NO175473B - Framgangsmåte for tilvirkning av keramiske kompositt-gjenstander - Google Patents

Abstract

Framgangsmåte for å tilvirke et selvbærende keramisk. kompositt legeme med minst ett hulrom som utgjør den omvendte reproduksjon av geometrien til et mønster. Et forbrukbart mønstermateriale pakkes inn med et fyllstoff slik at det dannes et fyllt hulrom i fyllstoffet. Mønsteret blir deretter kjemisk eller fysisk fjernet og en mengde grunnmetall fylles inn i hulrommet. Grunnmetallet oppvarmes til en temperatur over smeltepunktet og det startes en oksydasjons-reaksjonprosess, hvis produkt innfiltrerer og innleirer det omgivende fyllstoffet. Overskytende fyllstoff og/eller overskytende grunnmetall fjernes, slik at det dannes et selvbærende kompositt legeme med et hulrom i samsvar med mønsteret.

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av et selvbærende keramisk komposittlegeme som angitt i den innledende del av patentkrav 1.

Oppfinnelsegjenstanden har tilknytning til gjenstanden for US patentskrift 4,828,785. Dette patentskriftet omhandler en ny oksidasjonsmetode for framstilling av et selvbærende keramisk komposittlegeme som er utformet med minst ett hulrom som er omvendt reproduksjon av geometrien eller formen av et grunnmetallforstadium som utgjør det positive mønster. Det resulterende komposittprodukt har således et hulrom med en forutbestemt geometri. I det etterfølgende er det gjort mer detaljert rede for dette patentskriftet. Komposittlegemer hvor det blir benyttet det samme oksidasjonsreaksjonsfenomenet, men som ikke har noen avgrenset eller forutbestemt utforming, er beskrevet i US patentskrift 4,851,375.

Framgangsmåten for utviklingen av et keramisk produkt ved denne oksidasjonsreaskjonen er beskrevet generelt i US patentskrift 4.713.360. Disse patentene beskriver framgangsmåter for å framstille selvbærende keramiske legemer som har utviklet seg eller vokst som oksidasjonsreaksjonsproduktet av et grunnmetallforstadium, hvor oksidasjonsreaksjonen kan frembringes til å reagere med et oksideringsmiddel i dampfase for å danne oksidasjonsreaksjonsproduktet. I det passende temperaturområdet blir smeltet metall progressivt trukket gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet og i kontakt med oksideringsmiddelet, slik at det i fortsettelsen danner seg ytterligere oksidasjonsreaksjonsprodukt for utvikling av det keramiske legemet. Framgangsmåten ble forbedret ved bruk av ytre tilsetningsstoffer tilført til eller påført på overflaten av forstadiumgrunnmetallet, slik som beskrevet i US patentskrift 4.853.352.

Det har vært en tiltagende interesse for å erstatte metaller med keramikker; dette på grunn av keramikkens overlegenhet overfor metaller med hensyn til visse egenskaper. Det foreligger imidlertid flere kjente begrensninger og vansker i forbindelse med en slik erstatning, såsom avskallingsustadiget, evne til å kunne danne kompliserte former, tilfredstillelse av de egenskapene som kreves ved det endelige bruksformålet, samt kostnader. De ovennevnte patentpublikasjonene overvinner disse begrensningene eller vanskene og foreslår nye framgangsmåter for pålitelig framstilling av keramiske materialer, herunder komposittlegemer. Oppfinnesen beskrevet i US patentskrift 4.828.785 resuserer vanskene ved dannelse av keramiske legemer som har kompliserte innvendige hulrom og særlig former med inngående hulrom. Tradisjonelle eller kjente framgangsmåter for framstilling av keramiske produkter med slike former ved komprimering og sintring av partikler kan ikke så lett anvendes, fordi det innvendige mønsteret som kreves for å etablere den ønskete del-geometrien ikke så lett kan fjernes etter at legemet er dannet rundt det. Selv om slike del-geometrier enkelte ganger kan frambringes ved å maskinbearbeide eller slipe til den ønskete formen fra et råemne eller ferdig keramisk emne, er en slik framgangsmåte lite ønskelig på grunn av de høye kostnadene ved maskinerings- og slipeoperasjoner, særlig når disse anvendes i forbindelse med keramiske materialer. I mange tilfeller kan slike geometrier i dag ikke frambringes i det hele tatt, selv ved maskinbearbeiding eller sliping.

Oppfinnelsen beskrevet i US patentskrift 4.828.785 skaffer tilveie formete hulrom

-inneholdende keramiske legemer som typisk har høy fasthet og bruddseighet ved en mekanisme som er mer direkte, mer allsidig og mindre kostbar enn tradisjonelle framgangsmåter. Den sørger også for midler for pålitelig framstilling av hulrom-inneholdende keramiske legemer med en størrelse og tykkelse som er vanskelig eller umulig å reprodusere ved hjelp av teknologi som er tilgjengelig i dag. Den nevnte oppfinnelsen går kort sagt ut på å innleire et formet grunnmetallforstadium inne i et tilpasningsbart fyllstoff, idet en keramisk grunnmasse som oppnås ved oksidasjon av grunnmetallet danner et polykrystallinsk materiale som i hovedsak består av oksidasjonsreaksjonsproduktet av det nevnte grunnmetallet og et oksideringsmiddel, samt eventuelt en eller flere metalliske bestanddeler. Ved den prakstiske gjennomføringen av den nevnte oppfinnelsen blir mer spesielt grunnmetall formet for å danne et mønster, og blir deretter omsluttet av et tilpasningsbart fyllstoff som reproduserer omvendt geometrien av det formete grunnmetallet. Ved denne framgangsmåten er (1) fyllstoffet gjennomtrengelig overfor oksideringsmidlet når dette kreves, slik tilfellet er ved et oksideringsmiddel i dampfase, og er i hvert fall gjennomtrengelig overfor inntrengning av oksidasjonsreaksjonsproduktet som utvikler seg; (2) er tilstrekkelig tilpasningsbart over oppvarmingstemperaturintervallet til å kunne ta opp den avvikende varmeutvidelsen mellom fyllstoffet og grunnmetallet pluss eventuell smeltepunkt-volumendring av metallet; og (3) i det minste i en støttesone som inneslutter mønsteret, er selvbindende, idet fyllstoffet har tilstrekkelig

kohesjonsfasthet til å bibeholde den omvendt reproduserte geometrien inne i laget ved migrering av grunnmetallet som beskrevet nedenfor. Det omsluttede, formete grunnmetallet varmes opp til et temperaturområde over dets smeltepunkt men under smeltepunktet for oksidasjonsreaksjonsproduktet for å danne en masse av smeltet grunnmetall. Det smeltede grunnmetallet bringes i dette temperaturområdet til å reagere med oksideringsmidlet for å danne oksidasjonsreaksjonsproduktet og holdes i dette temperaturområdet og i kontakt med samt mellom massen av smeltet metall og oksideringsmidlet, hvorved smeltet metall progressivt blir trukket fra massen av

smeltet metall gjennom oksidasjonsproduksjonet og danner samtidig hulrommet etter hvert som oksidasjonsreaksjonsprodukt fortsetter å danne seg inne i laget av fyllstoff ved grenseflaten mellom oksideringsmidlet og tidligere dannet oksidasjonsreaksjonsprodukt. Denne reaksjonen fortsettes i dette tempraturområdet i en tid som er tilstrekkelig til i det minste delvis å innleire fyllstoffet inne i oksidasjonsreaksjonsprodukt dannet ved vekst av samme, for derved å danne komposittlegemet med det nevnte hulrommet. Til slutt blir det fra det resulterende selvbærende komposittlegemet fjernet eventuelt overskuddsfyllstoff.

Oppfinnelsen er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige krav.

Den foreliggende oppfinnelsen sørger for en alternativ framgangsmåte for framstilling av formete, hulrom-innholdende keramiske legemer. Et forbrukbart eller kasserbart mønster omsluttes eller innleires i en viss mengde fyllmateriale. Mønsteret blir deretter fjernet og erstattet av en viss mengde grunnmetall, og oksidasjonsreaksjonen skrider fram hvorved det resulterende oksidasjonsreaksjonsproduktet trenger inn i fyllmaterialet, slik som beskrevet i det foregående i forbindelse med de nevnte US patentene. Hulrommets geometri representerer en omvendt reproduksjon av mønsterets geometri.

