PL155540B1

PL155540B1 - Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL155540B1
Application number: PL1987267680A
Authority: PL
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1991-12-31
Also published as: HU203859B; JPS6374953A; ATE79106T1; FI89587C; HUT46611A; YU218188A; DE3780896T2; IL83744A; DK167437B1; KR950008592B1; GR3005639T3; FI873904A; PT85711B; EP0262075A1; DK480887D0; ES2033915T3; IE872474L; NO873798D0; CS8706573A2; NZ221745A

Abstract

l. Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego, zawierajacego osnowe ceramiczna otrzymana przez reakcje utleniacza metalu macierzystego utleniaczem w celu otrzy- mania materialu polikrystalicznego, znamienny tym, ze orientuje sie pierwsze zródlo metalu macierzystego i przepuszczalny wypelniacz wzgledem siebie tak, aby wytwarzanie produktu reakcji utleniania metalu macierzystego nastepowalo w kierunku do wypelniacza i w wypelniacz, przy czym ilosc uzytego w etapie orientowania metalu macierzystego jest mniejsza niz konieczna dla wchloniecia calej zawartosci wypelniacza, podgrzewa sie pierwsze zródlo roztopionego metalu do temperatury wyzszej od jego temperatury topnienia, lecz ponizej temperatury topnie- nia produktu reakcji utleniania i w tej temperaturze przeprowadza sie reakcje utleniania metalu macierzystego z utleniaczem, aby wytworzyc produkt reakcji utleniania przy utrzymywaniu przynajmniej czesc produktu w styku z i pomiedzy pierwszym zródlem roztopionego metalu macierzystego a utleniaczem tak, aby stopniowo transportowac roztopiony metal macierzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku utleniacza i w wypelniacz, przez co dodatkowy produkt reakcji utleniania w sposób ciagly wytwarza sie w wypelniaczu na powierzchni miedzy- fazowej pomiedzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, po czym doprowadza sie dodatkowa ilosc roztopionego metalu macierzystego z drugiego zródla do metalu macierzystego zawartego w pierwszym zródle, przez co wypelniacz zostaje calkowicie wchloniety przez produkt reakcji utleniania. PL PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

OPIS PATENTOWY® PL © 155540 © BI

Numer zgłoszenia: 267680

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

Data zgłoszenia: 10.09.1987 © IntCl⁵:

C04B 35/10 C04B 35/56

BWUUIł β β 4 Ll*

Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego pierwszeństwo:

16.09.1986,US,908067 ^Uprawnⁱony z patentu:

Lanxide Technology Company, LP, Newark, US

Zgłoszenie ogłoszono:

21.07.1988 BUP 15/88

O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.12.1991 WUP 12/91

Pełnomocnik:

Zespól Rzeczników Patentowych,przy PIHZ

PL 155540 BI

1. Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego, zawierającego osnowę 57) ceramiczną otrzymaną przez reakcję utleniacza metalu macierzystego utleniaczem w celu otrzymania materiału polikrystalicznego, znamienny tym, że orientuje się pierwsze źródło metalu macierzystego i przepuszczalny wypełniacz względem siebie tak, aby wytwarzanie produktu reakcji utleniania metalu macierzystego następowało w kierunku do wypełniacza i w wypełniacz, przy czym ilość użytego w etapie orientowania metalu macierzystego jest mniejsza niż konieczna dla wchłonięcia całej zawartości wypełniacza, podgrzewa się pierwsze źródło roztopionego metalu do temperatury wyższej od jego temperatury topnienia, lecz poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania i w tej temperaturze przeprowadza się reakcję utleniania metalu macierzystego z utleniaczem, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania przy utrzymywaniu przynajmniej część produktu w styku z i pomiędzy pierwszym źródłem roztopionego metalu macierzystego a utleniaczem tak, aby stopniowo transportować roztopiony metal macierzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku utleniacza i w wypełniacz, przez co dodatkowy produkt reakcji utleniania w sposób ciągły wytwarza się w wypełniaczu na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, po czym doprowadza się dodatkową ilość roztopionego metalu macierzystego z drugiego źródła do metalu macierzystego zawartego w pierwszym źródle, przez co wypełniacz zostaje całkowicie wchłonięty przez produkt reakcji utleniania.

Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania wyrobów z kompozytu ceramicznego, zawierającego osnowę ceramiczną otrzymaną przez reakcję utleniacza metalu macierzystego utleniaczem w celu otrzymania materiału polikrystalicznego, znamienny tym, że orientuje się pierwsze źródło metalu macierzystego i przepuszczalny wypełniacz względem siebie tak, aby wytwarzanie produktu reakcji utleniania metalu macierzystego następowało w kierunku do wypełniacza i w wypełniacz, przy czym ilość użytego w etapie orientowania metalu macierzystego jest mniejsza niż konieczna dla wchłonięcia całej zawartości wypełniacza, podgrzewa się pierwsze źródło roztopionego metalu do temperatury wyższej od jego temperatury topnienia, lecz poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania i w tej temperaturze przeprowadza się reakcję utleniania metalu macierzystego z utleniaczem, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania przy utrzymywaniu przynajmniej część produktu w styku z i pomiędzy pierwszym źródłem roztopionego metalu macierzystego a utleniaczem tak, aby stopniowo transportować roztopiony metal macierzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku utleniacza i w wypełniacz, przez co dodatkowy produkt reakcji utleniania w sposób ciągły wytwarza się w wypełniaczu na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, po czym doprowadza się dodatkową ilość roztopionego metalu macierzystego z drugiego źródła do metalu macierzystego zawartego w pierwszym źródle, przez co wypełniacz zostaje całkowicie wchłonięty przez produkt reakcji utleniania.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkową ilość roztopionego metalu do pierwszego źródła wprowadza się z drugiego źródła poprzez połączenie z przepływem grawitacyjnym.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zbiornik metalu macierzystego z początkowym przepływem roztopionego metalu macierzystego z tego zbiornika do styku z wypełniaczem, aby utworzyć pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego, a następnie z przepływem roztopionego metalu ze zbiornika w celu doprowadzenia dodatkowej ilości tego metalu.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się metal macierzysty w postaci stałej, umieszczony w styku z wypełniaczem i tworzący pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego po roztopieniu oraz stosuje się zbiornik metalu macierzystego, tworzący drugie źródło z przepływem roztopionego metalu macierzystego do pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego.
5. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że roztopiony metal macierzysty przepływa połączeniem z przepływem grawitacyjnym.
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsze źródło metalu macierzystego stanowi metal macierzysty w postaci stałej z ukształtowanym na nim modelem otoczonym przez wypełniacz.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wypełniacz stanowiący formę wstępną.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że przynajmniej część powierzchni formy wstępnej określa się przez przegrodę.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się przegrodę przynajmniej częściowo usytuowaną w odstępie od pierwszego źródła metalu macierzystego, przez co ogranicza się co najmniej jedną powierzchnię wypełniacza i kontynuuje się reakcję, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania do przegrody.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wypełniacz mający kształt wydrążonej bryły i orientuje się go tak, aby zetknąć pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego z co najmniej jedną ścianką tej wydrążonej bryły, przy czym infiltracji produktu reakcji utleniania dokonuje się od tej ścianki lub wzdłuż niej.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że utrzymuje się zbiornik stanowiący drugie źródło roztopionego metalu macierzystego na poziomie równym lub wyższym od najwyższego poziomu pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego.

155 540 3
12. Sposób według zastrz. 1 albo 2, zmamemy tym, że stosuje się kilka wypełniaczy i przepływ roztopionego metalu macierzystego ze wspólnego zbiornika do każdego z tych wypełniaczy.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utrzymuje się roztopiony metal macierzysty w styku z wypełniaczem, a po zakończeniu reakcji umożliwia się zakrzepnięcie nieprzereagowanego metalu w styku z materiałem polikrystalicznym.
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że stosuje się wypełniacz mający postać bryły z jedną lub kilkoma wnękami, przy czym utrzymuje się nieprzereagowany roztopiony metal macierzysty w styku z tą jedną lub kilkoma wnękami.
15. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że utrzymuje się nieprzereagowany roztopiony metal macierzysty w styku z przynajmniej częścią powierzchni zewnętrznej bryły wypełniacza.
16. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się objętość pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego, z którą produkt reakcji utleniania jest utrzymywany w styku podczas reakcji, która jest mniejsza niż objętość porów wypełniacza, infiltrowana przez produkt reakcji utleniania wytworzony z tego pierwszego źródła.
17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się metal macierzysty na bazie aluminium.
18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje się powietrze, przy czym stosuje się temperaturę w zakresie 850-1450°C.
19. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że określa się przynajmniej pierwszą granicę wypełniacza za pomocą przegrody.
20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się co najmniej jeden materiał domieszkujący w połączeniu z metalem macierzystym.
21. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wypełniacz mający postać wielu form wstępnych, do których kieruje się przepływ roztopionego metalu macierzystego ze wspólnego zbiornika.
22. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako metal macierzysty stosuje się tytan, krzem, cyrkon, hafn i cynę.
23. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako metal macierzysty stosuje się aluminium, jako utleniacz stosuje się tlen, a jako materiał przegrody stosuje się jeden lub kilka materiałów wybranych z grupy złożonej ze stali nierdzewnej, gipsu modelarskiego, krzemianu wapnia, siarczanu wapnia, wolastonitu i cementu portlandzkiego.
24. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że wypełniacz ogrzewa się do temperatury w zakresie 850-1450°C.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wyrobów z kompozytów ceramicznych.

Istnieje znaczące zainteresowanie zastosowaniami materiałów ceramicznych do wytwarzania elementów konstrukcyjnych, tradycyjnie wytwarzanych z metali. W związku z tym są prowadzone prace badawcze, których celem jest opracowanie technologii wytwarzania materiałów ceramicznych, pozwalających na otrzymywanie wyrobów ceramicznych o właściwościach lepszych od metali i przy nakładach finansowych możliwych do przyjęcia.

Z polskiego opisu patentowego nr 152839 jest znany sposób wytwarzania kompozytów ceramicznych przez wzrost produktu reakcji utleniania z metalu macierzystego w przepuszczalne złoże wypełniacza.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 4713 360 jest znany proces wspomagania zjawiska utleniania przez zastosowanie domieszki stopowej w metalu macierzystym, dający w wyniku wyroby ceramiczne o założonej wielkości, hodowane jako produkt reakcji utleniania prekursora metalu macierzystego. Modyfikacja tego sposobu, polegająca na stosowaniu domieszek zewnętrznych, nakładanych na powierzchnię prekursora metalu macierzystego, jest znana z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr 822999, dokonanego w dniu 27 stycznia 1986 r.

155 54©

Z kolei, z polskiego zgłoszenia P 263840 oraz z polskiego zgłoszenia P 267239 są znane sposoby wytwarzania kompozytów ceramicznych o określonym kształcie z jedną lub większą liczbą wnęk odwzorowujących kształt geometryczny uformowanego prekursora metalu macierzystego.

Ponadto, z polskiego zgłoszenia P 265 519 jest znany sposób kształtowania wyrobów z kompozytów ceramicznych, polegający na stosowaniu kształtowej formy wstępnej z przepuszczalnego wypełniacza, w który wzrasta osnowa ceramiczna przez utlenianie prekursora metalu macierzystego. Dodatkowo stosuje się przegrodę wstrzymującą wzrost produktu reakcji utleniania na wybranej granicy tak, aby określić kształt geometryczny kompozytu ceramicznego.

Reasumując, wymienione wyżej publikacje ujawniają rozwiązania techniczne umożliwiające w zasadzie przemysłowe wytwarzanie wyrobów z kompozytów ceramicznych o dużej wytrzymałości i odporności na kruche pękanie, przy wykorzystaniu zjawiska utleniania umożliwiającego wyeliminowanie między innymi czynności spiekania proszku i prasowania na gorąco, niezbędnie wymaganych przy realizacji konwencjonalnych procesów. Ponadto operacja zagęszczania proszków, stosowana w znanych technologiach, w żaden sposób nie jest możliwa przy wytwarzaniu dużych, jednoczęściowych wyrobów ceramicznych.

Zgodnie z wynalazkiem sposób wytwarzania wyrobu z kompozytu ceramicznego, zawierającego osnowę ceramiczną otrzymaną przez reakcję utleniania metalu macierzystego utleniaczem w celu otrzymania materiału polikrystalicznego, polega na tym, że orientuje się pierwsze źródło metalu macierzystego i przepuszczalny wypełniacz względem siebie tak, aby wytwarzanie produktu reakcji utleniania metalu macierzystego następowało w kierunku do wypełniacza i w wypełniacz, przy czym ilość użytego w etapie orientowania metalu macierzystego jest mniejsza niż konieczna dla wchłonięcia całej zawartości wypełniacza. Następnie podgrzewa się pierwsze źródło roztopionego metalu do temperatury wyższej od jego temperatury topnienia, lecz poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania i w tej temperaturze przeprowadza się reakcję utleniania metalu macierzystego z utleniaczem, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania przy utrzymywaniu przynajmniej części produktu w styku z i pomiędzy pierwszym źródłem roztopionego metalu macierzystego a utleniaczem tak, aby stopniowo transportować roztopiony metal macierzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku utleniacza i w wypełniacz. W wyniku tego dodatkowy produkt reakcji utleniania w sposób ciągły wytwarza się w wypełniaczu na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania. W końcu doprowadza się dodatkową ilość roztopionego metalu macierzystego z drugiego źródła do metalu macierzystego zawartego w pierwszym źródle, przez co wypełniacz zostaje całkowicie wchłonięty przez produkt reakcji utleniania. Dodatkową ilość roztopionego metalu do pierwszego źródła wprowadza się z drugiego źródła z przepływem grawitacyjnym.

W szczególności stosuje się zbiornik metalu macierzystego z początkowym przepływem roztopionego metalu macierzystego z tego zbiornika do styku z wypełniaczem, aby utworzyć pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego, a następnie z przepływem roztopionego metalu ze zbiornika w celu doprowadzenia dodatkowej ilości tego metalu. Korzystnie stosuje się metal macierzysty w postaci stałej, umieszczony w styku z wypełniaczem i tworzący pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego po roztopieniu oraz stosuje się zbiornik metalu macierzystego, tworzący drugie źródło z przepływem roztopionego metalu macierzystego do pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego. W obu przypadkach roztopiony metal macierzysty przepływa połączeniem z przepływem grawitacyjnym.

