NO173006B - Framgangsmaate for framstilling av metallmatrisekompositter ved bruk av et barrieremateriale - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt, som angitt i den innledende del av patentkrav 1.

Beskrivelse av kjent teknikk.

Komposittprodukter bestående av en metallmatrise og en styrkende eller armerende fase, slik som keramiske partikler, hår, fibre e.l., synes å være svært lovende for et antall anvendelser, fordi de kombinerer styrken og hardheten til den styrkende fase med duktiliteten og bruddseigheten til metallmatrisen. Generelt vil en metallmatrise-kompositt vise forbedringer i slike egenskaper som styrke, stivhet, kontakt-slitasjemotstand, og bibeholdt styrke ved forhøy dede temperaturer i forhold til metallmatrisen alene, men til hvilken grad enhver gitt egenskap kan forbedres avhenger i stor grad av de spesifikke bestanddelene, deres volum eller vektandel, og hvordan de er bearbeidet for å danne kompositten. I noen tilfeller kan kompositten også være lettere i vekt. Aluminiummatrise-kompositter armert med keramer slik som silisiumkarbid i partikkel-, plate-, eller hår-form, er f.eks. av interesse pga. av deres høyere stivhet, slitasjemotstand og styrke ved høye temperaturer i forhold til aluminium.

Forskjellige metallurgiske prosesser er beskrevet for fremstilling av aluminiummatrise-kompositter, som spenner fra framgangsmåter basert på pulver-metallurgiteknikker til de som involverer flytende metallinfiltrering slik som ved trykkstøping, og bruk av vakuum eller fuktemidler for å effektuere infiltrasjon av metall inn i en keramisk masse.

En framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt med spontan infiltrering av en permeabel masse av et keramisk fyllmateriale med et smeltet metall er beskrevet i US patentskrift 4.828.008.1 samsvar med framgangsmåten i denne oppfinnelsen, framstilles en metallmatrisekompositt ved infiltrering av en permeabel masse av keramisk fyllmateriale eller keramisk belagt fyllmateriale med smeltet aluminium inneholdende minst en vektprosent magnesium, og fortrinnsvis minst 3 vektprosent. Infiltrasjon opptrer spontant uten behov for eksternt trykk eller høyt vakuum. Et forråd av den smeltede metallegeringen bringes i kontakt med massen av fyllmateriale ved en temperatur på minst 700° C i nærvær av en gass inneholdende fra 10-100 %, og fortrinnsvis minst 50 %, nitrogen regnet på volumbasis, og resten ikke-oksyderende gass, f.eks. argon. Under disse betingelsene infiltrerer den smeltede aluminiumlegeringen den keramiske masse under normalt atmosfærisk trykk for å danne en aluminiummatrise-kompositt. Når den ønskete mengde av keramisk materiale har blitt infiltrert med smeltet legering, senkes temperaturen for å størkne legeringen, for derved å danne en fast metallmatrise-konstruksjon som omslutter det armerende keramiske materiale. Vanligvis, og fortrinnsvis, vil forrådet av smeltet legering tilført være tilstrekkelig til å tillate infiltrasjonen og skride frem i det vesentligste til grensene for den keramiske masse.

Et element ved bruk av tidligere kjente framgangsmåter fra den ovenfor nevnte patentsøknad for å fremstille en metallmatrisekompositt med rene eller tilnærmet rene former, er å minimimalisere eller inhibere transport eller infiltrasjon av metallmatrisen ut over de definerte grenseoverflatene til den permeable massen av keramisk fyllmateriale eller preforma. Overinfiltrasjon av grenseoverflatene kan i det vesentligste forhindres ved å kontrollere infiltrasjonen av metallmatrisen til enhver definert grenseoverflate, som kan oppnås slik som ved bruk av en på forhånd bestemt mengde metall, utluftning av atmosfæren av nitrogeninneholdende gass, eller å senke temperaturen under metallets smeltepunkt. Ethvert av disse trinnene kan kreve nøye kontroll eller årvåkenhet for å oppnå i det vesentligste ingen transport av metallmatrisen utover den definerte grenseoverflate av en masse av keramisk fyllmateriale eller preform og fremdeles kanskje ikke fremstille den mest ønskete rene eller tilnærmet rene formen, eller kan kreve ytterligere maskinering eller sluttbearbeiding.

Formål.

Formålet med foreliggende oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt under atmosfærisk trykk for i det vesentlige å hindre overinfiltrering eller transport utover grensen for den infiltrerende metallmatrise, som er ønskelig ved forming av metallmatrisekompositter med rene former.

Oppfinnelsen.

Oppfinnelsen er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere

fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

Den foreliggende framgangsmåten omfatter framstilling av en metallmatrisekompositt ved infiltrering av smeltet aluminiumlegering inn i en permeabel masse av keramisk fyllmateriale med minst en grenseoverflate etablert eller definert av et barrieremiddel. Den smeltete aluminiumlegering inneholder minst 1 vektprosent magnesium og fortrinnsvis minst 2 vektprosent. Infiltrasjon opptrer spontant uten behov for eksternt trykk eller høyt vakuum. En sone av den smeltede metallegering bringes i kontakt med den permeable massen av keramisk fyllmateriale ved en temperatur på minst 700°C i nærvær av en gass bestående av 10 -100 volumprosent, og fortrinnsvis minst 50 volumprosent nitrogen, og resten ikke-oksiderende gass, f.eks. argon. Den permeable massen bringes i kontakt med den smeltede metallegeringen slik at barrieremidlet er i det minste delvis atskilt fra kontaktsonen. Under disse operasjonsbetingelsene infiltrerer den smeltede aluminiumlegeringen spontant under normalt atmosfærisk trykk den permeable keramiske masse inntil den kommer i kontakt med barrieremidlet. Transport eller infiltrasjon utover grenseoverflaten opphører i det vesentligste når den smeltete legeringen kommer i kontakt med barrieremidlet. Etter at den smeltete legeringen har infiltrert det keramiske materialet til barrieremidlet, senkes temperaturen slik at legeringen størkner, for derved å danne en fast metallmatirsestruktur som omslutter det armerende keramiske materiale til grenseoverflaten. Mengden av keramisk fyllmateriale i aluminiummatirsekompositter framstillt ifølge oppfinnelsen kan være svært høyt. I dette henseende kan forhold større enn 1:1 mellom keramisk fyllmateriale og legering oppnås.

