KR0145288B1 - 자체-지지성 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents
자체-지지성 복합체 및 그 제조방법Info
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Abstract
본 발명은 일반적으로 자체-지지선 본체들을 제조하기 위해 사용되는 새로운 지향성 금속 산화 방법에 관한 것이다. 본 발명의 더욱 특별한 취지로서, 모재금속(즉, 모재금속 증기)은 모재금속과 고체 산화제 함유 재료 사이의 반응으로부터 형성되는 반응 생성물의 지향성 성장을 억디 위해 적어도 하나의 고체 산화제 함유 재료와 반응하도록 유도된다. 본 발명의 방법은 균질의 성분과 등급이 매겨진 성분들 및 매크로 복합체들을 구비하는 본체들을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
Description
[발명의 명칭]
자체-지지성 복합체 및 그 제조방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명을 따라 본체를 제조하기 위해 사용되는 조립체의 도시적인 단면도.
제2a도는 실시예 1을 따라 제조된 샘플을 400× 배율로 찍은 현미경사진.
제2b도는 실시예 1을 따라 제조된 파열된 샘플을 200× 배율로 찍은 파열사진.
제3도는 본 발명을 따라 본체를 제조하기 위해 사용되는 조립체의 도시적인 단면도.
제4a도는 실시예 3을 따라 제조된 본체를 100× 배율로 찍은 현미경사진, 사진
제4b도는 실시예 3을 따라 제조된 샘플을 400× 배율로 찍은 현미경사진,
제5도는 실시예 4를 따라 제조된 샘플을 400× 배율로 찍은 현미경사진,
제6a도-제6u도는 실시예 6을 따라 제조된 샘풀을 다양한 배율(명세서에 나타낸 것과 동일하게)로 찍은 현미경사진의 파열사진.
제7a도는 실시예 7를 따라 제조된 샘플을 400× 배율로 찍은 현미경사진,
제7b도 및 제7c도는 실시예 7를 따라 제조된 샘플들을 각각 500X 배율과 1000× 배율로 찍은 파열사진,
제8a도 및 제8B도는 실시예 8를 따라 제조된 샘플들을 찍은 사진,
제9도는 본 발명을 따른 샘플들을 제조하기 위하여 사용되는 조립체의 도시적인 단면도.
제10a도-제10c도는 본 발명을 따라 가공되는 샘플들의 전과후를 도시한 도면,
제11a도-제11E도는 실시예 11를 따라 제조된 샘플들을 다양한 확대배율(명세서에 나타냄)로 찍은 파열사진,
제12도는 실시예 12를 따라 제조된 샘플의 미세구조를 400× 배율로 찍은 현미경사진,
제13도는 실시예 13을 따라 사용되는 주형의 일부를 도시한 사시도
제14도는 실시예 17을 따른 샘플들을 제조하기 위해 사용되는 조립체의 도시적인 단면도.
제15도는 실시예 19를 따른 샘플들을 제조하기 위해 사용되는 조립체의 도시적인 단면도.
제16a도는 실시예 20을 따른 샘플들을 제조하기 위해 사용되는 조립체의 도시적인 단면도,
제16b도는 실시예 20을 따라 제조된 샘플을 약 400× 배율로 찍은 현미경사진,
제17도는 실시예 21을 따라 제조된 샘플을 약 200× 배율로 찍은 현미경사진,
제18a도-제18c도는 실시예 23를 따라 제조된 샘플을 다양한 확대비율(명세서에 나타냄)로 찍은 현미경사진,
제19도는 실시예 24를 따라 제조된 샘플의 미세구조를 약 4000× 배율로 찍은 현미경사진,
[기술분야]
본 발명은 일반적으로 자체-지지성 본체들을 제조하기 위해 사용되는 새로운 지향성 금속 산화 방법에 관한 것이다. 본 발명의 더욱 특별한 취지로서, 모재금속(즉, 모재금속 증기)은 모재금속과 고체 산화제 함유 재료 사이의 반응으로부터 형성되는 반응 생성물의 지향성 성장을 얻기 위해 적어도 하나의 고체 산화제 함유 재료와 반응하도록 유도된다. 본 발명의 방법은 균질의 성분들과 등급이 매겨진 성분들 및 매크로 복합제들을 구비하는 본체들을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
[배경기술]
최근에, 예전부터 금속에 의해 제공된 구조적인 도로들로서 세라믹을 사용하는 것에 대한 관심이 고조되었다. 이번 관심도는 방식성, 경도, 마모저항성, 탄성율 및 내화능력들과 같은 성질들에 대해서 금속과 비교해 볼 때 세라믹의 비교적 우수하다는 것에 있다.
그러나, 그런 목적들을 위해 세라믹을 사용함에 있어서 중요한 한계는 양호한 세라믹 구조물들을 제조하는 비용과 실행가능성에 있다. 예를들어, 고온프레싱과 반응소결 및 반응고온프레싱의 방법들에 의한 금속 붕화물 및 금속 탄화물 본체의 제조는 이미 잘 알려져 있다. 상기 서술된 방법들을 따른 금속붕화물 및 금속 탄화물 본체들의 제조는 어느정도 한계를 갖는 성공적인 제조이지만, 상기 본체들을 제조하기 위해 더욱 효과적이고 경제적인 방법을 필요로 한다.
또한, 구조적인 도포물을 위해 세라막을 사용함에 있어서 제2의 중요한 한계는 세라믹들이 일반적으로 인성(즉, 손상에 대한 내성, 또는 파열 저항성)이 부족하다는 것이다. 그런 인성의 부족은 적당한 인장 응력을 갖는 도포물내에서 갑자기 쉽게 유발되는 커다란 결함이 생기는 경향이 있다. 이런 인성의 부족은 한덩어리로된 세라막 본체에서 특히 일반적인 경향이 있다.
상기 전술된 문제점을 해결하기 위한 한가지 해결점은 예를들어, 세라멜(ceramet) 또는 금속 매트릭스 복합물과 같은 금속과 결합한 세라믹들을 사용하는 것이다. 이 해결점의 목적은 세라믹의 가장 좋은 성질(즉, 경도 및/또는 강도)와 금속의 가장 좋은 성질(즉, 연성)의 결합을 얻는 것이다. 봉화 화합물의 제조에서 세라믹 부분은 어느정도 성공적이지만, 농축 봉화물 함유재료들을 제조하기 위한 더욱 효과적이고 경제적인 방법들이 필요하다.
더욱이, 보통 재료들에게 불리한 영향을 미치는 환경에서 사용하기에 적합한 재료들을 제공하는 방법으로 이미 알려지거나 현존하는 재료들의 성질을 변경시키는 중요한 관심사가 있다. 예를 들어, 그런 변경방법의 하나는 일반적으로 기질 재료의 표면에 제2의 재료를 코팅하는 것에 관한 것으로, 상기 제2의 재료는 기질 재료와 다른 성질들을 갖는다.
기질 재료들을 코팅하기 위한 다양한 방법들이 존재한다. 코팅방법의 제 1부류는 일반적으로 오버레이 코팅(overlay coating)에 관한 것이다. 오버레이 코팅은 전형적으로 기질위에 코팅 재료의 물질적인 피복을 포함한다. 코팅재료는 예를들어 기질 재료의 내식성, 방식성, 고온강도등을 증가시킴으로써 기질의 성능을 향상시킨다. 이들 오버레이 코팅은 기질재료의 수명을 길게하고, 또는 보통 불리한 영향을 미치는 환경에서 기질 재료를 사용하게끔 하고/ 또는 오버레이 코팅이 안된 기질 재료의 사용을 파괴시킨다.
일반적으로 사용되는 오버레이 코팅 방법들은 화학적 증기피복, 고온스프레잉, 물리적인 증기 피복 등을 포함한다. 간략하게, 화학적 증기피복은 기체혼합물들이 가열될 때 그들 사이에서 일어나는 화학적인 공정을 사용한다. 화학적인 증기 피복은 화학반응이 기체 혼합물들 사이 또는 그들안에서의 반응 생성물인 고체 재료를 생성하는 한에는 계속일어날 것이다. 화학적인 증기 피복 공정은 일반적으로 반응 기체와 운반 기체 모두가 주입되는 반응실 안에서 실행된다. 기질 재료는 기체들과 반응고체의 피복 사이의 반응이 기질의 표면위에서 일어나도록 반응체 및 운반기체들과 접촉하도록 위치된다. 화학적 증기 피복 공정들은 일반적으로 주의깊에 조작되어야 하는 반응실안의 부식성 알칼리 기체(즉, 염화물, 플루오르화물 등)들의 사용을 포함한다. 따라서, 화학적 증기 피복 공정들이 몇가지 재료들 위에 양호한 코팅을 생성할 수 있지만, 일반적으로 사용되는 설비가 구조적으로 복잡하고 조작비용도 많이 든다.
많은 고온 스페레잉 기술들은 또한 기질 재료위에 오버레이 코팅을 하기 위해 존재한다. 고온스프레잉 기술들중 가장 폭넓게 사용되는 세가지 기술로서 플레임스레잉(flame spraying), 플라즈마 스프레잉(Plasma Spraying), 폭발코팅(Detonation Coating)들이 있다.
플레임 스프레잉은 기체 흐름안에 함유되고, 응용된 미세한 분말을 제공하는 연소 플레임을 통해 통과되는 미세한 분말을 사용한다. 용융된 분말은 그 후에 코팅되려는 기질재료의 표면위에 충돌하게 되며, 기질재료는 플레임 스프레이에 대해 일반적으로 냉각된다. 기질에 플레임 스프레이된 재료의 코팅물을 결합하는 것은 주로 기계적인 특성이다. 플레임 스프레이된 코팅은 보통 완전하게 밀집되지 않으며, 그러므로 코팅의 밀도를 높이기 위해 용해 작업에 의해 번번히 처리된다.
플라즈마 스프레잉은 강렬한 연소플레임을 통과하는 것 대신에 미세한 분말이 저전압과 고전류 전기방전에 의해 발생되는 전기 플라즈마를 통해 통과되는 것을 제외하고는 플레임 스프레잉과 다소 유사하다. 결과적으로, 기체들의 분리 및 이온화가 고온 플라즈마를 생성하며 일어난다. 고온 플라즈마는 기질위에 코팅재료층이 피복된 기질재료쪽으로 향한다.
폭발 코팅은 양호한 양의 분말이 코팅되려는 기질 재료의 표면쪽으로 높은 속도(즉, 약 800m/sec)로 향한다는 것을 제외하고는 플레임 스프레잉과 다소 유사점이 있는 공정이다. 입자들이 고온 가스흐름안에서 가속되면서, 입자들은 용융된다. 더욱이, 기질재료의 표면위에 충돌할 때 입자의 높은 운동에너지는 추가 열을 발생시켜서, 코팅공정을 촉진시킨다.
소위 오버레이 코팅을 세 번째 부류는 물리적인 증기 피복 코팅이다. 물리적인 증기 피복 코팅은 예를들어, 이온 스퍼터킹(Ion Sputtering)과 이온 플래팅(Ion Plating) 및 열 증발(Thermal Evaporation)을 포함한다.
이온 스퍼터링에 있어서, 진공실은 음극 전극이 기질위에 피복되는 코팅이나 스퍼터된 필름을 얻기위해 기질 재료쪽으로 원자 및 원자 덩어리들을 방출하도록 음극 전극을 수용한다.
기질 재료의 이온 플래팅은 코팅되기 위한 기질 재료쪽으로 금속 원자들을 방출하는 가열된 금속원의 사용을 포함한다. 특히, 전자빔은 일반적으로 금속원으로부터 금속원자들을 여기시키기 위해 사용된다. 여기된 금속원자들은 그후에 코팅되기 위한 기질 재료쪽으로 향한다.
열증발은 또한 금속원으로부터 원자의 여기 상태에 의존한다. 특히, 전공실에서, 금속원은 금속원자들이 금속원으로 증발해서 코팅되기 위한 기질재료쪽으로 향하도록 가열된다. 금속 원자들은 그후에 기질위의 코팅물로서 모아진다.
코팅형성 기술의 제2의 일반적인 부류는 전환 코팅 기술로서 알려진다. 전환 코팅 기술에 있어서, 전형적으로 기질 재료는 구성 성분 및/또는 기질표면의 미세구조를 변경시키는 화학 반응안에 포함된다. 이런 전환 코팅기술들은 또한 기질 재료들의 양호한 표면 변경을 얻을 수 있다. 전환 코팅기술들의 전형적인 예들은 팩 시멘테이션(Pack Cementation)과 슬러리 시멘테이션(Slurry Cementation)들을 포함한다.
팩 시멘테이션과 슬러리 시멘테이션은 표면코팅을 형성하기 위하여 하나 또는 그 이상의 재료들을 확산을 이용한다. 특히, 이들 공정들 각각에서, 기질재료는 금속원 재료로 부터의 금속이 기질 재료로 확산할 수 있고/또는 기질 재료의 성분이 금속원 재료쪽으로 확산할 수 있도록 금속원 재료와 접촉되어 있다. 특히, 예를 들어 팩 시멘테이션에서, 기질금속은 기질금속과 반응하는 금속과 비활성 재료 모두를 포함하는 분말 혼합체 안에 넣어진다. 운반기체는 그후에 그것이 금속분말로부터 기질의 표면까지 금속원자들을 운반해서 기질위에 금속원자들을 피복시킬 수 있도록 분말혼합체로 흐르게 된다. 팩시멘테이션과 슬러리 시멘테이션 모두는 증류기(retort) 또는 진공로 안에서 일어나고, 운반기체는 금속분말로부터 기질재료의 표면까지 금속원자들을 운반하기 위해 자유롭다. 대표적인 운반기체들은 할로겐 기체들을 포함한다. 팩시멘테이션에 대한 많은 다른 접근 방법들이 있지만, 대부분의 이들 방법들은 상기 서술된 단계들을 이용한다.
슬러리 시멘테이션은 팩 시멘테이션과 아주 유사하지만, 슬러리 시멘테이션에서 구성성분은 진공로 또는 증류기로 안에서 확산 공정을 실행하기전에 기질 재료의 표면위에 코팅된다. 팩 시멘테이션과 슬러리 시멘테이션의 각각에서, 반응온도는 상승되어서 금속원자들이 코팅재료를 형성하는 고체 상태 확산에 의해 기질과 반응할 수 있도록 한다.
상기 서술된 코팅 기술들은 기술의 일반적인 이해를 돕기위해 본원에 간략하게 설명되어 있다. 그러나, 상기 서술된 기술들에 대한 많은 특정한 변화들이 존재한다는 것을 알아야 한다. 특히, 상기 서술된 코팅방법들의 각각은 교과서와 학회의 회보 및 특허들을 포함하는 쉽게 이용할 수 있는 많은 자료들 안에 상세하게 설명되어 있다. 이들 방법들의 상세한 설명에 관한 추가정보를 위해서, 상기에 언급된 문헌을 참고하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기의 간략한 서술에서 보더라도, 상기 코팅기술들의 각각의 다양한 제한을 받은 것이 분명하다. 예를들어, 오버레이 코팅기술에서, 기질 재료위에 코팅의 물리적인 피복은 기질과 코팅 사이의 받아들일 수 있는 경계면을 안전하게 하지 못한다. 특히, 대부분의 오버레이 코팅 기술들은 코팅과 기질 사이의 물리적인 결합에 단순히 의존하기 때문에, 코팅은 바람직한 방법으로 기질에 고착될 수 없다. 따라서, 코팅의 목적이 완전히 손상될 수 있다. 추가로, 거의 모든 오버레이 코팅 방법들은 다소 복잡한 피복 설비의 사용에 의존한다. 예를들어, 화학적 증기 피복은 반응실안의 반응 및 운반기체의 흐름속도를 제어하기 위한 복잡한 제어수단의 사용과, 부식성 알카리 기체(즉, 플루오르화물 및 염화물)들을 취급하기 위한 능력을 필요로 한다. 따라서, 화학적 증기 피복을 위해 사용되는 설비는 일반적으로 비싸다.
더욱이, 예를들어 팩 시멘테이션과 슬러리 시멘테이션 기술들에 의해 형성되는 소위 전환 코팅 기술들에 관해서, 기질 재료들 위의 코팅은 분말 금속원 및/또는 팩 시멘테이션 또는 슬러리 시멘테이션 공정들에 사용되는 비활성 재료들 양쪽모두나 둘중 하나에 대해 기질을 노출시켜 생긴 기공이나 고체 재료들의 함유물로 인해 균일하지 못할 수 있다. 추가로, 많은 팩시멘테이션과 슬러리 시멘테이션 기술들은 다소 복잡한 설비의 사용을 필요로 할 수 있다.
본 발명의 비교적 간단한 양호한 본체들의 실질적인 무한 결합을 얻기위해 사용될 수 있다는 점에서 이미 알려진 모든 종래기술보다 크게 개선된 것이다. 특히, 본 발명은 기질 재료들 위에 코팅을 형성할 수 있게 하거나, 예를들어 고체 산화제 선구 재료들로부터 새로운 재료들을 생성할 수 있게한다. 형성된 코팅은 밀도가 매우높고 두께도 거의 균일하다. 또한, 불가능하지는 않았지만 지금가지 형성되기가 어렵다고 믿었던 두께로 도포될 수도 있다. 더욱이, 공정의 단순화 및 예를들어 반응 생성물에 대한 고체 산화재료의 전환속도로 인해, 전체 고체 산화제 본체들은 일성분으로부터 다른 성분까지 전환될 수 있다. 본 발명의 이런 취지와 다른 취지들은 하기의 부분들을 당업자들이 읽어보면 분명해질 것이다.
[공유된 미합중국 특허들 및 특허출원들의 설명]
본 출원은 자기-지지성 복합체들을 제조하는 방법들과 그로인해 제조된 제품의 명칭으로 테리 데니스 클라아(Terry Dennis Claar)등의 이름으로 1990년 6월 25일 출원된 미합중국 특허 출원 제 07/543,316호의 일부 계속출원으로서, 그것의 주된 요지가 복원에 참고로 기재된다. 지향성 금속 산화 반응은 새로운 세라믹 재료들 및 그것의 제조방법이라는 명칭으로 1987년 12월 15일 마르크 에스. 뉴커크(Marc S. Newkirk)등에게 부여된 미합중국 특허 제 4,713,360호에 개시되어 있다. 이 출원은 용융 모금속이 증기상 산화제와 반응하여 산화반응생성물의 지향 성장을 얻을 수 있는 것을 개시하고 있다.
유사한 지향성 금속산화 반응방법이 사이에 끼인 충전제를 구비하는 복합물 세라믹 제품의 제조방법이라는 명칭으로 1989년 7월 25일 마르크 에스. 뉴커크등에게 부여된 미합중국 특허 제 4,851,375호에 개시되어 있다. 이 출원은 용융금속이 비활성 충전재 재료안으로 산화반응생성물을 성장시키기 위해 산화제와 반응하여, 세라믹 매트릭스 복합제를 제조하는 것을 개시하고 있다.
붕소 탄화물을 구비하는 토대 또는 기층으로 반응성 침투하는 것이 자기-지지성 본체들의 제조방법과 그로인해 제조된 생성물이라는 명칭으로 1989년 12월 5일 테리 데니스 클라이등의 이름으로 제출된 공동계류중인 특허출원 제 07/446,433호에 개시되어 있는데, 이 특허 출원은 자기-지지성 본체들의 제조방법 및 그로인해 제조된 생성물의 명칭으로 1987년 7월 15일 대니 알. 화이트(Danny R. White), 미첼 케이. 아그해자니언(Michael K. Aghajanian) 및 테리 데니스 클라아들의 이름으로 출원된 미합중국 특허출원 제 07/073,533호의 일부계속출원인, 자기-지지성본체들의 제조방법 및 그로인해 제조된 생성물의 명칭으로 텔리 데니스 클라이 등의 이름으로 1987년 12월 23일 출원된 미합중국 특허 출원 제 07/137,044호(1990년 1월 2일 특허 부여됨)의 일부 계속출원인, 자기-지지성 본체들의 제조방법 및 그로인해 제조된 생성물의 명칭의 특허로 1989년 12월 5일 테리 데니스 클라아 등에게 부여된 미합중국 특허 제 4,885,130호의 계속출원이다.
상기 나타낸 특허출원들 각각과 반응성 침투에 관한 특허에 기재된 설명을 간단히 요약하면, 자기-지지성 세라믹 본체들은 붕소 탄화물을 갖는 층에서 모재금속 침투와 반응공정(즉, 반응성 침투)을 이용함으로써 제조된다. 특히, 붕소 탄화물을 갖는 토대 또는 기층은 용융 모재 금속에 의해 침투되고, 그토대는 전체가 붕소탄화물 일 수 있으며, 그로인해 하나 또는 그이상의 모재금속 붕소 함유 화합물을 구비하는 자기-지지성 본체를 생성하는데, 상기 화합물은 모재금속 붕화물 또는 모재 금속 붕소 탄화물을 포함하거나 그 둘다를 포함하며 또는 모재금속탄화물을 포함할 수도 있다. 또한 침투되기 위한 붕소탄화물의 층은 붕소 탄화물과 혼합되는 하나 또는 그이상의 비활성 충전재를 포함하 수도 있다는 것이 개시되어 있다. 따라서, 비활성 충전재를 결합시킴으로써 얻어지는 최종 생성물은 모재금속의 반응성 침투에 의해 제조된 매트릭스를 구비한 복합제 일 것이며, 상기 매트릭스는 적어도 하나의 붕소함유화합물을 포함하고 또는 모재 금속 탄화물을 포함할 수도 있으며, 그 매트릭스에는 비활성 충전재가 끼워진다. 상기 서술된 실시예 들중 어느하나에서 최종 복합제 생성물(즉, 충전재가 있거나 또는 충전재가 없는)이 본래의 모재금속의 적어도 하나의 금속성분으로서 잔류금속을 포함할 수 있는것에 주목해야 한다.
폭넓게 보면, 상기에 나타낸 반응성 침투 특허출원들의 각각과 부여된 특허의 서술된 방법에 있어서, 붕소 탄화물을 구비하는 층은 용융금속 또는 금속합금의 본체에 인접하거나 접촉되어 위치되고, 상기 본체는 특별한 온도 봉투안의 비활성 분위기 안에서 용융된다. 용융금속은 붕소탄화물층을 침투하고 적어도 하나의 반응 생성물을 제조하기 위하여 붕소탄화물과 반응한다. 붕소 탄화물은 용융 모재금속에 의해 적어도 부분적으로 환원될 수 있고, 그럼으로써 모재금속 붕소 함유 화합물(즉, 공정의 온도조건 하에서 모재금속붕화물 및/또는 붕소화합물)을 형성할 수 있다. 전형적으로, 모재금속탄화물도 제조되고, 어떤 경우에는 모재금속 붕소탄화물이 제조된다. 반응생성물의 적어도 일부분은 금속과 접촉하여 유지되고, 용융금속은 심지 또는 모세관 작용에 의해 비반응된 붕소 탄화물 쪽으로 끌어들여지거나 운송된다. 이렇게 운송된 금속은 추가 모재금속, 붕화물, 탄화물, 및/또는 붕소탄화물을 형성하고, 세라믹 본체의 성형 또는 성정은 모재금속이나 붕소탄화물중 하나가 소모될때까지 또는 반응온도가 반응온도 봉투의 범위 넘어 변화될때까지 계속된다. 생성구조물은 모재금속붕화물, 모재금속화합물, 모재금속탄화물, 금속(상기에 나타낸 특허출원들과 부여된 특허에서 서술된 것같이 합금과 금속간 화합물들을 포함함), 공극, 또는 그들의 어떤결합체 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 더욱이, 이들 몇 개의 상들은 본체를 통해 일차원 또는 다차원적으로 상호 연결될 수 있거나 연결되지 않을 수 있다. 붕소 함유 화합물(즉, 봉화물 및 붕소화합물), 탄소함유화합물 및 금속상들의 최종 부피분율과, 상호연결성의 정도는 붕소탄화물 본체의 최초 밀도와 붕소탄화물 및 모재금속의 상대적인 양과 모재금속의 합금과 충전재로 붕소탄화물의 희석과 온도 및 시간들과 같은 하나 또는 그 이상의 조건들을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 바람직하게, 붕소탄화물의 모재금속붕화물과 모재금속 붕화합물 및 모재금속 탄화물로의 전환은 적어도 약 50%이고, 가장 바람직하게는 적어도 약 90% 정도이다.
