PT92248B

PT92248B - Processo para a modelacao de corpos compositos com matriz de metal por utilizacao de um produto da reaccao de oxidacao policristalino triturado com material de enchimento e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92248B
Application number: PT92248A
Authority: PT
Inventors: Marc Stevens Newkirk; Michael Kevork Aghajanian
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: JPH02236246A; EP0368782B1; AU624860B2; NO176186B; DE68910273T2; IL91727A0; FI894927A0; KR900007510A; CN1042493A; BR8905617A; DK460589A; NO893982L; NO893982D0; AU4165889A; US5541004A; CA2000780A1; ZA898544B; PT92248A; NZ231085A; NO176186C

Description

PROCESSO PARA A MODELAÇÃO DE CORPOS COMPÓSITOS COM MATRIZ

DE METAL POR UTILIZAÇÃO DE UM PRODUTO DA REACÇÃO DE OXIDAÇÃO POLICRISTALINO TRITURADO COMO MATERIAL DE ENCHIMENTO

E PRODUTOS PRODUZIDOS POR ESSE PROCESSO

Campo da invenção

A presente invenção refere-se a um novo processo para a formação de corpos compósitos com matriz de me tal e a novos corpos compósitos com matriz de metal produzi dos por esse processo. Em particular, forma-se primeiro um produto da reacção de oxidação policristalino de um metal original e um oxidante. 0 produto da reacção de oxidação policristalino é depois triturado para se obter um material de enchimento com dimensões apropriadas, que pode ser colocado num recipiente adequado ou modelado para formar um pré-molde. 0 material de enchimento ou o pré-molde do produto da reacção de oxidação policristalino triturado é, depois, posto em contacto com uma liga do metal da matriz na presença de um intensificador de infiltração e/ou de um precursor de intensificador de infiltração e/ou de uma atmosfera infil trante, pelo menos em determinado instante durante o processo, de modo que a liga do metal da matriz se infiltra espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Em con sequência da utilização do produto da reacção de oxidação policristalino triturado ou moído produzem-se uma melhor infiltração (por exemplo, com uma maior velocidade ou em maior quantidade). Além disso, produzem-se novos corpos compósitos com matriz de metal.

Fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem uma ma triz de metal e uma fonte de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da fineza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgas te devido 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 proriedade dada p<3 de ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o me tal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio re forçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados,por exemplo, têm interesse devido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

X

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pos e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam 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 de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc., são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica nos com pósitos com matriz de alumínio reforçadoscom carboneto de si_ lício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 4θ por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às carajc terísticas das produtos que podem obter-se. A percentagem em volume da faee cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de prensagem põe um limite às dimensões práticas que podem obter—se. Apenas formas do produto relati^ vamente simples são possíveis sem um processamento subsequen te (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode verificar-se a contracção não uniforme durante a sinterização, bein como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos

A patente norte-americana No. 3.970.136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras.0 com posito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz, por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50 °£>, em volume, de fibras de reforço no compósito.

O processo de infiltração atrás descrito, ten do em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agre gado fibroso. Consequentemente, é necessário proporcionar agregados de mantos/reservatório e trajectos do fluxo compli cados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob

pressão atras referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem em volume da matriz, devido à dificuldade inerente a infiltração de um grande volume de mantos. Mais 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 de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a for mação de compósitos com matriz de alumínio reforçados com ma teriais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

Na fabricação de compósitos com matriz de alu mínio e carga de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornando assim difícil formar um produ to coerente. Várias soluções têm sido sugeridas para esse problema. Uma dessas 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 alumí nio forma uma ligação com lítio e a alumina pode ser revestida com silica. Contudo, esses compósitos apresentam variaçõe nas propriedades, ou os revestimentos podem degradar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio que pode afectar as propriedades da matriz.

A patente norte-americana No. 4.232.091 concje dida a R.W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades ténnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alu mínio e alumina. Essa patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou de filamentos emara6 __ !

L, nhados de alumínio que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação máxima entre os volumes de aiumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/l. Devido à sua dependência da força externa para relizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu No. II5.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alu mínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de aiumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da aiumina pelo alumínio e,por tanto são usadas várias técnicas para molhar a aiumina em todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a aiumina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como de argon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido p_e netre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evancuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa amtosfera inerte, por exemplo, de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo, a 1400 a l800°C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do mate —7 rial infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio no corpo.

uso de agentes molhantes para efectuar a infiltração de um componente de alumina de uma pilha electro lítica com metal fundido é também apresentado no pedido de patente europeu No. 9^353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracção electroiítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substrato da célula. A fim de proteger o substrato da criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electroiítico. Os agen tes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio e o nióbio ou o cálcio, e 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 pro dução 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 que um vácuo aplicado auxiliará a penetra ção de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exem pio a patente americana No. 3 718 44l, concedida em 27 de Feve reiro de 1973 para a R.L. Landinghani, relata a infiltração de um composto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina

e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 6 2 6 torr. Um vácuo de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente de cerâmica pelo metal fundido até o ponto de o metal não fluir livremente para o interior dos espa ços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10^-^ torr.

A patente americana No. 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. Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de A1B^₂ . Num leito de pó de alumínio prensado a frio, colocou-se depois o alumínio adicional no topo do pó de A1B^₂. Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de AlB^^ .ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximadamente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100°C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B^₂poro so.

A patente americana No. 3 364 976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, aprje senta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente, 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 fundido. No caso de um

molde, a cavidade do molde,que é preenchida com um gás reacctivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimen to da cavidade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido.

Em particular, o vácuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo,utilizando um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser prjí meiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois montados antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo, seguindo-se depois a recuperação do mol de, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das su perfícies do molde ou o seu descarte se não for já aceitável para ser utilizado, A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde). Mais ainda, embora haja uma sujestão de um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma pe ça inteira por que não se tomam providências para infiltrar

contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido). Mais ainda, se se dese jasse infiltrar utn material em partículas ou um pré-molde for mado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e fiável paa produzir compósitos com matriz de metal modelados que não dependem da utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criado internamente), ou agentes molhantes prejudiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havi^ do uma necessidade muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal . A presente invenção satisfaz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), que pode ser modelado com a forma de um pré-molde, com metal da matriz (por exemplo, alumínio) fun dido, na presença de um atmosfera infiltrante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, desde que esteja presente um intensificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário assunto do presente pedido de patente está re lacionado com o de diversos outros pedidos de patente copendentes do mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal ( de aqui em diante, por vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprietário).

Um processo novo para a fabricação de um ma terial compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, No. 049.171, depo sitado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitu lado Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alurní nio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 675°C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gás, se houver, um gás não

oxidante por exemplo, árgon. Nestas condições, a liga de alu mínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmos féricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio). Quando se tiver infiltrado a quajn tidade desejada ofe material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida fornecido será sufi ciente para permitir qué a infiltração se processe substancialmente até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas- condições do processo na invenção de White et al atrás mencionada, pode formar-se nitreto de alunçí nio como uma fase descontínua dispersa por toda matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar, dependendo de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propriedades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final, pode no en tanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou subs.tan cialmente nenhum nitreto de alumínio.

Tem sido observado que temperaturas mais ele vadas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conducente à formação de nitretos. A invenção de White et al permite a escolha de um equilíbrio entre a cinética da infiltração e a formação dos nitretos.

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósito com matriz de metal é descrito no pedido de patente americano do mesmo pro prietário No. l4l 642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method of

Making Metal Matrix Composite with the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanian et al, coloca-se um dispositivo de barreira (por exemplo, diboreto de titânio em partículas ou um material de grafite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union Carbide com a designação comercial Grafoil num limite de superfície defi nido do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matria de metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz de metal for mados têm uma forma exterior que corresponde substancialmente à forma interior do meio de barreira.

processo do pedio de patente americano No. 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. l68 284, depositado em de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc

- l4 S. Newkirk e intitulado Metal Matrix

Composites and Techniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento â pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltra ção na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida â medida que a iri filtração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimen to permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da in venção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realização do reservatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais podem também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir a infiltração espontânea se processe substancialmente até os limites(por exemplo, as barreiras) da massa permeá vel de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa quantidade suficiente de modo que não haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, mas também poderia ficar liga de metal fundida em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompósito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estará ligado directamen te ao metal em excesso que fica no reservatório.

Todos os pedidos de patente de matriz de rtie_ tal do mesmo proprietário atrás examinados descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz de metal produzidos por esses processos. As descrições completas de todos os pedidos de patente de uma matriz de metal do mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Além disso, diversos pedidos de patente co16 pendentes e uina patente publicada, também do mesmo proprietário (de aqui em diante por vezes referidos como Pedidos de patente de matriz ceramica do mesmo proprietário), descrevem novos processos para produzir de maneira fiável materiais cerâmicos e materiais compósitos cerâmicos. 0 processo está descrito genericamente na Patente americana do mesmo proprietário No. 4.713.360, publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulada Novel Ceramic Materials and Methods for Making Satne). (Foi publicada uma reprodução estrangeira desta patente no EPO, em 25 de Setembro de 1985» como pedido de patente No. 0 155 831). Esta patente descreve um processo para a produção de corpos cerâmicos auto-suportados, desenvolvidos como produto da reacção de oxidação de um metal precursor de metal original, que reage com um oxidante em fase vapor, para formar um produto da reacção de oxjí dação. 0 metal fundido migra através do produto da reacção de oxidação formado, para reagir com o oxidante, desenvolvendo as sim continuamente um corpo cerâmico policristalino que, se se desejar, pode incluir um componente metálico interligado. 0 processo pode ser promovido ou em certos casos tornado possível pelo uso de um ou mais materiais contaminantes formando liga com o metal original. Por exemplo, no caso da oxidação de alu mínio no ar, é desejável forinar uma liga de magnésio e silício com o alumínio para produzir estruturas cerâmicas de alfa-alu0 processo da patente americana No. 4 713 360 foi aperfeiçoada pela aplicação de materiais contaminantes à su perfície do metal original, como se descreve no pedido de paten te americano copendente do mesmo proprietário, No. 822 999, depositado em 27 de Janeiro de 1986, que é uma adição do pedi do de patente No. 776.965, depositado em 17 de Setembro de 1985, que á uma adição do pedido de patente No. 7^7 788, depc> sitado em 25 de Junho de 1985, que é uma adição do No.632 636, depositado em 20 de Julho de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulados Methods of making Self-Supporting Ceramic Materials (foi publicada uma reprodução estrangeira deste pedido de patente no.EPO em 22 de Janeiro de 1986, como pedido de patente No. 0 169 067).

Um fenómeno de oxidação análogo foi utilizado na produção de corpos compósitos cerâmicos como se descreve no pedido de patente americano copendente do mesmo proprietário No. 819 397, depositado em 17 de Janeiro 1986, que é uma adição do pedido No. 697.876, depositado em 4 de Fevereiro de 1985, ambos em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulado Composite Ceremic Articles and Methods of Making Same (foi publicada uma reprodução estrangeira deste pedido de patente no EPO em 3 de Setembro de 1986 como pedido de patente No.

193 292). Estes pedidos de patente descrevem novos processos para a produção de um corpo compósito cerâmico auto-suportado pelo desenvolvimento de um produto da reacção de oxidação de um precursor do metal original numa massa permeável de materi al de enchimento, (por exemplo, um material de enchimento em partículas de carboneto de silício ou um material de enchimen to em partículas de alumínio), infiltrando-se ou embebendo-se assim o material de enchimento com uma matriz cerâmica. 0 compo sito resultante não tem no entanto qualquer geometria, forma ou configuração definidas ou pré—determinadas.

