NO176185B - Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrse-kompositt.

Bakgrunn.

Komposittprodukter som omfatter en metallmatrise og en styrkende eller armerende fase slik som keramiske partikler, whiskers, fibre og tilsvarende, viser seg å ha store anvendelses-muligheter på grunn av at de kombinerer noe av stivheten og slitestyrken til den armerende fasen med duktiliteten og seigheten til metallmatrisen. Generelt vil en metallmatrise-kompositt framvise en forbedring i slike egenskaper som styrke, stivhet, kontakt slitestyrke, forhøyet temperatur styrkeretensjon i forhold til metallmatrise i monolittisk form, men graden av de forbedrete egenskapene avhenger i stor grad av de spesifikke bestanddeler, deres volum- eller vektfraksjon, og hvordan de er prosessert i tilvirkingen av kompositten. I noen tilfeller kan også kompositten i og for seg ha en lettere vekt enn metallmatrisen. Aluminium-matirse-kompositter som er armert med keramer, slik som silisiumkarbid i form av f.eks. partikler, plater eller whiskers, er av interesse på grunn av deres høyere stivhet, slitestyrke og styrke ved høyere temperatur i forhold til aluminium.

Ulike metallurgiske prosesser er blitt beskrevet for tilvirkingen av aluminiummatrise-kompositter, inkludert metoder basert på pulvermetallurgiske teknikker og veske-metall infiltreringsteknikker som gjør bruk av trykkstøping, røring og fuktemidler. Med pulvermetallurgiske teknikker blir metallet i form av et pulver og det armerende materiale i form av pulver, whiskers, knuste fibre osv. blandet sammen og deretter enten kaldpresset og sintret eller varmpresset. Den maksimale keramiske volumfraksjonen i silisiumkarbid armert aluminiummatrise-kompositter produsert ved denne framgangsmåten er blitt rapportert til omlag 25 vol% i tilfellet for whiskers, og omlag 40 vol% i tilfellet for partikler.

Produksjonen av metallmatrise-kompositter ved pulvermetallurgiske teknikker som anvender konvensjonelle prosesser pålegges visse begrensninger med hensyn til den oppnåelige karakteristikken av produktene. Volumfraksjonen av den keramiske fasen i kompositten er typisk begrenset, i tilfellet for partikler, til omlag 40%. Pressoperasjonen pålegger også en begrensning på den praktisk oppnåelige størrelse. Kun relativt enkle produktformer er mulig uten etterfølgende behandling ( f.eks. forming eller maskinering) eller uten å ty til komplekse prosesser. Ujevn krymping under sintring kan også skje så vel som ujevnheter i mikrostrukturen på grunn av segregering i kompaktene og kornvekst.

US patentskrift nr. 3.970.136, beskriver en prosess for tilvirking av en metallmatrise-kompositt ved inkorporering av en fibrøs armering, f.eks. silisiumkarbid eller aluminawhiskers, som har et forutbestemt mønster av fibrenes orientering. Komposittene er laget ved å plassere parallelle matter eller felter av koplanare fibre i en form med et reservoar av smeltet metallmatrise, f.eks. aluminium, mellom i det minste noen av mattene, og anvende trykk for å tvinge smeltet metall til å penetrere mattene og omgi de orienterte fibre. Smeltet metall kan helles over stabelen av matter mens den under trykk tvinges til å flyte mellom mattene. Andeler på opptil 50 vol% av armerende fibre i kompositten er blitt rapportert.

Sett i lys av den ovennevnte infiltreringsprosess' avhengighet av eksternt trykk for å tvinge den smeltete metallmatrise gjennom stabelen av fibrøse matter, forutsetter den ovennevnte infiltreringsprosess trykkinduserte flyteprosesser, dvs. mulig ujevnhet av matrisedannelse, porøsitet etc. Ikke-uniformitet av egenskaper er mulig, selv om smeltet metall kan introduseres i en mangfoldighet av posisjoner i fiberarr-angementet. Som en konsekvens må kompliserte arrangementer av matte/reservoar og flytveier legges til rette for å oppnå fullgod og jevn penetrering i stabelen av fibermatter. Den ovennevnte metoden med trykkinfiltrering tillater kun en forholdsvis lav armering av matrise på grunn av den iboende vanskelighet med infiltrering av et stort mattevolum. Videre kreves det at forma må inneholde det smeltete metall under trykk, som går på bekostning av prosessen. Til slutt er den ovennevnte prosessen, som er begrenset til infiltrering av retningsoirenterte partikler eller fibre, ikke rettet mot dannelse av aluminium-metallmatrise-kompositter armert med materialer i form av tilfeldig orienterte partikler, whiskers eller fibre.

I fabrikasjonen av alumirtiummatrise-aluminafylte kompositter vil ikke aluminium fukte alumina skikkelig, noe som gjør det vanskelig å forme et sammenhengende produkt. Ulike løsninger på dette problemet er blitt foreslått. En slik timærming kan være å belegge alumina med et metall (f.eks. nikkel eller wolfram), som deretter er varmpresset sammen med aluminium. I en annen teknikk er aluminium legert med litium, og alumina kan belegges med silika. Uansett framviser disse komposittene variasjoner i egenskaper, beleggene kan degradere fyUmaterialet, eller matrisen inneholder litium som kan påvirke matrisens egenskaper.

U. patentskrift 4.232.091, overvinner visse vanskeligheter i faget som man må regne med i produksjon av aluminiummatirse-alumina kompositter. Dette patentskriftet beskriver anvendelse av trykk på 75-375 kg/cm2 for å tvinge smeltet aluminium (eller smeltet aluminiumlegering) inn i en fiber- eller whiskersmatte av alumina som er blitt forvarmet til 700-1050°C. Det maksimale volumforhold mellom alumina og metall i den ferdige massive støp var 0.25:1. På grunn av avhengigheten av ekstern kraft for å oppnå infiltrering, er denne prosessen utsatt for de samme vanskeligheter som prosessen i det ovennevnte US patentskrift.

Europapatentsøknad nr. 115,742 beskriver produksjon av alurninium-alumina kompositter, spesielt anvendbare som elektrolytiske cellekomponenter, ved fylling av hulrommene av en preformet aluminamatrise med smeltet aluminium. Denne anvendelsen framhever ufuktbarheten av alumina med aluminium, og derfor er ulike teknikker anvendt for å fukte alumina gjennom preforma. F.eks. er alumina belagt med et fuktende middel av et diborid av titan, zirkonium, hafnium eller niobium, eller med et metall som f.eks. litium, magnesium, kalsium, titan, krom, jern, kobolt, nikkel, zirkonium eller hafnium. Inerte atmosfærer som f.eks. argon er anvendt for å lette fukting. Denne referansen viser også anvendelse av trykk for å penetrere smeltet aluminium i en ubelagt matrise. På denne sida oppnås infiltrering ved evakuering av porene for deretter å anvende trykk på det smeltete aluminium i en inert atmosfære, f.eks. argon. Alternativt kan preforma infiltreres ved avsetning av aluminium i dampfase for å fukte overflata forut for fylling av hulrommene ved infiltrering med smeltet aluminium. For å sikre retensjon av aluminium i hulrommene i preforma kreves det varmebehandling, f.eks. ved 1400-1800 °C, enten i vakuum eller i en argonatmosfære. På den annen side vil enten eksponering av det tryklrinfiltrerte materiale for gass, eller fjerning av det infiltrerende trykk, resultere i tap av aluminium fra legemet.

Anvendelsen av fuktemidler for å effektuere infiltrering av en aluminakomponent i en elektrolytisk celle med smeltet metall er også vist i EP-A-94353. Denne publikasjonen beskriver produksjon av aluminium ved elektrolytisk utvinning med en celle som har en katodisk strømforsyner som celleinnsats eller substrat. For å beskytte dette substratet fra smeltet kryolitt, er aluminasubstratet påført et tynt belegg med ei blanding av et fuktemiddel og løselighetsdemper forut for oppstart av cellen eller mens det er neddykket i det smeltete aluminium produsert ved den elektrolytiske prosessen. Tilhørende fuktemidler er titan, zirkonium, hafnium, silisium, magnesium, vanadium, krom, niob eller kalsium, der titan er utpekt som det foretrukkete middel. Forbindelser av bor, karbon og nitrogen er beskrevet som anvendbare i undertrykking av løseligheten av fuktemidlene i smeltet aluminium. I referansen er det imidlertid ikke foreslått produksjon av metallmatrise-kompositter, eller tilvirking av en slik kompositt i, f.eks., en nitrogenatmosfære.

I tillegg til anvendelse av trykk og fuktemidler, er det kommet fram at anvendelse av vakuum vil bistå penetreringen av smeltet aluminium i inn i et porøst keramisk kompakt. F.eks. US patentskrift 3.718.441 rapporterer infiltrering av et keramisk kompakt (f.eks. borkarbid, alumina og beryllia) med enten smeltet aluminium , beryllium, magnesium, titan, vanadium, nikkel eller krom under et vakuum på mindre enn IO"<6>torr. Et vakuum på IO"<2>til 10"<*>torr resulterte i dårlig fukting av keramikken med det smeltete metall i en slik grad at metallet ikke fløt fritt inn i de keramiske hulrommene. Det ble imidlertid hevdet at fukting ble forbedret når vakuumet ble redusert til mindre enn IO<45>torr.