I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, dannes en permeabel masse av keramisk fyllmateriale med minst en definert grenseoverflate. Et barrieremiddel, f.eks. et fleksibelt grafittark eller partikkelformet titandiborid, er anbrakt på den definerte grenseoverflate. Et forråd av smeltet aluminiumlegering tilføres til den permeable masse, eller keramiske fyllmateriale eller preform ved å plassere et legeme av legeringen inntil eller i kontakt med den permeable massen slik at infiltrasjon av smeltet aluminiumlegering vil opptre i en retning mot nevnte barrieremiddel. Legeringen og den permeable keramiske masse oppvarmes i nærvær av nitrogenholdig gass til en temperatur over legeringens smeltepunkt, hvormed den smeltede legeringen ved temperaturen spontant infiltrerer det tilstøtende eller omgivende keramiske leie til barrieremidlet. Barrieremidlet forhindrer enhver infiltrasjon utover den definerte grenseoverflaten av den permeable keramiske masse. Etter at den smeltete legeringen har generelt fullstendig infiltrert den keramiske masse til den definerte grenseoverflate, avkjøles den infiltrerte keramiske strukturen til en temperatur under legeringens smeltepunkt for å gi en fast matrise av duminiumlegering omsluttende den keramiske masse til den definerte grenseoverflate uten at noe av den størknede aluminiumlegeringen er utsondret forbi den definerte grenseflate.

Aluminiummatrise-komposittene framstillt i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen har typisk en konfigurasjon eller geometri av det originale keramiske fyllmaterialet eller preforma med barrieremidlet som inhiberer eller avslutter dannelsen av aluminiummatrise utover grenseoverflaten, for derved å oppnå et rent eller tilnærmet rent formet keramisk legeme. Aluminiummatrise-komposittene inneholder også typisk aluminiumnitrid i aluminiummatrisen som en ikke-kontinuerlig fase. Mengden av nitrid i aluminiummatrisen kan variere avhengig av slike faktorer som valg av temperatur, legeringsammensetning, gassammensetning og keramisk fyllmateriale. Mengden av dispergert aluminiumnitrid kan varieres ved å kontrollere en eller flere faktorer i systemet, f.eks. temperatur, for derved å gjøre det mulig å skreddersy visse egenskaper til kompositten, f.eks.

Uttrykket "resten ikke-oksyderende gass", som brukt heri, angir at enhver gass tilstede i tillegg til elementært nitrogen er enten en inert gass eller reduserende gass som er i det vesentligste ureaktiv med aluminium under prosessbetingelsene. Enhver oksyderende gass (annen enn nitrogen) som kan være tilstede som en urenhet i gassen (gassene) som brukes, er utilstrekkelige til å oksidere metallet i noen vesentlig utstrekning.

Det er underforståttt at uttrykkene "keramisk", "keramisk materiale", eller "keramisk fyllmateriale" er ment å inkludere keramiske fyllmaterialer, per se. slik som aluminiumoksid eller silisiumkarbid-fibre, og keramisk belagte fyllmaterialer, slik som karbonfibre belagt med aluminiumoksid eller silisiumkarbid for å beskytte karbonet fra angrep fra smeltet metall. Det er videre underforstått at aluminium brukt i prosessen, i tillegg til å være legert med magnesium, kan være i det vesentligste rent eller komersielt rent aluminium, eller kan være legert med andre bestanddeler slik som jern, silisium, kobber, mangan, krom o.l.

Kort beskrivelse av figurene.

