NO177583B

NO177583B - Framgangsmåte for framstilling av en makrokompositt

Info

Publication number: NO177583B
Application number: NO893994A
Authority: NO
Inventors: Marc Stevens Newkirk; Danny Ray White; Christopher Robin Kennedy; Alan Scott Nagelberg; Michael Kevork Aghajanian; Robert James Wiener
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1995-07-10
Also published as: PT92261B; RO108339B1; EP0369931B1; KR900007591A; ATE114735T1; CN1042497A; NZ231079A; DE68919652T2; KR0148341B1; AU2353792A; NO177583C; DK559789A; DK559789D0; TR27147A; AU4170489A; AU649561B2; DE68919652D1; IL91724A0; PT92261A; EP0369931A1

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for framstilling av en makrokompositt, 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 i 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 keramer, 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-rrietailurgiske 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 aluminawhiskers, som har et forutbestemt mønster av fibrenes orientering. Kompositten er laget ved å plassere parallelle matter eller felter av koplanare fibre i ei 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 r.ette for å oppnå fullgod og uniform 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 er varmpresset 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 fyll materialet, 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 US patentskrift.

Europapatentsøknad nr. 115,742 beskriver produksjon av aluminium-alumina-kompositter, spesielt anvendbare som elektrolytiske cellekomponenter, ved fylling av hulrommene i en preformet aluminamatrise med smeltet aluminium. Denne anvendelse framhever ikke-fuktbarheten 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 referanse 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 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 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 referansen er det imidlertid ikke foreslått produksjon av metallmatrise-kompositter eller tilvirking av en slik kompositt i f.eks. en nitrogenatmosfære.

I tillegg til anvendelse av trykk og fuktemidler, er det kommet fram at anvendelse av vakuum vil bistå penetreringen av smeltet aluminium i inn i et porøst keramisk kompakt. F.eks., US patentskrift 3.718.441 rapporterer infiltrering av et keramisk kompakt (f.eks. borkarbid, alumina og beryllia) med enten smeltet aluminium, beryllium, magnesium, titan, vanadium, nikkel eller krom under et vakuum på mindre enn IO"<6> torr. Et vakuum på IO"<2> til 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 AlBn-pulverkompaktet. 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 AlB12-kompaktet.

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

I henhold til dette har det lenge vært et behov for en enkel og pålitelig prosess til produksjon av 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. Den foreliggende oppfinnelsen tilfredsstiller disse behovene ved å sørge for en spontan infiltrerende mekanisme for infiltrering av et materiale (f.eks. et keramisk materiale), som kan formes til ei preform og/eller tilsatt en barriere, med smeltet metallmatrise (f.eks. aluminium) i nærvær av en infiltrerende atmosfære (f.eks. nitrogen) under atmosfæriske trykk så lenge et infiltreirngsmiddel er tilstede i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen.

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 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 fyll materialet 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. Mengde 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 visse egenskaper i kompositten. 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-komposittdannelse er beskrevet i NO patentskrift 173006. I henhold til framgangsmåten i dette skriftet 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 terminere 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 patentsøknaden, begynner den første kilden av smeltet metallmatrise-legering å infiltrere massen med fyllmateriale under normale atmosfæriske trykk, og virker på denne måten til dannelse av en metallmatrise-kompositt. Den første kilden av smeltet metallmatrise-legering er forbrukt i løpet av dens infiltrering inn i massen av fyllmaterialet og kan, om ønskelig, etterfylles, fortrinnsvis på en kontinuerlig måte, fra reservoaret av smeltet metallmatrise mens den spontane infiltreringen fortsetter. Når en ønsket andel av det permeable fyllmaterialet er blitt spontant infiltrert av den smeltete metallmatrise-legering, blir temperaturen senket for å størkne legeringen, som deretter former en størknet 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 makrokompositt, som overvinner ulempene ved kjente framgangsmåter.

Oppfinnelsen

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

En makrokompositt framstilles ved først å lage et metallmatrise-komposittlegeme som deretter blir kontaktet med og bundet til et andre materiale. Et metallmatrise-komposittlegeme blir produsert ved å infiltrere en permeabel masse av fyllmateriale eller ei preform spontant med smeltet metallmatrise. Nærmere beskrevet, et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til et infiltreirngsmiddel og/eller en infiltrerende atmosfære kommuniserer med fyllmaterialet eller preforma, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å infiltrere fyllmaterialet eller preforma spontant.

I en foretrukket utførelse kan et infiltreirngsmiddel tilføres direkte til minst en av preforma (eller fyllmaterialet) og/eller metallmatrisen og/cller den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav bør infiltreirngsmidlet være lokalisert i minst en del av fyllmaterialet eller preforma, i det minste under den spontane infiltreringen.

I en første foretrukket utførelse for tilvirking av et makrokomposittlegeme blir mengden av metallmatrise tilført det spontane system for å infiltrere fyllmaterialet eller preforma brukt i overskudd i henhold til det som kreves for å oppnå fullstendig infiltrering av det permeable materialet. Således vil resterende eller overskytende metallmatrise (f.eks. den metallmatrise som ikke ble brukt til å infiltrere fyllmaterialet eller preforma) forbli i kontakt med den infiltrerte masse og blir intimt bundet til den infiltrerte masse. Mengden, størrelsen, formen og/eller sammensetningen av den resterende metallmatrise kan reguleres til å framstille et utall av kombinasjoner. Dessuten kan den relative størrelse av metallmatrise-kompositten i forhold til resterende metallmatrise kontrolleres fra en ekstremitet ved tilvirking av et metallmatrise-komposittlag på ei overflate av resterende metallmatrise (f.eks. kun mindre mengder av spontan infiltrering finner sted) til en annen ekstremitet ved tilvirking av resterende metallmatrise som et lag på ei overflate av en metallmatrise-kompositt (dvs. at kun en mindre mengde av overskytende metallmatrise blir anvendt).

Et fyllmateriale eller ei preform plasseres i kontakt med minst en del av et annet eller andre legeme (f.eks. et keramisk legeme eller et metallegeme), og smeltet metallmatrise infiltrerer fyllmaterialet eller preforma spontant i det minste fram til ei overflate av det andre legemet og forårsaker dermed at metallmatrise-kompositten blir intimt bundet til det andre legemet. Bindingen av metallmatrise-kompositten til det andre legemet kan forårsakes av at metallmatrise og/eller fyllmaterialet eller preforma reagerer med det andre legemet. Dessuten hvis det andre legemet i det minste delvis omgir eller hovedsakelig fullstendig omgir, eller blir omgitt av, den dannete metallmatrise-kompositt, kan det skje en tilpasning ved krymping eller kompresjon. En slik krympetilpasning kan være den eneste form for binding av metallmatrisekompositten til det andre legemet, eller den kan eksistere i kombinasjon med en annen bindingsmekanisme mellom metallmatrise-kompositten eller det andre legemet. Dessuten kan graden av krympetilpasning kontrolleres ved å velge passende kombinasjoner av metallmatriser, fyll materialer eller preformer og/eller andre legemer for å oppnå ønsket kombinasjon eller utvelging av termiske ekspansjons-koeffisienter. På denne måten kan f.eks. en metallmatrise-kompositt produseres slik at den har en høyere termisk ekspansjons-koeffisient enn et annet legeme, og en metallmatrise-kompositt omgir i det minste delvis et andre legeme. I dette eksemplet ville metallmatrise-kompositten være bundet til det andre ved i det minste en krympetilpasning. Således kan det lages et vidt spekter av makrokomposittlegemer som omfatter en metallmatrise-kompositt som er bundet til et andre legeme slik som en annen keramikk eller metall.

