NO177487B - Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt og termoforming av samme - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt, slik det framgår av den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn

Kompositter 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 duktiliteten 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. Aluminium-metallmatrise-kompositter armert med keramiske materialer, slik som f.eks. silisiumkarbid i partikkelform, plateform, eller whiskersform, er interessante på grunn av deres

høyere stivhet, slitemotstand og høytemperaturstyrke i forhold til aluminium.

Ulike metallurgiske prosesser har blitt beskrevet for fabrikkering av aluminiummatrise-kompositter, inkludert framgangsmåter basert på pulver-metallurgiske prosesser og væske-metall-infiltreringsteknikker som anvender trykkstøping, vakuumstøping, røring og fuktemidler. Med pulvermetallurgiske teknikker blir metallet i form av et pulver og det armerende materiale i form av et 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 framgangsmåten 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, pålegges 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%. Press-operasjonen 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. Ujevn 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 inkorporering av en fibrøs armering, f.eks. silisiumkarbid- eller alumina-whiskers, 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 fibrene. 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 infiltreringsprosessen trykkinduserte flyteprosesser, dvs. mulig ujevn matrisedannelse, porøsitet etc. Ujevne egenskaper er mulig, selv om smeltet metall kan introduseres i en mangfoldighet av posisjoner i fiberarrangementet. 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 framgangsmåten med trykkinfiltrering tillater kun en forholdsvis lav volumfraksjon med 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 aluminium-matrise-alumina fylte 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 tilnærming kan være å belegge alumina med et metall (f.eks. nikkel eller wolfram), som deretter varmpresses sammen med aluminium. I en annen teknikk er aluminium legert med litium, og alumina kan belegges med silika. Disse komposittene framviser imidlertid 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 man må regne med i produksjon av aluminium-matrise-alumina kompositter. Dette patentskriftet beskriver anvendelse av trykk på 75-375 kg/cm<2>for å tvinge smeltet aluminium (eller smeltet aluminiumlegering) inn i en fiber- eller whiskersmatte av alumina som er blitt forvarmet fra 700 til 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 patentskrift.

EP patentpublikasjon 115742 beskriver produksjon av aluminium-alumina kompositter, spesielt anvendbare som elektrolytiske cellekomponenter, ved fylling av hulrommene i en preformet aluminamatrise med smeltet aluminium. Denne utførelse 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 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 publikasjonen viser også anvendelse av trykk for å penetrere smeltet aluminium i en ubelagt matrise. I denne sammenheng oppnås infiltrering ved evakuering av porene for deretter å anvende trykk på den 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 bevirke infiltrering av en aluminakomponent i en elektrolytisk celle med smeltet metall er også vist i Europeisk patentsøknad nr 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 med ei blanding av et fuktemiddel og løselighetsdemper forut for oppstart av cellen eller mens det er neddykket i den 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 nyttige til å undertrykke løseligheten av fuktemidlene i smeltet aluminium. I publikasjonen 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. rapporterer US patentskrift 3.718.441 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 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. Imidlertid ble det 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, med kompaktet av A1B12"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 ved like i en periode på 3 timer. Ved disse betingelsene penetrerte det smeltete aluminium det porøse A1B12- 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 gjenvinnes, som mest sannsynlig ville kreve gjentatt bearbeiding 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 ikke finnes noen anordning for infiltrering av et løst eller stykkformet 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 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 omfanget 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 patentsøknad 882093 (publisert etter foreliggende søkands prioritetsdato). I henhold til denne framgangsmåten er det produsert en metallmatrise-kompositt ved infiltrering av en permeabel masse av et fyllmateriale (f.eks. et keramisk 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 valgfri del 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 infiltreringen å fortsette til fyllmaterialets grenser. Mengden fyllmateriale i aluminiummatrise-kompositter produsert i henhold til framgangsmåten i den sistnevnte oppfinnelsen 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 diskontinuerlig 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 komposittens egenskaper. For anvendelse som sluttprodukt kan det 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 av en balanse mellom infiltreringskinetikk og nitriddannelse.

Et eksempel på passende barrieremidler til bruk for metallmatrise-kompositt-dannelse er beskrevet i NO patentsøknad 890014 (publisert etter foreliggende søkands prioritetsdato). I henhold til framgangsmåten i denne søknaden er et barrieremiddel (f.eks. partikkelformig titan diborid 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 fram til grensen som er definert av barrieremidlet. Barrieremidlet blir brukt til å forhindre eller avslutte infiltrering av den smeltete legering, og dermed framskaffe ei ren eller tilnærmet ren overflate av den resulterende metallmatrise-kompositten. I henhold til dette har de dannete metallmatrise-komposittlegemer en ytre form som i hovedsak tilsvarer den indre overflata av barrieremidlet.

Som beskrevet i f.eks. NO patentskrift 176185, 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. Spesielt, under betingelsene beskrevet i denne patentpublikasjonen, 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 utførelse av den foreliggende oppfinnelsen, og det er ikke nødvendig å kombinere reservoarutførelsen med hver av de gjensidige utførelser 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 én side av denne for å definere en overflategrense.

Dessuten, mens tilsatsen av smeltet legeringsmatrise i det minste burde være tilstrekkelig til å tillate spontan infiltrering å fortsette i hovedsak til grensene (dvs. 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

Hovedformålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for framstilling av en metallmatrisekompositt som tillater en effektiv framstilling og muliggjør påfølgende bearbeiding uten å endre komposittens egenskaper på en negativ måte, eller som selv fremmer komposittens egenskaper etter bearbeiding.

Oppfinnelsen

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

En metallmatirsekomositt framstilles ved spontant å infiltrere en permeabel masse av fyllmateriale eller ei preform med en smeltet metallmatrise. Det infiltrerte fyllmateriale eller preforma blir deretter termoformet ved en passende teknikk. Nærmere beskrevet kommuniserer et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til et infiltreringsmiddel og/eller en infiltrerende atmosfære med fyllmaterialet eller ei preform, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å spontant infiltrere fyllmaterialet eller preforma. Etter dannelsen av metallmatrise-komposittlegemet blir legemet underlagt en termoformingsteknikk slik

som valsing, ekstrudering, kokillestøping, smiing, stansing, pressing osv.