W sposobie według wynalazku pierwsze źródło metalu macierzystego może stanowić metal macierzysty w postaci stałej z ukształtowanym na nim modelem otoczonym przez wypełniacz.

Korzystnie stosuje się wypełniacz stanowiący formę wstępną, przy czym przynajmniej część powierzchni formy wstępnej określa się przez przegrodę.

Zgodnie z wynalazkiem możliwe jest stosowanie przegrody przynajmniej częściowo usytuowanej w odstępie od pierwszego źródła metalu macierzystego, przez co ogranicza się co najmniej jedną powierzchnię wypełniacza i kontynuuje się reakcję, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania do przegrody.

W korzystnym wariancie sposobu według wynalazku stosuje się wypełniacz mający kształt wydrążonej bryły i orientuje się go tak, aby zetknąć pierwsze źródło roztopionego metalu macierzy155 54© 5 stego z co najmniej jedną ścianką tej wydrążonej bryły, przy czym infiltracji produktu reakcji utleniania dokonuje się od tej ścianki lub wzdłuż niej.

W przypadku stosowania zbiornika stanowiącego drugie źródło roztopionego metalu macierzystego utrzymuje się ten zbiornik na poziomie równym lub wyższym od najwyższego poziomu pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego.

Zgodnie z wynalazkiem przewiduje się stosowanie kilku wypełniaczy i przepływu roztopionego metalu macierzystego ze wspólnego zbiornika do każdego z tych wypełniaczy. Roztopiony metal macierzysty utrzymuje się w styku z wypełniaczem, aż do momentu zakończenia reakcji, po czym umożliwia się zakrzepnięcie nieprzereagowanego metalu w styku z materiałem polikrystalicznym. Korzystnie stosuje się wypełniacz mający postać bryły z jedną lub kilkoma wnękami, przy czym utrzymuje się nieprzereagowany roztopiony metal macierzysty w styku z tą jedną lub kilkoma wnękami, albo alternatywnie utrzymuje się nieprzereagowany roztopiony metal macierzysty w styku z przynajmniej częścią powierzchni zewnętrznej bryły wypełniacza.

Zgodnie z wynalazkiem stosuje się objętość pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego, z którą produkt reakcji utleniania jest utrzymywany w styku podczas reakcji, która jest mniejsza niż objętość porów wypełniacza, infiltrowana przez produkt reakcji utleniania wytworzony z tego pierwszego źródła. Korzystnie stosuje się metal macierzysty na bazie aluminium. W szczególnym przypadku jako utleniacz stosuje się powietrze, przy czym stosuje się temperaturę w zakresie 850-1450°C, a poza tym określa się przynajmniej pierwszą granicę wypełniacza za pomocą przegrody.

W sposobie według wynalazku przewidziane jest stosowanie co najmniej jednego materiału domieszkującego w połączeniu z metalem macierzystym.

Zgodnie z wynalazkiem jest możliwe stosowanie wypełniacza mającego postać wielu form wstępnych, do których kieruje się przepływ roztopionego metalu macierzystego ze wspólnego zbiornika. Korzystnie jako metal macierzysty stosuje się tytan, krzem, cyrkon, hafn i cynę. W szczególnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku jako metal macierzysty stosuje się aluminium, jako utleniacz stosuje się tlen, a jako materiał przegrody stosuje się jeden lub kilka materiałów wybranych z grupy złożonej ze stali nierdzewnej, gipsu modelarskiego, krzemianu wapnia, siarczanu wapnia, wolastonitu i cementu portlandzkiego, przy czym w tym przypadku wypełniacz ogrzewa się do temperatury w zakresie 850-1450°C.

Sposób według wynalazku daje nie tylko znaczne zalety technologiczne przy wytwarzaniu struktur z kompozytu ceramicznego, ale umożliwia również produkcję nowych struktur z metalu pokrytego ceramiką, gdzie powierzchnia ceramiczna utworzona jest z metalu macierzystego. Oznacza to, że metal macierzysty jest prekursorem dla osnowy ceramicznej, a ponieważ jest ona wytworzona integralnie z metalem, wynikowy produkt kompozytowy zawiera powierzchnię ceramiczną na podłożu metalowym. Powierzchnia ceramiczna obejmuje wypełniacz i może być tworzona jako powierzchnia zewnętrzna lub jako powierzchnia wewnętrzna, albo też oba te rodzaje, na podłożu z metalu, przy czym powierzchnia ceramiczna może mieć wybraną lub określoną grubość w stosunku do każdej całkowitej objętości względem objętości podłoża metalowego. Możliwość dodatkowego uzupełniania metalu macierzystego pozwala na przygotowanie grubościennych lub cienkościennych struktur ceramicznych, w których względna objętość osnowy ceramicznej tworzącej powierzchnię ceramiczną jest znacznie większa lub mniejsza niż objętość podłoża z metalu prekursora. Jeżeli jest to pożądane w gotowym produkcie, podłoże z metalu macierzystego może być całkowicie lub częściowo usunięte, albo też może pozostać nienaruszone.

Sposób według wynalazku umożliwia również wytwarzanie szeregu wyrobów z kompozytu ceramicznego ze wspólnego źródła metalu macierzystego, przez co znacznie zwiększa się wydajność procesu produkcyjnego.

Wyroby uzyskane sposobem według wynalazku mają podłoże metalowe pokryte ceramiką, zawierającą część spojoną z osnową ceramiczną powierzchni, a ponadto wyroby te charakteryzują się tym, że w części podłoża metalowego pokrytego ceramiką powierzchnia ceramiczna jest ściskana, a podłoże metalowe jest rozciągane na powierzchni fazowej pomiędzy nimi.

W zastosowaniu do niniejszego opisu i załączonych zastrzeżeń podano poniżej następujące definicje określeń.

Określenie „ceramiczna*⁴ nie powinno być niewłaściwie ograniczone do bryły ceramicznej w sensie klasycznym, to znaczy w tym sensie, że zawiera ona całkowicie materiały niemetaliczne

6 155 540 i nieorganiczne, ale raczej należy je rozumieć, że odnosi się do bryły, która jest głównie ceramiczna pod względem swego składu lub dominujących właściwości, chociaż bryła może zawierać mniejsze lub znaczne ilości jednego lub kilku składników metalicznych pochodzących z metalu macierzystego, utleniacza lub domieszki, najczęściej w zakresie 1-40% objętościowych, ale może zawierać jeszcze więcej metalu.

„Produkt reakcji utleniania oznacza ogólnie jeden lub kilku metali w dowolnym stanie utlenionym, kiedy metal oddał swe elektrony innemu pierwiastkowi, związkowi lub ich kombinacji. „Produkt reakcji utleniania według tej definicji stanowi zatem produkt reakcji jednego lub kilku metali z utleniaczem takim jak opisane w tym zgłoszeniu.

„Utleniacz oznacza jeden lub kilka odpowiednich akceptorów elektronów i może być ciałem stałym, cieczą lub gazem (parą) lub kombinacją tych stanów (na przykład ciało stałe i gaz) w warunkach procesu. Definicja ta obejmuje związki, które są redukowalne przez metal macierzysty w warunkach procesu według przedmiotowego wynalazku.

„Metal macierzysty odnosi się do tego metalu, na przykład aluminium, który jest prekursorem polikrystalicznego produktu reakcji utleniania i zawiera ten metal jako stosunkowo czysty metal, metal dostępny w handlu z zanieczyszczeniami i/lub składnikami stopowymi lub stop, w którym ten prekursor metalu jest głównym składnikiem, a kiedy o danym metalu mówi się jako o metalu macierzystym, na przykład aluminium, wówczas dany metal należy traktować zgodnie z tą definicją, chyba że z kontekstu wynika inaczej.

Inne zalety i możliwości przedmiotowego wynalazku wynikną z dalszego opisu.

Wynalazek jest dokładniej opisany na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie zespół złożony ze zbiornika metalu macierzystego i pierwszego źródła metalu macierzystego umieszczonych w masach materiału obojętnego i wypełniacza schematycznie w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 1A — szczegół oznaczony linią przerywaną A na fig. 1 w powiększeniu, fig. 2 — samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wykonaną przy zastosowaniu zespołu z fig. 1 według przedmiotowego wynalazku w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 3 — zespół złożony ze zbiornika metalu macierzystego i formy wstępnej otoczonej przegodą i umieszczonej w złożu podtrzymującym zawartym w naczyniu ogniotrwałym w przekroju, fig. 4 — samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wykonaną przez użycie zespołu z fig. 3 według przedmiotowego wynalazku w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 5 — w widoku podobnym do fig. 3 inny zespół złożony ze zbiornika roztopionego metalu macierzystego w styku z formą wstępną umieszczony w podtrzymującym złożu zawartym w naczyniu ogniotrwałym, przez co powstaje zestaw nadający się do praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 6 — inny zespół złożony ze zbiornika metalu macierzystego połączonego przewodem z grubościenną formą wstępną i umieszczonego w złożu obojętnego materiału podtrzymującego zawartym w naczyniu ogniotrwałym w przekroju, fig. 7 — samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wykonaną przy użyciu zespołu z fig. 6 według przedmiotowego wynalazku w widoku z boku, fig. 8 — inny zespół złożony z pierwszego źródła metalu macierzystego umieszczonego w styku z formą wstępną i zbiornika metalu macierzystego umieszczonego w połączeniu przez przepływ grawitacyjny z pierwszym źródłem metalu macierzystego w przekroju, fig. 9 — samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wytworzoną przy zastosowaniu zespołu z fig. 8 według przedmiotowego wynalazku w widoku z góry, fig. 10 — jeszcze inny zespół złożony ze zbiornika metalu macierzystego połączonego przepływem grawitacyjnym z wieloma formami wstępnymi w przekroju, przy czym dla polepszenia jasności ilustracji pominięto metal macierzysty w skrajnej prawej części rysunku, fig. 11 — zespół z fig. 10 w widoku z góry z wyrwaniami, z pominięciem niektórych części dla jasności ilustracji i z pokazaniem liniami przerywanymi, fig. 12 — otwartą formę dla odlewania z gęstwy wydrążonej formy wstępnej w schematycznym widoku z boku z częściowym przekrojem, z pokazaniem uzyskanej w wyniku formy wstępnej po wyjęciu z formy, fig. 13 — samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wykonaną przy zastosowaniu zespołu z fig. 10 i 11 według przedmiotowego wynalazku w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 14 — dzieloną formę do odlewania z gęstwy wydrążonej formy wstępnej w przekroju, fig. 15 —wydrążoną formę wstępną odlaną z gęstwy przy użyciu formy z fig. 14 w widoku z góry, fig. 15A — formę wstępną w przekroju wzdłuż linii A-A z fig. 15, fig. 16 — zespół złożony z pierwszego źródła metalu macierzystego umieszczonego w wydrążonej formie wstępnej z fig. 15A i zbiornika metalu macierzystego umieszczonego w połączeniu przepływem

155 54® grawitacyjnym z tym pierwszym źródłem w przekroju, przy czym zespół ten umieszczony jest w podtrzymującym złożu materiału obojętnego zawartym w naczyniu ogniotrwałym, fig. 17 — samonośną strukturę kompozytową wypełnioną metalem i pokrytą na powierzchni ceramiką, wykonaną przez zastosowanie zespołu z fig. 16 według przedmiotowego wynalazku w widoku analogicznym jak na fig. 15A, fig. 18 — inny zespół złożony ze zbiornika metalu macierzystego, formy wstępnej z umieszczoną na niej przegrodą i przewodu dla roztopionego metalu macierzystego w przekroju, przy czym zespół ten jest umieszczony w podtrzymującym złożu zawartym w naczyniu ogniotrwałym, fig. 18A —formę wstępną w przekroju wzdłuż linii A-A z fig. 18, fig. 19 —samonośną strukturę z kompozytu ceramicznego wykonaną przez zastosowanie zespołu z fig. 16 według przedmiotowego wynalazku w widoku perspektywicznym, fig. 20 — formę wstępną ze środkowym otworem wyłożonym przegrodą w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 20A — formę wstępną w widoku z przodu od strony linii A-A z fig. 20, fig. 21 — zespół złożony z formy wstępnej z fig. 20 zanurzonej w roztopionym metalu macierzystym zawartym w naczyniu ogniotrwałym w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 21A — zespół z fig. 21 w widoku z góry, fig. 22 — samonośną strukturę z metalu o powierzchni pokrytej ceramiką wykonaną przez zastosowanie zespołu z fig. 21 według przedmiotowego wynalazku w widoku perspektywicznym, fig. 23 — inną formę wstępną nadającą się do zastosowania w przedmiotowym wynalazku w widoku z boku z częściowym przekrojem, a fig. 24 przedstawia formę wstępną z fig. 23 w widoku z góry.

W praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku zbiornik metalu macierzystego umieszczony jest względem masy wypełniacza tak, że gdy metal ten jest roztopiony, wówczas może on przepływać, aby uzupełniać, a w pewnych przypadkach początkowo tworzyć i później uzupełniać tę część, segment lub źródło metalu macierzystego, które styka się z wypełniaczem. Ewentualnie można umieścić przegrodę tak, aby określała ona lub była zgodna z przynajmniej jedną powierzchnią masy wypełniacza, a zespół taki jest umieszczany w środowisku utleniającym (albo też zespół może być umieszczony w środowisku obojętnym, jeżeli utleniacz zawarty jest w formie wstępnej) i nagrzewa się go do zakresu temperatury powyżej temperatury topnienia metalu macierzystego, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania metalu macierzystego. Masa wypełniacza jest przepuszczalna dla powstawania produktu reakcji utleniania, tak aby umożliwić infiltrację, a jeżeli utleniacz zawiera utleniacz w fazie pary, na przykład powietrze, masa wypełniacza jest przepuszczalna dla utleniacza. Po styku z utleniaczem roztopiony metal reaguje tworząc produkt reakcji utleniania, który infiltruje w masę wypełniacza, zapoczątkowując obejmowanie składników wypełniacza osnową ceramiczną złożoną z materiału polikrystalicznego otrzymanego przez utlenienie metalu macierzystego. Przynajmniej część produktu reakcji utleniania jest utrzymywana w styku z i rozciąga się pomiędzy roztopionym metalem macierzystym a utleniaczem, tak że przy stałym wystawieniu na działanie utleniacza roztopiony metal macierzysty jest progresywnie wciągany w i poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza. Roztopiony metal macierzysty styka się z utleniaczem i tworzy dodatkowy produkt reakcji utleniania, aby spowodować ciągły wzrost polikrystalicznego produktu reakcji utleniania w masę wypełniacza.

