JPH06507347A - Method and apparatus for producing metal matrix composite material using electromagnetic body force - Google Patents
Method and apparatus for producing metal matrix composite material using electromagnetic body forceInfo
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- JPH06507347A JPH06507347A JP3514422A JP51442291A JPH06507347A JP H06507347 A JPH06507347 A JP H06507347A JP 3514422 A JP3514422 A JP 3514422A JP 51442291 A JP51442291 A JP 51442291A JP H06507347 A JPH06507347 A JP H06507347A
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- B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 電磁体積力を用いて金属母体複合材料を製造するための 法 び装置発明の背景 本発明は、電磁体積力を用いて溶融金属を補強材料の中に押し込む金属母体複合 材料の製造に関する。[Detailed description of the invention] Background of the invention of method and device for manufacturing metal matrix composite materials using electromagnetic body force The present invention utilizes electromagnetic body force to push molten metal into a reinforcing material. Concerning the manufacture of materials.
金属を固い強力なセラミック相、例えば最近のカーボン又はアルミナファイバー によって補強することから生じ得る顕著な構造材料はこれらの材料のための経済 的な製造ルートの開発に大きな関心を起こしている。斯かる材料を製造するのに 用いられている無数の方法の内、鋳造法は最も魅力的な方法として際立っている 。アルミニウム等の軽母体は低コスト及び網状成分成形加工のそれらの潜在力の 故に人気がある。これらの方法は、最近モルテンセン他による”金属母体複合材 料の凝固処理” (40ジャーナルオブメタルズ 2.1988年2月、12− 19頁)に考察されている。 、 金属母体複合材料を鋳造するための方法は現在、(1)液体金属材料が補強材料 の中に進む時にその浸透前線においてその毛管力に打ち勝つために、そして(i i)処理時間を従ってコストと反応系における母体と母体と補強材料との化学 反応の程度の両方を最小限にするために、適用された圧力を用いている。金属加 圧化は、機械的手段により、ピストン(絞り鋳造におけるような)或いは加圧ガ ス(クレイ法におけるような)を通して得られる。かくして、大量販売されてい る金属母体成分をアルミナファイバーで選択的に補強されたトヨタのアルミニウ ムディーゼルエンジンピストンに成形加工するのに現在用いられている絞り鋳造 プレス等の多くの浸透デバイスが設計されてきている。Strong ceramic phases that harden metals, such as modern carbon or alumina fibers The remarkable structural materials that can result from reinforcement by There is a great deal of interest in developing new manufacturing routes. To manufacture such materials Of the countless methods in use, casting stands out as the most attractive. . Light matrices such as aluminum offer low cost and their potential for reticular component forming processing. That's why it's popular. These methods have recently been proposed by Mortensen et al. 40 Journal of Metals 2. February 1988, 12- (page 19). , Currently, methods for casting metal matrix composite materials include: (1) the liquid metal material is the reinforcing material; to overcome the capillary forces at its penetration front as it advances into the (i i) Processing time and therefore cost and chemistry of the matrix and reinforcing materials in the reaction system The applied pressure is used to minimize both the extent of reaction. metal processing Compression can be done by mechanical means, such as a piston (as in draw casting) or a pressurized gas. (as in the clay method). Thus, it is sold in large quantities. Toyota's aluminum base metal component is selectively reinforced with alumina fiber. Draw casting currently used to form diesel engine pistons Many infiltration devices have been designed, such as presses.
R丑9果豹 電磁体積力を用いて溶融金属を予備成形された補強材に押し込むための新規な方 法及び装置が述べられる。電磁的に誘導された体積力は固体金属の電鋳等の他の 材料処理作業に用いられているが、斯かる力は液体金属の流れを粒子、ファイバ ー、又はプレフォーム等の補強材料に誘導して複合材料を製造するのに初めてこ こで用いられる。本発明によると、十分に強力な電界と磁界が相互作用して液体 金属に電磁体積力を生じる。この力を用いて、液体金属を選択された方向に推進 することが出来る。斯かる力の使用は、金属母体複合材料の製造の効率的な方法 である。一つの実施例によると、電界及び磁界は複合材料の母体を形成する液体 金属の近辺に導電材料のコイルを通る電流の放流によって生成することが出来る 。この電流は、゛金属の特定の厚さ部分内に過渡磁界Bを形成して、磁界Bは溶 融金属の中に過渡渦電流jを形成する。溶融金属内のこれら2つの界は、ローレ ンツ力と呼ばれる体積力F=jxBを形成し、この力は母体をプレフォームの中 に推進するのに用いられる。R ox 9 fruit leopard A novel method for forcing molten metal into preformed reinforcement using electromagnetic body force The method and apparatus are described. Electromagnetically induced body force can be used in other applications such as electroforming of solid metals. Used in material processing operations, such forces can force the flow of liquid metal into particles, fibers, etc. This is the first time to manufacture composite materials by reinforcing materials such as preforms or reinforcing materials. used here. According to the invention, sufficiently strong electric and magnetic fields interact to Produces electromagnetic body force on metal. This force is used to propel the liquid metal in a selected direction You can. The use of such forces is an efficient method of manufacturing metal matrix composites. It is. According to one embodiment, the electric and magnetic fields are applied to a liquid forming the matrix of the composite material. can be produced by the discharge of an electric current through a coil of conductive material in the vicinity of a metal . This current creates a transient magnetic field B within a certain thickness of the metal, and the magnetic field B A transient eddy current j is formed in the molten metal. These two fields in the molten metal are A body force called body force F=jxB is formed, and this force forces the base body into the preform. used to promote
一般的に、本発明は、一つの様相において、金属母体複合材料の製造のための方 法において、実質的に液体の金属を補強材料及び活性化されると十分になる不活 性過渡磁界の源の近辺に配置して、過渡磁界とこの過渡磁界によって金属内に誘 導された渦電流の相互作用を通して金属内に電磁体積力を生成し、そしてこの過 渡磁界を活性化して、これにより上記の実質的に液体の金属を補強材料の中に推 進することを含む方法を特徴とする。In general, in one aspect, the present invention provides a method for manufacturing a metal matrix composite material. In the process, a substantially liquid metal is used as a reinforcing material and becomes sufficiently inert when activated. be placed close to the source of the transient magnetic field to detect the transient magnetic field and the induced into the metal by this transient magnetic field. Generate electromagnetic body force within the metal through the interaction of guided eddy currents, and Activating a passing magnetic field, which drives the substantially liquid metal into the reinforcing material. The method includes:
