NO177220B

NO177220B - Framgangsmåte for dannelse av komposittlegemer med metallmatrise

Info

Publication number: NO177220B
Application number: NO893979A
Authority: NO
Inventors: Christopher Robin Kennedy; Michael Kevork Aghajanian; Alan Scott Nagelberg
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1995-05-02
Also published as: CN1082567C; DK460489D0; FI91831B; US5007475A; NO177220C; PT92254A; ATE96468T1; MX172497B; NZ231069A; DE68910272T2; DK460489A; US5620804A; NO893979D0; EP0368781B1; FI894926A0; ZA898531B; FI91831C; CA2000779A1; CN1042487A; TW246649B

Description

x

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

Bakgrunn

Komposittprodukter som består av en metallmatrise og en styrkende eller armerende fase slik som keramiske partikler, whiskers, fibre eller tilsvarende, har store muligheter for et utall av anvendelser, fordi de kombinerer noe av stivheten og slitestyrken til den armerende fasen med formbarheten og seigheten av metallmatrisen. Generelt vil en metallmatrise-kompositt framvise en forbedring i slike egenskaper som styrke, stivhet, kontakt-slitestyrke og høytemperaturstyrke i forhold til metallmatrisen i monolittisk form, men graden av forbedrete egenskaper avhenger i stor grad av de spesifikke komponentene, deres volum- eller vektfraksjon samt hvordan de er prosessert ved tilvirkingen av kompositten. I noen tilfeller kan i og for seg kompositten også være lettere i vekt enn metallmatrisen. Aluminiummatrise-kompositter armert med keramiske materialer, slik som f.eks. silisiumkarbid i partikkelform, plateform, eller whiskersform, er interessante på grunn av deres høyere spesifikke stivhet, slitemotstand og høytemperaturstyrke i forhold til aluminium.

Ulike metallurgiske prosesser har blitt beskrevet for produksjon av aluminiummatrise kompositter, inkludert metoder basert på pulver-metallurgiske prosesser og væske-metall-infiltreringsteknikker som anvender trykkstøping, vakuumstøping, røring og fuktemidler. I pulver-metallurgiske teknikker er metallet i form av et pulver, og det armerende materiale, i form av pulver, whiskers, knuste fibre etc., blandet sammen og deretter enten kaldpresset og sintret, eller varmpresset. Den maksimale keramiske volumfraksjon i silisiumkarbid-armert aluminiummatrise kompositter produsert ved denne metoden har blitt rapportert til å utgjøre 25 vol% i tilfellet for whiskers, og 40 vol% i tilfellet for partikler.

Produksjonen av metallmatrise-kompositter ved pulver-metallurgiske teknikker som anvender konvensjonelle prosesser, pålegger visse begrensninger med hensyn til de oppnåelige produkt-karakteristika. Volumfraksjonen av den keramiske fase i kompositten er typisk begrenset, i tilfellet for partikler, til 40%. Pressoperasjonen gir også en grense for 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. Ikke-uniform krymping under sintring kan også forekomme, så vel som rigiditet i mikrostrukturen forårsaket av segregering i kompaktene og kornvekst.

US patentskrift 3.970.136 beskriver en prosess for tilvirking av en metallmatrise-kompositt ved innarbeiding av en fibrøs armering, f.eks. silisiumkarbid eller aluminawhiskers, som har et forutbestemt mønster av fibrenes orientering. Kompositten er laget ved å plassere parallelle matter eller flater av koplanare fibre i en smelte 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 infiltreringsprosessens avhengighet av eksternt trykk for å tvinge den smeltete metallmatrise gjennom stabelen av fibrøse matter, forutsetter den ovennevnte infiltreringsprosessen trykkinduserte flyteprosesser, dvs. med mulig ikke-uniformitet av matrisedannelse, porøsitet etc. som resultat. Ikke-uniformitet av egenskaper er mulig, selv om smeltet metall kan introduseres i flere posisjoner i fiberarrangementet. Som en konsekvens må kompliserte arrangementer av matte/reservoar og flytveier legges til rette for å oppnå fullgod og uniform 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 retningsorienterte partikler eller fibre, ikke rettet mot dannelse av aluminium-metallmatrise-kompositter armert med materialer i form av tilfeldig orienterte partikler, whiskers eller fibre eller materialer som har tilfeldig orientert porøsitet.

I fabrikasjonen av aluminium aluminamatrise-fylte kompositter vil ikke aluminium fukte alumina skikkelig, noe som gjør det vanskelig å forme et sammenhengende produkt. Ulike løsninger på dette problemet har blitt foreslått. En slik tilnærming 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 aluminaen kan belegges med silika. Uansett framviser disse komposittene variasjoner i egenskaper, beleggene kan degradere fyllmaterialet, eller matrisen inneholder litium som kan påvirke matrisens egenskaper.

US patentskrift 4.232.091 overvinner visse vanskeligheter i faget som en må regne med i produksjon av aluminiummatrise-alumina-kompositter. Dette patentet 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-skriftet.

EP 115742 beskriver produksjon av aluminium-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 ulike teknikker er derfor anvendt for å fukte aluminaen gjennom preforma. F.eks. er alumina belagt med et fuktemiddel av et diborid av titan, zirkonium, hafnium eller niob, 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 referanse viser også anvendelse av trykk for å tvinge smeltet aluminium til å penetrere en ubelagt matrise. På denne side 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 trykkinfiltrerte 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 patentsøknad 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 mot smeltet kryolitt, er aluminasubstratet påført et tynt belegg av 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 prosess. 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 dannelse 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 alumininum, beryllium, magnesium, titan, vanadium, nikkel eller krom i et vakuum på mindre enn IO"<6> torr. Et vakuum på IO"<2> til IO"6 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"<6> torr.

US patentskrift 3.864.154 viser også bruken av vakuum for å oppnå infiltrering. Dette patentskriftet beskriver tilsats av et kaldpresset kompakt av A1B12- pulver på ei seng av kaldpresset aluminium-pulver. Ekstra aluminium ble deretter lokalisert på toppen av AlB12-kompaktet. Digelen, der A1B12 -kompaktet var "laminert" mellom lagene av aluminiumpulver, ble plassert i en vakuumovn. Ovnen ble evakuert til omlag IO"<5> torr for å tillate avgassing. Temperaturen ble deretter hevet til 1100°C og holdt vedlike i en periode på 3 timer. Ved disse betingelsene penetrerte det smeltete aluminium det porøse AlB^- 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 patentet 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 ei 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 imidlertidig være uhensiktsmessig å anvende ei form til å danne vakuum, på grunn av de tilknyttede begrensninger ved bruken av ei form. Ei form må først maskineres til en spesiell figur; deretter finpusses, maskineres til å produsere en 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 i forma eller avhending av forma hvis den ikke lenger er akseptabel til bruk. Maskinering av ei form til en kompleks figur kan være svært kostbar og tidkrevende. Dessuten kan fjerning av et formet stykke fra ei form med kompleks geometri være vanskelig (dvs. støpestykker 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 framgangsmåte for framstilling av formete metallmatrise-kompositter som ikke er avhengig 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 framgangsmåte for tilvirking av et metallmatrise-komposittmateriale er vist i NO patentskrift 174973 (publisert etter foreliggende søknads prioritetsdato). I henhold til denne framgangsmåten framstilles en metallmatrise-kompositt ved infiltrering av en permeabel masse av et fyllmateriale (f.eks. en keramikk eller et keramisk belagt materiale) med smeltet aluminium inneholdende minst 1 vekt% magnesium, og helst minst 3 vekt% magnesium. Infiltrering skjer spontant uten anvendelse av eksternt trykk eller vakuum. En forsyning av den smeltete metall-legering er brakt i kontakt med massen av fyllmaterialet ved en temperatur på minst 675°C i nærvær av gass bestående av 10-100 vol%, og fortrinnsvis minst 50 vol% nitrogen, og en resterende del, hvis det finnes, som består av en ikke-oksiderende gass, f.eks. argon. Under disse betingelser infiltrerer den smeltete aluminiumlegering den keramiske masse under normale atmosfæriske trykk til å danne en aluminium-(eller aluminiumlegering) matrise kompositt. Når den ønskete andel av fyllmaterialet er infiltrert av den smeltete aluminiumlegering, blir temperaturen senket for å størkne legeringen, hvoretter resultatet blir en størknet metallmatrise-konstruksjon som omgir det armerende fyllmateriale. Vanligvis, og fortrinnsvis, vil den tilsatte mengden av smeltet legering være tilstrekkelig til å tillate infiltrering til fyllmaterialets grenser. Mengde fyllmateriale i aluminiummatrise-kompositter produsert i henhold til framgangsmåten i det sistnevnte patentskriftet, kan være betydelig høy. I dette henseende kan det oppnås volumetriske forhold av fyllmateriale: legering som er høyere enn 1:1.

