DE69907863T2

DE69907863T2 - Verfahren zum Infiltrieren eines porösen Körpers

Info

Publication number: DE69907863T2
Application number: DE69907863T
Authority: DE
Inventors: Gregory Scot Ballston Lake Corman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: TW541290B; EP1035089B1; JP2000256706A; KR100622738B1; KR20000062149A; US6403158B1; JP4889843B2; EP1035089A1; DE69907863D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Infiltrieren eines porösen Körpers aus einem Material mit Silicium.
Lamellenartige und faserartige Materialien werden üblicherweise durch Schmelzinfiltration eingeführt, um als Füll-stoffe und Verstärkungen in verschiedenen Verbundmaterialien zu wirken. Silicium-Schmelzinfiltration in einen porösen Körper, der Siliciumcarbid (SiC) und/oder Kohlenstoff (C) enthält, ist ein übliches Verfahren zum Herstellen von reaktionsgebundenem Siliciumcarbid oder "mit Silicium versehenen" Siliciumcarbid-Verbundprodukten. Beispiele von derartigen Verbundprodukten sind Silicium/Siliciumcarbid(Si/SiC)-Keramiken und zäh gemachte Keramikmatrix-Verbundmaterialien. Ein Vorteil des Silicium-Schmelzinfiltrationsverfahrens besteht darin, dass es ein Produkt mit nahezu resultierender bzw. Nettoform erzeugt, was bedeutet, dass wenig oder gar keine Änderung in der Vorformabmessung während des Infiltrations/Verdichtungsverfahrens auftritt. Ein Verfahren mit nahezu Nettoform gestattet eine Fertigung von Produkten, die eine minimale Bearbeitung erfordern.
Ein wichtiger Aspekt des Schmelzinfiltrationsverfahrens ist der Prozess, durch den das Silicium mit dem porösen Vorformkörper in Kontakt gebracht wird. Das Silicium kann direkt in Kontakt mit der Vorform gebracht werden. In einem anderen Prozess wird ein Kohlenstofffaserdocht verwendet, um flüssiges Silicium durch Kapillarwirkung aus einem Reservoir zu dem Material zu transportieren, das infiltriert wird. Diese Prozesse haben mehrere Nachteile. Im Falle eines direkten Kontaktes von Vorform und Silicium, was eine vollständige Infiltration des Körpers erreicht, ohne dass überschüssiges Silicium auf der Oberfläche des Körpers zurückbleibt, erfordert eine sehr präzise Zumessung der Siliciummenge. Körper, die durch unterschiedliche Techniken oder mit unterschiedlichen Verhältnissen des Startermaterials hergestellt sind, erfordern unterschiedliche Siliciumpegel für eine vollständige Infiltration. Jede Prozessänderung erfordert eine Einstellung durch empirische Ermittlung der Siliciummenge. Wenn eine Silicium-Bor-Legierung für die Infiltration verwendet wird, werden Borsilicide (wie beispielsweise B₃Si, B₄Si und B₆Si) während des Schmelzens gebildet. Diese Borsilicide lösen sich nicht vollständig in der Legierung während des Infiltrationsprozesses. Infolgedessen wird ein anhaftender Rest dieser Boride (und andere Verunreinigungen) auf der Oberfläche des Körpers zurückgelassen, der durch Bearbeitung entfernt werden muss. Wenn ein Docht verwendet wird., bleibt ein Rest auf dem Docht anstatt auf dem infiltrierten Körper. Jedoch sind die Dochte an dem infiltrierten Körper fest anhaftend und benötigen eine Bearbeitung zur Beseitigung. Auch werden Probleme, die mit dem Einstellen des Siliciumpegels verbunden sind, schlechter gemacht, da nun alle Änderungen in der Größe des Dochtes selbst berücksichtigt werden müssen. Die Verwendung von Dochten begrenzt auch die Anzahl von Orten, wo das Silicium in den Körper eingeführt werden kann. Wenn der Körper groß ist oder eine komplexe Form hat, kann das Silicium in einer ungleichförmigen Art und Weise infiltriert werden, was Zusammensetzungs- und Eigenschaftenänderungen zur Folge hat.