Mer detaljert går framgangsmåten ut på å forme til et kasserbart eller forbrukbart mønster av ethvert passende materiale såsom plast , skumstoff eller voks. Det forbrukbare mønsteret pakkes inne i eller omsluttes av et lag av tilpasningsbart fyllstoff, for å kunne reprodusere omvendt geometrien av forbrukbare mønsteret i laget. Deretter fjernes mønsteret, for eksempel ved fordampning, og erstattes av en viss mengde grunnmetall, fortrinnsvis i smeltet tilstand. Laget og massen av grunnmetall i samme varmes deretter opp til en prosesstempratur over smeltepunktet for grunnmetallet men under smeltepunktet for oksidasjonsreaksjonsproduktet.. I dette tempraturintervallet reagerer det smeltete grunnmetallet med et oksideringsmiddel, f.eks. et oksideringsmiddel i dampfase, for å danne oksidasjonsreaksjonsproduktet. I det minste en del av oksidasjonsreaksjonsproduktet holdes i kontakt med og mellom massen av smeltet metall og oksideringsmidlet, og smeltet metall trekkes progressivt fra massen av smeltet metall gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet mot laget av fyllstoff for samtidig å danne hulrommet i laget av fyllstoff etter hvert som oksidasjonsreaksjonsprodukt fortsetter å danne seg ved grenseflaten mellom oksideringsmidlet og tidligere dannet oksidasjonsreaksjonsprodukt. Reaksjonen fortsetter i en tid som er tilstrekkelig til i det minste delvis å gjennomtrenge eller innleire fyllstoffet inne i oksidasjonsreaksjonsproduktet ved vekst av sistnevnte, for å danne et komposittlegeme med et hulrom. Når det ønskes kan fyllstofflagets begrensningsflater forsynes med et barrieremiddel for i hovedsak å hemme eller hindre vekst forbi samme, slik at det lettere kan oppnås en ren form for det keramiske komposittlegemet. Det resulterende selvbærende komposittlegemet befris for eventuelt fyllstoff og/eller grunnmetall.

Laget av fyllmateriale utmerker seg ved å være gjennomtrengelig overfor oksideringsmidlet når dette kreves, slik tilfellet er når oksideringsmidlet er i dampfase, og er gjennomtrengelig overfor inntrengning av oksidasjonsreaksjonsproduktet som utvikler seg. Det forbrukbare mønsteret som er pakket i fyllmaterialet, kan fjernes ved f.eks. fordampning, oppløsning, smelting og avtapping eller på liknende måte, før grunnmetallet tilføres til hulrommet. Deretter tilsettes metall til det resulterende hulrommet, enten som smeltet metall eller i fast tilstand, for i sistnevnte tilfelle å bli smeltet på stedet. Ved et annet utførselseksempel helles det smeltete grunnmetallet over på det forbrukbare mønsteret for å fordampe mønsteret. Når det ønskes kan laget av fyllmateriale oppvise en viss midlertidig bindefasthet for å opprettholde den ønskete formen i hulrommet. Oksidasjonsreaksjonsprosessen blir deretter gjennomført for å danne komposittlegemet.

Det er vanligvis forholdsvis lett å forme et forbrukbart mønstermateriale. For eksempel kan forbrukbare mønstermaterialer såsom ekspandert polystyren ekstruderes, støpes eller sprøytestøpes relativt lett, og det er derfor ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen mulig å framstille keramiske komposittlegemer med hulrom som har komplisert eller intrikat hulromsgeometri eller -form.

Produktet ifølge denne oppfinnelsen er et selvbærende keramisk komposittlegeme med et deri utformet hulrom som er en omvendt reproduksjon av formen eller geometrien av det forbrukbare mønsteret og omfatter en keramisk matriks hvori fyllstoff er inkorporert. Matriksen består i det vesentlige av et polykrystallisk oksidasjonsreaksjonsprodukt med innbyrdes forbundne krystallitter dannet ved oksidasjon av grunnnmetallforstadiet, og eventuelt metalliske bestanddeler eller porer eller begge deler.

Marerialene ifølge denne oppfinnelsen kan utvikles med stort sett ensartete egenskaper gjennom deres tverrsnitt til en tykkelse som det hittil har vært vanskelig å oppnå ved hjelp av tradisjonelle prosesser for frambringe tette keramiske strukturer. Ved den prosessen som sørger for disse materialene, unngås også de høye kostnadene som knytter seg til tradisjonelle framgangsmåter for framstilling av keramikk og som innbefatter framstilling av fint, ensartet pulver med høy renhetsgrad, samt innebærer forming av emne, utbrenning av bindemiddel, sintring, varmpressing og/eller varm isostatisk pressing. Produktene ifølge den foreliggende oppfinnelsen er tilpasningsbare eller framstilt for bruk som handelsvarer som er beregnet til å omfatte uten begrensning hertil industrielle, konstruktive og tekniske keramiske legemer for slike anvendelser hvor elektriske, slitasjemessige, termiske, strukturelle eller andre trekk eller egenskaper er viktige eller fordelaktige, og er ikke beregnet til å innbefatte resirkulerte materialer eller spillmaterialer som kan framkomme som uønskete biprodukter ved bearbeiding/behandling av smeltete metaller.

Som benyttet i denne beskrivelsen og i de etterfølgende patentkravene, er følgende termer definert slik: "Keramisk" skal ikke urettmessig tolkes slik at det begrenser til å omfatte bare et keramisk legeme i klassisk forstand, d.v.s. i den betydningen at det består utelukkende av ikke-metalliske og uorganiske materialer, men derimot slik at det henfører seg til et legeme som i framherskende grad er keramisk med hensyn til enten sammensetning eller dominerende egenskaper, selv om legemet kan inneholde mindre eller betydelige mengder av en eller flere metalliske bestanddeler avledet fra grunnmetallet, eller redusert fra oksideringsmidlet eller et tilsetningsstoff, mest typisk innenfor et område av 1 - 40 volum %, men som kan inneholde enda mer

' metall.

"Oksidasjonsreaksjonsprodukt" betyr generelt ett eller flere metaller i en hvilken som helst oksidert tilstand, hvor et metall har avgitt elektroner eller delt elektroner med et annet grunnstoff, forbindelse eller kombinasjon derav. Et "oksidasjonsreaksjonsprodukt" ifølge denne definisjonen innbefatter følgelig produktet av reaksjonen mellom ett eller flere metaller og et oksideringsmiddel, såsom de som er angitt i denne beskrivelsen.

"Oksideringsmiddel" betyr en eller flere passende elektronakseptorer eller elektron-delere og kan være et fast stoff, en væske eller en gass (damp) eller en eller annen kombinasjon av disse (f.eks. et fast stoff og en gass) ved prosessforholdene.

"Mønster-materiale" henfører seg til kasserbare eller forbrukbare materialer såsom plastmaterialer, skumstoffer og voks som kan ekstruderes, formes, støpes, maskinbearbeides eller formes på annen måte for å opprette geometrien av hulrommet, og som også kan fjernes kjemisk eller fysisk fra laget av fyllmateriale, idet det nevnte "mønster-materiale" derved etterlater det dannete hulrommet i det vesentlige intakt.

Uttrykket "grunnmetall" som brukt i denne beskrivelsen og i de etterfølgende patentkravene henfører seg til det metallet , f.eks. aluminium, som utgjør forstadiet for det polykrystallinske oksidasjonsreaksjonsproduktet, og innbefatter dette metallet som et relativt rent metall, et kommersielt tilgjengelig metall, med urenheter og/eller legeringsbestanddeler, og når et bestemt metall blit nevnt som grunnmetallet, f.eks. aluminium, bør det identifiserte metallet leses med denne definisjonen i tankene, med mindre annet er uttrykkelig angitt.

"Hulrom" betyr generelt et utfylt mellomrom inne i en masse eller et legeme, og

er ikke begrenset til noen spesiell form på mellomrommet.

Oppfinnelsen beskrives i det etterfølgende med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 er et skjematisk tverrsnittriss som viser et aggregat av et mønster-materiale omsluttet av et lag av partikkelformet fyllstoff og avgrenset inne i et ildfast kar. Fig. 2 er et perspektivriss liknende fig. 1 og viser at et grunnmetall er tilført til hulrommet. Fig. 3 er et tverrsnittriss av et keramisk komposittlegeme ifølge fig. 1 og framstilt i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Ved den praktiske gjennomføringen av den foreliggende oppfinnelsen blir det skaffet tilveie en viss mengde av et mønster-materiale i form av et forbrukbart mønster, hvis geometri skal være den omvendte reproduksjon av et hulrom som skal dannes inne i det ferdige keramiske komposittlegemet. Ved å følge framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen, kan kompliserte former reproduseres omvendt inne i det ferdige keramiske komposittlegemet under dannelsen eller veksten av keramikken i stedet for ved forming eller maskinering av et keramisk legeme. Termen "omvendt reprodusert" betyr at hulrommet i det keramiske komposittlegemet som oppnås ved hjelp av prosessen ifølge oppfinnelsen er avgrenset av indre flater av det keramiske komposittlegemet som er kongruente med formen på hensiktsmessig måte ved hjelp av hvilke som helst passende midler, for eksempel kan en viss mengde av et forbrukbart mønster- materiale underkastes hensiktsmessig forming, ekstrudering, støping, maskinbearbeiding eller formes på annen måte. Mønsteret kan ha spor, boringer, fordypninger, utsparinger, landpartier, nav, flenser, stusser, skruegjenger eller liknende utformet deri så vel som være forsynt med muffer, krager, bøssinger, skiver, staver, stenger eller liknende montert på samme, for å opprette mønstre av praktisk talt enhver ønsket utforming. Mønsteret kan være hult eller kan omfatte ett eller flere hensiktsmessig formete enhetsstykker slik at mønster-materialet, når det er omsluttet inne i et tilpasningsbart lag av fyllstoff, avgrenser et formet hulrom inne i laget og fyller ut hulrommet inne i massen av fyllstoff.