I en ytterligere foretrukket utførelse blir overskytende eller resterende

metallmatrise tilført den ovennevnte andre foretrukkete utførelse (f.eks. kombinasjonen av metallmatrise-kompositt og et andre legeme). I denne utførelsen, som er lik den første foretrukkete utførelse diskutert ovenfor, er mengden av tilført metallmatrise for å infiltrere fyllmaterialet eller preforma spontant i overskudd på basis av det som kreves for å oppnå fullstendig infiltrering av det permeable materialet. Et generelt ureaktivt fyllmateriale eller ei preform plasseres i kontakt med minst en del av et annet eller andre legeme (f.eks. et keramisk legeme eller metallegeme), og smeltet metallmatrise infiltrerer fyllmaterialet eller preforma spontant i det minste fra til ei overflate av det andre legemet for dermed å forårsake at metallmatrise-kompositten blir intimt bundet til det andre legemet. Det kan således oppnås et mere komplekst makrokomposittlegeme enn makrokomposittene diskutert i de første to foretrukkete utførelser. Nærmere beskrevet, ved å ha mulighet til å velge og kombinere en metallmatrise-kompositt med både et andre legeme (f.eks. en keramikk og/eller et metall) og med overskytende eller resterende metallmatrise, kan det faktisk oppnås et ubegrenset antall av ombyttinger eller kombinasjoner. Hvis det f.eks. var et ønske om å produsere en makrokompositt-aksel eller stav, kunne en innvendig del av akselen være et andre legeme (f.eks. en keramikk eller et metall). Det andre legemet kunne i det minste delvis omgis av en metallmatrise-kompositt. Metallmatrise-kompositten kunne da i det minste delvis omgis av et andre legeme

eller resterende metallmatrise. Hvis metallmatrise-kompositten var omgitt av resterende metallmatrise, kunne en annen metallmatrise-kompositt i det minste delvis omgi den resterende metallmatrise (f.eks. kan den resterende metallmatrise tilføres i en tilstrekkelig mengde slik at den infiltrerer både innover mot et fyllmateriale (eller preform) som kontakter en innvendig del av en metallmatrise og utover mot et fyllmateriale (eller preform) som kontakter en utvendig del av metallmatrisen). I henhold til dette blir det anvendt betydelige ingeniørkunnskaper i den tredje utførelse av oppfinnelsen.

I alle ovennevnte foretrukkete utførelser kan det lages en metallmatrise-kompositt som ei utvendig og/eller innvendig overflate på et substrat av metallmatrise. Dessuten kan overflata av metallmatrise-kompositten ha en utvalgt eller forutbestemt tykkelse med hensyn til størrelsen av metallmatrise-substratet. De spontane infiltreringsteknikker i den foreliggende oppfinnelsen muliggjør tilvirking av tykkvegget eller tynnvegget metallmatirse-komposittkonstruksjoner der det relative volum av metallmatrise som gir overflata av metallmatrise-kompositten er vesentlig mindre enn, eller større enn volumet av metallsubstratet. Dessuten kan metallmatrise-komposittlegemet, som er ei utvendig og/eller ei innvendig overflate, også være bundet til et andre materiale slik som et keramisk materiale, for dermed å gi et betydelig antall av kombinasjoner med binding mellom metallmatrise-kompositt og/eller overskytende metallmatrise og/eller et andre legeme slik som en keramikk eller et metallegeme.

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

Når metallmatrisen omfatter en aluminium-legering blir aluminium-legeringen kontaktet med ei preform som omfatter et fyllmateriale (f.eks. alumina eller silisium-karbid) eller et fyllmateriale, der nevnte fyllmateriale eller preforma er blandet sammen med, og/eller på ett eller annet tidspunkt i løpet av prosessen blir eksponert for, magnesium. Dessuten, i en foretrukket utførelse blir aluminium-legeringen og/eller preforma eller fyllmaterialet omgitt av en nitrogenatmosfære under i det minste en del av prosessen. Preforma vil bli spontant infiltrert, og graden eller hastigheten av spontan infiltrering og dannelsen av metallmatrise-kompositt 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 infiltrering skjer. Spontan infiltrering skjer typisk i en grad som er tilstrekkelig til å omgi preforma eller fyllmaterialet hovedsakelig fullstendig.

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 terminerer 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 barriere).

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" 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 den får anledning til å kjølne. Det bør være forstått at rammen også kan inkludere et andre eller fremmed metall.

" Overskytende/ resterende metallmatrise" representerer her den andel eller mengde av metallmatrise som blir til overs etter at en ønsket mengde av spontan infiltrering av et fyllmateriale eller preform er oppnådd og som er intimt bundet til den dannete metallmatrise-kompositten. Den resterende eller overskytende metallmatrise kan ha en sammensetning som er den samme som eller forskjellig fra metallmatrisen som spontan infiltrerte fyllmaterialet eller preforma.

" 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, hule sfærer, 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, hule færer, kuler, 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 infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til infiltreringsmiddel, og som besørger eller fremmer spontan infiltrering med metallmatrise.

Med " infiltreirngsmiddel" menes et materiale som påvirker eller tar del i den spontane infiltrering av en metallmatrise inn i et fyllstoff eller preform. Et infiltreirngsmiddel kan dannes fra f.eks. en reaksjon mellom en forløper til et infiltreirngsmiddel med en infiltrerende atmosfære til å danne (1) et gassformig medium og/eller (2) et reaksjonsprodukt av forløperen til infiltreirngsmidlet og den infiltrerende atmosfære og/eller (3) et reaksjonsprodukt fra forløperen til infiltreringsmidlet og fyllstoffet eller preforma. Dessuten kart infiltreirngsmidlet tilføres 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 infiltrerinj<g>smiddel" 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 infiltreirngsmidlet 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 preforma eller fyllstoffet og/eller metallet. 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

I 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 infiltreringsmiddel i det minste i deler av fyllmaterialet eller preforma som forbedrer fukting.

> En " makro- kompositt" representerer her enhver kombinasjon av to eller flere materialer som er intimt bundet sammen ved f.eks. en kjemisk reaksjon og/eller en trykk- eller en krympetilpasning, der minst ett av materialene omfatter en metallmatrise-kompositt som er dannet ved spontan infiltrering av smeltet metallmatrise inn

i en permeabel masse av fyllmateriale, ei preform, eller et behandlet keramisk

) legeme som inneholder i det minste noe porøsitet. Metallmatrise-kompositten kan være tilstede som ei utvendig overflate og/eller innvendig overflate. Det bør være forstått at rekkefølgen, antallet og/eller plasseringen av metallmatrise-komposittlegemer eller legemer i forhold til resterende metallmatrise og/eller andre legemer kan manipuleres eller kontrolleres ubegrenset.

i " 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 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 hovedsakelig 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 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 eller et fyllmateriale.

Med " metallmatrise- kompositt" menes her et materiale som består av to- eller tredimensjonalt forbundet legering eller metallmatrise som har omgitt 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 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 behandlet (dvs. fullstendig sintrete eller formete keramer og metallegemer) i det minste med en 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.

