FI92925B - Menetelmä itsekantavan kappaleen valmistamiseksi ja itsekantava materiaali - Google Patents

Description

92925

Menetelmä itsekantavan kappaleen valmistamiseksi ja itsekantava materiaali Förfarande för framställning av en självbärande kropp och självbärande material 5 Tämän keksinnön kohteena on yleisesti ottaen uusi menetelmä itsekan-tavien kappaleiden valmistamiseksi sekä itsekantava sekarakennemateri-10 aali.

Tarkemmin sanottuna tämän keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavien kappaleiden tuottamiseksi käsittäen yhden tai useamman booria sisältävän yhdisteen, esimerkiksi boridin tai boridin ja karbidin, suodatta-15 maila reaktiivisesti sula perusmetalli petiin tai massaan, joka sisältää boorikarbidin ja valinnaisesti yhden tai useamman inerttisen täyteaineen, kappaleen muodostamiseksi.

Viime vuosina on esiintynyt yhä lisääntyvää mielenkiintoa käyttää kera-20 miikkaa rakennesovelluksiin, joissa on aikaisemmin käytetty metalleja. Sysäyksenä tälle mielenkiinnolle on ollut keramiikan paremmuus metal-leihin verrattuna, joka paremmuus liittyy tiettyihin ominaisuuksiin, kuten ruostumattomuuteen, kovuuteen, kulutuksenkestävyyteen, kimmomo-duuliin ja tulenkestävyyteen.

25 . Päärajoituksena keramiikan käyttämiseen tällaisiin tarkoituksiin on kuitenkin ollut toivottujen keraamisten rakenteiden tuottamisen toteutettavuus ja kustannukset. Esimerkiksi keraamisten boridikappaleiden tuottaminen kuumapuristuksella, reaktiosintrauksella ja reaktiokuumapu-30 ristuksella on tunnettua. Kuumapuristuksen yhteydessä toivotun boridin hienot jauhehiukkaset puristetaan yhteen korkeissa lämpötiloissa ja : paineissa. Reaktiokuumapuristus sisältää esimerkiksi sen, että booria tai metalliboridia puristetaan yhteen sopivan metallia sisältävän jauheen kanssa korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. Cloughertyn US-pa-35 tentti 3,937,619 kuvaa boridikappaleen valmistamista kuumapuristamalla jauhemaisen metallin seos jauhemaisen diboridin kanssa, ja Brunin US-patentti A,512,946 kuvaa keraamisen jauheen kuumapuristamista boorin ja metallihydridin kanssa boridikomposiitin muodostamiseksi.

2 92925 Tällaiset kuumapuristusmenetelmät vaativat kuitenkin erityiskäsittelyä ja kalliita erikoislaitteita, ja ne rajoittavat tuotettavan keraamisen kappaleen kokoa ja muotoa sekä niihin liittyy alhaista prosessituot-tavuutta ja korkeita valmistuskustannuksia.

5

Toinen päärajoitus keramiikan käyttämiseen rakennesovolluksiin on niiden yleinen sitkeyden puute (eli vahingoittumisenkestävyys tai murtumi-senkestävyys). Tämä ominaisuus johtaa yleensä äkilliseen, helposti syntyvään keramiikan katastrofaaliseen luhistumiseen sovelluskohteissa, 10 joihin liittyy jopa melko lieviä vetojännityksiä. Tämä sitkeyden puute on yleensä erityisen yleistä monoliittisissa keraamisissa boridikappa-leissa.

Yksi lähestymistapa tämän ongelman voittamiseksi on ollut yritys käyt-15 tää keramiikkaa yhdessä metallien kanssa, esimerkiksi kermetteinä tai metallimatriisikomposiitteina. Tämän lähestymistavan tavoitteena on saavuttaa keramiikan (esim. kovuus ja/tai jäykkyys) ja metallin (esim. venyvyys) parhaiden ominaisuuksien yhdistelmä. Fresnelin (et ai.) US-patentti 4,585,618 esittää menetelmän kermetin tuottamiseksi, jossa 20 hiukkasmaisten reaktanttien bulkkireaktioseoksen, jotka reaktantit reagoivat tuottaen sintratun itsekantavan keraamisen kappaleen, annetaan reagoida sen ollessa kosketuksessa sulan metallin kanssa. Sula metalli suodattuu ainakin osaan saatavasta keraamisesta kappaleesta. Esimerkkinä tällaisesta reaktioseoksesta mainittakoon seos, joka sisältää titaa-r 25 nia, alumiinia ja boorioksidia (kaikki hiukkasmaisessa muodossa), joka seos kuumennetaan sen ollessa kosketuksessa sulan alumiinin kanssa. Reaktioseos reagoi muodostaen titaanidibodirin ja alumiinioksidin keraamisena faasina, johon sula alumiini suotautuu. Tässä menetelmässä käytetään alumiinia näin ollen reaktioseoksessa pääasiassa pelkistime-30 nä. Lisäksi sulan alumiinin ulkoista allasta ei käytetä esiastemetallin lähteenä boridinmuodostusreaktiota varten, vaan sitä käytetää pikemminkin välineenä saatavassa keraamisessa kappaleessa olevien huokosten täyttämiseksi. Tämä tuottaa kermetit, jotka ovat kostutettavissa ja vastustavat sulaa alumiinia. Nämä kermetit ovat erityisen hyödyllisiä 35 alumiinituotantosoluissa ainesosina, jotka tulevat kosketukseen tuotetun sulan alumiinin kanssa, mutta jotka eivät tule mielellään kosketuk- 92925 3 seen sulan kryoliitin kanssa. Tässä prosessissa ei käytetä myöskään boorikarbidia.

Reeven (et ai.) eurooppalaisessa hakemuksessa 0,113,249 esitetään mene-5 telmä kermetin valmistamiseksi muodostamalla ensin paikan päällä keraamisen faasin hajautettuja hiukkasia sulan metallin faasiin ja pitämällä tämän jälkeen yllä tätä sulaa tilaa niin kauan, että voidaan saada aikaan yhteenkasvaneen keraamisen verkoston muodostuminen. Keraamisen faasin muodostuminen on havainnollistettu antamalla titaanisuolan rea-10 goida boorisuolan kanssa sulassa metallissa, kuten alumiinissa. Keraaminen boridi kehitetään paikan päällä, siitä muodostuu yhteenkasvanut verkosto. Mitään suodattumista ei kuitenkaan tapahdu, ja lisäksi boridi muodostetaan sulaan metalliin sakkana. Hakemuksen molemmat esimerkit esittävät selvästi, että mitään TiAl3:n, AlB2:n tai AlB12:n rakeita ei 15 muodostu, vaan muodostuu pikemminkin TiB2:ta, mikä osoittaa sen, että alumiini ei ole metalliesiaste boridille. Ei myöskään esitetä, että prosessissa käytetään esiastemateriaalina boorikarbidia.

Gazzan (et ai.) US-patentissa 3,864,154 esitetään suodattamalla tuo-20 tettu keraamis-metallinen järjestelmä. AlB12-puristelma kyllästettiin sulalla alumiinilla tyhjön alaisena, jotta voitiin saada aikaan näiden ainesosien yhdistelmä. Muita valmistettuja materiaaleja olivat SiB6-Al, B-Al; B^C-Al/Si; ja A1B12-B-Al. Mitään ei kuitenkaan esitetä reaktiosta, eikä komposiittien valmistamisesta, jotka sisältävät reaktion suodattu-: 25 van metallin kanssa, eikä mistään reaktiotuotteesta, joka sulkee si säänsä inerttisen täyteaineen tai joka on osa komposiitista.

Halversonin (et ai.) US-patentti 4,605,440 esittää, että B4C-A1 -komposiittien aikaansaamiseksi B4C-A1 -puriste (joka on muodostettu kylmä-30 puristamalla B^C- ja AI-jauheiden homogeeninen seos) saatetaan sintrauk-sen alaiseksi joko tyhjössä tai argonin kaasukehässä. Mitään sulan metallin suodattumista ei tapahdu sulan esiastemetallin altaasta tai massasta esimuottiin. Ei mainita myöskään inerttisen täyteaineen sisäänsä sulkevaa reaktiotuotetta, jotta voidaa saada aikaan komposiitit, 35 jotka käyttävät hyväkseen täyteaineen suotuisia ominaisuuksia.