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

Straks spontan infiltrering av preforma eller fyllmaterialet er oppnådd, kan deretter den infiltrerte preforma eller fyllmaterialet underlegges en termoformingsteknikk. Slike termoformingsteknikker kan utføres f.eks. ved metallmatrisens smeltegrense-temperatur i metallmatrise-komposittlegemet eller selv over smeltegrense-temperaturen. Det er viktig å merke seg at det infiltrerte metallmatrise-komposittlegeme opprettholder dens form ved eller selv over metallmatrisens smeltetemperatur på grunn av nærværet av infiltrert fyllmateriale eller preform.

Metallmatrise-komposittlegemet kan nedkjøles fullstendig og deretter varmes opp til omtrentlig metallmatrisens smeltegrense-temperaturen (eller over) for deretter å termoformes i en etterfølgende prosess. Alternativt kan det spontant infiltrerte legemet kjøles ned etter spontan infiltrering til omtrentlig smeltegrense-temperaturen og i det vesentlige umiddelbart termoformes. Dessuten kan midlertidige legemer slik som blokker formes og deretter varmes på nytt for ytterligere termoforming. Den spontant infiltrerte metallmatrise-kompositten framstilt ifølge oppfinnelsen framviser bearbeidbare karakteristikker tilsvarende metaller eller intermetalliske materialer mens den opprettholder de grunnleggende fordelaktige egenskaper som er forbundet med de viste metallmatrise-kompositter.

Dessuten er den gunstige termoformingen i den foreliggende oppfinnelsen utført uten å øke materialets defekter eller mangler, og i noen tilfeller kan den resultere i en reduksjon i slike defekter eller mangler. Nærmere beskrevet kan sekundær prosessering resultere i en reduksjon i antallet og størrelsen av porene og i reparasjonen av brudd som er tilstede i legemet før sekundær prosessering bli utført. Overflater like gode som, og i noen anvendelser, bedre enn det ubehandlete legeme kan oppnås ved termoformingsteknikker.

Det bemerkes at denne teksten primært diskuterer aluminium-metallmatriser som, på ett eller annet tidspunkt under dannelsen av metallmatrise-komposittlegemet, kontaktes med magnesium, som virker som forløperen til infiltreringsmidlet, i nærvær av nitrogen, som virker som den infiltrerende atmosfære. Det spontane systemet metallmatrise/forløper til infiltreringsmiddel/infiltrerende atmosfære representert ved aluminium/magnesium/nitrogen framviser således spontan infiltrering. Andre systemer av metallmatrise/forløper til infiltreringsmiddel/infiltrerende atmosfære kan imidlertid også vise en liknende oppførsel som systemet aluminium/magnesium/nitrogen. For eksempel er liknende oppførsel med spontan infiltrering blitt observert for systemene aluminium/strontium/nitrogen, aluminium/sink/oksygen og aluminium/kalsium/nitrogen. I henhold til dette bør det være forstått at andre systemer av metallmatrise/forløper til infiltreringsmiddel/infiltrerende atmosfære kan vise en liknende oppførsel selv om aluminium/magnesium/nitrogen er det systemet som primært er diskutert herunder.

Når metallmatrisen omfatter en aluminium-legering, blir aluminium-legeringen kontaktet med ei preform som omfatter et fyllmateriale (f.eks. alumina eller silisium-karbid), der fyllmaterialet eller preforma er blandet sammen med, og/eller på ett eller annet tidspunkt i løpet av prosessen blir eksponert for, magnesium. I en foretrukket utførelse blir dessuten aluminium-legeringen og/eller preforma eller fyllmaterialet holdt i en atmosfære av nitrogen under i det minste en del av prosessen. Preforma vil bli spontant infiltrert, og graden av spontan infiltrering og dannelsen av metallmatrise vil variere med et gitt sett av prosessbetingelser inkludert f.eks. konsentrasjonen av magnesium tilført systemet (f.eks. i aluminium-legeringen og/eller i fyllmaterialet eller preforma og/eller i den infiltrerende atmosfære), størrelsen og/eller sammensetningen av partiklene i preforma eller fyllmaterialet, konsentrasjonen av nitrogen i den infiltrerende atmosfære, tid gitt for infiltrering og/eller temperaturen der infiltreringen skjer. Spontan infiltrering skjer typisk til en slik grad at fyllmaterialet eller preforma blir fullstendig omgitt eller innstøpt.

Definisjoner

" Aluminium" er å forstå som et hovedsakelig 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 " balanserende/ resterende ikke- oksiderende gass" menes enhver gass, som er tilstede i tillegg til den primære gassen som utgjør den infiltrerende atmosfære, som enten er 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 avslutter migrasjonen, bevegelsen, eller tilsvarende, av smeltet metallmatrise forbi en overflategrense i den permeable massen av fyllmaterialet eller preforma, 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 prosessbetingelsene 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).

Passende "barrieremidler" inkluderer videre 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 for den smeltete metallmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrense av massen av fyllmaterialet eller preforma 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., drillete hull eller punkteringer i barrieren, for å tillate gass å komme i kontakt med den smeltete metallmatrise.

" Ramme" eller " ramme av metallmatrise" viser 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 den får anledning til å kjølne. Det bør være forstått at rammen også typisk 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. Fyllstoffer kan framskaffes i ulike former og størrelser, som f.eks. pulvere, flak, plater, mikrosfærer, whiskers, bobler, etc, 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-modermetall. Fyllstoffer kan også inkludere metaller.

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

Med " infiltreringsmiddel" 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 mellom 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 forsynes direkte til i det minste én av flg.: 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 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 infiltreirngsmiddel 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 infiltreirngsmidlet å samvirke med den infiltrerende atmosfære og/eller preform eller fyllstoff og/eller metall. 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 eller preforma 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 eller preforma som forbedrer fukting; og/eller (3) en reaksjon mellom forløperen til infiltreirngsmidlet innen fyllmaterialet eller preforma som danner et fast, flytende eller gassformig infiltreirngsmiddel 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 det 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 fyllmateriale. 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" menes her et materiale som består av to- eller tredimensjonalt forbundet legering eller metallmatrise som har innhyllet ei preform eller masse av et 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" representerer her enhver beholder som kan huse eller holde på 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 infiltreirngsmidlet og/eller fyllmaterialet eller preforma på en måte som ville være signifikant ødeleggende for den spontane infiltrerings-mekanisme.

" Preform" eller " permeabel preform" representerer en porøs masse av fyller eller fyllmateriale 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 fyller, 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 fyller 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.