Når det forbrukbare mønster-materiale til sist erstattes av en viss mengde grunnmetall som smeltes under oksidasjonsreaksjonsprosessen, utvikler det seg et fonnet hulrom i det resulterende keramiske komposittlegemet. Ifølge étt aspekt sørger oppfinnelsen således for den fordelen som består i å tilveiebringe hulrommets form ved forming, ekstrudering, støping eller maskinbearbeiding av et forbrukbart mønstermateriale såsom en skumplast, i stedet for ved forming, sliping eller maskinbearbeiding av en keramisk, eller ved forming av grunnmetallforstadiet ifølge det tidligere angitte US patentet 4.828.785.

De mønster-materialene som kan benyttes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen innbefatter de materialene som er blitt brukt ved tradisjonelle støpeteknikker for forbrukbare former. Selv om ulike forbrukbare vokstyper eller voksblandinger egner seg for visse utførelsesformer, foretrekkes det ekspanderte plastmaterieler og skumstoffer. Mer spesielt blir det benyttet polystyrener og polyuretaner som mønster-materialer.

Mønster-materialet kan formes ved tradisjonelle prosesser herunder sprøytestøping, formblåsing, ekstrudering, støping, maskinbearbeiding og liknende. Sprøytestøping blir for nærværende foretrukket for framstilling av mønstre i stort antall. Formblåsing kan også være å foretrekke ved andre utførelsesformer på grunn av dens evne til å kunne produsere hule forbrukbare former. Formblåsing kan være særlig ønskelig fordi den minimerer mengden av rest-materiale i den hensikt å lette en hurtigere evakuering av hulrommet.

Restmaterialet kan elimineres eller evakueres fra hulrommet ved hjelp av ulike framgangsmåter. Ved én utførselsform kan det forbrukbare mønster-materialet fordampes ved fordampning eller forbrenning før tilsetningen av grunnmetallforstadiet. Ved alternative utførselsformer kan mønster-materialet fjernes ved smelting, idet materialet får anledning til å renne ut av hulrommet. En eventuell rest kan brennes ut slik som i et forutgående brenningstrinn. Det forbrukbare mønsteret kan også oppløses ved bruk av kjemiske midler, og en eventuell rest vaskes ut av hulrommet ved bruk av et passende løsningsmiddel.

Ved andre alternative utførselsformer etterlates mønsteret på stedet inntil en viss mengde smeltet metall blir helt direkte inn i hulrommet. Når det smeltete grunnmetallet kommer i kontakt med mønsteret, fordampes materialet og fjernes således fra hulrommet. På denne måten erstatter smeltet grunnmetall samtidig det evakuerte mønster-materialet og reduserer derved muligheten for forstyrrende inngrep i laget av fyllstoff. Resultatet er at det blir mer sannsynlig at fyllmaterialet vil opprettholde formen på hulrommet.

Avhengig av den ønskete framgangsmåten for å erstatte mønster-materialet med grunnmetallet, kan grunnmetallet tilsettes i enten smeltet eller fast form, f. eks. som pulver, partikler eller stykker. Anvendelse av et smeltet grunnmetall foretrekkes fordi det fullstendig fyller ut hulrommet ved eller nær den temperaturen ved hvilken oksidasjonsreaksjonen vil finne sted. Når grunnmetallet befinner seg i en smeltet tilstand, er dessuten en ren overflate tilgjengelig for oksidasjonsreaksjonsprosessen, d.v.s. overflaten er fri for overflateoksider etc. Når det er ønskelig kan fyllstofflaget og det avhendbare mønsteret anbringes i en ovn ved eller nær prosesstemperaturen, idet smeltet grunnmetall tilsettes for å fortrenge mønster-materialet. Når på denne måten smeltet metall tilsettes og fortrenger mønsteret som fordampes, begynner oksidasjonsreaksjonen og innleiringen av fyllstofflaget finner sted. Ved alternative utførselsformer fortrenges mønsteret først, hvoretter grunnmetallet helles inn i hulrommet. Et pulverformet eller granulært grunnmetall kan være ønskelig ved visse utførselsformer, fordi mellomrom i den pulverformete eller granulære massen som en helhet ville ta opp metallets varmeutvidelse. Grunnmetall i pulverform eller granulær form ville også, når det er tilført til hulrommet, lett tilpasse seg formen av hulrommet i laget av fyllmatriale.

Selv om oppfinnelsen i det etterfølgende er beskrevet i detalj med spesiell henvisning til aluminium som det foretrukne grunnmetallet, innbefatter andre passende grunnmetaller som oppfyller kriteriene ifølge den foreliggende oppfinnelsen følgende metaller: silisium, titan, tinn, zirkonium og hafnium.

Det kan benyttes et fast, flytende eller damp/gassformet oksideringsmiddel eller en kombinasjon av slike oksideringsmidler. For eksempel innbefatter typiske oksideringsmidler, oksygen, nitrogen, et halogen, svovel, fosfor, arsen, karbon, bor, selen, tellur, og forbindelser og kombinasjoner av disse, for eksempel silisiumoksid (som en kilde for oksygen), metan, etan, propan, acetylen, etylen og propylen (som kilde for karbon), og blandinger såsom luft, H2/H20 og CO/C02, idet de to sistnevnte er nyttig når det gjelder å kontrollere omgivelsenes oksygenaktivitet.

Selv om det kan benyttes hvilke som helst passende oksideringsmidler, er bestemte utførselsformer av oppfinnelsen beskrevet i det etterfølgende med henvisning til bruk av oksideringsmidler i dampfase. Dersom det benyttes et oksideringsmiddel i form av en gass eller en damp, d.v.s. et oksideringsmiddel i dampfase, er fyllstoffet gjennomtrengelig overfor oksideringsmidlet i dampfase slik at når laget av fyllstoff utsettes for oksideringsmidlet i dampfase, trenger oksideringsmidlet i dampfase gjennom laget av fyllstoff for å komme i kontakt med det smeltete grunnmetallet i dette. Betegnelsen "oksideringsmiddel i dampfase" betyr et fordampet eller normalt gassformet materiale som danner en oksiderende atmosfære. For eksempel er oksygen eller gassblandinger som inneholder oksygen (herunder luft) foretrukne oksideringsmidler i dampfase, slik tilfellet er når aluminium er grunnmetallet og aluminiumoksid er det ønskete reaksjonsproduktet, men luft er vanligvis det mest foretrukne oksideringsmidlet av åpenbare økonomiske årsaker. Når det for et oksideringsmiddel er angitt at det inneholder eller omfatter en bestemt gass eller damp, betyr dette et oksideringsmiddel hvori den angitte gassen eller dampen er den eneste, den framherskende eller i det minste en vesentlig oksidant overfor grunnmetallet under de forholdene som oppnås i det benyttede oksiderende miljøet. Selv om for eksempel hovedbestanddelen av luft er nitrogen, er luftens oksygeninnhold den normalt utelukkende oksidanten for grunnmetallet fordi oksygen er et betydelig sterkere oksideringsmiddel enn nitrogen. Luft faller derfor innenfor definisjonen for et "oksygen-inneholdende gass "-oksideringsmiddel men ikke innenfor definisjonen for et "nitrogen-innneholdende gass "-oksideirngsmiddel. Et eksempel på et "nitrogen-inneholdende gass "-oksideringsmiddel som benyttet i beskrivelsen og i de etterfølgende patentkravene, er "formgass", som inneholder 96 volumprosent nitrogen og 4 volumprosent hydrogen.

Når det brukes et fast oksideringsmiddel, blir det vanligvis dispergert gjennom hele laget av fyllstoff, eller kanskje som belegg på fyllstoffpartiklene. Det kan benyttes et hvilket som helst fast oksideringsmiddel, herunder grunnstoffer såsom bor eller karbon, eller reduserbare forbindelser såsom silisiumoksid eller visse borider med lavere termodynamisk stabilitet enn grunnmetallets borid-reaksjonsprodukt. Når det for eksempel anvendes bor eller et reduserbart borid som fast oksideringsmiddel for et aluminiumgrunnmetall, er det resulterende oksidasjonsreaksjonsproduktet aluminiumborid.

I enkelte tilfeller kan oksidasjonsreaksjonen skride fram så hurtig ved bruk av et fast oksideringsmiddel at oksidasjondreaksjonsproduktet søker å smelte på grunn av prosessens eksoterme natur. Dette kan forringe det keramiske legemets mikrostrukturelle ensartethet. Denne raske eksoterme reaksjonen kan unngås ved at det i sammensetningen blandes inn relativt inerte fyllstoffer som oppviser lav tilbøyelighet til å reagere. Slike fyllstoffer absorberer varme fra reaksjonen for å minimere eventuell varmeflukteffekt. Et eksempel på et passende inert fyllstoff er et

som er identisk med det tilsiktete oksidasjonsreaksjonsproduktet.