4 92925

Vaikka nämä menetelmät kermettimateriaalien tuottamiseksi ovat joissakin tapauksissa tuottaneet lupaavia tuloksia, on yleinen tarve saavuttaa tehokkaampia ja taloudellisimpia menetelmiä boridia sisältävien materiaalien valmistamiseksi.

5

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavaa: (a) valitaan perusmetalli, (b) kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä kaasukehässä sen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan, jotta voidaan muodostaa sulaa metal-10 lia, ja saatetaan sula perusmetalli kosketukseen boorikarbidia ja mahdollisesti booria sisältävän massan kanssa, (c) pidetään sanottua lämpötilaa yllä niin kauan, että sula perusmetalli suodattuu mainittuun massaan ja sula perusmetalli reagoi boorikarbidin ja mahdollisesti boorin kanssa, jotta muodostuu yhtä tai useampaa booria sisältävää 15 yhdistettä, ja (d) jatketaan suodattumista ja reaktiota niin kauan, että saadaan tuotetuksi sanottu itsekantava kappale, joka käsittää yhtä tai useampaa perusmetallin booria sisältävää yhdistettä ja valinnaisesti yhtä tai useampaa perusmetallin hiiltä sisältävää yhdistettä ja j äännösperusmetallia.

20

Keksinnön mukainen tuote on puolestaan tunnettu siitä, että se käsittää metallisen faasin, joka faasi on sirkoniumia, titaania tai hafniumia, ja kolmiulotteisesti yhdistyneen keraamisen faasin, joka ulottuu seka-rakennemateriaalin rajoille, ja joka on sirkoniumin karbidia, titaanin : 25 karbidia tai hafniumin karbidia sekä edellämainittujen metallikarbidien metallin booria, jolla boridilla on levykemäinen rakenne.

Tämän keksinnön mukaisesti tuotetaan itsekantavia keraamisia kappaleita käyttäen hyväksi perusmetallin suodattumista ja reaktioprosessia (eli 30 reaktiivista suodattumista) boorikarbidin läsnäollessa. Boorikarbidin peti tai massa suodatetaan sulalla perusmetallilla, ja peti voi koostua kokonaan boorikarbidista, jolloin saadaan itsekantava kappale, joka käsittää yhden tai useamman booria sisältävän yhdisteen, jotka yhdisteet sisältävät perusmetallin boridia tai perusmetallin boorikarbidia 35 tai molempia ja jotka voivat sisältää myös perusmetallin karbidia.

Massa, joka suodatetaan metallilla, voi vaihtoehtoisesti sisältää yhtä 92925 5 tai useampaa inerttistä täyteainetta boorikarbidiin sekoitettuna, jotta voidaan tuottaa reaktiivisen suodattamisen avulla sekarakenne, joka käsittää yhden tai useamman booria sisältävän yhdisteen matriisin ja voi sisältää myös perusmetallin karbidin. Molemmissa suoritusmuodoissa 5 lopullinen tuote voi sisältää yhden tai useamman metallin ainesosaa, jota voi sisältyä perusmetalliin. Reaktantin pitoisuuksia ja prosessi-olosuhteita voidaan muuntaa tai säätää kappaleen aikaansaamiseksi, joka sisältää vaihtelevia tilavuusprosentteja keraamisia yhdisteitä, metallia ja/tai huokoisuutta.

10

Yleisesti ottaen tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä boorikarbidin käsittävä massa sijoitetaan sulan metallin tai metalliseoksen massan viereen tai sen kanssa kosketukseen, joka massa sulatetaan olennaisesti inerttisessä ympäristössä tietyssä lämpötilaskaalassa. Sula metalli 15 suodattuu massaan ja reagoi boorikarbidin kanssa yhden tai useamman reaktiotuotteen muodostamiseksi. Boorikarbidi on ainakin osittain pelkistettävissä sulalla perusmetallilla, jotta voidaan muodostaa perusmetallin booria sisältävä yhdiste, esim. perusmetallin boridi ja/tai booriyhdiste prosessin lämpötilaolosuhteissa. Tyypillisesti tuotetaan 20 myös perusmetallin karbidi, ja tietyissä tapauksissa tuotetaan perusmetallin boorikarbidi. Ainakin osa reaktiotuotteesta pidetään yhteydessä metallin kanssa, ja sula metalli vetäytyy tai kulkeutuu kohti reagoimatonta boorikarbidia sydän- tai kapillaaritoiminnon avulla. Tämä kulkeutunut metalli muodostaa lisää perusmetallin boridia, karbidia ja/tai . 25 boorikarbidia, ja keraamisen kappaleen muodostamista tai kehittymistä jatketaan, kunnes perusmetalli tai boorikarbidi on kulutettu tai kunnes reaktiolämpötila muunnetaan reaktiolämpötilaskaalan ulkopuolelle. Saatava rakenne käsittää yhden tai useamman perusmetallin boridin, perusmetallin booriyhdisteen, perusmetallin karbidin, metallin (jonka tässä 30 käytettynä on tarkoitettu sisältävän lejeerinkejä ja metallien välisiä yhdisteitä) tai ontelolta tai näiden yhdistelmän, ja nämä yhdet tai useammat faasit voivat olla toisiinsa yhdistettyjä tai eristettyjä yhdessä tai useammassa ulottuvuudessa. Booria sisältävien yhdisteiden (eli boridin ja booriyhdisteiden) lopullisia tilavuusosia, hiiliä si-35 sältäviä yhdisteitä, metallisia faaseja ja yhdistyneisyyden astetta voidaan säädellä muuttamalla yhtä tai useampaa tilaa, kuten boorikarbi- 6 92925 dikappaleen alkuperäistä tiheyttä, boorikarbidin ja perusmetallin suhteellisia määriä, perusmetallin lejeeraamista, boorikarbidin laimentamista täyteaineella, lämpötilaa ja aikaa. Boorikarbidin massa on tyypillisesti ainakin jonkin verran huokoinen, jotta voidaan sallia perus-5 metallin imeytyminen reaktiotuotteen läpi. Imeytyminen tapahtuu ilmeisesti, koska mikä tahansa reaktiossa esiintyvä tilavuusmuutos ei sulje täysin huokosia, joiden läpi perusmetalli voi jatkaa imeytyrnistään, tai koska reaktiotuote jää läpäiseväksi sulalle metallille johtuen sellaisista tekijöistä, kuten pintaenergiat, jotka tekevät ainakin osan sen 10 raerajoista läpäseväksi perusmetallille.

Toisessa suoritusmuodossa tuotetaan sekarakenne antamalla sulaa perusmetallia kulkeutua boorikarbidin petiin, joka on sekoitettu yhden tai useamman inerttisen täyteaineen kanssa. Tässä suoritusmuodossa boori-15 karbidi yhdistetään sopivaan täyteaineeseen, joka sijoitetaan tämän jälkeen sulan perusmetallin viereen tai kosketukseen sen kanssa. Tämä kooste voidaan tukea erillisen pedin päälle tai erilliseen petiin, joka ei olennaisesti kostu eikä reagoi sulan metallin kanssa prosessiolosuh-teissa. Sula perusmetalli suodattuu boorikarbidin ja täyteaineen seok-20 seen ja reagoi boorikarbidin kanssa muodostaen yhden tai useamman booria sisältävän yhdisteen. Saatava itsekantava keraamismeiällinen kappale on tyypillisesti tiheä mikrorakenne, joka käsittää matriisin sisäänsä sulkeman täyteaineen käsittäen booria sisältävän yhdisteen (booria sisältäviä yhdisteitä) ja voi sisältää myös karbidin ja metallin. Tar-25 vitaan ainoastaan pieni määrä boorikarbidia reaktiivisen suodattumis-prosessin edistämiseksi. Saatava matriisi voi näin ollen vaihdella sisällöltään siten, että se muodostuu pääasiassa metallisista ainesosista osoittaen näin perusmetallille luonteenomaisia tiettyjä ominaisuuksia ja siten, että prosessissa käytetään boorikarbidin suurta pi-30 toisuutta, jolloin voidaan tuottaa merkittävä booria sisältävän yhdis-teen (booria sisältävien yhdisteiden) faasi, joka yhdessä minkä tahansa hiiltä sisältävien yhdisteiden kanssa hallitsee matriisin ominaisuuksia. Täyteaine voi auttaa parantamaan komposiitin ominaisuuksia, alentamaan komposiitin raaka-ainekustannuksia tai lieventämään booria si-35 sältävän yhdisteen (booria sisältävien yhdisteiden) kinetiikkaa ja/tai li 92925 7 hiiltä sisältävän yhdisteen muodostumisreaktioita ja niihiin liittyvän lämmönkehityksen nopeutta.