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

Med " termoforming" menes her den sekundære prosessering av en metallmatrise- kompositt ved eller over dens smeltegrense-temperatur, slik som valsing, ekstrudering, kokillestøping, preging, pressing eller enhver annen prosess som forårsaker at den tixiotrope metallmatrise-kompositten flyter.

De følgende figurene er laget for å hjelpe til i forståelsen av oppfinnelsen, og like tallhenvisninger er brukt i hver av figurene for å betegne like komponenter, når mulig der: figur 1 er et skjematisk tverrsnitt av et oppsett for framstilling av en spontant infiltrert metallmatrise-kompositt, og

figurere 2 og 3 er fotografier av overflata som ble oppnådd ved termoforming av en spontant infiltrert metallmatrise-kompositt med ei bekledningsskall-form av et polystyren-beger.

Den foreliggende oppfinnelsen angår tilvirking av en metallmatrise-kompositt ved spontan infiltrering av et fyllmateriale eller ei preform med smeltet metallmatrise. Nærmere beskrevet, et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til et infiltreringsmiddel og/eller en infiltrerende atmosfære kommuniserer med fyllmaterialet eller ei preform, i det minste på ett eller annet tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å spontant infiltrere fyllmaterialet eller preforma. Etter at spontan infiltrering av et fyllmateriale eller ei preform er oppnådd, blir det infiltrerte fyllmaterialet deretter termoformet i et etterfølgende behandlingstrinn.

I figur 1 er det vist et enkelt oppsett (10) for tilvirking av en spontant infiltrert metallmatrise-kompositt, som deretter kan termoformes. Nærmere beskrevet, en fyller eller preform (1), som kan bestå av ethvert passende materiale som diskutert i nærmere detalj nedenfor, blir plassert i en ureaktiv beholder for metallmatrise (2). Den ureaktive beholderen bør være laget av, eller fores, males eller dekkes med, et passende materiale som ikke påvirker den spontane infiltreringsprosessen på en negativ måte, som diskutert i nærmere detalj nedenfor. En metallmatrise (3) plasseres på eller ved fylleren eller preforma (1). Oppsettet settes deretter inn i en ovn for å initiere spontan infiltrering.

For å bevirke spontan infiltrering av metallmatrise inn i preforma, bør det spontane systemet tilføres et infiltreringsmiddel. Infiltreringsmidlet kan dannes fra en forløper til et infiltreringsmiddel som kan anbringes (1) i metallmatrisen og/eller (2) i preforma og/eller (3) fra den infiltrerende atmosfære og/eller (4) fra en ekstern kilde til det spontane system. Dessuten, istedet for å tilsette en forløper til et infiltreringsmiddel, kan infiltreringsmiddel tilsettes direkte til preforma og/eller metallmatrisen og/eller den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav, i det minste under den spontane infiltreringen, bør infiltreringsmidlet lokaliseres i det minste i en del av fyllmaterialet eller preforma.

I en foretrukket utførelse 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 eller preforma forut for eller praktisk talt samtidig med at fyllmaterialet eller preforma kontaktes med metallmatrise (f.eks. hvis magnesium er forløperen til infiltreirngsmidlet og nitrogen er den infiltrerende atmosfære, kan infiltreirngsmidlet være magnesium-nitrid som vil være lokalisert i minst en del av preforma eller fyllmaterialet).

Et eksempel på et system av metallmatrise/forløper til infiltreringsmiddel/infiltrerende atmosfære er systemet aluminium/magnesium/nitrogen. Nærmere beskrevet, en aluminium-metallmatrise kan huses i en passende ildfast beholder som, under prosessbetingelsene, ikke reagerer med aluminium-metallmatrisen og/eller fyllmaterialet når aluminium er smeltet. Et fyllmateriale eller ei preform kan deretter kontaktes med smeltet aluminium-metallmatrise og infiltreres spontant.

Istedet for å tilsette en forløper til et infiltreringsmiddel kan dessuten infiltreirngsmiddel tilsettes direkte til preforma eller fyllmaterialet og/eller metallmatrisen og/eller den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav, i det minste under den spontane infiltreringen, bør infiltreirngsmidlet være lokalisert i minst en del av fyllmaterialet eller preforma.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen, i tilfellet med et spontant system av aluminium/magnesium/nitrogen, bør preforma være tilstrekkelig permeabel for å tillate penetrering eller metting av den nitrogenholdige gassen i preforma i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen og/eller kontakte den smeltete metallmatrise. Dessuten kan den permeable preforma eller fyllmateriale tillempe infiltrering av den smeltete metallmatrise, for dermed å forårsake at den nitrogen-mettete preforma blir spontant infiltrert med smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme og/eller forårsake at nitrogen reagerer med en forløper til et infiltreringsmiddel til å danne infiltreringsmiddel i preforma som resulterer i spontan infiltrering. Graden av spontan infiltrering og dannelsen av metallmatrise-kompositten vil variere med et gitt sett av prosessbetingelser, inkludert innholdet av magnesium i aluminiumlegeringen, innholdet av magnesium i preforma eller fyllmaterialet, innholdet av magnesium i preforma eller fyllmaterialet, innholdet av magnesium-nitrid i preforma eller fyllmaterialet, nærværet av ekstra legerende elementer (f.eks. silisium, jern, kobber, mangan, krom, sink eller tilsvarende), gjennomsnittlig størrelse (f.eks. partikkeldiameter) i fyllmaterialet som omfatter preforma eller fyllmaterialet, overflatas tilstand og type fyllmateriale eller preform, konsentrasjonen av nitrogen i den infiltrerende atmosfære, tid gitt for infiltrering og temperaturen der infiltrering skjer. For eksempel, for at infiltrering av den smeltete aluminium-metallmatrise skal kunne skje spontant, kan aluminium-metallmatrisen legeres med minst 1 vekt%, og fortrinnsvis minst 3 vekt%, magnesium (som fungerer som forløperen til infiltreringsmidlet), basert på legeringens vekt. Hjelpende legeringselementer, som diskutert ovenfor, kan også inkluderes i metallmatrisen for å skreddersy spesifikke egenskaper til denne. De hjelpende legerings-elementene kan også påvirke den minimale mengde magnesium som er påkrevet i aluminium-metallmatrisen for å resultere i spontan infiltrering av fyllmaterialet eller preforma. Tap av magnesium fra det spontane system på grunn av f.eks. fordamping bør unngås i en slik grad at noe magnesium vil være tilbake 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 av fordamping. Videre kan nærværet av magnesium i både preforma (eller fyllmaterialet) og metallmatrisen eller i preforma (eller fyllmaterialet) alene resultere i en redusert total mengde magnesium som kreves for å oppnå spontan infiltrering (diskutert i nærmere detalj senere).

