JP2505207B2 - セラミックス及び充填材含有複合体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、広く言って、セラミック複合物構造の製造
方法に係る。詳細には、本発明は、充填材を埋める多結
晶性マトリックスを含んでいるセラミック複合物構造を
製造するリザーバ供給方法に係る。

本願の譲受人に譲渡された特許出願の説明 本願の対象は、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡さ
れた“複合セラミック物品及びその製造方法”という名
称の昭和61年２月４日付け特願昭61-022784号に係る。
この明細書には、充填剤の透過性の床の中へ親金属から
酸化反応生成物を成長させることにより自己支持セラミ
ック複合物を製造するための新規な方法が開示されてい
る。しかし、この方法はその結果として得られる複合物
は予め選ばれた形状又はジオメトリを与えるものではな
い。

セラミック酸化反応生成物を成長させる方法は一般的
に、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡されたいずれも
“新規なセラミック材料及びその製造方法”という名称
の昭和60年３月15日付け特願昭60-052170号の一部継続
出願である1985年９月17日付け米国特許出願第776,964
号の一部継続出願である1986年１月15日付け米国特許出
願第818,943号明細書に開示されている。親金属の中に
合金化されたドーパントの使用により高められ得る酸化
現象のこの発見によって、前駆物質親金属の酸化反応生
成物として成長させられた所望の寸法の自己支持セラミ
ック物体が提供される。

上記の方法は、“自己支持セラミック材料の製造方
法”という名称の1984年７月20日付け米国特許出願第63
2,636号の一部継続出願である本願の譲受人と同一の譲
受人に譲渡された昭和60年７月19日付け特願昭60-15844
1号明細書に開示されているような前駆物質金属の表面
に施された外部ドーパントの使用により改良された。

上記方法のその後の開発によって、（１）形作られた
前駆物質親金属のジオメトリを逆複製する一つ又はそれ
以上のキャビティを内部に含んでいるセラミック複合物
構造及び（２）親金属前駆物質の正パターンを逆複製す
る負パターンを有するセラミック複合物構造の形成が可
能になった。これらの方法はそれぞれ（１）本願の譲受
人と同一の譲受人に譲渡された“セラミック複合物物品
を製造する逆形状複製方法及びそれにより得られる物
品”という名称の1986年１月27日付け米国特許出願第82
3,542号明細書及び（２）本願の譲受人と同一の譲受人
に譲渡された“形状複製された表面を有するセラミック
複合物物品の製造方法及びそれにより得られる物品”と
いう名称の1986年８月13日付け米国特許出願第896,247
号明細書に開示されている。

また、予め選ばれた形状又はジオメトリを有するセラ
ミック複合物構造の製造方法が開発された。これらの方
法は、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された“形作
られたセラミック複合物及びその製造方法”という名称
の1986年５月８日付け米国特許出願第861,025号明細書
に記載されているように、セラミックマトリックスが親
金属前駆物質の酸化により成長して入る透過性充填材の
形作られたプレフォームの利用を含んでいる。このよう
な形作られたセラミック複合物の他の製造方法は、セラ
ミック複合物構造の形状又はジオメトリを郭定するべく
選ばれた境界に於いて酸化反応生成物の成長を阻止又は
禁止するバリヤー手段の利用を含んでいる。この方法は
本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された“バリヤーの
使用による形作られたセラミック複合物の他の製造方
法”という名称の1986年５月８日付け米国特許出願第86
1,025号明細書に記載されている。

本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された前記の特許
出願の明細書のすべての開示内容を参照によりここに組
入れたものとする。

発明の背景及び従来の技術 近年、古くから金属が用いられてきた構造材料にセラ
ミックスを使用することに関心が高まってきた。本願の
譲受人と同一の譲受人に譲渡された前記特許出願明細書
に示されている方法は、特に強度が高く破断靱性に富む
セラミック複合物物体を効率的に製造する方法に有意義
な進歩をもたらす。また本願の譲受人と同一の譲受人に
譲渡された前記特許出願明細書に示されている方法は、
粉末焼結及び高温圧縮技術の使用及びこれらの技術に伴
う本質的な制限の迂回を許す通常でない酸化現象の利用
により、形作られたセラミック複合物構造及び大きいセ
ラミック構造を含んでいるセラミック複合物構造の製造
を可能にする。例えば、圧縮などにより粉末物体を稠密
化する上記のような従来の技術を必要とすることは、大
きい一体片のセラミック構造の製造と両立可能でない。
さらに、上記のような粉末処理技術はセラミック複合物
構造の調製に容易には役に立たない。セラミック複合物
構造は、複合物の所望の性質を得るために密に組合わさ
れている二つ又はそれ以上の異なる材料から作られた不
均質な材料、物体又は物品を含んでいる構造である。例
えば、二つの異なる材料が、一方を他方のマトリックス
の中に埋め込むことにより密に組合わされ得る。セラミ
ックマトリックス複合物構造は典型的に、粒子、棒、フ
ァイバなどのような一つ又はそれ以上の異なる種類の充
填材材料を埋めるセラミックマトリックスを含んでい
る。

本発明は、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された
前記特許出願明細書に示されている方法の一つ又はそれ
以上を、ここにさらに説明されるような親金属リザーバ
手段を用意することによりさらに改良して、使用するこ
とに基づいている。これらの方法は、従来の方法よりも
一層直接的で一層経済的なメカニズムにより強度が高く
破断靱性に富むセラミック微細構造を製造することによ
って前記の困難を克服する。本発明は、さらに、従来の
方法では複製が困難又は不可能である寸法及び厚みを有
するセラミック複合物構造を酸化反応生成物に基づいて
高い信頼性をもって製造するための改良された方法及び
手段を提供する。また本発明は、いくつかの場合にオー
ル・セラミック物体よりも軽量で経済的なセラミック表
面を有する金属構造要素の製造を可能にする。

発明の概要 本発明によれば、多結晶性材料を形成するべく酸化体
との親金属の酸化反応により得られたセラミックマトリ
ックスを含んでいる自己支持セラミック複合物構造を製
造するための方法が提供される。プロセスの進行にあた
っては、親金属の物体及び透過性充填材が互いに相対的
に、酸化反応生成物の生成が充填材に向かう方向にまた
その中へ生起するように方向付けられる。親金属は溶融
親金属の第一の源と、例えば重力による流れにより第一
の源と連通する溶融親金属のリザーバとを用意する。溶
融親金属の第一の源は酸化反応生成物を形成するべく酸
化体と反応し、また酸化反応生成物の少なくとも一部分
は、酸化反応生成物が酸化体と先に形成された酸化反応
生成物との間の界面に於いて充填剤の中へ形成し続ける
ように、酸化体に向けてまた充填材の中へ酸化反応生成
物を通して溶融親金属を漸進的に引くべく、溶融親金属
の第一の源及び酸化体と接触し且つそれらの間に延びて
いる状態に保たれる。溶融親金属の第一の源は、反応が
セラミック複合物構造を形成するべく酸化反応生成物に
より充填材の少なくとも一部分を浸透するべく酸化反応
生成物を形成するのに十分な時間にわたり継続するにつ
れて、リザーバから、好ましくは連続的手段により、補
充される。

本発明の他の局面では、前駆物質親金属を含んでいる
基体と、基体の上に重ねられた充填材と、基体と一体に
形成されており、また酸化体との前駆物質金属の酸化反
応により充填材を埋めているセラミックマトリックスと
を含んでいる自己支持性でセラミック表面を有する金属
構造が提供される。

一般に、本発明は、自己支持セラミック複合物構造を
製造するにあたり有意義な処理上の利点を提供するだけ
でなく、セラミック表面が親金属から形成されている新
規なセラミック表面を有する金属構造の製造を可能にす
る。すなわち、親金属はセラミックマトリックスへの前
駆物質であり、また、セラミックマトリックスが金属と
一体に形成されているので、結果として得られる複合物
製品は金属基体の上にセラミック表面を含んでいる。セ
ラミック表面は充填材を埋め、またセラミック表面は金
属の表面上に外部表面としても内部表面としても、また
これらの双方としても形成され得る。またセラミック表
面は金属基体の体積に対して相対的な各全体積に関して
選ばれた又は予め定められた厚みであってよい。親金属
を補充する本発明のこれらの方法は、セラミック表面を
成すセラミックマトリックスの相対的な体積が親金属基
体の体積よりも実質的に大きい又は小さい厚壁又は薄壁
のセラミック構造の調製を可能にする。仕上げられた製
品内で所望であれば、親金属基体が完全に又は部分的に
除去されてもよいし、そのまま残されてもよい。

本発明の方法は親金属の共通の源からの一連のセラミ
ック複合物構造の製造をも可能にし、従って作業効率を
顕著に高める。

本発明の他の局面では、セラミック表面を有する金属
基体部分が、前記基体が表面のセラミックマトリックス
に結合されている形態で提供される。

本発明の他の局面では、セラミック表面を有する金属
基体部分が、セラミック表面が圧縮状態にあり、また金
属基体が二つの間の界面において引張状態にある形態で
提供される。

本明細書中で使用される下記の用語は下記のように定
義されている。

“セラミック”とは、古典的な意味、すなわち完全に
非金属又は無機材料から成っているという意味でのセラ
ミック物体に限定されるものとして不当に解釈されるべ
きではなく、親金属から誘導された、又は酸化体から又
はドーパントにより生成された一つ又はそれ以上の金属
成分を少量又は実質的な量で、最も典型的に約１〜40％
（体積百分率）の範囲内で又はさらに大きな割合で含ん
でいるとしても、組成又は支配的特性に関して優勢にセ
ラミックである物体を指している。

“酸化反応生成物”とは、一般的に、金属が電子を他
の元素、化合物又はそれらの組合わせに供与し又はそれ
らと共有した任意の酸化状態での一つ又はそれ以上の金
属を意味する。従って、この定義による“酸化反応生成
物”は酸化体による一つ又はそれ以上の金属の反応の生
成物を含んでいる。

“酸化体”とは、一つ又はそれ以上の適当な電子受容
体又は電子共有体を意味し、元素、元素の組合わせ、化
合物又は化合物の組合わせ（還元可能な化合物を含む）
であってよく、またプロセス条件に於いて蒸気、固体又
は液体である。

“親金属”とは、多結晶性反応生成物に対する前駆物
質である金属、例えばアルミニウムを指し、また比較的
純粋な金属、不純物及び（又は）合金化成分を含有する
商業的に入手可能な金属としてのその金属、又はその金
属前駆物質が主成分である合金を含んでいる。また特定
の金属が親金属、例えばアルミニウムとして述べられる
時、アイデイティファイされた金属が、それとは別に文
脈中で指示されないかぎり、この定義で解されるべきで
ある。

本発明の他の利点及び可能性は以下の説明から明らか
になろう。

本発明及びその好ましい実施例の詳細な説明 本発明によれば、（１）少なくとも１種のドーパント
と共に第１の親金属を、充填材の通気性素材に隣接して
配置し、かつ該第１親金属のソース及び該充填材を相互
に関して酸化反応生成物体の形成が該通気性充填材素材
中に向かうように配向し、 （２）前記第１親金属のソースと連通した第２の金属の
リザーバを提供し、 （３）該第１親金属を該第１親金属の融点より高いがそ
の酸化反応生成物の融点より低い温度に加熱して溶融し
た第１親金属体を形成し、かつ該温度で前記溶融第１親
金属体と酸化剤とを反応させて酸化反応生成物体を形成
し、かつ該温度で該酸化反応生成物体の少なくとも一部
を該溶融第１親金属体及び該酸化剤と接触しかつその間
にあるように維持せしめて、溶融第１親金属を既に形成
された酸化反応生成物体を通して前記気相酸化剤に向か
ってかつ隣接する前記充填材素材中に向かって引き込
み、よって該充填材素材中の前記気相酸化剤と前記予め
形成された酸化反応生成物体の界面に新鮮な酸化反応生
成物を形成し、そして （４）上記反応を継続する際前記溶融第１親金属のソー
スに前記リザーバから前記第２の金属の補充を行って、
前記充填材素材の少なくとも一部を、形成される酸化反
応生成物体中に埋設する 工程からなることを特徴とするセラミックス及び充填材
含有複合体の製造方法が提供される。

