FI84343B - Foerfarande foer framstaellning av ett sjaelvbaerande keramiskt kompositstycke och ett saodant kompositstycke. - Google Patents

Description

1 84343

Menetelmä itsekantavan keraamisen komposiittikappaleen valmistamiseksi sekä tällainen komposiittikappale Tämä keksintö koskee menetelmää itsekantavan keraamisen komposiittikappaleen valmistamiseksi, jossa on ainakin yksi ontelo, joka toistaa käänteisesti perusmetallista tehdyn muotin geometrian, joka komposiittikappale sisältää keraamisen matriisin, joka on saatu hapettamalla sulaa perusmetallia polykiteisen materiaalin muodostamiseksi, joka muodostuu sanotun perusmetallin ja hapettimen hapetusreak-tiotuotteesta ja valinnaisesti yhdestä tai useammasta metal-liaineosasta; ja sanottuun matriisiin sisältyvän täyteaineen.

Viime vuosina on esiintynyt kasvavaa mielenkiintoa keraamien käyttöön rakennesovellutuksissa, joita metallit ovat historiallisesti palvelleet. Yllykkeenä tähän mielenkiintoon on ollut keraamien paremmuus tiettyjen ominaisuuksien, kuten korroosionkeston, kimmomodulin ja tulenkestoisuuden suhteen metalleihin verrattuna. Kuitenkin jäljelle jää merkittävä vaatimus parantuneesta lujuudesta vetokuormituksessa, suuremmasta vahingoittumiskestoisuudesta (sitkeydestä) ja parantuneesta suorituskyvyn luotettavuudesta, mikäli keraamisten komponenttien on määrä nauttia täydestä kaupallisesta menestyksestä.

Nykyiset pyrkimykset tuottaa lujempia, luotettavampia ja sitkeämpiä keraamisia tuotteita keskittyvät suuressa määrin (1) parannettujen prosessointimenetelmien kehittämiseen yksikappaleisille keraameille ja (2) uusien materiaaliko-koonpanojen, varsinkin keraamisten matriisikomposiittien kehittämiseen. Komposiittirakenne on sellainen, joka koostuu heterogeenisestä materiaalista, kappaleesta tai tuotteesta, joka on tehty kahdesta tai useammasta eri materiaalista, jotka on liitetty perusteellisesti yhteen komposiitin haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Esimerkiksi kaksi eri materiaalia voidaan liittää perusteellisesti yhteen 2 84343 sulkemalla toinen niistä toisen muodostamaan matriisiin. Keraaminen matriisikomposiittirakenne koostuu tyypillisesti keraamisesta matriisista, joka sulkee sisäänsä yhden tai useampia erilaisia täyteaineita, kuten hiukkasia, kuituja, tankoja tms.

Perinteisiin menetelmiin keraamisten tuotteiden valmistamiseksi liittyy seuraavat yleiset vaiheet: (1) matriisimateri-aalin valmistus jauhemuodossa. (2) Jauheiden hiominen tai jauhaminen hyvin hienojakoisten hiukkasten saamiseksi. (3) Jauheiden muodostaminen kappaleeksi, jolla on haluttu geometria (joka sallii kutistumisen seuraavan prosessoinnin aikana). Tämä vaihe voitaisiin toteuttaa esimerkiksi yksiak-selisella puristuksella, isostaattisella puristuksella, ruiskuvalulla, nauhavalulla, liukuvalulla tai millä tahansa useista muista tekniikoista. (4) Kappaleen tiivistäminen kuumentamalla se korkeaan lämpötilaan siten, että yksittäiset jauhehiukkaset sulautuvat yhteen muodostaen koossapysy-vän rakenteen. Tämä vaihe toteutetaan edullisesti käyttämättä painetta (ts. paineettomalla sintrauksella), vaikka joissakin tapauksissa vaaditaan lisäkäyttövoimaa ja se voidaan aikaansaada käyttämällä ulkoista painetta joko yksiak-selisesti (ts. kuumapuristus) tai isostaattisesti, ts. kuumalla isostaattisella puristuksella. (5) Viimeistely, usein timanttihionnalla tarpeen mukaan.

Huomattava määrä nykyisestä tutkimuksesta suuntautuu parannettuihin jauheprosessointitekniikoihin ja vaikka nämä ponnistelut ovat johtaneet keraamien suorituskyvyn parannuksiin, ne ovat myös monimutkaisia ja yleensä kaikkea muuta kuin kustannuksiltaan tehokkaita. Näiden tekniikoiden painopiste on ollut kahdella alueella: (1) parannetut menetelmät ultrahienojen, yhtenäisten jauhemateriaalien tuottamiseksi käyttäen sooli-geeli-, plasma- ja lasertekniikkaa ja (2) parannetut menetelmät tiivistämiseksi ja kokoonpuristamisek-si mukaanluettuna erinomainen sintraus-, kuumapuristus- ja kuuma isostaattinen puristustekniikka. Näiden pyrkimysten tavoitteena on tuottaa tiiviitä, hienojakoisia, säröttömiä 3 84343 mikrorakenteita ja itse asiassa eräitä parannuksia keraamien suorituskykyyn on saavutettu joillakin alueilla. Nämä kehitykset pyrkivät kuitenkin johtamaan huomattavaan kustannusten kasvuun keraamisten rakenteiden tuottamisessa. Näin ollen kustannukset muodostuvat päärajoitukseksi keraamien kaupallisessa soveltamisessa.

Toinen keraamisen tekniikan rajoitus, jota nykyaikainen keraamien prosessointi vaikeuttaa, on koon muuttamisen joustavuus. Tavanomaiset prosessit, joilla pyritään tiivistämiseen (ts. huokosten poistamiseen jauhehiukkasten välistä) eivät sovi yhteen keraamien suurten yksikappaleis-ten rakenteiden sovellutusmahdollisuuksien kanssa. Tuotteen koon kasvu tuo mukanaan useita ongelmia mukaanluettuna esimerkiksi pidentyneet prosessin viipymäajat, ankarat vaatimukset yhtenäisten prosessiolosuhteiden suhteen suurella prosessivolyymin alueella, osien halkeilun, joka johtuu epäyhtenäisestä tiivistyksestä tai termisesti aiheutetuista jännityksistä, osien vääntymisen ja paisumisen sintrauksen aikana, liian suuret kokoonpuristusvoimat ja vastindimen-siot, jos käytetään kuumapuristusta, ja liian suuret paineastian kustannukset sen vaadittavan sisäpuolisen tilavuuden ja seinämäpaksuuden johdosta, kun kyseessä on kuuma isostaattinen puristus.

Kun näitä perinteisiä menetelmiä sovelletaan keraamisten matriisikomposiittimateriaalien valmistukseen, lisävaikeuksia tulee eteen. Ehkä vakavimmat ongelmat koskevat tiivis-tysvaihetta numero (4) edellä. Normaalisti etusijalla oleva menetelmä, paineeton sintraus, saattaa olla vaikea tai mahdoton hiukkasmaisilla komposiiteilla, elleivät materiaalit ole erittäin sekoittuvia keskenään. Mikä tärkeämpää, normaali sintraus on mahdoton useimmissa tapauksissa, joihin liittyy kuitukomposiitteja silloinkin, kun materiaalit ovat yhteensopivia, sillä kuidut ehkäisevät hiukkasten yhteensulautumista ja estävät tiivistävien jauhehiukkasten tarpeellisia siirtymiä. Nämä vaikeudet on joissakin tapauksissa osittain voitettu joudutetulla tiivistysprosessilla 4 84343 kohdistamalla hiukkasiin ulkoinen paine korkeassa lämpötilassa. Tällaiset menettelyt voivat kuitenkin synnyttää monia ongelmia mukaanluettuna lujittavien kuitujen murtuminen ja vahingoittuminen niihin kohdistettujen ulkoisten voimien vaikutuksesta, rajoitettu kyky tuottaa monimutkaisia muotoja (erityisesti kun kyseessä on yksiakselinen kuumapuristus) ja yleensä korkeat kustannukset, jotka johtuvat prosessin pienestä tuottavuudesta ja toisinaan vaadituista suurista viimeistelytoimenpiteistä.

Lisävaikeuksia voi tulla esiin sekoitettaessa jauheisiin kuitukimppuja tai kuituja ja kappaleen muodostusvaiheessa numero (3) edellä, jossa on tärkeää ylläpitää komposiitin toisen faasin tasaista jakautumista matriisissa. Esimerkiksi kuitukimpuilla lujitetun keraamisen komposiitin valmistuksessa jauheen ja kuitukimpun virtausprosessit, jotka liittyvät sekoitusmenettelyyn ja kappaleen muodostukseen, voivat johtaa lujittavien kuitukimppujen epätasaisuuksiin ja epämieluisiin orientoitumisiin, joista on seurauksena suorituskykyominaisuuksien menetys.

Tämän hakemuksen mukaan yhdistetään tunnettuihin prosesseihin uusia ajatuksia keraamisen teknologian lisärajoituksen poistamiseksi, nimittäin monimutkaisten rakenteiden muodostamisen verkon tai lähes verkon muotoon, ja tarkemmin vaikeuksien poistamiseksi, joita esiintyy muodostettaessa muotoja, joissa on monimutkaisia sisäisiä onteloita, ja erityisesti muotoja, joissa on sisään pistäviä onteloita. Tällaisten muotojen yhteydessä keraamisen kappaleen muodos-tamismenetelmät (vaihe (3) edellä), joita normaalisti käytettäisiin, eivät ole sovellettavissa, koska sisäistä muottia, joka vaaditaan halutun osan geometrian aikaansaamiseksi, ei voida poistaa sen jälkeen kun kappale on muodostettu sen ympärille. Vaikka tällaisia osien geometrioita voidaan valmistaa hiomalla haluttu muoto valmiista keraamisesta aihiosta, tätä suoritustapaa harvoin käytetään johtuen keraamien hionnan ehkäisevistä kustannuksista.

5 84343 Tämä keksintö kohdistuu keraamisten komposiittien valmistukseen, joilla on tietty ennalta määrätty sisäinen geometria, epätavallisella hapetusilmiöllä, jolla voitetaan tunnettuihin prosesseihin liittyvät vaikeudet ja rajoitukset.

Tällä menetelmällä aikaansaadaan muotoillun ontelon sisältäviä keraamisia kappaleita, joilla on tyypillisesti suuri lujuus ja murtumistiheys, mekanismilla, joka on suorempi, joustavampi ja halvempi kuin tavanomaiset ratkaisut.

