NO176138B

NO176138B - Framgangsmåte for tilvirkning av en selvbærende keramisk komposittgjenstand

Info

Publication number: NO176138B
Application number: NO872872A
Authority: NO
Inventors: Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1994-10-31
Also published as: DD285773A5; NO872872D0; EP0261050A2; DK165831B; US4956137A; TR25659A; ES2032469T3; BG50270A3; FI84810B; IE60249B1; IL83091A0; CS275993B6; RU2018501C1; BR8704674A; HU198432B; ATE75712T1; YU218088A; AU7621987A; YU143187A; NO872872L

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av en selvbærende keramisk komposittgjenstand i tråd med den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn.

Tilsvarende teknikk er beskrevet i søkerens NO patentsøknad 851011, som

beskriver en framgangsmåte for å produsere selvbærende legemer vokst som oksidasjonsreaksjonsprodukt fra et basismetall. Smeltet basismetall blir reagert med en oksidant i dampfase slik at det dannes et reaksjonsprodukt, og metallet migrerer gjennom oksidasjonsproduktet mot oksidanten og utvikler dermed et keramisk, polykrystallinsk legeme som kan tilvirkes sammen med en sammenhengende metallisk komponent. Prosessen kan forbedres ved å bruke et legert dopemiddel, så som et aluminium-basismetall oksidert i luft. Denne framgangsmåten er blitt forbedret ved bruken av eksterne dopemidler påført basismetallets flate som beskrevet i innehavers egne NO patentsøknad 852900.

Liknende teknikk er også beskrevet i NO patentsøknad 860362, som beskriver en framgangsmåte for tilvirkning av selvbærende keramiske kompositter ved å la et oksidasjons-reaksjonsprodukt vokse fra et basismetall inn i en permeabel fyllmasse,

slik at fyllmassen infiltreres med en keramisk matrise.

Komposittlegemer som inneholder et metallborid, en komponent og eventuelt en

inert fyllmasse er beskrevet i NO patentsøknad 870888 (publisert etter foreliggende prioritetsdato). I dette blir smeltet basismetall infiltrert i en masse av bor-forråd, som kan være blandet med en inert fyllmasse og reagerer med bor slik at det dannes et borid av basismetallet. Betingelsene styres for å gi som utbytte et komposittlegeme som inneholder varierende volumdeler keramikk og metall.

Felles for disse framgangsmåtene er at de beskriver utførelsesformer med et keramikklegeme som inneholder et oksidasjons-reaksjonsprodukt sammenføyd i en eller flere dimensjoner (vanligvis i 3 dimensjoner) og en eller flere metalliske bestanddeler eller komponenter. Metallvolumet, som vanligvis inneslutter uoksiderte bestanddeler av basismetallet og/eller metall redusert fra en oksidant eller fyllmasse, avhenger av slike faktorer som temperaturen som reaksjonsproduktet formes ved, varigheten på reaksjonen, sammensetningen av basismetallet, nærværet av dopemiddel, nærværet av reduserte bestanddeler av en oksidant eller fyllmasse etc.

I de siste årene har det oppstått økende interesse for bruken av keramiske materialer som byggekomponenter for formål vanligvis dominert av metall. Drivkraften for denne interessen har vært fordelene ved keramikkmaterialer sammenliknet med metaller med hensyn til visse egenskaper, så som korrosjonsstyrke, hardhet, elastisitetsmodul, varmeisolasjon eller - ledning og varmebestandighet. Som en følge er keramiske materialer blitt valgt eller er under utvikling, for bruk som motorkomponenter, varmeutvekslere, skjæreverktøy, lager og sliteflater, pumper og marine deler.

Blant mange bruksområder, er bruken av keramiske materialer for forbrenningsmotorer et aktuelt felt for forbedring og resultatøkning. Keramiske materialer har lavere friksjonskoeffsient enn metall, hvilket bidrar til mekaniske egenskaper som er overlegne overfor tilsvarende metaller, hvilket er tilfelle selv ved de høye temperaturer som hersker i en forbrenningsmotor. Keramiske materialer har også bedre dimensjonsstabilitet over de store temperaturområder som møtes. Visse keramiske materialer er termiske isolatorer sammenliknet med metaller, og dette gir også en mulighet for forbedrete motorytelser, fordi en stor del (angitt til å være over ca. 75%) av brennstoffenergien går tapt som varme. Målet med å utforme en adiabatisk forbrenningsmotor med keramiske materialer, med deres lavere termiske ledningsevne, med god dimensjonsstabilitet, blir nær på å realiseres ved anstrengelser for å utnytte energiverdien i brennstoffet mer fullstendig. Følgelig blir forbedringene i utviklingen av keramiske materialer drevet av gamle behov.

Andre egenskaper ved keramiske komponenter har imidlertid begrenset utnyttelsen i visse vanskelige miljøer som krever materialer med god strukturell integritet, som reduserer tendensene til slitasje pga. errosjon eller kavitasjon. Fullt fortettede keramiske materialer kan møte noen av disse kravene, men tilvirkningen av fullstendig tette keramiske materialer, og særlig slike som har en viss komplisert form, er vanskelig, når det også kreves at det skal skje en masseproduksjon av rimelige, reproduserbare deler.

Begrenset suksess er oppnådd i anstrengelsene fra dem som tilvirker fortettete keramiske komponenter, enten som en enhetlig gjenstand eller som en kompositt. Et slikt forslag er beskrevet i US-patentskrift 3.437.468. Dette gjelder aluminiumoksid/spinell keramiske kompositter. Framgangsmåten som beskrives omfatter dannelsen av en smelte av aluminium dekket med et tett lag av findelt magnesiumsilikat i partikkelform. Smeltet aluminium transporteres gjennom dette laget, hvor det oksideres delvis gjennom oksidasjonsreduksjon av aluminium og magnesiumsilikat såvel som oksidasjon gjennom atmosfærisk oksygen. Denne prosessen gir til slutt en kompositt med flere oksidfaser og metallfaser, nemlig spinell, a-aluminiumoksid, fritt silisum og/eller silisium-aluminiumfase, avgitt som et "intermetall", vanligvis også med elementært eller fritt aluminium. Reaksjonen er tilbøyelig til å være langsom og oksidasjonen fremmes som sådan ved hjelp av et alkalimetalloksid. Produktet blir slipt til ønsket størrelse og deretter blandet med hensiktsmessige harpikser, for å danne en helstøpt, høyfriksjons-gjenstand.

Det er blitt gjennomført andre forsøk på å tilvirke keramiske materialer med tilnærmet nøyaktig form ved å bruke partikkelformet basismetall og luftoksidasjon. US-patentskrift 3.255.027, 3.437.938 og 3.437.987 beskriver slike fremgangsmåter for å tilvirke integrale skjelettkonstruksjoner, f.eks. såkalte "honeycomb"-strukturer. I det første patentskriftet blir partikkelformet aluminium eller aluminiumlegering kombinert med et metallisk oksid-flussmiddel og kan også omfatte varmebestandig fyllmasse i partikkelform. Blandingen oksideres for å omdanne aluminium til korundum. Det utvikles en generelt porøs struktur med lave styrkeegenskaper. Det angis å brukes for tilvirkning av elementer med et indre hulrom.

Det andre patentskriftet foreslår å møte denne ulempen ved å inneslutte i den opprinnelige blandingen en vanadiumblanding, som under prosessbetingelsene forårsaker dannelsen av broer av aluminiumoksid. Det siste patentskriftet tilsikter også å forbedre styrken på det førstnevnte dobbeltveggete aluminiumoksid-produktet ved oksidasjon in situ av aluminiumemner dersom endene er belagt med aluminiumpulver, et flussmiddel og et varmebestandig fyllmateriale.

US-patentskrift 3.298.842 beskriver en framgangsmåte for å danne hule varmebestandige gjenstander, så som hule partikler av aluminiumoksid. Ei porøs blanding av aluminiumpartikler eller partikler av aluminiumlegering, et varmebestandig fortynningsmiddel og en katalysator blir oppvarmet i luft til en temperatur over ca. 650°C, men under den temperatur som gir selv-hefting eller sintring av fortynningsmidlet. Metallpartiklene oksiderer på overflatene, forbruker det frie metallet og etterlater et tomrom som gir de hule partiklene som blir fysisk skilt fra fortynningsmidlet. Fortynningsmidlet kan være inert eller reaktivt i denne prosessen, i det første tilfellet foreligger den i en mengde som er minst 5 ganger volumet av den metalliske bestanddelen, i det siste tilfellet foreligger det i en mengde som er minst 7 ganger mengden av den metalliske bestanddelen. Disse betydelige mengdene av fortynningsmiddel er nødvendig for å redusere agglomereringen av de oksiderte partiklene og følgelig for å unngå en kontinuerlig sammenføyd struktur, som ville gjøre gjenvinningen av de ønskete partiklene av aluminiumoksid vanskeligere. Tilsvarende blir blandinga varmet i en forholdsvis ukompakt form for å redusere tendenser til hefting av fortynningsmiddel, som ville fremme lett tilgang av oskydanten til aluminiumet i blandinga.