好ましい実施例において、活性化段階は反復され、大量の液体金属及び補強材料 が連続的に供給され、しかも過渡磁界の源の近辺から金属が推進された補強材料 を取り出す付加的な段階を含み、金属はアルミニウム、ニッケル、コバルト、鋼 、ベリリウム、鉛、錫、亜鉛、マグネシウム、チタン、又は鉄の少なくとも一つ を含むか或いはこれらの合金を含み、補強材料はセラミックを含み、補強材料は ファイバー、ひげ結晶、粒子、プレートリット、又は棒材を含み、補強材料はプ レフォームに形作られ、補強材料は炭化ケイ素、ホウ素、タングステン、炭素、 窒化ケイ素、炭化ホウ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン、又は鋼の少 な(とも一つを含み、推進段階は更に、実質的に液体の金属を電界にかけること を含み、過渡磁界は電流が通過する放電コイルによって生成され、反復的に活性 化された過渡磁界の周波数及び減衰定数は放電コイル、補強材料、金属の形状、 並びに金属が補強材料の中に推進される深度に適合され、電流は振動電流であり 、過渡磁界は電流が通過する磁束集束器に結合されている放電コイルによって生 成され、磁束集束器は銅又は黒鉛を含んでおり、過渡磁界の補強材料への浸透深 度は液体金属の厚さに金属が浸透した補強材料の部分を足したものより小さいか 或いは略等しく、この方法は、電流が磁界の補強材料への侵入深度が液体金属の 厚さに補強材料が金属によって浸透された部分を足したものより小さいか或いは 略等しくなるように維持するのに要する電流より大きいか略等しくなるように電 流の周波数を調節することを含み、放電コイルに一つ又は二つのコンデンサによ って電流が供給され、放電コイルは液体金属と補強材料を実質的に包囲するよう に適合されており、放電コイルはソレノイド型であり、放電コイルは実質的に平 坦な螺旋コイルであり、実質的に平坦な螺旋コイルは実質的に液体の金属の片側 に配置され、推進はその片側から行われ、この実質的に液体の金属の他方の側に 配置された冷却源が、金属が補強材料の中に推進された後、複合材料を冷却し、 そして実質的に平坦な螺旋コイルは補強材料の両側に配置されている。In a preferred embodiment, the activation step is repeated and a large amount of liquid metal and reinforcing material reinforcing material in which the metal is continuously supplied and the metal is propelled from the vicinity of the source of the transient magnetic field. metals such as aluminum, nickel, cobalt, and steel. , beryllium, lead, tin, zinc, magnesium, titanium, or iron. or an alloy thereof, the reinforcing material includes ceramic, and the reinforcing material Reinforcement materials include fibers, whiskers, grains, platelets, or rods. The reinforcing materials are silicon carbide, boron, tungsten, carbon, silicon nitride, boron carbide, silicon oxide, aluminum oxide, titanium, or steel The propulsion step further includes subjecting the substantially liquid metal to an electric field. The transient magnetic field is generated by a discharge coil through which a current passes and is repeatedly activated. The frequency and attenuation constant of the converted transient magnetic field are determined by the shape of the discharge coil, the reinforcing material, the shape of the metal, and the current is an oscillating current adapted to the depth at which the metal is propelled into the reinforcing material. , the transient magnetic field is generated by a discharge coil coupled to a magnetic flux concentrator through which the current passes. The flux concentrator contains copper or graphite to reduce the penetration depth of the transient magnetic field into the reinforcing material. Is the thickness less than the thickness of the liquid metal plus the part of the reinforcing material penetrated by the metal? Or approximately equivalently, this method allows the electric current to penetrate the reinforcing material of the magnetic field to a depth that is similar to that of the liquid metal. less than the thickness plus the area where the reinforcing material is penetrated by the metal, or The currents are greater than or approximately equal to the currents required to maintain them approximately equal. It involves adjusting the frequency of the current, and is connected to the discharge coil by one or two capacitors. A current is applied to the discharge coil so that it substantially surrounds the liquid metal and reinforcing material. The discharge coil is of the solenoid type, and the discharge coil is substantially flat. A flat helical coil, a substantially flat helical coil having one side of substantially liquid metal , the propulsion is from one side of this substantially liquid metal on the other side. a disposed cooling source cools the composite material after the metal is propelled into the reinforcing material; Substantially flat helical coils are then disposed on either side of the reinforcing material.
更に別の様相において、本発明は、金属母体複合材料の製造のための方法におい て、ある量の実質的に固体の金属を耐熱容器の中に配置し、この金属を実質的に 液体まで加熱し、この金属の中に補強材料のプレフォームを浸漬し、金属及び補 強材料を含むこの耐熱容器を活性化されると十分になる不活性過渡磁界の源の近 辺に配置して、過渡磁界とこの過渡磁界によって金属内に誘導される渦電流の相 互作用を通して金属内に電磁体積力を生成し、そして過渡磁界を活性化し、これ により金属を補強材料の中に推進することを含む方法を特徴とする。In yet another aspect, the invention provides a method for manufacturing a metal matrix composite material. a quantity of substantially solid metal is placed in a heat-resistant container, and the metal is substantially Heat the metal to a liquid state and immerse the reinforcing material preform into this metal. This heat-resistant container containing a strong material should be placed near a source of inert transient magnetic fields that will become sufficient when activated. The phase of the transient magnetic field and the eddy currents induced in the metal by this transient magnetic field This generates an electromagnetic body force within the metal through interaction and activates a transient magnetic field, which The method includes driving metal into a reinforcing material by a method.
更に別の様相において、本発明は、金属母体複合材料の製造のための方法におい て、補強材料を耐熱容器の中に配置し、補強材料をある量の実質的に固体の金属 で実質的に包囲し、この金属を実質的に液体まで加熱し、耐熱容器を、活性化さ れると十分になる不活性過渡磁界の源の近辺に配置して、過渡磁界とこの過渡磁 界によって金属内に誘導される渦電流の相互作用を通して金属内に電磁体積力を 生成し、そして過渡磁界を活性化して、これにより金属を補強材料の中に推進す ることを含む方法を特徴とする。In yet another aspect, the invention provides a method for manufacturing a metal matrix composite material. the reinforcing material is placed in a heat-resistant container, and the reinforcing material is placed in a quantity of substantially solid metal. The metal is heated to a substantially liquid state, and the heat-resistant container is heated to an activated state. be placed in close proximity to a source of inert transient magnetic fields that will be sufficient to electromagnetic body force in a metal through the interaction of eddy currents induced in the metal by a field. generates and activates a transient magnetic field that propels the metal into the reinforcing material. The method includes:
更に別の様相において、本発明は、金属母体複合材料の連続的製造のための方法 において、実質的に液体の金属を浸透領域に搬送する段階、補強材料を浸透領域 の中に且つ液体金属の近辺の中に搬送する段階、液体金属を磁界にかけることに より補強材料に液体金属を浸透せしめる段階、及び浸透された複合材料を浸透領 域から出すように搬送する段階を含む方法を特徴とする。In yet another aspect, the invention provides a method for continuous production of metal matrix composites. conveying the substantially liquid metal to the infiltration zone, and transferring the reinforcement material to the infiltration zone. and in the vicinity of the liquid metal, subjecting the liquid metal to a magnetic field. The step of infiltrating the reinforcing material with the liquid metal and the infiltrated composite material in the infiltration area The method includes the step of transporting the container out of the area.
この様相の好ましい実施例において、補強材料は粒子、ファイバ・−1ひげ結晶 、又は棒材を含み、粒子は炭化ケイ素粒子を含み、ファイバーはカーボンファイ バーを含み、浸透領域に搬送されたファイバーは単軸配向され、浸透段階の間、 この車軸配向に維持される。In a preferred embodiment of this aspect, the reinforcing material is particles, fibers and -1 whiskers. , or bars, the particles include silicon carbide particles, and the fibers include carbon fiber particles. The fibers containing the bar and delivered to the infiltration area are uniaxially oriented and during the infiltration stage, This axle orientation is maintained.