Ein anderes Problem mit Silicium-Schmelzinfiltration wird durch die Tatsache hervorgerufen, dass sich Silicium während des Erstarrens ausdehnt. Wenn sich das Silicium ausdehnt, wird überschüssiges Silicium aus der Körperoberfläche herausgeschoben, um Beulen aus Siliciummetall zu bilden. Die Siliciumbeulen bewirken, dass der Körper aus der Toleranz fällt, wodurch wiederum eine teure Bearbeitung nach der Infiltration erforderlich wird.
Somit besteht ein Bedarf, ein Silicium-Schmelzinfiltrationsverfahren zu schaffen, das keine Zusammensetzungs- und Eigenschaftsänderungen zur Folge hat und keine teure Bearbeitung des infiltrierten Verbundproduktes erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist ein Verfahren zum Infiltrieren eines Körpers mit Silicium. Es wird eine Mischung gebildet, die Silicium und bis zu etwa 6 Gewichts-% hexagonales Bornitrid auf weist. Ein Körper, der eine Komponente aufweist, die durch das Silicium benetzt wird oder mit diesem reagiert, wird mit der Pulvermischung in Kontakt gebracht und der in Kontakt gebrachte Körper wird mit Silicium aus der Mischung infiltriert. Die Phrase "bis zu 6 Gewichts-%" umfasst eine geringe Menge von 0,1 Gewichts-% hexagonales Bornitrid, umfasst weiterhin 1,0 Gewichts-% bis etwa 6 Gewichts-% hexagonales Bornitrid und umfasst auch noch 4 Gewichts-% bis 6 Gewichts-% hexagonales Bornitrid.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Infiltrieren eines Körpers mit Silicium, enthaltend Beschichten eines Körpers, der eine Komponente aufweist, die durch Silicium mit einem Brei aus hexagonalem. Bornitrid und Silicium benetzt wird oder damit reagiert. Der beschichtete Körper wird dann mit Silicium aus dem Brei infiltriert.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein poröser Körper kann mit Silicium infiltriert werden, indem der Körper in eine Mischung von Siliciumpulver und einer gesteuerten Menge von hexagonalem Bornitridpulver eingebettet wird. Morelock beschreibt in dem US-Patent 4,737,328 ein Verfahren zum Erzeugen eines Verbundkörpers durch Einbetten eines porösen Körpers, der eine Substanz enthält, die mit Silicium in einer Pulvermischung reagiert, die aus Silicium und hexagonalem Bornitridpulver zusammengesetzt ist. Das Morelock-Patent lehrt Grenzen für die Silicium-Bornitrid(Si-BN)-N[ischung von 10% bis 90% Silicium nach Volumen (äquivalent zu 90,6 Gewichts-% bis 9,6 Gewichts-% Bornitrid (BN)). Jetzt wurde gefunden, dass verdichtete Silicium-Bornitrid Si-BN Mischungen, die 50 Gew-% bis 10 Gew-% von Bornitrid (BN) enthalten, keine Infiltration von Silicium (Si) in Siliciumcarbid/Kohlenstoff (SiC/C)-Körper zur Folge hat. Das Silicium infiltriert nur, wenn der Bornitrid(BN)-Wert bei Werten unter etwa 10% gesteuert wird.
