PT92247B - Processo para a ligacao superficial de materiais utilizando um composito com matriz de metal e produtos produzidos por esse processo - Google Patents

Description

Campo cia Invenção

A presente invenção refere-se à formação de um compósito com matriz de metal entre pelo menos dois corpos com uma composição química idêntica ou diferente, funcionando o compósito com matriz oe metal como meio oe ligação, que liga ou faz aderir os corpos um ao outro.

Em particular, um compósito com matriz de metal é produzido por uma técnica de infiltração espontânea proporcionando um intensificador da infiltração e/ou um precursor ΰο intensificador oa infiltração e/ou uma atmosfera infiltran te, que estão em comunicação com um material de encfiimento ou um pré-molde pelo menos em algum instante durante o processo. Infiltra-se então metal da matriz fundido espontaneamente no material de encnimento ou no pré-molde, de modo que o compósito com matriz oe metal serve para ligar

dois ou mais corpos.

Fundamento cia invenção;

Os produtos compósitos que compreenaem uma matriz ae metal e uma fase de fortalecimento ou refor ço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fioras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste ca fase de reforço com a ductiliaaae e a tenacidade da matriz de metal. Em gerar um compósito com matriz de metai apresentará uma melhoria em proprieaaoes, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste deviao ao contacto e a retenção da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer proprieaade ciada pode ser melhorada depende grandemente aos constituintes específicos, aa sua percentagem em volume ou em peso e aa maneira como eles são processados na modelação ao compósito. Em alguns casos o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz oe alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto ae silício, na forma ae partículas, plaquetas ou filamentos emaranhacos, por exemplo, têm interesse devido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido aescritos vários orocessos meta3 lúrgicos para a faoricação ae compósitos cozi matriz ae alumínio, incluindo processos oaseados na técnica cta meta lurgia aos pós e nas técnicas ae infiltração ae metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material ae reforço soo a forma ae um pó, filamentos emaranhados, fioras cortadas, etc, são misturaaos e depois prensados a frio e sinterizaaos ou prensados a quente, a percentagem máxima, em volume, ae cerâmica nos compósitos com matriz ae alumínio reforçados com carooneto ae silício produzidos por este processo tem sido inaicada como senão cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhaaos e cerca ae 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produção ae compósitos com matriz ae metal pelas técnicas aa metalurgia aos pós, utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às características aos produtos que poaem obter-se. a percentagem, em volume, aa fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso aos materiais em partículas, a cerca ae 40 por cento. 1'amoém, a operação ae prensagem põe um limite às dimensões práticas que poaem obter-se. Apenas formas ao proauto relativamente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, moaelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também, pode verificar-se a contracção não uniforme duran

.¼ te a sinterização, bem como a não uniformidade da microe_s trutura, aevido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana Ne 3.970.13b, concedida em 20 ae Juino ae 1976, a J.C. Canuell e outros, descreve um processo para a modelação oe um compósito com matriz ae metal que incorpora um reforço fibroso, por exera pio filamentos emaranhados ae carboneto ae silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. O compósito é feito colocando mantos ou feitros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz tunaiao, por exemplo alumínio, funaido entre peio menos alguns aos mantos e aplicanao pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal funaido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçaao soo pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50%, em volume, ae fiDras oe retorço no compósito.

O processo de infiltração atrás descrito, tenao em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal aa matriz funaido através da pilha de mancos, está sujeito aos capricnos aos processos ae fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedaaes é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior cto agregado fibroso. Consequentemente, é necessá rio proporcionar agregados de mantos/reservatório e trajec tos do fluxo complicados para se obter a penetração adequa da e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o pro cesso de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente oaixo da percentagem, em volume, da matriz devido à dificuldade inerente à infiltração ae um grande volume de mantos, i-iais ainda, são necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração ae partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação ae compósitos com matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

Na fabricação ae compósitos com matriz de alumínio e carga ae enchimento ae alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornando assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções têm sido sugeriaas para esse prooiema. Uma aessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois prensado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, o alumínio forma uma liga com lítio e a alumina pode ser revestida com sílica. Contudo, esses compósitos apresentam variações nas proprieaaaes, ou os revestimentos podem aegraCar o materiai ae enchimento, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedades da

- ο matriz .

A Patente norte-americana b² 4.232.Oyi, concedida a R.W. Grimshaw e outros, vence certas dificuidaaes técnicas encontradas na produção cie compósitos com matriz ue alumínio e alumina. Essa Patente descreve a aplicação ae pressões de 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundico (ou a liga de alumínio fundida) num manto ae fibras ou de filamentos emaranhados ae alumina que foi pré-aqueci do a uma temperatura de 700 a 1050° C. a relação máxima entre os volumes ae alumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/1. Ueviao à sua aepenaência da força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

a publicação ao peaiao ae patente europeu Ne 115.742 aescreve a faoricação ae compósitos ae alúmina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes ae pilnas electrolíticas, pelo preenchimento aos vazios ae uma matriz ae alumina pré-molaada com alumínio funaiao.

peaiao ae patente faz realçar a não molhaoiliaaae aa alumina pelo alumínio e, portanto, são usadas várias técni_ cas para molhar a alumina em todo o pré-moiae. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante formado por um didoreto oe titânio, ae zircônio, ae háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, rtíauel, zircônio ou háfnio. Utili-

zam-se atmosferas inertes, tais como ae árgon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra tamoém a aplicação ae pressão para fazer com que o alumínio funaiao penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizaaa evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundiao numa atmosfera inerte, por exemplo ae árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o prémolcie por deposição ae alumínio em fase ae vapor, para z molhar a superfície antes ae preencner os vazios por infiltração com alumínio funaido. rara assegurar a retenção ao alumínio nos poros do pré-moiae, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1400 a ltí00° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição ao material infiltrado sod pressão aos gases, quer remoção aa pressão ae infiltração causará uma perda ae alumínio do corpo.

uso ae agentes molhantes para efectuar a infiltração ae um componente ae alumina ae uma pilha electroiítica com metal funaiao é também apresentado no peaido ae patente europeu N⁹ 94353. Esta publicação descre ve a produção de alumínio por extracção electroiítica com uma célula tendo um alimentador ae corrente catóaico que forma um revestimento ou substracto aa célula, a fim ae proteger este substracto aa criolite fundiaa aplica-se um revestimento fino ae uma mistura ae um agente molhante e um supressor ae soluoilicaae ao substracto ae alumina antes ao arranque aa célula ou enquanto mergulha no alumínio funaiao produzido pelo processo electroiítico. Os agen

z ( „ tes molhantes inaicacios sâo o titânio, o zircónío, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado cue um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. For exemplo, a patente americana NS 3 718 441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxiao de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanáaio, níquei ou crómio, sob um vácuo ae menos ae íO ° torr. Um vácuo ae a ±0 teve como resultado um molhamento insuficient;

da cerâmica peio metal funaiao até o ponto de o metai não fluir livremente para o interior aos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos ae 10 ° torr.

A patente americana N⁹ 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.

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Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio ae pó de aIB^^ num leito ae pó de alumínio prensaao a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo co pó de AlB^2* Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de Altí₁₂ ensanauichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até -5 ...

aproximadamente lO torr, para permitir a saída cos gases. Eievou-se depois a temperatura até ilOO⁹ C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto ae aIb^ poroso.

A patente americana N⁹ 3.364.976, concedi da em 23 de Janeiro ae 1958, a Jonn N. Reoing e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo auto-geraao num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo, bspecificamente, descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundiao. No caso de um molde, a cavidade do molae, gue é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de peio menos um orifício no molde, tuanao se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da caviaade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir aa reacção entre o gás na cavidade e o metal funaiao. Em particular, o vácuo é o resultaao da formação de uma forma oxidaaa sólida ao metal. Assim, Reaing et al aescrevem que é essencial inauzir uma reacçao entre o gás na cavidade \

e ο metal fundido. Contuao, utilizanao um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa ctas limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm ae ser primeiro maquinaaos para lhe dar uma forma particular e aepois acacaaos, maquinados para proauzir uma superfície de vazamento aceitável no molae, depois montagos antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fmnoida do mesmo, seguindoz -se depois a recuperação ao molde, o gue, mais provavelmente, incluirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descarte se não já aceitável para ser utilizado.

