JPS6374953A - セラミックス及び充填材含有複合体の製造方法 - Google Patents

セラミックス及び充填材含有複合体の製造方法

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JPS6374953A
JPS6374953A JP62186492A JP18649287A JPS6374953A JP S6374953 A JPS6374953 A JP S6374953A JP 62186492 A JP62186492 A JP 62186492A JP 18649287 A JP18649287 A JP 18649287A JP S6374953 A JPS6374953 A JP S6374953A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 光ユ亘公■ 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。
の° 凧  に  ゛    た  −    の  
U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日付は特願昭61−022784
号に係る。この明細書には、充填剤の透過性の床の中へ
親金属から酸化反応生成物を成長させることにより自己
支持セラミック複合物を製造するための新規な方法が開
示されている。しかし、この方法はその結果として得ら
れる複合物は予め選ばれた形状又はジオメトリを与える
ものではない。
セラミック酸化反応生成物を成長させる方法は一般的に
、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡されたいずれも“
新規なセラミック材料及びその製造方法”という名称の
昭和60年3月15日付は特願昭60−052170号
の一部継続出願である1985年9月17日付は米国特
許出願第776.964号の一部継続出願である198
6年1月15日付は米国特許出願第818,943号明
細書に開示されている。親金属の中に合金化されたドー
パントの使用により高められ得る酸化現象のこの発見に
よって、前駆物質親金属の酸化反応生成物として成長さ
せられた所望の寸法の自己支持セラミック物体が提供さ
れる。
上記の方法は、“自己支持セラミック材料の製造方法”
という名称の1984年7月20日付は米国特許出願第
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日付は特
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。
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)!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日付は米国特許出願第
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日付は米国特許
出願第896.247号明細書に開示されている。
また、予め選ばれた形状又はジオメトリを有するセラミ
ック複合物構造の製造方法が開発された、これらの方法
は、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された“形作ら
れたセラミック複合物及びその製造方法”という名称の
1986年5月8日付は米国特許出願第861,025
号明細書に記載されているように、セラミックマトリッ
クスが親金属前駆物質の酸化により成長して入る透過性
充填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一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1という名称の1986年5月8日付は米国特
許出願第861,025号明細書に記載されている。
本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された前記の特許出
願の明細書のすべての開示内容を参照によりここに組入
れたものとする。
■の   び′ の ′J 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0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(破断靭性に冨むセ
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0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0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。
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
断靭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0本発明はくさらに、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存す
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。
発皿豊瓜翌 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
源と連通ず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瞑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。
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tlI製を可能にする。
仕上げられた製品内で所望であれば、親金属基体が完全
に又は部分的に除去されてもよいし、そのまま残されて
もよい。
本発明の方法は親金属の共通の源からの一連のセラミッ
ク複合物構造の製造をも可能にし、従って作業効率を顕
著に高める。
本発明の他の局面では、セラミック表面を有する金属基
体部分が、前記基体が表面のセラミックマトリックスに
結合されている形態で提供される。
本発明の他の局面では、セラミック表面を有する金属基
体部分が、セラミック表面が圧縮状態にあり、また金属
基体が二つの間の界面において引張状態にある形態で提
供される。
本明細書中で使用される下記の用語は下記のように定義
されている。
“セラミック”とは、古典的な意味、すなわち完全に非
金属又は無機材料から成っているという意味でのセラミ
ック物体に限定されるものとして不当に解釈されるべき
ではな(、親金属から誘導された、又は酸化体から又は
ドーパントにより生成された一つ又はそれ以上の金属成
分を少量又は実質的な量で、最も典型的に約1〜40%
(体積百分率)の範囲内で又はさらに大きな割合で含ん
でいるとしても、組成又は支配的特性に関して優勢にセ
ラミックである物体を指している。
“酸化反応生成物”とは、一般的に、金属が電子を他の
元素、化合物又はそれらの組合わせに供与し又はそれら
と共有した任意の酸化状態での一つ又はそれ以上の金属
を意味する。従って、この定義による“酸化反応生成物
”は酸化体による一つ又はそれ以上の金属の反応の生成
物を含んでいる。
1酸化体”とは、一つ又はそれ以上の適当な電子受容体
又は電子共有体を意味し、元素、元素の組合わせ、化合
物又は化合物の組合わせ(還元可能な化合物を含む)で
あってよく、またプロセス条件に於いて蒸気、固体又は
液体である。
“親金属”とは、多結晶性反応生成物に対する前駆物質
である金属、例えばアルミニウムを指し、また比較的純
粋な金属、不純物及び(又は)合金化成分を含有する商
業的に入手可能な金属としてのその金属、又はその金属
前駆物質が主成分である合金を含んでいる。また特定の
金属が親金属、例えばアルミニウムとして述べられる時
、アイディティファイされた金属が、それとは別に文脈
中で指示されないかぎり、この定義で解されるべきであ
る。
本発明の他の利点及び可能性は以下の説明から明らかに
なろう。
■ び の  しい b の−な u 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。バリヤ一手段がオプ
ションにより充填剤の塊の少な(とも一つの表面を郭定
又はそれと一致するべく置かれ得る。また組立体が酸化
雰囲気中に置かれ(又は、もし酸化体がプレフォームの
中に含まれているなば、組立体が不活性雰囲気中に五か
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1生である。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(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壌渡された米国特許出願
に詳細に説明されている。
プロセスは、多結晶性マトリックス材料が所望の範囲ま
で、例えば充填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一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。バリヤ一手段は酸
化反応生成物の成長を禁止、妨害又は終了し、それによ
り結果として得られるセラミック複合物に最終又はほぼ
最終の形状を得るのに使用される。
本発明によれば、親金属は、充填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(、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、バリヤ一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