상기에 나타낸 특허출원들의 각각과 부여된 특허에 사용되는 환경 또는 분위기는 공정조건하에서 비교적 비활성이거나 비반응 상태이다. 특히, 예를 들어 아르곤 기체나 진공이 적합한 공정 분위기라는 것이 개시되어 있다. 또한, 지르코늄이 모재금속으로서 사용될 때, 생성된 복합물은 지르코늄이 붕화물과 지르코늄탄화물 및 나머지 지르코늄금속을 포함한다는 것이 개시되어 있다. 또한, 알루미늄 모재금속이 공정과 함께 사용될 때, 그 생성물은 알루미늄 모재금속과 모재금속의 비반응되고 비산화된 성분들을 구비하는 Al3B48C2,AlB12C2와 같은 알루미늄 붕소 탄화물이라는 것이 개시되어 있다. 공정조건들을 사용하기에 적합한 것으로 기재된 다른 모재금속들은 규소, 티타늄, 하프늄, 란타늄, 철, 칼슘, 바나듐, 니오븀, 마그네슘, 벨리륨 들을 포함한다.
더욱이, 어떤 경우에는 용융모재금속에 의해 침투되는 붕소 탄화물을 구비한 토대 또는 기층에 탄소 공여 재료(즉, 탄소함유화합물)를 추가하는 것이 바람직하다는 것이 공동 계류중인 미합중국 특허 제 07/137,044호(이하에는 출원 '044'로 나타냄)에 개시되어 있다. 특히, 탄소 공여 재료는 복합체의 최종 생성된 기계적 성질들을 변경시킬 수 있는 모재금속 탄화물상을 형성하기 위하여 모재금속과 반응할 수 있다는 것이 개시되어 있는데, 그 복합재는 탄소공여 재료를 사용하지 않고 제조된 복합체와 비교된다. 따라서, 반응체 농도와 공정 조건들은 세라믹 화합물, 금속 및 /또는 기공의 부피 퍼센트를 변화시크는 것을 포함하는 본체를 산출하기 위하여 제어되거나 변경될 수 있다. 예를들어, 붕소탄화물의 기층에 탄소공여재료(즉, 흑연분말 또는 카본블랙(carbon black)을 추가함으로써, 모재금속붕화물/모재금속탄화물의 비율이 조정될 수있다. 특히, 만약 지르코늄이 모재금속으로서 사용된다면, ZrB2/ZrC의 비율은 감소될 수 있다(즉, 붕소탄화물의 층안에 탄소공여재료를 추가함으로써 더 많은 ZrC를 제조할 수 있다).
또한, 부여된 미합중국 특히 제 4,885,130호(이하에서는 특허 '130으로 나타냄)에는 어떤 경우에 있어서 용융 모재금속에 의해 침투되는 붕소탄화물층 또는 토대에 붕소공여재료(즉, 붕소함유화합물)을 추가하는 것이 바람직할 수 있다는 것이 개시되어 있다. 추가된 붕소함유화합물은 그후에 ZrB2/ZrC의 비율이 감소되지 않고 증가될 수 있다는 것을 제외하고는 출원 '044와 관련하여 상기에 서술된 탄소함유 화합물과 유사한 방식으로 행동할 수 있다.
또한, 자기-지지성 본체들의 제조방법과 그로인해 제조된 생성물이라는 명칭으로 1990년 2월 27일 대니 레이 화이트와 테리 데너스 클라아 들에게 부여된 미합중국 특허 제 4,904,446호에는 모재금속이 붕소함유화합물과 질소함유화합물 및 원한다면 금속을 구비하는 본체를 생성하기 위해 붕소질화물을 포함하는 기층과 반응할 수 있다는 것이 개시되어 있다. 붕소질화물을 갖는 기층은 하나 또는 그이상의 비활성 충전재를 함유할 수 있다. 반응체들의 상대적인 양들과 공정조건들은 세라믹, 금속 및 /또는 기공의 부피퍼센트를 변화시키는 것을 포함하는 본체를 얻기위해 제어되거나 변경될 수 있다.
더욱이, 제어된 기공과 등급이 매겨진 성질들을 구비한 자기-지지성 본체의 제조방법과 그로인해 제조된 생성물이라는 명칭으로 1989년 1월 13일 테리데니스 클라아 등이 출원한 공동계계류중인 미합중국 특허출원 제 07/296,961호(1990년 2월 27일 특허부여됨)는 분말로된 모재금속이 붕소탄화물과 선택적으로 하나 또는 그이상의 비활성 충전재를 부비하는 토대 또는 기층과 혼합되어 자기-지지성본체를 제조할 수 있다는 것을 개시하고 있다. 이 출원은 또한, 복합체의 성질들이 붕소탄화물과 혼합되는 모재금속분말 또는 미립자등의 성분 및/또는 크기의 적절한 선택에 의해 기공을 적합하게 고침으로써 변경될 수 있다는 것을 개시하고 있다.
상기 서술된 공유된 미합중국 특허들 및 미합중국 특허출원들 각각의 설명은 본원에 참고용으로 기재되어 있다.
[본 발명의 요약]
본 발명에 따라, 자기-지지성 본체들을 제조하기 위한 다수의 방법들이 제공된다. 특히, 본발명의 양호한 일시시예에 있어서, 적어도 하나의 증기상모재 금속은 적어도 하나의 반응 생성물을 제조하기 위하여 적어도 하나의 고체산화제 함유재료와 반응하게 된다.
본 발명의 모든 실시예에 있어서, 하기의 공정 단계들이 이용된다. 적어도 일부분이 고체 산화제를 구비하는 재료는 반응실 안에 위치된다. 반응실은 본 발명의 공정에 사용되는 재료들 중 어느것과 역으로 반응하지 않은 재료로 만들어지거나 또는 적어도 그 재료로 코팅된다. 더욱이, 반응실은 본 발명의 공정에 나쁜 영향을 미칠수 있는 어떤 외부 오염물질로부터 반응실안에 있는 모든 재료들을 격리시킬 수 있어야만 한다. 증기상 모재금속원은 모재금속 증기와 고체 산화제 함유제로 사이에서 상호작용을 하도록 하는 방식으로 반응심안에 들어 있다. 모재금속 증기는 반응실안에 또는 반응실에 인접하게 모재금속의 고체원을 제공하고, 방응실안에 있는 모재금속의 적절한 증기압을 얻도록하는 온도가 달성될 때가지 모재금속의 고체원을 가열시킴으로써 주입될 수 있다. 모재금속 증기는 그것과 반응하는 고체 산화제 함유 재료의 일부분과 접촉할 수 있어야 한다. 따라서, 고체 산화제 함유재료의 단지 일부분 만이 반응생성물을 생성하기 위해 모재금속증기에 노출될 수 있고, 또는 선택적으로 고체 산화제 함유재료의 거의 모두가 반응 생성물을 생성하기위해 모재금속 증기에 노출될 수 있다.
모재금속증기와 반응하는 고체 산화제 함유 재료는 반응생성물을 제조하기 위해 모재금속 증기와 그 자체가 반응할 수 있는 재료이거나 재료를 포함해야만 하고, 또는 모재금속증기와 접촉될 때 양호한 반응 생성물을 만들 수 있는 고체 산화제를 함유한 제료로 코팅될 수 있어야 한다.
본 발명의 제1의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화제 함유재료는 본 발명의 공정조건하에서 모재금속증기와 반응할 수 있는 고체 산화제로 거의 완전하게 이루어 진다. 따라서, 예를 들어 탄소질 재료는 모재 금속 탄화물 반응 생성물을 형성하기 위하여 모재금속 증기(즉, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 규소 및/또는 니오브)와 접촉하여 위치되고 반응실안에 위치된다. 생성할 수 있는 반응 생성물의 양은 (1)탄소질 기질 재료위에 형성된 반응 생성물의 비교적 얇은 층 (2)탄소질 기질재료위에 형성된 반응 생성물의 비교적 두꺼운층 (3)기질재료의 반응 생성물로의 거의 완전한 전환을 포함한다.
본 발명의 제2의 양호한 실시예에 있어서, 복합물 재료가 성형될 수 있다. 특히, 고체 산화제 기질은 우선 모재금속증기에 노출되기전에 비활성 충전재 지료로 코팅된다. 모재 금속 증기와 고체 산화제의 반응 생성물은 그후에 생성되고, 실질적인 비활성 충전재는 그후에 생성된 반응생성물 안에 끼워져서, 복합물 재료를 만든다. 충전재 재료는 어떤 특별한 형태 또는 충전재 재료의 결합된 형태들을 포함하고, 어떤 적합한 화학적 지지물을 가질 수 있다. 그러나, 충전재 재료는 본 발명의 공정을 유지할 수 있도록 선택되어야만 한다. 더욱이, 반응 생성물에 의해 끼워지기 위한 충전재의 적합한 선택에 의해 양호한 성질들의 넓은 범위가 달성될 수 있다.
본 발명의 제3의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화제 함유 기질재료는 고체 산화제의 외부(즉, 코팅안에)에 있는 적어도 하나의 다른 재료와 접촉하고/ 또는 고체 산화제 함유재료안의 적어도 하나의 재료와 반응하고/ 또는 모재금속증기와 반응할 적어도 하나의 재료로 우선 코팅되거나 그 재료와 접촉된다. 예를들어, 모재금속 증기와 다른 성분이나 거의 유사한 성분을 갖는 분말로된 모재 금속은 모재금속증기가 고체 산화제 함유재료에 접촉하기 전에 고체 산화제 함유재료 표면의 적어도 일부분에 코팅물로서 우선 위치될 수 있다. 그후에, 고체 산화제 함유 재료의 표면위의 분말로된 모재금속과 금속산화제 그 자체의 사이에서 반응이 일어날 수 있고/또는 고체 산화제 함유재료위의 분말로된 모재금속과 모재 금속증기 사이에서 반응들이 일어날 수 있다. 또한, 고체 산화제 함유 기질재료(즉, 탄소)와 다른 성분인 적어도 하나의 고체 산화제(즉, 붕소탄화물)이 고체 산화제 함유 재료완 모재 금속증기가 접촉하기전에 고체 산화제 함유재료의 표면에 위치될 수 있다. 고체 산화제 함유 재료 기질의 표면위에 위치된 다른 고체 산화제는 모재금속 증기가 기질 고체 산화제 함유 재료와 반응할 때 생성하는 반응생성물과 다룰 수 있는 반응생성물을 얻기 위하여 모재 금속증기와 반응하는 것이 가능해야 한다. 이런 다른 반응 생성물은 충전재 재료로서 역할을 할 수 있다. 더욱이, 모재금속증기(즉, 티타늄, 하프늄 및/또는 지르코늄)과 다른 화학적 성분이나 거의 유사한 화학적 성분을 갖는 분말로 된 모재금속(즉, 티타늄, 하프늄 및/또는 지르코늄)은 모재금속증기가 기질 고체 산화제 함유 재료와 접촉할 때 생성하는 반응 생성물과 다른 반응생성물을 얻을 수 있도록 고체 산화제 함유 재료와 다른 성분인 고체 산화제 분말과 혼합될 수 있다. 이런 다른 반응 생성물은 또한 충전재 재료로서 역할을 할 수 있다. 더욱이, 하나이상의 반응생성물이 생성된다면 그 반응생성물들 또한 서로 반응할 수 있다.
본 발명의 제4실시예에 있어서, 상기에 서술된 제1 및 제3실시예들 각각은 고체 산화제 함유제로 표면의 적어도 일부분위에 충전재 재료를 위치시킴으로써 확장될 수 있다. 따라서, 충전재 재료는 예를 들어 증기상 모재 금속과 다른 성분이나 거의 유산한 성분의 분말로된 모재 금속과 균일하게 또는 비균일하게 혼합될 수 있다. 더욱기, 충전재 재료는 고체 산화제 함유 기질 재료의 표면에 위치된 고체 산화제 분말과 균일하거나 비 균일한 방법으로 혼합될 수 있다. 또한, 충전재 재료는 모재 금속분말(모재 금속증기와 다르거나 거의 유사한 성분을 갖는다)과 고체 산화제의 결합과 함께 균일하거나 비균일하게 혼합될 수 있다.
본 발명의 제4의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화체 함유 재료는 고체 산화제 함유 재료코팅 및 기질 재료와 다른 성분을 갖는 반응생성물 코팅을 생성할 수 있도록 하기위하여 모재금속 증기와 보통반응하지 않는 기질재료위의 코팅으로서 위치된다.
또한, 상기 서술된 실시예들의 각각에서, 훨씬 더 많은 반응 생성물들을 생성할 수 있도록 하고 생성중이거나 생성된 반응생성물들 사이의 상호작용을 가능하게 할 수 있도록 거의 동시에 하나이상의 모재금속증기를 공급하는 것이 가능하다. 물론, 모재금속증기들과 고체 산화제 함유 재료들과 고체 산화제 분말들과 모재 금속 분말들 및 충전재등의 더 많은 결합들이 본 발명의 지시에 따라 이용될 수 있다는 것을 알아야만 한다. 그러므로, 재료들의 모든 잠재적인 결합이 상기 본원에 서슬되지 않았지만, 상기 결합들은 당업자들에 의해 쉽게 이루어질 수 있다.
[용어의 정의]
명세서와 첨부된 청구범위에 사용된 용어들은 하기와 같이 정의 된다.
다른(different)-본원에서 화학적 성분들과 연결하여 사용된 다른이라는 것은 어떤재료의 주된 화학적 성분이 또 다른 재료의 주된 화학적 성분과 다르다는 것을 의미한다.
충전재-본원에 사용된 충전재는 모재금속분말 및/또는 모재금속 증기들과 거의 반응하지 않고/ 또는 그들 안에서 제한된 용해성을 가지며 단일 또는 다상일수있는 단일 성분들 또는 성분들의 혼합체 중 하나를 의미한다. 충전제들은 분말, 박판, 작은판, 작은구, 휘스커(whisker), 방울들과 같은 다양한 형태로 제공될 수 있고, 밀집되거나 다공성일 수 있다. 충전재들은 또한 섬유조직, 미립자, 휘스커, 방울, 구형 및 파이버매트(fibermat)등과 같은 모양의 탄화규소 또는 알루미나와 같은 세라믹 충전재들과, 탄소를 침식으로부터 보호하기 위해 탄화규소나 알루미나로 코팅된 탄소 섬유조직과 같은 세라믹 코팅된 충전재들을 포함할 수 있다. 충전재들은 또한 금속들을 포함할 수 있다. 충전재들은 또한 공정조건들을 견딜수 있어야 한다.
모재금속분말-본원에 사용된 모재금속분말은 분말로된 모재금속과 고체 산화제(즉, 모재금속탄화물등)의 반응생성물을 위한 선구물질인 예의 금속(즉, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 규소, 니오븀 등)을 의미하며, 순수하거나 비교적 순수한 금속과 불순물을 갖고/또는 그안의 성분등을 합금시키는 상업적으로 널리 이용할 수 있는 금속 및 중요한 성분인 예의 금속 선구물질을 갖는 합금으로서 예의 금속을 포함한다. 특정한 금속이 분말된 모재 금속으로서 언급될 때, 그 금속은 문맥에서 다른 것을 나타내지 않는 한 본 정의를 염두에 두고 판단되어야만 한다.
모재금속증기 또는 증기상 모재금속은 모재금속과 고체 산화제(즉 모재금속 탄화물등)의 반응생성물을 위한 증기상 선구물질인 예의 금속(즉, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 규소, 니오븀 등)을 의미하며, 순수하거나 비교적 순수한 금속과 불순물을 갖고/또는 그안의 성분등을 합금시키는 상업적으로 널리 이용할 수 있는 금속 및 중요한 성분인 예의 금속선구물질을 갖는 합금으로서 예의 금속을 포함한다. 특정한 금속이 분말된 모재 금속증기로서 언급될 때, 그 금속은 문맥에서 다른 것을 나타내지 않는 한 본 정의를 염두에 두고 판단되어야만 한다.
모재금속 붕화물 및 모재금속 붕소화합물은 붕소원 재료와 적어도 하나의 모재금속원 사이의 반응으로 생성된 붕소를 함유하는 반응 생성물을 의미하고, 모재금속과 붕소의 이원화합물 및 삼원 화합물 또는 고차원 화합물을 포함한다. 모재금속 탄화물은 고체 산화제 탄소원 및 모재금속의 반응으로 생성된 탄소를 함유하는 반응 생성물을 의미한다. 모재금속 질화물은 질소원(즉, 붕소질화물)과 모재금속의 반응으로 생성된 질소를 함유하는 반응 생성물을 의미한다.
반응생성물은 모재금속과 고체 산화제 사이의 반응의 결과로서 생성하는 생성물을 의미한다.
고체 산화제는 확인된 고체가 공정조건하에서 모재금속의 유일한, 현저한, 또는 적어도 중요한 산화제인 산화제를 의미한다.
고체 산화제 함유재료는 고체 산화제를 함유하는 재료를 의미한다. 고체 산화제는 재료의 거의 모두를 포함할 수 있고, 또는 재료의 거의 일부만을 포함할 수 있다. 고체 산화제는 재료안에 균질하거나 비균질하게 위치될 수 있다. 고체 산화제 분말은 확인된 고체가 모재금속분물 및/또는 모재금속증기의 유일한, 현저한 또는 적어도 중요한 산화제인 산화제로서, 다른 재료(즉, 고체산화제 함유 재료)표면의 적어도 일부분에 위치되는 산화제를 의미한다.
[본 발명의 상세한 설명]
본 발명을 따라서, 자기-지지성 본체들을 제조하기위한 다수의 방법들이 제공된다. 특히, 적어도 하나의 증기상 모재금속은 고체 반응 생성물을 형성하기 위하여 적어도 하나의 고체 산화제 함유재료와 반응하게 된다.
본 발명의 모든 실시예에 있어서, 다음의 공정 단계들이 사용된다. 적어도 일부분이 고체 산화제를 구비하는 재료는 반응실안에 위치된다. 반응실은 본 발명의 공정에 사용되는 재료들 중 어느것과 역으로 반응하지 않는 재료로 만들어지거나 또는 적어도 그 재료로 코팅된다. 더욱이, 반응실은 본 발명의 공정에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 어떤 외부 오염물질로부터 반응실안에 있는 모든 재료들을 격리시킬 수 있어야만 한다. 증기상 모재금속원은 모재금속 증기와 교체 산화제 함유재료 사이에서 상호작용을 하도록 하는 방식으로 반응실안에 들어 있다. 모재금속 증기는 반은실안에 있는 모재금속의 적절한 증기압을 얻도록 하는 온도가 달성될때까지 모재금속의 고체원을 가열시킴으로써 주입될 수 있다. 모재금속 증기는 그것과 반응하는 교체 산화제 함유 재료의 일부분과 접촉할 수 있어야 한다. 따라서, 고체 산화제 함유재료의 단지 일부분만이 반응생성물을 생성하기 위해 모재금속증기에 노출될 수 있고, 또는 선택적으로 고체 산화제 함유 재료의 거의 모두가 반응 생성물을 생성하기 위해 모재금속 증기에 노출될 수 있다.
모재금속증기와 반응하는 고체 산화제 함유 재료는 반응생성물을 제조하기위해 모제 금속 증기와 그 자체가 반응할 수 있는 재료이거나 재료를 포함해야만하고, 또는 모재금속증기와 접촉될 때 양호한 반응 생성물을 만들 수 있는 고체 산화제를 함유한 재료로 코팅될 수 있어야 한다.
예를 들면, 많은 고온 적용물들을 위해 많은 주목을 받았던 부류의 재료들은 흑연 또는 탄소질 재료들이다. 특히, 탄소기 재료(즉, 탄소/탄소 복합물, 고체형태의 흑연등)들은 그들이 비교적 경량이고 우수한 고온 성질들을 가지며 열적 충격 저항성 재료이고 양호한 전기적 성실들을 갖기 때문에 많은 주목을 받았다. 그러나, 많은 적용물들에 대해 탄소기 재료들을 사용하는 것은 이들재료들 자체의 좋지 않은 산화성 및/또는 침식(즉, 마모)저항성으로 인해 제한되었다. 그러므로, 탄소기 재료들위에 보호성 코팅을 형성하기위한 많은 해결책들이 시도되었다. 본 발명의 기술은 특별한 목적이나 용융을 위해 더욱 바람직할 수 잇는 탄소기 재료들의 다른 물질(즉, 세라믹 또는 세라믹 복합재료)로의 거의 완전한 전환 및/또는 탄소기 재료들의 코팅을 위해 적합하다. 본 발명의 기술들은 또한 어떤 몰리브덴 함유 재료들을 코팅하기 위해 적합하다. 이런 설명들은 주로 모재금속들이 단소기 재료들과 반응하기 위한 방법들에 촛점을 맞추고 있지만, 본 발명이 흑연이나 탄소기 재료들 이외의 재료들에 의해 사용될 수 있다는 것을 알아야만 한다.
본 발명을 위한 설명이나 어떤 특별한 이론들에 의해 제한받지 않고 본 발명의 작업들을 설명하기위한 노력으로서, 그것은 마치 모재금속 증기가 고체 산화제와 접촉할 때, 모재금속 증기가 우선 거의 균일(그러나, 얇다)할때까지 고체 산화제 함유 재료의 표면까지 흡수될 수 있고, 층이 형성되고/또는 어떤반응은 얇은 반응 생성물층을 생성하는 고체 산화제 코팅 재료와 모재금속사이에서 일어 나는 것처럼 보인다. 형성된 층은 결과적으로 고체산화제를 모재금속증기와의 어떤 추가의 직접적인 물리적 접촉으로부터 완전하게 고립시킨다. 그러므로, 생성하기 위한 반응생성물을 위하여, 모재금속의 추가된 원자들 또는 이온들은 형성된 층을 통해 확산한느 것이 가능해야만 하고/또는 고체 산화제 함유재료의 적어도 한 종류의 동일한 형성된 층을 통해 모재금속쪽으로 반대 방향으로 확산하는 것이 가능해야 하며, 그로인해 추가 반응이 일어날 수 있도록 해야한다. 형성된 층을 통한 고체 산화제와 모재금속 이온들 각각의 확산속도는 제조되는 복합체의 성질들이나 본질에 직접적인 영향을 미칠 것이다. 더욱 특별하게 설명하자면, 지향성 금속 산화 반응은 형성된 층을 통한 고체 산화제의 확산속도가 형성된 층을 통한 모재금속 이온들의 확산속도보다 클 때 일어나며, 그 결과 고체 산화제 함유 재료의 표면위에 재료의 층 또는 형성물을 만들 것이다. 모재금속성분, 모재금속 증기압, 고체 산화제 성분, 다른 비반응성 재료 위 또는 안에 고체 산화제의 위치, 온도, 공정시간등과 같은 여러 가지 공정 매개 변수들을 조절함으로써, 생성 복합체는 반응 생성물로 덮힌 적어도 일부분의 표면을 갖는 기질 고체 함유재료로부터 어떤 것을 포함할 수 있으며, 그 결과 고체 산화제 함유재료의 거의 완전한 전환(즉, 탄소가 티타늄 탄화물로 전환된다.)을 얻을 수 있다.