好ましい態様として、第１親金属が第１の酸化反応生
成物を生成し、第２金属が該第１の酸化反応生成物と化
学的に異なる第２の酸化反応生成物を生成する第２の親
金属である。また、第２金属が第１親金属より相対的に
純粋な親金属である。セラミックス及び充填材含有複合
体の少なくとも１つの性質が前記第２金属によって改変
されることができる。さらに、第２金属を用いることに
より、酸化反応生成物がより急速かつより強力に成長す
ることができる。

本発明の実施にあたっては、親金属リザーバが充填材
の塊に対して相対的に、親金属の溶融時に、充填材と接
触している親金属の部分、セグメント又は源を補充する
べく、また場合によっては最初に用意しまた続いて補充
するべく流され得るように置かれる。バリヤー手段がオ
プションにより充填材の塊の少なくとも一つの表面を郭
定又はそれと一致するべく置かれ得る。また組立体が酸
化雰囲気中に置かれ（又は、もし酸化体がプレフォーム
の中に含まれているなば、組立体が不活性雰囲気中に置
かれ得る）、また親金属の融点よりも高く但し親金属の
酸化反応生成物の融点よりも低い温度領域に加熱され
る。充填材の塊は浸透を許すように酸化反応生成物の成
長に対して透過性であり、また、もし酸化体が気相酸化
体、例えば空気を含んでいるならば、充填材の塊は酸化
体に対して透過性である。酸化体との接触時に溶融金属
は充填材の塊を浸透する酸化反応生成物を形成するべく
反応し、それにより、親金属の酸化により得られた多結
晶性材料から成るセラミックマトリックスによる充填材
成分の埋め込みを開始する。酸化反応生成物の少なくと
も一部分は溶融親金属及び酸化体と接触する状態に保た
れ、またそれらの間に延びており、従って酸化体への継
続露出時に溶融親金属は酸化体へ向けて酸化反応生成物
の中へまたそれを通して漸進的に引かれる。溶融親金属
は、充填材の塊の中に多結晶性酸化反応生成物材料を継
続的に成長させるように、酸化体と接触し、また追加的
な酸化反応生成物を形成する。場合によっては、親金属
の非酸化成分である金属成分又は酸化体の還元成分及び
（又は）空隙が多結晶性材料を通じて分散されて残され
得る。典型的には、酸化反応生成物は本質的に、相互結
合、好ましくは三次元に相互結合されているクリスタラ
イトから成っており、また非酸化金属成分は、もし存在
するならば、少なくとも部分的に相互結合されていてよ
く、又は金属成分の離散的な非結合“アイランド”を含
んでいてよい。このような酸化反応は、酸化反応生成物
による充填材の浸透を含めて、本願の譲受人と同一の譲
受人に譲渡された米国特許出願に詳細に説明されてい
る。

プロセスは、多結晶性マトリックス材料が所望の範囲
まで、例えば充填材の塊の少なくとも一つの表面を郭定
するオプションとしてのバリヤー手段まで充填材材料を
浸透し且つ埋め終わるまで継続される。バリヤー手段は
酸化反応生成物の成長を禁止、妨害又は終了し、それに
より結果として得られるセラミック複合物に最終又はほ
ぼ最終の形状を得るのに使用される。

本発明によれば、親金属は、充填材と接触しており且
つ酸化反応生成物の前駆物質である親金属の第一の源を
成すような仕方で配分されている。追加的に、親金属の
不反応源であり且つ第一の源へのリザーバとしての役割
をする親金属の第二の部分が存在する。リザーバは第一
の源と連通しており、また親金属は、酸化反応を終わっ
た親金属の源を補充するべく、例えば重力により、リザ
ーバから第一の源へ流れ、それにより、多結晶性材料が
所望の範囲まで、例えば充填材の床の境界面まで成長し
終わるまでプロセスを継続するのに十分な親金属が得ら
れることを保証する。場合によっては、バリヤー手段が
充填材の床の外側表面を包囲することにより、床の境界
面、従ってまた多結晶性材料の成長の範囲がバリヤー手
段により郭定される。このような場合には、セラミック
物体の形状は実質的にバリヤー手段の内側表面の形状一
致する。多結晶性マトリックス材料の成長の範囲はバリ
ヤー手段以外の手段、例えば多結晶性材料の形成が望ま
れる充填材の塊の部分にのみ一つ又はそれ以上のドーパ
ント及び（又は）酸化体を供給することによっても制限
され得る。一般的に言って、充填材の塊の外側に保たれ
る酸化反応速度よりも成長にとって一層望ましい酸化反
応速度が充填材の塊の中に保たれる。

セラミック複合物構造は親金属源の輪郭を逆に複製す
る負パターンを有していてもよいし、一つ又はそれ以上
のキャビティを有する中空物体であってもよい。本発明
の親金属補充方法は、構造が処理後に冷却を許されるに
つれて凝固する親金属で負パターン又はキャビティが完
全に満たされていることを可能にする。凝固した親金属
は、オプションにより、後記のように、それを含んでい
る負パターン又はキャビティから除去され得る。プレフ
ォーム、すなわち適当な結合剤により結合されており且
つ取扱及び処理のために十分なグリーン強度を有する充
填材の形作られた物体、が使用される時、セラミック複
合物物体の形状は、バリヤー手段を使用することによ
り、もしくはプレフォームの外側の酸化反応速度よりも
好ましい酸化反応速度をプレフォーム中に維持すること
により上記のような過程がとられる時、プレフォームの
形状と実質的に一致する。

本発明を以下では親金属がアルミニウムである実施例
に重点をおいて説明するが、これは例示の目的での説明
に過ぎず、シリコン、チタン、スズ、ジルコン及びハフ
ニウムなどのような他の金属が本発明の規範を満足して
使用され得る。例えば、本発明の特定の実施例は、親金
属がアルミニウムである時、αアルミナ、窒化アルミニ
ウム又はホウ化アルミニウムを酸化反応生成物として含
んでおり、親金属がチタンである時、窒化チタン又はホ
ウ化チタンを酸化反応生成物として含んでおり、また親
金属がシリコンである時、炭化シリコン、窒化シリコン
又はホウ化シリコンを酸化反応生成物として含んでい
る。

本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された前記米国特
許出願第818,943号及び第822,999号明細書及びそれらの
先願特許明細書に詳細に説明されているように、一つ又
はそれ以上のドーパントが親金属と組み合わせて使用さ
れ得る。本明細書中で“親金属と組み合わせてのドーパ
ントの使用”とは、（１）一つの親金属の中へドーパン
トを合金化する過程、（２）親金属物体の表面の少なく
とも一部分に外部からドーパントを着装する過程、
（３）親金属物体に近接してドーパントを置く、例えば
親金属の多結晶性酸化反応生成物が成長又は生成する充
填材の塊の中へドーパントを置く過程、及び（４）上記
の過程のいずれかの組み合わせを意味し、また含んでい
る。

固体、液体又は気相酸化体、又はこのような酸化体の
組合わせが上記のように利用され得る。例えば、典型的
な酸化体は、制限なしに、酸素、窒素、ハロゲン、硫
黄、リン、ヒ素、炭素、ホウ素、セレン、テルル、及び
それらの化合物又は組み合わせ、例えば（酸素の源とし
ての）シリカ、メタン、エタン、プロパン、アセチレ
ン、エチレン、（炭素の源としての）プロピレン及び空
気、H₂／H₂O及びCO/CO₂のような混合物。最後の二つ
（すなわちH₂／H₂O及びCO/CO₂）はプレフォームの所望
の酸化可能な成分に対して相対的に環境の酸素活性を減
ずるのに有用である。従って、本発明のセラミック構造
は、例えば、一つ又はそれ以上の酸化物、窒化物、炭化
物及びホウ化物を含んでいる酸化反応生成物を含んでい
てよい。一層詳細には、酸化反応生成物は酸化アルミニ
ウム、窒化アルミニウム、炭化シリコン、ホウ化シリコ
ン、ホウ化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコン、
ホウ化ジルコン、炭化ジルコン、窒化シリコン、炭化チ
タン、炭化ハフニウム、ホウ化ハフニウム及び酸化スズ
の一つ又はそれ以上を含んでいてよい。

任意の適当な酸化体が利用され得るが、本発明の特別
な実施例は気相酸化体を使用するものとして以下に説明
される。もし気体又は蒸気酸化体、すなわち気相酸化体
が使用されるならば、充填材は、酸化体への充填材の床
の露出時に気相酸化体が充填材の床を透過してその中の
溶融親金属と接触するように、気相酸化体に対して透過
性である。酸素又は酸素含有（空気を含む）気体混合物
は、親金属としてアルミニウムが使用される場合の好ま
しい気相酸化体であり、通常は空気が経済上の明らかな
理由で好まれている。酸化体が特定の気体又は蒸気を含
有するものとしてアイデンティファイされる時、これは
アイデンティファイされた気体又は蒸気が、利用される
酸化環境の中で得られる条件のもとに親金属の唯一、優
勢又は少なくとも有意義な酸化剤である気相酸化体を意
味する。例えば、空気の主成分は窒素であるが、空気に
含有されている酸素は、窒素よりも著しく酸化性が強い
ので、親金属の唯一又は優勢な酸化剤である。従って、
空気は“酸素含有気体”酸化体の定義に属し、“窒素含
有気体”酸化体の定義には属さない。本明細書で使用さ
れる“窒素含有気体”酸化体の一例は、典型的に約96％
（体積百分率）の窒素及び約４％（体積百分率）の水素
を含有する“成形気体”である。

固体酸化体が利用される時には、固体酸化体は充填材
の塊全体を通じて、又は親金属に隣接する充填材の一部
分を通じて分散されてよい。酸化体は充填材と混合され
た粒子形態で且つ（又は）充填剤粒子上への被覆として
利用されてよい。ホウ素又は炭素のような適当な元素、
又は二酸化シリコン、又は親金属のホウ化物反応生成物
よりも熱力学的安定性が低い特定のホウ化物のような適
当な還元可能な化合物を含む任意の適当な固体酸化体が
利用され得る。例えば、ホウ素又は還元可能なホウ化物
がアルミニウム親金属に対する固体酸化体として使用さ
れる時、結果として生ずる酸化反応生成物はホウ化アル
ミニウムである。

いくつかの場合には、酸化反応は、酸化反応生成物が
プロセスの発熱性のために溶融する傾向を生ずるように
固体酸化体により急速に進行し得る。この溶融の生起は
セラミック物体のミクロ構造の均等性を劣化し得る。こ
の急速な発熱性反応は低い反応性を呈する比較的不活性
な充填材を複合物のなかに混合することにより回避又は
緩和され得る。このような適当な不活性充填材の例は意
図される酸化反応生成物と本質的に同一のものである。

もし液体酸化体が利用されるならば、充填材の塊全体
又は溶融金属と隣接するその一部分は、充填材を含浸す
るべく酸化体により被覆又は浸漬されている。液体酸化
体とは、酸化反応条件のもとに液体である酸化体を意味
し、従って液体酸化体は、酸化反応条件に於いて溶融し
ている塩のような固体前駆物質を有していてよい。代替
的に、液体酸化体は液体前駆物質、例えば充填材の一部
又は全部を含浸するのに使用されており、また適当な酸
化体モイエティを生ずるべく酸化反応生成物に於いて溶
融又は分解している材料の溶液であってもよい。ここに
定義されるような液体酸化体の例は低融点ガラスを含ん
でいる。