の範囲がバリヤ一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一手段
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一手段以外の手段、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
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0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、バリヤ一手段を使用することにより、
もしくはプレフォームの外側の酸化反応速度よりも好ま
しい酸化反応速度をプレフォーム中に維持することによ
り上記のような過程がとられる時、プレフォームの形状
と実質的に一致する。
本発明を以下では親金属がアルミニウムである実施例に
重点をおいて説明するが、これは例示の目的での説明に
過ぎず、シリコン、チタン、スズ、ジルコン及びハフニ
ウムなどのような他の金属が本発明の規範を満足して使
用され得る0例えば、本発明の特定の実施例は、親金属
がアルミニウムである時、αアルミナ、窒化アルミニウ
ム又はホウ化アルミニウムを酸化反応生成物として含ん
でおり、親金属がチタンである時、窒化チタン又はホウ
化チタンを酸化反応生成物として含んでおり、また親金
属がシリコンである時、炭化シリコン、窒化シリコン又
はホウ化シリコンを酸化反応生成物として含んでいる。
本願の癩受入と同一の譲受入に培渡された前記米国特許
出願第818.943号及び第822,999号明細書
及びそれらの先願特許明細書に詳細に説明されているよ
うに、一つ又はそれ以上のドーパントが親金属と組み合
わせて使用され得る0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
中ヘト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(
、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ヘトーパントを置く過程、及び(
4)上記の過程のいずれかの組み合わせを意味し、また
含んでいる。
固体、液体又は気相酸化体、又はこのような酸化体の組
合わせが上記のように利用され得る。例えば、典型的な
酸化体は、制限なしに、酸素、窒素、ハロゲン、硫黄、
リン、ヒ素、炭素、ホウ素、セレン、テルル、及びそれ
らの化合物又は組み合わせ、例えば(酸素の源としての
)シリカ、メタン、エタン、プロパン、アセチレン、エ
チレン、(炭素の源としての)プロピレン及び空気、H
2/ H20及びCo/CO2のような混合物、最後の
二つ(すなわちH2/H20及びCo/CO2)はプレ
フォームの所望の酸化可能な成分に対して相対的に環境
の酸素活性を減するのに有用である。従って、本発明の
セラミック構造は、例えば、一つ又はそれ以上の酸化物
、窒化物、炭化物及びホウ化物を含んでいる酸化反応生
成物を含んでいてよい、一層詳細には、酸化反応生成物
は酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化シリコン
、ホウ化シリコン、ホウ化アルミニウム、窒化チタン、
窒化ジルコン、ホウ化ジルコン、炭化ジルコン、窒化シ
リコン、炭化チタン、炭化ハフニウム、ホウ化ハフニウ
ム及び酸化スズの一つ又はそれ以上を含んでいてよい。
任意の適当な酸化体が利用され得るが、本発明の特別な
実施例は気相酸化体を使用するものとして以下に説明さ
れる。もし気体又は蒸気酸化体、すなわち気相酸化体が
使用されるならば、充填剤は、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−又は優勢な酸化剤である。従って、空
気は“酸素含有気体”酸化体の定義に属し、“窒素含有
気体”酸化体の定義には属さない。本明細書で使用され
る“窒素含有気体”酸化体の一例は、典型的に約96%
(体積百分率)の窒素及び約4%(体積百分率)の水素
を含有する“成形気体”である。
固体酸化体が利用される時には、固体酸化体は充填剤の
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0例えば、ホウ素又は還元可能なホウ化物が
アルミニウム親金属に対する固体酸化体として使用され
る時、結果として生ずる酸化反応生成物はホウ化アルミ
ニウムである。
いくつかの場合には、酸化反応は、酸化反応生成物がプ
ロセスの発熱性のために溶融する傾向を生ずるように固
体酸化体により急速に進行し得る、この溶融の生起はセ
ラミック物体のミクロ構造の均等性を劣化し得る。この
急速な発熱性反応は低い反応性を呈する比較的不活性な
充填材を複合物のなかに混合することにより回避又は緩
和され得る。このような適当な不活性充填材の例は意図
される酸化反応生成物と本質的に同一のものである。
もし液体酸化体が利用されるならば、充填材の塊全体又
は熔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0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熔融
又は分解している材料の溶液であってもよい、ここに定
義されるような液体酸化体の例は低融点ガラスを含んで
いる。
本発明の実施に利用される充填材は目的に通した広範囲
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。3!i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穣渡された米国特許
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ーウール状材料、例えば
鋼ウール、のようなファイバ、又は二つ又はそれ以上の
このような物理的形態の組み合わせ、例えば粒及びファ
イバの組み合わせを含んでいてよい、任意の有用な形式
の充填材又はその組み合わせが、本願の譲受人と同一の
譲受人に譲渡された上記の米国特許出願明細書に説明さ
れているように利用され得る。製造すべきセラミック複
合物構造の所望の形態に形作られたプレフォームも充填
材の塊として利用され得る。
第一の源としての親金属、すなわち充填材と接触する状
態に保たれるべき親金属は予め定められた形状又はパタ
ーンに成形され得る。親金属のこの形作られた物体は、
親金属物体の形状又はパターンを逆複製するため、充填
材の塊のなかに埋められ又はそれと適合接触する状態に
置かれる。セラミック複合物構造の生成時に、パターン
が複合物により逆複製される。もしこのような逆複製が
所望又は必要でなければ、プレフォームが予め定められ
た形状の複合物物体を得るのに使用されてよ(、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(、また溶融
親金属がm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m力の作用によ
り連通ずるように誼かれてよい。
親金属のリザーバは、溶融親金属の酸化反応を維持又は
助長しない粒子状不活性材料の床のなかに好都合な仕方
で入れられていてよい、溶融親金属はコンテナの底の開
口を通じて親金属の第一の源へ送られる0代替的に、親
金属のリザーバは適当な耐熱性容器のなかに入れられて
いてもよい。
さて図面を参照すると、第1図には、リザーバチャンバ
12と、その下に位置しておりリザーバチャンバ12の
床28の開口(参照符号を付されていない)によりリザ
ーバチャンバ12に接続されているバリヤ一手段]ンテ
ナ14とを有する組立体10が示されている。バリヤ一
手段]ンテナ14は実質的に円筒状の輪郭を有し、また
孔明きシリンダ18のなかに入れられており且つそれに
より補強されているスクリーン16(第1図及び第1A
図)により郭定された内部表面を有する。
孔明きシリンダ18は円筒状のスクリーン16を補強す
る外側の剛固な部材としての役割をする。
ステンレス鋼のような孔明き金属シートがスクリーンの
代わりに使用され得る。シリンダ18はその表面を通じ
て孔のパターン20 (第1A図)を形成されており、
また親金属から成長したセラミック材料のマトリックス
により埋められるべき適合可能な充填材の塊の形状を加
工する間に形状を保つのに十分に剛固である。スクリー
ン16は耐熱性布又は金属、例えばステンレス鋼スクリ
ーンであってよい、いずれの場合にも、図示されている
実施例では、スクリーン16は編まれたオーブン・メツ
シュ・スクリーンであり、その開口の多くはシリンダ1
8の孔と整列しており、従ってバリヤ一手段]ンテナ1
4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プレース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
がバリヤ一手段]ンテナ14の底を閉じている。
同じく円筒状でありバリヤ一手段]ンテナ14よりも直
径が大きいりテーパチャンバ12が、孔無し材料から作
られたリザーバ壁26及び床28により包囲されている
。図示されている実施例では、親金属は、リザーバチャ
ンバ12のなかに入れられている不活性材料の床30の
なかに支えられている親金属のリザーバ34と、バリヤ
一手段]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存し、そこか
ら円筒状の部分が下方へりテーパチャンバ12及びバリ
ヤ一手段]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0図示されている実施例では
、細長い円筒状の親金属36は長手方向に間隔をおいた