Um processo para a produção de corpos compó-18-/

sitos cerâmicos, com uma geometria ou forma predeterminada está descrito no pedido de patente americano copendente do mesmo pro prietário No. 861.025, depositado em 8 de Maio de I986, em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulado Shaped Ceramic Composites and Hethods.of Making the Same (uma reprodução estrangeira deste pedido de patente foi publicada no EPO, em 11 de Novembro de 1987 como pedido de patente No. 0 2^5 192). De acordo com o processo deste pedido de patente americano, o produto da reacção de oxidação em desenvolvimento infiltra-se num pré-molde permeável auto-suportado de material de enchimento (por exemplo, um material de pré-molde de alumina ou de carboneto de silício) no sentido de um limite de superfície definido, para dar origem a corpos compósitos geométricos ou modelados pré-determj. nados.

Todos os pedidos de patente de matriz cerâmica do mesmo proprietário atrás examinados descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz cerâmica e corpos compósitos com matriz cerâmica novos que são produzidos a partir dos mesmos. As descrições completas de todos os pedidos de patente de matriz de metal do mesmo proprietário precedentes são aqui expressamente incorporadas por referência.

Como se discute nestes pedidos de patente e na patente da matriz cerâmica do mesmo proprietário, produzem-se novos materiais cerâmicos policristalinos ou materiais compósitos cerâmicos policristalinos pela reacção de oxidação entre um metal original e um oxidante (por exemplo um sólido, um líquido e/ou um gás). De acordo com o processo genérico descrito

nestes pedidos de patente e patente de matriz cerâmica do mes mo proprietário, um metal original (por exemplo alumínio) é aquecido até uma temperatura elevada acima do seu ponto de fu são, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, para formar um corpo de metal original fundido, que reage por contacto com um oxidante para formar o produto da reacção de oxidação. A esta temperatura, o produto da reacção de oxidação, ou pelo menos uma parte do mesmo, está em contac to com e estende-se entre o corpo de metal original fundido e o oxidante, sendo metal fundido arrastado ou transportado através do produto da reacção de oxidação formado no sentido do oxidante. 0 metal fundido transportado forma produto da reacção de oxidação novo adicional em contacto com o oxidante, na superfície do produto da reacção de oxidação formado anteriormente. Enquanto o processo continua, mais metal é transportado através desta formação de produto da reacção de oxida, ção policristalino, fazendo assim, crescer continuamente uma estrutura cerâmica de cristalitos interligados. 0 corpo cerâmico resultante pode conter constituintes metálicos, tais como constituintes não oxidados do metal original e/ou vazios.Oxida çãò é usada no seu sentido lato em todos os pedidos de patente de matriz cerâmica dos mesmos proprietários deste pedido de pa. tente e refere-se à perda ou partilha de electrões por um metal para um oxidante, que pode ser um ou mais elementos e/ou compostos. Consequentemente, podem servir de oxidantes elementos diferentes do oxigénio.

Em certos casos, o metal original pode exi20 gir a presença de um ou mais produtos contaminantes a fim de influenciar favoravelmente ou facilitar o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação. Esses produtos contaminantes podem, pelo menos parcialmente, formar ligas com o metal original em determinado instante durante ou antes do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação. Por exemplo,no caso do alumínio como metal original e o ar como o.xidante,pro dutos contaminantes como o magnésio e o silício, para citar apenas dois de uma classe mais ampla de materiais contaminan tes, podem formar ligas com o alumínio, utilizando-se a liga desenvolvida criada como metal original. 0 produto da reacçao de oxidação resultante dessa liga desenvolvida compreende alumina, tipicamente alfa-alumina.

Descrevem-se e reivindicam—se novas estruturas compósitas cerâmicas e novos processos de fabricação das mesmas e alguns dos referidos pedidos de patente da matriz cerâmica do mesmo proprietário que utilizam a reacção de oxidação para produzir estruturas cerâmicas compósitas que compreendem um material de enchimento substancialmente inerte (Nota: em alguns casos, pode ser desejável usar um material de enchimen to reactivo, por exemplo um material de enchimento que é pelo menos parcialmente reactivo com o produto da reacção de oxida ção que avança e/ou com o metal original) infiltrado pela matriz cerâmica policristalina. Um metal original é colocado adjacente à massa de material de enchimento (ou de um pré-mo_l de) permeáveis que pode ser modelado e tratado para ficar auto-suportado, sendo depois aquecido para formar um corpo de metal original fundido, que reage com um oxidante, como atrás se

descreveu, para formar um produto da reacção de oxidação. Ã medida que o produto da reacção de oxidação se desenvolve e se infiltra no material de enchimento adjacente, metal origi^ nal fundido é arrastado através do produto da reacção de ox^l dação formado anteriormente no interior da massa de material de enchimento e reage com o oxidante para formar produto da reacção de oxidação fresco adicional na superfície do produto da reacção de oxidação formado anteriormente, como se des creve atrás. 0 crescimento resultante do produto da reacção de oxidação infiltra—se ou embebe-se no material de enchimento e produz a formação de uma estrutura compósita cerâmica de uma matriz cerâmica policristalina que embebe o materji al de enchimento. Como também se discutiu atras, o material de enchimento (ou o pré-molde) pode utilizar um meio de barrei ra para estabelecer um limite de superfície para a estrutura compósita cerâmica.

Sumário da invenção

A presente invenção refere-se a um processo aperfeiçoado para a formação de um corpo compósito com matriz de metal pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento ou de um pré-molde, que compreende um produto da reac ção de oxidação policristalino triturado, que é desenvolvido por uma reacção de oxidação entre um metal original fundido e um oxidante, de acordo com os ensinamentos dos pedidos de patente da matriz cerâmica do mesmo proprietário. Descobriu—se inesperadamente que a forma triturada do produto da reacção de oxidação policristalino proporciona uma cinética melhora—

r.

da da infiltração de um metal da matriz numa massa permeável de material de enchimento ou num pré-molde, e/ou temperaturas do processo mais baixas e/ou uma menor probabilidade de reacções metal/partícuias e/ou custo menores. Além disso, a presente invenção pode obter percentagens, em volume, maiores de material de enchimento.

Uma vez obtido e formado um produto da reac ção de oxidação policristalino triturado num material de enchimento ou num pré-molde, um corpo compósito com matriz de metal é então produzido pela infiltração da massa permeável de material de enchimento ou do pré-molde. Especificamente, um intensi Ticador de infiltração e/ou um precursor de intensi ficador de infiltração e/ou uma atmosfera infiitrante estão em comunicação com o material de enchimento ou com um pré—mol de, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz fundido se infiltre esponta neamente no material de enchimento ou no pré-molde. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensificador de infiltração directamente ao pré-molde e/ou á massa de material de enchimento e/ou ao metal da matriz. Finalmente, pelo menos duran te a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado pelo menos numa porção do material de enchimento ou do pré-molde.

Por exemplo, coloca-se um metal da matriz (por exemplo uma liga de alumínio) de modo que ele fica em comunicação com uma superfície de uma massa permeável de mate

C.X rial de enchimento ou com um pré-molde (por exemplo partículas, filamentos e/ou fibras de cerâmica), de modo que, quando o metal da matriz está no estado fundido, ele pode infiltrar-se espontaneamente na massa permeável de material de enchimento ou no pré-molde. Além disso, se não se fornecer inerentemente um intensificador de infiltração ou um precursor de intensificador de infiltração pelo produto da reacção de oxi dação policristalino triturado, pode adicionar-se o mesmo ao metal da matriz e/ou ao produto da reacção de oxidação triturado (quer como material de enchimento quer como pré-molde).

A combinação do produto da reacção de oxidação policristalino pulverizado, do metal da matriz, do precursor de intensificador de infiltração e/ou intensificador de infiltração forneci dos e da atmosfera infiltrante faz com que o metal da matriz se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde.

no

Faz-se notar que este pedido de patente dis^ cute principalmente os metais da matriz de alumínio que, em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, são postos em contacto com magnésio, que funciona como precursor de intensificador de infiltração, na presença de azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da ma triz/precursor de intensifica dor de infiltraç3o/a tmosfera infiltrante de alumínio/inagné sio/ /azoto apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/pre cursor de intensificador de infi_l tração/atmosfera infiltrante podem também comportar-se de ma-

exemplo, abservou-se um comportamento de infiltração espontâ^ nea análogo no sistema de alumrnio/estróncio/azoto no siste ma de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de aluinrnio/cálcio/azoto. Consequentemente, embora se discuta aqui principalmente o sistema de aluinínio/magnésio/azoto, deve entender -se que outros sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga, pretendendo-se que eles sejam abrangidos pela presente invenção.

Quando o metal da matriz compreende uma l_i ga de alumínio e o produto da reacção de oxidação policrista lino triturado compreende um produto da reacção de oxidação policristalino de alumina em partículas, a liga de alumínio é posta em contacto com o pré-molde ou com o material de enchimento, na presença, por exemplo, de magnésio e/ou pode ser exposta ao magnésio em determinado instante durante o processo. Λ liga de alumínio e o material de enchimento ou o pré-molde estão contidos numa atmosfera de azoto durante pelo menos uma parte do processo. Nestas condições, o pré-molde ou o material de enchimento serão infiltrados espontaneamente e a extensão ou velocidade de infiltração espontânea e a formação do corpo compósito com matriz de metal variarão coin o conjunto de condições de processamento dado, incluindo, por exemplo, a concentração de precrusor de intensificador de infiltração (por exemplo magnésio) e/ou do intensificador de in filtração fornecidos ao sistema (por exemplo na liga de alunrí nio e/ou no pré-molde), as dimensões e/ou a composição do mate

terial de enchimento ou do pre-molde, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que a infiltração ocorre. A infiltra, ção espontânea ocorre tipicamente numa extensão suficiente para embeber substancialmente e completamente o pré-molde ou o material de enchimento.

De f iniçõe s:

Alumínio, como aqui é usado, em ligação com os corpos compósitos com matriz cerâmica e os corpos compósitos com matriz de metal significa e inclui o metal substancialmente puro (por exemplo, vim alumínio sem liga, relativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus de metal e de ligas do metal, tais como os metais comercialmente disponíveis com impurezas e/ou elementos de liga, tais como ferro, silício, cobre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc. Uma liga de alumínio para fins da presente definição é uma liga ou composto internietálico em que o alumínio é o constitu inte principal.

Gás restante não oxidante, como aqui é usado, em ligação corn os corpos compósitos com matriz de metal significa que qualquer gás presente além do 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 condições do processo. Qualquer gás oxidante que pos sa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas condições do processo.

Barreira ou meio de barreira. como aqui se descreve, em ligação com corpos compósitos com matriz de metal significa qualquer material, composto, elemento, compo sição ou similar que, nas condições do processo mantém uma certa integridade, é substancialmente não volátil (isto é, o material de barreira não se volatiliza numa medida tal que se torne não funcional como barreira) e é de preferência permeável a um oxidante em fase de vapor (se for utilizado) enquanto é susceptível de localmente inibir, contaminar, interromper, interferir com, impedir ou similar, o crescimento contínuo do produto da reacção de oxidação.

Barreira ou meio de barreira, como aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma 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 ba rre ira.

Além disso, os meios de barreira apropriai dos incluem materiais que são sub s tanc ialinen te não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas condições do processo utilizadas. Uma barreira deste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde é impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfuração da barreira, para permitir que o gás contacte com o metal da matriz fundido.

Carcaça ou Carcaça de metal original ou Carcaça de metal da matriz, como aqui é usado, refere-se ao corpo original de metal original e/ou ao metal da matriz restantes, que não foram consumidos durante a formação do corpo cerâmico, do corpo compósito cerâmico ou corpo compósito com matriz de metal e que, tipicamente, fica pelo menos em contacto parcial com o corpo formado. Deve entender-se que a carcaça pode também incluir tipicamente quaisquer constituir) tes oxidados do metal original ou do metal da matriz e/ou um segundo metal ou metal estranho.