W pewnych przypadkach składniki metaliczne reprezentujące nieutlenione składniki metalu macierzystego lub zredukowane składniki utleniacza i/lub puste przestrzenie mogą być pozostawione rozproszone w materiale polikrystalicznym. Typowo produkt reakcji utleniania złożony jest zasadniczo z krystalitów, które są złączone ze sobą, korzystnie w trzech wymiarach, a nieutlenione składniki metaliczne, jeżeli istnieją, mogą być przynajmniej częściowo złączone ze sobą lub mogą tworzyć dyskretne, nie połączone ze sobą „wyspy“ składników metalicznych. Taka reakcja utleniania łącznie z infiltracją produktu reakcji utleniania w wypełniacz opisana jest szczegółowo w zgłoszeniach patentowych USA tego samego właściciela. Proces ten jest kontynuowany aż polikrystaliczny materiał osnowy dokona infiltracji i objęcia materiału wypełniacza w żądanym stopniu, na przykład do ewentualnej przegrody tworzącej przynajmniej jedną granicę powierzchniową masy wypełniacza. Przegrodę stosuje się dla uniemożliwienia, zapobieżenia lub zakończenia wzrostu produktu reakcji utleniania, przez co uzyskuje się czyste lub prawie czyste kształty wynikowego kompozytu ceramicznego.

Według wynalazku metal macierzysty jest rozdzielony w taki sposób, aby utworzyć pierwsze źródło metalu macierzystego, które jest źródłem reagującym, przy czym bryła tego pierwszego

155 540 źródła jest w styku z wypełniaczem i jest prekursorem produktu reakcji utleniania. Dodatkowo istnieje druga część metalu macierzystego, która jest niereagującym źródłem metalu macierzystego i służy jako zbiornik dla pierwszego źródła. Zbiornik ten jest połączony z pierwszym źródłem i metal macierzysty przepływa, na przykład grawitacyjnie, ze zbiornika do pierwszego źródła, aby uzupełnić źródło metalu macierzystego, które uległo reakcji utleniania, przez co zapewnia się, że jest wystarczająca ilość metalu macierzystego dla kontynuowania procesu aż materiał polikrystaliczny wzrośnie w żądanym stopniu, to znaczy do powierzchni granicznej złoża wypełniacza.

W pewnych przypadkach przegroda otacza lub zamyka zewnętrzne powierzchnie złoża wypełniacza tak, że powierzchnia graniczna złoża, a zatem stopień wzrostu materiału polikrystalicznego są określone przez tę przegrodę. W takich przypadkach kształt bryły ceramicznej jest zasadniczo przystający do kształtu wewnętrznej powierzchni przegrody. Stopień powstawania polikrystalicznego materiału osnowy można również ograniczać środkami innymi niż przegroda, na przykład przez podanie jednej lub kilku domieszek i/lub utleniaczy tylko do części masy wypełniacza, w której pożądane jest powstawanie materiału polikrystalicznego. Ogólnie mówiąc w masie wypełniacza utrzymywana jest kinetyka reakcji utleniania bardziej korzystna dla wzrostu niż na zewnątrz masy wypełniacza.

Struktura z kompozytu ceramicznego może mieć kształt negatywowy odwzorowujący odwrotnie kształt źródła metalu macierzystego lub może zawierać jedną lub kilka wnęk, na przykład może stanowić bryłę wydrążoną. Sposób uzupełniania metalu macierzystego według przedmiotowego wynalazku umożliwia, by kształt negatywowy lub wnęka zawierała lub była całkowicie wypełniona metalem macierzystym, który krzepnie, gdy struktura zostanie pozostawiona do ochłodzenia po procesie. Krzepnący metal macierzysty można ewentualnie usunąć z negatywowego kształtu lub wnęki zawierającej go, jak opisano poniżej. Kiedy stosuje się formę wstępną, to znaczy kształtkę wypełniacza spojonego odpowiednim spoiwem mającą wytrzymałość w stanie surowym wystarczającą dla manipulowania i obróbki, kształt bryły z kompozytu ceramicznego będzie zasadniczo zgodny z kształtem formy wstępnej, jeżeli zastosuje się środki jak opisano powyżej albo przez użycie przegrody, albo przez utrzymanie kinetyki reakcji utleniania w formie wstępnej korzystniejszej niż na zewnątrz formy wstępnej.

Chociaż wynalazek opisano poniżej szczegółowo w odniesieniu do aluminium jako korzystnego metalu macierzystego, inne odpowiednie metale macierzyste, które spełniają kryteria przedmiotowego wynalazku obejmują, bez ograniczenia, krzem, tytan, cynę, cyrkon i hafn. Przykłady realizacji wynalazku zawierają, kiedy metalem macierzystym jest aluminium, tlenek glinowy alfa, azotek glinu lub borek glinu jako produkt reakcji utleniania, kiedy metalem macierzystym jest tytan — azotek tytanu lub borek tytanu jako produkt reakcji utleniania, a kiedy metalem macierzystym jest krzem — węglik krzemu, azotek krzemu lub borek krzemu jako produkty reakcji utleniania.

Jak opisano szczegółowo w wyżej wspomnianym zgłoszeniu patentowym USA nr 818943 i 822 999 tego samego właściciela oraz w odpowiednich zgłoszeniach poprzedzających je, w połączeniu z metalem macierzystym można zastosować jedną lub kilka domieszek. W zastosowaniu do niniejszego opisu i zastrzeżeń użycie domieszki lub domieszek w połączeniu z metalem macierzystym oznacza i obejmuje następujące etapy:

(1) stopowe wprowadzanie domieszki lub domieszek w jeden metal macierzysty, ((2) podawanie domieszki lub domieszek z zewnątrz do przynajmniej części powierzchni bryły metalu macierzystego, (3) umieszczanie domieszki lub domieszek w pobliżu bryły metalu macierzystego, na przykład umieszczanie domieszki lub domieszek w masie wypełniacza, w którym jest hodowany lub powstaje polikrystaliczny produkt reakcji utleniania metalu macierzystego oraz (4) kombinację powyższych etapów.

Można stosować utleniacz stały, ciekły lub w fazie pary, albo też kombinację takich utleniaczy. Przykładowo typowymi utleniaczami są, bez ograniczenia tlen, azot, chlorowiec, siarka, fosfor, arsen, węgiel, bor, selen, tellur i ich związki oraz kombinacje, na przykład dwutlenek krzemu (jako źródło tlenu), metan, etan, propan, acetylen, etylen i propylen (jako źródła węgla) oraz mieszaniny takie jak powietrze, H₂/H₂O i CO/CO2, przy czym ostatnie dwie (to znaczy H2/H2O i CO/CO2) są użyteczne przy zmniejszaniu aktywności tlenu w środowisku. Struktura ceramiczna według wynalazku może odpowiednio zawierać przykładowo produkt reakcji utleniania zawierający jeden lub

155 540 kilka tlenków, azotków, węglików i borków. W szczególności produktem reakcji utleniania może być jeden lub kilka z następujących związków: tlenek glinowy, azotek glinu, węglik krzemu, borek krzemu, borek glinu, azotek tytanu, azotek cyrkonu, borek tytanu, borek cyrkonu, węglik cyrkonu, azotek krzemu, węglik tytanu, węglik hafnu, borek hafnu i tlenek cyny.

Chociaż można stosować dowolne odpowiednie utleniacze, poniżej opisano szczególne przykłady realizacji wynalazku w odniesieniu do zastosowania utleniaczy w fazie pary. Jeżeli stosuje się utleniacz gazowy lub w postaci pary, masa wypełniacza jest przepuszczalna dla utleniacza w fazie pary, tak że może on przenikać przez wypełniacz do styku z roztopionym metalem macierzystym transportowanym poprzez powstający produkt reakcji utleniania. Tlen lub mieszaniny gazowe zawierające tlen (łącznie z powietrzem) są korzystnymi utleniaczami w fazie pary, na przykład w przypadku, gdy metalem macierzystym jest aluminium, przy czym powietrze jest najkorzystniejsze z oczywistych względów ekonomicznych. Kiedy utleniacz jest identyfikowany jako zawierający cząstkowy gaz lub parę, oznacza to utleniacz, w którym identyfikowany gaz lub para jest jedynym, głównym lub przynajmniej znaczącym utleniaczem metalu macierzystego w warunkach otrzymywanych w' stosowanym środowisku utleniającym. Przykładowo, chociaż głównym składnikiem powietrza jest azot, tlen zawarty w powietrzu jest jednym utleniaczem dla metalu macierzystego, ponieważ tlen jest znacznie silniejszym utleniaczem niż azot. Powietrze objęte jest zatem definicją utleniacza „gaz zawierający tlen a nie definicją utleniacza „gaz zawierający azot. Przykładem utleniacza „gaz zawierający azot zastosowanym tu i w zastrzeżeniach jest „gaz formujący, który zawiera typowo 96% objętościowych azotu i 4% objętościowe wodoru.

Kiedy stosuje się utleniacz stały, jest on zwykle rozproszony w całej masie wypełniacza lub w części wypełniacza przy metalu macierzystym w postaci cząstek domieszanych do wypełniacza, albo jako powłoki na cząstkach wypełniaczy. Można stosować dowolny odpowiedni utleniacz stały zawierający pierwiastki takie jak bor lub węgiel, albo redukowalne związki, takie jak dwutlenek krzemu lub pewne borki o stabilności termodynamicznej niższej niż borkowy produkt reakcji metalu macierzystego. Przykładowo, kiedy bor lub redukowalny borek stosuje się jako utleniacz stały dla metalu macierzystego na bazie aluminium, wynikowym produktem reakcji utleniania jest borek aluminium.

W pewnych przypadkach reakcja utleniania może postępować tak gwałtownie z utleniaczem stałym, że produkt reakcji utleniania ma tendencję do spiekania się na skutek egzotermicznej natury procesu. Zjawisko to może pogoryszyć mikrostrukturalną jednorodność bryły ceramicznej. Takiej szybkiej reakcji egzotermicznej można uniknąć lub można zwolnić ją przez domieszanie do składu stosunkowo obojętnych wypełniaczy, które wykazują niską reakcyjność. Przykładem takiego odpowiedniego wypełniacza obojętnego jest wypełniacz, który jest zasadniczo identyczny z zamierzonym produktem reakcji utleniania.

Jeżeli stosuje się utleniacz ciekły, wówczas cała masa wypełniacza lub jego część przy roztopionym metalu jest pokryta lub nasycona utleniaczem, aby przesycić wypełniacz. Utleniacz ciekły oznacza tu taki, który jest ciekły w warunkach reakcji utleniania, a więc utleniacz ciekły może mieć stały prekursor, taki jak sól, która jest roztapiana w warunkach reakcji utleniania. Alternatywnie utleniacz ciekły może mieć prekursor ciekły, np. roztwór materiału, który stosuje się do nasycenia części lub całości wypełniacza i który roztapia się lub rozkłada w warunkach reakcji utleniania, aby powstała odpowiednia cząsteczka utleniacza. Przykładami utleniaczy ciekłych według tej definicji są szkła o niskiej temperaturze topnienia.

Wypełniaczem stosowanym przy praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku może być jeden lub kilka z wielu różnych materiałów odpowiednich do tego celu. Masa wypełniacza może być wypełniaczem „dostosowującym się pod względem kształtu, które to określenie oznacza tu, że wypełniacz jest taki, że można go umieścić w pojemniku, albo też ma kształtkę z metalu macierzystego umieszczoną w nim lub w styku z nim z dostosowaniem pod względem kształtu i będzie się on dostosowywać do kształtu pojemnika lub kształtki z metalu macierzystego. Zastosowanie wypełniacza dostosowującego się pod względem kształtu umożliwia zastosowanie sposobów opisanych w zgłoszeniu patentowym USA tego samego właściciela „Sposoby wytwarzania wyrobów z kompozytów ceramicznych z odwzorowaniem kształtu powierzchni i wyroby otrzymywane tymi sposobami. Wypełniacze dostosowujące się pod względem kształtu mogą zawierać materiał cząstkowy, taki jak małe ziarna ogniotrwałego tlenku metalu, włókna, takie jak krótko siekane lub materiał włóknisty podobny do wełny, na przykład podobny do wełny stalowej, albo też kombina10

155 540 cję dwóch lub więcej takich konfiguracji fizycznych, na przykład kombinację drobnych ziaren i włókien. Można stosować dowolny użyteczny typ wypełniacza lub kombinację, jak opisano w wymienionych powyżej zgłoszeniach patentowych tego samego właściciela. Jako masę wypełniacza można również stosować formę wstępną, której nadano żądany kształt struktury z kompozytu ceramicznego.

Pierwsze źródło metalu macierzystego, jako bryła stała będąca w styku z wypełniaczem, może mieć nadany określony kształt. Taka kształtka z metalu macierzystegojest umieszczona w sprzężeniu z dostosowaniem pod względem kształtu z masą wypełniacza, aby odwrotnie odwzorowywać kształt bryły z metalu macierzystego. Po wytworzeniu struktury z kompozytu ceramicznego kształt ten jest odwrotnie odwzorowany przez -kompozyt. Jeżeli takie odwrotne odwzorowanie nie jest pożądane lub potrzebne, wówczas formę wstępną można zastosować dla uzyskania bryły kompozytowej o określonym kształcie, a pierwsze źródło metalu macierzystego może mieć dowolny dogodny kształt, na przykład wlewka, kęsa, pręta itd. Zbiornik metalu macierzystego może mieć dowolny dogodny kształt i pojemność i może być umieszczony w połączeniu z przepływem grawitacyjnym z pierwszym źródłem metalu macierzystego, tak że roztopiony metal macierzysty przepływa rawitacyjnie ze zbiornika do miejsca powstawania produktu reakcji utleniania.

Zbiornik metalu macierzystego może być dogodnie zawarty w złożu cząstkowego materiału obojętnego, które nie będzie podtrzymywać lub wspomagać reakcji utleniania roztopionego metalu macierzystego. Roztopiony metal macierzysty jest przepuszczany lub podawany do pierwszego źródła metalu macierzystego poprzez otwór w dnie pojemnika. Alternatywnie zbiornik metalu macierzystego może być zawarty wewnątrz odpowiedniego naczynia ogniotrwałego.

