FI83630C - Foerfarande foer framstaellning av en sjaelvbaerande keramisk komposit samt en sjaelvbaerande keramisk komposit. - Google Patents

Description

1 83630

Menetelmä Itsekantavan keraamisen komposiitin valmistamiseksi sekä itsekantava keraaminen komposiitti - Förfarande för framställning av en självbärande keramisk komposit samt en självbärande keramisk komposit Tämä keksintö koskee yleisesti uutta keraamista komposiittia ja uusia menetelmiä sellaisten valmistamiseksi. Tarkemmin sanoen tämä keksintö koskee itsekantavaa keraamista komposiittia, jossa on monikiteinen matriisi, joka ympäröi tai peittää oleellisesti inertin täytemateriaalin, ja menetelmiä komposiitin valmistamiseksi "kasvattamalla" hapetusreaktiotuote perusmetallista täytemateriaalin läpäisevään massaan.

Perinteiset menetelmät keraamisten tuotteiden valmistamiseksi eivät helposti sovellu matriisiltaan keraamisten komposiittimateriaalien, varsinkaan kuitu- ja/tai metallilankalujitteis-ten keraamisten komposiittirakenteiden valmistukseen. Komposiittirakenne on sellainen, joka koostuu kahden tai useamman eri materiaalin heterogeenisesta materiaalista, kappaleesta tai esineestä, jotka materiaalit on yhdistetty läheisesti toisiinsa komposiitin haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Esimerkiksi kaksi eri materiaalia voidaan yhdistää läheisesti toisiinsa upottamalla toista toisen muodostamaan matriisiin. Keraaminen komposiittirakenne koostuu tyypillisesti keraamisesta matriisista, joka sulkee sisäänsä yhtä tai useampaa erilaista täytemateriaalia, kuten hiukkasia, kuituja, sauvoja tms.

Perinteisiin keraamisten tuotteiden valmistusmenetelmiin liittyvät seuraavat yleiset vaiheet: (1) Valmistetaan jauhemuodossa oleva materiaali. (2) Hierretään tai jauhetaan pulvereita hyvin hienojakoisten hiukkasten saamiseksi. (3) Muodostetaan pulvereista kappale, jolla on haluttu geometria (sallien kutistumisen seuraavan prosessoinnin aikana). Tämä vaihe voitaisiin toteuttaa yksiakselisella puristuksella, isostaattisella puristuksella, ruiskuvalulla, nauhavalulla, liukuvalulla tai jollakin useista muista tekniikoista. (4) Tiivistetään kappaletta kuumentamalla se korkeaan lämpötilaan siten, että yksittäiset pulverihiukkaset sulautuvat yhteen muodostaen koossa- 2 83630 pysyvän rakenteen. Tämä vaihe suoritetaan edullisesti käyttämättä painetta (ts. sintraamalla), vaikka joissakin tapauksissa vaaditaan lisäkäyttövoimaa ja se voidaan aikaansaada käyttämällä ulkoista painetta joko yksiakselisesti (ts. kuumapuris-tus) tai isostaattisesta, ts. kuumalla isostaattisella puristuksella. (5) Viimeistellään, usein timanttihionnalla vaatimusten mukaan.

Matriisiltaan keraamisten komposiittimateriaalien valmistuksessa perinteisten menetelmien vakavimmat vaikeudet esiintyvät tiivistysvaiheessa, vaiheessa n:o (4) edellä. Normaalisti edullinen menetelmä, paineeton sintraus saattaa olla vaikea tai mahdoton hiukkasmaisilla komposiiteilla, elleivät materiaalit ole erittäin yhteensopivia. Mikä tärkeämpää, normaali sintraus on mahdoton useimmissa tapauksissa, joihin liittyy kuit\i-komposiitteja silloinkin, kun materiaalit ovat yhteensopivia, koska kuidut estävät hiukkasten yhteensulautumista pyrkiessään estämään tiivistävien pulverihiukkasten tarpeellisia paikaltaan-siirtymisiä. Nämä vaikeudet on joissakin tapauksissa osittain voitettu kiihdyttämällä tiivistysprosessia käyttämällä ulkoista painetta korkeassa lämpötilassa. Tällaiset menettelyt voivat kuitenkin synnyttää monia ongelmia kuten lujitekuitujen murtumista tai vahingoittumista käytettyjen ulkoisten voimien vaikutuksesta, rajoitetun kyvyn tuottaa monimutkaisia muotoja (erityisesti yksiakselisen kuumapuristuksen tapauksessa) ja yleisesti suuria kustannuksia johtuen prosessin alhaisesta tuottavuudesta ja toisinaan vaadituista runsaista viimeistely-operaatioista .

Lisävaikeuksia voi tulla esiin myös kappaleen muodostusvaiheessa, edellä esitetyssä vaiheessa n:o (3), mikäli halutaan ylläpitää komposiitin toisen faasin määrättyä jakautumista matriisiin. Esimerkiksi kuitukeraamisen komposiitin valmistuksessa kappaleen muodostukseen liittyvät pulverin ja kuidun virtaus-prosessit voivat johtaa lujitekuitujen epäyhtenäisyyksiin ja epämieluisiin orientoitumisiin; mistä seuraa suorituskykyomi-naisuuksien menetys.

3 83630

Muitakin menetelmiä käytetään keinona matriisiltaan keraamisten komposiittien muodostamiseksi. Esimerkiksi matriisiraken-teen muodostusta kaasumaisten yhdisteiden reaktiolla halutun keraamin muodostamiseksi (prosessi, joka tunnetaan kemiallisena höyrykerrostuksena) käytetään nykyään piikarbidikuiduilla lujitetuille piikarbidimatriisikomposiiteille. Tämä menetelmä on saavuttanut vain rajoitettua menestystä osittain siksi, että matriisin kerrostusorosessi pyrkii tapahtumaan yhtäaikaa kaikilla komposiitin toisen faasin pinnoilla niin, että matriisin kehittymistä tapahtuu vain niin kauan kuin kasvavat pinnat kohtaavat toisensa, jolloin huokoisuuden jääminen loukkuun kappaleen sisään on lähes väistämätön seuraus. Lisäksi matriisin kerrostusnopeus on ollut niin alhainen, että se on tehnyt tällaiset komposiitit liian kalliiksi lukuunottamatta kaikkein rajoitetuimpia käyttökohteita.

Toinen perinteisestä poikkeava lähestymistapa käsittää komposiit-tihiukkasten tai -kuitujen suotautumisen juoksevalla orgaanisella materiaalilla, joka sisältää tarvittavat alkuaineet halutun keraamisen matriisin muodostamiseksi. Keraamin muodostus tapahtuu kemiallisella reaktiolla lämmitettäessä tämä materiaali korkeaan lämpötilaan. Tässäkin tapauksessa on saavutettu vain rajoitettua menestystä, koska haihtuvien materiaalien suurten : : . määrien poisto (alkuperäisen juoksevan suotautusseoksen välttä mättömiä aineosia) kuumennusprosessin aikana pyrkii jättämään jälkeensä huokoisen ja/tai murtuneen keraamisen kappaleen.

US-oatentti 3 437 468 esittää tiettyjä komposiittimateriaaleja, jotka on valmistettu reaktioprosessilla sulan alumiinin kanssa. Näiden materiaalien matriisiaineosa sisältää luontaisesti suuren määrän magnesiumaluminaattia, materiaalia, jolla on vähem-— män toivotut ominaisuudet (esim. alhaisempi kovuus) kuin ·: tietyillä muilla keraameilla, kuten alumiinioksidilla. Lisäksi US-patentin 3 437 468 prosessi vaatii, että keraamit muodostetaan pääosin antarralla alumiinin reagoida magnesiumoksidin ja piidioksidin ; · (vapaassa tai yhdistetyssä muodossa) kanssa, mikä huonontaa prosessin joustavuutta ja sanelee, että huomattavia määriä 4 83630 piitä (magnesiumaluminaatin lisäksi) on läsnä lopullisen keraamisen tuotteen matriisissa.

Tämän patenttihakemuksen aihepiiri liittyy suomalaisten patenttihakemusten 851043 ja 852831 aihepiiriin.

Näissä patenttihakemuksissa esitetään uusi menetelmä itse-kantavan keraamisen kappaleen valmistamiseksi hapettamalla perusmetallia (määritellään jäljempänä) hapetusreaktiotuot-teen muodostamiseksi. Tarkemmin sanoen perusmetalli kuumennetaan korkeaan lämpötilaan sen sulamispisteen yläpuolelle, mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle kappaleen muodostamiseksi sulasta perusmetallista, joka reagoi joutuessaan kosketukseen kaasufaasissa olevan hapet-timen kanssa muodostaen hapetusreaktiotuotteen. Hapetusreak-tiotuotetta tai ainakin osaa siitä, joka on kosketuksessa sulan perusmetallin kappaleen kanssa ja joka laajenee sen ja hapettimen välillä, pidetään korkeassa lämpötilassa siten, että sulaa metallia kulkeutuu polykiteisen hapetusreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja siirtynyt sula metalli muodostaa hapetusreaktiotuotetta joutuessaan kosketukseen hapettimen kanssa. Prosessin jatkuessa lisää metallia siirtyy monikiteisen hapetusreaktiotuotteen muodostuksen läpi, jolloin jatkuvasti "kasvatetaan" toisiinsa liittyneiden kristalliittien keraamista rakennetta. Tavallisesti saatu keraaminen kappale sisältää sen perusmetallin hapettu-mattomien aineosien sulkeumia, jota on vedetty monikiteisen materiaalin läpi ja jähmettyy siihen, kun keraaminen kappale jäähtyy kasvatusprosessin päättämisen jälkeen. Kuten näissä patenttihakemuksissa selvitettiin, tuloksena olevia uusia keraamisia materiaaleja valmistetaan perusmetallin ja kaasu-faasissa olevan hapettimen välisellä hapetusreaktiolla, ts. höyrystetyllä tai normaalisti kaasumaisella materiaalilla, joka aikaansaa hapettavan atmosfäärin. Tapauksessa, jossa oksidi on hapetusreaktiotuotteena, happi tai happea sisältävät kaasuseokset (ilma mukaan luettuna) ovat sopivia hapettimia ilman ollessa tavallisesti edullinen ilmeisistä 5 85630 taloudellisuussyistä. Hapetusta käytetään kuitenkin näissä patenttihakemuksissa ja tässä hakemuksessa sen laajassa merkityksessä ja se tarkoittaa elektronien luovuttamista metallista hapettimelle, joka voi olla yksi tai useampia alkuaineita ja/tai yhdisteitä, tai elektronien jakamista niiden kesken. Näin ollen muutkin alkuaineet kuin happi voivat toimia hapettimena. Tietyissä tapauksissa perusmetalli vaatii yhden tai useamman hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavan lisäaineen läsnäoloa, joka aine on välttämätön keraamisen kappaleen kasvattamiseksi, ja lisäaineita käytetään perusmetallin lejeerausaineosina. Esimerkiksi tapauksessa, jossa alumiini oli perusmetalli ja ilma hapetin, sellaisia lisäaineita kuin magnesiumia ja piitä, vain kahden mainitsemiseksi suuremmasta lisäaineiden joukosta, lejeerattiin perusmetallissa käytettyyn alumiinilejeerin-kiin.

Näissä aikaisemmissa patenttihakemuksissa selostetaan myös jatkokehitystä, joka perustuu havaintoon, että edellä kuvatun kaltaiset sopivat kasvuolosuhteet lisäaineita vaativille perusmetalleille voidaan aikaansaada levittämällä ulkopuolelle kerros yhtä tai useampaa lisäainetta perusmetallin pinnalle tai pinnoille, jolloin vältetään tarve lejeerata perusmetallia lisäaineilla, esim. metalleilla, kuten magnesiumilla, sinkillä ja piillä, tapauksessa, jossa alumiini on perusmetalli ja ilma on hapetin. Lisämateriaalin kerroksen ulkopuolinen levittäminen tekee mahdolliseksi metallin siirron aikaansaamisen paikallisesti hapetusreaktiotuotteen läpi ja tuloksena olevan keraamin kasvun perusmetallin pinnalta tai sen osilta, jotka on selektiivisesti varustettu lisäaineella. Tämä havainto tarjoaa lukuisia etuja mukaan luettuna sen edun, että keraamin kasvu voidaan saavuttaa perusmetallin pinnan yhdellä tai useammalla valitulla alueella eikä umpimähkäisesti, jolloin prosessi soveltuu tehokkaammin esimerkiksi keraamisten laattojen kasvatukseen saattamalla lisäainetta vain yhdelle perusmetallilevyn pinnalle tai sen osille. Tämä parannus tarjoaa myös sen 6 83630 edun, että kyetään aiheuttamaan tai edistämään hapetusreak-tiotuotteen kasvua perusmetalleissa tarvitsematta lejeerata lisäainetta perusmetalliin, mikä tekee prosessin taloudellisesti mahdolliseksi esimerkiksi sovellettavaksi kaupallisesti saataviin metalleihin ja lejeerinkeihin, jotka eivät muutoin sisältäisi tai joilla ei olisi sopivia lisäaineita.

Näin ollen näissä aikaisemmissa patenttihakemuksissa kuvataan hapetusreaktiotuotteiden valmistusta, joita on helppo "kasvattaa" haluttuihin paksuuksiin, joita on tähän saakka arveltu olevan vaikea ellei mahdoton saavuttaa tavanomaisilla keraamien valmistustekniikoilla. Kun alla oleva metalli nostetaan tietylle lämpötila-alueelle sen sulamispisteen yläpuolelle, sitä siirtyy sen oman muuten läpäisemättömän hapetusreaktiotuotteen läpi, jolloin tuoretta metallia joutuu alttiiksi hapettavalle ympäristölle, mikä tuottaa lisää hapetusreaktiotuotetta. Tämän ilmiön tuloksena on tiiviin, yhtenäisen keraamin vähittäinen kasvu, joka keraa-mi sisältää valinnaisesti joitakin hapettumattomia perusmetallin aineosia jakautuneena koko kasvatettuun rakenteeseen.

Tämän keksinnön mukaisesti aikaansaadaan menetelmä itsekan-tavan keraamisen komposiitin valmistamiseksi hapettamalla nestefaasissa olevaa perusmetallia läsnäolevan kaasufaasin muodostamissa hapettavissa olosuhteissa täyteainetta sisältävän monikiteisen hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi. Keksinnön mukaan komposiitti koostuu olennaisesti (1) matriisista, joka muodostuu olennaisesti (i) mainitun nestefaasissa olevan perusmetallin ja mainitun kaasufaasissa olevan hapettimen monikiteisestä hapetusreaktiotuotteesta ja (ii) yhdestä tai useammasta perusmetallin hapettumattomasta aineosasta, ja (2) yhdestä tai useammasta matriisin sisäänsä sulkemasta olennaisesti inertistä täyteaineesta. Komposiitin valmistus tapahtuu keksinnön mukaan siten, että (a) sijoite- 7 83630 taan perusmetalli oleellisesti inertin täyteaineen muodostaman läpäisevän massan viereen, jossa yhteydessä perusmetallin ohella käytetään yhtä tai useampaa perusmetallin joukkoon lejeerattua ja/tai perusmetallin pinnalle levitettyä ja/tai ainakin osaan läpäisevää täyteainemassaa yhdistettyä, hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavaa lisäainetta, ja suunnataan perusmetalli ja täyteaine toisiaan vasten siten, että monikiteisen hapetusreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti läpäisevää inerttiä täyteaine-massaa ja sen sisään, ja (b) kuumennetaan perusmetalli lämpötilaan, joka on sen sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, sulan perusmetallierän muodostamiseksi, ja annetaan sulan perusmetallin reagoida kaasufaasissa olevan hapettimen kanssa mainitulla lämpötilavälillä hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi ja pidetään mainitulla lämpötilavälillä ainakin osaa hapetusreaktiotuotteesta sulan metallin ja hapettimen välissä kosketuksessa niihin, jolloin hapetusreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyteainemassan sisällä hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja jatketaan reaktiota siksi, kunnes ainakin osa täyteaineesta on tullut upotetuksi monikiteiseen hape-tusreaktiotuotteeseen.

Yleisesti tämä keksintö perustuu havaintoon, että perusmetallin hapetuksesta saadun monikiteisen materiaalin kasvua, jota on kuvattu edellä mainituissa patenttihakemuksissa, voidaan suunnata kohti läpäisevää täytemateriaalimassaa, joka on sijoitettu perusmetallin viereen. Täyteaine sulkeutuu kasvavan monikiteisen materiaalin sisään keraamisen komposiittirakenteen aikaansaamiseksi. Sopivissa prosessiolosuhteissa sula perusmetalli hapettuu ulospäin alkuperäisestä pinnastaan (ts. hapettimelle alttiista pinnasta) kohti hapetinta ja täyteainetta vaeltamalla sen oman muuten läpäisemättömän hapetusreaktiotuotteen rakenteen läpi. Hapetusreaktio- 8 83630 tuote kasvaa läpäisevään täyteainemassaan, joka voi koostua erilaisista tulenkestoisista ja/tai ei-tulenkestoisista raemai-sista, kuitumaisista tai muista materiaaleista. Tämä johtaa uusiin, matriisiltaan keraamisiin komposiittirakenteisiin, jotka koostuvat keraamisen polykiteisen materiaalin tiiviistä matriisista, johon täytemateriaalit on upotettu.