본 발명의 제1의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화제 함유재료는 본 발명의 공정조건하에서 모재금속 증기와 반응할 수 있는 고체 산화제로 거의 완전하게 이루어 진다. 따라서, 예를 들어 탄소질 재료는 모재 금속 탄화물 반응 생성물을 형성하기 위하여 모재금속 증기(즉, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 실리콘 및/또는 니오브)와 접촉하여 위치되고 반응실안에 위치된다. 생성할 수 있는 반응 생성물의 양은 (1)탄소질 기질 재료위에 형성된 반응 생성물의 비교적 얇은 층 (2)탄소질 기질재료위에 형성된 반응 생성물의 비교적 두꺼운 층 (3)기질재료의 반응 생성물로의 거의 완전한 전환을 포함한다.
본 발명의 제2의 양호한 실시예에 있어서, 복합물 재료가 성형될 수 있다. 특히, 고체 산화제 기질은 우선 모재금속 증기에 노출되기전에 비활성 충전재 재료로 코팅된다. 모재 금속 증기와 고체 산화제의 반응 생성물은 그 후에 생성되고, 실질적인 비활성 충전재는 그후에 생성된 반응생성물 안에 끼워져서, 복합물 재료를 만든다. 충전재 재료는 어떤 특별한 형태 또는 충전재 재료의 결합된 형태들을 포함하고, 어떤 적합한 화학적 지지지물을 가질 수 있다. 그러나, 충전재 재료는 본 발명의 공정을 유지할 수 있도록 선택되어야만 한다. 더욱이, 반응 생성물에 의해 끼워지기 위한 충전재의 적합한 선택에 의해 양호한 성질들의 넓은 범위가 달성될 수 있다.
본 발명의 제3의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화제 함유 기질재료는 고체 산화제의 외부(즉, 코팅안에)에 있는 적어도 하나의 다른 재료와 접촉하고/또는 고체 산화제 함유재료안의 적어도 하나의 재료와 반응하고/또는 모재금속증기와 반응할 적어도 하나의 재료로 우선 코팅되거나 그 재료와 접촉된다. 예를 들어, 모재금속 증기와 다른 성분이나 거의 유사한 성분을 갖는 분말로된 모재 금속은 모재금속증기가 고체 산화제 함유재료에 접촉하기 전에 고체 산화제 함유재료 표면의 적어도 일부분에 코팅물로서 우선 위치될 수 있다. 그후에, 고체 산화제 함유 재료의 표면위에 분말로된 모재금속과 금속산화제 그 자체의 사이에서 반응이 일어날 수 있고/또는 고체 산화제 함유재료로위의 분말로된 모재금속과 모재 금속증기 사이에서 반응들이 일어날 수 있다. 또한, 고체산화제 함유 기질재료(즉, 탄소)와 다른 성분인 적어도 하나의 고체 산화제(즉, 붕소탄화물)이 고체 산화제 함유 재료와 모재 금속증기가 접촉하기전에 고체 산화제 함유재료의 표면에 위치될 수 있다. 고체 산화제 함유 재료 기질의 표면위에 위치된 다른 고체 산화제는 모재금속 증기가 기질 고체 산화제 함유재료와 반응할 때 생성하는 반응생성물과 다를 수 있는 반응생성물을 얻기 위하여 모재 금속증기와 반응하는 것이 가능해야 한다. 이런 다른 반응 생성물은 충전재재료로서 역할을 할 수 있다. 더욱이, 모재금속증기(즉, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 규소 및/또는 니오브)와 다른 화학적 성분이나 거의 유사한 화학적 성분을 갖는 분말로된 모재금속(즉, 티타늄, 히프늄, 지르코늄, 규소 및 /또는 니오브)는 모재금속증기가 기질 고체 산화제 함유 재료와 접촉할 때 생성 하는 반응 생성물과 다른 반응생성물을 얻을 수 있도록 고체 산화제 함유 재료와 다른 성분인 고체 산화제 분말과 혼합 될 수 있다. 이런 다른 반응 생성물은 또한 충전재 재료로서 역할을 할 수 있다. 더욱이, 하나이상의 반응생성물이 생성된다면 그 반응생성물들 또한 서로 반응할 수 있다.
본 발명의 제4실시예에 있었서, 상기에 서슬된 제1 및 제3 실시예들 각각은 고체 산화제 함유재로 표면의 적어도 일부분위에 충전재 재료를 위치시킴으로써 확장될 수 있다. 따라서, 충전재 재료는 예를 들어 증기상 모재금속과 다른 성분이나 거의 유사한 성분의 분말로된 모재 금속과 균일하게 또는 비균일하게 혼합될 수 있다. 더욱이, 충전재 재료는 고체 산화제 함유 기질 재료의 표면에 위치된 고체 산화제 분말과 균일하거나 비 균일한 방법으로 혼합될 수 있다. 또한, 충전재 재료는 모재 금속분말(모재 금속증기와 다르거나 거의 유사한 성분을 갖는다)과 고체 산화제의 결합과 함께 균일하거나 비균일하게 혼합될 수 있다.
본 발명의 제5의 양호한 실시예에 있어서, 고체 산화제 함유 재료는 고체 산화제 함유 재료코팅 및 기질 재료와 다른 성분을 갖는 반응생성물 코팅을 생성할 수 있도록 하기위하여 모재금속 증기와 보통반응하지 않는 기질재료위의 코팅으로서 위치된다.
또한, 상기 서술된 실시예들의 각각에서, 훨씬더 많은 반응 생성물들을 생성할 수 있도록 하고 생성중이거나 생성된 반응 생성물들 사이의 상호 작용을 가능하게 할 수 있도록 거의 동시 에 하나 이상의 모재 금속 증기를 공급하는 것이 가능하다.
물론, 모재 금속 증기들과 고체 산화제 함유 재료들과 고체 산화제 분말들과 모재 금속 분말들 등의 더 많은 결합들이 본 발명의 지시에 따라 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 그러므로, 재료들의 모든 잠재적인 결합이 상기 본원에 서술되지는 않았지만, 상기 결합들은 당업자들에 의해 쉽게 이루어질 수 있다.
[실시예1]
하기 실시예는 상승된 온도에서 흑연 기질과 모재 금속 증기를 반응시킴으로써 흑연 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
제1도는 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위해 사용되는 설비의 개략적인 단면도이다. 특히, 제1도는 격납 흑연용기(43)안에 있는 증기 피복실의 개략적인 단면도이다. 증기 피복실은 하부 체임버 부분(31)과, 하부 체임버 부분(31)의 측벽에 부착된 세 개의 기질 지지붕(35)들과, 하부 체임버 부분(31)안에 위치하고 흑연으로 된 네 개의 모재 금속된 트레이(34,33)들과, 상부 체임버 부분(32)와, 관통된 판(37)을 구비하고 상부 체임버부분(32)에 부착된 굴뚝부 튜브(36) 및, 굴뚝부 튜브(36)과 각각의 증기 피복실 주의를 감싸고 있는 흑연 펠트 게터(felt getter)(40, 42)와 굴뚝부 튜브(36)을 덮고 있는 폐쇄된 단부 튜브(41)을 포함한다.
특히, 증기 피복실의 하부 체임버 부분은(31)은 약 6.5in(165mm)의 길이와, 약 6.5in(165mm)의 너비와, 약 4in(102mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 하부 체임버 부분(31)은 그레이드 ATJ흑연(오하이오주, 클리브랜드(cleveland)에 위치한 유니온 카바이드 코오포레숀(Union Carbide Co.)의 카본 포로덕츠 사업부(Carbon Products Division)의 제품)의 부분품으로부터 기계가공된다. 약 0.38in(9.6mm)의 지름을 갖고 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 제작된 세 개의 흑연 지지봉(35)들은 하부 체임버부분(31)의 측벽에 있는 구멍들에 끼워진다. 모든 지지봉(35)들은 하부 체임버부분(31)의 바닥부로부터 약 2.0in(51mm)떨어져서 위치된다. 추가해서 , 세 개의 지지봉(35)들의 각각은 하부 체임버 부분(31)로부터 약 1.0in(25mm), 약 1.75in(45mm), 약 4.13in(105mm)로 떨어져서 위치되고, 하부 체임부 부분(31)의 일측벽으로부터 반대쪽 측벽으로 연장된다. 지지봉(35)들은 코팅동안에 흑연 기질 시편들을 지지하기 위한 지지수단을 형성한다.
증기 피복실의 상부 체임버 부분(32)는 약 6.5in(165mm)의 길이와, 약 6.5in(165mm) 너비와, 약 4in(102mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 체임부 부분(32)는 추가로 약 1.75in(44.5mm)의 지름을 갖는 구멍(44)를 포함한다. 구멍(44)는 상부 체임버 부분(32)의 상부의 거의 중심에 위치된다. 굴뚝부 튜브(36)은 약 5.5in(140mm)의 길이를 갖고, 약 2.25in(57mm)의 외경과 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 굴뚝부 튜브(36)은 또한 그레이드 ATJ 흑연으로부터 기계 가공된다. 굴뚝부 튜브(36)의 개방 단부는 상부 체임버 부분(32)의 정부의 구멍(44)와 나란하게 정렬되고, RIGIDLOCKR 흑연 접착제(캘리포니아주, 발레시아(valencia)에 위치한 폴리카본 코오포레이손(Polycarbon Corporation)의 제품)를 사용하여 상부 체임버 부분(32)에 접착된다. 추가로 약 10개의 슬롯(38)들이 굴뚝부 튜브(36)의 폐쇄된 단부에 끼워진다. 각각의 슬롯(38)은 약 0.04in(1mm)의 너비와 약 0.5in(13mm)의 깊이를 갖고, 증기 피복실의 외부 분위기와 진공피복실의 내부 공동사이를 연통하기 위한 수단을 제공한다. 관통된 판(37)은 약 0.25in(6.4mm)의 두께와 약 1.75in(44.5mm)의 외경을 갖고, 증기 피복실 외부 분위기와 연통하기 위한 세 개의 동일하게 이격된 구멍들을 갖는다. 관통된 판(37)을 통과하는 각각의 구멍(45)는 약 0.4in(10mm)의 지름을 갖는다. 관통된 판(37)은 상부 체임버 부분(32)의 내부면으로부터 약 1.38in(35mm)떨어진 굴뚝부 튜브(36)안 RIGIDLOCKR 흑연 접착제를 사용하여 접착된다. 그레이드 GH 흑연 펠트(40)(메인(Maine)주, 비드포드(Biddeford)에 위치한 파이퍼 머티어리얼즈, 인코오포레이티드(Fiber Materials, Inc.)의 제품)은 약 0.125in의 두께를 갖고, 굴뚝부(36)의 길이를 따라 외경 둘레를 감싸고 있다.
폐쇄된 단부 튜브(41)은 약 4in(102mm)의 길이와 약 3in(76mm)의 외경 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 폐쇄된 단부 튜브(41)은 흑연 펠트(40)을 고정시키기 위해 굴뚝부 튜브(35)에 걸쳐 위치된다.
모재 금속원 트레이들은 그레이드 ATJ흑연으로부터 기계 가공된다. 하나의 모재 금속원 트레이(34)는 약 3.5in(89mm)의 길이와 약 3.5in(89mm)의 너비와 약 1in(25mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 모재 금속원 트레이(34)는 하루 체임버 부분(31)의 한쪽 코너에 위치된다. 세 개의 추가된 모재 금속원 트레이(33)(제1도에는 하나만 도시됨)들은 약 2.5in(64mm)의 길이와 2.5in(64mm)의 너비와 1in(25mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 세 개의 추가된 모재 금속원 트레이(33)들은 하부 체임버 부분(31)의 바닥부의 남은 공간에 위치된다. 모든 모재 금속원 트레이(34, 33)들은 약 0.25in(64mm)의 너비와 1in(25mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)에서 약 0.38in(9.7mm)의 범위까지 전체 무게가 약 100g 정도의 티타늄 금속 스폰지 재료(46)으로 충전된다.
약 1in(25mm)의 길이와 약 1in(25mm)의 너비 및 약 0.2in(5.1mm)의 두께를 갖는 그레이드 AXZ-5Q 흑연 재료(텍사스주, 테카터(Decatur)에 위치한 포코그라파이트, 인코오포레이티드(Poco Graphite'Inc.)의 제품)의 흑연 기질 시편의 테두리는 400 그릿(grit)(평균입자크기가 약 23㎛임)의 탄화규소 페이터로 연마함으로써 부드러워진다. 흑연 기질 시편의 모든 표면들은 1200 그릿(평균입자 크기가 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마함으로써 거칠어진다. 연마된 흑연 기질 시편(47)은 그후에 아세톤 욕을 초음속적으로 동요시켜서 약 15분 동안 세척하고, 약 0.5시간 동안 약 120℃의 공기 오본(oven)안에서 건조된다. 완전하게 건조시킨 후에, 흑연 기질 시편(47)은 하부 체임버 부분(31)안의 지지봉(35)들 위에 위치되고 상부 체임버(32)는 중기피복실을 형성하기 위해 하부 체임부 부분(31)과 접촉하여 위치된다. 그레이드 GH 흑연 펠트(42)는 약 8in(203㎛)의 너비와 약 0.125in(3.2mm)의 두께를 갖는다, 흑연 펠트(42)는 중기 피복실 외부 둘레에 두 번 감겨진다. 흑연 클램프(clamp)(48)은 중기 피복실(30)에 흑연 펠트(42)을 고정시키기 위해 사용되어, 그결과 장치의 형성을 완성시킨다. 그 장치는 그후에 설비를 형성하기 위하여 더 큰 격납 흑연 용기(43)안에 위치된다.
그 설비 및 그것의 내용물들은 그후에 진공로(vacuum furnace)안에 위치되고, 진공로 문이 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르(milliorr)의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르로 약 50분 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 250℃의 속도로 약 500℃까지 가열되고, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 진공로는 그후에 시간당 약 500℃의 속도로 약 500℃에서 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 약 1000℃에서, 진공로 안의 압력은 약 60 밀리토르에서 약 250밀리토르 사이까지 상승되고, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 500℃로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리토리까지의 범위로 약 1900℃온도로 약 2시간동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 범위의 압력을 유지하면서 실온까지 시간당 약 350℃의 속도로 냉각된다. 거의 실온에서 진공펌프는 꺼지고, 진공로는 대기압까지 조정되며, 설비와 그것의 내용물들은 로에서부터 제거된다.
장치가 분해된 후에, 흑연기질 시편은 증기 피복실(30)의 하부 체임버 부분(31)로부터 제거되고, 거울과 같은 완성품이 흑연 기질 시편의 표면을 코팅시킨다는 것을 알아야 한다. 세라믹 복합물 코팅의 X-선 회절 분석 결과는 세라믹 복합물 코팅의 성분들이 다른 상들중에 TiC와 C를 포함하는 것을 나타낸다. 흑연기질 시편은 그 후에 금속조직 시험 및 주사전자 현미경(SEM)시험을 위해 절단되고, 장착되며, 연마된다. 특히, 제2A도는 흑연기질 시편(52)위에 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 미세구조이고 제2B도는 흑연 기질 시편(52)위에 복합물 코팅(51)을 주사 전자 현미경으로 약 200X 배율로 찍은 파멸사진이다.
[실시예2]
본 실시에는 상승된 온도에서 흑연 기질과 모제 금속 증기를 반응시킴으로써 흑연 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 또한 나타내고 있다.
제3도는 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위해 사용되는 설비의 개략적인 단면도이다. 특히, 제 3도는 격납 흑연 용기(71)안에 위치하는 증기 피복실(72)의 개략적인 단면도이다. 증기 피복실(72)는 흑연판(60)과, 10개의 적층가능한 금속원 트레이(61)들과 기질지지 체임버부분(62)와 적층가능한지지 체임지 부분(62)의 측벽들에 부착된 5개의 기질 지지봉(63)들과, 구멍을 구비한 흑연리드(64)와, 흑연리드(64)안의 구멍들을 덮는 흑연 펠트(68)과, 흑연 봉(66)을 끼우고 너트(67)로 조임으로써 흑연판(60)에 부탁되는 네 개의 적층가능한 모듈 정렬(module alignment)봉(65) 및, 고정나사(70)을 통해 적층가능한 모듈 정률봉과 결합하는 적층가능한 모듈정렬 클램프(69)들을 포함한다.
특히, 흑연 판(60)은 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 제작된다. 또한, 흑연 판(60)은 약 6.15in(165mm)의 길이와 약 6.5in(165mm)의 너비와 약 0.51in(13mm)의 두께를 갖는다. 약 6.51in(165mm)의 길이와 약 0.5in(13mm)의 높이를 갖는 흑연 판(60)의 측면 중앙지점은 구멍이 뚫어져 있고 나사식으로 된 흑연 봉(65)을 수용하기 위해 암나사의 골이 파져있다.
적층가능한 모재 금속원 트레이(61)들은 약 6.5in(165mm)의 길이와 약 6.5in(165mm)의 너비와 약 0.75in(19mm)의 높이와 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 적층가능한 모재 금속원 트레이(61)의 6.5in(165mm)의 길이와 6.5in(165mm)너비 부분의 중앙에 있는 구멍은 약 2in(51mm)의 길이와 약 2in(51mm)의 너비를 갖는다. 적층가능한 금속원 트레이(61)들의 형성을 완전하게 하기 위하여, 약 2in(51mm)길이와 약 2in(51mm)너비의 구멍 둘레를 따라 2.5in(64mm)의 길이와 2.5in(64mm)의 너비와 0.25in(6.4mm)의 높이 및 0.25in(6.4mm)의 두께를 가진 흑연으로된 직사각형 프레임(frame)을 RIGIDLOCKR흑연 접착제(캘리포니아주, 발레시아에 위치하는 폴리카본 코오포레이숀의 제품)를 사용하여 고정시킨다.
적층가능한 기질지지 체임버 부분(62)은 약 6.5in(165mm)의 길이와 6.5in(165mm)의 너비와 2.0in(51mm)높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 각각 약 0.38in의 지름과 약 6.5in(165mm)의 길이를 갖는 5개의 지질 지지봉(63)들은 기질 체임버 부분(62)의 측벽에 끼워진다. 모든 지지봉들은 기질 체임버 부분(62)의 바닥부로부터 약 1in(25mm) 만큼 떨어져 위치된다. 또한 각각의 5개 지지봉(63)들은 기질지지 체임버 부분(62)의 일측벽으로부터 각각 약 1in(25mm), 약 2in(51mm), 약 3in(76mm), 약 4in(102mm), 약 5in(127mm)만큼 떨어져 위치되고, 기질지지 체임버 부분(62)의 일축벼으로부터 대향 측벽으로 연장된다. 지지봉(63)은 코팅동안 흑연 기질 시편들을 지지하기 위한지지 수단을 형성한다.
흑연 리드(64)는 약 6.5in(165mm)의 길이와 약 6.5in(165mm)의 너비 및 약 0.25in(6.4mm)의 두께를 갖는다. 약 5개의 구멍들은 흑연 리드(64)안의 중심에 위치되고, 증기 피복실의 외부 분위기와 연통하기 위한 수단을 제공한다. 각각의 구멍은 약 0.25in의 지름을 갖는다.
증기 피복실(72)는 수평 테이블 정부위에 흑연 판(60)을 우선 위치시킴으로써 조립된다. 흑연으로 만들어진 많은 지정된 적층가능한 모재금속원 트레이(61)들에는 그후에 약 0.033in(0.84mm)에서 약 0.25in(6.4mm)사이의 지름을 갖는 지르코늄 스포지 재료(유타주, 오그덴(ogden)에 위치한 웨스턴 지르코늄(Western Zirconium)사의 제품)의 약 250g이 충전된다. 지르코늄 스폰지 재료는 각각의 적충가능한 모재 금속원 트레이 안에 균등하게 분배된다. 5개의 적층가능한 모재 금속원 트레이(61)들은 흑인판(60)위로 거의 일렬로 나란하게 하나위에 다른 하나를 적층시켜 위치된다. 기질지지 체임버 부분(62)는 그후에 5개의 적출가능한 모재 금속원 트레이(61)들위에 일렬로 나란하게 위치된다. 실시예 1에 서술된 흑연 기질 시편과 동일한 방법으로 준비되고 거의 동일물인 흑연 기질 시편(73)은 기질 지지봉(63)들 위의 기질지지 체임버 부분(62)안에 위치된다. 각각 그 안에 250g의 지르코늄 스폰지 재료를 갖고 있는 5개의 추가된 적층가능한 모래 금속원 트레인(61)들은 기질지지 체임버 부분(62)위에 적층된다. 흑연 리드(64)는 그후에 최상부에 있는 적층가능한 모재 금속원 트레이(61)의 정부에 위치된다. 약 10.25in(260mm)의 길이와 2.0in(51mm)의 너비 및 약 0.38(9.6mm)의 두께를 갖고 나사식으로 된 흑연 봉(66)을 수용하기 위해 일단부에 구멍을 구비한 4개의 적층가능한 모듈 정렬 바아(65)들은 10개의 적층가능한 모재 금속된 트레이(61)과 기질지지 체임버 부분(62) 및 흑연 리드(64)들을 거의 나란하게 정렬시키기 위해 나사식 흑연 봉(66)에 걸쳐 위치되고 고정되어 있다. 약 0.125in(3.2mm)의 두께를 갖는 그레이드 GH 흑연 펠트(68)(매사츄세츠주, 비드포드에 위치한 파이버 머티어리얼즈, 인코오포레이트드)의 적어도 세 개의 충돌은 흑연 리드(64)안의 구멍들에 걸쳐서 위치된다. 약 1in(25mm)의 길이와 1in(25mm)의 너비 및 약 0.15in(1.3mm)의 두께를 갖는 단부들을 연장함으로써 약 8in(203mm)의 길이와 1in(25mm)의 너비 및 약 0.25in(6.4mm)의 두께를 갖는 제 1모듈 정렬클램프(69)는 고정나사(70)을 구비한 연장단부가 적층가능한 모듈 정렬 바아(65)와 일렬로 나란하도록 흑연 펠트(68)과 접촉되어 위치된다. 모듈 정렬 클램프(69)에 있는 고정나사(70)은 그후에 흑연 리드(64)와 적층가능한 모재 금속원 크레이(61)들 및 기질지지 체임버 부분(62)들에 대해 적층가능한 모듈 정렬 바아(65)를 고정시키기 위해 조정된다. 제 2모듈 정렬 클램프(69)는 제1 모듈 정렬 클램프(69)에 수직으로 접촉하여 위치되고, 고정나사(70)들은 흑연리드(64)와 가질지지 체임버(62) 및 적층가능한 모재 금속원 트레이(61)들을 일렬로 나란하게 하는 적층가능한 모듈 정렬 바아(65)들의 제2고정으로 단단하게 고정시켜서, 그 장치의 형성을 완성시킨다. 중기 피복실을 구비한 장치는 그후에 설비를 형성하기 위하여 격납 흑연 용기(71)안에 위치된다.