本発明の実施に利用される充填材は目的に適した広範
囲の材料の一つ又はそれ以上であってよい。充填材の塊
は“適合可能な”充填材であってよい。ここで使用され
る“適合可能な”という用語は、充填材がコンテナの中
に置かれ、又は内部に埋められた形作られた親金属を有
し、又はそれと適合接触する状態に置かれ得るものであ
ること、またコンテナ又は形作られた親金属の輪郭に適
合することを意味する。適合可能な充填材の使用によ
り、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された米国特許
出願“形状複製された表面を有するセラミック複合物物
品の製造方法及びそれにより得られる物品”に説明され
ている技術の利用が可能になる。適合可能な充填材は、
耐熱金属酸化物の細粒のような粒子状材料、短くチョッ
プされたファイバ又はファイバ−ウール状材料、例えば
鋼ウール、のようなファイバ、又は二つ又はそれ以上の
このような物理的形態の組み合わせ、例えば粒及びファ
イバの組み合わせを含んでいてよい。任意の有用な形式
の充填材又はその組み合わせが、本願の譲受人と同一の
譲受人に譲渡された上記の米国特許出願明細書に説明さ
れているように利用され得る。製造すべきセラミック複
合物構造の所望の形態に形作られたプレフォームも充填
材の塊として利用され得る。

第一の源としての親金属、すなわち充填材と接触する
状態に保たれるべき親金属は予め定められた形状又はパ
ターンに成形され得る。親金属のこの形作られた物体
は、親金属物体の形状又はパターンを逆複製するため、
充填材の塊のなかに埋められ又はそれと適合接触する状
態に置かれる。セラミック複合物構造の生成時に、パタ
ーンが複合物により逆複製される。もしこのような逆複
製が所望又は必要でなければ、プレフォームが予め定め
られた形状の複合物物体を得るのに使用されてよく、ま
た親金属の第一の源はインゴット、ビレット又は棒など
のような任意の好都合な形状であってよい。親金属のリ
ザーバは任意の好都合な形状又は量であってよく、また
溶融親金属が重力によりリザーバから酸化反応生成物の
生成位置へ流れるように親金属の第一の源と重力の作用
により連通するように置かれてよい。

親金属のリザーバは、溶融親金属の酸化反応を維持又
は助長しない粒子状不活性材料の床のなかに好都合な仕
方で入れられていてよい。溶融親金属はコンテナの底の
開口を通じて親金属の第一の源へ送られる。代替的に、
親金属のリザーバは適当な耐熱性容器のなかに入れられ
ていてもよい。

さて図面を参照すると、第１図には、リザーバチャン
バ12と、その下に位置しておりリザーバチャンバ12の床
28の開口（参照符号を付されていない）によりリザーバ
チャンバ12に接続されているバリヤー手段コンテナ14と
を有する組立体10が示されている。バリヤー手段コンテ
ナ14は実質的に円筒状の輪郭を有し、また孔明きシリン
ダ18のなかに入れられており且つそれにより補強されて
いるスクリーン16（第１図及び第1A図）により郭定され
た内部表面を有する。孔明きシリンダ18は円筒状のスク
リーン16を補強する外側の剛固な部材としての役割をす
る。ステンレス鋼のような孔明き金属シートがスクリー
ンの代わりに使用され得る。シリンダ18はその表面を通
じて孔のパターン20（第1A図）を形成されており、また
親金属から成長したセラミック材料のマトリックスによ
り埋められるべき適合可能な充填材の塊の形状を加工す
る間に形状を保つのに十分に剛固である。スクリーン16
は耐熱性布又は金属、例えばステンレス鋼スクリーンで
あってよい。いずれの場合にも、図示されている実施例
では、スクリーン16は編まれたオープン・メッシュ・ス
クリーンであり、その開口の多くはシリンダ18の孔と整
列しており、従ってバリヤー手段コンテナ14は周囲の酸
化性雰囲気が入り得るように開いている。複数個のステ
ンレス鋼アングルブレース22がシリンダ18の外側表面の
周りの間隔をおいた位置に置かれ、また構造を強化する
べくクランプリング32により保持されている。固体又は
孔明き構造であってよいベース24がバリヤー手段コンテ
ナ14の底を閉じている。

同じく円筒状でありバリヤー手段コンテナ14よりも直
径が大きいリザーバチャンバ12が、孔無し材料から作ら
れたリザーバ壁26及び床28により包囲されている。図示
されている実施例では、親金属は、リザーバチャンバ12
のなかに入れられている不活性材料の床30のなかに支え
られている親金属のリザーバ34と、バリヤー手段コンテ
ナ14を満たす適合可能な充填材38の塊のなかに支えられ
ている親金属の形作られた細長い第一の源36とを用意す
るように配分されている。リザーバ34は内方にテーパー
を付けられた部分を有し、そこから円筒状の部分が下方
へリザーバチャンバ12及びバリヤー手段コンテナ14の継
目に於いて第一の源36と当接する位置まで延びている。
図示されている実施例では、細長い円筒状の親金属36は
長手方向に間隔をおいた位置で一連のほぼ円板状の突起
36a、36b及び36cを有するものとして形作られており、
また適合可能な充填材38の塊のなかでそれと接触する親
金属のコアとして延びている。酸化反応を容易にする一
つ又はそれ以上のドーパントが親金属（リザーバ34を含
む）のなかに合金化されてよく、且つ（又は）第一の源
36又はその部分に外部から着装され、且つ（又は）少な
くとも第一の源の付近で充填材38に与えられてよい。

リザーバチャンバ12は溶融親金属により湿潤不可能な
粒子状不活性材料30の保持床で満たされており、従って
そこでの多結晶性材料の生成及び成長は排除又はほぼ禁
止される。従って、リザーバ34を形成するべく溶融時に
得られた溶融親金属の物体は、酸化反応中に消費された
親金属を補充するべく床30から第一の源36への重力の作
用による流れのために利用可能である。アルミニウム親
金属の場合には、材料はNorton Companyの製品である粒
子状EIアランダムを含んでいてよい。もし必要又は所望
であれば、リザーバ覆い板がリザーバチャンバ12の頂開
口を周囲の大気に対して閉じてよく、またシール板が同
様にリザーバチャンバ12とバリヤー手段コンテナ14との
間に、リザーバ34から第一の源36への溶融親金属の連通
を許す開口を例外として、利用されてよい。

バリヤー手段コンテナ14のなかの適合可能な充填材38
はスクリーン16により郭定されたバリヤー手段コンテナ
14の内側表面に適合し、それによりバリヤー手段コンテ
ナ14の内側輪郭は酸化反応生成物の成長阻止境界として
充填材38の塊の外側境界又は輪郭を郭定する。従って、
この境界はバリヤー手段コンテナ14のなかで成長させら
れるべきセラミック複合物構造の外側輪郭を郭定する。
さらに、このようなパッキングは充填剤を第一の源36の
形状又はジオメトリに適合させ、従って後者は適合可能
な充填材38の塊のなかの形作られたキャビティを郭定し
且つ充満する。

充填材−床組立体10は、適当な気相酸化体を含んでお
り又は導入される炉のなかに置かれる。代替的又は追加
的に、固体酸化体又は液体酸化体又は双方が充填材38の
塊のなかに与えられ得る。気相酸化体が使用される時、
それは例えば大気圧の空気を含んでいてよく、この場合
には炉のなかの適当なベントが、単に空気を炉の内部に
入れることにより、気相酸化体の源を供給するのに利用
され得る。全組立体10は適当な支持手段（図示せず）に
より炉のなかに（第１図中に示されているような直立位
置に支持され得る。気相酸化体はシリンダ18の孔20及び
スクリーン16の開口を通じて適合可能な充填材38の塊の
なかに入り、また溶融親金属を酸化する。その結果とし
ての多結晶性酸化反応生成物の成長は上記のように、溶
融親金属が第一の源36からその表面上の酸化されて追加
的な酸化反応生成物を形成すべき酸化反応生成物を通じ
て引かれるにつれて進行する。溶融親金属の供給はリザ
ーバ34から第一の源36への流れにより補充される。成長
する多結晶性材料がスクリーン16に到達する時、それ以
後の成長はシリンダ18によりパックされたスクリーン16
により形成される成長阻止バリヤー手段によって停止さ
れる。こうして、酸化反応生成物の成長は、図示されて
いる実施例では、バリヤー手段コンテナ14のスクリーン
16の内側表面により形成されるバリヤー手段に実質的に
適合するべく制限される。バリヤー手段コンテナ14の内
部が、結果として得られるセラミック複合物物体に所望
の表面ジオメトリを与えるべく多数の形状のうちの任意
の形状に作られ得ることは理解されよう。

親金属のリザーバ34の量は、少なくとも充填材38の全
体積が多結晶性酸化反応生成物により浸透され又は埋め
られるまで、金属で満たされた第一の源36を維持するの
に十分な親金属を与えるべく、第一の源36に対して相対
的に予め定められていてよい。この点が到達される時、
炉の温度が下げられ、組立体が冷却を許され、親金属の
第一の源36が凝固してセラミックマトリックスと密に接
触する。こうして結果として得られたセラミック複合物
構造はセラミック表面を有する金属基体を含んでおり、
またこの実施例ではセラミック基体は金属基体の外面に
置かれ、また金属基体を部分的に包囲している。

分解を容易にするため、所望であれば、孔明きシリン
ダ18は、任意の適当な保持手段、例えばアングル鉄ブレ
ース22及びクランプリング32により保持される二つの半
シリンダから成っていてよい。保持手段は孔明きシリン
ダ18の二つの長手方向に分割された半部の除去を許すべ
く除去され得る。スクリーン16は孔明きシリンダ18の除
去後に解かれ又は切り離され得る。セラミック複合物構
造は、第２図中に示されているような実質的に円筒状の
セラミック複合物40を生ずるべく、バリヤー手段コンテ
ナ14の（第１図で見て）上側部分に於いて又はその付近
に於いて横方向に切断され得る。セラミック複合物40は
親金属の第一の源36の形状の逆複製である三つの拡大さ
れたチャンバ42a、42b及び42cの列を含んでいる内孔42
を有する。孔42のなかの再凝固した親金属は、所望であ
れば、任意の適当な仕方で除去され得る。例えば、孔42
がドリル加工され、残留する金属（たいていはチャンバ
42a〜42cのなか）が化学的溶解により、例えばアルミニ
ウム親金属の場合には塩化水素酸により除去され得る。
塩化水素酸は金属を溶解するが、セラミック複合物には
不利に影響しない。いくつかの場合には、親金属コア又
は基体を有する仕上がり製品を製造するため親金属の全
部又は一部を元の場所に残すこと、又はコアの一部又は
全部を他の金属又は合金のような他の材料又は合成有機
ポリマー材料（プラスチックス）のような他の材料で置
換することが望ましい。

セラミック複合物40の外側表面はスクリーンの編まれ
たパターンを複製する粗い表面を有し得る。従って、外
側表面を滑らかにするべく機械加工することが望まし
い。しかし、いくつかの場合には、スクリーン16の粗い
繊維パターン（又は他の選定されたパターン）が望まし
い。

バリヤー手段コンテナ14のいくつかの輪郭に対して
は、Ｌ字形の接続部により第一の源36に沿ういくつかの
点に於いて溶融金属の補充のための一つ又はそれ以上の
追加的な金属リザーバを設けることが必要又は所望であ
り得る。

次に第３図を参照すると、プレフォーム44の組立体が
示されており、その頂に当接して親金属リザーバ46が位
置している。リザーバ46及びプレフォーム44の外側表面
はパリーのプラスターの層48から成るバリヤー手段のな
かに入れられている。層48は可燃性材料を組み入れるこ
とにより空気透過性にされている。バリヤー手段はこう
してプレフォーム44の少なくとも一つの表面の境界を郭
定する。図示されている実施例では、バリヤー手段のな
かに入れられた表面は、リザーバ46により接触されてい
る部分を例外として、プレフォーム44の全表面である。
従って、本明細書中で、バリヤー手段により郭定された
充填材の塊の少なくとも一つの表面又は少なくとも一つ
の表面境界とは、バリヤー手段により覆われ又は接触さ
れている塊の部分を意味する。