Under prosessbetingelsene i den ovennevnte oppfinnelsen, kan aluminiumnitrid dannes som en diskontunierlig fase dispergert gjennom hele aluminium-matrisen. Mengde nitrid i aluminium-matrisen kan variere avhengig av slike faktorer som temperatur, sammensetning av legeringen, gass-sammensetning og fyllmateriale. Ved å kontrollere én eller flere slike faktorer i systemet, er det på denne måten mulig å skreddersy visse egenskaper i kompositten. For anvendelse som sluttprodukt, kan det imidlertid i noen tilfeller være ønskelig at kompositten inneholder lite eller i hovedsak intet aluminiumnitrid.

Det er blitt observert at høyere temperaturer favoriserer infiltrering men også framhever prosessen som leder til nitriddannelse. Den sistnevnte oppfinnelsen tillater et valg med balanse mellom infiltreringskinetikk og nitriddannelse.

Et eksempel på passende barrieremidler til bruk for metallmatrise-komposittdannelse er beskrevet NO patentskrift 173006 (publisert etter foreliggende søknads prioritetsdato). I henhold til framgangsmåten i dette skriftet er et barrieremiddel (f.eks. partikkelformig titandiborid eller et grafittmateriale slik som en fleksibel grafittfolie solgt av Union Carbide under handelsnavnet Grafoil) anordnet på en definert overflategrense av et fyllmateriale, og legeringsmatrise infiltrerer opp til grensen som er definert av barrieremidlet. Barrieremidlet blir brukt til å forhindre eller terminere infiltrering av den smeltete legering, og dermed framskaffe en ren eller tilnærmet ren overflate av den resulterende metallmatrise-kompositten. I henhold til dette har de dannede metallmatrise-komposittlegemer en ytre form som i hovedsak tilsvarer den indre overflata av barrieremidlet.

Som beskrevet i f.eks. NO patentsøknad 893980 er en metallmatrise-legering tilstede som en første metall-kilde, og som et reservoar av metallmatrise-legering som kommuniserer med den første kilde av smeltet metall, forårsaket av f.eks. fallflyt. Spesielt, under betingelsene beskrevet i denne, 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 konstruksjon av metallmatrise som omgir det armerende fyllmaterialet. Det bør 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 masse av fyllmateriale i en forutbestemt grad. Alternativt kan et valgfritt barrieremiddel bringes i kontakt med den permeable massen av fyllmateriale i det minste på én side av denne for å definere ei overflategrense.

Dessuten, mens tilsatsen 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.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for framstilling av slike metallmatrisekompositter som overvinner ulempene ved kjente framstillingsmåter og med justerbare produktegenskaper.

Oppfinnelsen

Disse formål oppnås med en framgangsmåte ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene 2 til 8.

En metallmatrise-kompositt framstilles ved spontan infiltrering av et tredimensjonalt forbundet porøst materiale, slik som tredimensjonalt forbundet metall og/eller keramikk.

Dessuten kan en metallmatrise-kompositt framstilles ved spontant å infiltrere et tredimensjonalt forbundet materiale som også omfatter en permeabel masse med fyllmateriale.

I begge ovennevnte tilfellene blir det produsert en ko-matrise-kompositt. Nærmere beskrevet er en første matrise av keramikk, metall, eller begge tilstede forårsaket av det tredimensjonalt forbundete materiale som er infiltrert av den smeltete metallmatrise, og en andre matrise er dannet ved den spontane infiltrering av metallmatrise inn i porene i den første matrisen, og ethvert fyllmateriale som måtte være tilstede med denne.

For å oppnå spontan infiltrering kommuniserer et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til dette og/eller en infiltrerende atmosfære med det tredimensjonalt forbundete materiale, matrisemetallet og/eller valgfritt fyllmateriale, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å infiltrere materialene spontant.

I en foretrukket utførelse kan et infiltreirngsmiddel tilsettes direkte til det tredimensjonalt forbundete materiale, og/eller metallmatrisen, og/eller den infiltrerende atmosfære, og/eller valgfritt fyllmaterialet, istedet for å tilsette forløperen til infiltreringsmidlet. I løpet av den spontane infiltreringen bør i det minste infiltreirngsmidlet anbringes i det minste i en del av materialet som skal infiltreres.

Det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale har spesifikke fordelaktige karakteristikker slik at det kan gi visse ønskete egenskaper i den produserte metallmatrise-kompositten som vanligvis ikke ville vært oppnåelig gjennom bruken av liknende materialer i en ikke-forbundet form (f.eks. partikler). Mer spesifikt, når det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale er en keramikk, kan den endelige metallmatrise-kompositt framvise økt stivhet og høy temperaturfasthet i forhold til en metallmatrise-kompositt som inneholder det samme keramiske materiale, men kun i partikkelform. Dessuten, når det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale er et metall, kan den endelige metallmatrise-kompositt framvise økt seighet på grunn av områdene med fast metall, det vil si områder som inneholder lite eller ingen partikler, representert ved ko-matrisen, og opptre som sprekkhemmer som forhindrer forplanting av sprekker under belastning.

I en foretrukket anvendelse blir dessuten et tredimensjonalt forbundet materiale fylt med et fyllmateriale, og deretter blir smeltet metallmatrise indusert til spontant å infiltrere både fyllmaterialet i det tredimensjonalt forbundete materiale og det tredimensjonalt forbundete materiale selv. Et slikt ko-matrise-legeme kan framvise ytterligere fordelaktige mekaniske egenskaper.

Det bemerkes at det herunder primært diskuteres aluminium-metallmatrise som, på ett tidspunkt i løpet av dannelsen av metallmatrise-komposittlegemet, bringes i kontakt med magnesium, som fungerer som forløper til infiltreringsmidlet, i nærvær av nitrogen, som fungerer som den infiltrerende atmosfære. Systemet, der metallmatrisen/forløper til infiltreringsmidlet/infiltrerende atmosfære er representert ved aluminium/magnesium/nitrogen, framviser spontan infiltrering. Andre systemer av metallmatrise/infiltreringsmiddel-forløper/infiltrerende atmosfære kan imidlertid også oppføre seg på en tilsvarende måte som systemet aluminium/magnesium/nitrogen. For eksempel er en tilsvarende oppførsel med spontan infiltrering blitt obsververt for systemene aluminium/strontium/nitrogen; aluminium/sink/oksygen; og aluminium/kalsium/nitrogen. Selv om systemet aluminium/magnesium/nitrogen er det som omtales primært, bør det følgelig være klart at andre systemer av metallmatrise/infiltreringsmiddel-forløper/infiltrerende atmosfære kan vise en tilsvarende oppførsel.

Når metallmatrisen omfatter en aluminiumlegering, er aluminiumlegeringen brakt i kontakt med et tredimensjonalt forbundet materiale, og/eller ei preform som omfatter et fyllmateriale (f.eks. alumina eller silisiumkarbid), og/eller en løs masse av fyllmateriale, der nevnte tredimensjonalt forbundete materiale, preform, og/eller fyllmateriale er sammenblandet, og/eller på ett eller annet tidspunkt i prosessen blir eksponert for, magnesium. I en foretrukket anvendelse er dessuten aluminiumlegeringen og/eller det tredimensjonalt forbundete materiale, preforma eller fyllmaterialet omgitt av en nitrogenatmosfære i det minste i løpet av en del av prosessen. Det tredimensjonalt forbundete materiale eller preforma (eller fyllmateriale) vil bli spontant infiltrert, og graden av hastigheten av spontan infiltrering og dannelse av metallmatrise vil variere med et gitt sett av prosessbetingelser inkludert, f.eks., konsentrasjonen av magnesium i systemet (f.eks. i aluminiumlegeringen og/eller i det tredimensjonalt forbundete materiale, fyllmaterialet (eller preforma) og/eller i den infiltrerende atmosfære), størrelsen og/eller sammensetningen av partiklene i preforma eller fyllmaterialet, størrelsen og graden av porøsitet i det tredimensjonalt forbundete materiale, konsentrasjonen av nitrogen i den infiltrerende atmosfære, tid gitt for infiltrering, og/eller temperaturen der infiltreringen skjer. Spontan infiltrering skjer typisk i en tilstrekkelig grad til å omgi det tredimensjonalt forbundete materiale, preform eller fyllmateriale hovedsakelig fullstendig.

Når et tredimensjonalt forbundet materiale skal infiltreres spontant med en metallmatrise, kan infiltreringsmidlet eller forløperen til dette lokaliseres i den porøse del av materialet eller på overflata av materialet. Videre, hvis et fyllmateriale blir brukt sammen med det tredimensjonalt forbundete materiale (f.eks. lokalisert i det minste innen en del av det porøse området av det forbundete materialet), kan infiltreringsmidlet eller forløperen til dette i tillegg lokaliseres innen fyllmaterialet (f.eks. i porene i fyllmassen eller som et belegg på eller innen de individuelle fyllstoffpartiklene).

Definisjoner

" Aluminium" er å forstå som et hovedsaklig rent metall (f.eks. et relativt rent, kommersielt tilgjengelig ulegert aluminium) eller andre kvaliteter av metall og metallegeringer slik som de kommersielt tilgjengelige metaller med forurensninger og/eller legerende bestanddeler slik som jern, silisium, kobber, magnesium, mangan, krom, sink, etc. En aluminiumlegering under denne definisjonen er en legering eller intermetallisk forbindelse der aluminium er den dominerende bestanddel.