Cerâmico, como é aqui usado, não deve ser indevidamente entendido como limitando-se a um corpo cerâmico no sentido clássico, isto é, no sentido de ser constituído inteiramente por materiais não metálicos e inorgânicos, referindo-se sim a um corpo que é predominantemente cerâmico relativamente à composição ou âs propriedades dominan tes, einbora o corpo possa conter quantidades pequenas ou subs

..s tanciais de um ou mais constituintes metálicos (isolados e/ou interligados, conforme as condições de processamento usadas para formar o corpo) derivados do metal original, ou reduzidos a partir do oxidante ou de um contaminante, o mais tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 1 a 40 em volume, podendo no entanto conter ainda mais metal.

''Materiais contaminantes, como aqui é usa do, em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica,si£ nifica materiais (componentes de liga ou componentes combina dos com e/ou incluídos e/ou no interior de ou sobre um material de enchimento) que, quando usado em combinação com o me tal original, influenciam favoravelmente ou promovem o processo da reacção de oxidação e/ou modificam o processo de crescimento, para alterar a microestrutura e/ou as propriedades do produto. Embora não desejando ficar limitados por qualquer teoria ou explicação particulares da função dos con taminantes, parece que alguns contaminantes são úteis na pro moção da formação de produto da reacção de oxidação, em casos em que não existam intrinsecamente relações apropriadas de energia de superfície entre o metal original e o seu produto da reacção de oxidação, de modo a promover essa formação. Os contaminantes podem:

criar relações favoráveis de energia de su perfície que intensificam ou induzem o molhamento do produto da reacção de oxidação pelo metal original fundido;

formar uma camada de precursor na superfície de crescimento por reacção com uma liga, um oxidante e/ou um material de enchimento que (a) minimiza a formação de uma ou mais camadas protectoras e coerentes de produto da reacção de oxidação (b) pode melhorar a solubilidade (e, portanto, a permeabilidade) do oxidante no metal fundai do e/ou (c) permite o transporte de oxidante da atmosfera oxidante através de qualquer camada de óxido precursor para se combinar subsequentemente com o metal fundido para for; mar um outro produto da reacção de oxidação, provoca modifi^ cações microestruturais do produto da reacção de oxidação enquanto se forma ou subsequentemente, alteram a composição dos constituintes metálicos e as propriedades de tal produto da reacção de oxidação; e/ou melhoram a nucleação do crescimento e a uniformidade de crescimento do produto da reacção de oxidação.

Material de enchimento , como aqui e usa. do, em ligação quer com a matriz de metal quer com os corpos compósitos com matriz cerâmica pretende-se que inclua quer constituintes individuais, quer misturas de constituintes substancialmente não reactivos, com o metal da matriz e/ou com solubilidade reduzida no mesmo (por exemplo metal origiL nal) e/ou produto da reacção de oxidação podendo ser de fase única ou com várias fases. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados com uma ampla variedade de formas tais como pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emara nhados, pérolas, etc. e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimento podem também incluir materiais de enchimento cerâmicos,tais como, a aiumina, ou o carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, pero las, esferas, mantos de fibras ou similares e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbo no revestidas com alumina ou carboneto de silício para prote ger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento também podem incluir metais.

Liga desenvolvida, como aqui e usado, em ligação com corpos cerâmicos ou compósitos cerâmicos, significa qualquer liga contendo inicialmente, ou obtendo em determinado instante durante o processamento, uma quantidade suficiente de constituintes necessários para provocar o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação.

Atmosfera infiltrante, como aqui é usado, em ligação com corpos compósitos com matriz de metal 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 intensificador de infiltração e/ou o intensificador de infiltração e permite ou intensifica a ocorrência da infiltração espontânea do metal da matriz ocorra.

Intensificador de infiltração, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz de metal significa um material que promove ou auxilia a infiltração es pontânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado, por

- 31 L, exemplo, a partir de uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (l) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmos fera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde (e/ou ao metal da matriz e/ou â atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à de um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o precursor de intensificador de infiltração e outras espécies. Finalmen te, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensify cador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ou precursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz de metal significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensifj. cador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de

- 32 L {éintensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal de matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/ /precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infil tração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da,temperatura a que o metal de matriz se funde. Essa volatilização pode levar a: (l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltran te para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento do material de enchimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde o que intensif fica o molhamento; e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do mate rial de enchimento ou do pré-molde, o que intensifica o molha— men to.

ou oxidante corpos compósino qual o líqui. te ou pelo menos nas condições do

Oxidante em fase líquida

1íquido, como aqui é usado, em ligação com os tos com matriz cerâmica, significa um oxidante do identificado é o oxidante único, predominan significativo do metal original ou precursor, processo.

A referência a um oxidante líquido signifi- 33

ca um oxidante que é um líquido nas condições da reacção de oxidação. C_onseq_uen^_{emenx;e ( um} oxidante líquido pode ter um precursor sólido, tal como um sal, que funde nas condições da reacção de oxidação. Em alternativa, o oxidante líquido pode ter um precursor líquido (por exemplo, uma solução de um mate rial), que é usado para impregnar uma parte do ou todo o mate rial de enchimento e que funde ou é decomposto nas condições da reacção de oxidação para proporcionar urna fracção oxidante adequada. Exemplos de oxidantes líquidos como aqui se definem incluem os vidros com baixo ponto de fusão.

Se se utilizar um oxidante líquido em liga_ ção com o metal original e um material de enchimento, tipicamente, todo o leito de material de enchimento, ou a porção que compreende o corpo cerâniico desejado, e impregnado com o oxidante (por exemplo, por revestimento ou imersão no oxidante).

Metal de matriz” ou liga de metal da matriz, como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, an tes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal (por exemplo, depois da infiltração). Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, deve entender-se que esse metal da matriz inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou elementos de liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante

- 3^

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante ou Sistema espontâneo, como aqui é usado, em ligação com corpos compósitos com matriz de metal, refere-se à combinação de mate riais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou ma terial de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de uma maneira particular, apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchi mento.

Compósito com matriz de metal ou MMC , como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz de metal, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi-ou tridimencionalmente, que embebeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para proporcionar proprie dades mecânicas e físicas especificamente desejadas no compósito resultante.

Um metal diferente , como aqui e usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica e/ou corpos compósitos com matriz de metal, significa um metal que não contém, como constituinte primário, o mesmo metal que o metal da matriz ou o metal original (por exemplo, se o constituinte primário do metal da matriz ou o metal original for o alumínio, o metal diferente poderia ter um constituinte primário, por

X exemplo, de níquel).

Oxidante gasoso contendo azoto”, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica, e um gás ou um vapor particular no qual o azoto é o oxidante único, predominante ou pelo menos significativo do metal original ou no metal percursor, nas condições existentes no ambi ente oxidante utilizado.

Oxidante, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica, significa um ou mais aceitadores de electrões ou partilhadorcs de electrões adequados e pode ser um sólido, um líquido ou um gás ou uma combinação dos mesmos (por exemplo, um sólido e um gás) nas condições da reacção de oxidação. Oxidantes típicos incluem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selónio, o telúrio e/ou compostos e combinações dos mesmos, por exemplo, sílica ou silicatos (como fonte de oxigénio), inetano, etano, propa no, acetileno, etileno, propileno (o hidrocarboneto como uma fonte de carbono) e misturas, tais como o ar, H₉/H_qO e CO/CO_?(fonte de oxigénio), sendo os dois últimos (isto é, Η /H 0 e co/co) utilizáveis na redução da actividade do oxigénio do ambiente.

Produto da reacção de oxidação, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica, significa um ou mais metais em qualquer estado oxidado no qual o ou os metais cederam electrões ou compartilharam electrões com outro elemento, composto, ou combinação dos mesmos. Conse- 36

quentemente, um produto da reacção de oxidação segundo esta definição inclui o produto da reacção de um ou mais metais com um ou mais oxidantes.

Oxidante gasoso contendo oxigénio, como é aqui usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâm_i ca, é um gás ou vapor particular no qual o oxigénio é o oxidan te único, predominante ou pelo menos significativo ou o metal original ou o metal precursor, nas condições existentes no ambiente oxidante utilizado.

Metal original, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica, significa o ou os metais (por exemplo, o alumínio, o silício, o titânio, o estanho e/ou o zircónio) que são precursores de um produto da reacção de oxidação policristalino e inclui o ou os metais com um metal essencialmente puro, um metal existente comercialmente, com impurezas e/ou componentes de liga, ou uma liga na qual o precursor do metal é o constituinte principal. Quando se meri ciona um metal especificado como metal original ou precursor (por exemplo, o alumínio, etc.), o metal identificado deve ser considerado com esta definição em mente, a menos que seja indi.

cado de outro modo pelo contexto.

Pré-molde ou pré-molde permeável, como aqui usado, em ligação com corpos compósitos com matriz de metal e com corpos compósitos com matriz de ceramica, significa uma massa porosa de material de enchimento ou um material de enchi, mento que é preparada com pelo menos um limite de superfície que define substancialmente um limite para infiltração do metal t

da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fideli. dade dimensional antes de ser infiltrada pelo metal da matriz.

A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à in filtração espontânea do metal da matriz no seu interior. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição li. gados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exem pio, um material em partículas, em pó, fibras, filamentos emara nhados, etc. de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

Reservatório”, como aqui é usado, significa um corpo de metal original ou de metal da matriz na massa permeável posicionado em relação a uma massa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fun dido, pode fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicialmente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal original ou de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou com o pré-molde, e que se infiltra ou reage para formar o produto da reacção de oxida ção. 0 reservatório também pode ser usado para proporcionar um metal diferente do metal da matriz.

Segundo metal ou metal estranho, como aqui é usado em ligação com corpos compósitos de matriz ceramica ou de metal, significa qualquer metal, combinação de metais, ligas, compostos intermetálicos, ou fontes de qualquer deles apro priados que é, ou se deseja que seja, incorporado no componente metálico de um corpo compósito com matriz ceramica ou de metal

formado, em vez de, além de, ou em combinação com constituintes não oxidados do metal original. Essa definição inclui com postos intermetálicos, ligas, soluções sólidas ou similares formados entre o metal original e um segundo metal.

Oxidante em fase sólida” ou Oxidante sólido. como aqui é usado em ligação com corpos compósitos com matriz cerâmica, significa um oxidante no qual o sólido identificado é o oxidante único, predominante ou pelo menos significativo do metal original ou do precursor nas condições do processo.

Quando se utiliza um oxidante sólido em liga ção com o metal original e um material de enchimento, ele usii almente está disperso por todo o leito de material de enchimento ou na porção do leito para cujo interior o produto da reacção de oxidação se desenvolverá, sendo o oxidante sólido, por exemplo, um material em partículas misturado com o material de enchimento ou revestimentos nas partículas de material de enchimento. Pode assim utilizar-se qualquer oxidante sólido adequado, incluindo elementos, tais como o boro ou o carbono, ou compostos redutíveis, tais como o dióxido de silício ou cer tos boretos de estabilidade termodinâmica inferior à do produto da reacção com boreto do metal original. Por exemplo, quando se utilizar boro ou um boreto redutível como oxidante sólido para um metal original de alumínio, o produto da reacção de oxi dação resultante compreende boreto de alumínio.

Em alguns casos, a reacção de oxidação do me tal original pode progredir tão rapidamente com um oxidante só lido que o produto da reacção de oxidação tende a fundir, devi do à natureza exotérmica do processo. Esta ocorrência pode degradar a uniformidade microestrutural do corpo cerâmico. Esta reacçao exotérmica pode ser melhorada misturando na composição materiais de enchimento relativamente inertes, que absorvem o calor em excesso. Um exemplo de um tal material de enchimento inerte adequado é um material que seja idêntico, ou substancialmente idêntico, ao produto da reacção de oxidação pretendido.

Infiltração espontânea, como aqui e usado em ligação com corpos compósitos com matriz de metal, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeável de materi al de enchimento ou pré-molde, que se verifica sem a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados externamente quer criados internarne nte).