更に別の様相において、本発明は、電磁体積力を用いて金属母体複合材料を製造 するための装置において、隣接する液体金属及び補強材料副領域を有する浸透領 域、及び活性化され且つ不活性化され得る電磁界源であって、浸透領域の液体金 属副領域に隣接し、過渡磁界及び関連の渦電流を金属内に生成する電磁界源であ って、金属を浸透領域の補強材料副領域に推進するように配向している電磁界源 を含む装置を特徴とする。In yet another aspect, the invention provides a method for manufacturing metal matrix composite materials using electromagnetic body force. In an apparatus for and a source of electromagnetic fields that can be activated and deactivated, the liquid gold in the permeation region an electromagnetic field source adjacent to the metal subregion that generates transient magnetic fields and associated eddy currents within the metal. an electromagnetic field source oriented to propel the metal into the reinforcing material sub-region of the penetration region. Features an apparatus including:
この様相の好ましい実施例におい工、電磁界源は浸透領域を包囲しており、電磁 界源は放電コイルを含み、電磁界源は浸透領域の片側に隣接している螺旋コイル を含み、この装置は更に、少な(とも一つのコンデンサバンク及びこのコンデン サバンクが放電コイルを通して電流を放電する時に流れるトリが回路を含み、こ の装置は更に、放電コイルに接続されている磁束集束器を含んでおり、磁束集束 器は鋼又は黒鉛を含んでおり、浸透領域は耐熱るつぼによって画成されており、 補強材料はプレフォームであり且つるつぼはプレフォームを浸透領域の中に且つ 浸透領域から上下するための装置を含んでおり、プレフォームを浸透領域の中に 且つ浸透領域から上下するための装置はるつぼ内に中心を看かれたボビンを含ん でおり、ボビンは電磁界源によって推進された金属の流れをるつぼの中心軸から 放射する方向に案内し、浸透領域は耐熱チューブによって画成されており、そし てそしては更に、補強材料を耐熱チューブを通して搬送するための搬送装置を含 んでいる。In a preferred embodiment of this aspect, the electromagnetic field source surrounds the penetration area and the electromagnetic The field source includes a discharge coil and the electromagnetic field source includes a helical coil adjacent to one side of the penetration area. The device further includes a small capacitor bank and a capacitor bank. The circuit that flows when the sabank discharges current through the discharge coil contains a circuit that The device further includes a magnetic flux concentrator connected to the discharge coil, which focuses the magnetic flux. The vessel contains steel or graphite, the penetration area is defined by a heat-resistant crucible, The reinforcing material is a preform and the crucible includes the preform in the permeation zone and Contains equipment for raising and lowering the preform into the permeation area and the device for raising and lowering from the permeation region includes a bobbin centered within the crucible. The bobbin directs the flow of metal propelled by an electromagnetic field source away from the central axis of the crucible. radiating direction, the penetration area is defined by a heat-resistant tube, and and further includes a conveying device for conveying the reinforcing material through the heat-resistant tube. I'm reading.
更に別の様相において、本発明は、電磁体積ツJを用いて金属母体複合材料を製 造するための装置において、隣接する液体金属と補強材料副領域を有する浸透領 域、浸透領域を包囲する加熱装置であって浸透領域の液体金属副領域内に配置さ れている金属を液体状態に維持することが出来る加熱装置、及び活性化及び不活 性化され得る電磁界源であって、浸透領域の液体金属副領域に隣接しており、過 渡磁界及び関連の渦電流を金属内に生成する電磁界源であって、放電コイルが金 属を浸透領域の補強材料副領域の中に推進するべく配向されている電磁界源を含 む装置を特徴とする。In yet another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a metal matrix composite material using an electromagnetic component J. In an apparatus for fabricating a permeable region with adjacent liquid metal and reinforcing material heating device surrounding the permeation region and located within the liquid metal sub-region of the permeation region. A heating device capable of maintaining the metals in a liquid state, and activating and deactivating them. an electromagnetic field source adjacent to the liquid metal sub-region of the permeation region that can be An electromagnetic field source that generates a passing magnetic field and associated eddy currents in metal, the discharge coil being an electromagnetic field source oriented to propel the particles into the reinforcing material sub-region of the penetration region; The device is characterized by:
この様相の好ましい実施例において、加熱装置は電磁界源を包囲するサーモスタ ット制御発熱体を含んでいる。In a preferred embodiment of this aspect, the heating device is a thermostat surrounding the electromagnetic field source. Contains a cut-controlled heating element.
この方法による且つこの装置を用いる浸透は多くの利点を有している。電磁体積 力は文字通り金属を補強材料の中に推進する。金属を補強材料の中に押し込むの に付加的な装置を何ら必要とすることなく、他の圧力誘導デバイス及び耐圧又は 圧力封入容器を不必要とする。Infiltration by this method and using this device has many advantages. electromagnetic volume The force literally propels the metal into the reinforcing material. Pushing the metal into the reinforcing material other pressure-inducing devices and pressure-resistant or Eliminates the need for pressure containment vessels.
浸透金属速度は潜在的に高く、電気パルス及び磁界を制御することにより制御す ることが出来る。摩擦も或いは加圧ガス損失も浸透プロセスの効率を減するこ我 々はここで好ましい実施例の構造及び作動に移り、先ず、図面の簡単な説明する 。Penetrating metal rates are potentially high and can be controlled by controlling electrical pulses and magnetic fields. Rukoto can. Friction or loss of pressurized gas can also reduce the efficiency of the infiltration process. We now turn to the structure and operation of the preferred embodiment, beginning with a brief description of the drawings. .
図1は、円筒形又は管状金属母体複合材料を製造するための装置の断面図であり 、 図2は、−V曲状金属母体複合材料を製造するための装置の断面図であり、図3 は、本発明に従って製造された複合材料の顕微鏡写真であり、そして図4は、図 3の複合材料のより倍率の高い顕微鏡写真である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for producing cylindrical or tubular metal matrix composite materials. , FIG. 2 is a cross-sectional view of an apparatus for producing a -V curved metal matrix composite material, and FIG. are micrographs of composite materials produced according to the present invention, and FIG. 3 is a higher magnification micrograph of the composite material of No. 3.
図5は、探索コイルの磁束密度を減衰した正弦波のそれと比較している。FIG. 5 compares the magnetic flux density of the search coil with that of a damped sine wave.
図6は、種々の放電電圧に対する炉における磁束分布を示している(装置i!l )。Figure 6 shows the magnetic flux distribution in the furnace for different discharge voltages (device i!l ).
図7は、673 °Kにおける24容量百分率サフィル1に対する応力−歪曲線 である。Figure 7 shows the stress-strain curves for 24 volume percent Safill 1 at 673 °K. It is.
図8は、プレフォームが典型的な放電の過程にわたって浸透される距離を示して いる。 ゛ 図9は、9個の3KHzの放電の各々の後の累積浸透距離を示している。Figure 8 shows the distance that the preform is penetrated over the course of a typical discharge. There is.゛ Figure 9 shows the cumulative penetration distance after each of nine 3KHz discharges.
図10は、50個の5.6KHzの放電の各々の後の累積浸透距離を示している 。Figure 10 shows the cumulative penetration distance after each of 50 5.6 KHz discharges. .
図11は、3テスラビークを有する5個の放電の後の予想された浸透距離を示し ている。Figure 11 shows the expected penetration distance after five discharges with a 3 Tesla peak. ing.
金属母体複合材料は、図1及び2に示されているデバイスにおいて形成され得る 。7両者に共通なことは、電磁体積力を発生する電気成分の機能である。しかし ながら、これらの成分の構成は、それらの構成が製造されるべき複合材料の形状 によって決定されるため、加熱成分の構成と同様に各々異なる。Metal matrix composites may be formed in the devices shown in FIGS. 1 and 2. . 7 What both have in common is the function of the electric component that generates electromagnetic body force. but While the composition of these components depends on the shape of the composite material from which their composition is to be manufactured, As the heating components are determined by
図1において、銅製放電コイル22は任意の従来のトリガ回路を通して640マ イクロフアラドの総容量を有するコンデンサのバンク(図示せず)及び4.5キ ロボルトを生成し得る電源(図示せず)に電気的に接続されているOo 25イ ンチ(0,635cm)銅線であるいコイル22はソレノイドとして構成されて おり且つ付勢された放電コイル22によって生成された磁界を集束せしめるため の銅磁束集束器21が具備されている。集束器21の内部半径の高さは、外部半 径の高さの部分の−−であり、その結果、内部高さによって画成されている浸透 領域において磁束を300%程度増大せしめる。In FIG. 1, the copper discharge coil 22 is connected to the 640 mm through any conventional trigger circuit. A bank of capacitors (not shown) with a total capacitance of 4.5 kg Oo 25 is electrically connected to a power source (not shown) capable of generating a robot. The coil 22 is made of inch (0,635 cm) copper wire and is configured as a solenoid. to focus the magnetic field generated by the energized discharge coil 22; A copper magnetic flux concentrator 21 is provided. The height of the inner radius of the concentrator 21 is - of the height part of the diameter, and as a result the penetration defined by the internal height The magnetic flux is increased by about 300% in the area.
