PT88228B - Processo para a fabricacao de produtos compositos ceramicos e produtos assim obtidos - Google Patents

Description

LANXIDE TECHNILOGY COMPANY, EP

Processo para a fabricação de produtos corapósi· tos cerâmicos e produtos assim obtidos

Campo da invenção

A presente invenção refere-se de um modo geral a um corpo cerâmico compósito auto-suportado tendo um certo número de elementos de parede espaçados, cada um com uma secção transversal delimitada e definindo passagens de fluido, e a processos de fabricação do mesmo. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um corpo cerâmico compósito auto-suportado compreendendo uma matriz cerâmica policristalina incluída num material de enchimento e tendo um certo número de elementos de parede espaçados, alinhados axialmente, tendo, cada uma, uma secção transversal delimitada que, de um modo geral, reproduz inversamente, em sentidos opostos, a geometria de um padrão /V com cavidades de metal original; e a processos de fabricaçao do corpo compósito pela infiltração de leitos de material de enchimento com o produto da reacção de oxidação de um metal original pré modelado como um padrão em positivo e reproduzido inversamente em sentidos opostos para formar elementos de paredes espaçadas definindo passagens de fluido.

Descrição de pedidos de patente do mesmo proprietário _ jÇpjidamentos da invenção___________________ objecto do presente pedido de patente está relacionado com o do pedido de patente americano copendente eâomesmo projriétário

Ν2 819 597, depositado era 17 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado Produtos cerâmicos compósitos e processos de fabricação dos mesmos. Este pedido de patente copendente apresenta um novo processo para a produção de um compósito cerâmico auto-suportado por desenvolvimento de um produto da reacção de oxidação de um metal original no interior de uma massa permeável de material de enchimento. 0 compósito resultante, não tem no entanto qualquer configuração definida ou pré-determinada.

processo de crescimento de um produto cerâmico por uma reacção de oxidação é apresentado de um modo genérico no pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário, N2 818 94-3, depositado em 15 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado Novos materiais cerâmicos e processos de fabricaçao dos mesmos. Esse pedido de patente apresenta o processo de produção de corpos cerâmicos auto-suportados desenvolvidos como produto da reacção de oxidação de um metal original como precursor. Metal original fundido reage com um oxidante em fase de vapor, para formar um produto da reacção de oxidação e o metal migra através do produto da reacção de oxidação no sentido do oxidante, desenvolvendo assim continuamente um corpo cerâmico policristalino do produto da reacção de oxidação. Tipicamente, nos corpos cerâmicos policristalinos os cristalitos do produto da reacção de oxidação estão interligados em mais de uma dimensão, de preferência em três dimensões. Quando o processo não é conduzido além do esgotamento do metal original, o corpo cerâmico obtido é denso e essencialmente sem espaços vazios. Quando se desejar,

o corpo cerâmico pode ser produzido tendo componentes metálicos e/ou porosidade, que podem estar ou não interligados. 0 processo pode ser melhorado pelo uso de um contaminante como componente de liga, tal como no caso de um metal original de alumínio oxidado em ar. Este processo foi aperfeiçoado pelo uso de contaminantes externos aplicados à superfície do metal precursor, como se descreve no pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário, N2 822 999» depositado em 27 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros intitulado Processos de fabricação de materiais cerâmicos auto-suportados”.

Outros desenvolvimentos dos processos precedentes permitem a formação de estruturas cerâmicas compósitas compreendendo uma matriz cerâmica policristalina que se inclui num material de enchimento e tendo uma ou mais cavidades formadas pela reprodução inversa, da geometria de um metal original precursor modelado. Estes processos são descritos (1) no pedido de patente americano do mesmo proprietário NS 823 542, depositado em 27 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros, intitulado Processo de reprodução inversa da forma de produtos cerâmicos compósitos,eprodutos obtidos pelo mesmo” e (2) no pedido de patente americano do mesmo proprietário, N2 896 147, depositado em 13 de Agosto de 1986 em nome de Marc S. Newkirk e intitulado Processo para a fabricação de produtos cerâmicos compósitos com superfícies com formas reproduzidas e produtos obtidos pelo mesmo”.

Também se desenvolveu um processo para a fabricação de estruturas cerâmicas compósitas tendo uma forma ou geometria

pré-selecionada pela utilização de um prê-molde modelado de material de enchimento permeável em cujo interior se desenvolve a matriz cerâmica por oxidação da massa de um metal original, como se descreve no pedido de patente americano do mesmo proprietário, Nfi 861 025, depositado em 8 de Maio de 1986, em nome de Marc S. Newkirk e outros e intitulado “Compósitos cerâmicos modelados e processos de fabricação dos mesmos. Conseguiu-se obter compósitos cerâmicos modelados apresentando alta fidelidade pela utilização de um meio de barreira para deter ou inibir o crescimento do produto da reacção de oxidação num limite seleccionado para definir a forma ou geometria da estrutura cerâmica compósita. Esta técnica é descrita no pedido de patente americano do mesmo proprietário, 861 024, depositado em 8 de Maio de 1986, em nome de Newkirk e outros intitulado Processo de fabricação de compósitos cerâmicos modelados com o uso de uma barreira.

As descrições completas de todos os pedidos de patente *

americanos do mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Um factor na utilização dos processos dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário atrás mencionados para produzir um corpo cerâmico compósito é que os materiais de enchimento empregados são permeáveis ao oxidante quando for necessário que o oxidante contacte o metal original fundido, e sendo ainda permeáveis à infiltração pelo produto da reacçao de oxidação em desenvolvimento no material de enchimento. As estruturas cerâmicas compósitas produzidas são geralmente um corpo cerâmico compósito integral, unitário, que pode ter

a configuração original de um pré-molde de material de enchimento ou pode incluir uma cavidade cujos limites e cuja geometria são determinados pela forma de um metal original pré-modelado.

A presente invenção é ainda um aperfeiçoamento para proporcionar um corpo cerâmico auto-suportado tendo elementos de parede espaçados, cada um com uma secção transversal delimitada, definindo passagens de fluido, sendo esse corpo cerâmico produzido pela reprodução inversa de um metal original modelado.

Sumário da Invenção;

Segundo a presente invenção, é proporcionado um processo para a produção de um corpo cerâmico compósito auto-suportado, tendo um certo número de elementos de parede espaçados, tendo cada elemento de parede uma secção transversal delimitada para definir passagens de fluido substancialmente contínuas. Os elementos de parede de um modo geral reproduzem inversamente em sentidos opostos a geometria de um padrão em positivo. Cada um dos elementos de parede, que estão alinhados axialmente, compreende uma matriz cerâmica tendo nela incluído um material de enchimento, e é obtida pela reacção de oxidação de um metal original para formar um material policristalino constituído essencialmente pelo produto da reacção de oxidação do metal original com um oxidante e, optativamente, um ou mais metais, por exemplo constituintes não oxidados do metal original. 0 processo Gompreende as seguintes fases: modela-se o metal original para proporcionar um padrão cilíndrico (como adiante se

define) tendo pelo menos uma cavidade aberta ou orifício, formando assim superfícies de paredes opostas, isto é, a parede interna e a parede externa da cavidade. A espessura da parede, que é pré-determinada na modelação do padrão de metal, determina o espaço entre os elementos de paredes no produto final.

material de enchimento é justaposto em ambas as superfícies de paredes do padrão cilíndrico. Os leitos de material de enchimento podem estar sobre toda a superfície de cada parede ou apenas sobre uma porção ou área pré-determinada, e a área coberta determinará a área dos elementos de paredes do produto compósito final. 0 material de enchimento (1) é permeável ao oxidante, quando for necessário, como no caso de o oxidante ser um oxidante em fase de vapor e, em todos os casos, é permeável à infiltração pelo produto da reacção de oxidação em desenvolvimento; e (2) tem conformabilidade suficiente no intervalo de temperaturas de aquecimento, para compensar a dilataçao térmica diferencial entre o leito de material de enchimento e o metal original mais a variação de volume no ponto de fusão do metal. Todos os leitos de material de enchimento, pelo menos nas zonas de suporte dispostas para dentro em relação à parede da cavidade e para fora em relação à parede externa, de modo a envolver o padrão, são intrinsecamente auto-ligantes acima de uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal original mas inferior e de preferência muito próxima da temperatura da reacção de oxidação, de modo que os leitos de material de enchimento têm força coesiva suficiente para manter a geometria inversamente reproduzida do padrão no interior dos leitos por migração do metal original, como adiante

se descreve.

metal original modelado com os leitos justapostos é aquecido até uma gama de temperaturas acima do seu ponto de fusão mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal original fundido e o metal original fundido reage naquela gama ou intervalo de temperaturas com o oxidante, para formar o produto da reacção de oxidação. Pelo menos uma porção do produto da reacção de oxidaçao é mantida naquela gama de temperaturas e em contacto com e entre o corpo de metal original fundido e o oxidante, de modo que se transporta metal fundido progressivamente do corpo de metal fundido através do produto da reacção de oxidação para continuar a formação do produto da reacçao de oxidação na interface entre o oxidante e o produto da reacção de oxidaçao formado anteriormente. Esta reacção continua naquela gama de temperatura por um tempo suficiente para pelo menos parcialmente se infiltrar ambos os leitos com o produto da reacção de oxidaçao pelo desenvolvimento deste último, formando simultaneamente elementos de parede espaçados, tendo cada um, uma secção transversal delimitada e deixando uma passagem ou canal definido entre elas anteriormente ocupado pelo metal e uma passagem ou canal central delimitado pelo elemento de parede interno. Isto é, desenvolve-se produto da reacção de oxidação em sentidos opostos nos leitos e a migração e a conversão do metal dá como resultado a formação de uma matriz cerâmica que reproduz inversamente, em sentidos opostos, a porção adjacente do padrão de metal, formando assim passagens de fluido. A passagem de fluido entre os elementos de parede

é a imagem da parede do metal original. 0 corpo compósito auto-suportado resultante é separado do material de enchimento em excesso, se o houver, e o produto recuperado compreende um corpo cerâmico compósito cilíndrico de paredes múltiplas com uma passagem longitudinal entre os elementos de parede e a passagem de fluido central. Os elementos de parede ficam alinhados axialmente e de preferência alinhados coaxialmente de modo que as paredes são substancialmente concêntricas.