Volumprosenten av nitrogen i nitrogen-atmosfæren påvirker også dannelseshastigheten av metallmatrise-komposittlegemet. Spesifikt, hvis mindre enn 10 vol% nitrogen er tilstede i den infiltrerende atmosfære vil svært sein eller lite spontan infiltrering skje. Det er blitt oppdaget at den foretrukkete andel av nitrogen i atmosfæren er minst 50 vol%, for dermed å resultere i f.eks. kortere infiltreirngstider på grunn av en mye høyere hastighet for infiltrering. Den infiltrerende atmosfære (f.eks. en nitrogenholdig gass) kan tilføres 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 metallmatrise skal kunne infiltrere et fyllmateriale eller ei preform avhenger av en eller flere variable slik som prosesstemperaturen, tiden, nærværet av hjelpende legeringselementer slik som silisium eller sink, fyllmaterialets natur, lokaliseringen av magnesium i en eller flere komponenter av det spontane system, innholdet av nitrogen i den infiltrerende atmosfære og hastigheten som nitrogen-atmosfæren flyter med. Lavere temperaturer eller kortere varmeperioder kan brukes for å oppnå fullstendig infiltrering mens magnesium-innholdet i legeringen og/eller preforma økes. For et gitt innhold av magnesium tillater også tilsats av visse hjelpende legeringselementer slik som sink bruken av lavere temperaturer. For eksempel kan det brukes et magnesium-innhold i metallmatrisen i den nedre ende av det operative område, f.eks. fra 1 til 3 vekt%, sammen med minst en av følgende: en prosesstemperatur over den minimale, en høy konsentrasjon av nitrogen eller ett eller flere hjelpende legeringselementer. Når preforma ikke blir tilsatt noe magnesium, er legeringer inneholdende fra 3 til 5 vekt% magnesium foretrukket på basis av deres generelle anvendbarhet over et vidt spekter av prosessbetingelser, der minst 5 % er foretrukket når det anvendes lavere temperaturer og kortere tider. Innhold av magnesium på mere enn 10 vekt% i aluminium-legeringen kan anvendes for å moderere temperatur-betingelsene som er påkrevet for infiltrering. Innholdet av magnesium kan reduseres i sammenheng med et hjelpende legeringselement, men disse elementene har kun en hjelpende funksjon og blir brukt sammen med minst den minimale mengde magnesium som definert ovenfor. Det var f.eks. praktisk talt ingen infiltrering av nominelt ren aluminium legert kun med 10% silisium ved 1000°C i ei seng av ca. 30 mikrometer (500 mesh), 39 Crystolon (99% ren silisium-karbid fra Norton Co.). I nærvær av magnesium er det imidlertid funnet at silisium fremmer infiltreringsprosessen. Som et ytterligere eksempel kan mengde magnesium varieres hvis det blir tilsatt utelukkende til preforma eller fyllmaterialet. Det er oppdaget at spontan infiltrering vil skje med en mindre total vektprosent av magnesium tilført systemet når i det minste noe av den totale mengde av magnesium tilført blir plassert i preforma eller i fyllmaterialet. Det kan være hensiktsmessig å tilføre en mindre mengde magnesium for å forhindre dannelsen av uønskete intermetalliske forbindelser i metallmatrise-komposittlegemet. I tilfellet med ei preform av silisium-karbid er det blitt oppdaget at når preforma kontaktes med en aluminium-metallmatrise vil metallmatrisen spontant infiltrere preforma, når preforma inneholder minst 1 vekt% magnesium og er i nærvær av en praktisk talt ren nitrogenatmosfære. I tilfellet med ei preform av alumina er mengde magnesium som er påkrevet for å oppnå akseptabel spontan infiltrering noe høyere. Nærmere beskrevet, det er funnet at når ei aluminapreform blir kontaktet med en liknende aluminium-metallmatrise, ved omlag den samme temperatur som der aluminium infiltrerte preforma av silisiumkarbid, og i nærvær av den samme atmosfære av nitrogen, kan minst 3 vekt% magnesium være påkrevet for å oppnå liknende spontan infiltrering som tilfellet med ei preform av silisium-karbid som diskutert umiddelbart ovenfor.

Det bemerkes også at det er mulig å tilsette til det spontane systemet en forløper til et infiltreringsmiddel og/eller et infiltreirngsmiddel på ei overflate av legeringen og/eller på ei overflate av preforma eller fyllmaterialet og/eller i preforma eller fyllmaterialet forut for infiltrering av metallmatrisen inn i fyllmaterialet eller preforma (dvs. det behøver ikke være nødvendig at det tilførte infiltreringsmiddel eller forløperen til dette legeres med metallmatrisen, men heller ganske enkelt tilsettes til det spontane system). Hvis magnesium ble anbrakt på ei overflate av metallmatrisen kan det være foretrukket at den nevnte overflata bør være overflata som er nærmest, eller fortrinnsvis i kontakt med, den permeable masse av fyllmateriale, eller omvendt, eller at slikt magnesium bør blandes i minst en del av preforma eller fyllmaterialet. Det er mulig at en viss kombinasjon av overflateu-tførelse, legering og plassering av magnesium inn i minst en del av preforma kan brukes. En slik kombinasjon av anvendelse av infiltreringsmiddel(er) og/eller infiltrerings-middel-forløper(e) kan resultere i en reduksjon i den totale vektprosent av magnesium som er påkrevet for å tillempe infiltrering av aluminium-metallmatrise inn i preforma, så vel som oppnåelsen av lavere temperaturer der infiltrering kan skje. Dessuten kan også mengden av uønskete intermetalliske forbindelser dannet på grunn av nærværet av magnesium minimaliseres.

Bruken 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 det anvendes hjelpende legeringselementer slik som sink eller jern inkludert i legeringen, eller plassert på ei overflate av legeringen, for å redusere infiltrerings-temperaturen og dermed redusere mengden av nitrid-dannelse, mens en økning i konsentrasjonen av nitrogen i gassen kan anvendes for å fremme nitrid-dannelse.

