PT92250B - Processo para a modificacao das propriedades de um corpo composito com matriz de metal - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

DA

PATENTE DE INVENÇÃO

N.° 92.250

REQUERENTE: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP. , norte-americana, com sede em Tralee Industrial Park, Newark, Delaware 19711, Estados Unidos da América,

EPÍGRAFE: Processo para a modificação das propriedades de um corpo compósito com matriz de metal

INVENTORES: Michael Kevork Aghajanian,

Mark Gordon Mostenson,

Andrew Willard Urquhart,

Marc Stevens Newkirk,

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

U.S.A., 10.11.1988, sob ο N2 269,309,

INPI MOO 113 RF 16732

LANXIDE TEChuCLCGY CCRFAXY, LF

PROCESSO F.AEA. a hOLiFíCA.ÇA.C DAS FROPRlr.DA.DES DE UR CORPO COMPÓSITO OCR

RATRIZ DE .-xETAL

Campo cg Invenção

A presente invenção refere-se à modificação das propriedades de um corpo compósito com matriz ae metal por um tratamento após o processo ce formação e/ou um tratamento ae moaificaçao substancialmente contíguo. C tratamento após o processo de formação pode ser aplicável a uma cerra varieaade de corpos compósitos com matriz produzicos por várias técnicas, senão particularmente aplicável para moaificar as propriedades ce um corpo compósito com matriz ce metal proauzico por uma técnica ae infiltração espontânea. 0 processo de modificação substancialmenre contíguo pode também ser usaco primariamente em ligação com corpos compósitos com matriz de metal procuziaos de acoroo com uma técnica ce infiltração espontânea. Em particular, pelo menos uma porção co metal ca matriz ao corpo — ί compósito com matriz ae metal e/ou ao material ae enchimento ao corpo compósito com matriz de me e mociíicaaa ou alterada aurante e/ou após o proce sso ce formação

Fundamento ca invenção:

Cs procutcs compositos que compreenaem uma ..atriz de metal e uma fase ae fortalecimento ou retorço, tal como, partículas, filamentos emaranhacos, tioras ou similares, mostram-se muito prometeaores para uma certa varieaace ae aplicações porque eies comDinam um pouco ca firmeza e ca resistência ao flesgaste ca rase ae reforço com a ductilidade e a tenacidade ca matriz ae metal. Em geral um compósito com matriz ae metal apresentará uma melhoria em propriedaces, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a retenção da resistência às temperaturas elevadas reiativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer proprieaace dada pode ser meihcraaa aepende granaemente dos constituintes específicos, ca sua percentagem em volume ou em peso e aa maneira como eles são processacos na moaeiaçáo ao compósito. Em slcuns casos o compósito pode tamoém ser mais íeve que o metai Ca matri: em si. Cs compósitos com matriz ue alumínio reforçaaos com cerâmicas, tais como, carboneto ae silício, na forma ae partículas, plawuetas ou filamentos emarenhaaos, por exemplo, tèm interesse aeviao às suas maiores firmeza, resistência ao cesçaste e resistência a temperaturas elevadas.

em comparação com o alumínio.

Têm sioo descritos vários processos metalúrgicos para a raoricaçao Oe compósitos com matriz oe alumínio, incluinoo processos Daseaoos na técnica Oa meta lurgia Oos pós e nas técnicas ae infiltração oe metal iíouioo, oue empregam a moldação soo pressão, a moloação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas ca metalurgia oos pós, o metal sob a forma Oe um pó e o material ce rerorco soo a forma oe um pó, filamentos emaranhados, tioras cortaOas, etc, são misturaOos e aepois prensacos a trio e sinterizacos ou prensaeos a quente. A percentagem máxima, em volume, ce cerâmica nos compósitos com matriz ae alumínio reforçaoos com carboneto ae silício produziaos por este processo tem sido incicada como senão cerca oe 25 por cento, em volume, no caso aos filamentos emaranhaaos e cerca ae 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A procuçáo ce compósitos com matriz oe metal peias técnicas Ga metalurgia Oos pós utilizanco os processos convencionais impbe certas limitações relativamente às caracteristicas oos prooutos cue pooem cbter-se. a percentagem, em voiune da tase cerâmica no compósito é limitaaa tipicamente, no caso oos materiais em partículas, a cerca oe 40 por cento. Também, a operação de prensagem põe um limite às oimensões práticas gue pooem ooter-se. Apenas formas oo proouto reiativemente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exe.npio, mooe4 iação ou rascuinaçem) ou sem recorrer a prensas 1'amoém poce verificar-se a contracção não unif re a sinterizaçao, oem como a não uniformicade estrutura, aevico à segregação nos compactos e to de grãos.

ca microcrescimenorme curanA patente norte-americana h- 3.y7O.13b, concedica em 20 de Juiho ae iy7ó, a J.u. uanneii e outros, cescreve um processo para a moaeiaçec ue um compósito com matriz ue metal cue incorpora um reforço tioroso, por exemplo filamentos emaranhados ce carooneto ae silício ou ae alumina, com um pacrão pré-determinado aa orientação cas fioras. 0 compósito é feito colocanao mantos ou feitros paralelos de fioras compl-anares num molae com um reser vatório de metal da matriz funcico, por exemplo alumínio funcico, entre pelo menos alguns cos mantos e aplicanco pressão para forçar o metal funoido a penetrar nos mantos e envolver as fioras orientadas. 0 metal funaiao poae ser vazauo na pilha de mantos enquanto é forçado soO pressão a circular entre os mantos. Têm siao.referidas cargas até cerca de 50%, em volume, ae fioras ae retorço no compósito .

processo ae infiltração atrás aescrito, tenco em vista a sua cepenaência ca pressão externa para forçar o metal da matriz runcico através da pilha ae mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformitíace ca rormação aa matriz, porosicade, etc.

a não uniformiaade das propriedaC.es é possível embora o metal funcico possa ser introfluzicc numa muitipliciaaae ce locais no interior oo agregado fibroso. Consequenternen te, é necessário proporcionar agregacos Ce mantos/reserva tório e trajectos co fluxo complicados para se obter a penetração acequeca e uniforme da pilha c.e mantos ce fioras. Tamoém, o processo ae infiltração sob pressão atrás reterico apenas permite obter um reforço relativamente oeixo da percentagem, em volume da matriz cieviao à aificulCade ae infiltrar um granae volume ae mantos, liais ainaa, são necessários moiaes para manter o metal tunaico sob pressão o gue aumenta o custo ao processo. Finalmente, o processo atrás citado, iimitaao à infiltração ae partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação ce compó sitos com matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientacos aieatori amente.

«e rabricação de compósitos com matriz de alumínio e carga ce enchimento Ce alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornanao assim aifícil formar um produto coerente, várias soluções têm siao sugeridas para esse prociema. Uma aessas soluções consiste em reves tir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é aepois prensado a quente juntamente com o alumínio, «unia outra técnica, o alumínio rorma uma liga com lítio e a alumina pode ser revestida com sílica. Contuco, esses <

compósitos apresentam variações nas proprieaaaes ou os revesti.centos podem aearaaar o materiai de encnimento, ou a matriz contém lítio, que poae aisctar as propriedades da matriz.

a Patente norte-americana ns 4.232.091, concsoica a R. . Grimsnaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontraaas na produção ce compósitos com matriz ce alumínio e alumina. Essa Patente descreve a 2 aplicação ae pressões cte 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundido (ou a liga ae alumínio fundiaa) num manto ae fiaras ou ae filamentos emaranhaaos ae alumina que foi prè -aqueciao a uma temperatura ae 70C a 1O5C2 C. A relação máxima entre os volumes ae alumina e ae metal na peça molaaaa sóliaa resultante foi O,25/i. Devido à sua aepenaência Ga força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas aeficiências que o de Canneli e outros.

A publicação ao peaiao ae patente europeu íi2 H5.742 descreve a racricaçao de compósitos ae aluminaalumínio, especialmente utilizáveis como componentes ae pilhas electrolíticas, peio preencnimento cos vazios ce uma matriz ae alumina pré-moldada com alumínio funoiao.