Selv om stor oppmerksomhet er blitt vist og betydelige anstrengelser gjort for å tilvirke keramiske gjenstander, medregnet tilvirkningen av keramiske gjenstander ved oksidasjon av basismetall in situ, så har disse forsøkene vært mangelfulle på en eller flere måter med hensyn til utviklingen til produkter med tilfredsstillende egenskaper for handelsformål. F.eks. har migreringen av aluminium fra en foliestruktur for utvikling av en dobbeltvegget keramisk struktur gitt alvorlige ulemper for en gjenstand tilvirket på denne måten med hensyn på manglende styrke, særlig trykk-og/eller bøyestyrke. Visse fremgangsmåter er i seg selv kompliserte og krever gjentatte belegginger av emner eller liknende med mellomliggende tørketrinn.

En ytterligere ulempe ved kjente fremgangsmåter som anvender in situ okydasjon av pulveret, folier og tråder for å skape keramiske legemer har vært den dårlige kontaktstyrken og motstandsevnen mot errosjon. Dette skyldes en iboende porøsitet til de kjente produktene, noe som har redusert den praktiske nytten betydelig.

De fremgangsmåtene som oksiderer et emne gir elementer med innebygd svakhet. På den annen side er det blitt gjort anstrengelser som har gitt keramiske komponenter med tilfredsstillende styrke, men dette har krevd tilvirkningsprosesser som krever høye trykk og temperaturer for å oppnå sintring og fortetting av bestanddelene, slik at kostnadene er blitt forhøyet. Følgelig er det generelt en mangel på virksomme fremgangsmåter for å tilvirke anvendelige, strukturerte gjenstander.

Oppfinnelsen

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

fordelaktige trekk framgår av de uselvstendige kravene.

Oppfinnelsen anviser en framgangsmåte for framstilling av selvbærende keramiske gjenstander med en porøs kjerne som er omsluttet av eller overtrukket med ei

forholdsvis tett hud på minst ei flate, slik at det dannes en keramisk struktur som har de ønskete egenskaper, så som forbedrete slite- og termiske egenskaper. Dessuten vil keramiske gjenstander tilvirket i samsvar med oppfinnelsen være i stand til å tjene en rolle som konstruksjonsmateriale pga. dekklagets evne til å tåle belastning. Produktet framstilles med en porøs kjerne som er omgitt av et vesentlig tettere,

slitasjebestandig sjikt med høyere styrke, som utgjør 5-15% av veggtykkelsen til gjenstanden.

Selvbærende keramiske komposittgjenstander med en porøs kjerne og et tett overflatelag dannet i ett med kjernen kan altså framstilles ved en styrt oksidasjonsreaksjon av et basismetall med en oksidant slik at det vokser et oksidasjons-reaksjonsprodukt. Framgangsmåten innebærer tilberedning av en preformet forutbestemt form, omfattende et basismetall og et fyllmateriale, hvor basismetallet er fordelt gjennom fyllmaterialet. Volumprosenten av basismetallet er tilstrekkelig til å danne et volum av oksidasjons-reaksjonsproduktet som overstiger alle potensielle volum i preforma og derfor danner et restvolum av basismetall som kan underkastes ytterligere oksidasjonsreaksjon for dannelse av det tette overflates]iktet. Det betyr at volumprosenten for oksidasjons-reaksjonsproduktet som resulterer fra oksidasjonen av basismetallet er større enn ethvert volum som i utgangspunktet foreligger som porøsitet i preforma pluss ethvert volum som skapes i preforma ved en reaksjon av basismetallet eller dets oksidasjons-reaksjonsprodukt med fyllmaterialet under framgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen. Prosessbetingelsene styres slik at basismetallet holdes i en smeltet tilstand i nærvær av oksidanten, som reagerer ved berøring og danner et oksidasjons-reaksjonsprodukt. Framgangsmåten fortsettes for å fremme transport av smeltet metall gjennom oksidasjons-reaksjonsproduktet mot oksidansen slik at det dannes ytterligere oksidasjons-reaksjonsprodukt ved kontakt med oksidanten i preforma slik at et eventuelt porevolum blir fylt. Samtidig blir hulrom dannet gjennom hele preforma hovedsaklig eller delvis for å gjenskape basismetallets konfigurasjon slik den eksisterte i den originale preforma. Straks et eventuelt første porevolum i preforma blir fylt med oksidasjons-reaksjonsprodukt, fortsetter gjenværende smeltet metall å migrere under de styrte prosessbetingelsene gjennom oksidasjons-reaksjonsproduktet og mot oksidanten, i det minste til en av preformas flater, for å utvikle ytterligere oksidasjons-reaksjonsprodukt som et hovedsakelig tett sjikt som dekker og går i ett med den porøse kjernen som blir utviklet fra den originale preforma. Det kompakte laget eller overflatesjiktet som gror over den ytre overflata av preforma er hovedsakelig fri for de hulrommene som dannes ved den inverse gjenskapning av formen av basismetallet som opprinnelig var fordelt rundt preforma, og er derfor hovedsakelig kompakt sammenliknet med kjernen. Den resulterende selvbærende kompositten har et kompakt ytre lag som oppviser overlegen slitemotstand og erosjonsegenskaper sammenliknet med den porøse kjernen, og den porøse kjernen oppviser overlegne termiske isolasjonsegenskaper sammenliknet med det kompakte overflatesjiktet. Komposittlegemet har dessuten en tendens til å inneha forbedret termisk ledningsevne i retning parallelt med dets overflate i det kompakte overflatesjiktlaget mens det opprettholder lavere termisk ledningsevne vinkelrett på dets overflate gjennom dets porøse kjerne. Disse karakteirstikkene er regjerende, og de resulterende egenskapene ved den ferdige gjenstanden blir skreddersydd, delvis ved utvelgelsen av preformas bestanddeler, oksidanten(e) som anvendes og dels av prosessbetingelsene.

Et annet trekk ved komposittlegemet framstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er styrken ved gjenstanden, som er forårsaket av den mere kompakte finkornete mikrostrukturen av overflatesjiktet sammenliknet med kjernen. Belastninger på en slik gjenstand, slik som vridning og bøyning blir typisk maksimert i omfang ved overflata av gjenstanden. Det sterke kompakte overflatesjiktet av komposittlegemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen maksimerer således et potensiale for den ellers svake porøse kjernen for tilpasning til bruk i konstruksjoner, mens den lave termiske ledningsevne og den lave vekten av kjernen fremdeles er bibeholdt.

Trekkene beskrevet foran kombinert i komposittgjenstandene framstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er faktisk i overensstemmelse med kravene for mange varmekraftmaskin-komponenter i varme soner. For eksempel foringer i forbrenningskamre, sylinderforinger, stempeltopper, foringer i eksosutløp, eksosmanifolder og deksler for turboladere, er alle eksempler på varmekraftmaskin-komponenter som krever overflater med høy termisk ledningsevne i retning parallelt med overflatene av komponentene for å hindre lokal overoppheting og stor termisk belastning, og lav termisk ledningsevne i retning vinkelrett på slike overflater for å hindre ødeleggelse av komponenter som er mindre varmebestandige og/eller for å hindre varmetap; høy strekkfasthet, bøyefasthet og presstyrke for å tåle slike belastninger som forbrenningstrykk, eller belastninger påført ved støping av slike komponenter som innføringsstykker i metallkomponenter; god slitebestandighet slik som enten glidende kontaktslitasje (som tilfellet er med en sylinderforing i en dieselmotor) og/eller erosjonsmotstand overfor uforbrente forbrenningsprodukter slik som karbon (som tilfellet er i foringen i et eksosutløp); lav overflateporøsitet for å hindre kondenserte forbrenningsprodukter slik som vann fra å trenge inn i porene, for deretter å fryse og forårsake brudd; samt lav vekt.

Porøse keramiske komponenter er typisk for svake til å tillate støping av metaller rundt slike, noe som ville vært ønskelig for mange anvendelser i varmekraftmaskiner. Dette er særlig tilfelle for hule porøse konstruksjoner slik som keramiske foringer i eksosutløp, sylinderforinger, forbrenningskamre, etc., som har en tendens til å sprekke og knuses ettersom det støpte metallet krymper ved nedkjøling. Det har blitt oppdaget at mange av produktene i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har tilstrekkelig styrke til å tillate slik støping av metall rundt dem uten opptreden av sprekker eller desintegrasjon.