Fig. 1 er et skjematisk tverrsnitt sett fra siden som viser et dobbelt sjikt av fleksible grafittark av Grafoil grafitt som omgir et keramisk fyllmateriale med en aluminiumlegering plassert ovenpå, hvor hele sammenstillingen er nedsenket i et inert leie og inneholdt i en ildfast beholder for å bli bearbeidet i samsvar med prosedyrene i eksempel 1. Fig. 2 er et vertikalt tverrsnitt av det keramiske fyllmaterialet i fig. 1 infiltrert til de definerte grenseoverflatene med aluminiumlegeringmatrise. Fig. 3 er et tverrsnitt sett fra siden som viser ei keramisk preform med et tverrsnitt av en avkortet kon som bærer en rektangulær blokk av aluminiumlegering, hvor den keramiske preforma er neddykket i partikkelformet TiBj i en ildfast beholder for å bli bearbeidet i samsvar med prosedyrene i eksempel 2. Fig. 4 er et vertikalt tverrsnitt av den keramiske preforma i fig. 3 infiltrert til de definerte grenseoverflatene med aluniiniumlegering-matrise og omgivende ureagert aluminiumlegering. Fig. 5 er et skjematisk tverrsnitt som viser ei keramisk preform med en blokk av aluminiumlegering plassert ovenpå, hvor sammenstillingen er neddykket i partikkelformet TiB2 i en ildfast beholder for å bearbeides i samsvar med prosedyren i eksempel 3. Fig. 6 er et vertikalt tverrsnitt av den keramiske preforma i fig. 5 infiltrert til de definerte grenseover-flatene med aluminiumlegering-matrise.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I samsvar med framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen, formes en permeabel masse av keramisk fyllmateriale, f.eks. keramiske partikler, hår, eller fibre slik at den har minst en definert grenseflate med i det minste en del av den definerte grenseflate som har, som er omgitt av, eller har plassert ovenpå seg et barriere-middel. Det er underforstått at uttrykket "fyllmateriale" kan inkludere ei preform, eller en sammenstilling av preformer som til slutt bindes til en integrert kompositt. Det keramiske fyllmaterialet er plassert nærliggende og i kontakt med en overflate av en aluminium-magnesium-legering slik at i det minste en del av den definerte grenseoverflate som har, er omgitt av, eller har plassert ovenpå seg barrieremidlet er generelt plassert i avstand eller utover fra overflaten av aluminium-magnesium-legeringen som er i kontakt med det keramiske fyllmaterialet, slik at infiltrasjonen av smeltet aluminium-magnesium-legering vil opptre inn i det keramiske fyllmaterialet og i en retning mot den definerte grenseoverflate med barrieremidlet. Den permeable massen av keramisk fyllmateriale er del av sammenstillingen, og ved oppvarming i en smelteovn til en temperatur på i det minste smelte-punktet aluminium-magnesium-legeringen og i nærvær av en nitrogenholdig gass, hvor aluminiumlegeringen smelter og den smeltede aluminiumlegeringen spontant og progressivt infiltrerer den permeable keramiske masse. Spontan infiltrering pågår inntil metallmatrisen kommer i kontakt med den definerte grenseoverflate som har, er omgitt av, eller som har plassert ovenpå seg barrieremidlet. Mest typisk faller i det vesentligste grensene av det keramiske fyllmaterialet og metallmatrisen sammen, men individuelle bestanddeler på overflatene av det keramiske fyllmaterialet kan være eksponert eller kan stikke ut fra metallmatrisen, og derfor er infiltrasjon og omslutting kanskje ikke fullstendig i form av fullstendig å omgi eller å innkapsle det keramiske fyllmaterialet med metallmatrisen. Barriere-materialet forhindrer, inhiberer eller avslutter migrasjon eller bevegelse av den smeltede aluminiumlegeringen ved kontakt med barrieremidlet, og i det vesentligste ingen transport eller "overinfiltrasjon" av den smeltede aluminiumlegeringen opptrer utover den definerte grenseoverflate. Utstrekningen av dannelsen av metallmatrisen kan også variere med prosessbetingelsene, som forklart nedenfor i større detalj. Etter at den smeltede aluminiumlegeringen i det vesentligste har infiltrert den permeable massen av keramisk fyllmateriale til barrieremidlet, avkjøles sammensitllingen, dvs. fjernet fra smelteovnen, under smeltepunktet for aluminiumlegeringen slik at den smeltede aluminiumlegeringen størkner i den permeable keramiske masse. Det resulterende metallmatrisekompositt-produktet inkluderer en masse av keramisk materiale infiltrert eller omsluttet til dets grenser av en aluminiumlegering-matrise. Således hjelper barrieremidlet brukt i henhold til den foreliggende framgangsmåten til med å framstille en veldefinert, rent eller tilnærmet rent formet metallmatrisekompositt. Barrieremidlet anvendt ifølge den foreliggende framgangsmåten kan være ethvert egnet middel som forstyrrer, inhiberer, forhindrer eller stopper migreringen, bevegelsen e.l., av smeltet aluminium-legering utover den definerte grenseoverflate av det keramiske fyllmateriale. Egnete barrieremidler kan være ethvert materiale, forbindelse, element, blanding e.l. som under prosessbetingelsene for den foreliggende oppfinnelsen, bibeholder noe integritet, er ikke flyktig og fortrinnsvis permeabelt for den nitrogenholdige gassen såvel som er istand til lokalt å inhibere, stoppe, forstyrre, forhindre e.l., fortsatt infiltrasjon eller enhver annen form for bevegelse utover den definerte grenseoverflata for det keramiske fyllmateriale.

Egnete barrieremidler inkluderer materialer som er i det vesentligste ufuktbare av den migrerende smeltede aluminiumlegering under prosessbetingelsene som benyttes. En barriere av denne type viser seg å fremvise i det vesentligste liten eller ingen affinitet for den smeltede alumimumlegering, og bevegelse utover den definerte grenseoverflate for det keramiske fyllmaterialet forhindres eller inhiberes av barrieremidlet. Barrieren reduserer enhver sluttmaskinering eller sliping som kan være påkrevet for det keramiske metallmatrisekomposittproduktet. Som nevnt ovenfor, bør barrieren fortrinnsvis være permeabel eller porøs, eller gjort permeabel ved punktering, for å gjøre det mulig for den nitrogenholdige gassen å komme i kontakt med den smeltede aluminiumlegering.

Særlig anvendelige, egnete barrierer under den foreliggende oppfinnelsen er de som inneholder karbon, særlig den krystallinske allotropiske form av karbon kjent som grafitt. Grafitt er i det vesentligste ufuktbart av den migrerte smeltede aluminiumlegeringen. En særlig fortrukket grafitt er en grafittape som selges under varmerket Grafoil, registrert for Union Carbide. Denne grafittapen fremviser væsketettende karakteristika som forhindrer migrasjon av smeltet aluminiumlegering utover den definerte grenseoverflate for det keramiske fyllmaterialet. Denne grafittapen er også resistent overfor varme og er kjemisk inert. Grafoil grafittmateriale er fleksibelt, forenelig, føyelig og elastisk. Den kan lages til en lang rekke former for å passe til enhver barriereanvendelse. Grafittbarrieremidler kan benyttes som en slurry eller pasta eller t.o.m. som en malingsfilm rundt og på grensen for det keramiske fyllmaterialet. Grafoil er særlig foretrukket fordi det er i en form i et fleksibelt grafittark. I bruk formes denne papirliknende grafitten rundt sammenstillingen av aluminiumlegeringen/det keramiske fyllmaterialet før oppvarming i en smelteovn. Når sammenstillingen oppvarmes til smeltepunktet for aluniiniumlegeringen, opptrer spontan infiltrasjon gjennom det keramiske fyllmaterialet, men stopper når det når det fleksible grafittarket.