A maquinagem ae um molae para ooter uma forma complexa poae ser muito cara e cemoraaa. Além aisso, poae ser muito aifícil a remoção ae uma peça molaada de um molae ae forma complexa (isto é, as peças molaadas com uma forma complexa podem partir-se guanao se retiram ao molde). Mais ainda, emoora haja uma sugestão de gue um material refractário poroso pode ser imerso airectamente num metal funaico sem a necessidaae ae um molae, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso ae um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, guanao colocaao num metal funaico). Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formaao solto, seria necessário tomar precauções para gue o metal infiltrante

não desloque pelo menos porções do material em partículas ou uo pré-molde_z aanao origem a uma microestrutura não homogenea.

Consequentemente, tem haviao uma necessiaade hà muito sentida ce um processo simples e confiável para proauzir compósitos com matriz de metal moaelados que não aependem da utilização ae pressão ou vácuo apiic_a tío (quer aplicado externamente, quer criado internamente), ou agentes molhantes prejuoiciais para criar uma matriz de metal emoebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem naviao uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais ue maquinagem necessárias para proauzir um corpo compósito com matriz ae metal, a presente invenção satistaz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exempio, um material cerâmico), que pode ser modelado com a forma ae um pré-molae, com metal aa matriz (por exemplo, alumínio) fundido, na presença de uma atmosfera infiltrante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, uesae que esteja presente um intensificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição aos peaidos ce patente americanos ao mesmo proprietário

O assunto ao presente peaiuo ae patente está relacionado com o ae diversos outros peaidos de pa- 12 -

tente copencientes ao mesmo proprietário. Em particular, estes outros peaicios ae patente copenaentes aescrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em ciante, por vezes designa aos por “Fedidos ae patente de matrizes metálicas do mesmo proprietário“).

Um processo novo para a fabricação ae um material compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano ao mesmo proprietário, _L\|O 049.171, aepositaao em 13 de Maio de Í9tí7, em nome de White et ai e intitulado Metal Matrix Composites, agora concediuo nos Estados Unidos. De acordo com o processo aa invenção ae white et ai, um compósito com matriz de metal é proauziao pela infiltração de uma massa permeável ae material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido con tendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, ae magnésio e ae preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontâneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimen to de liga ae metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de peio menos cerca ae 6752 c, na presença ae um gás compreendendo de cerca ae ±0 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, senão o restante ao gás, se houver, um gás não oxidante, por exemplo árgon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica âs pressões atmosféricas normais para

formar um compósito com matriz cie alumínio (ou ±iga ae alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade oesejada de material de enchimento com a liga ae alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a iiga, formando assim uma estrutura com matriz ae metal sólida empeoida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de prererência, o suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se proces< se suostancialmente até aos limites aa massa de material ee enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz ae alumínio proauziaos ce acordo com a invenção ae white et al poae ser extraorainariainente alua. A este respeito, poaem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Mas condições ao processo na invenção ae White et al atrás mencionada, poae formar-se nitreto de alumínio como uma tase descontínua dispersa por toaa matriz ae alumínio, a quantidade de nitreto na matriz ae alumínio pode variar, aependenao ae ractores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses ractores no sistema ê possível determinar ae antemão certas proprieaaaes do compósito. Para algumas aplicações ae utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou suostancialmente nenhum nitreto ae alumínio.

Tem siao observado que temperaturas mais elevadas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conaucente à formação de nitretos. a invenção cde White et al permite a escolha ae um equiiíorio entre a cinética da infiltração e a formação dos nitretos.

Um exemplo ae dispositivo de Barreira adequaao para ser utilizado com a formação de compósitos com matriz de metal é descrito no peaiao ae patente americano do mesmo proprietário u⁹ l4i 642, depositado em 7 de

Janeiro de 1988, em nome de Hicnaei κ. agnajanian et ai, e intitulado Metnoa of Making Metal Matrix Composite witn tne use of a tsarrier . De acorao com o processo aa invenção de Agnajanian et ai, coloca-se um dispositivo ae aarreira (por exempio, diooreto ae titânio em partículas ou um material de grafite, tal como produto ae fita ae grafite fiexívei venaida peia Union Carcide com a aesignaçao comercial urafoil®) num limite ae superfície aefiniao ao material ae enchimente, e a liga aa matriz infiltra-se até ao limite aefiniao peio meio de Barreira.

O meio de carreira é usaao para inicir, impeair ou terminar a infiltração aa liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz ae metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz ue rnetai formados têm urna forma exterior crue corresponde substancialmente à forma interior co meio ae Parreira.

O processo ao pectiao ae patente americano

ug Q49 _±·/ΐ f_oj_ gperfeiçoaao peio peaíao ae patente americano copendente e do mesmo proprietário N3 1<58 2tí4, aepositaoo em ±5 cie narço oe 1988, em nome ae aicnaei K. Agnajanian e narc 8. wewkirx e intitulaco Metal Katrix Composites and Tecnniques for naKing tne 8ame^u. ue acordo com os processos apresentados nesse peaiao ae patente americano, uma liga ae metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga ce metal da matriz cue comunica com a primeira fonte de metal fundiao aeviao por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse peaiao ae paten te, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmosférica normal, começando assim, a formação de um com pósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga ae metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa ae material de enchimento e, se se cesejar pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo,a partir ao reservatório de metal de matriz fundida à mecida que a infiltração espontânea continua. Quanco se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada ae material ae enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que emoeoe o marerial de enchimento de reforço. Deve compreen der-se que a utilização de um reservatório ae metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita

nesse pediao cte patente e não é necessário combinar a forma de realização cto reservatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em comoinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade sufi ciente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinaaa. Em aiter nativa, um meio de barreira optativo pode contactar a .nassa permeável de material ae enchimento pelo menos ae um aos seus lados para definir um limite de superfície.

Além aisso, embora o suprimento ae liga oa matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir que a infiltração espontânea se processe sudstancialmente até os limites (por exemplo, as oarreiras) da massa permeável ae material de enchimento, a auantiaade de liga presente no reservatório poaia exceaer essa quantidade suficiente ae moao que não só haverá uma quantiaaae suficiente ae liga para a infiltração completa, como também poderia ficar liga de metal funuiaa em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz ae metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exempio, um macro-compósito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz ae metal, estará ligado directamente ao metal em excesso que fica no reservatório.

Tòdos os pedidos ae patente de matriz ae metal ao mesmo proprietário atrás examinaaos descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz ae metal proauzidos por esses processos, as oescriçoes completas de todos os peaiaos ae patente ae uma matriz ae metal ao mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Sumário da Invenção

Um compósito com matriz de metal é produzido infiltrando espontaneamente uma massa de material ae enchimento ou um pré-molde permeáveis com metal aa rnatriz funaiao. Especificamente, um intensificatíor da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento ou o pré-moiae, peio menos em aigum instante aurante o processo, o que permite que se infiltre metal aa matriz funaiao espontaneamente no material ae enchimento ou no pré-moiae. Além disso, o material de encni mento ou o pré-molde é posicionado ae moao que fique localizado entre peio menos uma porção ae peio menos dois corpos justapostos e se aplique ou ponha em contacto com peio menos uma porção ae cada um aos corpos justapostos. Consequentemente, quanuo se verifica a infiltração espontânea de metal da matriz fundido, forma-se um compósito com matriz ae metal entre os corpos justapostos, contactando o compósito com matriz de metal peio menos uma porção de cada um dos corpos justapostos. Assim, o compósito com matriz ae metal funciona como um meio ae ligação entre os corpos justapostos.

As dimensões do compósito com matriz ae metal que serve como meio ae ligação poaem ser pequenas em relação as aos corpos a ligar ou um pouco maiores em relação aos corpos a ligar. Contudo, a finalidade principal pretenuida do corpo compósito com matriz ae metal é ligar pelo menos dois corpos adicionais.

Além disso, pode tamoém estar presente metal aa matriz residual ou uma carcaça cte metal aa matriz, entre os corpos a ligar. Por exemplo, se se intercalar um corpo ae metal aa matriz entre peio menos duas zonas ae material ae enchimento ou ao pré-molue e se a quantiaade de metal aa matriz proporcionada for em excesso relativamente à requerida para ooter a infiltração substancialmente completa ao material ae enchimento ou ao pré-molde, o resultado pooe ser uma carcaça ae metal aa matriz ensanauichada entre pelo menos dois corpos compósitos com matriz ae metal que, por sua vez, ficam ligados, cada um aeies, a peio menos um corpo adicional. Uma tal carcaça ae metal aa matriz pode ajudar a redução ae tensões entre os corpos a ligar.