Weiterhin spezifiziert das Morelock-Patent ein Verfahren zum Kontaktieren der porösen Vorform, das eine trockene Verdichtung in einer Form oder einem Gesenk verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein wässriger Brei aus Silicium-Bornitrid (Si-BN) verwendet werden, um eine Vorform zu beschichten, um die Infiltration herbeizuführen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zum Ausführen der Silicium-Schmelzinfiltration bereit, das für eine saubere Körperoberfläche frei von überschüssigem Siliciummetall sorgt. Das Silicium-Infiltriermittel in der Form von einem Pulver wird mit bis zu 6 Gew-% Bornitridpulver gemischt. Das hexagonale Bornitrid (BN) ist in einer Menge bis zu etwa 6 Gew-% vorhanden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Bornitridpulver in einer Menge von 1 Gew-% bis 6 Gew-% vorhanden und ist in einer am stärksten bevorzugten Menge von 5 Gew-% bis 6 Gew-% der Mischung vorhanden. Die Mischung kann andere legierende Zusätze, wie beispielsweise Bor(B) enthalten, aber Silicium sollte in der Mischung wenigstens in einer ausreichenden Menge vorhanden sein, um den gewünschten Verbundkörper zu erzeugen.
Die Mischung kann durch eine Anzahl von Techniken gebildet werden. Beispielsweise können die zwei Pulver einfach miteinander gemischt werden. Wenigstens wird eine in signifikanter Weise gleichförmigen Mischung der zwei Pulver gebildet, und vorzugsweise wird eine gleichförmige oder im wesentlichen gleichförmige Mischung gebildet. Die Mischung wird dann als die Quelle von Silicium für die Schmelzinfiltration verwendet. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Mischung mit Wasser gemischt, um einen Brei zu formen, der durch Tauchen oder Sprühen auf einen Vorformkörper aufgebracht wird. Der Körper wird dann einer Infiltrations-Wärmebehandlung ausgesetzt, bei der das Silicium schmilzt und in den porösen Körper eindringt (infiltriert). Der Vakuumdruck, die Ofentemperatur und die Zeit bei der Temperatur zur Infiltration sind die gleichen oder im wesentlichen die gleichen, wie sie in den Techniken des Morelock-Patents benutzt werden, das durch diese Bezug nahme in seiner Gesamtheit in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird.
In allen Ausführungsbeispielen der Erfindung bleibt überschüssiges Silicium in der Infiltriermischung oder Silicium, das während des Erstarrens auf die Körperoberfläche rausgeschoben wird, auf der Oberfläche gemischt mit dem Bornitrid (BN) Pulver. Nach der Infiltration ist jedes Material, das auf der Oberfläche des Körpers verbleibt, eine krümelige Bornitrid(BN)-Mischung, die auf einfache Weise weggekratzt werden kann. Zusätzlich erleichtern die Sprüh- und Tauchbeschichtungs-Ausführungsbeispiele des Beschichtens des Vorformkörpers die Einführung von Silicium über eine gesamte Oberfläche der Vorform, um für eine gleichförmige und schnellere Infiltration zu sorgen.
Das Siliciumpulver kann in einem breiten Größenbereich vorliegen, aber vorzugsweise sollte es nicht größer als etwa 100 mesh sein, d. h. nicht größer als etwa 150 μm (Mikron). Mesh bedeutet hier US Siebgröße. Größere Teilchen haben eine Tendenz zum Verschmelzen und den Körper nicht zu infiltrieren. Vorzugsweise hat das Siliciumpulver eine Teilchengröße von etwa 200 mesh, d. h. es ist nicht größer als etwa 75 μm (Mikron). Das hexagonale Bornitrid(BN)-Pulver kann in einem Größenbereich vorliegen, aber vorzugsweise sollte es nicht größer als etwa 100 mesh sein, d. h. nicht größer als etwa 150 μm (Mikron). Eine größere Teilchengröße kann gestatten, dass das Silicium verschmilzt, um eine Infiltration in den Körper zu verhindern. Vorzugsweise hat das hexagonale Bornitrid(BN)-Pulver eine Teilchengröße von etwa 325 mesh, d. h. nicht größer als etwa 45 μm (Mikron).