Täytemateriaalin tai -materiaalien massa tai aines asetetaan perusmetallin viereen siitä lähtevän hapetusreaktiotuotteen kasvun oletetulle kulkureitille. Täytemateriaali voi koostua materiaalien joko irtonaisesta tai sidotusta järjestyksestä tai kokoonpanosta, jossa järjestyksessä on rakoja, aukkoja, välitiloja jne., jotka tekevät sen läpäiseväksi hapettimelle ia hape-tusreaktiotuotteen kasvulle. Edelleen täytemateriaali voi olla homogeenista tai heterogeenista ja tässä ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa käytettynä termien "tävteaine" tai "täyte-materiaali" tarkoitetaan merkitsevän yhtä tai useampia materiaaleja, ellei yhteydestä toisin ilmene. Haoetusreaktiotuotteen kasvusta saatava polykiteisen materiaalin matriisi on yksinkertaisesti kasvanut täytemateriaalin ympäri upottaen sen sisäänsä häiritsemättä tai syrjäyttämättä sitä oleellisesti. Niinpä kasvuun ei liity mitään ulkopuolisia voimia, jotka saattaisivat vahingoittaa tai häiritä täytemateriaalin kokoonpanoa eikä vaadita mitään hankalia ja kalliita korkean lämpötilan, korkean ; paineen prosesseja ja laitoksia, kuten tunnetuissa tavanomaisis- ; sa prosesseissa tiiviin keraamisen komposiittirakenteen saavutta miseen. Lisäksi tämä keksintö vähentää selvästi tai eliminoi kemiallisen ja fysikaalisen yhteensopivuuden rajoittavat vaatimukset, joka on välttämätön paineettomalle sintraukselle keraamisten komposiittien muodostamiseksi.

Keraamisen matriisin kasvatusprosessissa perusmetalli kuumennetaan lämpötilaan sen sulamispisteen yläpuolelle, mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolelle, jolloin muodostuu sulan perusmetallin kappale, jonka annetaan reagoida hapettimen kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi. Tässä lämpö-tilassa tai tällä lämpötila-alueella sulan metallin kappale on 9 83630 kosketuksessa ainakin osaan hapetusreaktiotuotteesta, joka laajenee sulan metallin kappaleen ja haoettimen väliin.

Sulaa metallia vedetään hapetusreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kohti viereistä täytemateriaalia hapetusreaktiotuotteen jatkuvan muodostuksen ylläpitämiseksi hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen rajaoin-nalla. Reaktiota jatketaan riittävä aika täytemateriaalin upottamiseksi ainakin osaksi hapetusreaktiotuotteeseen jälkimmäistä kasvattamalla, jossa on valinnaisesti perusmetallin hapettu-mattomien aineosien sulkeumia, komposiittirakenteen muodostamiseksi .

Tämän keksinnön tuotteet soveltuvat yleensä tai ne työstetään esim. koneistamalla, kiillottamalla, hiomalla jne. käytettäväksi kaupallisina tuotteina, joiden on tässä käytettynä tarkoitettu sisältävän rajotuksitta teolliset, rakenteelliset ja tekniset keraamiset kappaleet sovellutuksiin, joissa sähköiset kulutus-, termiset, rakenne- tai muut piirteet tai ominaisuudet ovat tärkeitä tai edullisia; eikä niiden ole tarkoitettu sisältävän kierrätys- tai jätemateriaaleja, jollaisia saattaisi muodostua —: ei-toivottuina sivutuotteina sulan metallin prosessoinnissa.

Tässä patenttiselityksessä ja liitteenä olevissa patenttivaati-muksissa termi "hapetusreaktiotuote" tarkoittaa yhtä tai useampia metalleja missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metallit ovat luovuttaneet elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai niiden yhdistelmälle tai jakaneet elektroneja niiden kesken. Näin ollen tämän määritelmän puitteissa "hapetusreaktiotuote" sisältää yhden tai useampien metallien reaktiotuotteen hapettimen, kuten hapen, typen, halogeenin, rikin, fosforin, arseenin, hiilen, boorin, seleenin, telluurin ja ;·.· niiden yhdisteiden ja yhdistelmien, esim. metaanin, etaanin, ‘ ' propaanin, asetyleenin, eteenin, propeenin ja seosten, kuten ilman, ^/^Oin ja CO/CC^tn kanssa, kahden viimemainitun (ts. H2^2° ja CO/CC>2) ollessa hyödyllisiä ympäristön happi-aktiivisuuden vähentämisessä.

!o 83 630 Tässä ja patenttivaatimuksissa käytettynä viittaus "hapetti-meen","kaasufaasissa olevaan hapettimeen" jne., joka määrittelee hapettimen sisältävän määrättyä kaasua tai höyryä tai koostuvan niistä, tarkoittaa hapetinta, jossa määritelty kaasu tai höyry on ainoa tai vallitseva tai ainakin merkittävä perusmetallin hapettaja olosuhteissa, jotka käytetyssä hapettavassa ympäristössä saavutetaan. Esimerkiksi vaikka ilman pääaineosa on typpi, ilman happisisältö on perusmetallin ainoa tai vallitseva hapetin, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin typpi. Tämän vuoksi ilma sopii "happea sisältävä kaasu"-hapettimen määritelmään, muttei "typpeä sisältävä kaasu"-hapettimen määritelmään siten kuin näitä termejä käytetään tässä ja patenttivaatimuksissa. Eräs esimerkki "typpeä sisältävä kaasu"-hapettimesta, jota nimitystä tässä ja patenttivaatimuksissa käytetään, on "muodostuskaasu", joka tyypillisesti sisältää n. 96 tilavuus-% typpeä ja n. 4 tilavuus-% vetyä.

Termi "perusmetalli" viittaa tässä patenttiselityksessä ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa käytettynä siihen metalliin, esim. alumiiniin, joka on polykiteisen hapetusreaktio-*· tuotteen edeltäjäaine ja sisältää sen metallin tai suhteelli sen puhtaan metallin, kaupallisesti saatavan metallin, jossa on epäpuhtauksia ja/tai lejeerausaineosia, ja lejeeringin, jossa ko. edeltäjämetalli on pääaineosa, ja kun määrätty metalli, esim. i alumiini mainitaan perusmetallina, määritelty metalli tulee ; lukea ottaen tämä määritelmä huomioon, ellei yhteydestä muuta ilmene. Vaikka keksintöä kuvataan tässä painottaen erityisesti alumiinia perusmetallina, muut metallit, jotka täyttävät tämän keksinnön kriteerit, kuten pii, titaani, tina ja zirkonium, ovat myös sopivia.

Tässä patenttiselityksessä ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa käytettynä termiä "keraami" ei ole rajoitettu keraamiseen kappaleeseen perinteisessä mielessä, ts. siinä mielessä, että se koostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan pikemminkin se viittaa kappaleeseen, joka on vallitsevasti keraaminen joko koostumuksen tai hallitse- 11 83630 vien ominaisuuksien suhteen, vaikka kappale voi sisältää huomattavia määriä yhtä tai useampia perusmetallista peräisin olevia metalleja, tyypillisimmin n. 1-40 tilavuus-%, mutta voi sisältää enemmänkin metallia.

Kuva IA on kaavamainen pystyleikkauskuvanto, joka esittää kokoonpanoa, jossa perusmetallivalannetta ympäröi hiukkasmai-nen täytemateriaali ja joka sisältyy tulenkestoiseen astiaan; kuva IB on kaavamainen kuvanto suurennetussa mittakaavassa kuvan IA kokoonpanon osasta sen jälkeen, kun perusmetallin hape-tusreaktiotuote on läpäissyt osan täytemateriaalista; kuvat 2A-2D ovat graafisia esityksiä, jotka esittävät suhteellista valanteen painonlisäystä ja suhteellista yksikköpainonlisäystä (selostetaan jäljeitpänä) lisäainetta sisältävän alumiiniperusmetal 1 in ja täyte-materiaalin kokoonpanolle, jota on käsitelty tämän keksinnön näkökohtien mukaisesti; kuvat 3A-3D ovat graafisia esityksiä, jotka esittävät eri alu-miinilejeerinkien suhteellisia painonlisäyksiä, joita on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti puhtaudeltaan alhaisen hiuk-·.*·“: kasmaisen täytemateriaalin upottamiseksi niiden hapetusreaktio- tuotteeseen; kuvat 4A-4D ovat graafisia esityksiä, jotka esittävät suhteel-: lista valanteen painonlisäystä ja suhteellista yksikköpainon- : lisäystä alumiiniperusmetallikokoonpanolle, jota on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti 325 meshin magnesiumaluminaattia olevan spinellitäytemateriaalin upottamiseksi sen hapetusreak-tiotuotteeseen; kuvat 5A-5D ovat graafisia esityksiä, jotka esittävät suhteel-. lista valanteen painonlisäystä ja suhteellista yksikköpainon lisäystä alumiiniperusmetallikokoonpanolle, jota on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti 90 meshin, 98 %:sesti puhtaan SiC-täytemateriaalin upottamiseksi sen hapetusreaktiotuottee-: seen; *kuva 5E on mikroskooppivalokuva, joka on otettu 400-kertaisella : ·* suurennuksella keraamisesta komposiittirakenteesta, joka on valmistettu tämän patenttiselityksen esimerkin 5 mukaisesti; kuva 5F on röntgendiffraktiokuvio keraamisen komposiittiraken teen jauhetusta näytteestä, joka on valmistettu tämän patentti- selityksen esimerkin 5 mukaisesti; i2 83630 kuvat 6A-6D ovat graafisia esityksiä, jotka esittävät suhteellista valanteen painonlisäystä ja suhteellista yksikköpainonli-säystä alumiiniperusmetallille, jota on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti 90 meshin, 99 %:sesti puhtaan SiC-täytemateriaa-lin upottamiseksi sen hapetusreaktiotuotteeseen; kuvat 7A-7B ovat mikroskooppivalokuvia 40- ja 200-kertaisilla suurennuksilla tämän keksinnön mukaisesta keraamisesta komposiittirakenteesta, joka sisältää metallilanka- ja alumiinioksidi-hiukkasia, jotka on upotettu täytemateriaaleina alumiinioksidi-keraamiin; kuva 8 on mikroskooppivalokuva 400-kertaisella suurennuksella tämän keksinnön mukaisen keraamisen komposiittirakenteen poikkileikkauksesta, joka rakenne sisältää alumiinioksidikangas-täytemateriaalin kerroksia; ja kuva 9 on mikroskooppivalokuva 1000-kertaisella suurennuksella keraamisesta komposiitista, jossa alfa-alumiinioksidimatriisiin on upotettu piikarbidihiukkasia ja keraamisia piikarbidikuitu-ja, ja joka on valmistettu esimerkin 20 mukaisesti.

*· Tämän keksinnön toteutuksessa perusmetalli, joka voi koostua esimerkiksi alumiinista, piistä, zirkoniumista, tinasta tai titaa-·* nista, ja läpäisevä täytemateriaalimassa asetetaan kosketukseen toistensa kanssa ja suunnattuina toisiinsa nähden niin, että hapetusreaktiotuotteen kasvu tapahtuu kohti täytemateriaalia, jotta kasvava hapetusreaktiotuote tunkeutuisi täytemateriaaliin tai osaan siitä ja upottaisi sen sisäänsä. Tämä perusmetallin : ' ja täytemateriaalin sijoittaminen ja suuntaaminen toistensa suh- teen voidaan toteuttaa yksinkertaisesti upottamalla perusmetallin kappale hiukkasmaisen täytemateriaalin kerrokseen kuvassa IA kuvatulla tavalla tai sijoittamalla yksi tai useampia perusmetallin kappaleita täytemateriaalin kerroksen tai muun kokoonpanon päälle tai viereen. Täyteaine voi koostua i3 83630 esimerkiksi lujittavien tankojen, sauvojen, lankojen, levyjen, levysten ja onttojen kappaleiden ristikosta, pallojen (täysaineiset tai ontot kuplat), jauheiden tai muiden hiuk-kasmaisten aineiden kerroksesta, kasautumasta, tulenkestoi-sesta kuitukankaasta, esim. metallilankakankaasta, teräsvillasta, kuiduista, putkista, pienistä putkista, rakeista, jouhista tms. tai edellä mainittujen yhdistelmästä. Kokoonpano on joka tapauksessa järjestetty niin, että hapetusreak-tiotuotteen kasvusuunta on kohti täytemateriaalia ja hape-tusreaktiotuote läpäisee tai peittää ainakin osan täytemateriaalista niin, että täyteainehiukkasten tai tuotteiden välinen tyhjä tila täyttyy kasvaneesta hapetusreaktiotuot-teen matriisista.

Kun yhtä tai useampia lisäaineita (kuvataan jäljempänä) vaaditaan edistämään hapetusreaktiotuotteen kasvua, lisäainetta voidaan käyttää perusmetallin pinnalla ja/tai sen sisällä ja vaihtoehtoisesti tai lisäksi lisäainetta voidaan käyttää täytemateriaalin päällä tai täyteaine voi muodostaa sen.

Vaikka tätä keksintöä kuvataan jäljempänä painottaen erityisesti alumiinia tai alumiinin erikoistoteutusmuotoja perusmetallina, tämä viittaus tehdään ainoastaan esimerkkitarkoi-tuksessa ja on ymmärrettävä, että voidaan käyttää muitakin metalleja, kuten piitä, titaania, tinaa, zirkoniumia jne., jotka täyttävät tämän keksinnön kriteerit.

Tapauksessa, jossa käytetään alumiinia tai sen lejeerinkejä perusmetallina ja happea sisältävää kaasua hapettimena tämän keksinnön prosessissa, sopivat määrät lisäaineita lejeerataan perusmetalliin tai levitetään sille, kuten jäljempänä yksityiskohtaisesti kuvataan. Perusmetalli asetetaan sitten upokkaaseen tai muuhun tulenkestoiseen säiliöön siten, että metallipinta on alttiina viereiselle tai ympäröivälle läpäisevälle täytemateriaalin massalle sanotussa säiliössä ja hapettavan atmosfäärin (tyypillisesti ilman ympäröivässä ilmakehän paineessa) läsnäollessa. Saatua kokoonpanoa kuumennetaan sitten

14 8 3 6 ό O

uunissa sen korotettuun lämpötilaan alueelle, joka on tyypillisesti välillä n. 850-1450°C tai edullisemmin n. 900-1350°C riippuen täytemateriaalista, lisäaineesta tai sen pitoisuuksista tai mistä tahansa näiden yhdistelmistä, minkä jälkeen alkaa tapahtua perusmetallin siirtymistä oksidikuoren läpi, joka normaalisti suojaa alumiiniperusmetallia.

Perusmetallin jatkuva korkean lämpötilan altistus hapettimelle tekee mahdolliseksi perusmetallin jatkuvan hapetuksen paksuudeltaan kasvavan polykiteisen reaktiotuotekerroksen muodostamiseksi. Tämä kasvava hapetusreaktiotuote kyllästää vähitellen läpäisevää viereistä täytemateriaalia yhtenäisellä hapetusreaktiotuote-matriisilla, joka voi sisältää myös hapettumattomia perusmetal-liaineosia, jolloin muodostuu koossapysvvä komposiitti. Kasvava polykiteinen matriisi kyllästää tai läoäisee täytemateriaalia oleellisesti muuttumattomalla nopeudella (ts. paksuuden kasvunopeus on oleellisesti muuttumaton ajan kuluessa) edellyttäen, että riittävä ilman (tai haoettavan atmosfäärin) vaihto sallitaan uunissa suhteellisen muuttumattoman hapettimen lähteen ylläpitämiseksi siinä. Hapettavan atmosfäärin vaihto voidaan ilman kyseessä ollen aikaansaada helposti uunissa olevien aukko-; jen avulla. Matriisin kasvu jatkuu, kunnes tapahtuu ainakin jokin seuraavista: 1) oleellisesti kaikki perusmetalli on kulutettu; 2) hapettava atmosfääri korvataan ei-hapettavalla atmosfäärillä, hapetin loppuu tai imetään pois; tai 3) reaktio-lämpötilaa muutetaan niin, että se on oleellisesti reaktio-lämpötila-alueen ulkopuolella, esim. perusmetallin sulamispisteen alapuolella. Tavallisesti lämpötilaa alennetaan laskemalla uunin lämpötilaa ja sen jälkeen materiaali poistetaan uunista.

Esimerkkejä tässä keksinnössä hyödyllisistä täyteaineista riippuen valituista perusmetalli- ja hapetussysteemeistä, ovat yksi tai useammat alumiinioksidista, piikarbidista, pii-alumiinioksinitridistä, zirkoniumoksidista, zirkoniumboridista, titaaninitridistä, bariumtitanaatista, boorinitridistä, 15 83630 piinitridistä, rautalejeeringeistä, esim. rauta-kromi-alumiini-lejeeringistä, hiilestä, alumiinista ja niiden seoksista. Keksinnössä voidaan kuitenkin käyttää mitä tahansa sopivaa täyteainetta ja kolme hyödyllisten täyteaineiden erikoisluokkaa voidaan erottaa.