O compósito com matriz ae metal serve como um meio ideal ae ligaçao para ligar uma granae variedade ae corpos ou materiais, tmr exemplo, o compósito com

✓ matriz de metal poce ser usado para ligar metais a metais, metais a cerâmicas e ceramicas a ceramicas. O compósito com matriz de metal produzido segunao a presente invenção é capaz de uma maneira única, ae tuncionar como meio ae ligação aevido à granae varieaaae ae materiais ae encnimento e/ou metais aa matriz que podem ser comoinados para se ofiter uma ligação aceitável entre aois materiais. Além aisso, a opção de incluir uma carcaça de metal aa matriz aumen ta ainda a flexibilidade de projecto. for exemplo, se os corpos a ligar tiverem coeticientes de dilatação térmica, muito uirerentes um ao outro, de modo gue seria difícil ligar os corpos por meios convencionais, um compósito com matriz ae metal pode ser perteitamente adequado para esta tarefa. Especificamente, poderia produzir-se um compósito de matriz ae metal com um coeficiente de dilatação térmica interméaio entre um dos aois corpos. Além disso, aeviao à presença de material de enchimento e ae metal da matriz no compósito com matriz ae metal, o compósito é capaz de .nanei ra única, ae ligar cerâmicas (ou compostos cerâmicos) a metais. Essa ligação tem siao aifícil ae ooter por métodos convencionais.

material de enchimento ou o pré-molde poae ser colocado em contacto com, cu fixado em peio menos um dos aois corpos a ligar. Por exemplo, poderia aplicar-se um material ae enchimento sob a forma de uma suspensão ou pasta fluida que poderia ser aspergida, aplicada por pintura e/ou como revestimento por imersão, etc., em pelo menos uma porção cte uma superfície de peio menos um dos corpos a ligar. Pode colocar-se uma folha ou uma placa ae metal da matriz na suspensão ou na pasta. São apropria das ligas de alumínio contenco cerca de 5-10/, em peso, de silício e/ou magnésio. A suspensão pode ser formada misturanoo o material de enchimento com uma solução aquosa contenao, por exempio, nitrato de magnésio e/ou acetato de zinco. Além disso, um pré-molde pode ser moldado com qualquer formato adequado (por exempio, uma pastilha, um disco ou semelhante) e colocado em contacto com os corpos a ligar. Assim, desae que o material ae enchimento ou o pré-molae possa ser posto em contacto pelo menos com uma porção de uma superfície ae cada um aos corpos a ligar, pode formar-se um meio de ligação ae compósito com matriz de metal aceitável.

rara proporcionar uma ligação, o metal ca matriz no compósito com matriz de metal pode reagir quimicamente com o corpo a ligar e/ou poae reagir o material de enchimento permeável no compósito com matriz ae metal. Além disso, o metal da matriz ae metal :(1) poae dissolver o corpo ou corpos a ligar e/ou (2) poae ser adsorvido no interior do corpo ou corpos a ligar. Deve notar-se que não é necessário que os corpos a ligar por infiltração espontânea ae matriz ae metal sejam do mesmo material.

Para se obter a infiltração espontânea de metal da matriz funaido numa massa ae material ae enchimento ou no pré-molae permeáveis, numa forma ae realização

.¾ preferida ca presente invenção, poae fornecer-se um inten sificaaor aa infiltração directamente ao pré-molae e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Assim, finalmente, pelo menos aurante a infiltração espontânea, o intensificaaor aa infiltração aeve estar localizado pelo menos numa porção do material ae enchimento ou ao pré-molae.

Numa outra forma ae realização preteriaa, fornece-se precursor ao intensificaaor aa infiltração exteriormente ou misturaao com o material ae enchimento ou com o pré-molae. Então, tipicamente, o precursor ae intensificaaor da infiltração reage com pelo menos o mate rial ae enchimento ou o pré-molae e/ou o metal aa matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou os corpos a ligar, de moao que se forma intensificaaor da infiltração pelo menos numa porção do material de enchimento ou ao pré-molae que aeve ser infiltrada peio metal da matriz funaido.

Deve notar-se que o presente peaiuo ae patente aiscute primariamente metais aa matriz ae alumínio que, em algum instante aurante a formação ao corpo compósito com matriz ae metal, estão em contacto com magnésio, que funciona como precursor ao intensificaaor aa infiltração, na presença ue azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema ae metal aa matriz/precursor ao intensificador aa infiltração/atmosfera infiltrante ae alumínio/magnésio/azoto apresenta infiltração espontânea.

Contuao, outros sistemas oe metal aa matriz/precursor co intensificador da infiltração/armosfera infiltrante podem tamoém comportar-se de maneira idêntica à ao sistema alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, ooservou -se um compor tamento oe infiltração espontânea idênrico no sistema oe alumínio/estrôncio/azoto, no sistema oe alumínio/zinco/ /oxigénio e no sistema oe alumínio/cálcio/azoto. Conseguen temente, emoora aqui se discuta primariamente o sistema ae alumínio/magnésio/azoro, deve entender-se que outros sistemas ae metal aa matriz/precursor ao intensificador da infiltraçáo/atmosfera infiltrante poaem comportar-se ae maneira idêntica, pretendenao-se que sejam adrangioos peia presente invenção.

UUanco o metal ae matriz for constituído por uma liga de alumínio, a liga oe alumínio é posta em contacto com um pré-molae que compreende um material ce encnimento (por exemplo, alumina ou carooneto oe silício) ou um material ae enchimento, tendo o material ae enchimento ou o pré-molae com eies misturado magnésio, e/ou tenao em algum instante durante o processo estaco exposto ao mesmo. Além disso, numa forma ae realização preterida, a liga de alumínio e/ou o pré-molde ou o material de enchi, mento estão contidos numa atmosfera ae azoto durante pelo menos uma parte.do processo. O pré-molde será infiltrada espontaneamente e a extensão ou a velocidade de infiltração espontânea e da formação ae matriz de metal variarão com um daao conjunto de condições do processo, incluindo,

Ί por exemplo, a concentração cie magnésio proporcionado ao sistema (por exemplo, na liga oe alumínio e/ou no material de enchimento ou no pré-molde e/ou na atmosfera infiltran te), as dimensões e/ou a composição das partículas cio pré -molde ou do material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para infiltração e/ou a temperatura a gue a infiltração ocorre. Tipicamente, a infiltração espontânea, ocorre num grau suficiente para embeber de maneira substancialmente completa o pré-molde ou o material de enchimento.

Definições:

*'Alumínio , como aqui á usado, significa e inclui o metal substancialmente puro (por exemplo, um alumínio sem liga, relativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus ao metal e ae ligas ae metal, tais como os metais comercialmente aisponíveis com impurezas e/ou elementos de liga, tais como ferro, silício, cobre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc. Uma iiga ae alumínio para fins da presente aefinição é uma liga ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituin te principal.

Gás restante não oxiaante, como acui é usado, significa que aualcuer gás presente além ao gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas conaições ao processo. Qual24 quer gás oxidante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal cia matriz em qualquer grau substancial nas condições do processo.

uarreira ou meios de barreira , como aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, a.e metal da matriz funaiao para além ae um limite de superfície ae uma massa permeável do material de enchimento ou pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira, bão meios de barrei ra apropriauos qualquer material, composto, elemento, composição ou similar gue, nas condições do processo, mantém urna certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira.

Além disso, os meios ae Parreira apropriados incluem materiais que são suostancialmente não molháveis pelo metal oa matriz funoioo que migra, nas condições do processo utilizadas. Uma oarreira deste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além co limite de superfície cefiniao ca massa ae material ae enchimento ou ao pré-molde é impeaido ou iniPido pelos meios ae Parreira. A Parreira reauz cualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção da superfície do produto compó25

sito com matriz de metal resultante, a carreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo peia abertura ae furos ou perfuração aa barreira, para permitir que o gás contacte com o metal aa matriz fundida.

Corpos ae Ligação ou “Corpos a ligar ou Corpos Justapostos, como aqui é usaao, significa quaisquer dois ou mais corpos susceptíveis de serem ligados a um compósito com matriz ae metal e inclui, mas não deve considerar-se como senão limitaoo a, metais, cerâmicas, compósitos cerâmicos, metais cerâmicos, vidro e combinações cos mesmos.