Preforma for bruk med framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen omfatter et basismetall og en fyller der basismetallet er fordelt rundt fylleren. Fylleren kan enten være ureaktiv eller reaktiv med basismetallet under prosessbetingelsene. I henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen kan preforma omfatte partikkelformig basismetall i form av aluminium og partikkelformig alumina-fyller som under prosessbetingelsene er en ureaktiv blanding. I en slik utførelsesform blir det anvendt ett eller flere dopemidler, som beskrevet i det etterfølgende, enten legert i aluminium-basismetallet eller fordelt i fylleren, eller begge, for å tillempe oksidasjonen av basismetallet og transport av basismetallet gjennom dets oksidasjons-reaksjonsprodukt. Den ureaktive blandingen behandles ved oksidasjonsreaksjons-prosessen som beskrevet for å utvikle den porøse keramen med et kompakt overflatelag. I en alternativ utførelsesform kan en reaktiv blanding omfatte et basismetall og et fyllmateriale med en metallisk bestanddel som er reduserbar av det smeltete basismetallet i en redoks-reaksjon. I det tilfellet er basismetallet tilstede i et støkiometrisk overskudd med hensyn til den mengde som kreves for å reagere med den metalliske bestanddelen av fylleren for å sikre et tilstrekkelig volum av resterende eller ureagert basismetall for deltagelse i den etterfølgende oksidasjonsreaksjonen til å danne oksidasjonsreaksjons-produktet i form av et kompakt lag. I denne alternative framgangsmåten blir preforma varmet til en temperatur tilstrekkelig til å initiere redoks-reaksjonen (dvs. en "reaksjons-effektiv" temperatur) forut for enhver atmosfærisk oksidasjon av basismetallet, hvorved et redoks-produkt først dannes hovedsakelig gjennom preformas bulkfase. I mange tilfeller er redoks-reaksjonen eksoterm, for raskt å varme preforma og understøtte omsetningen av basismetallet til dets smeltete reaktive form. I en variant av den foreliggende opfinnelsen blir alle trinnene som følger redoks-reaksjonen utført under hovedsakelig isoterme betingelser; men temperaturvariasjoner kan imidlertid innføres for å kontrollere eller skreddersy vekst samt mikrostrukturen i overflatelaget.

En gjenstand med nær perfekt form kan oppnås ved en passende sammenføring av basismetallet og fylleren til ei preform med evne til å opprettholde sin geometri, og deretter kontrollere reaksjonen(e) som igansettes under oppvarming. Porevolumet av preforma er typisk minst 5%, men ligger fortrinnsvis i området fra 25% til 35%. Porevolumet balanseres mot volumet av reaktivt basismetall, hvis oksidasjonsreaksjons-produkt overstiger porevolumet; dvs. det må være tilstrekkelig metall tilstede til å sikre at oksidasjonsreaksjons-produktet, eller redoks-reaksjonsproduktet, fyller disse interpatikulære hulrommene (gjennomgående porevolum pluss andre volum som dannes inne i preforma under prosessen) i preforma. Deretter danner oksidasjonsreaksjons-produktet den kompakte overflata.

Det kompakte laget omfatter i stor grad oksidasjonsreaksjons-produkt. I tillegg kan dette kompakte laget omfatte for eksempel resterende basismetall, de reduserte (metalliske) bestanddelene av hvilken som helst metallisk forbindelse som ble tilført redoks-reaksjonen, en legering eller en intermetallisk forbindelse mellom basismetallet og en bestanddel av dette eller av annet redusert metall, avhengig av slike faktorer som type fyller som brukes, prosessbetingelsene samt bruken av dopemidler. De keramiske gjenstandene som lages fra en ureaktiv montasje av basismetall og fyller kan omfatte opptil 25 vol% eller mere metalliske bestanddeler, fortrinnsvis fra 5% til 10%. De keramiske gjenstandene som lages fra reaktive montasjer av basismetall og fyller kan omfatte 20% til 40% eller mere keramiske bestanddeler, men fortrinnsvis fra 25 % til 35 %.

Gjenstander produsert i henhold til framgangsmåten angitt ovenfor, og særlig de som er betegnet som foretrukne, oppviser vesentlig forbedret konstruksjonsmessig helhet sammenliknet med gjenstander av liknende type fra teknikkens stand, mens vesentlig forbedrete termiske karakteristikker (dvs. isolerende egenskaper) koplet med god slitasjemotstand bibeholdes. Keramiske kompositt-konstruksjoner i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan med fordel fungere som konstruksjonsdeler i varmekraftmaskiner og liknende omgivelser som krever slike egenskaper som lav vekt, høy styrke, slitasjemotstand, erosjon og korrosjon.

I det etterfølgende er det gitt en nærmere forklaring på uttrykk brukt i beskrivelsen: "Keramikk" skal ikke anses for å være begrenset til en keramisk gjenstand i klassisk betydning, det vil si i den betydning at den består helt og holdent av ikke-metalliske og uorganiske materialer, men viser heller til en gjenstand som domineres av keramikk med hensyn enten til sammensetning eller dominerende egenskaper, selv om gjenstanden kan inneholde større eller mindre mengder en eller flere metalliske bestanddeler avledet fra basismetallet, eller redusert fra fylleroksidant eller et dopemiddel, mest typisk i området fra 1-40 vol%, men kan inneholde mere metall.

"Oksidasjonsreaksjons-produkt" viser til ett eller flere metaller i enhver oksidert tilstand der metallet/metallene har gitt fra seg elektroner til eller delt elektroner med andre elementer, forbindelser, eller en kombinasjon av dette. Følgelig omfatter et "oksidasjonsreaksjons-produkt" under denne definisjonen produktet fra reaksjonen av ett eller flere metaller med en oksidant slik som oksygen, nitrogen, et halogen, fosfor, arsenikk, karbon, bor, selen, tellur, og forbindelser og kombinasjoner av disse inkludert for eksempel reduserbare metalliske forbindelser, metan, etan, propan, acetylen, etylen, propylen, og blandinger slik som luft, H2/H20 og CO/C02, der de sistnevnte (dvs. H2/H20 og CO/C02) er nyttige for reduksjon av oksygen-aktiviteten i omgivelsene.

"Oksidant" viser til en eller flere passende elektron-akseptorer eller elektron-delere som vil reagere med basismetallet under de rådende betingelsene, og kan være i fast form, i form av væske eller en gass (damp), eller en kombinasjon av disse (f.eks. fast stoff og gass) ved de rådende prosessbetingelsene. Denne definisjonen er ment å inkludere en forbindelse som kan reduseres av basismetallet.

"Basismetall" viser til det metall, f.eks. aluminium, titan, silisium, zirkonium, hafnium, tinn, etc, som er forløperen for det polykrystallinske oksidasjonsreaksjons-produktet, og omfatter det metall som et relativt rent metall, et kommersielt tilgjengelig metall med urenheter og/eller legerende bestanddeler, eller en legering der metallets forløper er den dominerende bestanddel; og når et spesifikt metall er nevnt som basismetall, f.eks. aluminium, bør det aktuelle metallet leses med denne definisjonen i minne med mindre annet er angitt i beskrivelsen.

Betegnelsen "fyller" inkluderer enten enkle bestanddeler eller blandinger av bestanddeler som kan være enten ureaktive eller reaktive, i en fase eller flere faser, og kan inkludere en eller flere oksidanter, eller ingen oksidanter. Fyllere kan framskaffes i svært mange former, slik som pulver, flak, plater, mikrosfærer, hår, bobler, etc., kan kan være enten kompakte eller porøse. Figur 1 er et mikrofotografi av en foring i et eksosutløp av keramisk kompositt i henhold til eksempel 1 nedenfor; Figur 2 er et mikrofotografi av et tverrsnitt av veggen av foringen i figur 1; Figur 3 er et mikrofotografi av et tverrsnitt av komposittlegemet i henhold til eksempel 2 nedenfor; Figur 4 er et fotografi av eksosrør-foringene av keramisk kompositt fra eksempel 3 nedenfor; Figur 5 er et mikrofotografi som viser et overflatesjikt av a-alumina som inneholder metall på et keramisk legeme i henhold til eksempel 6 nedenfor; og Figur 6 er et fotografi av metallstøpen og eksosrør-foringen i henhold til eksempel 8 nedenfor.

De keramiske komposittene som er laget i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er laget fra ei preform bestående av en sammensatt montasje av et basismetall og en fyller, der basismetallet er fordelt rundt fylleren. Eksempler på montasjer av et basismetall fordelt i en fyller ville for eksempel omfatte basismetall-pulver blandet med et keramisk pulver eller en blanding av keramiske pulvere som tjener som fyller. Andre eksempler inkluderer et svampformig basismetall med åpne celler, hvis celler er fylt med et keramisk pulver, eller korte metallfibre blandet med keramiske plater, eller et oppsett av metallfilter-lag fylt med keramiske hår, eller en blanding av metall-flak eller metallkuler med keramiske mikrosfærer. Montasjen er konstruert med en bestemt form for framskaffelse av preforma. Preforma er forsynt med tilstrekkelig grunnstyrke til å motstå håndtering, og oppviser i størst mulig grad formen av den keramiske gjenstanden som skal produseres. Preforma kan være porøs i den betydning at den ikke er fullstendig kompakt men inkluderer interpartikulære porer mellom partiklene eller elementer av fyller, og mellom partiklene eller elementene av basismetall og fyller. I en foretrukket utførelsesform finnes det tilstrekkelig porøsitet til å gjøre preforma permeabel overfor en gassformig oksidant. Preforma er også alltid permeabel med hensyn til utviklingen eller veksten av oksidasjonsreaksjons-produkt som en matrise inne i preforma uten å forstyrre eller på annen måte endre basiskonfigurasjonen eller geometrien av preforma av betydning. Romvolum som er tilgjengelig inne i preforma for utvikling av oksidasjonsreaksjons-produktmatrisen vil typisk være minst 5 % av volumet av preforma i sin helhet, og fortrinnsvis minst 25 % av volumet av preforma. En keramisk komposittgjenstand med optimalisert styrke og helhet resulterer fra ei preform-sammensetning der volumprosenten av basismetall som undergår oksidasjon med oksidanten til å danne det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet overstiger porevolumet av preforma, som forklart nedenfor i nærmere detalj. Følgelig kan romvolumet som er tilgjengelig for utvikling av oksidasjonsreaksjons-produktmatrisen inne i preforma variere fra 5 % til en praktisk grense på 65 %, og ligger fortrinnsvis i området fra 25 % til 35 %.