Med " resterende ikke- oksiderende gass" menes en hvilken som helst gass, som er tilstede i tillegg til den primære gassen som utgjør den infiltrerende atmosfære, enten en inertgass eller en reduserende gass som i hovedsak er ureaktiv med metallmatrisen under prosessbetingelsene. Enhver oksiderende gass som måtte være tilstede i den anvendte gassen(e) som en urenhet, bør være utilstrekkelig til å oksidere metallmatrisen av betydning under prosessbetingelsene.

Med " barriere" eller " barrieremiddel" menes et passende middel som forstyrrer, forhindrer eller terminerer migrasjonen, bevegelsen, eller tilsvarende, av smeltet metallmatrise forbi en overflategrense i den permeable massen av fyllmateriale, preform, eller tredimensjonalt forbundet materiale, hvor en slik overflategrense er definert ved nevnte barrieremidler. Passende barrieremidler kan være i form av et materiale, forbindelse, element, blanding, eller tilsvarende, som under prosessbeitngelsene opprettholder en viss integritet, og som ikke er vesentlig flyktig (dvs. at barrierematerialet ikke framviser flyktighet i en slik grad at det må regnes som uegnet som barrieremiddel).

Videre inkluderer passende "barrieremidler" materialer som i hovedsak er ufuktbare av den migrerende smeltete metallmatrise under de anvendte prosessbetingelsene. En barriere av denne type viser seg å framvise i hovedsak lite eller ingen affinitet overfor den smeltete metallmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrense av massen av fyllmateriale, preform, eller tredimensjonalt forbundet materiale blir hindret av barrieremidlet. Barrieren reduserer enhver sluttmaskinering eller sliping som måtte kreves, og definerer i det minste en del av overflata til det resulterende metallmatrise-komposittprodukt. Barrieren kan i visse tilfeller være permeabel eller porøs, eller gjort permeabel, av f.eks., drillede hull eller punkteringer i barrieren, for å tillate gass å komme i kontakt med den smeltede metallmatrise.

" Ramme" eller " ramme av metallmatrise" refererer til enhver av de opprinnelige deler av metallmatrise som ikke er forbrukt under dannelse av selve kompositten, og som typisk forblir i det minste i delvis kontakt med metallmatrise-komposittlegemet som er blitt dannet, hvis det får anledning til å kjølne. Det bør være forstått at

rammen også kan inkludere et andre eller fremmed metall.

" Fyller" representerer enten enkle bestanddeler eller blandinger av bestanddeler som i hovedsak er ureaktive med, og/eller av begrenset løselighet i metallmatrisen og kan være én eller flere faser. Fyllere kan framskaffes i ulike former og størrelser, som f.eks. pulvere, flak, plater, mikrosfærer, whiskers, bobler, fibre, partikler, fibermatter, knuste fibre, sfærer, pellets eller ildfaste kuler, og kan enten være kompakte eller porøse. "Fyller" kan også representere keramiske fyllere, slik som alumina eller silisiumkarbid i form av fibre, knuste fibre, partikler, whiskers, bobler, sfærer, fibermatter eller tilsvarende, og keramisk belagte fyllstoffer slik som karbonfibre belagt med alumina eller silisiumkarbid for å beskytte karbonet mot angrep, f.eks. fra et smeltet aluminium-matrisemetall. Fyllere kan også inkludere metaller.

Med " infiltrerende atmosfære" menes en atmosfære som samvirker med metallmatrise og/eller preform, fyllmateriale, eller tredimensjonalt forbundet materiale 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, preform, eller tredimensjonalt forbundet materiale. Et infiltreirngsmiddel kan dannes fra, f.eks. (1) en reaksjon av en forløper til et infiltreirngsmiddel med en infiltrerende atmosfære til å danne et gassformig medium og/eller (2) et reaksjonsprodukt av forløperen til infiltreirngsmidlet og den infiltrerende atmosfære og/eller (3) et reaksjonsprodukt fra forløperen til infiltreirngsmidlet og fyllstoffet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet. Dessuten kan infiltreirngsmidlet forsynes direkte til i det minste én av flg.: det tredimensjonalt forbundete materialet, fyllmaterialet, eller preforma, og/eller metallmatrisen, og/eller den infiltrerende atmosfære, og i hovedsak funksjonere på en tilsvarende måte som et infiltreirngsmiddel som er blitt dannet fra en reaksjon mellom en forløper til et infiltreirngsmiddel og andre medier. Som et krav bør infiltreringsmidlet, i det minste i løpet av den spontane infiltrering, være lokalisert i det minste i en del av fyllstoffet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet, for å oppnå spontan infiltrering, og infiltreirngsmidlet kan være i det minste delvis reduserbart av matrisemetallet.

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

" Metallmatrise" eller " metallmatrise- legering" er å forstå som det metall som blir benyttet til å danne en metallmatrise-kompositt (f.eks. før infiltrering) og/eller det metall som er blandet med et fyllstoff eller et tredimensjonalt forbundet materiale 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 infiltreirngsrniddel/ infiltrerende atmosfære" eller " spontant system" refererer til den kombinasjon av materialer som framviser spontan infiltrering inn i ei preform, fyllstoff, eller et tredimensjonalt forbundet materiale. Det bør være forstått at når en "/" opptrer mellom en eksemplifiserende metallmatrise, forløper til infiltreirngsmiddel 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, fyllmateriale eller et tredimensjonalt forbundet materiale.

Med " metallmatrise- kompositt" menes her et materiale som består av to- eller tredimensjonalt forbundet legering eller metallmatrise som har omgitt ei preform, fyllmateriale eller et tredimensjonalt forbundet materiale. Metallmatrisen kan inkludere ulike legerende elementer for å framskaffe spesifikke ønskete mekaniske og 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 (eller preform) og/eller smeltet metallmatrise under prosessbetingelsene, og som ikke reagerer med matrisen og/eller den infiltrerende atmosfære og/eller forløperen til infiltrasjonsmidlet 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 én overflategrense, som i hovedsak definerer en grense for den infiltrerende metallmatrise, og med en masse som beholder en tilstrekkelig helhet i formen 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 partilkler, 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, preform, eller et tredimensjonalt forbundet materiale 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, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet.

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

" Tredimensjonalt forbundet materiale" representerer ethvert tredimensjonalt forbundet materiale som er tilstrekkelig porøst til å tillate spontan infiltrering av smeltet metallmatrise inn i dette, og som framviser en grad av binding mellom

individuelle partikler som er større enn hva som ville være tilfelle fra delvis kalsinering eller ved bruk av et bindemiddel. Et slikt tredimensjonalt forbundet materiale kan ha en porøsitet som er tilstrekkelig til at et fyllmateriale valgfritt også kan inkluderes i denne. Det tredimensjonalt forbundete materiale kan dessuten ha en sammensetning som er tilsvarende, eller ganske forskjellig fra den metallmatrise som anvendes.

I figurene er det brukt like tallhenvisninger i hver figur der det er mulig for å betegne like komponenter, der: figur 1 er et skjematisk tverrsnitt av oppsettet som ble anvendt i eksempel 1 for å infiltrere metallmatrise inn i et tredimensjonalt forbundet filter,

figur 2 er et mikrofotografi av mikrostrukturen til metallmatrise-kompositten som er produsert i henhold til eksempel 1,

figur 3 er et skjematisk tverrsnitt av oppsettet som ble anvendt i eksempel 2 forut for at en slurry av alumina og silisiumkarbid ble helt ned i den gjennomhullete konstruksjonen,

figur 4 er et skjematisk tverrsnitt av oppsettet som ble brukt i eksempel 2 for produksjon av en metallmatrise-kompositt som omgir en tredimensjonalt forbundet metallkonstruksj on,

figur 5 er et perspektiv-(dvs. av topp og side) fotografi av en metallmatrise-kompositt som er produsert i henhold til eksempel 2, og

figur 6 er et fotografi av bunnen av metallmatrise-kompositten som er produsert i henhold til eksempel 2.

Denne oppfinnelsen angår tilvirking av en metallmatrise-kompositt ved spontan infiltrering av et tredimensjonalt forbundet materiale, som valgfritt inneholder et fyllmateriale, med smeltet metallmatrise. Mer spesifikt, et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til dette og/eller en infiltrerende atmosfære kommuniserer med i det minste en av flg.: et tredimensjonalt forbundet materiale, et valgfritt fyllmateriale og/eller metallmatrise, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å infiltrere materialet spontant.

Når et tredimensjonalt forbundet materiale er infiltrert, blir det produsert et ko-matrise-komposittlegeme. Nærmere beskrevet inneholder metallmatrise-kompositten en første matrise av keramikk, metall, eller begge, som er infiltrert av smeltet metallmatrise, for deretter å skape en andre matrise (dvs. en ko-matrise) ved den spontane infiltrering av metallmatrisen inn i det porøse område av den første matrisen, som, valgfritt, også kan inneholde fyllmateriale.