C peaiao de patente faz realçar a não nolhabilicaae da alumina pelo alumínio e, portanto são usaaas várias técnicas para molhar a aiu.mina em toao a pré-moide. For exempio, reveste-se a alumina com um agente molhante rormaao por um ctiboreto ae titânio, ae zircónio, de náfnio ou ae nióoio ou com um metal, isto é, ±ítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, rerro, coberto, nícuei, zircónio ou náfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como de árgon, para racilitar o molhamento. Esta rererência mostra tamoém a aplicação de pressão para razer com cue o alumínio funci do penetre numa matriz náo revestias. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os coros e aplicanao depois pressão ao alumínio runcico numa atmosfera inerte, por exemplo ae árgon. Em alternativa poae infiltrar-se o pré-molae por deposição ae alumínio em rase ce vapor, para moinar a superfície antes de preencner os vazios por infil tração com alumínio funaiao. vara assegurar a retenção ao alumínio nos poros ao pré-molde, é necessário um tratamen to térmico, por exempio a 1400 a 1800^ C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição ao material infiltraco soo pressão aos gases, guer remoção aa pressão ae infiltração causará uma perca ce aiuminio ao corpo.

uso ae agentes moihantes, para erectuar a infiltração ce um componente ae alumina ce uma pilha eiectroiitica com metal funaiao é tamoém apresentaao no peaiao de patente europeu ms 9^353. Esta puolicação eescre ve a proaução ce aiuminio por extracção eiectroiitica co>.i uma céiuia tenco um alimentacor ce corrente catócico cue forma um revestimento ou suostracto aa céiuia. A tir. ce proteger este suostrato ca crioiite funcica aolica—se um revestimento fino ae uma mistura ce um agente molhante e — b — um supressor ae soiuaiiicade ao suostrato ae aiumina antes ao arranque aa cSiuis ou enruanto mergulha no aiuminio runo.iao prouuziao peio processo eiec troí i rico. Os agentes molhantes incucacos sao o titânio, o zircónio, o nárnio, o silício, o magnésio, o vanácio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, senão o titânio uencionaco como o agente preterico. Os compostos oe ooro, caroono e azoto são aescntos como senão utilizáveis para suprimir a solubilidade aos agentes molhantes no alumínio fundido. A reterência, porém, não sugere a produção de compósitos com matriz ae metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo ce azoto.

Além aa aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração ae alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. For exemplo, a patente americana IJ2 3 718 441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carooneto de coro, aiumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanéoio, níquel ou crómio, sob um vácuo ce menos ae 10 ° torr. Um vácuo 2 o ae 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente aa cerâm.ica pelo metal fundico até o ponto de o metal nao fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou muanao se reduziu o vácuo para menos ce IO'⁰ torr

A patente americana í'm² 3.«64.±54, concecic.3 em 4 ce Fevereiro ce 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 prensa-o a frio de pó aí3^₂ num leito de pó de alumínio prensaao a frio. Coiocou-se depois alumínio acicional no topo do pó de Λ13 ₂· loiocou-se o cadinno, carregado com compacto de A13^₂ ensanouicnado entre as camaaas ae pó ae aiumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximaaamente 10 torr, para permitir, a saida aos gases. Elevou-se aepois a temperatura até l±00²C e manteve-se aurante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio funaiao penetrou no compacto ae AJLB £ poroso.

A patente americana N2 3.364.975, conceaida em 23 de Janeiro ae ±958, a John N. ReCing e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo auto-geraco num corpo para intensificar a penetração de um meta± funcido no corpo. Especificamente, descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde ae grafite, um molae de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundiao. No caso ae um molae, a cavicaae ao molae, que é preencnida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal funoioo situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molae. Quanao se mergulha o molae na nassa em fusão, verifica-se o enchimento ca caviaade à lc

meciís que se produz o vácuo suro-geraco a partir aa reação entre o gás na cavidace e o metal tunciao. Em paruicuiar, o vácuo é o resultado oa formação de uma forma oxidada sólida ao metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial incutir uma reacção entre o gás na cavidade e o meral fundido. Contuco, utilizancio um molde para criar um vácuo poae ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a urilização de um molde. Os moiaes têm ae ser primeiro maquinados para lhe dar uma rorma particular e depois, acabados, maquinados para produzir uma superrície de vazamento aceitável no molde, depois, montaaos antes oa sua uriíização e em seçuica desmontados após o seu uso para remover a peça tunaida do mesmo, seguis do-se depois a recuperação ao molae, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação aas superfície do molde ou o seu cescarte se não já aceitável para ser ucilizaco. A maquinagem ce um molae para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção ae uma peça moldada ae um molde ae forma complexa (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa poaem partir-se quando se retiram co molae). Mais ainda, euiaora naja uma sugestão de cue um material refractário poroso poae ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molae, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para inriítrar um material poroso separaco ou solto, sem o uso ae um molde contentor (isto é, crê-se il geralmente que tipicamente o material em partículas se aesintegraria ou se separaria por flutuação, guanco colocaco num metal funoido) . Mais ainda, se se cesejasse infiel trar um material em partículas ou um pré-molae formaao solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não deslocue pelo menos porções ao material em partículas ou ao pré-molae, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem naviao uma necessidade há muito sentica ae um processo simples e fiável para produzir compósitos com matriz ae metal mocelados que náo aepenaem ca utilização de pressão ou vácuo apiiceao (quer aplicaao externamente, quer criado internamente), ou agen tes molhantes prejuaiciais para criar uma matriz de metal emoebiaa noutro material, tal como um material cerâmico.

Além aisso, tem naviao uma necessidace ná muito sentida de minimizar a quantidade ge operações tinais ce maguinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfaz essas necessidades proporcionanao um mecanismo ce infiltração espontânea para inriltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), gue poae ser moaelaao com a forma ae um pré-molae, com metal da matriz (por exempio, alumínio) funaico, na presença de uma atmosfera infiltrante (por exempio, azoto) à pressão atmosférica normal, cesce gue esteja presente um intensificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

-escricso o o s υecicos ae patente americanos co mesmo croprietário

C assunto do presente oeciao ae patente está relacionado com o ae diversos outros pedxuos de patente copencentes ao mesmo proprietário. Em particular, estes outros peaiaos ae patente copendentes aescrevem processos novos para a fabricação ce materiais compósitos com matriz ce metal (de aqui em diante, por vezes designa dos por Pedidos de patente oe matrizes metálicas ao mesmo proprietário).

Um processo novo para a fabricação de um material compósito com matriz ce metal é apresentado no pedido ce patente americano do mesmo proprietário,

N2 049.171, depositado em 13 de Maio de 1967, em nome de Whi~e et al e intitulado “Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido peia infiltração ce uma massa.permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio funaiao contenao pelo menos cerca ce i por cento, em peso, de magnésio e ae preferência peio menos cerca de 3 por cento, em peso, ae magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um supri_ mento de liga ae metal runaido é posto em contacto com a massa ae material de encnimento a uma temperatura de pelo menos cerca ae 575⁹ C, na presença ae um gás compreendendo

- 13 ce cerca ce 1C a 100 por cento e, ce orererência, cerca oe 50 por cento ae azoto, em volume, senão o restante ao gás, se houver, um gás não oxidante, por exemplo árgon. Mestas condições, a liga de alumínio tunaiao infiltra-se “a massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz ce alumínio (ou liga de alumínio). uuantío se tiver infiltrado a quantidade deseja aa ce material ae enchimento com a liga de alumínio funciaa, caixa-se a temperatura para solidificar a liga, forman do assim uma estrutura com matriz ae metal sólida emoedica no material ae enchimento oe reforço. Usualmente e ce preterência, o suprimento ae liga funcida forneciao será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites aa massa ae material de enchimento. A cuantidade ae material oe enchimento nos compósitos com matriz ce alumínio procuzicos ae acorco com a invenção de White et al pode ser extraorainariamente alta. A este respeito, podem atincir-se relações volumétricas entre o material ae enchimento e a liga maiores que 1:1.

Mas condições do processo na invenção de .•àiite et al atrás mencionada, poae formar-se nitreto ce alumínio corno uma tase aescontínua cispersa por toaa matriz ae alumínio. A quanticade ae nitreto na matriz ae alumínio pode variar, cependenco ae tactores como a temperatura, a composição ca liga, a composição ao gás e ao material de enchimento. Assim, controlando um ou mais aesses ratores

no sistens é possível aeterminar ae antemão certas proprie oac.es oo compósito. Fera algumas aplicações oe utilização final, poae no entanto ser oesejável cue o compósito contenha oouco ou substancialmente nenhum nitreto Oe alumínio.

Tem sioo observaOo que temperaturas mais elevadas ravorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conoucente à formação Oe nitretos. Λ invenção oe Kbite et ai permite a escolha ae um equiiíorio entre a cinética aa infiltração e a formação flos nitretos.