Na figurze 1 przedstawiono zespół 10 posiadający komorę zbiornikową 12 i pojemnik przegrodowy 14 umieszczony poniżej i dołączony do komory zbiornikowej poprzez otwór (bez oznaczenia) w dnie 28 komory zbiornikowej 12. Pojemnik przegrodowy 14 ma kształt zasadniczo cylindryczny, a jego powierzchnia wewnętrzna jest utworzona przez siatkę 16 (fig. 1 i 1A) zawartą wewnątrz i wzmocnioną przez perforowany cylinder 18, który służy jako zewnętrzny sztywny człon wzmacniający siatkę cylindryczną 16. Zamiast siatki można zastosować perforowaną blachę, na przykład ze stali nierdzewnej. W cylindrze 18, poprzez jego powierzchnię, wykonane są otwory 20 (fig. 1 A), przy czym cylinder ten jest wystarczająco sztywny, aby podczas procesu utrzymywać kształt masy wypełniacza dostosowującego się pod względem kształtu, który ma być objęty przez osnowę z materiału ceramicznego hodowanego z metalu macierzystego. Siatka 16 może być wykonana z tkaniny ogniotrwałej lub z metalu, na przykład może to być siatka ze stali nierdzewnej. W każdym przypadku, w przedstawionym przykładzie wykonania, jest to tkana siatka o otwartych oczkach, której liczne otwory są usytuowane zgodnie z otworami 20 cylindra 18, tak że pojemnik przegrodowy 14 jest otwarty dla wejścia w niego otaczającej atmosfery utleniającej. W odstępach wokół powierzchni zewnętrznej cylindra 18 umieszczonych jest wiele ściągów 22 z kątowników ze stali nierdzewnej, które są przytrzymywane na miejscu pierścieniami zaciskowymi 32, aby wzmocnić konstrukcję. Podstawa 24, która może być albo konstrukcją litą, albo otworową, zamyka dno pojemnika przegrodowego 14.

Komora zbiornikowa 12, która ma również kształt cylindryczny ze średnicą większą niż pojemnik przegrodowy 14, zamknięta jest ścianami 26 i dnem 28, które są wykonane z materiału nieperforowanego. W przedstawionym przykładzie wykonania metal macierzysty tworzy zbiornik 34 metalu macierzystego wsparty w złożu z materiału obojętnego 3® zawartym w komorze zbiornikowej 12 oraz ukształtowane, podłużne pierwsze źródło 36 metalu macierzystego wsparte w masie wypełniacza 38 dostosowującego się pod względem kształtu, który wypełnia pojemnik przegrodowy 14. Zbiornik 34 ma część zwężającą się do wewnątrz, od której odchodzi kołowa część cylindryczna do dołu do styku z pierwszym źródłem 36 w miejscu połączenia komory zbiornikowej 12 i pojemnika przegrodowego 14. W przedstawionym przykładzie wykonania podłużny, cylindryczny metal macierzysty 36 jest ukształtowany tak, że ma trzy kolejne zasadniczo tarczowe występy 36a, 36b i 36c w miejscach usytuowanych we wzdłużnych odstępach na nim i w styku z masą wypełniacza 36 dostosowującego się pod względem kształtu. Z metalem macierzystym może być połączonych stopowo jedna lub więcej domieszek ułatwiających reakcję utleniania (łącznie ze zbiór155 54® 11 nikiem 34) i/lub domieszki te mogą być podawane zewnętrznie do pierwszego źródła 36 lub jego części i/lub do wypełniacza 38, przynajmniej w sąsiedztwie pierwszego źródła 36.

Komora zbiornikowa 12 jest wypełniona złożem cząstkowego materiału obojętnego 3®, który jest niezwilżalny przez roztopiony metal macierzysty, tak że powstawanie i wzrost materiału polikrystalicznego na nim jest wykluczony lub w znacznym stopniu uniemożliwiony. Bryła roztopionego metalu macierzystego otrzymana po roztopieniu w celu utworzenia zbiornika 34 ma możliwość przepływu grawitacyjnego ze złoża 30 do pierwszego źródła 36, aby uzupełnić metal macierzysty, który został zużyty w reakcji utleniania. W przypadku aluminiowego metalu macierzystego materia! 3® może zawierać cząstkowy El Alundum, wyrób Norton Company. Jeżelijest to konieczne lub pożądane, płyta pokrywy może zamykać górny otwór komory zbiornikowej 12 w stosunku do otaczającej atmosfery i podobnie pomiędzy komorą zbiornikową 12 a pojemnikiem pregrodowym 14 można zastosować płytę uszczelniającą za wyjątkiem otworu umożliwiającego przepływ roztopionego metalu macierzystego ze zbiornika 34 do pierwszego źródła 36.

Wypełniacz 38 w pojemniku przegrodowym 14 dostosowuje swój kształt do wewnętrznej powierzchni pojemnika przegrodowego 14 utworzonej przez siatkę 16, przy czym kształt wewnętrzny pojemnika przegrodowego 14 określa zewnętrzną gamicę kształtu masy wypełniacza 38 jako granicę zatrzymywania wzrostu produkcji reakcji utleniania. Granica ta określa zatem zewnętrzny kształt struktury z kompozytu ceramicznego, która ma wzrastać w pojemniku przegrodowym 14. Ponadto takie upakowanie dostosowuje również wypełniacz do kształtu geometrycznego pierwszego źródła 36, tak że źródło to tworzy i wypełnia kształtową wnękę w masie wypełniacza 38 dostosowującego się pod względem kształtu.

Zespół 10 wypełniacz-złoże umieszcza się w piecu zawierającym odpowiedni utleniacz w fazie pary lub do którego taki utleniacz wprowadza się. Alternatywnie lub dodatkowo w masie wypełniacza 38 można zastosować utleniacz stały i/lub ciekły. Kiedy stosuje się utleniacz w fazie pary może on przykładowo zawierać powietrze atmosferyczne, a w takim przypadku w piecu można zastosować odpowiednie otwory wentylacyjne dla doprowadzania źródła utleniacza w fazie pary po prostu przez wpuszczenie powietrza do wnętrzna pieca. Cały zespół 10 może być wsparty w położeniu pionowym (jak pokazano na fig. 1) w piecu przez odpowiednie nie pokazane elementy wsporcze. Utleniacz w fazie pary wnika w masę wypełniacza 38 dostosowującego się pod względem kształtu poprzez otwory 20 w cylindrze 18 i otwory siatki 16 i utlenia roztopiony metal macierzysty. Uzyskiwany w wyniku wzrost polikrystalicznego produktu reakcji utleniania postępuje jak opisano powyżej podczas gdy roztopiony metal macierzysty jest wyciągany z pierwszego źródła 36 poprzez produkt reakcji utleniania i jest utleniany na jego powierzchni tworząc dodatkowy produkt reakcji utleniania. Źródło roztopionego metalu macierzystego jest uzupełniane przez przepływ ze zbiornika 34 do pierwszego źródła 36. Kiedy wzrastający materiał polikrystaliczny osiągnie siatkę 16, dalszy wzrost zostaje zatrzymany przez przegrodę utworzoną przez siatkę 16 wspartą przez cylinder 18. W ten sposób wzrost produktu reakcji utleniania jest ograniczony zasadniczo zgodnie z przegrodą utworzoną w przedstawionym przykładzie wykonania przez wewnętrzną powierzchnię siatki 16 pojemnika przegrodowego 14. Należy zauważyć, że wnętrze pojemnika przegrodowego 14 może mieć jeden z wielu kształtów, aby zapewnić żądany kształt geometryczny powierzchni uzyskiwanej w wyniku bryły z kompozytu ceramicznego.

Pojemność zbiornika 34 metalu macierzystego może być określona względem pierwszego źródła 36 tak, aby zapewnić wystarczającą ilość metalu macierzystego dla utrzymywania pierwszego źródła 36 w stanie wypełnionym metalem przynajmniej dopóki cała objętość wypełniacza 38 nie zostanie infiltrowana lub objęta przez polikrystaliczny produkt reakcji utleniania. Po osiągnięciu tego momentu temperaturę pieca zmniejsza się i umożliwia się ochłodzenie zespołu, a pierwsze źródło 36 metalu macierzystego krzepnie i ściśle łączy się z ceramiczną osnową. Uzyskiwana w wyniku struktura z kompozytu ceramicznego zawiera więc metalowe podłoże otoczone ceramiką, a w przedstawionym przykładzie wykonania podłoże ceramiczne jest umieszczone na zewnątrz i częściowo otacza podłoże metalowe.

Dla ułatwienia demontażu, jeżeli jest potrzebny, perforowany cylinder 18 może być złożony z dwóch półcylindrów utrzymywanych na miejscu przez dowolne odpowiednie środki, na przykład ściągi 28 z kątowników żelaznych i pierścienie zaciskowe 32, które można zdjąć, aby umożliwić usunięcie dwóch wzdłużnie dzielonych połówek perforowanego cylindra 18. Po usunięciu perforo12

155 549 wanego cylindra 18 siatkę 16 można odwinąć lub odciąć. Strukturę z kompozytu ceramicznego można ciąć poprzednie przy lub w pobliżu górnej części (patrząc na fig. 1) pojemnika przegrodowego 14, aby uzyskać kompozyt cermiaczny 40 o kształcie zasadniczo cylindrycznym, jak pokazano na fig. 2. Kompozyt ceramiczny 4© ma wewnętrzny otwór 42, który jest odwrotnym odwzrowaniem kształtu pierwszego źródła 36 metalu macierzystego, z trzema umieszczonymi w szeregu powiększonymi komorami 42a, 42b i 42c. Zakrzepły metal macierzysty w otworze 42 można usunąć dowolnym sposobem, jeśli trzeba. Przykładowo otwór 42 można wywiercić, a resztę metalu, głównie w komorach 42a — 42c, można usunąć przez chemiczne rozpuszczenie, na przykład kwasem solnym w przypadku aluminiowego metalu macierzystego. Kwas solny rozpuszcza metal, ale nie wpływa szkodliwie na kompozyt ceramiczny. W pewnych przypadkach może być pożądane pozostawienie całości lub części rdzenia z metalu macierzystego na miejscu, aby wytworzyć końcowy produkt posiadający rdzeń z metalu macierzystego lub podłoże, albo też aby zastąpić część lub całość rdzenia pewnym innym materiałem, na przykład innym metalem lub stopem, albo innym materiałem takim jak syntetyczny organiczny materiał polimerowy (plastik).

Zewnętrzna powierzchnia kompozytu ceramicznego 49 może mieć szorstką powierzchnię odwzorowującą wzór tkanej siatki i dlatego może być pożądane obrobienie powierzchni zewnętrznej skrawaniem, aby uzyskać powierzchnię gładką, chociaż w pewnych przypadkach może być pożądana szorstka tekstura siatki 16 (lub inny wybrany wzór).

Dla pewnych kształtów pojemnika przegrodowego 14 może być konieczne lub pożądane dołączenie poprzez złącza typu kolankowego jednego lub kilku dodatkowych zbiorników metalu dla wprowadzania uzupełniającego roztopionego metalu w kilku punktach wzdłuż pierwszego źródła 36.

Na figurze 3 pokazano zespół złożony z formy wstępnej 44, na wierzchu której umieszczono w styku zbiornik 46 metalu macierzystego. Zewnętrzne powierzchnie zbiornika 46 i formy wstępnej 44 są zamknięte wewnątrz przegrody utworzonej przez warstwę 48 gipsu modelarskiego, która jest uczyniona przepuszczalną dla powietrza przez wprowadzenie materiału palnego w warstwę 48. Przegroda otacza i w ten sposób określa granicę przynajmniej jednej powierzchni formy wstępnej 44. W przedstawionym przykładzie wykonania powierzchnią opasaną przez przegrodę jest cała powierzchnia formy wstępnej 44 za wyjątkiem tej części, która styka się ze zbiornikiem 46. Użyte tu i w zastrzeżeniach określenie „przynajmniej jedna powierzchnia⁴* lub „przynajmniej jedna granica powierzchni* masy wypełniacza, utworzona przez przegrodę, odnosi się do tej części masy, która jest pokryta materiałem przegrody lub styka się z nim.

Zbiornik 46 otoczony gipsem i forma wstępna 44 są wsparte przez ustalające złoże materiału obojętnego 50 zawarte w naczyniu ogniotrwałym 52, na przykład z tlenku glinowego. Forma wstępna 44 ma kształt tłoka silnika spalinowego i zawiera część głowicową 44a, pierścieniowy rowek 44b i część wydrążoną 44c, w której znajduje się para promieniowo przeciwległych otworów łączących 44d i 44e. Pierwsze źródło 54 metalu macierzystego umieszczone jest w wydrążonej części 44c w styku z jej wewnętrzną powierzchnią. Warstwa 48 gipsu modelarskiego otaczająca formę wstępną 44 tworzy powstrzymującą wzrost przegrodę, która jest dostosowana do kształtu zewnętrznej powierzchni formy wstępnej 44 i pomaga w zapewnieniu gładkiej powierzchni bryły z kompozytu ceramicznego przez uniemożliwienie przerastania materiału polikrystalicznego na zewnątrz formy wstępnej. Warstwa 48 gipsu modelarskiego otaczająca zbiornik 36 ułatwia montaż i tworzy pojemnik dla roztopionego metalu macierzystego otrzymanego po ogrzaniu zespołu. Jednakże złoże materiału obojętnego 50, jako niezwilżalne przez roztopiony metal macierzysty, utrzymywałoby zadowalająco na miejscu zbiornik roztopionego metalu macierzystego nawet gdyby nie było warstwy gipsu. Złoże materiału obojętnego 50 jest również przepuszczalne dla utleniacza w fazie pary, na przykład dla powietrza. Po ogrzaniu do odpowiedniej temperatury procesu, jak opisano powyżej, utleniacz w fazie pary, na przykład powietrze, utlenia roztopiony metal macierzysty, który jest transportowany do powierzchni produktu reakcji utleniania, aby tworzyć polikrystaliczny materiał osnowy, jak opisano powyżej.

Gdy roztopiony metal macierzysty z pierwszego źródła 54 jest zużywany, roztopiony metal macierzysty ze zbiornika 46 uzupełnia źródło 54 i reakcja trwa aż polikrystaliczna osnowa ceramiczna wzrośnie do przegrody utworzonej przez warstwę 48 gipsu modelarskiego wokół formy wstępnej 44. W tym momencie reakcja zostaje zatrzymana, na przykład przez obniżenie temperatur

155 54® w piecu i zespół można wyjąć ze złoża 5®, a warstwę gipsu można usunąć przez piaskowanie. Roztopiony metal macierzysty można wylać z części wydrążonej 44c, a resztki nieprzereagowanego metalu macierzystego, które krzepną wewnątrz można usunąć środkami mechanicznymi lub chemicznymi jak opisano powyżej.