그 설비 및 그것의 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 약 15분 동안 진공되고, 그후에 아르곤 가스로 채워진다.
진공로가 거의 완전하게 아르곤 가스로 채워진 후에, 진공로는 약 0.12밀리토르의 압력까지 진공된다. 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 350℃의 속도로 약 1000℃까지 가열되고, 약 60 밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 진공로는 그후에 시간당 약 350℃의 속도로 약 1000℃에서 약 2000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르사이의 압력을 유지한다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력에서 약 2000℃온도로 약 5시간동안 유지한 후에, 진공로와 그것의 내용물들은 실온까지 시간당 약 350℃의 속도로 냉각된다. 거의 실온에서 진공 펌프는 꺼지고, 진공로는 대기압까지 조정되며, 설비와 그것의 내용물들은 로에서부터 제거된다.
장치가 분해된 후에, 흑연 기질 시편은 증기 피복실(72)의 기질지지 체임버 부분(62)내부부터 제거되고, 금속형 완성품이 흑연 기질 시편의 표면을 코팅시킨다는 것을 알아야 한다. 흑연 기질 시편은 금속 조직 시험을 위해 절단되고 장착되며 연마되다. 특히, 광학 현미경을 사용하는 세라믹 복합물 코팅의 시험은 약 73㎛의 세라믹 복합물 코팅 두께가 흑연 기질 시편위에 형성되었다는 것을 알게해 준다. X-선 회절에 의한 세라믹 복합물 코팅의 분석으로 세라믹 복합물 코팅의 성분들이 다른 상들중에서 ZrC 및 C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
[실시예 3]
하기의 실시예는 모제 금속 분말과 붕소 탄화물분말을 구비하는 혼합체를 흑연 기질의 표면에 도포하고, 모재 금속 분말, 붕소탄화물, 모재 금속증기 및/또는 흑연 기질 사이에서 반응이 일어날 수 있도록 모재 금속증기 상태에서 분말이 덮힌 흑연 기질을 가열함으로써 흑연 기질위의 세라믹 매트릭스 코팅을 포함하는 반응 생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
더 작은 증기 피복실이 사용된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법이 반복되고 있다. 특히, 더 작은 중기 피복실의 외부 치수는 약 3.25in(89mm)의 길이와 3.5in(89mm)의 너비와 약 7in(178mm)의 높이를 갖고, 굴뚝부는 약 3.25in(83mm)길이와 약 1.25in(32mm)의 지름 및 약 0.25in(6.4)의 벽두께를 갖는다. 약 2.5in(64mm)의 길이와 2.5in(64mm)의 너비와 1in(25mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는 단지 하나의 흑연 모재 금속원 트레이만이 더 작은 증기 피복실의 하부 체임버 부분의 바닥부에 위치된다.
약 1in(25mm)의 길이와 약 1in(25mm)의 너비와 약 0.2in(5.1mm)의 두께를 갖는 그레이드 AXZ-5Q 흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라피이트의 제품)의 기질 시편은 테두리가 부드러워질 때까지 400그릿(평균 입자 크기가 23㎛임)의 탄화규소 연마페이퍼를 사용하여 기질의 테두리를 연마함으로써 코팅을 하기 위해 준비된다. 흑연기질 시련의 모든 표면들은 1200그릿(평균 입경이 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼를 사용하여 연마함으로써 거칠어 진다. 연마된 흑연 기질 시편은 그후에 아세톤 욕을 초음속적으로 약 15분 동안 동요시킴으로써 세척하고, 약 0.5시간 동안 약 120℃의 공기 오븐안에서 건조된다. 약 66.3중량%의 -325메쉬(mesh)(입자크기 ≤ 45㎛)인 지르코늄 분말(뉴우저지주, 새들브록(saddle brook)에 위치한 컨솔리데이티드 애스트로노오틱스(Consolidated Astronautics)의 제품)과 약 9.5중량%의 TETRABORR M-16인 1000그릇(평균 입자크기가 약 5㎛) 탄화붕소(코네티컷주, 뉴 카난(New Canaan)에 위치한 에스크-엔지니어링 세라믹스(ESK-Engineered Ceramics)의 제품)외 약 24.0중량%의 탈염수 및 0.2중량% XUS-40303.00의 삼사 아미드 폴리머 세라믹 접착제(미시간주, 미드랜드(Midland)에 위치한 도우 케미칼 컴패니(Dow Chemical Company)의 제품)들을 구비하는 슬러리 혼합체는 플라스틱 단지안의 슬러리 혼합체 성분들을 결합시키고 적어도 2시간 동안 단지 분쇄기에서 로울 믹싱함으로써 준비된다. 슬러리 혼합체의 일부는 흑연 기질 시편의 거칠어진 표면들의 하나에 도포된다. 슬러리 혼합체의 세 개의 분리된 코팅들은 거칠어진 표면위에 도포된다. 슬러리 혼합체의 각각의 도포는 다음 도포가 이루어지기 전에 공기 건조된다. 세 개의 슬러리 혼합체 도포가 분말코팅을 형성하기 위하여 완전하게 공기 건조된 후에 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 약 45℃의 보강된 공기 오븐안에 위치된다. 약 45℃로 약 0.5시간 동안 유지된 후에, 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 추가의 약 0.5시간 동안 약 120℃의 제2의 보강된 공기 오븐안으로 이동된다. 건조후에, 흑연 기질 시편위의 분말 코팅 두께는 약 0.07in(432㎛)이고 약 0.3g의 중량을 갖는다. 실시예 1에서와 같이, 장치는 설비를 형성하기 위하여 더욱 큰 격납 흑연 용기안에 위치된다.
그 설비 및 그것의 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 약 15분 동안 진공되고, 그후에 아르곤 가스로 채워진다.
진공로가 거의 완전하게 아르곤 가스로 채워진 후에, 진공로는 약 0.12밀리토르의 압력까지 진공된다. 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 350℃의 속도로 약 1000℃가지 가열되고, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 진공로는 그후에 시간당 약 350℃의 속도로 약 1000℃에서 약 2000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르에서 약 250 밀리토르사이의 압력을 유지한다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력에서 약 2000℃온도로 약 5시간동안 유지한 후에, 진공로와 그것의 내용물들은 실온까지 시간당 약 350℃의 속도로 냉각된다. 거의 실온에서 진공 펌프는 꺼지고, 진공로는 대기압까지 조정되며, 설비와 그것의 내용물들은 로에서부터 제거된다.
그 장치가 분해된 후에, 흑연 기질 시편은 더 작은 증기 피복실의 하부 체임버 부분으로부터 제거되며, 금속형 완성품이 흑연 기질의 표면을 코팅시킨다는 것에 주목해야 한다. 흑연 기질은 금속 시험을 위해 절단되고 장착되며 연마된다. 특히, 제4A도는 흑연 기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 100X 배율로 찍은 미세 구조이다. 제 4B도는 세라믹 복합물 코팅(51)의 소형판 조직형태를 도시한 세라믹 복합물 코팅을 약 400X 배율로 찍은 미세 구조이다.
[실시예 4]
하기 실시예는 붕소 분말을 구비한 혼합체를 흑연 기질의 표면에 도포하고, 붕소분말, 모재 금속 증기 및/또는 흑연 기질 사이에서 반응할 수 있도록 하기 위해 모재 금속 증기 상태에서 분말로 덮힌 흑연 기질을 가열함으로써 흑연 기질위에 반응 생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
흑연 기질의 시편의 표면을 준비하고 코팅하는 방법을 제외하고는 실시예 1의 방법이 반복된다. 특히, 그레이드 AXZ-5Q 흑연 기질 시편의 표면은 모든 면들을 부드럽게 하기 위해 1200그릿(평균 입자 크기가 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마된다. 연마된 흑연 기질 시편은 그후에 아세톤 욕을 촉음속적으로 동요시킴으로써 약 15분 동안 세착한 다음에 약 0.5시간 동안 약 120℃의 보강된 공기오븐 안에서 건조된다. 거의 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 시편은 약 10중량%의 GAFR PVP K-15 폴리비닐 피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone)(뉴우저지주, 웨인(Wayne)에 위치한 가프 세미칼 코오포레이숀(GAF Chemnical Corporation)의 제품)과 에탄올을 구비하는 용액에서 코팅된다.
흑연 기질 시편 표면의 코팅을 약 15분 동안 공기 건조시킨 후에, 흑연 기질 시편은 약 120℃의 보강된 공기 오븐에 위치된다. 거의 실온에서, 흑연 기질시편의 일측부는 약 20∼30중량%의 초미세한 붕소분말(펜실베이니아주, 캘러리(Callery)에 위치한 캘러리 케미칼 컴패니(Callery Chemical, Co.)의 제품)과 그나머지 에탄올을 구비한 슬러리로 코팅된다. 잉여의 슬러리는 흑연기질 시편의 측면에서 닦아지고 흑연 기질 시편은 건조된다. 거의 실온에서, 흑연 기질 시편은 약 75∼85중량% ELMER'SR의 전문 목수들의 나무 접착제와 그나머지 탈염수를 구비한 용액으로 다시 코팅된다. 흑연 기질 시편은 그후에 탈염수의 추가된 양으로 닦아진다. 나무 접착제 탈염수 용액이 젖어 있으면, -325 메쉬(입경 ≤ 45 ㎛) 붕소분말(뉴우저지주, 새들브록에 위치한 컨솔리데이티드 애스트로노오틱스, 인코오포레이티드)은 흑연 기질 시편의 일표면위까지 손으로 이동된다. 흑연 기질 시편의 표면에 고착되지 않은 잉여 붕소 분말은 낙타털로 만든 브러쉬로 털어내어진다. 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 그후에 약 45℃의 보강된 공기 오븐안에 위치된다. 약 45℃로 약 0.5시간 유지한 후에, 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 약 120℃의 보강된 제2의 공기 오븐안으로 이동된다. 제2의 보강된 공기로 안에서 약 120℃로 약 0.5시간 유지한 후에, 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 제거되어 거의 실온까지 냉각된다. 거의 실온일 때, 분말 코팅된 흑연 기질 시편은 피복실(32)의 하부 체임버 부분(30)안의 기질 지지봉(35)(제 1도에 언급됨)들위에 위치되고, 상부 체임버 부분(32)는 하부 체임버 부분에 걸쳐 위치한다.
본 실시예가 실시예 1과 다른 또한가지 예외는 약 400g의 티타늄스폰지 재료(오리건주, 알바니(Albany))에 위치한 오리건 메탈러지컬 코오포레이숀(Oregon Metallurgical Corporation)의 제품)는 흑연 금속원 트레이들안에 위치되고 않고 증기 피복실(30)의 하부 체임버부분(31)의 바닥부에 직접 위치되며, 증기 피복실의 굴뚝부(36)은 폐쇄단부 도가니(41)로 덮혀지지 않는다. 증기피복실(30)은 설비의 형성을 완전하게 하기 위하여 격납 흑연 용기(43)안에 위치된다.
설비와 그것의 내용물들은 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후 진공된다. 약 60밀리트르 이하의 압력하에서 약 0.5시간 유지한 후에, 진공로는 시간당 약 250℃의 속도로 약 500℃까지 가열되고, 그후에 약 500℃에서 약 1000℃까지 가열되며 그때 압력은 60밀리토르 이하로 유지된다. 약 1000℃에서, 압력은 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이로 증가되게 되고, 진공로는 시간당 약 500℃로 약 1900℃까지 가열된다. 약 1900℃로 약 2.5시간 유지된후에, 압력은 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이에서 유지되며, 진공로와 그것의 내용물들은 시간당 약 350℃로 실온까지 냉각된다. 실온에서, 진공펌트는 꺼지고, 진공로는 대기압까지 조정되며, 설비와 그것의 내용물들은 진공으로부터 제거된다.
그 설비가 분해된 후에, 흑연 기질 시편은 중기피복실의 하부 체임버 부분안으로부터 제거되며, 금속형 완성품이 흑연 기질 시편을 코팅시킨다는 것에 주목해야 한다. 흑연 기질 시편은 그후 금속 조직 시험을 위해 절단되고 장착되어 연마된다. 특히, 광학 현미경에 의한 세라믹 코팅의 시험으로 코팅의 두께가 약 200㎛인 것을 알 수 있다. X-선 회절 분석의 결과로 세라믹 복합물 코팅이 다른 상들중에서 TiB2와 TiC를 포함한다는 것을 알 수 있다. 특히, 제5도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 미세구조이다.
[실시예 5]
하기 실시예는 흑연 기질의 표면에 붕소탄화물 분말을 도포하고, 붕소탄화물 분말과 모재금속 증기 및/또는 흑연 기질 사이에서 반응이 일어날 수 있도록 하기 위해 모재금속 증기의 상태에서 분말이 피복된 기질을 가열함으로써 흑연기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
흑연 기질 시편의 표면을 준비하고 코팅하는 방법을 제외하고는 실시예 1방법이 반복된다. 특히, 중량으로 약 6% ELVACITER2045 아크릴 수지(델라웨어주, 윌밍톤에 위치한 이. 아이. 듀퐁 드 네모우스 앤드 컴패니, 인코오포레이티드(E.I. 여 Pont de Nemours and Company, Inc.)의 제품)와, 0.6% n-부틸 프탈레이트(n-butyl phtalate)(펜실베이니아주, 피츠버그에 위치한 피셔 싸이언티픽 캠패니(Fisher Scientific Company)의 제품)과, 약 42.28%의 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 및, 약 51.66%의 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(펜실베이니아주, 리당(Reading)에 위치한 텍스타일 케미칼 컴패니(Textile Chemical Company)의 제품)를 구비하는 용액은 플라스틱 단지 안에서 결합되고, 효과적으로 혼합시키기 위해 교반기 위에 위치한다. 교반기 위에서 약 0.5시간 지난후에, 플라스틱 단지는 느린 로울 단지 분쇄기(slow roll jar will)로 이동된다. 느린 로울 단지 분쇄기 위에서 약 1시간 지난후에, TETRABORR1000 그릿(평균 입경이 5㎛ 임)의 붕소탄화물 분말의 양은 약 50중량% 붕소탄화물과 약 50중량% 용역을 갖는 슬러리 혼합체를 만들기 위해 용액에 첨가된다. 플라스틱 단지는 용액안의 붕소탄화물을 부유시키기 위해 느린 로울 단지 분쇄기에 다시 위치되어서, 그로인해 슬러리 혼합체를 형성한다. 느린 로울 단지 분쇄기 위에서 적어도 약 0.5시간 지난후에, 슬러리 혼합체가 형성되고 실시예 4에서 서슬된 것과 동일하게 준비된 흑연 기질 시편의 표면에 도포된다. 흑연 기질 시편위의 슬러리 혼합체가 거의 건조된 후에, 분말로 덮힌 흑연 기질 시편은 중기 피복실의 하부 체임버 부분안의 흑연 지지봉들에 위치된다. 증기 피복실은 그후에 설비의 완전한 형성을 위해 격납 흑연 용기 안에 위치된다.
설비와 그것이 내용물들은 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 약 0.12밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.12밀리토르로 약 25분 지난후에, 진공로와 그것의 내용물들은 실온으로부터 약 500℃까지 시간당 약 250℃의 속도로 가열되고, 그 후에 약 500℃에서 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하로 압력을 유지시킨다. 진공로는 그후에 신간당 500℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열되며, 약 60밀리트로에서 약 250밀리토르 사이의 압력을 유지한다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리트로 사이의 압력으로 약 1900℃로 약 2시간 동안 유지한 후에, 진공로와 그것의 내용물들은 거의 실온까지 시간당 약 350℃의 속도로 냉각된다. 실온에서, 진공펌프는 꺼지고, 진공로 압력은 대기압까지 증가되게 된다. 실온에서, 설비와 그 내용물들은 진공로로부터 제거된다. 그 장치는 분해되고, 흑연기질 시편은 증기피복실의 하부 체임버 부분안으로부터 제거된다. 금속형 완성품이 흑연 기질 시편의 표면을 코팅시킨다는 것에 주목해야 한다. X-선 회절 분석 결과로써 세라믹 복합물 코팅이 다른 상들중에서 TiC, TiB2및 B4C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
[실시예 6]
하기 실시예는 추가된 분말을 흑연 기질의 표면에 노코하고, 모재금속증기와 흑연 기질 사이의 반응에 의해 형성되는 세라믹 복합물 코팅에 첨가제 분말의 혼합물을 허용하기 위해 모재금속 증기 상태에서 분말로 덮힌 기질을 가열함으로써 흑연기질위의 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다. 테이블Ⅰ은 샘플 A에서부터 샘플 0까지의, 첨가제 분말크기 및 성분, 첨가제 분말 코팅의 두께, 세라믹 복합물 코팅을 효과적으로 형성하기 위한 공정온도, 세라믹 복합물 코팅을 효과적으로 형성하기 위한 공정시간 및 흑연기질위의 세라믹 복합물 코팅의 두께들을 요약한 것이다.
특히, 흑연 기질시편들 위에 위치되는 첨가제 분말들의 성분은 : 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛)티타늄 탄화물(뉴우저지주, 버어겐필드(Bergenfield)에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈(Atlantic Equipment Engineers)의 제품) : 약 1∼5㎛의 입경을 갖는 티타늄 이붕화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품) : 약 14.4㎛의 평균 입경을 갖는 실리콘 사붕화물(뉴유저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품) : 약 -325메쉬(평균입경 ≤ 45㎛)의 실리콘 육붕화물(뉴우저지주, 새들브룩에 위치한 컨솔리데이티드 애스트로노오틱스, 인코오포레이티의 제품)과 약 12.6㎛의 평균 입경을 갖는 하프늄 이붕화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 바아 랙 오이드 케미칼 컴패니, 인코오포레이티드(Var Lac Oid Chemical Co., Inc.)의 제품) : 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛)의 텅스텐 단붕화물(위스콘신주, 밀워키(Milwaukee)에 위치한 세탁, 인코오포레이티드(Cerac, Inc.)의 제품) : 약 -325메쉬(입경≤45㎛)의 이텅스텐 오붕화물(위스콘신주, 밀워키에 위치한 세탁, 인코오포레이티드의 제품) : 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛)의 탄탈 이붕화물(뉴유저지주, 버어겐 필드에 위치한, 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품) : 약 1∼5㎛의 입경을 갖는 티타늄 질화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품)과 약 1∼5㎛의 입경을 갖는 지르코늄질화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품)과/ 약-325메쉬(입경 ≤ 45㎛)의 오티타늄 삼규화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한, 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품) 약 1∼5㎛의 평균입경을 갖는 티타늄 이규화물(뉴유저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품)과 약 1∼5㎛의 몰리브덴 이규화물(뉴유저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜트 이큅먼트 엔지니어즈의 제품)과 약 -100메쉬(입경 ≤ 150㎛)의 몰리브덴(뉴우저지주, 새들브룩에 위치한 컨솔리데이티드 애스트로노오틱스 캠패니, 인코오포레이티드의 제품) 및 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛)의 레늄(뉴욕, 도브스(Dobbs)에 위치한 렘바 캠패니(Rembar Co.)의 제품)을 포함한다. 실시예 1의 방법이 코팅을 위한 흑연 기질 시편을 준비하기 위해 반복되고, 실시예 5의 방법이 혹연 기질 시편들위에 세라믹 코팅을 효과적으로 형성하고 슬러리 코팅하기 위하여 샘플 A로부터 샘플 0까지에 반복이용된다.
실시예5에서 했던것처럼, 세락믹 복합물의 코팅된 흑연기질 시편들은 금속조직 시험을 위해 절단되고 장착되며 연마되고, 흑연 기질 시편위의 세라믹 복합물 코팅의 파열표면들은 전자현미경을 사용하고 조사된다. 추가로, X-선 회절에 의한 세라믹 복합물 코팅의 분석이 실행된다. 특히, 제 6a도는 샘플A를 따른 흑면 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열 사진이다. X-선 회절분석의 결과로써 샘플A위의 세라믹 복합물 코팅의 성분들은 다른 상들 중에서 TiC를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6b도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6c도는 샘플B에 대응하는 흑연 기질(52)위에 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다.
제 6d도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6e도는 새플C에 대응하는 세라믹 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플 c위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들이 다른 상들 중에서 Tic, SiB4 및 c를 포함하는 것을 알 수 있다.
제 6f도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열 사진이고, 제 6g도는 샘플d에 대응하는 흑연 기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다. X-선 회절분석의 결과로써 샘플D위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들이 다른 상들중에서 TiC, TiB2및 C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6h도는 흑연기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6Ⅰ도는 샘플 E에 대응하는 흑연기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사직이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플E위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들이 다른 상들 중에서 TiC, C 및 HfB2를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6j도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6k도는 샘플F에 대응하는 흑연 기질 시편 위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경사진이다. X-선 회절 분석 결과로써 샘플F위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들중에서 티타늄 탄화물 및 탄소를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6l도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6m도는 샘플 g에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플g위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들이 다른 상들 중에서 TiC 및 C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6n도는 흑연 기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6o도는 샘플H에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 백율로 찍은 현미경 사진이다.
제 6p도는 샘플Ⅰ에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X배율로 찍은 파열사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플Ⅰ위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들 중에서 TiC를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6q도는 흑연 기질(52)위의 세라믹 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6R도는 샘플J에 대응하는 흑연기질시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플J위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른상들 중에서 TiC 및 C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6s도는 샘플K에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플K위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들 중에서 TiC 및 Ti5Si3을 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6t도는 샘플 M에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플M위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들 중에서 TiC를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 6u도는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이고, 제 6V도은 샘플O에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다. X-선 회절분석의 결과로써 샘플O위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분은 다른 상들 중에서 TiC 및 Re를 포함한다는 것을 알 수 있다.
[실시예 7]
하기 실시예는 흑연기질의 표면에 모재금속분말을 도포하고, 모재금속분말과 금속증기 및 흑연 기질 사이에서 반응이 일어날 수 있도록 하기 위해 모재 금속 증기 상태에서 분말로 덮힌 흑연기질을 가열함으로써 흑연 기질위에 반응 생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다. 테이블 Ⅱ는 샘플P, 샘플Q 및 샘플R에 대한 모재 금속 분말의 크기 및 성분, 흑연 기질 시편에 도포되는 모재 금 속의 두께 및, 상승된 온도에서 모재 금속 분말로 코팅된 흑연 기질 시편을 증기 피복실에 위치 시킴으로써 형성되는 세라믹 복합물 코팅의 두께들을 요약해 놓은 것이다.