C arc aça ou carcaça de metal ca matriz, como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo original ae metal aa matriz restante, que não foi consumido aurante a formação do corpo compósito com matriz ae metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado, teve entender-se que a carcaça pode também incluir em si um segundo metal ou metal estranho.

iiaterial ae enchimento , como aqui é usaao, pretende-se que inclua cuer constituintes individuais, quer misturas ae constituintes substancialmente não reactivos, com o metal da matriz e/ou com soluoilid_a de reduzida no mesmo, poaenoo ser ae tase única ou com ό

várias rases. Os materiais de enchimento poaem ser propor cionados com uma ampla variadaae de formas, tais como pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimento podem também incluir materiais ae enchimento cerâmicos, tais como, a alumina ou o carboneto Ce silício sob a forma ae finras, fibras cortadas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, pérolas, esferas, mantos ae fioras ou similares, e materi ais ae enchimento revestidos, tais como, fibras ae carbono revestidas com alumina ou carboneto Ce silício para proteger o carbono ao ataque, por exemplo, por um metal original ae alumínio fundiao. Os materiais ae encnimento também incluir metais.

Atmosfera infiltrante, como aqui e usado, significa a atmosfera que está presente, que interage com metal da matriz e/ou o pré-molde (ou o material de enchimento) e/ou o precursor de intensificaaor de infiltração e/ou o intensificador de infiltração e permite ou intensifica a ocorrência da infiltração espontânea ao metal da matriz ocorra.

“Intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea do metal ca matriz num material de encnimento ou pré-molae. Um intensificador ce infiltração pode ser formado, por exemplo, a partir ae uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto aa reacção cio precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção ao precursor de intensificador ae infiltração com o material de enchimento ou pré-molde.

Além disso, o intensif icador ae infiltração poete ser forne eido airectamente ao pré-molae e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à ae um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o precursor ae intensificador ae. infiltração e outras espécies. Finalmente, peio menos durante a infiltração espontânea, o intensificador ae infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador ae infiltração*' ou precursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que, quanuo usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensiticaaor ae infiltração que inauz ou auxilia o metal ca matriz a infiltrar-se espontaneamente no material ae enchimento ou pré-molae. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que

2« gue o precursor ae intensiticaaor ae tilize na vizinhança da ou, em algun acima aa, temperatura a gue o metal volatilização poae levar a: (1) uma ae intensificador de infiltração com permita cue o precursor de intensificaaor de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molae ou material de enchimento e/ou metal aa matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/precursor de intensificaaor ae infiltração/atmosfera infiltrante é desejável infiltração se volas casos, um pouco da matriz funae. Essa reacção ao precursor a atmosfera infiirran re para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento ao material de enchimento ou o pré-molae pelo metal aa matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificaaor ae infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensiticaaor de infiltração sólido, liquiao ou gasoso em pelo menos uma porção ao material de enchimento ou do pré-molae o que intensifica o molhamento; e/ou (3) uma reacção ao precursor de intensificaaor ae infiltração no interior co material ae enchimento ou ao pré-molae gue forma um intensificaaor de infiltração sóliao, liquiao ou gasoso em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou ao pré-molae, o gue intensifica o molhamento.

Metal aa matriz*¹ ou “liga ae metal da matriz“, como agui é usado, significa o metal gue é utiiizaao para formar um compósito com matriz ae metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal gue è misturado com um material ae enchimento para formar um corpo com29 pósito com matriz Ge metal (por exemplo aepois aa infiltração) . Quanao um metal especificaao é designado como metal da matriz, deve entenaer-se que esse metal aa matriz inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente aisponível com impurezas e/ou elementos ae liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante .

Sistema ae metal aa matriz/precursor ae intensificaaor aa infíltração/atmosfera infiltrante ou

Sistema espontâneo, como aqui é usaao, rerere-se â comoinação ae materiais que apresente infiltração espontânea num pré-moiae ou material ae enchimento. Deve enten aer-se que quanao aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor ae intensificaaor de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar uai sistema ou comoinação ae materiais que, quanao comoinaaos ae uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-moiae ou material de enchi mento.

Compósito com matriz ae metal¹¹ ou *'MhC ; como aqui é usaao, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada ti-ou triaimensionalmente, que embeoeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para proporcionar propriedades mecânicas e

físicas especificamente desejadas no compósito resultante.

Um metal diferente do metal da matriz significa um metal oue não contém, como constituinte principal, o metal igual ao da matriz (por exemplo, se o constituinte principal do metal da matriz for o alumínio, o metal diferente pode ter um constituinte principal de, por exemplo, níquel).

Vaso não reactivo para alojar o metal da matriz, significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material oe enchimento (ou pré-molae) e/ou metal da matriz funoiuo nas conciições oo processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor ao intensificaaor da infiltração e/ou um material de enchimento ou pré-molde ae uma maneira que seria significativamente prejuaiciai ao mecanismo de infiltração .

Pré-molae ou Pré-molde permeável como aaui é usaao, significa uma massa porosa de material de enchimento ou um material oe enchimento que é preparada com peio menos um limite ae superfície que define substan cialmente um limite para infiltração ao metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade ae forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fiaelidaae dimensional antes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea ao metal da matriz no

seu interior. Uma pré-molae compreende tipicamente um agre gado ou disposição ligados de material de enchimento, homo géneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas, em pó, fibras, filamentos emaranhaaos, etc, de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação aos mesmos). Um pré-molae pode existir indiviaualmente ou como um conjunto.

Reservatório¹¹ , como aqui é usaoo, significa um corpo separado de metal aa matriz posicionado em relação a uma massa ae material ae enchimento ou prê-raolae, ae modo que, quanao o metal estiver funoido, poae fluir para reabastecer, ou em aiguns casos, proporcionar inicial, mente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou pré-molae. 0 reservatório pode ser usado para proporcionar um meral ciferente do metal da matriz.

Infiltração espontânea, como aaui é usado, significa a infiltração do metal ca matriz na massa permeável ae material ae encnimento ou pré-molae, que se verifica sem exigir a aplicação ae pressão ou vácuo (quer aplicaflos externamente quer criados internamente).

3reve aescrição das figuras:

as riguras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas náo se aestinam a limitar o escopo oa presente invenção, utilizaram-se números oe reierência iguais, sempre gue possível, em

todas as figuras para indicar componentes semelhantes, representando:

a tig. 1, um corte transversal esquemático de um conjunto de materiais processados de acoruo com o Exemplo 1;

A fig. 2, uma microfotogratia com a amplia ção de 100X de um corte transversal da ligação formaaa oe acordo com o Exemplo 1; e

A fig. 3, uma micrototografia com a amp±i_a ção de 1OOX ce um corte transversal aa ligação formaaa ae acordo com o Exemplo 2.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas a presente invenção refere-se â formação ae uma camada ae ligação de compósito com matriz de metal entre peio menos uma porção de dois ou mais corpos a ligar. 0 compósito com matriz de metal é proauzido por infiltração espontânea ao material ae enchimento ou pré-molae com metal aa matriz runaido. Em particular, um intensiticador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento ou um pré-molde, peio menos num certo instante durante o processo, o gue permite gue se infiltre metal aa matriz funaiao espontaneamente no material ae enchimento ou no pré-molae.

Essa infiltração espontânea ao material ae enchimento ou ao pré-molae, que estão localizados entre pelo menos uma porção de dois ou mais corpos ce ligação, serve para ligar ou fazer aaerir os corpos um ao outro.

as dimensões do compósito com matriz ae como meio de ligação podem ser pequenas corpos a ligar ou podem ser um pouco maiores corpos a ligar. Contuao, a principal tinacompósito com matriz ce metal é ligar corpos adicionais.

metal que serve em relação aos em relação aos lidaae ao corpo peio menos dois

Arém aisso, podem estar presentes tamoém metal da matriz residual, ou uma carcaça de metal aa matriz entre os corpos a ligar. Por exemplo, se ensanduicnar um corpo de metal da matriz entre peio menos auas zonas co material ae encnimento ou ao prê-m.oiae e a quantidade ae metal da matriz proporcionado for superior à necessária para se obter a infiltração sunstancialmente completa co material de encnimento ou do prê-raoide, o resultado poae ser uma carcaça de metal da matriz ensancuicnada entre pelo menos dois corpos compósitos com matriz cie metal que, por sua vez, sao ligaaos, cada um, a pelo menos um corpo adicional. Tal carcaça ce metal aa matriz poae ajudar a redução ae tensões entre os corpos a ligar.