Um exemplo de oispositivo oe carreira aaequaoo para ser utilizaoo com a formação oe compósitos com matriz de metal é cescrito no peoico oe patente ameri cano ao mesmo proprietário N2 141.042, aepositaao em 7 de Janeiro de I9tí8, em nome ae Kicnaei K.. Agnajanian et ai, e intituiaco Methoa or MaKing Metal Matrix Composite witn use of a rfarrier. te acorco com o processo aa invenção de Agnajanian et al, coloca-se um cisposifivo ae carreira (por exemplo, oiooreto Oe titânio em partículas ou um material oe grafite, tal como proouto oe fita Oe grafite flexível venoioa pela Union Caroioe com a cesigna ção comercial Grafoil®) num iimite ce superfície oerinico ao material oe enchimento, e a liga oa matriz infiltra-se até ao limite oefinico peio meio oe carreira. C meio de carreira é usaoo para inicir, impeoir ou terminar a infiltração oa liga funcioa, proporcionanoo assim formas reticulares ou cuase reticulares no comcósico com matriz oe

metal resultante. Conseçuentsmente, os corpos com. matriz ae metal fortiauos têm. uma tor.~? ex corresponce substancialmente à forna interior barreira.

compósitos erior cue ao meio ce processo cio peaiao de patente americano c49 i7± toi aperreiçoado pelo peaiao ae patente americano copenaente e ao mesmo proprietário x2 iotí 2b4, aepositaao em i5 ae i-Iarço ae i9tí£, em nome ae uicnael K. Achajanian e iiarc S. wewkirk e intitulaao metal itatrix Composites ana 1‘ecnnicues for Making tne Same. De acordo com os processos apresentados nesse peaiao ae patente americano, uma liga ae metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório ce liga ae metal da matriz que comunica com a primeira íonte ae metal funaiao aevico, por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições aescritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga ae matriz fundida começa a infiltrar a massa ae material de enchimento á pressão atmosférica normal, começanco assim a formação ae um compósito com matriz ae metal. A primeira fonte Ce iige ae metal de matriz funciaa é consumida durante a sua infiltração na massa de material ae enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório ae metal ce matriz fundida à medida cue a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltraco espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga aa matriz fun-lo -

cisa, oaixa-se a temperatura para solidificar a liga, for manco assim uma estrutura sóiica ca matriz ce metal que emoeoe o material de enchimento ce reforço, leve compreen cer-se gue a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção aescrita nesse oeaiao de patente e não é necessário comoinar a forma de realização do reservatório com rodas as formas de realização alternativas aa invenção nele descritas, algumas das quais poderiam tamoém ser convenientes para utilizar em comoinação com a presente invenção.

C reservatório de metal pode estar presen te numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-deteminatía. Em alternativa, um meio de oarreira optativo pode contactar a massa permeável oe material ce enchimento pelo menos de um cos seus lados para cefinir um limite de superfície.

Além císso, emoora o suprimento de liga ca matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficien te para permitir que a infiltração espontânea se processe substancialmente até os limites (por exemplo, as carreiras) da massa permeável de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório pocia exceder essa quantidade suficiente de modo que não só naverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como tamoém poderia ficar liga ce metal funcida em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim,

resultante será um corpo compósito complexo (por exempio, um raacrocompósito), no cual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estará iigaco directamente ao metal em excesso oue fica no reservatório.

Todos os peaiaos de patente de matriz ae âietal do mesmo proprietário atrás examinados descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz ae metal e novos corpos compósitos com matriz ce metal proauziaos por esses processos. As aescrições completas ae toaos os pediaos ae patente ce uma matriz ae metal ao mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporaaos por referência.

Sumário da Invenção u’m corpo compósito com matriz ae metal pode ser produziao iníiltranao espontaneamente uma massa permeável de material ae enchimento ou um pré-molae com um metal da matriz funaiao. 0 metal da matriz no material ce enchimento ou no pré-molae infiltrados e/ou o material ce enchimento ou o pré-molde podem ser moaificaaos de maneira substancialmente simultânea e/ou podem ser modificados por um tratamento após o processo' ae formação (isto é, podem ser moaificados aepois ae ootiàs a infiltração). uessa moaificação resuitam propriedades melhoradas ou aperfeiçoaaas (por exemplo, propriedades mecânicas especialmente a altas temperaturas melhoradas, resistência à corrosão aperfeiçoada, resistência â erosão aperfeiçoada, etc.) num compósito com matriz ae metal formado. Além

disso, os compósitos con matriz ce metal procuzidos por outros processos diferentes do processo ae infiltração espontânea podem também ser trataaos ae acorco com um tratamento após o processo de formação secunco a presente invenção.

Para obter a infiltração espontânea., põe-se uma massa permeável ae material ce enchimento ou um pré-molae em contacto com um intensificaaor da infiltração e/ou um precursor do intensificaaor aa infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante, pelo menos em determinaao instante aurante o processo, o cue permite cue o metal da matriz funaido se infiltre espontaneamente no material ae enchimento ou no pré-molae. «um processo preferico para obter a infiltração espontânea, em vez ae fornecer um precursor ao intensificaaor da infiltração, poae fornecer -se um intensificaaor aa infiltração cireccamente ao pré-molae e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiitran te. Finalmente, peio menos aurante a infiltração espontânea, o intensiticador ae infiltração deve estar iocalizaao em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou co pré-molae.

Numa forma de realização preferida para modificar peio menos uma proprieoace ce um compósito com matriz de metal, quanco se ootiver a infiltração espontânea no pré-molae ou no materiai ce enchimento, mas antes ce o metei ca matriz se solidificar, o metal ca matriz no coroo comoósito com matriz ce metal está moclificaao.

- 1.9.Esceciticamente, pelo menos uma porção co metal aa matriz é costa em contacto com um segundo metal que tamoém poae ser zunaido e que zem uma cozoosiçao cirerente ca do metal ca mazriz. Especificamente, um segunco metal poce difuncir-se entre o metal da matriz, danco assim origem, por exemplo, à zormação de compostos intermetálicos devido a uma reacção entre o metal da matriz e o material de enchi, mento com o segunco metal. Consequentemente, nesta forma ae realização, poce ser preferível que o secunao metal seja miscível com o metal aa matriz (por exemplo, quando tor aesejável tomar compostos intermetálicos).

i'iuma outra forma de realização preterida, para modificar pelo menos uma propriedade de um compósito com matriz de metal, antes de se completar a infiltração espontânea do metal da matriz tunaido numa massa permeável ae material de enchimento ou no pré-molde, altera-se a composição co metal da matriz oue continua a infiltrar-se, adicionando à mesma um segundo metal com uma composição diferente da do metal da matriz. Por exempio, logo que o metal da matriz comece a infiltrar-se numa massa permeável de material de enchimento ou no pré-molae, poderia acicionar-se um segunco metal (por exemplo, formando uma liga) à fonte de metal aa matriz (por exempio, uma fonte reservatório ce metal da matriz). C segunco mezal poderia ser qualquer metal que, cuanc.o comoinaco com o metal da matriz não atecte aaversamente a infiltração espontânea oe metal da matriz fundido nem modifique as propriedeces

2C

co comtósito com matriz ce metei (por exemplo, o metal cia ..istriz no compósito com matriz ce metal) de uma maneira oesejaca.

Numa outra rorma ce realização preterida para modificar peio menos uma prooriedace ce um compósito com matriz ce metal, pelo menos o metal ca matriz e/ou o material de enchimento ou o pré-molde num compósito com matriz de metal são modificados de maneira substancialmen te simultânea com a infiltração espontânea do metal aa matriz runaiao num material ae enchimento ou no pré-molde. Nesta forma ce realização, pode misturar-se pelo menos parcialmente um seçunao material (por exemplo, um metal em pó ou um precursor do metal) com o material de encnimento ou o pré-molae, sendo o segundo material reactivo com o metal da matriz e/ou com o material de enchimento ou o pré-molde. Especificamente, o segunco material poae reagir com o metal aa matriz runaiao para formar compostos intermetálicos desejáveis, que melhoram, por exemplo, a resistência às altas temperaturas, a resistência à corrosão, a resistência à erosão, etc., co composito com matriz de metal.

Numa outra forma ae realização preferiaa, não se permite cue a infiltração espontânea emoeoa completamente o material ae enchimenro ou o pré-molae (por exempio, cria-se ou rorma-se pelo menos aiguma porosicefe no material ae enchimento ou no pré-molae). Foce então pôr-se um segunco metal, com composição ciferente da do metal

oa matriz, em contacto com uma superfície do corpo compósito com matriz oe metal, oue não foi submetioa à infiltração completa. Então, o segundo metal, infiltra-se nos poros oo compósito com matriz de metai (por exemplo, o secundo metal pode formar urna iiga com o metal aa matriz e proporcionar uma cruanticace suficiente ce metal Oa matriz numa liga para encher completamente os poros no mate rial oe enchimento ou no pré-moloe). Além disso, esse enchimento oos poros pode verificar-se a uma temperatura igual ou superior à temperatura a que se completa a russo oo metal Oa matriz (e/ou oa liga oe metal aa matriz e oo segunoo metal). Consequentemente, o corpo compósito com uatriz ae metal será moaiticado pelo enchimento, com uma liga de metai oa matriz e oo segunoo metal, oos poros ce um material ae encnimento ou co pré-molae.