Oxidante em fase de vapor , como aqui é usado, em ligação com corpos compósitos com matriz ceramica, identifica o oxidante como contendo ou compreendendo um gás ou Vapor particulares e significa um oxidante no qual o gás ou vapor identificado é o oxidante único, predominante ou pelo menos significativo do metal original ou precursor, nas conições obtidas no ambiente oxidante utilizado. Por exemplo, embora o principal constituinte do ar seja o azoto, o conteúdo de oxig«í nio do ar é o único oxidante para o metal original porque o oxigénio é um oxidante significativamente mais forte do que o azoto. Portanto, o ar está dentro da definição de um oxidari te gasoso, contendo oxigénio, mas não dentro da definição de um oxidante gasoso contendo azoto (um exemplo de um oxidan te gasoso contendo azoto é o gás de formação que, tipicamente

- 4ο contém cerca de 96 por cento, em volume, de azoto e cerca de 4 por cento, em volume, de hidrogénio) tal como aqueles termos são usados aqui e nas reivindicações.

Breve descrição das figuras

As figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da presente invenção, mas não se pretende que limitem o escopo da presente invenção. Os números de referência iguais são usados sempre que possível em todas as figuras para indicar os mesmos componentes representando as figuras dos desenhos:

A fig. 1, um corte transversal esquemático de uma montagem de materiais utilizados para produzir um corpo compósito cerâmico de acordo com o Exemplo 1;

A fig. 2, um corte transversal esquemático de uma montagem dos materiais utilizados para produzir um corpo compósito com matriz de metal de acordo com o Exemplo 1;

A fig. 3, uma microfotografia com a ampliação de J|00 x de um corte do corpo compósito com matriz de metal formado de acordo com o Exemplo 1.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

Para formar um corpo cerâmico ou um compósito cerâmico, que deve ser triturado de acordo com o processo da presente invenção (isto é, para formar um material de enchimen to ou um pré-molde para utilizar na formação de corpos compósitos com matriz de metal), modela-se um metal original (isto

- 41 é, a liga em desenvolvimento), que pode ser contaminada como se explica mais adiante com mais pormenor, sob a forma de um lingote, um bilete, uma barra, uma placa ou similares, que é colocado no interior de ou está contido no interior de um lei to inerte, de um cadinho ou de outro recipiente refractário.0 metal original pode ser constituído por uma ou mais peças, lin gotes ou similares e pode ser adequadamente modelado por qual quer meio apropriado. 0 metal original pode ser oxidado em l_i gação com um material contaminante (descrito mais adiante cóm mais pormenor). Prepara-se uma massa permeável de material de enchimento ou, numa forma de realização preferida, um pré-mo^L de modelado, permeável (descrito mais adiante com mais porme nor) de modo a ter pelo menos um limite de superfície definido e ser permeável a um oxidante na fase vapor, quando um tal oxidante na fase de vapor for usado, sozinho ou em combinação com outro oxidante, e ser permeável ao produto da reacção de oxidação infiltrante, quando se utiliza uma massa permeável podendo o metal original ser colocado no topo da massa permejí vel. Em alternativa, o pré-molde é colocado adjacente e, de preferência, em contacto com pelo menos uma superfície ou uma porção de uma superfície do metal original, de modo que pelo menos uma porção do limite de superfície definido do pré-molde é geralmente colocado distante ou afastado para fora da su perfície do metal original. 0 pré-molde de preferência fica em contacto com uma superfície do metal original; mas, quando se desejar, o pré-molde pode ficar parcialmente imerso, mas não totalmente imerso, no metal fundido. A imersão total inter romperia ou bloquearia o acesso do oxidante em fase de vapor ao pré-molde inibindo assim, o desenvolvimento adequado do pro duto da reacçSo de oxidação, que impregna o pré-molde. Contudo, quando não se utilizar um oxidante em fase de vapor (isto é, o único oxidante usado nas condições do processo é um oxidante sólido ou um oxidante líquido), então a imersão total do pré-molde num metal original fundido torna-se uma alternativa viá vel. A formação do produto da reacção de oxidação ocorrerá no sentido do limite de superfície definido. 0 conjunto do metal original e da massa permeável ou pré-molde é colocado num recipiente adequado, tal como uma barquinha formada por alumina ou um refractário susceptível de ser vazado, e inserido num forno. A atmosfera no forno pode conter um oxidante para permi tir que se verifique a oxidação em fase de vapor de metal original fundido. Aquece-se depois o forno até às condições do processoi Adicionalmente, usa-se tipicamente o aquecimento eléctrico para se obter a temperatura utilizada pela presente invenção. Contudo, é aceitável para utilizar na presente invenção qualquer meio de aquecimento que possa produzir o desen volvimento da reacção de oxidação e fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente ambos.

Um pré-molde utilizável na fabricação do corpo compósito, quando pelo menos um oxidante for um oxidante em fase de vapor, é um pré-molde que é suficientemente poroso ou permeável para permitir que o oxidante em fase de vapor atravesse os poros do pré-molde de modo a entrar em contacto com o metal original. 0 pré-molde deve também ser auto-suportado e suficientemente permeável para se adaptar ao desenvolvimento ou crescimento do produto da reacção de oxidação como uma mac

- 43 triz no interior do pré-molde, sem substancialmente perturbar, impedir ou de outro modo alterar a configuração ou geo metria do pré-molde.

Pode utilizar-se um oxidante sólido, líquido ou em fase de vapor, ou uma combinação desses oxidantes.

Por exemplo, os oxidantes típicos incluem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogenio, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e/ou compostos e suas combinações, dos mesmos, por exemplo, a sílica (como fonte de oxigénio), o metano, o etano, o propano, o ace tileno, o etileno e o propileno (como fontes de carbono) e misturas tais como o arjH^/H^O e o CO/CO^, sendo os dois últimis (isto é, Hg/HgO e CO/CO^) utilizáveis em redução da actividade do oxigénio do ambiente. Consequentemente, a estrutura cerâmica da invenção pode compreender um produto da reac ção de oxidação, compreendendo um ou mais dos seguintes compostos: óxidos, nitretos, carbonetos, boretos e oxinitretos.

Mais especificamente, o produto da reacção de oxidação pode, por exemplo, ser um ou mais dos seguintes compostos: óxido de alumínio, nitreto de alumínio, carbonetos de silício, boreto de silício boreto de alumínio, nitreto de titânio, nitreto de zircônio, boreto de titânio, boreto de zircônio, carboneto de titânio, carboneto de zircônio, nitreto de silício, boreto de háfnio e óxido de estanho. Embora a reacção de oxidação seja usualmente descrita como empregando um oxidante em fase de va por, sozinho ou em ligação com um oxidante, sólido ou líquido, nas condições do processo, deve entender-se que não é necessária a utilização de um oxidante em fase de vapor para pro44 = duzir um corpo compósito com matriz cerâmica. Quando não se utilizar um oxidante em fase de vapor e for usado um oxidante ou líquido nas condições do processo, o pré-molde não precisa ser permeável à atmosfera circundante. Contudo, o pré-molde deve ser suficientemente perméável para se adaptar ao desenvol^ vimento ou crescimento do produto da reacção de oxidação como uma matriz no interior do pré-molde, sem perturbar, impedir ou de outro modo alterar substancialmente a configuração ou a geo^ metria do pré-molde.

uso de oxidantes sólidos ou líquidos pode criar um ambiente no interior do pré-molde mais favorável à c^L nética de oxidação do metal original que o ambiente fora do pré-molde. Esse ambiente melhorado é benéfico para promover o desenvolvimento no interior do pré-molde até ao limite e minimizar o crescimento excessivo. Quando se utilizar um oxidante sólico, ele pode estar disperso através de todo o pré-molde ou através de uma porção do pré-molde adjacente ao metal original, por exemplo sob a forma de partículas e misturado com o pré-molde, ou pode ser utilizado como revestimento sobre as parti cuias que constituem o pré-molde. Os oxidantes sólidos adequados podem incluir elementos adequados, tais como o boro, ou o carbono, ou compostos redutíveis adequados tais como o dióxido de silício (como fonte de oxigénio) ou certos boretos de estabilidade termodinâmica menor que a do produto da reacção de bc? reto do metal original.

Se se utilizar um oxidante líquido, o oxidan te líquido pode estar disperso por todo o pré-molde ou por uma /Μ porção do mesmo adjacente ao metal original fundido. A referên cia a um oxidante líquido significa um oxidante que é um líqui do nas condições da reacção de oxidação podendo assim um oxidante líquido ter um precursor sólido, tal como um sal que fun de ou é líquido nas condições da reacção de oxidação. Em alter nativa, o oxidante líquido pode ser um precursor líquido, por exemplo uma solução de um material que é usado para revestir uma parte ou todas as superfícies porosas do pré-molde e que funde ou é decomposto nas condições do processo para proporcijo nar uma fracção oxidante adequada. Exemplos de oxidantes líqui^ dos, como aqui se definem, incluem vidros com baixo ponto de fusão.

Como se explica nos pedidos de patente e na patente do mesmo proprietário, a adição de materiais contaminantes em ligação com, por exemplo, metal original de alumínio, pode influenciar favoravelmente o processo da reacção de oxida ção. A função ou funções do material contaminante pode depender de um certo número de outros factores que não o próprio material contaminante. Esses factores incluem, por exemplo, o produto final desejado, a combinação particular de contaminantes, quando se utilizarem dois ou mais contaminantes,. o uso de contaminantes aplicados externamente em combinação com um contaminante componente da liga, a concentração do ou dos contaminantes, o ambiente de oxidação e as condições do processo.

contaminante ou os contaminantes usados em ligação com o metal original (l) podem ser proporcionados como componentes de liga do metal original, (2) podem ser aplicados a pelo menos uma porção da superfície do metal original, por

- 46 L revestimento por pulverização ou pintura, (3) podem ser adicionados ao material de enchimento, ou podendo usar-se qualquer combinação das técnicas (l), (2) e (3). Por exemplo, pode utilizar-se um contaminante como componente da liga em combinação com um contaminante aplicado externamente. Pode pro^ porcionar-se uma fonte ou contaminante colocando um pó contaminante ou um corpo rígido de contaminante em contacto com pelo menos uma porção da superfície de metal original. Por e xemplo, pode colocar-se uma folha fina de vidro contendo silí cio sobre uma superfície de um metal original de alumínio. Quando se aquecer o metal original de alumínio (que pode ser contaminado internamente com Mg), sobrepujado pelo material contendo silício, num ambiente oxidante (por exemplo, no caso de alumínio em ar, entre cerca de 85O°C e cerca de l45O°C, de preferência cerca de 900°C a cerca de 135O°C» verifica-se o desenvolvimento do material cerâmico policristalino. No caso de o contaminante ser aplicado externamente a pelo menos uma porção da superfície do metal original de alumínio policristalino em geral cresce substancialmente para além da camada de contaminante (isto é, para além da profundidade da camada de dopante aplicada). Em qualquer caso, pode aplicar-se um ou mais dos contaminantes externamente a superfície de metal original. Adicionalmente, quaisquer deficiências de concentração dos contaminantes como componentes de ligas no interior do metal original podem ser aumentadas pelo aumento da concentração do ou dos respectivos contaminantes, aplicados externamente ao metal original. Os contaminantes utilizáveis com um metal ori ginal de alumínio, particularmente com ar como oxidante, inc- 47 luem, por exemplo, o magnésio, o zinco e o silício, em combina ção uns com os outros ou em combinação com outros componentes descritos mais adiante. Estes metais, ou uma fonte adequada dos metais, podem formar ligas no metal original à base de alu mínio, com concentrações, para cada um deles, entre cerca de 0,1 e 10$, em peso, com base no peso total de metal contaminado resultante. Parece que as concentrações dentro destes limi tes iniciam o desenvolvimento da cerâmica, melhoram o transpor te de metal e influenciam favoravelmente a morfologia de crescimento do produto da reacção de oxidação resultante. A gama de concentrações para qualquer dos contaminantes dependerá de factores tais como a combinação dos contaminantes e a temperatura do processo.