Na figurze 4 przedstawiono strukturę z kompozytu ceramicznego otrzymaną z zespołu z fig. 3. Tłok 44' z kompozytu ceramicznego składa się z formy wstępnej 44 infiltrowanej przez osnowę ceramiczną zawierającą produkt reakcji utleniania i ewentualnie składników metalicznych, takich jak nieutlenione składniki metalu macierzystego lub zredukowane składniki domieszki, wypełniacza lub utleniacza (w przypadku, gdy utleniacz jest redukowalnym związkiem metalu). Ponieważ wzrost osnowy ceramicznej jest zatrzymywany na granicy utworzonej przez zewnętrzną powierzchnię formy wstępnej 44, uzyskany w wyniku tłok 44' ma dokładny kształt z częścią głowicową 44a', rowkiem pierścieniowym 44b' i wydrążoną częścią 44c' oraz z parą promieniowo przeciwległych otworów 44d' i 44e' na sworzeń.

Na figurze 5 przedstawiono inny zespół, w którym forma wstępna 56 z wypełniacza ma kształt rurowego złącza kolanowego o kącie 45° z kołnierzami 56a i 56b przy odpowiednich przeciwległych końcach. Zbiornik ogniotrwały 58 ma otwór 6® w swym dnie i jest odchylony od pionu w celu umieszczenia go w styku z kołnierzem 56a formy wstępnej 56. Kołnierz 56b jest zatkany korkiem 62 z odpowiedniego materiału, takiego jak gips. Zespół taki jest umieszczony w złożu z obojętnego materiału 64, który z kolei jest zawarty w naczyniu ogniotrwałym 66. Na fig. 5 pokazano zbiornik 68 roztopionego metalu macierzystego zawarty w zbiorniku ogniotrwałym 58, przy czym ten roztopiony metal macierzysty będzie przepływać w formę wstępną 56 i uzupełniać pierwsze źródło 70 roztopionego metalu macierzystego zawarte w tej formie.

W obu przykładach wykonania według fig. 3 i fig. 5 można umieścić stały metal macierzysty jako pierwsze źródło (54 na fig. 3 i 7® na fig. 5) roztapiane na miejscu, aby uzyskać pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego. Alternatywnie początkowo musi być zastosowany tylko zbiornik (46 na fig. 3 i 68 na fig. 5), a po roztopieniu metal macierzysty ze zbiornika będzie przepływać do styku z formą wstępną (44 na fig. 3 i 56 na fig. 5), aby utworzyć pierwsze źródło metalu macierzystego w styku z wypełniaczem. Pierwsze źródło metalu macierzystego może być więc zarówno początkowo tworzone przez przepływ ze zbiornika metalu macierzystego, jak i później uzupełniane przez taki przepływ.

Zastosowanie zbiornika metalu macierzystego dla uzupełniania pierwszego źródła metalu macierzystego zawartego wewnątrz wydrążonej części 44c pomaga w zapewnieniu skutecznego i jednorodnego wzrostu osnowy ceramicznej · w formę wstępną 44 przez zapewnienie zawsze zapasu metalu macierzystego, który całkowicie wypełnia wydrążone wnętrze części 44c. Eliminuje to możliwość, że części formy wstępnej 44 mogą nie być wypełnione osnową ceramiczną na skutek tego, że spadek poziomu roztopionego metalu macierzystego w wydrążonej części 44c, gdy metal jest zużywany, wstrzymuje dopływ roztopionego metalu macierzystego do formy wstępnej 44 (jak pokazano na fig. 3).

W przykładzie wykonania pokazana na fig. 5 pierwsze źródło 70 metalu macierzystego można utworzyć albo przez umieszczenie litej bryły roztopionego metalu w formie wstępnej 56 przed ogrzaniem, albo przez dopływ roztopionego metalu macierzystego ze zbiornika 58 w celu napełnienia wnętrza formy wstępnej 56. Widać wyraźnie, że przedstawiona grubość ścianek formy wstępnej 56 w porównaniu z jej wydrążonym wnętrzem jest taka, że zawarte jest w niej więcej roztopionego metalu macierzystego niż potrzeba dla wypełnienia całości wypełniacza formy wstępnej osnową ceramiczną po przeprowadzeniu reakcji utleniania. Zaleta zastosowania zbiornika roztopionego metalu w tym przypadku, jak zauważono powyżej w odniesieniu do przykładu wykonania z fig. 3, polega na tym, że utrzymuje on poziom roztopionego metalu macierzystego wystarczająco wysoki, by wnętrzne formy wstępnej 56 było wypełnione do wierzchołka, co pomaga w zapewnieniu równomiernego wzrostu polikrystalicznego materiału osnowy w całej formie wstępnej 56 bez powstawania nieciągłości w osnowie ceramicznej.

W przykładzie wykonania z fig. 5 forma wstępna 56 jest umieszczona w złożu 64 cząstkowego materiału obojętnego, w którym nie będzie znacznego wzrostu osnowy ceramicznej, a więc osnowa ceramiczna będzie rosnąć do granicy określonej przez zewnętrzne powierzchnie formy wstępnej 56. Korek gipsowy 62 służy dla uniemożliwiania wejścia cząstkowego materiału obojętnego 64 do

155 540 wnętrzna formy wstępnej 56. Jeżeli jest to konieczne lub pożądane, gips lub inny podobny materiał można zastosować jako uszczelnienie wokół dna zbiornika ogniotrwałego 58 i kołnierza 56a formy wstępnej 56. Ewentualnie całą formę wstępną 56 z zewnątrz można osłonić warstwą gipsu przepuszczalną dla powietrza, którą usuwa się z gotowej bryły z kompozytu ceramicznego.

Na figurze 6 pokazano inny zespół, w którym forma wstępna 72 o kształcie zasadniczo cylindrycznym ma podstawę 74 i zwężoną część szyjkową 76 zakończoną częścią końcową 78. Wydrążony otwór 80 przechodzi poprzez formę wstępną 72 koncentrycznie wokół jej osi wzdłużnej. Koniec otworu 80, który uchodzi na powierzchnię części końcowej 78, jest zamknięty korkiem 82 z odpowiedniego materiału, takiego jak gips. Przeciwległy koniec otworu 80, który uchodzi przy końcu podstawy 74, jest umieszczony w połączeniu przepływowym z przewodem 84 wykonanym z odpowiedniego materiału, którym również może być gips. Przewód 84 jest więc krótkim odcinkiem rury gipsowej, której jeden koniec opiera się o koniec podstawy 74, a przeciwległy koniec styka się ze zbiornikiem 86 metalu macierzystego. Przewód 84 i zbiornik 86 są zwykle usytuowane współosiowo. Forma wstępna 72 jest umieszczona tak, że jej oś wzdłużna L tworzy pewien kąt z poziomem, jak zaznaczono linią H-H. Przez takie umieszczenie formy wstępnej 72 z jej końcem 78 nieco pochylonym, powiedzmy pod kątem 5-10°, poniżej poziomu, ułatwiony jest przepływ roztopionego metalu macierzystego ze zbiornika 86 poprzez przewód 84 do otworu 80. Forma wstępna 72, przewód 84 i zbiornik 86 metalu macierzystego są wsparte w złożu z cząstkowego materiału obojętnego 88, które jest umieszczone w zbiorniku ogniotrwałym 90.

Podczas procesu metal macierzysty w zbiorniku 86 topi się i przepływa przewodem 84 w otwór 80, wypełniając otwór 80 roztopionym metalem macierzystym. Otwór utworzony w przewodzie 84 i otwór 80 można zatem uważać za służący jako wlew, poprzez który roztopiony metal macierzysty jest dostarczany do formy wstępnej 72. Korek 82 uniemożliwia wnikanie materiału obojętnego 88 w otwór 80. Utleniacz w fazie pary, taki jak powietrze, przenika przez złoże obojętnego materiału 88 i formę wstępną 72, aby utleniać roztopiony metal macierzysty. Gdy roztopiony metal macierzysty zawarty w otworze 80 zużywa się, metal macierzysty jest uzupełniany roztopionym metalem przepływającym ze zbiornika 86, tak że otwór 80 jest stale całkowicie napełniony roztopionym metalem macierzystym w czasie procesu.

Jak wyraźnie przedstawiono na fig. 6 ilość roztopionego metalu, która może być zawarta w otworze 80, jest niewystarczająca bez uzupełniania zużytego metalu dla całkowitego wypełnienia formy wstępnej 72 polikrystalicznym materiałem otrzymanym przez reakcję utleniania metalu macierzystego, którego tworzy osnowę ceramiczną infiltrującą w formę wstępną 72. (Stanowi to przeciwieństwo układu z fig. 5, gdzie zapas roztopionego metalu macierzystego 70 wewnątrz formy wstępnej 56 jest więcej niż wystarczający dla wypełnienia stosunkowo cienkich ścianek formy wstępnej 56 osnową ceramiczną). W przypadku fig. 6 dodatkowo w celu zapewnienia równomiernego dostarczania roztopionego metalu zawiera środki dla ciągłego doprowadzania wystarczającej ilości roztopionego metalu macierzystego poprzez otwór 80 o stosunkowo małej objętości, aby całkowicie wypełnić formę wstępną 72 polikrystalicznym produktem reakcji utleniania.

Sposób uzupełniania według wynalazku umożliwia więc wytwarzanie materiału polikrystalicznego z małej objętościowo strefy pierwszego źródła roztopionego metalu macierzystego i infiltrowanie z tej strefy polikrystalicznego materiału osnowy w znacznie większą objętość wypełniacza. Rzeczywiście przez kontynuowanie uzupełniania roztopionego metalu macierzystego w tej strefie objętość wypełniacza o prawie każdych żądanych wymiarach może być infiltrowana przez polikrystaliczny materiał osnowy wytworzony z metalu macierzystego wprowadzonego do reakcji utleniania z takiej strefy.

Wytwarzanie osnowy ceramicznej zatrzymywane jest na granicy określonej przez zewnętrzne powierzchnie formy wstępnej 72. Jak zauważono powyżej, jeżeli trzeba, forma wstępna 72 może być otoczona odpowiednią przegrodą. Zakrzepły rdzeń z metalu macierzystego pozostałego w otworze 80 można pozostawić na miejscu w gotowej strukturze, albo też całkowicie lub częściowo usunąć go lub zastąpić odpowiednim materiałem, jeżeli jest to potrzebne. Gotowa struktura z kompozytu ceramicznego pokazana jest na fig. 7 jako zawierająca bryłę 72' kompozytu cerami155 540 15 cznego posiadającą podstawę 74', szyjkę 76' z wklęsłym zagłębieniem oraz część końcową 78' z otworem 80' przebiegającym wzdłużnie przez nią.

Figura 8 przedstawia inny zespół, w którym forma wstępna 92 ma zasadniczo tarczowo ukształtowaną część 94, od której jednej strony odchodzi centralny, wydrążony wałek 98 i koncentryczny, kołowy wieniec 96. Wałek 98 ma przechodzący przez niego otwór 100, który kończy się rozszerzonym na zewnątrz końcem lOOa otwartym na powierzchni części tarczowej 94 przeciwległej w stosunku do tej powierzchni, od której odchodzi wieniec 96 i wałek 98. Górny koniec (patrząc na fig. 8) otworu 100 jest zamknięty korkiem 102 z odpowiedniego materiału, takiego jak gips modelarski. Poniżej (patrząc na fig. 8) formy wstępnej 92 w styku z nią umieszczona jest bryła 104 stanowiąca źródło metalu macierzystego.

Prostokątny przewód kolanowy 106 ma jeden swój otwarty koniec umieszczony w styku z bryłą 104 stanowiącą źródło metalu macierzystego, a przeciwległy górny (patrząc na fig. 8) koniec umieszczony w styku ze zbiornikiem 108 metalu macierzystego. Na fig. 8 przedstawiono tylko jeden taki zbiornik 108 metalu macierzystego i odpowiedni przewód 106, ale oczywiście podobnie można umieścić wokół obwodu pierwszego źródła 104 metalu macierzystego dwa lub więcej zbiorników metalu macierzystego wraz z odpowiednimi przewodami, przy czym źródło 104 ma korzystnie kształt tarczy zasadniczo o takiej samej średnicy jak część tarczowa 94 formy wstępnej 92. Forma wstępna 92, bryły 104 i 108 metalu macierzystego oraz przewód 106 zawarte są w złożu cząstkowego materiału obojętnego 110, które zawarte jest w naczyniu ogniotrwałym 112.

Po ogrzaniu do odpowiedniej temperatury reakcji, na przykład w piecu z atmosferą powietrzną, metal macierzysty topi się tworząc pierwsze źródło 104 metalu macierzystego w styku z formą wstępną 92, a metal macierzysty zbiornika 108 topi się i przepływa w dół przewodem 106, tak że powoduje wypychanie roztopionego metalu macierzystego do góry poprzez koniec lOOa i otwór 100 do wierzchołka (patrząc na fig. 8) otworu 100, gdzie znajduje się korek 102. Przy takim układzie zbiornik 108 nie tylko uzupełnia pierwsze źródło 104, aby zapewnić wystarczający dopływ metalu macierzystego, by całkowicie wypełnić formę wstępną 92 polikrystalicznym materiałem osnowy, ale wypełnia całą długość otworu 100 roztopionym metalem macierzystym (dopóki poziom roztopionego metalu w zbiorniku 108 utrzymywany jest powyżej wierzchołka otworu 100). Pomaga to w zapewnieniu równomiernego wzrostu osnowy ceramicznej poprzez formę wstępną 92. Gdyby pominąć zbiornik 108 i odpowiedni przewód 106, nawet gdyby źródło 104 metalu macierzystego było wystarczająco duże dla zapewnienia zapasu wystarczającego dla wypełnienia formy wstępnej 92 osnową ceramiczną, mogłyby wystąpić trudności w przepływie roztopionego metalu macierzystego, zwłaszcza w przewężeniu przy podstawie wałka 98, gdzie łączy się on z częścią tarczową 94. Chociaż roztopiony metal macierzysty wykazuje dobre przesączanie poprzez przepuszczalną formę wstępną 92, kiedy nastąpi wyczerpanie zapasu roztopionego metalu macierzystego utworzonego przez źródło 104, wówczas bez zbiornika 108 zapewniającego uzupełnianie roztopionego metalu macierzystego pod ciśnieniem statycznym w przypadku bardzo dużych części przesączanie może okazać się niewystarczające dla zapewnienia kompletnego i równomiernego wzrostu, zwłaszcza poprzez wałek 98 oddalony od części tarczowej 94.