パリーのプラスターのなかに入れられたリザーバ46及
びプレフォーム44は耐熱容器52、例えばアルミナ耐熱容
器52のなかに収容された不活性材料の保持床により支え
られている。プレフォーム44は内燃機関ピストンの形状
を有し、またヘッド部分44a、環状溝44b及び中空部分44
cを含んでおり、中空部分44cのなかに一対の半径方向に
両側のコネクタ開口44d及び44eが形成されている。親金
属の第一の源54は中空部分44cのなかに置かれており、
その内側表面と接触している。プレフォーム44を包んで
いるパリーのプラスターの層48は、プレフォーム44の外
側表面に適合してプレフォームの外側の多結晶性材料の
成長を阻止することによりセラミック複合物に滑らかな
表面を形成するのに資する成長阻止バリヤーを形成す
る。リザーバ46を囲むパリーのプラスターの層48は組み
立てを容易にし、且つ組立体の加熱時に得られる溶融親
金属に対する容器を成す。しかし、溶融親金属により湿
潤不可能である不活性材料の床50が、パリーのプラスタ
ーにより包まれていないとしても溶融親金属のリザーバ
を所定の場所に満足に保持する。また不活性材料の床50
は気相酸化体、例えば空気に対して透過性である。適当
なプロセス温度への加熱時に、前記のように、気相酸化
体、例えば空気は多結晶性セラミックマトリックス材料
を形成するべく溶融親金属が酸化反応生成物の表面に運
ばれるにつれて溶融親金属を酸化する。第一の源54から
の溶融親金属が消費されるにつれて、リザーバ46からの
溶融親金属が源54を補充し、反応は、多結晶性セラミッ
クマトリックスがプレフォーム44の周りのパリーのプラ
スターの層48により形成されるバリヤー手段まで成長す
るまで継続する。この点で反応は、炉の温度を下げるこ
とにより停止され、また組立体が床50から取り除かれ、
またパリーのプラスターの層が例えばグリットブラスト
により除去され得る。溶融親金属は中空部分44cから流
し出され、またそのなかに凝固して残留する未反応の親
金属は前記のように機械的又は化学的手段により除去さ
れ得る。

第４図には、第３図の組立体から得られたセラミック
複合物構造が示されている。セラミック複合物ピストン
44′は、酸化反応生成物及び、オプションとして、親金
属の非酸化成分又はドーパント、充填材又は酸化体（酸
化体が金属の還元可能な化合物である場合）の還元成分
のような金属成分を含んでいるセラミックマトリックス
により浸透されたプレフォーム44から成っている。セラ
ミックマトリックスの成長はプレフォーム44の外側境界
により郭定された境界に於いて阻止されるので、結果と
して得られるピストン44′はヘッド部分44a′、環状溝4
4b′、中空部分44c′及び一対の半径方向に両側のピス
トンピン開口44d′及び44e′を有するものとして正確に
形作られている。

第５図には、充填材プレフォーム56が両端にフランジ
56a及び56bを有する45°Ｌ字形パイプ継手の形状を有す
る他の組立体が示されている。耐熱性リザーバ容器58は
その底に設けられた孔60を有し、またプレフォーム56の
フランジ56aと当接する同一平面内に孔60を置くため鉛
直面から傾けられている。フランジ56bはパリーのプラ
スターのような適当な材料のプラグ62により閉められて
いる。組立体は、耐熱性容器66のなかに入れられている
不活性材料の床64のなかに受け入れられている。第５図
には、耐熱性リザーバ容器58のなかに入れられており、
プレフォーム56のなかに入れられている溶融親金属の第
一の源70を補充するべくプレフォーム56のなかへ流れる
溶融親金属リザーバ68が示されている。

第３図の実施例及び第５図の実施例の双方に於いて、
第一の源（第３図中の54及び第５図中の70）としての親
金属は溶融親金属の第一の源を成すべく本来の位置に置
かれ且つ溶融され得る。代替的に、リザーバ（第３図中
の46及び第５図中の68）のみが最初に用意され、また溶
融時にリザーバからの溶融親金属が充填材と接触する親
金属の第一の源を成すべくプレフォーム（第３図中の44
及び第５図中の56）と接触する位置へ流れてもよい。こ
の親金属の第一の源は最初に親金属リザーバからの流れ
により用意され且つその後にそれにより補充される。

中空部分44cの内部に入れられている親金属の第一の
源を補充する親金属のリザーバを用意することは、部分
44cの中空内部を完全に満たすべく親金属の源を常に用
意することにより、セラミックマトリックスの効率的で
均等な成長の保証に資する。このことは、プレフォーム
44の部分がセラミックマトリックスで満たされていない
おそれを無くす。なぜならば、金属が消費されるにつれ
て中空部分44cのなかの溶融親金属のレベルを使い果た
すと、（第３図中に示されているような）プレフォーム
44への溶融親金属の供給が行われるからである。

第５図の実施例の場合には、親金属の第一の源70は、
加熱前にプレフォーム56のなかに溶融親金属の固体物体
を置くことにより、もしくはプレフォーム56の内部を満
たすべくリザーバ容器58から溶融親金属が流れることに
より用意され得る。プレフォーム56の中空内部と比較し
てのその壁の図示されている相対的厚みが、酸化反応の
実行時にセラミックマトリックスでプレフォーム充填材
の全体を満たすのに十二分な溶融親金属が中空内部に入
れられているように選ばれていることは明らかである。
この場合に溶融金属のリザーバを用意することにより得
られる利点は、第３図の実施例に関して先に述べたよう
に、溶融親金属のレベルを、プレフォーム56の内部を頂
まで満たされた状態に保つのに十分に高く保ち、それに
よって、セラミックマトリックス中の不連続性なしに、
プレフォーム56を通じての多結晶性マトリックス材料の
均等な成長の保証に資することである。

第５図の実施例では、プレフォーム56は粒子状不活性
材料の床64のなかにパックされており、この床のなかへ
はセラミックマトリックスの有意な成長は生起せず、従
ってセラミックマトリックスはプレフォーム56の外側表
面により郭定される境界まで成長する。パリーのプラス
ターから成るプラグ62はプレフォーム56の内部の外に粒
子状不活性材料64を保つ役割をする。もし必要又は所望
であれば、パリーのプラスター又は他の類似の材料がパ
ッキングシールとして耐熱性リザーバ容器58の底及びプ
レフォーム56のフランジ56aの周りに使用され得る。オ
プションとして、プレフォーム56の外部全体が空気に対
して透過性のパリーのプラスターの層のなかに包まれて
よく、この層は仕上がりセラミック複合物物体から除去
される。

第６図を参照すると、ほぼ円筒状のプレフォーム72が
ベース部分74と端部分78で終端する細いネック部分76と
を有する他の組立体が示されている。中空の孔80がプレ
フォーム72を通ってその長手方向軸線の周りに同心に延
びている。端部分78の表面に開いている孔80の端はパリ
ーのプラスターのような適当な材料のプラグ82により閉
じられている。ベース部分74の端で開いている孔80の反
対側の端は、同じくパリーのプラスターであってよい適
当な材料から成るコンジット84と連通する位置に置かれ
ている。こうしてコンジット84はパリーのプラスターか
ら成るパイプ又はチューブの短い区間であり、その一端
はベース部分74の端と当接しており、またその他端は親
金属リザーバ86と当接している。コンジット84及びリザ
ーバ86はほぼ同軸に整列している。プレフォーム72は、
その長手方向軸線Ｌが線Ｈ−Ｈにより示されている水平
線と角度ａをなすように置かれている。このようにプレ
フォーム72をその端が水平線の下に少し、例えば５〜10
°傾斜しているように置くことにより、リザーバ86から
コンジット84を通って孔80への溶融親金属の流れが容易
にされる。プレフォーム72、コンジット84及び親金属リ
ザーバ86は、耐熱性容器90のなかに入れられている粒子
状不活性材料88の床のなかに支えられている。プロセス
の実行時に、親金属リザーバ86は溶融してコンジット84
を通って孔60のなかへ流れ、溶融親金属で孔80を満た
す。こうして、コンジット84及び孔80のなかに設けられ
ている開口は、溶融屋金属をプレフォーム72に供給する
通路としての役割をするとみなされ得る。プラグ82は孔
80の外に不活性材料88を保つ。空気のような気相酸化体
が溶融親金属を酸化するべく不活性材料88の床及びプレ
フォーム72を透過する。孔80のなかに入れられている溶
融親金属が消費されるにつれて、親金属はリザーバ86か
ら流れる溶融金属により補充され、従って孔80はプロセ
スを通じて溶融親金属で完全に満たされた状態に保たれ
る。

第６図中に明白に示されているように、孔80のなかに
入れられ得る溶融金属の量は、セラミックマトリックス
浸透プレフォーム72を形成する親金属の酸化反応により
得られる多結晶性材料でプレフォーム72を完全に満たす
のに、消費された金属の補充なしには、不十分である。
（このことは、プレフォーム56のなかの溶融親金属の供
給がプレフォーム56の比較的薄い壁をセラミックマトリ
ックスで満たすのに明らかに十二分である第５図の配置
と対照的である。）第６図の実施例の場合には、リザー
バ86は、溶融金属の均等な供給の保証に加えて、プレフ
ォーム72を多結晶性酸化反応生成物で完全に満たすべく
十分な溶融親金属を比較的小さい体積の孔を経て連続的
に供給するための手段をも成している。こうして本発明
の補充技術によれば、溶融親金属の第一の源の小さい体
積の領域から多結晶性材料を形成し、またこのような領
域からはるかに大きい体積の充填材を多結晶性マトリッ
クス材料で浸透することが可能になる。実際に、上記領
域内に溶融親金属の補充を継続することにより、所望の
体積とほぼ同じ体積の充填材がこのような領域から酸化
反応領域に導入された親金属から形成された多結晶性マ
トリックス材料で浸透され得る。

セラミックマトリックスの生成はプレフォーム72の外
側表面により郭定される境界で停止される。前記のよう
に、もし所望であれば、プレフォーム72は適当なバリヤ
ー手段のなかに入れられていてよい。孔80のなかに残留
する親金属の凝固したコアは仕上がり構造内で元の位置
に残されてもよいし、必要であれば完全に又は部分的に
除去又は他の適当な材料で置換されてもよい。仕上げら
れたセラミック複合物構造が第７図に、ベース部分7
4′、凹みを有するネック部分76′及び端部分78′を有
し、また長手方向に延びている孔を有するセラミック複
合物物体72′として示されている。

第８図には、プレフォーム92がほぼ円板状の車部分94
を有し、その一つの側から中心の中空軸98及び同心の円
形リム96が延びている他の組立体が示されている。軸98
は、それを通って延びておりリム96及び軸98と反対側の
車部分94の面に開いている軸98の外側のフレアー付き端
100aで終端する孔100を有する。孔100の（第８図で見
て）上側の端はパリーのプラスターのような適当な材料
のプラグ102により閉じられている。プレフォーム92の
（第８図で見て）下にそれと当接して親金属源物体104
が置かれている。

直角Ｌ字形コンジット106は親金属源物体104と当接す
る位置に置かれる一つの開端を有し、またその反対側の
（第８図で見て上側の）開端は親金属リザーバ108と当
接する位置に置かれる。一つのこのような親金属リザー
バ108及び組み合わされているコンジット106のみが第８
図中に図示されているが、二つ又はそれ以上の親金属リ
ザーバ及び組み合わされているコンジットが、好ましく
は円板状でありプレフォーム92の車部分94と実質的に同
一の直径を有する親金属の第一の源104の周囲の周りに
同様に置かれ得ることは理解されよう。プレフォーム9
2、親金属104及び108の物体及びコンジット106はすべ
て、耐熱性容器112のなかに入れられている粒子状不活
性材料110の床のなかに入れられている。