Toisessa suoritusmuodossa suodatettava materiaali muodostetaan esi-5 muotiksi, joka vastaa toivotun lopullisen yhdisteen geometriaa. Esi-muotin myöhemmin tapahtuva reaktiivinen suodattaminen sulalla perusmetallilla johtaa sekarakenteeseen, jolla on esimuotin lopullinen muoto tai lähes lopullinen muoto, mikä minimoi kalliita lopullisia työstö- ja viimeistelytoimintoj a.

10 Tässä erittelyssä ja myöhemmin seuraavissa patenttivaatimuksissa käytettyinä allaolevat termit määritetään seuraavasti: "Perusmetalli" viittaa metalliin, esimerkiksi sirkoniumiin, joka on 15 esiaste monikiteiselle hapettumisreaktiotuotteelle, eli perusmetallin boridille tai muulle perusmetallin booriyhdisteelle, ja sisältää tämän metallin puhtaana tai suhteellisen puhtaana metallina, kaupallisesti saatavana metallina epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisättyine aines-osineen ja seoksena, jossa tämä metallin esiaste on pääainesosa; ja kun 20 tietty metalli mainitaan perusmetalliksi, esim. sirkoniumiksi. tunnistettu metalli tulisi tulkita tämän määritelmän mukaisesti, ellei tekstin asiasisältö muuta osoita.

"Perusmetallin boridi" ja "perusmetallin booriyhdisteet" tarkoittavat • 25 booria sisältävää reaktiotuotetta, joka on muodostettu boorikarbidin ja perusmetallin välisellä reaktiolla ja sisältää boorin binaarisin yhdisteen perusmetallin kanssa sekä tertiäärisiä tai korkeamman asteen yhdisteitä .

30 "Perusmetallin karbidi" tarkoittaa hiiltä sisältävää reaktiotuotetta, joka on muodostettu karbidin ja perusmetallin reaktion avulla.

Kuvio 1 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva, joka esittää perusmetallin harkkoa upotettuna boorikarbidin hiukkasiin tulenkestä-35 vään upokkaaseen keksinnön mukaan tapahtuvaa prosessointia varten.

8 92925

Kuvio 2 on kaaviomainen poikkileikkauksellinen pystykuva, joka esittää perusmetallin harkon sijoitettuna boorikarbidin esimuotin viereen ja upotettuna inerttiseen petiin tulenkestävään upokkaaseen keksinnön mukaan tapahtuvaa prosessointia varten.

5

Kuvio 3 on 1000-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva keraamisen komposiitin osasta, joka komposiitti on muodostettu Esimerkissä I kuvatun menetelmän mukaisesti.

10 Kuvio 4 on 1500-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva keraamisen komposiitin osasta, joka komposiitti on muodostettu Esimerkissä VI kuvatun menetelmän mukaisesti.

Kuvio 5 on 1500-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva keraamisen kom-15 posiitin osasta, joka komposiitti on muodostettu Esimerkissä VIII kuvatun menetelmän mukaisesti.

Keksinnön mukaisesti itsekantava kappale tuotetaan suodattamalla reaktiivisesti sula perusmetalli boorikarbidin kanssa monikiteisen kera-20 miikkaa sisältävän kappaleen muodostamiseksi, joka käsittää perusmetallin reaktiotuotteen (reaktiotuotteet) boorikarbidin kanssa ja voi sisältää myös perusmetallin yhden tai useamman ainesosan. Boorikarbidi, joka on tyypillisesti jähmeä aine prosessiolosuhteissa, on suositeltavasta hienojen hiukkasten tai jauheen muodossa. Prosessin ympäristö eli . 25 kaasukehä valitaan siten, että se on suhteellisen inerttinen tai rea goimaton prosessiolosuhteissa. Esimerkiksi argon tai tyhjö olisivat tyypillisiä kaasukehiä. Saatava tuote käsittää yhden tai useamman perusmetallin boridin (a), booriyhdisteen (b), tavallisesti perusmetallin karbidin (c) ja metallin (d). Tuotteessa olevat ainesosat ja pitoisuu-30 det riippuvat pääasiassa perusmetallin koostumuksen valinnasta ja reaktio-olosuhteista. Tuotetussa itsekantavassa kappaleessa voi olla lisäksi huokoisuutta tai tyhjiöitä.

Tämän keksinnön suositeltavissa suoritusmuodoissa perusmetalli ja boo-35 rikarbidin massa tai peti sijoitetaan toistensa viereen siten, että reaktiivinen suodattuminen tapahtuu kohti pedin suuntaa tai petiin.

92925 9

Peti, joka voi olla esimuodostettu, voi sisältää täyteaineen, kuten vahvistavan täyteaineen, joka on olennaisesti inerttinen prosessi-olosuhteissa. Reaktiotuote voi kasvaa petiin sitä olennaisesti häiritsemättä tai syrjäyttämättä. Näin ollen ei vaadita mitään ulkoisia voi-5 mia, jotka voisivat vahingoittaa tai häiritä pedin järjestelyä, eikä mitään hankalia tai kalliita, korkeita lämpötiloja ja korkeita paineita vaativia prosesseja ja laitteistoja reaktiotuotteen luomiseksi. Perusmetallin reaktiivinen suodattuminen boorikarbidiin ja boorikarbidin kanssa, joka on mielellään hiukkasten tai jauheen muodossa, muodostaa 10 komposiitin, joka käsittää tyypillisesti perusmetallin boridin ja perusmetallin booriyhdisteen. Alumiinin ollessa perusmetallina tuote voi käsittää alumiiniboorikarbidin (esim. A13B48C2, A1B12C2, A1B24C4) ja voi sisältää myös metallia, kuten alumiinia, ja mahdollisesti perusmetallin muita reagoimattomia tai hapettumattomia ainesosia. Jos perusmetallina 15 on sirkonium, saatava komposiitti käsittää sirkoniumboridin ja sir-koniumkarbidin. Komposiitissa voi olla myös sirkoniummetallia.

Vaikka tätä keksintöä kuvataan tämän jälkeen viitaten erityisesti tiettyihin suositeltaviin suoritusmuotoihin, joissa sirkonium tai alumiini 20 on perusmetallina, tämä tehdään ainoastaan havainnollistamisen vuoksi. Voidaan käyttää myös muita perusmetalleja, joita ovat esimerkiksi pii, titaani, hafnium, lantaani, rauta, kalsium, vanadiini, niobium, magnesium ja beryllium, ja alla esitetään useita esimerkkejä tällaisista perusmetalleista.