Tällä keksinnöllä aikaansaadaan myös keinot tuottaa luotettavasti keraamisia kappaleita, joissa on muotoillut ontelot, joilla on koko ja paksuus, joita on vaikea tai mahdoton jäljentää nykyään käytettävissä olevalla teknologialla.

Tämän keksinnön mukaiselle menetelmälle alussa määritellyn itsekantavan keraamisen komposiittikappaleen valmistamiseksi on tunnusomaista se, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa: (a) muotoillaan perusmetalli muotiksi; (b) upotetaan perusmetallia oleva muotti mukautuvaa täyteainetta olevaan kerrokseen perusmetallimuotin geometrian toistamiseksi käänteisesti siihen, jolle täyteaineelle on luonteenomaista se, että (1) se läpäisee sanottua hapetin-ta, kun hapettimen on päästävä kosketukseen sulan perusmetallin kanssa seuraavassa vaiheessa (c) ja läpäisee syntyvää hapetusreaktiotuotetta sallien sen suotautumisen täyteaine-kerrokseen, (2) säilyttää riittävän mukautuvuuden perusmetallin sulamispisteessä tapahtuvan tilavuusmuutoksen ja perusmetallin ja täyteainekerroksen välisen lämpölaajenemis-eron kompensoinnin aikaansaamiseksi seuraavan vaiheen (c) olosuhteissa ja (3) on ainakin perusmetallimuottia ympäröivässä tukivyöhykkeessä luontaisesti koossapysyvä vain lämpötilassa, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiolämpötilan alapuolella ja riittävän lähellä sitä, sanotun kompensoinnin sallimiseksi, jolloin täyteaineella on riittävä koheesiovoima käänteisesti toistetun geometrian säilyttämiseksi täyteainekerroksessa seuraavan vaiheen (c) olosuhteissa; 6 84343 (c) kuumennetaan täyteainekerrokseen upotettu perusmetal-limuotti lämpötilaan, joka on sen sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, sulan perusmetallin muodostamiseksi, ja sanotussa lämpötilassa (1) annetaan sulan perusmetallin reagoida hapettimen kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi, (2) pidetään ainakin osaa hapetusreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallin ja hapettimen kanssa ja niiden välissä siten, että sulaa metallia kulkeutuu vähitellen hapetusreaktiotuotteen läpi täyteainekerrokseen sanotun ontelon muodostamiseksi samanaikaisesti, kun uutta hape-tusreaktiotuotetta jatkuvasti muodostuu hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja (3) jatketaan reaktiota riittävä aika täyteainekerroksen upottamiseksi ainakin osittain hapetusreaktiotuotteeseen kasvattamalla hapetusreaktiotuotetta komposiittikappaleen muodostamiseksi mainittuine onteloineen; ja (d) otetaan talteen tuloksena oleva itsekantava komposiit-tikappale.

Keksinnön kohteena on myös itsekantava keraaminen komposiit-tikappale, jolle on tunnusomaista se, että kappale sisältää sulan perusmetallin ja ainakin yhden hapettimen hapetusreaktiotuotteesta muodostuvan polykiteisen matriisin, jossa on upotettuna täyteainetta, ja että kappaleessa on muotoiltu ontelo, joka on aikaansaatu perusmetallia olevalla muotilla, jonka muodon ontelo toistaa käänteisenä, kun perusmetalli on poistunut ontelosta reagoidessaan sulassa tilassa hapettimen kanssa mainituksi hapetusreaktiotuotteeksi.

Tämän keksinnön materiaalit voidaan kasvattaa niin, että niillä on oleellisesti yhtenäiset ominaisuudet koko niiden poikkileikkauksen läpi paksuuteen, jota tätä ennen on ollut vaikea saavuttaa tavanomaisilla prosesseilla, joilla tuotetaan tiiviitä keraamisia rakenteita. Prosessilla, joka tuottaa näitä materiaaleja, vältetään myös tavanmukaisiin 7 84343 keraamien valmistusmenetelmiin liittyvät suuret kustannukset, joita menetelmiä ovat hienojakoisen, erittäin puhtaan, yhtenäisen jauheen valmistus, raakakappaleen muodostus, sideaineen poispoltto, sintraus, kuumapuristus ja kuuma isostaattinen puristus. Tämän keksinnön tuotteet ovat sovellettavissa tai ne on työstetty käytettäväksi kaupallisina tuotteina, joita tässä käytettynä on ajateltu olevan rajoituksetta teolliset, rakenteelliset ja tekniset keraamiset kappaleet sellaisiin sovellutuksiin, joissa sähköiset, kulutus-, lämpö-, rakenne- tai muut ominaispiirteet tai ominaisuudet ovat tärkeitä tai edullisia, eikä niiden ole ajateltu sisältävän kierrätettyjä tai jätemateriaaleja, joita saattaisi muodostua epämieluisina sivutuotteina sulien metallien prosessoinnissa.

Tässä patenttiselityksessä ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa käytettynä seuraavat termit määritellään seuraavasti: "Keraamin" ei ole katsottava olevan kohtuuttomasti rajoitettu keraamiseen kappaleeseen klassisessa mielessä, ts. siten, että se koostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaaleista, vaan se viittaa sen sijaan kappaleeseen, joka on vallitsevasti keraaminen mitä tulee joko koostumukseen tai vallitseviin ominaisuuksiin, vaikka kappale voi sisältää pienehköjä tai oleellisia määriä yhtä tai useampia metallisia aineosia, jotka ovat peräisin perusmetallista, tai on pelkistetty hapettimesta tai lisäaineesta, metallin määrän ollessa tyypillisimmin välillä n. 1-40 tilavuus-%, mutta se voi sisältää vieläkin enemmän metallia.

"Hapetusreaktiotuote" tarkoittaa yleensä yhtä tai useampaa metallia missä tahansa hapetustilassa, jossa metalli on luovuttanut elektroneja tai jakanut elektroneja toisen alkuaineen, yhdisteen tai niiden yhdistelmän kanssa. Näin ollen "hapetusreaktiotuote" sisältää tämän määritelmän puitteissa yhden tai useamman metallin reaktiotuotteen hapettimen kuten tässä keksinnössä kuvattujen kanssa.

8 84343 "Hapetin" tarkoittaa yhtä tai useampaa elektroniakseptoria tai elektronin jakajaa ja se voi olla kiinteä aine, neste tai kaasu (höyry) tai jokin näiden yhdistelmä (esim. kiinteä aine ja kaasu) prosessiolosuhteissa.

Tässä patenttiselityksessä ja liitteenä olevissa patenttivaatimuksissa käytettynä "perusmetalli" viittaa siihen metalliin, esim. alumiiniin, joka on polykiteinen hapetus-reaktiotuotteen edeltäjä ja se sisältää tätä metallia suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen ja/tai lejeerausaineosineen, tai lejeerinkiä, jossa ko. metalliedeltäjä on pääaineosa; ja kun määrätty metalli, esim. alumiini mainitaan perusmetallina, mainittu metalli tulee lukea tämä määritelmä mielessä, ellei yhteydessä muuta mainita.

"Ontelolla" on tavallinen täyttämättömän tilan yleinen merkitys massan tai kappaleen sisällä, sitä ei ole rajoitettu mihinkään määrättyyn tilan konfiguraatioon ja se sisältää sekä suljetut että avoimet tilat. Toisin sanoen se sisältää ontelot, jotka ovat täysin suljettuja eli vailla yhteyttä ontelon sisältävän massan tai kappaleen ulkopuolelle. Tällöin ontelo muodostaa suljetun, onton kappaleen sisätilan. Määritelty termi sisältää myös ontelot, jotka ovat avoimia tällaiseen yhteyteen esim. yhden tai useamman kanavan tai aukon avulla, joka johtaa ontelon sisältämän massan tai kappaleen ulkopuolelle ja ontelot, jotka itsessään ovat kanavia tai aukkoja. Viimemainittu ontelotyyppi sisältää esimerkiksi sylinterimäisen kappaleen läpi kulkevan kanavan, jonka kummassakin päässä on aukot.

Kuvio 1 on kaavamainen leikkauskuvanto sivulta päin, joka esittää kokoonpanoa, jossa on muotoiltua perusmetallia oleva muotti upotettuna hiukkasmaisen täyteaineen kerrokseen ja suljettuna tulenkestoiseen astiaan; kuvio 2 on perspektiivikuvanto hieman suurennetussa mittakaavassa muotoiltua perusmetallia olevasta muotista, jota käytetään kuvion 1 kokoonpanossa; 9 84343 kuvio 3 on pohjakuvanto, osittain poikkileikkauksena itse-kantavasta keraamisesta komposiittikappaleesta, joka on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti; kuvio 4 on valokuva keraamisesta komposiitista, joka on valmistettu esimerkin 1 mukaisesti ja leikattu halki sisäisen geometrian esittämiseksi, joka toistaa perusmetallina olleen kierteitetyn tapin muodon; ja kuvio 5 on valokuva keraamisesta komposiitista, jossa yläosa ja pohja on poistettu kierteitetyn metallivalanteen muodon toistamisen esittämiseksi.

Tämän keksinnön toteutuksessa perusmetalli on aikaansaatu muotin muotoon, jonka geometria toistuu käänteisenä valmiiseen keraamiseen komposiittiin muodostettavassa ontelossa. Noudattamalla tämän keksinnön käytäntöä monimutkaisia muotoja voidaan kääntäen toistaa valmiiseen keraamiseen komposiittiin keraamin muodostumisen tai kasvun aikana eikä muotoilemalla tai koneistamalla keraamista kappaletta.