US patentskrift 3.864.154 viser også bruken av vakuum for å oppnå infiltrering.

Dette patentskriftet beskriver tilsats av et kaldpresset kompakt av A1B12pulverkompakt på ei seng av kaldpresset aluminium-pulver. Ekstra aluminium ble deretter lokalisert på toppen av AlB^- kompaktet. Digelen, med kompaktet AlBj2"laminert" mellom lagene av aluminiumpulver, ble plassert i en vakuumovn. Ovnen ble evakuert til omlag 10"<5>torr for å tillate avgassing. Temperaturen ble deretter hevet til 1100°C og holdt ved like i en periode på 3 timer. Ved disse betingelsene penetrerte det smeltete aluminium det porøse AlB12-kompaktet.

US patentskrift 3.364.976 viser konseptet for dannelse av selvgenerert vakuum i et legeme for å forbedre penetrering av et smeltet metall inn i legemet. Mer spesifikt kommer det fram i dette patentskriftet at et legeme, f.eks. ei grafittform, ei stålform, eller et porøst ildfast materiale, er fullstendig neddykket i et smeltet metall. I tilfellet med ei form, kommuniserer formas hulrom, som er fylt med en gass som er reaktiv med metallet, med det omgivende smeltete metallet gjennom minst én åpning i forma. Når denne forma blir neddykket i smeiten, skjer fyllingen av hulrommet mens det selvgenererte vakuum er produsert fra reaksjonen mellom gassen i hulrommet og det smeltete metallet. Nærmere beskrevet er vakuumet et resultat av dannelsen av en fast oksidert form av metallet. På denne måten viser det sistnevnte patentskriftet at det essensielle er induksjon av reaksjonen mellom gassen i hulrommet og det smeltete metallet. Det kan imidlertid være uhensiktsmessig å anvende ei form til å danne vakuum, på grunn av de tilknyttete begrensninger ved bruken av ei form. Ei form må først maskineres til en spesiell figur; deretter finpusses, maskineres til å produsere ei akseptabel støpeoverflate i forma; deretter settes sammen før bruk; deretter demonteres etter bruk for å fjerne støpestykket; og deretter gjenvinne forma, som mest sannsynlig ville kreve gjentatt finpussing av overflata på forma eller avhending av forma hvis den ikke lenger er akseptabel til bruk. Maskinering av ei form til en kompleks figur kan være svært kostbart og tidkrevende. Dessuten kan fjerning av et formet stykke fra ei form med kompleks geometri være vanskelig (dvs. støpes tykker med en kompleks geometri kan gå i stykker når de tas ut av forma). Videre, mens det finnes et forslag om at porøst ildfast materiale kan neddykkes direkte i et smeltet metall uten bruk av ei form, måtte det ildfaste materialet være et udelt stykke fordi det finnes ingen anordning for infiltrering av et løst eller separert porøst materiale uten bruk av ei beholder-form (dvs. det er en generell oppfatning at det partikkelformige materiale typisk vil dissosiere eller flyte fra hverandre når det kommer i kontakt med flytende metall). Videre, hvis det var ønskelig å infiltrere et partikkelformig materiale eller løselig formet preform, burde det tas forholdsregler slik at det infiltrerende metallet ikke fortrenger i det minste deler av partiklene eller preforma med en inhomogen mikrostruktur som resultat.

I henhold til dette har det lenge vært et behov for en enkel og pålitelig prosess til produksjon av formet metallmatrise-kompositter som ikke avhenger av bruken av trykk eller vakuum (enten eksternt eller internt framskaffet), eller ødeleggende fuktemidler for å skape en metallmatrise som støper inn et annet materiale slik som et keramisk materiale. Dessuten har det lenge vært et ønske om å minimalisere mengden av avsluttende maskinerings-operasjoner som er påkrevet for å produsere et metallmatrise-komposittlegeme.

En ny en metode for tilvirking av et metallmatrise-komposittmateriale er vist i NO patentsøknad 882093 (publisert etter foreliggende prioritetsdato). 1 henhold til denne metoden er det produsert en metallmatrise-kompositt ved infiltrering av en permeabel masse av fyllmateriale (f.eks. en keramikk eller et keramisk belagt materiale) med smeltet aluminium som inneholder minst omlag 1 vekt% magnesium, og fortrinnsvis minst 3 vekt% magnesium. Infiltreringen skjer spontant uten bruk av eksternt trykk eller vakuum. En tilsats av den smeltete metallegering er brakt i kontakt med massen av fyllmateriale ved en temperatur på minst 675°C i nærvær av en gass som omfatter fra 10 vol% til 100 vol%, og fortrinnsvis ved minst 50 vol%, nitrogen, og en resterende del av gassen, hvis det er noen, som er en ikke-oksiderende gass, f.eks. argon. Under disse betingelsene infiltrerer den smeltete aluminiumlegeringen den keramiske massen under normale atmosfæriske trykk til å danne en aluminium-(eller aluminiumlegering) matrise-kompositt. Når den ønskete andel av fyllmaterialet er infiltrert med den smeltete aluminiumlegering, blir temperaturen senket for å størkne legeringen, for deretter danne en fast metallmatrise-struktur som omgir det armerende fyllmaterialet. Vanligvis, og fortrinnsvis, vil tilsatsen av smeltet legering være tilstrekkelig til å tillate infiltreringen å fortsette opp til grensene i massen av fyllmaterialet. Mengden fyllmateriale i aluminiummatrise-komposittene produsert i henhold til metoden i den sistnevnte søknaden kan være svært høy. I dette henseende kan volumetriske forhold mellom fyller og legering større enn 1:1 oppnås.

Under prosessbetingelsene i den ovennevnte søknaden kan aluminiumnitrid dannes som en kontinuerlig fase dispergert gjennom aluminiummatrisen. Mengden nitrid i aluminiummatrisen kan variere avhengig av slike faktorer som temperatur, sammensetning av legeringen, gass-sammensetningen og fyllmaterialet. Ved å kontrollere en eller flere slike faktorer i systemet er det på denne måten mulig å skreddersy visse egenskaper i kompositten. For noen anvendelser som sluttprodukt kan det imidlertid være ønskelig at kompositten inneholder lite eller praktisk talt intet aluminiumnitrid.

Det er blitt observert av høyere temperaturer favoriserer infiltrering men også framhever prosessen som leder til nitrid-dannelse. Den ovennevnte oppfinnelsen tillater et balanserende valg mellom infiltreringskinetikk og nitriddannelse.

Et eksempel på passende barrieremidler til bruk for dannelse av metallmatrise-kompositter er beskrevet i NO patentsøknad 890014 (publisert etter foreliggende prioritetsdato). I henhold til denne metoden er et barrieremiddel (f.eks. partikkelformig titan diborid eller et grafittmateriale slik som et fleksibelt grafitt-tape produkt solgt av Union Carbide under handelsnavnet Grafoil) anbrakt på ei definert overflategrense av et fyllmateriale, og matriselegering infiltrerer opp til grensa som er definert av barrieremidlet. Barrieremidlet er brukt for å forhindre, hemme eller terminere infiltrering av den smeltete legering og dermed sørge for ei ren, eller nær ren, overflate i den resulterende metallmatrise-kompositten. I henhold til dette har de dannete metallmatrise-komposittlegemer en ytre form som i hovedsak samsvarer med den indre formen av barrieremidlet.

I henhold til den forannevnte NO-A-882093 er en metallmatrise-legering tilstede som en første metallkilde og som et reservoar av metallmatrise-legering som kommuniserer med den første kilde av smeltet metall, forårsaket av f.eks. fallflyt. Nærmere beskrevet, under betingelsene beskrevet i denne patentsøknaden, begynner den første kilden av smeltet metallmatrise-legering å infiltrere massen med fyllmateriale under normale atmosfæriske trykk og virker på denne måten til dannelse av en metallmatrise-kompositt. Den første kilden av smeltet metallmatrise-legering er forbrukt i løpet av dens infiltrering inn i massen av fyllmaterialet og kan, om ønskelig, etterfylles, fortrinnsvis på en kontinuerlig måte, fra reservoaret av smeltet metallmatrise mens den spontane infiltreringen fortsetter. Når en ønsket andel av det permeable fyllmaterialet er blitt spontant infiltrert av den smeltete metallmatrise-legering, blir temperaturen senket for å størkne legeringen, som deretter former en størknet struktur av metallmatrise som omgir det armerende fyllmaterialet. Det burde være forstått at bruken av et reservoar med metall kun er én anvendelse av den foreliggende oppfinnelsen, og det er ikke nødvendig å kombinere reservoaranvendelsen med hver av de gjensidige anvendelser av oppfinnelsen åpenbart derunder, der noen av disse også kunne være fordelaktig å anvende i kombinasjon med den foreliggende oppfinnelsen.

Metallreservoaret kan være tilstede i en slik mengde at det sørger for at en tilstrekkelig mengde metall infiltrerer den permeable massen av fyllmateriale i en forutbestemt grad. Alternativt kan et valgfritt barrieremiddel bringes i kontakt med den permeable massen av fyllmateriale i det minste på éi side av denne for å definere ei overflategrense.

