JPH07149571A - セラミック表面を有する金属構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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、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
造すること、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
要素を製造することにある。 【構成】 自己支持性でセラミック表面を有する金属構
造に於いて、（ａ）前駆物質親金属を含んでいる基体
と、（ｂ）前記基体の上に重ねられた充填剤と、（ｃ）
前記基体と一体に形成されており、また酸化体との前記
前駆物質金属の酸化反応により前記充填剤を埋めている
セラミックマトリックスとを含んでいることを特徴とす
るセラミック表面を有する金属構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】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、充填剤を埋める多結晶
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。本願出願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。

【０００２】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６０−０
５２１７０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８１
８，９４３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。

【０００３】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６３２，６３６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６０−１５８４４１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。

【０００４】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８２３，５４２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。

【０００５】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８
６１，０２５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
て入る透過性充填剤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８６１，０２５号明細書に記載さ
れている。

【０００６】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
剤材料を埋めるセラミックマトリックスを含んでいる。

【０００７】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剤が互いに相対的
に、酸化反応生成物の生成が充填剤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剤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
より充填剤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。

【０００８】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剤と、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剤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剤を
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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】“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。

【００１２】“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。

【００１３】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 本発明の実施にあたっては、親金属リザーバが充填剤の
塊に対して相対的に、親金属の溶融時に、充填剤と接触
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
ションにより充填剤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らば、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。充填剤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、充填剤の塊は酸化
体に対して透過性である。酸化体との接触時に溶融金属
は充填剤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剤
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、またそさ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、充填剤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
による充填剤の浸透を含めて、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。

【００１４】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、例えば充填剤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
填剤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。

【００１５】本発明によれば、親金属は、充填剤と接触
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、例えば充填剤の床の境界
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
リヤー手段が充填剤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剤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、充填剤の塊
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剤の塊の中に保たれる。

【００１６】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
を有する充填剤の形作られた物体、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
ォームの形状の実質的に一致する。

【００１７】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。

【００１８】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８２２，９
９９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剤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。

【００１９】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 ／Ｈ₂ Ｏ及びＣＯ／ＣＯ
₂ ）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。

【００２０】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。もし基体又は蒸気酸化体、すなわち
気相酸化体が使用されるならば、充填剤は、酸化体への
充填剤の床の露出時に気相酸化体が充填剤の床を透過し
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。

【００２１】固体酸化体が利用される時には、固体酸化
体は充填剤の塊全体を通じて、又は親金属に隣接する充
填剤の一部分を通じて分散されてよい。酸化体は充填剤
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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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、図１
Ａ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（図１Ａ及び図１Ｂ）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１
６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（図１Ｂ）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。

【００２７】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３
４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，３
６ｂ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。

【００２８】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Ｎｏｒｔ
ｏｎ 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。

【００２９】バリヤー手段コンテナ１４のなかの適合可
能な充填剤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剤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剤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。

【００３０】充填剤−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
が充填剤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（図１Ａ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
合可能な充填剤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。

【００３１】親金属のリザーバ３４の量は、少なくとも
充填剤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。

【００３２】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、図２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（図１Ａ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，４
２ｂ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。

【００３３】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の粗い維持パターン（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３
６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。次に図３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。

【００３４】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４４ｃ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５
４からの溶融親金属が消費されるにつれて、リザーバ４
６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。

【００３５】図４には、図３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４
４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４４ｂ′、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４４
ｅ′を有するものとして正確に形作られている。

【００３６】図５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。図５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。

【００３７】図３の実施例及び図５の実施例の双方に於
いて、第一の源（図３中の５４及び図５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
置に置かれ且つ溶解され得る。代替的に、リザーバ（図
３中の４６及び図５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剤と接触
する親金属の第一の源を成すべくプレフォーム（図３中
の４４及び図５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。

【００３８】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、（図３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。

【００３９】図５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
プレフォーム充填剤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、図３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。

【００４０】図５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５６
ａ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。

【００４１】図６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８
６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、溶融親金属を
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８
８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。

【００４２】図６中に明白に示されているように、孔８
０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
である図５の配置と対照的である。）図６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。

【００４３】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７
２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図７
に、ベース部分７４′、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。

【００４４】図８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９
８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９
６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１０
０を有する。孔１００の（図８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（図８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。

【００４５】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（図８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のみが図８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９２、親金属１０４及び１０
８の物体及びコンジット１０６はすべて、耐熱性容器１
１２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。