Det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale har spesifikke fordelaktige karakteristikker slik at det kan gi visse ønskete egenskaper til det produserte metallmatrise-komposittlegeme som ikke ville være oppnåelig gjennom bruken av et tilsvarende materiale i en ikke-forbundet form (f.eks. i partikkelform). Når det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale omfatter en keramikk, kan den produserte metallmatrise-kompositten framvise økt stivhet og høy temperaturfasthet i forhold til en metallmatrise-kompositt som inneholder det samme keramiske materiale men kun i en partikkelform. Når det tredimensjonalt forbundete ko-matrise-materiale omfatter et metall, kan dessuten den produserte metallmatrise-kompositt framvise økt seighet på grunn av områdene med fast metall (det vil si områder som inneholder lite eller ingen partikler), representert ved ko-matrisen, og kan oppføre seg som sprekkhemmere som forhindrer forplanting av sprekker ved belastning.

Dessuten, når et tredimensjonalt forbundet materiale er fylt med et fyllmateriale, hvoretter smeltet metallmatrise er indusert til å infiltrere spontant både fyllmaterialet i det tredimensjonalt forbundete materialet og det tredimensjonalt forbundete materialet selv, kan det resulterende ko-matrise-legeme framvise ytterligere fordelaktige mekaniske egenskaper.

For å framskaffe spontan infiltrering av metallmatrisen inn i fyllmaterialet (eller preforma) og/eller det tredimensjonalt forbundete materialet, bør det spontane systemet tilføres et infiltreringsmiddel. Et infiltreirngsmiddel kan dannes fra en forløper til et infiltreirngsmiddel som kan skaffes (1) i metallmatrisen; og/eller (2) i fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet; og/eller (3) fra den infiltrerende atmosfære og/eller (4) fra en ekstern kilde inn i det spontane systemet. Dessuten, i stedet for å tilsette en forløper til et infiltreringsmiddel, kan et infiltreirngsmiddel tilsettes direkte til i det minste ett av flg.: fyllmaterialet, preforma, det tredimensjonalt forbundete materiale, og/eller metallmatrise, og/eller infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav bør infiltreirngsmidlet lokaliseres i minst en del av fyllmaterialet, preforma og/eller det tredimensjonalt forbundete materialet, i det minste i løpet av den spontane infiltreringen.

I en foretrukket anvendelse er det mulig at forløperen til infiltreringsmidlet i det minste delvis kan reageres med den infiltrerende atmosfære slik at infiltreirngsmidlet kan dannes i det minste i en del av fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet forut for eller praktisk talt samtidig med at fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet bringes i kontakt med smeltet metallmatrise (f.eks. hvis magnesium var forløperen til infiltreirngsmidlet og nitrogen var den infiltrerende atmosfære, kan infiltreirngsmidlet være magnesiumnitrid, som kan være lokalisert i minst en del av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet).

Et eksempel på et system med metallmatrise/infiltreringsmiddel-forløper/infiltrerende atmosfære er systemet aluminium/magnesium/nitrogen. En aluminium-metallmatrise kan spesielt lokaliseres i en passende ildfast beholder som, under prosessbetingelsene, ikke reagerer med aluminium-metallmatrisen og/eller fyllmaterialet eller preforma og/eller det tredimensjonalt forbundete materialet når aluminium blir flytende. Et fyllmateriale eller et tredimensjonalt forbundet materiale som inneholder eller blir eksponert for magnesium, og som i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen blir eksponert for en nitrogenatmosfære, kan deretter bringes i kontakt med den smeltete aluminium-metallmatrise. Metallmatrisen vil deretter spontant infiltrere fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet.

Under betingelsene som er anvendt i den foreliggende framgangsmåten i tilfellet med et spontant infiltrerings-system med aluminium/magnesium/nitrogen, bør fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet være tilstrekkelig permeabelt til at den nitrogenholdige gassen kan penetrere eller gjennomtrenge fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet på ett eller annet tidspunkt i løpet av prosessen og/eller kontakte den smeltete metallmatrise. Det permeable fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materiale kan dessuten tillate infiltrering av den smeltete metallmatrise, for derved å forårsake at det nitrogenmettete fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet blir spontant infiltrert av smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme og/eller forårsake at nitrogen reagerer med en forløper til et infiltreringsmiddel til å danne et infiltreringsmiddel i fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet, som deretter resulterer i en spontan infiltrering. Graden eller hastigheten av den spontane infiltreringen og dannelsen av metallmatrise-kompositten vil variere med et gitt sett av prosessbetingelser, inkludert magnesiuminnholdet i aluminiumlegeringen, magnesiuminnholdet i fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet, mengden av magnesiumnitrid i fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet, nærværet av ekstra legerende elementer (f.eks. silisium, jern, kobber, mangan, krom, sink og tilsvarende), gjennomsnittlig størrelse av fyllmaterialet (f.eks. partikkeldiameteren), overflatas tilstand og type fyllmateriale, konsentrasjonen av nitrogen i den infiltrerende atmosfære, tid gitt for infiltrering og temperaturen der infiltreringen skjer. For eksempel, for at infiltreringen av den smeltete aluminium-metallmatrise skal skje spontant, kan aluminium legeres med minst 1 vekt%, og fortrinnsvis minst 3 vekt%, magnesium (som virker som forløperen til infiltreringsmidlet), basert på

legeringens vekt. Hjelpende legeringselementer, som diskutert ovenfor, kan også

inkluderes i metallmatrisen for å tilpasse spesifikke egenskaper. I tillegg kan hjelpende legeringselementer påvirke den minimale mengde magnesium som er påkrevet i aluminium-metallmatrisen for å resultere i spontan infiltrering av fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet. Tap av magnesium fra det spontane systemet som er forårsaket av, f.eks., fordamping, bør ikke skje i slik grad at det ikke vil være noe magnesium tilstede til å danne infiltreringsmiddel. Det er på denne måten ønskelig å anvende en tilstrekkelig mengde av initielle legerende elementer for å sikre at spontan infiltrering ikke vil påvirkes negativt ved fordamping. Videre kan nærværet av magnesium i fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet og metallmatrisen eller fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet alene resultere i en reduksjon i den mengde magnesium som er påkrevet i for å oppnå spontan infiltrering (diskutert i nærmere detalj senere).

Volumprosenten av nitrogen i nitrogenatmosfæren kan også påvirke dannelseshastigheten av metallmatrise-komposittlegemet. Mer spesifikt, hvis mindre enn 10 vol% nitrogen er tilstede i den infiltrerende atmosfære, vil infiltrasjonen skje svært seint eller lite spontant. Det er kommet for dagen at den foretrukkete andel av nitrogen i atmosfæren er minst 50 vol%, noe som resulterer i, f.eks., en kortere infiltreringstid forårsaket av høyere hastighet for infiltrering. Den infiltrerende atmosfære (f.eks. en nitrogenholdig gass) kan forsynes direkte til fyllmaterialet eller preforma og/eller metallmatrisen, eller den kan produseres eller resultere fra en dekomponering av et materiale.

Det minimale magnesiuminnholdet som er påkrevet for at smeltet metallmatrise skal kunne infiltrere et fyllmateriale, avhenger av én eller flere faktorer som f.eks. prosesstemperaturen, tiden, nærværet av hjelpende legeringselementer som silisium eller sink, fyllmaterialets egenskaper, lokaliseringen av magnesium i én eller flere komponenter av det spontane system, nitrogeninnholdet i atmosfæren, og nitrogenatmosfærens flythastighet. Lavere temperaturer eller kortere oppvarmingstider kan anvendes for å oppnå fullstendig infiltrering mens magnesiuminnholdet i legeringen og/eller fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale økes. For et gitt magnesiuminnhold kan også tilsats av visse hjelpende legeringselementer slik som sink tillate bruk av lavere temperaturer. For eksempel kan et magnesiuminnhold i den lavere del av operasjonsområdet, dvs. fra 1 til 3 vekt%, anvendes i forbindelse med i det minste én av de følgende: en prosesstemperatur over det minimale, en høy konsentrasjon av nitrogen eller ett eller flere hjelpende legeringselementer. Når magnesium ikke blir tilsatt fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale, er legeringer med 3 til 5 vekt% magnesium å foretrekke på basis av deres generelle nytte over et vidt spekter av prosessbetingelser, der minst 5% er å foretrekke ved bruk av lavere temperaturer og kortere tid. Magnesiuminnhold over 10 vekt% i aluminiumlegeringen kan anvendes til å moderere de påkrevde temperaturbetingelsene for infiltrering. 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 spesifisert ovenfor. Det var f.eks. praktisk talt ingen infiltrering av nominelt ren aluminium, som kun var legert med 10% silisium, ved 1000°C inn i plater på 30 fim (500 mesh), 39 Crystolon (99% ren silisiumkarbid fra Norton Co.). Uansett har en oppdaget at silisium framskynder infiltreringsprosessen i nærvær av magnesium. Som et videre eksempel varierer mengde magnesium hvis det er tilsatt utelukkende til preforma, fyllmaterialet eller det tredimensjonalt forbundete materiale. Det er blitt oppdaget at spontan infiltrering vil skje med en mindre vektprosent magnesium tilsatt til det spontane system når i det minste noe av den totale tilsatte mengde magnesium er lokalisert i preforma, fyllmaterialet eller det tredimensjonalt forbundete materialet. Det kan være ønskelig å tilsette en mindre mengde magnesium for å hindre dannelsen av uønskete intermetallinske komponenter i metallmatrise-komposittlegemet. I tilfellet med silisiumkarbid-preform, er det blitt oppdaget at når preforma bringes i kontakt med en aluminium-metallmatrise, infiltrerer metallmatrisen preforma spontant, der preforma inneholder minst 1 vekt% magnesium og er i nærvær av en atmosfære som i hovedsak består av ren nitrogen. I tilfellet med ei alumina-preform, er mengden magnesium som er påkrevet for å oppnå akseptabel spontan infiltrering noe høyere. Spesielt er det funnet at når ei alumina-preform, når brakt i kontakt med en tilsvarende aluminium-metallmatrise, ved omlag den samme temperatur som med aluminium som infiltrerte silisiumkarbid preforma, og i nærvær av den samme nitrogenatmosfære, kan minst 3 vekt% magnesium være påkrevet for å oppnå tilsvarende spontan infiltrering som oppnådd for silisiumkarbid-preforma diskutert umiddelbart ovenfor.