Dessuten, mens til satsen av smeltet legeringsmatrise i det minste burde være tilstrekkelig til å tillate spontan infiltrering å fortsette i hovedsak til grensene (f.eks. barrierene) i den permeable massen av fyllmaterialet, kan mengden av legeringen tilstede i reservoaret overstige slike mengder at det ikke bare vil være tilstrekkelig mengde for fullstendig infiltrering, men også et overskudd av smeltet metallmatrise-legering som kan festes til metallmatrise-komposittlegemet. På denne måten, når smeltet legering er tilstede i overskudd, vil det resulterende legemet utgjøre et komplekst komposittlegeme (f.eks. en makrokompositt), deri et infiltrert keramisk legeme med metallmatrise vil være direkte bundet til overskytende metall som er gjenværende i reservoaret.

En framgangsmåte for reproduksjon av en invers form ved tilvirking av en keramisk komposittartikkel er beskrevet i NO patentsøknad 870312.1 henhold til denne patentsøknaden er et formet modermetall omgitt i ei seng av formbart fyllmateriale, og det formete modermetallet er indusert til å danne et oksidasjons-reaksjonsprodukt som vokser inn i senga av formbart fyllmateriale, for deretter å resultere i et keramisk komposittlegeme med et formet hulrom som i hovedsak samsvarer med geometrien til det opprinnelige formete modermetall.

Formål.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt som overvinner vanskene med kjent teknikk.

Oppfinnelsen.

Dette formål oppnås med en framgangsmåte ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen etableres en spontan infiltrerende mekanisme for infiltrering av en permeabel masse av et fyllmateriale (f.eks. et keramisk materiale), som kan formes til ei preform, med smeltet metallmatrise (f.eks. aluminium) i nærvær av en infiltrerende atmosfære (f.eks. nitrogen) under normale atmosfæriske trykk så lenge et infiltreringsmiddel er tilstede i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen.

En metallmatrise-kompositt framstilles ved spontan infiltrering av en permeabel masse med fyllmateriale med en smeltet metallmatrise. Nærmere beskrevet omfatter fyllmaterialet et fortrinnsvis formbart materiale som i det minste delvis omgir, initielt, en formet barre med metallmatrise. På ett eller annet tidspunkt i prosessen kan fyllmaterialet bli selvbærende. Spesielt kan den permeable massen av fyllmateriale bli selvbærende ved at den utsettes for, f.eks., forhøyete temperaturer, og/eller et bindende middel, og/eller en reaktant etc. Det er dessuten foretrukket at det permeable fyllmaterialet har tilstrekkelig formbarhet over et spesielt varmeområde slik at det kan tillempe differensiell termisk ekspansjon mellom materialet selv og den formete metallmatrise inkludert enhver volumendring ved smeltepunktet for den formete metallmatrise.

Dessuten, i en foretrukket anvendelse, i det minste i et støtteområde som omgir den formete metallmatrise, kan fyllmaterialet være hovedsakelig selvbærende, fortrinnsvis ved en temperatur som er høyere enn smeltepunktet for den formete metallmatrise, men lavere enn og fortrinnsvis noe nærmere temperaturen der metallmatrisen blir gjort flytende.

Dessuten, i en videre foretrukket anvendelse blir fyllmaterialet selvbærende på grunn av en reaksjon med en komponent (f.eks. en infiltrerende atmosfære) som, i det minste på ett tidspunkt i løpet av den spontane prosessen, blir eksponert for fyllmaterialet.

Et infiltreringsmiddel og/eller en forløper til dette og/eller en infiltrerende atmosfære kommuniserer også med fyllmaterialet, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater at smeltet metallmatrise spontant infiltrerer fyllmaterialet.

Straks en ønsket mengde av spontan infiltrering av smeltet metallmatrise inn i fyllmaterialet er oppnådd, er et hulrom, som i det minste delvis samsvarer med geometrien til den formete barre med metallmatrise, dannet i det spontant infiltrerte fyllmaterialet (dvs., metallmatrise-komposittlegemet som er dannet inneholder et hulrom).

I én foretrukket anvendelse kan fyllmaterialet inkludere en forløper til et mfiltreringsmiddel. Fyllmaterialet kan deretter bringes i kontakt med en infiltrerende atmosfære til å danne infiltreringsmidlet i det minste i en del av fyllmaterialet. Et slikt infUtreringsmiddel kan dannes forut for eller vesentlig like ved tidspunktet for at den smeltete metallmatrise kommer i kontakt med fyllmaterialet. Dessuten kan en infiltrerende atmosfære tilføres under hovedsakelig alle spontane infiltrerings-prosesser og på denne måten kommunisere med et fyllmateriale eller alternativt kommunisere med fyllmaterialet og/eller metallmatrisen i kun en del av den spontane infiltreringsprosessen. Som et minstekrav er det ønskelig, i det minste under den spontane infiltreringen, at infiltreringsmidlet er lokalisert i minst en del av fyllmaterialet.

I stedet for å tilsette en forløper til et infUtreringsmiddel kan det i en foretrukket utførelse tilsettes et infUtreringsmiddel direkte til minst en av fyllmaterialet og/eller metallmatrisen, og/eller infiltrerende atmosfære Igjen, som et minstekrav, i det minste under den spontane infiltreringen, bør infiltreringsmidlet være lokalisert i minst en del av fyllmaterialet.

Det bemerkes at denne søknaden primært diskuterer aluminium-metallmatrise som, på et tidspunkt under dannelsen av metallmatrise-komposittlegemet, bringes i kontakt med magnesium, som fungerer som forløperen til infiltreringsmidlet, i nærvær av nitrogen, som fungerer som den infiltrerende atmosfære. På denne måten oppviser systemet metaUmaMse/mfUtiermgsmiddel-forløper/mfiltrerende atmosfære som omfatter henholdsvis aluminium/magnesium/nitrogen spontan infiltrering. Andre systemer av metaUmatirse/mfUttermgsrniddel-forlør^r/mfiltrerende atmosfære kan imidlertid også vise en tilsvarende oppførsel som systemet aluminium/- magnesium/nitrogen. For eksempel er det observert liknende oppførsel med spontan infiltrering for systemet aluminium/strontium/nitrogen; alurninium/sink/oksygen; og systemet aluminium/kalsium/nitrogen. I henhold til dette, selv om systemet aluminium/magnesium/nitrogen er det systemet som er diskutert primært, bør det være oppfattet av andre systemer av metaUmatrise/inifltreringsmiddel- forløper/inifltrerende atmosfære kan framvise liknende oppførsel og må betraktes som omfattet av oppfinnelsen.

Når metallmatrisen omfatter en aluminiumlegering, er aluminiumlegeringen brakt i kontakt med et fyllmateriale (f.eks., alumina- eller silisiumkarbid-partikler), der nevnte fyllmateriale er blandet sammen med dette, og/eller på ett eller annet tidspunkt under prosessen blir eksponert for magnesium. I en foretrukket anvendelse er dessuten aluminiumlegeringen og/eller preforma eller fyllmaterialet plassert i en nitrogenatmosfære i det minste under en del av prosessen. Preforma vil bli spontant infiltrert og graden eller hastigheten av spontan infiltrering og dannelse av metallmatrise vil variere ved et gitt sett prosessbeitngelser inkludert, for eksempel, konsentrasjonen av magnesium tilsatt systemet (f.eks., i aluminiumlegeringen og/eller i fyllmaterialet og/eller i den infiltrerende atmosfære), størrelsen og/eller sammensetningen av partiklene i fyllmaterialet, konsentrasjonen av nitrogen i den infiltrerende atmosfære, tid gitt for infiltrering og/eller temperaturen der infiltreringen skjer. Spontan infiltrering skjer typisk i en grad som er tilstrekkelig til å i hovedsak fullstendig omgi fyllmaterialet.

Definisjoner.

" Aluminium" betyr og inkluderer i hovedsak rent metall (f.eks., en relativt ren, kommersielt tilgjengelig ulegert aluminium) eller andre kvaliteter av metall og metall-legeringer slik som de kommersielt tilgjengelige metaller som har urenheter og/eller legerende bestanddeler slik som jern, silisium, kobber, magnesium, mangan, krom, sink osv. En aluminiumlegering til bruk innenfor denne definisjonen er en legering eller intermetallisk forbindelse der aluminium er den dominerende bestanddel.

Med " Balanserende/ resterende ikke- oksiderende gass" menes at enhver gass som er tilstede i tillegg til den primære gassen som omfatter den infiltrerende atmosfære, enten er en inertgass eller en reduserende gass som i hovedsak ikke er reaktiv med den smeltete metallmatrise under prosessbeitngelsene. Enhver oksiderende gass som måtte være tilstede som en urenhet i gassen(e) bør være utilstrekkelig til å oksidere metallmatrisen i en merkbar grad under prosessbetingelsene.

Med " barriere" eller " barrieremidler" menes enhver passende barriere som forstyrrer, forhindrer eller terminerer migrasjonen, bevegelsen, eller tilsvarende, av smeltet metallmatrise forbi ei overflategrense av en permeabel masse av fyllmateriale eller preform, der ei slik overflategrense er definert av nevnte barrieremidler. Passende barrieremidler kan være ethvert slikt materiale, forbindelse, element, sammensetning eller tilsvarende, som, under prosessbetingelsene, opprettholder en viss helhet og som ikke er betydelig flyktig (dvs. at barrierematerialet ikke fordamper i en slik grad at det må regnes som ubrukbart som barrieremiddel).