Andre foretrukne barrierer er overgangsmetallboridene, f.eks. titan diborid (TiB2), som er generelt ufuktbart av den smeltede metallegeringen under prosessbetingelsene anvendt ved bruk av dette materialet. Med barrierer av denne type bør prosesstemperaturen ikke overskride 875°C, for ellers blir barrierematerialet mindre effektivt og, faktisk med øket temperatur vil infiltrasjon inn i barrieren forekomme. Overgangsmetall-boridene er typisk i partikkel-form (1-38 mikron). Barriere-materialene brukes enten som det omgivende leie for sammenstillingen av legeringen/keramisk fyllmateriale, eller kan være påført som en slurry eller pasta på grensene for den permeable masse av keramisk fyllmateriale som fortrinnsvis er formet på forhånd som ei preform.

Andre anvendelige barrierer inkluderer lavtflyktige organiske forbindelser påført som en film eller sjikt på det keramiske fyllmaterialet eller preforma. Ved brenning i nitrogen, spesielt ved prosessbetingelsene under den foreliggende oppfinnelsen, dekomponerer den organiske forbindelsen og etterlater en film av karbonsot. Den organiske forbindelsen kan påføres med konvensjonelle midler slik som maling, spraying, dypping etc.

Videre kan finmalte partikkelformete materialer fungere som en barriere sålenge infiltrasjonen av det partikkelformete materialet vil finne sted med en hastighet som er langsommere enn hastigheten for infiltrasjon av det keramiske fyllmaterialet.

For å oppnå minimal, eller i det vesentligste ingen smeltet legeringsinfiltrasjon, transport eller overinfiltrasjon utover den definerte grenseoverflate ved dannelse av metallmatrisekompositten, kan barrieremidlet utgjøre det omgivende leie for legeringen/det keramiske fyllmaterialet når dette er i en digel, eller kan på den annen side plasseres eller anbringes på, eller posisjoneres i nærheten av, den definerte grenseoverflate for den permeable masse av keramisk fyllmateriale-leie eller preform. Barrieremidlet kan påføres med ethvert egnet middel, slik som å påføre barrieremidlet i et sjikt på den definerte grenseflata. Et slik sjikt av barrieremiddel kan påføres ved maling, dypping, silketrykk, fordamping eller på annen måte påføre barrieremidlet i flytende form, som slurry eller i pasta-form, eller ved katodefordampning av et barrieremiddel som kan fordampes, eller ganske enkelt å plassere et sjikt av et fast partikkelformet barrieremiddel, eller ved anvendelse av et fast tynt ark eller film av barrieremidler på den definerte grenseflate. Ved barrieremidlet på plass, stopper i det vesentligste den spontane infiltrasjon opp når den når den definerte grenseflate og kommer i kontakt med barrieremidlet.

Under prosessbetingelsene anvendt i den foreliggende oppfinnelsen er den keramiske masse eller legemet tilstrekkelig permeabelt til å la gassformig nitrogen gjennomtrenge massen og komme i kontakt med det smeltete metallet, hvormed det nitrogengjennomtrengte keramiske materialet spontant infiltreres med smeltet aluminium-legering for å danne en aluminiummatrise-kompositt. Utstrekningen av den spontane infiltrasjonen og dannelsen av metallmatrisen vil variere med et gitt sett av prosessbetingelser, dvs. magnesiuminnhold i aluminiumlegeringen, nærvær av ytterligere legeringselementer, størrelse, overflatebetingelser og type av fyllmateriale, nitrogenkonsentrasjon på gassen, tid og temperatur. For at infiltrasjon av smeltet aluminium skal opptre spontant, legeres aluminiumen med minst 1 %, og fortrinnsvis minst 3 % magnesium, på basis av legeringsvekt. Ett eller flere ytterligere legeringselementer, f.eks. silisium, sink eller jern, kan inkluderes i legeringen, som kan påvirke den minimale mengde av magnesium som kan brukes i legeringen. Det er kjent at visse elementer kan fordampe fra aluminium-smelter, hvor fordampningen er tid- og temperaturavhengig, og derfor kan under prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelsen fordampning av magnesium såvel som sink forekomme. Det er derfor ønskelig å benytte en legering som i utgangspunktet inneholder minst 1 vektprosent magnesium. Prosessen utføres i nærvær av en nitrogenatmosfære som inneholder minst 10 volumprosent nitrogen og resten en ikke-oksiderende gass under prosessbetingelsene. Etter den i det vesentligste infiltrasjon av den keramiske massen, størknes metallet ved avkjøling i nitrogenatmosfæren, for derved å danne en fast metallmatrise som i det vesentligste omslutter det keramiske fyllmaterialet. Fordi aluminium-magnesiumlegeringen fukter keramen, kan det forventes en god binding mellom metallet og keramen, som i sin tur kan resultere i forbedrete egenskaper for kompositten.