Dersom det anvendes et flytende oksideringsmiddel, blir hele laget av fyllstoff eller en del av dette i nærheten av det smeltete metallet belagt eller inntrukket såsom ved neddykking i oksideringsmidlet for å impregnere fyllstoffet. Henvisning til et flytende oksideringsmiddel betyr at det er flytende under oksidasjonsreaksjonsforholdene, og et flytende oksideringsmiddel kan således ha et fast forstadium, såsom et salt, som smeltes ved oksidasjonsreaksjonsforholdene. Det flytende oksideringsmidlet kan alternativt ha et flytende forstadium, f.eks. en løsning av et materiale, som benyttes til å impregnere en del av fyllstoffet eller hele fyllstoffet og som smeltes eller dekomponeres ved oksidasjonsreaksjonsforholdene for å sørge for en passende oksideringsmiddelandel. Eksempler på flytende oksideringsmidler som benyttet i denne beskrivelsen, innbefatter glass med lave smeltepunkter.

Det fyllmateriale som benyttes ved den praktiske gjennomføringen av oppfinnelsen kan være ett eller flere av et vidt sprektrum av materialer som egner seg for formålet. Som benyttet i denne beskrivelsen og i patentkravene når det er tale om å omslutte det avhendbare mønsteret med fyllmateriale, tilsiktes det å henvise til pakking av fyllmaterialet rundt det avhendbare mønsteret, eller legging av fyllmaterialet opp mot det forbrukbare mønsteret. Fyllmaterialet bør i det vesentlige tilpasse seg til geometrien av det avhendbare mønsteret. Dersom fyllstoffet for eksempel omfatter partikkelformet materiale såsom fine korn eller pulvere av et ildfast metalloksid, omsluttes mønsteret av fyllstoffet slik at mønsteret avgrenser et fylt hulrom (fylt eller opptatt av mønsteret). Det er imidlertid ikke nødvendig at fyllstoffet foreligger i form av fine partikler. Fyllstoffet kan for eksempel omfatte metalltråd, fibre, hul-legemer, sfærer, blærer, pellets, små plater etc. eller slike materialer som metallull eller ildfast fiberduk. Fyllstoffet kan også omfatte enten en heterogen eller homogen kombinasjon av to eller flere slike komponenter eller geometriske utforminger, f.eks. en kombinasjon av to små partikkelformete korn og hår "wiskers". Det er bare nødvendig at fyllstoffets fysikalske form er slik at den tillater at det forbrukbare mønsteret omsluttes av eller inne i en masse av fyllstoffet, som tilpasser seg nøyaktig til mønsterets flater. Det hulrommet som til sist dannes i det keramiske komposittmaterialet danner i begynnelsen et (fylt) hulrom inne i laget av tilpasningsbart fyllstoff, idet hulrommet i begynnelsen formes og fylles av

mønster-materialet.

Det fyllmaterialet som er anvendelig og nyttig ved den praktiske gjennomføringen av oppfinnelsen er et fyllmateriale som under oksidasjonsreaksjonsbetingelsene er permeabelt når oksideringsmidlet er i dampfase, slik at oksideringsmidlet kan passere gjennom fyllmaterialet. I hvert fall er fyllstoffet gjennomtrengelig overfor vekst eller utvikling av oksidasjonsreaksjonsproduktet gjennom fyllstoffet. Når det er ønskelig har fyllstoffet ved den temperaturen som oksidasjonsreaksjonen gjennomføres ved, tilstrekkelig dannet eller utviklet kohesjonsfasthet, slik at det kan opprettholde geometrien som utgjør nevnte omvendte reproduksjon og som er opprettet ved tilpasningen av fyllstoffet til mønstermaterialet, når mønstermaterialet erstattes av grunnmetallet.

Det er ønskelig ifølge den foreliggende oppfinnelsen på en slik måte at en minimerer tidsrommet mellom evakueringen av det forbrukbare mønsteret fra hulrommet og det tidspunktet ved reaksjonsproduktet har dannet seg i fyllmaterialet, for derved å frambringe ei kappe med tilstrekkelig styrke til å opprettholde formen på hulrommet. Det vil imidlertid være en, omenn kort, overgangsperiode når formen på hulrommet ikke opprettholdes av mønster-materialet eller reaksjonsproduktet. Fyllmaterialet oppviser med fordel i det minste en viss evne til selvbinding for å kunne opprettholde formen på hulrommet ved hjelp av fyllmaterialet alene. Ellers kunne enten tyngdekraften på fyllstoffet eller en trykkforskjell mellom hulrommet som utvikler seg og prosessatmosfæren bringe hulrommet til å bryte sammen i retning innover når det evakueres av grunnmaterialet.

En fragangsmåte for å opprettholde hulrommets geometri går ut på å benytte selvbindende fyllstoff som ved den hensiktsmessige temperaturen enten sintres eller bindes innvendig eller kan bringes til å sintre eller på annen måte binde ved hjelp av passende tilsetningsstoffer eller overflatemodifikasjoner av fyllstoffet. For eksempel omfatter et passende fyllstoff for bruk i forbindelse med et aluminiumgrunnmetall hvor det benyttes et luft-oksideirngsmiddel, aluminapulver med et silisiumoksid-bindemiddel som er tilsatt i form av fine partikler eller belegg på alumina-pulveret. Slike blandinger av materialer vil særlig sintre eller binde ved eller under de oksidasjonsreaksjonsforholdene under hvilke den keramiske matriksen vil danne seg. Uten silisiumoksid-tilsetningsstoffet krever aluminapartiklene høyere temperatur for

binding.

Ei annen passende klasse av fyllstoffer innbefatter partikler eller fibre som under prosessens oksidasjonsreaksjonsforhold danner en hud av reaksjonsprodukt på deres flater som søker å binde partiklene i det ønskete temperaturområdet. Et eksempel på denne klassa av fyllstoff i det tilfellet hvor aluminium benyttes som grunnmetallet og luft som oksideringsmidlet, er fine silisiumkarbidpartikler (f.eks. 30 mikrometer (500mesh) og finere), som danner en silisiumdioksid-hud som binder partiklene til hverandre i det hensiktsmessige temperaturområdet for aluminiumoksidasjons-reaksjonen.

Ved alternative utførelseseksempler kan hulrommets geometri opprettholdes under overgangsperioden ved bruk av et organisk bindemiddel som vil bli evakuert fra fyllmaterialet ved eller under oksidasjonsreaksjonstemperaturen.

Det er ikke nødvendig at hele massen eller laget av fyllstoff omfatter et sintringsbart eller selvbindende fyllstoff eller inneholder et sintrings- eller bindemiddel, selv om et slikt arrangement er innenfor rammen for oppfinnelsen. Det selvbindende fyllstoffet og/eller binde- eller sintringsmidlet kan dispergeres bare i den delen av laget eller fyllstoffet som befinner seg i nærheten av og omslutter det forbrukbare mønsteret av grunnmetallet til en dybde som er tilstrekkelig til- ved sintring eller annen binding - å danne en innkapsling av hulrommet som er i ferd med å utvikle seg, hvilken innkapsling har tilstrekkelig tykkelse og mekanisk fasthet til å hindre at hulrommet bryter sammen (og følgelig tap av nøyaktigheten ved dets form i det utviklete keramiske legemet med hensyn til formen på det forbrukbare mønsteret) før det er oppnådd tilstrekkelig tykkelse på oksidasjonsreaksjonsproduktet.Det er således tilstrekkelig dersom en "støttesone" av fyllstoffet som inneslutter mønsteret omfatter et fyllstoff med iboende sintringsbarhet eller selvbindingsevne innenfor det rette tempraturområdet eller inneholder et sintrings-eller bindemiddel som er virksomt innenfor det rette tempraturområdet.

Som benyttet i denne beskrivelsen og i patentkravene er en "støttesone" av fyllstoffet den materialtykkelsen av fyllstoffet som inneslutter mønsteret og som ved binding er i det minste tilstrekkelig til å sørge for den strukturelle fastheten som er nødvendig for å opprettholde den reproduserte geometrien av det forbrukbare mønster-materialet inntil det voksende oksidasjonsreaksjonsproduktet blir selvbærende og vil hindre at hulrommet bryter sammen. Størrelsen på fyllstoffets støttesone vil variere avhengig av størrelsen og utformingen av mønsteret og den mekaniske fastheten som oppnås ved hjelp av det sintringsbare eller selvbindende fyllstoffet i støttesonen. Støttesonen kan strekke seg fra overflaten av mønster-materialet inn i fyllstofflaget en avstand som er mindre enn den som oksidasjonsreaksjonsproduktet vil vokse til eller den fulle vekst-strekningen. I enkelte tilfeller kan støttesonen faktisk være ganske tynn. Selv om fyllstoffets støttesone for eksempel kan være et lag av fyllstoff som innkapsler mønster-materiale og som selv er innkapslet inne i et større lag av ikke-selvbindende eller ikke-sintirngsbart fyllstoff, kan støttesonen i hensiktsmessige tilfeller bare omfatte et belegg av selvbindende eller sintringsbare partikler klebet til det fruktbare mønsteret ved hjelp av et passende klebemiddel eller beleggingsmiddel. Et eksempel på denne beleggingsteknikken er gitt i det etterfølgende.

I hvert fall bør fyllstoffet ikke sintre, smelte eller reagere på en slik måte at det danner en ugjennomtrengelig masse og blokkerer inntrengningen av oksidasjonsreaksjonsproduktet gjennom samme eller, når det benyttes et oksideringsmiddel i dampfase, av det dampformete oksideringsmidlet derigjennom. Enhver sintret masse som dannes, bør ikke dannes ved en så lav temperatur at den gir opphav til brudd ved manglende overensstemmelse mellom mønster-materialets og fyllstoffets utvidelse før fordampningstemperaturen er nådd.