In einem Ausführungsbeispiel weist etwa 5 Volumen-% des zu infiltrierenden Materials eine Komponente auf, die durch Silicium benetzt wird oder mit Silicium reagiert. Silicium hat eine Affinität für eine Substanz, mit der es reagiert, und wird in Richtung auf diese Komponente wandern. Eine derartige reagierende Komponente ist erforderlich, damit das Silicium den porösen Körper infiltriert. Beispiele für reaktionsfähige Komponenten umfassen elementaren Kohlenstoff und Metalle, wie beispielsweise Molybdän, Titan, Chrom, Wolfram, Silber und Aluminium. Wie er hier verwendet wird, umfasst der Begriff "elementarer Kohlenstoff" alle Formen von elementarem, diamantfreiem Kohlenstoff einschließlich Graphit.
Die Komponente, die durch Silicium benetzt wird oder mit Silicium reagiert, kann in einer Menge in dem Bereich von 5 Volumen-% bis etwa 100 Volumen-% des zu infiltrierenden Materials vorhanden sein. Die jeweilige Menge dieser Komponente hängt von der jeweiligen gewünschten Verbundmasse ab. Üblicherweise ist die Komponente, die durch Silicium benetzt wird oder mit Silicium reagiert, in einer Menge von wenigstens etwa 10 Volumen-% oder wenigstens etwa 20 Volumen-% oder wenigstens etwa 50 Volumen-% des Materials vorhanden, das infiltriert werden soll.
Der Teil des Materials, das nicht mit Silicium reagiert, kann ein keramisches Material aufweisen, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid (BN) und Aluminiumnitrid. Diamant kann als eine nicht-reagierende Komponente in Abhängigkeit von ihrer Teilchengröße vorhanden sein. Eine feine Teilchengröße kann mit Silicium reagieren, um Siliciumcarbid zu bilden.
Das Material, das infiltriert werden soll, kann in einer breiten Vielfalt von Formen vorliegen. Beispielsweise kann es in der Form von einem Teilchen, Filament, Gewebe und Mischung davon sein. Der Begriff Filament umfasst hier Fiber und Whisker.
Das zu infiltrierende Material kann durch eine Anzahl von Techniken zu einem porösen Körper geformt werden. Vorzugsweise hat der poröse Körper die Größe und Form, die für den Verbundkörper (Composite) gewünscht wird. Beispielsweise kann der Körper extrudiert, im Spritzguss hergestellt, gesenkgepresst, isostatisch gepresst oder im Gleitguss hergestellt werden, um einen Körper mit der gewünschten Größe und Form zu erzeugen. Schmiermittel, Binder oder ähnliche Materialien, die bei der Formgebung verwendet werden, können mit dem Körper benutzt werden. Derartige Materialien sollten von dem Typ sein, der beim Erwärmen auf Temperaturen unterhalb von Infiltrationstemperaturen, vorzugsweise unter 500°C, verdampfen, ohne nachteilige Reste zurückzulassen. Alternativ kann das zu infiltrierende Material in die Kammer von einer Form der Pulvermischung gepackt werden, um ein gepacktes oder zwangsweise verdichtetes Material zu bilden.
Der poröse Körper oder das gepackte Material hat eine offene Porösität in dem Bereich von mehr als etwa 10 Volumen-% bis etwa 90 Volumen-% des Körpers. Die jeweilige Porösität hängt von dem gewünschten Verbundkörper (composite) ab. Genauer gesagt, die Porösität kann in dem Bereich von etwa 15 Volumen-% bis etwa 80 Volumen-% oder von etwa 30 Volumen-% bis etwa 60 Volumen-% liegen. Offene Porösität des Körpers bedeutet Poren oder Hohlräume, die zur Oberfläche des Körpers offen sind, um die inneren Oberflächen zur umgebenden Atmosphäre zugänglich zu machen. Offene Porösität kann durch übliche metallographische Techniken ermittelt werden. Vorzugsweise hat das gepackte Material oder der poröse Körper, der infiltriert werden soll, keine geschlossene Porösität oder hat keinen signifikanten Betrag an geschlossener Porösität. Die Poren in dem porösen Körper oder dem gepackten Material sollten gleichförmig oder wenigstens signifikant gleichförmig verteilt sein, um die Bildung von großen Taschen aus Silicium zu verhindern. Große Siliciumtaschen können die mechanischen Eigenschaften des infiltrierten Körpers oder Verbundkörpers verringern. Die Poren können in einem Größenbereich bis zu etwa 2000 μm (Mikron) liegen. Für beste Resultate haben die Poren eine Größe im Submikronbereich.