Ensimmäinen täyteaineiden luokka sisältää ne kemialliset yhdisteet, jotka prosessin lämpötila- ja hapetusolosuhteissa eivät ole haihtuvia, ovat termodynaamisesti stabiileja eivätkä reagoi sulan perusmetallin kanssa tai liukene liiaksi siihen. Alaan perehtyneet tietävät lukuisten materiaalien täyttävän nämä kriteerit tapauksessa, jossa käytetään alumiiniperusmetallia ja ilmaa tai happea hapettimena. Tällaisia materiaaleja ovat yksi-metallioksidit: alumiinin, A^O^ ; seriumin, Ce02 ’ hafniumin,

HfC^; lantaanin, neodyymin, Nd203; praseodyvmin, eri oksideja; samariumin, Sri^O^; skandiumin, sc2°3' toriumin, ThC>2; uraanin, UC>2; yttriumin, Y2°3* ja zirkoniumin, Zr02- Lisäksi suuri joukko kaksi-, kolme- ja korkeampia metalliyhdisteitä, kuten magnesiumaluminaattispinelli, MgO · sisältyy tähän stabiilien tulenkestoisten yhdisteiden luokkaan.

Toinen sopivien täyteaineiden luokka ovat ne, jotka eivät ole • _ luontaisesti stabiileja prosessin hapettavassa ja korkean lämpö tilan ympäristössä, mutta joita johtuen hajoamisreaktioiden suh-teellisen hitaasta kinetiikasta voidaan liittää täyteainefaa-sinä kasvavaan keraamiseen runkoon. Eräs esimerkki alumiini- oksidia olevan keraamisen matriisin kyseessä ollen on piikarbidi.

Tämä materiaali hapettuisi täydellisesti olosuhteissa, joita vaaditaan alumiinin hapettamiseen hapella tai ilmalla tämän keksinnön mukaisesti ellei piioksidia olevaa suojaavaa kerrosta muodostuisi ja peittäisi piikarbidihiukkasia rajoittaen piikarbidin enempää hapettumista.

Kolmas sopivien täyteaineiden luokka ovat ne, joiden ei termodynaamisin tai kineettisin perustein odoteta selviävän hapettavasta ympäristöstä tai altistumisesta sulalle metallille, jotka -1’’- ovat välttämättömiä tämän keksinnön toteutukselle. Tällaiset täyteaineet voidaan tehdä yhteensopiviksi tämän keksinnön 16 83630 prosessin kanssa 1) jos hapettava ympäristö tehdään vähemmän aktiiviseksi tai 2) levittämällä sille päällyste, joka tekee yhdisteen kineettisesti reagoimattomaksi hapettavassa ympäristössä. Eräs esimerkki tällaisesta täyteaineiden luokasta olisi hiilikuitu, jota käytetään sulan alumiiniperusmetallin yhteydessä. Jos alumiini on määrä hapettaa ilmalla tai hapella esimerkiksi 1250°C:ssa kuitua sisältävän matriisin synnyttämiseksi, hiilikuitu pyrkii reagoimaan sekä alumiinin (muodostaen alumiinikarbidia) että hapettavan ympäristön (muodostaen CO:a tai C02:a) kanssa. Nämä epämieluisat reaktiot voidaan välttää päällystämällä hiilikuitu (esim. alumiinioksidilla) reaktion estämiseksi perusmetallin ja/tai hapettimen kanssa ja valinnaisesti käyttämällä hapettimena C0/C02_atmosfääriä, joka pyrkii hapettamaan alumiinia, muttei hiilikuitua.

Tarkoituksena selittää hapetusprosessia ilman, että keksintö tulisi sidotuksi siihen, todetaan, että sulaa metallia siirtyy pitkin kanavia, joita esiintyy hapetusreaktiotuotefaasin tietyissä suurenergisissä rakeiden leikkauskohdissa. Tiedetään hyvin, että millä tahansa monikiteisellä materiaalilla on joukko raerajaenergioita (vapaat pintaenergiat) riippuen kide-hilan tasopoikkeaman asteesta kahden samaa materiaalia olevan vierekkäisen kiteen tai rakeen välisellä rajapinnalla. Yleisesti raerajoilla, joilla on vähäinen tasopoikkeama, on pienet pintaenergiat, kun taas suuren tasopoikkeaman rajoilla on suuret pintaenergiat, vaikka riippuvuus ei ehkä ole yksinkertainen, jatkuvasti kasvava kulman funktio johtuen edullisempien atomisuuntausten satunnaisesta esiintymisestä keskisuurilla kulmilla. Samoin viivoilla, joita pitkin kolme raetta leikkaa toisiaan, on myös tyypillisesti suurenergisiä piirteitä moniki-teisessä mikrorakenteessa.

Kuten edellä mainituissa aikaisemmissa patenttihakemuksissa on tarkemmin selostettu, mutta haluamatta tulla sidotuksi niihin, perusmetalli ja hapetin muodostavat ilmeisesti edullisen monikiteisen hapetusreaktiotuotteen, jolla on sellainen vapaan pintaenergian suhde sulaan perusmetalliin, että jossakin sen lämpötila-alueen i7 83630 osassa, jossa perusmetalli on sulana, sanotun polykiteisen hapetusreaktiotuotteen ainakin jotkut rakeiden leikkauskohdat (ts. raerajat tai kolmen rakeen leikkauskohdat) korvautuvat sulan metallin tasomaisilla tai viivamaisilla kanavilla. Tarkastellaan esimerkiksi raerajaa, jonka vapaa pintaenergia on suurempi kuin kahden geometrisesti oleellisesti samanarvoisen kiteen ja sulan metallin välisten rajapintojen vaihtoehtoisella konfiguraatiolla. Näissä olosuhteissa tällaista suur-energistä raerajaa joko ei muodostu tai se hajoaa itsestään sulan metallin tasomaisen kanavan hyväksi, jota rajoittaa kaksi kide/metallirajapintaa. Kun sulaa metallia pidetään hapettavassa ympäristössä ja lämpötila-alueen tehokkaassa osassa, sula metalli tulee siirretyksi näitä kanavia pitkin hapettimen suuntaan. Tarkemmin sanoen tämä ilmiö tapahtuu, kun (1) nestemäinen metalli kostuttaa kiteisen hapetus-reaktiotuotefaasin (ts. Y SL < YgG, 7ossa ysl tarko;i-ttaa kiteen ja nestemäisen metallin välisen rajapinnan vapaata pintaener-giaa ja γ _ tarkoittaa kiteen ja höyryn välisen rajapinnan vapaata pintaenergiaa) ja (2) joidenkin raerajojen energiaY on enemmän kuin kaksi kertaa kiteen ja nestemäisen metallin rajapintaenergia, ts. Y0MAX > 2 YgL, jossa YBMAX on polykitei-"/ sen materiaalin maksimi raerajaenergia. Luonteeltaan viiva- maisia sulan metallin kanavia voi muodostua samalla tavoin, ,*·· jos metalli syrjäyttää joitakin tai kaikki materiaalissa olevat /’l kolmen rakeen leikkauskohdat.

Koska kanavat ovat ainakin osittain liittyneet toisiinsa, (ts. polykiteisen materiaalin raerajat ovat liittyneet toisiinsa) sulaa metallia siirtyy polykiteisen hapetusreaktiotuotteen läpi sen pinnalle kosketukseen hapettavan atmosfäärin kanssa, : _ jossa metallille tapahtuu hapettuminen, joka johtaa hapetusreak- tiotuotteen jatkuvaan kasvuun. Lisäksi, koska sulan metallin imeytyminen kanavia pitkin on paljon nopeampi siirtymisprosessi kuin useimpien normaalien hapettumisilmiöiden ionien johtumis-mekanismi, tällä hapetusprosessilla havaittu hapetusreaktio-: _ tuotteen kasvunopeus on paljon suurempi kuin mitä tyypillisesti :’· havaitaan muissa hapetusilmiöissä.

ie 83 6 30

Vaikka tämän keksinnön hapetusreaktiotuotteeseen tunkeutuu metallia pitkin suurenergisiä raerajapintoja, monikiteinen reaktiotuotefaasi itsessään on liittynyt yhteen yhden tai useamman dimension suunnassa, edullisesti kolmiulotteisesti pitkin suhteellisen pienikulmaisia kiderajoja, jotka eivät täytä kriteeriä γΒ > 2 ySL. Näin ollen tällä keksinnöllä on monia perinteisen keraamin toivottuja ominaisuuksia, (ts. kovuus, tulenkestoisuus, kulutuskestoisuus jne.) samalla, kun se saa lisäetuja jakautuneen metallifaasin läsnäolosta (huomattavasti suurempi sitkeys ja murtumiskestoisuus).

Keksinnön kohteena on myös itsekantava keraaminen komposiitti, joka koostuu keraamisesta matriisista ja matriisiin liitetystä täytemateriaalista. Keksinnön mukainen komposiitti käsittää täten (1) keraamisen matriisin, joka muodostuu olennaisesti (i) perusmetallin ja kaasufaasihapettimen oleellisesti yksifaasisen, monikiteisen hapetusreaktiotuotteen yhteenliittyneistä kristalliiteista, sekä pienestä määrästä (ii) metallista komponenttia, joka muodostuu perusmetallin yhdestä tai useammasta hapettumattomasta aineosasta, sekä mahdollisesti (iii) huokosista, sekä (2) yhtä tai useampaa matriisiin upotettua inerttiä täyteainetta. Mainittu metallikomponentti on keksinnön mukaan dispergoituneena matriisiin yksitasoisina, toisiinsa liittyneinä metallikanavina ja mahdollisesti lisäksi oleellisesti erillisinä metallisulkeutumina, ja mainitussa hapetusreaktiotuotteessa on kristalliittien raerajoilla kide-hilatasopoikkeamia, jotka ovat pienempiä kuin kidehilataso-poikkeamat niiden vierekkäisten kristalliittien väleillä, joiden välissä yksitasoiset metallikanavat tai yksitasoiset huokoset sijaitsevat. Edullisessa toteutusmuodossa oleellisesti kaikilla kristalliittien raerajoilla on alle n. 5 asteen vierekkäisten kidehilojen välinen kulmaero.

Tietyt perusmetallit täyttävät määrätyissä lämpötila- ja hapetusatmosfäärin olosuhteissa kriteerit, jotka ovat välttämättömiä hapetusreaktiolle ilman mitään erikoislisäyksiä tai -muunnoksia. Kuitenkin kuten edellä mainituissa patenttihakemuksissa on kuvattu, perusmetallin yhteydessä keksinnön i9 83630 mukaisesti käytettävät lisäaineet vaikuttavat edullisesti hapetusreaktioprosessiin. Vaikkei haluta sitoutua mihinkään määrättyyn teoriaan tai selitykseen lisäaineiden vaikutuksesta, osoittautuu että jotkut niistä ovat hyödyllisiä niissä tapauksissa, joissa asianmukaisia pintaenergiasuhteita perusmetallin ja sen hapetusreaktiotuotteen välillä ei luontaisesti ole olemassa. Niinpä tietyt lisäaineet tai niiden yhdistelmät, jotka pienentävät kiinteän aineen ja nesteen välistä pinta-energiaa, pyrkivät edistämään tai kiihdyttämään sen polykitei-sen rakenteen, jota on muodostunut metallin hapettuessa, kehittymistä sellaiseksi, että se sisältää kanavia sulan metallin siirtämistä varten, kuten tämä uusi prosessi vaatii. Lisäaineen toinen tehtävä voi olla initioida keraamin kasvuil-miö ilmeisesti joko toimimalla ytimenmuodostusaineena stabiilien hapetustuotekristalliittien muodostamiseksi tai hajottamalla alunperin passiivisen hapetustuotekerroksen jollakin tavoin tai tekemällä molemmat. Tämän jälkimmäisen luokan lisäaineet eivät ehkä ole välttämättömiä tämän keksinnön keraamin kasvuilmiön synnyttämiseen, mutta tällaiset lisäaineet saattavat olla tärkeitä lyhennettäessä mahdollista tällaisen kasvun initioinnin itämisaikaa kaupallisesti käytännöllisiin rajoihin tietyillä perusmetallisysteemeillä.

Lisäaineen toiminta tai toiminnat saattavat riippua useista muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi kulloinenkin perusmetalli, haluttu lopputuote, kulloinenkin lisäaineiden yhdistelmä, kun käytetään kahta tai useampia lisäaineita, ulkopuolisesti levitetyn lisäaineen käyttö lejeeratun lisäaineen yhteydessä, lisäaineen pitoisuus, hapettava ympäristö ja prosessiolosuhteet.

Lisäaine tai -aineet (1) voidaan lisätä perusmetallin lejee-rausaineosina, (2) voidaan levittää ainakin osalle perusmetallin pintaa tai (3) voidaan levittää täyteaineeseen tai osaan täyteainekerrosta tai lisätä sen mukana, tai voidaan käyttää mitä tahansa kahden tai useamman tekniikan (1), (2) ja (3) yhdistelmää. Esimerkiksi lejeerattua lisäainetta voidaan käyttää yhdessä ulkopuolisesti levitetyn lisäaineen 20 83630 kanssa. Tekniikan (3) tapauksessa, jossa lisäaine tai -aineet levitetään täyteaineeseen, levitys voidaan toteuttaa millä tahansa sopivalla tavalla, kuten dispergoimalla lisäaineet osaan täyteainetta tai koko sen massaan hienopisarai-sessa tai hiukkasmaisessa muodossa edullisesti täyteaineen kerroksen siinä osassa, joka on perusmetallin vieressä. Minkä tahansa lisäaineen levittäminen täyteaineeseen voidaan toteut-ta myös levittämällä yhden tai useamman lisäaineen kerros täyteainekerrokseen ja sen sisään mukaan luettuna kaikki sen sisäiset aukot, välitilat, kanavat, tyhjät tilat tms., jotka tekevät sen läpäiseväksi. Lisäaineen lähde voidaan lisätä myös asettamalla lisäainetta sisältävä kova kappale kosketukseen perusmetallin pinnan ja täyteainekerroksen ainakin osan kanssa ja niiden väliin. Esimerkiksi jos vaaditaan piilisäai-netta, piitä sisältävä lasin tai muun materiaalin ohut levy voidaan asettaa perusmetallin pinnalle, jonka päälle toista lisäainetta oli aikaisemmin levitetty. Kun perusmetalli, jonka päälle piitä sisältävä materiaali on asetettu, sulatetaan hapettavassa ympäristössä (esim. alumiinin kyseessä ollen ilmassa välillä n. 850-1450eC, edullisesti välillä n. 900-1350°C), tapahtuu monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään täyteaineeseen. Tapauksessa, jossa lisäaine levitetään ulkopuolisesti ainakin osalle perusmetallin pintaa, monikiteinen oksidirakenne kasvaa yleensä läpäisevän täyteaineen sisällä oleellisesti lisäainekerroksen yli (ts. yli levitetyn lisäainekerroksen syvyyden). Joka tapauksessa yksi tai useampia lisäaineita voidaan ulkopuolisesti levittää perusmetallin pinnalle ja/tai täyteaineen läpäisevään kerrokseen. Lisäksi lisäaineita, joita on lejeerattu perusmetalliin ja/tai levitetty ulkopuolisesti perusmetallille, voidaan kartuttaa täyteainekerrokseen levitetyillä lisäaineilla. Näin ollen perusmetalliin lejeerattujen ja/tai ulkopuolisesti levitettyjen lisäaineiden väkevyysvajauksia voidaan täydentää kerrokseen levitettyjen vastaavien lisäaineiden lisäväkevöin-nillä ja päinvastoin.

Hyödyllisiä lisäaineita alumiiniperusmetallille erityisesti ilman ollessa hapetin ovat esimerkiksi magnesiummetalli ja 21 83630 sinkkimetalli yhdessä toistensa kanssa tai yhdessä muiden seuraavassa kuvattujen lisäaineiden kanssa. Näitä metalleja tai sopivaa metallien lähdettä voidaan lejeerata alumiinipe-rustaiseen perusmetalliin kummankin n. 0,1-10 paino-%:n väkevyyksinä laskettuna saadun lisäainetta sisältävän metallin kokonaispainosta. Minkä tahansa lisäaineen väkevyysalue riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmästä ja prosessilämpötilasta. Tällä alueella olevat väkevyydet osoittavat initioivan keraamin kasvua, parantavan metallin siirtoa ja vaikuttavan suotuisasti saadun hapetusreaktiotuot-teen kasvun morfologiaan.

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään moniki-teisen hapetusreaktiotuotteen kasvua alumiiniin pohjautuvilla perusmetallisysteemeillä, ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja lyijy, erityisesti kun niitä käytetään yhdessä magnesiumin tai sinkin kanssa. Yhtä tai useampia näistä muista lisäaineista tai niiden sopivasta lähteestä lejeerataan alu-miiniperusmetallisysteemiin kummankin n. 0,5-15 paino-%:n väkevyyksillä koko lejeeringistä; kuitenkin halutumpi kasvu-kinetiikka ja kasvun morfologia saadaan lisäaineväkevyyksillä välillä n. 1-10 paino-% koko perusmetallilejeeringistä. Lisäaineena olevaa lyijyä lejeerataan yleensä alumiinipohjäiseen perusmetalliin vähintään n. 1000°C:n lämpötilasa sen vähäisen liukoisuuden alumiiniin ottamiseksi huomioon; kuitenkin muiden lejeerauskomponenttien, kuten tinan lisäys parantaa yleensä lyijyn liukoisuutta ja sallii lejeerausmateriaalin lisäämisen matalammassa lämpötilassa.