25

Kuviossa 1 perusmetalli 10 esiasteena, esim. sirkoniumina, muodostetaan harkoksi, billetiksi, sauvaksi, levyksi tai vastaavaksi. Metalli upotetaan ainakin osaksi hiukkasmaiseen boorikarbidiin 12, jonka hiukkaskoko on mielellään noin 0,1-100 μιη. Tämä kooste tai järjestelmä ympäröidään 30 inerttisellä materiaalilla 14 tyypillisesti hiukkasten muodossa, jota sula metalli ei kostuta ja jonka kanssa sula metalli ei reagoi proses-siolosuhteissa, ja on sijoitettu upokkaaseen 16 tai muuhun tulenkestävään astiaan. Perusmetallin päälipinta 18 voidaan asettaa paljaaksi tai perusmetalli voidaan upottaa täysin boorikarbidiin tai ympäröidä boori-35 karbidilla, ja lisäksi inerttinen peti 14 voidaan jättää pois. Tämä kooste sijoitetaan uuniin ja kuumennetaan, mielellään inerttisessä • 92925 10 kaasukehässä kuten argon, perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta suositeltavasti toivotun reaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella, jotta voidaan muodostaa sulan metallin massa tai allas. Tulisi ymmärtää, että käytettävä lämpötila-alue tai suositeltava lämpötila ei 5 voi ulottua tämän koko välin yli. Lämpötila-alue riippuu paljolti sellaisista tekijöistä kuten perusmetallin koostumus ja saatavaan komposiittiin toivotut faasit. Sula metalli tulee kosketukseen boorikar-bidin kanssa, ja perusmetallin boridi (esim. sirkoniumdiboridi) muodostetaan reaktiotuotteena. Ollessaan jatkuvasti alttiina boorikarbidille 10 jäljellä oleva sula metalli vetäytyy vähitellen edeten reaktiotuotteen läpi boorikarbidin sisältävän massan suuntaan ja massaan, jotta voidaan järjestää reaktiotuotteen jatkuva muodostuminen sulan metallin ja boorikarbidin välisellä rajapinnalla. Tämän menetelmän avulla tuotettu tuote käsittää perusmetallin reaktiotuotteen (reaktiotuotteet) boori-15 karbidin kanssa tai voi käsittää keraamismetallisen komposiitin sisäl-tääkseen edelleen perusmetallin yhden tai useamman reagoimattoman tai hapettumattoman ainesosan. Huomattava määrä boorikarbidia reagoi reaktiotuotteen (reaktiotuotteiden) muodostamiseksi, joka määrä on mielellään ainakin noin 50% ja mieluummin ainakin noin 90%. Prosessin reak-20 tiotuotteena muodostuneet keraamiset kristalliitit voivat olla toisiinsa yhdistyneitä tai yhdistymättömiä, mutta ne ovat suositeltavasti toisiinsa yhdistyneitä kolmessa ulottuvuudessa, ja tuotteessa olevat metalliset faasit ja mitkä tahansa tyhjöt ovat normaalisti ainakin osaksi toisiinsa yhdistyneitä. Mikä tahansa huokoisuus johtuu tavaili-. 25 sesti perusmetallin faasin osittaisesta tai lähes täydellisestä lop- puunkulumisesta lisäreaktiotuotteen muodostumisen hyväksi (kuten silloin, kun stökiömetrisiä reaktantteja tai liikaa boorikarbidia on läsnä), mutta tyhjöjen tilavuusprosentti riippuu sellaisista tekijöistä kuten lämpötila, aika, perusmetallin tyyppi ja boorikarbidin massan 30 huokoisuus.

On havaittu, että tämän keksinnön mukaisesti valmistetut tuotteet, joissa perusmetallina käytetään sirkoniumia, titaania ja hafniumia, muodostavat perusmetallin boridin, jolle on tyypillistä levymäinen 35 rakenne. Nämälevykkeet ovat tyypillisesti kohdistamattomia tai satunnaisesti suuntautuneita, kuten kuvioista 3,4 ja 5 voidaan nähdä. On 92925 11 ilmeistä, että tämän levykemäisen rakenteen ja metallisen faasin ansiota on ainakin suurelta osin tämän komposiitin erittäin korkea murto-lujuus, noin 12 mega-pascalimetriä 1/2 tai korkeampi, johtuen säröpoik-keama- ja/tai ulosvetomekanismeista.

5

Keksinnön toisessa suoritusmuodossa järjestetään itsekantava kappale, joka sisältää sekarakennekappaleita, jotka käsittävät reaktiotuotteen matriisin ja valinnaisesti metallisia ainesosia, jotka sulkevat sisäänsä inerttisen täyteaineen. Matriisi muodostetaan suodattamalla reaktii-10 visesti perusmetalli täyteaineen petiin tai massaan, joka on sekoitettu perusteellisesti boorikarbidilla. Täyteaine voi olla minkä tahansa kokoinen tai muotoinen, ja se voi olla asetettu suhteessa perusmetalliin millä tahansa tavalla, kunhan reaktiotuotteen kehittymisen suunta on kohti ainakin täyteaineen osaa ja sulkee sen ainakin osittain si-15 säänsä sitä olennaisesti häiritsemättä tai syrjäyttämättä. Täyteaine voi olla koostunut mistä tahansa sopivasta materiaalista tai käsittää tällaisen materiaalin, joka materiaali voi käsittää keraamisia ja/tai metallisia kuituja, karvoja, hiukkasia, jauheita, sauvoja, lankoja, viirakankaan, tulenkestävän kankaan, levyjä, levykkeitä, verkkomaisen 20 vaahtorakenteen, kiinteitä tai onttoja palloja, jne. Erityisen hyödyllinen täyteaine on alumiinioksidi, mutta muitakin oksideja ja keraamisia täyteaineita voidaan käyttää riippuen lähtömateriaaleista ja toivotuista lopullisista ominaisuuksista. Täyteaineen tilavuus voi käsittää irtonaisen tai sidotun koosteen tai järlestelmän, jossa koosteessa on • 25 välejä, aukkoja, välitiloja tai vastaavia, jotta täyteaine saadaan läpäiseväksi sulan perusmetallin suodattumiselle. Täyteaine voi edelleen olla homogeeninen tai heterogeeninen. Nämä materiaalit voidaan haluttaessa sitoa millä tahansa sopivalla sideaineella (esim. Avicil PH 105 yhtiöltä FMC Co.), joka ei häiritse tämän keksinnön mukaisia reak-30 tioita tai jätä lopulliseen komposiittituotteeseen mitään ei-toivottuja jäännesivutuotteita. Täyteaine, joka pyrkii reagoimaan liian paljon boorikarbidin tai sulan metallin kanssa prosessoinnin aikana, voidaan päällystää, jotta täyteaineesta tulisi inerttinen prosessiympäristölle. Esimerkiksi hiilikuitu, jos sitä käytetään täyteaineena alumiinin ol-35 lessa perusmetallina, pyrkii reagoimaan sulan metallin kanssa, mutta 12 92925 tämä reaktio voidaan välttää, jos kuitu päällystetään ensin esimerkiksi alumiinioksidilla.

Sopiva tulenkestävä säiliö, joka sisältää perusmetallin ja täyteaineen 5 pedin tai tilavuuden sekoitettuna boorikarbidin kanssa, joka on sopivasti asetettu perusmetallin reaktiivisen suodattumisen sallimiseksi täyteaineen petiin ja sekarakenteen sopivan kehittymisen sallimiseksi, sijoitetaan uuniin, ja tämä kooste kuumennetaan perusmetallin sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan. Näissä korkeissa lämpötiloissa 10 sula perusmetalli suodattuu läpäisevään täyteaineeseen imeytymispro- sessin avulla ja reagoi boorikarbidin kanssa, jolloin saadaan tuotetuksi toivottu keraaminen tai keraamismetallinen sekarakennekappale.

Tämän keksinnön mukaisesti valmistettu komposiitti on esitetty Kuviossa 15 2. Boorikarbidi yhdessä minkä tahansa toivotun inerttisen täyteaineen kanssa valmistetaan esimuotiksi, jonka muoto vastaa lopullisen sekarakenteen toivottua geometriaa. Esimuotti 20 on asetettu perusmetallin esiasteen 10 päälle ja koostetta ympäröi inerttinen materiaali 14, joka on sijoitettu upokkaaseen 16. Perusmetallin päälipinta 18 voi olla 20 paljaana tai paljastamattomana. Esimuotti 20 voidaan valmistaa useilla erilaisilla tavanomaisilla keraamisten kappaleiden muodostusmenetelmil-lä (joita ovat esimerkiksi yksiakselinen puristus, isostaattinen puristus, liukuvalu, sedimenttivalu, nauhavalu, ruiskupuristus, kuituisten materiaalien säiekäämintä, jne.) riippuen täyteaineen ominaisuuksista.