Som tidligere angitt kan et binde- eller sintringsmiddel inngå som en konponent av fyllstoffet i slike tilfeller hvor fyllstoffet ellers ikke ville ha tilstrekkelige iboende selvbindende egenskaper eller sintringsegenskaper til å hindre sammenbrudd av hulrommet som danner seg i det volumet som tidligere ble tatt opp av det forbrukbare mønsteret. Dette bindemidlet kan dispergeres gjennom hele fyllstoffet eller bare i støttesonen. Passende materialer for dette formålet innbefatter organometalliske materialer som under de oksideringsforholdene som kreves for å danne oksidasjonsreaksjonsproduktet, vil dekomponeres i det minste delvis og binde fyllstoffet tilstrekkelig til å opprette den nødvendige mekaniske fastheten. Bindemidlet bør ikke gripe forstyrrende inn i oksidasjonsreaksjonsprosessen eller etterlate gjenværende biprodukter inne i det keramiske komposittproduktet. Bindemidler som egner seg for dette formålet, er velkjente. For eksempel kan tetraetylortosilikat tjene som eksempel på passende organometalliske bindemidler, idet det ved oksidasjonsreaksjonstemperaturen etterlater en silikandel som effektivt binder fyllstoffet ved den nødvendige kohesjonsfastheten.

Det foretrekkes for nærværende å forvarme laget av fyllmateriale før

i grunnmatallet tilsettes til samme. På denne måten kan det unngås at laget utsettes for termisk sjokk. Det kan være mest effektivt å varme opp laget av fyllmateriale til den samme temperaturen som eller til en høyere temperatur enn det smeltete grunnmetallet som helles inn i hulrommet. Etter at mønster-materialet er blitt erstattet av grunnmetallet i hulrommet, holdes grunnmetallet og laget i et oksiderende i miljø ved en oksidasjonsreaksjonstemperatur som ligger over smeltepunktet for metallet for metallet men under oksidasjonsreaksjonsproduktets smeltepunkt. Grunnmetallet kan som nevnt tilsettes til hulrommet i form av et pulver eller som partikler eller biter. I dette tilfellet varmes grunnmetallet og laget opp til en temperatur over metallets smeltepunkt, for derved å danne en masse eller et bad av smeltet metall.

Ved kontakt med oksideringsmidlet vil det smeltete metallet reagere for å danne et sjikt av oksidasjonsreaksjonsprodukt. Ved fortsatt å bli utsatt for det oksiderende miljøet innenfor et formålstjenelig temperaturområde, blir det gjenværende smeltete metallet progressivt trukket inn i og gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet i retning av oksideringsmidlet samt inn i laget for av fyllstoff, idet det ved kontakt med oksideringsmidlet danner ytterligere oksidasjonsreaksjonsprodukt. I det minste en del av oksidasjonsreaksjonsproduktet holdes i kontakt med og mellom det smeltete grunnmetallet og oksideringsmidlet for å forårsake fortsatt vekst av det polykrystalliske oksidasjonsreaksjonsproduktet i fyllstofflaget, slik at fyllstoffet innhylles inne i det polykrystalliske oksidasjonsreaksjonsproduktet. Det polykrystalliske matriksmaterialet fortsetter å vokse så lenge det blir opprettholdt passende oksidasjonsreaksjonsforhold.

Prosessen fortsetter inntil oksidasjonsreaksjonsproduktet har trengt inn i eller innleiret den ønskede mengde fyllstoff. Det resulterende keramiske komposittproduktet innbefatter fyllstoff innhyllet av en keramisk masse som inneholder der polykrystalliske oksidasjonsreaksjonsproduktet og eventuelt én eller flere uoksiderte bestanddeler av grunnmetallet eller porer eller begge deler. Det er typisk ved disse polykrystallinske keramiske matriksene at oksidasjonsreaksjonsprodukt-krystallittene er innbyrdes forbundet i mer enn én dimensjon, fortrinnsvis i tre dimensjoner, og metallinnleiringen eller porer kan være i det minste delvis sammenkoblet. Når prosessen ikke gjennomføres utover en tilstand hvor grunnmetallet er brukt opp, er det oppnådde keramiske komposittlegemet tett og stort sett fritt for porer. Når prosessen gjennomføres til avslutning, d.v.s. når så meget metall som mulig er blitt oksidert under prosessforholdene, vil det ha dannet seg porer i stedet for det sammenkoblete metallet i det keramiske komposittlegemet. Det resulterende keramiske komposittproduktet som framstilles ifølge denne oppfinnelsen oppviser et hulrom som har stort sett de opprinnelige dimensjoner og geometriske utforminger som det opprinnelige forbrukbare mønstre.

Det henvises nå til tegningene, hvor fig. 1 viser et ildfast kar 2, såsom et alumina-kar, som inneholder et lag av fyllstoff 4 som omslutter et mønster, angitt generelt ved 6, av et hvilket som helst passende materiale, såsom polystyren. Som vist i figur 1 og 2 har mønsteret en midtre seksjon 8 som har stort sett sylindrisk form og hvortil slutter seg en endeseksjon 8a, som har kortere aksial lengde enn midtseksjonen 8, men større diameter enn denne. Ved denne utførelsesformen holdes fyllstoffet på plass ved hjelp av et passende barrieremiddel 10, såsom en rustfri stålskjerm eller en perforert stålsylinder som også oppretter det keramiske legemets begrensningsflater. Barrieremidlet kan alternativt omfatte en form av brent gips eller kalsiumsilikat, som typisk anbringes som en oppslemming på et underlag av f.eks. kartong og deretter tillates å herde. Barrieremidlet avgrenser således omkretsen av det keramiske legemet ved å hemme vekst av oksidasjonsreaksjonsproduktet forbi barrieren.

Mønster-materialet 6 kan, dersom det er et skumstoff, erstattes av grunnmetallet ved å helle smeltet grunnmetall 12 direkte over på mønsteret 6 i hulrommet. På denne måten fordampes mønster-materialet og forlater hulrommet enten gjennom laget av fyllmateriale, gjennom den samme porten som grunnmetallet ble tilsatt eller gjennom en særskilt ventileringsport (ikke vist) dersom porten hvorigjennom grunnmetallet tilsettes er forholdsvis liten.

Ved en alternativ utførselsform fjernes det forbrukbare mønsteret i et trinn før tilsetningen av det smeltete grunnmetallet. Dette kan gjennomføres ved smelting av mønsteret og avtapping av det smeltete materialet fra hulrommet., men kan også utføres ved å anbmge aggregatet i en ovn som er varmet opp til en temperatur som det fruktbare materialet fordampes eller forbrennes ved. Mønster-materialet kan som ovenfor nevnt også fjernes ved andre teknikker, såsom oppløsning av mønsteret, mekanisk fjerning av mønsteret etc.

Etter at grunnmetallet er tilsatt til hulrommet, varmes aggregatet opp til en temperatur som er tilstrekkelig til å smelte metallet, dersom det ikke blir tilsatt i smeltet tilstand. Deretter opprettholdes en tilstrekkelig høy temperatur, hvorved et oksideringsmiddel i dampfase som trenger gjennom laget av fyllstoff 4 og er i kontakt med det smeltete metallet, oksiderer det smeltete metallet, idet vekst av oksidasjonsreaksjonsproduktet trenger gjennom det omsluttede laget av fyllstoff 4.

Når for eksempel grunnmetallet er et aluminium-grunnmetall og luft er oksideringsmidlet, kan oksidasjonsreaksjonstemperaturen være fra 850 til 1450°C, fortrinnsvis fra 900 til 1350°C, og oksidasjonsreaksjonsproduktet er typisk a-alumina. Det smeltete metallet migrerer gjennom den hud av oksidasjonsreaksjonsprodukt som er i ferd med å danne seg, fra det volumet som tidligere blir opptatt av mønster-materialet 6, og danner derved komposittlegemet med et hulrom som er en reproduksjon av mønsterets form.