Num outro aspecto da invenção, proporcionam-se . meios para suportar os elementos de parede, impedindo o seu colapso e para manterem as paredes espaçadas. Numa forma de realização, os meios de suporte são formados integralmente com o corpo cerâmico coipósito, proporcionando uma ou mais aberturas ou orifícios no padrão e enchendo as aberturas com material de enchimento. Durante o processamento, o produto da reacção de oxidação desenvolve-se como uma matriz no interior deste material de enchimento, bem como no interior dos leitos de material de enchimento adjacentes às paredes, formando assim nervuras de ligação cerâmicas entre os elementos de parede. Numa outra forma de realizaçao que utiliza um padrão de metal original de dois ou mais cilindros, pode incorporar-se um meio de suporte entre os cilindros, sendo os meios de suporte, com a formação do corpo cerâmico compósito, ligado no seu lugar pelo produto da reacção de oxidação, ligando assim e mantendo os cilindros cerâmicos espaçados.

Definições

Tal como são usados nesta memória descritiva e nas rei-

vindicaçoes anexas, os termos seguintes são definidos como segue:

Cerâmica não deve ser indevidamente entendido como estando limitado a um corpo cerâmico no sentido clássico, isto é, no sentido de que ele consiste inteiramente em materiais não metálicos e inorgânicos, mas sim, refere-se a um corpo que ê predominantemente cerâmico relativamente à composição ou às propriedades dominantes, embora o corpo possa conter quantidades mínimas ou substanciais de um ou mais constituintes metálicos derivados do metal original, ou reduzidos do oxidante ou do contaminante, o mais tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 1-40%, em volume, mas podendo incluir ainda mais metal.

Produto da reacção de oxidação de um modo geral significa um ou mais metais em qualquer estado de oxidação no qual o metal forneceu electrões, a, ou compartilhou electrões com outro elemento, composto ou combinação dos mesmos. Consequentemente, um produto da reacçao de oxidação, de acordo com esta definição inclui o produto da reacção de um ou mais metais com um oxidante, como aqui se descreve.

Oxidante significa um ou mais aceitadores de electrões ou compartilhadores de electrões apropriados, podendo ser um elemento, uma combinação de elementos, um composto ou uma combinação de compostos, incluindo compostos redutíveis e sendo um sólido, um liquido ou um gás (vapor) ou qualquer combinação destes (por exemplo, um sólido e um gás), nas condições do processo.

Metal original refere-se ao metal, por exemplo o alu10 /

mínio, que ê o precursor para o produto da reacção de oxida- ^Λ ção policristalino e incluino aquele metal como um metal relativamente puro, o metal comercialmente disponível com impurezas e/ou constituintes de liga ou uma liga em que aquele metal precursor é o constituinte principal; e, quando um metal especificado é mencionado como metal original, por exemplo o alumínio, o metal original deve ser entendido tendo esta definição em mente, a menos indicado de outro modo pelo contexto.

“Parede cilíndrica” ou elemento de parede cilíndrica não deve ser indevidamente entendido como sendo limitado a uma parede cuja forma em secção transversal define um círculo, mas sim refere-se a qualquer parede cuja secção transversal pode ser de qualquer forma delimitada adequada, tal como circular, elíptica, triangular, rectangular ou qualquer outra secção transversal poligonal (por exemplo, pentagonal, octogonal, etc). Alêm disso, o termo inclui paredes cujas superfícies não são somente planas e lisas, mas também paredes tendo qualquer tipo ou forma de ondulações, tais como serrilhadas, sinusoidais, onduladas ou semelhantes.

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Breve descrição dos desenhos

A fig. 1 é uma vista horizontal de um padrão de um metal original modelado como uma conduta cilíndrica, tendo um certo número de furos que se estendem transversalmente através da parede do cilindro;

A fig. 2 é uma vista em corte pela linha (2-2) da fig. 1 com material de enchimento no seu lugar;

A fig. 3 ê uma vista horizontal do metal original mode- 11 · lado que ilustra uma forma de realizaçao alternativa;

A fig· 4 é uma vista do topo do metal original modelado da fig. $ com material de enchimento no seu lugar;

A fig. 5 é uma vista longitudinal em corte transversal mostrando um conjunto de um padrão de metal original modelado da fig. 1, enterrado num leito de material de enchimento em partículas e contido dentro de um vaso refractário;

A fig. 6 é uma vista parcial, em corte e ampliada de uma área de uma fenda do metal original modelado da fig. 5» mostrando a zona de suporte no material de enchimento;

A fig. 7 é uma vista horizontal de um corpo compósito cerâmico auto-suportado fabricado segundo a presente invenção usando o padrão do metal original da fig. 1;

A fig. 8 é uma vista de topo do corpo cerâmico compósito auto-suportado da fig. 7;

A fig. 9 é uma vista de topo de um padrão de um metal original modelado com duas condutas cilíndricas dispostas concentricamente, tendo cada conduta um certo número de orifícios que se estendem transversalmente através da parede de cada um dos cilindros;

A fig. 10 é uma vista de topo de um corpo cerâmico auto-suportado fabricado segundo a presente invenção, usando o padrão do metal original da fig. 9;

A fig. 11 é uma vista em corte transversal de um padrão de metal original utilizável na produção de um compósito cerâmico, numa forma de realizaçao alternativa; e

A fig. 12 é uma vista de um corpo cerâmico auto-suportado, feito de acordo com a presente invenção, usando o padrão do metal original da fig. 11;

Descrição pormenorizada da invenção e suas formas de realização preferidas

Na prática da presente invenção, o metal original é proporcionado na forma de um padrão ou molde tendo pelo menos um orifício, cavidade, canal ou semelhante que se estende axialmente, o qual é aberto pelo menos numa extremidade. Seguindo o processo segundo a presente invenção, o padrão do metal original é reproduzido inversamente em sentidos opostos, para produzir um corpo cerâmico compósito auto-suportado, compreendendo um certo número de paredes espaçadas, tendo cada uma uma secção transversal delimitada. A presente invenção evita as fases de produzir separadamente corpos cilíndricos que são depois colocados concentricamente e interligados. A expressão reproduzido inversamente” significa que o espaço formado entre as paredes no produto é definido pelas superfícies opostas de paredes cerâmicas adjacentes, que são substancialmente congruentes da forma original do metal original. Isto é, se o metal original como padrão compreender uma conduta cilíndrica com uma secção transversal circular, o espaço formado entre os elementos de parede do produto cerâmico terá substancialmente uma largura igual à espessura da parede do cilindro e terá a secção transversal circular como reprodução em negativo da geometria do padrão.

padrão de metal original pode ser modelado por qualquer meio apropriado, desde que ele contenha pelo menos um orifício ou cavidade aberta, de preferência estendendo-se longitudinalmente através do metal original modelado, por exemplo uma conduta cilíndriea. Por exemplo, um pedaço de metal, tal

-,13 como um tubo, um cano ou qualquer outra conduta tendo um orifício longitudinal que se estende através de todo ele, formando assim um cilindro, pode ser adequadamente maquinado,wsdo, moldado, extrudido ou modelado de outro modo para proporcionar um padrão modelado. 0 metal original como padrão pode ter ranhuras, orifícios, aberturas, cavidades, bossas, flanges ou semelhantes, para proporcionar um padrão para formar um meio de suporte para o compósito cerâmico, como mais adiante se explica com mais pormenores. 0 padrão de metal original pode ter qualquer secção transversal delimitada adequada, desde a circular à poligonal, como atrás âe definiu. Independentemente da forma do metal original, o material de enchimento é justaposto nas superfícies das paredes do padrão, que incluem a cavidade ou parede interna e a parede externa e, de preferência, as superfícies das paredes são paralelas, proporcionando assim uma passagem de fluido de secção transversal substancialmente uniforme. Ê adequado encher a cavidade com material de enchimento amoldável, que é depois enterrado num outro leito amoldável de material de enchimento contido num cadinho ou vaso adequado. Os dois materiais de enchimento podenser de composições, qualidades, purezas ou estruturas iguais ou diferentes. 0 padrão define assim uma eavidade modelada no interior dos leitos amoldáveis de material de enchimento e ocupa a cavidade modelada no interior desta massa de material de enchimento. Quando o metal original que ocupa o espaço finâlmente funde, se oxida e migra para fora do espaço preenchido, desenvolve-se um certo número de paredes cerâmicas de secção transversal limitada e alinhadas axialmente, em sentidos opostos, formando assim um espaço com limites dentro do corpo com- 14 / pósito cerâmico resultante, que são substancialmente congruentes com a forma do padrão de metal original. Assim, a espessura de parede do padrão de metal original pode determinar a largura da secção transversal do espaço entre os elementos de parede. 0 produto cerâmico compósito resultante possui substancialmente a configuração geométrica do padrão original, ajustado para as variações diferenciais de volume devidas à dilatação térmica e no ponto de fusão do metal original duranff te o processamento, em relaçao ao corpo compósito formado e arrefecido. Assim, num dos seus aspectos, a presente invenção proporciona a vantagem de fabricar um corpo cerâmico de geometria complicada, maquinando um padrão de metal, em vez de maquinar uma cerâmica a modelar, o que é mais dificil e mais caro.