: 25 Täyteaineen hiukkasten, karvojen, kuitujen tai vastaavien alkuperäinen sitoutuminen ennen reaktiivista suodattumista voidaan saada aikaan kevyellä sintrauksella tai käyttämällä erilaisia orgaanisia tai epäorgaanisia sideaineita, jotka eivät häiritse prosessia tai tuota lopulliseen materiaaliin ei-toivottavia sivutuotteita. Esimuotti 20 valmiste-30 taan siten, että sillä on riittävä muodon yhtenäisyys ja raakalujuus ja että se olisi läpäisevä sulan metallin kululle ja että sen huokoisuus olisi mielellään noin 5-90 tilavuusprosenttia ja mieluummin noin 25-75 tilavuusprosenttia. Alumiinin ollessa perusmetallina sopivia täyteaineita ovat esimerkiksi piikarbidi, titaaniboridi, alumiinioksidi ja 35 alumiinidodekaboridi (muun muassa), joiden seulamitta hiukkasina on tyypillisesti noin 14-1000 (= US-standardin mukaan ja vastaa noin 12- li 92925 13 1400 mikronia) mutta voidaan käyttää myös mitä tahansa täyteaineiden ja hiukkaskokojen yhdistelmää. Esimuotti 20 saatetaan tämän jälkeen kosketukseen sulan perusmetallin kanssa sen yhdellä tai useammalla pinnalla niin pitkään, että voidaan saattaa loppuun matriisin suodattuminen esi-5 muotin pintarajoihin. Tämän esimuottimenetelmän tuloksena saavutetaan keraamismetallinen sekarakennekappale, jonka muoto vastaa lähes tai täysin lopullisen tuotteen toivottua muotoa, mikä minimoi tai eliminoi kalliit lopulliset työstämis- tai hiomistoimenpiteet.

10 On havaittu, että läpäisevän täyteaineen suodattumista perusmetallilla edistää täyteaineessa oleva boorikarbidi. On osoitettu, että pieni määrä boorilähdettä on vaikuttava, mutta minimimäärä riippuu useista tekijöistä, joita ovat esimerkiksi boorikarbidin tyyppi ja hiukkaskoko, perusmetallin tyyppi, täyteainetyyppi ja prosessiolosuhteet. Näin ollen 15 täyteaineeseen voidaan järjestää useita erilaisia boorikarbidipitoi-suuksia, mutta mitä alempi boorikarbidin pitoisuus on, sitä korkeampi on matriisissa olevan metallin tilavuusprosentti. Kun käytetään hyvin alhaisia määriä boorikarbidia, esim. 1-3 painoprosenttia, mikä perustuu boorikarbidin sekä täyteaineen kokonaispainoon, saatava matriisi on 20 yhdistynyttä metallia ja rajoitettu määrä perusmetallin boridia ja perusmetallin karbidia metalliin hajautettuina. Jos boorikarbidia ei käytetä, täyteaineen reaktiivista suodattumista ei ehkä tapahdu, eikä suodattuminen ole ehkä mahdollista ilman erikoismenetelmiä, kuten ulkoisen paineen kohtaamista metallin pakottamiseksi täyteaineeseen.

f 25

Koska täyteaineessa voidaan käyttää hyvin erilaisia boorikarbidipitoi-suuksia tämän keksinnön mukaisessa prosessissa, on mahdollista säätää tai muunnella lopullisen tuotteen ominaisuuksia vaihtelemalla boorikarbidin pitoisuutta ja/tai pedin koostumusta. Kun käytetään ainoastaan 30 pientä määrää boorikarbidia suhteessa perv^metallin määrään siten, että massa käsittää alhaisen tiheyden boorikarbidia, sekarakennekappaleen ja matriisin ominaisuuksia hallitsevat perusmetallin ominaisuudet, tyypillisimmin venyvyys ja sitkeys, koska matriisi on hallitsevasti metallia. Tällainen tuote voi olla edullinen alhaisia tai keskialueen lämpöti-35 lasovelluksia ajatellen. Kun käytetään suuria määriä boorikarbidia, kuten esimerkiksi silloin, kun boorikarbidihiukkasilla varustettu yh- 14 92925 diste (boorikarbldihiukkasilia varustetut yhdisteet) on tiivistetty tiheästi täyteaineen ympärille tai kattaa suuren prosentuaalisen tilan täyteaineen ainesosien välillä, saatavan kappaleen tai matriisin ominaisuuksia hallitsevat tyypillisesti perusmetallin boridi ja mikä ta-5 hansa perusmetallin boridi siten, että kappale tai matriisi olisivat kovempia tai vähemmän venyviä tai vähemmän sitkeitä. Jos stökiömetriaa säädetään tarkasti, jotta voidaan saada aikaan perusmetallin olennaisesti täydellinen muuntuminen, saatava tuote sisältää vähän tai ei ollenkaan metallia, mikä voi olla hyödyllistä tuotteen korkean lämpöti-10 lan sovelluksia ajatellen. Lisäksi perusmetallin olennaisesti täydellinen muuntuminen voisi olla tärkeätä erityisesti joissakin korkean lämpötilan sovelluksissa, koska boridireaktiotuote on stabiilimpi kuin boorikarbidi siten, että boorikarbidi pyrkii reagoimaan jäljelläolevan tai hapettumattoman metallin, esim. alumiinin kanssa, jota tuotteessa 15 käytetään. Alkuainehiili voidaan haluttaessa sekoittaa boorikarbidipe-din tai boorikarbidin sisältävän esimuotin sekä täyteaineen kanssa.

Tämä ylimäärähiili, joka vaihtelee tyypillisesti noin 5-10 painoprosenttia kokonaispedistä, reagoi perusmetallin kanssa taaten näin metallin olennaisesti täydellisen reaktion. Tämä metallin ja hiilen väli-20 nen reaktio riippuu paljolti käytetyn hiilen suhteellisesta määrästä, tyypistä, esim. hiilimustasta tai grafiitista, ja kiteisyydestä. Näiden äärimmäisyysominaisuuksien valinta voi olla erittäin toivottavaa, jotta voidaan tyydyttää näiden tuotteiden erilaisten mahdollisten sovellusten tarpeet.

; 25

Alkuaineboori voidaan sekoittaa myös boorikarbidipedin kanssa (mukaanlukien täyteaineen pedin), jotta voidaan helpottaa reaktiivista suodattumista erityisesti silloin, kun alumiinia käytetään perusmetallina. Tällainen seos vähentää pedin kustannuksia suhteessa kaikkeen booriin, 30 johtaa tuotteen muodostumiseen, joka sisältää boorikarbidia, kuten alumiiniboorikarbidia, jolla on tiettyjä alumiiniboridiin verrattavia ominaisuuksia, ja estää alumiinikarbidin muodostumisen, joka on epästabiili kosteuden yhteydessä ja alentaa siksi tuotteen rakenteellisia ominaisuuksia. Seoksessa perusmetalli reagoi alkeisboorin kanssa muo-35 dostaakseen mielellään metalliboridin, mutta samalla muodostuu myös booriyhdiste.

Il 92925 15

Komposiitin ominaisuuksiin voidaan luoda lisävaihtoehtoja säätämällä suodattumisominaisuuksia. Säädettävät vaihtoehdot sisältävät boorikar-bidimateriaalin hiukkasten luonteen ja koon sekä suodattumisen lämpötilan ja ajan. Esimerkiksi reaktiivinen suodattuminen, joka sisältää 5 suuria boorikarbidihiukkasia ja minimialtistusaikoja alhaisissa lämpötiloissa, johtaa boorikarbidin osittaiseen muuttumiseen perusmetallin booriksi ja perusmetallin hiiliyhdisteeksi (hiiliyhdisteiksi). Tämän seurauksena reagoimaton boorikarbidimateriaali jää mikrorakenteeseen, joka saattaa aiheuttaa toivottuja ominaisuuksia lopulliseen materiaali) liin joitakin tarkoitusperiä varten. Suodattumisen aikana boorikarbi- dihiukkasten korkeiden lämpötilojen ja pitkien suodattumisaikojen käyttö pyrkii suosimaan perusmetallin olennaisesti täydellistä muuntumista perusmetallin boridiksi ja hiiliyhdisteeksi (hiiliyhdisteiksi). Boorikarbidin muuntuminen perusmetallin boridiksi, perusmetallin booriyhdis-15 teeksi (booriyhdisteiksi) ja perusmetallin karbidiksi on ainakin noin 50%, ja mieluummin ainakin noin 90%. Suodattaminen korkeissa lämpötiloissa (tai riittävä käsittely korkeassa lämpötilassa) voi johtaa myös joidenkin sekarakenteiden ainesosien tihentymiseen sintrausprosessin yhteydessä. Lisäksi ylläkuvatun mukaisesti saatavissa olevan perusme-20 tallin määrän väheneminen, mikä alittaa määrän, jota tarvitaan muodostamaan boori- ja hiiliyhdiste (boori- ja hiiliyhdisteet) ja täyttämään materiaalissa olevat raot, voi johtaa huokoiseen kappaleeseen, jolla voisi myös olla hyödyllisiä sovelluskohteita. Tällaisessa komposiitissa huokoisuus voi vaihdella välillä noin 1-25 tilavuusprosenttia tai jos-25 kus korkeammalla välillä, riippuen useista yllämainituista tekijöistä tai olosuhteista.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat tämän keksinnön mukaisia uusia reaktiotuotteita ja menetelmää, jolla ne on valmistettu, vaikka nämä 30 esimerkit ovat ainoastaan havainnollistavia, eikä niiden ole tarkoitettu rajoittavan haettavaa keksintöä. Testausmenetelmät, joilla mitataan näissä esimerkeissä valmistettujen näytteiden tiettyjä ominaisuuksia, ovat seuraavat: 35 Huoneen lämpötilassa toteutettavat nelipistetaivutuskokeet suoritettiin Model 1123 Instron -testauskoneessa käyttämällä standardissa U.S. Army 16 92925 MIL-STD-1942 (MR) määritettyjä menetelmiä. Näytteet olivat tankoja mitoiltaan 3 x 4 x 50 mm. Niiden venyvät pinnat pintahiottiin 500-ra-keisella timanttilaikalla, ja niiden kulmat särmättiin lastujen ja muiden vikojen eliminoimiseksi. Terästaivutuskiinnittimellä oli 20 mm:n 5 sisäkärkiväli ja 40 mm:n ulkokärkiväli. Taivutuslujuudet laskettiin huippumurtokuormista sekä näytteen ja kiinnittimen mitoista käyttäen elastisen palkin yhtälöitä.