Passende "barrieremidler" inkluderer videre materialer som i hovedsak ikke er fuktbare av den migrerende smeltete metallmatrise under de anvendte prosessbetingelsene. Et barrieremiddel av denne typen viser seg å representere liten eller ingen affinitet overfor den smeltete metallmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrensa i massen av fyllmaterialet eller preforma blir forhindret eller hemmet av barrieremidlet. Barrieren reduserer enhver sluttmaskinering eller pussing som måtte være påkrevet og definerer i det minste en del av overflata til det resulterende metallmatrise-komposittproduktet. Barrieren kan i visse tilfeller være permeabel eller porøs, eller gjort permeabel av, f.eks., drillete hull eller punkteringer i barrieren, for å tillate gass å komme i kontakt med den smeltete metallmatrise.

" Ramme" eller " ramme av metallmatrise" representerer ethvert originalt legeme av gjenværende metallmatrise som ikke er forbrukt under dannelsen av metallmatrise-komposittlegemet, og typisk, hvis det får anledning til å kjølne, forblir i det minste i delvis kontakt med metallmatrise-komposittlegemet som er blitt dannet. Det bør være oppfattet at ramma også kan inkludere et andre eller fremmed metall.

" Hulrom" representerer ethvert tomrom i en masse eller legeme (f.eks. en metallmatrise-kompositt) og er ikke begrenset til noen spesifikk konfigurasjon av geometri og inkluderer både lukkete og åpne rom. Nærmere beskrevet kan et hulrom inkludere de hulrom som er fullstendig lukket fra kommunikasjon med en utvendig del av massen eller legemet som omgir hulrommet, slik som et hulrom som definerer interiøret av et hult legeme. Et hulrom kan dessuten inkludere de rom som er åpne til ei ekstern overflate av en masse eller et legeme ved, for eksempel, en passasje eller åpning.

" Fyller" har til hensikt å inkludere enten enkle bestanddeler eller blandinger av bestanddeler som i hovedsak er ureaktiv med og/eller av begrenset løselighet i metallmatrisen og kan være en eller flere faser. Fyllere kan frambringes i et stort utvalg av former, slik som pulvere, flak, plater, mikrosfærer, whiskers, bobler osv., og kan enten være kompakte eller porøse. "Fyllere" kan også inkludere keramiske fyllere, slik som alumina eller silisiumkarbid i form av fibre, knuste fibre, partikler, whiskers, bobler, sfærer, fibermatter eller tilsvarende, og belagte fyllere slik som karbonfibre belagt med alumina eller silisiumkarbid for å beskytte karbonet mot angrep, f.eks., fra smeltet aluminium-metallmatrise. Fyllere kan også inkludere metaller i enhver ønsket konfigurasjon.

Med " infiltrerende atmosfære" menes en atmosfære som samhandler med metallmatrise og/eller preform (eller fyllmateriale) og/eller infiltreringsmiddel eller en forløper til infiltreringsmiddel, og som besørger eller fremmer spontan infiltrering med metallmatrise.

Med " infiltreirngsmiddel" menes et materiale som påvirker eller tar del i den spontane infiltrering av en metallmatrise inn i et fyllstoff eller preform. Et infiltreringsmiddel kan dannes fra, f.eks., en reaksjon av en forløper til et infiltreringsmiddel med en infiltrerende atmosfære til å danne (1) et gassformig medium og/eller (2) et reaksjonsprodukt av forløperen til infiltreringsmidlet og den infiltrerende atmosfære og/eller (3) et reaksjonsprodukt fra forløperen til infiltreringsmidlet og fyllstoffet eller preforma. Dessuten kan infiltreirngsmidlet suppleres direkte til i det minste én av flg.: preforma, og/eller metallmatrisen, og/eller infiltrerende atmosfære og i hovedsak fungere på en tilsvarende måte som et infiltreirngsmiddel som er blitt dannet fra en reaksjon mellom en forløper til et infiltreringsmiddel og andre medier. Som et krav bør infiltreringsmidlet, i det minste i løpet av den spontane infiltrering, være plassert i det minste i deler av fyllstoffet eller preforma for å oppnå spontan infiltrering.

Med " forløper til infiltreringsmiddel" menes et materiale som, når brukt i kombinasjon med metallmatrisen, preforma og/eller den infiltrerende atmosfære, danner et infiltreringsmiddel som induserer eller assisterer metallmatrisen til spontant å infiltrere fyllstoffet eller preforma. Uten ønske om å være bundet til noen spesiell teori eller forklaring, ser det ut som at det kan være nødvendig for forløperen til infiltreringsmidlet å være i stand til å bli posisjonert, lokalisert eller transporterbart til en posisjon som tillater forløperen til infiltreringsmidlet å samvirke med den infiltrerende atmosfære og/eller preform eller fyllstoff og/eller metallmatrise. F.eks., i noen systemer av metallmatrise/forløper til infiltreringsmiddel/infiltrerende atmosfære, er det ønskelig at forløperen til infiltreringsmidlet fordamper ved, nær, eller i noen tilfeller, selv noe over temperaturen der metallmatrisen blir flytende. Slik fordamping kan lede til: (1) en reaksjon mellom forløperen til infiltreringsmidlet med den infiltrerende atmosfære til å danne et gassformig medium som forbedrer fukting av fyllmaterialet eller preforma med metallmatrisen; og/eller (2) en reaksjon mellom forløperen til infiltreringsmidlet med den infiltrerende atmosfære til å danne et fast, flytende eller gassformig infiltreringsmiddel i det minste i deler av fyllmaterialet eller preforma som forbedrer fukting; og/eller (3) en reaksjon mellom forløperen til infiltreringsmidlet innen fyllmaterialet eller preforma som danner et fast, flytende eller gassformig infiltreringsmiddel i det minste i deler av fyllmaterialet eller preforma som forbedrer fukting.

" Metallmatrise" eller " metallmatrise- legering" er å forstå som et metall som blir benyttet til å danne en metallmatrise-kompositt (f.eks. før infiltrering) og/eller at metall som er blandet med et fyllstoff til å danne et metallmatrise-komposittlegeme (f.eks. etter infiltrering). Når et spesifikt metall er nevnt som metallmatrisen er det å forstå som en metallmatrise som inkluderer et metall som i hovedsak er et rent metall, et kommersielt tilgjengelig metall med urenheter og/eller legerende komponenter, en intermetallisk forbindelse eller en legering der metallet er den dominerende bestanddel.

" System av metallmatrise/ forløper til infiltreringsmiddel/ infiltrerende atmosfære" eller " spontant system" refererer til den kombinasjon av materialer som framviser spontan infiltrering inn i ei preform eller fyllstoff. Det bør være forstått at når en "/" opptrer mellom en eksemplifiserende metallmatrise, forløper til infiltreringsmiddel og infiltrerende atmosfære er "/" anvendt for å betegne et system eller kombinasjon av materialer som, når kombinert på en spesiell måte, framviser spontan infiltrering inn i ei preform eller et fyllmateriale.

Med " metallmatrise- kompositt" eller " MMC" menes her et materiale som består av to- eller tredimensjonalt forbundet legering eller metallmatrise som har omgitt ei preform eller fyllmateriale. Metallmatrisen kan inkludere ulike legerende elementer for å framskaffe spesifikke ønskete mekaniske eller fysikalske egenskaper i den endelige kompositten.

Med et metall " forskjellig'' fra metallmatrisen menes et metall som ikke inneholder det samme metall, som den primære bestanddel, som i metallmatrisen (f.eks. hvis den primære bestanddel i metallmatrisen er aluminium, kan det "forskjellige" metall ha f.eks. nikkel som den dominerende komponent).

" Ureaktiv beholder for metallmatrise" menes enhver beholder som kan huse et fyllmateriale og/eller smeltet metallmatrise under prosessbetingelsene og som ikke reagerer med matrisen og/eller den infiltrerende atmosfære og/eller forløperen til infiltreringsmidlet og/eller et fyllmateriale eller preform på en måte som ville være ødeleggende for den spontane infiltreringsmekanisme av betydning.

" Preform" eller " permeabel preform" representerer en porøs masse av fyllstoff som er laget i det minste med éi overflategrense, som i hovedsak definerer ei grense for den infiltrerende metallmatrise, og med en masse som beholder en tilstrekkelig helhet i forma og god styrke til å sikre geometrisk nøyaktighet forut for infiltreringen av metallmatrise. Massen bør være tilstrekkelig porøs for å tillate spontan infiltrering av metallmatrisen inn i denne. Ei preform omfatter typisk en bundet konstruksjon eller arrangement av fyllmateriale, enten homogent eller heterogent, og kan omfatte ethvert passende materiale (f.eks. keramiske og/eller metalliske partikler, pulvere, fibre, whiskers, etc., og enhver kombinasjon av disse). Ei preform kan eksistere enten enkeltstående eller i form av en sammenstilling.

" Reservoar" representerer et separat legeme av metallmatrise som er lokalisert i forhold til en masse av fyllmateriale eller ei preform slik at, når metallet er smeltet, vil det flyte for å etterfylle, eller i noen tilfeller for initielt å forsyne for deretter å etterfylle, den del, segment eller kilde av metallmatrise som er i kontakt med fyllmaterialet eller preforma. Reservoaret kan også anvendes for å forsyne et metall som er forskjellig fra metallmatrisen

" Formet metallmatrise" eller " barre med formet metallmatrise" representerer her en metallmatrise som er blitt formet til et forutbestemt mønster som, under prosessbeitngelsene i den foreliggende oppfinnelsen, spontant vil infiltrere et

omgivende fyllmateriale, for deretter å danne en metallmatrise-kompositt som minst delvis gjenskaper den inverse formen til den formete metallmatrise.