Det minimale magnesiuminnhold i aluniiniumlegeringen som kan anvendes for fremstilling av en metallmatrisekompositt med keramisk fyllmateriale avhenger av en eller flere variable slik som prosesstemperatur, tid, nærvær av ytterligere legeringselementer slik som silisisum eller sink, beskaffenheten av det keramiske fyllmaterialet, og nitrogeninnholdet i gasstrømmen. Lavere temperaturer eller kortere oppvarmingstider kan brukes når magnesiuminnholdet i legeringen økes. For et gitt magnesiuminnhold kan også tilsats av visse tilleggslegeringselementer slik som sink tillate bruk av lavere temperaturer. F.eks., et magnesiuminnhold i den nedre ende av operasjonsområdet, f.eks. fra 1 til 3 vektprosent, kan brukes i forbindelse med minst en av følgende: En over minimum prosesstemperatur, en høy nitrogenkonsentrasjon, eller ett eller flere ytterligere legeringselementer. Legeringer som inneholder fra 3 til 5 vektprosent magnesium foretrekkes på basis av deres generelle anvendbarhet over en vid variasjon av prosessbetingelser, hvor minst fem prosent foretrekkes når lavere temperaturer og kortere tider benyttes. Magnesiuminnhold utover 10 vektprosent av aluminiumlegeringen kan anvendes for å moderere temperaturbetingelsene som kreves for infiltrasjon. Magnesiuminnholdet kan reduseres når det brukes i forbindelse med et tilleggslegeringselement, men disse elementene tjener bare for en tilleggsfunksjon og anvendes typisk i kombinasjon med den ovenfor spesifiserte mengde av magnesium. F.eks. var der i det vesentligste ingen infiltrasjon av nominelt ren aluminium legert bare med 10% silisium ved 1000°C inn i et leie av omlag 30 mikrometer maskevidde (500 mesh), 39 Crystolon (99% rent silisiumkarbid fra Norton Co.).

Bruk av ett eller flere tilleggselementer og konsentrasjonen av nitrogen i den omgivende gass påvirker også utstrekningen av nitriddannelse av legeringsmatrisen ved en gitt temperatur. F.eks. kan en økning av konsentrasjonen av et tilleggslegeringselement slik som sink eller jern i legeringen anvendes for å redusere infiltrasjonstemperaturen og derved senke nitriddannelsen, hvormed økning av konsentrasjonen av nitrogen i gassen kan anvendes for å øke nitriddannelsen.

Konsentrasjonen av magnesium i legeringen synes også å påvirke utstrekningen av infiltrasjon ved en gitt temperatur. Følgelig er det ytterligere å foretrekke at minst 3 vektprosent magnesium inkluderes i legeringen. Legeringsinnhold mindre enn denne mengden, slik som 1 vektprosent magnesium, synes å kreve høyere prosess-temperaturer eller et tilleggslegeringselement for infiltrasjon. Temperaturen som kreves for å effektuere den spontane infiltrasjonsprosessen under den foreliggende oppfinnelsen kan være lavere når magnesiuminnholdet i legeringen økes, f.eks. til minst 5 vektprosent, eller når andre elementer slik som sink eller jern er til stede i aluminiumlegeringen. Temperaturen kan også variere med forskjellige keramiske materialer. Generelt vil spontan og progressiv infiltrasjon opptre ved en prosesstemperatur på minst 700°C og fortrinnsvis minst 800°C. Temperaturer over 1200°C synes ikke generelt å være fordelaktig for prosessen, og et særlig egnet temperaturområde er funnet å være fra 800°C til 1200°C. I den foreliggende framgangsmåten tilføres smeltet aluminiumlegering til en masse av permeabelt keramisk materiale i nærvær av en nitrogenholdig gass bibeholdt i hele den tiden som kreves for å oppnå infiltrasjon. Dette oppnås ved å bibeholde en kontinuerlig strøm av gass i kontakt med sammenstillingen av keramisk materiale og smeltet aluminiumlegering. Selv om strømningshastigheten for den nitrogenholdige gassen ikke er kritisk, foretrekkes det at strømningshastigheten er tilstrekkelig til å kompensere for ethvert nitrogentap fra atmosfæren på grunn av nitriddannelse i legeringsmatrisen, og også for å forhindre eller inhibere inntrengning av luft som kan ha en oksiderende effekt på det smeltede metallet.

Som nevnt ovenfor består den nitrogenholdige gassen av minst 10 volumprosent nitrogen. Det er funnet at nitrogenkonsentrasjonen kan påvirke infiltrasjons-hastigheten. Særlig synes tiden nødvendig for å oppnå infiltrasjon å øke når nitrogenkonsentrasjonen avtar. Som det framgår av US patentskrift 4.828.008, økte tiden nødvendig for å infiltrere aluminiumoksid med smeltet aluminiumlegering innholdende 5% magnesium og 5% silisium ved 1000°C når konsentrasjonen av nitrogen avtok. Infiltrasjonen ble vist å være fullført på 5 timer ved bruk av en gass inneholdende 50 volumprosent nitrogen. Denne tiden økte til 24 timer med en gass inneholdende 30 volumprosent nitrogen, og til 72 timer med en gass inneholdende 10 volumprosent nitrogen. Fortrinnsvis inneholder gassen 100% nitrogen. Nitrogen-konsentrasjoner i den nedre ende av det effektive området, dvs. mindre enn 30 volumprosent, foretrekkes generelt ikke på grunn av de lengre oppvarmingstidene som kreves for å oppnå infiltrasjon.

Framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen er anvendbar for en lang rekke keramiske materialer, og valget av keramisk fyllmateriale vil avhenge av slike faktorer som aluminiumlegeringen, prosessbetingelsene, reaktiviteten av det smeltede aluminium med fyllmaterialet, og egenskapene som søkes for det ferdige kompositt-produktet. Disse materialene inkluderer (a) oksider, f.eks. aluminiumoksid, magnesiumoksid, titanoksid, zirkoniumoksid, og hafniumoksid; (b) karbider, f.eks. silisiumkarbid og titankarbid; (c) borider, f.eks. titandiborid og aluminium-dodekaborid; og (d) nitrider, f.eks. aluminiumnitrid, silisiumnitrid og zirkoniumnitrid. Dersom der er en tendens for det keramiske fyllmaterialet til å reagere med den smeltede aluminiumlegeringen, kan dette overkommes ved å minimalisere infiltrasjonstiden og temperaturen, eller ved å anbringe et ureaktivt belegg på fyllmaterialet. Fyllmaterialet kan omfatte et substrat, slik som karbon eller andre ikke-keramiske materialer, med et keramisk belegg for å beskytte substratet fra angrep eller nedbryting. Egnede keramiske belegg inkluderer oksidene, karbidene, boridene og nitridene. Keramer som foretrekkes for bruk i den foreliggende framgangsmåte inkluderer aluminiumoksid og silisiumkarbid i form av partikler, plater, hår, og fibre. Fibrene kan være diskontinuerlige (i hakket form) eller i form av kontinuerlige tråder, slik som flertråds strygarn. Videre kan den keramiske masse eller preforma være homogent eller heterogent.

Silisiumkarbid reagerer med smeltet aluminium for å danne aluminiumkarbid, og dersom silisiumkarbid brukes som det keramiske fyllmaterialet, er det ønskelig å forhindre eller minimalisere denne reaksjonen. Aluminiumkarbid er mottagelig for angrep av fuktighet, som muligens svekker kompositten. Følgelig, for å minimalisere eller forhindre denne reaksjonen, forbrennes silisiumkarbidet i luft for å danne et reaktivt silisiumoksidbelegg derpå, eller aluminiumlegeringen legeres ytterligere med silisium, eller begge deler. I begge tilfeller er effekten å øke silisiuminnholdet i legeringen for å eliminere dannelsen av aluminiumkarbid. Tilsvarende metoder kan brukes for å forhindre uønskede reaksjoner med andre keramiske fyllmaterialer.

Størrelsen og formen på det keramiske materialet kan være enhver størrelse og form som kan være påkrevet for å oppnå de ønskede egenskaper i kompositten. Således kan materialet være i form av partikler, hår, plater eller fibre fordi infiltrasjonen ikke er begrenset av formen av fyllmaterialet. Andre former slik som sfærer, rør, pellets, ildfast fiberduk, o.l. kan benyttes. I tillegg begrenser ikke størrelsen av materialet infiltrasjon, selv om høyere temperatur eller lengre tidsperiode kan være påkrevet for fullstendig infiltrasjon av en masse med mindre partikler enn for større partikler. Videre er massen av keramisk materiale som skal infiltreres permeabel, dvs. permeabel overfor smeltede aluminiumlegeringer og overfor nitrogeninneholdende gasser. Det keramiske materialet kan enten ha lav tetthet eller være komprimert til en moderat tetthet.

Framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen, idet den er uavhengig av bruk av trykk for å tvinge smeltet metall inn i en masse av keramisk materiale, muliggjør framstilling av i det vesentligste ensartede aluminiumlegeringmatrise-kompositter med en høy volumandel av keramisk materiale og lav porøsitet. Høyere volumandeler av keramisk materiale kan oppnås ved å bruke en utgangsmasse av keramisk materiale med lavere porøsitet. Høyere volumandeler kan også oppnås dersom den keramiske masse kompaktes under trykk forutsatt at massen ikke konverteres til enten et kompakt materiale med lukket celleporøsitet eller til en fullstendig tett struktur som vil forhindre infiltrasjon av den smeltede legeringen.

Det er observert at for aluminiuminfiltrasjon og matrisedannelse med et gitt aluminiumlegering/keramsystem, er fukting av keramet av aluminiumlegeringen den dominerende infiltrasjonsmekanismen. Ved lave bearbeidelsestemperaturer opptrer en neglisjerbar eller minimal mengde av metall-nitridering som resulterer i en minimal diskontinuerlig fase av aluminiumnitrid dispergert i metallmatrisen. Når man nærmer seg den øvre enden av temperaturområdet, er det mer sannsynlig at nitridering av metallet forekommer. Således kan mengden av nitridfasen i metallmatrisen kontrolleres ved å variere prosesstemperaturen. Prosesstemperaturen ved hvilken nitriddannelse blir mer utpreget varierer også med slike faktorer som aluminiumlegeringen som brukes og dens kvantitet i forhold til volumet av fyllmateriale, det keramiske materialet som skal infiltreres, og nitrogen-konsentrasjonen i gassen som brukes. F.eks. antas det at utstrekningen av aluminiumnitriddannelse ved en gitt prosesstemperatur øker ettersom evnen til legeringen til å fukte det keramiske fyllmaterialet avtar og når nitrogenkonsentrasjonen i gassen øker.

Det er derfor mulig å skreddersy sammensetningen av metallmatrisen under dannelse av kompositten for å bibringe visse karakteristika til det resulterende produktet. For et gitt system kan prosesstemperaturen velges for å kontrollere nitriddannelsen. Et komposittprodukt inneholdende en aluminiumnitridfase vil framvise visse egenskaper som kan være fordelaktige for, eller forbedre yteevnen til, det ferdige metaUmatrisekomposittproduktet med rene former. Videre kan temperaturområdet for spontan infiltrasjon med aluminiumlegering variere med det keramiske materialet som brukes. I tilfellet med aluminiumoksid som fyllmateriale, bør temperaturen for infiltrasjon fortrinnsvis ikke overskride 1000°C for å forsikre at duktiliteten til matrisen ikke reduseres av den signifikante dannelse av ethvert nitrid. Imidlertid kan temperaturer som overskrider 1000°C brukes dersom det er ønskelig å produsere en kompositt med en mindre duktil og stivere matrise. For å infiltrere andre keramer slik som silisiumkarbid, kan høyere temperaturer på 1200°C brukes, siden aluminiumlegeringen nitrideres til en mindre utstrekning, i forhold til bruken av aluminiumoksid som fyllmateriale, når silisiumkarbid brukes som fyllmateriale.