Yhtä tai useampia lisäaineita voidaan käyttää olosuhteista riippuen, kuten edellä selostettiin. Esimerkiksi alumiinipe-rusmetallin kyseessä ollen ja käytettäessä ilmaa hapettimena erityisen hyödyllisiä lisäaineiden yhdistelmiä ovat (a) magnesium ja pii tai (b) magnesium, sinkki ja pii. Tällaisissa esimerkeissä edullinen magnesiumväkevyys osuu välille n. 0,1-3 paino-%, sinkkiväkevyys välille n. 1-6 paino-% ja piiväke-vyys välille n. 1-10 paino-%.

22 83660

Lisäesimerkkejä lisäaineista, jotka ovat hyödyllisiä alumii-niperusmetallin yhteydessä, ovat natrium, litium, kalsium, boori, fosfori ja yttrium, joita voidaan käyttää yksin tai yhdessä yhden tai useampien muiden lisäaineiden kanssa riippuen hapettimesta ja prosessiolosuhteista. Natriumia ja litiumia voidaan käyttää hyvin pieniä määriä ppm-alueella, tyypillisesti n. 100-200 ppm ja kumpaakin voidaan käyttää yksin tai yhdessä tai muiden lisäaineiden yhteydessä. Harvinaiset maametallit, kuten serium, lantaani, praseodyymi, neodyymi ja samarium ovat myös hyödyllisiä lisäaineita ja nämäkin jälleen erityisesti, kun niitä käytetään yhdessä muiden lisäaineiden kanssa.

Kuten edellä mainittiin, ei ole välttämätöntä lejeerata mitään lisäainetta perusmetalliin. Esimerkiksi yhden tai useampien lisäaineiden levittäminen selektiivisesti ohueksi kerrokseksi joko koko perusmetallin pinnalle tai osalle sitä tekee mahdolliseksi keraamien paikallisen kasvatuksen perusmetallin pinnasta tai sen osista ja soveltuu monikiteisen keraamisen materiaalin kasvattamiseen läpäisevään täyteaineeseen valituilla alueilla. Näin ollen monikiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään kerrokseen voidaan säätää sijoittamalla paikallisesti lisäainetta perusmetallin pinnalle. Lisäaineen levitetty päällyste tai kerros on ohut verrattuna perusmetal-likappaleen paksuuteen ja hapetusreaktiotuotteen kasvu tai muodostuminen läpäisevään kerrokseen ulottuu oleellisesti yli lisäainekerroksen, ts. yli levitetyn lisäainekerroksen syvyyden. Tällainen lisäaineen kerros voidaan levittää maalaamalla, kastamalla, silkkipainatuksella, haihduttamalla tai levittämällä lisäaine muulla tavoin neste- tai pastamuodossa tai sputteroimalla tai yksinkertaisesti kerrostamalla kiinteän hiukkasmaisen lisäaineen kerros tai lisäaineen kiinteä ohut levy tai kalvo perusmetallin pinnalle. Lisäaine voi, mutta sen ei tarvitse sisältää joko orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, apuaineita, liuottimia ja/tai paksunnosaineita. Edullisemmin lisäaineet levitetään pulvereina perusmetallin pinnalle tai dispergoidaan ainakin osaan täyteainetta. Eräs erityisen edullinen menetelmä lisäaineiden levittämiseksi 23 83630 perusmetallin pinnalle on käyttää lisäaineiden nestesuspen-siota veden ja orgaanisen sideaineen seoksessa, Jota ruiskutetaan perusmetallin pinnalle tarttuvan päällysteen saamiseksi, joka helpottaa lisäaineen käsittelyä ennen prosessointia.

Kun lisäaineita käytetään ulkopuolisesti, ne levitetään tavallisesti osalle perusmetallin pintaa yhtenäiseksi kerrokseksi sen päälle. Lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa sen perusmetallin määrään, jolle sitä levitetään, ja alumiinin kyseessä ollen kokeissa ei ole onnistuttu toteamaan sen enempää käyttökelpoista ylä- kuin alarajaakaan. Esimerkiksi kun käytetään piitä piidioksidin muodossa ulkopuolisesti levitettynä lisäaineena alumiinipohjäiselle perusmetallille käyttäen ilmaa hapettimena, vain 0,0001 g:n määrät piitä grammaa kohti perusmetallia yhdessä toisen lisäaineen kanssa, joka aikaansaa magnesium- ja/tai sinkkilähteen, tuottavat monikiteisen keraamin kasvuilmiön. On myös havaittu, että keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiinipohjäisestä perusmetallista käyttäen ilmaa tai happea hapettimena käyttämällä MgO:a lisäaineena yli 0,0005 g:n määrä grammaa kohti hapetettavaa perusmetallia ja yli 0,0005 g lisäainetta yhtä cm^rä kohti perusmetallin pintaa, jolle MgO:a levitetään. Osoittautuu, että jossain määrin lisäaineiden määrän kasvu lyhentää reaktioaikaa, joka tarvitaan keraamisen komposiitin valmistamiseen, mutta tämä riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineen tyypistä, perusmetallista ja reaktio-olosuhteista.

Toinen tämän keksinnön tärkeä piirre on kyky vaikuttaa ja säätää tuloksena olevan keraamisen matriisin mikrorakennetta ja ominaisuuksia muuntelemalla prosessiolosuhteita. Niinpä esimerkiksi ylläpitämällä prosessiolosuhteita, jotka ilmeisesti pienentävät kiinteän aineen ja nesteen rajapintaener-giaa suhteessa hapetusreaktiotuotteessa olevien raerajaener-gioiden alueeseen, muodostetaan rakenne, joka sisältää kasvaneen määrän metallia ja vähentyneen määrän hapetusreaktiotuot-teen yhteenliittymistä, kun taas suhteellisten pintaenergioi-den muuttaminen vastakkaiseen suuntaan tuottaa yhteenliit-

24 8 3 6 ό O

tyneemmän hapetusreaktiotuotteen, jossa on vähemmän metalli-faasia, ts. muodostuu vähemmän metallin siirtokanavia. Tällaiset muutokset voidaan suorittaa esimerkiksi muuttamalla lisäaineiden luonnetta tai väkevyyttä tai muuttamalla hapettavaa ympäristöä (lämpötilaa ja atmosfääriä). Tämän prosessipiirteen seurauksena tuloksena olevan materiaalin ominaisuuksia voidaan räätälöidä suhteellisen suuressa määrin ominaisuuksista, jotka lähestyvät puhtaan keraamin ominaisuuksia, ominaisuuksiin (kuten sitkeyteen ja sähkönjohtavuuteen), joihin vaikuttaa voimakkaasti metallifaasin 25 tai 30 tilavuus-%:n tai suuremman määrän läsnäolo.

Kun perusmetalli on alumiini, joka sisältää lisäaineena magnesiumia, ja hapetusväliaine on ilma tai happi, on havaittu, että magnesium hapettuu ainakin osittain ulos lejeeringistä n. 820-950°C:n lämpötiloissa. Tällaisissa magnesiumia sisältävien systeemien tapauksissa magnesium muodostaa magnesiumoksi-di- ja/tai magnesiumaluminaattispinellifaasin sulan alumiini-lejeeringin pinnalle ja kasvatusprosessin aikana tällaiset magnesiumyhdisteet säilyvät pääasiassa perusmetallilejeeringin alkuperäisellä oksidipinnalla (ts. "aloituspinnalla") kasvavassa keraamisessa rakenteessa. Näin ollen tällaisissa magnesiumia lisäaineena sisältävissä systeemeissä muodostuu alu-miinioksidipohjäinen rakenne erilleen suhteellisen ohuesta magnesiumaluminaattispinellin kerroksesta aloituspinnalla. Haluttaessa tämä aloituspinta voidaan helposti poistaa esim. hiomalla, koneistamalla, kiillottamalla tai hiekkapuhalluksella.

Ei-funktionaaliset lejeeringin aineosat perusmetallissa, erityisesti ne, joilla on vähemmän negatiivinen vapaa energia niiden oksideiksi muodostuksessa, ovat usein vaarattomia ja pyrkivät väkevöitymään jäljellä oleviin metallisulkeuma-faaseihin. Esimerkiksi alumiiniperusmetallin kyseessä ollen pienehköt määrät mangaania, rautaa, kuparia, wolfrämiä ja muita metalleja ovat yleisiä lejeeringin epäpuhtauksia alumiinin kaupallisissa laaduissa, jotka ovat yhteensopivia eivätkä häiritse tämän keksinnön prosessilla tapahtuvaa keraamisen rakenteen kasvatusmekanismia.

25 83630

Kuvan 5E mikroskooppivalokuvasta, joka esittää keraamisen alumiinioksidimatriisituotteen poikkileikkausta, havaitaan, että jakopintarajät hapetusreaktiotuotteen ja metallifaasin välillä ovat oleellisesti kaarevia ja ne kutoutuvat toisiinsa tai muodostavat mutkittelevan mikrorakenteen koko verkostoon.

Tämä mikrorakenne on myös havaittu, kun huokosia muodostui metallin tilalle. Kun alan aikaisemmissa keraamisen matriisin muodostavissa komposiittimateriaaleissa matriisin runko on yksi faasi, jakopinnat matriisin kristalliittien ja huokosten välillä ovat oleellisesti viistottuja, ts. kulmikkaampia ja rosoisempia. Keraaminen tuote, jossa on vallitsevana kaarevia tai pyöreitä jakopintarajoja, kuten tämän keksinnön tuotteessa, saattaa olla erityisen edullinen tiettyihin sovellutuksiin, koska odotettavissa olisi pienempi jännitystiivistymäaste ja pienempi taivutusmoduuli kuin tyypillisestä yhteenliittyneestä rakenteesta, jolla ei ollut tämän tyyppistä kaarevaa rakennetta. Tietyissä toteutusmuodoissa tämän keksinnön keraamisilla kom-posiittituotteilla on olennaisesti yksifaasinen, vhteenliittynyt, keraaminen matriisirunkorakenne, jossa runkorakenteessa olevan kristalliittikomposiitin liitoskohdissa olevilla raerajoilla :"· ei ole läsnä toista faasia. Tällaisten keraamisten komposiitti- tuotteiden muodostus, joissa on puhtaat raerajat, sintraamalla -*· on joko vaikeaa tai mahdotonta, koska epäpuhtaudet pyrkivät ker- rostumaan raerajoille sintrausprosessissa. Tällaisia epäpuh-. tauksia voi olla läsnä joko tahattomasti tai harkittuina lisäyk- sinä sintrauksen edistämiseksi tai rakeiden kasvun rajoittamiseksi korkean lämpötilan prosessoinnin aikana. Edelleen tämän luonteisen tuotteen matriisirunkorakenteessa olevilla puhtailla raerajoilla on merkitystä, koska ne aikaansaavat erinomaisia ominaisuuksia, kuten lujuuden säilymisen korkeassa "... lämpötilassa ja ryömyn vastustuskyvyn.

____ Toisessa toteutusmuodossa tämän keksinnön keraaminen komposiitti on tiivis, koossapysyvä kappale, jossa on n. 5-98 - - tilavuus-% komposiitin koko tilavuudesta laskettuna yhtä tai useampia täytemateriaaleja keraamisen matriisin sisällä. Keraaminen matriisi sisältää sen koko painosta laskettuna 26 83630 n. 60-99 paino-% yhteenliittynyttä alumiinioksidia tai alumiini-nitridiä ja n. 1-40 paino-% alumiinia sisältävää metalliaine-osaa ja siinä on lisäksi alle n. 30 paino-%, edullisesti alle 10 % magnesiumaluminaattispinelliä aloituspintana.

Keksinnön mukainen komposiitti voi koostua (a) yhdestä yksifaasisesta kolmiulotteisesta yhteenliittyneestä nitridin keraamisesta matriisista, (b) yhdestä tai useammista metalliaineosista ja valinnaisesti huokosista, jotka ovat jakautuneet ja/tai ulottuvat läpi koko matriisin ja (c) yhdestä tai useammista matriisiin upotetuista täyteaineista. Jäljempänä esitetään esimerkkejä koskien alumiininitridi-, zirkoniumnitridi-, titaniumnitridi- ja pii-nitridimatriisikomposiitteja. Tällaiset komposiitit ovat ainutlaatuisia ja edullisia johtuen niiden yhdistetyistä mekaanisista, termisistä ja sähköisistä ominaisuuksista.

Seuraavat esimerkit kuvaavat tämän keksinnön tiettyjen kohtien toteuttamista. Esimerkeissä, jotka koskevat alumiinioksidista koostuvien keraamisten matriisien muodostusta, hapetusreaktion : havaittiin edistyvän kohtuullisella nopeudella siten, että ei todettu mitään huomattavaa lämpötilan kohoamista reaktion eksotermisesta luonteesta johtuen. Kuitenkin kaikilla muilla kuvatuilla matriisisysteemeillä hapetusreaktio pyrkii olemaan nopeampi niin, että yleisesti havaittiin koekokoonpanon lyhytaikaista kuumenemista uunin asetuslämpötilan yläpuolelle.

Esimerkki 1 Tämän keksinnön hapetusreaktiotuotteen kasvun vaikutuksen tutkimiseksi hiukkasmaisesta alumiinioksidimateriaalista koostu-: van täytemateriaalin tilavuuden läpi valikoituja alumiini- lejeerinkejä, jotka sisälsivät tietyn määrän sisäisiä magnesium-ja/tai piilisäaineita, prosessoitiin asetuslämpötiloissa, jotka vaihtelivat välillä 1100-1400°C, käyttäen ilmaa hapetti-mena lähtien alumiinilejeeringeistä, jotka oli täysin upotettu hiukkasmaista alumiinioksidia olevan raetäytemateriaalin kerrokseen.

27 83630

Jokaisessa kokeessa sylinterimäinen lejeerinkinäyte, halkaisijaltaan 25,4 mm ja pituudeltaan 22,2 mm leikattiin valanteesta, joka oli valettu sulatteesta, joka oli valmistettu 800-900°C:ssa. Valanne asetettiin pystysuoraan 90 meshin teollisuuspuhtautta olevan, 99,5 %:sesti puhtaan alumiini-oksidihankausrakeen (Norton Co., 38 Alundum) kerroksen päälle, joka sisältyi sopivaan tulenkestoiseen upokkaaseen ja peitettiin sen jälkeen samalla materiaalilla joka puolelta karkeasti 6-12 mm:n paksuudelta. Kuva IA esittää kaavamaisesti perusmetallirakennetta täysin upotettuna hiukkasmaiseen täyte-materiaaliin, joka valanteen kanssa sisältyy tulenkestoiseen upokkaaseen.

Jokaisessa kokeessa kuutta kokoonpanoa, joissa käytettiin erilaisia lisäainepitoisuuksia/ prosessoitiin yhdessä samassa uunissa. Uuneihin pääsi sisälle ympäristön ilmaa luonnollisella johtumisella ja diffuusiolla uunin seinämissä olevien satunnaisten aukkojen läpi, mikä on luonteenomaista tavanomaiselle laboratoriouunimalleille, sekä uunin ovessa olevan 6 mm:n tuuletusreiän läpi. Nimellisessä uunijaksossa oli varattu *:.-j viisi tuntia asetuspisteen saavuttamiseen uunissa, 80 tuntia prosessointiin asetuslämpötilassa ja 5 tuntia uunin jäähtymiseen alle 600°C:n, minkä jälkeen näytteet poistettiin prosessointi-... ympäristöstä. Keraamisen matriisin havaittiin läpäisseen jon- "I kin verran alumiinioksiditäyteainehiukkasia tuottaen koossa- pysyvän komposiitin.

Kuva IB esittää poikkileikkauksena kaavamaista kuvantoa siitä, minkä arvellaan olevan kuvan IA hapetusreaktiotuotteen kasvualueen tilanne jonkin ajan kuluttua prosessointiolosuhteissa : ( esimerkiksi puolet loppuunsaattamiseen vaaditusta ajasta), :V joka kuva osoittaa hapetusreaktiotuotteen muodostumisen aikaansaavan tuloksena olevan polykiteisen matriisin kasvun, joka tunkeutuu viereiseen hiukkasmaiseen täyteaineeseen ja ympäröi sen, kun hapetusreaktio kuluttaa sulaa perusmetallia käytettävissä olevasta varastosta.

28 83630

Neljän painomittauksen ryhmä suoritettiin joka kokeessa seuraavasti: 1) alumiiniperusmetalliharkon alkupaino ("Wi"); 2) upokkaan ja sen koko panoksen paino (hiukkasmainen kerros ynnä perusmetalliharkot) ennen prosessointia ("Wc''); 3) upokkaan ja sen koko panoksen paino prosessoinnin jälkeen ("Wc/a"); ja 4) jäljelle jäävän perusmetalliharkon ja lujan keraamisen komposiittirakenteen paino mukaanluettuna sen kaikki hapettumattomat aineosat prosessoinnin jälkeen ("Wi/a").