例えば空気雰囲気中の炉のなかで適当な反応温度に加
熱されると、親金属は溶融してプレフォーム92と接触す
る親金属の第一の源104を形成し、またリザーバ104の親
金属は溶融してコンジット106を通じて下方に流れ、そ
れによって、溶融親金属を上方に端100a及び孔100を通
じて孔100のプラグ102により閉じられている（第８図で
見て）頂に向けて押す親金属のヘッドを形成する。この
配置では、リザーバ108はプレフォーム92を多結晶マト
リックス材料で完全に満たすべく親金属の十分な供給を
保証するため第一の源104を補充するだけでなく、（リ
ザーバ108のなかの溶融金属のレベルが少なくとも孔100
の頂の高さに保たれているかぎり）孔100の全長を溶融
親金属で満たし且つ充満状態に保つ。このことはプレフ
ォーム92を通じてのセラミックマトリックスの均等な成
長の保証に資する。もしリザーバ108及びその組み合わ
されているコンジット106が省略されるならば、たとい
親金属源104がプレフォーム92をセラミックマトリック
スで満たすのに十分な供給を保証するのに十分に大きく
作られているとしても、特に車部分94との継ぎ目である
軸98のベースに設けられている絞り点に於いて溶融親金
属の流れに困難が生ずる。溶融親金属は透過性プレフォ
ーム92を通じて良好なウィッキング（燈心）作用を呈す
るが、源104による溶融親金属の供給が枯渇されるにつ
れて、静圧ヘッド下に溶融親金属の補充をするリザーバ
108なしでは、非常に大きい構成要素の場合には、ウィ
ッキング作用は特に車部分94から離れた軸98を通じての
完全且つ均等な成長を保証するのに不十分であることが
あり得る。本発明の技術によれば、この問題が、図示さ
れている実施例では、多かれ少なかれ静圧ヘッド下に溶
融金属の源で孔100の頂まで孔100を満たすことにより、
また同様に満たされている溶融金属の源104を保つこと
により克服される。リザーバ108自体は、必要であれ
ば、時々補充されてよい。

第９図には、第８図中に示されている組立体から得ら
れるセラミック複合物物体92′が示されている。このセ
ラミック複合物物体92′は、内部に孔100′を形成され
ている中心軸98′と、軸98′が延びている面と同一の面
から延びている円形リム96′を有する車部分94′とを含
んでいる。他の実施例のところで既に述べたように、孔
100及び端100aのなかに入れられている再凝固した溶融
金属は仕上がりセラミック複合物製品から除去され得
る。代替的に、孔100及び端100aの全部又は一部が再凝
固した溶融金属で満たされた状態に残されてもよいし、
部分的又は完全に他の適当な材料で満たされてもよい。
いずれの場合にも、孔100及び端100aを満たす材料は、
例えば、それを通って延びている小さい直径の孔を形成
するべくドリル加工され得る。

次に第10図を参照すると、溶融親金属で実質的に満た
されたものとして示されている親金属リザーバ116を入
れる耐熱性リザーバ容器114を含んでいる組立体が立断
面図で示されている。孔118が容器114の底に形成されて
おり、それを通じて溶融親金属が重力により保持器材料
のベース又は床122のなかに形成されている浅い中央の
凹み120のなかへ流れる。保持器材料は耐熱性舟形容器1
24のなかに入れられたパリーのプラスターのような任意
の適当な材料から形成されていてよい。例えば、耐熱性
舟形容器124は凝固且つ硬化を許される流動可能なパリ
ーのプラスターで例えば第11図中に示されているように
その深さの約半分まで部分的に満たされていてよい。浅
い中央の凹み120は次いで硬化されたパリーのプラスタ
ーからカットされ、又は、予めセットされたパリーのプ
ラスターのなかへ挿入された適当な型の使用により、そ
のなかにモールドされている。

複数個の同一の透過性のプレフォーム126はほぼカッ
プ又はタンブラー状の輪郭であり、またそれらの開いた
側を下方に開いて凹み120に沿って一列に並べられて置
かれている。凹み120の上の中空プレフォーム126の相互
間の空間はパリーのプラスターのような適当な材料のプ
ラグ128により閉じられている。最初に、第一の源とし
ての親金属が各プレフォーム126の中空部分のなかに置
かれ、また親金属のリザーバが容器114のなかに置かれ
得る。代替的に、溶融親金属をリザーバ114のなかへ注
ぎ（又は固体親金属を要素114のなかに置き、次いで親
金属を溶融させるべく組立体を加熱し）、また親金属を
容器114から凹み120を経てプレフォーム126お各々のな
かへ流すことが一層好都合であり得る。いずれの場合に
も、溶融親金属の補充は、容器114からその（第10図で
見て）底の孔118を通って凹み120及びプレフォーム126
の中空内部のなかへ重力により流される。第10図の左側
の部分には、容器114及び凹み120のなかに入っており、
またプレフォーム126の内部を満たしている溶融親金属
が示されている。第10図の右側の部分では、すなわち中
央のプレフォーム126を通って記入されている垂直な波
線の右側の部分では、凹み120に沿ってその上に並んで
いる中空プレフォーム126の位置を一層明白に示すた
め、溶融親金属の図示は省略されている。第11図の右側
の部分では、プレフォームに対して相対的な凹み120の
輪郭を一層良好に示すため、中央のプレフォームの一部
分及びその右側の二つのプレフォームとそれらの組み合
わされていプラグ128とは破線で図示されている。第11
図では容器114の一部分も破線で図示されている。リザ
ーバ容器114のなかの静圧ヘッドにより、他の実施例の
ところで述べたように溶融親金属が充填材を埋める多結
晶性セラミックマトリックスを形成するべくプロセス中
で消費されるにつれて親金属を補充するべく、プレフォ
ームの各々が溶融親金属で満たされた状態に保たれるこ
とが保証されている。プレフォームがすべてセラミック
マトリックスにより完全に浸透されるに至るまで反応が
完了した時、組立体は炉から取り出され、また過剰な溶
融金属はセラミック複合物物体から流し出される。リザ
ーバ容器114はそれ自体、もし必要であれば、時々親金
属で補充されてよい。しかし、親金属を途中で追加しな
くてもプロセスを完了するのに十分な量の親金属をリザ
ーバ容器が有することは好ましい。

第10図及び第11図の組立体に利用される中空プレフォ
ームは任意の適当な材料により製造され得る。この形状
のプレフォームを製造する一つの好都合な方法は、第12
図に断面図で示されている形式の開いたモールド130に
より実行され得るスリップ鋳込である。モールド130は
内部にカップ状の凹部132を有するものとして形作られ
ており、またモールド130は任意の適当な材料から製造
されていてよく、例えばパリーのプラスターから鋳造さ
れていてよい。細粒状の充填剤粒子を含んでいる適当な
スリップ混合物が凹部132を満たすべく注ぎ入れられ、
またスリップ混合物がモールドのなかに或る時間にわた
り留まることを許される。スリップ液体ビヒクル、例え
ば水の若干が多孔性のパリーのプラスターのモールドの
なかに吸収され、また適当な時間の後に過剰な液体が流
し出され、カップ状の凹部132に付着する充填材の厚い
層を後に残す。この層は乾燥且つ加熱されて、中空プレ
フォーム126が第12図中に参照符号を付されていない矢
印により示されているようにモールド130から引き出さ
れることを許すのに十分な機械的強度（“グリーン強
度”）を与えられる。カップ状の凹部132は、モールド
のなかに必要な厚みに充填材材料をビルドアップさせる
べく、過剰スリップを流し出した後に二回又は三回にわ
たりスリップ鋳込混合物で再び満たされ得る。

第13図には、第10図及び第11図の組立体を利用して得
られた典型的なセラミック複合物物体126′が示されて
いる。セラミック複合物物体126′は中空プレフォーム1
26を浸透するセラミックマトリックスを含んでいる。セ
ラミック複合物物体126′のなかに留まる過剰な親金属
は、中空のカップ状セラミック複合物物体を形成するべ
く機械的又は化学的手段により除去され得る。もちろ
ん、物体126′は再凝固した溶融親金属又は他の材料で
部分的又は完全に満たされた状態にとどめられてもよ
い。

第14図には、（第12図で説明したものと同一のスリッ
プ鋳込技術により）第15図及び第15A図に示されている
ようなポンプ羽根車の形状に中空プレフォームを形成す
るのに利用可能な分割モールドが示されている。第14図
を参照すると、分割モールド134は上側部分136及び下側
部分138を有し、上側部分136が下側部分138の上に正し
く取り付けられた状態で両部分の間に郭定されるキャビ
ティの輪郭に従って、フランジ146aで終端する中空の中
心軸146と円板状物体142とを含んでおり且つ中心軸146
から円板状物体142の周縁148へ半径方向に外方に延びて
いる四つの湾曲した羽根144a、144b、144c及び144dを有
するポンプ羽根車状のプレフォーム140（第15図及び第1
5A図）が形成される。軸146は中空であり、それを通っ
て延びている孔150を有し、また円板状物体142は中空で
あり、そのなかにキャビティ152を郭定している。

羽根車状のプレフォーム140は、モールド134（第14
図）をその開口150′を経て適当なスリップ鋳込スラリ
ーで満たすことにより得られる。上記のスリップ鋳込技
術は、モールド134の内部キャビティに粒子状充填剤材
料の層を必要な厚みにピルドアップさせるべく実行され
得る。過剰な液体を流し出し、またスリップ鋳込成分の
被覆を含んでいるモールドを乾燥且つ加熱した後に、第
15図及び第15A図に示されている中空プレフォーム140が
得られる。

次に第16図を参照すると、プレフォーム140は、耐熱
性容器156のなかに入れられている不活性材料154の床の
なかに置かれている。パリーのプラスターのような適当
な材料から成るコンジット158がフランジ146aの頂に取
り付けられており、またそのなかに親金属のリザーバ16
0を含んでいる。第一の源としての親金属の物体はプレ
フォーム140の内部を満たす。他の実施例のところで述
べたように、親金属源162は、例えば、その中空内部を
粒子状親金属で満たすことにより置かれてもよいし、又
は組立体のセットアップ後にプレフォーム140の内部が
取瓶から供給され得る溶融親金属で満たされてもよい。
同様に、親金属リザーバ160は最初に固体親金属リザー
バとして組立体のなかに置かれてよいし、又は第一の源
及び溶融親金属のリザーバの双方を用意するべくプレフ
ォーム140の中空内部だけでなくコンジット158をも満た
すのに十分な溶融親金属が注がれてよい。いずれの場合
にも、組立体は、例えば、空気雰囲気に対して開いてい
る炉内に置かれ、また酸化反応生成物を形成してセラミ
ックマトリックスでプレフォーム140を浸透するべく必
要な温度範囲に加熱される。

反応が完了した時、セラミックマトリックスで浸透さ
れたプレフォーム140を満たしている未反応の親金属は
そのなかで再凝固を許され得る。代替的に、未反応の親
金属は溶融状態でセラミック物体から流し出されてもよ
い。いずれの場合にも、第17図に、結果として得られる
セラミック複合物物体140′が円板状物体142′とフラン
ジ146a′で終端する軸146′とを含んでおり且つ軸146′
から半径方向に延びている羽根（そのうち羽根144a′及
び144b′のみが第17図中に見られる）を有するものとし
て示されている。セラミック複合物物体140′の内部
は、再凝固した親金属又は種々の金属又は合金のような
他の材料又はプラスチック材料のような他の材料であっ
てよい材料164で満たされている。第17図に示されてい
る実施例では、孔166が軸146′のなかに材料164、例え
ば再凝固した親金属のドリル加工により形成されてお
り、また軸への羽根140′のキー取付を容易にするべく
孔166と共に形成されている。軸などへの羽根140′の取
付に適したねじ孔又は他の適当な手段が孔166の範囲に
形成され得る。