Som vist i de følgende eksempler infiltrerer smeltede aluminiummagnesium-legeringer spontant den permeable masse av keramisk materiale på grunn av deres tendens til å fukte et keramisk materiale gjennomtrukket av nitrogengass. Infiltrasjonen stoppet eller opphørte ved den definerte grenseoverflate hvor en barriere er plassert. Tilleggslegeringselementer slik som silisium og sink kan inkluderes i aluminiumlegeringene for å muliggjøre bruk av lavere temperaturer og lavere magnesiumkonsentrasjoner. Aluminium-magnesiumlegeringer som inkluderer 10-20% eller mer av silisium deri, foretrekkes for infiltrering av ikke brent silisiumkarbid, siden silisium har en tendens til å minimalisere reaksjonen av den smeltede legeringen med silisiumkarbid for å danne aluminiumkarbid. I tillegg kan aluminiumlegeringene benyttet i oppfinnelsen inkludere forskjellige andre legeringselementer for å gi spesielt ønskede mekaniske og fysiske egenskaper til legerings-matrisen. F.eks. kan kobbertilsetninger inkluderes i legeringen for å gi en matrise som kan varmebehandles for å øke hårdheten og styrken.

Eksempel 1.

Med henvisning til fig. 1, ble ei preform som målte 88,9 mm x 88,9 mm x 12,7 mm i tykkelse generelt angitt som 10, formet for å ha grenseoverflate 12, 14, 16 og 18. Preforma ble laget ved sedimentstøping av en blanding av ca. 68 mikrometer

(220 grit) smeltede A1203 partikler (38 Alundum, Norton Co.) og kolloidalt A1203 (Nyacol Al-20 Colloidal Alumina Sol, The PQ Corp.) inn i en silikongummi (Base, GI-1000, Plastic Tooling Supply Co., Exton, PA) form, med påfølgende frysing og tørking av sammensetningen. Ovenpå grenseflaten 12 ble det plassert en blokk 20 som målte 50,8 mm x 76,2 mm x 12,7 mm av en aluminiumlegering bestående av 5 vektprosent silisium, 5 vektprosent sink, 5 vektprosent magnesium og resten aluminium. Et dobbelt lag 22, hvert av 0,38 mm Grafolie fleksibel grafittape, fra Union Carbide Corp., ble formet rundt sammenstillingen av aluminium-legeringsblokken 20 og den keramiske preforma 10, og arrangementet ble plassert i et leie 24 av ca. 0.7 mm (24 grit) 38 Alundum (fra Norton Co.) inneholdt i et 25,4 cm x 25,4 cm x 10,2 cm grafittskip 26 (Grade AGSX, Union Carbide Corp.). Grafittskipet 26 med innhold ble oppvarmet i en grafitt-vakuum-smelteovn i 100% nitrogen strømmende med en hastighet på 1,5 liter pr. min. med følgende prosedyre: Oppvarming til 865 °C i løpet av 5 timer, ved å øke temperaturen med konstant hastighet; gjennombløting i 20 timer ved 865°C; og avkjøling i løpet av 3 timer til romtemperatur, ved å senke temperaturen med konstant hastighet. Før oppvarmingen til 865°C, ble grafittskipet 26 med innhold baket ut, i den samme smelteovnen, ved 200°C under vakuum i 3,5 timer for å fjerne enhver innestengt fuktighet. Som illustrert i fig. 2, infiltrerte aluminiumlegeringen spontant den keramiske preforma 10 til grenseoverflatene 14, 16 og 18, for å danne metallmatrisekompositten 28. Grenseoverflaten 12 var dekket med noe gjenværende, størknet aluminiumlegering, angitt som 30 på fig. 2. Denne gjenværende aluminiumlegering kan enkelt fjernes ved maskinering eller sliping.

Eksempel 2.

Med henvisning til fig. 3 ble ei keramisk preform med et tverrsnitt som en avkortet kon, generelt angitt som 32, med gjennomsnittlig ytre diameter på 38,1 mm og 25,4 mm høyde med en tykkelse på omtrent 1,6 mm, formet for å ha grenseoverflatene 33 og 34, som indikert. Preforma ble sedimentstøpt (se eksempel 1) av 68 vektprosent ca. 68 mikrometer (220 grit) 38 Alundum,; 29% 30 mikrometer (500 grit) 38 Alundum; og 3 vektprosent ca. 42 mikrometer (325 mesh) silisium-metall, ved bruk av en blanding av "Eimer's" trelim (Borden, Inc., Columbus, OH) og H20 som bindemiddeloppløsning. Etter sedimentstøping ble preforma brent i en silisiumkarbid, motstandsoppvarmet smelteovn i luft ved 1300°C i 3 timer. En 50,8 mm diameter og 25,4 mm høy sylindrisk blokk 42 av en aluminiumlegering bestående av 5 vektprosent silisium, 5 vektprosent sink, 5 vektprosent magnesium, og resten aluminium ble plassert på toppen av preforma 32 og sammenstillingen ble neddykket i et leie 44 av 5-6 mikron Til^, Grade HCT fra Union Carbide Corp., som var inneholdt i en 99,7% A1203 digel 46 (framstilt av Bolt Technical Ceramics, Inc., Conroe, TX, Catalog No. 6C). Digelen 46 med innhold ble oppvarmet i en motstandsoppvarmet rørsmelteovn i nærvær av en prosessgass bestående av 96% nitrogen og 4% hydrogen med en strømningshastighet på 500 cmVmin. med følgende prosedyre: Oppvarming til 875°C med 150°C pr. time; gjennombløting i 10 timer ved 875°C; og nedkjøling med 200°C pr. time til romtemperatur. Som illustrert i fig. 4, infiltrerte aluminiumlegeringen spontant den keramiske preforma til grenseflaten 33, for å framstille en aluminiumlegeringmatrise-kompositt 48.