Näitä tuloksia käyttäen lasketaan yksikköpainonlisäys ("UWG") upokkaan ynnä sen koko panoksen uunijaksoprosessoinnista johtuvan painomuutoksen suhteena perusmetalliharkon alkuperäiseen painoon. Toisin sanoen yksikköpainonlisäys (UWG) on yhtä kuin (kokoonpanon loppupaino miinus kokoonpanon alkupaino) jaettuna (perusmetalliharkon alkupainolla). Edellä mainittu suhde voidaan ilmaista myös kaavalla: UHO = Wc/?· 7 .»=

Wi

Yksikköpainonlisäys voi olla teoreettisesti jopa 0,89, joka vastaa alumiinin täydellistä konversiota A^O^ksi. Putoamiset . alle arvon 0,89 ovat luettavissa olennaisesti hapettumattoman alumiinilejeerinkiperusmetallin tai sen hapettumattomien aineosien ominaisuudeksi.

Toinen näistä tuloksista eri näytteille johdettu suure oli harkon painonlisäys ("IWG"), joka tarkoittaa suhdetta (a)/(b), jossa (a) on jäljelle jääneen perusmetalliharkon ja lujan keraamisen komposiittirakenteen paino mukaanluettuna. Sen kaikki hapettumattomat aineosat, prosessoinnin ja upokkaasta poiston jälkeen ("Wi/a"), miinus perusmetalliharkon alkupaino ("Wi") ja (b) on alumiiniperusmetalliharkon alkupaino ("Wi").

* Toisin sanoen harkon painonlisäys (IWG) on yhtä kuin (keraami sen komposiittirakenteen ja hapettumattomien perusmetalliaine-osien loppupaino miinus perusmetalliharkon alkupaino) jaettuna (perusmetalliharkon alkupainolla). Edellä mainittu suhde voidaan ilmaista myös kaavalla IWG = Wi/a - Wi Wi 29 83630

Kun harkon painonlisäys ("IWG") on merkittävästi suurempi kuin yksikköpainonlisävs ("UWG"), esim. luokkaa 1-25, tai suurempi, se osoittaa merkittävää painon kasvua johtuen täytemateriaalin uppoamisesta pääasiassa keraamiseen polykiteiseen materiaaliin.

Ilmoitetuissa tuloksissa korjauksia ei tehty sellaisten kohtien kuin haihtuvien aineiden poistumisen suhteen tulenkestoisista materiaaleista, täytemateriaalin reaktion suhteen hapettavan atmosfäärin kanssa tai muiden tällaisten tekijöiden suhteen. Joitakin kokeissa saatuja materiaaleja arvosteltiin menettelyillä, kuten visuaalisella tarkastuksella ja poikkileikkaus-ja mekaanisilla mittauksilla valituilla näytteillä komposiitti-kappaleen luonteen toteamiseksi.

Kuvissa 2A-2D esitetään graafisesti vksikköpainonlisäys ja harkon painonlisäys valituissa uunin asetuslämpötiloissa sarjalle alumiinilejeerinkeja, joita oli haoetettu 80 tunnin kuu-mennusjakso polykiteisen materiaalin kasvattamiseksi alumiini-oksiditäytemateriaalin kerrokseen, kuten yllä kuvien IA ja IB yhteydessä kuvattiin. Tässä ja kaikissa vastaavissa kuvissa ·: · kuvan selityksissä oleva x/y-merkintä antaa nimellisen lisä- - ; aineväkevyyden, jossa x on piipitoisuus ja y on maqnesiumpitoi- suus, molemmat painoprosentteina perusmetallin koko painosta.

.··_ Tulokset osoittavat, että keraamisten komposiittirakenteiden no peaa muodostumista tapahtuu pääasiassa lämpötila-alueella !" 1100-1400°C alumiiniperusmetallilla käyttäen näitä määrättyjä lisäaineita ja ilmaa hapettimena. Lisäksi vertailut kuvien 2A-2D käyrien kesken kuvaavat binäärisen lisäainesysteemin edullista vaikutusta alumiinipohjäisille perusmetalleille käytettäessä happeen perustuvaa kaasumaista haoetinta, ja osoit-'· tavat, että tehokasta lämpötila-aluetta voidaan laajentaa lisä aineen väkevyyksien sopivalla valinnalla.

Kuten alla esitetyt lisäkokeet osoittavat, tämän keksinnön . . toteutuksella saadut keraamiset komposiittirakenteet osoittavat uusia mekaanisten, sähköisten, termisten ja muiden ominaisuuksien kuten lujuuden, kovuuden, sitkeyden ja johtavuuden yhdis- 3o 83630 telmiä yhdistäessään täytemateriaalin ja polykiteisen matriisi-materiaalin ominaisuudet. Keraamisten komposiittirakenteiden mitatut ominaisuudet määritettiin seuraavilla testeillä. Murto-moduuli ("MOR") määritettiin testaamalla suorakulmaisen materiaa-linauhan näyte, jonka leveys ("w") oli 9,5 mm ja syvyys ("d") 3,3 mm ja pituus yli 26 mm. Testinauha asetettiin testausko-neeseen sijoittaen sen 9,5 mm leveät pinnat vaakasuoraan ja 3,2 mm syvät pinnat pystysuoraan. Testauskone vaikuttaa halkaisijaltaan 6 mm:n sylinterimäisen alasinkanqen avulla ylöspäin suuntautuvalla voimalla pohjalta 9,5 mm leveään koenauhan pintaan ja muodostaa parin vastustavia pisteitä ylöspäin liikkuvalle voimalle koenauhan 9,5 mm leveälle pinnalle. Vastustavat pisteet ovat 25 mm:n päässä toisistaan pitkin koenauhan pituutta ja keskitetty alasinkangen kohdalle, joka aikaansaa ylöspäin suuntautuneen voiman. Jos F on ylöspäin suuntautuneen voiman suuruus Newtoneina, murtumismoduuli ("MOR") yksiköissä 2 N/cm lasketaan kaavasta 3FL „

M0B - T

jossa "w" ja "d" ovat samoja kuin yllä ja "b" on ylöspäin vaikut-tavaa voimaa vastustavien pisteiden välinen etäisyys pitkin koenauhaa. Näytekoenauha hiotaan ennen testausta Blanchard-tyyppisellä hiomalaitteella käyttäen n:o 50:n timanttilaikkaa ja alasinkankea painetaan koenauhaa vasten palkin nopeudella 0,05 mm/min.

Tämän keksinnön mukaisesti valmistettujen keraamisten komposiittirakenteiden kulumisnopeus määritettiin kokeella, jossa käytettiin Airbrasive jet-työstöyksikköä, malli H, valmistaja S.S.

White Industrial Products. Kooltaan 50 mikronin alumiinioksidi-hiukkasten (S.S. White n:o 3) suihkulla, jota puhallettiin ilmalla, pommitettiin keraamisen komposiittirakenteen näyte-levyn tasomaista pintaa kahdessa eri testikulmassa, toinen 90°:n (ts. kohtisuoraan testipintaa vasten) ja toinen 30°:n kulmassa o o 2 minuutin ajan 90 törmäyskulmassa ja 4 minuutin ajan 30 :n törmäyskulmassa. 90°:n ja 30°:n testit suoritettiin näytteen eri kohdille ja kokeista seuranneiden kahden kuopan syvyydet mitattiin viisarinäyttöisellä syvyysmittarilla. Kaikissa kokeissa käytettiin seuraavia parametrejä: näytteen pinnan 3i 83630 (alkuperäisen) ja suihkusuuttimen välinen etäisyys oli 15,9 mm: suihkun ilmanpaine oli 552 kPa ja ilman virtausnopeus oli 11,3 standardilitraa/min: suuttimen reiän halkaisija oli 0,66 mm. Pulverin virtausnopeus oli sellainen, että se kalibrointi-testissä, jossa käytetään yllä mainittuja parametreja, antaa kuopan syvyydeksi 1,42 + 0,10 mm Coors AD 998 - alumiinioksidi-koenäytteellä 90°:n törmäyskulmalla (2 minuutissa) ja 0,74 mm:n kuopan syvyyden 30°:n törmäyskulmalla (4 minuutissa). Coors AD 998-alumiinioksidi on 99,8 %:sesti puhdasta alumiinioksidi-materiaalia.

Tämän keksinnön keraamisten komposiittirakenteiden korroosionopeuksien mittaukset suoritettiin erillisillä kokeilla, joissa upotettiin materiaalin näytelevyt 10 %:seen reagenssilaatua olevaan kloorivetyhappoliuokseen tai 10 %:seen reagenssilaatua olevaan rikkihappoliuokseen huoneen lämpötilassa. Kummassakin tapauksessa koenäytteitä poistettiin jaksottaisesti happoliuoksesta, huuhdeltiin, kuivattiin, punnittiin ja palautettiin hapookyl- 2 pyyn. Painohäviötä yksiköissä g/cm näytteiden koko altistettua pintaa eri upotusajoilla verrattiin Coors AD 998-alumiinioksidi-näytteen vastaaviin painohäviöihin.

;· Keraamisilla komposiittirakenteilla, jotka on valmistettu 1250°C:ssa alumiinilejeeringistä, joka sisältää 10 % piitä . ja 3 % magnesiumia, ja jossa täytemateriaalina on alumiinioksi- dihiukkasia, kuten tässä esimerkissä 1 kuvattiin, on mitattu yli 172 MPa:n murtumismoduuliarvoja yllä kuvatulla murtumismoduu-likokeella, makrokovuusarvo 83 on mitattu Rockwell A-skaalalla, 2-3 kertaa pienemmät kulumisnopeudet kuin standardi 99,8 %:sesti puhtailla tiiviillä alumiinioksidilevyilla (Coors AD 998) on mitattu yllä kuvatulla hiekkapuhalluskulutuskokeella, ja korroosionopeudet 10 %:sessa HClrssa ja 10 %:sessa H^SO^issa, jotka ovat karkeasti samat kuin standardi alumiinioksidi levyillä (Coors AD 998) ja mitattu yllä kuvatulla korroosiokokeella.

Esimerkki 2

Tarkoituksena tutkia vaikutusta, joka on tämän keksinnön keraamisen materiaalin kasvulla tilaan, joka sisältää hiukkaskooltaan 32 83630 pientä alumiinioksidia, alumiini/magnesium/piilejeerinkiä oleva näytelaatta, joka oli 12,7 mm paksu, 228,6 mm pitkä ja 50,8 mm leveä ja joka sisälsi lisäaineina 10 paino-% piitä ja 3 paino-% magnesiumia, valettiin 850°:sesta sulatteesta.

Tämä alumiinilejeerausmetallia oleva kanki asetettiin vaakasuoraan kaupallisesti puhtaan alumiinioksidikerroksen päälle, jonka hiukkaskoko oli n. 6 mikronia (Norton Co. E 67 - alumiini-oksidi, 1000 mesh) ja se peitettiin sitten samalla materiaalilla suunnilleen 13 mmm syvyyteen. Alumiinioksidilla peitetty kanki asetettiin ilma-atmosfääriuuniin, joka oli samanlainen kuin esimerkissä 1 käytettiin ja sitä prosessoitiin 72 tuntia 1250°C:n asetuslämpötilassa sen jälkeen, kun uunille oli varattu viiden tunnin aika asetuslämpötilan saavuttamiseen. Tämän 72 tunnin kuumennus jakson jälkeen näytteelle varattiin vielä viisi tuntia jäähtymiseen alle 600°C:n, minkä jälkeen näyte poistettiin uunista. Yksikköpainonlisäys oli 0,72 ja harkon painonlisäys oli 1,24. Näytesauva mitoiltaan 3,2 x 9,5 x 31,8 mm leikattiin saadusta keraamisesta komposiittirakenteesta ja sillä mitattiin olevan 208 MPa:n murtolujuus mitattuna murturnismoduulikokeel1a ja kovuus 85,7 käyttäen Rockwell A-skaalaa. Nämä tulokset osoit-tavat kyseessä olevan lujan, kovan komposiittimateriaalin, jolla on käyttöä rakennekeraamina ja jonka ominaisuudet tässä suhteessa ovat paremmat kuin muilla komposiiteilla, jotka on muodostettu esimerkin 1 suuremmasta hiukkasmaisesta täytemateriaalista.

Esimerkki 3

Tarkoituksena tutkia vaikutusta, joka on tämän keksinnön pääasiassa keraamisen polykiteisen materiaalin kasvulla täytemateriaalin tilaan, joka koostuu puhtaudeltaan huonommasta hiukkasmaisesta alumiinioksidimateriaalista, sarja alumiinilejeerinkiä olevia perusmetalliharkkoja, jotka sisälsivät eri määriä pii-ja/tai magnesiumdopausaineita, upotettiin 90 meshin teolliseen hiomaraemateriaaliin, jossa oli karkeasti 95 % alumiinioksidia, 3 % titaanidioksidia,1 % piidioksidia ja 1 % muita epäpuhtauksia (Norton Co., E 1 Alundum) ja sitä prosessoitiin eri asetuslämpö-tiloissa välillä 1100-1325°C muuten samalla tavoin kuin esimerkissä 1. Yksikköpainonlisäykset ja harkon painonlisäykset näissä 33 8 3 6 30 kokeissa esitetään kuvissa 3A-3D. 1250eC:n prosessointiläm-pötilassa molempia lisäaineita sisältävillä perusmetalleilla yksikköpainonlisäykset olivat luokkaa 0,5-0,75 ja harkon painoniisäykset jopa 2,4-2,6, mikä osoittaa prosessin sietokykyä täytemateriaalissa olevien eri epäpuhtauksien suhteen. Painonlisäys tuotteella, joka oli saatu 1300eC:n asetusläm-pötilassa tai sen yläpuolella, oli merkittävästi pienempi kuin se, joka saatiin välillä 1200-1250°C olevassa asetus-pisteessä. Kun harkon painonlisäykset olivat suuria (esim. yli yhden), tuloksena oli komposiitti, joka koostui alfa-alumiinioksidipohjaisesta matriisista, joka sisälsi hionta-laatua olevan alumiinioksiditäyteaineen hiukkasia.

Esimerkki 4 Nämä kokeet suoritettiin tarkoituksena tutkia vaikutusta, joka on tämän keksinnön pääasiassa keraamisen monikiteisen materiaalin kasvulla täytemateriaalin tilaan, joka koostuu hiukkasmaisesta binäärisestä metallioksidista, jonka arvellaan olevan termodynaamisesti stabiili tai lähes stabiili prosessiolosuhteissa. Perusmetallina olevien alumiinilejee-rinkien näytteitä, jotka sisälsivät niihin lejeerattuja pii- ja/tai magnesiumlisäaineita, upotettiin 325 meshin magnesiumaluminaattisplnelliin ja prosessoitiin samalla tavoin kuin esimerkissä 1, mutta käyttäen 94 tunnin kuumennus jaksoa eri asetuspisteissä, jotka vaihtelivat välillä 1025-1500°C. Saadut painonlisäystulokset, jotka osoittavat kasvulämpötilojen alueen ulottuvan ainakin 1500eC:een, esitetään kuvissa 4A-4D. Tässä tapauksessa lejeerinki, joka ei sisältänyt tarkoituksella lejeerattua magnesiumlisäainet-ta, tuotti tämän keksinnön pääasiassa keraamisen monikitei-sen matriisimateriaalin merkittävää muodostusta, mikä osoittaa näin ollen ulkoisena lisäaineena käytetyn magnesiumin oksidin (tässä tapauksessa MgA^C^) tehokkuutta tämän lisäaineen sisäisen lejeerauksen sijasta. Toisin sanoen täyteaine toimi myös tarvittavana lisäaineena. Saatu koossapysyvä komposiitti koostui alfa-alumiinioksidin kasvumatriisista yhdessä perusmetallin hapettumattomien aineosien kanssa, johon sisältyi spinellitäyteaineen rakeita.

34 83630

Esimerkki 5

Suoritettiin lisäkokeita tarkoituksena tutkia vaikutusta, joka on tämän keksinnön pääasiassa keraamisen, polykiteisen materiaalin kasvulla täytemateriaaliin, joka koostuu piikar-bidista, joka on kovaa, tulenkestoista, sähköä ja lämpöä johtavaa materiaalia, joka ei ole termodynaamisesti stabiilia tämän keksinnön alumiiniperusmetallin hapetusolosuhteissa. Valikoituja alumiinilejeerinkejä, joihin oli lejeerattu tietyt määrät sisäisiä magnesium- ja/tai piilisäaineita, upotettiin 90 meshin teollisuuspuhtautta olevan, 98 %:sesti puhtaan SiC-hiontarakeen (Norton Co. 37 Crystolon) hiukkasiin ja prosessoitiin samalla tavoin kuin esimerkissä 1 sillä poikkeuksella, että käytettiin 48 tunnin kuumennus jaksoa uunin asetuslämpöti-lassa. Saadut yksikkö- ja harkon painonlisäystulokset on esitetty graafisesti kuvissa 5A-5B. Käytetyissä korkeimmissa lämpötiloissa osa painonlisäyksestä johtui SiC-faasin hapettumisesta, mitä on merkitty kuvissa "alueena 2". Sen lisäksi, että kokeet osoittivat kasvatuslämpötilojen edullisen alueen, ne osoittavat myös sen hyödyn, joka lisäaineen dispergoimisella koko täytemateriaaliin on. Tässä tapauksessa piilisäaine saatiin pelkistämällä piidioksidikerros kemiallisesti alumiinilla, joka kerros peittää piikarbidirakeita prosessiolosuhteissa.