Embora a invenção seja descrita no seguimento em pormenor com referência específica ao alumínio como metal original preferido, outros metais originais adequados que satisfazem os critérios da presente invenção incluem, mas não estão limitados aos mesmos, o silício, o titânio, o estanho, o zircónio e o háfnio.

Na prática do processo da presente invenção, o conjunto de metal original, como padrão, e os leitos de material de enchimento é aquecido num ambiente oxidante até uma temperatura acima do ponto de fusão do metal mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, dando como resultado um corpo ou massa de metal fundido. Em contacto com o oxidante, o metal fundido reagirá para formar uma camada de produto da reacção de oxidação. Pela exposição continuada ao meio oxidante, dentro de uma gama de temperaturas apropriada, o metal fundido

restante ê progressivamente transportado para dentro e através do produto da reacção de oxidação, no sentido do oxidante e para o interior dos leitos de material de enchimento e aí, em contacto com o oxidante, forma o. produto, da reacção de oxidação adicional. Pelo menos uma porção do produto da reacção de oxidação é mantida em contacto com e entre o metal original fundido e/ou o oxidante, de modo a provocar o desenvolvimento contínuo do produto da reacção de oxidação policristalino nos leitos de material de enchimento, infiltrando e introduzindo-se assim no material de enchimento dentro do produto da reacção de oxidação policristalino. 0 material da matriz polieristalino continua a desenvolver-se enquanto se mantiverem as condições adequadas da reacção de oxidação e se mantiver qualquer porção do corpo de metal original não oxidado.

processo continua até que o produto da reacção de oxidação se tenha infiltrado e introduzido a quantidade desejada de leitos de material de enchimento. 0 produto compósito cerâmico resultante inclui material de enchimento no qual se introduziu uma matriz cerâmica compreendendo um produto da reacção de oxidação policristalino e, optativamente, um ou mais constituintes não oxidados do metal original, constituintes reduzidos do oxidante sólido ou líquido, de constituintes contaminantes, ou espaços vazios, ou uma combinação dos mesmos. Tipicamente, nestas matrizes cerâmicas policristalinas, os cristalitos do produto da reacção de oxidação estão interligados em mais de uma dimensão, de preferência em tres dimensões, e as inclusões de metal ou os espaços vazios podem estar parcialmente interligadas. Quando o processo não é conduzido para além do esgotamento do metal original, o compósito cerâmico

obtido é relativamente denso e substancialmente sem espaços vazios. Quando o processo é levado até ao fim, isto.'é, quando se tiver oxidado tanto metal quanto o desejado ou o possível nas condiçoes do processo, ter-se-ão formado, poros no lugar a

do metal interligado no compósito cerâmico. 0 produto compósito cerâmico resultante segundo a presente invenção compreende um certo número de paredes cilíndricas espaçadas, alinhadas axialmente, reproduzindo inversamente de um modo geral, em sentido oposto, a configuração geométrica do padrão de metal original, ajustada relativamente às variações de volume diferenciais devidas à dilatação térmica do metal original durante o processamento e ao ponto de fusão, em relação ao corpo compósito modelado e arrefecido. Numa forma de realização preferida, os elementos de parede ficam alinhados coaxialmente e o produto cerâmico compreende um canal central de fluido e um ou mais canais de fluido dispostos concentricamente. Um produto deste tipo e com esta estrutura serâ particularmente utilizávelcomoum permutador de calor.

Fazendo referência em pormenor aos desenhos, nos quais os mesmos números de referência indicam peças similares em todas as várias vistas, as fig. 1 e 2 são vistas em perspectiva de um padrão de metal original com cavidades, globalmente com a referência (10), modelado com a forma de uma conduta cilíndrica ou cilindro, tendo uma parede (12) e um orifício central (14) estendendo-se axialmente através da mesma. A c.onduta cilíndrica (12) na fig. 1 tem um certo número de orifícios (16) estendendo-se transversalmente através da parede (12) do cilindro (10). Na forma de realização representada nas fig. 5 θ 4, a conduta cilíndrica tem um certo número de fendas alongadas (18), estendendo-se longitudinalmente através de quase uma porção completa da parede (12) do cilindro. Nestas formas de realização, cada um dos orifícios (16) e (18) é dotado com um material de enchimento (20), como se ilustra nas fig. 2 e 4·. Outro leito de material de enchimento (22), do mesmo material ou de material diferente do material (20), está disposto dentro de cada orifício central (14-); mas, se se desejar, a parede interna de cada cilindro pode ser revestida com um leito de espessura pré-determinada, de modo a preencher apenas uma porção do orifício e o limite mais interior do leito está dotado de uma barreira adequada para inibir o crescimento (não representada) e descrita mais adiante com mais pormenor. Também, se um orifício tiver uma relaçao entre o comprimento e o diâmetro com um valor elevado, um oxidante gasoso pode não atravessar facilmente os poros do leito durante o processo, deixando assim o leito solto e, nesse caso, pode ser benéfico proporcionar o leito com um oxidante líquido ou sólido, como adiante se explica com mais pormenor. Numa forma de realização preferida da presente invenção, os leitos (20) e (22) de preferência compreendem ou contêm um material de enchimento sinterizável ou auto-ligável, ou um agente de ligação ou de sinterização, como adiante se explica, cuja extensão ou extremidade a partir do modelo (10) está representada a tracejado em (21), como se representa na fig. 6. Deve compreender-se que essa zona auto-ligável pode compreender apenas uma porção do leito ou substancialmente todo o leito e, além disso, o material de enehimento pode ser intrinsecamente auto-ligável, ou devido a uma propriedade inerente do material de enehimento ou porque pode incorporar-se um material adequado no leito para proporcionar uma liga18

çao suficiente. Gomo se ilustra na fig. 5, apenas a título de exemplo, as paredes terminais marginais do metal original (10) estão providas de uma barreira adequada (25) descrita mais adiante em pormenor, estando então o metal original enterrado no interior de um leito de material de enchimento em partículas (24) contido num vaso refractário (25), tal como um vaso de alumina. Os leitos de material de enchimento (20), (22) e (24) podem ser iguais ou diferentes no que respeita à composição, à pureza ou ao tipo.

Aquecendo o conjunto da fig. 5 até uma temperatura suficientemente alta para fundir o metal original, o oxidante, tal como um oxidante em fase vapor, que atravessa os poros dos leitos e contacta o metal fundido, oxida o metal fundido e o produto da reacção de oxidação em crescimento resultante infiltra-se nos leitos (20} (22) e (24). 0 meio de barreira (25) inibe o crescimento do produto da reacção de oxidação a partir das paredes terminais do padrão. Por exemplo, quando o metal original é um metal original de alumínio e o ar é o oxidante, a temperatura da reacção de oxidação pode ser de 690°0 a cerca de 1450°0, de preferência de cerca de 900°G a cerca de 155O°C, e o produto da reacçao de oxidação é tipicamente alfa-alumina.

metal fundido migra através da camada em formaçao do produto da reacção de oxidação a partir do volume- anteriormente ocupado pelo padrão (10), donde pode resultar uma diminuição da pressão dentro daquele volume, devido à impermeabilidade à atmosfera circundante da película em crescimento do produto da reacção de oxidação e uma pressão positiva actuando na película que se comporta como um recipiente do produto da reacção de oxidaçao. Contudo, os leitos de material de enchimento (20),