位置で一連のほぼ円板状の突起36a、36b及び36
cを有するものとして形作られており、また適合可能な
充填材38の塊のなかでそれと接触する親金属のコアと
して延びている。酸化反応を容易にする一つ又はそれ以
上のドーパントが親金属(リザーバ34を含む)のなか
に合金化されてよく、且つ(又は)第一の源36又はそ
の部分に外部から着装され、且つ(又は)少なくとも第
一の、源の付近で充填材38に与えられてよい。
リザーバチャンバ12は溶融親金属により湿潤不可能な
粒子状不活性材料30の保持床で満たされており、従っ
てそこでの多結晶性材料の生成及び成長は排除又はほぼ
禁止される。従って、リザーバ34を形成するべく熔融
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
m力の作用による流れのために利用可能である。アルミ
ニウム親金属の場合には、材料はNorton Com
panyの製品である粒子状El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
とバリヤ一手段]ンテナ14との間に、リザーバ34か
ら第一の源36への溶融親金属の連通を許す開口を例外
として、利用されてよい。
バリヤ一手段]ンテナ14のなかの適合可能な充填剤3
8はスクリーン16により郭定されたバリヤ一手段]ン
テナ14の内側表面に適合し、それによりバリヤ一手段
]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、この境界はバリヤ一手段]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、このようなバ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。
充愼剤−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(第1図中に示され
ているような直立位置に支持され得る。気相酸化体はシ
リンダ18の孔20及びスクリーン16の開口を通じて
適合可能な充填剤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3
6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一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、バリヤ一手段]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一手段に実質的に適合する
べく制限される。バリヤ一手段]ンテナ14の内部が、
結果として得られるセラミック複合物物体に所望の表面
ジオメトリを与えるべく多数の形状のうちの任意の形状
に作られ得ることは理解されよう。
親金属のリザーバ34の量は、少なくとも充填剤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。
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、例えばアングル鉄プレ
ース22及びクランプリング32により保持される二つ
の半シリンダから成っていてよい、保持手段は孔明きシ
リンダ18の二つの長手方向に分割された半部の除去を
許すべく除去され得る。スクリーン16は孔明きシリン
ダ18の除去後に解かれ又は切り離され得る。セラミッ
ク複合物構造は、第2図中に示されているような実質的
に円筒状のセラミック複合物40を生ずるべく、バリヤ
一手段]ンテナ14の(第1図で見て)上側部分に於い
て又はその付近に於いて横方向に切断され得る。セラミ
ック複合物40は親金属の第一の源36の形状の逆複製
である三つの拡大されたチャンバ42a、42b及び4
2C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0例えば、孔42がドリル加工され、
残留する金属(たいていはチャンバ42a〜42cのな
か)が化学的溶解により、例えばアルミニウム親金属の
場合には塩化水素酸により除去され得る。塩化水素酸は
金属を溶解するが、セラミック複合物には不利に影響し
ない、いくつかの場合には、親金属コア又は基体を有す
る仕上がり製品を製造するため親金属の全部又は一部を
元の場所に残すこと、又はコアの一部又は全部を他の金
属又は合金のような他の材料又は合成有機ポリマー材料
(プラスチックス)のような他の材料で置換することが
望ましい。
セラミック複合物40の外側表面はスクリーンの編まれ
たパターンを複製する粗い表面を有し得る。従って、外
側表面を滑らかにするべく機械加工することが望ましい
、しかし、いくつかの場合には、スクリーン16の粗い
繊維パターン(又は他の選定されたパターン)が望まし
い。
バリヤ一手段]ンテナ14のいくつかの輪郭に対しては
、L字形の接続部により第一の源36に沿ういくつかの
点に於いて溶融金属の補充のための一つ又はそれ以上の
追加的な金属リザーバを設けることが必要又は所望であ
り得る。
次に第3図を参照すると、プレフォーム44の組立体が
示されており、その頂に当接して親金属リザーバ46が
位置している。リザーバ46及びプレフォーム44の外
側表面はバリーのプラスターの層48から成るバリヤ一
手段のなかに入れられている。1i48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
一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0図示されている実施例では1バ
リヤ一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4
4の全表面である。従って、本明細書中で、バリヤ一手
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、バリヤ一手段によ
り覆われ又は接触されている塊の部分を!味する。
バ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4
4eが形成されている。親金属の第一の源54は中空部
分44G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を包んでいるバリーのプラス
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
ことによりセラミン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
を囲むバ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、バリーのプラスグーにより包
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0適当なプロセ
ス温度への加熱時に、前記のように、気相酸化体、例え
ば空気は多結晶性セラミックマトリックス材料を形成す
るべく溶融親金属が酸化反応生成物の表面に運ばれるに
つれて溶融親金属を酸化する。第一の源54からの溶融
親金属が消費されるにつれて、リザーバ46からの溶融
親金属が源54を補充し、反応は、多結晶性セラミック
マトリックスがプレフォーム44の周りのバリーのプラ
スターの眉48により形成されるバリヤ一手段まで成長
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、またバリーのプラスターの層が例えばグリッドプラ
ストにより除去され得る。溶融親金属は中空部分44C
から流し出され、またそのなかに凝固して残留する未反
応の親金属は前記のように機械的又は化学的手段により
除去され得る。
第4図には、第3図の組立体から得られたセラミック複
合物構造が示されている。セラミック複合物ピストン4
4゛は、酸化反応生成物及び、オプションとして、親金
属の非酸化成分又はドーパント、充填材又は酸化体(酸
化体が金属の還元可能な化合物である場合)の還元成分
のような金属成分を含んでいるセラミックマトリックス
により浸透されたプレフォーム44から成っている。セ
ラミックマトリックスの成長はプレフォーム44の外側
境界により郭定された境界に於いて阻止されるので、結
果として得られるピストン44′はヘッド部分44a’
、環状溝44b’、中空部分44C゛及び一対の半径方
向に両側のピストンビン開口44d゛及び44e′を有
するものとして正確に形作られている。
第5図には、充填材プレフォーム56が両端にフランジ
56a及び56bを有する45°L字形パイプ継手の形
状を有する他の組立体が示されている。耐熱性リザーバ
容器58はその底に設けられた孔60を有し、またプレ
フォーム56のフランジ56aと当接する同一平面内に
孔60を置くため鉛直面から傾けられている。フランジ
56bはバ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0組立体は、耐熱性容器6
6のなかに入れられている不活性材料の床64のなかに
受は入れられている。第5図には、耐熱性リザーバ容器
58のなかに入れられており、プレフォーム56のなか
に入れられている溶融親金属の第一の源70を補充する
べ(プレフォーム56のなかへ流れる溶融親金属リザー
バ68が示されている。
第3図の実施例及び第5図の実施例の双方に於いて、第
一の源(第3図中の54及び第5図中の70)としての
親金属は溶融親金属の第一の源を成すべく本来の泣面に
置かれ且つ溶融され得る。
代替的に、リザーバ(第3図中の46及び第5図中の6
8)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(第3図中の44及び第5図中の5
6)と接触する泣面へ流れてもよい。この親金属の第一
の源は最初に親金属リザーバからの流れにより用意され