Murtolujuus määritettiin testaamalla taivutettavia tankoja mitoiltaan 5 10 x 4 x 50 mm. Nuolimainen ura varustettuna 60°:en kulmalla työstettiin näytteiden keskipituuksien kohdalta 0,3 mm leveällä timanttiterällä. Tämän jälkeen nelipistenuoliurakokeet suoritettiin samoilla menetelmillä kuin taivutuslujuuksien yhteydessä.

15 Tiheys määritettiin punnitsemalla ja mittaamalla suorakulmaiset kappaleet .

Kimmomoduuli määritettiin ääniresonanssitekniikalla käyttäen menetelmää, joka on kuvattu standardissa ASTM C623-71. Näytteet olivat mitoil-20 taan suunnilleen 5 x 4 x 45 mm, ja ne kaikki työstettiin sarjalla ti-manttileikkaus- ja hiomistoimintoja. Kolme värinätapaa stimuloitiin erikseen kuhunkin tankoon, nimittäin vääntötapa, taittotapa kohtisuoraan 5 mm:n leveyttä ja taittotapa kohtisuoraan 4 mm:n leveyttä. Kussakin tapauksessa määritettiin perusharmoninen resonanssitaajuus.

• 25 Taittoresonanssit tuottivat kimmomoduulin (E) mittaukset, ja vääntö- resonanssi tuotti leikkausmoduulin (G) mittaukset.

Kovuus määritettiin käyttämällä A-mittakaavaa Rockwel1-kovuustestaus-laitteessa ja noudattamalla standardissa ASTM E18-84 kuvattua menet-30 telyä. Kokeiden tavoitteena oli saavuttaa kovuusarvo, joka edusti seka-rakennetta kokonaisuutena pikemminkin kuin yksittäisen faasin alueita.

Esimerkki I

35 5,08 cm (2-tuumainen) nelikulmainen 0,375 cm (3/8 tuumaa) paksu esi- muotti valmistettiin sekoittamalla 95 painoprosenttia B4C:tä (raekoko 17 ^2925 1000) ja 5 painoprosenttia orgaanista sideainetta (Aceawax-C, Lonza, Inc.), jonka jälkeen seos kylmäpuristettiin teräsmuotissa, jonka määritetty geometria oli 34,47 MPa (5.000 psi) . 5,08 cm (2-tuumainen) nelikulmainen 0,375 cm (3/8 tuumaa) paksu sirkoniumlevy sijoitettiin 5 B<,C:stä koostuvan hiukkasmaisen esimuotin päälle ja sen kanssa kosketukseen, ja koko kooste sijoitettiin grafiittimuottiin.

Grafiittimuotista ja sen sisällöstä koostuva kooste sijoitettiin vas-tuskuumennettuun tyhjöuuniin, johon syötettiin argonkaasua, joka virta-10 si nopeudella 2 litraa/min. Kooste kuumennettiin huoneen lämpötilasta lämpötilaan 450 °C 2,5 tunnin aikan orgaanisen sideaineen polttamiseksi. Tämän jälkeen se kuumennettiin 1950 °C:en asetuspiste lämpötilaan viiden tunnin aikana ja pidettiin 1950 °C:ssa 2 tuntia. Koosteen annettiin jäähtyä viiden tunnin ajan ennen uunista poistamista.

15

Kun kooste oli poistettu uunista, reagoimaton sirkonium poistettiin mekaanisesti koosteen pinnalta hiomalla, allaolevan keraamisen komposiitin jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgensädedif-fraktioanalyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti ZrB2:n, ZrC:n ja Zr:n 20 läsnäolon. Lisäkokeet osoittivat, että keraamisella komposiitilla oli seuraavat ominaisuudet: keskimääräinen tiheys (g/cm3) noin 6,2; kimmomoduuli (GPa) 380; taivutuslujuus (MPa) 875; kriittinen jännitysintensi-teettikerroin (murtolujuus) 15 (MPa m1/2).

? 25 Kuvio 3 on 1000-kertaisesti mikrovalokuva komposiittituotteen poikki leikkauksesta esittäen seuraavaa: ZrB2 = 22, Zrc - 24 ja Zr = 26. Tässä komposiitissa ZrB2 ilmeni levykkeiden muodossa, joka olivat kohdistumat-tomia tai epäsäännöllisesti suuntautuneita.

30 Esimerkki II

*

Sirkoniummetalliharkko, joka oli halkaisijaltaan 1,27 cm (1/2 tuumaa) ja 1,905 cm (3/4 tuumaa) korkea, upotettiin hiukkasmaiseen boorikarbi-diin (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, N. J., B<C, 99,7%, 1-5 35 mikronia) alumiinioksidiseen upokkaaseen. Alumiinioksidiupokkaasta ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin induktiouuniin, johon 18 92925 syötettiin argonkaasun, joka virtasi nopeudella 300 cm3/min. Kooste kuumennettiin lämpötilaan 1800 eC (optisella pyrometrillä mitattuna) 6 minuutin ajan ja pidettiin 1800 °C:ssa 4 minuuttia ennen kuin sen annettiin jäähtyä.

5

Kun kooste oli poistettu uunista, saadun keraamisen komposiitin jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgensädediffraktioana-lyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti ZrB2:n, ZrC:n ja Zr:n läsnäolon. Tässä komposiitissa ZrB2-faasi ilmeni levykkeiden muodossa.

10

Esimerkki III

5,715 cm (2 1/4-tuumainen) nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu esimuotti valmistettiin sekoittamalla 93 painoprosenttia boorikarbidi-15 hiukkasia (B4C, seulamitta 320, joka vastaa n. 46 mikronia) ja 7 painoprosenttia orgaanista sideainetta (Avicil PH 105, FMC Co.) ja kylmäpu-ristamalla seos tämän jälkeen teräsmuotissa, jonka määritetty geometria oli 68,95 MPa (10.000 psi). 5,08 cm (2-tuumainen) nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu alumiiniseos, määritetty arvolla 1100, sijoitet-20 tiin B4C-esimuotin päälle ja sen kanssa kosketukseen, ja koko kooste upotettiin alumiinioksidihiukkasiin (E38 Alundum, Norton Co., raekoko 90 US-standardin mukaan, mikä vastaa n. 160 mikronia)) tulenkestävään astiaan, kuten kuviossa 2 on havainnollistettu.

25 Tulenkestävästä säiliöstä ja sen sisällöstä muodostuva kooste kuumennettiin 1200 °C:en asetuspistelämpötilaan kymmenen tunnin aikana vas-tuskuumenteisessa tyhjöuunissa, johon oli syötetty argonkaasua, joka virtasi nopeudella 1 litra/min. Kun 1200 °C:en lämpötilaa oli pidetty yllä 24 tuntia, koosteen annettiin jäähtyä kuuden tunnin ajan ennen 30 uunista poistamista.