(22) e (24) ( ou as suas zonas de suporte) podem ser intrinsecamente auto-ligáveis a uma temperatura de auto-ligação ou superior à mesma, que ê superior ao ponto de fusão do metal original e próxima da, mas inferior à temperatura da reacção de oxidação. Assim, depois de serem aquecidos até à sua temperatura de auto-ligação, mas não antes, os leitos de material de enchimento (20), (22) e (24), ou as suas zonas de suporte, sinterizam-se ou ligam-se de outro modo e fixam-se ao produto da reacção de oxidação em desenvolvimento, suficientemente para proporcionar uma resistência suficiente aos leitos, isto é, às respectivas zonas de suporte, para resistir ao diferencial de pressão, e manter assim dentro de cada leito de material de enchimento a geometria das paredes cilíndricas e a cavidade preenchida nelas formada, pela conformação dos leitos à forma do padrão (10). Gomo se descreve em pormenor mais adiante, se os materiais de enchimento forem auto-ligáveis significativamente antes de ter terminado a dilatação do metal original pelo seu aquecimento e a sua fusão; os materiais de enchimento auto-ligados sofrerão uma fissuração ou rotura pela dilataçao do metal. Numa forma de realização na qual apenas uma zona de suporte dos materiais de enchimento contém ou compreende um material de enchimento sinterizável ou auto-ligável ou um agente de sinterização ou ligação, as linhas a tracejado (21) na fig. 6 indicam a extensão da zona de suporte nos leitos. Enquanto a reacção continua, a cavidade dentro dos leitos (20), (22) e (24) anteriormente preenchida pelo padrão (10) é substancial e inteiramente evacuada pela migração de metal original fundido através do produto da reacção de oxidação para a superfície externa do mesmo, onde contacta com o oxidante em

fase vapor e é oxidada para formar produto da reacção de oxidação adicional. 0 produto da reacção de oxidação compreende um material cerâmico policristalino, que pode conter inclusões de constituintes de metal original, bem como constituintes reduzidos do contaminante e do oxidante sólido ou líquido, se for usado, conforme as condições do processo e os reagentes. Completada a reacção e a evacuação do volume anteriormente ocupado pelo padrão (10), deixa-se arrefecer o conjunto para fornecer o compósito cerâmico resultante, com a referência global (26) nas fig. ? e 8.

compósito resultante (26) compreende cilindros concêntricos (28) e (30)» tendo uma passagem central (29) e uma passagem circundante (31)· Os dois cilindros são suportados a certa distância mútua por um certo número de raios ou nervuras (32) dispostas radialmente (ver a fig. 8), que são formadas in situ e integralmente com os cilindros concêntricos do compósito (26). 0 material de enchimento em excesso, se o houver, é separado do corpo compósito, por exemplo por um jacto de areia, por vibração, por limpeza num cilindro rotativo, por rectificação ou outro processo semelhante. Uma técnica económica consiste em empregar um jacto abrasivo de partículas de um material adequado como material de enchimento ou como componente do material de enchimento, de modo que o material de enchimento removido e o abrasivo possam ser reutilizados como material de enchimento numa operação subsequente. Embora o material de enchimento possa ser autó-ligado durante o processo, o grau de resistência desse material de enchimento auto-ligado ê tipicamente muito menor do que a resistência do compósito resultante, sendo portanto possível remover o material de enchimento auto-21 -

-ligado em excesso por meio de um jacto abrasivo sem qualquer dano significativo no corpo compósito (26). As superfícies dos produtos compósitos resultantes podem ser rectifieadas, ou maquinadas ou modeladas de outro modo até obter quaisquer dimensões, forma ou acabamento desejados, consistentes com as dimensões e a forma das passagens nelas formadas.

Deve notar-se que o padrão (10), modelado com a forma de uma conduta cilíndrica (12) produz dois cilindros dispostos concentricamente, tais como os cilindros (28) e (50). Assim, durante o processo da reacção de oxidação a matriz cerâmica desenvolve-se lateralmente nos dois sentidos, isto ê, (a) para dentro a partir da superfície de parede do metal original para o interior cavidade ou orifício central e (b) para fora a partir da superfície de parede externa do metal original, para produzir o cilindro interno (28) e o cilindro externo (30), bem como elementos de suporte (32).

padrão de metal original pode ser configurado ou estruturado para produzir mais de dois cilindros. Por exemplo, um padrão de metal original, com a referência global (36) na fig. 9, pode ser modelado com a forma de dois cilindros de metal concêntricos (38) e (40) tendo cada um orifícios transversais (42) e (44). As nervuras longitudinais (45), de preferência de uma cerâmica tal como alumina, que podem ser feitas de acordo com os pedidos de patente do mesmo proprietário, são inseridas entre os cilindros de metal (38) e (40). 0 padrao é enterrado num material de enchimento apropriado contido num vaso refractário, semelhante ao representado na fig. 5» âe modo que os leitos de material de enchimento ficam dispostos no orifício central do cilindro interno (38), entre os cilin- 22 -

dros e circundando o cilindro externo, e nos orifícios (42) e (44)· Durante o processo da reacção de oxidação, a parede cilíndrica do padrão cilíndrico interno (58) forma produto da reacçao de oxidaçao em sentidos opostos para produzir duas paredes cerâmicas cilíndricas internas (46) e (48) suportadas concêntrica e espaçadamente por um certo número de raios ou nervuras (50) (ver a fig. 10) resultantes do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação como uma matriz no interior do material de enchimento que foi colocado nos furos transversais (42). Analogamente, a parede cilíndrica do padrão cilíndrico externo (40) forma produto da reacção de oxidação em sentidos opostos durante o processo da reacção de oxidação para formar paredes cerâmicas cilíndricas externas (52) e (54), que são suportadas concêntrica e espaçadamente por um certo número de raios (55) resultantes do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação como uma matriz no interior do material de enchimento que foi colocado nos furos transversais (44). 0 produto da reacção de oxidação desenvolvido pelo crescimento das paredes cerâmicas formar-se-á nas bases das nervuras longitudinais (45), fixando assim estas nervuras no seu lugar e suportando os elementos de parede espaçados (48) e (52). 0 compósito resultante tem uma passagem de fluido central (51) e passagens circundantes ou concêntricas (53), (57) ® (59).

Gomo outra forma de realização, um padrão de metal original, com a referência global (60) na fig 11, pode ser modelado de modo que, quando enterrado no material de enchimento (24) contido no vaso 25, como na fig. 5» um padrão cilíndrico interno (61) de metal original é circundado por e está colocado concentricamente com um padrão cilíndrico externo (62)

de metal original. 0 padrão cilíndrico interno (61) contém um certo número de furos transversais (64). Também, a parede externa do padrão cilíndrico (62) é circundada por um meio de barreira (66) que inibe, interfere ou interrompe o crescimento ou desenvolvimento do produto da reacção de oxidação, como se explica mais em pormenor adiante. Tal como para as outras formas de realização, um material de enchimento adequado, que pode incluir uma ou mais zonas de suporte, é posicionado ou colocado dentro do furo central do cilindro (62) e entre o molde cilíndrico interno (61) e o molde cilíndrico externo (62), bem como dentro dos furos transversais (64). Em consequência do processo da reacção de oxidação, a parede cilíndrica do molde cilíndrico interno (61) desenvolve produto da reacção de oxidação em sentidos opostos, formando duas paredes cerâmicas cilíndricas internas (68) e (70) que são suportadas concêntrica e espaçadamente por um certo número de nervuras ou raios (72) resultantes do crescimento do produto da reacçao de oxidação sob a forma de uma matriz cerâmica no interior do material de enchimento que foi previamente colocado dentro dos furos transversais (64)· 0 meio de barreira (66) impede a parede cilíndrica do padrão cilíndrico externo (62) de crescer ou desenvolver produto da reacção de oxidação no sentido de dentro para fora. Assim, o padrão cilíndrico (62) produz uma parede externa compósita de cerâmica cilíndrica e integral (74), durante o processo da reacção de oxidação pelo crescimento do produto da reacção de oxidação para o interior do material de enchimento. Uma ou mais hastes ou nervuras (76.), tal como uma nervura cerâmica, podem ser dispostas entre as paredes cilíndricas, como se descreveu com referência às formas

de realização das fig· 9 e 10. 0 compósito cerâmico compreende uma passagem central de fluido (78) e passagens concêntricas (80) e (82). Assim, pela prática da presente invenção pode produzir-se um produto compósito cerâmico com duas ou mais paredes cilíndricas variando o desenho do metal original com cavidades e pelo uso de um meio de barreira.

Escolhendo um material de enchimento apropriado e mantendo as condições da reacção de oxidação durante um tempo suficiente para evacuar substancialraente todo o metal original fundido da cavidade preenchida inicialmente ocupada pelo padrão, obtêm-se uma reprodução inversa da geometria do padrão (incluindo quaisquer orifícios, aberturas ou semelhantes). Embora a forma ilustrada nos desenhos (e, portanto, de quaisquer paredes cilíndricas e espaços formados) seja relativamente simples, podem formar-se cavidades e outros espaços dentro do composto cerâmico que reproduzem inversamente com fidelidade as formas dos padrões de geometria muito mais complexa.

material de enchimento, que é amoldável ao padrão, utilizado na prática da presente invenção pode ser um ou mais de uma ampla variedade de materiais adequados para esse fim. Tal como é usado aqui e nas reivindicações, o termo amoldável ”, quando aplicado ao material de enchimento, significa que o material de enchimento é um material que pode ser acondicionado em volta, colocado contra ou enrolado em torno de um padrão e que se amoldará à geometria do padrão enterrado no material de enchimento. Por exemplo, se o material de enchimento incluir um material em partículas, tal como grãos finos de um óxido metálico refractário, o padrão é infiltrado pelo material de enchimento de modo que o padrão define uma

cavidade cheia (preenchida ou ocupada pelo padrão). Contudo, o material de enchimento não precisa ter a forma de partícula, podendo sim incluir, por exemplo, fibras, filamentos, pós ou semelhantes. 0 material de enchimento também pode compreender uma combinação heterogénea ou homogénea de dois ou mais desses componentes ou configurações geométricas, por exemplo uma combinação de pequenos grãos em partículas e filamentos.