Med " spontan infiltrering" menes infiltreringen av en metallmatrise inn i den permeable massen av fyllmateriale eller preform som skjer uten behov for anvendelse av trykk eller vakuum (enten eksternt påsatt eller internt dannet).

I figurene er det brukt like tallhenvisninger når mulig i hver av figurene for å betegne like komponenter der: Figur 1 er et skjematisk tverrsnitt av en sammenstilling av materialer som er brukt i henhold til eksempel 1. Figur 2 er et skjematisk tverrsnitt av en sammenstilling av materialer som ble brukt i henhold til eksempel 2. Figur 3a og 3b er fotografier av metallmatrise-komposittene som ble produsert i henhold til eksempel 1. Figur 4a og 4b er fotografier av metallmatrise-komposittene som ble produsert i henhold til eksempel 2.

Den foreliggende oppfinnelsen angår tilvirking av en metallmatrise-kompositt med et hulrom som er blitt laget ved å gjenskape geometrien til en barre metallmatrise. Nærmere beskrevet, en barre metallmatrise kan formes til en forutbestemt geometri og omgis, i det minste delvis, av et fyllmateriale.

Fylleren kan helt eller delvis omgi den formete barre med metallmatrise, eller en del av den formete barren kan forlenges til utsiden av fylleren. En slik utstikkende del av den formete barren vil imidlertid ikke kopieres. Videre, et barrieremiddel, diskutert i nærmere detalj senere, kan anvendes til å skape en ikke-kopierende overflatedel når nevnte barrieremidler er i kontakt med i det minste en del av overflata til den nevnte formete barre med metallmatrise. I henhold til dette tillater den foreliggende oppfinnelsen dannelsen av en metallmatrise-kompositt som inverst kopierer en formet barre av metallmatrise til enhver ønsket grad.

For å oppnå spontan infiltrering kommuniserer et infiltreringsmiddel og/eller en forløper til dette og/eller en infiltrerende atmosfære med fyllmaterialet, i det minste på ett eller annet tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater metallmatrisen, når den er gjort smeltet, å spontant infiltrere fyllmaterialet. Etter at slik spontan infiltrering er oppnådd er det dannet et hulrom i metallmatrise-komposittlegemet, der hulrommet er i det minste delvis komplementær med geometrien til den formete barre med metallmatrise.

For å effektuere spontan infiltrering av metallmatrisen inn i fyllmaterialet eller preforma må det tilføres et infiltreringsmiddel til det spontane systemet. Et infiltreringsmiddel kan dannes fra en forløper til et infiltreringsmiddel som kan anbringes (1) i metallmatrisen og/eller (2) i fyllmaterialet og/eller (3) fra den infiltrerende atmosfære og/eller (4) fra en ekstern kilde inn i det spontane systemet. Dessuten, istedet for å tilsette en forløper til et infUtreringsmiddel kan det tilsettes et infUtreringsmiddel direkte til minst én av fyllmaterialet eUer preforma og/eUer metallmatrisen og/eUer den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav, i det minste under den spontane infiltreringen, bør infiltreirngsmidlet være lokalisert i minst en del av fyUmaterialet eller preforma.

I en foretrukket anvendelse er det mulig at forløperen til infiltreringsmidlet kan i det minste delvis reageres med den infiltrerende atmosfære slik at infiltreringsmidlet kan dannes i minst en del av fyUmaterialet forut for eUer praktisk talt simultant med at fyUmaterialet kontaktes med smeltet metallmatrise (f.eks., hvis magnesium var forløperen til infiltreirngsmidlet og nitrogen var den infiltrerende atmosfære, kunne infiltreringsmidlet være magnesiumnitrid som kunne være lokalisert i minst en del av fyUmaterialet).

Et eksempel på et system med metallmatrise/ infiltreringsmiddel-forløper/ infiltrerende atmosfære er systemet aluminium/magnesium/nitrogen. Mer spesifikt, en formet barre med aluminium-metaUmatrise kan omgis av et fyUmateriale som kan huses i en passende Udfast beholder som, under prosessbetingelsene, ikke reagerer med aluminium-metaUmatrise og/eller fyUmaterialet når aluminium blir smeltet. Et fyUmateriale som inneholder eUer blir eksponert for magnesium, og som blir eksponert for, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, en nitrogenatmosfære, kan bringes i kontakt med den smeltete aluminium-metaUmatrise. Metallmatrisen vil deretter spontant infiltrere fyUmaterialet.

Under betingelsene som anvendes i framgangsmåten ifølge den foreUggende oppfinnelsen, i tilfeUet med det spontane ^filtreringssystem som omfatter alurninium/magnesium/nitrogen, bør fyllmaterialet være tilstrekkelig permeabelt til å tillate den nitrogenholdige gassen å penetrere eller gjennomtrenge fyllmaterialet på ett tidspunkt i løpet av prosessen og/eller kontakte den smeltete metallmatrise. Dessuten kan det permeable fyllmaterialet tillempe infiltrering av den smeltete metallmatrise, for deretter å forårsake at det nitrogenmettete fyllmaterialet spontant infiltreres med smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme og/eller forårsake nitrogen til å reagere med en forløper til et infiltreringsmiddel til å danne et infiltreringsmiddel i fyllmaterialet, og deretter resultere i spontan infiltrering. Graden eller hastigheten av spontan infiltrering og dannelsen av metallmatrise-kompositten vil variere med et gitt sett av prosessbeitngelser, inkludert magnesiuminnholdet i aluminiumlegeringen, magnesiuminnholdet i fyllmaterialet, mengde magnesiumnitrid i fyllmaterialet, nærværet av ekstra legerende elementer (f.eks. silisium, jern, kobber, mangan, krom, sink og tilsvarende), gjennomsnittlig størrelse på fyllmaterialet (f.eks. partikkeldiameteren), overflatas tilstand og type fyllmateriale, nitrogenkonsentrasjonen i den infiltrerende atmosfære, tid for infiltrering og temperaturen der infiltrering skjer. For eksempel, for at infiltrering av smeltet alurninium-metallmatrise skal skje spontant kan aluminium legeres med minst omlag 1 vekt%, og fortrinnsvis minst omlag 3 vekt%, magnesium (som virker som forløperen til infiltreringsmidlet), basert på legeringens vekt. Hjelpende legerings-elementer, som diskutert ovenfor, kan også inkluderes i metallmatrisen for å skreddersy spesifikke egenskaper i denne. I tillegg kan hjelpende legeringselementer påvirke den minimale mengde magnesium som er påkrevet i alurninium-metallmatrisen for å resultere i spontan infiltrering av fyllmaterialet. Tap av magnesium fra det spontane systemet, forårsaket av f.eks. fordamping, bør ikke skje i en slik grad at det ikke vil være noe magnesium tilstede til å danne infiltreringsmiddel. På denne måten er det ønskelig å anvende en tilstrekkelig initiell mengde legerende elementer for å sikre at spontan infiltrering ikke vil påvirkes i negativ retning på grunn av fordamping. Videre kan nærværet av magnesium i både fyllmaterialet og metallmatrisen eller fyllmaterialet alene resultere i en reduksjon i mengden magnesium som er påkrevet for å oppnå spontan infiltrering (diskutert i nærmere detalj senere).

Volumprosenten av nitrogen i nitrogenatmosfæren påvirker også dannelseshastigheten av metallmatrise-komposittlegemet. Nærmere beskrevet, hvis mindre enn 10 vol% nitrogen er tilstede i den infiltrerende atmosfære vil sein eller svært lite spontan infiltrering skje. Det er blitt oppdaget at den foretrukkete andel av nitrogen i den infiltrerende atmosfære er omlag 50 vol%, noe som resulterer i f.eks. kortere infiltreringstid på grunn av en mye raskere hastighet av infiltrering. Den infiltrerende atmosfære (f.eks. en nitrogenholdig gass) kan tilsettes direkte til fyllmaterialet eller preforma og/eller metallmatrisen, eller den kan produseres eller resultere fra en dekomponering av et materiale.