Termi "kääntäen toistettu" tarkoittaa, että keksinnön prosessilla aikaansaatua onteloa keraamisessa komposiitissa rajoittavat keraamisen komposiitin sisäpinnat, jotka ovat yhdenmukaiset perusmetallimuotin muodon kanssa. Perusmetallia oleva muotti voi olla sopivasti muotoiltu asianmukaisilla välineillä; esimerkiksi metallikappale, kuten sauva, harkko tai valanne voi olla sopivasti koneistettu, valettu, muovattu, pursotettu tai muulla tavoin muotoiltu muotoillun muotin aikaansaamiseksi. Muottina olevaan perusmetalliin voi olla muodostettu uria, kanavia, syvennyksiä, muottira-joja, kohoumia, kauluksia, tappeja, ruuvinkierteitä yms. ja siihen voi olla liitetty kauluksia, välilevyjä, kiekkoja, tankoja tms. antamaan muoteille olennaisesti mikä tahansa haluttu konfiguraatio. Perusmetallimuotti voi koostua yhdestä tai useammasta metallin yksikkökappaleesta, joka on sopivasti muotoiltu niin, että kun muotti upotetaan täyteaineen mukautuvaan kerrokseen, se rajoittaa kerrokseen muotoillun ontelon ja täyttää ontelon täyteaineen massan sisällä. Kun ontelon täyttävä perusmetalli lopulta sula- 10 84343 tetaan ja se vaeltaa pois täytetystä ontelosta, muotoiltu ontelo kehittyy tuloksena olevaan keraamiseen komposiitti-kappaleeseen. Näin ollen eräässä kohdassaan tämä keksintö aikaansaa sen edun, että ontelon muoto tehdään koneistamalla tai muokkaamalla metallia eikä hiomalla tai koneistamalla keräämiä, mikä on paljon vaikeampi ja kalliimpi prosessi.

Vaikka keksintöä kuvataan jäljempänä yksityiskohtaisesti viitaten erityisesti alumiiniin edullisena perusmetallina, muita sopivia perusmetalleja, jotka toteuttavat tämän keksinnön kriteerit, ovat, niihin kuitenkaan rajoittumatta, pii, titaani, tina, zirkonium ja hafnium.

Kiinteää, nestemäistä tai höyryfaasissa olevaa hapetinta tai tällaisten hapettimien yhdistelmää voidaan käyttää, kuten edellä mainittiin. Tyypillisiä hapettimia ilman rajoitusta ovat esimerkiksi happi, typpi, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri ja näiden yhdisteet ja yhdistelmät, esimerkiksi piidioksidi (hapen lähteenä), metaani, etaani, propaani, asetyleeni, eteeni ja propeeni (hiilen lähteenä) ja sellaiset seokset kuten ilma, H2/H2O ja CO/CO2, kahden viimemainitun (siis H2/ H20:n ja C0/CC>2:n) ollessa hyödyllisiä ympäristön happiak-tiivisuuden alentamisessa.

Vaikka mitä tahansa sopivia hapettimia voidaan käyttää, keksinnön erikoistoteutusmuotoja kuvataan jäljempänä viitaten höyryfaasihapettimen käyttöön. Jos käytetään kaasu-tai höyryhapetinta, ts. höyryfaasihapetinta, täyteaine läpäisee höyryfaasihapetinta niin, että täyteainekerroksen joutuessa alttiiksi hapettimelle höyryfaasihapetin läpäisee täyteainekerroksen päästen kosketukseen siinä olevan sulan perusmetallin kanssa. Termi "höyryfaasihapetin" merkitsee höyrystettyä tai normaalisti kaasumaista materiaalia, joka aikaansaa hapettavan atmosfäärin. Esimerkiksi happi tai happea sisältävät kaasuseokset (ilma mukaanluettuna) ovat edullisia höyryfaasihapettimia, kuten tapauksessa, jossa alumiini on perusmetalli, ilman ollessa tavallisesti 11 84343 edullisempi ilmeisistä taloudellisuussyistä. Kun hapettimen on todettu sisältävän määrättyä kaasua tai höyryä tai koostuvan siitä, tämä merkitsee hapetinta, jossa todettu kaasu tai höyry on ainoa, pääasiallinen tai ainakin merkittävä perusmetallin hapetin olosuhteissa, jotka saavutetaan käytetyssä hapettavassa ympäristössä. Esimerkiksi vaikka ilman pääaineosa on typpi, ilman happisisältö on ainoa tai vallitseva perusmetallin hapetin, koska happi on merkittävästi voimakkaampi hapetin kuin typpi. Ilma sattuu tämän vuoksi määritelmän "happea sisältävä kaasu" puitteisiin, mutta ei määritelmän "typpeä sisältävä kaasu" puitteisiin. Esimerkki "typpeä sisältävästä kaasuhapettimesta" on tässä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "muokkauskaasu", joka sisältää 96 tilavuus-% typpeä ja 4 tilavuus-% vetyä.

Kun käytetään kiinteää hapetinta, se dispergoidaan tavallisesti koko täyteainekerrokseen tai perusmetallin vieressä olevaan kerroksen osaan täyteaineeseen sekoitettujen hiukkasten muodossa tai ehkä täyteainehiukkasilla olevina päällysteinä. Mitä tahansa sopivaa kiinteää hapetinta voidaan käyttää mukaanluettuna alkuaineet, kuten boori tai hiili tai pelkistyvät yhdisteet, kuten piidioksidi tai tietyt boridit, joiden termodynaaminen stabiilisuus on alhaisempi kuin perusmetallin boridireaktiotuotteella.

Esimerkiksi kun booria tai pelkistyvää boridia käytetään alumiiniperusmetallin kiinteänä hapettimena, tuloksena oleva hapetusreaktiotuote on alumiiniboridi.

Joissakin tapauksissa hapetusreaktio voi edistyä niin nopeasti kiinteän hapettimen kanssa, että hapetusreaktiotuote pyrkii sulamaan johtuen prosessin eksotermisesta luonteesta. Tämän tapahtuminen voi huonontaa keraamisen kappaleen mikrorakenteellista yhtenäisyyttä. Tämä nopea eksoterminen reaktio voidaan välttää sekoittamalla kokoonpanoon suhteellisen inerttejä täyteaineita, joilla on alhainen reaktiivisuus. Tällaiset täyteaineet absorboivat reaktiolämpöä minimoiden mahdollisen lämmön karkuunpääsyvaikutuksen. Eräs 12 84343 esimerkki tällaisesta sopivasta inertistä täyteaineesta on sellainen, joka on ihanteellinen aiotulle hapetusreaktio-tuotteelle.

Jos käytetään nestemäistä hapetinta, koko täyteainekerros tai sen sulaa metallia lähellä oleva osa päällystetään tai liotetaan esimerkiksi upottamalla se hapettimeen täyteaineen kyllästämiseksi. Viittaus nestemäiseen hapettimeen tarkoittaa sellaista, joka on neste hapetusreaktio-olosuhteissa ja niinpä nestemäisellä hapettimella voi olla kiinteä edeltäjä kuten suola, joka on sula hapetusreaktio-olosuhteissa. Vaihtoehtoisesti nestemäinen hapetin voi olla nestemäinen edeltäjä, esim. materiaalin liuos, jota käytetään kyllästämään osa täyteaineesta tai se kokonaan ja joka sulaa tai hajoaa hapetusreaktio-olosuhteissa aikaansaaden sopivan hapetinyhdisteen. Esimerkkejä tässä määritellyn kaltaisista nestemäisistä hapettimista ovat alhaalla sulavat lasit.

Tämän keksinnön toteutuksessa käytetty mukautuva täyteaine voi olla useampi suuresta joukosta tähän tarkoitukseen sopivia materiaaleja. Tässä ja patenttivaatimuksissa käytettynä termi "mukautuva" sovellettuna täyteaineelle tarkoittaa, että täyteaine on sellainen, joka voidaan pakata muotin ympärille, latoa sitä vasten tai kietoa sen ympärille, ja joka noudattaa täyteaineeseen upotetun muotin geometriaa. Esimerkiksi jos täyteaine koostuu hiukkasmaisesta materiaalista, kuten tulenkestoisen metallioksidin hienoista jyväsistä, muotti on täyteaineen ympäröimä niin, että muotti rajoittaa täyteaineen ontelon (muotin täyttämän). Ei ole kuitenkaan välttämätöntä, että täyteaine on hienossa hiuk-kasmaisessa muodossa. Täyteaine voi koostua esimerkiksi metallilangasta, kuiduista tai kuitukimpuista tai sellaisista materiaaleista kuin metallivillasta. Täyteaine voi myös koostua kahden tai useamman tällaisen komponentin tai geometrisen konfiguraation joko heterogeenisesta tai homogeenisesta yhdistelmästä, esim. pienten hiukkasmaisten jyvästen ja kuitukimppujen yhdistelmästä. Välttämätöntä on ainoastaan, että täyteaineen fysikaalinen konfiguraatio on 13 84343 sellainen, että se sallii perusmetallin muotin upottamisen täyteaineeseen niin, että täyteaine noudattaa tarkasti muotin pintoja. Perusmetallimuotista käytetään tässä ja patenttivaatimuksissa nimitystä "muotti", koska komposiittiin lopullisesti muodostettu ontelo on muotin geometrian negatiivi. Muotti muodostaa näin ollen (täytetyn) ontelon mukautuvan täyteaineen onteloon, muotin antaessa ontelolle alunperin muodon ja täyttäessä sen.

Keksinnön toteutuksessa hyödyllinen mukautuva täyteaine on sellainen, joka jäljempänä kuvatuissa keksinnön hapetus-reaktio-olosuhteissa on läpäisevä, kun hapetin on höyry-faasihapetin, hapettimen päästämiseksi kulkemaan sen läpi. Joka tapauksessa täyteaine laskee lävitseen myös hapetus-reaktiotuotteen kasvun tai kehittymisen. Täyteaineella on myös siinä lämpötilassa, jossa hapetusreaktio suoritetaan, alunperin tai nopeasti muodostunut tai kehittynyt riittävä koheesiolujuus niin, että se säilyttää geometrian, jonka täyteaineen mukautuvuus muottiin on käänteisesti toistanut siihen, kun muotin sula perusmetalli vaeltaa muotin alunperin täyttämästä ontelosta, ontelon muodostamiseksi samanaikaisesti (vaeltamisen kanssa). Hapetusreaktion aikana ilmenee, että sula perusmetalli vaeltaa muodostettavan hapetusreaktiotuotteen läpi reaktion ylläpitämiseksi. Tämä hapetusreaktiotuote on yleensä läpäisemätön ympäröivälle atmosfäärille ja tämän vuoksi uunin atmosfääri, esim. ilma, ei pääse kehittyvän ontelon sisään. Tällä tavoin kehittyy pienipaineinen alue onteloon, jonka sulan perusmetallin vaeltaminen muodostaa. Hapetusreaktiotuotteen kehittyvä kuori on tavallisesti alunperin liian heikko kannattaak-seen sen poikki näin kehittyvää paine-eroa yhdistettynä painovoimiin, joten tukemattomana se pyrkii painumaan sisäänpäin täyttäen ainakin osan sulan perusmetallin tyhjäksi jättämistä alueista menettäen tällöin muotin alunperin aikaansaaman ontelon muodon. Edelleen tapauksissa, joissa käytetään höyryfaasihapetinta, ontelon kasaanpainuminen pyrkii paljastamaan perusmetallin nestepinnan tasoa ontelossa hapettimelle niin, että se synnyttää alkuperäiseen 14 84343 onteloon uudelleen rajatun ulkopinnan, joka aloittaa hapet-tumis- ja ontelorunuodostusprosessin, jolloin menetetään täydellisesti kehittyvän keraamisen komposiittikappaleen alkuperäinen haluttu muodon puhtaus. On jopa mahdollista, että tämä prosessi toistuu useita kertoja synnyttäen epäonnistuneen kappaleen, joka sisältää ontelossaan sisäisen kerrosrakenteen, joka muistuttaa vain vähän tai ei lainkaan perusmetallimuotin alkuperäistä muotoa. Jotta vältettäisiin tämä geometrian menetys, valitaan täyteaine, joka perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja lähellä hapetusreak-tiolämpötilaa (mutta sen alapuolella) osittain sintrautuu tai muulla tavoin sitoutuu itseensä ja hapetusreaktiotuot-teeseen riittävästi aikaansaaden ontelon ulkopuolelta päin rakennelujuuden, joka säilyttää muotin toistetun geometrian kehittyvässä ontelossa ainakin siihen saakka, kun kasvava hapetusreaktiotuotteen rakenne saavuttaa riittävän paksuuden ollakseen itsekantava ontelon seinämän poikki kehittyvää paine-eroa vastaan.