且つその後にそれにより補充される。
中空部分44cの内部に入れられている親金属の第一の
源を補充する親金属のリザーバを用意することは、部分
44Cの中空内部を完全に満たすべく親金属の源を常に
用意することにより、セラミックマトリックスの効率的
で均等な成長の保証に資する。このことは、プレフォー
ム44の部分がセラミックマトリックスで満たされてい
ないおそれを無くす。なぜならば、金属が消費されるに
つれて中空部分44Cのなかの溶融親金属のレベルを使
い果たすと、(第3図中に示されているような)プレフ
ォーム44への溶融親金属の供給が行われるからである
第5図の実施例の場合には、親金属の第一の源70は、
加熱前にプレフォーム56のなかに溶融親金属の固体物
体を置くことにより、もしくはプレフォーム56の内部
を満たすべくリザーバ容器58から溶融親金属が流れる
ことにより用意され得る。プレフォーム56の中空内部
と比較してのその壁の図示されている相対的厚みが、酸
化反応の実行時にセラミックマトリックスでプレフォー
ム充填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。この場合に熔融金属のリザーバを用意すること
により得られる利点は、第3図の実施例に関して先に述
べたように、溶融親金属のレベルを、プレフォーム56
の内部を頂まで満たされた状態に保つのに十分に高く保
ち、それによって、セラミックマトリックス中の不連続
性なしに、プレフォーム56を通じての多結晶性マトリ
ックス材料の均等な成長の保証に資することである。
第5図の実施例では、プレフォーム56は粒子状不活性
材料の床64のなかにパックされており、この床のなか
へはセラミックマトリックスの有意な成長は生起せず、
従ってセラミックマトリックスはプレフォーム56の外
側表面により郭定される境界まで成長する。バリーのプ
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、バリーのプラスター又は他の類似
の材料がパフキングシールとして耐熱性リザーバ容器5
8の底及びプレフォーム56のフランジ56aの周りに
使用され得る。オプションとして、プレフォーム56の
外部全体が空気に対して透過性のバリーのプラスターの
層のなかに包まれてよく、この層は仕上がりセラミック
複合物物体から除去される。
第6図を参照すると、は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8
0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の端はバ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、同じくバリーのプラ
スターであってよい適当な材料から成るコンジット84
と連通ずる位置に置かれている。こうしてコンジット8
4はバリーのプラスターから成るパイプ又はチューブの
短い区間であり、その−一端はベース部分74の端と当
接しており、またその他端は親金属リザーバ86と当接
している。
コンジット84及びリザーバ86はほぼ同軸に整列して
いる。プレフォーム72は、その長手方向軸線りが線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5〜101傾斜しているように
置(ことにより、リザーバ86からコンジフト84を通
って孔80への溶融親金属の流れが容易にされる。プレ
フォーム72、コンジット84及び親金属リザーバ86
は、耐熱性容器90のなかに入れられている粒子状不活
性材料88の床のなかに支えられている。プロセスの実
行時に、親金属リザーバ86は溶融してコンジット84
を通って孔60のなかへ流れ、溶融親金属で孔80を満
たす、こうして、コンジット84及び孔80のなかに設
けられている開口は、溶融屋金属をプレフォーム72に
供給する通路としての役割をするとみなされ得る。プラ
グ82は孔80の外に不活性材料88を保つ。
空気のような気相酸化体が溶融親金属を酸化するべく不
活性材料88の床及びプレフォーム72を透過する。孔
80のなかに入れられている溶融親金属が消費されるに
つれて、親金属はリザーバ86から流れる溶融金属によ
り補充され、従って孔80はプロセスを通じて溶融親金
属で完全に満たされた状態に保たれる。
第6図中に明白に示されているように、孔80のなかに
入れられ得る溶融金属の量は、セラミックマトリックス
浸透プレフォーム72を形成する親金属の酸化反応によ
り得られる多結晶性材料でプレフォーム72を完全に満
たすのに、消費された金属の補充なしには、不十分であ
る。(このことは、プレフォーム56のなかの溶融親金
属の供給がプレフォーム56の比較的薄い壁をセラミッ
クマトリックスで満たすのに明らかに十二分である第5
図の配置と対照的である。)第6図の実施例の場合には
、リザーバ86は、熔融金属の均等な供給の保証に加え
て、プレフォーム72を多結晶性酸化反応生成物で完全
に満たすべく十分な溶融親金属を比較的小さい体積の孔
を経て連続的に供給するための手段をも成している。こ
うして本発明の補充技術によれば、溶融親金属の第一の
源の小さい体積の領域から多結晶性材料を形成し、また
このような領域からはるかに大きい体積の充填材を多結
晶性マトリックス材料で浸透することが可能になる。実
際に、上記領域内に溶融親金属の補充を継続することに
より、所望の体積とほぼ同じ体積の充填材がこのような
領域から酸化反応領域に導入された親金属から形成され
た多結晶性マトリックス材料で浸透され得る。
セラミックマトリックスの生成はプレフォーム72の外
側表面により郭定される境界で停止される。前記のよう
に、もし所望であれば、プレフォーム72は適当なバリ
ヤ一手段のなかに入れられていてよい、孔80のなかに
残留する親金属の凝固したコアは仕上がり構造内で元の
位置に残されてもよいし、必要であれば完全に又は部分
的に除去又は他の適当な材料で置換されてもよい、仕上
げられたセラミック複合物構造が第7図に、ベース部分
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。
第8図には、プレフォーム92がほぼ円板状の車部分9
4を有し、その一つの側から中心の中空軸98及び同心
の円形リム96が延びている他の組立体が示されている
。軸98は、それを通って延びておりリム96及び軸9
8と反対側の車部分94の面に開いている軸98の外側
のフレアー付き端100aで終端する孔100を有する
。孔100の(第8図で見て)上側の端はバリーのプラ
スクーのような適当な材料のプラグ102により閉じら
れている。プレフォーム92の(第8図で見て)下にそ
れと当接して親会属源物体104が置かれている。
直角り字形コンジット106は親会属源物体104と当
接する位置に置かれる一つの開端を有し、またその反対
側の(第8図で見て上側の)開端は親金属リザーバ10
8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10
6のみが第8図中に図示されているが、二つ又はそれ以
上の親金属リザーバ及び組み合わされているコンジフト
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1
04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、親会1iiE104及び108
(7)物体及び:I7ジツ)106はすべて、耐熱性容
a112のなかに入れられている粒子状不活性材料11
0の床のなかに入れられている。
例えば空気雰囲気中の炉のなかで適当な反応温度に加熱
されると、親金属は熔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10
4の親金属は溶融してコンジット106を通じて下方に
流れ、それによって、溶融親金属を上方に端100a及
び孔100を通じて孔100のプラグ102により閉じ
られている(第8図で見て)頂に向けて押す親金属のヘ
ッドを形成する。この配置では、リザーバ108はプレ
フォーム92を多結晶マトリックス材料で完全に満たす
べく親金属の十分な供給を保証するため第一の源104
を補充するだけでなく、(リザーバ108のなかの溶融
金属のレベルが少なくとも孔100の頂の高さに保たれ
ているかぎり)孔100の全長を溶融親金属で満たし且
つ充満状態に保つ、このことはプレフォーム92を通じ
てのセラミックマトリックスの均等な成長の保証に資す
る。もしリザーバ10B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R1
04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9
8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(爆心)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10Bなしでは、非常に大きい構成要素の場合には、
ウィン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0本発明の技術によれば、この問題が
、図示されている実施例では、多かれ少なかれ静圧ヘッ
ド下に溶融金属の源で孔100の頂まで孔100を満た
すことにより、また同様に満たされている溶融金属の源
104を保つことにより克服される。リザーバ108自
体は、必要であれば、時々補充されてよい。
第9図には、第8図中に示されている組立体から得られ
るセラミック複合物物体92′が示されている。このセ
ラミック複合物物体92′は、内部に孔100′を形成
されている中心軸98゛と、軸98゛が延びている面と
同一の面から延びている円形リム96゛を有する車部分
94′とを含んでいる。他の実施例のところで既に述べ