Konsentrasjonen av magnesium i legeringen, og/eller plassert på ei overflate av legeringen og/eller kombinert i fyllmaterialet eller preforma har også en tendens til å påvirke graden av infiltrering ved en gitt temperatur. Som en konsekvens av dette, i noen tilfeller der lite eller intet magnesium er kontaktet direkte med fyllmaterialet, kan det være foretrukket at minst 3 vekt% magnesium inkluderes i legeringen. Legeringsgrader 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 infiltreringsprosessen i den foreliggende 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 eller preform; 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 avhengig av de ønskete anvendelser av metallmatrise-komposittlegemet. I tillegg er elektrisk oppvarming 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, godkjent til bruk innen oppfinnelsen.

I den foreliggende framgangsmåten kan f.eks. ei permeabel preform eller fyllmateriale kontaktes med smeltet aluminium i nærvær av, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, en nitrogenholdig gass. Den nitrogenholdige gassen kan tilføres ved å opprettholde en kontinuerlig strøm av gass i kontakt med fyllmaterialet eller preforma og/eller smeltet aluminium-metallmatrise. Selv om flythastigheten av den nitrogenholdige gassen ikke er kritisk, er det foretrukket at flythastigheten er tilstrekkelig til å kompensere for ethvert tap av nitrogen på grunn av nitrid-dannelse i legeringsmatrisen, og også for å forhindre innsig av luft eller oksiderende gasser som kan ha en oksiderende effekt på smeltet metall.

Framgangsmåten for tilvirking av en metallmatrise-kompositt er anvendbar med et stort utvalg av fyllmaterialer, og valget av fyllmaterialer vil være avhengig av slike faktorer som metallmatrise-legeringen, prosessbetingelsene, reaktiviteten av smeltet metallmatrise-legering med fyllmaterialet og de søkte egenskaper for det endelige metallmatrise-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. aluminium-nitrid. Hvis fyllmaterialet har en tendens til å reagere med den smeltete aluminium-metallmatrise, kan dette tillempes ved å minimalisere infiltreirngstiden og temperaturen eller ved å anvende et ureaktivt belegg på fylleren. Fyllmaterialet kan alternativt omfatte et substrat, slik som karbon eller andre ikke-keramiske materialer som bærer et keramisk belegg for å beskytte substratet mot angrep eller degradering. Passende keramiske belegg inkluderer oksider, karbider, borider og nitrider. Keramer som er foretrukket for bruk i den foreliggende framgangsmåten inkluderer alumina og silisiumkarbid i form av partikler, plater, whiskers og fibre. Fibrene kan være diskontinuerlige (i knust form) eller i form av kontinuerlige filamenter slik som buntete filamenter. Den keramiske masse eller preform kan videre være homogen eller heterogen.

Det er også blitt oppdaget at visse fyllmaterialer framviser forbedret infiltrering i forhold til fyllmaterialer som har en liknende kjemisk sammensetning. F.eks. oppviser knuste alumina-legemer laget i henhold til framgangsmåten som er vist i NO patentsøknad 851011 ønskete infiltrerings-egenskaper i forhold til kommersielt tilgjengelige alumina-produkter. Dessuten oppviser knuste alumina-legemer laget etter framgangsmåten vist i NO patentsøknad 860362 også ønskete egenskaper for infiltrering i forhold til kommersielt tilgjengelige alumina-produkter. Det er således oppdaget at fullstendig infiltrering av en permeabel masse av keramisk materiale kan skje ved lavere infiltreringstemperaturer og/eller kortere infiltreirngstider ved anvendelse av knuste eller smuldrete artikler produsert i henhold til framgangsmåten i de forannevnte patentsøknader.

Størrelsen og formen på 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, ildfaste fiberduker og tilsvarende kan også brukes. I tillegg er infiltrasjonen ikke begrenset av fyllmaterialets størrelse, selv om en høyere temperatur eller lengre tids-perioder kan være påkrevet for å fullende infiltrering av en masse med mindre partikler enn for større partikler. Videre bør massen av fyllmaterialet som skal infiltreres (formet til ei preform) være permeabel (dvs. permeabel overfor smeltet metallmatrise og overfor den infiltrerende atmosfære).

Framgangsmåten for tilvirking av metallmatrise-kompositter i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er ikke avhengig av trykk for å tvinge eller presse smeltet metallmatrise inn i ei preform eller en masse av fyllmateriale, og tillater produksjon av praktisk talt jevne/homogene metallmatrise-kompositter med en høy volumfraksjon av fyllmateriale og lav porøsitet. Høyere volumfraksjoner av fyllmateriale kan oppnås ved å bruke en initiell masse med fyllmateriale som har en 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 omsatt til et kompakt med lukket porøsitet eller til en fullstendig tett konstruksjon som ville forhindre infiltrering av smeltet legering. Volumfraksjoner av fyller i størrelsesorden 40 til 50 prosent er foretrukket til termoforming i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Ved slike volumfraksjoner opprettholder den infiltrerte kompositten hovedsakelig dens geometri, noe som forenkler sekundær prosessering. Større eller mindre partikkelandeler eller volumfraksjoner kan anvendes avhengig av den ønskete andel i den endelige kompositten etter termoforming. Framgangsmåter for reduksjon av partikkel-andeler kan imidlertid anvendes i forbindelse med termoformings-prosessene i den foreliggende oppfinnelsen for å oppnå høyere partikkel-andeler.

Det er blitt observert at for infiltrering av aluminium og matrisedannelse rundt en keramisk fyller kan fukting av fylleren med aluminium-metallmatrisen utgjøre en viktig del av infiltreringsmekanismen. Ved lave prosesstemperaturer skjer dessuten en neglisjerbar eller minimal grad av metallnitirdisering med en minimal diskontinuerlig fase av aluminiumnitrid dispergert i metallmatrisen som resultat. Mens den øvre grense av temperaturområdet blir nådd, vil imidlertid 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 fyllmaterialet eller preforma, fyllmaterialet som skal infiltreres, og nitrogenkonsentrasjonen i den infiltrerende atmosfære. For eksempel er graden av aluminiumnitird-dannelse ved en gitt prosesstemperatur antatt å tilta mens legeringens evne til å fukte den keramiske fylleren avtar og mens nitrogenkonsentrasjonen i atmosfæren øker.

Det er derfor mulig å skreddersy sammensetningen av metallmatrisen under dannelsen av metallmatrise-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 framvise visse egenskaper som kan være gunstig for, eller forbedre ytelsen av, produktet. Videre kan temperaturområdet for spontan infiltrering med en aluminiumlegering variere med det keramiske materiale som anvendes. 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 man anvende høyere temperaturer enn 1200°C siden aluminiumlegeringen nitridiseres i mindre grad enn hva tilfelle er når alumina blir anvendt som fyller.