실시예 1의 방법이 모재 금속 슬러리로 코팅하기 위한 그레이드 AXZ-5Q 흑연 기질 시편들을 준비하기 위해 반복되고, 실시예 5의 방법이 기질 시편들을 모재금속 분말로 코팅시키고 흑연 기질 시편위의 세라믹 복합물 코팅을 효과적으로 형성하기 위하여 반복 이용된다.
흑연 기질 시편들이 중기 피복실로부터 제거된 후의 실시예 5의 샘플에 대해, 세라믹 복합물 코팅된 흑연기질 시편들은 광학 현미경을 사용하는 금속조직 시험을 위해 절단되어 장착되며 연마된다. 흑연 기질 시편들 위의 세라믹 복함물 코팅들의 파열 표면들은 전자현미경으로 조사되고, 세라믹 복합물 코팅의 X-선 회절 분석이 실행된다.
특히, 제 7a도는 샘플P에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 현미경 사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플P의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들중에서 TiC를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 7b도는 샘플Q에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플Q위의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들은 다른 상들중에서 TiC, ZrC 및 Zr을 포함한다는 것을 알 수 있다.
제 7c도는 샘플 R에 대응하는 흑연기질(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 1000X 배율로 찍은 파열사진이다. X-선 회절 분석의 결과로써 샘플R의 세라믹 복합물 코팅을 구비하는 영역의 성분들이 다른 상들 중에서 TiC, HfC 및 C를 포함한다는 것을 알 수 있다.
[실시예 8]
본 실시예는 상승된 온도에서 흑연기질과 모재금속증기를 반응시켜서 복잡한 형태로 흑연 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
직사각형의 흑연 기질 시편들 대신에, 약 2.6in(66mm)의 길이와 약 0.38in(9.6mm)의 외경 및 1in 당 약 17개의 나사산을 갖고 있는 나사식 흑연봉과 약 3.2in(81mm)의 길이와 약 1.3in(33mm)의 외경 및 약 0.125in(3.2mm)의 벽두께를 갖는 흑연 튜브가 사용되는 것을 제외하고는 실시예1이 반복이용된다. 나사식 흑연봉은 약 1900℃에서 약 5시간 동안 유지되고, 흑연튜브는 증기 피복실안에서 약 1900℃로 약 3시간 동안 유지된다. 저의 실온에서, 나사식 흑연봉과 흑연튜브는 중기 피복실로부터 제거되고, 그 양쪽 모두가 거울형완성품으로 덮히는 것이 관찰된다. 특히, 제8a도는 중기 피복실로부터 제거된 후에 보여지는 흑연봉의 사진이고, 제 8b도는 증기 피복실로부터 제거된 후에 나타난 흑연 튜브의 사진이다.
[실시예 9]
하기 실시예는 상승된 온도에서 탄소-탄소 복합물 기질과 모재 금속 증기를 반응시킴으로써 탄소-탄소 복합물 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다. 더욱이, 본 실시예는 세라믹 복합물이 코팅된 탄소-탄소 복합물 기질이 극심한 열적충격 상태에 견딜 수 있다는 것을 서술한다. 흑연 기질 시편에 추가해서, K-KARB 탄소-탄소복합물(캘리포니아주, 산린드로(San Leandro)에 위치한 카이저 에어로테크(Kaiser Aerotech)의 제품)과 상업적으로 유용한 4-D 탄소-탄소복합물이 증기 피복실에 위치된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법이 반복 이용된다. 추가로, 증기 피복실은 약 1900℃로 약 1시간 동안 유지된다. 실온에서, 탄소-탄소복합물과 모노리스(molithic)식 흑연 기질 시편들은 증기 피복실의 하부 체임버 부분으로부터 제거되고, 거울형 완성품이 본체들의 표면에 코팅된다는 것에 주목해야 한다.
4-D 탄소-탄소 복합물 기질위에 세라믹 복합물 코팅이 완전하게 되었는지를 시험하기 위하여, 열적 충격 시험이 세라믹 복합물 코팅된 4-D 탄소-탄소복합물에 산소아세틸렌 토치의 불꽃을 쏘임으로써 실행된다. 특히, 세라믹 복합물 코팅된 4-D 탄소-탄소복합물은 약 15분동안 산소아세틸렌 토치의 불꽃에 노출된다. 15초 동안의 온도 상승은 실온에서부터 약 3500℃까지 올라기게 된다. 산소아세틸렌 토치의 불꽃에 세라믹 복합물 코팅된 4-D 탄소-탄소복합물을 약 15초동안 노출시킨 후에, 세라믹 코팅된 탄소-탄소복합물은 약 30초동안 냉각된다. 세라믹 코팅된 4-D 탄소-탄소복합물을 산소 아세틸렌 토치의 불꽃으로 15초동안 가열시키고 그후에 30초동안 공기 냉각시키는 싸이클을 네 번 반복 실행한다. 세라믹 복합물 코팅된 탄소-탄소복합물이 실온까지 냉각된 후에, 세라믹 코팅이 완전하게 된다는 것을 알아야 한다.
[실시예 10]
하기 실시예는 상승된 온도에서 탄소-탄소 복합물 기질시편과 모재 금속 증기를 반응시킴으로써 탄소-탄소 복합물 기질위에 반응생성물을 형성하기 위한 방법을 설명한다.
제 9도는 흑연 기질 시편들 및 탄소-탄소복합물 기질위의 세라믹 복합물 코팅을 형성하기 위해 사용되는 설비의 도시적인 단면도이다. 특히, 제9도는 증기피복실(130)의 도시적인 단면도이다. 증기 피복실(130)은 하부체임버 부분(132)와, 하부 체임버 부분의 측벽에 부착된 9개의 기질지지봉(133)들과, 하부 체임버 부분(132)안의 9개의 모재 금속원 트레이(134)들과, 상부 체임버 부분(136) 및, 흑연펠트(138)을 구비하고 상부 체임버 부분(136)에 부착되는 연장된 부분(137)을 포함한다.
특히, 증기 피복실(130)의 하부 체임버 부분(132)는 약 10in(254mm)의 길이와 약 10in(254mm)의 너비와 약 4in(102mm)의 높이 및 약 0.5in(13mm)의 벽두께를 갖는다. 하부 체임버 부분(132)는 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로부터 기계가공된다. 약 0.38in(9.6mm)의 지름을 갖고 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 포로덕츠 사업부의 제품)으로부터 제작된 9개 흑연 지지봉들은 하루 체임버 부분(132)의 측벽에 있는 구멍들에 끼워진다. 모든 지지봉들은 하부 체임버 부분(132)의 바닥부로부터 약 2,0in(51mm)만큼 떨어져서 위치된다.
추가적으로, 9개의 지지봉들 각각은 하부 체임부 부분(132)의 일측벽으로부터 각각 약 1in(25mm), 약 2in(51mm), 약 3in(76mm), 약 4in(102mm), 약 5in(127mm), 약 6in(152mm), 약 7in(178mm), 약 8in(203mm), 약 9in(229mm) 만큼 떨어져어 위치되고 하부 체임버 부분(132)의 일측벽으로부터 대향 측벽으로 연장한다. 지지봉들은 코팅동안 흑연 기질 시편들을 지지하기 위한지지 수단을 형성한다.
증기 피복실(130)의 상부 체임버 부분(136)은 약 10in(254mm)의 길이가 약 10in(254mm)의 너비와 약 4in(102mm)의 높이 및 약 0.5in(13mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 체임버 부분(136)은 추가로 약 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖는 5개의 구멍(139)들을 포함한다. 각각 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖는 5개의 구멍(139)들은 상부 체임버 부분(136)의 경부의 중심부에 위치된다. 연장 부분(137)은 약 3.5in(89mm)의 길이와 3.5in(89mm)의 너비와 2in(51mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 연장 부분(137)은 또한 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로부터 기계 가공되고 측벽들의 상부와 정부를 따라 약 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖는 구멍들로 관통되어 있다. 그레이드 GH 흑연 펠트 재료(138)(메인주, 비드포드에 위치한 파이버 머티어리얼즈, 인코오포레이티드의 제품)은 피복실(130)의 연장 부분(137)에 위치되고, 피복실(130)의 연장 부분(137)은 흑연으로 제작되고 흑연 맞춤 핀(141)로 흑연 체임버의 상부분에 고정된 앵글(140)을 사용하여 피복실(130)의 상부부분(136)에 나란히 정렬된다.
모재 금속원 트레이(134)들은 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로부터 기계가공된다. 흑연 금속원 트레이(134)들은 약 2.5in(64mm)의 길이와 2.5in(6.4mm)의 너비와 1in(25mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 흑연 금속원 트레이(104)들은 하부 체임버 부분의 바닥부의 공간에 평평하게 위치된다. 흑연 금속원 트레이들 모두는 약 0.25in(6.4mm)에서 약 0.38in(9.7mm)사이의 깊이까지 약 - 5메쉬 + 20메쉬(입경이 약 850㎛에서 400㎛사이임)의 티타늄 금속 스폰지(유타주, 솔트 레이크 시티(Salt Lake City)에 위치한 마이크론 메탈스, 인코오포레이티드(Micron Metals, Inc.)의 제품으로 채워진다.
약 1in(25mm)의 길이와 약 1in(25mm)너비 및 약 0.2in(5.1mm)두께를 갖는 그레이드 AXZ-5Q 흑연 재료(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라이파이드, 인코오포레이티드(Poco Graphite, Inc.)의 제품)은 테두리를 부드럽게 하기 위하여 400 그릿(평균 입경이 약 23㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마되고, 그후에 모든 면들을 부드럽게 하기 위하여 1200 그릿(평균 입자 크기가 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마된다. 그후에, 연마된 흑연 기질 시편은 아세톤 욕을 초음속적으로 동요시켜 약 15분동안 세척되고 약 0.45시간 동안 약 120℃의 공기 오븐안에서 건조된다. 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 시편은 하부 체임버 부분(132)안의 지지봉(133)위에 위치된다. 동일한 절차가 K-KARB 탄소-탄소 복합물(캘리포니아주, 산 린드로에 위치한 카이저 에어로테크의 제품과 상업적으로 유용한 4-D 탄소-탄소복합물에도 반복된다. 탄소-탄소 복합물 성분들이 약 120℃로 약 0.5시간동안 건조된 후에, 탄소-탄소 복합물 시편들은 중기 피복실(130)의 하부 체임버 부분(132)안의 흑연 지지봉(133)들 위에 위치된다.
증기 피복실(130)의 상부부분(136)은 피복실(130)의 하부 체임버 부분(132)위에 일렬로 정렬되어 위치된다. 증기 피복실(130)과 그 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고, 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분 동안 유지하고한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 250℃의 속도로 약 500℃까지 가열되고, 약 60밀리토르 이하의 압력으로 유진된다. 진공로는 시간당 약 750℃의 속도로 약 500℃로부터 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지시킨다. 약 1000℃에서, 진공로안의 압력을 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력까지 상승되고 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60 밀리토르에서 약 250 밀리토르 사이의 압력으로 약 1900℃로 약 2시간 동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각되며, 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력으로 유지된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 시간당 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각되며, 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력을 유지시킨다.
실온에서, 진공로의 문은 개방되며, 증기 피복실(130)은 로에서부터 제거되고 분해되며, 탄소-탄소 복합물과 모노리스식 흑연 기질 시편들은 중기 피복실(130)의 하부 체임버 부분(132)로부터 제거된다. 거울형 완성품이 기질시편들의 표면을 코팅시킨다는 것을 알 수 있다. 특히, 제 10A도는 코팅고정으로부터 생성되는 외형의 변화를 나타내는 흑연 기질 시편(80)과 세라믹 복합물 코팅된 흑연 시편(81)을 비교한 것이다. 제10B도는 코팅 공정으로부터 생성되는 외형의 변화를 나타내는 K-KARB 탄소-탄소 복합물 시편(90)과 세라믹 코팅된 K-KARB 탄소-탄소 복합물 시편(91)을 비교한 사진이다. 제 10C도는 코팅 공정으로부터 생성되는 외형의 변화를 보여주는 4-D 탄소-탄소 복합물 시편(100)과 세라믹 복합물 코팅된 4-D 탄소-탄소 복합물 시편(101)을 비교한 사진이다.
[실시예 11]
하기 실시예는 흑연 기질의 표면에 첨가제 분말을 도포하고, 모재 금속 증기 및 흑연 기질사이의 반응에 의해 형성된 세라믹 복함물 코팅안에 첨가제 분말을 첨가할 수 있도록 하기 위하여 모재 금속 증기 상태에서 분말이 덮힌 기질을 가열함으로써 흑연 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
테이블 Ⅲ은 샘플 S부터 샘플 Z까지에 대한 첨가제 분말의 크기 및 성분, 첨가제 분말 코팅의 두께, 세라믹 복합물 코팅의 효과적인 형성을 위한 공정온도, 세라믹 복합물 코팅의 효과적인 형성을 위한 공정시간, 흑연 기질 시편위의 세라믹 복합물 코팅 두께의 목록을 나타내고 있다.
특히, 슬러리들로써 흑연 기질의 표면에 도포된 첨가제 분말들의 성분은 그레이드 E67 1000 그릿(평균 입경이 약 5㎛임)의 알루미나(매사츄세츠주, 워세스터에 위치한 노턴 캠패니(norton Company)의 제품), 경 분말 마그네슘 산화물(펜실베이니아주, 피츠버그에 위치한 피셔 싸인언터픽의 제품), 약 1∼5㎛입경을 갖는 티타늄 이산화물(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품) 그레이드 MSZ 지르코늄 이산화물(뉴우저지주, 플레밍톤(Flemmington)에 위치한 마그네슘 일렉트론, 인코오포레이티드(Magnesium Electron, Inc.)의 제품), 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛)의 마그네슘 알루미네이트 스피넬(magnesium aluminate spinel)(뉴우저지주, 버어겐필드에 위치한 아틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품), 약 -325(입경 ≤ 45㎛)의 실리콘 이산화물(뉴우저지주, 새들브록에 위치한 컨솔리데이티드 애스트로노오틱스, 인코오포레이티드의 제품), 텅스텐 이산화물(매사츄세츠주, 댄버스에 위치한 알파 프로덕츠, 모르톤 티오콜, 인코오포레이티드(Alfa Products, Morton Thiokol, Inc.)의 제품), 몰리브덴 삼산화물(뉴햄프셔주, 시브룩(seabrook)에 위치한 존슨 매트헤이(Johson Matthey)의 AESAR )들을 포함한다. 실시예 1의 방법은 슬러리 코팅을 위한 그레이드 AXZ-5Q 흑연 기질 시편(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라파이트, 인코오포레이티드의 제품)들을 준비하기 위해 반복된다. 실시예 10의 방법은 흑연 기질 시편들위의 세락믹 복합물 코팅을 효과적으로 형성하기 위해 샘플 S부터 샘플 Z까지 반복이용된다.
흑연 기질 시편들위의 세라믹 복합물 코팅들의 파열 면들은 전자 현미경을 사용하여 조사된다. 특히, 제 11a도는 샘플S에 대응하는 흑연 기질 시련(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)들을 약 500X 배율로 찍은 파열사진이다.
제 11b도는 샘플 T에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)들을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다.
제 11c도는 샘플X에 대응하는 흑연기질시펀(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)들을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다.
제 11d도는 샘플Y에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다.
제 11e도는 샘플Z에 대응하는 흑연 기질 시편(52)위의 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 파열사진이다.
[실시예 12]
하기 실시예는 모재 금속 증기와 흑연 재료사이에 반응이 일어나도록 모재금속 증기 상태에서 흑연 재료를 가열시킴으로써 세라믹 복합체를 형성하기 위한 방법을 나타내고 있다.
테이블 Ⅳ는 기질재료인 샘플 AA로부터 샘플 AE에 대한 모재 금속 증기, 첨가제 분말의 크기 및 성분, 본 실시예에 의해 세라믹 복합물 재료들을 형성하기 위한 공정온와 그 공정 온도에서의 공정시간을 요약해 놓은 목록이다.
샘플 AA는 약 1in(25mm)의 길이와 1in(25mm)의 너비와 약 0.12in(3mm)의 두께를 갖는 MAGNAMITE 5 경도 수자직(hardness satin weave)의 흑연 클로오드(cloth)(유타주, 마그나(Magna)에 위치한 허큘레스 에어로스페이스(Hercules Aerospace)의 제품)이다. 샘플 AB는 약 1.6in(41mm)의 길이와, 약 1.6in(41mm)의 너비와 약 1in(25mm)의 두께를 갖는 THORNEL 그레이드 VMA 흑연 매트(mat)(싸우스 캘러라이너주, 그린빌(Greenville)에 위치한 아모코 퍼포먼스 포로덕츠, 인코오포레이티드(Amoco Performance Products, Inc.)의 제품)이다. 샘플 AC는 약 2.4in(61mm)의 길이와 약 2.4in(61mm)의 너비 및 약 0.05in(1.3mm)의 두께를 갖는 CALCARB 의 견고한 탄소 파이버 열절연물(뉴우저지주, 월링 보로(Willing boro)에 위치한 칼카브 인코오포레이트드(Calcarb Inc.)의 제품)이다. 탄소 파이버 열 절연물은 진공 주입기술을 사용하여 약 1.14g의 초미세한 붕소 분말(펜시페이니아주, 캘러리(Callery)에 위치한 캘러리 케미칼 컴패니(Callery Chemical Co.)의 제품으로 주입된다. 특히 중량으로, 약 27.6%의 초미세한 붕소 분말(펜실베니아주, 캘러리에 위치한 캘러리 케미칼 컴패니의 제품), 11.6% ELVACITE 2045 아크릴성 수지(델라웨어주, 윌밍톤에 위치한 이.아이. 듀퐁드 네모스 컴패니, 인코오프레이티드의 제품), 0.1% n-부틸 플탈레이트(펜실베이니아주, 피츠버그에 위치한 피셔 싸이언티픽 컴패니의 제품), 33.4%의 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(펜실베이니아주, 리딩에 위치한 텍스타일 케미칼 컴패니의 제품) 및 약 27.3%의 이소프로필 알코올을 포함하는 현탄액은 플라스틱 단지안에서 만들어진다. 붕소 분말을 제외한 현탄액의 모든 성분들은 용액을 만들기 우해 결합된다. 모든 성분들이 규일한 용액을 만들기 위해 완전하게 용해된 후에, 붕소 분말이 추가된다. 플라스틱 단지는 약 15분 동안 교반 믹서기에 위치되고, 그후에 적어도 2시간 동안 로울러 믹서기에 위치되며, 최종적으로 붕소 분말의 남은 덩어리들을 분리시키고 붕소 현탁액을 완전하게 형성하기 위하여 초음속적으로 동요되는 육안에 위치된다. 붕소 현탁액은 접시안에 부어진다. 탄소 파이버 열 절연물은 그 후에 붕소 분말의 주입을 시작하기 위하여 붕소 현탁액에 잠긴다. 남은 탄소 파이버 열 절연물이 붕소 현탄액의 표면아래에 잠기면 접시외 그 내용물들을 진공실로 옮겨진다. 진공실이 닫힌 후에, 진공실은 붕소 현탁액으로부터 용매들의 일부를 효과적으로 발산시키기 위해 진공된다. 그후에 공기가 진공실안으로 재주입된다. 공기의 진공 및 제주입 사이클은 거의 모든 용매들이 발산될때까지 계속되고, 붕소 분말 주입된 탄소 파이버 열 절연물이 남는다. 샘플 AD와 AE는 약 1.6in(41mm)의 길이와 1.5in(38mm)의 너비 및 약 1.3in 두께를 갖는 CALCARB 의 견고한 탄소 파이버 열 절연물이다. 샘플 AE에 상기 서술된 진공 주입 기술을 사용하여 약 0.83g의 초미세한 붕소 분말(펜실베니아주, 캐러리에 위치한 캘러리 케미킬 컴패니의 제품)을 주입시킨다.
샘풀 AC가 약 6시간 동안 1900℃로 유지되는 것을 제외하고는 세라믹 복합물 재료들을 효과적으로 형성하기 위해 실시예 10의 방법이 반복된다. 실온에서, 증기 피복실은 분해되고, 흑연재료들은 중기 피복실의 바닥부로부터 제거되어서, 그 결과로 티타늄 금속 증기가 높은 굴절체를 형성하기 위해 흑연재료들과 반응하는 것을 알 수 있다. 추가로, X-선 회절 분석의 결과로써 샘플 AC의 성분들이 다른 상들중에서 티타늄 탄화물과 티타늄 및 티타늄 붕화물을 포함한다는 것을 알 수 있다. 제 12도는 샘플 AC의 세라믹 복합체를 약 400X 배율로 찍은 현미경 사진이다.
[실시예 13]
하기 실시예는 모재 금속 증기원에 노출시킴으로써 세라믹 복합물 코팅으로 코팅되는 혹연 본체를 사용하기 위한 방법을 설명하고 있다.
두 부분으로 된 주형이 구형 소형판을 보강시킨 복합체들을 제조하기 위해 사용된다. 제 13도는 두 부분으로된 주형의 한 부분을 도시한 도시적인 측면도이다. 두 부분으로 나뉜 주형의 반쪽들은 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클래브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공 된다. 두 부분으로된 주형은 약 2.25in(57mm)의 외경과 약 3.7in(94mm)의 높이를 갖고, 복잡한 내부공동을 갖는다. 내부 공동은 약 1.9in(48mm)의 지름과 약 0.75in(1.9mm)의 높이를 갖는 원통형 공간(153)과, 약 1.9in(48mm)의 큰 지름과 약 0.7in(1.8mm)의 작은 지름 및 약 1.2in(30mm)의 높이를 갖는 원뿔대 공간(152)와, 약 1.4in(36mm)의 지름을 갖는 구형 공간(151)을 포함한다. 원통형 공간(153)과 원뿔대 공간(152) 및 구형 공간(151)들은 두 부분으로된 주형의 대칭축에 대해 나란하게 정렬된다. 약 0.031in(0.79mm)의 너비를 갖고 두 부분으로된 주형의 바닥부에서 두 부분으로된 주형의 구형 공간부까지 연장한 두 개의 홈(155)(제13도에는 하나만 도시됨)들은 두 부분으로된 주형의 대칭축으로부터 0.13in 떨어진 곳에 위치된다. 두 부분으로된 주형의 각각의 반쪽의 또는 약 1.3in의 지름과 약 1.1in의 길이를 갖는 흑연봉들을 수용하기 위한 두 개의 정렬 구멍(154)들을 구비한다. 두 부분으로된 주형의 결합하는 반쪽들은 결합 표면들에 GRAPHIBOND 551-R 흑연 접착제(뉴욕, 오시닝(Ossining)에 위치한 아렘코(Aremco)의 제품을 도포하고 코팅된 결합 표면들을 접촉시킴으로써 조립된다. 조립된 두 부분으로된 주형들은 그후에 흑연 접착제를 경화시키기 위해 약 3시간 동안 약 120℃의 공기 오븐안에 위치된다. 실시예 1의 것과 동일한 증기 피복실이 사용된다. 네 개의 조립된 두 부분으로된 주형들은 증기 피복실의 하부 부분에 위치된다. 두 부분으로된 주형의 큰 통로는 지지 봉들과 접촉하고, 모재 금속원 트레이들에 조준선을 갖는다. 증기 피복실안의 모재 금속원 트레이들은 약 75g의 핵 그레이드 지르코늄 스폰지 재료(유타주, 오그덴(Ogden)에 위치한 웨스턴 지르코늄(Western Zirconium)의 제품)으로 채워진다. 증기 피복실의 상부 부분은 증기 피복실의 하부 부분과 일려로 나란하고, 증기 피복실은 그 설비를 형성하기 위하여 캐취 트레이(catch tray)위에 위치된다. 설비와 그 내용물들은 그 후에 진공로안에 위치되고 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속으로 약 1000℃까지 가열된다. 약 1000℃에서, 진공로안의 압력은 약 60 밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력까지 상승되고, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃로부터 약 2000℃까지 가열된다. 약 60밀리토로에서 약 250밀리토르 사이의 압력으로 약 2000℃에서 약 5시간 유지시킨 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 1000℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된고, 그후에 신간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각되며 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 범위를 유지시킨다. 실온에서, 진공로 문은 개방되고 증기 피복실은 분해되어서, 그 결과를 두 부분으로 된 주형의 표면이 피복 고정에 의해 코팅 되었다는 것을 알 수 있다.