O compósito com matriz ae metal serve como meio de ligação ideal para ligar uma granae variedade ae corpos ou materiais. Por exemplo, o compósito com matriz /' (

cie metal pode ser usado para ligar metais a metais, metais a cerâmicas e cerâmicas a cerâmicas. 0 compósito com matriz de metal produzido de acorco com a presente invenção é susceptível de funcionat de maneira única como um meio de ligação deviao à grande variedade de materiais ae enchimento e/ou de metais ce matriz que podem ser corcoinados para se ooter uma ligação aceitável entre dois materiais. Além disso, a opção de incluir uma carcaça de metal aa matriz dá urna maior flexibilidade de projecto. Por exemplo, se os corpos a ligar tiverem coeficientes cie aiiatação térmica muito diferentes um cio outro, de modo que seria difícil ligar os corpos um ao outro por meios convencionais, um compósito com matriz de .metal pode ser perfeitamente apropriado para esse fim. Especificamente, poaeria prouuzir-se um compósito com matriz tíe metal com um coeficiente de dilatação térmica intermédio entre os qoís corpos. Além disso, devido à presença de material quer ae material ae enchimento quer de metal da matriz no compósito com matriz ae metal, o compósito é susceptível de maneira única ligar cerâmicas (ou compostos cerâmicos) a metais. Essa ligação tem sido aitícil de ooter por métoaos convencionais.

material cie enchimento ou o pré-molde pode ser colocado em contacto com ou pode ser fixaao a pelo menos um aos corpos a ligar. Por exemplo, poderia aplicar-se um material tíe enchimento como uma suspensão ou pasta, que poderia ser pulverizada, aplicada por pin35 / .tura e/ou por revestimento, por imersão, etc., soore pelo menos uma porção ae uma superfície ae peio menos um corpo a ligar. Pode posicionar-se uma folha ou placa ae metal da matriz na suspensão ou pasta, as ligas ae alumínio adequadas são as que contêm cerca de 5-10%, em peso, de siiicio e/ou magnésio. A suspensão pode ser formada misturando o material de enchimento com uma solução aquosa contendo, por exemplo, nitrato de magnésio e/ou acetato de zinco. Além disso, poderia moaelar-se um pré-molde com qualquer forma apropriada, (por exemplo, u~a ooiacha, um aisco ou semelhante) e colocar-se em contacto com os corpos a ligar. Assim, desde que o material ae enchimento ou o pré-molde possa pôr-se em contacto com pelo menos uma porção de uma superfície de cada corpo a ligar, pode formar-se um meio de ligação de compósito com matriz de metal aceitável.

Para proporcionar uma ligação, o metal ca matriz no compósito com matriz ae metal pode reagir quimicamente com o corpo a ligar e/ou pode o material de enchimento permeável no compósito com matriz ae metal reagir. Além aisso, o metal aa matriz: (1) poae dissolver o corpo ou corpos a ligar e/ou (2) poce ser aosorvioo no corpo ou corpos a ligar. Deve notar-se que não é necessário que os corpos a ligar por infiltração espontânea de matriz ae metal sejam do mesmo material.

A fim ce etectuar a infiltração espontânea do metal aa matriz no material ce enchimento ou no pré,'*

-molcie, cieve proporcionar-se um intensi ficaaor de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificaaor ae infiltração poaeria ser formado a partir de um percursor ae intensificaaor de infiltração oue pooeria ser proporcionado (1) no metal aa matriz; e/ou (2) no material de encni mento ou no pré-moiae; e/ou (3) a partir aa atmosfera infiltrante; e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo, além disso, em vez oe fornecer um precursor de intensificaoor oe infiltração, pode proporcionar-se um intensificador ae infiltração directamente no material ae enchimento ou no pré-moiae e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. rinalmente, pelo menos aurante a infiltração espontânea, o intensificaoor ae infiltração deve estar localizado em peio monos uma porção ao material ae enchimento ou pré-moiae.

numa forma de realização prererica, é possível oue o precursor ae intensificaaor ae infiltração possa reagir peio menos parcialmente com a ati.osfera infil. trante ae moao que o intensificaaor aa infiltração poae ser formaae em peio menos uma porção ao material ce ench_i mento ou pré-moiae, antes ou suostancialmente ao mesmo tempo que o contacto co pré-moiae com o metei aa matriz funaiao (por exemplo, se foi o magnésio o precursor ae intensificaaor ae infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificador oe infiltração poaeria ser o nitreto ae magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção ao material de enchimento ou ao pré-moiae.

Um exemplo fie um sistema ae metal da matriz /precursor de intensificaaor de infiltração/atmosfera intiitrante é o sistema ae alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal oa matriz ae alumínio pode estar emoeoiao no interior de um material de enchimento oue pode estar dentro ae um vaso retractário adequado çue, nas condições ao processo, não reage com o metal da matriz ae alumínio e/ou o material de enchimento, cuanao o alumínio fundir.

Um material de enchimento contendo ou estando exposto ao magnésio, e senão exposto pelo menos em algum instante durante o processamento a uma atmosfera de azoto, pode ser posto em contacto com o metal da matriz oe alumínio fundido. 0 metal da matriz infiltrará então espon taneamente o material c:e enchimento ou o pré-molde.

Além disso, em vez ee fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensificaaor aa infiltração oirectamente ao pré-molde ou material oe enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou â atmosfera infiitrante. Finalmente, pelo menos aurante a infiltração espontânea, o intensificaaor ae infiltração ceve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molae.

Mas conciçoes usadas no processo segunao a presente invenção, no caso ae um sistema oe infiltração espontânea de alumínio/macnésio/azoto, o material de enchi

mento ou o pré-molde devem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contenco azoto penetre ou através se os poros ao material de enchimento ou pré-molde num dado instante ourante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundido. Além disso,o material de enchimento ou o pré-molde permeáveis podem adaptar-se à infiltração do metal ca matriz fundido, tazendo assim com cue o material ce ehchimento-ou õ pré-molde impregnados com azoto seja infiltrada espontaneamente com metal da matriz funoiao para formar um corpo compósito com matriz ae metal e/ou iszer com que azoto reaja com um precursor ao intensificacor tía infiltração para formar o intensificaaor da infiltração no material de encnimento ou pré-molce, danço assim, origem à infiltração espontânea. A extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação ao compósito com matriz de metal variarão com um daao conjunto de condições de processo, incluindo o teor ae magnésio do material de encnimento ou do pré-molce, a cuantidaae ae nitreto de magnésio no material de enchimento ou no pré-molde, a presença de elementos de liga, adicionais (por exemplo silício, ferro, coore, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material de encnimento (por exemplo, o diâmetro cas partículas) , a concição tía superfície e o tipo ae material de enchimento, a concentração tíe azoto da atmosfera infiltran te, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio funcico se verifique espontaneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca ae 1 por cento, em peso, e ae preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, ae magné sio (que funciona como precursor ao intensificaaor ae infiltração) com base no peso da liga. Elementos ae liga auxiliares, como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas pré-aeterminaaas. Adicionalmente, os elementos de iiga auxiliares podem influenciar a quantiaade mínima de magnésio requerida no metai ae alumínio da matriz para conauzir à infiltração espontânea ao material ce enchimento. A perda de magnésio a partir ao sistema espontâneo devido, por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não naja nenhum magnésio para formar inten sificador ae infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos ue liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será alectada de maneira adversa peia volatilização. Além disso, ainda a presença ae magnésio quer no material ae enchimento e no metal da matriz ou só no material ae enchimento poae ter como consequência uma redução na quantiaade de magnésio necessária para se odter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante). A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas ae formaçao ao corpo compósito com matriz ae metal. Especificamente, se estiverem presentes menos ae

4C cerca de 10 por cento, em volume, cie azoto na atmosfera infiltrante, verificar-se-à uma infiltração espontânea muito lenta ou rectuzida. Verificou-se que é prererivel cue estejam presentes peio menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de moao que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser forneciaa airectamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou poete ser produzida ou resultar de uma decomposição ae um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal aa matriz fundido se infiltre num material ae enchimento ou pré-molae depende ae uma ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liqa auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza ao material ae enchimento, a localização ao maqnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo e o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmosfera de azoto flui. Fodem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos ae aquecimento menores para se ooter uma infiltração completa quanco se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do material ae enchimento. Tamoém, para um dado teor de magnésio, a adição ce certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais Oaixas. For exemplo, um teor ce magnésio no metal da matriz no extremo inferior aa __ taixa operável, por exemplo, de cerca cie i a 3 por cento, em peso, poae ser usado em conjunto com pelo menos uma tías seguintes conoições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração ae azoto, um ou mais elementos de liga auxiliares. Se não se adicionar nenhum magnésio ao material tíe enchimento, sao preteridas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de cónaições do processo, preterinao-se pelo menos cerca de 5 por cento, guando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos, iodem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, ein peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração.