Numa outra forma oe realização prererioa, pooe pôr-se um segunco metal, com uma composição aiferente aa Oo metal oa matriz que se infiltrou num material ce

enchimento	ou	no	pré-molae	, em contacto	com pelo	menos
uma porção	ce	um	material	de enchimento	ou ae um	pré-molo
infiltraao	ce	.aaneira sues	tanciaimente c	ompleta,	re agi nao

o segunoo metal com o metal aa matriz e/ou o material de enchimento ou o pré-molae. Especificamente, num processo preterido, o segunoo metal pode ser transportado pelo metai aa matriz para contactar com o material oe enchimento ou o pré-molae e/ou pooe contactar com o material oe enchimento ou o pré-molae airectamente e, reagir assim

com o material oe enchimento ou o pré-moloe, para rormar um proauto ca reacção. neste processo prererico, o proauto aa reacção rormado sorre uma dilatação volumétrica em reiaçao ao material ce enchimento ou ao pré-molae originais. Esse proauto ca reacçao é tipicamente rormaao quanao o metal aa matriz está a temperatura a que se completa a rusao, a uma temperatura superior ou ligeiramente inferior, aonce resulta cue o metal aa matriz é oeslocaao ao corpo compósito com matriz ae metei. Consequentemente, conforme a auantiaaae ae proauto aa reacção rormado, ná uma recução ca percentagem, em volume glooal ce metal aa matriz no corpo compósito com matriz ae metal. i'or exemplo, poae ±imitar-se a rormação ae produto aa reacção a uma área ca superfície ao compósito com matriz ae metal, rorm.anao-se assim uma supertície tíe proauto aa reacção num suostrato ae compósito com matriz ae metai, Além uisso, a rormação ae um proauto aa reacção não se limita aos corpos compósitos com matriz oe metal procuzicos c.e acorco com a técnica ae innltração espontânea. Ξ concebível que a rormação ae proauto- aa reacção em qualquer sistema cue implique a conversão ae metal aa matriz e/ou material ae encr:i:nento cu ao pré-molde num proauto aa reacção que aesloca então o metal ta matriz, pode proauzir resultados cesejáveis.

Faz-se notar que este pedido ae patente discute primariamente metais aa matriz ce alumínio, que em determinaao instante durante a rormação ao corpo compósito com .ratriz ce metal estão em contacto com magnésio,

que funciona como precursor co intensificador ca infiltra ção, na presença cie azoto, cue funciona co.no atmosfera infiltrante. .-ssim, o sistema ae metal ce matriz/precursor do intensificaoor oa inziltraçao/atmoi-.f era infiltrante ce alumínio/magnésio/azoto apresenta a infiltração espontânea. Contuao, outros sistemas ae metal aa matriz/precursor co i nt ens i f i c aaor oa infiltração/atmosfera infiltrante tamoém podem comportar-se ae maneira análoga a co sistema ue alu mínio/magnésio/azoto. For exemplo, verificou-se um compor tamento ae infiltração espontânea similar no sistema de alumínio/estrônoio/azoto, no sistema ae alumínio/zinco/ /oxigénio e no sistema de alu.mínio/cálcio/azoto. Consecuen temente, emoora o sistema alumínio/magnésio/azoto seja agui discutido primariamente, ceve entender-se cue outros sistemas ae metal da matriz/precursor do intensificador aa infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga, pretendenoo-se gue sejam abrangidos pela presente invenção.

Quanco o metal da matriz incluir uma liga de alumínio, a liga ce alumínio é posta em contacto com nm pré-molde gue inclui um material ce encuinento (por exempio, alumina ou carboneto de silício) ou com um material ae enchimento, tenoo o material de enchimento ou o pré-molde com eles misturado, e/ou estando aetermineeo instante aurante o processo exposto ao magnésio. Além, oisso, numa forma ae realização preferida, a liga ce alumínio e/ou o pré-molae ou o material ce enes.imento estão contidos numa atmosfera ce azoto aurante oelo menos uma

C usado, s porção co processo. C pré-molde será mfiltraco espontaneamente, variando a extensão ou a velocicace de infiltra ção espontânea e da tormação oe metal ca matriz com um caco conjunto ce concicões co processo, incluinoo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionado ao siste ma (por exemplo, na liga ce alumínio e/ou no material ae encnimento ou no pré-molde e/ou na atmosfera infiltrante), as oimensões e/ou a composição cas partículas do pré-molde ou do material ce encnimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitico para a infiltração e/ou a temperatura a gue a infiltração ocorre. A infi_l tração espontânea ocorre tipicamente num grau suficiente para emoeoer de maneirs substencialmente completa o pré-molde ou o material de encnimento.

Definições:

Alumínio, como acui é usado, significa e inclui o metei substancialmente puro (por exemplo, um alumínio sem liça, reiativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus do metal e de ligas do metal, tais como os metais comereialmente cisponíveis com impure zas e/ou elementos de liga, tais como ferro, silício, cobre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc. Uma liga ca alumínio para fins ca presente definição é uma liga ou composto intermetálico em gue o alumínio é o constituinte pri ncipal.

“Gás restante não oxidante¹¹ , como aqui é ignific- cue cualcuer gás presente, além co gás crincipal que constitui a atmosfera inriltrante, é ou um gás inerte ou um gás reo.utcr substancialmente não reactivo com o metal ca matriz nas condições co processo. Cualquer gás oxidante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usaco(s) ceve ser insuficiente para o:<icar o metal da matriz em qualcuer grau substancial nas conoições co processo.

“darreira ou meios se Barreira, como aqui é usaco, significa qualquer meio ac.equaco que interfe re, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, ce metal ca matriz runoioo para além de um limite de superrície ae uma massa permeável ao material ae enchimento ou pré-molae, sendo esse limite ae superrície aetiniao pelos meios ce carreira. São meios ce barreira aprcpriacos qualquer material, composto, elemento, composição ou similar cue, nas condições do processo, mantém uma certa integriaade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material ce carreira não se volatiliza até um ponto tal que se torne não funcional como carreira.

Além eisso, os meios ce barreira apropriados incluem materiais que sao suestancialmente não molháveis pelo metal da matriz funaiao que migra, nas condições co processo utiiizaaas. 'uma carreira deste tipo aparenta ter suestaneialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal ca matriz funaiao, e o movimento para além co limite ce superfície aefinido oa massa ce material ce enchi mento ou co pré-molde é impecido ou iniciao peies meios ae

oarreira. a barreira recuz cualruer maquinagem ou rectifi cação tinais oue possam ser necessárias e cetins pelo menos uma porção oa superrície co proouto compósito com matriz ce metal resultante. A carreira poae, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exempio peia acertura ae furos ou perfuração ca carreira, para permitir cue o gás contacte com o metal ca matriz runoiaa.

“C arcaç a'* ou “carcaça ae metal da ^airiz¹¹ , como agui é usaco, refere-se a gualcuer porção co corpo original ce metal ca matriz restante, gue não roi consumido ourante a formação co corpo compósito com matriz ae metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto peio menos parcial com o corpo compósito com matriz cie metai gue toi rormaao. Deve enuenaer-se cue a carcaça pode também incluir em si um segundo metal ou metal estranho.

'‘•••aterial ce enchimento¹¹ , como acui é usado, pretenae-se gue inclua guer constituintes inaivicuais, cuer misturas de constituintes substancialmente não reacti vos, com o metal da matriz e/ou com soluoilidace reduzica no mesmo podenco ser de rase única ou com várias fases.

Cs materiais ae enchimento pooem ser proporcionados com uma ampla variedade ce formas, tais como pós, rlocos, olaguetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc e podem ser censos ou porosos.

ate rial ce enchimento¹' pocem tamoém incluir materiais ce enchimento cerâmicos, tais como, a alumina ou o carboneto Ce silício scd a torta oe tioras, tioras cortadas, materiais em partículas, filamentos emaranh.aaos, pérolas, esferas, mantos oe tioras ou similares, e materiais ce enchimento revestidos, tais como rioras oe caroono revestidas com alumina óu carboneto de silício para proteger o oaroono co atamie, por exemplo, por um metal original de alumínio funcico. Cs materiais de enchimento tamoém pocem incluir metais.

“Atmosfera infiltrante, como agui é usaco, significa a atmosfera cue está presente, cue interage com metal aa matriz e/ou o pré-molae (ou o material ce enchimento) e/ou o precursor de intensiticaaor ae infiltração e/ou o intensiticaaor ae infiltração e permite ou intensifica a ocorrência aa infiltração espontânea ao metal da matriz ocorra.

Intensificador ae infiltração , como agui é usado, significa um material gue promove ou auxilia a infiltração espontânea Co metal Ca matriz num material ce enchimento ou pré-molce. Um intensificador ce intiltreção pode ser formado, por exempio, a partir ce uma reacção ce um precursor ce intensificador ae intiitração com uma atmosfera infiltrante para tormar (1) uma espécie gasosa e/ou (2; um proauto aa reacção co precursor de intensiticador ae infiltração com a atmosfera infiltrante e/ou (3) um proauto da reacçao ao precursor ae intensiticaaor de

infiltração com o material oe enchimento ou pré-molae.

Além disso, o intensificador de inriltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona ae uma maneira sudstancialmente análoga à ae um intensificador ae infiltração oue foi formado como uma reacção entre o precursor ce intensificador ce infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos curante a infiltração espontânea, o intensificacor ae infiltração ceve estar localizado em pelo menos uma porção ao material de encniraento ou pré-molde para ooter a infiltração espontânea.