Den minimale mengde magnesium som er påkrevet for at smeltet aluminium-metaUmatrise skal infiltrere et fyllmateriale eller preform, er avhengig av en eller flere variable slik som prosesstemperaturen, tiden, nærværet av hjelpende legerings-elementer slik som sink, egenskapene til fyllmaterialet, lokaliseringen av magnesium i en eller flere komponenter i det spontane systemet, nitrogeninnholdet i atmosfæren og tilførsels-hastigheten av nitrogenatmosfæren. Lavere temperaturer eller kortere varmeperioder kan brukes for å oppnå fullstendig infiltrering mens magnesiuminnholdet i legeringen og/eller fyllmaterialet økes. For et gitt magnesiuminnhold kan også tilsatsen av visse hjelpende legeringselementer slik som sink tillate bruken av lavere temperaturer, For eksempel kan det anvendes et magnesiuminnhold i metallmatrisen i den lavere ende av det operative område, f.eks. fra 1 til 3 vekt%, i forbindelse med minst en av følgende: en prosesstemperatur over den minimale, en høy nitrogenkonsentrasjon eller én eller flere hjelpende legeringselementer. Når fyllmaterialet ikke blir tilsatt noe magnesium er legeringer med 3 til 5 vekt% magnesium foretrukket på basis av deres generelle nytte over et vidt spekter av prosessbetingelser, der minst 5 vekt% er foretrukket når det anvendes lavere temperaturer og kortere tid. Magnesiuminnhold på mere enn 10 vekt% i aluminiumlegeringen kan anvendes for å moderere temperaturbetingelsene som kreves for mfiltrering. Magnesiuminnholdet kan reduseres når det er brukt i forbindelse med et hjelpende legeringselement, men disse elementene har kun en hjelpende funksjon og er brukt sammen med minst den minimale mengde magnesium som er spesifisert ovenfor. For eksempel var det praktisk talt ingen infiltrering av nominelt ren aluminium som kun var legert med 10% silisium ved 1000°C inn i et underlag av 39 Crystolon (99% rent silisiumkarbid fra Norton Co.) med siktestørrelse på ca. 30/xm (500 mesh). I nærvær av magnesium kan imidlertid silisium framskynde infUtreringsprosessen. Som et videre eksempel varierer mengden magnesium hvis det blir tilsatt utelukkende til fyllmaterialet. Det er blitt oppdaget at spontan infiltrering skjer med en mindre vektprosent av magnesium tilsatt til det spontane system når minst noe av den totale mengden av magnesium tilsatt blir lokalisert i fyllmaterialet. Det kan være ønskelig å bruke en mindre mengde magnesium for å forhindre dannelsen av uønskete intermetalliske forbindelser i metallmatrise-komposittlegemet. I tilfellet med ei silisiumkarbid-preform er det oppdaget av når preforma bringes i kontakt med en aluminium-metallmatrise, der preforma inneholder minst 1 vekt% magnesium og er i nærvær av en praktisk talt ren nitrogenatmosfære, infiltrerer metallmatrisen preforma spontant. I tilfellet med i aluminapreform er mengden magnesium, som er påkrevet for å oppnå akseptabel spontan infiltrering, noe høyere. Nærmere beskrevet er det funnet at når ei aluminapreform bringes i kontakt med et liknende aluminium-metaUmatrise ved omlag samme temperatur som der aluminium infiltrerte sUisiumkarbid-preforma, i nærvær av den samme nitrogenatmosfæren, kan minst 3 vekt% magnesium være påkrevet for å oppnå liknende spontan infiltrering som oppnådd for sUisiumkarbid-preforma diskutert umiddelbart ovenfor.

Det er også lagt merke til at det, til det spontane systemet, er mulig å tilsette forløper til infUtreringsmiddel og/eUer infUtreringsmiddel på ei overflate av legeringen og/eUer på ei overflate av fyllmaterialet og/eUer innen fyllmaterialet forut for infiltrering av metallmatrisen inn i fyUmaterialet (dvs det behøver ikke være nødvendig å legere det supplerte infiltreringsmiddel eUer forløperen til dette med metallmatrisen, men heller tilsette det til det spontane system). Hvis magnesium ble anbrakt på ei overflate av metallmatrisen, kan det være å foretrekke at nevnte overflate burde være overflata som er nærmest, eUer fortrinnsvis i kontakt med, den permeable massen av fyUmateriale eUer vice versa; eUers kunne slik magnesium blandes inn i det minste en del av fyUmaterialet. Videre er det mulig at en viss kombinasjon av overflate-anvendelse, legering og plassering av magnesium inn i det minste en del av fyUmaterialet kan anvendes. En slik kombinasjon av anvendelse av infiltreringsmiddel(er) og/eUer forløper(e) til dette kan resultere i en reduksjon i den totale vektprosent magnesium som er påkrevet for å påskynde infiltreringen av aluminium-metallmatrise inn i fyllmaterialet, såvel som oppnåelsen av lavere temperatur hvorved infiltrasjon kan skje. Dessuten kan også mengden uønskete intermetalliske komponenter, som er dannet på grunn av nærvær av magnesium, minimaliseres.

Anvendelsen av ett eller flere hjelpende legerende elementer og konsentrasjonen av nitrogen i den omgivende gass påvirker også graden av nitridisering av metallmatrisen ved en gitt temperatur. For eksempel kan hjelpende legeringselementer, slik som sink eller jem som er inkludert i den formete legeringen eller anbrakt på ei overflate av den formete legeringen, anvendes for å redusere infil-treringstemperaturen, og dermed redusere mengden av nitriddannelse, mens derimot en økning av konsentrasjonen av nitrogen i gassen kan anvendes til å framskynde nitriddannelse.

Konsentrasjonen av magnesium i legeringen, og/eller lokalisert på ei overflate av legeringen, og/eller kombinert i fyllmaterialet, har også en tendens til å påvirke graden av infiltrering ved en gitt temperatur. Som en konsekvens av dette, hvor i noen tilfeller intet eller svært lite magnesium er brakt i direkte kontakt med fyllmaterialet, kan det være å foretrekke at minst 3 vekt% magnesium blir inkludert i legeringen. Legeringsandeler mindre enn denne mengden, slik som 1 vekt% magnesium, kan kreve høyere prosesstemperaturer eller et hjelpende legeringselement for infiltrering. Temperaturen som er påkrevet for å effektuere den spontane infiltreringsprosess i denne oppfinnelsen kan være lavere: (1) når magnesiuniinnholdet i legeringen alene blir økt, f.eks. til minst 5 vekt%; og/eller (2) når legerende bestanddeler blir blandet med den permeable masse av fyllmateriale; og/eller (3) når et annet element slik som sink eller jern er tilstede i aluminiumlegeringen. Temperaturen kan også variere med ulike fyllmaterialer. Generelt vil spontan og tiltagende infiltrering skje ved en prosesstemperatur på minst 675°C, og fortrinnsvis ved en prosesstemperatur på 750°C-800°C. Temperaturer generelt i overkant av 1200°C ser ikke ut til å gagne prosessen, og et spesielt anvendbart temperaturområde er funnet til å være fra 675°C til 1200°C. Uansett, som en generell regel er den spontane infiltreringstemperatur en temperatur som er over smeltepunktet for metallmatrisen men under fordampingstemperaturen for metallmatrisen. Den spontane infiltreringstemperatur bør imidlertid være under smeltepunktet for fyllmaterialet. Videre, ettersom temperaturen økes, vil tendensen til å danne et reaksjonsprodukt mellom metallmatrisen og den infiltrerende atmosfære tilta (f.eks. i tilfellet med aluminium-metallmatrise og en infiltrerende nitrogenatmosfære kan det dannes aluminiumnitrid). Et slikt reaksjonsprodukt kan være ønsket eller uønsket basert på de ønskete anvendelser av metallmatrise-komposittlegemet. I tillegg er elektrisk oppvarming typisk brukt til å nå infiltreringstemperaturene. Imidlertid er enhver metode for oppvarming, som kan smelte metallmatrisen og som ikke påvirker den spontane infiltrasjonen på en negativ måte, godkjent til bruk innen oppfinnelsen.

I den foreliggende framgangsmåten kommer, f.eks., et permeabelt fyllstoff i kontakt med smeltet aluminium i nærvær av, i det minste en gang i løpet av prosessen, en nitrogenholdig gass. Den nitrogenholdige gassen kan tilføres ved å opprettholde en kontinuerlig flyt av gass i kontakt med i det minste én av fyllmaterialet og/eller smeltet aluminium-metallmatrise. Selv om flythastigheten av den nitrogenholdige gass ikke er kritisk, er det å foretrekke at flythastigheten er tilstrekkelig til å kompensere for mulig tap av nitrogen fra atmosfæren på grunn av nitriddannelse, og også for å sikre mot eller forhindre tilførsel av luft som kan ha en oksiderende effekt på det smeltete metallet.

Metoden for tilvirking av en metallmatrise-kompositt er anvendbar på et stort utvalg av fyllmaterialer, og valget av fyllmaterialer vil være avhengig av slike faktorer som matriselegeringen, prosessbetingelsene, reaktiviteten til den smeltete metallmatirselegering med fyllmaterialet, fyllmaterialets evne til å føye seg etter formen til den formete barre med metallmatrise samt de søkte egenskapene til det endelige komposittprodukt. For eksempel, når aluminium er metallmatrisen inkluderer passende fyllmaterialer (a) oksider, f.eks. alumina; (b) karbider, f.eks. silisiumkarbid; (c) borider, f.eks. aluminium dodekaborid og (d) nitrider, f.eks. alurniniumnitrid. Hvis der finnes en tendens for fyllmaterialet til å reagere med den smeltete aluminium-metallmatrise kan det være anbefalt å minimalisere infiltreringstiden og temperaturen eller å anvende et ureaktivt belegg på fylleren. Fyllmaterialet kan omfatte et substrat, slik som karbon eller andre ikke-keramiske materialer, som har et belegg for å beskytte substratet mot angrep eller degradering. Passende belegg kan være keramikker slik som oksider, karbider, borider og nitrider. Keramikker som er foretrukket til bruk innen den foreliggende metoden inkluderer alumina og silisiumkarbid i form av partikler, plater, whiskers og fibre. Fibrene kan være diskontinuerlige (knust form) eller i form av kontinuerlige filamenter, slik som flerbuntete tau. Videre kan fyllmaterialet være homogent eller heterogent.