En eller flere oksidanter kan anvendes i framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. For eksempel kan en fast oksidant utgjøre fylleren eller være en bestanddel av fylleren, og kan anvendes samtidig med eller uavhengig av en gassfase-oksidant. Dersom preforma for eksempel inneholder en fast oksidant og ingen åpen porøsitet, vil oksidasjonsreaksjons-produktet som opptrer i preforma være produktet av basismetallet og den faste oksidanten. Dersom preforma er omgitt kun av en gassfase-oksidant, vil det kompakte overflatesjiktet som utvikles på overflata av preforma være oksidasjonsreaksjons-produktet av basismetallet og gassfase-oksidanten. Dersom preforma er omgitt av en inertgass og pakket i en pulvermasse som består av en fast oksidant, vil det kompakte overflatesjiktlaget som utvikles være oksidasjonsreaksjons-produktet av basismetallet og den pulverformige oksidanten som omgir preforma. Dersom en inert fyller blandes med den faste pulverformige oksidanten som omgir preforma, blir et kompakt overflatesjikt som inneholder den inerte fylleren produsert. En væskeformig oksidant kan anvendes ved for eksempel å innarbeide en fast oksidant som en fyller-bestanddel i preforma, der den faste oksidanten smelter før den når opp i prosesstemperaturen.

I en foretrukket utførelsesform blir preforma satt inn i en ovn, tilført en gassfase-oksidant og varmet til det aktuelle temperaturintervallet for å bevirke omsetning fra ei svak preform til en kontruksjons-komponent. Avhengig av reaktiviteten av fylleren sammenliknet med basismetallet, kan varmesyklusen anta ulike variasjoner. I den foretrukne utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen blir preforma satt inn i en ovn som har blitt forvarmet til reaksjonstemperaturen. Dersom dopemidler er påkrevet blir disse inkludert i preforma eller legert med basismetallet, eller begge. Basismetallet smeltes, optimalt uten tap av preformas geometriske helhet, men temperaturen er lavere enn smeltepunktet for oksidasjonsreaksjons-produktet og fylleren. Det smeltete basismetallet reagerer med gassfase-oksidanten til å danne oksidasjonsreaksjons-produkt. Preformas porøsitet er tilstrekkelig til å oppta oksidasjonsreaksjons-produktet uten å forstyrre eller fortrenge preformas grenser av noen betydning. Fortsatt eksponering av det smeltete basismetallet overfor den oksiderende omgivelse induserer transport av smeltet metall gjennom oksidasjonsreaksjons-produktet for progressivt trekke smeltet metall inn i og gjennom oksidasjonsreaksjons-produktet mot oksidantatmosfæren og forårsaker progressiv vekst av det polykrystallinske oksidasjonsreaksjons-produktet. Oksidasjonsreaksjons-produktet vokser inn i de mellomliggende hulrom i preforma. Samtidig blir det dannet hulrom (i motsetning til porer) ved migrasjon eller transport av det smeltete metallet, idet disse hulrommene har en tendens til hovedsakelig å gjenskape formen og størrelsen av det opprinnelige partikkelformige basismetallet inverst. Volumprosenten av basismetall er mere enn tilstrekkelig til å danne et volum av oksidasjonsreaksjons-produkt som overstiger det initielle porevolumet i preforma, for på denne måten å anvende dette påkrevde overskudd av basismetall sammenliknet med det initielle porevolum til å sikre at sistnevnte fylles med oksidasjonsreaksjons-produkt under prosessen. Dersom volumprosenten av basismetall er for lav, blir den resulterende konstruksjonen for svak på grunn av en underutviklet keramisk matrise, og det vil dessuten ikke dannes noe kompakt overflatesjikt. På den annen side kan basismetall i overskudd være uønsket på grunn av at det ferdige produktet da ville inneholde for mye metall for sluttbruk-anvendelsen. For et aluminium basismetall reagert i luft, er en ønskelig andel for dette metallet fra 30 til 50 volumprosent av den totale preforma.

Den initielle vekst av oksidasjonsreaksjons-produkt fra det smeltete partikkelformige metallet fyller de mellomliggende porene i preforma og skaper hulrommene, som angitt ovenfor. Ved videreføring av framgangsmåten vil den kontinuerlige migrasjon av resterende smeltet metall fremmes utover gjennom oksidasjonsreaksjons-produktet og mot minst ei overflate av preforma inntil vekst av oksidasjonsreaksjons-produktet har nådd fram til overflata(ene). Oksidasjonsreaksjons-produkt dannes deretter på overflata(ene) av preforma. Den resulterende overflata er kompakt sammenliknet med sonen under overflata eller kjernen av det ferdige komposittlegemet, på grunn av at oksidasjonsreaksjonen på overflata skjer hovedsakelig i fravær av partikkelformig basismetall som er forløperen til hulrommene, og overflata er derfor hovedsakelig fri for hulrom. Følgelig er kjernen av det ferdige komposittlegemet (dvs. den del eller sone som ligger under den kompakte overflata) relativt porøs på grunn av dannelsen av hulrommene; mens overflata av legemet er relativt kompakt, bestående av oksidasjonsreaksjons-produktet og eventuelt ureagerte eller uoksiderte metalliske bestanddeler slik som uoksidert basismetall. Dette kompakte overflatesjiktet er typisk en liten fraksjon av produktets volum, i stor grad avhengig av volumfraksjonen av basismetall i preforma, tykkelsen av det ferdige produktet, begge kontrollert med hensyn til den tiltenkte sluttbruk, og kan typisk variere fra 0.1 til lmm, fortrinnsvis 0.2-0.5 mm. I en konstruksjons-komponent for bruk i en varmekraftmaskin, og med en tverrsnittstykkelse på omlag 6 mm, ville det kompakte laget typisk ha en tykkelse på omlag 0.2 mm. Det kompakte overflatesjiktet opprettholdes ved avkjøling og oppviser i all hovedsak økt motstand mot slitasje sammenliknet med den porøse kjernen av legemet, enten med hensyn til friksjon eller erosjon, mens den keramiske komposittgjenstanden i det hele oppviser utmerkete termiske egenskaper for konstruksjonsformål.

Det resulterende keramiske komposiuttproduktet inkluderer ei preform infiltrert til sine grenser av en keramisk matrise bestående av et polykrystallinsk materiale som hovedsakelig består av oksidasjonsreaksjons-produktet av basismetallet med en oksidant og valgfritt en eller flere metalliske bestanddeler slik som uoksiderte bestanddeler av basismetallet eller reduserte bestanddeler av fylleren, eller begge. Det bør videre bemerkes at hulrom utvikles ved en partiell eller fullstendig fortrengning av det partikkelformige basismetallet, men volumprosenten av hulrom vil i stor grad avhenge av slike betingelser som temperatur, tid, type basismetall, volumfraksjon av basismetall, og dopemiddelkonsentrasjoner. I disse polykrystallinske keramiske konstruksjonene er krystallittene av oksidasjonsreaksjons-produktet typisk forbundet i mere enn en dimensjon, fortrinnsvis i tre dimensjoner, og de metalliske bestanddeler som resulterer fra transporten av smeltet basismetall kan være minst delvis forbundet. Det keramiske komposittproduktet framstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har generelt veldefinerte grenser og oppviser hovedsakelig samme geometri som den opprinnelige preforma dekket med det utviklete kompakte laget av overflatesjikt. Den polykrystallinske keramiske kompositten omfatter metalliske bestanddeler slik som uoksidert basismetall, der mengden i stor grad avhenger av slike faktorer som prosessbetingelsene, legerende bestanddeler i basismetallet, og dopemidler, selv om det i visse tilfeller kan inneholde praktisk talt intet metall, som illustrert i eksempel 7. Volumprosenten av basismetallet kan skreddersys for å imøtekomme de søkte sluttbruk-egenskapene for produktet, og for flere anvendelser, slik som motor-komponenter, er det foretrukket at innholdet av metall i den ferdige komponenten er 5 til 10 prosent eller lavere. I henhold til denne foretrukne utførelsesformen kan det observeres at fylleren er hovedsakelig ureaktiv med basismetallet under prosessbetingelsene. Selv om oppfinnelsen er beskrevet med spesiell vekt på aluminium og spesifikke utførelsesformer med aluminium basismetall, er denne henvisningen kun gitt i illustrasjonsøyemed, og følgelig kan andre metaller slik som silisium, titan, tinn, zirkonium osv. også anvendes for å imøtekomme, eller kan dopes for å imøtekomme, kriteriene for den foreliggende oppfinnelsen. I en spesifikk utførelsesform blir følgelig et aluminium basismetall i partikkelform blandet sammen med en partikkelformig fyller av alumina og satt sammen til den permeable preforma. I tilfellet med denne utførelsesformen blir det anvendt ett eller flere dopemidler som beskrevet nedenfor, enten fordelt i eller som en bestanddel av fylleren, eller legert inn i aluminium basismetallet, eller begge. Preforma kan lages med enhver forutbestemt form eller størrelse med vanlig kjente teknikker slik som vellestøping, injeksjonsstøping, overføringsstøping (transfer molding), sedimentasjonsstøping, vakuumforming, osv., ved innarbeiding av et passende fyllmateriale slik som metalloksider, borider, karbider, og tilsvarende. Fylleren kan være sammenbundet for å etablere ei preform ved hjelp av et passende bindemiddel, f.eks. polyvinylalkohol eller tilsvarende, som ikke forstyrrer reaksjonene i henhold til oppfinnelsen, eller som etterlater uønskete resterende biprodukter inne i det keramiske komposittproduktet.