固体金属の電磁的形成のためのマグネフオームコーポレーション(現カリフォル ニア州すンジエゴのマクスエルラボラトリーズ社)製造のユニットもより高い周 波数放電を得るために上記のコイルに用いられている。このユニットは第一装置 よりもキャパシタンスが低いが、匹敵するビーク磁束値を得るためにより高い電 圧に充電する。マグネフオームの機械の全電圧における総蓄積エネルギ・−は8 KJである。このマグネフオームの装置は幾つかのイグナイトロンチューブを用 いている。Magneform Corporation (now California) for the electromagnetic formation of solid metals. Units manufactured by Maxell Laboratories, Sun Diego, N.A. also have higher It is used in the above coil to obtain wave number discharge. This unit is the first device has a lower capacitance, but requires a higher current for comparable peak flux values. charge to pressure. The total stored energy at full voltage of the Magneform machine is 8 This is K.J. This Magneform device uses several ignitron tubes. I'm there.
磁界を溶融金属表面の近くに集束せしめ、しかも十分に高い磁界強度を発生する に十分に高い周波数を保持するべく、コイルを設計する上で妥協に達しなければ ならない。この作業において、6乃至18巻を有するコイルが用いられている。Focuses the magnetic field close to the molten metal surface and generates a sufficiently high field strength Compromises must be reached in the design of the coil to maintain a high enough frequency for No. In this work, coils with 6 to 18 turns are used.
これらの加熱成分は、図1の実施例の大部分を形成している。断熱されたチャン バ2は断熱蓋12、断熱底32、及び壁30を含んでいる。断熱材28は、発熱 体26を包囲している。耐熱セメント内に封入されている放電コイル22は、磁 束集束器21を包囲している。These heating components form the bulk of the embodiment of FIG. insulated chang The bar 2 includes an insulating lid 12, an insulating bottom 32, and a wall 30. The heat insulating material 28 generates heat. It surrounds the body 26. The discharge coil 22 enclosed in heat-resistant cement is a magnetic It surrounds the bundle concentrator 21.
好ましい実施例において、シリカが結合されているサフィルTMアルミナファイ バー等の補強材料のプレフォーム18がるつぼ20の中に挿入される。プレフォ ーム18がるつぼ20内に精密に中心を置かれた状態を保つことを保証するため に、これは図1の装置に示されているようにボビン19に取り付けられている。In a preferred embodiment, SUPHIL™ alumina fibers having silica bonded to them A preform 18 of reinforcing material, such as a bar, is inserted into the crucible 20. Prefo to ensure that the beam 18 remains precisely centered within the crucible 20. 1, which is attached to a bobbin 19 as shown in the apparatus of FIG.
この構成は幾つかの更なる利点を有する。即ち、浸透された複合材料は母体が溶 融している間にるつぼから取り出すことが出来、ボビンのフランジによって金属 流を放射方向に抑制することが容易となるため、軸方向の流れを最小限に出来る 。This configuration has several additional advantages. In other words, the infiltrated composite material is While it is melting, it can be removed from the crucible, and the flange of the bobbin allows the metal to be Since it is easy to suppress the flow in the radial direction, the axial flow can be minimized. .
幾つかのボビン設計が用いられており、これらの全ては機能的には同等であり、 選択された材質のみが異なり、中心のロッドは鋼或いは高密度アルミナであり得 ろ。これらのファイバープレフォームはそれらの加圧平面に沿って浸透されてい る。Several bobbin designs are used, all of which are functionally equivalent. Only the material selected differs; the central rod can be steel or high-density alumina. reactor. These fiber preforms are infiltrated along their pressurized planes. Ru.
るつぼ20は、アルミナ等の耐熱セラミックであることが好ましい。一つの実施 例において、溶融アルミナ16は、それを覆っているるつぼ内に配置されている プレフォームの回りに注がれる。浸透の間の漂遊金属流を防止するために断熱プ ラグ14がプレフォーム/溶融体混合物にかぶさっている。蓋をしたるつぼは、 次にるつぼ上昇機構34によって開口部7を通してチャンバ2の中心キャビティ 5に下げられる。The crucible 20 is preferably made of heat-resistant ceramic such as alumina. one implementation In the example, fused alumina 16 is placed in a crucible overlying the Pour around the preform. Insulation plate to prevent stray metal flow during infiltration A lug 14 overlies the preform/melt mixture. The crucible with a lid is The crucible lift mechanism 34 then passes through the opening 7 into the central cavity of the chamber 2. It will be lowered to 5.
別の実施例において、所要量のアルミナが先ず、各るつぼに加えられ、アルミナ プラグと共に973 °Kに設定された保持炉(図示せず)に配置されている。In another embodiment, the required amount of alumina is first added to each crucible and the alumina It is placed together with the plug in a holding furnace (not shown) set at 973°K.
すでにそのボビン内に取り付けられているプレフォームは、一旦アルミニウムが るつぼの中で溶融し始めると炉の中に入れられた。一旦金属が完全に溶融すると 、プレフォーム−ボビンアセンブリは溶融体の中に浸漬され、5分間平衡させら れた。そのプレフォームを有するるつぼは、保持炉から取り出されて、973 。The preform already installed in its bobbin is Once it began to melt in the crucible, it was placed in a furnace. Once the metal is completely melted , the preform-bobbin assembly was immersed in the melt and allowed to equilibrate for 5 minutes. It was. The crucible with its preform is removed from the holding furnace and 973 .
Kに予熱されている浸透炉の中に下げられる。この時点においてセラミックプラ グが溶融体表面の上゛に載置されるべく、るつぼの頂部に押し込まれる。It is lowered into an infiltration furnace which is preheated to K. At this point, the ceramic plastic The plug is pushed into the top of the crucible so that it rests on top of the melt surface.
充電されたコンデンサを放電コイル22を通して放電すると、コイルに非常に高 いパルスの電流が生じ、この電流によって集束器を経由してるつぼ20の内側に これに対応して高い過渡磁界が生じる。約2乃至10テスラの磁界が用いられて いるが、他のシステム変異に応じてより高いかより低い強度の磁界を用いること が出来る。約20.000乃至約50,000アンペアの電流が用いられている が、これも他のシステムではより高いかより低(なり得る。When a charged capacitor is discharged through the discharge coil 22, a very high voltage is applied to the coil. A high pulse current is generated, which causes the current to flow inside the crucible 20 via the concentrator. Correspondingly high transient magnetic fields occur. A magnetic field of about 2 to 10 Tesla is used. However, depending on other system variations, higher or lower magnetic field strengths may be used. I can do it. Currents of about 20,000 to about 50,000 amperes are used. However, this can also be higher or lower in other systems.
磁界の溶融金属への侵入深度は金属の層の総厚みより大きくないことが好ましい 。電流の周波数を増大することにより、磁界の侵入深度が減少し、これはこの装 置を種々の可能な形状に適合せしめる一つの方法である。Preferably, the penetration depth of the magnetic field into the molten metal is not greater than the total thickness of the layer of metal. . By increasing the frequency of the current, the penetration depth of the magnetic field decreases, which is This is one way to make the location adaptable to a variety of possible shapes.
過渡磁界は、溶融金属16の中に電流を銹導し、この電流はコイル22によって 生成される磁界と相互作用する。この相互作用によってプレフォーム18の回り の溶融金属16に網状の体積力が生じ、この溶融金属をコイル22及び磁束集束 器21から押し出し、そしてプレ、フオームの中に押し込む。多くの放電によっ て、液体のプレフォーム内の所望深度への侵入が保証される。液体の浸透に対抗 する毛管及び摩擦力はプレフォームのかなりの浸透を防ぐのには不十分である。The transient magnetic field conducts an electric current into the molten metal 16, which is drawn by the coil 22. Interact with the generated magnetic field. This interaction causes the preform 18 to A net-like body force is generated in the molten metal 16, and the molten metal is transferred to the coil 22 and the magnetic flux Push it out from the container 21 and push it into the pre-form. Due to many discharges This ensures that the liquid penetrates to the desired depth within the preform. Against liquid penetration The capillary and frictional forces involved are insufficient to prevent significant penetration of the preform.