Ved visse utførselsformer kan det være ønskelig å anbringe en viss mengde fyllmateriale over den nevnte porten etter at grunnmetallet er tilsatt til hulrommet. Det ville således bli dannet et lukket hulrom. Ved slike utførselsformer eller til og med i enkelte tilfeller hvor det ikke er anbragt noe fyllmateriale over porten, kan migreringen av grunnmetallet resultere i et trykkfall innenfor dette volumet, slik som i tilfellet med et lukket hulrom, på grunn av den voksende oksidasjonsreaksjons-produkthudens ugjennomtrengelighet til den omgivende atmosfæren i laget av fyllmateriale og huden av oksidasjonsreaksjonsprodukt som danner seg på toppen av badet av smeltet metall. Det virker således et netto ytre trykk på den beholderliknende huden av oksidasjonsreaksjonsprodukt. Ved en foretrukket utførselsform er imidlertid laget av fyllstoff 4 (eller en støttesone av dette) som inneslutter mønsteret 6, selvbindende ved eller over en selvbindingstemperatur som fortrinnsvis ligger nær opp til men under oksidasjonsreaksjonstemperaturen. Ved oppvarming til sin selvbindingstemperatur har fyllstoffet eller en støttesone av dette sintret eller på annen måte bundet seg til seg til og festet seg til det voksende oksidasjonsreaksjonsproduktet tilstrekkelig til å tildele tilstrekkelig fasthet til fyllstoffet som omslutter hulrommet under utvikling, d.v.s. fyllstoffets støttesone, til å motstå trykkdifferensialet og derved opprettholde innenfor fyllstofflaget 4 geometrien av det deri dannete hulrommet ved fyllstoffets tilpasning til formen på mønsteret 6. En utførselsform hvor bare støttesonen av fyllstoffet 4 inneholder eller omfatter et sintringsbart eller selvbindende fyllstoff eller et binde- eller sintringsmiddel, er representert ved den stiplete linjen 14 i fig. 1 som angir utstrekningen av støttesonen i laget av fyllstoff 4. Når reaksjonen fortsetter, blir hulrommet i laget 4 delvis eller i hovedsak fullstendig evakuert ved migreringen av smeltet grunnmetall gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet til ytterflaten av dette hvor det kommer i kontakt med oksideringsmidlet i dampfase og oksideres for å danne ytterligere oksidasjonsreaksjonsprodukt. Oksidasjonsreaksjonsproduktet omfatter et polykrystallinsk keramisk materiale som kan inneholde innleiringen av uoksiderte bestanddeler av det smeltete grunnmetallet. Ved reaksjonens avslutning kan eventuelt gjenværende flytende metall inne i hulrommet elimineres ved å dekantere det dersom vekst av et tykt reaksjonsproduktsjikt over inngangsporten er blitt forhindret (som ved bruk av en barriere eller inhibitor). Alternativt kan aggregatet gis anledning til å kjølne og eventuelt overskuddsmetall størkne og fjernes i et etterfølgende trinn såsom syrevasking. Det resulterende keramiske komposittlegemet, hvis dimensjoner er bestemt av barrieren 10, fig. 1, befris for eventuelt overskytende fyllstoff, etterlatt inne i karet 2. Et slikt overskytende fyllstoff eller del av samme kan danne en sammenhengende masse eller legeme på grunn av sintringen eller selvbindingen, og denne sammenhengende massen kan fjernes fra det keramiske komposittlegemet som det innkapsler ved sandblåsing, sliping eller liknende. En økonomisk fordelaktig teknikk er å benytte sandblåsing hvor det anvendes sandpartikler av et materiale som egner seg som fyllstoff eller som en komponent av fyllstoffet, slik at fjernet fyllstoff og sand kan benyttes om igjen som fyllstoff i en senere operasjon. Det er viktig å merke seg at fasthetsgraden ved det selvbundene fyllstoffet som benyttes for å hindre sammenbrudd av hulrommet under behandlingen typisk er meget lavere enn det resulterende komposittlegemets fasthet. Det er derfor mulig å fjerne overskytende fyllstoff ved hurtig sandblåsing uten å måtte ta særlig hensyn til skade på det resulterende komposittlegemet. I hvert fall kan den keramiske komposittkonstruksjon, som hulrommet er utformet i, formes ytterligere ved maskinbearbeiding eller sliping eller på annen måte til den ønskete ytre form. I det eksemplet som er vist i fig. 3 har det keramiske komposittlegemet 18 form av en sirkulær sylinder med en ytre flate 20, en endeflate 22 og et hulrom 24, som avgrenses av flater som er kongruente med mønsterets 6. For mange anvendelser kan det keramiske legemet benyttes slik det er dannet etter fjerning av det overskytende, uinnleirete fyllstoffet, uten å kreve etterfølgende sliping eller maskinbearbeiding.

Ved valg av passende fyllstoff og ved å opprettholde oksidasjonsreaksjonsforholdene i en tid som er tilstrekkelig til å evakuere i hovedsak alt det smeltete grunnmetallet fra det fylte hulrommet som i begynnelsen ble opptatt av mønster-materialet 6, oppnår hulrommet 16 en nøyaktig omvendt reproduksjon av mønsterets 6 geometri. Selv om den viste formen på mønsteret 6 ( og derfor også hulrommets 16 form) er relativt enkel, kan det i det keramiske komposittlegemet dannes hulrom som med stor nøyaktighet representerer en omvendt reproduksjon av meget mer komplisert geometri enn det viste mønsterets 6 ved den praktiske gjennomføringen av den foreliggende opfinnelsen. Det keramiske komposittlegemets ytterflater kan formes ved å anbringe et barrirermiddel på ønskete steder for å hindre vekst utover samme, i tillegg kan flatene slipes eller maskinbearbeides eller tildannes på annen måte til enhver ønsket størrelse eller form i overensstemmelse med størrelsen og formen på hulrommet 16 som dannes i legemet.

Det skal bemerkes at fyllstoffets egenskaper med hensyn til gjennomtrengelighet, tilpasningsbarhet og selvbinding (når dette ønskes) som beskrevet i det foregående, er egenskaper hos fyllstoffets samlete eller generelle sammensetning, og at enkektkomponenter som inngår i fyllstoffet ikke behøver å ha noen av disse egenskaper eller samtlige egenkaper. Fyllstoffet kan således omfatte enten et enkelt materiale, en blanding av partikler av det samme materiale men med avvikende partikkelstørrelse eller blandinger av to eller flere materialer. I det sistnevnte tilfellet behøver noen av fyllstoffets komponenter for eksempel ikke å være tilstrekkelig selvbindende eller sintringsbare ved oksidasjonsreaksjonstemperaturen, mens fyllstoffet - som den er en komponent av - vil ha de selvbinende eller sintrerende egenskaper ved eller over dets selvbindingstemperatur på grunn av andre materialers nærvær. Et stort antall materialer som er anvendelige og nyttige fyllstoffer i det keramiske komposittlegemet ved at de tildeler ønskete egenskaper til komposittlegemet, vil også ha de gjennomtrengelige, tilpasningsbare og selvbindende egenskper som er beskrevet ovenfor.

Slike hensiktsmessige materialer vil forbli tilstrekkelig usintret eller ubundet ved temperaturer under oksidasjonsreaksjonstemperaturen slik at fyllstoffet som omslutter mønsteret kan ta opp varmeutvidelse og eventuell smeltepunktvolumendring av mønster-materialet og allikevel sintre eller selvbinde på annen måte bare ved oppnåelse av en selvbindingstemperatur som fortrinnsvis ligger nær og oppunder oksidasjonsreaksjonstemperaturen, tilstrekkelig til å sørge for den nødvendige mekaniske fastheten til å hindre sammenbrudd av hulrommet som danner seg, under de innledende stadier av vekst eller utvikling av oksidasjonsreaksjonsproduktet. Passende fyllstoffer innbefatter for eksempel silika, silisiumkarbid, alumina, zirkoniumoksid og kombinasjoner av disse.

Som en ytterligere utførselsform av oppfinnelsen og som forklart i de angitte US-patentene, kan tilsetning av tilsetningsmaterialer til metallet virke fordelaktig inn på oksidasjonsreaksjonsprosessen. Tilsetningsstoffets funksjon eller funksjoner kan være avhengig av en rekke faktorer utover selve tilsetningsmaterialet. Disse faktorene innbefatter for eksempel det bestemte grunnmetallet, det ønskete sluttproduktet, den spesielle kombinasjonen av tilsetningsstoffer når det brukes to eller flere tUsetningsstoffer, tilsetningsstoffets konsentrasjon, det oksiderende miljøet, samt prosessforholdene.

TUsetningsstoffet eller -stoffene kan skaffes tilveie som legeringsbestanddeler av grunnmatallet eller kan tilsettes til fyllstoffet eller til en del av fyllstofflaget, f.eks. fyllstoffets støttesone, eller begge deler. Når det gjelder den andre teknikken hvor ett eller flere tilsetningsstoffer tilsettes til fyllstoffet, kan tilsetningen utføres på enhver passende måte, såsom ved dispergering av tilsetningsstoffene gjennom en del av fyllstoffmassen eller i partikkelform, herunder fortrinnsvis i det minste en del av fyllstofflaget i nærheten av grunnmetallet. Tilsetningen av et hvilket som helst av tilsetningsstoffene til fyllstoffet kan også gjennomføres ved å påføre et sjikt av ett eller flere tilsetningsmaterialer på eller inne i laget, herunder hvilke som helst av dets innvendige åpninger, mellomrom, kanaler eller liknende som gjør det gjennomtrengelig. En hensiktsmessig måte for tilførsel av et hvilket som helst tilsetningsmateriale er ganske enkelt å gjennombløte hele laget i en væskekilde (f.eks. en løsning) av tilsetningsmaterialet. En kilde av tilsetningsmaterialet kan også ' skaffes tilveie ved å anbringe et fast legeme av tilsetningsstoff i kontakt med og mellom i det minste en del av det forbrukbare mønsterets overflate og fyllstofflaget. For eksempel kan en tynn plate av silika-inneholdende glass (nyttig som et tilsetningsstoff for oksidasjon av et aluminium-grunnmetall) plasseres på en flate av det forbrukbare mønsteret. Når det forbrukbare mønsteret er erstattet av en viss mengde smeltet aluminium-grunnmetall (som også kan være tilsatt tilsetningsstoff innvendig) og det resulterende aggregatet varmes opp i et oksiderende miljø (f.eks. hvor aluminium vannes opp i luft, mellom 850 og 1450°C, eller fortrinnsvis 900 til 1350°C), foregår det vekst av det polykrystallinske materialet inn i det gjennomtrengelige laget. I det tilfellet hvor tilsetningsstoffet ligger mellom grunnmetallet og laget av fyllmateriale, vokser den polykrystallinske oksidstrukturen generelt inne i det gjennomtrengelige fyllstoffet i hovedsak forbi tilsetningsstoffsjiktet (d.v.s. utover dybden av det påførte tilsetningsstoffsjiktet). I hvert enkelt tilfelle kan det utenfra tilføres ett eller flere tilsetningsmaterialer til det forbrukbare mønsterets overflate og/eller til det gjennomtrengelige laget. Dessuten kan virkningen av tilsetningsstoffer som er legert inn i grunnmetallet forsterkes ved tilsetningsstoffer) tilført til fyllstofflaget. Eventuelle konsentrasjonsmangler ved tilsetningsstoffer som er legert inn i grunnmetallet kan således bøtes på ved en ytterligere konsentrasjon av det eller de tilsetningsstoffene som er tilført til laget, og vice versa.