次に第18図及び第18A図を参照すると、空気透過性の
パリーのプラスターの層を含んでいるバリヤー手段172
により被覆されているプレフォーム170が示されてい
る。Ｌ字形のコンジット174は耐熱性容器176とプレフォ
ーム170の下の空隙スペース178との間の連通路を形成す
る。空隙スペース178はパリーのプラスターから成るバ
リヤー手段172の殻により郭定且つ包囲されている。耐
熱性容器176はパリーのプラスターから成るライニング1
80を有する。耐熱性容器176のなかに親金属リザーバ182
が入れられており、その頂は粒子状不活性材料184の層
により覆われている。第18図には、親金属の溶融以前の
組立体が示されている。代替的な実施例では、空隙スペ
ース178は親金属源で満たされていてよい。しかし、図
示されている実施例では、親金属182の溶融時に、溶融
親金属は、プレフォーム170と接触する溶融親金属の第
一の源を形成するべく、コンジット174を通って空隙ス
ペース178へ流れる。

プレフォーム170はそれを通って延びている三つの孔
及びそれらの両面に於ける開口を有する。第18図の組立
体は、耐熱性容器190のなかに入れられている粒子状不
活性材料188の床のなかに支えられている。加熱時に、
溶融親金属はコンジット174を通って空隙スペース178へ
流れて、空隙スペース178を満たし、また溶融親金属は
プレフォーム170を浸透して、多結晶性材料のセラミッ
クマトリックスのなかにプレフォーム170の充填材成分
を最終的に埋めるべく酸化される。親金属リザーバ182
の位置により、プレフォーム170が結果として得られた
セラミックマトリックスで完全且つ均等にみたされてい
ることを保証するのに資するべく酸化プロセス全体を通
じて親金属の第一の源で満たされた状態にスペース178
を保つための溶融金属の静圧ヘッドが維持される。他の
実施例のところで既に述べたように、一つよりも多い親
金属リザーバ182が、溶融親金属をスペース178へ流すた
めに利用され得る。

反応の完了及び組立体の冷却後に、結果として得られ
たセラミック複合物構造は不活性材料188の床から取り
出され、またパリーのプラスターから成るバリヤー手段
172が、それを通って延びている三つの平行な孔186を有
するセラミック複合物構造170′（第19図）を解放する
べく取り外される。プレフォーム170の外側の酸化反応
条件に優越する酸化反応条件をプレフォーム170の内部
に保つことにより、孔186は実質的に多結晶性マトリッ
クス材料が存在しない状態に保たれる。この文脈中で、
孔186を含んでいるスペースは、プレフォーム170を成す
材料の“外側”である。

本発明の実施例のいずれに於いても、プレフォーム
（又は他の形態の充填材）の材料の組成は一つ又はそれ
以上の適当なドーパント又は酸化体を含んでいてよく、
又は、さもなければ、親金属の酸化反応速度が充填材材
料が存在しない場合のそれに優越する条件を保っていて
よい。従って、特定のドーパント、酸化体、親金属及び
温度条件に関係して、酸化反応生成物から成る多結晶性
材料が、このような環境のもとに、充填材の外側に成長
させられ得る。こうして、第18図及び第18A図に示され
ている実施例では、多結晶性材料は、孔186を満たすよ
うな成長をしない。代替的に、又は追加的に、バリヤー
手段が、第20図〜第21図の実施例に示されているよう
に、孔186の内部に於ける多結晶性マトリックス材料の
成長を阻止するべく孔186のなかに設けられてもよい。

次に第20図〜第21A図を参照すると、（第20A図に最も
よく示されているように）円筒状の輪郭を有し、それを
通って延びている中心孔194及びその両端の各々に於け
る開口を有するプレフォーム192が示されている。中心
孔194は、その内部を被覆し且つその両端を閉じるパリ
ーのプラスターの層を含んでいるバリヤー手段196でラ
イニングされている。中心孔194はバリヤー材料のプラ
グで完全に満たされていてもよい。

第21図には、円筒状の耐熱性容器200のなかに入れら
れている溶融親金属198の物体の中心に垂直に置かれた
プレフォーム192の組立体が示されている。プレフォー
ム192は、形状は容器200の内部と一致しているが、直径
はそれよりも小さい。プレフォーム192の一端は、図示
されているように、容器200の底の上に載っていてよ
く、又はプレフォーム192の底への溶融親金属のアクセ
スのための小さい空隙を生ずるべくシムの上に支えられ
ていてよい。耐熱性容器200は、プレフォーム192の外側
表面全体と均等な厚みの溶融親金属の物体との接触を許
すのに十分なスペースをプレフォーム192と容器200の内
壁との間において、プレフォーム192を受け入れ得る寸
法にされている。プレフォーム192を溶融親金属198の物
体のなかに常に浸された状態に保つため、リザーバ（第
21図又は第21A図中には示されていない）から補充用の
溶融親金属が連続的又は間歇的に第21図中に矢印Ｒによ
り示されているように供給される。こうして、容器200
は傾斜取瓶から、又は溶融親金属をコンジット又は他の
適当な手段により耐熱性容器200のなかへ導くリザーバ
から溶融親金属を供給され得る。代替的に、例えば粒子
状の固体親金属が、必要であれば，溶融親金属の物体に
追加され、そこで親金属の供給を補充するべく溶融され
得る。この実施例では、プレフォーム192を浸透する多
結晶性セラミックマトリックス材料の成長はプレフォー
ム192の外側表面全体からその中心孔194に向けて生起す
る。中心孔194の滑らかな表面は、そのなかにバリヤー
手段196を設けることにより保証されている。先の実施
例の場合と同じく、溶融親金属のリザーバからの補充に
より、プレフォーム192全体が溶融親金属のなかに浸さ
れた状態に保たれ、それを通っ典型的多結晶性マトリッ
クス材料を均等に成長させる。

耐熱性容器200はプレフォーム192に対して相対的に、
プロセスの完了時にプレフォーム192がなお完全に溶融
親金属のなかに浸されているように十分な深さで親金属
のリザーバがプレフォーム192の上に形成されるような
寸法にされている。こうして、親金属のリザーバ及び第
一の源は、酸化反応プロセス全体を通じて溶融親金属の
なかに完全に浸された状態にプレフォームを保つのに十
分に大きい溶融親金属の単一の物体を含んでいてよい。

プロセスの完了時に、セラミック製品は溶融親金属浴
から取り出され、また過剰な溶融親金属がそこから排出
を許される。バリヤー手段196としてのコアが除去さ
れ、その結果として、親金属基体198′と一体に、長手
方向軸線に沿って延びている中心孔194を有するセラミ
ックライニング192′を含んでいる円筒状輪郭のセラミ
ック複合物構造が得られる。

例えば第８図（再凝固した親金属が孔80のなかに保た
れている場合）、第17図及び第22図に示されている構造
のような本発明による構造は、金属の物体の上に一体に
形成され、また典型的にはそれに結合されているセラミ
ック表面を有する。セラミック表面は親金属の酸化反応
により得られまた充填材を埋めている多結晶性材料のマ
トリックスを含んでいる。このような一体のセラミック
表面を有する金属構造によれば、従来のセラミック構造
にくらべて、破局的な損傷に対する抵抗性が増し、また
いくつかの場合には重量が軽減されることを含めて有意
義な利点が得られる。例えば、第17図のポンプ羽根車は
（腐食性及び（又は）浸食性流体のポンピングのよう
な）セラミック表面を必要とする使用条件のもとでの使
用を可能にし、またその金属コア又は基体は、セラミッ
ク表面に結合しているので、従来のセラミック構造では
通常得られないような、破局的な損傷に対する抵抗性を
羽根車に与える。こうして、従来のセラミック構造では
応力割れ又は機械的衝撃により粉砕されて部品の破局的
な損傷に至りがちな用途でも、本発明の構造はインテグ
リティを保つ。例えば、たとい第17図の羽根車の機械的
衝撃が羽根車140′のセラミック表面に損傷又は割れを
生じさせるほど大きかったとしても、金属物体が部品の
構造的インテグリティを保つ。また、鋼駆動軸のような
高強度金属部材にポンプ羽根車のようなセラミック部品
を取り付けることは長年にわたり本質的に困難とされて
きたが、本発明の構造によれば、この困難が克服され
る。以前のセラミック物体では、延性のある構成要素と
の界面に於いて脆いセラミック部品に与えられる局部的
な機械的応力がしばしば砕けやすいセラミック材料の粉
砕を招いた。本発明のセラミック表面を有する金属基体
構造では、セラミック部材に金属−金属接続（例えば第
17図中の孔166にキー結合された金属軸）を作ることが
可能になる。破局的な損傷を回避し得ることは、回転す
る構成要素、往復運動する構成要素及び加圧される構成
要素の設計にあたって特に有意義である。

本発明の他の特徴は、適当な親金属、充填剤及び酸化
体の選定により、結果として得られるセラミック表面を
有する金属構成要素が、セラミック表面及び金属界面の
なかにビルドされセラミック複合物物品に優れた見掛け
強度及び損傷抵抗性を呈せしめる好ましい予応力を有す
るものとして製造され得ることである。これは、セラミ
ック表面と金属基体との間に制御された異なる収縮を生
じさせるように材料及びプロセス条件を選定することに
より実現される。予応力セラミック表面及び基体の例外
的に良好な結合により可能にされている。

次に第23図及び第24図を参照すると、外側の円筒状の
殻204と、殻204よりも直径は小さいが長さは等しい内側
の円筒状の殻206とを含んでいるプレフォーム202が示さ
れている。外側及び内側の殻は、これらの殻と同じ長さ
の三つのウェブ208a、208b及び208cにより接続されてい
る。こうしてプレフォーム202は一体の構造を成してい
る。ウェブ208a、208b及び208cは、第24図中に示されて
いるように、殻204及び206の周縁に等しい角度間隔をお
いて、すなわち120°の等角度間隔で配置されている。
第24図中に最もよく示されているように、この構造はプ
レフォーム202の内部を、長手方向に延びている一つの
中心孔210と、長手方向に延びている三つの環状コンパ
ートメント212a、212b及び212cとに分割する。

プレフォーム202は、孔210及びコンパートメント212
a、212b及び212cのなかに導入される溶融親金属の酸化
により得られる多結晶性材料で浸透され得る。加えて、
外側の殻204の外側表面はプレフォーム192に関して第21
図で説明したレイアップと類似のプレフォーム202のレ
イアップにより達成されるように、溶融親金属のなかに
浸されていてもよい。さらに、所望であれば、孔210、
コンパートメント212a、212b及び212cの一つ又はそれ以
上が、セラミック−ライニングされた金属基体を形成す
るべく、内部に再凝固した親金属を残されていてよい。
代替的に、又は追加的に、再凝固した親金属の基体（第
22図中の金属基体198′に相当）が外側円筒204の外側表
面の周りに残されていてよい。

本発明により得られるセラミック含んでいる構造は、
前記のように、適合可能な充填材の床として又は形作ら
れたプレフォームとして用意され得る充填材を埋めるセ
ラミックマトリックスを含んでいる。適当な充填材は、
本プロセスの温度及び酸化条件のもとに揮発性でなく、
熱力学的に安定であり、また溶融親金属との反応又はそ
のなかへの過剰な溶解をしないような化学的種を含んで
いる。多数の材料が、親金属としてアルミニウム、また
酸化体として空気又は酸素が利用される場合に上記の規
範を満足するものとして当業者に知られている。このよ
うな材料はアルミニウム、シリコン、ハフニウム及びジ
ルコニウムのような金属の酸化物、ホウ化物又は炭化物
を含んでおり、また任意の所望の形状及び寸法であって
よい。