Sposób według wynalazku skutecznie pokonuje tę trudność w przedstawionym przykładzie wykonania przez wypełnienie otworu 100 do wierzchołka zapasem roztopionego metalu pod większym lub mniejszym ciśnieniem statycznym oraz przez podobne utrzymywanie napełnienia źródła 104 roztopionego metalu. Sam zbiornik 108 może być również od czasu do czasu uzupełniany, jeżeli jest to potrzebne.

Na figurze 9 przedstawiono bryłę 92' z kompozytu ceramicznego otrzymaną z zespołu przedstawionego na fig. 8. Bryła ta ma centralny wałek 98', w którym wykonany jest otwór 100' i część tarczową 94' z kołowym wieńcem 96' odchodzącym od tej samej powierzchni, od której odchodzi wałek 98'. Jak zauważono powyżej w przypadku innych przykładów wykonania zakrzepły metal zawarty w otworze 100 i końcu lOOa można usunąć z gotowego produktu z kompozytu ceramicznego. Alternatywnie całość lub część otworu 100 i końca lOOa można pozostawić napełnioną zakrzepłym metalem macierzystym, albo też mogą być one częściowo lub całkowicie wypełnione innym odpowiednim materiałem. W każdym przypadku materiał wypełniający otwór 100 i koniec lOOa można przykładowo wywiercić, aby wykonać otwór o małej średnicy przechodzący przez ten materiał.

155 540

Na figurze 10 przedstawiono w przekroju poprzecznym zespół zawierający pojemnik ogniotrwały 114 tworzący zbiornik 116 metalu macierzystego, który jest zasadniczo wypełniony roztopionym metalem macierzystym. Otwór 118 wykonany w dnie naczynia 114 umożliwia przepływ roztopionego metalu macierzystego grawitacyjnie w płytkie, centralne koryto 120 wykonane w podstawie lub dnie z materiału podłoża. Materiałem tym może być dowolny odpowiedni materiał, taki jak gips modelarski, zawarty w ogniotrwałej łódce 124. Przykładowo ogniotrwała łódka 124 może być częściowo wypełniona, na przykład w przybliżeniu do połowy swej głębokości, jak pokazano na fig. 11 płynnym gipsem modelarskim, który pozostawia się do utwardzenia. Następnie płytkie centralne koryto 120 wycina się w utwardzonym gipsie, albo formuje się przez zastosowanie odpowiedniej formy włożonej w gips.

Identyczne przepuszczalne formy wstępne 126 mają zasadniczo kształt kubkowy lub bębnowy i umieszczone są swymi otwartymi stronami okrakiem do dołu wzdłuż koryta 120 obok siebie. Przestrzenie pomiędzy sąsiednimi wydrążonymi formami wstępnymi 126 nad korytem 120 są zamknięte korkami 128 z odpowiedniego materiału, takiego jak gips modelarski. Początkowo metal macierzysty jako pierwsze źródło można umieścić w wydrążonej części każdej formy wstępnej 126, a zbiornik metalu macierzystego umieszczony jest w naczyniu 114. Alternatywnie wygodniejsze może być wlanie roztopionego metalu macierzystego w zbiornik 114 (lub umieszczenie stałego metalu macierzystego w naczyniu 114 i następnie ogrzanie zestawu w celu roztopienia metalu macierzystego) i przepływ metalu macierzystego z naczynia 114 korytem 120 do każdej formy wstępnej 126. W każdym przypadku uzupełnienie roztopionego metalu macierzystego dopływa grawitacyjnie z naczynia 114 poprzez otwór 118 w jego dnie (patrząc na fig. 10), a dalej do koryta 120 i do wydrążonego wnętrza form wstępnych 126. W lewej części fig. 10 pokazano roztopiony metal macierzysty w naczyniu 114, korycie 120 i wypełniający wnętrze form wstępnych 126. Z prawej strony na fig. 10, po prawej stronie przeprowadzonej pionowo nieregularnej linii podziału przebiegającej poprzez środek jednej z form wstępnych 126, nie pokazano roztopionego metalu macierzystego, aby wyraźniej pokazać usytuowanie wydrążonych form wstępnych 126 nad i wzdłuż koryta 120.

Podobnie w prawej części fig. 11 pominięto część środkowej formy wstępnej i dwie formy po jej prawej stronie, jak również przyporządkowane im korki 128, aby lepiej pokazać kształt koryta 120 w stosunku do form wstępnych. Pominięte części zaznaczono linią przerywaną na fig. 11, gdzie pominięto również część naczynia 114. Statyczne ciśnienie roztopionego metalu macierzystego w zbiorniku 114 zapewnia, że każda z form wstępnych jest utrzymywana w stanie napełnionym roztopionym metalem macierzystym, aby uzupełniać ten metal, gdy jest on zużywany w procesie wytwarzania polikrystalicznej osnowy ceramicznej, która obejmuje wypełniacz jak opisano powyżej w odniesieniu do innych przykładów wykonania. Kiedy reakcja jest zakończona w takim stopniu, że wszystkie formy wstępne są całkowicie infiltrowane przez osnowę ceramiczną, zespół usuwa się z pieca i nadmiar roztopionego metalu można wylać z brył z kompozytu ceramicznego. Sam zbiornik 114 można uzupełniać od czasu do czasu metalem macierzystym, jeżeli jest to potrzebne. Korzystnie jednak zbiornik ma wystarczającą ilość metalu macierzystego dla zakończenia procesu bez okresowego dodawania metalu macierzystego.

Wydrążone formy wstępne stosowane w zespole z fig. 10 i 11 mogą być wykonane przez dowolne odpowiednie środki. Wygodnym sposobem wytwarzania form wstępnych o takim kształcie jest odlewanie z gęstwy, które można przeprowadzić za pomocą otwartej formy 130 typu przedstawionego na fig. 12 w przekroju poprzecznym. Forma 130 ma kubkowe zagłębienie 132 i może być wykonana z dowolnego odpowiedniego materiału, na przykład jest odlewana z gipsu modelarskiego. Odpowiednią gęstwę zawierającą małe cząstki wypełniacza wlewa się w zagłębienie 132, aby wypełnić je i pozostawia się gęstwę na pewien czas w formie. Część cieczy nośnej z gęstwy, typowo wody, zostaje pochłonięta przez porowatą formę gipsową, a po odpowiednim czasie nadmiar cieczy wylewa się, przy czym pozostaje gruba warstwa materiału wypełniacza przywierająca do wnętrza kubkowego zagłębienia 132. Warstwę tę można wysuszyć i wypalić, aby uzyskała wystarczającą wytrzymałość mechaniczną (wytrzymałość w stanie surowym), by można było wyjąć wydrążoną formę wstępną 126 z formy 130, jak zaznaczono strzałką bez numeru na fig. 12.

Na figurze 13 pokazano typową bryłę 126' z kompozytu ceramicznego otrzymaną przy zastosowaniu zespołu z fig. 10 i 11. Bryła 126' z kompozytu ceramicznego zawiera ceramiczną

155 540 osnowę infiltrującą w wydrążoną formę wstępną 126. Nadmiar metalu macierzystego, który może pozostać wewnątrz bryły 126 z kompozytu ceramicznego, można usunąć środkami machanicznymi lub chemicznymi, aby uzyskać wydrążoną, kubkową bryłę z kompozytu ceramicznego. Oczywiście bryły 126' można pozostawić częściowo lub całkowicie wypełnione zakrzepłym metalem lub innym materiałem.

Na figurze 14 przedstawiono dzieloną formę stosowaną do kształtowania (taką samą techniką odlewania z gęstwy jak opisano w odniesieniu do fig. 12) wydrążonej formy wstępnej w kształcie wirnika pompy pokazanego na fig. 15 i 15A. Nawiązując do fig. 14, dzielona forma 134 ma część górną 136 i część dolną 138, z których każda ma taki kształt, że po zamontowaniu części górnej 136 właściwie na części dolnej 138 tworzą one wspólnie pomiędzy sobą wnękę' umożliwiającą kształtowanie formy wstępnej 140 w kształcie wirnika pompy (fig. 15 i 15A), który zawiera tarczę 142 z czterema krzywoliniowymi łopatkami 144a, 144b, 144c i 144d odchodzącymi promieniowo na zewnątrz od wydrążonego środkowego wałka 146, który jest zakończony kołnierzem 146a, do obwodowej krawędzi 148 tarczy 142. Wałek 146 jest wydrążony przechodzącym przez niego otworem 150, a tarcza 142 jest wydrążona z utworzeniem w niej wnęki 152.

Wydrążona forma wstępna 140 w kształcie wirnika uzyskiwana jest przez wypełnienie formy 134 (fig. 14) poprzez jej otwór 150' odpowiednią zawiesiną do odlewania z gęstwy. Technikę odlewania z gęstwy, jak opisano powyżej można stosować dla uzyskania żądanej grubości warstwy cząstkowego materiału wypełniacza wewnątrz wnęki formy 134. Po zlaniu nadmiaru cieczy, wysuszeniu i wypaleniu formy zawierającej powłokę z gęstwy otrzymuje się wydrążoną formę wstępną 140 pokazaną na fig. 15 i 15A.

Jak pokazano na fig. 16 formę wstępną 140 umieszcza się w złożu obojętnego materiału 154 zawartym w naczyniu ogniotrwałym 156. Przewód 158 wykonany z odpowiedniego materiału takiego jak gips modelarski jest przymocowany u góry do kołnierza 146a i zawiera wewnątrz zbiornik 160 metalu macierzystego. Bryła metalu macierzystego jako pierwsze źródło 162 wypełnia wnętrze formy wstępnej 140. Jak zauważono powyżej w odniesieniu do innych przykładów wykonania źródło 162 metalu macierzystego można umieścić wewnątrz formy wstępnej 140, na przykład przez wypełnienie jej wydrążonego wnętrza cząstkowym metalem macierzystym, albo po zestawieniu zespołu wnętrze formy wstępnej 140 można wypełnić roztopionym metalem macierzystym, który może być dostarczany z kadzi. Podobnie zbiornik metalu macierzystego 160 może być początkowo umieszczony w zespole jako zbiornik metalu macierzystego w stanie stałym lub też wystarczającą ilość roztopionego metalu macierzystego można wlać, aby wypełnić nie tylko wydrążone wnętrze formy wstępnej 140, lecz również przewód 158, by uzyskać pierwsze źródło i zbiornik metalu macierzystego w postaci roztopionej. W każdym przypadku zespół umieszcza się na przykład w piecu otwartym dla atmosfery powietrznej i ogrzewa się żądanego zakresu temperatury, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania i uzyskać infiltrację formy wstępnej 140 przez osnowę ceramiczną.

Kiedy reakcja zakończy się, nieprzereagowany metal macierzysty wypełniający formę wstępną 140 infiltrowaną przez osnowę ceramiczną można pozostawić do zakrzepnięcia. Alternatywnie można wylać go w stanie roztopionym z bryły ceramicznej. W każdym przypadku fig. 17 przedstawia uzyskaną w wyniku bryłę 140' z kompozytu ceramicznego zawierającą tarczę 142', wałek 146' zakończony kołnierzem 146a' z łopatkami odchodzącymi promieniowo od wałka, przy czym na fig. 17 pokazano tylko łopatki 144a' i 144b'. Wnętrze bryły 140' z kompozytu ceramicznego jest wypełnione materiałem 164, którym może być zakrzepły metal macierzysty lub inny materiał, taki jak inny metal lub stop, albo pewien inny materiał taki jak tworzywo sztuczne. W przykładzie przedstawionym na fig. 17 w materiale 164, na przykład w zakrzepłym metalu macierzystym, w wałku 146' wywiercono otwór 166, w którym wykonano rowek klinowy 168, aby ułatwić klinowe mocowanie wirnika 140' na wale. Gwintowany otwór lub inny odpowiedni element można wykonać w obszarze otworu 166, aby uzyskać odpowiednie środki dla mocowania wirnika 140' na wale itp.

Na figurze 18 i 18A przedstawiono formę wstępną 170, która jest pokryta przegrodą 172 w postaci przepuszczalnej dla powietrza warstwy gipsu. Przewód kolanowy 174 umożliwia przepływowe połączenie pomiędzy naczyniem ogniotrwałym 176 a pustą przestrzenią 178 poniżej formy wstępnej 170, przy czym ta pusta przestrzeń 178 jest utworzona i zamknięta przez skorupę przegrody gipsowej 172. Naczynie ogniotrwałe 176 ma również wyłożenie 180 z gipsu i zawiera

155 540 wewnątrz zbiornik 182 metalu macierzystego, który z wierzchu przykryty jest warstwą cząstkowego materiału obojętnego 184. Na fig. 18 przedstawiono ten zespół przed roztopieniem metalu macierzystego 182. W alternatywnym przykładzie wykonania pusta przestrzeń 178 może być wypełniona źródłem metalu macierzystego. Jednakże w przedstawionym przykładzie wykonania po roztopieniu metalu macierzystego 182 roztopiony metal macierzysty przepływa przewodem 174 do wnętrza pustej przestrzeni 178, aby utworzyć pierwsze źródło roztopionego metalu macierzystego w styku z formą wstępną 170.

Poprzez formę wstępną 170 przechodzą trzy równoległe otwory uchodzące po przeciwległych stronach. Zespół z fig. 18 jest wsparty w złożu cząstkowego materiału obojętnego 188, które zawarte jest w naczyniu ogniotrwałym 190. Po ogrzaniu roztopiony metal macierzysty przepływa przewodem 174 w pustą przestrzeń 178 wypełniając ją i roztopiony metal macierzysty infiltruje w formę wstępną 170, aby był utleniony w niej i ewentualnie objął składniki wypełniacza w formie wstępnej 170 osnową ceramiczną z polikrystalicznego materiału. Usytuowanie zbiornika 182 metalu macierzystego umożliwia utrzymywanie statycznego ciśnienia roztopionego metalu i napełnienie przestrzeni 178 pierwszym źródłem metalu macierzystego w trakcie całego procesu utleniania, aby zapewnić całkowite i równomierne wypełnienie formy wstępnej 170 wynikową osnową ceramiczną. Jak zaznaczono powyżej w odniesieniu do innych przykładów wykonania można zastosować więcej niż jeden zbiornik 182 metalu macierzystego dla przepływu roztopionego metalu macierzystego w przestrzeń 178.