teor de magnésio pode ser reduzido ouando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. For exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento ae silício a 1000⁹ C num leito ae 39 Crystolon (carboneto de silício puro a y9%, aa Norton Co.) com granulometria de 500 mesn. Mas na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o processo oe infiltração. Como outro exem pio, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao material de enchimento, Verificou-se .¾ que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocada no material ae enchimento. Poae ser desejável proporcionar uma quantidade menor de magnésio a fim de impedir a formação tíe compostos intermetálicos inae sejáveis no corpo compósito com matriz de metal . no caso ae um pré-molde de carboneto de silício, descobriu-se que, quanao se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz ae alumínio, contenuo o pré-moloe pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio e estando na presença ae uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espon taneamente metal da matriz no pré-moloe. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente meior. Especificamente, verificou-se que, quanao um pré-molde ae alumina é posto em contacto com um metal aa matriz de alumínio similar, aproximaaamente à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molde de carooneto de silício, e na presença da mesma atmosfera ae azoto, podem ser necessários peio menos cerca ae 3%, em peso, ae magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à odtida no pré-molae ae carooneto ae silício aue se acabou de examinar.

jfaz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificaoor oe infiltração e/ou intensiticaOor ae infiltração numa super-

* .¼ fície etc· ±iga e/ou numa supeffície cto pré-molae ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes da infiltração ao metal aa matriz no material de enchimento ou pré-molae (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal ca matriz, poae ser prereriao que a reterida superrície seja a superfície que está mais perto ou, de prererência, em contacto com a massa permeável ae material ae enchimento ou viceversa; ou esse magnésio poderia ser misturauo a pelo menos uma porção do material ae enchimento. Além disso, é ainda possível gue se utilize uma certa comoinação da aplicação na superfície, da formação aa liga e cia colocação do magnésio em pelo menos uma porção ao material ae enchimen to. Essa comoinação oa aplicação de intensificador (es) ae infiltração e/ou precursor (es) ae intensiticador de infiltração poaeria ter como resultado uma diminuição ca percentagem total, em peso, ae magnésio necessário para promover a infiltração co metal alumínio oa matriz no material oe enchimento, bem como a obtenção ae temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poaeria tamoém minimizar-se a quantidade ce corapos tos intermetálicos indesejáveis formados aeviao à presença ae magnésio.

uso ce um ou mais elementos ce liga auxiliares e cta concentração de azoto no gás circundante também atecta a extensão ce nitretação co metal ca matriz a uma aaaa temperatura, lor exemplo, poaem usar-se elemen tos ae liga auxiliares, tais como o zinco ou o rerro incluíaos na liga ou colocados numa superfície aa liga, para baixar a temperatura de infiltração e diminuir assim a quantidade aa tormação ae nitreto, ao passo gue pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação cte nitreto.

A concentração ae magnésio na liga e/ou colocado numa superfície aa liga e/ou comoinado no material ae enchimento ou pré-molae também tenae a afectar a extensão ae infiltração a uma aaaa temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores ae liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento ae liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para etectuar o processo ae infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa: (1) quando se aumentar apenas o teor ae magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca ae 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes ae liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molae; e/ou (3) quando estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com aiferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a urna temperatura do processo de pelo menos cerca ae 6752 c e, ae preferência, a uma temperatura ao processo ae pelo menos cerca ae 75O2C-8002 0. Temperaturas geralmente acima ae 12002 C parece não beneficiarem o processo, tenao-se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas ae cerca ae 675ec a cerca ae 1200² c. Contudo, como regra geral, a temperatu ra de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto ae fusão do metal aa matriz, mas abaixo aa temperatura de volatilização do metal aa matriz. Além disso, a temperatura ae infiltração espontânea aeve ser inferior ao ponto ae fusão ao material ae enchimento. Além aisso, ainda à medida gue se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante ae azoto, pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto aa reacção pode ser desejável ou indesejável conforme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência elétrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio ae aquecimento que possa fazer com gue o metal da matriz tunda e não atecte adver46

Λ··· samente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção.

No presente processo, por exemplo, uma massa ae material ae enchimento ou um pré-molcie entra em contacto com alumínio funaiao na presença de pelo menos um gás contendo azoto, em aigum momento aurante o processo.

O gás contenao azoto pode ser fornecido mantenao um fluxo contínuo de gás em contacto com o material ae enchimento ou o pré-molae e/ou o metal da matriz ae alumínio funoido. Empora o caudal de gás contendo azoto não seja crítico, é preterido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda ae azoto da atmosfera devido à formação de nitreto na matriz ae liga, e tamoém para impedir ou inipir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

O processo para a modelação ae um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, depenaendo a escolha ao material ae enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reactiviaade da liga da matriz fundida com o material de enchimento, a capacidade ae o material de enchimento se adaptar ao metal da matriz e as propriedades pretendidas para o produto compósito finai.

Por exemplo, guando o alumínio for o metal aa matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (p) caroonetos, por exemplo, carPoneto ae silício; (c) boretos, por exemplo, aodecaraoreto ae alumínio e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio. Se houver uma tenaência para o material de enchimento reagir com o metal aa matriz ae alumínio funaiao, isso poderia ser compensado minimizando o tempo ae infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material ae enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como caruono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxiaos, caraonetos, ooretos, e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a aiumina e o carboneto ae silicio sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras poaem ser descontínuas (sob a forma cortacia) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas ae multifilamentos. Além disso, o material de encni mento ou o pré-molde poaem ser homogéneos ou neterogéneos.

Descobriu-se tamoém que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais ce enchimento com uma composição química iaêntica. For exemplo, corpos de aiumina triturada prepara dos pelo processo divulgado genericamente na latente ameri cana do mesmo proprietário n⁹ 4 7±3 350, puolicaaa em 15 ae Dezemoro ae 1987, em nomes ae Marc S. Dewkirk et al e intitulaaa “íJovel Ceramic materiais ana ilethods for fiaxing Carne¹', cuja aescrição integral ê aqui expressamente incor48

porada por referência (uma versão estrangeira desta patente foi publicada em EPO em 25 de Setemoro ae 1985, como peaido ae patente «s O.i55.d3i). Esta Patente divulga um processo para a produção de corpos cerâmicos auto-suportados desenvolvidos como produto da reacção de oxidação de um metal precursor original fundido, gue se faz reagir com um oxidante em tase vapor para formar um produto da reacção de oxidação. Metal fundido migra através ao produto da reacção de oxidação formado para reagir com o oxidan te, desenvolvendo assim continuamente um corpo policrist_a lino cerâmico que pode, se se desejar, incluir um componen te metálico interligado. 0 processo pode ser melhorado ou em certos casos possibilitado pelo uso de um ou mais contaminantes tormanco ligas com o metal original. Por exemplo, no caso da oxidação de alumínio no ar, é desejável formar ligas de magnésio e silício com o alumínio para produzir estruturas cerâmicas com alra-aluminas.

Um lenómeno de oxidação análogo foi util_i zado na produção de corpos compósitos cerâmicos como se descreve no pedido ae patente americano do mesmo proprietário e copenaente, ik 819 397, depositaao em 17 de Janeiro de 1985, que é uma adição ao peaiao ae patente 597 875, depositado em 4 de fevereiro de 1985, em nome ae Marc S. Newkirk et al e intitulado Composite Ceramic Articles and Kethods of Making 8 ame (uma versão estrangeira deste peaido de patente foi publicada em EPO em 3 ae Setembro de lytsõ como pediao ae patente Ne O 193 292, cuja descrição

9 vr integral é aqui expressamente incorporada por referência).

Estes pedidos oe patente divulgam novos processos para a proaução ae um corpo compósito cerâmico auto-suportado peio desenvolvimento de um produto aa reacção de oxidação de um precursor de metal original numa massa permeável de material ae enchimento (por exemplo, um material de enchimento em partículas de carboneto ae silicio ou um material ae enchimento em partículas de alumina), infiltrando-se assim, embebendo-se no material de enchimento com uma matriz cerâmica. O compósito resultante não tem no entanto uma geometria, forma ou configuração pré-determinada.