室温コイルも用いられている。この手順は、加熱されたるつぼが冷たい集束器の 中に導入された後、溶融体の凍結が45−60秒で開始することがめられている ため、るつぼは放電コイルへのその移送の30秒内に保持炉に戻されるべきであ ることを除いて、上記の手順と同等である。この30秒の時間インターバルの期 間中に可能な放電の回数は、放電の電圧に応じて3から8に変化する。かくして 、これらのサンプルの幾つかは所要回数の放電を得るために2回以上再加熱しな ければならなかった。Room temperature coils have also been used. This step involves placing the heated crucible in a cold concentrator. Freezing of the melt is expected to begin in 45-60 seconds after being introduced into the Therefore, the crucible should be returned to the holding furnace within 30 seconds of its transfer to the discharge coil. Equivalent to the procedure above, except that The period of this 30 second time interval The number of discharges possible during the period varies from 3 to 8 depending on the voltage of the discharge. Thus , some of these samples may have to be reheated more than once to obtain the required number of discharges. I had to.
この装置によって生じる電流は、第一の半サイクルの後に指数的に減衰する正弦 波の特徴を有している。典壓的な磁束分布が図5に示されている。これらのコン デンサが充電される電圧は変化し得、主要なプロセスパラメータの一つであるが 、これはこれにより磁気パルスの強度が決定されるためである。これらのコンデ ンサが再充電するとすぐに(実験室の装置では2乃至5秒)、放電を反復するこ とが出来る。パルスの他の特徴、例えば、その周波数及び減衰定数は、エネルギ モジュールのコイル及びキャパシタンスの設計によって大部分決定される電気回 路のキャパシタンス、インダクタンス、及び抵抗に依存する。このプロセスの形 状は柔軟性であるが、これはコイル、るつぼ、及びプレフォームが円筒形である 必要がないからである。その動力学の定量的な理解により、浸透長さも正確に制 御することが出来る。The current produced by this device is a sinusoid that decays exponentially after the first half cycle. It has wave characteristics. A typical magnetic flux distribution is shown in FIG. These controllers The voltage at which the capacitor is charged can vary and is one of the key process parameters; , since this determines the strength of the magnetic pulse. These conde As soon as the sensor recharges (2 to 5 seconds in laboratory equipment), repeat the discharge. I can do that. Other characteristics of the pulse, such as its frequency and damping constant, The electrical circuit is largely determined by the module coil and capacitance design. depending on the capacitance, inductance, and resistance of the path. The shape of this process Although the shape is flexible, this means that the coil, crucible, and preform are cylindrical. This is because there is no need. Through a quantitative understanding of its dynamics, the penetration length can also be precisely controlled. You can control it.
集束器内に発生した磁束密度Bの精密な形を関数として知るために、放電の期間 中に一次コイル電流が流れる用抵抗の両端の電圧をデジタルオシロスコープで測 定することによりBに比例する信号がめられている。与えられた周波数のために (集束器の性能が周波数によって変化するため)、磁束密度は一次コイル電流に 比例する。In order to know the precise shape of the magnetic flux density B generated in the concentrator as a function, the period of discharge Measure the voltage across the resistor through which the primary coil current flows using a digital oscilloscope. A signal proportional to B is obtained by for a given frequency (because the performance of the concentrator varies with frequency), the magnetic flux density depends on the primary coil current. Proportional.
磁束密度の時間導関数に比例する電圧信号を生成する探索コイルが設計されてい る。この探索コイルはRFLモデル912ガウスメータにュージャーシー州ブー ントンのRFLインダストリーズ社)に対して校正されている。これにより、磁 界の第一ピークが正弦波であることを仮定すると、ピーク磁界強度B。の測定が 可能になった(図5)。このB。の値は、抵抗からの出力と組合わさって、時間 対磁界の曲線を与える。Boは用いられている各組のコイル及び集束器に対して トランスジューサにより測定されるピーク強度の関数として校正されている。A search coil is designed that produces a voltage signal proportional to the time derivative of the magnetic flux density. Ru. This search coil is attached to an RFL Model 912 Gaussmeter in Borough, Georgia. Calibrated against RFL Industries, Inc. This allows magnetic Assuming that the first peak of the field is a sine wave, the peak magnetic field strength B. The measurement of Now possible (Figure 5). This B. The value of , in combination with the output from the resistor, is the time Give the curve versus magnetic field. Bo is for each set of coils and concentrators used. It is calibrated as a function of the peak intensity measured by the transducer.
これらの炉を973 °Kにおいて校正するために、熱的且つ電気的な絶縁性ス リーブが探索コイルの上にかぶさっており、探索コイルが各測定を行うのにかか る数秒にわたって空の炉内で温度に耐えられるようにしている。次に、その結果 生じる電流ピーク強度対B。の曲線がが用いられて浸透実験中に磁気プローブを 用いることなしに脈動磁界分布が決定されている。To calibrate these furnaces at 973 °K, a thermally and electrically insulating strip The sleeve is placed over the search coil, allowing the search coil to take each measurement. It is made to withstand the temperature in an empty oven for several seconds. Then the result Resulting current peak intensity vs. B. The curve of the magnetic probe is used during the penetration experiment. The pulsating magnetic field distribution has been determined without using
幾つかの放電電圧に対する磁束密度トレースが最初に述べられている装置に接続 されている18巻炉に対して図6に示されている。この構成により1. 52K Hzの基本周波数が与えられ、ここで基本周波数は第二の且つ全ての後続の半サ イクルの放電周波数である。コイルと機械の各組み合わせについて、Hは指数的 に減衰する正弦波として時間的に変化するが、最初の半サイクルの後、周波数が 変化している。 ゛ これらのデータを用いてプロセスのモデルが作られている。更に、プレフォーム 機械的性質が測定されている。工学正対応力の曲線e = (hho)/ h3 ’。Magnetic flux density traces for several discharge voltages are connected to the first mentioned device. 6 for an 18-volume furnace. With this configuration, 1. 52K A fundamental frequency of Hz is given, where the fundamental frequency is equal to the second and all subsequent half frequencies. is the discharge frequency of the cycle. For each combination of coil and machine, H is exponential varies in time as a sine wave that decays to , but after the first half cycle the frequency increases to It's changing.゛ A process model is created using these data. Furthermore, preform Mechanical properties have been measured. Engineering correct force curve e = (hho) / h3 '.
(ここで、hは試験中のプレフォームの高さであり、hoは初期プレフォームの 高さである)が、図7に与えられている。その結果得られる曲線は7MPaの下 で歪に対して略取−次的であるように見える。(where h is the height of the preform during the test and ho is the height of the initial preform height) is given in FIG. The resulting curve is below 7MPa appears to be sub-order to the distortion.
アルミニウムが浸透した24容量%サフィルT′のサンプルに対する浸透距離が 表1に各プレフォーム直径、放電エネルギ及び放電周波数に対して示されている 。The penetration distance for a sample of 24% by volume Sapphire T' infiltrated with aluminum is Table 1 shows each preform diameter, discharge energy and discharge frequency. .
サンプル20及び21は、プレフォームの直径のそれらの長さ部分の中間の方向 への有意な減少を示している。これらのサンプルのより多くの放電の場合、プレ フォームは溶融体から取り出す事が出来、それらが潰れたことを示している。Samples 20 and 21 are oriented in the direction midway between their lengths of the diameter of the preform. shows a significant decrease in For more discharge of these samples, pre The foams can be removed from the melt, indicating that they have collapsed.
実質的に完全な浸透は上記の手順を図3及び4に斯かる方法で製造された複合材 料に示されているように、実行することにより達成することが出来る。100倍 の倍率で取られた図3の顕微鏡写真及び1.000倍の倍率で取られた図4の孔 性を示している。Substantially complete infiltration is achieved by following the above procedure in composites produced in this manner as shown in Figures 3 and 4. This can be achieved by implementing the following steps. 100 times The micrograph in Figure 3 taken at a magnification of 1.000x and the hole in Figure 4 taken at a magnification of It shows gender.