Sopiva itseensä sitoutuva täyteaine on sellainen, joka asianmukaisessa lämpötilassa joko luontaisesti sintrautuu tai voidaan panna sintrautumaan tai sitoutumaan asianmukaisilla lisäaineilla tai täyteaineen pinnan muutoksilla. Esimerkiksi sopiva täyteaine käytettäväksi alumiiniperusme-tallin kanssa käytettäessä ilmahapetinta koostuu alumiini-oksidi jauheesta, johon on lisätty piidioksidisideainetta hienoina hiukkasina tai valukappaleina alumiinioksidijauheen päälle. Tällaiset materiaaliseokset sintrautuvat tai sitoutuvat osittain hapetusreaktion olosuhteissa tai niiden alapuolella, joissa keraaminen matriisi muodostuu. Ilman piidioksidilisäainetta alumiinioksidihiukkaset vaativat oleellisesti korkeampia lämpötiloja sitoutumiseen. Toinen sopiva täyteaineiden luokka käsittää hiukkaset tai kuidut, jotka prosessin hapetusreaktio-olosuhteissa muodostavat pinnalleen reaktiotuotekuoren, joka pyrkii sitomaan hiukkaset halutulla lämpötila-alueella. Esimerkki tästä täyte-aineluokasta tapauksessa, jossa alumiinia käytetään perusmetallina ja ilmaa hapettimena, ovat hienojakoiset piikar- 15 84 343 bidihiukkaset (esim. 500 meshiä tai hienommat), jotka muodostavat piidioksidikuoren, joka sitoo hiukkaset yhteen alumiinin hapetusreaktiolle sopivalla lämpötila-alueella.

Ei ole välttämätöntä, että täyteainekerroksen koko massa koostuu sintrautuvasta tai itseensä sitoutuvasta täyteaineesta tai sisältää sintraus- tai sideainetta, vaikka tällainen järjestely kuuluu keksinnön sisällön piiriin. It-sesitoutuva täyteaine ja/tai side- tai sintrausaine voi olla dispergoitu vain siihen osaan kerrosta tai täyteainetta, joka on perusmetallimuotin vieressä ja ympäröi sitä riittävälle syvyydelle niin, että sintrattaessa tai muulla tavoin sidottaessa muodostuu kehittyvän ontelon kotelo, jolla on riittävä paksuus ja mekaaninen lujuus, jotta se estäisi ontelon romahtamisen (ja siitä johtuvan perusmetallimuotin muodon puhtaan toiston menetyksen ontelon muodossa kasvatetussa keraamisessa kappaleessa) ennen kuin hapetusreaktiotuotteen riittävä paksuus on saavutettu. Näin ollen riittää, jos muottia ympäröivän täyteaineen "tuki-vyöhyke" koostuu täyteaineesta, joka on luontaisesti sint-rautuva tai itsesitoutuva asianmukaisella lämpötila-alueella tai sisältää sintraus- tai sideainetta, joka on tehokas asianmukaisella lämpötila-alueella. Tässä ja patenttivaatimuksissa käytettynä täyteaineen "tukivyöhyke" on se muottia ympäröivän täyteaineen paksuus, joka sidottaessa on vähintään riittävä aikaansaamaan rakenteellisen lujuuden, joka tarvitaan muotin toistetun geometrian säilyttämiseen, kunnes kasvavasta hapetusreaktiotuotteesta tulee itsekantava ontelon romahtamista vastaan edellä kuvatulla tavalla. Täyteaineen tukivyöhykkeen koko vaihtelee riippuen muotin koosta ja konfiguraatiosta ja mekaanisesta lujuudesta, joka saavutetaan tukivyöhykkeessä olevalla sintrautuvalla tai itseensä sitoutuvalla täyteaineella. Tukivyöhyke voi ulottua muotin pinnalta täyteainekerrokseen pienemmälle etäisyydelle kuin mihin hapetusreaktiotuote kasvaa tai koko kasvuetäisyydelle. Todellisuudessa joissakin tapauksissa vyöhyke voi olla melko ohut. Esimerkiksi vaikka täyteaineen tukivyöhyke voi olla täyteaineen kerros, joka ympäröi muottia ja on itse suljettu 16 84343 itseensä sitoutumattoman tai sintrautumattoman täyteaineen suurempaan kerrokseen, tukivyöhyke voi sopivissa tapauksissa koostua vain itseensä sitoutuvien tai sintrautuvien hiukkasten päällysteestä, joka on tarttunut muottiin sopivan tartunta- tai päällystysaineen avulla. Esimerkki tästä päällystystekniikasta esitetään jäljempänä.

Missään tapauksessa täyteaine ei saa sintrautua, sulaa tai reagoida sillä tavoin, että se muodostaa läpäisemättömän massan, joka estää hapetusreaktiotuotteen suotautumisen sen läpi, tai kun käytetään höyryfaasihapetinta, tämän höyryfaasihapettimen kulkemisen massan läpi. Edelleen mikään sintrautunut massa, joka todella muodostuu, ei saa muodostua niin matalassa lämpötilassa, että se murtuisi johtuen metallin ja täyteaineen välisestä laajenemisen yhteensopimattomuudesta ennenkuin kasvatuslämpötila on saavutettu, mikä muodostaisi epähomogeenisen komposiitin matriisin kehityksen aikana johtuen siitä, että matriisi tämän jälkeen täyttää pelkästään sidotussa täyteaineessa olevat halkeamat. Esimerkiksi alumiiniperusmetallille ei tapahdu vain lämpölaajenemista kuumennettaessa kiinteää tai sulaa metallia, vaan merkittävä tilavuuden kasvu sen sulaessa. Tämä vaatii, että täyteaineen kerros, johon perusmetallimuotti on upotettu, ei sintraudu tai muulla tavoin sitoudu itseensä muodostaen jäykän rakenteen, joka koteloi perusmetallimuotin ennen sen erilaista laajenemista täyteaineeseen verrattuna, ettei paisuminen murra itseensä sitoutumatta rakennetta. Jos tämä tapahtuu, toistettu muotin muoto menetetään tai tyypillisemmin kehittyy epähomogeeninen komposiitti täyteaineen murtuneen kerroksen suotautuessa perusmetallista tapahtuvan hapetusreaktiotuotteen kasvun seurauksena.

Kuten edellä mainittiin, side- tai sintrausainetta voidaan sisällyttää mukaan täyteaineen komponenttina niissä tapauksissa, joissa täyteaineella ei muuten olisi riittäviä luontaisia itsesitoutumis- tai sintrautumisominaisuuksia sen ontelon romahduksen estämiseksi, jota muodostetaan tilaan.

17 84343 jonka muotti aikaisemmin täytti. Tämä sideaine voidaan dispergoida koko täyteaineeseen tai vain tukivyöhykkeeseen. Sopivia materiaaleja tähän tarkoitukseen ovat organometal-limateriaalit, jotka hapetusreaktiotuotteen muodostamiseen vaadituissa hapetusolosuhteissa ainakin osittain hajoavat ja sitovat täyteainetta riittävästi vaaditun mekaanisen lujuuden aikaansaamiseksi. Sideaine ei saa häiritä hape-tusreaktioprosessia tai jättää epämieluisia jäännössivu-tuotteita keraamiseen komposiittituotteeseen. Tähän tarkoitukseen sopivat sideaineet ovat alalla hyvin tunnettuja. Tetraetyyliortosilikaatti on esimerkki sopivista organome-tallisista sideaineista, jotka jättävät hapetusreaktiolämpö-tilassa jälkeensä piidioksidiyhdisteen, joka sitoo tehokkaasti täyteaineen vaaditulla koheesiolujuudella.

Tämän keksinnön prosessia toteutettaessa perusmetallin ja kerroksen hapettavassa ympäristössä oleva kokoonpano kuumennetaan lämpötilaan, joka on metallin sulamispisteen yläpuolella, mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, mikä johtaa sulan metallin kappaleeseen tai lammikkoon. Ollessaan kosketuksessa hapettimeen sula metalli reagoi muodostaen hapetusreaktiotuotteen kerroksen. Altistuksen hapettavalle ympäristölle jatkuessa asianmukaisella lämpötila-alueella jäljellä olevaa sulaa metallia kulkeutuu vähitellen hapetusreaktiotuotteeseen ja sen läpi hapettimen suuntaan ja täyteaineen kerrokseen ja joutuessaan siinä kosketukseen hapettimen kanssa se muodostaa lisää hapetus-reaktiotuotetta. Ainakin osa hapetusreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulaan perusmetalliin ja hapettimeen ja niiden välissä polykiteisen hapetusreaktiotuotteen jatkuvan kasvun aikaansaamiseksi täyteainekerroksessa, jolloin täyteaine upotetaan polykiteisen hapetusreaktiotuotteen sisään. Polykiteinen matriisimateriaali jatkaa kasvuaan niin kauan kuin sopivia hapetusreaktio-olosuhteita ylläpidetään.