Anvendige og nyttige tilsetningsstoffer for et aluminium-grunnmetall, særlig når luft utgjør oksideringsmidlet, innbefatter for eksempel magnesium og sink, spesielt i kombinasjon med andre tilsetningsstoffer slik som beskrevet i det etterfølgende. Disse metallene eller en passende kilde for metallene kan legeres inn i det aluminiumbaserte grunnmetallet ved konsentrasjoner for hver av dem på mellom 0,1 og 10 vekt% basert på totalvekten av det resulterende metallet tilsatt tilsetningsstoffet. Konsentrasjonen for hvert enkelt tilsetningsstoff vil være avhengig av slike faktorer som kombinasjonen av tilsetningsstoffer og prosesstemperaturen. Konsentrasjoner innenfor det formålstjenlige området synes å sette i gang den keramiske veksten, fremme metalltransport og virke fordelaktig inn på det resulterende oksidasjonsreaksjonsproduktets vekstmorfologi.

Andre tilsetningsstoffer som er virksomme ved at de begunstiger vekst av det polykrystallinske oksidasjonsreaksjonsproduktet, særlig for aluminiumbaserte

) grunnmetallsystemer, et for eksempel silisium, germanium, tinn og bly, spesielt når de benyttes i kombinasjon med magnesium eller sink. Ett eller flere av disse andre tilsetningsstoffer eller en passende kilde for dem legeres inn i aluminium-grunnmetallsystemet ved konsentrasjoner for hver av dem på 0,5 til 15 vekt% av den

totale legeringen. Det oppnås imidlertid mer ønskelig vekstkinetikk og

) vekstmorfologi i forbindelse med tilsetningsstiffkonsentrasjoner i området 1-10

vekt% av den totale grunnmetallegeringen. Bly som tilsetningsstoff blir vanligvis legert inn i det aluminiumbaserte grunnmetallet ved en tempratur på i det minste 1000°C slik at det kompenseres for dets lave oppløslighet i aluminium. Imidletid vil

tilsetning av andre legeringskomponenter, såsom tinn, vanligvis øke blyets

! oppløslighet og tillate at legeringsmaterialet tilsettes ved en lavere temperatur.

Ytterligere eksempler på tilsetningsmaterialer som er anvendelige og nyttige i forbindelse med et aluminium-grunnmetall, innbefatter natrium, litium, kalsium, bor, fosfor og yttrium som kan benyttes enkeltvis eller i kombinasjon med ett eller flere

tilsetningsstoffer avengig av oksideringsmiddel og prosessforhold. Natrium og litium I kan benyttes i svært små mengder i deler per million-området, typisk 100-200 deler per million, og de kan anvendes alene eller sammen eller i kombinasjon med ett eller flere andre tilsetningsstoffer. Sjeldne jordmetaller såsom cerium, lantan,

praseodymium, neodym og samarium er også i dette tilfellet egnet særlig når de benyttes i kombinasjon med andre tilsetningsstoffer.

Som angitt i det foregående er det ikke nødvendig å legere eventuelt tilsetningsmateriale inn i grunnmetallet. For eksempel muliggjør selektiv påføring av ett eller flere tilsetningsmaterialer i et tynt sjikt på enten hele eller en del av overflaten av det forbrukbare mønsteret lokal keramisk vekst fra grunnmetallet eller deler av dette og egner seg for å iverksette vekst av det polykrystalliske keramiske materialet inn i det gjennomtrengelige fyllstoffet i utvalgte områder. Vekst av det polykrystallinske keramiske materialet inn i det gjennomtrengelige laget kan således kontrolleres av den lokaliserte plasseringen av tilsetningsmaterialet på overflaten av det forbrukbare mønsteret. Det påførte belegget eller sjiktet av tilsetningsstoff er tynt i forhold til den tilsiktede tykkelsen på det keramiske komposittlegemet, og vekst eller dannelse av oksidasjonsreaksjonsproduktet inn i det gjennomtrengelige laget strekker seg vesentlig forbi tilsetningsstoffsjiktet, d.v.s. utover dybden av det påførte tilsetningsstoffsjiktet. Et slikt sjikt av tilsetningsmateriale kan påføres ved maling, neddypping, silketrykking, pådamping eller annen påføring av tilsetningsmaterialet i flytende form eller i pastaform, ved påsprøyting, ved enkel avsetning av et sjikt av et fast partikkelformet tilsetningsstoff eller en fast tynn film av tilsetningsstoff på overflaten av det forbrukbare mønsteret. Tilsetningsmaterialet kan, men behøver ikke, inneholde enten organiske eller uorganiske bindemidler, bærestoffer, løsningsmidler og/eller tykningsmidler. Det er mer fordelaktig å påføre tilsetningsmaterialet som pulver på flaten av det forbrukbare mønsteret eller å dispergere det gjennom i det minste en del av fyllstoffet. En særlig foretrukket framgangsmåte for tilførsel av tilsetningsstoffene til grunnmetallets overflate består i å benytte en flytende suspensjon av tilsetningsstoffene i en vandig/organisk bindemiddelblanding som sprøytes over på det forbrukbare mønsterets overflate i den hensikt å oppnå et klebende belegg som letter håndtering av det forbrukbare mønsteret før behandlingen.

Når det benyttes utvendige tilsetningsmaterialer, blir disse vanligvis tilført til i det minste en del av en flate av det forbrukbare mønster-materiale i form av et ensartet belegg. Tilsetningsstoffmengden er virksom over et vidt område i forhold til den mengde av grunnmetallet som skal bringes til å reagere, og når det gjelder aluminium har en ved eksprimenter ikke vært i stand til å fastsette hverken øvre eller nedre drivbare grenser. Når det for eksempel benyttes silisium i form av utvendig tilsatt silisiumdioksid som et tilsetningsstoff for et aluminium-magnesium-grunnmetall og hvor det benyttes luft eller oksygen som oksideringsmiddel, er mengder så lave som 0,00003 gram silisium per gram grunnmetall eller omtrent 0.0001 gram silisium per kvadratcentimeter grunnflate som SiGy tilsetningsstoffet er påført på, virksomme. Det har også vist seg at det kan oppnås en keramisk konstruksjon fra et aluminium-silisium-grunnmetall, hvor det anvendes luft eller oksygen som oksideringsmiddel, ved å bruke MgO som et tilsetningsstoff i en mengde som er større enn 0,0008 gram Mg per gram grunnmetall som skal oksideres og større enn

0,003 gram Mg per kvadratcentimeter grunnflate som MgO er påført på.

Det kan benyttes et barrieremiddel i forbindelse med fyllmaterialet for å hemme vekst eller utvikling av oksidasjonsreaksjonsproduktet forbi barrieren, særlig når det anvendes oksideringsmidler i dampfase ved dannelse av det keramiske legemet. Passende barrieremidler kan utgjøres av et hvilket som helst materiale, forbindelse, grunnstoff, sammensetning som under prosessforholdene ifølge denne oppfinnelsen opprettholder en viss integritet, ikke er flyktig og fortrinnsvis er gjennomtrengelig overfor oksideringsmidlet i dampfase, samtidig som det er istand til lokalt å hemme, forgifte, stoppe, gripe forstyrrende inn i, hindre eller liknende, fortsatt vekst av oksidasjonsreaksjonsprodukt. Hensiktsmessige barrier for bruk i forbindelse med aluminium-grunnmetall innbefatter kalsiumsulfat (brent gips), kalsiumsilikat og portlandsement, samt blandinger av disse, som typisk tilføres som en oppslemming eller pasta til overflaten av fyllmaterialet. Disse barrieremidlene kan også innbefatte et passende forbrennbart eller flyktig materiale som elimineres ved oppvarming eller et materiale som dekomponeres ved oppvarming, i den hensikt å øke barrieremidlets porøsitet og gjennomtrengelighet. Barrieremidlet kan ytterligere innbefatte et passende ildfast partikkelmateriale for å redusere en eventuell krymping eller sprekking som ellers ville kunne forekomme under prosessen. Et slikt partikkelmateriale som har i det vesentlige samme utvidelseskoeffisient som fyllstofflagets, er særlig ønskelig. Dersom for eksempel forformen omfatter alumina, kan barrieremidlet blandes med alumina-partikkel-materialet, fortrinnsvis med en størrelse på 7 mm til 10 mikrometer (20-1000 mesh), men som kan være enda finere. Andre passende barrieremidler innbefatter en rustfri stålskjerm, ildfaste keramikk- eller metallhylstere som er åpne ved minst en ende eller med perforerte vegger, for derved å tillate at et oksideringsmiddel i dampfase (hvis det benyttes et slikt) kan trenge gjennom laget og komme i kontakt med det smeltede grunnmetallet.