A configuração física do material de enchimento deve permitir que o padrão de metal original seja enterrado numa massa de material de enchimento, amoldando-se o material de enchimento estreitamente às superfícies do padrão. 0 padrão de metal original e, aqui e nas reivindicações, designado por padrão porque o espaço finalmente formado no compósito é o negativo da geometria do padrão. Assim, o padrão, inicialmente forma ou ocupa um espaço preenchido no interior de ou entre os leitos de material de enchimento amoldável, sendo o espaço inicialmente modelado e preenchido pelo padrão. Os materiais de enchimento adequados incluem, por exemplo, óxidos, carbonetos, nitretos e boretos, tais como a alumina, o óxido de ziróónio, boreto de titânio, o carboneto de silício, o nitreto de alumínio e o nitreto de titânio, ou compostos de óxidos metálicos binários, ternários ou de ordem mais elevada, tais como as espinelas, por exemplo, a espinela de aluminato de magnésio.

material de enchimento amoldável utilizável na prática da presente invenção é um material que, nas condições da reacção de oxidação da presente invenção, como adiante se descreve, é permeável à passagem através do mesmo do oxidante, quando este último for um oxidante em fase de vapor. Em qualquer caso, o material de enchimento também é permeável ao

crescimento ou desenvolvimento através de si do produto da reacção de oxidação. Durante a reacção de oxidação, parece que o metal original fundido migra através do produto da reacção de oxidação em formação, para sustentar a reacção. Este produto da reacção de oxidação é geralmente impermeável à atmosfera circundante e, portanto, a atmosfera do forno, por exemplo ar, não pode passar através dele. Gomo se explica no pedido de patente do mesmo proprietário NR 825 542, atrás referido, a impermeabilidade do produto da reacção de oxidação em desenvolvimento à atmosfera do forno conduz a um problema de diferencial de pressão quando o produto da reacção de oxidação fecha uma cavidade que está a formar-se pela migração de metal original fundido. Este problema é resolvido no referido pedido de patente do mesmo proprietário pelo uso de um material de enchimento amoldável auto-ligado que, como aí se define, é um material de enchimento, que, a uma temperatura acima do ponto de fusão do metal original e próximo de, mas abaixo da temperatura da reacção de oxidação se sinteriza parcialmente ou liga-se de outro modo a si próprio e à camada em crescimento de produto da reacção de oxidação suficientemente para proporcionar resistência estrutural a partir do lado de fora da cavidade em crescimento, para manter a geometria reproduzida do padrão na cavidade de desenvolvimento, pelo menos até que a estrutura do produto da reacção de oxidação em desenvolvimento atinja uma espessura suficiente para ser auto-suportada contra o diferencial de pressão que se desenvolve através da parede do produto da reacção de oxidação em desenvolvimento, definindo a cavidade que está sendo formada. Contudo, o material de enchimento auto-ligado não deve sinteri-

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S zar-se ou auto-ligar-se a uma temperatura demasiado baixa, porque, se assim acontecer, ele poderia sofrer uma fissuração por dilatação térmica e pela variação de volume devido à fusão do metal original quando este último é aquecido até à temperatura de operação. Por outras palavras, o material de enchimento auto-ligável manterá sua adaptabilidade para compensar a diferença resultante das variações de volume entre si e o metal original enquanto este último está sendo aquecido e fundido e, para depois se auto-ligar, para proporcionar resistência mecânica à cavidade em desenvolvimento, à medida que a reacção de oxidação prossegue. Contudo, a técnica segundo a presente invenção tipicamente evita o problema do diferencial de pressão, porque não se forma, pelo menos em qualquer grau significativo, uma cavidade totalmente fechada pelo produto da reacção de oxidação em desenvolvimento. Podem no entanto usar-se meios de barreira, impermeáveis à atmosfera, que em alguns casos podem espalhar-se, de modo a bloquear o acesso da atmosfera do forno à cavidade em formação, dando como resultado a criação de um diferencial de pressão através das paredes do produto da reacção de oxidação em desenvolvimento. Nessas circunstâncias, usa-se um material de enchimento auto-ligável para proporcionar resistência mecânica pelo menos durante o estádio inicial de crescimento, como atrás se descreve.

Gomo se usa aqui e nas reivindicações para caracterizar materiais de enchimento amoldáveis, o termo auto-ligável” significa os materiais de enchimento que, colocados em contacto de amoldação com o padrão em positivo do metal original, mantêm adaptabilidade suficiente para compensar a variação de

/ volume no ponto de fusão do metal original e devido à dilatação térmica diferencial entre o metal original e o material de enchimento e, pelo menos numa zona de suporte do mesmo imediatamente adjacente ao padrão em positivo, são intrinsecamente auto-ligados, mas apenas a uma temperatura acima do ponto de fusão do metal original mas abaixo de e suficientemente perto da temperatura da reacção de oxidação, para permitir a compensação mencionada. Essa auto-ligação do material de enchimento confere-lhe a força de coesão suficiente para manter o padrão reproduzido inversamente em negativo contra diferenciais de pressão que se desenvolvem através dele pelo movimento do metal original para o interior do material de enchimento.

Não é necessário que toda a massa ou leito de material de enchimento inclua um material de enchimento amoldável ou, quando necessário, um material de enchimento auto-ligado, embora uma tal disposição esteja dentro dos objectivos da presente invenção. 0 material de enchimento apenas precisa de ser amoldável e/ou auto-ligável na porção do leito de material de enchimento adjacente ao e modelada pelo padrão em positivo de metal original. Por outras palavras, o material de enchimento apenas precisa de ser amoldável e/ou auto-ligável atê uma profundidade suficiente, no caso da capacidade de amoldação, para se amoldar ao padrão em positivo do precursor de metal original e, no caso da auto-ligação, para proporcionar uma resistência mecânica suficiente numa situação particular. 0 restante do leito de material de enchimento não precisa ser amoldável e/ou auto-ligável.

Em qualquer caso, o material de enchimento não deve sinterizar-se, fundir ou reagir de modo tal que se forme uma massa

y ι

impermeável de modo a bloquear a infiltração do produto da reacção de oxidação através do mesmo, ou, quando se usar um oxidante em fase de vapor, a passagem de tal oxidante em fase ã-e vapor através do mesmo. Além disso, o material de enchimento deve ser suficientemente amoldável para compensar o diferencial de dilatação térmica entre o metal original e o material de enchimento, mediante o aquecimento do conjunto e a variação de volume do metal devida à sua fusão, enquanto mantêm a capacidade de amoldação ao padrão em positivo do precursor de metal original.

Deve entender-se que as propriedades do material de enchimento de ser permeável, amoldável e auto-ligável, como atrás se descreveu, são propriedades da composição global do material de enchimento, e que os componentes individuais do material de enchimento não precisam de ter qualquer ou todas essas caracteristicas. Assim, o material de enchimento pode compreender um único material, uma mistura de partículas do mesmo material mas de dimensões das malhas diferentes, ou misturas de dois ou mais materiais. No último caso, alguns componentes do material de enchimento podem não ser suficientemente auto-ligáveis ou sinterizáveis à temperatura da reacção de oxidação, mas o material de enchimento do qual faz parte terá caracteristicas de auto-ligação ou sinterização à temperatura da sua auto-ligação, ou superior à mesma, devido à presença de outros materiais. Um grande número de materiais que são utilizáveis como materiais de enchimento no compósito cerâmico por comunicar as qualidades desejadas ao compósito terão também as qualidades desejadas de permeabilidade, eonfor- 30 fi mabilidade e auto-ligação atrás descritas. Tais materiais adequados manter-se-ão suficientemente não sinterizados ou não ligados a temperaturas abaixo da temperatura da reacção de oxidação, de modo que o material de enchimento no qual o padrão é encerrado pode compensar a variação de volume no ponto de fusão e devida à dilatação térmica, mas sinterizar-se-ão ou ligar-se-ão de outro modo apenas quando se atingir uma temperatura de auto-ligação, que se situa acima do ponto de fusão do metal original, mas próxima e abaixo da temperatura da reacção de oxidação, suficientemente para comunicar a resistência mecânica necessária para impedir o colapso da cavidade em formação durante os estádios iniciais de crescimento ou desenvolvimento do produto da reacção de oxidaçao·

Pode usar-se um oxidante em fase sólida, líquida ou de vapor, ou uma combinação desses oxidantes, como atrás se observou. Por exemplo, os oxidantes típicos incluem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e compostos e combinações dos mesmos, por exemplo, sílica (como fonte de oxigénio), metano, etano, propano, acetileno, etileno, e propileno (como fonte de carbono) e misturas como ar, E^/E^O e CO/CC^, sendo as duas últimas (isto é, Hg/E^O e QO/QQ^) utilizáveis para reduzir a actividade do oxigénio do ambiente. Conforme o oxidante empregado, a matriz cerâmica resultante pode compreender um óxido, um carboneto, um nitreto ou um boreto.