Eksempler på materialer som er nyttige ved tilvirking av ei peform ved utføring av den foreliggende oppfinnelsen, avhengig av basismetallet og oksidasjonssystemet som velges, kan inkludere aluminiumoksid, silisiumkarbid, silisium-aluminium-oksynitrid; -..-zirkoniumoksid, zirkoniumborid, titannitrid, bariumtitanat, bornitrid, silisiumnitrid, ulike jernlegeringer, f.eks. en Fe-Cr-Al-legering, karbon, samt blandinger av disse. Imidlertid kan ethvert passende materiale anvendes i preforma. For eksempel dersom aluminium anvendes som basismetallet, og aluminiumnitrid er det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet, ville aluminiumnitrid- og/eller aliminiumoksid-

partikler være eksempler på passende materialer for preforma; dersom zirkonium anvendes som basismetall, og zirkoniumnitrid er det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet, ville zirkonium diborid-partikler være et passende valg for ei preform; dersom titan anvendes som et basismetall og titanitrid er det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet, ville ei preform bestående av alumina- og/eller titandiborid-partikler være passende; dersom tinn anvendes som basismetall, og tinn er det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet, ville ei preform av aluminapartikler være passende; eller dersom silisium anvendes som basismetall og silisiumnitrid er det søkte oksidasjonsreaksjons-produktet, ville ei preform av silisiumnitird-partikler være passende.

Basismetall-partiklene bør ha en passende størrelse slik at hulrom dannes ved

invers gjenskapning som kan bidra til de termiske egenskapene ved de keramiske egenskapene men dog ikke så store at produktets struktur eller styrke påvirkes. Følgelig er en partikkelstørrelse av basismetallet i området fra 0.3 mm til 30 /xm (50-500 mesh), fortrinnsvis 0.15 mm til 60 fim (100-250 mesh) nyttig. Passende fyllere kan ha en størrelse fra omlag 15 mm til 10 ^m (10-1000 mesh), eller enda finere, og en blanding av ulike partikkelstørrelser kan anvendes. Betegnelsen "partikkelformig" eller "partikkel" med hensyn til fylleren er brukt i bred betydning for å omfatte pulver, fibre, hår, sfærer, plater, agglomerater og tilsvarende. Preforma kan føres inn i en forvarmet ovn med tilførsel av en oksidant slik som luft med temperatur lik prosesstemperaturen. Når ønskelig kan preforma varmes langsomt eller relativt raskt (med hensyntagen til dannelsen av termisk induserte belastninger) til eller i prosesstemperaturområdet, som er over smeltepunktet for basismetallet men under smeltepunktet for oksidasjonsreaksjons-produktet. For eksempel, i tilfellet med aluminium basismetall og ved bruk av luft som oksidant, vil denne temperaturen typisk opptre over området fra 850 til 1450°C, fortrinnsvis mellom 900 og 1350°C.

Alternativt kan montasjen av basismetall og fyller være reaktive og omfatte en fyller som reagerer med basismetallet. Det vil si at den reaktive fylleren inneholder en metallisk bestanddel, f.eks. silisiumdioksid eller bor, reduserbar av det smeltete basismetallet under prosessbetingelsene. Preforma kan i sin helhet omfatte den reaktive fylleren, eller denne fylleren kan være en kombinasjon av ett eller flere inerte fyllmaterialer. For eksempel kan en keramisk komposittgj en stand være laget ved å blande partikkelformig aluminium basismetall med en partikkelformig silikaholdig fyller, slik som vandig aluminiumsilikat-leire, og gjennomføre prosessen i luft ved 900-1200°C.

Basismetallet i denne utførelsesformen er valgt med hensyn til flere faktorer. Metallet må være tilstede volumetrisk ikke bare i overskudd i forhold til dets oksidasjonsreaksjons-produkt for det protensielt tilgjengelige romvolum i preforma, men i støkiometrisk overskudd over den reaktive bestanddel av fylleren. Dette overskuddet sikrer et tilstrekkelig volum av basismetall som undergår reaksjon med fylleren og som opprettholder en resterende mengde for oksidasjonsreaksjonen til dannelse av oksidasjonsreaksjons-produktet på overflata av preforma. Fylleren er valgt for å være reaktiv med basismetallet i en redoks-reaksjon. Fylleren omfatter følgelig en reaktiv bestanddel, typisk en metallholdig bestanddel slik som silika-bestanddelen i leire, reduserbar av det smeltete basismetallet for å gi et oksidasjonsreaksjons-produkt hovedsakelig gjennom preformas bulkfase. Følgelig eksisterer det flere kandidater for basismetallet og flere kandidater for fyllmaterialet, der disse to må koordineres for å imøtekomme disse funksjonelle formålene.

I denne spesielle foretrukne utførelsesformen, blir prforma som omfatter den reaktive sammenstillingen varmet for å initiere redoks-reaksjonen før det finner sted noen atmosfærisk oksidasjon av betydning av aluminium-komponenten. Følgelig skal en langsom oppvarming av preforma i en atmosfære som inneholder oksidanten unngås. Preforma settes inn i en ovn som er forvarmet til prosesstemperaturområdet. Straks redoks-reaksjonen har startet, har den en tendens til å være selvdrivende på grunn av sin eksotermitet, og temperaturen i preforma kan derfor stige noe. Redoks-reaksjonen fortsetter raskt og hovedsakelig gjennom preformas bulkfase, til å utvikle en gjenstand ved dette trinnet som er sammetsatt av redoks-produktet, reduserte bestanddeler av den reaktive fylleren, og resterende basismetall som er tilgjengelig for oksidasjonsreaksjonen med gassfaseoksidanten. Ved avslutning av redoks-reaksjonen, der minst den vensentligste vektendringen finner sted, blir prosedyren fortsatt som beskrevet ovenfor med hensyn til vekst av oksidasjonsreaksjons-produkt og dannelsen av et kompakt overflatesjikt. Porene i preforma er fylt med oksidasjonsreaksjons-produkt for derved å resultere i den ledsagende dannelse av hulrom, og resterende basismetall transporteres gjennom reaksjonsproduktet til overflata for ved oksidasjonsreaksjon å danne det søkte kompakte overflatelaget.

I denne alternative utførelsesformen er derfor varmeprosessen hovedsakelig en to-trinns prosedyre. Det første trinnet hever temperaturen til en reaksjons-effektiv temperatur for å initiere redoks-reaksjonen, og det andre trinnet induserer og opprettholder transporten av smeltet metall gjennom det utviklende oksidasjonsreaksjons-produktet for å danne det kompakte overflatelaget. Dette varmetrinnet er fortrinnsvis isotermt til tross for de identifiserbare trinnene; isoterm i den betydning at temperaturen i ovnen (som bestemt fra temperaturen i preforma) forblir hovedsakelig konstant.

Igjen kan volumprosenten av metalliske bestanddeler i det keramiske produktet variere, og kan videre skreddersys for å imøtekomme de søkte sluttbruk-egenskapene. Det ferdige produktet omfatter typisk 20-40 volumprosent metalliske bestanddeler, og fortrinnsvis 25-35 %. Det kompakte overflatesjiktet ville også være en liten fraksjon av det totale volumet av produktet, som forklart ovenfor.