두 부분으로된 주형들의 구형 공동은 그후에 TETRABOR 1000 그릿 붕소 탄화물(코네티컷주, 뉴카난, 에스크 엔지니어드 세라믹의 제품)로 코팅된다.
그후에, 코팅된 두 부분으로된 주형들은 붕소탄화물을 정착시키기 위해 탭용적계(tap volum meter)(독일연방공화국, 제이. 엥글스만 악티엔게젤샤프트(J. Englesmann A.G)의 모델 2003 스탬프 블루메터(stamp fvolumeter)임)를 사용하여 약 700 번정도 두드려진다. 중량으로 약 4.5%Hf, 0.2Fe 및 Cu, 0.002%H, 0.025%N, 0.05%C, 2.0∼3%Nb, 0.18%O 및, 최소 95.5%Zr 및 Hf의 성분을 갖는 모재 금속 잉곳을 나타낸 지르코늄 합금 705는 탭을 가한 붕소탄화물 분말위에 위치된다. 몇 개의 그런 장치들은 설비를 형성하기 위하여 흑연 격납용기 안에 위치된다. 설비 및 그 내용물들은 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공실은 그후에 약 9×10-4 torr의 압력까지 진공되고, 그후에 시간당 약 600℃의 속도로 실온에서 약 1600℃까지 가열된다. 약 1600℃에서, 진공로 안의 압력은 약 60∼250 밀리토르까지 상승되며 로는 시간당 약 600℃의 속도로 야 1600℃에서 약 2000℃까지 가열된다. 시간당 약 2000℃의 속도로 약 30분동안 유지한 후에, 진공실의 진공 펌프는 꺼지고 아르곤이 분당 약 10ℓ의 흐름속도로 약 2 1b/in2(0.14㎏/㎠)의 과압력이 달성될때까지 주입된다. 아르곤 흐름속도는 그후에 2ℓ/min까지 감소된다. 약 2/1b/in2(0.14㎏/㎠)의 과압력으로 약 2ℓ/min의 아르곤 흐름속도를 유지하면서 약 2000℃로 약 2시간 동안 유지시킨 후에, 로와 그 내용물들은 시간당 약 800℃의 속도로 약 2000℃에서 실온까지 냉각된다. 실온에서, 그 설비는 로에서부터 제거되고, 복합체들이 지르코늄 모재 금속의 붕소 탄화물 분말로의 반응성 침투에 의해 형성되다는 것과 생성된 세라믹 복합체들이 코팅된 두 부분의 흑연 주형들로부터 쉽게 제거된다는 것에 주목해야 한다.
금속 증기 처리를 받지 않는 네 개의 두 부분으로된 주형들의 제2그룹은 붕소 탄화물 분말로 채워지고, 상기 서슬된 지르코늄 모재 금속 합금을 공급받는다. 충전된 두 부분으로된 주행들은 흑연 격납 트레이어에 위치되어 진공로 안에 위치된다. 코팅되지 않은 두 부분으로 된 주형들은 로와 그 내용물들이 시간당 약 600℃의 속도로 약 2000℃에서 실온까지 냉각된다는 것을 제외하고는 코팅된 두 부분으로된 주형들과 동일한 공정 싸이클로 처리된다. 실온에서, 두 부분으로된 흑연 주형들이 분해되어서 모재금속이 흑연 주형을 양호하게 적시고 흑연 주형의 내부면과 반응하고 흑연 주형안의 흠(155)를 통해 새어나가며 붕소탄화물과 지르코늄 모재 금속사이에 반응량을 최소화한다는 것을 보여준다. 그러므로, 본 실시예는 주형위에 코팅을 형성하기 위하여 증기 모재금속에 노출시킴으로써 흑연 주형을 미리 코팅하는 것이 농축된 세라믹 복합체들을 제조하기 위한 능력을 개선한다는 것을 설명하고 있다.
[실시예 14]
하기 실시예는 상승된 온도에서 흑연 기질과 모재 금속 증기를 반응시킴으로서 흑연 기질위의 티타늄 탄화물 반응 생성물 코팅을 형성하는 것이 생성된 본체의 굽힘 강도를 개선할 뿐만아니라 생성된 본체의 고온 산화 저항성도 증가시킨다는 것을 설명한다. 테이브V는 두 개의 흑연 기질재료들에 대하여, 수용된 자체의 흑연 기질 시편들과 티타늄 탄화물 코팅된 흑연 기질 시편들의 온도에 따른 굽힘 강도를 요약한 것이다.
약 1.9in(48mm)의 길이와 약 0.23in(5mm)의 너비 및 약 0.11in(2.8mm)의 두께를 갖는 그레이드 AXZ-5Q 흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포순, 인코오포레이티드의 제품)과 그레이드 AXF-5Q 흑연(텍사스주, 테카더에 위치한 포코, 인코오포레이트드의 제품)의 흑연 기질 시편들의 테두리들은 1200그릿(평균 입경이 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마함으로써 거칠어진다. 연마된 흑연 기질 시편들은 초음속적으로 동요되는 아세톤 욕안에서 약 15분 동안 세척되고, 약 120℃의 보강된 공기로 안에서 약 15분 동안 건조된다. 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 시편들은 설비를 제작하기 위해 실시예 10에 설명된 것과 거의 동일한 증기 피복실안에 위치된다.
설비와 그 내용물들은 그 후에 진공로안에 위치되고 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그 후에 약 0.2 밀리토르의 압력까지 진공된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 시간당 약 750℃로 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 약 1000℃에서, 진공로안의 압력은 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력가지 상승된다. 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 진공로 체임버안의 압력으로 약 1900℃에서 약 2시간동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각되고, 그후에 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각되며, 약 60 밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 진공로 체임버안의 압력을 유지시킨다. 실온에서, 진공 펌프가 꺼진후에, 진공로는 대기압까지 조정되고, 설비와 그 내용물들은 로에서부터 제거된다.
티타늄 탄화물 코팅을 갖거나 갖지 않는 흑연 기질 시편들의 굽힘 강도는 국무성에 의해 제안된 표준 MIL-STD-1942A(1983.11.21)에 의한 절차를 사용하여 측정된다. 이 시험은 특히, 고온 세라믹 재료를 위해 고안되었다. 굽힘 강도는 이 규정안에 파열의 시간에서의 최대 외부 파이버 응력으로서 나타낸다. 4-¼-굽힘 시험이 사용된다. 그 시편들의 높이 및 너비는 약 0.01mm 정확도를 가지고 측정된다. 그 시험 시편들은 두 개의 하루 베어링 지점들과 두 개의 상부 베이링 지점들에 의한 네 개의 지점들에 가해진 응력을 받기 쉽다. 하부 스팬(span) 베어링 지점들은 약 40mm 떨어져 있고, 상부 스팬베어링 지점들은 약 20mm 떨어져 있다. 베어링 지점들사이의 정확한 거리들이 결정되고, 약 0.01mm의 정확도를 가지며 측정되는 각각의 굽힘강도 측정을 위해 기록된다. 상부스팬은 하부스팬에 걸쳐 중앙에 위치되기 때문에, 하중은 대칭적으로 가해진다. 약 0.02in/min(0.5mm/min)의 일정한 변위가 파열때까지 각 샘플에 가해진다. 실온에서 측정된 굽힘강도는 5000 파운드 부하 전지(미시간주, 트로이(Troy)에 위치한 이톤 코오프레이숀(Eaton Corp.)의 모델 3132-149)를 장착한 모델 CITS-20006 유지버셜 테스팅 머신(매사츄세츠주, 스트래톤(straton)에 위치한 시스템 인테그레이션 테크놀로지, 인코오포레이티드(System Integration Technolog, Inc.)을 사용하여 실행된다. 약 400℃, 600℃, 800℃ 및 1000℃로 측정된 굽힘강도는 500파운드 부하전지(미시간주, 트로이에 위치한 이톤 코오포레이숀의 모델 3132-149)와 저항 가열된 대기도(펜실베이니아주, 버틀러(Butler)에 위치한 어플라이드 테스트 시스템즈, 인코오포레이티드(Applied Test Systms, Inc.)의 시리즈 3350)를 장착한 모델 CITS-2000/6w 유지버셜 테스팅 머신(매사츄세츠주, 스트래톤에 위치한 시스템 인테그레이션 테크놀로지, 인코오포레이티드)을 사용하여 실행된다. 약 400℃ 및 그 이상에서 항복 강도들을 결정하기 위해 사용되는 샘플들은 적어도 1시간 동안 실험온도에서 유지된다.
테이블 V는 실험온도에 따른 대기중에서 행해지는 항복강도 측정의 결과치들이 요약되어 있다. 특히, 테이블 V의 데이터는 그레이드 AXZ-5Q 흑연 기질 시편들을 위한 실온에서의 강도가 티타늄 탄화물 코팅을 형성함으로써 약 58.7MPa로부터 약 127.4MPa까지 증가되는 것을 보여준다. 추가로, 테이블 안의 데이터는 그레이드 AXZ-5Q 탄소재료위에 티타늄 탄화물 코팅을 형성하는 것이 적어도 1000℃까지 산화 저항성을 연장시켜준다는 것을 보여준다. 즉, 티타늄 탄화물 코팅이 없으면, 그레이드 AZX-5Q 흑연 기질 재료는 약 600℃에서 산화하고, 티타늄 탄화물 코팅이 있으면, 그 재료는 실온에서 측정된 굽힘 강도를 약 1000℃에서도 유지한다. 고온 산화 저항성의 개선점들은 그레이드 AXF-5Q 흑연 기질 재료에 나타난다. 즉, 티타늄 탄화물 코팅은 약 400℃를 넘어 약 800℃까지 그레이드 AXF-3Q 흑연 기질재료의 산화 저항성을 연장시킨다.
[실시예15]
하기 실시예는 상승된 온도에서 흑연 기질과 모재 금속 증기를 반응시킴으로써 흑연 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하는 것이 초기 재료와 비교해서 최종 생성된 복합체의 표면질을 개선시킨 다는 것을 설명하고 있다. 특히, 테이블 Ⅵ는 초기 흑연 기질 시편의 표면거칠기와 상승된 온도에서 각각 2시간, 4시간, 6시간 동안 모재 금속 증기에 흑연 기질 시편을 쏘임으로써 형성된 반응생성물로 코팅된 동일한 흑연 기질 시편의 표면거칠기를 비교한 것이다.
각각 세 개의 서로 다른 흑연재료들 즉, 그레이드 AXZ-5Q 흑연재료(텍사스주, 데카터에 위치한 포코, 인코오포레이티드의 제품)와 그레이드 AXF-5Q 흑연재료(텍사스주, 데카터에 위치한 포코, 인코오포레이티드의 제품)와 그레이드 DFP-1흑연재료(텍사스주, 데카터에 위치한 포코, 인코오포레이티드의 제품)와 그레이드 ATJ 흑연 재료(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품) 및 그레이드 AGXS 흑연 재료(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)들로 이루어지고, 각각 약 2in(51mm)의 길이와 약 1in(25mm)의 너비 및 약 0.13in(3.2mm)의 두께를 갖는 세 개의 기질 시편들은 1200 그릿(평균 입경이 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마된다. 연마된 흑연 기질 시편들은 그후에 초음속적으로 동요되는 아세톤 욕안에서 약 15분동안 세척되고 약 120℃의 보강된 공기 오븐 안에서 약 15분동안 건조된다. 거의 완전하게 건조된 후에, 혹연 기질 시편들의 평균 표면 거칠기는 이하에 설명되는 방법에 따라 측정되고, 흑연 기질 시편들은 설비를 형성하기 위하여 실시예 10에서 서술된 것과 동일한 중기 피복실안에 위치된다.
설비와 그 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 시간당 약 750℃의 속도로 실온에서부터 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 약 1000℃에서, 실온까지 진공로안의 압력은 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 압력까지 상승된다. 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리트로 사이의 진공로 체임버안의 압력으로 약 1900℃에서 약 2시간 동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각되고, 그후에 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 냉각되며, 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 상이의 진공로 체임버안의 압력을 유지시킨다. 실온에서, 진공펌프가 꺼진후, 진공로는 대기압까지 조정되고, 설비와 그 내용물들은 로에서부터 제거된다.
실온에서, 진공로의 문은 개방되고 진공 피복실은 로에서부터 제거되어 분해되며, 각 흑연 재료형태의 티타늄 탄화물 코팅된 흑연 기질시편은 증기 피복실의 하부부분으로부터 제거되고, 각 흑연 재료형태의 두 개의 흑연 기질 시편들은 중기 피복실의 하부부분에 남게되며 상기 서슬된 가열 및 가공싸이클을 두 번 적용받게 된다. 상기 서술된 싸이클이 한번 다시 반복된 후에, 티타늄 탄화물 코팅된 흑연 기질 시편들의 다른 종류들은 증기 피복실의 하부부분으로부터 제거되고, 남은 5개의 흑연 기질 시편들은 상기 서술된 가열 및 가공 싸이클을 세 번 적용받게 된다. 각각의 피복 싸이클후에, 흑연 기질 시편들이 거울형 완성품을 갖는다는 것을 알 수 있다. 본 실시예를 따른 가공전이나 후의 각각의 흑연 시편의 표면 거칠기는 TALYSURF10 프로파일로미터(Profilometer )(영국의 랭크 테일러 홉슨 리미티드(Rank Taylor Hobson Limited)의 제품)을 사용하여 측정된다.
평균 표면 거칠기 측정의 결과치들은, 흑연 기질 시편들의 미리 가공된 평균표면 거칠기와 비교된다. 그들 결과치들은 테이블 Ⅵ에 요약되어 있다. 특히, 그들 결과치들은 어느 수치에서 그 10배까지의 범위만큼 큰 평균 표면 거칠기의 감소가 본실시예의 방법에 의해 흑연 기질 시편의 표면위에 티타늄 탄화물 반응생성물 코팅을 형성함으로써 달성할 수 있다는 것을 보여준다.
[실시예 16]
하기 실시예는 흑연 기질 시편위에 티타늄 탄화물 반응생성물 코팅을 형성하는 것이 열적 충격에 견딜 수 있는 흑연 본체의 능력을 개선하는 것을 설명하고 있다.
약 1.9in(48mm)의 길이와 약 0.23in(5.8mm)의 너비 및 약 0.11in(2.8mm)의 두께를 갖는 그레이드 AXZ-5Q 흑연 재료(텍사스주, 데카터에 위치한 포코, 인코오포레이티드의 제품)의 조각들은 1200그릿(평균 입경이 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마된다. 약 2in(51mm)의 길이와 약 0.24in(6.1mm)의 너비 및 약 0.12in(3mm)의 두께를 갖는 K-KARBR탄소-탄소복합물 재료(캘리포니아주, 산 리드로에 위치한 카이저 에어로테크의 제품)는 우선 400그릿(평균 입경이 약 23㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마되고 그 후에 12000그릿(평균입경이 약 4㎛임)의 탄화규소 페이퍼로 연마된다. 연마된 흑연 기질 시편들은 초음속적으로 동요되는 아세톤 욕안에서 약 15분 동안 세척되고 약 120℃ 보강된 공기 오븐안에서 약 15분동안 건조된다. 거의 완전하게 건조되 후에, 흑연 기질 시편들은 설비를 형성하기 위해 실시예 10에 설명된 것과 동일한 진공 피복실의 하부 체임버부분 안의지지 봉들위에 위치된다.
설비와 그 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃까지 가열되며, 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지한다. 약 1000℃에서, 진공로안의 압력은 약 60밀리토르에서 약 250 밀리토르 사이의 압력까지 상승된다. 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 진공로 체임버안의 압력으로 약 900℃에서 약 2시간 동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각되고, 그후에 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각되며, 약 60밀리토르에서 약 250밀리토르 사이의 진공로 체임버안의 압력을 유지시킨다. 실온에서, 진공 펌프가 꺼진후에, 진공로는 대기압까지 조정되고, 설비와 그 내용물들은 로에서부터 제거된다.
티타늄 탄화물 코팅된 그레이드 AXZ-5Q 흑연 재료와 K-KARBR탄소-탄소 복합물 재료된 몇 개의 바아들을 남겨지고, 그 나머지들이 산소 아세틸렌토치의 불꽃에 세라믹 복합물 코팅된 본체들을 노출시킴으로써 실행되는 열적 충격시험을 받는다. 특히, 코팅된 본체들은 약 15초동안 산소아세틸렌 토치의 불꽃에 노출된다. 15초동안의 온도상승은 어림잡아 실온에서 약 3500℃까지 올라간다. 산소아세틸렌 토치의 불꽃에 세라믹 복합물 코팅된 본체들을 약 15분동안 노출시킨 후에, 그 코팅된 본체들을 실온까지 냉각시킨다.
실시예 14의 방법은 열적 충격을 받기 전과 후의 코팅된 본체와 코팅되지 않은 본체들의 굽힘 강도를 측정하기 위하여 반복 이용된다.
수용된 자체의 상태와 열적충격 상태의 코팅되고 코팅되지 않은 본체들에 대한 굽힘 강도 측정의 결과치가 테이블 Ⅶ에 요약되어 있다. 특히, 테이블 Ⅶ는 본실시예의 방법에 의해 그레이드 AXZ-5Q위에 티타늄 탄화물 코팅을 형성하는 것이 열적충격을 받을 본체의 굽힘 강도를 약 40.4MPa에서 약 80.8MPa까지 개선시킬 수 있다는 것을 보여준다. 코팅되고 열적충격을 받은 K-KARBR 탄소-탄소 복합체의 굽힘 강도가 약 105.1MPa에서 약 124MPa까지 개선될 수 있다.
[실시예 17]
하기 실시예는 다른 것들중에서, 상승된 온도에서 흑연 기질 본체들과 모재금속 증기를 반응시킴으로써 다양한 흑연 기질들위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명한다. 특히, 하기 실시예는 다양한 흑연 기질 본체들 위에 티타늄 탄화물 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명한다. 특히, 테이블 Ⅶ은 샘플 AF에서 AW까지에 대한 특정한 흑연 기질 그레이드들과 근원들, 코팅 전과후의 샘플중량, 코팅후 늘어난 샘플의 중량, 코팅된 흑연 기질 본체들 각각을 위한 코팅후에 각각의 샘플의 큰 지름과 작은 지름들의 치수들을 나타내고 있다.
제14도는 다양한 흑연 기질 본체들위에 반응생성물 코팅들을 형성하기 위해 본실시예에 사용되는 설비의 개략적인 단면도이다. 특히, 제14도는 증기 피복실(1401)의 개략적인 단면도이다. 증기 피복실(1401)은 하부 체임버부분(1402), 하부 체임버 부분(1042)안의 모재 금속원 트레이(1414), 지지봉(1417)들에 의해 모재 금속원 트레이(1414)에 부착된 샘플지지력(1418), 상부 체임버 부분(1403), 흑연 펠트(1409) 및 흑연 파이버 보드(1410)을 구비하고 상부 체임버 부분(1403)에 부착된 모재 금속 증기 트랩(trap)(1421)들을 포함한다.
특히, 증기 피복실(1401)의 하부 체임버 부분(1402)는 약 17.5in(445mm)의 길이와 약 111.5in(292mm)의 너비와 약 8in(203mm)의 높이 및 약 0.5in(13mm)의 벽두께를 갖는다. 하부 체임버 부분(1402)는 그레이드 AGSX 흑연 조각(오하이오주, 클리부랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계 가공된다. 약 1.5in(38mm)의 길이와 약 0.25in(6.3mm)의 너비를 갖는 단면을 구비하는 결함레일(rail)(1405)는 하부 체임버 부분(1402)의 정부를 지나서 약 0.5in(13mm)연장하기 위하여 하부 체임버부분(1402)의 정부를 따라 내부면에 부착된다.
증기 피복실(1401)의 상부 체임버 부분(1403)은 약 17.5in(445mm)의 길이와 약 11.5(292mm)의 너비와 약 8in(203mm)의 높이 및 약 0.5in(13mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 체임버 부분(1403)은 추가로 진공로의 분위기와 증기 피복실(1401)안의 분위기 사이에 연통을 쉽게하고 반면에 모재 금속 증기가 진공로 안으로 배출되지 못하게 하는 모재 금속 증기 트랩(1421)을 포함한다. 모재 금속 증기 트립(1421)은 상부 체임버 부분(1403)의 정부중심에 위치되고 그것을 통과하는 13개의 연통 구멍(1413)(제14도에는 단지 4개만 도시되었음)들을 포함한다. 연통 구멍(1413)들중 다섯 개는 약 0.43in(11mm)의 지름을 갖고, 나머지 8개의 연통 구멍(1413)들은 약 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖는다. 모재 금속 증기 트랩(1421)의 상부 연장 부분(1407)은 약 6.0in(152mm)의 길이와 6.0in(152mm)의 너비와 0.5in(13mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 연장 부분(1407)은 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계 가공된다. 그레이드 GH 흑은 펠트 재료(1409)(메인주, 비드포드에 위치한 파이버 머티어리얼즈, 인코오포레이티드의 제품)의 몇 개의 조각들은 모재 금속 증기 트랩(1421)의 상부 연장 부분(1407)에 위치되고 그 공동을 채운다. 모재 금속 증기 트랩(1421)의 하부 연장 부분(1408)은 약 6.0in(152mm)의 길이와 6.0in(152mm)의 너비와 0.5in(13mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 하부 연장 부분(1408)은 또한 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클래브랜드 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로부터 기계가공된다. 약 0.19in(4.8mm)지름을 갖는 52개 구멍(14도에는 단지 두 개만 도시됨)들이 하부 연장 부분(1408)의 둘레와 정부를 따라 거의 동일한 간격으로 이격되어 있다. 그레이드 2300 G-BOARDR의 흑연 파이버 판(1410)(매사츄세츠주, 템플론(Templeton)에 위치한 머티어리얼즈 언리미티드, 인코오포레이티드(Materials Unlimited, Inc.)는 모재 금속 증기 트랩(1421)의 하부 연장 부분(1408)의 공동에 위치되어 그 공동을 채운다. 모재 금속 증기 트랩(1421)은 각각 약 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖고 흑연 너트(1412)로 상부부분(1403)에 고정된 네 개의 나사식 흑연 봉(1411)들을 사용하여, 상부부분(1403)의 정부를 통과한 연통 구멍(1413)을 가로질러 하루 연장부분(1408)과 상부 연장 부분(1407)양쪽 모두를 조임으로써 완성된다. 약 0.63(16mm)너비와 약 2.25in(57mm)의 길이를 갖는 단면을 구비한 결합 레일리셉터(receptor)(1406)은 상부 체임버 부분(1403)의 바닥부를 따라 내부면에 부착된다. 결합 레일 리셉터(1406)의 일부는 결합 레일(1405)가 제 14도에 도시된 절단부에 끼워지도록 절단된다.