【００４６】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１０
２により閉じられている（図８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１
０８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１
００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。

【００４７】図９には、図８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１０
０′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及び軸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。

【００４８】次に図１０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１
１４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１２４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
ば図１１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。

【００４９】複数個の同一の透過性のプレフォーム１２
６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を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（図１０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。図１０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。図１０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。
図１１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。図１１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
が充填剤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。

【００５０】図１０及び図１１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、図１２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１３
２に付着する充填剤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が図１２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
填剤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。

【００５１】図１３には、図１０及び図１１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１２
６′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１２６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。

【００５２】図１４には、（図１２で説明したものと同
一のスリップ鋳込技術により）図１５Ａ及び図１５Ｂ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。図１４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４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１
４４ｄを有するポンプ羽根車状のプレフォーム１４０
（図１５Ａ及び図１５Ｂ）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。

【００５３】羽根車状のプレフォーム１４０は、モール
ド１３４（図１４）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、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されている
中空プレフォーム１４０が得られる。

【００５４】次に図１６を参照すると、プレフォーム１
４０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１６０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１
６２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。

【００５５】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、図１７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１４
６′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
み図１７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１
６４で満たされている。図１７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。

【００５６】次に図１８Ａ及び図１８Ｂ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１７
０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１
７８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１８０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。図１８Ａ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。

【００５７】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。
図１８Ａ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の充填剤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１
８２が、溶融親金属をスペース１７８へ流すために利用
され得る。

【００５８】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′
（図１９）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。

【００５９】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剤）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
充填剤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、充填剤の外
側に成長させられ得る。こうして、図１８Ａ及び図１８
Ｂに示されている実施例では、多結晶性材料は、孔１８
６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、図２０Ａ〜図２１Ａ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。

【００６０】次に図２０Ａ〜図２１Ｂを参照すると、
（図２０Ｂ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。

【００６１】図２１Ａ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２
００の底の上に載っていてよく、又はプレフォーム１９
２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（図２
１Ａ又は図２１Ｂ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図２１Ａ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２
００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、それを通って
典型的多結晶性マトリックス材料を均等に成長させる。

【００６２】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１９
２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。

【００６３】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。

【００６４】例えば図８（再凝固した親金属が孔８０の
なかに保たれている場合）、図１７及び図２２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剤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、図１７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、たとい図１７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
（例えば図１７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。

【００６５】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。

【００６６】次に図２３及び図２４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，２
０８ｂ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２
０８ａ，２０８ｂ及び２０８ｃは、図２４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。図２４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２１２
ｃ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２１２ａ，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に関して図２１Ａ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
（図２２中の金属基体１９８′に相当）が外側円筒２０
４の外側表面の周りに残されていてよい。

【００６７】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、適合可能な充填剤の床として
又は形作られたプレフォームとして用意され得る充填剤
を埋めるセラミックマトリックスを含んでいる。適当な
充填剤は、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。

【００６８】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）充填剤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
トが充填剤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
の供給が行われ得る。

【００６９】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０．１〜１
０％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。

【００７０】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。

【００７１】本発明の実施により得られるセラミック複
合物構造は通常、セラミック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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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（Ｉｎｔ
ｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｃｋｅｌ Ｃｏ．）のスケ
ジュール４０の管（外径１・１５／１６インチ（４．９
２cm））（図１Ａ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（０．０２cm）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Ｉｎｃ
ｏｎｅｌ金属管に対する内側ライナー（図１Ａ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。

【００７５】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、図
１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（図１Ａ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
（図１Ａ中の３６に相当）は直径３／４インチ（１．９
cm）、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剤の塊（図１Ａ
及び図１Ｂ中の適合可能な充填剤の塊３８に相当）のな
かに埋められた。充填剤混合物は２４時間にわたり約１
２５０℃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Ｉｎ
ｃｏｎｅｌ管のなかに置かれた。親金属源物体はウッド
・グリュー（Ｂｏｒｄｅｎ ＣｏｍｐａｎｙによりＥＬ
ＭＥＲ′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（図１Ａ中の１
２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（図１Ａ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。

【００７６】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（図１Ａ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（図１Ａ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７に親金
属及び充填剤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１
２４５℃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Ｉｎｃｏｎ
ｅｌ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。

【００７７】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。 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。