Det er også observert at det til det spontane systemet er mulig å tilsette infiltreringsmiddel-forløper og/eller infiltreirngsmiddel på ei overflate av legeringen og/eller på ei overflate på preforma, fyllmaterialet eller det tredimensjonalt forbundete materialet, og/eller i preforma, fyllmaterialet eller det tredimensjonalt forbundete materialet forut for infiltrering av metallmatrisen inn i fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale (dvs, det er ikke nødvendig at infiltreirngsmidlet eller forløperen til dette legeres med metallmatrisen, men heller tilsettes til det spontane systemet). Hvis magnesium blir anbrakt på ei overflate av metallmatrisen, er det å foretrekke at den nevnte overflata bør være den som er nærmest, eller fortrinnsvis i kontakt med, den permeable massen med fyllmateriale eller omvendt; slikt magnesium kan ellers blandes inn i minst en del av preforma, fyllmaterialet eller det tredimensjonalt forbundete materiale. Videre er det mulig at en kombinasjon av overflate- anvendelse, legering og lokalisering av magnesium inn i minst en del av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet kan brukes. En slik kombinasjon i bruken av infiltreringsmiddel(er) og/eller forløper(e) til denne kan resultere i en reduksjon i den totale vektprosent magnesium som er påkrevet for å tillempe infiltrering av aluminium-metallmatrise inn i fyllmaterialet, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materiale, så vel som oppnåelsen av lavere temperaturer der infiltreringen skjer. Mengden av uønskete intermetalliske forbindelser som dannes på grunn av nærværet at magnesium kan dessuten 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 jern som er inkludert i legeringen eller anbrakt på ei overflate av legeringen, anvendes for å redusere infiltreringstemperaturen, og dermed redusere mengden av nitriddannelse, mens derimot en økning i 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, preforma, eller det tredimensjonalt forbundete materialet, 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 preforma, fyllmaterialet, eller det tredimensjonalt forbundete materialet, 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 bevirke den spontane infiltrasjonsprosess i denne oppfinnelsen kan være lavere: (1) når magnesiuminnholdet i legeringen alene blir økt, f.eks. til minst 5 vekt%; og/eller (2) når legerende bestanddeler blir blandet med den permeable massen av fyllmateriale, preform, eller tredimensjonalt forbundet materiale; 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 å være fra 675°C til 1200°C. Uansett, som en generell regel er den spontane infiltrasjonstemperatur en temperatur som er over smeltepunktet for metallmatrisen men under fordampingstemperaturen for metallmatrisen. Den spontane infiltreringstemperatur bør dessuten være under smeltepunktet for fyllmaterialet eller preforma men ikke nødvendigvis under smeltepunktet for det tredimensjonalt forbundete materialet (f.eks. som demonstrert i eksempel 2, kan det tredimensjonalt forbundete materiale omfatte et metall med en slags form for støtte slik at det kan opprettholde sin tredimensjonale forbundete geometri over dets smeltepunkt). Videre, ettersom temperaturen økes, vil tendensen til å danne et reaksjonsprodukt mellom metallmatrisen og den infiltrerernde 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 avhengig av de ønskete anvendelser av metallmatrise-komposittlegemet. I tillegg er oppvarming med elektrisk motstand typisk brukt til å nå infiltreringstemperaturen. Imidlertid er enhver metode for oppvarming, som kan smelte metallmatrisen og som ikke påvirker den spontane infiltrasjonen på en negativ måte, god nok til bruk innen oppfinnelsen.

I den foreliggende framgangsmåten kommer, f.eks., et permeabelt fyllstoff, preform, eller tredimensjonalt forbundet materiale 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 en av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale 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 i legerings-matrisen, og også for å sikre mot eller forhindre tilførsel av luft som kan ha en oksiderende effekt på det smeltete metallet.

Framgangsmåten for tilvirking av en metallmatrise-kompositt er anvendbar for et stort utvalg av fyllmaterialer, og valget av fyllmateriale vil være avhengig av slike faktorer som matriselegeringen, prosessbetingelsene, reaktiviteten av den smeltete matriselegering med fyllmaterialet og de søkte egenskapene til det endelige komposittproduktet. For eksempel, når aluminium er metallmatrisen, kan passende fyllmaterialer være (a) oksider av, f.eks. aluminium, (b) karbider, f.eks. silisiumkarbid; (c) borider, f.eks. aluminiumdodekaborid (d) nitrider, f.eks. aluminiumnitrid. Hvis fyllmaterialet har en tendens til å reagere med den smeltete aluminium-metallmatrise, kan det være å anbefale at en minimaliserer infiltrasjonstiden og temperaturen, eller at en anvender et ureaktivt belegg på fyllmaterialet. Fyllmaterialet kan utgjøre et substrat, slik som karbon eller et annet ikke-keramisk materiale, som bærer et keramisk belegg for å beskytte substratet mot angrep eller degradering. Passende keramiske belegg kan være oksider, karbider, borider og nitrider. Keramer som er foretrukket til bruk innenfor denne framgangsmåten inkluderer alumina og silisiumkarbid i form av partikler, plater, whiskers og fibre. Fibrene kan være i en diskontinuerlig form (knuste) eller i form av et kontinuerlig filament eller buntete filamenter. Videre kan fyllmaterialet eller preforma være homogent eller heterogent.

Det er også blitt oppdaget at visse fyllmaterialer framviser forbedret infiltrasjon i forhold til fyllmaterialer med en liknende kjemisk sammensetning. F.eks. framviser knuste aluminalegemer laget i henhold til framgangsmåten i NO-A-851011 bedre egenskaper for infiltrasjon i forhold til kommersielt tilgjengelige aluminaprodukter. Dessuten framviser også knuste aluminapartikler laget i henhold til framgangsmåten i NO-A-860362 ønskede infiltrasjonsegenskaper i forhold til kommersielt tilgjengelige aluminaprodukter. Det er på denne måten oppdaget at fullstendig infiltrering av en permeabel masse av keramisk materiale kan skje ved lavere infiltrasjonstemperaturer og/eller kortere infiltrasjonstider ved anvendelse av knuste eller smuldrete artikler produsert i henhold til framgangsmåtene i de forannevnte patentsøknadene.

Størrelsen og formen av fyllmaterialet kan velges fritt i henhold til hva som kreves for å oppnå de ønskete egenskaper i kompositten. Fyllmaterialet kan på denne måten være i form av partikler, whiskers, plater eller fibre siden infiltrasjonen ikke er begrenset av fyllmaterialets form. Andre geometrier slik som sfærer, rør, pellets og ildfaste fiberduker kan også brukes. I tillegg er infiltrasjonen ikke begrenset av fyllmaterialets størrelse, selv om en høyere temperatur eller lengre tidsperiode kan være påkrevet for å fullende infiltrering av en masse med mindre partikler enn for større partikler. Videre bør massen av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet som skal infiltreres være permeabelt (det vil si permeabelt for smeltet metallmatrise og for den infiltrerende atmosfære). Framgangsmåten for tilvirking av metallmatrise-kompositter i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, som ikke er avhengig av trykk for å tvinge eller presse smeltet metallmatrise inn i ei preform, masse av fyllmateriale eller tredimensjonalt forbundet materiale, tillater produksjon av praktisk talt uniforme metallmatrise-kompositter med en høy volumfraksjon av fyllmateriale og lav porøsitet. Høyere volumfraksjoner av fyllmateriale kan oppnås ved bruk av en initiell masse med fyllmateriale som har lavere porøsitet. Høyere volumfraksjoner kan også oppnås hvis massen av fyllmateriale blir pakket sammen eller på annen måte gjort mere kompakt, forutsatt at massen ikke blir omgjort til enten et kompakt med tett celleporøsitet eller med en fullstendig tett struktur som ville forhindre infiltrering av den smeltete

metallmatrise.

