dass die Mehrheit der Teilchen in jeder Stufe eine Größe der oder in der Nähe der jeweiligen Größe aufweisen, die für diesen Grad angegeben ist, wobei die relativen Mengen an Teilchen in den jeweiligen zwei Größenstufen vorgewählt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (17; 37) anfänglich in einem ebenfalls in dem Druckbehälter (1; 1a) angeordneten Tiegel (11) enthalten ist, wobei der Tiegel (11), die Form (9; 9a) und der Inhalt der Form (9; 9a) zusammen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmaterials (17; 37) erwärmt werden und das Matrixmaterial (17; 37), wenn es geschmolzen ist, von dem Tiegel (11) zur Form (9; 9a) transferiert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) in Form von dünnen Platten vorliegen, welche zwischen diesen eine Vielzahl von scheibenförmigen Hohlräumen (24) definieren, die mit dem porösen verstärkenden Material gefüllt sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) in Paaren angeordnet sind, wobei ein Element jedes Paars Hohlräume (24) enthält, die mit dem porösen verstärkenden Material gefüllt sind, und mit Ausnahme einer Seite die Form des Produkts definiert, das beim Infiltrieren des porösen verstärkenden Materials mit dem Matrixmaterial gebildet wird, und wobei das zweite Element jedes Paars eine dünne Platte umfasst, die in der Nähe des einen Elements angeordnet ist, um diese eine Seite des zu formenden Produkts zu definieren.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) Metall umfassen, welches so beschaffen ist, dass es bei den Temperaturen, denen die Form (9; 9a) für die Infiltration unterworfen wird, steif bleibt und seine Struktur erhält.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5. zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Form (9; 9a) einen dünnwandigen Behälter aus Metall umfasst, das so beschaffen ist, dass es bei den Temperaturen, denen die Form (9; 9a) für die Infiltration unterworfen wird, fest bleibt und seine Struktur beibehält, der sich jedoch, nachdem Infiltration und Verfestigung abgeschlossen sind, leicht entfernen lässt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) aus Grafit sind.

8. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Form mittels HF-Erwärmung bei einer für die Trennelemente (22, 23; 41) ausreichend niedrigen Frequenz erwärmt wird, um für eine interne Erwärmung des Inhalts der Form (9; 9a) zu sorgen.

9. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Form (9; 9a) nichtmetallisch ist und der Inhalt derselben durch Erwärmen mit Mikrowellen erwärmt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) aus Keramik wie Zirkonoxid hergestellt sind, das Mikrowellenstrahlung in Wärme umwandelt.

11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverteilung der Teilchen des porösen verstärkenden Materials so gesteuert wird, dass die Anzahl der Teilchen mit einer Größe kleiner als der Kapitza-Radius minimiert wird.

12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass besagte zwei Teilchengrößenstufen Korngröße 240 und Korngröße 600 sind.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung an Teilchen der beiden jeweiligen Größenstufen diejenige umfasst, die eine maximale Volumenfraktion an teilchenförmiger Verstärkung in dem infiltrierten Endprodukt bereitstellt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung an Teilchen der zwei Größenstufen einen Überschuss an dem Bestandteil mit der größeren Teilchengrößenstufe umfasst, im Vergleich zu derjenigen, die die maximale Volumenfraktion an teilchenförmiger Verstärkung im infiltrierten Endprodukt bereitstellt.

15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (22, 23; 41) und die Hohlräume (24), gefüllt mit dem porösen verstärkenden Material, mit einem perforierten Verschlussglied (21) abgedeckt sind, das genau in die Form (9a) passt und dass festes metallisches Matrixmaterial (37) vor dem Anordnen der Form (9a) in dem Druckbehälter (1; 1a) oben auf dem perforierten Verschlussglied (21) im oberen Teil der Form (9a) angeordnet wird, wodurch beim Erwärmen der Form (9a) das metallische Matrixmaterial (37) schmilzt und durch das perforierte Verschlussglied (21) durchtritt, um das poröse verstärkende Material zu infiltrieren.

16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Evakuieren des Druckbehälters (1; 1a) Gas für eine anfängliche Zeitspanne während des Erwärmens eingeführt und wieder evakuiert wird, bevor das Matrixmaterial (17; 37) seinen Schmelzpunkt erreicht.

17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen während des Infiltrationsstadiums kontrolliert wird, um bis zum Abschluss der Infiltration im Wesentlichen isotherme Infiltrationsbedingungen aufrecht zu erhalten.