Prosessia jatketaan kunnes hapetusreaktiotuote on suotautu-nut ja upottanut sisäänsä halutun määrän täyteainetta. Tuloksena oleva keraaminen komposiittituote sisältää täyte- 18 84343 ainetta upotettuna keraamiseen matriisiin, joka koostuu polykiteisestä hapetusreaktiotuotteesta ja sisältää valinnaisesti perusmetallin yhtä tai useampaa hapettumatonta aineosaa tai huokosia tai molempia. Tyypillisesti näissä polykiteisissä keraamisissa matriiseissa hapetusreaktiotuot-teen kristalliitit ovat liittyneet toisiinsa useammassa kuin yhdessä ulottuvuudessa, edullisesti kolmessa ulottuvuudessa ja metallisulkeumat tai huokoset voivat olla osittain toisiinsa liittyneitä. Kun prosessia ei toteuteta yli perusmetallin loppuunkulumisen, saatu keraaminen komposiitti on tiivis ja olennaisesti huokosvapaa. Kun prosessi saatetaan loppuun, ts. kun mahdollisimman paljon metallia on hapetettu prosessiolosuhteissa, toisiinsa liittyneen metallin tilalle keraamiseen komposiittiin on muodostunut huokosia. Tämän keksinnön tuloksena olevalla keraamisella komposiittituot-teella on olennaisesti alkuperäiset, alkuperäisen muotin dimensiot ja geometrinen konfiguraatio säädettynä perusmetallin sulamispisteen ja lämpölaajenemiserosta johtuvien tilavuusmuutosten suhteen verrattuna muodostettuun ja jäähdytettyyn komposiittikappaleeseen.

Viitaten nyt piirroksiin kuvio 1 esittää tulenkestoista astiaa 2, kuten alumiinioksidiastiaa, joka sisältää täyte-ainekerroksen 4, johon on upotettu perusmetallia oleva muotti 6. Kuten kuvioissa 1 ja 2 on esitetty, muotissa 6 on keskiosa 8, joka on muodoltaan yleisesti ottaen sylinte-rimäinen ja yhdistää parin päätyosia 8a, 8b, jotka ovat akselin suunnassa lyhyempiä, mutta halkaisijaltaan suurempia kuin keskiosa 8. Yleisesti ottaen muotilla 6 on tiimalasi-mainen konfiguraatio, joka käsittää yleisesti ottaen pyöreät kiekonmuotoiset päätyosat, joita halkaisijaltaan pienempi keskiosa yhdistää.

Kuumennettaessa kuvion 1 kokoonpano riittävän korkeaan lämpötilaan metallin sulattamiseksi, höyryfaasihapetin, joka läpäisee täyteainekerroksen 4 ja on kosketuksessa sulan metallin kanssa, hapettaa sulan metallin ja tästä johtuva hapetusreaktiotuotteen kasvu suotautuu ympäröivään täyte- 19 84343 ainekerrokseen 4. Esimerkiksi kun perusmetalli on alumiini ja ilma on hapetin, hapetusreaktion lämpötila voi olla n. 850-1450°C ja edullisesti n. 900-1350°C ja hapetusreaktio-tuote on tyypillisesti alfa-alumiinioksidi. Sula metalli vaeltaa hapetusreaktiotuotteen muodostuvan kuoren läpi muotin 6 aikaisemmin täyttäneestä tilavuudesta, mikä johtaa paineen alenemiseen ko. tilavuudessa johtuen hapetusreaktiotuotteen kasvavan kuoren läpäisemättömyydestä ympäröivälle atmosfäärille, ja nettopaineesta, joka vaikuttaa hapetusreaktiotuotteen säiliömäiseen kuoreen. Kuitenkin muotin 6 sisäänsä sulkeva täyteainekerros 4 (tai sen tukivyöhyke) on luontaisesti itseensä sitoutuva .itsesitoutumislämpötilas-sa tai sen yläpuolella, joka lämpötila on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella ja lähellä hapetusreaktion lämpötilaa, mutta sen alapuolella. Näin ollen kun täyteaine tai sen tukivyöhyke on kuumennettu sen itsesitoutumislämpöti-laan, mutta ei aikaisemmin, se on sintrautunut tai muulla tavoin sitoutunut itseensä ja kiinnittynyt kasvavaan hape-tusreaktiotuotteeseen riittävästi antaakseen riittävän lujuuden kehittyvää onteloa ympäröivälle täyteaineelle, ts. täyteaineen tukivyöhykkeelle, jotta se vastustaisi paine-eroa ja säilyttäisi täten täyteaineen 4 kerroksessa käytetyn ontelon geometrian, jonka täyteaineen mukautuvuus muotin 6 muotoon on muodostanut siihen. Kuten edellä yksityiskohtaisesti kuvattiin, jos täyteaine sitoutuisi merkittävästi itseensä ennen perusmetallin paisumisen päättymistä sitä kuumennettaessa ja sulatettaessa, metallin paisuminen murtaisi tai rikkoisi itseensä sitoutuneen täyteaineen. Toteutusmuodossa, jossa vain täyteaineen 4 tukivyöhyke sisältää sintrautuvaa tai itseensä sitoutuvaa täyteainetta tai side- tai sintrausainetta, katkoviiva 5 kuviossa 1 osoittaa tukivyöhykkeen lujuuden täyteaineen 4 kerroksessa. Reaktion jatkuessa muotin 6 aikaisemmin täyttämä ontelo kerroksessa 4 tyhjenee oleellisesti kokonaan sulan perusmetallin vaeltaessa hapetusreaktiotuotteen läpi sen ulkopinnalle, jossa se joutuu kosketukseen höyryfaasihapet-timen kanssa ja hapettuu muodostaen lisää hapetusreaktio-tuotetta. Hapetusreaktiotuote koostuu polykiteisestä kerää- 20 84343 misesta materiaalista, joka voi sisältää sulan perusmetallin hapettumattomien aineosien sulkeumia. Reaktion päätyttyä ja muotin 6 aikaisemmin täyttämän tilavuuden tyhjennyttyä kokoonpanon annetaan jäähtyä ja saatu keraaminen komposiitti, jonka dimensiot on esitetty katkoviivalla 7 kuviossa 1, erotetaan mahdollisesta ylimääräisestä täyteaineesta, jota astiassa 2 on jäljellä. Tämä ylimääräinen täyteaine tai sen osa voi muodostaa koossapysyvän kappaleen johtuen sintrautumisesta tai itseensä sitoutumisesta ja se voidaan helposti poistaa keraamisesta komposiitista, jota se ympäröi, hiekkapuhalluksella, hionnalla tms. Taloudellinen tekniikka on käyttää hiekkapuhallusta käyttäen sellaista materiaalia olevia hiomahiukkasia, joka on sopiva täyteaineena tai täyteaineen komponenttina niin, että poistettua täyteainetta ja hioma-ainetta voidaan käyttää uudelleen täyteaineena seuraavassa operaatiossa. On tärkeää tiedostaa, että itseensä sitoutuvan täyteaineen lujuusaste, joka on välttämätön ontelon romahtamisen estämiseksi prosessoinnin aikana, on tyypillisesti paljon pienempi kuin tuloksena olevan komposiitin lujuus. Tästä johtuen on itse asiassa aivan mahdollista poistaa ylimääräinen itseensä sitoutunut täyteaine hiukkaspuhalluksella tarvitsematta olla erityisen huolissaan tuloksena olevan komposiitin vahingoittumisesta. Joka tapauksessa keraamista komposiittirakennetta, johon on muodostettu ontelo, voidaan edelleen muotoilla koneistamalla tai hiomalla tai muokkaamalla se muulla tavoin haluttuun ulkomuotoon. Esimerkiksi, kuten kuviossa 3 on esitetty, keraaminen komposiitti 10 on hiottu pyöreän sylinterin muotoon, jossa on ulkopinta 12, vastakkaiset päätypinnat 14a ja 14b ja jossa on ontelo 16, jota rajoittavat muotin 6 pintojen myötäiset pinnat. Näin ollen ontelon 16 muoto on käänteinen jäljennös muotin 6 muodosta, jota onteloa 16 rajoittavat päätyosat 18a, 18b ja niitä yhdistävä keskiosa 18, jonka halkaisija on pienempi kuin päätyosien 18a ja 18b. Moniin sovellutuksiin keraaminen kappale voi olla käyttökelpoinen muodostuneessa muodossa ylimääräisen, mukana kulkemattoman täyteaineen poiston jälkeen ilman, että vaadittaisiin lisäksi hiomista tai koneistusta.

2i 84343

Valitsemalla asianmukainen täyteaine ja ylläpitämällä hape-tusreaktio-olosuhteita riittävä aika oleellisesti kaiken sulan perusmetallin tyhjentämiseksi muotin 6 alunperin täyttämästä täytetystä ontelosta, onteloon 16 saadaan tarkka käänteinen jäljennös muotin 6 geometriasta. Vaikka muotin 6 (ja tämän vuoksi ontelon 16) kuvattu muoto on suhteellisen yksinkertainen, keraamiseen komposiittiin voidaan muodostaa ontelotta, jotka toistavat käänteisesti ja puhtaasti geometrialtaan paljon monimutkaisempien muottien kuin muotin 6 muodot, tämän keksinnön menettelyillä. Keraamisen komposiitin 10 ulkopinnat voidaan haluttaessa hioa ja koneistaa tai muulla tavoin muokata mihin tahansa haluttuun kokoon tai muotoon, jotka ovat yhdenmukaiset siihen muodostetun ontelon 16 koon ja muodon kanssa.