Det er blitt observert at ved infiltrering av aluminium og matrisedannelse rundt en keramisk fyller kan fukting av den keramiske fyller med aluminium-metallmatrise utgjøre en viktig del av infiltreringsmekanismen. Ved lave prosesstemperaturer skjer dessuten en neglisjerbar eller minimal grad av metallnitirdisering med en mimal diskontunierlig fase av aluminiumnitrid dispergert i metallmatrisen som resultat. Imidlertid, mens den øvre grense av temperaturområdet blir nådd, vil nitridisering av metallet lettere kunne skje. På denne måten kan mengden av nitridfasen i metallmatrisen kontrolleres ved å variere prosesstemperaturen der infiltreringen skjer. Den spesifikke prosesstemperatur der nitriddannelse kommer til uttrykk, varierer også med slike faktorer som den aluminium legeringsmatrise som blir brukt og dens kvantitet i forhold til volumet av fy Ueren, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale, materialet som skal infiltreres, og nitrogenkonsentrasjonen i den infiltrerende atmosfære. For eksempel er graden av aluminiummitrid-dannelse, ved en gitt prosesstemperatur, antatt å tilta mens legeringens evne til å fukte fylleren eller det tredimensjonalt forbundete materiale avtar og mens nitrogenkonsentrasjonen i atmosfæren øker.

Det er derfor mulig å tilpasse karakteristikken av metallmatrisen under dannelsen av kompositten for å tildele visse karakteristikker til det endelige produktet. For et gitt system kan prosessbetingelsene velges for å kontrollere nitriddannelse. Et komposittprodukt som inneholder en fase med aluminiumnitrid vil oppvise visse egenskaper som kan være gunstig for eller forbedre ytelsen av produktet. Videre kan temperaturområdet for spontan infiltrering med en aluminiumlegering variere med det materiale som skal infiltreres. I tilfellet med alumina som fyllmateriale, bør temperaturen under infiltreringen fortrinnsvis ikke overstige 1000°C hvis det er et ønske at duktiliteten av matrisen ikke reduseres av signifikant nitriddannelse. Imidlertid kan temperaturer over 1000°C anvendes hvis det er et ønske å produsere en kompositt med en mindre duktil og stivere matrise. For å infiltrere silisiumkarbid, anvendt som fyller, kan en anvende høyere temperaturer på omlag 1200°C siden aluminiumlegeringen nitridiseres i mindre grad enn hva tilfelle er når alumina blir anvendt som fyller.

Det er dessuten mulig å anvende et reservoar av metallmatrise for å sikre fullstendig infiltrering av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale, og/eller å forsyne et andre metall som har en sammensetning som er forskjellig fra den første kilde av metallmatrise. Det kan spesielt i noen tilfeller være ønskelig å anvende en metallmatrise i reservoaret som har forskjellig sammensetning fra den første kilden av metallmatrise. For eksempel hvis en aluminiumlegering er brukt som den første kilde av metallmatrise, kan faktisk andre metaller eller metall-legeringer, som blir flytende ved prosesstemperaturen, anvendes som reservoarmetallet. Smeltete metaller er ofte svært blandbare med hverandre, noe som kan resultere i at reservoarmetallet blandes med den første kilde av metallmatrise, hvis tiden er lang nok til å tillate blanding. Ved på denne måten å anvende et reservoarmetall som har forskjellig sammensetning fra den første kilde av metallmatrise, er det mulig å tilpasse egenskapene til metallmatrisen for å imøtekomme ulike operative krav og således tilpsase metallmatrise-komposittens egenskaper.

Et barrieremiddel kan også anvendes i kombinasjon med denne oppfinnelsen. Mer spesifikt kan barrieremidlene, som anvendes til bruk i den foreliggende oppfinnelsen, være ethvert passende middel som forstyrrer, forhindrer eller terminerer migrasjon, bevegelse, eller tilsvarende, av smeltet metallmatriselegering (f.eks. en aluminiumlegering) forbi den definerte overflategrense av fy Heren, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale. Passende barrieremidler kan være ethvert materiale, forbindelse, element, blanding eller tilsvarende, som, under prosessbetingelsene i denne oppfinnelsen, opprettholder en viss helhet, en ikke-flyktighet og som fortrinnsvis er permeabel for gassen som anvendes i prosessen, såvel som evne til lokalt å forstyrre, hindre el.l. fortsatt infiltrasjon eller enhver annen form for bevegelse forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet.

Passende barrieremidler kan være materialer som i hovedsak ikke er fuktbare av den migrerende smeltede legeringsmatrise under de anvendte prosessbetingelser. En barriere av denne type ser ut til å framvise lite eller ingen affinitet for den smeltete legeringsmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale, blir forhindret av barrieremidlet. Barrieremidlet reduserer enhver form for sluttmaskinering eller pussing, som kan være påkrevet for metallmatrise-komposittproduktet. Som fastslått ovenfor bør barrieremidlet fortrinnsvis være permeabelt eller porøst, eller gjort permeabelt ved punktering, for å tillate gassen å komme i kontakt med den smeltete legeringsmatrise.

Passende barrierer som er spesielt anvendbare til aluminium legeringsmatriser er de som inneholder karbon, spesielt den krystalliske allotropiske form av karbon som er kjent som grafitt. Grafitt er i hovedsak ikke fuktbar av den smeltete aluminiumlegering under de beskrevne prosessbetingelsene. En spesielt foretrukket grafitt er et grafittape-produkt som er solgt under handelsnavnet Grafoil, registrert av Union Carbide. Denne grafittapen framviser tettende karakteristikker som forhindrer migrasjon av smeltet aluminium forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale. Grafittapen er også motstandsdyktig overfor varme, og er kjemisk inert. Grafoil er fleksibel, sammenføybar, formbar og elastisk. Den kan bearbeides til mange ulike former som passer enhver anvendelse som barriere. Imidlertid kan et barrieremiddel av grafitt brukes i form av en slurry eller pasta eller selv som malingfilm rundt og på grensen av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materiale. Grafoil er spesielt å foretrekke fordi den er i en form av et fleksibelt grafittark. I bruk blir ganske enkelt den papirliknende grafitten formet rundt fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet.

Andre foretrukkete barrierer for aluminium-metallmatriselegeringer i nitrogen er boridene av overgangsmetallene (f.eks. titandiborid (TiBj)) som generelt ikke er fuktbar av den smeltete aluminium metallegering under visse prosessbetingelser som blir anvendt ved bruk av dette materialet. Med en barriere av denne typen bør prosesstemperaturen ikke overstige 875°C, da ellers barrieremetallet blir mindre virksomt, og ved økt temperatur vil faktisk infiltrasjon inn i barrieren kunne skje. Boridene av overgangsmetallene er typisk i form av partikler (1-30 fim). Barrierematerialet kan påføres som en slurry eller pasta på grensene av det tredimensjonalt forbundete materiale eller den permeable massen av keramisk fyllmateriale som fortrinnsvis på forhånd er formet som ei preform.

Andre anvendbare barrierer for aluminium-metallmatriselegeringer i nitrogen er lavflyktige organiske forbindelser påført som en film eller lag på den utvendige overflata av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet. Ved brenning i nitrogen, spesielt ved prosessbetingelsene i denne 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.

Dessuten kan finmalte partikkelformige materialer fungere som en barriere sålenge infiltrering av det partikkelformige materiale skjer med en hastighet som er lavere enn hastigheten for infiltrering av fyllmaterialet, preforma eller det tredimensjonalt forbundete materialet.

På denne måten kan barrieremidlet påføres på enhver passende måte, slik som ved å dekke den definerte overflategrense med et lag av barrieremidlet. Et slikt lag med barrieremiddel kan påføres ved maling, dypping, å la silketrykking, fordamping, eller på andre måter påføres i form av veske, slurry, pasta, eller ved påsprutning av et flyktig barrieremiddel, eller ganske enkelt ved å avsette et lag av fast partikkelformig barrieremiddel, eller ved å påføre et fast tynt lag eller film av barrieremiddel på den definerte overflategrense. Når barrieremidlet er på plass, vil den spontane infiltrasjon termineres når det infiltrerende matrisemetallet kommer fram til den definerte overflategrense og kommer i kontakt med barrieremidlet.

Ved bruken av de ovennevnte barrierematerialene i kombinasjon med den foreliggende metoden for spontan infiltrering av et tredimensjonalt forbundet materiale, valgfritt inneholdende et fyllmateriale, er det følgelig mulig å skape formede metallmatrise-komposittlegemer av ko-matriser av metall-metall eller metall-keramikk.