Et " andre legeme" eller " ytterligere legeme" representerer her et annet legeme som har muligheter for å bindes til et metallmatrise-komposittlegeme ved minst en av: en kjemisk reaksjon og/eller mekanisk eller krympetilpasning. Et slikt legeme inkluderer tradisjonelle keramer slik som sintrete keramer, varmpressete keramer, ekstruderte keramer osv., og også utradisjonelle keramer og keramiske komposittlegemer slik som de produsert ved framgangsmåtene som er vist i NO patentsøknader 851011 og 860362, samt i NO utlegningskrifter 175301 og 177092, sistnevnte publisert etter foreliggende søknads prioritetsdato. Dessuten inkluderer det andre eller ytterligere legeme i den foreliggende oppfinnelsen også metallmatrise-kompositter og strukturelle legemer av metaller slik som høytemperatur-metaller, korrosjonsbestandige metaller, erosjonsbetandige metaller osv. I henhold til dette inkluderer et andre eller ytterligere legeme et ubegrenset antall av legemer.

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).

De følgende figurene er laget for å hjelpe til i forståelsen av oppfinnelsen. Like tallhenvisninger er brukt i hver av figurene for å betegne like komponenter, når mulig der: Figur 1 er et tverrsnitt av ei sammenstilling som ble brukt til å lage makrokompositten i henhold til eksempel 1. Figur 2 er et tverrsnitts-fotografi av makrokompositten produsert i henhold til eksempel 1. Figur 3 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt til å lage makrokompositten i eksempel 2. Figur 4 er et mikrofotografi som viser overflata mellom den ildfaste aluminabeholderen og metallmatrise-kompositt produsert i eksempel 2. Figur 5 er et mikrofotografi tatt ved stor forstørrelse av mikrostrukturen i metallmatrise-kompositten laget i eksempel 2. Figur 6 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt til å produsere makrokompositten i eksempel 3. . Figur 7 er et fotografi som viser tverrsnittet av makrokompositten produsert i eksempel 3. Figur 8 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt il å produsere makrokompositten i eksempel 4. Figur 9 er et fotografi som viser tverrsnittet av makrokompositten produsert i eksempel 4. Figur 10 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt il å produsere makrokompositten i eksempel 5. Figur 11 er et mikrofotografi av et tverrsnitt av makrokompositten produsert i eksempel 5. Figur 12 viser et tverrsnitt av oppsettet som ble brukt til å produsere makrokompositten i eksempel 6. Figur 13 er et fotografi av et tverrsnitt av makrokompositten produsert i eksempel 6.

Den foreliggende oppfinnelsen angår tilvirking av en makrokompositt, der en del av dette omfatter et metallmatrise-komposittlegeme som er blitt dannet ved spontan infiltrering av et fyllmateriale eller ei preform med smeltet metallmatrise.

En makrokompositt framstilles i henhold til oppfinnelsen ved å danne en metallmatrise-kompositt i kontakt med minst ett andre eller ytterligere legeme; Nærmere beskrevet blir et metallmatrise-komposittlegeme produsert ved spontan infiltrering av en permeabel masse av fyllmateriale eller ei preform med smeltet metallmatrise. Et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper til et infiltreirngsmiddel og/eller en infiltrerende atmosfære kommuniserer med fyllmaterialet eller preforma, i det minste på ett tidspunkt i løpet av prosessen, som tillater smeltet metallmatrise å infiltrere fyllmaterialet eller preforma spontant.

I en foretrukket utførelse kan et infiltreirngsmiddel tilføres direkte til minst en av preforma (eller fyllmaterialet) og/eller metallmatrisen og/eller den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav bør infiltreirngsmidlet være lokalisert i minst en del

av fyllmaterialet eller preforma, i det minste under den spontane infiltreringen.

I en første.foretrukket utførelse for tilvirking av et makrokomposittlegeme er mengden av metallmatrise tilført for infiltrering i overskudd i henhold til det som kreves for infiltrering. Med andre ord blir metallmatrisen tilført i en mengde som er større enn det som kreves for å fullstendig infiltrere fyllmaterialet eller preforma slik at resterende eller overskytende metallmatrise (f.eks. den metallmatrise som ikke er brukt til å infiltrere fyllmaterialet eller preforma) blir intimt bundet til fyllmaterialet eller preforma som er blitt infiltrert. I henhold til dette blir det dannet et makrokomposittlegeme som omfatter overskytende metallmatrise som er intimt bundet til et metallmatrise-komposittlegeme slik som en keramikk eller et keramisk komposittlegeme.

Fyllmaterialeet eller preforma plasseres i kontakt med et annet legeme slik som en keramikk eller et metall, og smeltet metallmatrise blir indusert til å infiltrere fyllmaterialet eller preforma spontant fram til det andre legeme av f.eks. keramikk eller metall og blir intimt bundet til det andre legeme for således å danne en makrokompositt som omfatter et metallmatrise-komposittlegeme som er bundet til et andre legeme slik som en annen keramikk eller metall.

I de ovennevnte foretrukkete utførelser kan et metallmatrise-komposittlegeme dannes som ei utvendig og/eller innvendig overflate på et substrat av metallmatrise. .Dessuten kan metallmatrise-komposittens overflate ha en utvalgt eller forutbestemt tykkelse med hensyn til størrelsen av metallmatrise-substratet. Teknikkene i den foreliggende oppfinnelsen muliggjør tilvirking av tykkveggete eller tynnveggete metallmatirse-komposittkonstruksjoner der det relative volum av metallmatrise som utgjør metallmatrise-komposittens overflate er vesentlig større enn eller mindre enn volumet av metallsubstrat. Metallmatrise-komposittlegemet som kan være ei utvendig og/eller ei innvendig overflate kan videre også være bundet til et andre materiale slik som en keramikk eller et metall, for dermed å besørge et betydelig antall av kombinasjoner med binding mellom metallmatrise-kompositt og/eller overskytende metallmatrise og/eller et andre legeme slik som et keramisk eller metallisk legeme.

I henhold til dette kan den foreliggende oppfinnelsen anvendes for å imøtekomme eller tilfredsstille et stort antall av industrielle behov for derved å gi anvendbarheten av den foreliggende oppfinnelsen.

For å lage makrokompositter i den foreliggende oppfinnelsen må det først lages et metallmatrise-komposittlegeme ved spontan infiltrering av en metallmatrise inn i en masse av fyllmateriale eller ei preform. For å bevirke spontan infiltrering av metallmatrisen inn i fyllmaterialet eller preforma må det spontane systemet tilføres et infiltreringsmiddel. Et infiltreirngsmiddel kan dannes fra en forløper til et infiltreringsmiddel som kan tilføres (1) i metallmatrisen og/eller (2) i fyllmaterialet eller preforma og/eller (3) fra den infiltrerende atmosfære og/eller (4) fra en ekstern kilde inn til det spontane system. I stedet for å tilsette en forløper til et infiltreirngsmiddel kan det imidlertid et infiltreirngsmiddel tilsettes direkte til minst en av fyllmaterialet eller preforma og/eller metallmatrisen og/eller den infiltrerende atmosfære. Som et minstekrav bør infiltreirngsmidlet være lokalisert i minst en del av fyllmaterialet eller preforma, i det minste under den spontane infiltreringen.