Die Mischung von hexagonalem Bornitrid (BN) und Siliciumpulver kann in einer Vielfalt von Formen verwendet werden, und die Mischung kann mit dem zu infiltrierenden Material durch eine Anzahl von Techniken in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben ist, die Pulvermischung in der Form von einem gepressten Pulver oder in der Form von einer Pressform mit einer Kammer mit der Größe und Form sein, die für den fertigen infiltrierten Körper oder Verbundkörper gewünscht wird. Vor der Infiltration, wenn die Mischung mit dem porösen Körper oder verdichteten Material in Kontakt ist, hat sie vorzugsweise eine Porösität von weniger als etwa 50 Volumen-%, bevorzugter weniger als etwa 40 Volumen-% und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 30 Volumen-% der Pulvermischung.
Somit weist in einem Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße Verfahren zum Infiltrieren eines porösen Körpers aus einem Material mit Silicon, um eine Verbundmasse (Composite) zu bilden, die Bereitstellung eines Materials auf, wobei wenigstens etwa 5 Volumen-% des Materials eine Komponente aufweist, die durch Silicium benetzt wird oder mit Silicium. reagiert. Das Material hat einen Schmelzpunkt, der höher ist als derjenige von Silicium. Ein poröser Körper wird aus dem Material mit einer offenen Porösität geformt, die in dem Bereich von mehr als etwa 10 Volumen-% bis etwa 90 Volumen-% liegt. Der Körper wird mit einer Pulvermischung in Kontakt gebracht, die Silicium und hexagonales Bornitrid aufweist, wobei das hexagonale Bornitrid in einem Mengenbereich von wenigstens einigen bis weniger als etwa 10 Gew-% der Mischung liegt. Der in Kontakt gebrachte Körper wird dann in einem nicht-oxidierenden Teilvakuum auf eine Temperatur erwärmt, bei der Silicium fließfähig (fluid) ist, aber unter dem Schmelzpunkt des Materials des Körpers. Das fluidische Silicium wird dann in den Körper bei einem Teilvakuum infiltriert, das wenigstens ausreichend ist, um blockierendes Gas aus dem porösen Körper zu entfernen, um einen Verbundkörper zu formen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Pulvermischung in eine Pressform eingebracht, die eine Kammer mit einer Größe und Form des gewünschten Verbundproduktes hat. Es wird ein Material bereitgestellt, wobei wenigstens etwa 5 VoLumen-% des Materials eine Komponente aufweist, die durch Silicium benetzt wird oder mit Silicium reagiert. Das Material hat die Form von Teilchen, Filamenten, Gewebe oder Mischungen davon und hat einen Schmelzpunkt, der höher als derjenige von Silicium ist. Das Material wird in die Kammer gepackt, um ein gepacktes Material oder einen porösen Körper darin zu erzeugen, dir eine offene Porösität in dem Bereich von mehr als etwa 10 Volumen-% bis etwa 90 Volumen-% hat. Der Körper wird dann in einem nichtoxidierenden Teilvakuum auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Silicium fließfähig (fluid) ist, aber unter dem Schmelzpunkt des Materials wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel, um den Verbundkörper zu formen.