たように、孔100及び6m 100 a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1
00及び端100aを満たす材料は、例えば、それを通
って延びている小さい直径の孔を形成するべくドリル加
工され得る。
次に第10図を参照すると、溶融親金属で実質的に満た
されたものとして示されている親金属すテーバ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
置所面図で示されている。
孔118が容器114の底に形成されており、それを通
じて溶融親金属が重力により保持器材料のベース又は床
122のなかに形成されている浅い中央の凹み120の
なかへ流れる。保持器材料は耐熱性舟形容器124のな
かに入れられたバリーのプラスクーのような任意の適当
な材料から形成されていてよい0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バリーの
プラスターで例えば第11図中に示されているようにそ
の深さの約半分まで部分的に満たされていてよい、浅い
中央の凹み120は次いで硬化されたバリーのプラスタ
ーからカントされ、又は、予めセットされたバリーのプ
ラスグーのなかへ挿入された適当な型の使用により、そ
のなかにモールドされている。
複数個の同一の透過性のプレフォーム126はほぼカッ
プ又はタンブラ−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12
6の相互間の空間はバ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0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、次いで親金属を熔融させるべく組立体を加熱
し)、また親金属を容器114から凹み120を経てプ
レフォーム126お各々のなかへ流すことが一層好都合
であり得る。いずれの場合にも、溶融親金属の補充は、
容器114からその(第10図で見て)底の孔118を
通って凹み120及びプレフォーム126の中空内部の
なかへ重力により流される。第10図の左側の部分には
、容器114及び凹み120のなかに入っており、また
プレフォーム126の内部を満たしている溶融親金属が
示されている。第10図の右側の部分では、すなわち中
央のプレフォーム126を通って記入されている垂直な
波線の右側の部分では、凹み120に沿ってその上に並
んでいる中空プレフォーム126の位置を一層明白に示
すため、溶融親金属の図示は省略されている。第11図
の右側の部分では、プレフォームに対して相対的な凹み
120の輪郭を一層良好に示すため、中央のプレフォー
ムの一部分及びその右側の二つのプレフォームとそれら
の組み合わされていプラグ128とは破線で図示されて
いる。
第11図では容器114の一部分も破線で図示されてい
る。リザーバ容器114のなが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(
プロセス中で消費されるにつれて親金属を補充するべ(
、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?+mされるに至
るまで反応が完了した時、組立体は炉がら取り出され、
また過剰な溶融金属はセラミック複金物物体から流し出
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(でもプロセスを完了するのに十分な量
の親金属をリザーバ容器が有することは好ましい。
第10図及び第11図の組立体に利用される中空プレフ
ォームは任意の適当な材料により製造され得る。この形
状のプレフォームを製造する一つの好都合な方法は、第
12図に断面図で示されている形式の開いたモールド1
30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、例えばバリーのプラスタ
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
成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バリーのプラスタ
ーのモールドのなかに吸収され、また適当な時間の後に
過剰な液体が流し出され、カップ状の凹部132に付着
する充填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が第12図中に参照符
号を付されていない矢印により示されているようにモー
ルド130から引き出されることを許すのに十分な機械
的強度(“グリーン強度”)を与えられる。カップ状の
凹部132は、モールドのなかに必要な厚みに充填剤材
料をビルドアップさせるぺ(、過剰スリップを流し出し
た後に二面又は二回にわたりスリップ縫込混合物で再び
満たされ得る。
第13図には、第10図及び第11図の組立体を利用し
て得られた典型的なセラミック複合物物体126′が示
されている。セラミック複合物物体126′は中空プレ
フォーム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。
第14図には、(第12図で説明したものと同一のスリ
ップ縫込技術により)第15図及び第15A図に示され
ているようなポンプ羽根車の形状に中空プレフォームを
形成するのに利用可能な分割モールドが示されている。
第14図を参照すると、分割モールド134は上側部分
136及び下側部分138を有し、上側部分136が下
側部分138の上に正しく取り付けられた状態で画部分
の間に郭定されるキャビティの輪郭に従って、フランジ
146aで終端する中空の中心軸146と円板状物体1
42とを含んでおり且つ中心軸146から円板状物体1
42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144
dを有するポンプ羽根車状のプレフォーム140(第1
5図及び第15A図)が形成される。軸146は中空で
あり、それを通って延びている孔150を有し、また円
板状物体142は中空であり、そのなかにキャビティ1
52を郭定している。
羽根車状のプレフォーム140は、モールド134(第
14図)をその開口150′を経て適当なスリップ鋳込
スラリーで満たすことにより得られる。上記のスリップ
鋳込技術は、モールド134の内部キャビティに粒子状
充填剤材料の層を必要な厚みにビルドアップさせるべく
実行され得る。過剰な液体を流し出し、またスリップ鋳
込成分の被覆を含んでいるモールドを乾燥且つ加熱した
後に、第15図及び第15A図に示されている中空プレ
フォーム140が得られる。
次に第16図を参照すると、プレフォーム140は、耐
熱性容器156のなかに入れられている不活性材料15
4の床のなかに置かれている。バ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1
46a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162は、例
えば、その中空内部を粒子状親金属で満たすことにより
置かれてもよいし、又は組立体のセントアップ後にプレ
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五か
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(コンジット158をも満たすのに十分な溶融親金
属が注がれてよい。いずれの場合にも、組立体は、例え
ば、空気雰囲気に対して開いている炉内に置かれ、また
酸化反応生成物を形成してセラミックマトリックスでプ
レフォーム140を浸透するべく必要な温度範囲に加熱
される。
反応が完了した時、セラミックマトリックスで浸透され
たプレフォーム140を満たしている未反応の親金属は
そのなかで再凝固を許され得る。
代替的に、未反応の親金属は熔融状態でセラミック物体
から流し出されてもよい、いずれの場合にも、第17図
に、結果として得られるセラミック複合物物体140′
が円板状物体142′とフランジ146a ’で終端す
る軸146′とを含んでおり且つ軸146′から半径方
向に延びている羽根(そのうち羽根144a’及び14
4b’のみが第17図中に見られる)を有するものとし
て示されている。セラミック複合物物体140′の内部
は、再凝固した親金属又は種々の金属又は合金のような
他の材料又はプラスチック材料のような他の材料であっ
てよい材料164で満たされている。第17図に示され
ている実施例では、孔166が軸146′のなかに材料
164、例えば再凝固した親金属のドリル加工により形
成されており、また軸への羽根140′のキー取付を容
易にするべく孔166と共に形成されている。軸などへ
の羽根140′の取付に通したねし孔又は他の適当な手
段が孔166の範囲に形成され得る。
次に第18図及び第18A図を参照すると、空気透過性
のバリーのプラスグーの層を含んでいるバリヤ一手段1
72により被覆されているプレフォーム170が示され
ている。L字形のコンジット174は耐熱性容器176
とプレフォーム170の下の空隙スペース178との間
の連通路を形成する。空隙スペース178はバリーのプ
ラスターから成るバリヤ一手段172の殻により郭定且
つ包囲されている。耐熱性容器176はバリーのプラス
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。第18図には、親金属の溶融以前の組
立体が示されている0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の熔融時に、溶
融親金属は、プレフォーム170と接触する溶融親金属
の第一の源を形成するべく、コンジット174を通って
空隙スペース178へ流れる。
プレフォーム170はそれを通って延びている三つの孔