I en foretrukket utførelse er det mulig at forløperen til infiltreirngsmidlet i det minste delvis kan reageres med den infiltrerende atmosfære slik at infiltreirngsmidlet kan dannes i minst en del av fyllmaterialet eller preforma forut for eller praktisk talt samtidig med at fyllmaterialet eller preforma kontaktes med smeltet 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 når aluminium er smeltet. Et fyllmateriale som inneholder eller blir eksponert for magnesium, og som på et eller annet tidspunkt under prosessen blir eksponert for nitrogenatmosfære, kan deretter kontaktes med den smeltete aluminium-metallmatrise. Metallmatrisen vil deretter spontant infiltrere fyllmaterialet eller preforma.

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

infiltreringen.

Under betingelsene som er anvendt i framgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen, i tilfellet med et spontant system av aluminium/magnesium/nitrogen, bør fyllmaterialet eller preforma være tilstrekkelig permeabel for å tillate penetrering eller metting av den nitrogenholdige gassen i preforma i det minste på noe 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 eller fyllmaterialet blir spontant infiltrert med smeltet metallmatrise til å danne et metallmatrise-komposittlegeme og/eller forårsake at nitrogen reagerer med en forløper til et infiltreirngsmiddel til å danne infiltreirngsmiddel i fyllmaterialet eller preforma som resulterer i spontan infiltrering. Graden eller hastigheten 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-nitrid i preforma eller fyllmaterialet, nærværet av ekstra legerende elementer (f.eks. silisium, jern, kobber, mangan, krom, sink eller tilsvarende), gjennomsnittlig størrelse (f.eks. par-tikkeldiameter) av fyllmaterialet, overflatas tilstand og type fyllmateriale, 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. (Hjelpende legerings-elementer 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 legerings-elementer 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, et magnesium-innhold i metallmatrisen i den nedre ende av det operative område, f.eks. fra 1 til 3 vekt%, kan brukes sammen med minst en av følgende: en prosesstemperatur over den minimale, en høy konsentrasjon av nitrogen eller ett eller flere hjelpende legeringselementer. Når preforma eller fyllmaterialet 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 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 er det funnet at når ei alumina preform 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 tilsvarende 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 infiltreirngsmiddel 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 infiltreirngsmiddel 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 vice versa, eller at slikt magnesium bør blandes i minst en del av preforma eller fyllmaterialet. Det er mulig at en viss kombinasjon av overflatpa-nvendelse, 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 metall-

matrisen ved en gitt temperatur. For eksempel, hjelpende legeringselementer slik som sink eller jern inkludert i legeringen, eller plassert på ei overflate av legeringen,

kan anvendes 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 preforma eller 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 legerings^-

element 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 minst 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 eller preforma med mindre fyllmaterialet eller preforma blir brukt med en støtte som vil opprettholde den porøse geometri i fyllmaterialet eller preforma under infiltreringstrinnet. En slik støtte kan omfatte et belegg på fyllpartiklene eller preformas passasjer; ellers kan visse bestanddeler i massen av fylleren eller preforma være i fast form ved infiltreringstemperaturen mens andre bestanddeler er smeltet. I den sistnevnte utførelsen kan de faste bestanddeler støtte de smeltete bestanddeler og holde tilstrekkelig porøsitet for spontan infiltrering av fyllmaterialet eller preforma ved like. 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 framgangsmåte for oppvarming, som kan smelte metallmatrisen, og som ikke påvirker den spontane infiltrasjonen på en negativ måte, akseptabel til bruk innen oppfinnelsen.

I den foreliggende framgangsmåten er f.eks. ei permeabel preform eller fyllmateriale plassert i kontakt med smeltet aluminium i nærvær av, i det minste på noe 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, 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 fra atmosfæren på grunn av nitrid-dannelse i legeringsmatrisen, og også for å forhindre eller stoppe innsig av luft 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-nifrid. Hvia 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 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 dis-kontinuerlige (i knust form) eller i form av kontinuerlige filamenter slik som buntete filamenter. Fyllmaterialet eller preforma 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., knuste alumina-legemer laget i henhold til framgangsmåten som er vist i NO patentsøknad 851011 framviser ønskete infiltrerings-egenskaper i forhold til kommersielt tilgjengelige alumina-produkter. Dessuten framviser også knuste alumina-legemer laget etter framgangsmåten vist i NO patentsøknad 860362 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 patentsøknadene.

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). I tilfellet med aluminium-legeringer kan den infiltrerende atmosfære omfatte en nitrogenholdig gass. 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 homogene/jevne 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 (dvs en konstruksjon som har utilstrekkelig porøsitet for at spontan infiltrering kan finne sted).

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. Imidlertid, mens den øvre grense av temperaturområdet blir nådd, vil nitridisering av metallet kunne skje lettere. På denne måten kan mengden av nitridfasen i metallmatrisen reguleres ved å variere prosesstemperaturen der infiltreringen skjer. Den spesifikke prosesstemperatur der nitriddannelse kommer mere til uttrykk varierer også med slike faktorer som den aluminium legeringsmatrise som blir brukt og dens kvantitet i forhold til volumet av fylleren eller preforma, det keramiske materiale 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 kan også 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 terminerer 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 fyller.

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 smeltete 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 av 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 imidlertid 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 (TiB2)) som er generelt ufuktbar av den smeltete aluminium-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, faktisk kan infiltreres ved høyere temperaturer. Boridene av overgangsmetallene er typisk i form av partikler (1-30 mikrometer). Barriere-materialene 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 metoder slik som maling, spraying, dypping osv.

Finmalte partikkelformige materialer kan dessuten 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 termineres når den infiltrerende metallmatrise kommer fram til den definerte overflategrense og kommer i kontakt med barrieremidlet.

Ved bruk av teknikkene som er beskrevet ovenfor besørger den foreliggende oppfinnelsen en teknikk hvorved en formet metallmatrise-kompositt kan bindes eller festes integrerende til minst ett andre eller ytterligere legeme. Dette legeme kan omfatte: et keramikkmatirse-legeme; et keramikkmatrise-komposittlegeme, dvs. en keramikkmatrise som omgir et fyllmateriale; et legeme av metall; en metallmatrise-kompositt og/eller enhver kombinasjon av de ovennevnte materialene. Det endelige produkt produsert ved den foreliggende oppfinnelsen er en makrokompositt som omfatter minst en metallmatrise-kompositt dannet ved den spontane infiltrering av en masse av fyllmateriale eller ei preform med en metallmatrise, som er bundet eller helhetlig festet til minst ett legeme som omfatter minst ett av de ovennevnte materialene. Det endelige produktet i den foreliggende oppfinnelsen kan således omfatte et ubegrenset antall av ombyttinger og kombinasjoner av spontant infiltrerte metallmatrise-kompositter som er bundet til ei eller flere overflater av minst ett legeme som omfatter minst ett av de ovennevnte materialene.