Precursor ce intensificador ce infiltração*' ou srecursor para o intensificaaor ae infiltração, como aqui é usaao, significa um material que, quanco usaao em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, torras um intensificador ae infiltração que induz ou auxilia o metal ca matriz a inriitrar-se espontaneamente no material ae enchimento ou pré-molae. Sem aesejsr ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contuco que pode ser necessário que o precursor co intensificaaor ae infiltração possa ser posicionado, Iocalizaco ou transportável para um local que permita que o precursor ae intensificador ae infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material oe enchimento e/ou metal cís matriz, ?or exempio, em certos sistemas o.e metal oa matriz/precursor ce inten~izio?aor ae inriltração/atmosfera infiltrante é cesejável cue o precursor ae intensiticacor ce inriitração se volatilize na vizinhança cia,ou em alguns casos,um pouco acima aa, temperatura a que o metal ca matriz tunce. Essa volatilização pode levar a: (i) uma reacção do precursor ae intensificacor ce infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensirica o molhamento co material ce encnimento ou o pré-rnoiae pelo metal aa matriz; e/ou (2) uma reacção ao precursor de inten siricaaor ae inriltração com a atmosfera inriltrante para rorinar um intensiticacor ce inriltração sóiico, líquiao ou gasoso em peio menos uma porção ao material ae enchimento ou ao prá-molae o que intensifica o molhamento; e/ou (3) uma reacção Co precursor ce intensiticacor ae infiltração no interior ao material ae enchimento ou ao pré-molae que forma um intensiticacor ce inriltração sóiico, líquiao ou gasoso em pelo menos uma porção do material ce enchimento ou ao pré-molde, o que intensirica o molhamento .

¹¹ I nterei fusão¹' ou ¹¹ interci funaico , como aaui é usado, significa que se verifica pelo menos um contacto parcial ou uma mistura de um ./.etal aa matriz com um segunco metal ou metal cirerente, para obter como resul taco uma nova liga e/ou um novo composto intermetálico ce s e jáveis.

‘h.etal ca .-.a ou lica. ce metal c.a •iz“ , como aqui é usacio, signitica o metal cue é utilizado para tornar um compósito com matriz ce metai (por

3C

exemplo, entes oe infiltração) e/ou o metal çue é misturado com um. material de enchimento para formar um corpo compósito com ..'atriz de metal (por exemplo, cepois da infiltração) , Quanto um metal especiíicado é c.esignaco como metal da matriz, deve entender-se cue esse metal ca 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 cue açueie metal é o constituinte principal cu precominante.

^sistei.3 de metal da matriz/precursor ce intensificador ca infiltracao/atmosfera infiltrante ou Sistema espontâneo, como acui é usaco, refere-se à combinação de materiais cue apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material ce enchimento. Deve entender-se çue guando aparecer um / entre um metal da matriz exempiificativo, um precursor ce intensiricador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar um sistema ou comoinaçãc ce materiais çue, çuanco combinados de uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

Compósito com matriz de metal ou , como acui é usado, significa um material çue compreende uma liga ou matriz ce metal interligaca bi-ou tricimensio nalmente, cue embeoeu um pré-molde ou material de enchimento. C m.etal c.a matriz pode incluir vários elementos ce liça para proporcionar propriedades mecânicas e físicas especiticamente desejaaas no compósito resultante.

Um metal ciíerente^!l d.o metal ca .natriz, significa um metal gue não contém, como constituinte principal, o metal igual ao Ca matriz (por exemplo, se o constituinte principal Co metal aa matriz for o alumínio, o metal Cifersnte pode ter um constituinte principal ae, por exemplo, níquel) .

Vaso não reactivo pera alojar o metal aa matriz, signizica qualquer vaso oue possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molae) e/ou metal Ca matriz fundiao nas conaõçóes ao processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensificador aa infiltração e/ou um material ae encnimento ou pré-molae Ce uma maneira que seria significativamente prejudicial ao mecanismo de infiltração.

Pré-molae ou Pré-molde permeável como aqui é usado, significa uma massa porosa de material de encnimento ou um material de encrimento gue é preparada com pelo menos um limite de superzície que detine suostancialmente um limite para infiltração do metal aa matriz, mantendo essa massa uma integriaaae ae forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidaue aimensional antes de ser innitrada pelo metal Ca matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se aaeptar à infiltração espontânea do metal aa matriz no seu interior. Um pré-molae compreence tipicamente um agregado ou disposição ligacos ae material Ce enchimento, nomo

J z.

géneo ou heterogéneo, e pode ser constituioc por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas, em pó, cidras, rifamentos emaranhados, etc. de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molae pode existir inaiviaualmente ou como um conjunto.

Froauto aa reacção, como aqui é usado, significa o produto de uma reacçao entre um segunao metal ou metal diferente com o material de encnimento ou o pré-molae e/ou um metal da matriz.

Reservatório, como aqui é usado, signirica um corpo separado de metal oa matriz posicionado em relação a uma massa de material de encnimento ou pré-molde, ae modo que, cuanao o metal estiver runaido, poae fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicial, mento e depois reaoastecer a porção, segmento ou fonte de metal ca matriz que está em contacto com o material ce encnimento ou oré-molde.

Inriitração espontânea, como aaui e usado, signirica a inriitração do metal aa matriz na massa permeável de material de enchimento ou pré-molde, que se verifica sem exigir a aplicação ce pressão ou vácuo (quer aplicados externamente quer criados internamente).

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferioas

A presente invenção retere-se à rormação de um corpo compósito com matriz ae metal inrrltrando espontaneamente uma massa permeável ae material ae enchimento ou ae um pré-molae com metal da matriz funoido e modiricanco, durante a e/ou depois aa intiltraçao espontânea, pelo menos uma porção ao corpo compósito com matriz ae metal.

Um corpo compósito com matriz de metal poae ser produzido por intiltraçao espontânea de uma massa permeável de material de enchimento ou de um pré-molae com um metal da matriz runcido. O metal da matriz no material de enchimento ou no pré-molae infiltraaos e/ou o material de enchimento ou o pré-molae poaem ser modificados ce maneira substancialmente simultânea com a inriltraçâo; e/ou poaem ser moairicados por um tratamento após o processo de tormação (isto é, podem ser moairicados depois de obtida a inriltraçâo). Dessa modificação resultam propriedades melhoradas ou aperfeiçoadas (por exemplo, propriedades mecânicas aperfeiçoadas, resistência à corrosão aperfeiçoa da, resistência à erosão aperfeiçoada, etc.) num compósito com matriz de metai formado. Além disso, tamoém compósitos com matriz de metal produzidos por outros métodos diferentes do processo de infiltração espontânea poaem ser tratados com um tratamento posterior ao processo de formação, segundo a presente invenção.

Para ooter a inriltraçâo espontânea, põe-se uma. massa permeável de material ae enchimento ou ae um pré-molae em contacto com um intensiricedcr da inriltraçâo e/ou um precursor ao intensificador da infiltração e/ou

u~a atmosfera infiltrante, pelo menos em ceterminaco instante curante o processo, o cue permite que metal ca matriz runtico se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Num processo preferido para obter a infiltração espontânea diferente do fornecimento ce um precursor do intensificenor ca infiltração, pode fcrnecer-se um intensificaccr na infiltração directamente ao pré-molce e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos c.urante a infiltração espontânea, o intensificador da infiltração ceve estar localizado pelo menos numa porção ao material ce enchimen to ou do pré-molae.

Numa forma ae realização preferida para modificar pelo menos uma propriecace ce um compósito com matriz ce metal, uma vez obtida a infiltração espontânea no pré-molde ou no material ae enchimento, mas antes que o metal ca matriz solidifique, moairica-se o metal da matriz no corpo compósito com matriz de metal. Especifica mente, põe-se pelo menos uma porção co metal da matriz em contacto com um segundo metal, cue tamcém pode ser fundido, e que tem uma composição diferente aa co metal aa matriz.

Especificamente, um segunco metal pode ficar intercifundido no metal da mairiz, ooncuzinco assim, por exemplo, a formação ce compostos intermetáiicos desejáveis, cevico a uma reacção entre o metal ca matriz e o segunco metal. Consequentemente, nesta forma ce realização, o segunco metal pode ser miscível (por exemplo, formar compostos

intermetálicos cesej áveis) :om

...e tal ta utilização prática te uma rorma cs realização preferida, poae utilizar-se um vaso ce aço inoxidável, compreencenao um recipiente com uma placa interior vecada na sua posição por uma junta ae veaação anular ce cobre. 0 recipiente ae aço inoxidável ce preferência contém um suporte refractário. Um recipiente metálico de aço inoxidável pode ter um msterial ae enchimento ce alumina, tal como, 36 Aiundum, 90 çrit, rornecicc pela Norton

Co., com	cerca de 50%,	em volume,	ce	um	segunco metal	em
pó, dife	rente co metal	ca matriz.	xes	ta	rorma ae real	iza-
ção, poae colocar-se a	iiga ce me	tal	ca	matriz socre	o
material	ce encnimento	no recipie	nte	metálico ce aço	inox i

aável. O metal ca matriz ce prererência compreende uma iiga de alumínio com cerca de 5 por cento, em peso, ae wg. A fim ae infiltrar espontaneamente o metal aa matriz no material ae enchimento, o vaso ae aço inoxidável ceve ser

acue	ciao até	cerca de	750-11002 c,	numa	atmosfera ce um
gás	contendo	azo t-O ·	medica que o	metal	aa matriz se infil.
tra	e spontane	amente no	material ce	enchi	mento pe rmeáve1,
e i e	entra em	contacto	com o segunco	;.;ets	1 contico no mate-

rial ce enchimento (por exemplo, níquel). C alumínio no metal aa matriz poae reagir com o níquel no material ae enchimento para formar um composto intermetálico, tal como elumineto ce nícuel nos canais através cos quais o metal da '.atriz passou para infiltrar espontaneamente o material ae encnimento. O grau em cue cualquer re-ccão ocorre cepen ο

ce us temperatura, da curaçao ca exposição a esta tempera tura e/ou ca miscioiiicace cos metais funcicos.