Sen suuren kappaleen ominaisuuksien määrittämiseksi, joka oli valmistettu kasvattamalla tämän esimerkin 98 %:sesti puhtaan SiC-täytemateriaalin läpi, valmistettiin alumiinilejeerinki-näyte kooltaan 50,8 x 228,6 x 12,7 mm, joka sisälsi 10 % pii-ja 3 % magnesiumlisäaineita, esimerkissä 2 kuvatulla tavalla ja upotettiin viideltä puolelta 90 meshin 95 %:sesti puhtaaseen tulenkestoiseen alumiinioksidirakeeseen. (ElAlundum), joka oli sopivassa tulenkestoisessa astiassa, käyttäen alumiinifolio-suojaa estämässä paljaana olevan 50,8 x 228,6 mm:n oinnan peitty--' * misen. Tälle paljaalle pinnalle levitettiin 25 mm:n kerros 90 meshin 98 %:sesti puhdasta SiC-hiontaraetta (Norton Co. 37 Crystolon). Näytettä prosessoitiin 60 tuntia 1300°C:n uunin asetuksella sen jälkeen, kun uunille oli varattu 5 tunnin aika asetuslämpötilan saavuttamiseen. Kuumennusjakson jälkeen 35 83630 näytteelle annettiin vielä 5 tuntia jäähtymiseen alle 600°C:n ennen sen poistoa uunista. Saatu yksikköpainonlisäys oli 0,61 ja harkon painonlisäys oli 1,14. Kasvun havaittiin tapahtuvan ensisijaisesti piikarbiditäytemateriaaliin eikä alumiinioksidia olevaan tukikerrokseen. Mikroskooppivalokuva saadusta komposiittirakenteesta esitetään kuvassa 5E, jossa piikarbidihiukka-set, alumiinioksidimatriisiverkko ja metalliaineosat on ilmoitettu. Tämän näytteen jauhetusta osasta saadut röntgendiffrak-tiotulokset osoittivat alfa-alumiinioksidi-, piikarbidi-, alumiini- ja piifaaseja, kuten kuvassa 5F on esitetty. Tämä keraaminen komposiittirakenne oli sähköä johtava, ts. sillä oli erittäin pieni vastus Simpson-ohmimetrillä ja kärkiantureilla mitattuna ja se osoitti 110 MPa:n murtolujuutta käyttäen edellä kuvattua murtumismoduulikoetta.

Lisäkokeita, jotka olivat samantapaisia kuin edellä kuvatut, suoritettiin käyttäen täytemateriaalina 98 %:sesti puhdasta SiC-raetta, jolla oli pienempi 220 meshin hiukkaskoko. Materiaalilla oli suurempi lujuus (159 MPa) kuin materiaalilla, jossa käytettiin 90 meshin piikarbiditäyteainetta. Keraamiset komposiitit, jotka oli valmistettu joko 90 tai 220 meshin hiuk-kaskoosta, osoittivat merkittävästi suurempia kulutuskestävyyksiä kuin 99,8 Risesti puhtaat alumiinioksidilaatat (Coors AD 998) mitattuna yllä kuvatulla hiekkapuhalluskulutuksella. Tarkemmin sanoen tämän keksinnön keraaminen komposiittirakenne, joka oli I tehty käyttäen 90 ja 220 meshin piikarbidihiukkasia, antoi • ' seuraavat tulokset verrattuna standardi alumiinioksidiin:

Testattu materiaali 90°:n koe 30°:n koe _ Kuopan syvyys_mm: inä_ 90 meshin SiC 1,12 0,61 220 meshin SiC 0,94 0,41

Standardi (Coors AD 998) 1,42 0,74

Esimerkki 6

Tarkoituksena määrittää se vaikutus, joka on tämän keksinnön materiaalin kasvattamisella tilaan, joka sisältää piikarbidihion-taraetta, jolla on jonkin verran parempi puhtauslaatu, suoritet- 36 83630 tiin kokeita samalla tavoin kuin esimerkissä 1 kuvattiin käyttäen täytemateriaalina yli 99 %:sesti puhdasta SiC:a (Norton Co. 39 Crystolon), jonka koko oli 90 meshiä. Tulokset tästä koesarjasta esitetään graafisesti kuvissa 6A-6D. Tämä materiaali osoittaa polykiteisen matriisimateriaalin kasvua lämpötiloissa, jotka ovat niinkin matalat kuin 825°c, millä on merkittävää arvoa piikarbidin taipumuksen rajoittamisessa hapettua piidioksidiksi ja hiilidioksidiksi ennen tämän keksinnön pii-karbidilla täytetyn keraamisen komposiittimateriaalin muodostusta.

Suoritettiin kokeita käyttäen täytemateriaalia, joka koostui yli 99 %:sesti puhtaasta SiC-hiontarakeesta (Norton Co. 39 Crystolon), jolla oli pienempi hiukkaskoko (220 ja 500 mesh), johon polykiteistä keraamista matriisimateriaalia kasvatettiin edellä tässä esimerkissä kuvatulla tavalla. Näissä kokeissa mitattiin merkittävä murtumismoduulin kasvu, joka vaihteli 90 meshin täytemateriaalin 83 MParsta 220 meshin täytemateriaalin 255 MPariin ja 500 meshin täytemateriaalin 407 MPa:iin.

Kasvua on osoitettu tapahtuvan myös täytemateriaaliin, joka koostuu tämän yli 99 %:sesti puhtaan SiC-materiaalin 90,220 *; ja 500 meshin hiukkasten eri seoksista, mikä johtaa täyteaine- faasin suurempaan pakkautumistiheyteen kuin mitä on saatavissa yhdestä ainoasta hiukkaskoosta.

Tämän keksinnön keraamisen komoosiittimateriaalin kasvua on osoitettu tapahtuvan myös kaupallisesta 5052-alumiinilejeerin-gistä, joka sisältää 2,5% magnesiumlisäainetta yhdessä n.

5%:n kanssa (yhteensä) muita aineita, kuten Fe, Cr, Si ja Cu, erilaisiin tällaisiin piikarbiditavtemateriaaleihin. Keraami-.- nen komposiittirakenne muodostettiin hapettamalla tätä kaupal lista lejeerinkiä 72 tunnin uuni tusjaksol1 a täytemateriaaliin, joka koostui 500 meshin yli 99%:sesti puhtaasta SiC:sta. Saadun materiaalin murtumismoduuli oli 372-427 MPa, kovuus 84 1/2

Rockwell-A-skaalalla ja murtumasitkeys 7,5 MPa . m mitattuna jäljempänä kuvatulla yhdestä reunasta lovetun palkin 37 8 3 6 3 0 murtumasitkeyskokeella. Alumiiniperusmetallilejeeringissä olevat epäpuhtaudet eivät estäneet tai oleellisesti häirinneet hyväksyttävän keraamisen komposiittirakenteen muodostamista. Saatu sitkeysarvo on epätavallisen korkea verrattuna perinteisiin piikarbidia oleviin keraamisiin komposiittimateriaaleihin, kuten pii/piikarbidikomposiitteihin, joiden murtumasitkeys on 1 /2 n. 3-5 MPa . m ' .

Murtumasitkeyskokeessa käytettiin tämän keksinnön keraamista komposiittimateriaalia olevaa suorakulmaista koeliuskaa, jonka leveys oli 3,0 mm ("w"), syvyys 9,6 mm ("d") ja jossa oli tasa-kylkisen kolmion muotoinen lovi, jonka korkeus "a" oli 0,9 mm, leikattuna sen alapintaan ja joka ulottuu koko koeliuskan leveyden poikki. Koeliuska asetettiin lovettu 3,0 mmm pinta pohjalle ja vaakasuoraan ja 9,6 mm:n pinnat pystysuoraan. Pari halkaisijaltaan 6 mm:n alasintankoja kohdisti ylöspäin suuntautuneet voimat koeliuskan pohjapintaan loven kummallekin puolelle ja yhtä kauas siitä. Ylöspäin suuntautuvat voimat kohdistetaan pisteisiin, jotka ovat etäisyydellä s toisistaan pitkin koeliuskan ... pituutta. Pari vastustavia pisteitä, jotka vastustavat ylöspäin ' „ suuntautuneita voimia, kohdistetaan koeliuskan yläpintaan loven *·” vastakkaisille puolille ja yhtä kauas siitä. Vastustavat pisteet sijoitetaan pitkin koeliuskan pituutta toisistaan erilleen etäi-syydelle S^, joka on pienempi kuin etäisyys ylöspäin vaikut-: : : tavien voimien pisteiden välillä. Murtumissitkeys ("FT") lasketaan kaavasta . .

3F(S - S2) a 11 v FT = ---=-— 2 wdz :_ : jossa F on ylöspäin vaikuttava voima newtoneina, joka kohdiste- :V taan koeliuskan kumpaankin pöhjapinnalla olevaan pisteeseen, a, w, d, Sx ja S2 ovat samoja kuin yllä määriteltiin ja y on vakio, jonka arvo on y = 1,99 - 2,4 7a 0 + 12,97a02 - 23,7aQ3 + 24,8aQ4 jossa --Γ 38 8 3 6 3 0

Suoritetuissa kokeissa S asetettiin 38,1. mm:iin, 12,7 mm:iin ja ylöspäin vaikuttavia voimia F ajettiin palkin nopeudella 0,05 mm/min. Instron-vetokonetta malli 1123 käytettiin sekä murtumismoduuli- että murtumissitkeyskokeissa.

Alumiinilejeeringin lisänäytettä, joka sisälsi 10 paino-% pii-ja 3 paino-% rnagnesiumlisäainetta lejeerattuna 99,7 %:sesti puhtaaseen alumiiniin, prosessoitiin samalla tavoin 95 tuntia 1150°C:ssa täytemateriaaliin, joka oli 90 meshin yli 99 %:sesti puhdasta SiC:a. Saatu alumiinipohjäinen matriisikomoosiitti piikarbiditäyteaineen kanssa leikattiin sauvaksi, joka oli 11 cm pitkä, 1,34 cm leveä ja 0,45 cm paksu ja itsekuumennettiin johtamalla n. 25 A:n virta 25 voltin jännitteellä sauvan läpi. Näyte kuumeni 1350°C:een noin yhdessä minuutissa mitattuna optisella pyrometrillä ja sitä pidettiin n. 3 tuntia 1350 + 20°C:ssa koesauvan keskipisteessä lämpötilan vaihtelun ollessa + 20°C sauvan keskipisteestä koko sen 11 cm:n pituudella. Vastuskuumen-nusvaikutus osoittaa näytesauvan sähkönjohtavuutta. Lämpötilan tasaisuus koesauvan poikki osoitti koostumuksen tasaisuutta ja :·' termistä stabiilisuutta osoitti kyky ylläpitää muuttumatonta lämpötilaa (1350 + 20°C) kolmen tunnin jakson aikana. Lyhyet ;; kuumennus- (ympäristön lämpötilasta 1350°C:een noin minuutissa) ja lyhyet jäähdytysajot ilman näytteen murtumista osoittivat hyvää lämpöshokin kestoisuutta.

Esimerkki 7

Kaupallisesti puhtaan alumiinilejeeringin 1100 näyte, jonka mitat olivat 50,8 x 228,5 x 12,7 mm, päällystettiin 4 grammalla kaseii-niliukuainetta sisältävää magnesiumoksidia, magnesiumlisäaineen .· aikaansaamiseksi alumiiniperusmetalliin. Laatta upotettiin puh- • - taudeltaan 98 %:seen 90 meshin piikarbidiin (Norton Co. 37

Crystolon), josta voitiin saada piilisäainetta piikarbidihiuk-kasia peittävän piidioksidikerroksen kemiallisella pelkistyksellä. Näytettä prosessoitiin 72 tunnin uuni tus jaksolla 1200°C:n asetus-lämpötilassa ynnä alussa viiden tunnin jaksolla uunin saattamiseksi asetuslämpötilaan ja 5 tunnin jaksolla kuumennus jakson jälkeen näytteen jäähdyttämiseksi 600°C:een poistettavaksi uunista. Näyte osoitti yksikköpainonlisäystä 0,88 (korjaamatta 39 83630 piikarbidimateriaalin hapettumisen suhteen) ja harkon painon-lisäystä 1,48, mikä osoittaa tämän keksinnön alumiinioksidin perustuvan keraamisen matriisikomposiittirakenteen muodostumista kaupallisesti puhtaasta alumiinilejeeringistä 1100 käyttäen perusmetallin ulkopuolista lisäainetta.

Esimerkki 8

Tarkoituksena määrittää vaikutus, joka on tämän keksinnön alumiinioksidiin perustuvan keraamisen matriisimateriaalin kasvattamisella tilaan, joka sisältää metallista täytemateriaalia, valmistettiin noin 25 mm korkea, halkaisijaltaan 32 mm oleva vyyhti, joka sisälsi noin viisi kierrosta kaupallista lankalejeerinkiä, jossa oli 75 % rautaa, 20 % kromia ja 5 % alumiinia (Kanthal Co. A-l-lejeerinkiä oleva lanka). Tätä lankavyyhteä hapetettiin 24 tuntia 1200°C:ssa happiatmosfäärissä alumiinioksidia olevan suojaavan Dintakerroksen muodostamiseksi sen oinnalle. Esimerkissä 1 esitetyllä tavalla valmistettiin alumiinilejeerinkiharkko, jonka halkaisija oli 25,4 mm ja pituus 22,2 mm ja joka sisälsi ____: 7 % pii- ja 3 % magnesiumlisäaineita, ja se upotettiin 90 ··· meshin, yli 99 %:sesti puhtaaseen alumiinioksidirakeeseen (Norton Company, 38 Alundum) asettaen hapetetun lankavyyhden samankeskisesti perusmetalliharkon kanssa ja noin 3,2 mm:n päähän siitä. Tätä kokoonpanoa prosessoitiin 96 tuntia 1200°C:n asetus-lämpötilassa kuuden tunnin alkujakson jälkeen, jossa uuni saa-- vutti asetuslämpötilan. Kun näytteelle oli varattu 10 tuntia jäähtymiseen, se poistettiin uunista. Yksikköpainonlisäys oli 0,74 ja harkon painonlisäys oli 2,56. Näytteen poikkileikkauksen tutkiminen paljasti koossapysyvan komposiitin, jossa oli venyvä lankafaasi yhdessä yli 99 %:sen hiukkasmaisen alfa-alumiini-.·.· oksidimateriaalin kanssa, joka oli vangittu tämän keksinnön alfa-alumiinioksidipohjäiseen keraamiseen matriisiin. Kuvat 7A ja 7B ovat mikroskooppivalokuvia samassa järjestyksessä 50-• · ja 200-kertaisella suurennuksella mikrorakenteista, jotka esittävät sulkeutuneita lanka- ja alumiinioksidihiukkasia uoo-;.· tettuna tämän keksinnön polykiteiseen matriisiin. Tämä osoittaa tämän keksinnön prosessin ja materiaalin yhteensopivuutta kiinteässä muodossa olevien reaktiivisten täytemateriaalien kanssa, kun ne on varustettu inertillä suojaavalla kerroksella, muuten epästabiilin materiaalin tai faasin erottamiseksi prosessiympäristöstä .

40 83630

Esimerkki 9

Tarkoituksena määrittää vaikutus, joka on tämän keksinnön materiaalin kasvattamisella sopivaa täytemateriaalia olevaan kaksiulotteiseen kudottuun kankaaseen tämän keksinnön komposiitin aikaansaamiseksi, suoritettiin kokeita kudotulla keraamisella alumiinioksidikuitukankaalla (DuPont Co. FP-alumiinioksidi).