及びそれらの両面に於ける開口を有する、第18図の組
立体は、耐熱性容器190のなかに入れられている粒子
状不活性材料188の床のなかに支えられている。加熱
時に、溶融親金属はコンジット174を通って空隙スペ
ース178へ流れて、空隙スペース178を満たし、ま
た溶融親金属はプレフォーム170を浸透して、多結晶
性材料のセラミックマトリックスのなかにプレフォーム
170の充填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17
0が結果として得られたセラミックマトリックスで完全
且つ均等にみたされていることを保証するのに資するべ
く酸化プロセス全体を通じて親金属の第一の源で満たさ
れた状態にスペース178を保つための溶融金属の静圧
ヘッドが維持される。他の実施例のところで既に述べた
ように、一つよりも多い親金属リザーバ182が、溶融
親金属をスペース178へ流すために利用され得る。
反応の完了及び組立体の冷却後に、結果として得られた
セラミック複合物構造は不活性材料188の床から取り
出され、またバリーのプラスターから成るバリヤ一手段
172が、それを通って延びている三つの平行な孔18
6を有するセラミック複合物構造170’  (第19
図)を解放するべく取り外される。プレフォーム170
の外側の酸化反応条件に優越する酸化反応条件をプレフ
ォーム170の内部に保つことにより、孔186は実質
的に多結晶性マトリックス材料が存在しない状態に保た
れる。この文脈中で、孔186を含んでいるスペースは
、プレフォームl 10 ヲ成ス材Hの“外側”である
本発明の実施例のいずれに於いても、プレフォーム(又
は他の形態の充填剤)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、第18図及び第18A図に示され
ている実施例では、多結晶性材料は、孔186を満たす
ような成長をしない0代替的に、又は追加的に、バリヤ
一手段が、第20図〜第21図の実施例に示されている
ように、孔186の内部に於ける多結晶性マトリックス
材料の成長を阻止するべく孔186のなかに設けられて
もよい。
次に第20図〜第21A図を参照すると、(第20A図
に最もよく示されているように)円筒状の輪郭を有し、
それを通って延びている中心孔194及びその両端の各
々に於ける開口を有するプレフォーム192が示されて
いる。中心孔194は、その内部を被覆し且つその両端
を閉じるバリーのプラスクーの層を含んでいるバリヤ一
手段196でライニングされている。中心孔194はバ
リヤー材料のプラグで完全に満たされていてもよい。
第21図には、円筒状の耐熱性容器200のなかに入れ
られている溶融親金属198の物体の中心に垂直に置か
れたプレフォーム192の組立体が示されている。プレ
フォーム192は、形状は容器200の内部と一致して
いるが、直径はそれよりも小さい。プレフォーム192
の一端は、図示されているように、容器200の底の上
に載っていてよく、又はプレフォーム192の底への溶
融親金属のアクセスのための小さい空隙を生ずるべくシ
ムの上に支えられていてよい。耐熱性容器200は、プ
レフォーム192の外側表面全体と均等な厚みの溶融親
金属の物体との接触を許すのに十分なスペースをプレフ
ォーム192と容器200の内壁との間において、プレ
フォーム192を受は入れ得る寸法にされている。プレ
フォーム192を溶融親金属198の物体のなかに常に
浸された状態に保つため、リザーバ(第21図又は第2
1A図中には示されていない)から補充用の溶融親金属
が連続的又は間歇的に第21図中に矢印Rにより示され
ているように供給される。こうして、容器200は傾斜
取瓶から、又は溶融親金属をコンジット又は他の適当な
手段により耐熱性容器200のなかへ導くリザーバから
溶融親金属を供給され得る。代替的に、例えば粒子状の
固体親金属が、必要であれば、溶融親金属の物体に追加
され、そこで親金属の供給を補充するべく溶融され得る
。この実施例では、プレフォーム192を浸透する多結
晶性セラミックマトリックス材料の成長はプレフォーム
192の外側表面全体からその中心孔194に向けて生
起する。中心孔194の滑らかな表面は、そのなかにバ
リヤ一手段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、プレフオーム192全体が溶融親金属の
なかに浸された状態に保たれ、それを通り典型的多結晶
性マトリックス材料を均等に成長させる。
耐熱性容器200はプレフォーム192に対して相対的
に、プロセスの完了時にプレフォーム192がなお完全
に溶融親金属のなかに浸されているように十分な深さで
親金属のリザーバがプレフォーム192の上に形成され
るような寸法にされている。こうして、親金属のリザー
バ及び第一の源は、酸化反応プロセス全体を通じて溶融
親金属のなかに完全に浸された状態にプレフォームを保
つのに十分に大きい溶融親金属の単一の物体を含んでい
てよい。
プロセスの完了時に、セラミック製品は溶融親金属浴か
ら取り出され、また過剰な溶融親金属がそこから排出を
許される。バリヤ一手段196としてのコアが除去され
、その結果として、親金属基体198′と一体に、長手
方向軸線に沿って延びている中心孔194を有するセラ
ミックライニング192′を含んでいる円筒状輪郭のセ
ラミック複合物構造が得られる。
例えば第8図(再凝固した親金属が孔80のなかに保た
れている場合)、第17図及び第22図に示されている
構造のような本発明による構造は、全屈の物体の上に一
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
ツ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0例えば、第17図のポンプ羽
根車は(1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−/り構
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
ンテグリテイを保つ。例えば、たとい第17図の羽根車
の機械的衝撃が羽根車140′のセラミック表面に損傷
又は割れを生じさせるほど大きかったとしても、金属物
体が部品の構造的インテグリテイを保つ、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0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−金属栓Vt
(例えば第17図中の孔166にキー結合された金運軸
)を作ることが可能になる。破局的な損傷を回避し得る
ことは、回転する構成要素、往復運動する構成要素及び
加圧される構成要素の設計にあたって特に有意義である
本発明の他の特徴は、適当な親金属、充填剤及び酸化体
の選定により、結果として得られるセラミック表面を有
する金属構成要素が、セラミック表面及び金属界面のな
かにビルドされセラミック複合物物品に優れた見掛は強
度及び損傷抵抗性を呈せしめる好ましい予応力を有する
ものとして製造され得ることである。これは、セラミッ
ク表面と金属基体との間に制御された異なる収縮を生じ
させるように材料及びプロセス条件を選定することによ
り実現される。予応力セラミック表面及び基体の例外的
に良好な結合により可能にされている。
次に第23図及び第24図を参照すると、外側の円筒状
の殻204と、殻204よりも直径は小さいが長さは等
しい内側の円筒状の殻206とを含んでいるプレフォー
ム202が示されている。
外側及び内側の殻は、これらの殻と同じ長さの三つのウ
ェブ208a、208b及び208Cにより接続されて
いる。こうしてプレフォーム202は一体の構造を成し
ている。ウェブ208a、208b及び208cは、第
24図中に示されているように、殻204及び2060
周縁に等しい角度間隔をおいて、すなわち120°の等
角度間隔で配置されている。第2し図中に最もよ(示さ
れているように、この構造はプレフォーム202の内部
を、長手方向に延びている一つの中心孔210と、長手
方向に延びている三つの環状コンパートメント212a
、212b及び212cとに分割する。
プレフォーム202は、孔210及びコンパートメント
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に関して第21図で説明したレイアップと類似
のプレフォーム202のレイアップにより達成されるよ
うに、溶融親金属のなかに浸されていてもよい、さらに
、所望であれば、孔210、コンパートメント212a
、212b及び212Cの一つ又はそれ以上が、セラミ
ックーライニングされた金i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
は違加的に、再凝固した親金属の基体(第22図中の金
属基体198′に相当)が外側円筒204の外側表面の
周りに残されていてよい。
本発明により得られるセラミ、り含んでいる構造は、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うでよ
い。
親金属と組合わせて使用されるドーパントは、(1)親
金属の合金化成分として与えられてよいし、(2)親会
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
しく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0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
る得る。
特に酸化体として空気が使用される場合にアルミニウム
親金属に対して有用なドーパントは、下記のような他の
ドーパントと組合わされていてよいマグネシウム、亜鉛
及びシリコンを含んでいる、これらの金属、又は金属の
適当な源は、結果として得られるドープされた金属の全