모재 금속원 트레이(1414)는 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리블랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 가본 프로덕츠 사업부의 제품)으로부터 기계 가공된다. 모재 금속원 트레이(1414)는 약 16in(406mm)의 길이와 10in(254mm)의 너비와 1in(25mm)의 높이를 갖고, 각각 약 1.5in(38mm)의 지름과 약 0.5in(13mm)의 깊이를 갖는 8개의 구멍(1415)들의 배열에 의한 5개의 배열을 갖는다. 추가로, 흑연 금속원 트레이(1414)안의 40개의 구멍(1415)들은 거의 동일한 간격을 두고 떨어져 있다. 흑연 금속원 트레이(1414)안의 4개의 구멍(1415)들은 약 -5메쉬, +20메쉬(입경이 약 850㎛와 4000㎛ 사이임)의 티타늄 금속 스폰지(유타주, 솔트 레이크 시티에 위치한 마이므론 메탈스, 인코오포레이티드의 제품)을 포함한 모재 금속 분말(1416)으로 약 0.25in(6.4mm)에서 약 0.5in(13mm)사이의 깊이까지 채워진다.
샘플지지 랙(1418)은 8개의지지 봉(1417)(제 14도에는 단지 네 개만 도시됨)들에 의해 모재 금속원 트레이(1414)에 부착된다. 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공된 샘플 지지 랙은 약 9.75in(248MM)의 길이와 약 5in(127mm)의 너비와 약 1in(25mm)의 높이 및 약 0.5in(13mm)의 벽두께를 갖는다. 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계 가공된 8개의 지지 봉(1417)들은 약 2in(51mm)의 길이와 약 0.25in(6.4mm)의 지름을 갖는다.
증기 피복실(1401)의 상부부분(1403)은 결합 레일(1405)가 모재 금속 증기를 위한 밀봉투를 만들기 위해 결합 레일 리셉터(1406)의 절단부에 끼워지도록 피복실(1401)의 하부 체임버 부분(1402)위에 나란하게 위치된다. 흑연 금속원 트레이(1414)안에 모제 금속 분말(1416)을 포함하는 증기 피복실(1401)은 그 후에 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분 동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1900℃까지 가열되며, 약 0.2밀리토르의 압력을 유지시킨다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 1900℃로 약 2시간 유지시킨 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각되며 약 0.2 밀리토르의 압력을 유지시킨다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 약 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다. 이 공정이 두번이상 반복된다.
기계가공된 표면 마무리와, 약 0.739in(18.8mm)의 지름과 약 0.23in(5.8mm)의 높이를 갖는 제1 부분 및 약 0.497in(12.6mm)의 지름과 약 0.23in(5.8mm)의 평균 높이를 갖고 제 1부분과 나란하게 그것으로 부터 연장한 제2부분을 구비하며, 테이블 Ⅶ에 나타낸 18개의 흑연 본체(1420)(제14도에 단지 7개만 도시됨)은 약 50중량%의 에탄올과 약 50중량%의 탈염수를 포함하는 초음속적으로 동요되는 욕안에서 약 15분동안 세척되고, 그후에 약 0.33시간 동안(즉, 약 120℃로 가열해서 중량손실이 중지될때까지)약 120℃로 공기 오븐 안에서 건조된다. 거의 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 본체(1420)들은 각 흑연 기질 본체(1420)의 제 1부분이 흑연 지지 트레이(1419)와 접촉하도록 흑연 지지 트레이(1419) 위에 위치된다. 흑연 기질 본체(1402)들을 지지하는 흑연 지지 브레이(1419)는 그후에 하부 체임버 부분(1402)안의 지지 프레임(1418)위에 위치된다. 티타늄 모재 금속(1416)이 모재 금속원 트레이(1414)안에 채워진 후에, 증기 피복실(1401)의 상부부분(1403)은 단시 피복실(1401)의 하부 체임버 부분(1402)와 일렬로 나란하게 그위에 위치된다. 증기 피복실(1401)과 그 내용물들은 그 후에 진공로 안에 위치되고 진공로의 문을 폐쇄된다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분동안 유지된 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1900℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 1900℃로 약 2시간동안 유지시킨 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토르의 압력을 유지시키면서 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 약 0.2 밀리토르의 압력을 유지시키면서 시간당 약 125℃의 속으로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다.
실온에서, 진공로의 문은 개방되고, 증기 피복실(1401)은 로에서 부터 제거되어 분해되며, 18개의 흑연기질 본체(1420)들은 증기 피복(1401)의 하부 체임버 부분(1402)로 부터 제거된다. 거울형 완성품이 흑연 기질 본체(1420)들의 표면을 코팅시킨다는 것을 알아야 한다. 더우기, 테이블 Ⅶ에 요약된 것같이, 흑연 본체(1420)들은 증기 피복실(1401)안의 티타늄 모재 금속 증기 운에 노출도기전의 그들 매개변수 들에 대해 중량의 증가와 지름의 증가를 얻게된다.
그러므로, 본 실시예는 실시예의 방법들이 흑연 기질 본체들의 다양함에 적합하다는 것을 나타낸다.
[실시예 18]
하기 실시예에는 상승된 온도에서 흑연 지질 시편과 모제 금속 증기를 반응시킴으로써 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 본 실시예에는 상승된 온도에서 다양한 탄소 기질 시편들과 실리콘 모재 금속 증기를 반응시킴으로써 다양한 흑면 기질 시편들 위에 실리콘 탄화를 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명한다.
본 실시예에 사용된 흑연 기질 시편들의 그레이드와 근원들은 : 그레이드 AXF-5Q 흑연(텍사스주, 데카터에 위치하는 포코 그라파이트 인코오포레이티드의 제품), 그레이드 TM 흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라파이트 인코오포레이티드의 제품), 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품), 그레이드 H490 흑연(노쓰 캐럴라이너주, 모간타운(Morgantown)에 위치한 그레이트 레이크스 카본 코오포레이숀(Great Lakes Carbon Corporation)의 제품) 및, 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클래브랜드에 위치한 유니온 카바이드의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)을 포함한다. 그레이드 AXF-5Q와 그레이드 TM 흑연으로 만들어진 흑연 기질 시편들은 약 1in (25 mm )의 면적과 약 0.13in(33mm)의 두께를 갖고, 그레이드 ATJ 흑연과 그레이드 H490 흑연 및 그레이드 AGSX 흑연으로 만들어진 흑연 기질 시편들은 약 1in (25 mm )의 면적과 약 0.24in(6.1mm)의 두께를 갖는다. 흑연 기질 시편들 각각은 약 50중량%의 에탄올과 약 50중량% 탈염수로된 용액을 포함하는 초음속 욕안에 그 시편들을 우선 15분동안 위치시킴으로써 코팅을 위해 준비된다. 흑연 기질 시편들이 초음속 욕으로 부터 제거된 후에, 흑연 기질 시편들은 약 5분동안 실온으로 대기중에서 건조된다. 흑연 기질 시편들은 그후에 약 120℃의 오븐안에 위치되고, 그들의 무게는 중량의 변화가 거의 없을 때까지 측정된다. 전형적으로, 흑연 기질 시편들은 약 120℃로 약 7분후에 중량변화 없이 나타난다. 거의 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 시편들은 모재 금속원 트레이가 티타늄 모재 금속 대신에 실리콘 모재 금속을 함유하는 것을 제외하고는 실시예 10에 서술된 것과 동일한 형태의 증기 피복실의 하부 체임버 부분안의 지지 붕들위에 위치된다.
중기 피복실의 상부 체임버 부분은 피복실의 하부부분에 일렬로 나란하게 위치된다. 증기 피복실과 그 내용물들은 그후에 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분 지난후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 약 500℃의 속도로 약 1500℃까지 가열된다. 약 0.2 밀리토르의 압력으로 약 1500℃로 약 2시간 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2 밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 약 500℃의 속도로 거의 실온까지 냉각된다.
실온에서, 징공로의 문은 개방되고, 중기 피복실은 로에서 부터 제거되고, 분해되며, 흑연 기질 시편들은 증기 피복실의 하부 체임버 부분으로 부터 제거된다. 흑연 기질 시편들의 표면 마무리는 그 표면들이 실시예에 따른 반응 생성물을 형성하기 위하여 실리콘 금속을 포함하는 모재 금속 증기 운에 노출되어 반응되기 때문에 변화된다는 것을 알아야 한다.
그러므로, 본 실시에는 다양한 흑연 기질 시편들의 표면들이 실리콘 모재 금속 운에 기질 시편들을 쏘임으로써 변화 될 수 있다는 것을 설명한 것이다.
[실시예 19]
본 실시예는 다른 것들중에서, 상승된 온도에서 흑연 기질 시편과 모재 금속증기를 반응시킴으로써 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 하기 실시예는 상승된 온도에서 흑연 기질 시편과 니오븀 모재 금속증기를 반응시킴으로써 흑연 기질 시편위에 니오븀탄화물 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
제15도는 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위하여 본 실시예에 사용되는 설비의 개략적인 단면도이다. 특히, 제15도는 하부 체임버부분(1502), 하부 체임버 부분(1502)안의 모재 금속된 트레이(1514), 모재 금속된 트레인(1514)로 부터 연장한 샘플 지지 랙(1515), 상부 체임버 부분(1503), 흑연펠트(1509)를 구비하고 상부 체임버 부분(1503)에 부착된 모재 금속 증기 트랩(1508)들을 포함하는 중기 피복실(1501)을 도시하고 있다.
특히, 증기 피복실(1501)의 하부 체임버 부분(1502)는 약 9in(76 mm )의 면적과 약 4in(102mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께르 갖는다. 하부 체임버 부분(1502)는 그레이드 ATJ 흑연 조각(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 부터 기계 가공된다. 약 7in(178mm)의 길이와 약 1in(25mm)의 너비 및 약 0.25in(6.3mm)의 두께를 갖는 정렬 레일(alignment rail)(1505)는 하루 체임버 부분(1502)의 정부를 지나 약 3in(76mm)정도 연장하기 위하여 하부 체임버 부분(1502)의 일측면을 따라 나사식 흑연봉으로 하부 체임버 부분(1502)에 부착된다.
증기 피복식(1501)의 상부 체임버 부분(1503)은 약9in (76 mm )의 면적과 약 2in(51mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 체임버 부분(1503)은 진공로의 분위기와 중기 피복실(1501)안의 분위기 사이의 연통을 촉진시키고 반면에 모제 금속 증기가 진공로안으로 배출되지 않도록 하는 모재 금속 중기 트랩(1508)을 추가로 포함한다. 모재 금속 증기 트랩(1508)은 상부 체임버 부분(1503)의 정부에 관통된 5개의 연통 구멍들을 포함하고, 상부 체임버 부분(1503)의 정부 중심에 위치된다. 연통 구멍(1511)들은 약 0.31in(8mm)의 지름을 갖는다. 모재 금속 증기 트랩(1508)의 정부판(1509)는 약 2.5in(64mm)의 길이와 2.5in(64mm)의 너비 및 약 0.25in(6.4mm)의 두께를 갖는다. 정부판(1509)는 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계 가공된다. 약 0.13in(3.3mm)의 두께를 가즌 그레이드 GH 흑연 펠트 재료(1510)(메인주, 비드포드에 위치한 파이버 머티어리얼즈, 인코오포레이티드의 제품)은 모재 금속 중기 트랩(1508)의 정부판(1509)와 상부 체임버 부분 (1503)의 정부사이에 위치된다. 추가로, 나사식 봉(1512)는 너트(1513)을 사용하여 하부 체임버 부분(1502)의 정렬 레일(1515)에 상부 체임버 부분(1503)을 고정시키기 위하여 되시된 것같이, 상부 체임버(1503)의 일측면으로 부터 연장한다.
모재 금속원 트레이(1514)는 그레이드 ATJ 흑연오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계 가공된다. 모재 금속원 트레이(1514)는 약 4in (51 mm )의 면적과 두대향 탄부들에게 약 1in(25mm)의 높이와 나머지 두 대향단부에 약 4in(102)의 높이를 가지며 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 샘플 지지 랙(1515)는 모재 금속원 트레이(1514)의 두개의 4in(102mm)벽돌을 포함하고, 지지봉(1515)을 수용하기 위한 관통 구멍(1517)을 갖느다. 흑연 금속원 트레이(1514)안의 공동은 약 -325메쉬(입경 ≤ 45㎛임)의 니오븀 금속(뉴우저지주, 버어겔필드에 위치한 이틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈의 제품)과 약 137g의 중량을 갖는 문제 금속 분말(1519)로 채워진다.
약 1.5 in (38 mm )의 면적과 약 0.25in(6.4mm)의 높이를 갖는 흑연 기질 시편(1518)은 약 50중량% 에탄올과 약 50중량% 탈염수를 갖는 초음속적으로 동요되는 욕안에서 약 15분동안 세척된다. 초음속적으로 동요된 욕으로 부터 제거되 후에, 흑연 기질 시편(1518)은 약 5분동안 거의 실온에서 건조되고 그후에 약 7분동안 약 120℃의 공기 오븐안에서 거의 완전하게 건조된다.(즉, 약 120℃로 건조되기 때문에 일어나는 중량 손실이 중지될 때까지). 거의 완전하게 건조된 후에, 흑연 기질 시편(1518)은 지지 봉(1516)위에 위치된다. 흑연 기질 본체(1518)과 함께 흑연 기질 봉(1516)은 하부 체입버 부분(1502)안의 모재 금속원 트레이)(1514)의 지지 프레임(1515)위에 위치한다.
증기 피복실(1501)의 상부부분(1503)은 피복실(1501)의 하부 체임버 부분(1502)에 교정되어 나란하게 위치된다. 증기 피복실(1501)과 그 내용물들은 진공로안에 위치되고, 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 60분 유지시킨 후에, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 2250℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 2250℃에서 약 4시간 동안 유지시킨 후에, 진공로와 그 내용들은 약 0.2 밀리토르의 압력을 유지시키면서 시간당 약 1000℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 그 후에 약 0.2밀리토르의 압력을 유지시키면서 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다.
거의 실온에서, 진공로의 문은 개방되고, 증기 피복실(1501)은 로에서 제거되고, 분해되며, 혹은 기질 시편(1518)은 준기 피복실(1501)의 하부 체임버 부분(1502)로 부터 제거된다. 흑연 기질 시편(1518)의 표면은 매트형 완성품을 소유한다는 것을 알아야 한다. 그러므로, 본 실시예는 흑연 기질 시편의 본 발명의 방법을 따라 그 표면을 니오븀 모재 금속운에 쪼임으로써 변경될 수 있다는 것을 설명하고 있다.
[실시예 20]
본 실시예에는 다른 것들 중에서, 상승된 온도에서 흑연 기질 시편과 모재금속증기를 반응시킴으로써 흑연 기질 시편위에 반응생성물 코팅을 형성아기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 하기 실시예는 흑연 기질 시편위에 하프늄 탄화물 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
제16a도는 흑연 기질 시편위에 반응생서물 코팅을 형성하기 위하여 본 실실예에 사용되는 설비의 개략적인 단면도이다. 특히, 제 16a도는 하부 체임버 부분(1602), 하부 체임버 부분(1602)안의 슬롯된 모재 금속 지지부재(1608), 지지봉(1612)에 의해 슬롯된 모재 금속 지지부재(1608)에 부착된 샘플 지지 랙(1613), 상부 체임버 부분(1603), 흑연 펠트(1621)를 구비하고 상부 체임버 부분(1603)에 부착된 모재 금속 증기 트랩(1604)들을 포함하는 중기 피복실(16020)를 도시하고 있다.
특히, 증기 피복실(1601)의 하부 체임버 부분(1602)는 약 4.5in(114mm)의 외경과 약 3.5in(89mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 하부 체임버 부분(1602)는 그레이드 AGSX 흑면 조직(오하이오주, 클리브랜드에 위친 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 부터 기계 가공된다. 하부 체임버 부분(1602)의 외부 체임부 형성에 고정되고 약 1in(25mm)의 길이와 약 1in(25mm)의 너비 및 약 0.25in(6.3mm)의 두께를 갖는 두개의 고정탭(1606)들은 하부 체임버 부분(1602)의 정부를 지나 약 0.5in(13mm)만큼 연장하기 위하여 하부체임버 부분(1602)의 대향 단부들에게 정부를 따라 하부 체임버 부분(1602)의 외부면에 부착되다.
증기 피목실(1601)의 상부 체임버(1603)은 약 4.5in(114mm)의 외경과 약 0.5in(13mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 상부 체임버 부분(1603)은 진공로의 분위기와 증기 피복실(1601)의 분위기사이의 연통을 쉽게하고 모재 금속 증기가 진공로 안으로 배출되지 않도록 하는 모재금속 증기프램(1604)를 포함한다. 모재금속증기트랩(1604)는 상부 체입버 부분(1603)의 정부를 관통한 세개의 연통 구멍을 포함하고 상부 체임버 부분의 청부의 중심에 위치된다. 연통구멍(1618)들을 약 0.13m(3.3mm)의 지름을 갖는다. 모재금속 증기트랩(1604)의 연장부분(1602)은 약 2.13in(54mm)의 길이와 약 1.5in(38mm)의 외경 및 약 0.13in(3.3mm)의 벽두께를 갖는다. 연장부분(1620)은 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공된다. 그레이드 GH 흑연 펠트 제로(1621)의 몇개의 충들은 모재금속 증기트랩(1604)의 연장부분(1620)안의 공동에 위치한다. 모재금속 증기트랩(1604)의 부착부분(1619)은 약 1 1.25in의 외경과 0.5in(13mm)의 높이 및 약 0.13in(3.3mm)의 벽두께를 갖는다. 하부부착 부분(1619)는 또한 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공 된다. 약 0.13in(3.3mm)의 지름을 갖고 잠금 핀(1623)을 수용하기 위한 구멍들이 모재금속 중기트랩(1604)의 부착부분(1619)와 연장부분(1620) 양쪽을 통해 관통되어 있다. 모재금속 중기트랩(1604)는 흑연 맞춤 못을 사용하여 상부 체임버 부분(16030)에 모재금속 증기트랩(1604)의 부착지지부재(1619)를 고정시킴으로써 완전해진다.
슬롯된 모재금속 지지부재(1608)은 그레이드 AGSX 흑염 (오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공된다. 모재금속 지지부재 (1608)은 약 3in(76mm)의 외경과 약 2.75in(70mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 슬롯된 모재금속지지부재(1608)은 그것의 바닥부에 있는 약 0.13in(3.3 mm)의 지름을 갖는 구멍(1611)의 배열과, 0.08in의 너비와 2.5in(64mm)의 외부둘레를 각각 갖는 43개의 슬롯(1616)과, 약 0.38in(9,7mm)의 지름을 갖는 위치 지정핀(1609) 및, 약 0.13in(3.3mm)의 지름을 각각 갖는 지지핀(1610)들을 추가로 포함한다. 슬롯된 모재금속 지지부재(1608)의 외부면과 피복실(1601)의 하부 체임버 부분(1602)의 내부면 사이의 거리는 약 0.5in(13mm)이다. 슬롯된 모재 금속 지지부재(1608)은 상승된 온도에서 고체 모재 금속을 지지하기 위한 수단을 제공하고, 공정동안 충분한 양의 모재 금속 증기를 제공하는 것을 돕는다.
샘플 지지랙(1613)는 8개의 지지봉(1612)(제 16a도에는 단지 두 개만 도시됨)에 의해 모재금속 지지부재(1608)에 부착된다. 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공된 샘플 지지랙(1613)은 약 2.5in(64mm)의 외경과 약 0.25in(6.3mm)의 높이 및 약 0.25in(6.4mm)의 벽두께를 갖는다. 그레이드 AGSX 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품)으로 기계가공된 지지봉(1612)들은 약 1in(25mm)의 길이와 약 0.13in(3.3mm)의 지름을 갖는다.
증기 피복실(1601)의 하부 체임부 부분(1602)와 증기피복실(1601)의 상부 체임버 부분(1603)을 일렬로 정렬하기 전에, -5메쉬, +20메쉬(평균 입경이 약 850 -400㎛)의 티타늄 금속 스폰지(유타주, 솔트 레이크 시티에 위치한 마이크론 메탈스, 인코오포레이티드의 제품)을 갖는 약 119g의 모재금속을 구비하는 흑연 도가니는 하부 체임버 부분에 위치되고 샘플랙(1613)위에 위치된다. 흑연 도가니안에 모재금속 분말을 구비하는 증기 피복실(1601)은 그후에 진공로 안에 위치되고 진공로의 문은 닫혀진다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 50분 지난후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 약 750℃의 속도로 약 1900℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토르의 압력으로 약 1900℃로 약 2시간 지난후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 약 1000℃까지 시간당 약 900℃의 속도로 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 약 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 액 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다. 티타늄 모재금속을 충전한후에, 공정은 두번 반복된다. 실온에서, 잔류 티타늄 모재금속을 구비하는 흑연 도가니는 피복실(1601)로 부터 제거된다.
약 -1/4메쉬, +20메쉬(오리건주, 알바니에 위치한 텔레다인 와 창(Teledyne Wah Chang)의 제품으로 약 850㎛에서 약 630㎛의 입경을 가짐)의 크기와 약 1200g의 무게를 갖는 하프늄 모재금속 스폰지(1617)은 그후에 하부체임버 부분(1602)의 내부면과 슬롯된 모재금속 지지 부재(1608)의 외부면 사이의 공간에 위치된다.
1200 그릿(평균 입경이 약 4㎛임)의 실리콘 탄화물 페이퍼로 그 표면들을 연마한 후에, 그레이드 AXZ-5Q 흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라파이트, 인코오포레이티드의 제품)으로 이루어지고 약 1in (25 mm )의 면적과 약 0.13in(3.3mm)의 두께를 갖는 두개의 흑연 기질 시편(1615)(제 16a도에는 단지 한개만 도시됨)들은 초음속적으로 동요되는 아세톤 욕안에서 약 15분동안 세척되고 약 0.25시간동안(즉, 약 120℃로 가열되기 때문에 생기는 중량손실이 중지될때까지) 약 120℃의 공기 오븐 안에서 건조된다. 거의 완전하게 건조된후에, 흑연 기질 시편(1615)들은 약 1in(25mm)×0.13in(3.3mm)의 면이 흑연 지지 트레이와 접촉하도록 흑연 지지 트레이(1614)위에 위치된다. 흑연기질 시편(1615)들을 구비한 약 0.045in(1.1mm)의 두께를 갖는 흑연지지 트레이(1614)는 하부 체임버 부분(1602)안의 지지 프레임(1613)위에 위치된다.