Det er også oppdaget av visse fyllmaterialer framviser forbedret infiltrering i forhold til fyllmaterialer som har en liknende kjemisk sammensetning. For eksempel oppviser knuste aluminalegemer laget i henhold til framgangsmåten beskrevet i NO patentsøknad 851011 ønskete infiltrerings-egenskaper i forhold til kommersielt tilgjengelige aluminaprodukter. Dessuten oppviser knuste aluminalegemer laget i henhold til NO patentsøknad 860362 også ønskete infiltrerings-egenskaper i forhold til kommersielt tilgjengelig aluminaprodukter. Det er på denne måten oppdaget at komplett infiltrering av en permeabel masse av keramisk materiale kan skje ved lavere mfiltrerings-temperaturer og/eller kortere infiltreirngs-tider ved anvendelsen av et knust eller smuldret legeme produsert i henhold til metoden i de ovennevnte patentsøknader.

Størrelsen og formen på fyllmaterialet kan være enhver som kan være påkrevet for å oppnå de ønskete egenskaper i kompositten og som kan føye seg etter den formete barre med metallmatrise. Fyllmaterialet kan på denne måten være i form av partikler, whiskers, plater eller fibre siden infiltrasjon ikke er begrenset av fyllmaterialets geometri. Andre geometrier slik som sfærer, rør, pellets, ildfast fiberduk og tilsvarende kan brukes. I tillegg vil materialets størrelse ikke begrense infiltrering, selv om en høyere temperatur eller lengre tid kan være påkrevet for å fullende infiltrering av en masse av mindre partikler enn for større partikler. Videre bør fyllmaterialet som skal infiltreres være permeabelt for den smeltete metallmatrise og for den infiltrerende atmosfære.

Framgangsmåten for tilvirking av metallmatrise-kompositter i henhold til den foreliggende oppfinnelse er ikke avhengig av trykk eller kraft for å tvinge smeltet metallmatrise inn i en masse av fyllmateriale. Oppfinnelsen tillater produksjonen av praktisk talt uniforme metallmatrise-kompositter som har en høy volumfraksjon av fyllmaterialer og en lav porøsitet. Høyere volumfraksjoner av fyllmateriale enn 50% kan oppnås ved å bruke en initiell masse med fyllmateriale som har en lavere porøsitet. Høyere volumfraksjoner kan også oppnås hvis massen av fylleren er pakket sammen eller på annen måte gjort kompakt forutsatt at massen ikke blir bearbeidet til et kompakt med lukket celleporøsitet eller til en fullstendig tett konstruksjon som ville forhindre infiltrering av den smeltete legering.

Det er blitt observert at for aluminium-infiltrering og matrisedannelse rundt en keramisk fyller kan fukting av den keramiske fylleren med aluminium-metallmatrisen være en viktig del av infiltreringsmekanismen. Ved lavere prosess-temperaturer vil dessuten neglisjerbar eller minimal mengde metallnitirdisering skje med minimal diskontinuerlig fase av aluminiumnitrid dispergert i metallmatrisen som resultat. Mens det øvre område av temperaturområdet blir nådd vil imidlertid nitridisering av metallet lettere kunne skje. Mengden av nitridfasen i metallmatrisen kan på denne måten kontrolleres ved å variere prosesstemperaturen der infiltreringen skjer. Den spesifikke prosesstemperaturen der nitriddannelse blir mere framtredende, varierer også med slike faktorer som aluminium matriselegeringen som er brukt og dens kvantitet i forhold til volumet av fyllmaterialet, fyllmaterialet som skal infiltreres og nitrogenkonsentrasjonen i den infiltrerende atmosfære. For eksempel er det antatt at graden av aluminiumnitird-dannelse ved en gitt prosesstemperatur tiltar mens legeringens evne til å fukte fylleren avtar og mens konsentrasjonen av nitrogen i atmosfæren øker.

Det er derfor mulig å skreddersy sammensetningen av metallmatrisen under dannelsen av kompositten for å tildele det resulterende produkt visse karakteirstikker. For et gitt system kan prosessbetingelsene velges for å kontrollere nitriddannelsen. Et komposittprodukt som inneholder en fase med aluminiumnitrid vil framvise visse egenskaper som kan være favoriserende for, eller forbedre anvendelsen av produktet. Videre kan temperaturområdet for spontan infiltrering med en smeltet aluminiumlegering variere med fyllmaterialet som brukes. I tilfellet der alumina blir brukt som fyllmaterialer bør temperaturen for infiltrering fortrinnsvis ikke overstige 1000°C hvis det er ønskelig at matrisens duktilitet ikke skal reduseres ved den signifikante dannelsen av nitrid. Temperaturer over 1000°C kan imidlertid brukes hvis det er ønskelig å produsere en kompositt med en mindre duktil og stivere matrise. For å infiltrere silisiumkarbid, anvendt som fyllmateriale, kan høyere temperaturer ved omlag 1200°C anvendes siden alurmniumlegeringen nitridiseres i en mindre grad i forhold til når alumina brukes som fyller.

Det er dessuten mulig å bruke et reservoar av metallmatrise for å sikre fullstendig infiltrering av fyllmaterialet og/eller for å supplere et andre metall som har en sammensetning som er forskjellig fra den første kilde av metallmatrise. Nærmere beskrevet, i noen tilfeller kan det være ønskelig å anvende en metallmatrise i et reservoar som har en forskjellig sammensetning fra den første kilde av metallmatrise. For eksempel, hvis en aluminiumlegering er brukt som den første kilde av metallmatrise kan ethvert annet metall eller metallegering som var smeltet ved prosesstemperaturen brukes som reservoarmetallet. Smeltete metaller er ofte svært blandbare med hverandre noe som vil resultere i at reservoarmetallet blandes med den første kilde metallmatrise så lenge en tilstrekkelig tidsperiode blir gitt for blanding. Ved å bruke et reservoarmetall som har en sammensetning som er forskjellig fra den første kilde metallmatrise er det på denne måten mulig å skreddersy metallmatrisens egenskaper for å møte ulike operative krav og på denne måten skreddersy metallmatrise-komposittens egenskaper.

Et barrieremiddel kan også anvendes i kombinasjon med den foreliggende oppfinnelsen. Nærmere beskrevet, barrieremidler for bruk med den foreliggende oppfinnelsen kan være ethvert passende middel som forstyrrer, forhindrer eller terminerer migrasjonen, bevegelsen eller tilsvarende av smeltet legeringsmatrise (f.eks. en aluminiumlegering) forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet. Passende barrieremidler kan være ethvert materiale, forbindelse, element, sammensetning eller tilsvarende, som, under prosessbetingelsene i den foreliggende oppfinnelsen, opprettholder en viss helhet, ikke er flyktig og som er permeabel for gassen som er brukt i prosessen så vel som evne til lokalt å forstyrre, forhindre, stoppe, eller tilsvarende, fortsatt infiltrering eller enhver annen type bevegelse forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet.

Passende barrieremidler inkluderer materialer som i hovedsak er ufuktbare av den migrerende smeltete legeringsmatrise under de anvendte prosessbetingelsene. En barriere av denne type viser seg å framvise liten eller ingen affinitet overfor den smeltete legeringsmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet blir forhindret eller stoppet av barrieremidlet. Barrieren reduserer enhver sluttmaskinering eller pussing som måtte være påkrevet for metallmatrise keramikk-komposittprodukt. Som fastslått ovenfor bør barrieren fortrinnsvis være permeabel eller porøs, eller gjort permeable ved punktering, for å tillate gassen å komme i kontakt med den smeltete legeringsmatrise.

Passende barrierer som er spesielt anvendbare for aluminium legeringsmatriser er de som inneholder karbon, spesielt den krystallinske allotropiske form av karbon kjent som grafitt. Grafitt er spesielt ufuktbar av den smeltete aluminiumlegering under de beskrevne prosessbetingelsene. En grafitt som er spesielt foretrukket er et grafitt-tape produkt som er solgt under handelsnavnet Grafoil, registrert for Union Carbide. Dette grafittproduktet framviser tettende karakteristikker som forhindrer migrasjonen av smeltet aluminiumlegering forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet. Denne grafitt-tapen er også resistent mot varme og er kjemisk inert. Grafoil grafittmateriale er fleksibelt, forenelig, formbar og elastisk. Det kan lages til et utall av geometrier for å tilpasses enhver barriereanvendelse. Barrieremidler av grafitt kan imidlertid anvendes som en slurry eller pasta eller selv som en malingfilm rundt eller på grensen av fyllmaterialet. Grafoil er spesielt foretrukket fordi den er i form av et fleksibelt grafittark. I bruk er denne papirliknende grafitten ganske enkelt formet rundt fyllmaterialet.

Andre foretrukkete barriere(r) for infiltrering av aluminium-metallmatriselegeringer i en nitrogenomgivelse er boridene av overgangsmetallene (f.eks. titandiborid (TiB2)) som er generelt ufuktbare av den smeltete aluminium-metallagering under visse prosessbeitngelser som er anvendt ved bruken av dette materialet. Med en barriere av denne typen bør ikke prosesstemperaturen overstige 875°C da ellers barrierematerialet blir mindre virksomt og, faktisk, ved økt temperatur vil infiltrering inn i barrieren skje. Boridene av overgangsmetallene er typisk i partikkelform (1-30 mikron). Barrierematerialet kan påføres som en slurry eller pasta på grensene av den permeable massen av keramisk fyllmateriale som fortrinnsvis på forhånd er formet som ei preform.