Descobriu-se que poae veriticar-se a infiltração completa de metal da matriz por massa permeável ae material cerâmico ou ae um compósito cerâmico a temperaturas de infiltração inferiores e/ou em tempos de infiltração menores utilizando um corpo triturado ou pulverizado produzido pelos processos da patente americana e do pedido ae patente copendente americano ao mesmo proprietário antes mencionados. Além disso, a presente invenção aorange a ligação mútua ae corpos cerâmicos ou compósitos cerâmicos, senão os corpos produzidos ae acorao com os processos ae desenvolvimento por reacção ae oxidação atrás reteridos. Especificamente, podem tamoém ligar-se entre si corpos cerâmicos ou compósitos cerâmicos que compreendem um produto aa reacção ae oxiaação ae um metal original com um oxidante.

As dimensões e a forma ao material ce

enchimento podem ser quaisquer necessárias para ooter as propriedades desejadas no compósito. Assim, o material poete estar sod a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou ricras, visto que a infiltração não é limitada pela forma ao material de enenimento. Outras formas, tais como esferas, túouios, peletes tecido de fioras retractárias e similares podem ser usadas. Além aisso, as dimensões do material não limitam a infiltração, emoora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa ae uma massa de partículas mais pequenas do que para parti, curas maiores. Além aisso, a massa ne material ae enchimen to (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal aa matriz tunnido e à atmosfera infiltrante).

processo ce formação ce compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não ser depenaente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz funaiao para o interior ae uma massa ae material de enchimento, permite a prouução ae compósitos com matriz ae metal suostanciainiente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, ae material ae enchimento e uma caixa porosidade. Pouem conseguir-se maiores percentagens, em volume, ae material ae enenimento utilizando uma massa inicial ae material ae enchimento com menor poro siaade e/ou proporcionando uma maior eficiência de compactação das partículas utilizando partículas com dimensões variadas. Maiores percentagens, em volume, poaem tamdém ser ootiaas, se a massa ce material de enchimento for compactada ou tornada mais aensa a.e outro moao, aesde cue a massa não seja convertias nem numa massa compacta com poros recnacos, nem numa estrutura completamente aensa, cue impeairia a infiltração pela liga rundiaa.

Foi observado que, para a infiltração ae alumínio e a formação de uma matriz em torno ce um material ae enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento cerâmico pelo metal da matriz ce alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo ue infiltração. Além disso, a temperaturas ae processamento, baixas, verifica-se uma nitretação desprezável ou mínima ao metal, resultando daí uma fase descontínua mínima ae nitreto ae alumínio disperso na matriz ae metal. Contudo, guando nos aproximamos do extremo superior da taixa ae temperatura, torna-se mais provável a nitretação do metal. Pode assim contro lar-se a quantidade da rase ae nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica a infiltração, a temperatura ce processamento específica à qual se torna mais pronunciada a formação ae nitreto varia tamoém com factores tais como a liga de alumínio aa matriz usada e a sua quantiaade relativamente ao volume ae material de enchimento, o material ae enchimento a infiltrar e a concentração ce azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação ae nitreto ae alumínio a uma dada temperatura aiminui a capacidade aa liga para molhar o enchimento e quando aumenta a concentração atmosfera.

material de de azoto da

É pois possível, pré-determinar a consti tuição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições f do processo para controlar a formação ae nitreto. Um produto compósito contenao uma fase ae nitreto ae alumínio apresentará certas propriedaaes que poaem ser ravoráveis para, ou melhorar a elicácia do produto. Além disso, a gama ae temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material ae enchimento, a temperatura para a infiltração não deve ae prererência exceaer cerca de ±000- C, se se desejar que a auctiriuaae da matriz não seja reduziaa pela formação signiricativa ae nitreto. Contudo, poaem usar-se, temperaturas superiores a 10002 c, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos aúctil e mais rígiaa. Para infiltrar carooneto de silício, poaem usar-se temperaturas mais eievaaas, de cerca ae l200^y c, visto que a liga ae alumínio se nitritica em menor grau, relativamente ao uso ae alumina como material de. enchimento, quando se usar o carooneto ae silicio como material de enchimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal aa matriz para assegurar a infiltração

completa do material de encnimento e/ou fornecer um segundo metal, que tem uma composição diferente aa primeira fonte de metal aa matriz. Especificamente, em aiçuns casos pode ser aesejável utilizar um metal aa matriz no reservatório, com uma composição aiferente aa primeira fonte de metal aa matriz. Por exemplo, se se usar uma liga fle alumi nio como primeira fonte ae metal aa matriz, pode então usar -se substancialmente qualquer outro metal ou liga ae metal que fundiu à temperatura ae processamento como metal do reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donae resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal aa matriz, desae que se aesse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal ao reservatório com composição aiferente da primeira fonte de inetal da matriz, é possível pré-aeterminar as proprieaades aa matriz ae metal para satisiazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, pré-aeterminar as propriedades ao compósito com matriz ae metai.

Pode utilizar-se tamoém um meio ae barrei, ra em comoinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, inioa, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, da liga ae matriz funaiaa (por exemplo, uma riga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de encni mento. Os meios ae carreira apropriados podem ser quaisquer

material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições cio processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, ae preferência, é permeável ao gás usado com o processo, cem como possa localmente inioir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie cie movimento para além ao limite ae superfície definido do material ae enchimento cerâmico.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são suostancialmente não molháveis peia liga de metal da matriz tunaida que migra, nas conaições do processo usadas. Uma Barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impeaindo-se ou inibinao-se o movimento para além do limite ae superfície definido do material ae encnimento por meio da barreira. A carreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários ao proauto compósito com matriz ae metal. Como atrás se mencionou, a carreira aeve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de furos, para permitir que o gás contacte com a liga da matriz fundida.

Barreiras adequadas particularmente utiii záveis para as ligas da matriz ae alumínio são as que contêm caroono, especiaimenoe a forma alotropica cristalina ae carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga ae alumínio fundida, nas con55

aições de processo descritas. Uma grafite particularmente preterida é um produto ce fita ue grarite que é vendioo sob a marca comercial Grafoii^, registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de aiuminio fundido para além do limite ae superfície definido do material ae enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao [nj calor e quimicamente inerte. 0 material de grafite Grafoil^ é flexível, compatível, molaável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação ae oarreira. Contuao, o meio de carreira ae grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película ae tinta em torno de e no limite do material de enchimento»ou pré-molae. Grafoim é particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha ae grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplegs mente moaelaaa em torno ao material ae enchimento.

Outro ou outros meios ae oarreira para ligas da matriz de metal ae alumínio em azoto são os boretos de um metal de transição (por exemplo, diooreto ae titânio (TiB₂))_z que são em geral não molháveis pela liga de metal ae alumínio fundico em certas condições ao proces so empregaaas usanao esse material. Com uma oarreira oeste tipo, a temperatura ao processo não ceve exceaer cerca ae 8753 c, pois, ae outro modo, o material de Oarreira torna-se menos eficaz, veriticanao-se de tato, com o aumento da temperatura a infiltração na barreira. Os boretos ae um metal ae transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (1-30 micrómetros). Os materiais ae barreira poaefti ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites aa massa permeável ae material de enchimento cerâmico que, ae preferência, é moldado como um pré-molae.

Outras barreiras utilizáveis para ligas da matriz ae metal de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de pequena voiatioilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material ae enchimento. Mediante a cozedura em azoto, especiaimente nas conaições de processo da presente invenção, o composto orgânico decompõe-se deixando uma película ae fuligem ae carbono. O composto orgânico poae ser aplicado por meios convencionais, tais como pintura, pulverização, imersão, etc.

Além aisso, materiais em partículas fina mente triturados, poaem funcionar como carreira, aesae que a infiltração ao material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa ae infiltração ao material ae enchimento.

Assim, o meio ae barreira pode ser aplicaco por qualquer meio adequado, por exemplo courindo o limite de superfície aefinido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicanao ae outro moao o meio ae barreira sob a forma ae iíquiao,

7

suspensão ou pasta, ou por deposição ae um meio ae barreira vaporizável, ou simplesmente peia aeposição ae uma camada de meio de oarreira sólido, em partículas, ou peia aplicação ae uma folha fina sóliaa ou pelicuxa ae meio ae oarreira no limite de superfície aefinico. Com o meio ae barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração ao metal aa matriz atingir o limite ae superfície aetinido e entrar em contacto com o meio de barreira.

nos Exemplos que se seguem imeaiatamente estão incluídas várias demonstrações aa presente invenção. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como senão ilustrativos e não como limitativos ao escopo da presente invenção, como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

Eormaram-se aois corpos compósitos cerâmicos auto-suportados a partir ae um processo iaêntico ao divuigaao no peaiao ae parente americano ao mesmo proprietário e copenaente «2 Si9 397 atrás referido. Especiticamente, os corpos compósitos cerâmicos a ligar foram formados pelo desenvolvimento de um proauto aa reacçao ae oxidação de alumina para o interior ae uma massa ue material de enchimento compreenaenao alumina (por exemplo, formou-se um corpo compósito ae alumina/cerâmica ae alumina).