図3及び4に示されているサンプルはアルミニウム浸透サフィル1アルミナプレ フォームについてのものである。16mm径5cm長さの円筒形プレフォームは 結合剤として加えられた4%のシリカを有しており、直径が3μmのファイバー を有している。るつぼの中への且つ磁界が最長である浸透領域への配置の後、1 0個のパルスの電流が4秒インターバルでもってコイルを通して放電された。The samples shown in Figures 3 and 4 are aluminum-infiltrated SAFIL 1 alumina preforms. It's about form. The cylindrical preform has a diameter of 16 mm and a length of 5 cm. 3 μm diameter fiber with 4% silica added as binder have. After placement into the crucible and in the penetration area where the magnetic field is the longest, 1 Zero pulses of current were discharged through the coil at 4 second intervals.
各々によって、約4テスラの強度を有する磁界を形成した。各3000ボルトパ ルスは約3000ヘルツの周波数でもって振動した。各パルスによって30,0 00アンペアの電流が生成した。この浸透領域温度は約690−710℃であっ た。Each created a magnetic field with a strength of about 4 Tesla. 3000 volts each Luz vibrated with a frequency of approximately 3000 hertz. 30,0 by each pulse A current of 0.00 amperes was generated. The temperature of this penetration zone is about 690-710°C. Ta.
過度に高い磁界強度或いは過多のパルスは好ましくないファイバー又は粒子の崩 壊を招来し得る。しかじから、図3及び4の試料の顕微鏡写真は、ファイバーが 高速の浸透にも拘わらず無傷の状態を保つ限り、プレフォームは有意に崩壊して いないことを示し、ている。(破壊されたファイバーが存在しているが、これら の顕微鏡写真に示されているブレンドはプレストバージンプレフォームに特有で ある。)このプレフォームは、最大2.5mmまで、プロセスパラメータにょっ て変化する深度まで浸透されている。Too high field strength or too many pulses may cause undesirable fiber or particle collapse. It can lead to destruction. Therefore, the micrographs of the samples in Figures 3 and 4 show that the fibers are As long as the preform remains intact despite the high rate of infiltration, it will not disintegrate significantly. It shows that there is not, and there is. (There are some destroyed fibers, but these The blend shown in the photomicrograph is typical of pressed virgin preforms. be. ) This preform can be manufactured according to process parameters up to 2.5 mm. It has been penetrated to varying depths.
製造されたサンプルは浸透前線から約300μmの距離まで完全に浸透される。The prepared sample is completely penetrated to a distance of approximately 300 μm from the penetration front.
浸透前線に近くなればなる程、多孔性は徐々に増大し、比較的鮮鋭な浸透前線に 至る。溶融金属は一旦すフィル1プレフォームが浸透されると、これらを自然に 脱湿することがない。それ故、上昇した圧力値が浸透の期間中、複合材料のどの 領域においても金属によって経験されることを条件とすると、その領域は完全に 浸透された状態を保つ。プレフオームに見られる低い多孔性は、ローレンツ力( 6MPaまで)によって発生された比較的高い圧力、及び、低周波数における、 浸透前線の近くに上昇圧力を誘導するローレンツ力における反転の発生の結果で ある。比較的高い印加圧力にも拘わらず、プレフォームに存在する長いアルミナ ファイバーは浸透された複合材料の中では破壊されていない。これは、最適浸透 条件の辺りでは、プレフォームはファ、イバーを有意に破壊する程度まで変形し ないことを予想する計算と一致する。The closer you get to the penetration front, the more the porosity gradually increases, resulting in a relatively sharp penetration front. reach. Once the molten metal has penetrated the Fill 1 preform, it will naturally No dehumidification. Therefore, during the period of infiltration, the increased pressure value Provided that the area is also experienced by the metal, the area is completely Keep it infiltrated. The low porosity observed in the preform is due to the Lorentz force ( at relatively high pressures generated by (up to 6 MPa) and low frequencies, As a result of the occurrence of a reversal in the Lorentz force that induces an upward pressure near the penetration front be. Despite the relatively high applied pressure, the long alumina present in the preform The fibers are not destroyed in the infiltrated composite. This is the best penetration At around conditions, the preform deforms to a degree that significantly destroys fibers. This is consistent with calculations that predict that there will be no.
このプロセスは、これらのコイルを通る電流だけでな(、これらのパルスの数、 持続期間、及び周波数を変化せしめることにより制御され得る。最適条件は、プ レフォーム形状及び寸法、ファイバー又は粒子寸法、並びに母体金属組成によっ て変化する。コイル、るつぼ、溶融体、及びプレフォームの各々の形状も種々の 補強材料及び母体材料並びに形状に対して浸透を最適化するために変更すること が出来る。This process involves not only the current passing through these coils (, the number of these pulses, It can be controlled by varying the duration and frequency. The optimal condition is Depending on reform shape and size, fiber or particle size, and base metal composition. and change. The shapes of the coils, crucibles, melts, and preforms also vary. Modifications to reinforcing and parent materials and shapes to optimize penetration I can do it.
プロセスパラメータ 図8は、2、IKHz及び3テスラービーク、0.5mSの減衰率の典型的な放 電の期間中に浸透距離がどのように変化するかをグラフで示している。体積力が 増大すると、体積力が毛管力に打ち勝つ程十分大きくなるまで浸透は何も予想さ れないことが分かる。この時点では、流体摩擦力が増大して流れを遅(する溶融 体のプレフォームへの迅速な加速が存在する。溶融体は、ローレンツ力が再び降 下する時に、流体摩擦と毛管力の合成された作用により停止に至るまで、進行性 の部分における前進力よりもかなり低い場合でも感知出来るほど後退する。これ は、毛管力が後退金属流を阻止しないと仮定されているためである。Process parameters Figure 8 shows a typical emission at 2, IKHz and 3 Tesla peaks, with a decay rate of 0.5 mS. The graph shows how the penetration distance changes during the period of electricity. body force As it increases, no penetration is expected until the body forces are large enough to overcome the capillary forces. I understand that it is not possible. At this point, fluid friction increases and slows the flow (melting There is a rapid acceleration of the body into preform. The Lorentz force is applied to the melt again. When lowering, it progresses until it stops due to the combined action of fluid friction and capillary force. Even if the forward force is considerably lower than the forward force at this This is because it is assumed that capillary forces do not prevent the receding metal flow.
図9は、2.1KHz数Hz波数及び0.5mSの減衰定数における2、3、及 び4テスラのピーク磁束強度に対する1乃至9放電の累積浸透深度を示している 。このモデルは、第一の数回の放電からの浸透増分は後続の放電に対するよりも 大きいことを予想している。これは明かに、初期の放電がより短い浸透長さの故 に打ち勝つべき流体摩擦力が低いからである。しかしながら、計算は、この数回 の放電の後、放電当たりの浸透深度増分はほぼ一定になり、図10のように、浸 透が進むにつれて、極わずかな量だけ減少するだけである。これは、これらの計 算の最も重要な発見である。即ち、金属を多くの磁気パルスにかけることの出来 る装置が設計され且つプレフォームが発生した力に耐え得ることを条件とすると 、このシステムのためのこのプロセスを用いて達成することの出来る浸透の深度 には理論的には殆ど限度がない。、図9は又、与えられた周波数に対して最適放 電強度が存在することを証明している。この効果はプレフォーム圧縮に因るm− 放電が過度に強いと、プレフォームは増大したファイバー容量分率によってプレ フォームの透過性が低下し、従って推進力の利得が増大した毛管及び流体摩擦力 によって無効になるよりも大きくなるほど圧縮するということである。Figure 9 shows the 2, 3, and and cumulative penetration depth of 1 to 9 discharges for a peak flux strength of 4 Tesla. . This model shows that the increment of penetration from the first few discharges is greater than for subsequent discharges. I expect it to be big. This is clearly due to the shorter penetration length of the initial discharge. This is because the fluid frictional force that must be overcome is low. However, the calculation is After the discharge of , the penetration depth increment per discharge becomes almost constant, and as shown in It only decreases by a very small amount as the transparency progresses. This is because these totals This is the most important discovery in mathematics. In other words, it is possible to subject metal to many magnetic pulses. provided that the equipment is designed and the preform can withstand the forces generated. , the depth of penetration that can be achieved using this process for this system. Theoretically, there are almost no limits. , Figure 9 also shows the optimal emission for a given frequency. This proves that electric strength exists. This effect is due to preform compression m- If the discharge is too strong, the preform will become preformed due to the increased fiber volume fraction. Capillary and fluid friction forces with reduced foam permeability and thus increased propulsive force gain This means that the larger the size, the more it will be compressed.