Embora possa usar-se qualquer oxidante adequado, prefere-se, um oxidante em fase de vapor (gás), descrevendo-se aqui formas de realização específicas da presente invenção com referência ao uso de oxidantes em fase de vapor. Se se usar um oxidante em fase de vapor ou um gás, 0 material de

y enchimento é permeável aos gases, de modo que quando da exposição do leito de material de enchimento ao oxidante o oxidante em fase de vapor atravessa os poros do leito de material de enchimento para contactar com o metal original fundido nele existente. 0 termo oxidante em fase de vapor” significa um material vaporizado ou normalmente gasoso que proporciona uma atmosfera oxidante. Por exemplo, o oxigénio ou misturas de gases contendo oxigénio (incluindo ar) são oxidantes em fase de vapor preferidos, por exemplo no caso em que alumínio é o metal original, sendo o ar usualmente o mais preferido por razoes óbvias de economia. Quando um oxidante é identificado como contendo ou compreendendo um gás ou vapor particular, isso significa um oxidante no qual o gás ou vapor identificado é o oxidante único, predominante ou pelo menos um oxidante significativo do metal original nas condições obtidas no meio oxidante utilizado. Por exemplo, embora o principal constituinte do ar seja o azoto, o conteúdo de oxigánio do ar é o oxidante para o metal original porque o oxigénio é um oxidante significativamente mais forte do que o azoto. 0 ar está, portanto, dentro da definição de um oxidante de ”gás contendo oxigénio”, mas não dentro da definição de um oxidante de “gás contendo azoto. Um exemplo de um oxidante de gás contendo azoto, como é usado aqui e nas reivindicações e o gás de formação, que contém cerca de 96 por cento, em volume, de azoto e quatro por cento, em volume, de hidrogénio.

Quando se usa um oxidante sólido, usualmente ê disperso através de todo o leito de material de enchimento ou através de uma porção do leito adjacente ao metal original, na forma de partículas ou pós misturados com o material de enchi- 32 /

/ /

ί mento ou, talvez, como revestimento nas partículas do material de enchimento. Qualquer oxidante sólido pode ser empregado, incluindo elementos, tais como o boro ou o carbono, ou compostos redutíveis, como cordierite, dióxido de silício, ou certos boretos de menor estabilidade termodinâmica do que o produto da reacção de boreto do metal original. Por exemplo, quando se usa o boro ou um boreto redutível como oxidante sólido para um metal original de alumínio, o produto da reacção de oxidação resultante é boreto de alumínio. Se for o titânio o metal original, o dodecaboreto de alumínio é um oxidante sólido adequado e o produto compreende diboreto de titânio.

Em alguns casos, a reacção de oxidação pode prosseguir tão rapidamente com um oxidante sólido que o produto da reacção de oxidaçao tende a fundir devido à natureza exotérmica do processo. Essa ocorrência pode degradar a uniformidade microestrutural do corpo cerâmico. Essa reacção exotérmica rápida pode ser evitada pela mistura na composição de materiais de enchimento relativamente inertes, que apresentam baixa reactividade. Esses materiais de enchimento podem absorver o calor da reacção para minimizar qualquer efeito de aceleração térmica. Um exemplo desse material de enchimento inerte adequado é um material substancialmente igual ao produto da reacção de oxidação prentendido.

Se se usar um oxidante líquido, todo o leito de material de enchimento ou uma porção do mesmo adjacente ao metal fundido pode ser revestido ou impregnado, por exemplo por imersão e secagem, cora o oxidante, para impregnar o material de enchimento. A referência a um oxidante líquido significa um oxi- 33 -

dante queéunlíquido nas condições da reacção de oxidação e assim um oxidante líquido pode ter um precursor sólido, tal como um sal, que funde nas condições da reacção de oxidação.

Em alternativa, o oxidante líquido pode ser um líquido ou uma solução, usada para impregnar parte ou todo o material de enchimento e que funde ou se decompõe nas condições da reacção de oxidação, para proporcionar uma fracção oxidante adequada. Exemplos de oxidantes líquidos como aqui se definem incluem vidros de baixo ponto de fusão.

Como atrás se fez notar, pode incluir-se, um agente de ligação ou sinterização como um componente do material de enchimento nos casos em que o material de enchimento de outro modo não teria característica de auto-ligação ou sinterização inerente suficiente para impedir o colapso do espaço que está sendo formado no volume anteriormente ocupado pelo padrão.

Este agente de ligação pode ser disperso por todo o material de enchimento ou apenas na zona de suporte. Materiais adequados para esse fim inclui materiais organometálicos que, nas condiçoes de oxidação necessárias para formar o produto da reacção de oxidação, pelo menos parcialmente se decomporão e aglutinarão o material de enchimento sufisientemente para proporcionar a resistência mecânica necessária. 0 aglutinante não interferirá com o processo da reacção de oxidação nem deixará subprodutos residuais indesejáveis dentro do produto compósito cerâmico. Aglutinantes adequados para este fim são bem conhecidos na técnica. Por exemplo, o tetraetilortossilicato é um exemplo de aglutinante organometálico adequado, que deixa ficar à temperatura da reacção de oxidação uma fracção de síli- 34 -

ca, que aglutina eficazmente o material de enchimento com a força de coesão necessária.

Como se explica no pedido de patente do mesmo proprietário, materiais contaminantes usados em conjunção com o metal original, influenciam favoravelmente o processo da reacção de oxidação, particularmente em sistemas que empregam alumínio como metal original .Οακε contaminantes usados em conjunção ou em associação com o metal original (1) podem ser proporcionados como constituintes de liga do metal original, (2) podem ser aplicados pelo menos a uma porção da superfície do metal original, ou (5) podem ser aplicados ou incorporados em parte ou em todo o material de enchimento ou pré-molde, ou podendo usar-se qualquer combinação de duas ou mais das técnicas (1), (2) ou (5)· ?or exemplo, um contaminante como elemento de liga pode ser usado sozinho ou em combinação com um segundo contaminante aplicado exteriormente. No caso da técnica (3), no qual o ou os contaminantes adicionais são aplicados ao material de enchimento, a aplicação pode ser realizada de qualquer maneira adequada, como se explica nos pedidos de patente do mesmo proprietário .

A função ou funções de um material contaminante particular podem depender de um certo número de factores. Esses factores incluem, por exemplo, o metal original particular, a combinação particular de contaminantes, quando se usarem dois ou mais contaminantes, o uso de um contaminante aplicado exteriormente em combinação com um contaminante como componente de liga do metal precursor, a concentração de contaminante empregada, o meio oxidante e as condições do processo.

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\ . .7* / 53

Os contaminantes utilizáveis para um metal original de alumínio, particularmente com ar como oxidante, incluem o magnési®, o zinco e o silício, sózinhos ou em combinação com outros contaminantes, como mais adiante se descreve. Esses metais ou uma fonte adequada dos metais podem ser elementos de liga no metal original à base de alumínio, em concentrações, para cada um deles, entre cerca de 0,1 e 10$, em peso, com base no peso total do metal contaminado resultante. Esses materiais contaminantes ou uma fonte adequada dos mesmos (por exemplo MgO, ZnO ou Si0₂) podem ser usados externamente ao metal original. Assim, pode obter-se uma estrutura cerâmica de alumina para o metal original de alumínio-silício, usando ar como oxidante, pelo uso de MgO como um contaminante aplicado na superfície do metal numa quantidade maior do que cerca de 0,0008 gramas de Mg por grama de metal original a oxidar e maior que 0,005 gramas de Mg por centímetro quadrado de metal original a que se aplica o MgO.

Outros exemplos de materiais contaminantes para o metal original de alumínio incluem o sódio, o germânio, o estanho, o chumbo, o lítio, o cálcio, o boro, o fósforo e o ítrio, e podem ser usados individualmente ou em combinação com um ou mais contaminantes, conforme o oxidante e as condições do processo. Os elementos das terras raras, tais como o cério, o lantânio, o praseodímio, o neodímio e o samário também são contaminantes utilizáveis e, mais uma vez aqui, especialmente quando usados em combinação com outros contaminantes. Esses materiais contaminantes, como se explica nos pedidos de patente do mesmo proprietário, são eficazes na promoção do

- 36 · desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino para os sistemas com metal original à base de alumínio.