On ymmärrettävä, että täyteaineen ominaisuudet, joita ovat edellä kuvatut läpäisevyys, mukautuvuus ja itseensä sitoutu-vuus, ovat täyteaineen kokonaiskoostumuksen ominaisuuksia ja että täyteaineen yksittäisillä komponenteilla ei tarvitse olla mitään tai kaikkia näistä ominaisuuksista. Näin ollen täyteaine voi koostua joko yhdestä materiaalista, saman materiaalin, mutta eri hiukkaskoon, hiukkasten seoksesta tai kahden tai useamman materiaalin seoksesta. Viimemainitussa tapauksessa täyteaineen jotkin komponentit eivät esimerkiksi ehkä ole riittävän itseensä sitoutuvia tai sintrautuvia hapetusreaktion lämpötilassa, mutta täyteaineella, josta ne ovat osa, on vaaditut itseensäsitoutumis-tai sintrautumisominaisuudet sen itseensäsitoutumislämpöti-lassa johtuen muiden materiaalien läsnäolosta. Suurella joukolla materiaaleja, jotka muodostavat hyödyllisiä täyteaineita keraamiseen komposiittiin antamalla komposiitille halutut ominaisuudet, on myös edellä kuvatut läpäisy-, mukautuvuus- ja itseensäsitoutumisominaisuudet. Tällaiset sopivat materiaalit pysyvät riittävän sintrautumattomina tai sitoutumattomina hapetusreaktiolämpötilan alapuolella olevissa lämpötiloissa niin, että täyteaine, johon muotti 22 84343 on upotettu, voi kompensoida lämpölaajeneman ja tilavuuden muutoksen sulamispisteessä ja silti sintrautua tai muulla tavoin sitoutua itseensä vain saavutettuaan itseen-säsitoutumislämpötilan, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella, mutta lähellä hapetusreaktiolämpötilaa ja sen alapuolella, riittävästi aikaansaadakseen vaaditun mekaanisen lujuuden muodostuvan ontelon romahtamisen estämiseksi hapetusreaktiotuotteen kasvun tai kehittymisen alkuvaiheiden aikana.

Mitä tulee täyteaineen yksittäisiin komponentteihinjeräs sopiva täyteainekomponentin luokka sisältää ne kemialliset yhdisteet, jotka prosessin lämpötila- ja hapetusolosuhteissa eivät ole haihtuvia, ovat termodynaamisesti stabiileja eivätkä reagoi liiallisesti sulan perusmetallin kanssa tai liukene siihen. Alaan perehtyneet tietävät lukuisten materiaalien täyttävän nämä kriteerit tapauksessa, jossa käytetään alumiiniperusmetallia ja ilmaa tai happea hapettimena. Tällaisia materiaaleja ovat yksittäisten metallien oksidit kuten: alumiinin, AI2O3; seriumin, CeC^; hafniumin, HfC>2; lantaanin, 1^203; neodyymin, ^203; praseodyymin, eri oksideja; samariumin, Sir^C^; skandiumin, SC2O3; toriumin, ThC^; uraanin, UO2; yttriumin, Y2O3 ja zirkoniumin, ZrC>2. Lisäksi suuri joukko kaksois-, kolmois- ja korkeamman asteen metal-liyhdisteitä, kuten magnesiumaluminaattispinelli, MgO'A^C^ kuuluu tähän stabiilien tulenkestoisten yhdisteiden luokkaan.

Toinen sopivien täyteainekomponenttien luokka ovat ne, jotka eivät ole luontaisesti stabiileja edullisen toteutusmuodon hapettavassa ja korkean lämpötilan ympäristössä, mutta jotka johtuen hajoamisreaktioiden suhteellisen hitaasta kinetiikasta voidaan liittää täyteainefaasina kasvavaan keraamiseen kappaleeseen. Eräs esimerkki on piikarbidi. Tämä materiaali hapettuisi täydellisesti olosuhteissa, jotka tarvitaan esimerkiksi alumiinin hapettamiseen hapella tai ilmalla tämän keskinnön mukaisesti ellei muodostuva ja piikarbidi-hiukkasia peittävä piidioksidikerros rajoittaisi piikarbi- 23 8 4 3 4 3 din enempää hajoamista. Suojaava piioksidikerros tekee myös mahdolliseksi piikarbidihiukkasten sintrautumisen ja sitoutumisen itseensä ja täyteaineen muihin komponentteihin prosessin hapetusreaktio-olosuhteissa käytettäessä alumiini-perusmetallia ja happea tai ilmaa hapettimena.

Kolmas sopivien täyteainekomponenttien luokka ovat ne, kuten hiilikuidut, joiden ei termodynaamisin tai kineettisin perustein odoteta selviävän hapettavasta ympäristöstä tai altistuksesta sulalle alumiinille, jotka liittyvät edulliseen toteutusmuotoon, mutta jotka voidaan tehdä yhteensopiviksi prosessin kanssa, jos 1) ympäristö tehdään vähemmän aktiiviseksi käyttäen esimerkiksi C0/C02'*a hapetuskaasuina tai 2) levittämällä niille päällyste, kuten alumiinioksidi, joka tekee ko. yhdisteen kineettisesti reagoimattomaksi hapettavassa ympäristössä.

Keksinnön lisätoteutusmuotona on selostettu lisäaineiden lisäämisen metalliin voivan vaikuttaa edullisesti hapetus-reaktioprosessiin. Lisäaineen toiminta tai toiminnat voivat riippua useista muista tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi kulloinenkin perusmetalli, haluttu lopputuote, lisäaineiden kulloinenkin yhdistelmä, kun käytetään kahta tai useampaa lisäainetta, ulkoisesti levitetyn lisäaineen käyttö yhdessä lejeeratun lisäaineen kanssa, lisäaineen väkevyys, hapettavat ympäristö- ja pro-sessiolosuhteet.

Lisäaine tai lisäaineet (1) voidaan lisätä perusmetallin lejeerausaineosina, (2) voidaan levittää ainakin osalle perusmetallin pintaa tai (3) voidaan levittää täyteaineelle tai osalle täyteainekerrosta, esim. täyteaineen tukivyöhyk-keeseen tai mitä tahansa kahden tai useamman tekniikan (1), (2) ja (3) yhdistelmää voidaan käyttää. Esimerkiksi lejee-rattua lisäainetta voidaan käyttää yhdessä ulkoisesti levitetyn lisäaineen kanssa. Tekniikan (3) kyseessä ollen, jossa lisäaine tai lisäaineet levitetään täyteaineelle, levittäminen voidaan toteuttaa millä tahansa sopivalla 24 84 343 tavalla, kuten dispergoimalla lisäaineet osaan tai koko täytemassaan päällysteiden tai hiukkasmaisessa muodossa mukaanluettuna edullisesti ainakin osa täyteaineen kerroksesta, joka on perusmetallin vieressä. Minkä tahansa lisäaineen levittäminen täyteaineeseen voidaan toteuttaa myös levittämällä kerros yhtä tai useampaa lisäainetta kerrokseen ja sen sisään mukaanluettuna kaikki sen sisäiset aukot, raot, kanavat, välitilat tms., jotka tekevät sen läpäiseväksi. Sopiva tapa levittää mitä tahansa lisäainetta on pelkästään liottaa koko kerros lisäaineen nesteessä (esim. liuoksessa). Lisäainelähde voidaan aikaansaada myös asettamalla lisäaineen jäykkä kappale kosketukseen ainakin osittain perusmetallin pinnan ja täyteainekerroksen kanssa. Esimerkiksi ohut piitä sisältävän lasin (hyödyllinen lisäaineena alumiiniperusmetallin hapetukseen) levy voidaan asettaa perusmetallin pinnalle. Kun alumiiniperusmetalli (johon voi olla sisäisesti lisätty magnesiumia), jonka päälle on asetettu piitä sisältävää materiaalia, sulatetaan hapettavassa ympäristössä (esim. alumiinin kyseessä ollen ilmassa välillä n. 850-1450°C ja edullisesti n. 900-1350°C) tapahtuu poly-kiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään kerrokseen. Tapauksessa, jossa lisäaine levitetään ainakin osalle perusmetallin pintaa, polykiteinen rakenne kasvaa yleensä läpäisevässä täyteaineessa oleellisesti yli lisäainekerrok-sen (ts. yli levitetyn lisäainekerroksen syvyyden). Joka tapauksessa yhtä tai useampaa lisäainetta voidaan ulkoisesti levittää perusmetallin pinnalle ja/tai läpäisevään kerrokseen. Lisäksi perusmetallin lejeerattuja ja/tai perusmetallille ulkoisesti levitettyjä lisäaineita voidaan kartuttaa täyteainekerrokselle levitetyillä lisäaineilla. Näin ollen perusmetalliin lejeerattujen ja/tai perusmetallille levitettyjen lisäaineiden mahdollisia väkevyyden puutteita voidaan paikata vastaavien kerrokselle levitettyjen lisäaineiden lisäväkevöinnillä tai päinvastoin.

Hyödyllisiä lisäaineita alumiiniperusmetallille erityisesti ilman ollessa hapetin ovat esimerkiksi magnesiummetalli 25 84343 ja sinkkimetalli yhdessä toistensa kanssa tai yhdessä muiden jäljempänä kuvattujen lisäaineiden kanssa. Näitä metalleja tai metallien sopivaa lähdettä voidaan lejeerata alumiini-pohjaiseen perusmetalliin jokaisen väkevyyksillä n. 0,1-10 paino-% laskettuna saadun lisäaineella varustetun metallin kokonaispainosta. Minkä tahansa lisäaineen väkevyys riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäaineiden yhdistelmästä ja prosessilämpötilasta. Tällä alueella olevat väkevyydet osoittavat panevan alulle keraamisen kasvun, parantavan metallin siirtymistä ja vaikuttavan edullisesti saadun hapetusreaktiotuotteen kasvun morfologiaan.

Muita lisäaineita, jotka ovat tehokkaita edistämään poly-kiteisen hapetusreaktiotuotteen kasvua alumiinipohjaisilla perusmetallisysteemeillä, ovat esimerkiksi pii, germanium, tina ja lyijy erityisesti, kun niitä käytetään yhdessä magnesiumin tai sinkin kanssa. Yhtä tai useampaa näistä muista lisäaineista tai niiden sopivaa lähdettä lejeera-taan alumiiniperusmetallisysteemiin jokaisen väkevyyksillä n. 0,5-15 paino-% koko lejeeringistä; toivotumpi kasvukine-tiikka ja kasvumorfologia saadaan kuitenkin lisäaineiden väkevyyksillä n. 1-10 paino-% koko perusmetallilejeerin-gistä. Lisäaineena olevaa lyijyä lejeerataan yleensä alu-miinipohjaiseen perusmetalliin vähintään 1000°C:n lämpötilassa, jotta tehtäisiin myönnytyksiä sen vähäiselle liukoisuudelle alumiiniin; muiden lejeerauskomponenttien, kuten tinan, lisäys parantaa kuitenkin yleensä lyijyn liukoisuutta ja sallii lejeerausmateriaalin lisäyksen alemmassa lämpötilassa.