Som demonstrert i eksemplene 2,3 og 5 tillater den foreliggende oppfinnelsen dannelsen av flerdelte makrokompositter i ett enkelt infiltreirngstrinn. Nærmere beskrevet kan en smeltet metallmatrise infiltreres spontant inn i en masse av fyllmateriale eller ei preform som er i kontakt med et andre eller ytterligere legeme slik som et keramisk legeme. Ved infiltrering av fyllmaterialet eller preforma til grenseflata mellom nevnte fyllmateriale eller preform og nevnte andre eller ytterligere legeme, samhandler den smeltete metallmatrise, enten alene eller i kombinasjon med fyllmaterialet eller preforma, med nevnte andre aller ytterligere legeme på en måte som tillater binding eller et integrerende feste av metallmatrise-komposittlegemet til det andre eller ytterligere legeme ved kjøling av systemet. Ved å anvende teknikkene som er beskrevet i eksemplene 2, 3 og 5 kan således ethvert antall av andre eller ytterligere legemer plasseres i eller rundt en masse av fyllmateriale eller preform slik at når smeltet metallmatrise infiltrerer massen av fyllmateriale eller preform til grenseflata mellom nevnte fyllmateriale eller preform og nevnte andre eller ytterligere legemer, vil det skje en integrerende sammenføyning eller binding mellom metallmatrise-kompositten og de andre legemene ved nedkjøling av systemet til en temperatur som er under både smeltepunktet til metallmatrisen og smeltepunktet til alle andre legemer i systemet.

I tillegg til dannelsen av en sterk binding eller integrerende sammenføyning; mellom den spontant infiltrerte metallmatrise-kompositten og det andre eller ytterligere legeme eller legemer, gir også den foreliggende oppfinnelsen en teknikk hvorved det andre eller ytterligere legeme(er) kan plasseres i sammentrykning med metallmatrise-kompositten. Alternativt kan metallmatrise-kompositten plasseres i sammentrykning med det andre eller ytterligere legeme(er). Metallmatrise-kompositten kan således i det minste delvis inneholde det andre legeme og, hvis metallmatrise-komposittens termiske ekspansjonskoeffisient er større enn koeffisienten for det andre eller ytterligere legeme(er), vil metallmatrise-kompositten plassere det inneholdende legeme ved sammentrykning etter nedkjøling fra infiltreringstemperatur. Alternativt kan metallmatrise-komposittlegemet dannes i det minste delvis innen et andre eller ytterligere legeme som har en større termisk ekspansjonskoeffisient enn metallmatrise-komposittlegemet Ved nedkjøling vil den del av metallmatrise-kompositten som er lokalisert innen det andre eller ytterligere legeme plasseres under sammentrykning av det andre eller ytterligere legeme.

Teknikken i den foreliggende oppfinnelsen kan tilpasses produksjon av en kontinuerlig makrokompositt-kjede av enhver lengde. Nærmere beskrevet kan framgangsmåten ifølge oppfinnelsen tilpasses til en kontinuerlig produksjonsmetode der f.eks. en kontinuerlig strøm av råmaterialer kan føres gjennom en ovn som varmer metallmatrisen til en temperatur som er over dens smeltepunkt; der nevnte metallmatrise er i smeltet tilstand i et tidsrom som er tilstrekkelig for at nevnte smeltete metallmatrise infiltrerer et forutbestemt volum av fyllmateriale eller preform; hvoretter, mens det infiltrerte fyllmateriale blir kjølt (f.eks. tatt ut av ovnen), nevnte metallmatrise kjøles ned til størkningstemperatur for dermed å gi en metallmatrise-kompositt. Ved anvendelsen av denne kontinuerlige prosessen kan en metallmatrise-kompositt bindes til et andre materiale som kan være bundet til en annen metallmatrise-kompositt, som igjen kan være bundet til et annet eller andre rnateriale osv. Den smeltete metallmatrise kan tilføres in situ eller til ovnen gjennom en andre strøm som blir tilført fra f.eks. et reservoarmetall. I tillegg kan et lag av barrieremateriale, slik som Grafoil, lokaliseres mellom forutbestemte segmenter av makrokompositt-kjeden for dermed å terminere kjeden ved barrierelaget.

Den integrerende sammenføyningen eller bindingen av metallmatrise-kompositt til det andre eller ytterligere legeme kan forbedres ved bruk av mekaniske bindingsteknikker. Nærmere beskrevet kan overflata til en eller flere av metallmatrise-komposittene eller det andre eller ytterligere legeme ha innsnitt, hull, spor eller enhver annen form for uregelmessighet som samsvarer med den inverse form av overflata til det legeme som skal bindes sammen med eller festes til. Disse sammen-bindende uregelmessigheter i overflatene kan skape en mekanisk binding i tillegg til enhver kjemisk binding som kan dannes mellom metallmatrise-kompositten og det andre eller ytterligere legeme. Kombinasjonen av disse bindinger eller sammenføynings-mekanismer kan produsere en mye sterkere binding eller sammenføyning enn både binding eller sammenføyning alene.

Produktene som er produsert ved teknikkene i den foreliggende oppfinnelsen vil være fordelaktige til industrielle anvendelser som krever overflater som må være bestandige mot høy temperatur, sliping, korrosjon, erosjon, termisk belastning, friksjon og/eller mange andre belastninger. Den foreliggende framgangsmåten vil således være nyttig i produksjonen av ethvert industrielt produkt som kan ha dets anvendelse forbedret ved bruken av overflater som omfatter metallmatrise-kompositter, keramikkmatrise-kompositter, metaller eller kombinasjoner av disse. Ved å sørge for teknikker for å skape makrokompositter som har lag av materialer med ulike egenskaper og karakteirstikker, kan et velde av industrielle anvendelser, som tidligere ble trodd å være umulige eller upraktiske ved bruk av vanlige materialer, nå tilfredsstilles ved en skikkelig tilvirking av makrokomposittene produsert ved framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Spesielt kan industrielle anvendelser som krever at en del av et legeme er motstandsdyktig overfor visse betingelser og at en annen del av legemet er motstandsdyktig overfor andre betingelser nå tilfredsstilles ved bruken av to eller flere typer materialer som formes til en makrokompositt med en geometri som passer den industrielle anvendelse. Ved bruken av preforma og barriere-teknikkene som beskrevet herunder, kan det dessuten lages makrokompositter med rene eller nær rene overflater som krever lite eller ingen avsluttende maskinering etter det spontane infiltreringstrinnet.

Produktene som er produsert ved framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har således et ubregrenset industrielt potensiale, og kan hjelpe til med å tilfredsstille mange av de mest utfordrende konstruksjonskrav som eksisterer i material-verdenen i dag.

Eksempel 1

Dette eksemplet viser at det er mulig å anvende spontan infiltrering av en smeltet metallmatrise inn i ei formet preform for å oppnå et formet metallmatrise-komposittlegeme som er integrerende festet til eller bundet til et fast stykke av metallmatrise.

I henhold til figur 1 ble en barre (2) av metallmatrise, med dimensjoner på ca.

51x51x13 mm og bestående av ca. 5% silisium, 5% magnesium og resten aluminium, plassert på toppen av ei preform (4) med omtrentlige dimensjoner på 51x51x13 mm. Preforma (4) ble produsert ved å blande C-75 umalt kalsinert alumina fra Alcan og Elmer's trelim (fra Bordon Co.). Vekten av Elmer's trelim som ble anvendt var ca. 10 vekt% C-75 umalt kalsinert alumina. Blandingen av Elmer's trelim og alumina ble tilsatt tilstrekkelig vann til å lage en slurry. Slurryen ble grundig blandet og støpt i ei gummiform. Gummiforma med innhold ble deretter plassert i en fryser inntil innholdet i forma var fullstendig frosset. Den frosne preforma ble deretter fjernet fra gummiforma og hensatt til tørking.