Dessuten er det mulig å anvende et reservoar av metallmatrise for å sikre

fullstendig infiltrering av fyllmaterialet og/eller for å forsyne et andre metall som har en forskjellig sammensetning fra den første kilden av metallmatrise. Spesielt i noen tilfeller kan det være hensiktsmessig å anvende en metallmatrise i reservoaret som har en forskjellig sammensetning fra den første kilde av metallmatrise. For eksempel, hvis en aluminium-legering blir brukt som den første kilde av metallmatrise, kan faktisk andre metaller eller metall-legeringer som er flytende ved prosesstemperaturen anvendes som reservoarmetallet. Smeltete metaller er ofte svært blandbare med hverandre noe som vil resultere i at reservoarmetallet blandes med den første kilde av metallmatrise så lenge det blir gitt tilstrekkelig tid for blanding.

Ved på denne måten å bruke et reservoarmetall som har en forskjellig

sammensetning fra den første kilde av metallmatrise, er det mulig å skreddersy egenskapene til metallmatrisen for å imøtekomme ulike operative krav og således skreddersy metallmatrise-komposittens egenskaper.

Et barrieremiddel også kan anvendes i kombinasjon med den foreliggende oppfinnelsen. Mer spesifikt kan barrieremidlene, som anvendes til bruk i den foreliggende oppfinnelsen, være ethvert passende middel som forstyrrer, forhindrer eller avslutter migrasjon, bevegelse, eller tilsvarende, av smeltet matriselegering (f.eks. en aluminiumlegering) forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet. Passende barrieremidler kan være ethvert materiale, forbindelse, element, blanding

eller tilsvarende som, under prosessbetingelsene i den foreliggende oppfinnelsen, opprettholder en viss helhet, en ikke-flyktighet og som fortrinnsvis er permeabel overfor gassen som anvendes i prosessen, såvel som har en evne til lokalt å

forstyrre, hindre el.l. fortsatt infiltrasjon eller enhver annen form for bevegelse forbi den definerte overflategrense av den keramiske fylleren. Barrieremidler kan brukes under den spontane infiltreringen eller i enhver form eller andre redskaper som anvendes i forbindelse med termoforming av den spontan infiltrerte metallmatrise-kompositt, som diskutert i nærmere detalj under.

Passende barrieremidler inkluderer materialer som er hovedsakelig ufuktbare av

den migrerende smeltete legeringsmatrise under de anvendte prosessbetingelser. En barriere av denne type framviser liten eller ingen affinitet overfor den smeltete legeringsmatrise, og bevegelse forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet eller preforma blir forhindret eller hemmet av barrieremidlet. Barrieren reduserer enhver avsluttende maskinering eller sliping som måtte være påkrevet for metallmatrise-komposittproduktet. Som slått fast ovenfor, bør barrieren fortrinnsvis være permeabel eller porøs, eller gjort permeabel ved punkteringer, for å tillate gassen å komme i kontakt med den smeltet legeringsmatrise.

Passende barrierer som er spesielt nyttige for aluminium matriselegeringer er de som inneholder karbon, spesielt den krystallinske allotropiske form av karbon som er kjent som grafitt. Grafitt er spesielt ufuktbar av den smeltete aluminium-legering under de beskrevne prosessbetingelsene. En spesielt foretrukket grafitt er en grafittfolie som er solgt under handelsnavnet Grafoil, registrert for Union Carbide. Denne grafittfolien framviser tettende karakteristikker som forhindrer migrasjonen av smeltet aluminium-legering forbi den definerte overflategrense av fyllmaterialet. Denne grafittfolien er også motstandsdyktig overfor varme og er kjemisk inert. Grafoil grafittmateriale er fleksibelt, sammenføybart, formbart og elastisk. Den kan lages til et utall av former for å passe enhver anvendelse som barriere. Grafittbarrierer kan anvendes i form av 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 blir ganske enkelt dette papirliknende grafittmaterialet formet rundt fyllmaterialet eller preforma.

Andre foretrukkete barrierer for aluminium-metallmatrise-legeringer i nitrogen er boridene av overgangsmetallene (f.eks. titandiborid (TiBj)) som er generelt ufuktbar av den smeltete aluminium-metall-legering under visse av prosessbetingelsene som er anvendt ved bruken av dette materialet. Med et barrieremiddel av denne type bør prosesstemperaturen ikke overstige 875 °C, da ellers barrierematerialet blir mindre virksomt og, kan faktisk infiltreres ved høyere temperaturer. Boridene av overgangsmetallene er typisk i form av partikler (1-30 mikrometer). Barrieremetallene kan påføres i form av en slurry eller pasta på grensene av den permeable masse av keramisk fyllmateriale som fortrinnsvis på forhånd er formet til ei preform.

Andre nyttige barrierer for aluminium-metallmatrise-legeringer i nitrogen inkluderer lavtflyktige organiske forbindelser påført som en film eller et lag på den utvendige overflata av fyllmaterialet eller preforma. Ved brenning i nitrogen, spesielt ved prosessbetingelsene i den foreliggende oppfinnelsen, dekomponerer den organiske forbindelsen og legger igjen en sotfilm av karbon. Den organiske forbindelse kan påføres med konvensjonelle framgangsmåter slik som maling, spraying, dypping osv.

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

Barrieremidlet kan således påføres med enhver passende metode slik som ved å dekke den definerte overflategrense med et lag av barrieremidlet. Et slikt lag med barrieremiddel kan påføres ved maling, dypping, silketrykking, fordamping, eller på annet vis påføre barrieremidlet i form av væske, slurry eller pasta, eller ved påsprutning av et flyktig barrieremiddel, eller ganske enkelt ved å avsette et lag av et fast partikkelformig barrieremiddel, eller ved å legge et tynt ark eller film med barrieremiddel på den definerte overflategrense. Med barrieren på plass vil spontan infiltrering hovedsakelig avsluttes når den infiltrerende metallmatrise kommer fram til den definerte overflategrense og kommer i kontakt med barrieremidlet.