図11は、同等の相対的減衰係数を有する広い範囲の周波数に対して、3テスラ ピークを有する5個の放電の後予想される累積浸透を示している。非常に低い周 波数において、侵入深度は、発生したローレンツ力が毛管力に打ち勝つのに不十 分なほど、溶融体リング厚さに対して大きく、従って、ゼロ浸透が予想される。Figure 11 shows that the 3 Tesla The expected cumulative penetration after five discharges with peaks is shown. very low lap At the wave number, the penetration depth is insufficient for the generated Lorentz forces to overcome the capillary forces. The greater the value, the greater the melt ring thickness, and therefore zero penetration is expected.
高周波数においては、体積力はより高いが、その持続期間はかなり短い。従って 、慣性は浸透に対する限度以上のものであり、速度が高くなると、液体複合材料 の浸透部分における流体摩擦損失が増大するに至る。これら二つの対抗する効果 は、このるつぼ/′プレフォーム形状及び浸透に対して予想された1、5KHz 辺りの固定された数の放電に対する最適周波数をもたらす。At high frequencies, the body force is higher, but its duration is much shorter. Therefore , the inertia is more than the limit for penetration, and as the velocity increases, the liquid composite This leads to an increase in fluid friction losses in the penetration part. These two opposing effects is the expected 1.5KHz for this crucible/'preform shape and penetration. yielding an optimum frequency for a fixed number of discharges around.
上記の実施例にはアルミニウムが用いられたが、他の母体金属を用いることが出 来る。マグネシウム、鉛、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、ベリリウム、チタン 、及び鋼(鉄)を単体又は合金の形で用いる事が出来る。繊維状、粒状、或いは 他の形状にある炭化ケイ素、ホウ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ 素、炭化ホウ素、酸化ケイ素、又は鋼等の材料は他の許容出来る補強材料に含ま れる。Although aluminum was used in the above examples, other base metals could be used. come. Magnesium, lead, tin, zinc, nickel, cobalt, beryllium, titanium , and steel (iron) can be used alone or in the form of an alloy. fibrous, granular, or Silicon carbide, boron, silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride in other forms Materials such as carbon dioxide, boron carbide, silicon oxide, or steel are among other acceptable reinforcing materials. It will be done.
この実施例のプロセスは、動機コイル電流がバッチモードにおいてさえも一般的 に連続的でないという意味で不連続であるが、反復された脈動電流を用いること より、連続鋳造工程に容易に適合される。金属は周囲圧力ではなく体積力によっ て押し込まれるため、浸透領域は部分的に開放することが出来、圧力を保持する ように適合される必要がない。これらはプロセスの加圧段階の期間中、アクセス 可能な状態を保つため、金属及び補強材料はその結果生じる浸透された複合材料 を連続的に鋳造することにより取り出されるべき浸透領域に連続的に供給され得 る。この密閉されていないプロセス領域によって非常に短いサイクル時間も可能 になるが、これは如何なるピストンも取り出したり、加圧ガスを抜いたり、圧密 容器を開口したりする必要がないからである。The process of this example is such that the motive coil current is common even in batch mode. Discontinuous in the sense that it is not continuous, but using repeated pulsating currents It is more easily adapted to continuous casting processes. Metals react to body forces rather than ambient pressure. The permeation area can be partially opened and retains pressure. does not need to be adapted as such. These are accessible during the pressurization phase of the process. In order to remain possible, the metal and reinforcing materials are impregnated into the resulting composite material. can be continuously supplied to the percolated area to be extracted by continuously casting Ru. This unenclosed process area also allows very short cycle times However, this can be used to remove any piston, release pressurized gas, or seal it. This is because there is no need to open the container.
図1はプレフォームがバッチモートで浸透される実施例を示しているが、この装 置は金属母体複合材料を連続的に鋳造するように容易に適合され得る。斯かる実 施例では、セラミックるつぼがセラミックチューブに置き換えられる。図1の装 置は、棒状又はチューブのプレフォームの連続長さ部分を収容するために図示の 蓋だけではなく、底においてもその中心軸に沿っても開放している。排出端にお ける冷却領域は複合材料が装置から出て回収される前に複合材料を凝固せしめる 。棒状又は中空シリンダ等の補強材プレフォームは、装置を通して供給され、磁 束集束器の集束された磁界内の浸透領域を通過した時に液体金属によって浸透さ れる。Figure 1 shows an example in which the preform is infiltrated in a batch mode; The apparatus can be easily adapted to continuously cast metal matrix composite materials. This fruit In an embodiment, the ceramic crucible is replaced with a ceramic tube. Figure 1 The locations shown are for accommodating continuous lengths of rod or tube preforms. Not only the lid is open, but also the bottom and along its central axis. At the discharge end A cooling zone allows the composite material to solidify before it exits the device and is collected. . A reinforcement preform, such as a rod or hollow cylinder, is fed through the device and Penetrated by the liquid metal as it passes through the penetrating region within the focused magnetic field of the flux concentrator. It will be done.
放電コイル、用いられ得る任意の磁束集束器、及び加熱成分の形状は製造される べき複合材料の種類及び形状に応じて修正することが出来る。図1の装置によっ て製造される円筒形又は管状複合材料はソレノイド形コイルを用いているが、平 面状複合材料は図2の平坦な”パンケーキ”螺旋コイルを用いる。斯かる構成に よって織連続ファイ六−を有するプレフォーム等の平坦な実質的に二次元的なプ レフォームの片側からの浸透が可能になる。The shape of the discharge coil, any flux concentrators that may be used, and the heating component are manufactured. It can be modified depending on the type and shape of the composite material to be used. The device shown in Figure 1 cylindrical or tubular composites manufactured using solenoid-shaped coils; The planar composite uses the flat "pancake" helical coil of FIG. In such a configuration Thus, flat substantially two-dimensional products such as preforms having continuous fibers Penetration from one side of the reform is possible.
図2は、平面状複合材料を製造するように適合された炉及びコイルを有する斯か る装置を示している。断熱壁64内の発熱体62はセラミックるつぼ54の温度 を金属60の融点の上に保持する。金属60及び平坦プレフォーム52をるつぼ の中に配置した後、飛散を防ぐために耐熱プラグ50がるつぼにかぶせられる。Figure 2 shows such a furnace with a furnace and coil adapted to produce planar composite materials. The figure shows the equipment used. The heating element 62 within the insulating wall 64 maintains the temperature of the ceramic crucible 54. is held above the melting point of metal 60. The metal 60 and flat preform 52 are placed in a crucible. After placement in the crucible, a heat-resistant plug 50 is placed over the crucible to prevent splashing.
すると、耐熱セメント58の中に埋め込まれている平坦な螺旋放電コイル56が 付勢され液体金属60をプレフォームの中に推進する。Then, the flat spiral discharge coil 56 embedded in the heat-resistant cement 58 The liquid metal 60 is energized and propelled into the preform.