A fig. 1 mostra o conjunto, em corte transversal, gue foi usado para ligar os aois corpos cerâmicos, utilizando um

cornposito com matriz ae metal entre os mesmos. Limparam-se as superfícies aos corpos compósitos cerâmicos (l) a ±igar. Essa limpeza roi reaiizaua esíreganao as superrícies ae ligação com uma almofada aorasiva númida. Proporcionou-se uma massa permeável (2) em contacto com as super fícies de ligação, a massa permeável toi feita tomando uma mistura pastosa oe grãos ae alumina ae 220 grit, vendida com a designação comercial ae 3tí Aiunaum, fornecida peia Norton Co., numa solução aquosa ae um nitreto ae magnésio.com a concentração ae cerca ae 20%. Aplicou-se aepois a pasta com uma espessura ae cerca ae 0,5 mm em caaa uma aas superfícies ae ligação acaDaaas ae limpar. Colocou-se uma tolha ou placa, compreenaenao cerca de 10 por cento, em peso, ae silício e cerca ue 3 por cento, em peso, ue magnésio, sobre a pasta númiaa oe um aos corpos compósitos (1). Colocou-se o outro corp$ compósito cerâmico (1) revestido com a pasta em cima oa folha ou placa (3) para formar o conjunto (10), que deve ser ligado. tíecaram-se depois as pastas. Preparou-se um cadinho ou uma barquinha (4), contenao um leito retractário (5). Colocou-se o conjunto (10) no leito refractário (5) aa barquinha ou do cadinno (4). 0 leito retractário era uma alumina existente no mercado. Além disso, o leito utiliza do não era crítico podendo ser suostituido por uma placa refractária constituída por aço inoxidável. 7\lém disso, a composição da barquinha não é crítica, excepto que a barquinha deve ser não reactiva durante o processo aa ligação ou infiltração.

Τ'

Colocou-se a barquinha (4) contendo o conjunto (12) num forno com atmosfera controlada. Proporcionou-se uma fonte de azoto, de modo que se tez passar azoto através do forno durante o aquecimento. Levou-se o torno até uma temperatura de cerca ae 9002 C. Manteve-se essa temperatura durante cerca ue 1 hora, tendo-se durante esse tempo a liga ae alumínio (3) infiltraao espontaneamente nas duas massas permeáveis (2). Após a infiltração espontânea, deixou-se o forno arrefecer naturalmente até à temperatura ambiente. Retirou-se o conjunto (12) do forno e verificou-se aue se obteve uma ligação firme entre os corpos (1).

Como se mostra na fig. 2, que é uma micro fotografia tirada com a ampliação oe iOOX, a infiltração espontânea aa liga de alumínio no enchimento permeável proporciona uma ligação densa, substancialmente sem defeitos, entre a liga oe alumínio e o compósito cerâmico. Espe cificamente, a zona (ó) corresponde ao compósito cerâmico inferior (1) na fig. 1. A zona (7) cornpreenae um compósito com matriz ce metal tormado por infiltração espontânea da liga (3) na massa permeável (2). A zona (8) corresponde ao metal aa matriz residual (por exemplo, uma carcaça ae metal aa matriz), que não foi utilizado para formar o corpo compósito com matriz de metal. Deve notar-se nue o metal da matriz (3) se infiltra em caaa uma oas massas permeáveis (2). Consequentemente, outro compósito com

matriz cie metal está ligacio à carcaça ae metai original (não representado na fig. 2), que, por sua vez, está ligado ao segundo corpo (1) não representado na fig. 2). Assim, o material ligaao resultante compreende, por oraem ae cima para baixo, como se mostra na tig. ±, um primeiro corpo a ligar, um primeiro corpo compósito com matriz ae metal, uma carcaça ae metal da matriz, um segunao corpo compósito com matriz de metal e um segunao corpo a ligar. Além aisso, se se aesejar, a relação ce material ae encnimento/metal de matriz poae ser ajustada para proporcionar mais ou menos metal da matriz (por exemplo, pode eliminar-se ae maneira suDstancialmente completa a carcaça ue metal da matriz, se se desejar.

Exemplo 2

Ligaram-se cois corpos compósitos cerâmicos co tipo descrito no Exemplo 1, usanco os mesmos materiais que no Exemplo 1, excepto que a pasta semifluiaa aplicada incluiu um material adicional, Alundum, que'é um proouto de alumina fundida obtida na Norton Co. i'ormou-se um conjunto (12) iaêntico ao da fig. 1, que foi colocado num torno e aquecido de acordo com o Exemplo 1. Arrefeceu-se depois o forno, e retirou-se do mesmo o conjunto (12). Verificou-se cue os corpos (1) estavam firmemente ligados.

Como se mostra na fig. 3, que é uma micro fotografia tirada com a ampliação de 100X da ligação produzida de acordo com o Exemplo 2, a ligação é densa e

substanci almente	sem defeitos. Em	particular,	as zonas
(9-11) da fig. 3	correspondem às	zonas (d-8),	respectiva-
mente, da fig. 2	, com a excepção	da zona (10)	da fig. 3
conter Aluncum.
	Embora se tenham	descrito em	pormenor os

exemplos anteriores, poetem verificar-se várias modificações nesses Exemplos sugeridas por alguém com aptidões comuns, devendo todas essas modificações considerar-se abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims (38)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. - Processo para a ligação de um certo número de corpos caracterizado pelo facto de compreender as fases de:

   proporcionar um material de enchimento substancialmente não reactivo entre pelo menos uma porção de pelo menos dois corpos que se pretende ligar; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com metal da matriz fundido para formar um compósito com matriz de metal entre os referidos dois corpos.
2. 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com o material de enchimento e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. 3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento e/ou ã atmosfera infiitrante.
4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precur sor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento.
5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados por uma fonte externa.
6. 6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. 7. 64

   7.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do material de enchimento.
10. 10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser, pelo menos parcial mente, redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. 12.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender um pré-molde.
13. 13.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite da superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14. 14. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titãnio.
15. 15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16. 16. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um metal que é suficientemente permeável para permitir a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o material de enchimento de metal da matriz e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.
17. 17.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, pia66 /

    quetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, grânulos, esferas, túbulos e tecidos refractários.
18. 18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
19. 19. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
20. 20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumíno, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
21. 21. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22. 22.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o pre- 67 cursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.
23. 23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de um precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.
24. 24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cãlcio, o magnésio e o estrôncio.
25. 25.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no material de enchimento.
26. 26.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.
27. 27.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte68 rizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior ã temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.

    Γ'
28. 28.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29. 29.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
30. 30.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.

    31.- caracterizado pe Processo de lo facto de acordo com o material pelo menos as de uma reivindicações 1, 3 ou 4, enchimento porção de compreender pelo menos um revestimento aplicado em um dos corpos a ligar.

    - 69 32. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 12, caracterizado pelo facto de o material de enchimento contactar directamente com os corpos a ligar.
31. 33. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 12, caracterizado pelo facto de o compósito com matriz de metal reagir com pelo menos uma porção de pelo menos um dos corpos a ligar.
32. 34. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 12, caracterizado pelo facto de o compósito com matriz de metal dissolver pelo menos uma porção de pelo menos um dos corpos a ligar.
33. 35. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 12, caracterizado pelo facto de o compósito com matriz de metal ser absorvido ou adsorvido em pelo menos uma porção de pelo menos um dos corpos a ligar.
34. 36. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 12, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma massa de metal da matriz entre os corpos a ligar a qual, por aquecimento, proporciona uma fonte de metal da matriz fundido.
35. 37. - Processo de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo facto de a massa de metal da matriz compreender um excesso de metal da matriz, de modo que uma carcaça de metal da matriz permanece entre os corpos a ligar depois de se completar a infiltração espontânea.
36. 38. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o compósito com matriz de metal ser concebido para ter um coeficiente de dilatação térmica intermédio aos coeficientes de dilatação térmica de pelo menos dois corpos a ligar.
37. 39. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 3, caracterizado pelo facto de os corpos a ligar compreenderem qualquer combinação de materiais escolhidos no grupo formado pelos metais, as cerâmicas, os compostos cerâmicos, os metais cerâmicos e o vidro.
38. 40. - Processo de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo facto de o revestimento compreender uma suspensão e/ou uma pasta,