重量に対して重量百分率で約0.1〜10%の間の濃度
でアルミニウム主体の親金属の中へ合金化され得る。こ
れらのドーパント材料又はその適当な源、例えばMgo
、ZnO又はS i02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M
gOが着装される親金属表面の1cm”あたり0. O
O3g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ーシリコン合金に対して達成可
能である。
親金属がアルミニウムであり、また酸化体が空気である
場合に有用なドーパント材料の追加的な例はナトリウム
、ゲルマニウム、スズ、鉛、リチウム、カルシウム、ホ
ウ素、リン及びイツ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0本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された
特許出願明細書に記載されているようなドーパント材料
のすべてがアルミニウム主体の親金属システムに対する
多結晶性酸化反応生成物の成長を助長するのに有効であ
る。
本発明の実施により得られるセラミックス複合物構造は
通常、セラミックス複合物製品の全体積の体積百分率で
約5%と約98%との間が多結晶性セラミックマトリッ
クスで埋められている一つ又はそれ以上のプレフォーム
材料から成っている密でコヒーレントな製品である。多
結晶性セラミックマトリックスは通常、親金属がアルミ
ニウムであり、また空気又は酸素が酸化体である時、(
多結晶性マトリックスの重量の)重量百分率で約60%
ないし約99%の相互結合されたαアルミニウム酸化物
及び約1%ないし約40%の非酸化金属成分から成って
いる。
冷却時に適当に選定された親金属と本発明のプロセスに
よりその上に生成され得るセラミック表面との間に典型
的に生ずる密な結合は延性部材への耐摩耗性材料の被覆
を可能にし、また例えば延性圧力膜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aill性が高いことに負う
ものであると思われる。
本発明により得られる製品は、経済的であり、重量が軽
く、予応力条件で製造可能であり、金属基体にセラミッ
ク表面を結合可能であり、種々の形状及び寸法に製造可
能であり、耐熱性に冨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通している。
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0本発明は、はとんど任意の輪郭及び厚みのセラミ
ック表面を形成し得る点で、また低コストで適度な温度
で且つ無加圧のプロセスで構造材としての親金属基体に
セラミック表面を一体に結合し得る点で完全に独特であ
る。
以下、下記の例により本発明を説明する。なお、これら
の例は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものでは
ない。
酊 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(In
ternational  N1ckeICo、)のス
ケジュール40の管(外径l・15/16インチ(4,
92cm))(第1図中の18に相当)が各々直径3/
16インチ(0,48cm)の複数個の孔を明けられた
。孔は千鳥列パターンで3/8インチ(0,95cm)
の中心間隔で管の円筒状ボディ全体にわたってドリル加
工された。直径0.016インチ(0,04cm)の孔
を有する厚み約o、 o o s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l1conel金属管に対する内側ライナー
(第1図中の16に相当)として使用された。シートの
孔面積比は24%であった。この孔明きステンレス鋼は
この例に於けるマトリックス成長に対するバリヤーとし
て選定された。
10%のシリコン及び3%のマグネシウムを含有するア
ルミニウム合金から成る親金属部材が、第1図中に示さ
れているものと幾分類似の輪郭で親会属源物体及び親金
属リザーバを構成した。しかし、この場合には、リザー
バ(第1図中の34に相当)はテーパー付きではなく直
径2・1/2インチ(6,35cm) 、高さ2インチ
(5,08cm)の円筒状輪郭であり、また源物体(第
1図中の36に相当)は直径3/4インチ(1,9Cm
)、長さ6インチ(15,24cm)であり、その上端
でリザーバ部分に接合された。源物体はねじを切られた
輪郭を有し、また重量百分率で5%の商業的砂(シリカ
)とff1f1百分率で95%の90グリツドの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(
第り図及び第1A図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1250°C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4
0のInconel管のなかに置かれた。親会1源物体
はウッド・グリユー(B o r den  Comp
anyによりELMER’Sという商標で市販)の層で
被覆された。リザーバは304合金ステンレス鋼チャン
バ(第1図中の12に相当)のなかに入れられている9
0グリツドの387ランダムの床のなかに埋められた。
またリザーバはその床(第1図中に参照符号を付さずに
示されている)に直径2インチ(5,08cm)の孔を
有するものであった。この孔の周囲にIncone l
管の頂が溶接された。
結果として得られた組立体を直立位置に支えるため、そ
のInconel管部分(第1図中の14に相当)が、
孔面積比が40%となるようにドリル加工された直径3
/32インチ(0,24cm)の孔を有する内径3・1
/2インチ(8,89cm)の孔明き304合金ステン
レス鋼支持シリンダのなかに亘かれた。支持シリンダは
その頂に於いてリザーバチャンバ(第1図中の12に相
当)を支えるような長さであった。この配置により、リ
ザーバが源物体のすぐ上に位置するように親金属及び充
填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
°Cの温度に加熱され、100時間にわたり1245°
Cに保たれ、また次いで30時間にわたり125°C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Inc。
nelステンレス鋼シリンダの囲いのなかで成長し、ま
た充填剤の塊を埋めた。冷却時に、上記のシリンダの囲
いがセラミック複合物物体の周りに密に嵌合しているこ
とが見出された。凝固した親金属をセラミック構造の孔
からドリル加工及び化学的(塩化水素酸)処理により除
去した時、セラミック構造を通って延びており元の源物
体のねじを切られた輪郭を逆複製した輪郭を有する孔が
露出された。約1/2インチ(1,27cm)のセラミ
ック物体の壁厚は、リザーバ物体が取り付けられていな
い源物体により製造されたセラミック物体の壁厚よりも
はるかに厚かった。
以下の表は本発明の例の説明の際に引用される。
1人 (A)バ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。
11」しt主 47.6  100グリツドE67アルミナ(Nort
on  Co、) 23.6   EPKカオリンクレー 28.5水 0、I   Vee−Gum  Cero、2   D
awan−7 Vee−Gum  Cer及びDawan−7はカオリ
ンクレーに対する分散剤である。
CB)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−・グリユー)とを含んでいる
水性結合剤を混合することにより調製され得る。水性結
合剤は次いで、選定された充填剤粒子と、結果として得
られるスラリーに所望の濃度を与えるような割合で混合
される。
(C)RTVシリコンゴムモールドが、液体ゴム組成で
部分的に被覆し、ゴムの硬化を許し、次いでゴムモール
ドを物品から除くことにより調製された。
l旦 アルミニウム   A 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 l旦 ルミニウム   八    八、 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 尉1 第3図のプレフォーム44の形状のプレフォームがミニ
チュアピストンから表A中に記載されている過程(C)
で調製されたゴムモールドのなかで沈降鋳込により製造
された。沈降縫込組成は表A、過程(C)の水性結合剤
を下記の充填剤と共に利用した。
重1」した峯 93  387ランダム(70wt%は220グリツド
、5Qwt%は50 0グリツド) 7   シリコン金属(50wt%は220グリソト、
5Qwt%は500 グリッド) 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°Cに予加熱された。結果
として得られた透過性のプレフォームはその中空ボディ
部分(第3図中の44c)の表面にニッケル粉末スラリ
ーを被覆された。プレフォームの外側は空気に対して透
過性のバリーのプラスターの層で被覆された。実質的に
表Bに示されている組成を有するアルミニウム親金属物
体が第3図に示されているようなレイアンプでプレフォ
ームと共に置かれ、また40時間にわたり空気雰囲気中
で1000°Cで加熱された。過剰な熔融アルミニウム
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。
皿1 第5図中のプレフォーム56の形状の透過性プレフォー
ムが、使用されたシリコン金属粉末が重量百分率で5%
であったことを除いて同一の沈降鋳込組成を用いて表A