Når en metallmatrise-kompositt med ko-matriser av metall-metall er dannet, kan det originale tredimensjonalt forbundete metallet være ethvert metall, inkludert metaller som har smeltepunkt som kan være lavere enn smeltepunktet for den infiltrerende metallmatrise. Når smeltepunktet til det tredimensjonalt forbundete materialet er lavere enn smeltepunktet for den infiltrerende metallmatrise, må det imidlertid tilsettes eller formes et passende middel for støtte på det tredimensjonalt forbundete metallet for å tillate slikt materiale å beholde sin tredimensjonalt forbundete geometri under infiltreringstrinnet. For eksempel kan det tredimensjonalt forbundete materialet belegges med en substans som har et høyere smeltepunkt enn den infiltrerende metallmatrise og tilstrekkelig styrke til å inneholde det tredimensjonalt forbundete metallet mens det er i smeltet form. Andre teknikker for å anvende støttende midler til det tredimensjonalt forbundete metallet er demonstrert i eksempel 2, der den porøse del av det tredimensjonalt forbundete materialet ble fylt med en slurry som inneholdt materialer med et høyere smeltepunkt enn den infiltrerende metallmatrise. Ved tørking ga denne slurryen tilstrekkelig støtte for det tredimensjonalt forbundete metallet, som var flytende ved infiltreringstemperaturene, for dermed å tillate det nevnte materialet å beholde dets tredimensjonalt forbundete geometri under infiltreringstrinnet.

Det tredimensjonalt forbundete materiale kan alternativt omfatte et metall og/eller en keramikk med et høyere smeltepunkt enn den infiltrerende metallmatrise. Slike materialer vil typisk ikke kreve støttende midler for å beholde deres tredimensjonalt forbundete geometri under infiltreringstrinnet. For eksempel en tredimensjonalt forbundet matrise av jern kan på denne måten infiltreres av en metallmatrise med et smeltepunkt som er lavere enn smeltepunktet for jern. Det tredimensjonalt forbundete materialet kan tilsvarende omfatte en keramikk, slik som alumina eller silisiumkarbid, og et slikt keramisk materiale kan infiltreres av en metallmatrise som har et smeltepunkt som er lavere enn for det keramiske materialet.

Selv om den foreliggende oppfinnelsen har blitt beskrevet ved infiltrering av en metallmatrise inn i et enkelt tredimensjonalt forbundet materiale, valgfritt inneholdende fyllmateriale, bør det være forstått at det kan anvendes flere tredimensjonalt forbundete materialer under infiltreringstrinnet. For eksempel, et tredimensjonalt forbundet keramisk materiale kan på denne måten kombineres med et tredimensjonalt forbundet metall, og dette dobbeltsystemet kan infiltreres av en smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme med tre matriser (f.eks., tredimensjonalt forbundet keramikk, tredimensjonalt forbundet metall og infiltrert metallmatrise). I tillegg kan ett eller flere tredimensjonalt forbundete metaller og/eller keramiske materialer stables eller sidestilles på enhver måte slik at minst én kant av én av de tredimensjonalt forbundete materialene er i kontakt med en annen kant av det tredimensjonalt forbundete materialet, osv. Dette systemet kan deretter infiltreres med smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme som omfatter forskjellige ko- matriser i forskjellige deler av metallmatrise-kompositten. Det bør bemerkes at de ulike deler av metallmatrise-kompositten vil være utfyllende sammenbundet av metallmatrisen. Videre, for ethvert av de ovennevnte systemene kan et fyllmateriale forsynes i minst en del av den porøse del av de tredimensjonalt forbundete materialene, og fyllmaterialet kan infiltreres samtidig med infiltreringen av de tredimensjonalt forbundete materialene av metallmatrise.

Den foreliggende oppfinnelsen har blitt beskrevet med tredimensjonale materialer som har en porøsitet som i hovedsak er tilfeldig, det vil si ikke-retningsorientert. Av grunner som er åpenbare for de fagkyndige er materialer med stor grad av tilfeldig porøsitet mye vanskeligere å infiltrere med en smeltet metallmatrise enn de som har en retningsoirentert, f.eks. parallell, porøsitet. Den foreliggende oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til infiltrasjon i tilfeldig porøsitet. For visse produktanvendelser kan det være ønskelig med en ko-matrise av metall eller keramikk som har overveiende retningsorientert eller paralell porøsitet. For eksempel kan et tau av metallfibre, der hvert fiber er overveiende paralellt med de omgivende fibre og til en viss grad forbundet med slike omgivende fibre, spontant infiltreres med en smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme bestående av en tredimensjonalt forbundet ko-matrise med tredimensjonalt forbundet, men parallelle, metallfibre. Alternativt kan en serie gjennomhullete aluminamaterialer ("honeycombs") arrangeres slik at den gjennomhullete ("honeycomb") porøsitet i hvert lag av gjennomhullete aluminamaterialer blir overveiende retningsorientert. De gjennomhullete materialene kan deretter fylles med et fyllmateriale og deretter infiltreres med en smeltet metallmatrise til å danne en metallmatrise-kompositt inneholdende en tredimensjonalt forbundet keramisk matrise, eller en serie av tredimensjonalt forbundete keramiske matriser, omgitt av en forbundet metallmatrisekompositt.

Som vist i figur 2 kan metallmatrisen framvise overveiende fullstendig infiltrering av all tilgjengelig porøsitet innen det tredimensjonalt forbundete materialet. Metallmatrisen kan på denne måten ikke bare infiltrere den porøse delen i den tredimensjonalt forbundete konstruksjonen, men den kan også infiltrere den porøse delen i materialet som omfatter den tredimensjonalt forbundete konstruksjon. For eksempel, hvis en tredimensjonalt forbundet aluminakonstruksjon blir anvendt som det tredimensjonalt forbundete materiale, kan metallmatrisen infiltrere både makro-porøsiteten i selve aluminakonstruksjonen og mikro-porøsiteten i det aktuelle aluminamateriale. Denne praktisk talt fullstendige infiltrering resulterer i en fortreffelig binding mellom metallmatrisen og den tredimensjonalt forbundete konstruksjonen. Videre, når en tredimensjonalt forbundet metallkonstruksjon blir anvendt, kan metallmatrisen danne legeringer eller intermetalliske forbindelser med det tredimensjonalt forbundete metallet, og på denne måten skape en binding mellom metallmatrisen og den tredimensjonalt forbundete metallkonstruksjonen.

I tillegg til bruken av tredimensjonalt forbundete metaller og keramiske materialer, kan den foreliggende framgangsmåten anvendes i kombinasjon med tredimensjonalt forbundete materialer dannet ved teknikkene som er beskrevet i f.eks. NO-A-851011, NO-A-860362, NO-A-871337, NO-A-870312 og NO-A-873800.

Keramikkene og de keramiske komposittlegemer som er produsert i henhold til framgangsmåtene i de ovennevnte søknadene kan anvendes som det tredimensjonalt forbundete materiale som skal infiltreres av metallmatrisen. Det resulterende metallmatrise-komposittlegeme ville på denne måten omfatte en metallmatrise som omgir en tredimensjonalt forbundet unik keramikk eller keramisk komposittmateriale. Hvis en tilstrekkelig mengde metallmatrise blir formet i keramen eller de keramiske komposittlegemer, kan et slikt legeme forventes å ha en høyere bruddseighet enn keramen eller det keramiske komposittlegeme alene, og generelt kan mange egenskaper forbedres ved kombinasjonen av de fordelaktige egenskapene til den unike keramen eller keramiske komposittmatrise og de fordelaktige egenskapene til metallmatrisen.

Eksempel 1

Dette eksemplet viser at det er mulig å infiltrere en tredimensjonal keramisk matrise spontant med en metallmatrise til å danne en metallmatrise-kompositt som inkluderer en tredimensjonal forbundet keramisk matrise.

Et ca. 25x38x13 mm stor keramisk filter bestående av ca. 99.5% ren aluminiumoksid og med ca. 18 porer per mm, ble framskaffet fra High Tech Ceramics of Alfred, New York. Som vist i figur 1, ble det keramiske filteret (2) plassert i bunnen av en aluminabeholder (4) og en barre (5) av en aluminiumlegering, med omtrentlige dimensjoner på 25x25x13 mm og bestående av ca. 5 vekt% silisium, 6 vekt% sink, 10 vekt% magnesium og resten aluminium, ble plassert på toppen av aluminafilteret (2). Oppsettet, bestående av den ildfaste aluminabeholderen (4) med innhold ble plassert i en rørovn ved romtemperatur. Ovnsdøra ble deretter lukket, og prosessgassen (96 vol% nitrogen og 4 vol% hydrogen) ble tilført ovnen med en flythastighet på omlag 250 cnvVmin. Ovnstemperaturen ble deretter hevet med ca. 150°C/time til ca. 775°C; holdt ved ca. 775°C i ca. 7 timer; og deretter senket med ca. 200°C/time til romtemperatur. Etter at oppsettet var fjernet fra ovnen ble det avdekket en metallmatrise-kompositt. Metallmatrise-kompositten ble tverrsnittet, og et mikrofotografi av mikrostrukturen ble tatt. Dette mikrofotografiet er vist i figur 2.

Som vist i figur 2, ble det oppnådd fullstendig infiltrering av metallmatrise (6) inn i den porøse del av det keramiske filteret (8). Som indikert av linjene (10) merket i figur 2, var dessuten infiltrasjonen av metallmatrise (6) så fullstendig at den infiltrerte porøsiteten i aluminakomponenten i det keramiske filteret (8).