Outros contaminantes que são eficazes para a promoção do desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino de alumina, a partir de sistemas de metal original de alumínio, são, por exemplo, o germânio, o estanho e o chumbo, especialmente quando usados em combinação com o magnésio. Um dos metais destes outros contaminantes, ou uma fonte adequada dos mesmos, forma ligas no interior do sistema de me tal original de alumínio com concentrações, para cada um deles de cerca de 0,5 a cerca de 15 $, em peso, da liga total; contudo, obtém-se uma cinética de crescimento e uma morfologia de crescimento mais desejáveis com concentrações de contaminantes na gama de cerca de 1 a 10 $, em peso, da liga de metal original total. 0 chumbo como contaminante, geralmente forma ligas no interior do metal original à base de alumínio, a uma temperatura de pelo menos 1000°C, de modo a ter em conta a sua baixa

solubilidade no alumínio; contudo, a adição de outros componen tes de liga, tais como o estanho, geralmente aumentará a solubilidade do chumbo e permitirá que os materiais de liga sejam adicionados a uma temperatura mais baixa.

No caso de um metal original de alumínio e com o ar como oxidante, as combinações particularmente úteis de contaminante incluem (a) o magnésio e o silício ou (b) o magnésio, o zinco e o silício. Nesses exemplos, uma concentração de magnésio preferida situa-se na gama de cerca de 0,1 a

cerca	de	3	em	peso,	para o	zinco na	gama de	cerca de	1	a
cerca	de	6	em	peso,	e para	silício,	na gama	de cerca	de	1 a
cerca	de	10 %,	em	peso	•

Outros exemplos de materiais contaminantes utilizáveis com um metal original de alumínio, incluem o sódio e o lítio, que podem ser usados individualmente ou em combinação com um ou mais outros contaminantes, conforme as condições do processo. 0 sódio e o lítio podem ser usados em quantidades muito pequenas (na gama das partes por milhão, tipicamente cerca de 100 a 200 partes por milhão) e cada um deles pode ser usa do sozinho ou em conjunto, ou em combinação com outro ou outros contaminantes. O cálcio, o boro, o fósforo, o ítrio e elementos das terras raras, tais como o cério, o lantânio, o praseodí mio e o samário, são também contaminantes utilizáveis , também aqui especiaimente quando usados em combinação com outros comtaminantes.

Os materiais contaminantes, quando usados externamente, são usualmente aplicados a uma porção de uma super49 -

fície do metal original como um revestimento uniforme sobre o mesmo. A quantidade de contaminante é eficiente numa ampla gama, relativamente à quantidade de metal original à que é aplicada e, no caso do alumínio, não tiveram êxito experiências feitas para identificar limites operáveis, quer superior, quer inferior. Por exemplo, quando se utiliza silício sob a forma de dióxido de silício aplicado externamente, como contaminante com um metal original à base de alumínio, usando ar ou oxigénio como oxidante, têm sido usadas quantidades tão baixas como 0,00003 gramas de silício por grama de metal original, ou cerca de 0,0001 grama de silício por centímetro quadrado de super fície de metal original exposta, juntamente com uma segunda fonte de magnésio, para produzir o fenómeno do crescimento da cerâmica policristalina. Verificou—se também que pode obter—se uma estrutura cerâmica a partir de um metal original de liga de alumínio-silício, usando ar ou oxigénio como oxidante, utilizando MgO como contaminante numa quantidade maior que cerca de 0,0008 gramas de Mg por grama de metal original a oxidar e maior que 0,003 gramas de Mg por centímetro quadrado de superfície de metal original a que o MgO é aplicado.

Quando o metal original for alumínio contaminado internamente com magnésio e o meio oxidante for ar ou oxigénio, tem sido observado que o magnésio é pelo menos parci^ almente oxidado fora da liga a temperaturas de cerca de 820 a 95O°C. Em tais casos de sistemas contaminados com magnésio, o magnésio forma um óxido de magnésio e/ou uma fase de espinela de aluminato de magnésio na superfície da liga de alumínio fun dido e, durante o processo de crescimento, tais compostos de

magnésio permanecem principalmente na superfície de óxido ini ciai da liga de metal original (por exemplo, a superfície de iniciação) na estrutura cerâmica desenvolvida. Assim, em tais sistemas contaminados com magnésio, produz-se uma estru tura à base de óxido de alumínio afastada da camada relativamente fina de espinela de aluminato de magnésio na superfície de iniciação. Quando se desejar essa superfície de iniciação pode ser facilmente removida por exemplo por rectificação, ma quinagem, polimento ou por jacto de areia, antes de utilizar o produto cerâmico policristalino.

Numa outra forma de realização da presente invenção, durante o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino, pode introduzir-se um oxidante diferente em fase vapor. Neste contexto, diferente deve entender-se como significando ter uma composição quimicamente dife^ rente da composição de um oxidante inicial em fase vapor (ou sólida). Assim, o segundo produto da reacção de oxidação formado com o oxidante em fase vapor diferente terá como con sequência a formação de dois corpos cerâmicos ou duas fases fixados integralmente um ao outro com propriedades graduadas (por exemplo, pode formar—se uma camada num corpo compósito cerâmico formado primeiramente).

Numa outra forma de realização, forma completamente primeiro um corpo compósito cerâmico e, em seguida, expõe-se o corpo compósito cerâmico completamente formado a um oxidante, de preferência um oxidante diferente do que foi usado para formar o produto da reacção de oxidação, que serve

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como matriz para o material de enchimento embebido no corpo com posito cerâmico. Nesta outra forma de realização, metal original residual interligado no corpo compósito cerâmico é arrastado no sentido de pelo menos uma superfície do corpo compósito cerâmico e é levado a reagir com o oxidante diferente’,' forman do assim um produto da reacção de oxidação diferente num substrato de um primeiro produto da reacção de oxidação formado.

Ainda noutra forma de realização da presente invenção, pode pre-determinar—se o constituinte metálico no cor po compósito cerâmico modificando a sua composição. Especifica mente, por exemplo, um segundo metal pode formar uma liga com, ou difundir-se no metal original,por exemplo durante o crescimento do produto da reacção de oxidação para alterar favoravel mente a composição e, desse modo, as propriedades mecânicas, eléctricas e/ou químicas do metal original.

Para auxiliar a formação de um corpo compósito cerâmico moldado, pode usar-se um meio de barreira em ligação com um material de enchimento ou um pré-molde. Especificamente, um meio de barreira apropriado para ser usado com a pre sente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfere com, inibe ou termina o crescimento ou o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação. Os meios de barreira apropria dos podem ser qualquer material, composto, elemento, composição, ou similar que, nas condições do processo da presente invenção, mantém alguma integridade, não é volátil e é de preferência permeável a um oxidante em fase vapor, se se usar um oxidante em fase vapor, ao mesmo tempo que é capaz de localmen te inibir, contaminar, deter, interferir com, impedir ou simi. lar, a continuação do crescimento do produto da reacção de oxi dação.

Parece que uma categoria de meios de barrei ra é a classe de materiais que pode ser substancialmente não molhável pelo metal original fundido transportado. Uma barrei ra deste tipo parece mostrar substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal fundido, sendo o crescimento interrompi do ou inibido pelo meio de barreira. Outras barreiras tendem a reagir com o metal original fundido transportado para inibir a continuação do crescimento, dissolvendo e diluindo o metal transportado em excesso ou formando produtos da reacção sólidos (por exemplo, compostos intermetálicos, que obstruem o pro cesso de transporte de metal fundido). Uma barreira deste tipo pode ser um metal ou uma liga de metal, incluindo qualquer precursor adequado, tal como um óxido ou um composto de metal redutível ou um material cerâmico denso. Devido à nature za do processo de inibição ou obstrução do crescimento com este tipo de barreira, o crescimento pode estender-se para o interior ou um pouco para além da barreira, antes de terminar o crescimento. Não obstante, a barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto da reacção de oxidação formado. Como atrás se mencionou, a barrei ra deve de preferência ser permeável ou porosa e, portanto, quando se utiliza uma parede sólida, impermeável, a barreira de ve ser aberta pelo menos numa zonaou numa ou nas duas as extremidades, para permitir que o oxidante em fase de vapor contacte com o metal original fundido.

Barreiras adequadas particularmente utiliza veis na presente invenção, no caso de se usarem metais originais de alumínio e utilizando ar como oxidante, são o sulfato de cálcio, o silicato de cálcio e o fosfato de tricálcico. Essas barreiras parece que reagem localmente com o produto da re acção de oxidação em desenvolvimento, para formar uma camada impermeável de aluminato de cálcio , que interrompe localmente a continuação do crescimento do produto da reacção de oxidação. Tipicamente, tais barreiras podem ser aplicadas como uma pasta fluida ou uma massa nas superfícies de um leito de material de enchimento que, de preferência, é pré-moldado formando um pré-molde. Um meio de barreira pode também incluir um material combustível ou volátil adequado, que é eliminado no aquecimen to, a fim de aumentar a porosidade e a permeabilidade do meio de barreira. Ainda, o meio de barreira pode incluir um materi al refractàrio em partículas adequado, para reduzir qualquer possível contracçâo ou fendilhamento que, de outro modo,o correria durante o processo. É particularmente desejável um tal material em partículas, substancialmente com o mesmo coeficiente de dilatação que o leito de material de enchimento. Por exemplo, se o pré-molde for constituído por alumina e a cerâmica resultante compreender alumina, a barreira pode ser misturada com partículas de alumina, desejavelmente com as dimen sões de cerca de 20 a 1000 mesh. As partículas de alumina pjo dem ser misturadas com sulfato de cálcio, por exemplo numa re lação compreendida entre cerca de 10:1 a 1:10, sendo a relação preferida cerca de 1:1. Numa forma de realização da presente invenção, o meio de barreira inclui uma mistura de sulfato de cálcio (isto é, gesso de Paris e cimento portland). 0 cimento portland pode ser misturado com o gesso de Paris numa relação de 10:1 a 1:10, sendo a relação preferida entre o cimento portland e o gesso de Paris cerca de 1:3. Quando se de sejar, o cimento portland pode também ser usado sozinho como material de barreira.

Uma outra forma de realização, quando se usar um metal original de alumínio e ar como oxidante, compre ende a utilização como barreira gesso de Paris misturado com sílica numa quantidade estequiométrica, podendo no entanto haver uni excesso de gesso de Paris. Durante o processamento, o gesso de Paris e a sílica reagem para formar silicato de cálcio, donde resulta uma barreira particularmente ben£ fica pelo facto de estar substancialmente livre de fissuras. Ainda noutra forma de realização, o gesso de Paris é misturado com cerca de 25 a 40 por cento, em peso, de carbonato de cálcio. Por aquecimento, o carbonato de cálcio decompõe-se, emitindo dióxido de carbono, melhorando assim a porosidade do meio de barreira.

Outras barreiras particularmente utilizáveis para os sistemas com metal original à base de alumínio incluem materiais ferrosos (por exemplo um recipiente de ácido inoxithá vel), óxido de crómio e outros óxidos refractários, que podem ser empregados como uma parede sobreposta ou recipiente para o leito de material de enchimento, ou como uma camada para a superfície de um leito de material de enchimento. Outras barreiras incluem as cerâmicas densas, sinterizadas ou fundidas, por exemplo a alumina. Estas barreiras sâo usualmente impermeáveis

L

- 55 e, portanto, são especialmente fabricadas tendo em conta a po rosidade ou requerem uma secção aberta, tal como uma extremidade aberta. 0 meio de barreira pode formar um produto friável nas condições da reacção e pode ser removido por exemplo por abrasão, para recuperar o corpo cerâmico.

meio de barreira pode ser fabricado ou pro duzido com quaisquer forma e dimensões adequados e, de preferência, é permeável ao oxidante em fase de vapor. 0 meio de barreira pode ser aplicado ou utilizado como uma película,uma massa, uma pasta fluída, uma folha ou placa permeável ou impermeável, ou um manto reticulado ou poroso, por exemplo, um crivo ou um tecido de metal ou cerâmico, ou uma combinação dos mesmos. 0 meio de barreira pode também compreender um material de enchimento e/ou um aglutinante.