Etter at spontan infiltrering er oppnådd, i henhold til en av ulike alternative utførelser som diskutert ovenfor, kan det utføres sekundær prosessering av den oppnådde metallmatrise-kompositt framstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Slik sekundær prosessering blir utført ved eller over komposittens smeltegrense-temperatur. Nærmere beskrevet, og viktig, er det funnet at når metallmatrise-kompositten har en temperatur ved smeltegrensen vil den opprettholde dens form som et sammenhengende legeme og i det vesentlige oppføre seg som et rheologisk materiale. I motsetning til hva som intuitivt ville forventes vil således metallmatrisen ikke flyte ut av fylleren når den er i en slik tilstand, og legemet har mulighet for sekundær prosessering. Sekundær prosessering av typen som er forbundet med metaller eller intermetalliske forbindelser kan således utføres på spontant infiltrerte metallmatrise-kompositter hvis det varme komposittlegemet blir utsatt for tilstrekkelige skjærkrefter for å få det til å flyte. Nærmere beskrevet er termo-forming av den spontant infiltrerte metallmatrise-kompositt mulig ved eller omtrentlig ved smeltegrense-temperaturen til kompositten eller over (med den øvre temperaturgrense er temperaturen der kompositten i det vesentlige ikke lenger kan opprettholde dens form, som diskutert ovenfor). I systemer der det brukes aluminium-legering som metallmatrisen, er det funnet at den resulterende kompositten opprettholder dens form ved temperaturer fra 700°C til 900°C.

Termoforming av spontant infiltrerte metallmatrise-kompositter kan utføres umiddelbart etter infiltrering straks kompositten kjøles ned til dens smeltegrense-temperatur. Alternativt kan kompositten kjøles ned til størkning og deretter varmes på nytt til en smeltegrense-temperatur for termoforming. I henhold til dette kan store barrer eller blokker av spontant infiltrerte kompositter formes og senere brukes for sekundær prosessering via termoforming til en ønsket gjenstand eller konfigurasjon. Dessuten kan artikler med midlertidige søkte former og størrelser tilvirkes ved spontan infiltrering (f.eks. ved å anvende passende former, preform eller barrierer, som senere kan endres via termoforming til en gjenstand med en ønsket geometri og karakteristikk). I ethvert henseende er egenskapene til det endelige produktet ledet av den spesielle spontane infiltreringsprosess som er satt sammen (f.eks. type og mengde av metallmatrise og legeringer, type og mengde av fyllmateriale, prosesstemperatur, prosesstid, type og mengde av infiltreirngsmiddel og/eller forløper til infiltreirngsmiddel og/eller infiltrerende atmosfære, osv).

Termoforming av metallmatrise-kompositter gir vesentlige fordeler som ikke kan oppnås ved spontan infiltrering inn i ei form eller preform. For det første på grunn av at sekundær prosesseringstid er kort sammenliknet med tiden som kreves for spontan infiltrering kan permanente former brukes uten ødeleggende effekter på forma. Dessuten resulterer stor fleksibilitet i geometri og konfigurasjon ettersom begrensninger på grunn av formas konfigurasjon og tilsvarende ikke medregnes. For eksempel kan det produseres store tynne ark av kompositt ved varmvalsing hvoretter arkene kan formes, bøyes, stanses, presses, valses osv. Geometriene og konfigurasjonene som hittil kun var oppnåelig med metaller, intermetalliske artikler, plast eller tilsvarende, kan således oppnås med metallmatrise-komposittene i den foreliggende oppfinnelsen via termoformings-prosesser.

Ved å underlegge den spontant infiltrerte kompositten for sekundær prosessering vil defekter eller sprekker i materialet generelt ikke tilta, og i mange tilfeller vil de forsvinne. Ved å varme visse aluminium-matrise-kompositter til temperaturer fra 700°C til 900°C i 0.5 til 1 time er det observert reduksjon eller kollaps av porer som var tilstede i den opprinnelige gjenstanden før varming. Dessuten kan "reparasjon" av sprekker skje hvis kompositten blir passende avgrenset under gjenoppvarmingen. Det er imidlertid viktig at kompositten blir tett avgrenset, f.eks. i en beholder, barriere eller form for å unngå oppsprekking og for å tillempe reparasjon av sprekker.

Selv om termoforming kan utføres i en oksygenatmosfære, er det blitt observert at en viss degradering av kompositten kan resultere fra oksidasjon. Nærmere beskrevet kan oksidskall fanges i den termoformete kompositten med resulterende sprekker og svakheter. I henhold til en foretrukket utførelse i den foreliggende oppfinnelsen blir således termoforming utført i en inert atmosfære eller i en nitrogenatmosfære, f.eks. under et nitrogenteppe.

Selv om ulike fyllere kan brukes i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er det funnet at fyllere som har en finere granularitet, f.eks. ca. 10 mikrometer (1000 grit) lettere kan termoformes enn grovere fyllere, f.eks. ca. 70 mikrometer (220 grit). Dessuten er silisium-karbid-fyller funnet å være mere bearbeidbar i termoformingsprosesser enn alumina.

Egenskapene til den termoformete kompositten kan også svekkes ved ulike varmebehandlinger. Som for metaller kan for eksempel egenskapene svekkes ved bråkjøling av kompositten når termoformingen er ferdig. Det må utvises forsiktighet for å unngå negative effekter ved slik bråkjøling slik som størke-krymping eller oppsprekking.

Fremragende overflateegenskaper kan oppnås med termoforming, som diskutert i nærmere detalj i de etterfølgende eksempler. I mange tilfeller kan det oppnås langt bedre overflatestrukturer enn hva som er tilfelle med spontan infiltrering av former eller barrierer.

Eksempel 1 til 4

Følgende eksempler viser muligheten for å termoforme en spontant infiltrert metallmatrise-kompositt ved gjenoppvarming til omlag smeltegrense-temperaturen for

deretter å forme kompositten.

Fire ulike spontant infiltrerte metallmatrise-kompositter ble laget med hensyn på å bestemme evnen til å termoforme ulike kompositter i henhold til oppsettet som er vist skjematisk i figur 1. I alle tilfellene ble et fyllmateriale (2) plassert i en beholder (1) av 316 rustfritt stål, som var belagt med Permafoil fra T.T. America Inc., som fungerte som en ureaktiv beholder. En metallmatrise-legering (3) ble deretter plassert på toppen av fylleren. Oppsettet (10) ble deretter plassert i en større beholder av 316 rustfritt stål belagt med kobberfolie og plassert i en elektrisk ovn.