numa outra rorma ce reaíizsçeo preterica

para mocificar	pelo menos uma	propriecace	ce um compósito
com matriz ce :	metal, antes ce	se completar	a infiltração
espontânea ce	metal ca matriz	funcico nu.?.a	massa permeável
ae material ce	enchimento ou	no pré-molce,	moeitica-se a
composição co :	letal ca matriz	cue continua	a infiltrar-se,

ce metal, mooitica-se o metal ca fatriz e/ou aQicionanco um segunco metal à mesma, com uma composição diferente ca co metal ca matriz. For exemplo, logo cue o metal ca matriz começa a infiitrar-se numa .nassa permeável ce material ae enchimento ou no pré-molae, poaia acicionar -se um segunco metal (por exemplo numa liga) à fonte ce metal da matriz (por exemplo, uma ronte ce reservatório ce metal ca matriz). O segunco metal poceria ser gualcuer metal cue, quanto ccncinaco com o metal ca matriz, não afecte acversamente a infiltração espontânea ce metal ca matriz funcico nem mocificue as propriecaces co compósito com matriz ue metal (por exemplo, o metal aa matriz no com. pósito com matriz ce metal) ce uma maneira oesejaCa.

L.um.a outra rorma ae realização para mociricsr pelo menos uma propriecace ce um compósito com matriz o material ue enchimento ou o pré-molce num compósito co:'·; matriz ce metal ce maneira suist?r.ciaimente simultânea com a infiltração espontânea ce metal ca matriz funcido num material de enchi, mento ou no prá-molce. Mesta forma ce realização, poce

misturar-:

;e um segundo material (por exemplo, um metal e:

ou um precursor	ao metal)	, peio menos	parei =i: en te , com
material ae enchi	.tento ou	o oré-meice,	3 e rm c o s e ç u η u o
tal reactivo “in	situ“ com	. o meta 1 ca	•'•atriz e/ou com o

material cie enchimento ou o prá-molce. segundo material poae reagir com metal para formar compostos inter.setálicos c. ram, por exemplo, a resistência as tem a resistência à corrosão, a resistênci

i.spec i f ic amante , o ca matriz funeico asejáveis cue mslhoseraturas elevacas, a s erosão, etc. c.o compósito com matriz de metal.

Numa outra rorma ce realização preferida, não se permite que a infiltração espontânea emoeoa ccmpletamente o material ae encnimento ou o pré-molae (por exemplo, cria-se ou rorma-se peio menos alguma corosicace no material ce enchimento ou no pré-molde). Um seçunao metal, com composição direrente da do metal aa matriz poce então ser posto em contacto com uma superfície co corpo compósito com matriz ae metal, que não sofreu a inriltração completa. 0 segunao metal intiltra-sc então nos poros co compósito com. matriz Ce metal (por exemplo, o secunco metal pode cormar uma liga co o metal da matriz infiltrado e proporcionar uma quantidade suficiente de .etsl ca matriz ligaao para encher completamente os poros cc material ce enchimento cu ao pré-molae). Além cisso, esse encnimento C.OS O T S OCCÍTSi^ ^Λ tl /1 λ TL. G 7/ 'LJ G £* - t 2Γ — i ~ ui 2 1. O Ti ^c Ti Ό G 17 i O LT λ temperatura a rue se completa a rusão co metal da uatriz (e/ou a liga ce metal ca matriz e co segunco metal).

Consecuentsmente, ο corpo compósito será oociificaco pelo enchimento ce :natriz e co segunco metal cos poros mento ou ce um oré-molae.

com matriz ce metal ma liça ce metal ca ce um material ce enchi fcuma outra forma ce realização preferida, poce pôr-se um segunco netal, com. uma composição diferente ca co metal ca matriz cue se infiltrou num material tíe enchimento ou nu:.! pré-molce, em contacto peio menos com uma porção ce um material ae enchimento ou um pré-molde inriltraco ce maneira substancialmente completa, reaçinao o segunco metal com o metal ca matriz e/ou o material ce enchimento ou o pré-molde. Especificamente, num processo preferico, o segunco metal pode ser transportado pelo metal da matriz para entrar em contacto cóm o material de enchimento ou o pré-molde e/ou entrar em contacto com o material ce enenimento ou o pré-molde directamente, reagineo assim com o material de enchimento ou com o pré-molde para formar um proouto aa reacção. weste processo preferico, o produto da reacção formado sofre uma dilatação volumétrica em relação ao material ce enchimento ou ao pré-molce original.

Esse produto da reacção tipicamente é formado quanco o metal ca matriz está â temperatura a que se completa a fusão, acima ou ligeiramente abaixo dessa temperatura, conoèresulta que ná metal ca matriz que se desloca co corpo com pósito com matriz ce metal. Consecuentemente, conforme a zuantidade de orocuto ca reacção formado, reduz-se a oercentagem, em volume, global ce netai da matriz no corpo conversão ocorra ourante compósito con matriz ce metal. Ror exesipio, pocia iimitar-se a formação cie proouto oa reacção a uma área oa superfície oo compósito com matriz oe metal, rcrmanoc-se assim uma superfície de produto oe reacção num substrato oe compósito com matriz oe metal. Além oisso, a formaçao ce um produto de reacção não se limita aos corpos compósitos com matriz oe metal produzidos oe acordo com uma técnica de infiltração espontânea. 2 conceoívei cue a formação de proouto oa reacção em çuaicuer sistema oue envolva ume conversão de metai oa matriz e/ou material ce encnimento ou um pré-moloe num proouto da reacção que, cesloca então o metal oa matriz poceria proouzir resultados oesejáveis.

presente pecido de patente divulga primariamente processos para mooiricar as proprieoao.es oe corpos compósitos com matriz oe metal produziaos oe acordo com um processo de infiltração espontânea. Contuoo, a partir oo texto, ceve entenoer-se que alguns aos processos Oe modificação podem iqualm.ente ser aplicáveis aos compósitos com matriz de metal feitos por outros processos.

Além oisso, em cuslcuer oos processos ce alteração atrás cescritcs, pooe varisr-se a quantidade cu a partir oo corpo compósito com matriz oe metal e/ou o.o material de enchimento que ceve ser convertias ou alterada, .-.ssim, qualquer oos processos atrás Cescritcs poceria iimi. tar-se primariemente a uma área oa superfície ce um corpo compósito com matriz ce metai ou, se se permitir que a um intervalo oe tempo suziciente, ooderia veritic?.r-se a conversão substancialnente completa Co corpo compósito com matriz ce metal, formado per inriltraçáo espontânea. Além cisso, zactores como a temperatura, a pressão atmosférica, etc., poderiam aumentar ou reduzir a taxa de conversão ao corpo de metai rormado.

;po compósito co.a .matriz «uma outra forma ce realização, faz-se o escoamento de um meio gasoso através oa superrície de um corpo compósito com matriz ae metal formado, contendo o meio gasoso um elemento cue reage com pelo menos uma porção de uma superrície ae um corpo compósito com matriz ce metal, moc.iricenco assim as propriedades resultantes co corpo comoósito.

Fara se obter infiltração espontânea, um intensificador cia infiltração e/ou um precursor co intensificador ca inriltraçáo e/ou u~a atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material ae enchimento ou com o pré-molae, peio menos em ueterminaao instante curante o processo, o cue permite cue o metal ca matriz rundido se infiltre es?ontanes..;ente no material ce enchimento ou no pré-moloe. Especificamente, para erectuar a inriitração espontânea do meral ca matriz no interior do material de enchimento ou co pré-moíae, aeve fornecer-se _.m inc-nsific=aor às infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador oe infiltração poderia ser formado a partir de um precursor co intensificacor de infiltração, cue cederia ser proporcionado: (1) no .metal ca matriz e/ou (2) no material ce enchimento ou no pré-molde e/ou (3) a partir ce atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir ce uma fonte exter na para o interior co sistema espontâneo. Além cisso, em vez cie fornecer um precursor do intensificador ca infiltração, poce fornrcsr-se cirectamente um intensificador ca infiltração a pelo menos o material ce enchimento ou ac pré-molcie ε/ou ao metal ce matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo senos curante e infiltração espon tânea, o intensificador Ca infiltração deve estar iocalizaco em peio menos uma porção co material ce enchimento ou do oré-molce.