As dimensões e a forma do meio de barreira dependem da forma desejada para o produto cerâmico. A título de exemplo apenas, se o meio de barreira for colocado ou situa do a uma distância pré-determinada do metal original, o desen volvimento da matriz cerâmica seria interrompido ou inibido localmente onde encontrar o meio de barreira. Geralmente, a forma do produto cerâmico é a inversa da do meio de barreira. Por exemplo, se uma barreira côncava ficar pelo menos parcial mente afastada de um metal original, o crescimento policrista^ lino ocorre no interior do espaço volumétrico definido pelo limite da barreira côncava e a área da superfície do metal original. 0 crescimento termina substancialmente na barreira côncava. Depois de removido o meio de barreira, fica um corpo

- 56 cerâmico com pelo menos uma porção convexa definida pela concavidade do meio de barreira. Deve notar-se que, relativamen te a um meio de barreira com porosidade, pode haver um certo crescimento em excesso de material policristalino através dos interstícios, embora esse crescimento excessivo seja severamente limitado ou eliminado pelos materiais de barreira mais eficazes. Nesse caso, após a remoção do meio de barreira do corpo cerâmico policristalino desenvolvido, qualquer crescimento policristalino em excesso pode ser removido do corpo ce râmico por rectificação, por jacto de areia ou processo análogo, para produzir a peça cerâmica desejada sem ficar qualquer crescimento em excesso do material policristalino. Como outra ilustração, um meio de barreira afastado de um metal ori_ ginal e com uma protuberância cilíndrica no sentido do metal, produzirá um corpo cerâmico com uma cavidade cilíndrica que re produz inversamente o mesmo diâmetro e a mesma profundidade da protuberância cilíndrica.

A fim de obter um crescimento em excesso mínimo ou nulo de material policristalino na formação de compos^ tos cerâmicos, o meio de barreira pode ser colocado sobre, ou posicionado próximo, do limite de superfície definido de qualquer leito de material de enchimento ou do pré-molde. A coloca ção do meio de barreira no limite de superfície definido do leito ou do pré-molde pode ser feita por qualquer meio adequado, tal como acamando o limite de superfície definido com o meio de barreira. Uma tal camada do meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou por aplicação de qualquer outro modo do meio de barreira na forma de líquido, suspensão ou pasta ou por deposição catódica de um meio de barreira vaporizável, ou por simples deposição de uma camada de um meio de barreira sólido em partículas ou por apl.i cação de uma folha ou película fina sólida de meio de barreira no limite de superfície definida. Com o meio de barreira colo cado no seu lugar, o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação policristalino termina ao atingir-se o limite de superfície definido do pré-molde e ao entrar-se em contacto com o meio de barreira.

Numa forma de realização preferida para a fei bricaçâo de um corpo compósito com matriz cerâmica, forma-se um pré-molde permeável modelado (descrito mais adiante com mais pormenores), com pelo menos um limite de superfície definido, tendo pelo menos uma porção do limite de superfície definida no, ou sobreposta com o meio de barreira. Deve entender-se que o termo pré-molde pode incluir um conjunto de pré—moldes separa dos, finalmente ligados para formar um compósito integrado. 0 pré-molde é colocado adjacente e em contacto com uma ou mais su perfícies de metal original, ou com uma porção de uma superfície do metal original, de modo que pelo menos uma porção do li^ mite de superfície definido com um meio de barreira ou com um meio de barreira a ele sobreposto fique geralmente posicionada afastado ou para fora da superfície de metal, verificando-se a formação do produto da reacção de oxidação no interior do pré—molde e no sentido do limite de superfície definido com o meio de barreira. 0 pre—molde permeável faz parte do conjunto e, por aquecimento num forno,ficando o metal original e o pré-molde expostos ou envolvidos pelo oxidante em fase de vapor, que pode ser usado em combinação com um oxidante sólido ou líqui do. 0 metal e o oxidante reagem e o processo da reacção continua até que o produto da reacção de oxidação tenha infiltréi do o pré-molde e entrado em contacto com o limite de superfície definido, com o meio de barreira ou com um meio de barrei ra nele sobreposto. 0 mais tipicaménte, os limites do pré-mol^ de e da matriz policristalina coincidem substancialmente, mas os constituintes individuais nas superfícies do pré-molde podem ficar expostos ou podem ficar salientes a partir da matriz podendo portanto a infiltração e a penetração não ser completos, em termos de envolver ou encapsular completamente o pré-molde pela matriz. 0 meio de barreira impede, inibe ou inter rompe o desenvolvimento após o contacto com o meio de barreira, não se verificando substancialmente nenhum crescimento ex cessivo do material policristalino. 0 produto compósito cerâmico resultante inclui um pré-molde infiltrado ou embebido até aos seus limites por uma matriz cerâmica que compreende um material policristalino que consiste essencialmente no pro duto da reacção de oxidação do metal original com o oxidante e, optativamente, um ou mais constituintes metálicos, tais como constituintes não oxidados do metal original ou constituintes reduzidos de um oxidante.

Geralmente, a reacção de oxidação continua durante um tempo suficiente para esgotar a fonte de metal ori ginal. A carcaça é removida por exemplo por percussão com um martelo, para proporcionar um corpo cerâmico ou compósito cerâmico.

Uma vez formado o corpo cerâmico ou o compósito cerâmico, ele tem depois de ser triturado antes de o utilizar como material de enchimento para a formação de um corpo compósito com matriz de metal. Em particular, na práti^ ca da presente invenção, o produto da reacção de oxidação po. licristalino é triturado, pulverizado ou sujeito a operação semelhante e modelado para obter uma massa de material de en chimento ou, de preferência, o material de enchimento é mode lado para obter um pré-molde. 0 corpo cerâmico ou o compósito cerâmico pode ser triturado por técnicas como num triturador de maxilas, um moinho de choque, um moinho de rolos, um triturador rotativo ou outras técnicas convencionais, dependendo muito das dimensões das partículas desejadas para utilizar no corpo compósito com matriz de metal. 0 material cerâmico triturado ou moído é calibrado por crivação e recuperado para utilização como material de enchimento ou pré-raolde. Pode ser desejável triturar primeiro o corpo cerâmi co em grandes pedaços, de cerca de 6,35 mm P/^) ^a cerca de 12,7 mm (¹/2), por exemplo com um triturador de maxilas, um moinho de martelos, etc. Depois, podem moer—se os pedaços grandes para obter partículas mais finas, por exemplo 50 mesh ou mais finas, com meios tais como um moinho de bolas, um moinho de choque, etc. Podem então crivar-se as partícu las para se obter fracções calibradas com dimensões desejadas

Os materiais de enchimento adequados podem ter dimen- 60 ι

sões oscilando entre cerca de -200 mesh e cerca de 500 mesh, ou mais finos, conforme o compósito cerâmico preparado e o compósito com matriz de metal a formar (por exemplo, a utilização pretendida para o corpo compósito com matriz de metal formado).

Uma vez formado como material de enchimento ou modelado como pré-molde o produto da reacção de oxidação triturado com as dimensões das partículas desejadas, é necessário então infiltrar espontaneamente o material de enchimento ou o pré-molde com metal da matriz.

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser proporcionado (l) no metal da matriz; e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente no pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Unalmente, pelo menos durante a in filtração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pre-emolde.

Numa forma de realização preferida, e possi

t ° vel que o precursor de intensificador de infiltração possa rea gir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificador da infiltração pode ser formado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde antes de ou substancialmente ao mesmo tempo que o contacto do material de enchimento ou pré-molde com o metal da matriz, por exemplo magnésio com precursor do intensificador da infiltração e azoto como atmosfera infiltrante.

b. Um exemplo de um sistema de metal da matriz/ /precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamen te, um metal da matriz de alumínio pode estar contido ou dentro de um vaso refractário adequado tal como uma barquinha de alumina que, nas condições do processo não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material de enchimento, quando o alumínio fundir. Um pré-molde pode contactar com o metal da matriz de alumínio fundido.

. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode fornecer-se um intensi ficador da infiltração directamente ao pré-molde ou material de enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Em particular, o intensificador de infiltração pode ser magnésio residual no material de enchimento de produto da reacção de oxidação triturado. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção de material de enchimento ou pre-molde

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Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espon tanea de alumínio/magnésio/azoto, o pré-molde ou o material de enchimento devem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou pré-molde num dado instante durante 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 da matriz fundido, fazendo assim com que o pré-molde impregnados com azoto seja infiltrado espontaneamente com metal da matriz fun dida para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que azoto reaja com um precursor do intensificador de infiltração para formar o intensificador da infiltração no material de enchimento ou pré-molde, dando assim origem à infiltração espontânea. A extensão da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições de processo, incluindo o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio do pré-molde ou material de enchimento, a quantidade de nitreto de magnésio no pré-molde ou material de enchimento, a presença de ele mentos de liga adicionais por exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material de enchimento (por exemplo, o diâmetro das partjí cuias) que constituem o pré-molde ou material de enchimento, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento ou pré-molde, a concentração de 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 infil. tração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique es pontaneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de infiltração) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas, pré-determinadas. Adicionalmen te, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quanti dade de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A perda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensif icador de ijn filtração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada de maneira adversa pela vo latilização. Além disso, ainda, a presença de magnésio quer no pré-molde (ou material de enchimento), quer no metal da matriz ou apenas no pré-molde (ou material de enchimento) pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio ne cessária para se obter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante)

A percentagem, em volume, de azoto na atmos^ fera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo com pósito com matriz de metal

Especificamente, se estiverem

_ 64 presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-à uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que est£ jam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltra^ ção muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decomposição de um material .

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde depende de uma ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistemas espontâneo, o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmosfera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tem pos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também, para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, ein peso,

pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, ou um ou mais elementos de liga . Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo me nos cerca de 5 por cento, quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a in filtração.

teor de magnésio pode ser reduzido quando 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. Por exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício a 1000°C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99 da Norton Co.), com granulometria de 5θθ mesh. Mas, na presença de mag nésio, verificou-se que o silício promove o processo de infil^ tração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material de enchimento.

Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrera com uma percentagem, em peso, de magnésio fornecido

-L ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento ou se usar uma temperatura de infiltra ção mais elevada. Pode ser desejável proporcionar uma quantidade menor de magnésio a fim de impedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de carboneto de silício,des cobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de 1 em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou—se que, quando um pré-molde de alu mina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molde de carboneto de silício e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3 /°, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carbone to de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensif icador de infiltrai ção e/ou intensificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento

antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento, ou pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o in tensificador 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 da matriz, pode ser preferido que a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de material de enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Além disso, é ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície da formação de liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde. Essa combi nação da aplicação de intensificador(es) de infiltração e/ou precursor(es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de tempe raturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minimizar-se a quantidade de compostos intermetálicos indesejáveis formados devido à presença de mag nésio.

uso de um ou mais el liares e da concentração de azoto no gás afecta a extensão de nitretação do metal temperatura. Por exemplo, podem usar-se xiliares, tais como o zinco ou ementos de liga auxicircundante também da matriz a uma dada elementos de liga auo ferro incluídos na liga, ou

colocados numa superfície de liga, para baixar a temperatura de infiltração e diminuir assim a quantidade da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou co locado numa superfície de liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde também tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é posto directa mente 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 de liga inferiores a es sa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa: (l) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes de liga com a massa per meável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) quan do estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com di. ferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-à a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do proce^ so de pelo menos cerca de 675°C θ, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 75O°C-8OO°C. Tem- 69 /

peraturas geralmente acima de 1200 C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 675°C a cerca de 1200°C.Con tudo, como regra geral, a temperatura de infiltração esponta nea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, maisabaixo da temperatura de volatilizaçâo do metal da matriz. Além disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchi mento. Além disso, ainda a medida que 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 de azoto, pode formar-se nitreto de alumínio).Um tal produto da reacção pode ser desejável ou indesejável con forme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza—se tipicamente o aquecimen tó por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção.