Beim Ausführen des Verfahrens wird eine Mischung von hexagonalem Bornitrid (BN) und elementarem Siliciumpulver gebildet und mit der Oberfläche des porösen Körpers oder mit der Oberfläche des gepackten Materials in Kontakt gebracht. Da geschmolzenes Silicium hexagonales Bornitrid(BN)-Pulver bei den in diesem Verfahren verwendeten Temperaturen nicht benetzt, verschmilzt (koalesziert) das Silicium nicht, sondern bewegt sich auf einfache Weise durch Dampf- und Flüssigkeitsströmung zu den Oberflächen von dem porösen Körper oder dem zwangsweise verdichteten Material, wo es mit den Materialoberflächen reagiert und/oder diese benetzt. Das Bornitrid (BN) gestattet, dass das Silicium den Körper oder das Material gleichförmig infiltriert, ohne Oberflächentröpfchen zu bilden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Trägermittel, vorzugsweise Graphit oder ein anderer elementarer Kohlenstoff, verwendet, um den porösen Körper zu tragen, und der poröse Körper wird durch die Pulvermischung beschichtet bzw. überzogen. Die entstehende Einrichtung wird dann auf Infiltrationstemperatur erwärmt. Der Träger kann mit einem Trennmittel, wie beispielsweise hexagonales Bornitrid (BN), vorbeschichtet sein, um ein Anhaften zu verhindern.
Beim Ausführen von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der poröse Körper in die Pulvermischung eingetaucht oder von dieser umhüllt, wobei nichts von seiner Oberfläche frei bleibt. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der poröse Körper in eine Form der Pulvermischung gepacka, und die gesamte Einrichtung wird in einem Vakuumofen angeordnet, der auf etwa 0,1 Torr evakuiert und erwärmt wird. Wenn die Einrichtung abgekühlt und auf atmosphärischen Druck zurückgebracht ist, kann sie aus dem Ofen herausgenommen und demontiert und das mit Silicium infiltrierte Teil aus der Pulvermischung herausgenommen werden.
Der in dem Verfahren verwendete Ofen kann ein Kohlenstoffofen sein, der aus elementarem Kohlenstoff gefertigt ist. Das Infiltrationsverfahren kann nicht in Gegenwart von Sauerstoff ausgeführt werden, weil das flüssige Silicium oxidiert, um festes Siliciumoxid zu bilden. Ein Kohlenstoffofen wirkt als ein Spülmittel, indem er mit Sauerstoff reagiert, um Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu erzeugen, um eine nicht-oxidierende Atmosphäre bereitzustellen. Zusätzlich kann ein Sauerstoff-Spülmittel, wie beispielsweise elementarer Kohlenstoff, zu dem Ofen hinzugefügt werden, um eine nichtoxidierende Atmosphäre sicherzustellen.
Die folgenden Beispiele sind Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Beispiel 1
Si-BN Pellets wurden durch trockenes Mischen von -325 mesh Silicium(Si)-Pulver und –325 mesh (45 μm) Bornitrid(BN)-Pulver in Gewichtsverhältnissen von 50 Si/50 BN, 60 Si/40 BN, 70 Si/30 BN, 80 Si/20 BN, 90 Si/10 BN und 95 Si/5 BN hergestellt. Die gemischten Pulver wurden trocken-gepresst in einem 0,635 cm (1/4'') Stahlgesenk bei einem Druck von 68948 kPa (10000 Psi), um Pellets zu formen. Die Pellets wurden auf Stükken von Kohlenstofffilz (Type WDF Kohlenstofffilz National Electric Carbon Co.) angeordnet und auf 1430°C in einem Vakuumofen erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden die Massen der Kohlenstofffilzstücke gemessen. Der in dem ursprünglichen Pellet vorhandene Prozentsatz an Silicium, das tatsächlich in den Kohlenstofffilz infiltrierte, wurde dann berechnet. Die Ergebnisse sind in der folgenden TABELLE 1 angegeben. Bei 50, 40 und 30% Bornitrid (BN) wanderte durch Dochtwirkung praktisch kein Si in den Kohlenstofffilz, d. h. es gab keine Infiltration des Filzes. Bei 20% und 10% Bornitrid (BN) infiltrierte nur etwa 20% des verfügbaren Siliciums (Si) den Filz. Bei 5% Bornitrid (BN) drang nahezu 70% des verfügbaren Si aus dem Pellet in den Koh lenstofffilz hinein. Der Rest des Pellets der Silicium-Bornitrid (Si/BN)-Mischung war krümelig.