Tässä esimerkissä käytetty perusmetalli koostui alumiinilejee-ringistä (n:o 5052), joka sisälsi 2,5 % magnesiumia yhdessä noin 1 %:n (kaikkiaan yhteensä) kanssa muita aineita, kuten Fe, Cr,

Si ja Cu. Valmistettiin kaksi näytettä, kummatkin mitoiltaan 50,8 x 228,6 x 12,7 mm ja ne asetettiin päällekkäin niin, että muodostui 50,8 x 228,6 x 25,4 mm:n perusmetallitanko. Tangon yläpinta peitettiin kerroksella, joka sisälsi 2-5 q piidioksidi-lisäainetta sekoitettuna polyvinyylialkoholia ja vettä olevaan sideaineeseen. Tanko asetettiin vaakasuoraan kerrokselle, joka oli 90 meshin 95 %:sesti puhdasta tulenkestoista alumiinioksidi-raetta (E l Alundum) ja se peitettiin neljältä ouolelta niin, että päällystetty yläpinta jäi paljaaksi. Tälle oinnalie ase-tettiin kuusi kerrosta alumiinioksidikangasta, kukin mitoiltaan n. 76,2 x 252 mm ja niitä pidettiin lövsästi paikallaan tulenkes-toisen tiilen palasilla, jotka sijaitsivat kankaan reunojen ym-pärillä. Kokoonpano asetettiin uuniin, joka oli samanlainen kuin esimerkissä 1 kuvattu ja se kuumennettiin ilmassa 1125°C:een 180 tunnin ajaksi. Kuva 8 on valokuva saadun keraamisen, kuitua sisältävän komposiitin poikkileikkauksesta, joka esittää kangas-täytemateriaalia suljettuna keraamisen matriisin sisään, joka koostuu osaksi yhdistyneestä alfa-alumiinioksidimatriisista ja hapettumattomasta metallista. Samantapaisia kangasta sisältäviä komposiitteja on valmistettu käyttäen muita materiaaleja, kuten zirkoniumoksidikangasta ja piikarbidipohjäistä kangasta. Jos .. keraamisen kuidun ja matriisin rajapinnan välinen sidos ei ole liian luja ja perusmetalli ja hapetusaine eivät vaikuta haitallisesti kuituihin, tällaisilla komposiiteilla voi potentiaalisesti olla käyttöä niiden erittäin suuren lujuuden vuoksi kaksiulotteisesti, minkä kangas saa aikaan ja/tai komposiittimateriaalin sitkeyden kasvun vuoksi, jonka murtuman suunnanmuutos- ja kuidun oikenemis/murtumamekanismit saavat aikaan.

4i 83630

Esimerkki 10

Tarkoituksena esittää tämän keksinnön keraamisen komposiitin kasvattamista vähemmän hapettavassa atmosfäärissä kuin ilmassa suoritettiin kokeita inertissä kaasussa, jota oli johdettu lämmitetyn vesihauteen läpi. Eräässä esimerkissä alumiiniperusmetal-lista, joka sisälsi 10 paino-% piitä ja 3 paino-% maanesiumia, valmistettiin tanko, jonka pituus oli 76,2 mm, paksuus 6,4 mm ja leveys 9,5 mm ja se ympäröitiin 500 meshin 99 %:sesti puhtaalla SiCrllä (Norton 39 Crystolon) tulenkestoisessa polttolaivassa.

Tämä asetettiin uuniin, joka oli esikuumennettu 1200°C:een varaten 15 minuuttia kuumennusvyöhykkeeseen asettamista varten. Tämän näytteen yli johdettiin 99,998 %:sesti puhdasta argonia, jota oli johdettu tislattua vettä olevan hauteen läpi, joka oli lämmitetty 50°C:een. Tässä tapauksessa kosteus toimi hapettimena. Näyte poistettiin uunista suunnilleen 20 tunnin kuluttua ja mitattiin 19 %:n yksikköpainonlisäys, mikä tuotti alfa-alumiini-oksidipohjäisen keraamisen matriisikomposiitin, joka sisälsi piikarbidihiukkasia. Tämä osoittaa, että tämän keksinnön keraa- ____: misen materiaalin muodostus voidaan suorittaa hapettavissa ympäristöissä, joilla on pienempi happiaktiivisuus kuin ilmalla.

Esimerkki 11

Tarkoituksena esittää tämän keksinnön keraamisen komposiittima-teriaalin kasvattamista käyttäen alumiininitridipohjäistä matrii-siä valmistettiin harkko 380.1-alumiinista (Yhtiön Belmont Metals i Inc. lejeerinki), joka oli kooltaan 50,8 x 25,4 x 12,7 mm. Tämä harkko peitettiin kerroksella (n. 3,2 mm paksu) AlN-hiukkasia, joissa oli orgaaninen sideaine, kaikilta muilta pinnoilta paitsi yhdeltä, jonka pinta oli kooltaan 25,4 x 50,8 mm. Tällä lejee-,/ ringillä oli nimellisesti todettu koostumus, joka sisälsi 8-8,5 paino-% Si, 2-3 paino-% Zn ja 0,1 paino-% Mg aktiivisina lisäaineina ja 3,5 paino-% kuparia sekä rautaa, mangaania 3a nikkeliä, mutta magnesiumsisältö oli toisinaan suurempi, kuten ' välillä 0,17-0,18 paino-%. Peitetty harkko asetettiin sitten kooltaan 24 meshin alfa-alumiinioksidia olevaan kerrokseen tulen-kestoiseen upokkaaseen siten, että harkon peittämätön pinta oli oleellisesti kerroksen tasolla. Yllä esitettyä systeemiä « 83630 kuumennettiin vastusuunissa 1250°C:n asetuslämpötilassa muodos- tuskaasun (96 % typpeä ja 4 % vetyä) atmosfäärissä 24 tuntia.

Alumiininitridipohjäinen matriisi kasvoi AIN-hiukkasten ohuen kerroksen läpi alumiinioksidikerroksen sisältävään tilaan ja tuotti koossapysyvän alumiininitridi/alumiinioksidikomposiittima-teriaalin. Sekä alumiininitridimatriisin että alumiinioksidi-täyteaineen läsnäolo saadussa komposiitissa varmistettiin röntgensädejauhediffraktiolla.

Yllä esitetyn näytteen yksikköpainonlisäys oli 0,41. Teoreettinen yksikköpainonlisäys alumiinin täydelliselle konversiolle alu-miininitridiksi on 0,52. Näin ollen tässä kokeessa saavutettiin hyvä alumiinin konversio alumiininitridiksi ja hyvä komposiitin kasvu.

Esimerkki 12

Valmistettiin kaksi erillistä täytemateriaalia, joista kumpikin sisälsi alumiininitridi- ja alumiinioksidipulvereiden seosta :· painosuhteissa 20:80 ja 50:50. Näiden kahden täytemateriaalin mesh-koko oli -325 alumiininitridille ja 220 alumiinioksidille. Kaupallisesti saatavan 380.1-alumiinilejeeringin harkko, jonka " mitat olivat 19,1 x 12,7 x 12,7 mm, upotettiin kumpaankin täyte- materiaaliin. Kumpaakin kokoonpanoa kuumennettiin erikseen induktiouunissa 1300°C:n asetuslämpötilassa 36 tuntia muodos-tuskaasun (96 % typpeä ja 4 % vetyä) atmosfäärissä, jota ajettiin uunin läpi nopeudella 100 cm3/min.

Kummallakin yllä kuvatulla systeemillä esiintyi alumiininitridin - kasvua upotusmateriaaliin, jolloin muodostui alumiininitridin ja alumiinioksidihiukkasten koossapysyvä komposiitti alumiininitridin matriisiin sekä jonkin verran perusmetallin reaqoimattomia aineosia. Alumiininitridin ja alumiinioksidin läsnäolo saadussa komposiittimateriaalissa varmistettiin röntgensädejauhedif fraktiolla . Yllä esitettyjen näytteiden yksikköpainonlisäyk-set on lueteltu alla taulukossa 12.

43 83630

Taulukko 12

AlN/matriisikomposiittien painoniisäykset Täytemateriaali Yksikköpainonlisävs 20/80(A1N/A1203) 0,385 50/50(AlN/Al203) 0,437 Tämä esimerkki kuvaa edelleen komposiitin kasvattamista käyttäen AlN-pohjäistä matriisia ja se osoittaa myös, että komposiitti, jossa on heterogeeninen täyteaine, voidaan muodostaa tämän keksinnön prosessilla.

Esimerkki 13

Tarkoituksena esittää zirkoniumnitridin kasvattamista tilaan, joka sisältää täytemateriaalia, mikä tuottaa täyteaineen ja zirkoniumnitridimatriisin komposiitin, sylinterimäinen zirkonium-tanko, jonka korkeus oli 19,1 mm ja halkaisija 12,7 mm, upotettiin zirkoniumdiboridijauheen (-100 + 325 mesh) kerrokseen. Systeemi kuumennettiin induktiouunissa kytkemällä suoraan zirkoniumiin 15 minuutiksi hieman yli 2000°C:n asetuslämpötilas-sa muodostuskaasussa (sama koostumus kuin esimerkissä 11), j0ka virtasi nopeudella 400 cm3/min.

Tuloksena oli zirkoniumnitridimatriisin kasvu tilaan, joka ·...· sisälsi zirkoniumdiboriditäyteainetta, jolloin muodostui koossa- ; : : pysyvää zirkoniurnnitridi/zirkoniumdiboridikomposiittimateriaalia.

: : : Röntgensädejauhediffraktio varmisti zirkoniumnitridin ja zirko- niumdiboridin läsnäolon saadussa komposiittimateriaalissa.

Edellä oleva menettely toistettiin paitsi, että zirkoniumnitri-kasvatettiin tilaan, joka sisälsi zirkoniumni tridi jauhet ta (hiukkaskoko 1-5 ^um) ja hapettavan muodostuskaasuatmosfäärin virtausnopeus oli 200 cm3/min. Tuloksena oli zirkoniumnitridimatriisin kasvu zirkoniumni triditäytemäteriaali in, mikä tuotti koossapysyvän zirkoniumnitridi/zirkoniumnitridikomposiitti-materiaalin. Röntgensädejauhediffraktio varmisti lopputuotteen *·; zirkoniumnitridikoostumuksen.

«« 83630

Esimerkki 14

Tarkoituksena esittää titaaninitridin kasvattamista tilaan, joka sisältää täytemateriaalia, mikä johtaa täyteaineen ja ti-taaninitridimatriisin komposiittiin, sylinterimäinen harkko, jonka korkeus oli 19,1 mm ja halkaisija 12,7 mm, asetettiin alumii-nioksidikerrokseen (38 Alundum, 90 mesh). Yllä esitettyä systeemiä kuumennettiin induktiokuumennusuunissa kytkemällä suoraan titaaniin 2,5 tunnin ajan n. 2000°C:n asetuslämpötilassa muodos-tuskaasussa (sama koostumus kuin esimerkissä 11), joka virtasi 3 nopeudella 400 cm /min.

Yllä esitetyssä systeemissä esiintyi titaaninitridin kasvua alumiinioksidia sisältävään tilaan, mikä tuotti koossapysyvän titaaninitridi/alumiinioksidikomposiittimateriaalin. Yllä muodostetun komposiittimateriaalin analyysi röntgensädeiauhediffraktiolla varmisti, että läsnä oli titaaninitridiä, alumiinioksidia ja hivenmääriä titaanimetallia.

Edellä oleva menettely toistettiin paitsi, että täytemateriaalissa käytettiin titaaninitridijauhetta. Reaktiota suoritet-• tiin 20 minuutin ajan hieman yli 2000°C:n asetuslämpötilassa.

Edellä kuvattu menettely tuotti koossapysyvän titaaninitridi/ ': titaaninitridikomposiittimateriaalin. Röntgensädejauhediffrak- tioanalyysi varmisti komposiitin titaaninitridikoostumuksen.

Edellä esitetty menettely toistettiin jälleen paitsi, että täytemateriaalina käytettiin tilalla titaanidiboridijauhetta ja puhdasta typpeä käytettiin hapettavana atmosfäärinä. Reaktiota suoritettiin 10 minuutin ajan ja typen virtausnopeus oli '3 600 cm /min.

Röntgensädejauhediffraktioanalyysi varmisti, että saatu koossapysyvä komposiitti koostui titaaninitridistä ja titaani-diboridista.

45 83630

Esimerkki 15

Tarkoituksena esittää keraamisen alfa-alumiinioksidimatriisin kasvattamista hienojakoiseen piikarbiditäyteaineeseen käyttäen erilaista perusalumiinilejeerinkiä kuin esimerkin 6 Al/Mg/Si-lejeeringit, 228,6 x 50,8 x 12,7 mm:n levy kaupallisesti saatavaa 380.1-alumiinilejeerinkiä upotettiin piikarbidin (Norton 39 Crystolon, hiukkaskoko 500 mesh) kerrokseen. Systeemi kuumennettiin vastusuunissa 1000°C:n asetuslämpötilaan 75 tunniksi ilmassa.

Tässä systeemissä alfa-alumiinioksidin kasvu piikarbidiin johti koossapysyvän komposiittimateriaalin muodostumiseen, joka koostui piikarbidihiukkasista matriisissa, joka sisälsi alumiini-oksidia ynnä pienehköjä määriä peruslejeeringin reagoimattomia aineosia.

Saadun komposiitin röntgensädejauhediffraktioanalyysi varmisti alfa-alumiinioksidin ja piikarbidin läsnäolon. Yllä kuvatun systeemin yksikköpainonlisäys oli 0,478, mikä osoittaa huomattavaa alumiiniedeltäjäaineen hapettumista piikarbiditäyteaineeseen.

’·* Esimerkki 16

Tarkoituksena esittää zirkoniumoksidia sisältävien komposiitti-täytemateriaalien käyttöä alfa-alumiinioksidia kasvatettiin : | : tämän keksinnön menetelmällä tilaan, jossa oli kaupallisesti saatavaa Norton ZF Alundum-materiaalia (hiova raemateriaali joka sisältää alumiinioksidia ja zirkoniumoksidia). Tässä esityksessä 25,4 mm pitkä ja halkaisijaltaan 22,2 mm oleva harkko kaupallisesti saatavaa 380.1-alumiinia upotettiin yllä kuvatun alumiinioksidi-zirkoniumoksidimateriaalin kerrokseen. Systeemi kuumennettiin vastusuunissa 1000°C:n reaktioasetuslämpö-tilaan 95 tunniksi ilmassa.

Alfa-alumiinioksidia olevan hapetusreaktiotuotteen kasvattaminen alumiinioksidi-zirkoniumoksiditilaan johti koossapysyvän -I*. alf a-alumiinioksidi /zirkoniumoksidikomposi i t ti materiaa! in 46 83630 muodostumiseen, jossa ZF-materiaali joutui vangituksi alfa-alumiinioksidimatriisiin, joka kasvatettiin tämän keksinnön prosessilla.

Saadun komposiittimateriaalin röntgensädejauhediffraktioanalyy-si varmisti alfa-alumiinioksidin ja zirkoniumoksidin läsnäolon. Yllä kuvatun systeemin painonlisäyssuhde oli 0,32, mikä osoittaa huomattavaa alumiiniedeltäjän hapettumista zirkonium-oksidi /alumiinioksiditäyteaineeseen.

Edellä esitetty menettely toistettiin paitsi, että yllä käytetty täytemateriaali korvattiin zirkoniumoksidijauheella (Muscle Shoals, stabiloitu kalsiumoksidilla, -30 mesh). Tapahtui huomattavaa alumiiniharkon hapettumista zirkoniumoksidia sisältävään tilaan, mikä johti koossapysyvään alfa-alumiinioksidi/ zirkoniumoksidikomposiittimateriaaliin, mikä varmistettiin röntgensädejauhediffraktiolla.

Esimerkki 17

Tarkoituksena esittää tinaoksidimatriisin kasvattamista tilaan, joka sisälsi alumiinioksidihiukkasia (-75+100 mesh), mikä johti : tinadioksidi/alumiinioksidikomposiittimateriaaliin, sylinteri- '/ mäinen harkko, joka oli 2 cm korkea ja halkaisijaltaan 3 cm, upotettiin alumiinioksidikerrokseen. Systeemi kuumennettiin 1100°C:n asetuslämpötilaan 48 tunniksi.

Tina hapettui ja kasvatti keraamisen matriisin alumiinioksidi-täyteaineeseen, mikä johti koossapysyvään tinadioksidi/alumiini-oksidikomposiittimateriaaliin. Röntgensädejauhediffraktioanalyy-si varmisti tinadioksidin ja alfa-alumiinioksidin läsnäolon saadussa materiaalissa.

Yllä esitetyn systeemin yksikköpainonlisäys oli 0,28 verrattuna tinadioksidin teoreettiseen painonlisäykseen 0,27; näin ollen tinaedeltäjän hapettuminen alfa-alumiinioksidikerrokseen oli oleellisesti täydellinen.

47 83630

Esimerkki 18

Tarkoituksena esittää alfa-alumiinioksidimatriisin kasvattamista alumiinioksidi-"kuplia", ts. onttoja alumiinioksidikappaleita (Norton E 163 Alundum, koko 4-28 meshiä) olevaan täytemateriaaliin eri prosessilämpötiloissa, sylinterimäisiä harkkoja, jotka olivat 25,4 mm pitkiä ja halkaisijaltaan 22,2 mm ja jotka olivat useita alumiinilejeerinkejä, jossakin tapauksessa ulkopuolisella lisäaineella varustettuja, upotettiin erikseen yllä kuvattua täytemateriaalia oleviin kerroksiin. Lejeerinkejä prosessoitiin ilmassa asetuslämpötiloissa, jotka vaihtelivat välillä 950-1250°C ja eri prosessiaikoja, 48-80 tuntia. Yllä kuvattujen systeemien yksikköpainonlisävkset kullakin prosessiajalla on lueteltu alla taulukoissa 18(a) ja 18(b).