Po zakończeniu reakcji i umożliwieniu ochłodzenia zespołu uzyskaną w wyniku strukturę z kompozytu ceramicznego wyjmuje się ze złoża obojętnego materiału 188 i odłamuje się przegrodę gipsową 172, aby uwolnić strukturę 170' z kompozytu ceramicznego (fig. 19), która ma trzy równoległe przelotowe otwory 186. Przez utrzymywanie wewnątrz formy wstępnej 170 warunków reakcji utleniania korzystniejszych niż na zewnątrz formy wstępnej otwory 186 są zasadniczo pozbawione polikrystalicznego materiału osnowy. W tym znaczeniu przestrzenie stanowiące otwory 186 znajdują się na zewnątrz materiału, z którego wykonana jest forma wstępna 170.

W każdym z przykładów wykonania wynalazku skład materiału formy wstępnej (lub innej postaci wypełniacza) może zawierać jedną lub więcej odpowiednich domieszek lub utleniaczy, albo może inaczej zapewniać warunki, w których kinetyka utleniania metalu macierzystego jest korzystniejsza niż przy braku materiału wypełniacza. Z tego względu zależnie od specyficznych warunków związanych z domieszkami, utleniaczami, metalem macierzystym i temperaturą można spowodować wzrost materiału polikrystalicznego stanowiącego produkt reakcji utleniania w takich okolicznościach na zewnątrz wypełniacza. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 18 i 18A materiał polikrystaliczny nie wzrasta, by wypełnić otwory 186. Alternatywnie lub dodatkowo w otworach 186 można przewidzieć przegrodę uniemożliwiającą wzrost polikrystalicznego materiału osnowy w te otwory, przy czym jest to sposób przedstawiony w odniesieniu do przykładu wykonania z fig. 20-21.

Na figurze 20-21A przedstawiono formę wstępną 192, która ma kształt cylindryczny (jak najlepiej widać na fig. 20A) z centralnym przelotowym otworem 194 uchodzącym przy przeciwległych końcach. Centralny otwór 194 jest wyłożony przegrodą 196 stanowiącą powłokę gipsową wnętrza centralnego otworu 194 z zakorkowaniem obu jego końców. Centralny otwór 194 może być również całkowicie wypełniony korkiem z materiału przegrodowego.

Figura 21 przedstawia zespół formy wstępnej 192 wycentrowany wewnątrz bryły roztopionego metalu macierzystego 198 zawartej w cylindrycznym naczyniu ogniotrwałym 200. Forma wstępna 192 ma kształt przystający do wnętrza naczynia 200, ale o mniejszej średnicy. Jeden koniec formy wstępnej 192 może spoczywać na dnie naczynia 200, jak pokazano, albo też może być wsparty na podkładkach, aby powstał pewien prześwit dla dostępu roztopionego metalu macierzystego do dna formy wstępnej 192. Naczynie ogniotrwałe 200 ma takie wymiary, aby przyjmowało formę wstępną 192 z wystarczającym luzem pierścieniowym pomiędzy formą wstępną 192 a wewnętrznymi ściankami naczynia 200, by możliwy był styk całej zewnętrznej powierzchni formy wstępnej 192 z bryłą roztopionego metalu macierzystego o jednakowej grubości pierścienia. Aby forma wstępna 192 była zawsze zanurzona w bryle roztopionego metalu macierzystego 198 roztopiony metal macierzysty jest uzupełniany ze zbiornika (nie pokazano na fig, 21 lub 21 A) w sposób ciągły lub przerywany, jak zaznaczono strzałką R na fig. 21. Naczynie 200 może być zasilane z kadzi

155 540 19 przechyłowej lub ze zbiornika doprowadzającego roztopiony metal macierzysty przewodem lub poprzez inny odpowiedni element do naczynia ogniotrwałego 200.

Alternatywnie stały metal macierzysty, na przykład w postaci cząstkowej, może być dodawany w miarę potrzeby do bryły roztopionego metalu macierzystego 198 w celu stopienia na miejscu dla uzupełnienia zapasu metalu macierzystego. W tym przykładzie wykonania pokazano, że wzrost polikrystalicznego materiału osnowy ceramicznej dla infiltracji formy wstępnej 192 osnową odbywa się z całej zewnętrznej powierzchni formy wstępnej 192 w kierunku do jej środkowego otworu 194. Gładką powierzchnię środkowego otworu 194 zapewnia się przez zastosowanie w nim przegrody 196. Tak jak w poprzednich przykładach wykonania uzupełnianie ze zbiornika roztopionego metalu macierzystego zapewnia, że cała forma wstępna 192 jest utrzymywana w zanurzeniu w roztopionym metalu macierzystym, aby zapewnić równomierny wzrost polikrystalicznego materiału osnowy.

Naczynie ogniotrwałe 200 może mieć takie wymiary względem formy wstępnej 192, że zbiornik metalu macierzystego utworzony jest w postaci wystarczającej wysokości roztopionego metalu macierzystego nad formą wstępną 192, tak że po zakończeniu procesu forma wstępna 192 jest nadal całkowicie zanurzona wewnątrz roztopionego metalu macierzystego. Tak więc zbiornik i pierwsze źródło metalu macierzystego mogą tworzyć jedną bryłę roztopionego metalu macierzystego 198 pod warunkiem, że jest ona wystarczająco duża dla utrzymywania formy wstępnej całkowicie zanurzonej w roztopionym metalu podczas całego procesu reakcji utleniania.

Po zakończeniu procesu produkt ceramiczny osuwa się z kąpieli roztopionego metalu macierzystego i umożliwia się ścieknięcie z niego nadmiaru roztopionego metalu macierzystego. Rdzeń w postaci przegrody 196 usuwa się i w wyniku otrzymuje się strukturę 193 z kompozytu ceramicznego o kształcie cylindrycznym zawierającą ceramiczne wyłożenie 192' z centralnym otworem 194 przebiegającym wzdłuż osi wzdłużnej i integralnie z podłożem 198' z metalu macierzystego.

Struktury według przedmiotowego wynalazku, takie jak przedstawione na przykład na fig. 8 (jeżeli zakrzepły metal macierzysty jest pozostawiony w otworze 80), fig. 17 i fig. 22, mają powierzchnię ceramiczną, która jest integralnie wytworzona na bryle metalu lub typowo spojona z tą bryłą. Powierzchnia ceramiczna zawiera osnowę z materiału polikrystalicznego otrzymaną przez reakcję utleniania metalu macierzystego i obejmującą wypełniacz. Takie integralne struktury z metalu pokrytego powierzchniowo ceramiką mają znaczne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi strukturami ceramicznymi, łącznie ze zwiększoną odpornością na pękanie i w pewnych przypadkach mniejszym ciężarem. Przykładowo zewnętrzna powierzchnia ceramiczna wirnika pompy z fig. 17 umożliwia stosowanie go w tych przypadkach (na przykład pompowanie płynów korozyjnych i/lub erozyjnych), które wymagają powierzchni ceramicznej, a dzięki spojeniu z powierzchnią ceramiczną rdzeń lub podłoże metalowe zapewnia odporność na pękanie, której normalnie nie mają wirniki o konwencjonalnych strukturach ceramicznych. Przy pękaniu naprężeniowym lub uderzeniu mechanicznym, które spowodowałoby zniszczenie konwencjonalnej struktury ceramicznej tak, że część nie nadawałaby się do eksploatacji, struktury według przedmiotowego wynalazku zachowują swą całość. Przykładowo, gdyby nawet uderzenie mechaniczne w wirnik z fig. 17 było wystarczające dla uszkodzenia lub pęknięcia powierzchni ceramicznej wirnika 140', to bryła metalowa utrzyma całość konstrukcyjną części.

Struktura według wynalazku pokonuje również długotrwałe trudności związane z mocowaniem części ceramicznej, takiej jak wirnik pompy, na bardzo wytrzymałym członie metalowym, takim jak stalowy wał napędowy. Przy dotychczasowych bryłach ceramicznych zlokalizowane naprężenia mechaniczne wywierane na kruchą część ceramiczną przy powierzchni międzyfazowej z elementem ciągliwym często powodowały rozpadanie się kruchego materiału ceramicznego. Struktura z podłożem metalowym pokrytym powierzchniowo ceramiką według przedmiotowego wynalazku daje możliwość wykonania połączenia metal-metal (to znaczy wałek metalowy osadzony klinowo w otworze 166 na fig. 17) dla członu ceramicznego. Możliwość uniknięcia katastrofalnego uszkodzenia jest szczególnie ważna w konstrukcji części wirujących, poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym i pracujących pod ciśnieniem.

Dalsza cecha przedmiotowego wynalazku polega na tym, że przez wybór odpowiedniego metalu macierzystego, wypełniacza i utleniacza można wytworzyć wynikową część z metalu pokrytego powierzchniowo ceramiką z korzystnymi naprężeniami wstępnymi na powierzchni

155 540 międzyfazowej pomiędzy ceramiką a metalem, dzięki czemu wyrób z kompozytu ceramicznego wykazuje lepszą wytrzymałość pozorną i odporność na uszkodzenie. Realizuje się to przez wybór materiałów i warunków procesu, które powodują kontrolowany różnicowy skurcz pomiędzy powierzchnią ceramiczną kontrolowany różnicowy skurcz pomiędzy powierzchnią ceramiczną a podłożem metalicznym. Naprężenie wstępne umożliwione jest przez wyjątkowo dobre spojenie powierzchni ceramicznej i podłożem.

Na figurze 23 i 24 przedstawiono formę wstępną 202 zawierającą zewnętrzną cylindryczną skorupę 204 i wewnętrzną cylindryczną skorupę 206 o średnicy mniejszej niż skorupa 204, ale o takiej samej długości. Obie skorupy zewnętrzna i wewnętrzna są połączone trzema mostkami 208a, 208b i 208c, które przebiegają na długości skorup 204 i 206. Forma wstępna 202 stanowi więc jednolitą konstrukcję. Mostki 208a, 208b i 208c są rozmieszczone w jednakowych odstępach kątowych wokół obwodów skorup 204 i 206, to znaczy te trzy mostki są rozmieszczone w odstępach kątowych co 120° jak pokazano na fig. 24. Jak najlepiej widać na fig. 24 struktura taka dzieli wnętrze formy wstępnej 202 na przebiegający wzdłużnie otwór 210 i trzy przebiegające wzdłużnie komory pierścieniowe 212a, 212b i 212c.

Forma wstępna 202 może być infiltrowana materiałem polikrystalicznym otrzymywanym przez utlenianie roztopionego metalu macierzystego wprowadzonego w otwór 210 i komory 212a, 212b i 212c. Ponadto zewnętrzna powierzchnia zewnętrznej skorupy 204 może być również zanurzona w roztopionym metalu macierzystym, co można osiągnąć przez zestawienie formy wstępnej 202 podobne jak przedstawione na fig. 1 w odniesieniu do formy wstępnej 192. Ponadto, jeżeli trzeba, otwór 210 i/lub komory 212a, 212b i 212c mogą być pozostawione z zakrzepłym metalem macierzystym w nich, aby uzyskać strukturę z podłożem metalicznym wyłożonym ceramiką. Alternatywnie lub dodatkowo podłoże z zakrzepłego metalu macierzystego (odpowiadające podłożu metalowemu 198' z fig. 22) może być pozostawione wokół zewnętrznej powierzchni zewnętrznego cylindra 204.

Struktury z kompozytu ceramicznego według przedmiotowego wynalazku zawierają, jak zaznaczono powyżej, osnowę ceramiczną obejmującą wypełniacz, który można stosować jako złoże wypełniacza dostosowującego się pod względem kształtu lub jako ukształtowaną formę wstępną. Odpowiednimi wypełniaczami są te chemikalia, które przy temperaturze i w warunkach utleniających procesu nie są lotne, są stabilne termodynamicznie i nie reagują z roztopionym metalem macierzystym ani nie rozpuszczają się nadmiernie w nim. Fachowcy znają wiele materiałów spełniających te warunki w przypadku stosowania aluminium jako metalu macierzystego i powietrza lub tlenku jako utleniacza. Materiałami takimi są tlenki, borki lub węgliki metali takich jak aluminium, krzem, hafn i cyrkon i mogą występować w dowolnej pożądanej formie lub wielkości.

Domieszka lub domieszki stosowane w połączeniu z metalem macierzystym (1) mogą być stosowane jako składniki stopowe metalu macierzystego, (2) mogą być podawane na przynajmniej

155 540 tlenku glinowego dla stopu aluminium z krzemem jako metalu macierzystego przy zastosowaniu powietrza jako utleniacza używając MgO jako domieszkę powierzchniową w ilości większej niż około 0,0008 g na gram metalu macierzystego, który ma być utleniany i większej niż około 0,003 g na cm² powierzchni metalu macierzystego, na którą nakłada się MgO.

Dodatkowe przykłady materiałów domieszkujących skutecznych w przypadku metali macierzystych na bazie aluminium utlenianych powietrzem zawierają sód, german, cynę, ołów, lit, wapń, bor, fosfor i itr, które można stosować oddzielenie lub w połączeniu z jedną lub kilkoma domieszkami zależnie od utleniacza i warunków procesu. Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak cer, lantan, prazeodym, neodym i samar są również użytecznymi domieszkami, zwłaszcza jeżeli stosuje się je w połączeniu z innymi domieszkami. Wszystkie materiały domieszkujące jak wyjaśniono w zgłoszeniach patentowych USA tego samego właściciela, skutecznie wspomagają wzrost polikrystalicznego produktu reakcji utleniania dla systemów z metalem macierzystym na bazie aluminium.

Struktura z kompozytu ceramicznego otrzymywana w praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku będzie zwykle gęstą, spójną masą, w której 5-98% objętościowych całej objętości struktury kompozytowej złożonych jest z jednego lub więcej składników wypełniacza zatopionych w polikrystalicznym materiale osnowy. Polikrystaliczny materiał osnowy złożony jest zwykle, kiedy metalem macierzystym jest aluminium, z 60-99% wagowych (ciężaru materiału polikrystalicznego) złączonego tlenku glinowego alfa i 1-40% wagowych (na tej samej podstawie) nieutlenionych składników metalu macierzystego.

Ścisłe spojenie, które typowo następuje po ochłodzeniu, pomiędzy odpowiednio dobranym metalem macierzystym a powierzchnią ceramiczną, która może być wytworzona na nim poprzez proces według przedmiotowego wynalazku, umożliwia nakładanie materiału odpornego na ścieranie na człon ciągliwy i pozwala na uzyskanie przykładowo powierzchni ceramicznych na ciągliwych skorupach ciśnieniowych. Spojenie o dużej wytrzymałości powierzchni ceramicznej z podłożem metalowym według wynalazku zawdzięcza, jak się wydaje, swe istnienie intensywnemu zwilżaniu metalu macierzystego przez produkt reakcji utleniania, która to cecha umożliwia również transport metalu macierzystego poprzez taki produkt reakcji, aby uzyskać wzrost osnowy według wynalazku.