Under spesifikke betingelser med hensyn til temperatur og oksiderende atmosfære imøtekommer visse basismetaller de kriteriene som er nødvendige for oksidasjonsfenomenet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen uten noen spesielle tillegg eller modifikasjoner. Som beskrevet i forbindelse med US-skriftene under teknikkens stand foran, kan imidlertid dopemidler som anvendes i kombinasjon med basismetallet gi en fordelaktig innvirkning på eller fremme oksidasjonsreaksjons-prosessen. Med ønske om ikke å være bundet til noen spesiell teori eller forklaring av dopemidlenes funksjon, ser det ut til at noen av disse er nyttige i de tilfellene der passende overflateenergi mellom basismetallet og dets oksidasjonsreaksjons-produkt ikke eksisterer naturlig. Følgelig vil visse dopemidler eller kombinasjoner av dopemidler, som reduserer grenselags-energien mellom fast stoff og væske, ha en tendens til å fremme eller aksellerere utviklingen av den polykrystallinske strukturen dannet ved oksidasjon av metallet inn i en kanal for transport av smeltet metall, som er påkrevet for framgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. En annen funksjon ved dopemidlene kan være å initiere vekstfenomenet av den keramiske matrisen, tilsynelatende enten ved å tjene som et initierende middel for dannelsen av stabile krystallitter av oksidasjonsprodukt, eller ved å avbryte et initielt passivt oksidasjonsprodukt-lag på en eller annen måte, eller begge. Denne sistnevnte klassen av dopemidler trenger ikke å være nødvendige for å skape det keramiske vekstfenomenet i henhold til oppfinnelsen, men slike dopemidler kan være viktige i redusering av enhver inkubasjonsperiode for initieringen av slik vekst til å ligge innenfor kommersielt praktiske grenser for visse basismetall-systemer.

Funksjonen(e) ved dopemidlene kan avhenge av et antall faktorer forskjellig fra dopemidlet i seg selv. Disse faktorene inkluderer for eksempel den spesielle kombinasjon av dopemidler når to eller flere dopemidler anvendes, bruken av et eksternt tilført dopemiddel i kombinasjon med et dopemiddel legert med basismetallet, konsentrasjonen av dopemidlet, den oksiderende omgivelse og prosessbetingelsene.

Dopemidlet eller dopemidlene som anvendes i forbindelse med basismetallet kan (1) framskaffes som legerende bestanddeler av basismetallet, (2) påføres minst en del

av overflata av basismetall-bestanddelene av preforma, eller (3) påføres eller tilføres

av fylleren eller en del av fylleren, eller enhver kombinasjon av to eller flere av

5 teknikkene (1), (2) eller (3) kan anvendes. For eksempel kan et legert dopemiddel anvendes i kombinasjon med et eksternt tilført dopemiddel. I tilfellet med teknikk (3), der ett eller flere dopemidler påføres eller omfattes av fylleren, kan denne

gjennomføres på enhver passende måte, slik som ved å dispergere dopemidlene

gjennom deler av eller hele massen av preforma som belegg eller i form av partikler, } fortrinnsvis i en del av fylleren som er lokalisert inntil basismetallet. Anvendelsen av ethvert av dopemidlene på preforma kan også gjennomføres ved å påføre et lag av ett eller flere dopemidler på og i preforma, inkludert eventuelle innvendige åpninger,

hulrom, passasjer eller liknende, som gjør denne permeabel. I tilfellet der dopemidlet

påføres eksternt til minst en del av overflata av basismetall-bestanddelene av

5 preforma, vokser den polykrystallinske oksidstrukturen generelt inne i den permeable fylleren hovedsakelig forbi dopemiddel-laget (dvs. forbi dybden av det påførte laget av dopemiddel). I alle tilfelle kan ett eller flere av dopemidlene påføres eksternt på basismetall-bestanddelens overflate og/eller på den permeable fylleren. I tillegg kan

dopemidler legert i basismetallet og/eller påført eksternt på overflata av basismetalle-3 bestanddelene forsterkes ved dopemiddel(er) påført preforma eller opptatt i denne. Ethvert konsentrasjonsavvik av dopemidler legert i basismetallet og/eller påført eksternt på basismetallet kan således rettes opp ved å øke konsentrasjonen av de respektive dopemidlene påført fylleren eller opptatt i denne, og omvendt.

Nyttige dopemidler for et aluminium basismetall, særlig med luft som oksidanten, 5 inkluderer for eksempel magnesium-metall og zink-metall, i kombinasjon med hverandre eller i kombinasjon med andre dopemidler beskrevet ovenfor. Disse metallene, eller en passende kilde for disse, kan legeres inn i det aluminium-baserte basismetallet ved konsentrasjoner for hver på mellom 0.1-10 vekt% basert på den

totale vekten av det resulterende dopede metallet. Konsentrasjonsområdet for alle

3 dopemidler vil avhenge av slike faktorer som kombinasjonen av dopemidler og prosesstemperaturen. Konsentrasjoner innenfor dette området viser seg å initiere den keramiske vekst, forbedre metalltransport og gi en gunstig innvirkning på vekst-

morfologien av det resulterende oksidasjonsreaksjons-produktet.

Andre eksempler på dopemidler som er anvendelige med et aluminium basismetall er natrium, litium, kalsium, bor, fosfor og yttriym, som kan anvendes for seg eller i kombinasjon med ett eller flere andre dopemidler avhengig av oksidanten og prosessbetingelsene. Natrium og litium kan anvendes i svært små mengder i ppm-området, typisk omlag 100-200 ppm, og hver enkelt kan anvendes alene eller sammen, eller i kombinasjon med andre dopemidler. Sjeldne jordmetaller slik som cerium, lantan, praseodym, neodym og samarium, er også nyttige dopemidler, og her igjen særlig når brukt i kombinasjon med andre dopemidler.

Som beskrevet i NO patentsøknad 871828 (publisert etter foreliggende prioritetsdato), kan det anvendes et barrieremiddel for å hindre vekst eller utvikling av oksidasjonsreaksjons-produktet forbi den initielle overflata av barrieren. Denne fasiliteten kan anvendes for å hindre dannelse av kompakt overflatesjikt på overflater av preforma der slikt overflatesjikt ville vært uønsket, og gir derfor kapasitet til å utvikle det kompakte overflatesjiktet selektivt på overflatene av preforma. Et barrieremiddel ville typisk anvendes i kombinasjon med en gassfaseoksidant, siden ellers selektiv kontroll av dannelse av kompakt overflatesjikt på overflata av preforma lett kan kontrolleres ved å posisjonere tilgjengeligheten for en oksidant slik som en fast eller en væskeformig oksidant. Passende barrieremidler kan være ethvert materiale, forbindelse, element, blanding, eller tilsvarende, som under prosessbetingelsene i henhold til den foreliggende oppfinnelsen opprettholder en viss helhet, som ikke er flyktig, og som fortrinnsvis er permeabel overfor gassfaseoksidanten mens den i tillegg har evne til lokalt å hindre, forgifte, stanse, forstyrre eller tilsvarende, fortsatt vekst av oksidasjonsreaksjons-produkt. Kalsiumsulfat (brent gips), kalsiumsilikat og portlandsement, og blandinger av disse, blir typisk påført som en slurry eller pasta på overflata av fyllmaterialet. Disse barrieremidlene kan også inkludere et passende brennbart eller flyktig materiale som elimineres ved oppvarming, eller et materiale som dekomponerer ved oppvarming, for å øke porøsiteten og permeabiliteten av barrieremidlet. Barrieremidlet kan dessuten inkludere passende ildfaste partikler for å redusere enhver mulig krymping eller oppsprekking som ellers kan skje under prosessen. Slike partikler som har hovedsakelig den samme ekspansjonskoeffisient som fyllermassen er spesielt ettertraktet. For eksempel, dersom preforma omfatter alumina og den resulterende keramen omfatter alumina, kan barrieren blandes sammen med partikkelformig alumina, fortrinnsvis med en størrelse på 0.8 mm til 10 fim (20-1000 mesh).

i Eksempel 1

En foring for et eksosutløp i en stempelmotor med en porøs kjerne og en kompakt

overflate ble laget i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som følger:

En alumina-velling ble laget ved å blande 245 deler A-17 alumina (Alcoa) med 60 deler vann i en skjæreblander. Sju dråper Darvan-7 pr. 300 g sats (R.T. Vanderbilt

) Co., Norwalk, CT 06855) ble langsomt tilsatt for å dispergere alumina. Blanding ble fortsatt i 2 timer for å oppnå en god velling. Vellingen ble lagret på et par ruller for å holde den under kontinuerlig omrøring. Vellingen ble plassert i en fryser før vellestøping for å kjøle den til 0°C. Nedkjøling av vellingen minimaliserte

reaksjonen mellom Al-legeringspulver (brukt som basismetall i dette eksemplet) og

i vann. Etter at vellingen var kjølt ned til 0°C, ble den tatt ut av fryseren, hvoretter 126 deler Al-legeringspulver med partikkelstørrelse -72 fim (-200 mesh) (pr. blanding som vist i tabell A) ble tilsatt med etterfølgende blanding i omlag 20 sekunder. Vellingen som inneholdt Al-legeringspulver, basismetall, ble umiddelbart

helt over i ei form av brent gips hvis hulrom var formet som foringen i et eksosutløp ) for en stempelmotor, og drenert i omlag 40 sekunder til å gi ei preform med tykkelse 3.6 mm. Preforma ble frigjort fra forma og tørket i en ovn ved 80°C i 24 timer. Preforma undergikk mindre enn 1 % krymping under vellestøping og tørking. Preforma ble deretter oppvarmet i luft til 1000°C i løpet av 12 timer og holdt ved

denne temperaturen i 30 timer. Temperaturen ble deretter hevet til 1300°C i løpet av ) 6 timer, og gjenstanden ble holdt ved denne temperaturen i 12 timer. Temperaturen ble deretter senket til romtemperatur i løpet av 20 timer.