Numa forma de realização preferida, é possível tazer reagir o precursor ce intensificador da infiltração, peio menos parcialmente, com a atmosfera infiltran te, ce modo gue o intensificador ae infiltreção poae ser formaao em peio menos uma porção co maoeriai ce enchimento ou co pré-molde, antes co ou ce maneire suostancialmente simultânea com o contacto co pré-molde com o metal Ca matriz runriico (por exempio, se o magnésio for o precursor co intensificador Ca infiltração e o azoto for a atmosfera infiltrante, o precursor ce intensificador de infiltração poaeria ser o nitreto ce magnésio, gue seria localizado peio menos numa porção co material ae enchimento ou co pré-molde) .

Um exempio ce um sistene ce metal ca matriz/precursor co intensificador ca infiltração/atmosfera

2

infiltrante é o sistema ce alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal ta matriz oe alumínio coce ser embecico no interior ce um -ateria! de enchimento, que coce estar concico num vaso refractário cue, nas concições co processo, não reaja com o metal da matriz ce alumínio e/ou com o material ce enchimento, çuanco o alumínio funde. Um material ce encnimento, contendo ou tenco sico exposto ao magnésio e senco exposto, pelo menos em aetenuinaco instan te curante o processamento, a uma atmosfera ce azoto, poce ser posto em contacto com o metal ca matriz ae alumínio funaiao. 0 metal aa matriz, infiltrar-se-á então espontaneamente no material de enchimento ou no oré-molce.

nas concicoes usaaa.s no processo secunco a presente invenção, no caso de um sistema ae infiltração espontânea ce alumínio/magnésio/ azoto, o material ce enchi, mento ou o pré-molae cevem ser suficientemente permeáveis para permitir gue o gás contenao azoto penetre ou através se os poros ao material ae enchimento ou pré-molde num aaCo instante curante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundiao. Além eisso, o material ce enchimento ou o pré-molae permeáveis pocem. acaptar-se â' inriltração co metal ca matriz runcico, razendo assim com que o material ce encnimento ou o pré-moice seja infiltra da espontaneamente ccm metal aa matriz funcica para formar um corpo compósito ccm matriz ce metal e/ou fazer com oue azoto reaja com um precursor co intensificador ca inriitração para rormsr o intensif icac.or ca infiltração no ma4 3

terial ce enchimento ou pré-molce, dando assim, origem ã infiltração espontânea. A extensão ou a veiociaacte Ca infiltração espontânea e a rormação oo compósito com matriz ce metal variarão com um cedo conjunto ce conaições ae processo, incluindo o teor ae magnésio ca liga ae alumínio, o teor ae magnésio no material de enchimento ou no pré-moide, a cuentitíade ae nitreto ce magnésio no material ae enchimento ou no pré-molae, a presença ae eierentos oe liga adicioneis (por exemplo silício, rerro, corre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material ae encnimento (por exemplo, o aiâmetro cas partículas), a concição aa supertície e o tipo ae material ae enchimento, a concentração de azoto aa atmosfera inriltran te, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a aue se verifica a inriltração. For exemplo, para que a inriltração ae metal aa matriz ce alumínio tunaic.o se verifique espontaneamente o aiumínio poae formar uma liça com peio menos cerca ae i por cento, em peso, e ae preferência peio menos cerca de 3 por cento, em peso, ae magnésio (que funciona como precursor do intensificeacr de infii. tração) com case no peso aa liga. Elementos ae liga auxiliares, como atrás se mencionou, tamoém poaem estar incluí dos no :netal c.e matriz para neia obter propriedades específicas pré-aeterminacas. ^.aicionalmente, os elementos tíe liga auxiliares poaem influenciar a quantidade mínima ae magnésio recuerica no metal ae aiuninio ca matri conduzir à infiltração espontânea cc ;eri = i ce encnuen44

to ou çré-uolce. perca oe magnésio a partir oo sistema espontâneo cevicio, por exe/tio, a volatilização, não ocorrerá em grau tai gue não naja nenhum magnésio para rormar intensificaaor c.e infiltração. Assim, é desejável utilizar uma guantidacie suficiente c.e elementos ae liga iniciais para assegurar cue a infiltração espontânea não será afectada de maneira adversa peia volatilização. Além disso, a presença de magnésio guer no .material ae encr.imentc, guer no metal da matriz ou apenas no material ce enchimento pode ter como consequência uma redução na guantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante). A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera ae azoto tamoém afecta as taxas de formação ao corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca ae 10 por cento, em volume, ae azoto na atmosfera, veri ricar-se-á uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. ’'eriíicou-se gue é preferível gue estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, ae azoto na atmosfera infiltrante, ae modo gue resultam, por exempio, menores tempos de inriltraçâo deviao a uma velocidade ce infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exem pio, um gás contenao azoto) pode ser fornecida cirectamente ao material de enchimento e/ou ao metal da matriz, ou pode ser procuziaa por ou resultar ae uma cecomposição ae um .'.ater i al .

O teor mínimo de macnésio recuerico tar;

gue o metal c.a matriz lunciao se infiltre num material ce enchimento ou pré-molae aepenae ae uma ou mais variáveis, tais como a temperatura ae processamento, o tempo, a presença ae elementos ae liga auxiliares, tais como siiicio ou zinco, a natureza co material c.e enchimento, a localização do magnésio em um ou mais aos componentes do sistema espontâneo e o teor de azoto aa atmosfera e a veiociaade com gue a atrosfera Ce azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais Deixas ou tempos oe aquecimento menores para se oDter uma infiltração completa guanao se aumentar o teor Ce magnésio aa liga e/ou ao material de enchimento. TamoéaT, para um daao teor ce magnésio, a aCiçao de certos elementos ae liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor ae magnésio no metal ca matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, ce cerca ce i a 3 por cento, em peso, pode ser usado em conjunto com pelo menos uma cas seguintes concições: uma temperatura ce processamento acima Ca mínima, uma elevgoa concentração ce azoto, ou um ou mais elementos ce liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao material ce enchimento, são pretericas as ligas contanco cerca de 3 a 5 por cento, em peso, ce magnésio, com base na sua utilioaCe geral, numa ampla variedade ce concições do processo, preferindo-se peio menos cerca de 5 por cento, guanao se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Poaem usar-se teores c.e magnésio acima ce cerca ce 1C por cento, em peso, ca liga ae alumí4 ο

nio para moderar as conoições ae temperatura requeridas tara a in.Liltraçeo·

C teor ae magnésio poae ser reduzido guando usado em conjunto com um eiemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas cesempenham uma runção auxiliar e são usados juntamente com peio menos a quantidade de magné sio mínima atrás especificada. Por exem.pio, não havia subs tancialmente qualquer infiltração ce alumínio ncminaimente puro rormando liga com apenas lO por cento de silício a ÍOOO² o num íeito de 39 Crystolon (carooneto de silício puro a 99%, Ca «orton Co.) com granuiometria de 500 mesh. Mas, na presença ce magnésio, verificou-se que o silício promove o processo ce inriItração. como outro exemplo, a auantidade ce magnésio varia se eie for fornecido exciusivamente ao material ce enchimento, verificou-se gue a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor ce magnésio fornecido ao sistema ce inriltração espontânea, cuanco pelo menos uma parte aa quantiaade total de magnésio fornecido ror colocaaa no material ce enchimen to. Poae ser aesejável proporcionar uma quanticace menor ce magnésio a fim tíe impedir a formação de compostos intermetáiicos incesejáveis np corpo compósito com matriz ce metal, no caso ae um pré-molae de carooneto ce silício, o.escoor iu-se que, quanao se põe o pré-molde em contacto com um metal ca matriz oe alumínio, contenao o pré-molae peio menos cerca ae 1%, em peso, oe magnésio e estanco na presença ce uma atmosfera ce azoto, suostancialmente puro,

7

se

1:0 infiltra espontaneamente metal ca caso ce um oré-moice oe aiumina, m?triz no pré-molde.

cuantidade de m.acné sio necessária para se ofiter infiltração esponcânea aceitável é ligeiramente maior. Especiricamente, veriricou-se que, guando um pré-molae ce alumina é posto em contacto com um :uetal ca matriz ce aiumínio similar, aproximadamente à mesma teiperatura cue a aiumina cpue se infiltrou num pré-molde ce carooneto ce silício, e na presença ca mesma atmosfera oe azoto, podem ser necessários peio menos cerca de 3%, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semeibante à obtida no prê-moide de carooneto de silício cue se ecaoou ce examinar.

Além cisso, quanco se inziltra um material c.e encnimento permeável utilizando um sistema ce alumínio/ /magnésio/azoto, pode rormar-se uma espineia (por exempio, XgAl^C^) pode ser formado. Assim, quanco estiver presente uma cuantidade suficiente ce magnésio, o magnésio pode reagir com um material ui ene Pimento de alumínio, se for mantido a uma temperatura elevada aurante um intervalo de tempo suficiente. Da formação ce resulta a dilatação volumétrica e a reoução ce metal, co;.'o atrás se descreveu .

raz-se tarncém rezar cue é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor ce intensificador de infiltração e/ou intensificador d~ infiltração ruma superfície da liga e/ou num.?. superfície do pré-r.oiae cu mate4 Ρ· riaí ce enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes c.a inriitração co metal da matriz no material ce encnimento ou pré-molde (isto é, poae não ser necessário çue o intensificador de infiltração ou o precursor de intensiricador de inriitração fornecido, forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simple^ .aente rornecic.o ao sistema espontâneo) . Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido oue a rererids superfície seja a superfície cue está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de material ce enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Além o.isso, é ainda possível gue se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície, c.a formação da liga e ca colocação do magnésio em peio menos uma porção do material de ienchimento. Essa comoinação da aplicação ae intensiricador (es) ce infiltração e/ou precursor (es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma aiminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração co metal de alumínio oa matriz no material de encnimento, bem como a obtenção de temperaturas mais Caixas a cue se verifique a infiltração. Além disso, poderia t-moêm minimizar-se a quantiaade oe compostos inter metálicos indesejáveis formaoos oevicc à presença oe magnésio.