Wyroby według wynalazku ze względu na swą taniość, mały ciężar, wstępne naprężenia, spojenie powierzchni ceramicznej z podłożem metalowym, różnorodność kształtu, różnorodność wymiarów, odporność na katastroficzne pękanie, odporność na ścieranie, wytrzymałość, odporność na wysoką temperaturę lub odporność na korozję, nadają się idealnie do stosowania w charakterze części silników cieplnych, na elementy zaworów i pomp.

Idea powłoki ceramicznej na metalu nie jest nowa. Chociaż jest to pomysł bardzo atrakcyjny, dotychczasowe środki dla uzyskania takich części były bardzo ograniczone ze względu na niemożność wytworzenia takiej powierzchni ceramicznej do wystarczającej głębokości bez łuszczenia, z zachowaniem wystarczającej adhezji do podłoża metalowego, z rozmieszczeniem na skomplikowanych powierzchniach i przy rozsądnych kosztach. Przedmiotowy wynalazek jest całkowicie unikalny ze swą możliwością wytwarzania powierzchni z kompozytu ceramicznego o prawie dowolnym kształcie i grubości oraz z wytwarzaniem takich powierzchni spojonych integralnie z metalami macierzystymi o czystości handlowej w tanim procesie bez stosowania ciśnienia i przy umiarkowanej temperaturze.

Wynalazek zostanie poniżej zilustrowany przez następujące przykłady nie stanowiące ograniczenia.

Przykład I.W celu przygotowania ceramicznej struktury kompozytowej rurkę Schedule 40 (średnica zewnętrzna 49 mm) ze stopu metalu Inconel 601 (International Nickel Co.) (odpowiada rurce 18 z fig. 1) o długości 152 mm perforowano wieloma otworami o średnicy 4,8 mm każdy. Otwory przewiercono na całej cylindrycznej powierzchni rurki tak, że ich środki były rozmieszczone w odstępach 9,5 mm w przestawnych szeregach. Perforowaną blachę ze stali nierdzewnej (stop 304) o grubości w przybliżeniu 0,2 mm z otworami o średnicy 0,4 mm zastosowano jako wewnętrzne wyłożenie (wyłożenie 16 na fig. 1) dla przewierconej rurki metalowej ze stopu Inconel. Otwory stanowiły 22% otwartego pola powierzchni blachy. Perforowaną blachę ze stali nierdzewnej wybrano, by służyła jako przegroda dla wzrostu osnowy dla tego przykładu.

Człon z metalu macierzystego złożony ze stopu aluminium zawierającego 10%c krzemu i 3% magnezu tworzył bryłę źródła metalu macierzystego i zbiornik metalu macierzystego nieco

155 540 podobny w kształcie do przedstawionych na fig. 1. Jednakże w tym przypadku zbiornik (34 na fig. 1) miał niezwężający się kształt cylindryczny o średnicy 63,5 mm i o wysokości 51 mm, a bryła źródła (36 na fig. 1) miała średnicę 19 mm i długość 152 mm i była połączona przy swym górnym końcu ze zbiornikiem. Bryła źródła miała kształt gwintu śruby i była umieszczona w masie wypełniacza (analogiczna do masy wypełniacza 38 dostosowującego się pod względem kształtu na fig. 1i 1A) z mieszaniny 5% wagowych handlowego piasku (dwutlenek krzemu) i 95% wagowych 38 Alundum o ziarnie 90, cząstkowego tlenku glinowego dostarczanego przez Norton Company. Mieszanina wypełniacza była nagrzewana do około 1250°C przez 24 h, a następnie pozostawionoją do ochłodzenia do temperatury otoczenia. Ochłodzoną mieszaninę następnie zmielono i umieszczono w rurce Schedule 40 ze stopu Inconel perforowanej i wyłożonej blachą ze stali nierdzewnej. Bryłę źródła metalu macierzystego pokryto warstwą kleju stolarskiego (sprzedawany pod nazwą handlową ELMERS przez firmę Bordon Company) i piasku. Zbiornik umieszczono w złożu z 38 Alundum o ziarnie 90 zawartym w komorze ze stali nierdzewnej (stop 304) (12 na fig. 1), przy czym miał on w swym dnie otwór o średnicy 51 mm (pokazany bez oznaczenia cyfrowego na fig. 1). Wierzchołek rurki ze stopu Inconel przyspawano do obwodu tego otworu o średnicy 51 mm.

W celu wsparcia uzyskanego zespołu w położeniu pionowym rurkę ze stopu Inconel (14 na fig. 1) umieszczono w perforowanym cylindrze podporowym ze stali nierdzewnej (stop 304) o średnicy wewnętrznej 89 mm i o średnicy otworów perforacji 2,4 mm, przy czym otwory te zajmowały 40% pola powierzchni cylindra podporowego. Cylinder podporowy miał taką długość, aby wspierał komorę zbiornikową (12 na fig. 1) przy wierzchołku cylindra podporowego. Taka konstrukcja utrzymywała zespół złożony z metalu macierzystego i wypełniacza w położeniu pionowym, przy czym zbiornik był usytuowany pionowo tuż nad bryłą źródła. Uzyskany w wyniku podparty zespół umieszczono na ogniotrwałym otwartym pojemniku i ogrzewano w piecu z atmosferą powietrzną przez 10 h do temperatury 1245°C, którą utrzymywano przez 100 h, a następnie chłodzenie prowadzono przez 30 h do 125°C, po czym pozostawiono do ochłodzenia do temperatury otoczenia. Bryła z kompozytu ceramicznego wyrosła w osłonie utworzonej przez cylinder ze stali nierdzewnej i rurkę Schedule 40 ze stopu Inconel umieszczonej w masie wypełniacza. Po ochłodzeniu stwierdzono, że osłona ze stopu Inconel była dopasowana wokół bryły z kompozytu ceramicznego. Po usunięciu zakrzepłego metalu macierzystego z otworu struktury ceramicznej przez wywiercenie i obróbkę chemiczną (kwas solny) otwór przebiegający poprzez tę strukturę został odsłonięty i odwzorowywał odwrotnie kształt gwintu śruby pierwotnej bryły źródła. Grubość bryły ceramicznej wynosząca w przybliżeniu 12,7 mm, była znacznie większa niż możliwa do wytworzenia przez samą bryłę źródła bez dołączenia bryły zbiornika.

Zamieszczone tabele odnoszą się do opisu przykładów przedmiotowego wynalazku. Tabela A (A) Mieszaninę do odlewania z gęstwy do stosowania w formach gipsowych jak opisano powyżej można przygotować przez zmieszanie następujących składników w podanej proporcji:

Części wagowe

47.6 tlenek glinowy E67 ziarno 100 (Norton Co.)

23.6 glinka kaolinowa EPK

28,5 woda

0,1 Vee-Gum Cer

0,2 Dawan-7

Vee-Gum Cer i Dawan-7 są to dyspergator^’ dla glinki kaolinowej.

(B) Miesza ninę do odlewania sedymentacyjaego można przygotować przez zmieszanie spoiwa wodnego zawierającego 10 części objętościowych wody i 1 część objętościową kleju lateksowego (klej stolarski) sprzedawanego pod nazwą handlową ELMERS przez firmę Bordon Company.

Takie spoiwo wodne miesza się następnie z cząstkami wybranego wypełniacza w takich proporcjach aby uzyskać żądaną konsystencję wynikowej zawiesiny.

155 540 (C) Formy z kauczuku silil^(^i^ow<^e^o RTV przygotowywano przez powlekanie części, ciekłą mieszaniną kauczukową, pozostawienie kauczuku do zestalenia 1 następnie zdjęcie formy gumowej z wyrobu.

Tabela B

Skład stopu metalu macierzystego na bazie aluminium: 5% krzem, 4% miedź, 1% magnez, 4% cynk, 1% żelazo, reszta aluminium.

Tabela C

Skład stopu metalu macierzystego na bazie aluminium (nominalny); 3,7% cynk, 3,9% miedź, 1,1% żelazo, 8,3% krzem, 0,1% magnez, 0,04% nikiel, 0,02% cyna, 0,04% chrom, 0,20% mangan, 0,08% tytan, reszta aluminium.

Przykładu. Formę wstępną o kształcie formy wstępnej 44 z fig. 3 odlano sedymentacyjnie w formie kauczukowej przygotowanej jak opisano w tabeli A, etap (C) z miniaturowego tłoka. W mieszaninie do odlewania sedymentacyjnego zastosowano wodne spoiwo według tabeli A, etap (B) z następującymi wypełniaczami:

Części wagowe

93 38 Alundum (70 części wagowych ziarno 220,

50 części wagowych ziarno 500)

7 metaliczny krzem (50 części wagowych ziarno 220,

30 części wagowych ziarno 500)

Nadmiar spoiwa ziano z formy i formę zamrożono, aby umożliwić wyjęcie odlanego wypełniacza, który następnie pozostawiono do wysuszenia. Wysuszony wypełniacz wypalono wstępnie w temperaturze 1300°C w powietrzu przez 3 godziny. Uzyskaną w wyniku przepuszczalną formę wstępną pokryto na powierzchniach jej wydrążonej części (44c na fig. 3) zawiesiną proszku niklowego. Zewnętrzną stronę formy wstępnej pokryto warstwą gipsu modelarskiego przepuszczalną dla powietrza. Bryłę z metalu macierzystego na bazie aluminium o składzie zasadniczo takim jak podano w tabeli B umieszczono w zestawie z formą wstępną, jak pokazano na fig. 3 i wypalano w atmosferze powietrznej przy temperaturze 1000°C przez 40 h. Nadmiar roztopionego aluminium zlano z uzyskanej w wyniku struktury z kompozytu ceramicznego, która była dokładnie zwymiarowanym miniaturowym tłokiem z kompozytu ceramicznego.

Przykład III. Przepuszczalną formę wstępną o kształcie formy wstępnej 56 z fig. 5 przygotowano sposobem według tabeli A, etapy (B) i (C) stosując taką samą mieszaninę do odlewania sedymentacyjnego z tym wyjątkiem, że zastosowano tylko 5 części wagowych proszku metalicznego krzemu. Formę wstępną pokryto na jej zewnętrznej powierzchni dwiema cienkimi warstwami materiału przegrodowego z gipsu modelarskiego przepuszczalnego dla powietrza taki sam stop aluminium jak w tabeli C zastosowano jako metal macierzysty w naczyniu (58 na fig. 5). Zestaw ten ogrzewano w atmosferze powietrza przez 68 h w temperaturze 1000°C, a uzyskana w wyniku struktura z kompozytu ceramicznego wykazywała dokładne wymiary i całkowitą infiltrację formy wstępnej przez osnowę ceramiczną.

P r z y k ł a d IV. Przygotowano pięć przepuszczalnych form wstępnych o kształcie pokazanym dla form wstępnych 126 na fig. 10, 11 i 12 przy zastosowaniu sposobu odlewania sedymentacyjnego według tabeli A.

Przygotowano zestaw przedstawiony na fig. 11 i 12. Korki 128 z gipsu modelarskiego nakładano na mostki ze sztywnego kartonu ułożone w poprzek koryta 120 w szczelinach pomiędzy formami wstępnymi 126. Zewnętrzną powierzchnię każdej formy 126 pokryto warstwą materiału przegrodowego z gipsu modelarskiego. W naczyniu 114 umieszczono bryłę ze stopu aluminium o składzie według tabeli C i zestaw ogrzewano w powietrzu przy temperaturze 1000°C. Po roztopieniu stopu aluminium stop ten przepłynął korytem 120 i dalej do góry w każdą z form wstępnych 126 powoli wypełniając te formy wstępne aż do wierzchołka, podczas gdy powietrze było wypierane poprzez porowate formy wstępne. Temperaturę taką utrzymywano przez 50 h, po czym zestaw rozmontowano i roztopione aluminium zlano z uzyskanych w wyniku tygli z kompozytu ceramicznego, po czym przez zastosowanie kwasu i/lub piaskowania usunięto zakrzepły nadmiar stopu aluminiowego z wnętrza tygli z kompozytu ceramicznego.

155 540

Przykład V. Sposób odlewania z gęstwy według tabeli A, etap (A) zastosowano dla przygotowania w formie gipsowej podobnej do przedstawionej na fig. 14 przepuszczalnej formy wstępnej przedstawionej na fig. 15 i 15A. Formę wstępną odlano z gęstwy wysuszono i wypalono pfzy temperaturze 700°C przez 30 minut. Zewnętrzną stronę formy wstępnej pokryto mieszaniną 70% wagowych gipsu i 30% wagowych SiO2 (dla materiałów w stanie suchym), aby uzyskać materiał przegrody. Wnętrze formy wstępnej ochłodzono zawiesiną proszku metaliczego krzemu, a następnie formę wstępną napełniono roztopionym stopem aluminium o składzie według tabeli C. Zestaw ogrzewano przy temperaturze 900°C przez 96 h z ciągłym uzupełnianiem stopu aluminium, aby utrzymać formę wstępną całkowicie wypełnioną roztopionym stopem aluminium. Po wyjęciu z pieca i ochłodzeniu otrzymano wypełniony metalem obłożony kompozytem ceramicznym wirnik pompy o dokładnych wymiarach.

Powierzchnia ceramiczna na podłożu metalowym wirnika pompy z przykładu 5 była typowa dla podłoży metalowych pokrytych ceramiką wytwarzanych według wynalazku i wykazywała ścisłe, integralne przywieranie pomiędzy zakrzepłym metalem macierzystym a powierzchnią ceramiczną wytworzoną integralnie z niego. Części wytworzone w przykładzie powyżej miały odporne powierzchnie z osnów ceramicznych obejmujących wypełniacz ściśle spojone z podłożem ze stopu aluminium, tak że części te miały wytrzymałość mechaniczną i sprężystość stopu aluminium i powierzchnię lub rdzeń z twardej powierzchni ceramicznej.

Chociaż powyżej opisano szczegółowo tylko kilka przykładowych rozwiązań wynalazku, fachowcy łatwo ocenią, że przedmiotowy wynalazek obejmuje wiele kombinacji i odmian innych niż te przedstawione przykładowo.