Tabelle 1
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass weniger als 11) Gew-% BN-Pulvermischungen für verbesserte Ergebnisse zum Infiltrieren einer Keramik sorgen.
Beispel 2
Es wurde ein Brei hergestellt durch Mischen von 94g Silicium(Si)-Pulver (–100 mesh), 6g Bornitrid(BN)-Pulver (-325 mesh, 45 μm) mit 60g Wasser. Hierzu wurden 0,84g Dispergiermittel Röhm und Haas Duramax D-3019 und 1,6g Acrylemulsionshinder Röhm & Haas Duramax B-1035 hinzugesetzt. Die Ingredienziesn wurden gemischt unter Verwendung eines Magnetrührers, bis die Mischung gleichförmig war. Poröse Stäbe der Verbund-Vorform wurden dann in den Brei eingetaucht, um die Stäbe mit der Silicium-Bornitrid(Si/BN)-Mischung zu beschichten bzw. überziehen, und dann ließ man sie trocknen. Das Eintauchen wurde wiederholt, bis Werte der Silicium-Bornitrid(Si/BN)-Mischung erhalten wurden, um Masseverhältnisse von Silicium-Bornitrid(Si/BlV)-Mischung zu poröser Vorform von 0,8 bis 1,4 zu bilden. Die beschichteten Vorformen wurden dann langsam (5°C/Min.) auf 1430°C erhitzt, wo sie für 20 Minuten gehalten wurden, und dann wurden sie auf Raumtemperatur abgekühlt (5°C/Min.). Restliches Material auf den Staboberflächen wurde auf einfache Weise durch Abkratzen entfernt, um ein Oberflächenfinish ähnlich demjenigen der ursprünglichen porösen Vorformen zurückzulassen. Dichte- und offene Porösitätswerte der infiltrierten Stäbe sind in der nachfolgenden TABELLE 2 angegeben.
Tabele
Die Daten zeigen, dass bei Infiltriermittelmischung-zu Vorformmassen-Verhältnissen von 1 bis 1,4 ein dichter Körper mit geringer Porösität erhalten wurde. Nur wenn das Masseverhältnis unter 1 fiel, sank die Dichte des infiltrierten Körpers und die offene Porösität stieg an. Die Ergebnisse zeigen, dass eine präzise Steuerung der verwendeten Menge an Infiltriermittelmischung nicht erforderlich ist, um einen dichten infiltrierten Körper mit sauberen Oberflächen zu erhalten.
Wenn eine Infiltration mit Si alleine durchgeführt wird, muss das Masseverhältnis von Si/Vorform exakt gesteuert werden, da ein zu kleines Verhältnis einen Körper mit hoher Porösität zur Folge hat, und ein zu hohes Verhältnis einen Körper mit überschüssigem Oberflächen-Si zur Folge hat, das eine Bearbeitung erforderlich macht. Dieses Beispiel zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einem breiten Bereich von Masseverhältnissen arbeitet, um Teile hoher Dichte mit sauberen Oberflächen zu erhalten. Somit ist das erfindungsgemäße Infiltrationsverfahren toleranter gegenüber kleineren Fehlern. in dem Masseverhältnis, als wenn Silicium (Si) alleine verwendet würde. Die Silicium-Bornitrid(Si-BN)-Mischungen gestatten die Verwendung von einem hohen Masseverhältnis von Si/Vorform, um eine hohe Dichte zu gewährleisten. Die restliche Oberflächenabscheidung ist im wesentlichen Bornitrid (BN), das krümelig und leicht zu entfernen ist.