Como se descreve no pedido de patente do mesmo proprietário N2 861 024, pode usar-se um meio de barreira para inibir o crescimento ou desenvolvimento do produto da reacção de oxidação para além da barreira. Meios de barreira adequados podem ser qualquer material, composto, elemento, composição ou semelhante que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém alguma integridade, não ê volátil e, de preferência, é permeável ao oxidante em fase de vapor, ao mesmo tempo que é capaz de inibir, contaminar, parar, interferir em, ou de qualquer modo semelhante, impedir localmente a continuação do crescimento do produto da reacção de oxidação. Como se mostra para a forma de realização ilustrada na fig. 5, o meio de barreira foi aplicado às faces terminais do metal original modelado, para impedir o crescimento do produto da reacçao de oxidação a partir dessas superfícies. Barreiras adequadas especialmente utilizáveis para o metal original de alumínio em ar ou num gás contendo oxigénio incluem o sulfato de cálcio (gesso de Paris), o silicato de cálcio e o cimento Portland e combinações dos mesmos que, tipicamente, são aplicados como uma suspensão ou pasta à superfície do padrão ou à superfície do material de enchimento, quando o crescimento deve ser limitado a uma região do leito. Esse meio de barreira também pode incluir um material combustível ou volátil adequado, que é eliminado com o aquecimento, ou um material que se decompõe com o aquecimento para aumentar a porosidade e a permeabilidade do meio de barreira. Àlém disso,

o meio de barreira pode incluir um material em partículas refractário adequado para reduzir qualquer contraeção ou fissuração possíveis, que de outro modo poderiam ocorrer durante o processo. Um tal material em partículas tendo substancialmente o mesmo coeficiente de dilatação que o leito de material de enchimento é especialmente desejável. Por exemplo, se o leito for constituído por alumina e a cerâmica resultante compreender alumina, a barreira pode ser misturada com partículas de alumina, desejavelmente tendo dimensões de partículas aproximadamente iguais às do material em partículas usado para o leito, por exemplo, cerca de 20-1000 mesh. Outras barreiras adequadas incluem cerâmicas refractárias densas ou bainhas metálicas, que desejavelmente são abertas pelo menos numa extremidade, para permitir que o oxidante em fase de vapor atravesse os poros do leito e contacte com o metal fundido. Em certos casos, pode ser possível fornecer uma fonte do segundo metal com um meio de barreira. Por exemplo, certas qualidades de composições de aço inoxidável, quando reagem em certas condições de processo de oxidação, por exemplo a uma temperatura elevada, numa atmosfera contendo oxigénio, formam os seus óxidos componentes, tais como óxido de ferro, óxido de níquel ou óxido de crómio, conforme a composição do aço inoxidável. Assim, em alguns casos, o meio de barreira com uma bainha de aço inoxidável pode proporcionar uma fonte adequada de um segundo metal que pode efectuar a introdução de segundos metais, tais como ferro, níquel ou crómio no fluxo de metal fundido em contacto com o mesmo.

Os seguintes exemplos são exemplos não limitativos da presente invenção e têm apenas fins ilustrativos.

Exemplo 1

Produziu-se um corpo tubular cerâmico, compreendendo dois cilindros cerâmicos concêntricos, interligados, a partir de uma conduta cilíndrica (como se representa na fig. 2), medindo 2,54 cm (1”) de comprimento e 2,54 cm (1”) de diâmetro com uma parede cilíndrica de 3»175 mm (1/8”) de espessura, contendo três fiadas de quatro furos transversais afastados de 90°, medindo 5»175 (1/8”) de diâmetro. 0 cilindro era composto de liga de alumínio 380.1 (da Belmont Metals, tendo uma composição nominalmente identificada, em peso, de 8-8,5$ de Si,2-3$ de Zn e 0,1$ de Mg como contaminantes activos e 3»5$ de Cu, bem como Ee,Mn e Ni, sendo no entanto o teor de Mg algumas vezes mais elevado, por exemplo na faixa de 0,17-0,18$). Revestiram-se as paredes cilíndricas externa e interna completas e as paredes dos furos transversais com pó metálico de silício (da Atlantic Equipment engineers, Bergenfield, New Jersey) com grãos de 0,0254 mm (0,001”) a 0,254 mm (0,01”), encheram-se com pó de carboneto de silício, verde, de 500 grit, pré-calcinado ao ar, a 125O°O durante 24 horas (Orystolon 39 da Norton Go.) e, enterraram-se depois completamente num leito de material de enchimento de carboneto de silício prê-calcinado, verde de 500 grit, contido dentro de um vaso refraetário. Aqueceu-se o conjunto atê uma temperatura de ajuste do processo de 900°C, durante 24 horas, em ar. 0 tempo total no forno foi de 35 horas, com ciclos de 6 horas de aquecimento e 5 horas de arrefecimento.

Oortou-se transversalmente o material compósito resultante para mostrar as duas paredes cilíndricas interligadas

por raios, como se representa na fig. 9. 0 cilindro interno tinha um diâmetro externo de cerca de 1,58 cm θ uma espessura de parede de cerca de 0,79 mm^”j. 0 espaço entre as duas paredes cilíndricas era cerca de 3,175 mm (1/8). 0 cilindro externo tinha um diâmetro exterior de cerca de 2,698 cm ^1«^) e uma espessura de parede de 2,38 mm (-J^).

A composição do compósito resultante foi confirmada por difração de raios X e análise de microscopia óptica. 0 compósito compreendia uma matriz de alumínio incluída no material de enchimento de carboneto de silício.

Exemplo 2

Repetiu-se o exemplo 1, mas o leito de material de enchimento era uma mistura de 70% de alumina T64 (-325 mesh, Alcoa) e 30% de EPK (caolino, Peldspar Corp.,Edgar,EL) e aqueceu-se o conjunto até uma temperatura de ajuste do processo de 1000°0 durante 40 horas, em ar. Pormou-se um par de paredes cilíndricas concêntricas, interligadas por raios, como se representa na fig. 9· A parede cilíndrica interna tinha 1,58 mm (j£ⁿ) de espessura, com um diâmetro externo de 2,328 cm^).

A parede cilíndrica externa tinha uma espessura de cerca de 1,58 mm (yg^H) θ um diâmetro externo de cerca de 2,698 cm 0 espaço entre as duas paredes cilíndricas era cerca de 3,175 mm (g).

Exemplo 3

Repetiu-se o exemplo 2, mas o leito de material de enchimento era alumina (A17,-325 mesh Alcoa) e aqueceu-se o conjunto até uma temperatura de ajuste do processo de 1000°C

durante 40 horas, após 5 horas de aquecimento do forno e 5 horas de arrefecimento do forno. Formaram-se duas paredes cilíndricas concêntricas interligadas por raios. 0 diâmetro externo da parede cilíndrica externa tinha 3,8I.cm (1-1/2)' e uma espessura de cerca de 0,79 ®® A parede cilíndrica interna tinha uma espessura de 0,79 mm (^|”) θ um diâmetro externo de 2,32Scm (11/16 ) . 0 espaço entre as duas paredes cilíndricas era cerca de 3_}175 mm ( 3)·

Exemplo 4

Enterrou-se uma conduta cilíndrica com 2,54 cm (1) de comprimento de liga de alumínio 580.1 (semelhante à da fig. 2) completamente num leito de cordierite contido dentro de um recipiente refractário. A conduta cilíndrica tinha 2,54 cm (1”) de comprimento e um diâmetro externo de 2,54 cm (1”) e paredes com orifícios transversais com um diâmetro de 3»175 ®® (g’¹)· Encheram-se a parede cilíndrica interna e as paredes dos furos transversais com 0 material de enchimento de cordierite. Aqueceu-se 0 conjunto até uma temperatura de ajuste do processo de 1000°0, durante 40 horas, em ar. 0 tempo total no forno foi de 50 horas com ciclos de aquecimento de 5 horas e de arrefecimento de 5 horas. 0 crescimento do composto cerâmico para 0 interior das duas paredes cilíndricas concêntricas interligadas por raios foi muito uniforme. 0 diâmetro externo da parede cilíndrica externa era aproximadamente 2,598 cm(l^g) com uma espessura de cerca de 1,585 m® (-^θ). A parede cilíndrica interna tinha uma espessura de cerca de 1,585 ®® (-^g) © u® diâmetro externo de cerca de 1,7^6 cm C^g¹’)· θ espaço entre as duas paredes cilíndricas era cerca de 3»175 ®® (3”) ·

- 41 Estas formas de realização exemplificativas, descritas

atrás em pormenor, demostram a utilidade da presente invenção, estando numerosas combinações e variações diferentes das exemplificadas dentro das possibilidades dos entendidos na matéria.