Eksempel 2

Dette eksemplet viser at det er mulig å innarbeide en preformet tredimensjonalt forbundet metallkonstruksjon i en metallmatrise-kompositt dannet ved spontan infiltrering. Dette eksemplet viser i tillegg at det er mulig å infiltrere et tredimensjonalt forbundet materiale spontant som er smeltet ved infiltreringstemperaturen, så lenge der finnes midler til støtte som vedlikeholder den tredimensjonalt forbundete geometrien i materialet under infiltreringstrinnet (f.eks., det støttende midlet i dette eksemplet var en tørket slurry av alumina og silisiumkarbid).

Et stykke av et gjennomhullet ("honeycomb") aluminamateriale, laget av 5052 legering fra American Cyanamid Company og solgt under handelsnavnet Dura-Core og med omtrentlige dimensjoner på 95x29x25 mm, ble plassert i en boks med omtrentlige dimensjoner på 95x29x51 mm, konstruert av en ca. 0.38 mm tykk grafitt-tape (GTB grade, produsert av Union Carbide og solgt under handelsnavnet Grafoil). Boksen ble laget ved å sammenhefte passende store seksjoner av Grafoil og forsegle sømmene av Grafoil-boksen med en slurry laget ved å blande grafittpulver (grade KS-44 fra Lonza, Inc.) og kollidal silika (Ludox HS fra DuPont).

Vektforholdet mellom grafitt og kolloidal silika var ca. 1:3. I henhold til figur 3, ble boksen (12) med det gjennomhullete aluminium-materialet (14) plassert på toppen av ei stålplate (16) som var lagt i en ildfast grafittbeholder (18). Stålplata (16), som hadde omtrentlige dimensjoner på 127x76x2.5 mm, plassert på toppen av et ca. 1.3 mm tykt lag (25) av et 0.7 mm (24 grit) aluminamateriale solgt under handelsnavnet Alundum. Etter at Grafoil-boksen (12) med det gjennomhullete aluminium-materialet (14) var plassert på toppen av stålplata (16), ble en pastaliknende slurry av 0.17 mm (90 grit) silisiumkarbid fra Norton Co., og kolloidal alumina (Nyacol Al-20) helt ned i Grafoil-boksen (12) til det gjennomhullete aluminium-materialet (14) var fylt med slurryblandingen. Det omtrentlige vektforholdet mellom kolloidal alumina og silisiumkarbid var ca. 70:30. Som vist i figur 4, ble en barre (22) av aluminiumlegering med dimensjoner på ca. 76x38x13 mm og bestående av ca. 12 vekt% silisium, 5 vekt% sink, 6 vekt% magnesium og resten aluminium, plassert på toppen av den slurryfylte gjennomhullete konstruksjon av aluminium (24), etter at slurryen hadde tørket i den ovennevnte konstruksjonen. Ekstra 0.7 mm (24 grit) Alundum ble deretter tilsatt i grafittbeholderen (18) inntil nivået av Alundum (26) var i flukt med toppen av Grafoil-boksen (12).

Oppsettet, bestående av grafittbeholderen med innhold, ble plassert i en elektrisk ovn med kontrollert atmosfære (f.eks. en vakuumovn) ved romtemperatur. Ovnen ble deretter evakuert til høyt vakuum (lxlQ<4> torr) ved romtemperatur. Ovnen ble deretter varmet opp til ca. 200°C i løpet av en 45 minutters periode og holdt ved ca. 200°C i ca. 2 timer. På dette tidspunktet ble ovnen etterfylt med nitrogengass til et trykk på ca. 1 atmosfære, og systemet ble tilført en kontinuerlig strøm av nitrogengass med en mengde på ca. 2 liter/min. Temperaturen i ovnen ble deretter hevet til ca. 850°C i løpet av ca. 5 timer og holdt ved ca. 850°C i ca. 25 timer. Etter varmeperioden på ca. 25 timer, ble ovnen slått av og kjølt ned på naturlig vis til romtemperatur. Oppsettet ble tatt ut av ovnen ved romtemperatur og tatt fra hverandre. En metallmatrise-kompositt med en tredimensjonalt forbundet ko- matrise av gjennomhullet materiale ble oppnådd. Ved å utsette metallmatrise-kompositten for sliping, ble den tredimensjonalt forbundete ko-matrise av gjennomhullet metall avdekket. Figur 5 er et fotografi tatt i perspektiv (dvs. av topp og side) av den bearbeidde metallmatrise-kompositt hvor den eksponerte gjennomhullete aluminiummatrise er merket (30) og det spontant infiltrerte slurrymateriale er merket (32). Figur 6 er et fotografi av undersida av den bearbeidde metallmatrise-kompositt med den gjennomhullete aluminiummatrise merket (30) og den infiltrerte slurry merket (32). I følge figur 5 og 6 er det åpenbart at den tredimensjonalt forbundete gjennomhullete aluminiummatrise i den endelige metallmatrise-kompositten framviser en nærmest ren gjenskapning av formen. I tillegg var metallmatrise-materialet dannet ved spontan infiltrering av metallmatrise inn i slurrymaterialet gjennombundet med den tredimensjonalt gjennomhullete aluminiummatrise. Metallet i det gjennomhullete aluminium og metallet i det infiltrerte slurrymaterialet former på denne måten en kontinuerlig og forbundet metallmatrise gjennom metallmatrise-kompositten. Det gjennomhullete aluminium opptrer dessuten som en ko-matrise av fast metall som inneholder intet eller svært lite partikkelformig materiale. Dette er viktig for seigheten av den endelige metallmatrise-kompositten på grunn av at områdene med fast metall kan opptre som sprekk-hemmere som forhindrer forplantning av sprekker under belastning. Det er på denne måten antatt at denne metallmatrise-kompositten

Claims

vil framvise økt seighet på grunn av armeringen av metallmatrise-kompositten med den tredimensjonalt forbundete gjennomhullete aluminium-ko-matrise. Patentkrav 1. Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt, hvilken framgangsmåte omfatter: framskaffe et matrisemetall (5,22), framskaffe et hovedsakelig ureaktivt permeabelt materiale (2,14,24), varme matrisemetallet (5,22) til en temperatur over dets smeltepunkt for å danne en smeltet masse av matrisemetall,karakterisert ved å: framskaffe det permeable materialet (2,14,24) i form av et tredimensjonalt forbundet porøst materiale med sterkere selvbindingsgrad enn det som oppnås via partiell kalsinering eller ved tilsats av bindemidler, idet materialet (2,14,24) valgfritt omfatter et fyllmateriale anbrakt i det minste i en del av porene i det tredimensjonalt forbundete materialet, framskaffe et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper for infiltreirngsmiddel og/eller en infiltrerende atmosfære som kommuniserer med det tredimensjonalt forbundete materialet (2,14,24), matrisemetallet (5,22) og fyllmaterialet på i det minste ett tidspunkt under prosessforløpet og tillater at det smeltete matrisemetallet spontant infiltrerer det permeable materialet, kontakte det smeltete matrisemetallet (5,22) med det tredimensjonalt forbundete materialet (2,14,24) og/eller fyllmaterialet, infiltrere i det minste en del av det tredimensjonalt forbundete materialet, og valgfritt fyllmaterialet, med det smeltete matrisemetall, og avkjøle matrisemetallet i det tredimensjonalt forbundete materialet for slik å framskaffe en kompositt omfattende en metallmatrise (6) og en matrise (8) av det tredimensjonalt forbundete materialet.
2. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at infiltreringsmidlet og/eller forløperen for infiltreringsmidlet tilføres matrisemetallet (5,22), fyllmaterialet, det tredimensjonalt forbundete materialet (2,14,24) eller den infiltrerende atmosfære, eller en kombinasjon av disse.
3. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at infiltreirngsmidlet framskaffes ved å reagere en forløper for infiltreirngsmiddel med matrisemetallet, fyllmaterialet, det tredimensjonalt forbundete materialet eller den infiltrerende atmosfære, eller en kombinasjon av disse.
4. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at i det minste ei overflategrense av det tredimensjonalt forbundete materialet (24) defineres av en barriere (12), slik at det smeltete matrisemetallet (22) infiltrerer spontant fram til barrieren.
5. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det som fyllmateriale anvendes pulver, flak, oblater, mikrosfærer, whiskers, bobler, fiber, partikler, fibermatter, knuste fibre, sfærer, pellets, rør og/eller ildfaste duker.
6. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det tredimensjonalt forbundete materialet som anvendes omfatter keramikk og/eller metall.
7. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at temperaturen under den spontane infiltreringen innstilles under matrisemetallets fordampningstemperatur, fyllmaterialets smeltepunkt og smeltepunktet for det tredimensjonalt forbundete materialet.
8. Framgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det tredimensjonalt forbundete materialet som anvendes omfatter et metall med makroporøsitet og mikroporøsitet, idet porene i makroporøsiteten hovedsakelig fylles med fyllmateriale, slik at matrisemetallet spontant infiltrerer fyllmaterialet i makroporøsiteten og danner en legering med metallet i det tredimensjonalt forbundete materialet.