Grenseoverflaten 34 var dekket med gjenværende, størknet aluminiumlegering, gjengitt som 50 på fig. 4. Denne gjenværende aluminiumlegeringen kan enkelt fjernes ved maskinering eller sliping.

Eksempel 3.

Med henvisning til fig. 5, ble ei 50,8 mm x 50,8 mm x 12,7 mm preform, angitt som 52, sedimentstøpt (se eksempel 1) fra en slurry av C-75 UNG kalsinert A1203 (Alcan Aluminium Corp.) ved bruk av en blanding av "Eimer's" trelim (Borden, Inc., Columbus, OH) og H20 som bindemiddel-oppløsning. Preforma ble formet for å ha grenseoverflatene 54, 56, 58 og 60. Ovenpå grenseflaten 54 ble en 50,8 mm x 50,8 mm x 12,7 blokk 62 av en aluminiumlegering bestående av 5 vektprosent silisium, 5 vektprosent magnesium, og resten aluminium, plassert. Dette arrangementet ble neddykket i et leie 64 av 5-6 mikron TiBj, Grade HCT fra Union Carbide, som ble inneholdt i en 150 mm x 66 mm x 35 mm, 99,7% A1203 prøvekapsel 66 (framstilt av Bolt Technical Ceramics, Inc., Conroe, TX). Digelen 66 med innhold ble oppvarmet i en grafitt-vakuum-smelteovn i nærvær av en prosessgass bestående av 96% nitrogen og 4% hydrogen med en strømningshastighet på 1000 cmVmin. med følgende prosedyre: Oppvarming til 875°C i løpet av 10 timer, ved å øke temperaturem med konstant hastighet; gjennombløting i 15 timer ved 875°C; og avkjøling i løpet av 5 timer til romtemperatur, ved å senke temperaturen med konstant hastighet. Før oppvarmingen til 875°C, ble digelen med innhold bakt ut, i den samme smelteovnen, ved 200°C under vakuum i omtrent 6 timer for å fjerne enhver innestengt fuktighet. Som illustret i fig. 6, infiltrerte aluminiumlegeringen spontant den keramiske preforma 52 til grenseflatene 56, 58 og 60, for å produsere aluminiumlegeringmatrise-kompositten 68. Grenseoverflaten 54 var dekket med noe gjenværende, størknet aluminiumlegering, angitt som 70 i fig. 6. Denne gjenværende aluminiumlegeringen kan enkelt fjernes ved maskinering eller sliping.

Claims (13)

1. Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt, hvor (a) det frambringes en aluminiumlegering (20,42,62) og minst ett fyllmateriale (10,32,52) omfattende en permeabel masse av keramisk fyllmateriale og/eller ei preform, karakterisert ved at minst en overflate av fyllmaterialet (10,32,52) defineres av et barrieremiddel (22,44,64), og (b) aluminiumlegeringen (20,42,62) omfattende aluminium og minst 1 vekt% Mg, i nærvær av gass omfattende fra 10 til 100 vol% nitrogen og resten ikke-oksiderende gass, varmes til en temperatur for å bringe denne i smeltet tilstand, og bringes i kontakt med en sone av fyllmaterialet (10,32,52) slik at barrieremidlet (22,44,64) er i det minste delvis atskilt fra kontaktsonen, og fyllmaterialet (10,32,52) infiltreres spontant med den smeltede aluminiumlegeringen (20,42,62) inntil sistnevnte kontakter barrieremidlet (22,44,64); og (c) den smeltede aluminiumlegeringen størknes for å danne en fast metallmatrise-kompositt (28,48,68) som omslutter fyllmaterialet, hvilken overflate (14,16,18,33,56,58,60) er formet av barrieremidlet.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at barrieremidlet (22,44,64) som anvendes, er i det vesentligste ufuktbart av den smeltede aluminiumlegeringen under prosessbetingelsene.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at barrieremidlet etableres ved at et fleksibelt grafittark (22) anbringes på den definerte grenseoverflata (14,16,18).

4. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at barrieremidlet som anvendes, omfatter titandiborid (44,64) og at aluminiumlegeringen (20,42,62) oppvarmes til en temperatur ikke høyere enn 875°C.

5. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at barrieremidlet (22,44,64) som anvendes, omfatter karbon eller et grafittmateriale.

6. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at aluminiumlegeringen (20,42,62) bringes i kontakt med fyllmaterialet (10,32,52) ved en temperatur på minst 700°C.

7. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gassen som anvendes, omfatter minst 50 volum % nitrogen og resten argon og/eller hydrogen.

8. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at aluminiumlegeringen (20,42,62) som anvendes, inneholder minst 3 vekt% magnesium eller minst ett legeringselement i tillegg.

9. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som fyllmateriale (10,32,52) anvendes et materiale i form av oksider, karbider, borider og/eller nitrider.

10. Framgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at fyllmaterialet (10,32,52) som anvendes, omfatter aluminiumoksid og at temperaturen er opptil 1000°C, eller fyllmaterialet omfatter silisiumkarbid og at temperaturen er opptil 1200°C, eller fyllmaterialet omfatter zirkoniumoksid eller aluminiumnitrid.

11. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet (10,32,52) som anvendes, omfatter titandiborid og at temperaturen er høyere enn 875 °C.

12. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at aluminiumnitrid dannes som en diskontiunerlig fase i aluminiummatrisen.

13. Framgangsmåte krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet (10,32,52) som anvendes, omfatter et fyllersubstrat med et keramisk belegg i form av oksider, karbider, borider og/eller nitrider.