図2の型式の製造装置によって製造される複合材料は浸透側の反対側(ここでは 、耐熱プラグ側)から冷却されることが出来、これにより母体のより迅速な凝固 がもたらされる。例えば、耐熱プラグ50は冷し金として作用することが出来、 プレフォームは浸透に先立ち、プラグ/冷し金の下側と面一に配置される。ファ イバーの高溶融体温度に対する暴露の低下によって、起こり得るファイバーの崩 壊が減少し、改良された複合材料の微細構造及び性能がもたらされる。The composite material produced by the type of manufacturing equipment in Figure 2 is , heat-resistant plug side), which allows for faster solidification of the matrix. is brought about. For example, the heat-resistant plug 50 can act as a chiller; The preform is placed flush with the underside of the plug/cold metal prior to infiltration. Fa Possible fiber collapse due to reduced exposure to high melt temperatures of fibers. Fracture is reduced, resulting in improved composite microstructure and performance.
図2の平面状実施例の連続鋳造形式も可能である。円筒形実施例の連続形式と同 じように、断熱壁の端部はプレフォームの入り及び仕上がった複合材料の回収を 可能にするために開放される。浸透領域内における材料のパルスによる処理及び 材料の浸透領域への且つ浸透領域からの移動により、複合材料の連続的な鋳造が 行われる。A continuous casting version of the planar embodiment of FIG. 2 is also possible. Same as continuous type of cylindrical embodiment Similarly, the ends of the insulated walls allow entry of the preform and withdrawal of the finished composite material. open to enable. Treatment by pulses of the material in the penetration area and The movement of material into and out of the percolation zone allows continuous casting of the composite material. It will be done.
別の実施例では、炭化ケイ素粒子がアルミニウムスラグに穿孔円筒状キャビティ の中に詰め込まれて入る。これはセラミックるつぼの中に配置され、アルミニウ ムが溶融するまで加熱される。炭化ケイ素粒子と溶融アルミニウムとの間の濡れ か弱いため、金属は自然に粒子に浸透していない。次にるつぼは放電コイルによ って形成された中心キャビティの中に配置されている。コンデンサバンクはコイ ルの中に9回、3KVを放電し、この時点で、更に8回の放電が実行される前に 数時間の休止が生じている。金属は常に溶融された状態を保っている。In another example, silicon carbide particles are drilled into a cylindrical cavity in an aluminum slug. It is packed inside. This is placed inside a ceramic crucible and an aluminum The mixture is heated until it melts. Wetting between silicon carbide particles and molten aluminum Because it is weak, the metal does not naturally penetrate the particles. Next, the crucible is connected to the discharge coil. It is located in a central cavity formed by a. capacitor bank carp discharge 3KV into the cell nine times, at this point before eight more discharges are carried out. There is a pause of several hours. Metal always remains molten.
この生成物の顕微鏡写真による分析の結果、複合材料中の粒子は二つの群の放電 の間の休止の故に金属とのかなりの好ましくない反応を起こしていることが分か った1、にも拘わらず、この複合材料は実質的に均質であり、幾つかの大きな孔 が全体にわたって散在していただけであった。より洗練された反応条件、例゛え ば、調節された溶融温度、放電回数、及び放電強度が与えられているので、この 大規模な多孔性をなくすことが出来ると信じられる。Microscopic analysis of this product shows that the particles in the composite are divided into two groups of discharges. It has been found that due to the pause between 1, the composite material is essentially homogeneous with some large pores. were only scattered throughout. More sophisticated reaction conditions, e.g. For example, given the adjusted melting temperature, number of discharges, and discharge intensity, this It is believed that large-scale porosity can be eliminated.
この実験は、電磁体積力を用いて実質的に均質な複合材料を製造出来ることを証 明した。この実施例によって製造された複合材1内には浸透前線が何も存在して おらず、混入されたガスも見られなかった。実質的に均質な製品が製造された。This experiment demonstrates that electromagnetic body forces can be used to produce virtually homogeneous composite materials. I made it clear. There are no penetration fronts in the composite material 1 produced according to this example. No mixed gas was found. A substantially homogeneous product was produced.
この実施例についての予備作業は、実質的に均質な金属母体複合材料が電磁体積 力を用いてより迅速な且つ経済的な様式で製造される得ることを証明している。Preliminary work for this example shows that a substantially homogeneous metal matrix composite material has an electromagnetic volume. It has been demonstrated that it can be manufactured in a faster and more economical manner using force.
これらの複合材料は、るつぼから鋳造されるか或いはるつぼの底にある開口部か ら連続的に鋳造されて均質的に分散された補強粒子を有するインゴットを製造す ることが出来る。これらのインゴットは、更に任意の好ましい製品に加工するこ とが出来る。These composite materials are either cast from a crucible or cast through an opening in the bottom of the crucible. to produce an ingot with homogeneously dispersed reinforcing particles. Rukoto can. These ingots can be further processed into any desired product. I can do that.
更に別の実施例では、カーボンファイバーの円周状トウ(粗解)と共に保持され 且つネジつき鋼ロフトの回りに巻かれたカーボンファイバーの15mm径束がる つぼの中心に配置された。金属は液化された。このるつぼは次に放電コイルのキ ャビティ内に配置され、多数回の放電にかけられた。電磁体積力がこの金属をト つの中に推進して、浸透せしめた。In yet another embodiment, the carbon fiber is held together with a circumferential tow. And a 15mm diameter bundle of carbon fiber wrapped around a threaded steel loft. placed in the center of the vase. The metal was liquefied. This crucible is then used as a key for the discharge coil. It was placed in a cavity and subjected to multiple discharges. Electromagnetic body force forces this metal It was promoted and penetrated into the world.
顕微鏡写真による分析によって、完全な浸透は起こらなかったが、トウの半分以 上が浸透されたことが分かった。これらのファイバーは、放電の期間中、動き回 ることを十分に抑制されていないため、完全な浸透はされない可能性が大きい。Micrographic analysis showed that complete penetration did not occur, but more than half of the tow It turned out that the top had been penetrated. These fibers move and rotate during the discharge period. There is a strong possibility that it will not penetrate completely because it is not sufficiently suppressed.
しかしながら、適当な条件の下では、実質的に完全な浸透が生じることが予想さ れる。このように製造された金属母体複合材料はその最大強度が複合材料内のフ ァイバーの軸に平行に存在している異方性性質を有している。平行補強ファイバ ーを有する複合材料はるつぼから短い長さに鋳造するか、或いはより長いロブド に連続的に鋳造することが出来る。However, under suitable conditions, virtually complete penetration is expected to occur. It will be done. The metal matrix composite material produced in this way has its maximum strength due to the fibers within the composite material. It has anisotropic properties that exist parallel to the fiber axis. parallel reinforced fiber Composite materials with can be continuously cast.
上記の実施例では、体積力は誘導された磁界によって形成される。しかしながら 、本発明は斯かる実施例には限定されない。例えば、別の実施例では、溶融金属 は例えば金属に浸漬された電極を通して別に適用された電界にかけられ得る。In the example described above, the body force is created by an induced magnetic field. however However, the invention is not limited to such embodiments. For example, in another embodiment, molten metal can be subjected to a separately applied electric field, for example through an electrode immersed in the metal.
金属が磁界内にある間にこれが行われると、相互作用する界によって溶融金属を 推進する電磁体積力が生成される。If this is done while the metal is in a magnetic field, the interacting fields will cause the molten metal to Propulsive electromagnetic body force is generated.
放電の回数 フロントページの続き (72)発明者 アンドルーズ、リチャード・エムアメリカ合衆国マサチューセ ッツ州02138゜ケンブリッジ、ダナ・ストリート 10.ナンノ’C−9 (72)発明者 フレミングス、マートン・シーアメリカ合衆国マサチューセッ ツ州02139゜ケンブリッジ、ヒルサイド・アベニューNumber of discharges Continuation of front page (72) Inventor: Andrews, Richard M. Massachusetts, USA 10, Dana Street, Cambridge, UT 02138. Nanno'C-9 (72) Inventor: Flemings, Merton Sea, Massachusetts, USA Hillside Avenue, Cambridge, TU 02139
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