親金属と組合わせて使用されるドーパントは、（１）
親金属の合金化成分として与えられてよいし、（２）親
金属源物体の表面の少なくとも一部分に与えられてよい
し、（３）充填材材料又はプレフォームの部分又は全部
の中へ与えられ又は組入れられてよい。また、（１）な
いし（３）の方法の二つ又はそれ以上の任意の組合わせ
が用いられてよい。例えば、合金化されたドーパントが
単独で、又は外部から与えられる第二のドーパントと組
合わせて使用され得る。追加的なドーパントが充填材材
料に与えられる方法（３）の場合には、本願の譲受人と
同一の譲受人に譲渡された特許出願明細書に記載されて
いるような任意の適当な仕方でドーパントの供給が行わ
れる得る。

特に酸化体として空気が使用される場合にアルミニウ
ム親金属に対して有用なドーパントは、下記のような他
のドーパントと組合わされていてよいマグネシウム、亜
鉛及びシリコンを含んでいる。これらの金属、又は金属
の適当な源は、結果として得られるドープされた金属の
全重量に対して重量百分率で約0.1〜10％の間の濃度で
アルミニウム主体の親金属の中へ合金化され得る。これ
らのドーパント材料又はその適当な源、例えばMgO、ZnO
又はSiO₂は親金属の外部に使用され得る。こうして、ア
ルミナセラミック構造が、酸化されるべき親金属の1gあ
たり0.0008gよりも多く且つMgOが着装される親金属表面
の１cm²あたり0.003gよりも多い量のMgOを表面ドーパン
トとして使用することによって、酸化体として空気を使
用して親金属としてのアルミニウム−シリコン合金に対
して達成可能である。

親金属がアルミニウムであり、また酸化体が空気であ
る場合に有用なドーパント材料の追加的な例はナトリウ
ム、ゲルマニウム、スズ、鉛、リチウム、カルシウム、
ホウ素、リン及びイットリウムを含んでおり、これらの
ドーパント材料は個々に、又は酸化体及びプロセス条件
に関係して一つ又はそれ以上の他のドーパントと組合わ
せて使用され得る。セリウム、ランタン、プラセオジ
ム、ネオジム及びサマリウムのような希土類元素も、特
に他のドーパントと組合わせて使用される時、有用なド
ーパントである。本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡さ
れた特許出願明細書に記載されているようなドーパント
材料のすべてがアルミニウム主体の親金属システムに対
する多結晶性酸化反応生成物の成長を助長するのに有効
である。

本発明の実施により得られるセラミックス複合物構造
は通常、セラミックス複合物製品の全体積の体積百分率
で約５％と約98％との間が多結晶性セラミックマトリッ
クスで埋められている一つ又はそれ以上のプレフォーム
材料から成っている密でコヒーレントな製品である。多
結晶性セラミックマトリックスは通常、親金属がアルミ
ニウムであり、また空気又は酸素が酸化体である時、
（多結晶性マトリックスの重量の）重量百分率で約60％
ないし約99％の相互結合されたαアルミニウム酸化物及
び約１％ないし約40％の非酸化金属成分から成ってい
る。

冷却時に適当に選定された親金属と本発明のプロセス
によりその上に生成され得るセラミック表面との間に典
型的に生ずる密な結合は延性部材への耐摩耗性材料の被
覆を可能にし、また例えば延性圧力殻へのセラミック表
面の被覆を可能にする。本発明に於いて金属基体へのセ
ラミック表面の結合強度が高いのは、本発明のマトリッ
クスを成長させるべく酸化反応生成物を通じての親金属
の輸送を可能にする親金属の湿潤性が高いことに負うも
のであると思われる。

本発明により得られる製品は、経済的であり、重量が
軽く、予応力条件で製造可能であり、金属基体にセラミ
ック表面を結合可能であり、種々の形状及び寸法に製造
可能であり、耐熱性に富みまた耐食性に富んでいるの
で、熱機関構成要素、弁構成要素及びポンプ構成要素と
して使用するのに理想的に適している。

金属にセラミックスを被覆するというアイデアは新し
くはない。しかし、構想としては非常に魅力的であるに
もかかわらず、このような構成要素を実現するための以
前の手段ではセラミック表面を十分な深さで、破砕を生
じないように、金属基体への十分な接着力が得られるよ
うに、複雑な表面に分布するように、しかも妥当なコス
トで形成し得ないために、実現可能性は極度に制限され
ていた。本発明は、ほとんど任意の輪郭及び厚みのセラ
ミック表面を形成し得る点で、また低コストで適度な温
度で且つ無加圧のプロセスで構造材としての親金属基体
にセラミック表面を一体に結合し得る点で完全に独特で
ある。

以下、下記の例により本発明を説明する。なお、これ
らの例は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するもので
はない。

例１ セラミック複合物構造を調製するため、長さ６インチ
（15.2cm）のInconel 600合金（International Nickel
Co.）のスケジュール40の管（外径１・15/16インチ（4.
92cm））（第１図中の18に相当）が各々直径3/16インチ
（0.48cm）の複数個の孔を明けられた。孔は千鳥列パタ
ーンで3/8インチ（0.95cm）の中心間隔で管の円筒状ボ
ディ全体にわたってドリル加工された。直径0.016イン
チ（0.04cm）の孔を有する厚み約0.008インチ（0.02c
m）の304合金ステンレス鋼の孔明きシートが、ドリル加
工されたInconel金属管に対する内側ライナー（第１図
中の16に相当）として使用された。シートの孔面積比は
24％であった。この孔明きステンレス鋼はこの例に於け
るマトリックス成長に対するバリヤーとして選定され
た。

10％のシリコン及び３％のマグネシウムを含有するア
ルミニウム合金から成る親金属部材が、第１図中に示さ
れているものと幾分類似の輪郭で親金属源物体及び親金
属リザーバを構成した。しかし、この場合には、リザー
バ（第１図中の34に相当）はテーパー付きではなく直径
２・1/2インチ（6.35cm）、高さ２インチ（5.08cm）の
円筒状輪郭であり、また源物体（第１図中の36に相当）
は直径3/4インチ（1.9cm）、長さ６インチ（15.24cm）
であり、その上端でリザーバ部分に接合された。源物体
はねじを切られた輪郭を有し、また重量百分率で５％の
商業的砂（シリカ）と重量百分率で95％の90グリットの
38アランダム（Norton Companyにより供給される粒子状
アルミナ）との混合物である充填材の塊（第１図及び第
1A図中の適合可能な充填材の塊38に相当）のなかに埋め
られた。充填材混合物は24時間にわたり約1250℃に加熱
され、次いで周囲温度に冷却を許された。冷却された混
合物は次いでミル加工され、ステンレス鋼でライニング
された孔明きスケジュール40のInconel管のなかに置か
れた。親金属源物体はウッド・グリュー（Borden Compa
nyによりELMER′Ｓという商標で市販）の層で被覆され
た。リザーバは304合金ステンレス鋼チャンバ（第１図
中の12に相当）のなかに入れられている90グリットの38
アランダムの床のなかに埋められた。またリザーバはそ
の床（第１図中に参照符号を付さずに示されている）に
直径２インチ（5.08cm）の孔を有するものであった。こ
の孔の周囲にInconel管の頂が溶接された。

結果として得られた組立体を直立位置に支えるため、
そのInconel管部分（第１図中の14に相当）が、孔面積
比が40％となるようにドリル加工された直径3/32インチ
（0.24cm）の孔を有する内径３・1/2インチ（8.89cm）
の孔明き304合金ステンレス鋼支持シリンダのなかに置
かれた。支持シリンダはその頂に於いてリザーバチャン
バ（第１図中の12に相当）を支えるような長さであっ
た。この配置により、リザーバが源物体のすぐ上に位置
するように親金属及び充填材組立体が垂直位置に保たれ
た。こうして支えられた組立体が耐熱性の開いたコンテ
ナの上に置かれ、また空気雰囲気を有する炉のなかで10
時間にわたり1245℃の温度に加熱され、100時間にわた
り1245℃に保たれ、また次いで30時間にわたり125℃に
冷却され、その後に周囲温度まで冷却を許された。セラ
ミック複合物物体がスケジュール40のInconelステンレ
ス鋼シリンダの囲いのなかで成長し、また充填剤の塊を
埋めた。冷却時に、上記のシリンダの囲いがセラミック
複合物物体の周りに密に嵌合していることが見出され
た。凝固した親金属をセラミック構造の孔からドリル加
工及び化学的（塩化水素酸）処理により除去した時、セ
ラミック構造を通って延びており元の源物体のねじを切
られた輪郭を逆複製した輪郭を有する孔が露出された。
約1/2インチ（1.27cm）のセラミック物体の壁厚は、リ
ザーバ物体が取り付けられていない源物体により製造さ
れたセラミック物体の壁厚よりもはるかに厚かった。

以下の表は本発明の例の説明の際に引用される。

表Ａ （Ａ）パリーのプラスターのモールドに使用するための
スリップ鋳込組成は、下記のように、下記の原料を下記
の割合で混合することにより調製され得る。重量百分率 47.6 100グリットE67アルミナ （Norton Co.） 23.6 EPKカオリンクレー 28.5 水 0.1 Vee-Gum Cer 0.2 Dawan-7 Vee-Gum Cer及びDawan-7はカオリンクレーに対する分散
剤である。

（Ｂ）沈降鋳込組成は、体積百分率で10％の水と体積百
分率で１％のラテックス主体の接着剤（Borden Company
からELMER′Ｓという商標で市販されているカーペンタ
ー・グリュー）とを含んでいる水性結合剤を混合するこ
とにより調製され得る。水性結合剤は次いで、選定され
た充填剤粒子と、結果として得られるスラリーに所望の
濃度を与えるような割合で混合される。

（Ｃ）RTVシリコンゴムモールドが、液体ゴム組成で部
分的に被覆し、ゴムの硬化を許し、次いでゴムモールド
を物品から除くことにより調製された。

表Ｂアルミニウム親金属合金組成 ５％ シリコン ４％ 銅 １％ マグネシウム ４％ 亜鉛 １％ 鉄 残余 アルミニウム 表Ｃアルミニウム親金属合金組成（公称） 3.7％ 亜鉛 3.9％ 銅 1.1％ 鉄 8.3％ シリコン 0.19％ マグネシウム 0.04％ ニッケル 0.02％ スズ 0.04％ クロム 0.02％ マンガン 0.08％ チタン 残余 アルミニウム 例２ 第３図のプレフォーム44の形状のプレフォームがミニ
チュアピストンから表Ａ中に記載されている過程（Ｃ）
で調製されたゴムモールドのなかで沈降鋳込により製造
された。沈降鋳込組成は表Ａ、過程（Ｃ）の水性結合剤
を下記の充填材と共に利用した。重量百分率 93 38アランダム（70wt％は２ 20グリット、50wt％は50 ０グリット） ７ シリコン金属（50wt％は22 ０グリット、50wt％は500 グリット） 過剰な結合剤がモールドから排出され、またモールド
が鋳造された充填材の除去を可能にするべく冷却され、
次いで充填材が乾燥を許された。乾燥された充填剤は３
時間にわたり空気中で1300℃に予加熱された。結果とし
て得られた透過性のプレフォームはその中空ボディ部分
（第３図中の44c）の表面にニッケル粉末スラリーを被
覆された。プレフォームの外側は空気に対して透過性の
パリーのプラスターの層で被覆された。実質的に表Ｂに
示されている組成を有するアルミニウム親金属物体が第
３図に示されているようなレイアップでプレフォームと
共に置かれ、また40時間にわたり空気雰囲気中で1000℃
で加熱された。過剰な溶融アルミニウムが、結果として
得られたセラミックス複合物構造から排出された。こう
して正確な寸法のセラミック複合物ミニチュアピストン
が得られた。