Legeringene og fyllerene som ble brukt i alle eksemplene 1 til 4 er vist i tabell 1. Nærmere beskrevet, i eksempel 1 og 2 ble det brukt fyllerblandinger som besto av alumina (Alumina C-75-RG fra Alcan Chemical Products) og 5% magnesium (45 mikrometer/325 mesh), der det i eksempel 1 ble brukt ca. 70 mikrometer stor (220 grit) alumina og i eksempel 2 ble brukt ca. 10 mikrometer stor (1000 grit) alumina. I begge eksempler 1 og 2 ble det brukt en standard 520 aluminium-legering som metallmatrise.

I eksemplene 3 og 4 ble det brukt fyllerblandinger som besto av silisium-karbid (SiC-39 Crystolon fra Norton Co.) og 2% magnesium (45 mikrometer/325 mesh), der det i eksempel 3 ble brukt ca. 70 mikrometer (220 grit) silisium-karbid og i eksempel 4 ble brukt ca. 10 mikrometer (1000 grit) silisium-karbid.

Oppsettene ble deretter plassert i ovnen og tilført nitrogengass kontinuerlig med en hastighet på ca. 2 liter/min. Ovnen ble varmet opp til en temperatur på omlag 750°C i løpet av 2 timer, holdt ved 750°C i ca. 10 timer, deretter kjølt ned til romtemperatur i løpet av ca. 2 timer og tatt ut av ovnen.

Komposittene som ble laget i henhold til den ovennevnte prosedyren ble deretter varmet på nytt til ca. 750°C i en forvarmet i en digel i luft inntil smeltegrense-temperaturen ble nådd. Komposittene ble deretter fjernet, plassert i ei beholderform

(dvs. ei bekledningsform laget med form av et inverst drikkebeker av polystyren)

med spatel og banket med en grafittstav på toppen av komposittene for å gi dem samme geometri som forma. Prøvene ble deretter bråkjølt i vann ved romtemperatur.

Alle komposittene var bearbeidbare med grafittstaven. Komposittene som hadde høyere granularitet av fylleren (dvs. ca. 10 mikrometer (1000 grit) i eksemplene 2 og 4) ble funnet å være mere bearbeidbare i forhold til komposittene med lavere granularitet (dvs. ca. 70 mikrometer (220 grit)). I tillegg var systemene med silisium-karbid fyller mere bearbeidbare enn systemene med aluminafyller.

Figur 2 og 3 er fotografier av overflatene som ble framskaffet for en av de termoformete komposittene. Som det går fram av fotograflene ble det oppnådd framragende overflate-egenskaper som kopierte trekkene til polystyrenkoppen som var opphavet til blekledningsskallet. Figur 2 viser bunnen av den formete kompositten der skriften fra den opprinnelige koppen er klar og tydelig. Figur 3 viser polystyrenens blærestruktur som gjenskapt i kompositten.

Visuell inspeksjon av komposittene og av tverrsnitt verifiserte generelt at graden av defekter eller sprekker i den termoformete kompositten ikke var verre enn den opprinnelige kompositten før sekundær prosessering.

En viss krymping fra størkningen av komposittene ble oppdaget, selv om slik krymping sannsynligvis var resultat av dårlig kjøling. I tillegg ble det dannet oksidskall som hadde en tendens til å fanges i den termoformete kompositten. Disse oksidskallene ble imidlertid knyttet til gjenoppvarmingen av komposittene og utførelsen av sekundær prosessering i en oksiderende atmosfære.

Eksemplene 1 til 4 demonstrerer således at spontant infiltrerte metallmatrise-kompositter kan termoformes ved en sekundær prosess mens de er ved størkningstemperaturen.

Claims (16)

1. Framgangsmåte for framstilling av en metallmatrise-kompositt, hvorved det a) velges en permeabel masse av et ureaktivt fyllmateriale, b) en kilde for matrisemetall plasseres inntil den permeable masse av fyllmateriale, c) matrisemetallet varmes til et temperaturområde over dets smeltepunkt for å danne et legeme av smeltet matrisemetall, karakterisert vedat d) det tilføres en infiltrerende atmosfære, i det minste på ett tidspunkt under prosessforløpet, og et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper for dette, for å bevirke at det smeltete matrisemetallet spontant infiltrerer massen av fyllmateriale, og e) den infiltrerte massen termo-formes.

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

3. Framgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat infiltreirngsmidlet og/eller forløperen for dette tilføres matrisemetallet, fyllmaterialet og/eller den infiltrerende atmosfære.

4. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert vedat det som fyller anvendes et materiale omfattende pulver, flak, plater, mikrosfærer, whiskers, bobler, fibre, partikler, fibermatter, knuste fibre, sfærer, pellets, rør og ildfaste kleder, eller en kombinasjon av disse.

5. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert vedat den infiltrerte masse kjøles ned til dens smeltegrense-temperatur før termo-forming.

6. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert vedat den infiltrerte masse kjøles ned og deretter varmes til minst dens smeltegrense-temperatur forut for termo-forming.

7. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert vedat den infiltrerte masse termoformes til en midlertidig form, hvoretter den avkjøles og deretter gjenoppvarmes til en temperatur over dens smeltegrense-temperatur forut for termo-forming.

8. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, og krav 6, karakterisert vedat den infiltrerte masses termoformes ved en temperatur over dens smeltegrense-temperatur.

9. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 8. karakterisert vedat termoformingen utføres ved valsing, ekstrudering, kokillestøping, smiing, stansing og pressing, eller en kombinasjon av disse.

10. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 8, karakterisert vedat det utføres en varmebehandling etter termoformingen.

11. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 8, karakterisert vedat termoformingen utføres i en atmosfære bestående av nitrogen eller en inert atmosfære.

12. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 11, karakterisert vedat metallmatrise-kompositten framstilles i form av et ark-materiale.

13. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 12, karakterisert vedat ei overflategrense av den permeable massen defineres med en barriere, hvorved matrisemetallet infiltrerer spontant fram til barrieren.

14. Framgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert vedat barrieren velges i form av grafitt og/eller titandiborid.

15. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 14, karakterisert vedat infiltreringsmidlet og/eller en forløper for dette tilføres både i matrisemetallet og i fyllmaterialet.

16. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 15, karakterisert vedat det som matrisemetall anvendes et metall omfattende aluminium og at det som fyllmateriale anvendes et materiale omfattende oksider, borider, karbider og/eller nitrider.