Claims (27)

1. Reivíndicaçõ-es

   1.- Processo para a fabricação de produtos compósitos cerâmicos auto-suportados, compreendendo um certo número de paredes espaçadas, alinhadas axialmente, tendo uma secção transversal limitada e reproduzindo em gerãLinversamente em sentidos opostos a geometria de um padrão de metal original, compreendendo o corpo compósito cerâmico (1) uma matriz cerâmica obtida pela reacção de oxidação de um metal original com um oxidante para formar um produto da reacção de oxidação e (2) um material de enchimento infil trado pela matriz, caracterizado pelo facto de compreender as fases de:

   (a) proporcionar um corpo de metal original tendo pelo menos uma cavidade aberta para proporcionar uma parede com uma secção transversal limitada c nare nnosLas;

   ί (b) justapor um leito de material de enchimento amoldável às referidas superfícies de parede, sendo o leito de material de enchimento caracterizado por (1) ser permeável ao referido oxidante, quando for necessário que este ultimo contacte com o metal original fundido na fase (c) e sendo permeável à infiltração pelo crescimento do produto da reacção de oxidação através dos respec tivos leitos de material de enchimento e (2) manter a amoldabilidade suficiente para proporcionar a compensação da variação de volume no ponto de fusão do metal original e qualquer dilatação térmica diferencial entre o metal original e os respectivos leitos de material de enchimento;

   (c) aquecer o metal original fundido infiltrado até uma temperatura superior ao seu ponto de fusão mas inferior ao ponto de fusão do produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal original fundido e, ã referida temperatura, (1) fazer reagir o metal original fundido com o referido oxidante para formar o produto da reacção de oxidação, (2) manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação em contacto com e entre o corpo de metal fundido e o oxidante, para transportar progressivamente metal fundido do corpo de metal original através do produto da reacção de oxidação e para o interior do leito de material de enchimento para simultaneamente formar as referidas paredes espaçadas, alinhadas axialmente no leito de material de enchimento enquanto o pro- duto da reacção de oxidação continua a formar-se na interface entre o referido oxidante e o produto da reacção de oxidação formado anteriormente, e (3) continuar a reacção de oxidação durante um intervalo de tempo suficiente para pelo menos parcialmente infiltrar o material de enchimento com o referido produto da reacção de oxidação pelo crescimento deste ultimo, para formar um corpo compósito cerâmico auto-suportado, tendo um certo numero de paredes espaçadas alinhadas, axialmente, com uma secção transversal limitada que reproduz na generalidade inversamente a geometria do padrão, formando assim pelo menos duas passagens de fluido alinhadas axialmente ; e (e) separar o corpo compósito auto-suportado resultante do material de enchimento em excesso, se o houver.
2. 2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido leito compreender adicionalmente uma zona de suporte que é intrinsecamente auto-ligável apenas a uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal original mas inferior e suficientemente próxima da temperatura da reacção de oxidação^- para permitir a referida compensação.
3. 3.- Processo dc riz.vk) pc-jo facto cio o acorde com a reivindicação 1 ou 2, caracte melai cri ninai scr um. cilindro c a cavi-4!

   ~Ύ dade ser um furo longitudinal.
4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de se prover adicionalmente a parede do referidi metal original com pelo menos uma abertura e se proporcionar um leito de material de enchimento na referida abertura.
5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação se infiltrar no referido material de enchimento na referida abertura, para formar meios de suporte integralmente com as referidas paredes afastadas
6. 6.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizadt pelo facto de as paredes afastadas, alinhadas axialmente, serem substancialmente concêntricas.
7. 7.- Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de compreender adicionalmente a utilização de um contaminante em conjunção com o referido metal original.
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o referido metal original ser alumínio.
9. 9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizadt· polo fõc.to do comvreender adicionalmente a utilização de um.

   contaminante em conjunção com o referido metal original.
10. 10. - Processo.de acordo com a reivindicação 1 ou 2, carac terizado pelo facto de compreender adicionalmente a interligação das referidas paredes alinhadas axialmente com pelo menos uma nervura de ligação.
11. 11. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto dê o referido oxidante ser o oxidante em fase de vapor.
12. 12. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o referido oxidante ser um sólido à referida temperatura.

    J
13. 13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o referido oxidante ser escolhido no grupo que consiste em sílica, boro, carbono cordierite e um composto redutível.
14. 14. - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de o referido oxidante compreender um gás contendo oxigénio.
15. 15. - Processo de acorde, com a· reivindicação 11, caracterizado pelo facto de o referido oxidante compreender um gás contendo azoto.
16. 16. - Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo facto de o referido metal original ser alumínio.
17. 17. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o referido metal original ser escolhido no grupo que consiste em silício, titânio, estanho, zircõnio e hãfnio.
18. 18. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte rizado pelo facto de o referido material de enchimento ser escolhido no grupo que consiste em um ou mais óxidos metálicos de um metal seleccionado no grupo que consiste em alumínio, cério, hãfnio, titânio, silício, magnésio, boro, lantânio, neodímio, praseodímio, samãrio, escândio, tõrio, urânio, ítrio e zircõnio.
19. 19. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de a referida matriz cerâmica compreender um óxido, um nitreto, um carboneto ou um boreto.
20. 20. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o referido corpo de metal original compreender dois cilindros espaçados com as extremidades abertas.
21. 21.- Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de incluir a dotação da parede marginal do corpo de metal original com um meio de barreira.
22. 22.- Processo para a fabricação de um corpo compósito cerâmico auto-suportado, compreendendo um certo número de cilindros afastados, substancialmente concêntricos e reproduzindo inversamente em sentidos opostos genericamente a geometria de um padrão de metal original, compreendendo o corpo cerâmico compósito, (1) uma matriz cerâmica obtida pela reacção de oxidação de um metal original de alumínio com um oxidante incluindo um oxidante em fase de vapor para formar um produto da reacção de oxidação e (2) um material de enchimento infiltrado pela matriz, sendo o processo caracterizado pelo facto de compreender as fases de:

    (a) proporcionar um cilindro com as extremidades abertas feito do referido metal original de alumínio e tendo pelo menos uma abertura na parede do referido cilindro;

    (b) justapor um primeiro leito de material de enchimento amoldável nas superfícies de parede opostas do referido cilindro e colocar um segundo leito de material de enchimento na referida abertura, sendo os referidos leitos de material de enchimento caracterizadcs por (1) serem permeáveis ao referido oxidante, quando for necessário que o referido oxidante contacte com o metal original fundido na fase (c) e serem permeáveis ã infiltração pelo crescimento do produto da reacção de oxidaçao através dos respectivos leitos de material de enchimento e.(2) manterem a conformabilidade suficiente para compensar a variação de volume no ponto de fusão do referido metal original e qualquer dilatação térmica diferencial entre o referido metal original e os respectivos leitos de material de enchimento;

    (c) aquecer o metal original modelado infiltrado a uma temperatura superior ao seu ponto de fusão mas inferior ao ponto de fusão do produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal original fundido, e à referida temperatura:

    (1) fazer reagir o metal original fundido com o referido oxidante para formar o referido produto da reacção de oxidação, (2) manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação em contacto com e entre o referido corpo de metal fundido e o referido oxidante, para deslocar progressivamente metal fundido do referido corpo de metal fundido através do produto da reacção de oxidação e para o interior dos leitos de material de enchimento para simultaneamente formar cilindros afastados no referido primeiro leito de material de enchimento e nervuras dispostas radialmente no referido segundo leito de material de enchimento enquanto continua a formar-se produto da reacção de oxidação na interface entre o referido oxidante e o produto da reacção de oxidação formado anteuuormentc , e

    -5( (3) prosseguir a referida reacçao durante um intervalo de tempo suficiente para infiltrar pelo menos parcialmente o material de enchimento com o produto da reacção de oxidação pelo desenvolvimento deste último para formar um corpo compósito cerâmico auto-suportado com um certo número de cilindros afastados concêntricos é nervuras dispostas radialmente como meio de suporte dos cilindros afastados, os quais genericamente reproduzem inversamente a geometria do padrão, formando assim passagens de fluido alinhadas axialmente, e (e) separar o corpo compósito auto-suportado resultante do material de enchimento em excesso, se o houver.
23. 23.- Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo facto de o referido oxidante em fase de vapor ser um gãs contendo oxigénio e de o produto da reacção de oxidação compreender alumina.
24. 24.- Processo de acordo com a reivindicação 22 ou 23, caracterizado pelo facto de incluir a dotação da parede marginal do referido ciliridro de metal original com um meio de barreira.
25. 25.- Processo de acordo com a reivindicação 22 ou 23, caracterizado pelo facto de se utilizar um contaminante em conjunção con, o ref crido metal original cie alumínio.
26. 26.- Corpo cerâmico compósito auto-suportado compreendend um certo número de paredes cilíndricas afastadas, alinhadas axia mente, tendo uma secção transversal limitada, formando um furo central e pelo menos um canal longitudinal entre as paredes, e meios de ligação para suportar as paredes cilíndricas afastadas uma da outra, sendo as referidas paredes e os referidos meios de ligação caracterizados pelo facto de compreenderem uma matriz cerâmica policristalina incorporando um material de enchimento reproduzindo genericamente as referidas paredes e os referidos meios de ligação inversamente a geometria de um metal original disposto num leito de material de enchimento, por evacuação do referido metal do seu lugar inicial para formar as referidas paredes e os referidos meios de ligação simultaneamente com a reacção de oxidação do metal original fundido transportado do referic lugar inicial para formar a referida matriz cerâmica policristalina dentro dos referidos leitos de material de enchimento, compreendendo a referida matriz cerâmica o produto da reacção de oxidação do referido metal original com um oxidante.
27. 27.- Corpo cerâmico compósito auto-suportado de acordo corr a reivindicação 26, caracterizado pelo facto de o referido metal original compreender alumínio e o referido produto da reacção de oxidação compreender alumina,