Beispiel 3
Es wurde ein Brei hergestellt durch Mischen von 91 g Si Pulver (–325 mesh, 45 μm), 6g BN Pulver (–325 mesh, 45 μm), 3 g Borpulver (< 1 μm (Mikron)) mit 70 g Wasser und 1 g Dispersionsmittel Röhm & Haas Duramax D-3019. Die Ingredienzien wurden gemischt unter Verwendung eines Magnetrührers, bis die Mischung gleichförmig war. Vorformstäbe aus porösem Verbundmaterial wurden in den Brei getaucht, um die Stäbe mit der Si-BN-Mischung zu beschichten, und dann wurden sie getrocknet. Das Eintauchen wurde wiederholt, bis der gewünschte Wert an Si-BN Mischung erhalten war. Das Verhältnis der Masse der Si-BN Mischung zu der Masse der porösen Vorform wurde auf 1,0 und 1,5 eingestellt. Die beschichteten Stäbe wurden dann wie oben erhitzt, um eine Silicium-Schmelzinfiltration zu gestatten. Wiederum wurde das gesamte restliche Material auf den Staboberflächen nach der Infiltration auf einfache Weise abgekratzt, und die Stäbe waren gut infiltriert (beide Stäbe hatten Dichten über 2,7 g/cc und offene Porösitätswerte unter 3%). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Technik mit unterschiedlichen Ausgangswerten der Pulvergrößen arbeitet und wenn B zugesetzt wird, um eine Si-B Legierung zur Infiltration zu bilden.

Claims

Verfahren zum Infiltrieren eines Körpers mit Silizium, enthaltend: Bilden einer Mischung enthaltend Silizium und Bornitrid, wobei das Bornitrid in einer Menge von etwa 6 Gew.% vorhanden ist, Kontaktieren des Körpers mit der Mischung, wobei der Körper eine Komponente aufweist, die durch Silizium benetzt wird oder mit Silizium reagiert, und Infiltrieren des kontaktierten Körpers mit Silizium aus der Mischung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktieren des Körpers ein Tauchbeschichten oder Sprühbeschichten eines Breies der Mischung auf den Körper enthält oder ein Einbetten des Körpers in eine Pulvermischung des Siliziums und Bornitrids enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Körper wenigstens etwa 5 Vol.% der Komponente aufweist, die durch Silizium benetzt wird oder mit Silizium reagiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Komponente, die durch Silizium benetzt wird oder mit Silizium reagiert, aus der aus elementarem Kohlenstoff, Metall und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Metall aus der aus Molybdän, Titan, Chrom, Wolfram, Silber und Aluminium bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Körper eine offene Porösität in dem Bereich größer als etwa 10 Vol.% bis etwa 90 Vol.% des Körpers aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, enthaltend ein Infiltrieren des kontaktierten Körpers mit Silizium aus der Mischung durch Erhitzen in einem nicht-oxidierenden Teilvakuum auf eine Infiltrationstemperatur, bei der das Silizium fließend ist, aber unter dem Schmelzpunkt des Körpers.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Silizium eine Teilchengröße in dem Bereich bis etwa 150 μm (Mikron) hat und das hexagonale Bornitrid eine Teilchengröße in dem Bereich bis etwa 150 μm (Mikron) hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mischung bis zu etwa 5 Gew.% Bornitrid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens etwa 10 Vol.% des Körpers eine Komponente aufweist, die durch Silizium benetzt wird oder mit Silizium reagiert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Rest des Körpers ein keramisches Material aufweist, das aus der aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid und Aluminiumnitrid bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper eine Silizium/Siliziumkarbid(Si/SiC)-Verbundmasse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend: Beschichten eines Körpers enthaltend eine Komponente, die durch den Brei aus hexagonalem Bornitrid und Silizium benetzt wird oder damit reagiert, und Infiltrieren des beschichteten Körpers mit Silizium aus dem Brei.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend: Bilden eines Breies enthaltend Siliziumpulver und Bornitridpulver, das in einer Flüssigkeit dispergiert ist, Kontaktieren eines Körpers enthaltend eine Komponente, die durch Silizium aus dem Brei benetzt wird oder mit Silizium reagiert, und Infiltrieren des kontaktierten Körpers mit Silizium aus dem Brei.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Brei Wasser und ein Dispersionsmittel enthält.