Som vist i figur 1 ble oppsettet med preforma (4) og metallmatirse-barren (2) plassert på toppen av et ca. 13 mm tykt lag av Grade HTC titan-diborid fra Union Carbide inne i en ildfast beholder (6) av alumina fra Bolt Technical Ceramics. Ytterligere Grade HTC titan-diborid ble deretter tilsatt til den ildfaste beholderen (6) inntil overflata av titan-diboridet (8) var omtrentlig i flukt med den øvre overflata av metallmatirse-barren (2).

Oppsettet bestående av den ildfaste beholderen (6) med innhold ble plassert i en

elektrisk vakuumovn ved romtemperatur. Et høyt vakuum (ca. IO-<*> torr) ble dannet i ovnen og holdt ved like ettersom temperaturen ble hevet fra romtemperatur til omlag 200°C. Ovnen med innhold ble holdt ved ca. 200°C i omlag 2 timer før prosessgass (ca. 96 vol% nitrogen og 4% hydrogen) ble etterfylt til ovnen til omtrentlig 1 atmosfære, og en kontinuerlig strøm av prosessgass på ca. 1000 cm<3>/min ble etablert. Ovnstemperaturen ble deretter hevet til ca. 875 °C i løpet av ca. 10 timer; holdt ved omlag 875 °C i ca. 15 timer og senket til romtemperatur i løpet av ca. 5 timer. Ved romtemperatur ble oppsettet fjernet fra ovnen og demontert. En metallmatrise-kompositt som omfattet preforma av alumina infiltrert av metallmatrise ble avdekket. Som vist i figur 2 var metallmatrise-kompositten (10) integrerende bundet med overskytende resterende metallmatrise (12).

Dette eksemplet demonstrerer således at det gjennom bruken av spontan infiltrering er mulig å skape et formet metallmatrise-komposittlegeme som er integrerende bundet til et fast stykke av overskytende metallmatrise.

Eksempel 2

Dette eksemplet demonstrerer at det er mulig å infiltrere et lag av fyllmateriale med metallmatrise spontant for å produsere en makrokompositt som omfatter overskytende metallmatrise som er integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt som igjen er integrerende festet eller bundet til et keramisk legeme.

Som vist i figur 3 ble fire barrer (14) av metallmatrise, hver med omtrentlige dimensjoner 51x25x13 mm og bestående av ca. 3 vekt% silisium, 3 vekt% magnesium og resten aluminium, plassert på toppen av et lag (16) av et 0.17 mm (90 grit) alumina-materiale kjent under handelsnavnet 38 Alundum og produsert av Norton Co. Laget (16) var plassert i en ildfast aluminabeholder (18) produsert av Bolt Technical Ceramics. Barrene av metallmatrise (14) ble arrangert som vist i figur 3.

Oppsettet, bestående av den ildfaste aluminabeholderen (18) med innhold, ble plassert i en rørovn, og ovnen ble tilført prosessgass (ca. 96 vol% nitrogen og 4% hydrogen) med en hastighet på ca. 300 cn<v>Vmin. Ovnstemperaturen ble deretter hevet fra romtemperatur til omlag 1000°C i løpet av 10 timer; holdt ved ca. 1000°C i omlag 10 timer og deretter redusert til romtemperatur i løpet av ca. 6 timer.

Etter at romtemperatur var nådd ble oppsettet tatt ut av ovnen og demontert. En metallmatrise-kompositt bestående av 38 Alundum infiltrert av metallmatrisen ble deretter avdekket. Metallmatrise-kompositten var integrerende festet eller bundet til både den ildfaste aluminabeholderen (18) og legemet av overskytende metallmatrise. Figur 4 er et mikrofotografi som viser grenseflata (20) mellom den ildfaste aluminabeholderen (22) og metallmatrise-kompositten (24). Denne figuren demonstrerer at en god binding eller feste blir oppnådd ved grenseflata mellom metallmatrisen og den ildfaste aluminabeholderen. Selv om det ikke er vist i figur 4 var det også en sterk binding eller et godt feste ved grenseflata mellom den overskytende metallmatrise og metallmatrise-kompositt. Denne bindingen er verifisert ved det faktum at den overskytende metallmatrise ikke kunne fjernes uten ved! maskinering. Figur 5 er et mikrofotografi med stor forstørrelse av mikrostrukturen av metallmatrise-kompositten som ble laget i dette eksemplet. Som indikert ved linjene (26), ble det dannet betydelige mengder aluminium-nitrid innen metallmatrise-kompositten. Aluminium-nitrid (26) framtrer som den mørkegrå fase i figur 5 mens metallmatrisen (28) framtrer som en lys grå fase og 38 Alundum framtrer som mørkfargete partikler. Dette eksemplet demonstrerer videre at det er mulig å skreddersy mikrostrukturen i metallmatrise-kompositten til å inneholde reaksjonsprodukter fra den infiltrerende metallmatrise og den infiltrerende atmosfære.

Dette eksemplet demonstrerer således at det er mulig å anvende spontan infiltrering for å skape en makrokompositt som omfatter overskytende metallmatrise som er integrerende festet eller bundet til et metallmatrise-komposittlegeme som igjen er integrerende festet eller bundet til et keramisk legeme. Dette eksemplet demonstrerer videre at metallmatrise-komposittens mikrostruktur kan modifiseres ved å tillate at det dannes reaksjonsprodukter fra metallmatrisen og den infiltrerende atmosfære.

Eksempel 3

Det følgende eksempel demonstrerer at det er mulig å skape en makrokompositt som omfatter overskytende metallmatrise som er integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt som igjen er integrerende festet eller bundet til et keramisk legeme.

Som vist i figur 6 ble en kommersielt tilgjengelig aluminaplate (32) (AD85 fra Coors) med omtrentlige dimensjoner på 76x102x13 mm plassert i en ildfast beholder (34) av alumina på toppen av et ca. 13 mm tykt lag av et 0.17 mm (90 grit) alumina-materiale kjent under handelsnavnet 38 Alundum og produsert av Norton Co. Ytterligere 38 Alundum ble deretter tilsatt den ildfaste beholderen (34) inntil aluminaplata (32) var dekket med et ca. 25 mm tykt lag av 38 Alundum. To blokker (36) av en metallmatrise sammensatt av (vekt%) omtrentlig 5% silisium, 3% magnesium, 6% sink og resten aluminium ble plassert på toppen av 38 Alundum slik at de var direkte over aluminaplata. Hver blokk (36) av metallmatrise hadde omtrentlige dimensjoner på 114x51x13 mm, og de to blokkene (36) med metallmatrise ble stablet oppå hverandre som vist i figur 6. Deretter ble ytterligere 38 Alundum tilsatt den ildfaste beholderen (34) inntil overflata av senga (38) av 38 Alundum var omtrentlig i flukt med overflata til den øvre blokka av metallmatrise (36).