No presente processo, por exemplo, uma mas sa de material de enchimento ou um pré-molde entra em contac to com alumínio fundido na presença de pelo menos um gás con tendo azoto,(por exemplo, gás de formação que é 96 % θ 4% H ) mantido durante todo o tempo necessário para se obter a infiltração. Isto é conseguido mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o material de enchimento ou o pré-mol de e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítico, é preferido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido à formação de nitreto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de mate riais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reactividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo, quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados inclu em (à) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo, dodecarboreto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio. Numa forma de realização preferida, utiliza—se produto da reacção de oxidação triturado como material de enchimento. Além disso o produto da reacção de oxidação triturado pode ser usado sozinho ou em combinação com outros mate riais de enchimento para proporcionar a massa permeável ou o pré-molde para a infiltração. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumí nio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de /enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos bo retos e nitretos cerâmicos. As cerâmicas que podem ser utili zadas no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, a massa cerâmica ou pré-molde pode ser homogénea ou heterogénea.

As dimensões e a forma do material de enchi.

mento utilizado para formar o produto da reacção de oxidação cerâmico, ou o material de enchimento que é misturado com o produto da reacção de oxidação cerâmico, uma vez triturado, podem ser quaisquer necessárias para obter as propriedades de^ sejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas tais como, esferas, túbulos, peletes, tecido de fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz' fundido e à

atmosfera infiltrante).

processo de formação de compósitos com ma triz de metal segundo a presente invenção, pode ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pró-molde ou uma massa de material de enchimento. A presente invenção permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, da ordem de pelo menos 50 %, de material de enchimento, utilizando uma massa inicial de material de enchimento, com menor porosidade e/ou partículas de dimensão variáveis para aumen tar a eficiência da compactação. Maiores percentagens em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga fundido. Preferem-se, percentagens em volume, de material de enchimento da ordem de 40 a 5θ por cento, para a permomodelação segundo a presente invenção. Tais percentagens, em volume, o compósito infiltrado mantém, ou mantém subs tancialmente, a sua forma, facilitando assim o processamento se cundário. Podem no entanto usar-se cargas ou percentagens, em volume, de partículas maiores ou menores conforme a carga do compósito final desejado, depois da termomodelação. Além disso, podem usar-se processos para reduzir as oargas de partículas em relação com os processos de termomodelação segundo a presente invenção, para se obterem menores cargas de partículas.

_ /

Foi observado que, para a infiltração de alu mínio e a infiltração de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento ce ramico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, as temperatu ras de processamento baixas, verifica—se uma nitretaçâo desprezível ou mínima do metal resultando daí uma base descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superior da faixa de temperatura, torna-se mais provável a nitretaçâo do metal. Pode assim controlar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica a infiltração. A temperatura de processamen to específica à qual se torna mais pronunciada a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativamente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível, pré-determinar a constitui ção 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 do processo para controlar a formação de nitretos. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas

-7^propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como materi al de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1000°C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação signifi. cativa de nitreto. Contudo, podem usar-se, temperaturas supe riores a 1000°C se sc desejar produzir um compósito com uma matriz menos díctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200°C, visto a liga de alumínio se nitrificar em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enchimento.

Mais importante, quando se utilizar como material de enchimento produto da reacção de oxidação desenvolvido, triturado ou pulverizado, podem usar-se temperaturas de cerca de 750° a 85O°C.

Em particular, o material policristalino for mado pelo processo de oxidação dirigida pode conter componentes metálicos, tais como metal original não oxidado. A quanti dade de metal pode variar numa ampla faixa de 1 a ho por cento, em volume, e por vezes mais ampla, dependendo grandemente do grau de exaustão (conversão) do metal original na produção de corpos cerâmicos ou compósitos cerâmicos. Pode ser desejável separar pelo menos algum do metal residual ou carcaça de

metal original do produto da reacção de oxidação antes de uti lizar o material como material de enchimento. Esta separação pode ser realizada antes e/ou depois de o material policrista lino ter sido triturado ou moído. 0 produto da reacção de oxi dação pode em alguns casos ser fracturado mais facilmente que o metal e portanto pode em alguns casos ser possível separar parcialmente o produto da reacção de oxidação do metal por trituração e crivação. Contudo, segundo a presente invenção o produto da reacção de oxidação triturado que é utilizado, sozinho ou em combinação com outro material de enchimento, apre senta uma afinidade para a liga fundida, que aparentemente pçj de atribuir-se a uma afinidade entre substâncias semelhantes nas condições do processo e/ou devido à presença de um ou mais elementos de liga auxiliares. Devido a essa afinidade, verifi^ cou-se que ocorre uma melhor cinética da infiltração e, conse quentemente, a infiltração verifica—se com uma velocidade um pouco mais elevada em relação substancialmente ao mesmo processo usando um material de enchimento cerâmico existente no mercado, isto é, um material de enchimento não produzido pelo processo de oxidação dirigida. Contudo, se se pretender mistu rar um outro material de enchimento com um produto da reacção de oxidação triturado, o produto da reacção de oxidação tritu rado deve ser fornecido numa quantidade suficiente para se ob ter uma melhor sinética da infiltração (por exemplo, pelo menos cerca de 10 a 25 por cento, em volume, do material de enchimento devem ser constituídos por produto da reacção de oxidação triturado). Além disso, quando se utiliza produto da reacção de oxidação triturado como material de enchimento,

verificou—se que o processo pode ser conduzido a temperaturas mais baixas, o que é vantajoso do ponto de vista do custo e do manuseamento. Também, a temperaturas mais baixas, o metal fun dido é menos susceptível de reagir com o material de enchimento e verifica-se a formação de um produto da reacção indesejável, que pode ter um efeito prejudicial nas propriedades mecânicas do compósito com matriz de metal.

Um factor que parece contribuir para a melhor infiltração segundo a presente invenção é a presença de um componente de liga auxiliar e/ou de um metal original de alumínio intimamente associados com o material de enchimento. Por exemplo, quando se forma alumina com produto da reacção de oxidação na reacção de oxidação de alumínio no ar, utiliza-se tipicamente um material contaminante em associação com ou em combinação com o metal original de alumínio, como se explica nos pedidos de patente e na patente do mesmo proprietário. 0 metal original ou o contaminante, ou uma porção dos mesmos, podannão se esgotar no sistema de reacção, podendo portanto tornar-se dispersos por todo ou substancialmente por todo o material cerâmico policristalino. Nesse caso, o metal original ou o material contaminante podem concentrar-se na ou sobre a superfície do produto da reacção de oxidação triturado ou o metal original ou o contaminante podem ser ligados no interior do produto da reacção de oxidação. Sem pretender ficar vinculado a qualquer teoria ou explicação, acredita-se que, quando se tritura o material policristalino para ser utilizado como material de enchimento, o metal da matriz usado para infiltrar espontaneamente um produto da reacção de oxidação triturado pode apresentar uma afinidade para esse material de enchimento devido ao metal original e/ou ao material contaminante incluído no material de enchimento. Especificamente, metal original residual e/ou contaminantes podem melhorar o processo de infil^ tração servindo de componentes de liga auxiliares úteis na pro dução do produto compósito final e/ou podem funcionar como um intensificador de infiltração e/ou podem funcionar como um pre cursor de intensificador da infiltração. Consequentemente, um produto da reacção de oxidação triturado para proporcionar ine rentemente pelo menos uma porção do intensificador de infiltra ção necessário e/ou do precursor de intensif ic ador de infiltra, ção necessário para obter a infiltração espontânea de um metal da matriz num material de enchimento ou num pré-molde.

Além disso, é possível utilizar um reservató rio de metal da matriz para assegurar a infiltração completa do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal, com uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável uti^ lizar um metal de matriz no reservatório, com uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, então poderia virtualmente usar-se qualquer outro metal, ou liga de metal, que fundiu à temperatura de processa mento, como metal do reservatório. Os metais fundidos frequen temente são muito miscíveis um com o outro, donde resultaria que o metal do reservatório se misturaria com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se dê tempo suficiente para que se verifique a mistura. Assim, utilizando um metal de reserva78 tório de composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz, é possível pré-determinar as propriedades da matriz de metal para satisfazer as várias exigências operacionais e, des se modo, pré-determinar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode utilizar-se também um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, da liga de matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, ele mento, composição ou similar, que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferência, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, in terferir com, impedir ou similar a infiltração contínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de me tal de matriz fundida que migra, nas condições do processo usa das. Uma barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedindo-se ou inibin do-se o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-molde por meio da barreira. A bar

reira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto compósito com matriz de me tal. C_Omo atrás se mencionou, a barreira deve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de furos, para permitir que o gás contacte com a liga da matriz fun dida.

Barreiras adequadas particularmente utiliza veis para as ligas da matriz de alumínio são as que contêm carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de carbo no conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não mo lhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de proces so descritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendido sob a marca comercial Grafoil , registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafi. te é também resistente ao calor e quimicamente inerte. 0 mate, rial de grafite Grafoil ® é flexível, compatível, moldável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira. Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta ein torno de e no limite do material de enchimento ou pré-molde. Grafoil é particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou pré-molde.

8θ

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de um metal de transição (por exemplo, diboreto de titânio (TiB^)), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condições do processo emprega das usando esse material. Com uma barreira deste tipo,a tem peratura do proceeso não deve exceder cerca de 875°C, pois de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verificando-se de facto, com o aumento da temperatura a infiltração na barreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (l-30 micrómetros). Os materiais de barreira podem ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites da massa permeável de material de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldado como um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto, incluem compostos orgâ nicos de pequena volatibilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchimento ou pré-molde. Mediante a cozedura em azoto, especialmente nas condições de processo da presente invenção, o composto orgânico decompõe—se, deixando uma película de fuligem de carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais, tais como, pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como barreira, desde que a

infiltração do material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa de infiltração do material de enchimento .

Assim, o meio de barreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo < - , > o meio de barreira sob a forma de liquido, suspensão ou pasta, ou por deposição de um meio de barreira vaporizável, ou simplesmente pela deposição de uma camada de meio de barreira sólido, em partículas, ou pela aplicação de uma folha fina só^ lida ou película de meio de barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração do metal da matriz atingir o limite de superfície definido e entrar em contacto com o meio de barreira.

Nos Exemplos que se seguem imediatamente estão incluídas várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos e não como limitativos do escopo da presente in vençâo, como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

A fig. 1 mostra um conjunto, em corte tran£ versai, que pode ser usado para desenvolver um produto da reacção de oxidação. Em particular, colocou-se uma barra (l) de metal original, medindo (3,81 x 10,l6 x 22,86 cm (l¹/2 x

χ 9) ® constituída por uma liga de alumínio 380.1, ligei^ ramente modificada, da Belmont Metals, sobre um leito (2) de alumina EI de 9θ grit, fornecida pela Norton Co., ambos contidos numa barquinha refractária (4) de alumina de elevada pureza. A barquinha de alumina foi obtida na Bolt Technical

Ceramics e tinha uma pureza de 99,7 por cento. Colocou-se a barra (l) de metal original no interior do leito (2) de alumina EI, de modo que uma superfície da barra (l) ficou aproximadamente nivelada com o leito (2). A liga de alumínio (l) era constituída por cerca de 2,5-3,5 $ de Zn, 3,0-4,0^ de Cu, 7,5-9,5 % de Si, 0,8-1,5 $ de Fe, 0,2-0,3 % de Mg, 0—0,5 de Mn, 0-0,001 $ de Be e 0-0,35 5 de Sn. Contaminou-se a barra de liga de alumínio externamente por aplicação de aproximadamente 5 gramas de partículas de sílica (3) de l40 grit, substancialmente apenas numa superfície superi or da barra (l) da liga de alumínio, de modo que um corpo cerâmico cresceria apenas a partir de uma superfície da liga (l) no sentido da atmosfera (por exemplo, afastando—se do leito (2)). Colocou-se a barqueinha (4) contendo o leito (2), a liga de alumínio (l) e contaminante (3) num forno de resis tência eléctrica, que foi aquecido até uma temperatura de cerca de 1100°C com uma velocidade de cerca de 200°C por hora e mantido a uma temperatura durante um intervalo de tempo suficiente para permitir que a liga de alumínio fundida reagisse com o oxigénio no ar ambiente, para produzir o produto da reacção de oxidação. Durante o aquecimento, deixou—se circular o ar no forno para proporcionar oxidante. 0 produto da reacção de oxidação que se desenvolveu formou uma folha por cima da liga de alumínio (l). Deixou-se depois arrefecer a barquinha (4) e o seu conteúdo. Removeu-se o produto da reacção de oxidação final (isto é, a folha) da barquinha e retirou-se a carcaça de metal original batendo-se nela com um martelo.