Yhtä tai useampaa lisäainetta voidaan käyttää olosuhteista riippuen, kuten edellä selostettiin. Esimerkiksi alumiini-perusmetallin kyseessä ollen ja käytettäessä ilmaa hapet-timena erityisen hyödyllisiä lisäaineiden yhdistelmiä ovat (a) magnesium ja pii tai (b) magnesium, sinkki ja pii.

Näissä esimerkeissä edullinen magnesiumväkevyys osuu alueelle n. 0,1-3 paino-%, sinkkiväkevyys alueelle n. 1-6 paino-% ja piiväkevyys alueelle n. 1-10 paino-%.

26 84 343

Lisäesimerkkejä lisäaineista, jotka ovat hyödyllisiä alu-miiniperusmetallin yhteydessä ovat natrium, litium, kalsium, boori, fosfori ja yttrium, joita voidaan käyttää yksittäin tai yhdessä yhden tai useamman lisäaineen 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 yhdistettynä muihin lisäaineisiin. Harvinaiset maametallit, kuten serium, lantaani, praseodyymi, neo-dyymi ja samarium ovat myös hyödyllisiä lisäaineita ja näin varsinkin käytettynä yhdessä muiden lisäaineiden kanssa.

Kuten edellä mainittiin, ei ole välttämätöntä lejeerata mitään lisäainetta perusmetalliin. Esimerkiksi yhden tai useamman lisäaineen levittäminen selektiivisesti ohueksi kerrokseksi joko perusmetallin koko pinnalle tai osalle sitä tekee mahdolliseksi paikallisen keraamin kasvattamisen perusmetallin pinnalta tai sen osilta ja soveltuu polyki-teisen keraamisen materiaalin kasvattamiseen läpäisevään täyteaineeseen valituilla alueilla. Näin ollen polykiteisen keraamisen materiaalin kasvua läpäisevään kerrokseen voidaan säätää asettamalla paikallisesti lisäainetta perusmetallin pinnalle. Lisäaineen levitetty päällyste tai kerros on ohut verrattuna perusmetallikappaleen paksuuteen ja hapetusreak-tiotuotteen kasvu tai muodostuminen läpäisevään kerrokseen ulottuu oleellisesti lisäainekerroksen yli, ts. yli levitetyn lisäainekerroksen syvyyden. Tämä lisäainekerros voidaan levittää maalaamalla, kastamalla, silkkipainatuksella, haihduttamalla tai levittämällä muulla tavoin lisäaine neste- tai pastamuodossa tai sputteroimalla tai yksinkertaisesti kerrostamalla kerros kiinteää hiukkasmaista lisäainetta tai lisäaineen kiinteä ohut levy tai kalvo perusmetallin pinnalle. Lisäaine voi, mutta sen ei tarvitse sisältää joko orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, kantoaineita, liuottimia ja/tai paksuntimia. Edullisemmin lisäaineet levitetään jauheina perusmetallin pinnalle tai dispergoidaan ainakin osaan täyteainetta. Eräs erityisen edullinen menetelmä lisäaineiden levittämiseksi perusmetal- 27 84343

Iin pinnalle on käyttää lisäaineiden nestemäistä suspensiota veden ja orgaanisen sideaineen seoksessa, jota ruiskutetaan perusmetallin pinnalle tarttuvan päällysteen saamiseksi, joka helpottaa lisäaineen perusmetallin käsittelyä ennen prosessointia.

Kun lisäaineita käytetään ulkopuolisesta, ne levitetään tavallisesti osalle perusmetallin pintaa tasaiseksi peitteeksi sen päälle. Lisäaineen määrä on tehokas laajalla alueella suhteessa perusmetallin määrään, johon se on levitetty ja alumiinin kyseessä ollen kokeilla ei ole onnistuttu määrittelemään enempää toimivaa ylä- kuin alarajaakaan. Esimerkiksi kun käytetään piitä piidioksidin muodossa, joka on ulkopuolisesti levitetty lisäaineena alumiinipoh-jaiselle perusmetallille, käytetään happea hapettimena, niinkin pienet määrät kuin 0,0001 g piitä grammaa kohti perusmetallia yhdessä toisen lisäaineen kanssa, joka sisältää magnesiumin ja/tai sinkin lähteen, tuottavat polyki-teisen keraamin kasvuilmiön. On myös havaittu, että keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiinipohjäisestä perusmetallista käytettäessä ilmaa tai happea hapettimena käyttämällä MgO:a lisäaineena yli 0,0005 g:n määrä grammaa kohti hapettavaa perusmetallia ja yli 0,005 g lisäainetta/cm^ perusmetallin pintaa, jolle MgO:a on levitetty. Osoittautuu, että johonkin määrään asti lisäaineiden määrän kasvu lyhentää reaktioaikaa, joka tarvitaan tuottamaan keraaminen komposiitti, mutta tämä riippuu sellaisista tekijöistä kuin lisäainetyypistä, perusmetallista ja reaktio-olosuhteista.

Kun perusmetalli on alumiini, joka sisältää lisäaineena magnesiumia ja hapettava väliaine on ilma tai happi, on havaittu, että magnesium ainakin osittain hapettuu lejee-ringistä n. 820-950°C:n lämpötiloissa. Tällaisissa magnesiumia sisältävien systeemien tapauksissa magnesium muodostaa magnesiumoksidi- ja/tai magnesiumaluminaattispinellifaasin sulan alumiinilejeeringin pinnalle ja kasvuprosessin aikana nämä magnesiumyhdisteet pysyvät pääasiassa perusmetallile- 28 84 343 jeeringin alkuperäisellä oksidipinnalla (ts. "aloituspinnal-la”) kasvavassa keraamisessa rakenteessa. Näin ollen tällaisissa magnesiumia sisältävissä systeemeissä alumiinioksidi-pohjainen rakenne muodostuu erilleen aloituspinnalla olevasta suhteellisen ohuesta magnesiumaluminaattispinellin kerroksesta. Haluttaessa tämä aloituspinta voidaan helposti poistaa hiomalla, koneistamalla, kiillottamalla tai hiekkapuhaltamalla .

Tämän keksinnön menettelyllä saadut keraamiset komposiittirakenteet ovat tavallisesti tiivistä koossapysyvää massaa, jossa n. 5-98 tilavuus-% komposiittirakenteen kokonaistilavuudesta koostuu yhdestä tai useammasta täyteainekomponen-tista, jotka on upotettu polykiteiseen keraamiseen matriisiin. Polykiteinen keraaminen matriisi koostuu tavallisesti, kun perusmetalli on alumiini ja ilma tai happi on hapetin, n. 60-99 painoprosenttisesti (polykiteisen matriisin painosta) toisiinsa liittyneistä alfa-alumiinioksidihiukkasista ja n. 1-40 painoprosenttisesti (samasta painosta) hapettu-mattomista metallisista aineosista, kuten perusmetallista.

Keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavilla ei-rajoittavilla esimerkeillä.

Esimerkki 1

Tarkoituksena kuvata monimutkaisen geometrian toistumista keraamiseen matriisikomposiittiin, joka sisältää piikar-bidihiukkasia, halkaisijaltaan 25 mm:n 152 mm pitkä kier-teitetty alumiinitanko, joka sisälsi 10 % piitä ja 3 % magnesiumia, upotettiin täydellisesti piikarbidikerrokseen (Norton Co. 39 Crystalon, 90 mesh) ja pidettiin prosessin asetuslämpötilassa 1125°C:ssa 72 h ilmassa. Kokonaisuuni-tusaika oli 87 h 5 h:n kuumennus- ja 10 h:n jäähdytysjaksoi-neen.

Saatu komposiittimateriaali leikattiin poikki tarkoituksena esittää kierteitetyn tangon toistuminen alumiinioksidia 29 84343 olevan keraamisen matriisin ja piikarbidin komposiittimateriaaliin ja se on sellaisenaan kuvattu kuviossa 4. Saadun komposiitin koostumus vahvistettiin röntgensädejauhediff-raktioanalyysillä.

Tässä tapauksessa todettiin kerroksen tarttuneen itseensä ja sen uskotaan olevan seurausta piikarbidihiukkasten osittaisesta hapettumisesta prosessilämpötilassa, jolloin muodostuu piidioksidisideainetta oleva kerros.

Esimerkki 2

Tarkoituksena kuvata monimutkaisen geometrian toistumista alumiinioksidihiukkasia sisältävään keraamiseen matriisikom-ponenttiin, kerros piidioksidihiukkasia levitettiin orgaanisen sideaineen avulla alumiinia olevan 50 mm:n kierteite-tyn tangon pinnalle, joka sisältää 10 % piitä ja 3 % magnesiumia. Tanko upotettiin sitten kokonaan alumiinioksidin kerrokseen (Norton Co. 38 Alundum, 220 mesh) ja kuumennettiin prosessin asetuslämpötilaan, 1250°C:een 50 tunniksi. Kokonaisuunitusaika oli 60 h 5 h:n kuumennus- ja 5 h:n j äähdytysj aksoineen.

Poikki leikattu tanko osoitti kierteitetyn tangon toistumisen ja se on kuvattu sellaisenaan kuviossa 5. Saadun komposiittimateriaalin koostumus vahvistettiin röntgensädejauhedif f raktioanalyysillä. Tässä tapauksessa arvellaan, että lejeeringin pinnalle levitetty kerros sitoutui itseensä ja viereisiin alumiinioksidihiukkasiin muodostaen "tuki-vyöhykkeen", mikä teki mahdolliseksi pinnan toistumisproses-sin.

On huomattava, että kuvioiden 4 ja 5 ruuvikierregeometria olisi erityisen vaikea tehdä millä tahansa perinteisellä keraamisella prosessointimenetelmällä, mutta on melko helppoa valmistaa tämän keksinnön prosessilla.