Kun kooste oli poistettu uunista, koosteen pinnalla oleva reagoimaton alumiini poistettiin mekaanisesti ja pieni määrä allaolevasta keraamisesta komposiitista jauheistettiin. Tämä jauhe saatettiin röntgen-35 sädediffraktioanalyysin alaiseksi, joka osoitti Al:n, B<,C:n Al203:n 92925 19 ja Al8B4C7:n läsnäolon. Lisäkokeet osoittivat, että saadulla keraamisella komposiitilla oli seuraavat ominaisuudet: tiheys (g/cm3) 2,58; kimmomoduuli (GPa) 189; kovuus (Rockwell A) 46; taivutuslujuus (MPa) 254 ± 3; ja murtolujuus (MPa1/z) 10,2 ± 0,1.

5

Esimerkki IV

5,715 cm (2 1/4-tuumainen) nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu esimuotti valmistettiin yhtenäisestä seoksesta, joka käsitti 94 paino-10 prosenttia B<,C/B:tä (seoksessa, joka sisälsi 50 painoprosenttia US- stanrdardin muk. 320-seulamittaista (n. 46 mikronia) B4C:tä ja 50 painoprosenttia 38-mikronista ja hienompaa B:tä) ja 6 painoprosenttia orgaanista sideainetta (Avicil PH 105, FMC Co.). Esimuotti valmistettiin kuumapuristamalla seos teräsmuotissa, jonka määritetty geometria oli 15 68,95 MPa (10.000 psi). 5,08 cm (kaksituumainen) nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu alumiiniseos, numeroarvoltaan 1100, sijoitettiin B4C/B-hiukkasista koostuvan esimuotin päälle ja sen kanssa kosketukseen, ja koko kooste upotettiin alumiinioksidihiukkasiin (38 Alundum, Norton Co., raekoko 24 US-standardin mukaan, mikä vastaa n. 715 mikronia) 20 tulenkestävään säiliöön, kuten kuviossa 2 on havainnollistettu.

Tulenkestävästä säiliöstä ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin vastuskuumennettavaan putkiuuniin, johon syötettiin argonkaa-sua, joka virtasi nopeudella 300 cm3/min, kuumennettiin 1200 °C:en 25 asetuspistelämpötilaan kymmenen tunnin aikana ja pidettiin lämpötilassa 1200 °C 36 tuntia. Koosteen annettiin jäähtyä kymmenen tunnin ajan ennen uunista poistamista.

Kun kooste oli poistettu uunista, koosteen pinnalla oleva reagoimaton 30 alumiini poistettiin mekaniisesti, ja allaolevan keraamisen komposiitin jauhemainen näyte saatettiin röntgensädediffraktioanalyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti, että keraaminen komposiitti sisälsi seuraavaa:

Ai, E-AlB12, Al3B48C2, sekä tunnistamattoman faasin varustettuna "d"-vakiolla (hilavakiolla) 2.926, 2.697, 2.087, 1.84 ja 1.745 A suhteel-35 listen intensiteettien ollessa 100, 36, 40 ja 73 tässä järjestyksessä. Lisäkokeet osoittivat, että komposiitilla oli seuraavat ominaisuudet: 20 . y2925 tiheys g/cm3) 2,58; kimmomoduuli (GPa) 215; taivutuslujuus (MPa) 196 ± 9; ja murtolujuus (MPa m1/2) 8,1 ± 0,3.

Esimerkki V

5 6,35 cm (2 1/2 - tuumainen) nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu esimuotti valmistettiin esimerkissä 1 kuvatulla tekniikalla paitsi, että yhtenäinen seos koostui tässä tapauksessa 94 painoprosentista BAC/B:tä (seoksessa, joka sisälsi 50 painoprosenttia US-standardin muk. 10 320-raekokoista (n. 46 mikronia) BAC:tä; ja 50 painoprosenttia 38-mik-ronista tai hienompaa B:tä) ja 6 painoprosentista samaa sideainetta. Kaksituumainen nelikulmainen ja 1,27 cm (1/2 tuumaa) paksu alumiiniseoksesta Al-10Si-3Mg (10 painoprosenttia Siitä, 3 painoprosenttia Mgitä ja loput alumiinia) koostuva levy sijoitettiin BAC/B-hiukkasista 15 koostuvan esimuotin päälle ja sen kanssa kosketukseen, ja koko kooste upotettiin alumiinioksidihiukkasiin (38 Alundum, Norton Co., raekoko 24 US-standardin mukaan, mikä vastaa n. 715 mikronia) tulenkestävään säiliöön, kuten kuviossa 2 on havainnollistettu.

20 Tulenkestävästä säiliöstä ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin vastuskuumennettavaan tyhjöuuniin, johon syötettiin argon-kaasua, joka virtasi nopeudella 1 litra/min, kuumennettiin 1200 °C:en asetuspistelämpötilaan kymmenen tunnin aikana ja pidettiin lämpötilassa 1200 °C 12 tuntia. Koosteen annettiin jäähtyä viiden tunnin ajan ennen 25 uunista poistamista.

Kun kooste oli poistettu uunista, koosteen pinnalla oleva reagoimaton alumiini poistettiin mekaniisesti, ja allaolevan keraamisen komposiitin jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgensädediffraktio-30 analyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti, että keraaminen komposiitti sisälsi seuraavaa: Ai, Si, BAC, β-ΑΐΒ12, Al203, A18BaC7. Lisäkokeet osoittivat, että komposiitilla oli seuraavat ominaisuudet: tiheys g/cm3) 2,55; kimmomoduuli (GPa) 213; kovuus (Rockwell A) 57; taivutuslujuus (MPa) 231 ± 31; ja murtolujuus (MPa m1/2) 9,1 ± 0,1.

35 li 92925 21

Esimerkki VI

99.64-prosenttisesti puhdas titaanimetalliharkko (aste 2), jonka halkaisija oli 1,5875 cm (5/8 tuumaa) ja joka oli 1,905 cm (3/4 tuumaa) 5 pitkä, upotettiin hiukkasmaiseen boorikarbidiin (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, N.J., B4C, 99,7%, 1-5 mikronia) alumiinioksi-diseen upokkaaseen. Alumiinioksidisesta upokkaasta ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin induktiouuniin, johon syötettiin argon-kaasua, joka virtasi nopeudella 300 cm3/min. Kooste kuumennettiin pis-10 teeseen, jossa titaani suli (noin 1700-1750 °C optisella pyrometrillä mitattuna) 4 minuutin aikana, jonka jälkeen sen annettiin jäähtyä.

Kun kooste oli poistettu uunista, saadun keraamisen komposiitin jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgensädeanalyysin alai-15 seksi. Tämä analyysi osoitti seuraavien aineiden läsnäolon: TiB2, TiB, TiC ja Ti.

Kuvio 4 on 1500-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva komposiittituot-teen poikkileikkauksesta osoittaen seuraavien aineiden läsnäolon: TiB2 20 arvolla 28, TiB arvolla 30, TiC arvolla 32 ja Ti arvolla 34. TiB2-faasi ilmeni levykkeenomaisena rakenteena.

Esimerkki VII

25 Lieriömäinen näyte, joka käsitti 99.64-prosenttisesti puhdasta titaania (aste 2) ja jonka halkaisija oli 1,5875 cm (5/8 tuumaa) ja pituus 1,905 cm (3/4 tuumaa), upotettiin boorikarbidiin (raekoko 1000) alumiinioksi-diupokkaaseen. Alumiinioksidiupokkaasta ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin vastuskuumennettavaan tyhjöuuniin, johon syötettiin 30 argonkaasua, joka virtasi nopeudella 500 cm3/min. Kooste kuumennettiin 1750 °C:en asetuspistelämpötilaan 3 tunnin aikana ja sitä pidettiin lämpötilassa 1750 °C 3 tuntia ja 20 minuuttia.

Kun kooste oli poistettu uunista ja jäähdytetty, saadun keraamisen 35 komposiitin jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgen-sädediffraktioanalyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti seuraavien aineiden läsnäolon: TiB2, TiC ja T13B4.

22 92925

Tuotteen näyte alistettiin Knoop-mikrokovuustestiin, kuten on kuvattu standardissa ASTM E384-73, käyttäen 200 gf:n kuormaa, mikä osoitti mikrokovuuden 1815-1950 kg/mm2.