De keramiske komposittkonstruksjonene som er oppnådd ved framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen vil vanligvis være en forholdsvis tett, sammenhengende masse hvor mellom 5 og 98 volum % av komposittstrukturens totale volum består av ett eller flere av de fyllstoffkomponentene som er innhyllet i en krystallisnsk keramisk grunnmasse. Når grunnmetallet er aluminium og luft eller oksygen er oksideringsmidlet, består den polykrystalinske keramiske matriksen vanligvis av 60 til 99 vekt % (beregnet på vekten av den polykrystallinske matriksen) innbyrdes forbundet eller sammenkoblet a-alumina og 1 til 40 vekt% (samme basis) uoksiderte metalliske bestanddeler, som kan være avledet fra grunnmetallet.

Oppfinnelsen er ytterligere illustrert ved de etterfølgende eksemplene.

Eksempel 1

Ei skål av polystyrenskum med lengde på ca. 7,5 cm og med en bunndiameter på omtrent 4,5 cm samt en veggtykkelse på 0,3 cm, ble overtrukket med en blanding av 95% silika og 5% leire ved å påføre en vanlig oppslemming av silika og leira på skåla (i kort avstand fra dennes åpne ende) og varme opp til blandingen ble tørr. Overtrekkstykkelsen var omtrent den samme som skålas veggtykkelse. Den overtrukne skåla ble gravd ned i et lag løs wollastonitt med enden av overtrekket stort sett i flukt med den blottlagte flaten av laget.

Skåla ble fylt med smeltet 380.1 aluminiumlegering (ved fordamping av polystyrenskummet) og metall/lag-aggreagat ble plassert i en varm ovn hvor det ble varmet opp ved 1000°C i 48 timer.

Det resulterende keramsike legemet ble fjernet fra wollastonittlaget, den gjenværende smeltede aluminiulegeringen ble dekantert og produktet fikk anledning til å avkjøles, idet det ble etterlatt ei keramisk skål med en innerflate som i detalj var en reproduksjon av polystyrenskum-skålas ytterflate. Ytterflaten av keramikken ble avgrenset av wollstonittbarrieren som omsluttet det opprinnelige overtrukne mønsteret. Veggen av den keramiske skåla besto av en aluminakeramikk som hadde vokst gjennom tykkelsen av silika/leire-overtrekket.

Eksempel 2

Den framgangsmåten som er beskrevet i eksempel 1 ble gjentatt med det unntak at alumina-partikler (Norton 38 Alundum med 70% 68 mikrometer (220 mesh) og 30% 30 mikrometer (500 mesh) partikler) erstattet wollastonitten, og aggregatet ble varmet opp i 72 timer. I dette tilfellet vokste alumina-matriksen gjennom tykkelsen av silika/leire-belegget og inn i de omsluttende aluminapartiklene under dannele av en vegg som målte opp til 0.6 cm. Innerflaten av det keramiske legemet var igjen en reproduksjon av ytterflaten av polystyrenskum-skålas mønster.

Claims (11)

1. Framgangsmåte for framstilling av et selvbærende keramisk komposittlegeme med minst ett hulrom som utgjør den omvendte reproduksjonen av geometrien av et mønster, hvilket komposittlegeme omfatter (1) en keramisk matriks oppnådd ved oksidasjon av et grunnmetall for å danne et polykrystallinsk materiale som består i hovedsak av (i) oksidasjonsreaksjonsproduktet mellom grunnmetallet og et oksideringsmiddel, og eventuelt (ii) en eller flere metalliske bestanddeler, samt (2) et fyllstoff som er gjennomtrengt av matriksen, karakterisert ved at: a) at det skaffes tilveie et forbrukbart mønster-materiale; b) at mønster-materialet pakkes inne i et lag av tilpasningsbart fyllstoff for i dette å reprodusere omvendt geometrien av mønster-materialet, hvilket fyllstofflag utmerker seg ved at det er (1) gjennomtrengelig overfor oksideringsmidlet når dette er nødvendig for at oksideringsmidlet skal kunne komme i kontakt med det smeltete grunnmetallet i trinn (c) og som er gjennomtrengelig overfor oksidasjonsreaksjonsproduktet som således kan vokse gjennom fyllstoffet, og (2) i det minste i en støttesone som inneslutter mønster-materialet, har tilstrekkelig kohesjonsfasthet til å opprettholde den omvendt reproduserte geometrien inne i laget; c) at mønster-materialet erstattes med en viss mengde grunnmetall, idet det opprettholdes en temperatur som ligger over grunnmetallets smeltepunkt, men under oksidasjonsreaksjonsproduktets smeltepunkt, for å opprettholde en masse av smeltet grunnmetall, og ved den nevnte temperaturen

1) at det smeltete grunnmetallet bringes til å reagere med oksideringsmidlet for å danne oksidasjonsreaksjonsproduktet,

2) at i det minste en del av oksidasjonsreaksjonsproduktet holdes i kontakt med og mellom massen av smeltet metall og oksideringsmidlet, for progressivt å transportere smeltet metall fra massen av smeltet metall gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet og inn i laget av fyllstoff for samtidig å danne hulrom i fyllstofflaget når oksidasjonsreakjonsproduktet fortsetter å danne seg ved grenseflaten mellom oksideringsmidlet og tidligere dannet oksidasjonsreaksjonsprodukt, og

3) at reaksjonen fortsettes i en tid som er tilstrekkelig til i det minste delvis å innhylle fyllstoffet inne i oksidasjonsreaksjonsproduktet ved vekst av sistnevnte for å danne komposittlegemet med det nevnte hulrommet og; d) at det resulterende selvbærende komposittlegemet befris for eventuelt overskuddsfyllstoff. 2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at mønster-materialet erstattes med grunnmetall ved at det fordampes ved kontakt med smeltet grunnmetall som helles over mønster-materialet, eller at mønster-materialet fjernes fra fyllstofflaget før mønster-materialet erstattes av grunnmetallet, idet den tilsatte grunnmetallmengden fortrinnsvis er smeltet, eller er et pulver, et granulat eller partikler. 3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at mønstermaterialet velges i form av polystyrener, polyuretanskum, forbrukbar voks, eller blandinger av disse.

4. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at det som oksideringsmiddel anvendes et oksideringsmiddel i dampfase, så som en oksygen- eller nitrogen- holdig gass, eller et fast stoff eller ei væske ved den nevnte temperaturen, så som silisiumdioksid, bor og en forbindelse som kan reduseres av grunnmetallet.

5. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at grunnmetallet velges i form av aluminium, silisium, titan, tinn, zirkonium eller hafnium.

6. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at mønstermaterialet fjernes ved kjemiske eller fysiske midler, at fyllstoffet forvarmes til en temperatur ved eller over grunnmetallets temperatur, og at den smeltete grunnmetallmengden tilsettes mens fyllstofflaget holdes på forvarmingstemperaturen.

7. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at fyllstoffet som anvendes, innbefatter et fast oksideringsmiddel eller et flytende oksideringsmiddel som en komponent av fyllstoffet.

8. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at grunnmetallet velges i form av et aluminium-grunnmetall, at oksideringsmidlet anvendes i form av en oksygen-inneholdende gass og at temperaturen innstilles fra 850 til 1450°C.

9. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 8, karakterisert ved at det i forbindelse med grunnmetallet benyttes minst ett passende tilsetningsmateriale, som fortrinnsvis anbringes i det minste delvis inne i fyllstoffet, og omfatter en kilde for to eller flere av grunnstoffene magnesium, sink, silisium, germanium, tinn, bly, bor, natrium, litium, kalsium, fosfor, yttrium og et sjeldent jordmetall.

10. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at et bindemiddel innarbeides i fyllstoffet, i det minste i dets støttesone, og at fyllstoffet fortrinnsvis har i det minste i ei støttesone av samme, som inneslutter mønster-materialet, tilstrekkelig kohesjonsfasthet til å opprettholde den omvendt reproduserte geometrien inne i laget ved transport av grunnmetallet som angitt i trinn (c).

11. Framgangsmåte i samsvar med krav 9, karakterisert ved at grunnmetallet velges i form av aluminium, at tilsetningsmaterialet som anvendes, omfatter en kilde for magnesium og silisium, og at oksideringsmidlet anvendes i form av luft.