Oppsettet, bestående av den ildfaste beholderen (34) av alumina med innhold, ble plassert i en elektrisk muffelovn ved romtemperatur og tilført en kontinuerlig strøm på ca. 350 cmVmin av prosessgass (ca. 96 vol% nitrogen og 4% hydrogen). Temperaturen i ovnen ble hevet fra romtemperatur til omlag 1000°C i løpet av ca. 12 timer; holdt ved ca. 1000°C i ca. 18 timer og deretter senket til romtemperatur i løpet av ca. 5 timer.

Etter at romtemperatur var nådd ble oppsettet tatt ut av ovnen og demontert. Figur 7 er et fotografi som viser et tverrsnitt av makrokompositten (40) som ble avdekket fra oppsettet. Nærmere beskrevet ble et legeme av overskytende metallmatrise (42) integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt (44) som omfattet Alundum omgitt av metallmatrise-legeringen, som igjen var integrerende festet eller bundet til ei keramisk plate (46). Dette eksemplet demonstrerer således at det er mulig å tilvirke en "laminert" makrokompositt som omfatter en metallmatrise-kompositt som er bundet til et keramisk stykke og et fast metallstykke på motsatte sider av metallmatrise-kompositten. Dette eksemplet demonstrerer videre at det er mulig å tilvirke en makrokompositt med flere lag i ett spontant infiltreirngstrinn.

Eksempel 4

Det følgende eksemplet demonstrerer at det er mulig å lage et metallmatrise-komposittlegeme som er integrerende festet eller bundet til et legeme av fast metallmatrise.

Som vist i figur 8 ble det laget en boks (48) med omtrentlige dimensjoner på 165x165x64 mm fra et dobbelt lag av et 0.38 mm tykt Grade GTB grafitt-tape produkt, produsert av Union Carbide og solgt under handelsnavnet Grafoil, ved å hefte sammen passende seksjoner av Grafoil sammen og klebe skjøtene sammen med en slurry laget ved å blande grafittpulver (Grade KS-44 fra Lonza Inc.) og kolloidal silika (Ludox HS fra du Pont). Vektforholdet mellom grafitt og kolloidal silika var omlag 1 til 3.

Et umalt alumina fyllmateriale kjent som C-75 umalt alumina fra Alcan ble deretter tilsatt Grafoil-boksen inntil laget (50) av aluminamateriale var omtrentlig 32 mm tykt. Ei ca. 165x165x25 mm stor blokk (52) av en metallmatrise, bestående av ca. (vekt%) 5% silisium, 5% magnesium, 5% sink og resten aluminium, ble plassert på toppen av laget (50) av alumina fyllmateriale i Grafoil-boksen (48). Grafoil-boksen (48) med innhold ble deretter plassert i en ildfast grafittbeholder (54) på toppen av et ca. 25 mm tykt lag av et 0.7 mm (24 grit) aluminamateriale kjent som 38 Alundum og produsert av Norton Co. Ytterligere 0.7 mm (24 grit) Alundum ble tilsatt grafittbeholderen inntil overflata av laget (56) av 38 Alundum var litt under toppen av Grafoil-boksen (48).

Oppsettet, bestående av den ildfaste grafittbeholderen (54) med innhold, ble plassert i en elektrisk vakuumovm ved romtemperatur. Ovnen ble deretter evakuert til ca. 10^ torr og varmet til ca. 200°C i løpet av ca. 45 minutter. Ovnstemperaturen ble holdt ved ca. 200°C under vakuum i ca. 2 timer før ovnen ble etterfylt med nitrogengass til omtrentlig 1 atmosfære. En kontinuerlig strøm av nitrogen på ca. 1.5 liter/min ble etablert i ovnen og ovnstemperaturen ble hevet til ca. 865 °C i løpet av ca. 5 timer; holdt ved ca. 865°C i ca. 24 timer og senket til romtemperatur i løpet av ca. 3 timer.

Etter at romtemperatur var nådd ble oppsettet tatt ut av ovnen og demontert. Figur 9 er et fotografi som viser et tverrsnitt av makrokompositten som ble avdekket fra oppsettet. Nærmere beskrevet viser figur 9 en metallmatrise-kompositt (58) bestående av C-75 umalt alumina omgitt av metallmatrisen, som er integrerende bundet til et legeme (60) av resterende metallmatrise.

Dette eksemplet demonstrerer således at det er mulig å framskaffe en makrokompositt bestående av en metallmatrise-kompositt som er integrerende bundet til et legeme av resterende metallmatrise.

Eksempel 5

Dette eksemplet demonstrerer at det er mulig å produsere en makrokompositt som omfatter et legeme av overskytende metallmatrise som er integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt som igjen er integrerende festet eller bundet til et keramisk legeme. Nærmere beskrevet er det keramiske legeme og legemet av overskytende metallmatrise integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt som omfatter en tredimensjonalt forbundet keramisk konstruksjon omgitt

av en metallmatrise.

Som vist i figur 10, ble det brukt et ca. 25x38x13 mm stort keramisk filter (62) bestående av ca. 99.5% ren aluminiumoksid og inneholdende ca. 18 porer/cm fra High Tech Ceramics of Alfred, New York. Det keramiske filteret (62) ble plassert i bunnen av en aluminabeholder (64), og ei blokk (66) av en metallmatrise, med omtrentlige dimensjoner 25x25x13 mm og bestående av ca. 5% silisium, 6% sink og 10% magnesium og resten aluminium, ble plassert på toppen av det keramiske filteret (62). Aluminabeholderen (64) var en 99.7% alumina kapsel fra Bolt Technical Ceramics (BTC-AL-99.7%) og hadde en lengde på ca. 100 mm, en bredde på ca. 45 mm og en høyde på ca. 3 mm. Oppsettet bestående av den ildfaste aluminabeholderen med innhold ble plassert i en rørovn ved romtemperatur. Ovnsdøra ble deretter lukket, og ovnen ble tilført prosessgass (ca. 96 vol% nitrogen og 4% hydrogen) med eri hastighet på ca. 250 cm<3>/min. Ovnstemperaturen ble hevet ved omlag 150°C/time til omlag 775°C; holdt ved omlag 775°C i 7 timer og deretter senket med en gradient på ca. 200°C/time til romtemperatur. Etter at oppsettet var tatt ut av ovnen ble det avdekket en makrokompositt. Laget med metallmatrise-kompositten i makrokompositten ble tverrsnittet og mikrofotografert med hensyn på mikrostrukturen. Dette fotografiet er vist som figur 11.

Som vist i figur 11 ble det oppnådd en effektiv infiltrering av metallmatrise (68) inn i porene av det keramiske filteret (70). Som indikert ved linjene (72) i figur 11 var dessuten infiltreringen av metallmatrise så fullstendig at den infiltrerte porene i aluminakomponenten i det keramiske filteret (70). Figur 11 viser også grenseflata (75) mellom bunnen av aluminabeholderen (76) og metallmatrise-kompositten (78). I tillegg var overskytende metallmatrise integrerende festet eller bundet til enden av metallmatrise-kompositten som var på motsatt side av det keramiske stykket, dvs. på motsatt side av bunnen av aluminabeholderen, selv om det ikke er vist i fotografiet.

Dette eksemplet demonstrerer således at det er mulig å lage en makrokompositt med flere lag som omfatter et legeme av overskytende metallmatrise som er integrerende festet eller bundet til en metallmatrise-kompositt som igjen er integrerende festet eller bundet til et keramisk legeme.