5 Esimerkki VIII

98,20-prosenttisesti puhdas hafniummetalliharkko, jonka halkaisija oli 0,9525 cm (3/8 tuumaa) ja joka oli 1,905 cm (3/4 tuumaa) pitkä, upotettiin hiukkasmaiseen boorikarbidiin (raekoko -325 US-standardia, mikä 10 vastaa noin 45 mikronia) alumiinioksidiupokkaaseen. Alumiinioksidiupok-kaasta ja sen sisällöstä muodostuva kooste sijoitettiin induktiouuniin, johon syötettiin kaasua käsittäen 1% vetyä ja 99 % argonia (tilavuusprosentteina) , joka kaasu virtasi nopeudella 500 cm3/min. Kooste kuumennettiin lämpötilaan 2300 °C (optisella pyrometrillä mitattuna) 8 minuu-15 tin aikana, jonka jälkeen sen annettiin jäähtyä.

Kun kooste oli poistettu uunista, talteenotetun kappaleen tutkiminen osoitti, että jäi hyvin puhdas lieriömäinen tyhjö, jossa hafniumharkko oli ollut. Tämä osoittaa, että tämän järjestelmän muodontoistokyky on 20 hyvä. Tämäm kokeen avulla saadun keraamisen komposiittituotteen jauhemainen näyte otettiin talteen ja saatettiin röntgensädediffraktioana-lyysin alaiseksi. Tämä analyysi osoitti seuraavien aineiden läsnäolon: HfB2, HfC, Hf sekä vähäisiä määriä B,,C:tä.

25 Kuvio 5 on 1500-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva komposiittituotteen poikkileikkauksesta osoittaen sueraavaa: HfB2 arvolla 36, HfC arvolla 38, B<,C arvolla 40 ja Hf arvolla 42. HfB2:lla oli levykemäinen rakenne.

30 Kuten yllä on kuvattu, muita perusmetalleja, lähtömateriaalien eri pitoisuuksia tai muita vaihtoehtoja, kuten tiivistämisen tiheys, boo-rikarbidihiukkasten luonne, aika ja lämpötila, voidaan käyttää lopullisen tuotteen muuntamiseksi tai säätämiseksi. Tämäntyyppiset materiaalit olisivat hyödyllisiä esimerkiksi moottoreiden tai rakettien kom-35 ponentteinä.

li

Claims (28)

1. 92925
2. 1. Menetelmä itsekantavan kappaleen tuottamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavaa: (a) valitaan perusmetalli, 5 (b) kuumennetaan perusmetalli olennaisesti inerttisessä kaasukehässä sen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan, jotta voidaan muodostaa sulaa metallia, ja saatetaan sula perusmetalli kosketukseen boorikarbidia ja mahdollisesti booria sisältävän massan kanssa, (c) pidetään sanottua lämpötilaa yllä niin kauan, että sula perusmetal-10 li suodattuu mainittuun massaan ja sula perusmetalli reagoi boorikarbi-din ja mahdollisesti boorin kanssa, jotta muodostuu yhtä tai useampaa booria sisältävää yhdistettä, ja (d) jatketaan suodattumista ja reaktiota niin kauan, että saadaan tuotetuksi sanottu itsekantava kappale, joka käsittää yhtä tai useampaa perusmetallin booria sisältävää yhdis-15 tettä ja valinnaisesti yhtä tai useampaa perusmetallin hiiltä sisältävää yhdistettä ja jäännösperusmetallia.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että massa, joka sisältää boorikarbidia, muodostetaan sekoittamalla 20 boorikarbidia inerttisen täyteaineen kanssa, jolloin perusmetalli suodattuu muodostettuun massaan ja reagoi sen kanssa sekarakenteen tuottamiseksi, jossa täyteainetta on sisäänsuljettuna.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että kappale sisältää metallisen faasin.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että itsekantava kappale käsittää perusmetallin boridiyhdisteen ja perusmetallin hiiliyhdisteen, jotka ovat muodostuneet boorikarbidin 30 ja perusmetallin reaktiosta.
6. 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennen reaktiota boorikarbidia on läsnä ainakin stökiömetri-sessä määrässä suhteessa perusmetalliin, joka suodattuu massaan, ja 35 jossa menetelmässä reaktiota jatketaan niin kauan, että olennaisesti kaikki perusmetalli on kulutettu loppuun. 92925
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli valitaan seuraavasta ryhmästä: alumiini, titaani, sirkonium, pii, hafnium, lantaani, rauta, kalsium, vanadiini, niobium ja beryllium. 5
8. 7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli valitaan seuraavasta ryhmästä: alumiini, titaani, sirkonium ja hafnium.
9. 8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että perusmetalli on alumiinia ja itsekantava kappale käsittää alumiiniyhdisteen, joka kuuluu seuraavaan ryhmään: alumiiniboridi, alumiiniboorikarbidi ja näiden seokset.
10. 9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on sirkoniumia ja itsekantava keraaminen kappale käsittää sirkoniumyhdistettä, joka kuuluu seuraavaan ryhmään: sirkoniumin boridi tai sirkoniumin boridin ja sirkoniumin karbidin seos. 20
11. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunne ttu siitä, että sanottu itsekantava kappale sisältää myös sirkoniumia.
12. 11. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että massa on ennaltamäärätyn muotoinen esimuotti ja suodattuminen ja reaktio sanottuun esimuottiin tuottavat itsekantavan kappaleen, jolla on esimuotin konfiguraatio.
13. 12. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että täyteaine valitaan seuraavasta ryhmästä: kuidut, karvat, hiukkaset, jauheet, sauvat, langat, viirakangas, tulenkestävä kangas, verkkomainen vaahto, levyt, levykkeet, kiinteät pallot ja ontot pallot.
14. 13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 35 että täyteaineella on suojaava esipäällyste. 92925
15. 14. Patenttivaatimuksen 2 tai 13 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että täyteaine valitaan seuraavasta ryhmästä: alumiinioksidi tai suojaavalla esipäällysteellä varustettu hiili.
16. 15. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on titaani ja itsekantava keraaminen kappale käsittää titaaniyhdisteen, joka kuuluu seuraavaan ryhmään: titaanibo-ridi tai titaaniboridin ja titaanikarbidin seos.
17. 16. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perusmetalli on hafnium ja itsekantava kappale käsittää hafniumyhdistettä, joka kuuluu seuraavaan ryhmään: hafniumiboridi tai hafniumiboridin ja hafniumikarbidin seos.
18. 17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että itsekantava kappale sisältää myös titaania.
19. 18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että itsekantava kappale sisältää myös hafniumia. 20
20. 19. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhdellä perusmetallin booria sisältävällä yhdisteellä on levykemäinen rakenne. * 25 20. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sirkoniumboridilla on levykemäinen rakenne.
21. 21. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että titaaniboridilla on levykemäinen rakenne. 30
22. 22. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hafniumboridilla on levykemäinen rakenne.
23. 23. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että perusmetalli on alumiini ja booria sisältävä yhdiste on alumiiniboridi, alumiiniboorikarbidi tai niiden seos. 92925
24. 24. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiiltä sisällytetään massaan, jotta se reagoi perusmetallin kanssa.
25. 25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiili käsittää noin 5-10 painoprosenttia boorikarbidimassasta.
26. 26. Itsekantava sekarakennemateriaali, tunnettu siitä, että se käsittää metallisen faasin, joka faasi on sirkoniumia, titaania tai 10 hafniumia, ja kolmiulotteisesti yhdistyneen keraamisen faasin, joka ulottuu sekarakennemateriaalin rajoille, ja joka on sirkoniumin karbidia, titaanin karbidia tai hafniumin karbidia sekä edellämainittujen metallikarbidien metallin boridia, jolla boridilla on levykemäinen rakenne . 15
27. 27. Patenttivaatimuksen 26 mukainen sekarakennemateriaali, tunnettu siitä, että metallinen faasi on sirkoniumia, karbidi on sir-koniumkarbidi ja boridi on sirkoniumboridi.
28. 28. Patenttivaatimuksen 22 mukainen sekarakennemateriaali, tun nettu siitä, että murtolujuus on ainakin noin 12 MPam^. li 92925