【００７８】（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。

【００７９】（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 図３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
下記の充填剤と共に利用した。

【００８０】 重量百分率 ９３ ３８アランダム（７０wt％は２２０グリット、５０wt％は ５００グリット） ７ シリコン金属（５０wt％は２２０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
鋳造された充填剤の除去を可能にするべく冷却され、次
いで充填剤が乾燥を許された。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（図３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
図３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１０
００℃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 図５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（図５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 図１０、図１１及び図１２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。

【００８１】図１１及び図１２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の間の間隙に凹み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除去された。例５ 表Ａ、過程（４）のスリップ鋳込法が、図１４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、図１５Ａ及び図１５Ｂ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ＳｉＯ
₂ 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。

【００８２】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
剤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。

【００８３】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】

【図１】図１Ａ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。図１Ｂは図１Ａ
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。

【図２】図２は本発明により図１Ａ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。

【図３】図３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。

【図４】図４は本発明により図３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。

【図５】図５は図３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。

【図６】図６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。

【図７】図７は本発明により図６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。

【図８】図８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。

【図９】図９は本発明により図８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。

【図１０】図１０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）。

【図１１】図１１は図１０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）。

【図１２】図１２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。

【図１３】図１３は本発明により図１０及び図１１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。

【図１４】図１４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。

【図１５】図１５Ａは図１４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。図
１５Ｂは図１５Ａの線Ａ−Ａに沿う断面図である。

【図１６】図１６は図１５Ｂ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。

【図１７】図１７は図１５Ｂに相応する図であるが、本
発明により図１６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。

【図１８】図１８Ａ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。図１８Ｂは図１８Ａ
の線Ａ−Ａに沿うプレフォームの断面図である。

【図１９】図１９は本発明により図１６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。

【図２０】図２０Ａ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。図２０Ｂは図２０Ａの線Ａ−Ａに沿う
端面図である。

【図２１】図２１Ａ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図２０Ａ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。図２１
Ｂは図２１Ａの組立体を上から見た平面図である。

【図２２】図２２は本発明により図２１Ａ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。

【図２３】図２３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。

【図２４】図２４は図２３のプレフォームの平面図であ
る。

【符号の説明】

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…充填剤 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…中心孔 ２１２…環状コンパートメント

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年８月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 セラミック表面を有する金属
構造

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/65 Ｃ０４Ｂ 35/65 (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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己支持性でセラミック表面を有する金
   属構造に於いて、（ａ）前駆物質親金属を含んでいる基
   体と、（ｂ）前記基体の上に重ねられた充填剤と、
   （ｃ）前記基体と一体に形成されており、また酸化体と
   の前記前駆物質金属の酸化反応により前記充填剤を埋め
   ているセラミックマトリックスとを含んでいることを特
   徴とするセラミック表面を有する金属構造。
2. 【請求項２】 酸化反応生成物を含んでいる多結晶性材
   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と、前記マトリックスに
   より浸透された充填剤と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に於いて、（ａ）前
   記親金属の物体及び前記充填剤の透過性の塊を互いに相
   対的に、前記酸化反応生成物の生成が充填剤の前記塊に
   向かう方向にまたその中へ生起するように方向付ける過
   程と、（ｂ）前記親金属から（ｉ）溶融親金属の第一の
   源及び（ii）前記第一の源と連通する溶融親金属のリザ
   ーバを用意する過程と、（ｃ）前記酸化反応生成物が前
   記酸化体と先に形成された酸化反応生成物との間の界面
   に於いて充填剤の前記塊の中へ形成し続けるように、酸
   化体に向けてまた充填剤の前記塊の中へ前記酸化反応生
   成物を通して溶融親金属を漸進的に引くべく、溶融親金
   属の前記第一の源及び前記酸化体と接触し且つそれらの
   間に延びている状態に前記酸化反応生成物の少なくとも
   一部分を保つことにより、前記酸化反応生成物を形成す
   るべく溶融親金属の前記第一の源を酸化体と反応させる
   過程と、（ｄ）前記反応が前記セラミック複合物構造を
   形成するべく前記酸化反応生成物により充填剤の前記塊
   の少なくとも一部分を浸透するべく前記酸化反応生成物
   を形成し続けるにつれて、前記リザーバから溶融親金属
   の前記第一の源を補充する過程とを含んでいることを特
   徴とする自己支持セラミック複合物構造の製造方法。