증기 피복실(1601)의 상부체임버(1603)은 다시 피복실(1601)의 하게체임버 부분(1602)와 일렬로 나란하게 위치된다. 증기 피복실(16010)과 그 내용물들은 그후에 진공로 안에 위치되고 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공로는 약 0.2미리토르의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토르의 압력에서 약 50분동안 유지한후에 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토르 이하의 압력을 유지하면서 시간당 약 750℃로 약 1000℃까지 가열된다. 약 1000℃까지 가열된다. 약 1000℃에서, 진공로 안의 압력은 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로 사이의 압력 범위까지 증가 되고, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 2000℃까지 가열된다. 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로까지의 압력 범위 하에서 약 2000℃로 약 5시간동안 유지한 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로 사이의 압력 범위를 유지하면서 시간당 약 1000℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로의 압력 범위를 유지하면서 시간당 약 125℃의 속도로 약1000℃에서 실온까지 냉각된다.
실온에서, 진공로의 문을 개반되고, 증기 피복실(1601)은 로에서부터 제거되고 분리되며, 두개의 흑연 기질 시편(1615)들은 중기 피복실(1601)의 하부 체임버 부분(1602)로부터 제거된다. 하프늄 스폰지 재료는 어떤 중요한 범위까지 용융하지 않는다는 것을 알아야 한다. 더우기, 밝은 회색의 금속 완성품이 흑연 기질 시편(1615)들의 표면을 코팅시킨다는 것을 알아야한다. 흑연 기질 시편들중 하나가 의도적으로 파괴되고 그 표면이 전자 현미경을 사용하여 조사된다. 시험 결과치를 보면 약 21㎛의 코팅이 형성된것을 알수 있다. 코팅의 일부는 X-선 회절분석을 받고, 그로인해 코팅 영역의 성분들이 다른 상들중에서 하프늄 탄화물을 포함한다는 것을 알수 있다. 더우기, 흑연 기질 시편들중 하나가 금속조직시험을 위해 절단되고 정착되며 연마된다.
제 16b도는 흑연기질(52)위의 반응 생성물 코팅(51)을 약 200X 배율로 확대해 찍은 현미경 사진이다.
그러므로 본실시예는 일반적으로 모재금속원이 본 발명의 작업 상태하에서 실질적인 증기압을 갖는 고체 모재금속을 포함할 수 있다는 것을 설명한다. 더우기 본 실시예는 하프늄 탄화물이 본 발명의 방법을 따라 형성될 수 있다는 것을 설명하고 있다.
[실시예 21]
하기 실시예에는 상승된 온도에서 몰리브덴 기질시편과 모재금속증기를 반응시킴으로써 몰리브덴 기질위에 반응생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 본 실시예는 상승된 온도에서 실리콘을 구비한 모재금속을 몰리브덴 기질 시편과 반응시킴으로써 몰리브덴 기질 시편위에 몰리브덴 규화물 코닝을 형성하기위한 방법을 설명하고 있다.
본 실시예에 사용되는 세개의 몰리브덴 기질 시편 봉들은 매사추세츠주, 홀리스톤(Holliston)에서 위치한 쉬바르츠코프 대벨로프먼트 코오포레이숀(Schwarzkopf Development Corporation)으로 부터 얻어지고 약 99.95중량%인 다수의 몰리브덴을 갖는다. 더우기, 각각의 몰리브덴 기질 시편들은 약 0.5in(13mm)의 지름과 약 2.0in(51mm)의 길이를 갖는다. 몰리브덴 기질 시편들 각각은 초음속으로 동요되는 욕안에서 약 15분 동안 상기 시편들을 위치시킴으로써 코팅을 위해 준비되고, 상기 욕은 약 50중량%의 에탄올과 약 50중량% 탈염수를 포함하는 용액을 함유한다. 몰리브덴 기질 시편들은 초음속욕으로 부터 제거된후에, 몰리브덴 기질 시편들은 약 5분동안 실온으로 대기중에서 건조된다. 몰리브덴 기질 시편들은 그후에 약 120℃의 오븐안에 위치되고 그 중량은 중량변화가 거의 없을 때까지 측정된다. 전형적으로, 몰리브덴 기질 시편들은 오본 안에서 약 120℃로 7분이 지난후에 중량 무변화가 나타난다. 거의 완전하게 건조된 후에, 몰리브덴 기질 시편들은 티타늄 모재금속을 갖는 모재금속 분말이 미립자 실리콘 모재금속을 대치되는 것을 제외하고는 실시예 10에 서슬된 것과 거의 동일한 피복실의 하부체임버 부분안의 기질 지지 봉들위에 위치된다.
증기 피복실의 상부체임버 부분은 하부체임버 부분과 나란하게 정렬되어 위치되고, 증기 피복실과 그 내용물들은 진공로 안에 위치되고, 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토로의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 50분이 지난후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토로의 압력을 유지하면서 시간당 약 500℃의 속도로 약 1500℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 1500℃에서 약 2시간 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토로의 압력을 유지하면서 시간당 약 500℃의 속도로 실온까지 냉각된다.
실온에서, 진공로의 문은 개방되고, 증기 피복실은 로에서 부터 제거되어 분해되며, 몰리브덴 기질시편들은 증기 피복실의 하부체임버 부분으로부터 제거된다. 몰리브덴 기질 시편들 표면의 색깔은 실시예의 방법을 따라서 실리콘 모재금속 증기운에 그 표면들을 노출시킴으로써 은색에서 어두운 회색으로 변한다. 더우기, 몰리브덴 기질 시편들은 각각 약 0.5, 0.48, 0.48g의 중량변화와 각각 약 0.007, 0.006, 0.006in의 지름의 증가를 나타낸다. 몰리브덴 기질 시편들의 지름의 증가와 색깔의 변화는 몰리브덴 규화물이 몰리브덴 기질시편들의 표면위에 형성된 것을 나타낸다. 더우기, 몰리브덴 기질 시편들중 하나가 광학 현미경을 사용하여 금속조직 시험을 하기 위하여 단면 절단되고 장착되며 연마된다. 제 17도는 몰리브덴 기질(52)위의 복합물 코팅(51)을 약 200X 배율로 찍은 현미경 사진이다.
그러므로, 본 실시예는 실리콘 금속 증기를 포함하는 모재금속 증기운에 기질을 노출시킴으로써 반응생성물 코팅이 몰리브덴 기질 시편위에 형성될 수 있다는 것을 설명하고 있다.
[실시예 22]
하기 실시예에는 서로 다른 모재금속 증기들과 기질 및/또는 어떤 형성된 반응생성물들 사이에서 반응이 일어나도록 하기 위해 서로 다른 화학적 성분들을 구비하는 적어도 두개의 모재금속 증기원들의 상태에서 흑연기질을 가열함으로써 흑연 기질위에 반응 생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
특히, 본 실시예는 적어도 하나의 반응 생성물 코팅을 형성하기 위하여 적어도 실리콘 모재 금속증기와 티타늄 모재금속증기를 흑연 기질 시편과 공동으로 반응시키기위한 방법을 설명하고 있다.
실시예 3의 방법은 하나의 흑연 모재금속원 트레이가 약 2in의 외경과 약 0.25in(6.3mm)의 벽두께를 각각 갖는 두개의 트레이로 대치되는 것을 제외하고는 반복이용된다. 제1모재 금속원 트레이는 약 1in(25mm)의 높이를 갖는다. 추가로, 각각 약 0.5in(33mm)의 높이를 갖고, 제1 근원 트레이안의 모재금속원 트레이를 지지할때 증기 피복실의 분위기와 연통할 수 있도록 하는 네개의 지지다리들이 제1 모재금속원 트레이의 정부로 부터 연장되어 있다. 제2모재 금속원 트레이는 약 1in(25mm)의 높이를 갖는다. 제 1 모재 금속원 트레이는 약 45g의 실리콘을 구비하는 모재 금속으로 채워진다. 제 2 모재 금속원 트레이는 실시예 1에 서술된 것과 동일한 티타늄인 티타늄을 약 45g 구비하는 모재금속으로 채워진다. 제1 및 제2 모재 금속원 트레이들은 피복실의 하부체임버 부분의 바닥부에 위치된다. 그레이드 AXZ-5Q 흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라파이트, 인코오포레이티드의 제품)의 구비하고 각각 약 1in (25 mm )의 면적과 약 0.13in(3.3mm)의 두께를 갖는 두개의 기질 시편들은 붕소탄화물이 흑연 기질 시편들위에 위치되지 않는것을 제외하고는 실시예 3의 방법을 따라 준비된다. 흑연기질 시편들은 그후에 하부체임버 부분안의 지지봉들 위에 위치되고, 증기 피복실은 설비를 형성하기위해 조립된다.
설비와 그 내용물들은 그후에 진공로안에 위치되고, 진공로의 문은 폐쇄된다. 진공로는 그후에 약 0.2밀리토로의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 50분이 지난후에, 진공로와 그 내용물들은 60밀리토로 이하의 압력을 유지하면서 시간당 약 250℃의 속도로 약 500℃까지 가열된다. 진공로는 그후에 약 60밀리토로 이하의 압력을 유지하면서 시간당 약 750℃의 속도로 약 500℃에서 약 1000℃까지 가열된다. 약 1000℃에서, 진공로안의 압력은 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로의 압력 범위까지 상승되고, 진공로와 그 내용물들은 시간당 약 750℃의 속도로 약 1000℃에서 약 1900℃까지 가열된다. 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로의 압력 범위로 약 1900℃에서 약 2시간 동안 유지시킨후에, 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로까지의 압력 범위를 유지하면서 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 그후에, 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토로에서 약 250밀리토로의 압력 범위를 유지하면서 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다. 실온에서, 진공펌프는 꺼지고, 진공로는 대기압까지 조정되되고, 설비와 그 내용물들은 로에서 부터 제거된다. 설비가 분해된후에, 흑연 기질 시편들은 증기 피복실로 부터 제거되며, 흑연 기질 시편들의 표면의 형태가 변화 했다는 것을 알 수 있다.
그러므로, 본 실시예는 반응생성물 코팅이 적어도 두개의 모재금속들을 갖는 모재 금속 증기운에 기질을 노출시킴으로써 흑연 기질의 표면위에 형성될 수 있다.
[실시예 23]
하기 실시예에는 흑연기질 표면에 고체 산화제인 재료의 제1흥을 그후에 모재 금속 분말인 재료의 제2층을 도포하고, 모재금속 분말 및/또는 모재금속증기와 고체 산화제의 반응 및/또는, 모재금속 분말 및/또는 모재금속 증기와 흑연 기질의 반응 및/또는, 생성된 반응생성물과 생성중인 반응생성물 사이의 반응들로 인해 반응 생성물이 형성 될 수 있도록 모재금속증기 상태에 코팅된 흑연 기질을 가열시킴으로써 흑연 기질위에 반응 생성물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 하기 실시예는 붕소탄화물 분말은 제1층을 그리고 지르코늄 모재 금속 분말인 제 2층을 도포하고, 지르코늄 모재금속 분말과 붕소탄화물과 지르코늄 모재 금속증기 및/또는 흑연 기질들 사이에서 반응이 일어날 수 있도록 지르코늄 모재금속증기 상태에서 분말이 덮힌 흑연기질을 가열시킴으로써 흑연 기질 위에 지르코늄 탄화물과 지르코늄 붕화물을 구비한 복합물 코팅을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
테이블 Ⅸ는 다양한 흑연 기질들위에 지르코늄 탄화물 및 지르코늄 붕화물을 구비한 세라믹 복합물 코닝을 형성하는 것을 나타내는 두개의 실행을 위한 매개 변수들을 요약한 것이다. 특히, 테이블 Ⅸ는 그레이드 AXF-5Q흑연(텍사스주, 데카터에 위치한 포코 그라파이트 인코오포레이티드의 제품), 그레이드 AGXS 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본 프로덕츠 사업부의 제품), 그레이드 ATJ 흑연(오하이오주, 클리브랜드에 위치한 유니온 카바이드 코오포레이숀의 카본프로덕츠 사업부의 제품), 그레이드 ISO-88 흑연(오리건주, 포트랜드(Portland)에 위치한 티티 아메리카(TT America)의 제품)위에 지르코늄 탄화물과 지르코늄 붕화물을 구비한 복합물 코팅들을 1000그릿(평균입경이 약 5㎛)인 붕소탄화물 분말과 -50메쉬(입경≤297㎛)인 지르코늄 모재금속을 사용하여 형성하기위해 사용되는 매개 변수들을 포함한다. 추가로, 테이블 Ⅸ는 특별한 그레이드의 기질 시편에 도포되는 지르코늄 모재금속 분말과 붕소탄화물 분말의 양과, 이들 분말들이 도포된 두께 및 기질들에 도포된 붕소탄화물 분말에 대한 지르코늄 모재 금속 분말의 중량비들이 나타나있다. 실행 제1은 샘플 AX와 유사한 네개의 샘플들과 샘플 AY와 유사한 세개의 샘플들 및 샘플 AZ와 유사한 세개의 샘플들 총 10개의 샘플들을 포함하고, 반면에 실행 제 2는 BA와 유사한 네개의 샘플들과 샘플 BB와 유사한 세개의 샘플들 총 7개의 샘플들을 포함한다.
샘플 AX에서 BB들 각각은 하기의 방법에 의해 준비된다. 샘플들이 원하는 치수대로 절단된후에, 그들은 에탄올을 구비한 초음속 욕안에 잠입된다. 에탄올 욕으로부터 제거되면, 그 샘플들은 약 20분동안 약 120℃의 공기 오븐안에 위치되며, 그후에 오븐으로부터 제거된후에 거의 실온까지 냉각된다.
실온에서, 약 40중량% TETRABOR 1000 그릿(평균입경이 약 5㎛임)의 붕소 탄화물(코네티컷주, 뉴 카난에 위치한 에스크 엔지니어드 세라믹스), 약 30중량% 탈염수, 약 10중량% ELMER'S 폴리비닐 아세테이트 나무 접착제(오하이오주, 콜럼버스에 위치한 보덴 케미칼, 인코오포레이티드), 약 20중량% 에탄올들을 구비한 혼합체는 흑연 기질 시편들의 표면위에 스프레이된다. 약 30psi로 설정된 공기 브러쉬(일리노이주, 프랭클린 파크(Flanklin Park)에 위치한 뱃져(Padger)의 모델 150)은 혼합체를 도포하기 위하여 사용된다. 흑연기질 시편들은 그후에 공기 건조 된다. 이러한 절차는 5번 반복되고, 그후에 붕소탄화물 코팅된 흑연 기질 시편들을 약 20분동안 약 45℃의 공기 오븐안에 위치된다. 붕소탄화물 코팅된 흑연기질 시편들은 그후에 중량이 제어지고 코팅두께도 측정된다.
붕소 탄화물 코팅된 흑연 기질 시편들은 그후에 약 50중량% 탈염수와 약 330중량% 에탄올 알코올과 약 17중량% ELMER'S 폴리비닐 아세테이트 나무 접착제(오하이오주, 콜럼버스에 위치한 보덴 케미칼스, 안코오포레이티드)를 구비한 용액으로 스프레이된다. 약 10 1b/in2의 압력으로 설정된 상기 서술된 공기 브러쉬는 용액을 도포하기 위해 사용된다. 붕소 탄화물 코팅된 기질이 적셔진후에, -50메쉬 지르코늄 분말이 각각의 면에 걸쳐 살포되어 각각의 면에 도포된다. 그후에, 지르코늄 분말 도포된 붕소 탄화물기질은 용액으로 재차 스프레이된다. 이런것은 테이블 Ⅸ에 도시된 모든 지르코늄 모재금속 분말이 붕소탄화물 코팅된 기질들위의 표면에 도포될때 까지 반복된다. 그후에, 이 기질들은 약 20분동안 야 45℃로 설정된 오븐안에 위치된다. 건조후에, 코팅된 흑연 기질 시편들은 무게가 재어지고, 그 코팅의 두께가 측정한다.
지르코늄 모재금속으로 도포된 붕소탄화물 분말 코팅된 기질들은 그후에, 모재금속원 트레이들안의 모재금속이 설비를 형성하기 위하여 약 0.33in(0.84mm)에서 약 0.25in(6.4mm)사이의 지름을 갖는 지르코늄 스폰지 재료(유타주, 오그덴에 위치한 웨스턴 지르코늄)를 포함하는 것을 제외하고는 실시예 10안네 서슬된 것과 동일한 증기 피복실에 위치된다.
증기 피복실과 그 내용물들을 구비하는 설비는 그후에 진공로안에 위치되고, 진공로의 문을 폐쇄된다. 진공로는 약 0.2밀리토로의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토로의 압력에서 약 50분 동안 유지시킨후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토로 압력을 유지하면서 시간당 약 700℃의 속도로 실온에서 약 2000℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 2000℃로 약 2시간 지난후에, 로와 그 내용물들은 0.2밀리토르의 압력을 유지하면서 시간당 약 1000℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 그후에 약 0.2밀리토로의 압력을 유지하면서 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다. 실온에서, 진공로의 문은 개방되고, 증기 피복실은 로에서 제거되어 분해되며, 흑연기질 시편들은 증기 피복실의 하부 체임버 부분으로 부터 제거된다. 흑연 기질 시편위의 분말 코팅은 흑연 기질 시편들과 일체로 통합된다는 것을 알아야 한다. 샘플 AY는 그후에 전자 현미경으로 금속조직시험을 하기위해 단면절단되고 연마되며 장착된다. 제 18A도는 흑연 기질 시편(52)위에 세라믹 복합몰코팅(51)을 나타낸것으로 후방 산란된 전자 방식을 사용하는 전자 현미경으로 약 50X 배율로 찍은 현미경 사진이다. 또한, 제 18a도는 모재금속의 일부가 흑연 기질 시편의 기공들에 침투한 것을 나타낸다. 제 18b도는 흑연 기질시편위에 형성된 최종생성물 세라믹 복합물 코팅의 소형판 구조를 나타내는 것을 샘플 AY에 대응하는 것을 약 200X 배율로 찍은 현미경 사진이다. 또한, 제 18c도는 본 실시예의 샘플 BB위에 형성된 세라믹 복합물 코팅을 나타낸 것으로 후방 산란된 전자방식을 사용하는 전자현미경으로 약 200X 배율로 찍은 현미경 사진이다.
그러므로, 본 실시예는 세라믹 복합물 코팅이 흑연 기질 시편의 표면위에 고체 산화제의 제1층을 위치시키고, 그 후에 기질시편위에 모재금속 분말의 제 2층을 위치시키며, 모재 금속분말과 증기모재금속과 고체산화제 및/또는 흑연기질들 사이의 반응을 효과적으로 하기 위해 모재금속 증기에 분말 코팅된 흑연 기질 시편을 노출시킴으로써 기질 시편위에 형성될 수 있다는 것을 설명하고 있다.
[실시예 24]
하기 실시예에는 다른 것들 중에서 상승된 온도에서, 흑연 기질 시편과 모재금속 증기를 반응시킴으로써 흑연기질 시편위에 반응 생성물을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다. 특히, 하기 실시예는 또한 본 발명의 방법에 의해 흑연기질위에 하프늄 탄화물 복합물 코팅을 형성하는 방법을 나타내고 있다.
사용되는 하프늄 모재금속의 양이 약 1070g인 것을 제외하고는 실시예 20의 방법이 반복 이용된다. 더우기, 증기 피복실(1601)과 그 내용물들이 진공로안에 위치된후에, 진공로는 약 0.2밀리토로의 압력까지 진공된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 50분 지난 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 60밀리토로 이하의 압력을 유지하면서 시간당 약 750℃의 속도로 약 2225℃까지 가열된다. 약 0.2밀리토로의 압력으로 약 2225℃로 약 3시간 후에, 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토로의 압력을 유지하면서 시간당 약 900℃의 속도로 약 1000℃까지 냉각된다. 진공로와 그 내용물들은 약 0.2밀리토로의 압력을 유지하면서 시간당 약 125℃의 속도로 약 1000℃에서 실온까지 냉각된다. 실온에서, 진공로의 문은 개방되고, 증기 피복실(1601)은 로에서 부터 제거되고 분해되며, 두개의 흑연 기질 시편(1615)들은 증기 피복실(1601)의 하부체임버 부분(1602)로 부터 제거된다. 하프늄 스폰지 재료는 어느 중요한 범위까지 용융되지 않는다는 것을 알아야 한다. 더우기, 밝은 회색의 금속 완성품이 흑연 기질 시편(1615)의 표면을 거의 완전하게 코팅한다는 것을 알아야 한다. 흑연기질 시편들중 하나가 파괴되어, 그 표면이 전자 현미경으로 조사된다. 그 시험의 결과치로써, 약 9.5㎛의 코팅이 형성된것을 알 수 있다. 제 19a도는 흑연기질(52)위에 세라믹 복합물 코팅(51)을 약 4000X 배율로 확대해 찍은 현미경 사진이다. 현미경사진은 이차 전자 이미지 방식을 사용하는 전자현미경으로 찍었다.
그러므로, 본 실시예는 추가로 모재 금속원이 실제 중기압을 갖는 고체 모재금속을 포함할 수 있는 것을 나타내고 있다. 더우기, 본 실시예는 하프늄 탄화물 복합물이 본 발명의 방법에 따라 흑연기질의 표면위에 형성될 수 있다는 것을 설명하고 있다.
Claims (8)
- 자체-지지성 복합체를 형성시키는 방법으로서, 적어도 한 종류 이상의 고체 산화제를 함유하는 재료를 제공하는 단계와 ; 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속을 제공하는 단계와 ; 상기 적어도 한 종류 이상의 고체 산화제를 함유하는 재료의 적어도 일부분에 상기 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속을 접촉시키는 단계와; 상기 고체 산화제를 함유하는 재료의 적어도 일부분 위에 상기 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속과 상기 고체 산화제를 함유하는 재료의 반응 생성물을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합제 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 규소, 니오븀으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 한 종류 이상의 금속을 포함하여, 상기 고체 산화체 함유 재료는 탄소질 재료 혹은 물리브덴 함유제료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 산화제 함유 재료는 고체 산화제를 함유한 제 2재료가 적어도 하나 이상의 표면중 적어도 일정 부분에 코팅되어 있는 제 1고체 산화제 함유 재료로 이루어지며, 상기 제 2재료는 적어도 한 종류 이상의 붕소 혹은 붕소 탄화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합제 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 산화제를 함유한 재료는 그 재료의 적어도 일표면상의 위치에 충전재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합제 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 산화제를 함유한 재료의 적어도 일부분은 모재 금속 분말로 코팅되는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응 생성물은 탄화물, 지르코늄 탄화물, 하프늄 탄화물, 니오븀탄화물, 몰리브덴 이규화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 한 종류 이상의 재료를 포한하는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속과 상기 적어도 한 종류 이상의 고체 산화제 함유 재료는 거의 동일 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 자체-지지성 복합체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 종류 이상의 증기상 모재 금속은 상기 고체 산화제 함유 재료의 적어도 일부분을 거의 완전하게 둘러싸는 증기상 재료로 이루어지는 것으로 특징으로 하는 자체-지지성 복합체 제조 방법.
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