Andre anvenbare barrierer for aluminium-metallmatriselegeringer i nitrogen inkluderer lavflyktige organsiske forbindelser påført som en film eller lag på den eksterne overflata av fyllmaterialet. Ved brenning i nitrogen, spesielt under prosessbetingelsene i den foreliggende oppfinnelsen, vil den organiske forbindelsen dekomponere og legge igjen en sotfilm av karbon. Den organiske forbindelsen kan påføres ved konvensjonelle metoder slik som maling, spraying, dypping osv.

Finknuste partikkelformige materialer kan dessutem fungere som en barriere så lenge som infiltrering av det partikkelformige materiale vil skje med en hastighet som er lavere enn hastigheten for infiltrering av fyllmaterialet.

Således kan barrieremidlet påføres med enhver passende metode, slik som å belegge den definere overflategrense med et lag av barrieremidlet. Et slikt lag av barrieremiddel kan påføres ved maling, dypping, a la silketrykk, fordamping eller på annen måte påføres i form av en veske, slurry eller pasta eller ved påsprutning av et flyktig barrieremiddel, eller ganske enkelt ved å påføre et fast tynt ark eller film av barrieremiddel på den definerte overflategrense. Med barrieremidlet på plass, vil den spontane infiltrering termineres når den infiltrerende metallmatrisen når den definerte overflategrense og kommer i kontakt med barrieremidlet.

Eksempel 1.

Figur 1 viser et oppsett, i tverrsnitt, som kan brukes til å lage et formet hulrom i en metallmatrise-kompositt. Nærmere beskrevet ble et fyllmateriale (3) som omfatter ca. 70 nm (220 "grit") silisiumkarbid levert av Norton Co., og solgt under handelsnavnet 39 Crystolon, plassert i en ildfast beholder (1) som omfattet en svært ren alurninabeholder. Den ildfaste aluminabeholderen ble skaffet fra Bolt Techmical Ceramics, og hadde en renhet på 99.7%. To formete staver av aluminiumlegering (2a) og (2b), hver med omlag 15 vekt% silisium og ca. 15 vekt% magnesium og resten aluminium, og hver med dimensjoner på omlag 114x51x13 mm, ble stablet på toppen av av hverandre og ble omgitt av ca. 0.7 mm store partikler (22 "grit") av silisiumkarbid slik at en overflate av staven (2a) var hovedsakelig i flukt med fyllmaterialet (3). Aluminabeholderen (1) med fyllmaterialet (3) og barrene (2a) og (2b) ble satt inn i en elektrisk ovn med kontrollert atmosfære. Varmebehandlingen ble utført i en muffelovn som ble utvendig oppvarmet av en spole og som var isolert fra den omgivende atmosfære. En infiltrerende atmosfære med omlag 96 vol% nitrogen og omlag 4 vol% hydrogen (dvs. prosessgassen) ble tilført til innsiden av muffelovnen. Prosesssgassen fløt inn i ovnen med en hastighet på omlag 350 cmVmin. Muffelovnen ble ble varmet opp til en temperatur på 900-930°C i løpet av en periode på ca. 10 timer, og holdt ved denne temperaturen i ca. 12 timer. Muffelovnen ble deretter kjølt ned til romtemperatur i løpet av 5 timer.

Beholderen (1) ble tatt ut av ovnen og innholdet ble inspisert. Figur 3a er et fotografi av toppen av den dannete metallmatrise-kompositten (7) med et hulrom (6), som i hovedsak samsvarer med geometrien til de formete barrene (2a) og (2b). Dessuten, som vist i figur 3b, som er et panoramabilde over hulrommet (6) i den dannete metallmatrise-kompositten (7), var kopieringen av barrene (2a) og (2b) så presis at sagemerkene (8), som var tilstede på barrene (2a) og (2b), var invers gjenskapt i metallmatrise-komposittlegemet.

Eksempel 2.

I dette eksemplet ble det skapt en mere komplisert geometri. Figur 2 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt til å lage et komplekst hulrom i en metallmatrise-kompositt. Nærmere beskrevet ble et fyllmateriale (5) av aluminium-oksid-pulver med partikkelstørrelse på omlag 70 /xm (220 "grit"), levert av Norton Co. og solgt under handelsnavnet 38 Alundum, helt ned i en bunnseksjon av en ildfast beholder (1) som besto av svært ren aluminabeholder. Aluminabeholderen ble skaffet fra Bolt Technical Ceramics og hadde en renhetsgrad på 99.7%. Deretter ble en maskineri barre av aluminiumlegering (4), som veide omlag 158 gram og med en ytre overflate med et flertall av profileringer (9), plassert på toppen av fyllmaterialet (5). Den maskinerte barren (4) besto av omlag 5 vekt% silisium, ca. 5 vekt% sink, ca. 7 vekt% magnesium og resten aluminium. Ekstra fyllmateriale (5) ble deretter helt rundt barren (4) inntil barren var praktisk talt fullstendig omgitt av fyllmaterialet (5). Beholderen (1) med fyllmaterialet (5) og barren (4) ble deretter satt inn i en muffelovn som beskrevet i eksempel 1. Ovnen ble deretter evakuert for å fjerne atmosfæren, og deretter etterfylt med en infiltrerende atmosfære av prosessgass (dvs. 96 vol% nitrogen og 4 vol% hydrogen). Prosessgassen ble tilført kontinuerlig til ovnen med en hastighet på omlag 50 cm<3>/min. Muffelovnen ble varmet opp med en hastighet på omlag 150°C/time til en temperatur på omlag 875°C. Denne temperaturen ble holdt ved like i omlag 15 timer. Muffelovnen ble deretter kjølt ned til ca. romtemperatur med en hastighet på ca. 200°C/time. Etter nedkjølingen ble beholderen (1) fjernet og inspisert.

Som vist i figur 4a, som er et bilde av tverrsnittet av den dannete metallmatrise-kompositten, ble det dannet et hulrom (10) i metallmatrise-komposittlegemet (11), der nevnte hulrom var praktisk talt komplementær i geometrien med barren (4). Metallmatrisen, når den var gjort flytende, infiltrerte fyllmaterialet (5) praktisk talt fullstendig slik at tilsvarende inverse profiler (9a) ble dannet ut fra profilene (9) i barren (4). Dessuten viser figur 4b et bilde av den dannete metallmatrise-kompositten (11) fra enden forut for kappingen. I henhold til dette er det observert av kopieringsprosessen ga en kompositt med et hulrom (10) som praktisk talt gjenskapte den formete barren (4) inverst. Det bemerkes at materialstykket (20) lokalisert i bunnen av hulrommet (10) samsvarer med en del av fyllmaterialet som ble lokalisert direkte over den formete barren (4).

Claims (12)

1. Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt,karakterisert ved

framskaffe en formet barre av matrisemetall; omgi barren helt eller delvis med en permeabel masse av en hovedsakelig ureaktiv fyller; varme barren til et temperaturområde over dens smeltepunkt for å smelte denne, for derved å danne en kilde av smeltet matrisemetall; og på minst ett tidspunkt i prosessen tilføre en infiltrerende atmosfære og minst ett infiltreringsmiddel eller forløper for slikt for å bringe matrisemetallet til spontan infiltrering av hovedsakelig hele den permeable massen.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat den infiltrerende atmosfæren kommuniserer med fyllmaterialet og/eller matrisemetallet under i det minste en del av infiltreringstiden.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat infiltreringsmidlet og/eller en forløper til dette tilføres matrisemetallet, fylleren og/eller den infiltrerende atmosfæren.

4. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat fylleren i det minste delvis framskaffes i form av ei preform.

5. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat ei overflategrense av fyllmaterialet forsynes med et barrieremateriale, slik at matrisemetallet infiltrerer spontant fram til barrieren.

6. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som barriere anvendes et materiale omfattende karbon, grafitt og/eller titandiborid.

7. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som fyller anvendes et materiale omfattende pulver, flak, oblater, mikrosfærer, whiskers, bobler, fiber, partikler, fibermatter, knuste fibre, sfærer, pellets, rør og/eller ildfaste duker.

8. Framgangsmåte ifølge krav 1 eller 3,karakterisert vedat barren formes i det minste delvis til en geometri tilsvarende formen av hulrommet som dannes i metallmatrisekompositten.

9. Framgangsmåte ifølge krav 7,karakterisert vedat kilden av matrisemetall i det alt vesentlige infiltreres inn i fylleren slik at det dannes et hulrom i metallmatrisekompositten, idet hulrommet motsvarer formen av barren.

10. Framgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat hulrommet som etableres er i det minste delvis åpent eller praktisk talt fullstendig lukket.

11. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1, 3, 6 eller 8,karakterisert vedat det anvendes en fyller som er selvbærende i løpet av i det minste deler av den spontane infiltreringen.

12. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1, 3, 6 eller 8,karakterisert vedfylleren gjøres selvbærende (a) under vanningen av barren, (b) ved bruk av et bindemiddel, og/eller (c) ved en kjemisk reaksjon mellom fylleren og minst en andre forbindelse, inkludert den infiltrerende atmosfæren.