Den resulterende foringen som ble dannet, oppviste et kompakt overflatesjikt med jevnt tykkelse på 0.2-0.3 mm på både den innvendige og den utvendige overflata sammen med en porøs kjernevegg. Et fotografi av den resulterende eksosrør-foringen er vist i figur 1. Vekta av preforma økte med 16.7% under brenningen på grunn av oksidasjon av basismetallet med luft. Tykkelsen av delen økte fra preform-trinnet til ferdig stykke fra 3.6 til 4.6 mm. Et tverrsnitt av veggen av eksosrør-foringen med kompakt overflatesjikt og porøs kjerne er vist i figur 2.

Eksempel 2

Dette eksemplet viser dannelsen av et kompakt overflatesjikt i en velling produsert fra en velling som inneholdt en reaktiv fyller (EPK kaolin) anvendt med et basismetall i form av aluminium-pulver.

Sytti deler EPK kaolin (Feldspar Corp, Edgar, FL) ble blandet med 30 deler vann i en blander og blandet med høy skjærhastighet i 2 timer. Omlag 12 dråper Darvan-7 ble tilsatt pr. 300 g sats for dispergering av kaolin. Straks vellingen var laget, ble 100 deler av denne blandet med 70 deler Al-legeringspulver -0.18 mm + 0.15 mm

(-80 + 100 mesh) (samme sammensetning som pulveret i eksempel 1) i 20 sekunder. Vellingen ble støpt på ei flat plate av brent gips for å lage ei 3-4 mm tykk plate med diameter 2.5 cm. Det vellestøpte stykket ble tørket ved 80°C i 24 timer og brent i en ovn ved 1000°C i luft i 24 timer. Varme- og kjøletidene var omlag 1 time. Etter brenning, oppviste prøven et porøst indre bestående av en porøs kjerne med porer

med omtrent samme størrelse og form som den pulverformige Al-legeringen, med et kompakt overflatesjikt. Tykkelsen av dette sjiktet var omlag 0.2 mm. Røntgenstråleanalyse indikerte at gjenstanden inneholdt a-Al203, Si og en aluminium-legering.

Et mikrofotografi som viser et tverrsnitt av det resulterende komposittlegemet er vist i figur 3.

Eksempel 3

Dette eksemplet viser at dannelsen av det kompakte overflatesjiktet ikke er avhengig av partikkelstørrelsen av basismetallpulveret. En aluminavelling ble laget ved å blande 245 deler A-17 og 60 deler vann i en skjærblander. Sju dråper Darvan-7 (R.T. Vanderbilt Co., Norwalk, CT 06855) pr. 300 g sats, ble tilsatt for å dispergere alumina. Blanding ble fortsatt i 2 timer for å oppnå en god konsistens i vellingen. Vellingen ble deretter lagret på et par ruller for å holde den under omrøring. Vellingen ble plassert i en fryser før vellestøping for å kjøle den til 0°C. Straks vellingen var kjølt ned til 0°C, ble den tatt ut fra fryseren og delt inn i tre satser. Al-legeringspulver (126 deler Al-legeringspulver til 300 deler velling) av tre ulike partikkelstørrelser (-72 itm, -0.18 mm + 72 itm, -0.18 mm + 0.15 mm;

h.h.v. -200 mesh, -80 + 200 mesh, -80 + 100 mesh; samme sammensetning som i

i eksempel 1) ble tilsatt for å skille satsene til å tjene som basismetall. Vellingene med Al-pulver ble blandet i 20 sekunder og vellestøpt i ei form av brent gips av ei foring for et eksosrør-utløp. Vellingen ble drenert i 40-70 sekunder. De vellestøpte preformae ble frigjort fra forma og tørket ved 80°C i 24 timer. Preformae ble satt inn i en ovn og temperaturen hevet til 1000°C i løpet av 12 timer. Temperaturen ble holdt ved 1000°C i 20 timer og deretter hevet til 1300°C i løpet av 6 timer. Etter å ha opprettholdt systemet ved 1300°C i 12 timer, ble temperaturen senket til romtemperatur i løpet av 20 timer. Tabell B gir et sammendrag av resultatene fra forsøket. Figur 4 viser et fotografi av foringene som ble laget.

Eksempel 4

Dette eksemplet viser at andelen av basismetall-legering i fylleren er viktig for dannelsen av det kompakte overflatesjiktet. To vellinger, en som inneholdt alumina (A-17, Alcoa) og en andre som inneholdt EPK kaolin (Feldspar Corp., Edgar, FL 32049) ble laget. Aluminavellingen ble laget ved å blande 245 deler A-17 i 60 deler vann. Alumina ble dispergert ved bruk av 7 dråper Darvan-7/300 g sats (R.T. Vanderbilt Co., Norwalk, CT). EPK-vellingen ble laget ved å blande 70 deler EPK med 30 deler vann. Denne vellingen brukte også Darvan-7 som dispergeringsmiddel (12 dråper/300 g sats). Vellingene ble blandet i omlag 2 timer ved høy skjærhastighet og deretter overført til et par ruller der de ble holdt under omrøring. Like før vellestøping ble et pulverformig basismetall i form av Al-legering (lik satsen med -0.18 mm +72 /xm (-80+200 mesh) i eksempel 1) blandet med vellingene, og vellingene ble umiddelbart støpt i former av brent gips og drenert etter 40 sekunder for å danne ei preform med tykkelse 3-4 mm. Andelen av Al-legeringspulver og brenne-temperaturene er vist i tabell C.

Det ble funnet at når andelen av basismetall legeringspulver var 29% (av den totale vekten av faste stoffer) i aluminavellingen, ble det ikke dannet noe kompakt overflatesjikt mens et jevnt kompakt overflatesjikt ble dannet når vellingen inneholdt 34% metallpulver med samme legering som ble brent på tilsvarende måte. Liknende fenomen ble observert med EPK-holdige vellinger. Når andelen av basismetall legeringspulver var 43.4% (av den totale vekten av faste stoffer) ble det ikke dannet noe overflatsjikt. Gjenstanden hadde et flekkete utseende. Mens når en vellestøpt gjenstand inneholdende 50% av det samme basismetall legeringspulver ble brent under identiske betingelser men i kortere tid (2 timer mot 1/3 time), ble det dannet et jevnt kompakt overflatesjikt.

Eksempel 5

Dette eksemplet viser at dannelsen av det kompakte overflatesjiktet også finner sted i pressede preformer, og at framgangsmåten for forming av preformae (f.eks. vellestøping som vist i de forutgående eksemplene i motsetning til pressing i dette eksemplet) ikke er kritisk med hensyn til utviklingen av det kompakte overflatesjiktet.

I dette tilfellet ble 66% A-17 alumina (Alcoa) blandet separat med aluminium basismetall legeringspulvere (samme legering som i eksempel 1) med to størrelsesområder: -72 tim og -0.18mm+72 /xm. Blandingen ble utført i en morter og støter i 30 minutter inntil det ble oppnådd en jevn blanding. Disse blandingene ble presset i ei stålsenke som var satt til framstilling av pellets med diameter 25 mm og lengde 13 mm med et pressetrykk på 690 bar uten bruk av noe bindemiddel. Gjenstandene ble deretter plassert på ei ildfast aluminaplate og brent. Brenningsforløpet besto i å heve temperaturen i gjenstandene til 1000°C i løpet av 12 timer, holde ved 1000°C, heve temperaturen til 1300°C i løpet av 6 timer, holde i 12 timer ved 1300°C, og kjøle til romtemperatur i løpet av 20 timer. Resultatene fra denne studien er gitt i tabell D.

Eksempel 6

Dette eksemplet viser at kompakte overflatesjikt dannes i tilfeller der et keramisk legeme inneholder mer enn en keramisk fase og er ytterligere ett eksempel på anvendelsen av reaktiv fyller i preforma.

I dette tilfellet ble ceriumzirkonat og litiumzirkonat (-72 fim, Electronic Space Products, International, Westlace, CA 91362) blandet separat i bestemte andeler (vist i tabell E) med basismetall i form av pulverformig aluminium-legering (samme legering som i eksempel 1). Blandingene ble grundig blandet i en agat-morter i en halv time. Deretter ble de presset til pellets med diameter 25 mm i ei mekanisk presse ved 690 bar uten bruk av smøremiddel. Brennesyklusen besto i å heve temperaturen i ovnen til 1000°C i løpet av 12 timer, holde temperaturen ved 1000°C i 24 timer, heve temperaturen fra 1000 til 1300°C i løpet av 6 timer, holde ved 1300°C i 12 timer, og kjøle fra 1300°C til romtemperatur i løpet av 20 timer. Resultatet av disse studiene er vist i tabell E.