、過程(B)及び(C)の方法により調製された。プレ
フォームはその外側表面を空気に対して透過性のバリー
のプラスターのバリヤーの二つの薄い層で被覆され、ま
た表Cに示されているものと同一のアルミニウム合金が
親金属として容器(第5図中の58)のなかに用意され
た。レイアンプは68時間にわたり空気雰囲気中で10
00°C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t+mを示した。
皿↓ 第10図、第11図及び第12図中にプレフォーム12
6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の沈降縫込法を用いて調製された。
第11図及び第12図中に示されているようなレイアッ
プが調製された。バ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
置かれた硬紙ブリフジの上に施された。各プレフォーム
126の外側表面はバ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°Cで加熱された。ア
ルミニウム合金は溶融するにつれて凹み120を通って
、また上方にプレフォーム126の各々のなかへ流れ、
空気が多孔性プレフォームを通って排出されるにつれて
徐々にプレフォームをその頂まで満たす。上記の温度は
50時間にわたり保たれ、その後にレイアップが分解さ
れ、また溶融親金属が、結果として得られたセラミック
複合物るつぼから排出され、酸処理及び(又は)サンド
ブラストにより凝固した過剰なアルミニウム合金がセラ
ミック複合物るつぼの内部からから除去された。
皿1 表A、過程(4)のスリップ鋳込法が、第14図中に示
されているものと類億のバリーのプラスターから成るモ
ールドのなかに、第15図及び第15A図中に示されて
いるような透過性プレフォームを調製するのに用いられ
た。スリップ鋳込により得られたプレフォームは乾燥さ
れ、また30分間にわたり700°Cで予加熱された。
プレフォームの外側はバリヤ一手段としての役割をする
重量百分率で70%のバリーのプラスター及び30%の
5i02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、フ
゛レフオームをン容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°Cで加熱された。炉か
ら取り出し且つ冷却した後に、金属で満たされておりセ
ラミック複合物ライニングを有する正確な寸法のポンプ
羽根車が得られた。
例5のポンプ羽根車の金属基体上のセラミック表面は、
凝固した親金属とそれから一体に形成されたセラミック
表面との間の密な一体の密着を示す点で、本発明に従っ
て製造されたセラミック表面を有する金属基体に於ける
典型的なものであった。上の例でこうして製造された部
品はアルミニウム合金基体に密着した充填剤を埋めるセ
ラミックマトリックスの強靭な表面を有し、従って部品
はアルミニウム合金の機械的靭性及び弾性と硬いセラミ
ック表面の外面又はコアを有した。
以上に於ては本発明の少数の実施例のみを詳細に説明し
てきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて種々の組み合わせ及び変更
が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第り図は親金属リザーバと不活性材料及び充填剤のなか
に置かれた親金属の第一の源との組立体の概要を部分的
に断面図で示す立面図である。 第1A図は第1図中の破線Aの範囲を部分的に切欠いて
拡大された尺度で示す図である。 第2図は本発明により第1図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造を部分的に断面図で
示す立面図である。 第3図は親金属リザーバと、バリヤ一手段のなかに囲ま
れており且つ耐熱性容器のなかに入れられた保持床のな
かに置かれているプレフォームとを含んでいる組立体の
概要を部分的に断面図で示す立面図である。 第4図は本発明により第3図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造を部分的に切欠いて
示す立面図である。 第5図は第3図に相応する図であるが、プレフォームと
接触しており且つ耐熱性容器のなかに入れられた保持床
のなかに置かれており、こうして本発明の実施に通した
レイアンプを形成する溶融親金属のリザーバの他の組立
体を示す図である。 第6図はコンジットにより薄壁のプレフォームに接続さ
れており且つ耐熱性容器のなかに入れられた不活性保持
材料の床のなかに置かれている親金属リザーバを含んで
いる他の組立体を示す断面図である。 第7図は本発明により第6図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造の立面図である。 第8図はプレフォームと接触する状態に置かれた親金属
の第一の源と、重力により親金属の第一の源と連通ずる
位置に置かれた親金属リザーバとの他の組立体を示す断
面図である。 第9図は本発明により第8図の組立体を使用して製造さ
れた自己支持セラミック複合物構造の平面図である。 第10図は重力により複数個のプレフォームと連通ずる
位置に置かれた親金属リザーバを含んでいる他の組立体
を部分的に断面図で示す立面図である(図面を見易くす
るため右端部分の親金属は図示を省略されている)。 第11図は第10図の組立体を部分的に切欠いて示す平
面図である(図面を見易くするためいくつかの部分は破
線で示されている)。 第12図は中空プレフォームをスリップ縫込により製造
するための開いたモールドの概要を部分的に断面図で示
す立面図である。 第13図は本発明により第10図及び第11図の組立体
を使用して製造された自己支持セラミック複合物構造を
部分的に断面図で示す立面図である。 第14図は中空プレフォームをスリップ鋳込により製造
するための分割モールドを部分的に断面図で示す立面図
である。 第15図は第14図のモールドを用いる中空プレフォー
ムのスリップ鋳込モールドの平面図である。 第15A図は第15図の線A−Aに沿う断面図である。 第16図は第15A図の中空プレフォームのなかに置か
れている親金属の第一の源と、重力により親金属の第一
の源と連通ずる位置に置かれた親金属リザーバとを含ん
でおり、耐熱性容器のなかに入れられた不活性材料の保
持床のなかに置かれている組立体を部分的に断面図で示
す立面図である。 第17図は第15A図に相応する図であるが、本発明に
より第16図の組立体を使用して製造された、金属で満
たされており且つセラミック表面を有する自己支持複合
物構造を示す図である。 第18図は親金属リザーバと、上側にバリヤ一手段を有
するプレフォームと、溶融親金属に対するコンジットと
を含んでおり、保持床のなかに置かれており且つ耐熱性
容器のなかに入れられている他の組立体を部分的に断面
図で示す立面図である。 第18A図は第18図の線A−Aに沿うプレフォームの
断面図である。 第19図は本発明により第16図の組立体を使用して製
造された自己支持セラミック複合物構造の斜視図である
。 第20図はバリヤ一手段でライニングされている中心孔
を有するプレフォームを部分的に断面図で示す立面図で
ある。 第20A図は第20図の線A−Aに沿う端面図である。 第21図は耐熱性容器のなかに入れられた溶融親金属の
なかに浸されている第20図のプレフォームの組立体を
部分的に断面図で示す立面図である。 第21A図は第21図の組立体を上から見た平面図であ
る。 第22図は本発明により第21図の組立体を使用して製
造された自己支持セラミック表面付き金属構造の斜視図
である。 第23図は本発明で使用可能な他のプレフォームを部分
的に断面図で示す立面図である。 第24図は第23図のプレフォームの平面図である。 lO・・・組立体、12・・・リザーバチャンバ、14
・・・バリヤ一手段]ンテナ、16・・・スクリーン、
18・・・孔明きシリンダ、20・・・孔、22・・・
アングルプレース、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、4
2・・・孔、44・・・プレフォーム、46・・・親金
属リザーバ、48・・・バリヤ一手段、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、9
4・・・車部分、96・・・リム、98・・・軸、10
0・・・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、1
54・・・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・・・バリヤ一手段、174・・・コンジット、
176・・・耐熱性容器、17B・・・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、19
2・・・プレフォーム、193・・・セラミック複合物
構造、194・・・中心孔、196・・・バリヤ一手段
、198・・・溶融親金属、200・・・耐熱性容器、
202・・・プレフォーム、204.206・・・円筒
状膜、208・・・ウェブ、210・・・中心孔、21
2・・・環状コンパートメント 特許出願人  ランキサイド・テクノロジー・カンパニ
ー・エル・ピー

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (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. (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。
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