Taulukko 18(a)

Yksikköpainonlisävkset, 48 tuntia A 1-lejeerinki Ulkopuolinen Prosessilämpötila (°C) _ lisäaine 950 1050 1150 1250 2,5 % Mg 140 hionta-Si02 0,01 - 0,58 0,28 ,S % Zn + 10 % Si ei lainkaan 0,63 0,67 0,70 0,65 3 % Zn + 7 % Mg ei lainkaan 0,04 0,12 0,72 0,74 6 % Zn MgO-jauhe 0,73 0,70 0,71 0,71 48 83630

Taulukko 18(b) A 1-lejeerinki Ulkopuolinen Prosessilämpötila (°C) _______ lisäaine_ 950 1050 ‘ 1150 1250 2»5 * Mg 140 hionta-Si02 0,02 0,52 0,66 0,58 6 % Zn + 10 * si ei lainkaan 0,63 0,67 0,68 0,63 3 % Zn 7 ^ Mg ei lainkaan 0,04 0,26 0,74 0,72 6 * Zn MgO-jauhe 0,60 0,72 0,68 0,71 10 % Si + 3 % Mg ei lainkaan 0,07 0,71 0,71 0,75 380»1 ei lainkaan 0,65 0,69 0,69 0,13

Taulukkojen 18(a) ja 18(b) tulokset ja näytteiden tarkastelu vahvistavat komposiittien muodostumisen tämän keksinnön oroses-silla, jokaisen komposiitin sisältäessä alfa-alumiinioksidimat-riisin ja alumiinioksidikuplatäytemateriaalia.

Esimerkki 19

Tarkoituksena esittää komposiittimateriaalin muodostamista, jossa on piinitridimatriisi 10,70 g 98,4 %:sesti puhtaita piisiruja upotettiin kerrokseen, joka sisälsi 90 paino-% titaaninitri-dijauhetta (-325 mesh) ja 10 paino-% titaanimetallia (titaanime-talli lisättiin kastumisen parantamiseksi sulalla piillä) ja ·' systeemi kuumennettiin 1500°C:n reaktiolämpötilaan 30 minuutik si muodostuskaasun atmosfäärissä, joka virtasi nopeudella 600 3 , .

cm /min.

Yllä kuvatulla menettelyllä tuotetun näytteen röntgensädejauhe-diffraktioanalyysi ja tarkastelu vahvistavat titaaninitridi-täyteaineen läsnäolon, piinitridin muodostumisen ja myös titaani-metallin konversion upotuskerroksessa titaaninitridiksi. Näytteen keramografinen ja energiadispersioröntgensädeanalyysi osoittivat koossapvsyvän komposiittimateriaalin muodostumista, jossa oli piinitridimatriisi.

« 49 83630

Esimerkki 20

Tarkoituksena esittää komposiittimateriaalin kasvattamista, jossa on alfa-alumiinioksidimatriisi, joka sisältää keraamisia pii-karbidikuituja, kaksi tankoa kaupallisesti saatavaa 380.1-alumiinia, joiden mitat olivat 228,6 x 50,8 x 12,7 mm, asetettiin päällekkäin ja sijoitettiin alumiinioksidihiukkasia (El Alundum, koko 90 meshiä) olevaan tulenkestoiseen upotuskerrok-seen siten, että ylemmän tangon 228,6 x 50,8 mm:n pinta oli paljas ja oleellisesti alumiinioksidiupotuskerroksen tasolla.

Ohut kerros piikarbidihiukkasia (Norton 39 Crystalon, koko 220 meshiä) levitettiin paljaalle alumiinipinnalle ja tämän kerroksen päälle asetettiin 5 kerrosta Nicalon-piikarbidikangasta (valmistaja Nippon Carbon Co.), joita jokaista erotti ohut kerros yllä kuvattuja piikarbidihiukkasia. Kuvattu systeemi kuumennettiin 1000°C:n asetuslämpötilaan 75 tunniksi ilmassa.

Yllä esitetty menettely tuotti koossapysyvän komposiittimateriaalin, jossa oli alfa-alumiinioksidimatriisi, joka sulki sisäänsä vuorotellen piikarbidihiukkasten kerroksia ja piikarbidikan-kaan kerroksia häiritsemättä kankaan kudos- ja ladontarakennetta.

_ Kuva 9 on mikroskooppivalokuva yllä esitetyssä esimerkissä valmis- : : tetusta komposiittimateriaalista.

**. Esimerkki 21

Tarkoituksena esittää komposiittimateriaalin kasvattamista, jossa on alfa-alumiinioksidimatriisi, joka sulkee sisäänsä ba-riumtitanaattihiukkasista koostuvan täytemateriaalin, sylinteri-mäinen harkko kaupallisesti saatavaa 712-alumiinia, johon oli lejeerattu lisäksi 10 % piitä ja joka oli 25,4 mm korkea ja halkaisijaltaan 22,2 mm, upotettiin tulenkestoisessa upokkaassa olevaan BaTiO -hiukkasten kerrokseen. Harkko, upotusker-ros ja upokas asetettiin vastusuuniin ja kuumennettiin llOO°C:n asetuslämpötilaan 95.tunniksi ilmassa.

Ylläkuvatun systeemin yksikköpainonlisäys oli 0,71, mikä todistaa alumiiniharkon oleellista konversiota keraamiseksi alfa- so 83630 alumiinioksidimatriisiksi. Saadun komposiittimateriaalin röntgensädejauhediffraktioanalyysi kuvasi aifa-alumiinioksidi-matriisin, BaTiO^:n, ja 712-lejeerinqistä peräisin olevien eri hapettuneiden ja hapettamattomien aineosien läsnäoloa.

Yllä esitetty esimerkki esitti bariumtitanaattitäytemateriaa-lin liittämistä alfa-alumiinioksidimatriisiin, mikä tuotti koos-sapysyvän komposiitin.

Vaikka yllä on yksityiskohtaisesti kuvattu vain muutamia tämän keksinnön toteutusmuotoesimerkkejä, alaan perehtyneet voivat helposti arvioida, että tämä keksintö sulkee sisäänsä monia muita muunnoksia kuin esimerkkeinä esitetyt.

Claims (32)

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen komposiitin valmistamiseksi hapettamalla nestefaasissa olevaa perusmetallia läsnäolevan kaasufaasin muodostamissa hapettavissa olosuhteissa täyteainetta sisältävän monikiteisen hapetusreak-tiotuotteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että keraaminen komposiitti koostuu olennaisesti (1) matriisista, joka muodostuu olennaisesti (i) mainitun nestefaasissa olevan perusmetallin ja mainitun kaasufaasissa olevan hapettimen monikiteisestä hapetusreaktiotuotteesta ja (ii) yhdestä tai useammasta perusmetallin hapettumattomasta aineosasta, ja (2) yhdestä tai useammasta matriisin sisäänsä sulkemasta olennaisesti inertistä täyteaineesta, ja että menetelmä käsittää vaiheet, joissa: (a) sijoitetaan perusmetalli oleellisesti inertin täyteaineen muodostaman läpäisevän massan viereen, jossa yhteydessä perusmetallin ohella käytetään yhtä tai useampaa perusmetallin joukkoon lejeerattua ja/tai perusmetallin pinnalle levitettyä ja/tai ainakin osaan läpäisevää täyteainemassaa yhdistettyä, hapetusreaktiotuotteen syntyyn myötävaikuttavaa lisäainetta, ja suunnataan perusmetalli ja täyteaine toisiaan vasten siten, että monikiteisen hapetusreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti läpäisevää inerttiä täyteaine-massaa ja sen sisään, ja (b) kuumennetaan perusmetalli lämpötilaan, joka on sen sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, sulan perusmetallierän muodostamiseksi, ja annetaan sulan perusmetallin reagoida kaasufaasissa olevan hapettimen kanssa mainitulla lämpötilavälillä hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi ja pidetään mainitulla lämpötilavälillä ainakin osaa hapetusreaktiotuotteesta sulan metallin ja hapettimen välissä kosketuksessa niihin, jolloin hapetusreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyte-ainemassan sisällä hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja jatketaan reaktiota siksi, kunnes ainakin osa täyteaineesta on tullut upotetuksi monikiteiseen hapetusreaktiotuotteeseen. 52 83630

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää alumiinia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine sisältää yhtä tai useampaa ainetta ryhmästä, johon kuuluvat magnesium, sinkki, pii, germanium, lyijy, boori, natrium, litium, kalsium, fosfori, yttrium ja harvinaiset maametallit.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään useampaa lisäainetta, jotka käsittävät magnesiumin ja/tai sinkin lähteen sekä yhden tai useamman seuraavan aineen lähteen: pii, lyijy, tina, germanium, natrium, litium, kalsium, boori, fosfori, yttrium ja harvinaiset maametallit.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään yhtä tai useampaa lisäainetta, jotka sisältävät magnesiumlähteen ja piilähteen.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi lisäaine on yhdistetty ainakin osaan täyteaineesta ja että ainakin yksi toinen lisäaine on lejeerattu perusmetallin joukkoon ja/tai levitetty perusmetallin pinnalle.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin sisältää happea ilmakehän paineessa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin sisältää ainakin yhtä ainetta ryhmästä, johon kuuluvat happea sisältävät kaasut, typpeä sisältävät kaasut, halogeenit, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri, I^/l^O-seokset, metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni, propeeni, CO/CO2-seokset ja näiden yhdisteet ja seokset. 53 8 3 6 3 0

9. Patenttivaatimusten 2, 4 ja 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetusreaktiotuote sisältää alfa-alumiinioksidia .

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on alumiini, että kaasufaasihapetin on typpeä sisältävä kaasu ja että hapetusreaktiotuote on alumiininitridi.

11. Patenttivaatimusten 2 ja 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää piikarbidia ja että hapetus-reaktio tapahtuu lämpötilassa, joka on ainakin 850°C.

12. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila on välillä n. 850-1450eC ja että kaasufaasihapetin sisältää ilmaa.

13. Menetelmä itsekantavan keraamisen komposiitin valmistamiseksi hapettamalla nestefaasissa olevaa perusmetallia läsnäolevan kaasufaasin muodostamissa hapettavissa olosuhteissa täyteainetta sisältävän monikiteisen hapetusreak-tiotuotteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että keraaminen komposiitti koostuu olennaisesti (1) matriisista, joka muodostuu olennaisesti (i) mainitun nestefaasissa olevan perusmetallin ja mainitun kaasufaasissa olevan hapettimen monikiteisestä hapetusreaktiotuotteesta ja valinnaisesti (ii) yhdestä tai useammasta perusmetallin hapettumattomasta aineosasta, ja/tai huokosista, ja (2) yhdestä tai useammasta matriisin sisäänsä sulkemasta olennaisesti inertistä täyteaineesta, ja että menetelmä käsittää vaiheet, joissa: (a) sijoitetaan perusmetalli oleellisesti inertin täyteaineen muodostaman läpäisevän massan viereen, joka perusmetalli sisältää ainakin yhtä ainetta joukosta, johon kuuluvat alumiini, zirkonium, titaani, pii ja tina, ja jossa yhteydessä perusmetallin ohella käytetään yhtä tai useampaa perusmetallin joukkoon lejeerattua ja/tai perusmetallin pinnalle levitettyä ja/tai ainakin osaan läpäisevää täyte-ainemassaa yhdistettyä, hapetusreaktiotuotteen syntyyn 54 836,50 myötävaikuttavaa lisäainetta, ja suunnataan perusmetalli ja täyteaine toisiaan vasten siten, että monikiteisen hape-tusreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti läpäisevää inerttiä täyteainemassaa ja sen sisään, ja (b) kuumennetaan perusmetalli lämpötilaan, joka on sen sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, sulan perusmetallierän muodostamiseksi, ja annetaan sulan perusmetallin reagoida kaasufaasissa olevan hapettimen kanssa mainitulla lämpötilavälillä hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi ja pidetään mainitulla lämpötilavälillä ainakin osaa hapetusreaktiotuotteesta sulan metallin ja hapettimen välissä kosketuksessa niihin, jolloin hapetusreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyte-ainemassan sisällä hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja jatketaan reaktiota siksi, kunnes ainakin osa täyteaineesta on tullut upotetuksi monlkiteiseen hapetusreaktiotuotteeseen.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on alumiini, että kaasufaasihapetin sisältää typpeä sisältävää kaasua ja että hapetusreaktio-tuote sisältää alumiininitridiä.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on zirkonium, että kaasufaasihapetin on typpeä sisältävä kaasu ja että hapetusreaktiotuote on zirkoniumnitridi.

16. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on titaani, että kaasufaasihapetin on typpeä sisältävä kaasu ja että hapetusreaktiotuote on titaaninitridi.

17. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on tina, että hapetin on happea sisältävä kaasu ja että hapetusreaktiotuote on tinan oksidi. =5 83630

18. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on pii, että kaasufaasihapetin on hiillyhdistettä sisältävä kaasu tai typpeä sisältävä kaasu ja että hapetusreaktiotuote on piikarbidi tai piinitridi.

19. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää yhtä tai useampaa yksittäisen metallin oksidia, jossa metalli on valittu ryhmästä, johon kuuluvat alumiini, cerium, hafnium, lantaani, neodyymi, praseodyymi, samarium, skandium, torium, uraani, yttrium ja zirkonium.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 1-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää binääristä, ternää-ristä tai korkeammanasteista metallioksidia.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että binäärinen metallioksidi sisältää magnesiumalu-minaattispinelliä.

22. Jonkin patenttivaatimuksen 1-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine koostuu hiilikuiduista ja/tai hiilihiukkasista.

23. Jonkin patenttivaatimuksen 1-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää yhtä tai useampaa ainetta ryhmästä, johon kuuluvat alumiinioksidi, piikarbidi, piialumiinioksinitridi, zirkoniumoksidi, zirkoniumboridi, titaaninitridi, bariumtitanaatti, boorinitridi, piinitridi, rauta-kromi-alumiinilejeeringit ja alumiini.

24. Jonkin patenttivaatimuksen 1-23 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää yhtä tai useampaa materiaalia joukosta, johon kuuluvat ontot kappaleet, hiuk-kasmaiset kappaleet, jauheet, kuidut, kuitukimput, palloset, kuplat, teräsvilla, levyt, ainekasautumat, metallilangat, sauvat, tangot, hiutaleet, rakeet, putket, tulenkestoinen kuitukangas, pienputket tai näiden seokset. 56 83630

25. Itsekantava keraaminen komposiitti, tunnettu siitä, että se käsittää olennaisina osinaan: (1) keraamisen matriisin, joka muodostuu olennaisesti (1) perusmetallin ja kaasufaasihapettimen oleellisesti yksifaasisen, monikiteisen hapetusreaktiotuotteen yhteenliittyneistä kristalliiteista, sekä pienestä määrästä (ii) metallista komponenttia, joka muodostuu perusmetallin yhdestä tai useammasta hapettumattomasta aineosasta, sekä mahdollisesti (iii) huokosista, sekä (2) yhtä tai useampaa matriisiin upotettua inerttiä täyteainetta, että mainittu metallikomponentti on dispergoitunut matriisiin yksitasoisina, toisiinsa liittyneinä metallikanavina ja mahdollisesti lisäksi oleellisesti erillisinä metallisul-keutumina ja että mainitussa hapetusreaktiotuotteessa on kristalliittien raerajoilla kidehilatasopoikkeamia, jotka ovat pienempiä kuin kidehilatasopoikkeamat niiden vierekkäisten kristalliittien väleillä, joiden välissä yksitasoi-set metallikanavat tai yksitasoiset huokoset sijaitsevat.

26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että oleellisesti kaikilla kristalliittien raerajoilla on alle n. 5 asteen vierekkäisten kidehilojen välinen kulmaero.

27. Patenttivaatimuksen 25 tai 26 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että suurin osa kristalliittien ja hapettu-mattomien metallisten aineosien ja/tai huokosten välisistä rajapinnoista on olennaisesti kaarevia.

28. Jonkin patenttivaatimuksen 25-27 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että ainakin 1 tilavuus-% siitä on metallia.

29. Jonkin patenttivaatimuksen 25-27 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että ainakin 1 tilavuus-% siitä on huokosia, jotka ovat dispergoituneina kaikkialle joko pääasiassa toisiinsa liittyneinä tai oleellisesti erillisinä sulkeumina. 57 83630

30. Jonkin patenttivaatimuksen 25-29 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää yhtä tai useampaa metallia ryhmästä, johon kuuluvat alumiini, titaani, pii, zirkonium ja tina, ja että vastaava perusmetallin hapetus-reaktiotuote on alfa-alumiinioksidi, alumiininitridi, titaanini tridi, piikarbidi, piinitridi, zirkoniumnitridi tai tinaoksidi.

31. Jonkin patenttivaatimuksen 25-30 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että se sisältää n. 5-98 tilavuus-% komposiitin koko tilavuudesta laskettuna yhtä tai useampaa täyteainetta, joka sisältyy keraamiseen matriisiin, joka sisältää matriisin koko painosta laskettuna n. 60-99 paino-% yhteenliittynyttä alfa-alumiinioksidia tai alumiininitridiä ja n. 1-40 paino-% alumiinia sisältävää metallista aineosaa.

32. Jonkin patenttivaatimuksen 25-31 mukainen komposiitti, tunnettu siitä, että täyteaine muodostuu yhdestä tai useammasta materiaalista valittuna ryhmästä, johon kuuluvat ontot kappaleet, hiukkasmaiset aineet, jauheet, kuidut, kuitukim-put, palloset, kuplat, teräsvilla, levyt, ainekasautumat, metallilangat, sauvat, tangot, hiutaleet, rakeet, putket, tulenkestoinen kuitukangas, pienet putket ja näiden seokset. se 836-50