Det ble funnet at et grått overflatesjikt av a-alumina med innhold av noe metall (se mikrofotografi figur 5) ble dannet både når blandingen inneholdt 34 og 50% Al-legeringspulver med to størrelsesområder og ceriumzirkonat ble brent. Det indre av gjenstandene var svært porøse og inneholdt ingen detekterbare (med røntgenstrålediffraksjon) mengder av verken aluminium eller silisium. Komposittgjenstandene som ble produsert ved bruk av ceriumzirkonat i preforma ble funnet å ha a-Al203, Ce 7SZr 2502 og tetragonalt zirkoniumoksid, mens de som ble laget ved bruk av Li2Zr03 i preforma ble funnet å ha 7-LiA102, monolittisk Zr02 og LiAl508 i sluttproduktet.

Eksempel 7

Dette eksemplet viser at dannelsen av det kompakte overflatesjiktet kan utvikles selektivt på komposittgjenstanden ved bruk av et barrieremateriale som hindrer uønsket vekst av overflatesjikt på utvalgte overflater av preforma under de eksperimentelle betingelsene.

I dette forsøket ble det laget to identiske preformer tiltenkt som foringer for et eksosutløp i en stempelmotor ved bruk av en framgangsmåte som angitt i eksempel 3. Begge utløpene inneholdt 34% -72 itm (-200 mesh) pulverformig Al-legering (samme legering som i eksempel 1). Ei av preformae var belagt med en slurry bestående av brent gips og 30% 0.051 mm silika, som virket som en barriere mot vekst av overflatesjiktet på grunn av Al-legeringens manglende evne til å fukte dette materialet. Belegget ble påført den indre overflata av preforma mens den ytre overflata ikke ble belagt. For den andre preforma ble ingen av overflatene belagt med ovennevnte barrieremateriale. Begge disse gjenstandene ble satt på ei ildfast plate av alumina og brent i luft. Brenningen besto i å heve temperaturen til 1000°C i løpet av 18 timer, holde temperaturen ved 1000°C i 20 timer, og kjøle ovnen tilbake til romtemperatur i løpet av 10 timer. Etter brenning ble det funnet at den første preforma ga en porøs gjenstand som hadde kompakt og jevnt overflatesjikt på den ytre overflata som ikke var belagt med barrieren, mens det ikke ble utviklet noe overflatesjikt på den indre overflata som var belagt med barrieren. Kontroll-preforma som ikke hadde noen barriere på noen av overflatene oppviste et kompakt og jevnt overflatesjikt på begge overflatene samt en porøs kjerne.

Eksempel 8

Dette eksemplet illustrerer at en eksosutløps-foring produsert med et kompakt overflatesjikt er sterkt nok til å overleve belastningene under støping av en aluminium-legering rundt denne, noe som kan være ettertraktet ved framstilling av en sylindertopp for en motor.

For å kunne lage en eksosutløps-foring med et kompakt overflatesjikt, ble 245 deler A-17 alumina blandet med 60 deler vann i en blander med høy skjærhastighet. Sju dråper Darvan-7 pr. 300 g sats ble gradvis tilsatt slurryen under omrøring. Slurryen ble blandet i 2 timer og deretter overført til et par ruller der den ble holdt under kontinuerlig omrøring. Før vellestøping ble vellingen overført til en fryser for å kjøle den ned til 0°C. Straks vellingen var avkjølt, ble den blandet med 135 deler

-0.18+0.15 mm Al-pulver (pr. -0.18mm+72 sats av legeringen fra eksempel 1)

i 20 sekunder. Vellingen ble støpt umiddelbart i ei form av brent gips og tørket i 40 sekunder. Prosessen ga ei preform med tykkelse 3.8 mm og en ytre diameter lik 39.2 mm. Preforma ble frigjort fra forma og tørket ved 80°C i 24 timer. Den tørkete preforma ble satt på ei ildfast aluminaplate og brent i luft. Brenneprosessen besto i å heve temperaturen i ovnen til 1000°C i løpet av 12 timer, holde ved 1000°C i 48 timer, varme fra 1000°C til 1300°C i 6 timer, holde ved 1300°C i 12 timer, og deretter kjøle ovnen fra 1300°C til romtemperatur i løpet av 20 timer.

Etter brenning ble den resulterende keramiske kompositt-foringen funnet å ha et kompakt overflatesjikt med tykkelse fra 0.2 til 0.3 mm, både på den innvendige og den utvendige overflata. Diameteren av eksosutløps-foringen hadde økt fra 39.2 til 39.9 mm, mens tykkelsen hadde økt fra 3.8 til 4.4 mm.

Denne keramiske kompositten ble deretter forvarmet til 400°C og satt i ei stålform. Smeltet Al-legering med nominelt samme sammensetning som i eksempel 1 ble deretter helt rundt utløps-foringen ved 700°C. Støpen fikk deretter anledning til å avkjøles og ble deretter frigjort fra forma. Figur 6 viser metallstøpen med eksosutløps-foringen på plass. Eksosutløps-foringen viste ingen tegn til sprekker eller deformasjon, noe som indikerte at foringen var sterk nok til å motstå belastningene under støpeprosessen.

Claims

1. Framgangsmåte for å tilvirke en selvbærende keramisk kompositt-gjenstand med en porøs kjerne dekket med et tett overflatesjikt dannet i ett med kjernen, karakterisert ved følgende trinn: a) tilvirkning av ei preform omfattende et fyllmateriale og et basismetall fordelt i fyllmaterialet, og hvor volumandelen av basismetall er tilstrekkelig til å danne et volum av oksidasjons-reaksjonsprodukt som overstiger det frie volumet som finnes i preforma, b) smelting av basismetallet i nærvær av en oksidant, slik at det dannes et oksidasj on s-reaksj on sprodukt, c) tilrettelegging av transport av det smeltete basismetallet gjennom oksidasjons-reaksjonsproduktet mot oksidanten slik at dannelsen av oksidasjons-reaksjonsprodukt fortsetter i preforma, for dermed vesentlig å fylle det frie volumet og samtidig danne hulrom i preforma, hvilket i det minste er delvis en omvendt etterligning av geometrien på basismetallet, d) fortsettelse av reaksjonen for å transportere ytterligere metall gjennom oksidasjonsreaksjonsproduktet mot oksidanten og for at det ved minst ei flate på preforma skal dannes reaksjonsprodukt stort sett fri for hulrom slik at det dannes et forholdsvis tett overflatesjikt.

2. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at oksidanten anvendes i det minste delvis i dampfase, f.eks. i form av luft, oksygen, nitrogen.

3. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at fyllmaterialet som anvendes er hovedsakelig ureaktivt under prosessbetingelsene.

4. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, hvor preforma omfatter et reaktivt fyllmateriale som omfatter en metallisk forbindelse som kan reduseres av det smeltete basismetallet i en oksidasjons-reduksjonsreaksjon, idet basismetallet foreligger i preforma i støkiometrisk overskudd i forhold til den metalliske forbindelsen, karakterisert ved at preforma oppvarmes til en reaksjonseffektiv temperatur for å utløse oksidasjons-reduksjonsreaksjonen og i fravær av vesentlig atmosfærisk oksidasjon på basismetallet på forhånd, slik at det dannes et oksidasjons-reaksjonsprodukt hovedsakelig gjennom hele preforma.

5. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at preforma som anvendes er generelt formbestemt med et porevolum på minst 5 %, fortrinnsvis i området 25 - 45 %.

6. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 4 eller 5, karakterisert ved at basismetallet velges i form av aluminium, silisium, titan, tinn, zirkonium eller hafnium og/eller fyllmaterialet velges i form av et oksid, nitrid eller karbid av aluminium, silisium, tinn, kobber, sink, jern, nikkel, krom, zirkonium, hafnium, kobolt og wolfram og blandinger av disse.

7. Framgangsmåte i samsvar med krav 4 eller 5, hvor basismetallet er aluminium og omfatter et dopemiddel, karakterisert ved at dopemidlet velges i form av magnesium, sink, silisium, germanium, tinn, bly, bor, natrium, litium, kalsium, fosfor, yttrium, et sjeldent jordmetall eller blandinger av disse.

8. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at den keramiske kompositt-gjenstanden framstilles med minst 5 volumprosent metalliske bestanddeler.

9. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-8, karakterisert ved at et barrieremateriale påføres en del av overflata av preforma, for å hindre eller redusere dannelsen av et tett overflatesjikt i dette området, fortrinnsvis slik at det ved aluminium som basismetall og luft som oksidant brukes som barriere kalsiumsulfat, kalsiumsilikat, portlandsement, brent gips, wollastonitt eller kombinasjoner av disse.

10. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-9, hvor basismetallet er aluminium, karakterisert ved at fyllmaterialet som anvendes omfatter kaolin, leire, aluminium-silikat, cordieritt, silisium eller mullitt, og/eller oksidanten som anvendes omfatter bor i fast form.