Colocou-se depois o produto da reacção de oxidação em um triturador de maxilas e triturou-se em pedaços do tamanho de bolas de golfe ou de ervilhas. Colocaram—se os pedaços de produto da reacção de oxidação num jarro de porce lana juntamente com meios de trituração do óxido de alumínio e água. A moedura com o moinho de bolas reduziu o tamanho dos pedaços a partículas menores. Além disso, como o produto da reacção de oxidação pode conter metal original residual nâo oxidado proveniente da liga de alumínio original, foi necessário controlar o pH da solução durante a moenda pelo moinho de bolas, reduzindo assim qualquer reacção entre o alumínio e a água. A moagem no moinho de bolas continuou durante cerca de 36 horas. Após a moedura pelo moinho de bolas, secou-se e crivou-se o conteúdo do jarro de porcelana, usando técnicas con vencionais. Quaisquer pedaços restantes após a passagem pelo moinho de bolas maiores que 20 mesh foram de novo colocados no moinho de bolas e triturados mais uma vez, depois. Recolheram-se as partículas do produto da reacção de oxidação triturado menores que 100 mesh e maiores do que —200 mesh.

A fig. 2 mostra um conjunto,em corte transversal, que pode ser usado para infiltrar um metal da matriz para obter um produto da reacção de oxidação triturado. Em

particular, colocou-se o produto da reacção de oxidação tritu rado (l2) numa barquinha (l4) de alumina de elevada pureza se melhante à usada anteriormente para formar o produto da reacçâo de oxidação. Colocou-se um lingote de metal da matriz (lO) a infiltrar no topo do produto da reacção de oxidação triturado (12), de modo que o referido metal da matriz (10) se estendia por cima da superfície do material de enchimento tri. turado (l2). A liga de alumínio (lO) usada para infiltrar e_s pontaneamente o produto da reacção de oxidação triturado,(12) foi uma barra ou lingote de metal da matriz, com cerca de 2,54 x 5,08 x 1,27 cm (1 x 2 x ¹/2 ). A liga de alumínio do metal da matriz tinha uma composição que continha cerca de 5 por cento de silício, em peso, e 5 P°^r cento de magnésio, em peso. Colocou-se a barquinha de alumina (l4) contendo este conjunto de materiais num forno de mufla aquecido por resistência eléctrica. 0 forno de mufla foi vedado de modo que subs tancialmente apenas o gás infiltrante estava presente. Neste caso, utilizou-se gás de formação para a atmosfera infiltrante (isto é, 96 por cento, em volume, de azoto e 4 por cento, em volume, de hidrogénio). Faz-se passar o gás de formação através do forno de mufla com um caudal de cerca de 350 cm/ /minuto. Aqueceu-se o forno de mufla durante um intervalo de tempo de cerca de 10 horas até obter a temperatura de cerca de 800°C. Manteve-se o forno a essa temperatura durante 5 ho ras. Deixou-se depois arrefecer o forno durante um intervalo de tempo de 5 horas. Retirou-se depois o conjunto do forno e verificou-se que o metal da matriz (lO) se tinha embebido subs tancialmente e completamente no material de enchimento (l2).

A fig. 3 mostra uma microfotografia tirada com a ampliação de 400 X do corpo compósito com matriz de me tal resultante, produzido de acordo com o Exemplo 1. As zonas mais escuras (20) correspondem ao material de enchimento de produto da reacção de oxidação triturado e as zonas mais claras (2l) correspondem ao metal da matriz.

Exemplo 2

Este Exemplo é um exemplo comparativo. Nes te Exemplo, colocou-se Alundum 38 de 90 grit existente no mercado e que é um grão de óxido de alumínio fundido, obtido na Norton Co., numa barquinha de alumina. Colocou-se sobre a mesma o mesmo metal da matriz utilizado no Exemplo 1. Os materiais foram colocados na mesma disposição descrita no Exem pio 1 e representada na fig. 2. Este conjunto foi colocado num forno de mufla e aquecida de acordo com o Exemplo 1.

Depois do arrefecimento, retirou-se a barquinha, que foi ins pecionada. Não ocorreu qualquer infiltração significativa do metal da matriz da liga de alumínio.

Exemplo 3

Este Exemplo é um exemplo comparativo. A fim de mostrar que o produto da reacção de oxidação triturado segundo a presente invenção permite uma temperatura mais baixa para que se verifique a infiltração espontânea, fez-se a experiência seguinte, Especificamente, repetiu—se o procedimento do Exemplo 2, excepto que se utilizou uma temperatura de infiltração mais alta. Especificamente, colocou-se uma bar quinha contendo o conjunto de materiais de acordo com o Exem pio 2 num forno de mufla e aqueceu-se de acordo com o exemplo 1 à temperatura mais elevada de cerca de 900°C. Arrefeceu-se o forno e retirou-se a barquinha. Após a inspecção, verificou -se ter-se obtido a infiltração substancialmente completa do metal da matriz.

Exemplo anterior demonstra ser desejável a utilização de um produto da reacção de oxidação triturado como material de enchimento. Em particular, verificou-se que se obtém uma melhor sinética da infiltração, quando se utiliza um produto da reacção de oxidação triturado como material de enchimento.

Embora os Exemplos anteriores tenham sido descritos com pormenor, várias modificações nesses Exemplos podem ocorrer a um técnico com habilidade comum, devendo todas essas modificações ser consideradas como estando dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. - Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases de :

proporcionar um produto da reacção de oxidação pulverizado como material de enchimento; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com o metal da matriz fundido.

2. — Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zario ainda pelo facto de compreender a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante em comunicação com o material de enchimento e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma porção do período de infiltração.

3. — Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensi ficador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de en chimento e/ou à atmosfera infiltrante.

4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ainda pelo facto de compreender a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de ench mento .

acordo com a reivindicação 3, cursor de intensificador da infiltração serem fornecidos

5. - Processo de rizado pelo facto de o pre ção e/ou intensificador da fonte externa.

carac teinf i1trapor uma

6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação compreender inerentemente um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração.

. - Processo de acordo com a reivindicação 1 cara c te-89- rizado ainda pelo facto de compreender a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma porção do período de infiltração.

8. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado i

pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera de infiltração, o material de enchimento e o metal da matriz.

9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.

10. - Processo de acordo com a reivindicação rizado pelo facto de o precursor de intensificador da volatilizado reagir para formar um produto da reacção numa porção do material de enchimento.

9, caracte in f i 1 tra çã pelo menos

11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parei almente redutível pelo metal da matriz fundido.

,-9012. - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.

13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser constituído por um pré-molde.

com a reivindicação 1, caracteainda a fase de definição de um de enchimento com uma barreira, espontaneamente até à barreira.

com a reivindicação l4, caraccompreender um material escolhi a grafite e o diboreto de titâcom a reivindicação l4, caracser substancialmente não molha com a reivindicação l4, caracte

14. - Processo de acordo rizado pelo facto de compreender limite de superfície do material infiltrando-se o metal da matriz

15. - Processo de acordo terizado pelo facto de a barreira do no grupo formado pelo carbono, nio.

16. — Processo de acordo terizado pelo facto de a barreira vel pelo metal da matriz.

17. - Processo de acordo rizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e

91o metal da matriz e/ou o enchimento e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.

18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender ainda pelo menos um material adicional escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.

19. - Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundida.

20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, 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. - 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, - Processo de acordo com a reivindicação b, caracte rizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz,

23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de um precursor de intensificador da infil-

tração formar liga com 0 metal da matriz. rizado 24. — Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte- pelo facto de 0 metal da matriz compreender alumínio e

pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cál-

cio, 0 magnésio e 0 estrôncio. rizado 25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracte- pelo facto de 0 precursor de intensificador da infiltração e/ou 0 intensificador da infiltração serem proporcionados no me-

tal da matriz e no material de enchimento.

26. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracte- rizado pelo facto de 0 precursor de intensificador dr· infiltração e/ou 0 intensificador da infiltração serem proporcionados em mais

de um entre o metal da matriz, o metal de enchimento e a atmosfera infiltrante.

-9327 . - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea, ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas mais baixa do que a temperatura de volatilização do metal da matriz e que o ponto de fusão do material de enchimento.

28. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea se manter na gama de 75O°C a 85O°C.

29. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmos^ fera escolhida no grupo formado por oxigénio e azoto.

30. - 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 magné sio, o estrôncio e o cálcio.

31. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender ainda um material escolhido no grupo formado por oxidos, carbonetos, boretos e nitretos.

Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte-94- rizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação pulverizado ser policristalino.

33. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação compreender um material compósito.

34. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação pulverizado compreender o produto da reacção de um metal original fundido e pelo menos um oxidante na fase vapor e/ou um oxidante na fase líquida e/ou um oxidante na fase sólida.

35. - Processo de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de redução do teor de metal original do produto da reacção de oxidação pulverizado antes da infiltração espontânea pelo metal da matriz fundido.

36. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação pulverizado compreender o produto da reacção de um metal original fundido e um oxidante compreendendo um material escolhido no grupo formado pelo oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio, e as suas combinações.

37. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por óxidos, nitretos, carbonetos, boretos e oxinitretos.

38. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação compreender pelo menos um material escolhido . no grupo formado por óxido de alumínio, nitreto de alumínio, carboneto de silício, boreto de silício, boreto de alumínio, nitreto de titânio, nitreto de zircónio, boreto de titânio, boreto de zircónio, carboneto de titânio, carboneto de silício, boreto de háfnio e óxido de estanho

39. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o produto ria reacção de oxidação ser pulverizado até dimensões que oscila entre cerca de 200 mesh e cerca de

5OO mesh.

40. - Corpo compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender um metal de matriz interligado tridimensionalmente que impregna um 'atcrial de enchimento de produto da reacção de oxidação.

4l. - Corpo compósito com matriz de metal de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo facto de se misturar pelo menos um segundo material de enchimento com o material de enchimento de produto da reacção de oxidação, compreendendo esse segundo material de enchimento pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractarios .

42. - Corpo compósito com matriz de metal de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo facto de o produto da reacção de oxidação compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo óxido de alumínio, o nitreto de alumínio, o car boneto de silício, o boreto de silício, o boreto de alumínio, o nitreto de titânio, o nitreto de zircónio, o boreto de titâneio, o boreto de zircónio , o carboneto de titânio, o carboneto de silício, o boreto de háfnio e o óxido de estanho.

43. - Corpo compósito com matriz de metal de acordo com a reivindicação 4o, caracterizado pele facto de o produto da reac ção de oxidação compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por óxidos, nitretos, carbonetos, boretos e oxinitrrtos.

44. - Corpo compósito com matriz de metal de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo facto de o produto da reacçâo de oxidação compreender o produto da reacção de um metal original fundido e um oxidante compreendendo um material escolhido do grupo formado pelo oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e as suas combinações.