30 84343

Esimerkki 3 Tämä keksinnön erikoistoteutusmuoto kuvaa monimutkaisen geometrian muodostusta keraamiseen matriisikomposiittiin käyttäen alumiinioksidihiukkasten kerrosta sideaine- ja tukivyöhykkeessä. Tässä kokeessa käytettiin 22 gaugen ruostumatonta terässylinteriä säiliönä perusmetallin ja täyteaineen kokoonpanolle. Säiliön sisähalkaisija oli 8,3 mm ja siinä oli halkaisijaltaan 1,6 mm:n rei'itys, joka aikaansai 40 %:n avopinnan höyryfaasihapettimen diffuusiolle täyteainekerrokseen. Tämä säiliö verhottiin ruostumattomalla teräsverkolla, jossa oli halkaisijaltaan 0,4 mm:n reikiä ja 30 %:n vapaa pinta, täytemateriaalin poistumisen estämiseksi säiliön rei'itysten läpi. Tämä säiliö tai astia suljettiin pohjapäästä ruostumattomalla teräskannella ja täytettiin esipoltetulla heterogeenisellä täytemateriaalilla, joka sisälsi 95 paino-% alfa-alumiinioksidihiukka-sia (Norton Co. 38 Alundum, 90 mesh) ja 5 paino-% piidioksidia (pääasiassa 100 meshin tai suurempi koko). Alumiinitan-ko, jonka pituus oli 660 mm ja halkaisija 27 mm ja johon oli lejeerattu 10 % piitä ja 3 % magnesiumia, valettiin niin, että sen keskiosan pinnalla kahdella kolmasosalla sen pituudesta oli 16 ripamaista uloketta, mitä käytettiin monimutkaisemman muotin muodon toiston puhtauden osoittamiseen. Tanko peitettiin tasaisesti koko pinnaltaan piidioksidilla (pääasiassa 100 meshin tai suurempaa kokoa), joka levitettiin sille orgaanisen sideaineen kanssa. Tanko upotettiin edellä kuvattuun astian sisältämään täyteaineeseen, että keraamisen matriisin kasvu olisi symmetristä ja tapahtuisi aksiaalisesti kohti ruostumattoman teräsastian seinämiä.

Edellä kuvattu systeemi kuumennettiin 1250°C:n asetusläm-pötilaan 225 tunniksi. Koko uunitusaika oli 265 tuntia kuumennusjakson ollessa 10 tuntia ja jäähdytysjakson 30 tuntia.

Edellä esitetty menetelmä tuotti koossapysyvän komposiittimateriaalin, jossa alfa-alumiinioksidimatriisi sulki 3i 84343 sisäänsä täytemateriaalin alfa-alumiinioksidihiukkaset, mikä osoitettiin röntgenjauhediffraktioanalyysillä. Ontelo osoitti erittäin puhdasta valetun alumiinitangon geometrian käänteistä toistoa.

Vaikka edellä on kuvattu yksityiskohtaisesti vain muutamia esimerkkitoteutusmuotoja, alaan perehtyneet voivat helposti arvioida, että tämä keksintö sulkee sisäänsä monia muitakin yhdistelmiä ja muunnoksia kuin esimerkkeinä esitetyt.

Claims (25)

32 84343

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen komposiittikappaleen valmistamiseksi, jossa on ainakin yksi ontelo, joka toistaa käänteisesti perusmetallista tehdyn muotin geometrian, joka komposiittikappale sisältää (1) keraamisen matriisin, joka on saatu hapettamalla sulaa perusmetallia polykiteisen materiaalin muodostamiseksi, joka muodostuu (i) sanotun perusmetallin ja hapettimen hapetusreaktiotuotteestä ja valinnaisesti (ii) yhdestä tai useammasta metalliaineosasta; ja (2) sanottuun matriisiin sisältyvän täyteaineen, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa: (a) muotoillaan perusmetalli muotiksi; (b) upotetaan perusmetallia oleva muotti mukautuvaa täyteainetta olevaan kerrokseen perusmetallimuotin geometrian toistamiseksi käänteisesti siihen, jolle täyteaineelle on luonteenomaista se, että (1) se läpäisee sanottua hapetin-ta, kun hapettimen on päästävä kosketukseen sulan perusmetallin kanssa seuraavassa vaiheessa (c) ja läpäisee syntyvää hapetusreaktiotuotetta sallien sen suotautumisen täyteaine-kerrokseen, (2) säilyttää riittävän mukautuvuuden perusmetallin sulamispisteessä tapahtuvan tilavuusmuutoksen ja perusmetallin ja täyteainekerroksen välisen lämpölaajenemis-eron kompensoinnin aikaansaamiseksi seuraavan vaiheen (c) olosuhteissa ja (3) on ainakin perusmetallimuottia ympäröivässä tukivyöhykkeessä luontaisesti koossapysyvä vain lämpötilassa, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiolämpötilan alapuolella ja riittävän lähellä sitä, sanotun kompensoinnin sallimiseksi, jolloin täyteaineella on riittävä koheesiovoima käänteisesti toistetun geometrian säilyttämiseksi täyteainekerroksessa seuraavan vaiheen (c) olosuhteissa; (c) kuumennetaan täyteainekerrokseen upotettu perusmetal-limuotti lämpötilaan, joka on sen sulamispisteen yläpuolella mutta hapetusreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, sulan perusmetallin muodostamiseksi, ja sanotussa lämpötilassa (1) annetaan sulan perusmetallin reagoida hapettimen kanssa hapetusreaktiotuotteen muodostamiseksi, 33 84343 (2) pidetään ainakin osaa hapetusreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallin ja hapettimen kanssa ja niiden välissä siten, että sulaa metallia kulkeutuu vähitellen hapetusreaktiotuotteen läpi täyteainekerrokseen sanotun ontelon muodostamiseksi samanaikaisesti, kun uutta hape-tusreaktiotuotetta jatkuvasti muodostuu hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapetusreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla, ja (3) jatketaan reaktiota riittävä aika täyteainekerroksen upottamiseksi ainakin osittain hapetusreaktiotuotteeseen kasvattamalla hapetusreaktiotuotetta komposiittikappaleen muodostamiseksi mainittuine onteloineen; ja (d) otetaan talteen tuloksena oleva itsekantava komposiit-tikappale.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin sisältää höyryfaasihapetinta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää ainakin yhtä metallia ryhmästä, johon kuuluvat alumiini, pii, titaani, tina, zirkonium ja hafnium.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin on kiinteä tai nestemäinen sanotussa lämpötilassa ja sitä käytetään valinnaisesti höyryfaasi-hapettimen kanssa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteä hapetin sisältää ainakin yhtä ainetta ryhmästä, johon kuuluvat piidioksidi, boori ja pelkistyvä boridi.

6. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin sisältää aineen, joka valitaan ryhmästä, johon kuuluvat happea sisältävä kaasu, typpeä sisältävä kaasu, halogeeni, rikki, fosfori, arseeni, hiili, boori, seleeni, telluuri, H2/H20-seos, 34 84343 metaani, etaani, propaani, asetyleeni, etyleeni, propylee-ni ja C0/C02~seos tai näiden yhdisteet tai seokset.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin sisältää ilmaa tai muodostuskaasua.

8. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää kiinteää hapetinta komponenttinaan.

9. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää materiaaleja, jotka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat piidioksidi, piikarbidi ja alumiinioksidi.

10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää alumiinia, että hapetin sisältää happea sisältävää kaasua ja että lämpötila on n. 850-1450°C.

11. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetallin yhteydessä käytetään ainakin yhtä lisäainetta.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vähintään yhtä lisäainetta lejeerataan perusmetalliin tai yhtä tai useampia lisäaineista levitetään lisä-ainekerroksena perusmetallin pinnalle ja muodostetaan hape-tusreaktiotuotetta oleellisesti levitettyä lisäainekerrosta syvemmälle tai järjestetään ainakin yhtä lisäainetta ainakin osittain täyteaineen sisälle tai käytetään jotakin näiden yhdistelmää.

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine sisältää kahden tai useamman lähteen seuraavista: magnesium, sinkki, pii, germanium, tina, lyijy, boori, natrium, litium, kalsium, fosfori, yttrium ja harvinainen maametalli. 35 8 4 343

14. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että liitetään täyteaineeseen sideainetta, ainakin sen sanotussa tukivyöhykkeessä.

15. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sanottu polykiteinen materiaali sisältää lisäksi spinellin aloituspinnan, joka spinelli on muodostettu perusmetallin, sanotun lisäaineen ja hapettimen hapetusreaktio-tuotteena.

16. Itsekantava keraaminen komposiittikappale, tunnettu siitä, että kappale sisältää sulan perusmetallin ja ainakin yhden hapettimen hapetusreaktiotuotteesta muodostuvan poly-kiteisen matriisin, jossa on upotettuna täyteainetta, ja että kappaleessa on muotoiltu ontelo, joka on aikaansaatu perusmetallia olevalla muotilla, jonka muodon ontelo toistaa käänteisenä, kun perusmetalli on poistunut ontelosta reagoidessaan sulassa tilassa hapettimen kanssa mainituksi hape-tusreaktiotuotteeksi.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiittikappale, tunnettu siitä, että polykiteinen matriisi sisältää perusmetallin ja höyryfaasihapettimen hapetusreaktio-tuotetta, täyteaineen läpäistessä höyryfaasihapetinta.

18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiittikappale, tunnettu siitä, että se sisältää vähintään 1 tilavuus-% metallisia aineosia.

19. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiittikappale, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää alumiinia ja hapetusreaktiotuote sisältää alfa-alumiinioksidia.

20. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiittikappale, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää alumiinia ja hapetusreaktiotuote sisältää alumiininitridiä. 36 8 4 343

21. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiitti-kappale, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää titaania ja hapetusreaktiotuote sisältää titaaninitridiä.

22. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiit-tikappale, tunnettu siitä, että perusmetalli sisältää piitä ja hapetusreaktiotuote sisältää piikarbidia.

23. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiitti-kappale, tunnettu siitä, että hapetusreaktiotuote sisältää aineen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat oksidit, nitridit, karbidit, boridit ja oksinitridit.

24. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiit-tikappale, tunnettu siitä, että hapetusreaktiotuote sisältää aineen, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat alumiinioksidi, alumiininitridi, piikarbidi, piiboridi, alumiiniboridi, titaaninitridi, zirkoniumnitridi, titaanibo-ridi, zirkoniumboridi, zirkoniumkarbidi, piinitridi, molyb-deenisilisidi, titaanikarbidi, hafniumkarbidi, hafniumbo-ridi, tinaoksidi ja alumiinioksinitridi.

25. Patenttivaatimuksen 16 mukainen keraaminen komposiit-tikappale, tunnettu siitä, että täyteaine sisältää materiaalia, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluu yksi tai useampia alumiinioksidista, piidioksidista, piikarbidis-ta, piialumiinioksinitridistä, zirkoniumoksidista, barium-titanaatista, boorinitridistä, piinitridistä, magnesium-aluminaatista, rautalejeeringeistä, rauta-kromi-alumiini-lejeeringeistä, hiilestä ja alumiinista.