例３ 第５図中のプレフォーム56の形状の透過性プレフォー
ムが、使用されたシリコン金属粉末が重量百分率で５％
であったことを除いて同一の沈降鋳込組成を用いて表
Ａ、過程（Ｂ）及び（Ｃ）の方法により調製された。プ
レフォームはその外側表面を空気に対して透過性のパリ
ーのプラスターのバリヤーの二つの薄い層で被覆され、
また表Ｃに示されているものと同一のアルミニウム合金
が親金属として容器（第５図中の58）のなかに用意され
た。レイアップは68時間にわたり空気雰囲気中で1000℃
で加熱された。結果として得られたセラミックス複合物
構造は正確な寸法及びセラミックマトリックスによる完
全な浸透を示した。

例４ 第10図、第11図及び第12図中にプレフォーム126に対
して示されている形状の五つの透過性プレフォームが表
Ａの沈降鋳込法を用いて調製された。

第11図及び第12図中に示されているようなレイアップ
が調製された。パリーのプラスターのプラグ128がプレ
フォーム126の間の間隔に凹み120を横切って置かれた硬
紙ブリッジの上に施された。各プレフォーム126の外側
表面はパリーのプラスターから成るバリヤー材料の層で
被覆された。容器114のなかに表Ｃに示されている組成
のアルミニウム合金の物体が置かれ、またレイアップが
空気中で1000℃で加熱された。アルミニウム合金は溶融
するにつれて凹み120を通って、また上方にプレフォー
ム126の各々のなかへ流れ、空気が多孔性プレフォーム
を通って排出されるにつれて徐々にプレフォームをその
頂まで満たす。上記の温度は50時間にわたり保たれ、そ
の後にレイアップが分解され、また溶融親金属が、結果
として得られたセラミック複合物るつぼから排出され、
酸処理及び（又は）サンドブラストにより凝固した過剰
なアルミニウム合金がセラミック複合物るつぼの内部か
らから除去された。

例５ 表Ａ、過程（４）のスリップ鋳込法が、第14図中に示
されているものと類似のパリーのプラスターから成るモ
ールドのなかに、第15図及び第15A図中に示されている
ような透過性プレフォームを調製するのに用いられた。
スリップ鋳込により得られたプレフォームは乾燥され、
また30分間にわたり700℃で予加熱された。プレフォー
ムの外側はバリヤー手段としての役割をする重量百分率
で70％のパリーのプラスター及び30％のSiO₂の混合物
（乾燥ベース）で被覆された。プレフォームの内部はシ
リコン金属粉末のスラリーで冷却され、また次いでプレ
フォームが表Ｃに示されている組成の溶融アルミニウム
合金で満たされた。レイアップは、プレフォームを溶融
アルミニウム合金で完全に満たされた状態に保つべくア
ルミニウム合金の連続的補充を行いつつ96時間にわたり
900℃で加熱された。炉から取り出し且つ冷却した後
に、金属で満たされておりセラミック複合物ライニング
を有する正確な寸法のポンプ羽根車が得られた。

例５のポンプ羽根車の金属基体上のセラミック表面
は、凝固した親金属とそれから一体に形成されたセラミ
ック表面との間の密な一体の密着を示す点で、本発明に
従って製造されたセラミック表面を有する金属基体に於
ける典型的なものであった。上の例でこうして製造され
た部品はアルミニウム合金基体に密着した充填材を埋め
るセラミックマトリックスの強靱な表面を有し、従って
部品はアルミニウム合金の機械的靱性及び弾性と硬いセ
ラミック表面の外面又はコアを有した。

以上に於ては本発明の少数の実施例のみを詳細に説明
してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の範囲内にて種々の組み合わせ及び変
更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は親金属リザーバと不活性材料及び充填剤のなか
に置かれた親金属の第一の源との組立体の概要を部分的
に断面図で示す立面図である。 第1A図は第１図中の破線Ａの範囲を部分的に切欠いて拡
大された尺度で示す図である。 第２図は本発明により第１図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造を部分的に断面図で
示す立面図である。 第３図は親金属リザーバと、バリヤー手段のなかに囲ま
れており且つ耐熱性容器のなかに入れられた保持床のな
かに置かれているプレフォームとを含んでいる組立体の
概要を部分的に断面図で示す立面図である。 第４図は本発明により第３図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造を部分的に切欠いて
示す立面図である。 第５図は第３図に相応する図であるが、プレフォームと
接触しており且つ耐熱性容器のなかに入れられた保持床
のなかに置かれており、こうして本発明の実施に適した
レイアップを形成する溶融親金属のリザーバの他の組立
体を示す図である。 第６図はコンジットにより薄壁のプレフォームに接続さ
れており且つ耐熱性容器のなかに入れられた不活性保持
材料の床のなかに置かれている親金属リザーバを含んで
いる他の組立体を示す断面図である。 第７図は本発明により第６図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造の立面図である。 第８図はプレフォームと接触する状態に置かれた親金属
の第一の源と、重力により親金属の第一の源と連通する
位置に置かれた親金属リザーバとの他の組立体を示す断
面図である。 第９図は本発明により第８図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造の平面図である。 第10図は重力により複数個のプレフォームと連通する位
置に置かれた親金属リザーバを含んでいる他の組立体を
部分的に断面図で示す立面図である（図面を見易くする
ため右端部分の親金属は図示を省略されている）。 第11図は第10図の組立体を部分的に切欠いて示す平面図
である（図面を見易くするためいくつかの部分は破線で
示されている）。 第12図は中空プレフォームをスリップ鋳込により製造す
るための開いたモールドの概要を部分的に断面図で示す
立面図である。 第13図は本発明により第10図及び第11図の組立体を使用
して製造された自己支持セラミック複合物構造を部分的
に断面図で示す立面図である。 第14図は中空プレフォームをスリップ鋳込により製造す
るための分割モールドを部分的に断面図で示す立面図で
ある。 第15図は第14図のモールドを用いる中空プレフォームの
スリップ鋳込モールドの平面図である。 第15A図は第15図の線Ａ−Ａに沿う断面図である。 第16図は第15A図の中空プレフォームのなかに置かれて
いる親金属の第一の源と、重力により親金属の第一の源
と連通する位置に置かれた親金属リザーバとを含んでお
り、耐熱性容器のなかに入れられた不活性材料の保持床
のなかに置かれている組立体を部分的に断面図で示す立
面図である。 第17図は第15A図に相応する図であるが、本発明により
第16図の組立体を使用して製造された、金属で満たされ
ており且つセラミック表面を有する自己支持複合物構造
を示す図である。 第18図は親金属リザーバと、上側にバリヤー手段を有す
るプレフォームと、溶融親金属に対するコンジットとを
含んでおり、保持床のなかに置かれており且つ耐熱性容
器のなかに入れられている他の組立体を部分的に断面図
で示す立面図である。 第18A図は第18図の線Ａ−Ａに沿うプレフォームの断面
図である。 第19図は本発明により第16図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造の斜視図である。 第20図はバリヤー手段でライニングされている中心孔を
有するプレフォームを部分的に断面図で示す立面図であ
る。 第20A図は第20図の線Ａ−Ａに沿う端面図である。 第21図は耐熱性容器のなかに入れられた溶融親金属のな
かに浸されている第20図のプレフォームの組立体を部分
的に断面図で示す立面図である。 第21A図は第21図の組立体を上から見た平面図である。 第22図は本発明により第21図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック表面付き金属構造の斜視図であ
る。 第23図は本発明で使用可能な他のプレフォームを部分的
に断面図で示す立面図である。 第24図は第23図のプレフォームの平面図である。 10……組立体、12……リザーバチャンバ、14……バリヤ
ー手段コンテナ、16……スクリーン、18……孔明きシリ
ンダ、20……孔、22……アングルブレース、24……ベー
ス、32……クランプリング、34……リザーバ、36……第
一の源、38……充填材、40……セラミック複合物、42…
…孔、44……プレフォーム、46……親金属リザーバ、48
……バリヤー手段、50……不活性材料の床、54……第一
の源、56……プレフォーム、58……リザーバ容器、60…
…孔、62……プラグ、64……不活性材料の床、66……耐
熱性容器、68……親金属リザーバ、70……第一の源、72
……プレフォーム、74……ベース部分、76……ネック部
分、78……端部分、80……中空孔、82……プラグ、84…
…コンジット、86……親金属リザーバ、88……不活性材
料の床、90……耐熱性容器、92……プレフォーム、94…
…車部分、96……リム、98……軸、100……孔、102……
プラグ、104……親金属源、106……コンジット、108…
…親金属リザーバ、114……耐熱性リザーバ容器、120…
…凹み、122……ベース、124……耐熱性舟形容器、126
……プレフォーム、128……プラグ、130……モールド、
140……プレフォーム、154……不活性材料の床、156…
…耐熱性容器、158……コンジット、160……親金属リザ
ーバ、162……第一の源、170……プレフォーム、172…
…バリヤー手段、174……コンジット、176……耐熱性容
器、178……空隙スペース、180……ライニング、182…
…親金属、188……不活性材料の床、190……耐熱性容
器、192……プレフォーム、193……セラミック複合物構
造、194……中心孔、196……バリヤー手段、198……溶
融親金属、200……耐熱性容器、202……プレフォーム、
204、206……円筒状殻、208……ウェブ、210……中空
孔、212……環状コンパートメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラトネシュ・ケイ・ドウィヴェディ アメリカ合衆国デラウエア州、ウィルミ ントン、ベローズ・ドライヴ 2628 (72)発明者 ロバート・シー・カントナー アメリカ合衆国デラウエア州、ニューア ーク、ブロードリーフ・ドライヴ 30

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（１）少なくとも１種のドーパントと共に
   第１の親金属を、充填材の通気性素材に隣接して配置
   し、かつ該第１親金属の源及び該充填材を相互に関して
   酸化反応生成物体の形成が該通気性充填材素材中に向か
   うように配向し、 （２）前記第１親金属の源と連通した第２の金属のリザ
   ーバを提供し、 （３）該第１親金属を該第１親金属の融点より高いがそ
   の酸化反応生成物の融点より低い温度に加熱して溶融し
   た第１親金属体を形成し、かつ該温度で前記溶融第１親
   金属体と酸化剤とを反応させて酸化反応生成物体を形成
   し、かつ該温度で該酸化反応生成物体の少なくとも一部
   を該溶融第１親金属体及び該酸化剤と接触しかつその間
   にあるように維持せしめて、溶融第１親金属を既に形成
   された酸化反応生成物体を通して前記気相酸化剤に向か
   ってかつ隣接する前記充填材素材中に向かって引き込
   み、よって該充填材素材中の前記気相酸化剤と前記予め
   形成された酸化反応生成物体の界面に新鮮な酸化反応生
   成物を形成し、そして （４）上記反応を継続する際前記溶融第１親金属の源に
   前記リザーバから前記第２の金属の補充を行って、前記
   充填材素材の少なくとも一部を、形成される酸化反応生
   成物体中に埋設する 工程からなることを特徴とするセラミックス及び充填材
   含有複合体の製造方法。
2. 【請求項２】前記第１親金属が第１の酸化反応生成物を
   生成し、前記第２金属が該第１の酸化反応生成物と化学
   的に異なる第２の酸化反応生成物を生成する第２の親金
   属である特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. 【請求項３】前記第２の金属が前記第１親金属より相対
   的に純粋な親金属である特許請求の範囲第１又は２項記
   載の方法。
4. 【請求項４】前記セラミックス及び充填材含有複合体の
   少なくとも１つの性質が前記第２金属によって改変され
   る特許請求の範囲第1,2又は３項記載の方法。
5. 【請求項５】前記第２金属を用いることにより、前記酸
   化反応生成物がより急速かつより強力に成長する特許請
   求の範囲第1,2,3又は４項記載の方法。