Eksempel 6

Det følgende eksemplet demonstrerer at det er mulig å spontant infiltrere en serie av preformer i ett trinn til å produsere en makrokompositt bestående av to metallmatrise-kompositter som er bundet til motsatte sider av et tynt lag av metallmatrise.

To preformer, hver med omtrentlige dimensjoner på 178x178x13 mm, ble sedimentstøpt fra ei blanding av et 70 mikrometer (220 grit) aluminamateriale, kjent under handelsnavnet 38 Alundum og produsert av Norton Co., og kolloidal alumina (Nyacol AL-20). Det omtrentlige vektforholdet mellom kolloidal alumina og 38 Alundum var 70 til 30.

Etter at preformene hadde tørket og festnet, ble ei overflate av hver av preformene påmalt et tynt (ca. 0.4 mm) lag av kolloidal aluminapasta (Nyacol AL-20).De to malte overflatene ble deretter brakt i kontakt slik at den kolloidale alumina ble lokalisert mellom de to preformene. Som vist i figur 12 ble dette oppsettet av preformene (80), inkludert laget (81) av kolloidal alumina, deretter plassert i en ildfast beholder (82) på toppen av et ca. 13 mm tykt lag av Grade HTC titan-diborid produsert av Union Carbide. Ei blokk (84) av metallmatrise, med omtrentlige dimensjoner på 178x178x13 mm og sammensatt av (vekt%) ca. 5% silisium, 7% magnesium, 2% kobber og resten aluminium, ble plassert på toppen av oppsettet av preformene (80). Ytterligere Grade HTC titan-diborid ble deretter tilsatt den ildfaste beholderen (82) inntil overflata av laget (86) av titan-diborid var omtrentlig i flukt med den øvre overflata av metallmatirse-blokka (84).

Oppsettet, bestående av den ildfaste beholderen (82) med innhold, ble deretter plassert i en elektrisk vakuumovn ved romtemperatur. Ovnen ble deretter evakuert til ca. 10^ torr, og ovnstemperaturen ble hevet til omlag 200°C i løpet av ca. 45 minutter. Ovnstemperaturen ble opprettholdt ved ca. 200°C i vakuum i ca. 2 timer. Etter disse to timene med oppstartende oppvarming, ble ovnen etterfylt med nitrogengass til ca. 1 atmosfære og temperaturen ble hevet til omlag 865 °C i løpet av ca. 5 timer; holdt ved ca. 865 °C i omlag 18 timer og deretter senket til romtemperatur i løpet av ca. 5 timer.

Etter at romtemperatur var nådd, ble oppsettet tatt ut av ovnen og demontert.

Figur 13 er et fotografi av et tverrsnitt av makrokompositten som ble avdekket fra oppsettet. Nærmere beskrevet var et lag av metallmatrise (88) lokalisert mellom to metallmatrise-kompositter (90) som hver besto av 38 Alundum (og en rest fra den kolloidale alumina) omgitt av metallmatrise. Laget av metallmatrise (88) var : integrerende festet eller bundet til hver av metall matrise-komposittene (90) og dannet således en m?krokompositt.

Dette eksemplet demonstrerer således at det er mulig i ett enkelt spontant infiltreringstrinn å danne en makrokompositt bestående av to metallmatrise-kompositter som er integrerende festet eller bundet med et tynt lag av metallmatrise.

Claims

1. Framgangsmåte for framstilling av en makrokompositt, hvorved det framskaffes et matrisemetall og et første legeme som skal infiltreres, hvilket første legeme omfatter en løs masse av et generelt ureaktivt fyllmateriale og/eller ei preform omfattende et formet generelt ureaktivt fyllmateriale, og et andre legeme plasseres inntil eller i kontakt med det første legemet, karakterisert ved at det framskaffes et infiltreirngsmiddel og/eller en forløper for dette og/eller en infiltrerende atmosfære, som kommuniserer med matrisemetallet og/eller det første legemet på i det minste ett tidspunkt under prosessforløpet, og som ved temperaturer over smeltepunktet for matrisemetallet bevirker eller bistår matrisemetallet i spontant å infiltrere i det minste en del av det første legemet i det minste fram til ei overflate av det andre legemet, for slik å danne et metallmatrise-komposittlegeme som er helhetlig festet eller bundet til det andre legemet.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at matrisemetallet framskaffes i en mengde slik at makrokompositt-legemet, etter at den spontane infiltrering av det første legemiet har funnet sted, omfatter resterende matrisemetall helhetlig forbundet med eller festet til metall matrise-komposittlegemet.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at infiltreirngsmidlet og/eller dets forløper tilføres fra en ekstern kilde til matrisemetallet, det første legemet og/eller den infiltrerende atmosfære.

4. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at forløperen for infiltreirngsmidlet gjøres flyktig under infiltreringsforløpet.

5. Framgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den fordampete forløper for infiltreirngsmiddel reagerer for å danne et reaksjonsprodukt i minst en del av det første legemet.

6. Framgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at reaksjonsproduktet dannes som et belegg på minst en del av det første legemet.

7. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at infiltreringen finner sted med en definert barriere.

8. Framgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det som barriere anvendes karbon, grafitt og/eller titandiborid.

9. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 8, karakterisert ved at det som fyllmateriale anvendes pulver, flak, plater, mikrosfærer, whiskers, bobler, fibre, partikler, fibermatter, knuste fibre, sfærer, pellets, rør og/eller ildfaste kleder. .

10. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at det som fyllmateriale anvendes en fyller omfattende minst ett keramisk materiale.

11. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at matrisemetallet som anvendes omfatter aluminium, infiltreringsmiddel-forløperen omfatter magnesium, strontium og/eller kalsium, og den infiltrerende atmosfære omfatter nitrogen.

12. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at matrisemetallet som anvendes omfatter aluminium, forløperen for infiltreirngsmidlet omfatter sink, og den infiltrerende atmosfære omfatter oksygen.

13. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 12, karakterisert ved at temperaturen under den spontane infiltrering iristilles til en verdi lavere enn matrisemetallets fordampningsområde og fyllmaterialets smeltepunkt.

14. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 13, karakterisert ved at det andre legeme som anvendes omfatter et keramisk legeme, et keramisk komposittlegeme, et metallegeme og/eller et metallmatrise-komposittlegeme.

15. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 14, karakterisert ved at matrisemetallet som anvendes omfatter en aluminiumlegering, det første legemet omfatter en aluminafyller og/eller en SiC-fyller, og det andre legemet omfatter en selvbærende aluminakonstruksjon.

16. Framgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at metallegemet framskaffes i form av en høytemperatur-metallegering, en korrosjonsbestandig metallegering og/eller en erosjonsbestandig metallegering.

17. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 16, karakterisert ved at metallmatrise-kompositten dannes inne i et andre legeme som i det minste delvis inneslutter det andre metallmatrise-komposittlegemet og er helhetlig festet eller bundet til samme.

18. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 16, karakterisert ved at det dannete metallmatrise-komposittlegemet i det minste delvis inneslutter eller omgir det andre legemet.

19. Framgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at matrisemetallet, det første legemet og det andre legemet velges slik at det dannete metallmatrise-komposittlegemet har en høyere termisk ekspansjonskoeffisient enn det andre legemet, slik at det andre legemet i den ferdige makrokompositt holdes under pressbelastning av metallmatrise-komposittlegemet.