O uso oe um ou mais euementos ce liga /

auxiliares e cs concentração de azoto no gás circundante tamoém afecta a extensão ce nitretação co metal da matriz a uma caca temperatura. For exempio, cocem usar-se eiemen tos ce liga auxiliares, tais como o zinco ou o ferro incluídos na liga ou colocamos numa superfície de liga, para oaixar a temperatura oe infiltração e diminuir assim a quantidade da formação ce nitreto, ao passo cue pode ussr-se o aumento aa concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração ce magnésio na liga e/ou coiocaco numa superfície cia liga e/ou comcinaco no materiai de encnimento ou pré-molde tamoém tende a arecter a exten são de infiltração a uma cada temperatura- Conseçuentenen te, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, poae ser preferico incluir na liça peio .menos cerca de 3 por cento, em peso, ce magnésio. Teores ce liga interiores a essa quantidade, tais como i por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas co processo mais elevadas ou um elemento ae liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para ezectuar o processo ce infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais caixa: (l)çuanco se aumentar apenas o teor ce magnésio ca liça, por exempio, para peio menos cerca ae 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes de liga com a massa permeável co caterial ce encnimento ou oré-molae; e/ou (3) cuancc estiver

5C

presente na liga ae alumínio outro elemento, tal como zinco ou terro. A temperatura tamoém pooe variar com cife rentes materiais ae enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura ao processo ae peio menos cerca ce 5752 Ce, ae preterência, a uma temperatura co processo ae peio menos cerca ae 75O2C-ÓOO2C. Temperaturas geralmente acima ae i2CC2C pare ce náo oeneficiarem o processo, teno.o-se verificac.o ser particuiarmente útil uma gama ce temperaturas ae cerca ae 5752C a cerca ae i2OO2C. contuao, como regra geral, a temperatura ce infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto ce fusão do metal ca matriz, mas aoaixo Ca temperatura ce volatilização ao metal aa matriz. Além cisso, a temperatura ce inriltração espontânea ceve ser inferior ao ponto ce fusão ao material ce enchimento.

Além cisso, ainoa à meciaa cue se aumenta a temperatura, aumenta a tencência pare formar um produto ce reacção entre o metal ca matriz e a atmosfera infiltrante (por exempio, no caso co metal ca matriz ce arumínio e uma atmosfera infiltrante ce azoto, pooe formar-se nitreto ce alumínio,' . Um tal procuro ca reacção poae ser aesejável ou indesejável conforme a aplicação pretenc.iaa co corpo commésito com matriz ce metal, r.cicionaimente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência elétrica para outer as temperaturas ce infiltração. Contuao, qualquer meio ae aquecimento que possa tazer com cue o mc-tal α<= matriz fur.aa e não afeote adversamente a infiltração • Ό estontânea é aceitável para utilizar na presente invenção.

-o presente processo, por exemplo, uma nas • 1 ^f ' J_ qp ΓΛ Ό 3 27 Í Ξ. 1 C.è £ ilC Λ 2Λ i 6 Π O O^:-i Λ27 £ —: .iQ X Cc ^ΓΛΓβ θλ..

contacto com alumínio funaiao na press	•nça ce peio menos
um cás contenco azoto, em aipum momem	10 aursnte o processo.
G zás contendo azoto pode ser fornecia	;o mantenco um fluxo
contínuo ce çás em contacto com. o mate	.-rial ce enecimento
ou o pré-molde e/ou o metal ca matriz	de alumínio funciCo.
Sonora o caudal ae çás contenco azoto	não seja crítica,é

preferido çue esse caudal seja suficiente para compensar çualçuer perca ce azoto ca atmosfera cevico à torvação de nitreto na matriz de liça, e tamoém para impecir ou inibir a incursão de ar, çue pode ter uma acção oxidante no metal funaiao.

C processo para a moCei	.ação de um compósito
com matriz de metal é aplicável a uma	ampla variedace ce
materiais ce enchimento, cepencenco a	escolha co material
de enchimento ce factores tais como a	liça ca matriz, as
conaições do processo, a reactivicade	ca liça ca matriz
funcida com o material de enchimento,	a capacidade oo
material ce enchimento se adaptar ao ~	•.etal ca matriz e as
orooriecades oretenciaas para o çrocut	io compósito final.

For exemplo, ruanco o alumínio cor o 'etal ca matriz, os ~.= ceri?is ce enchimento acecuac.os incluem (a) óxidos, oor

exemmlo alumina; (b) carocnetos, mor e	m. empío, carooneto
cs silício; (c) noretos, por exemplo,	uocecarborezo ce

alumíno e (d) nitretos, por exemcuo, nitreto ce alumínio.

3e houver uma tenoência para c material de enchimento re_a gir com c metal Ca matriz õe alumínio funcido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. C material de enchimento pode co.apreender ura substrato, tal como caroono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento apropriado para proteger o substrato co ataque ou da degradação. Cs revestimentos cerâmicos acecuedos incluem óxidos, caroonetos, Doretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carooneto de silício soo a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e tiaras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de esteiras teci das ou de filamento contínuo, tais como estopas de multifi. lamentos. Além disso, o material ae enchimento pode ser nomogéneo ou r.eterogéneo.

Descooriu-se tamoém que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento tenco uma composição química semelhante. ?or exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana h² 4.713.35C, intitulada Novel Ceramic Materials and. ietbods of ..aking Same puolicada em i5 de Dezembro de 1937, em nome de larc 3. Nev/kirK et al, apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercial mente disooníveis. Além disso, os cornos ce alumina tr i tu53

rsca feitos pelo processo cescritc no pedido de patente copendente, co mesmo proprietário h'2 £19 397, intitulado “Composite Csrasic Articies and Methods of MaKinç Same em nome de Macx S. v.ev/KirX et ai, tamoém apresentam proprie caces ae infiltração desejáveis em rei-ção aos produtos de aiumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido ce patente puolicado e do pedido ae patente ccpencente são agui expressamente incorporados por reierência. Especiricamente, aescooriu-se gue a infiltração substancialmente completa de uma .nassa permeável ce um material cerâmico ou de um material compósito cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos ce infiltração menores utilizanao um corpo triturado ou rscuzido a partícuias produzido pelo processo co pecido ce patente e da patente americanos atrás mencionaaos.

as aimensões e a forma co material de enchi, mento podem ser quaisquer necessárias para obter as proprie dades desejadas no compósito. Assim, o material ae enchimento, pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou floras, visto gue a infiltração não é limitada peia rorma do material ce enchimento. Outras formas, tais como esferas, túouíos, peietes tecido de ficras refractárias e similares poaem ser usadas. Além disso, as aimensões co material não limitam a infiltração, emoora possam, ser necessários uma temperatura mais alta ou um períoco de tempo maior para a inriltraçao completa ae uma massa ae partículas mais pecuenas co oue para partícuias maiores. Além aisso, a massa c.e material ce enchimento (moldada para rormar um pré-mo Ice) a infiltração ceve ser permeável (isto é, permeável ao metai da matriz fundico e à atmosfera inriitrante).

processo ce formação ce compósitos com matriz ce metal secundo a presente invenção, por não ser dependente do uso ce pressão para rcrçar ou comprimir metal ca matriz funoido para o interior cs uma massa ce mate rial ae enchimento, permite a proaução de compósitos com matriz ce metal substancialmente uniforme com uma elevada percentaçem, em volume, ce material de enchimento e uma baixa porosicace. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume de material de encnimento óa ordem de pelo menos cerca ce 50%, utilizando uma massa iniciai de material ce enchimento com menor porosidade, e partículas ce dimensões variadas. Maiores percentagens, em volume, podem tamoém ser obtidas, se a massa de material ce enchimento ror compactada ou tornada mais densa de outro noto, desce que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, çue.impediria a infiltração peia iiga funcida.

Foi observado que, p alumínio e a formação ce uma matriz de enchimento cerâmico, o molhamento mento cerâmico pelo metal ca matriz um= parta importante co mecanismo de ara a infiltração ce em torno de um material do material de enchice alumínic pode ser infiltração. Além ci sso , a temteraturas de crccessamentc, caixas, verifica55

-se u~a nitretação desprezável ou mínima oo metal, resultanco caí uma rase cescontínua mínima de nitreto ae aiumi. nio disperso na matriz ce metal. Contuao, quanao nos aproximamos ao extremo superior aa raixa de temperatura, torna -se .mais provável a nitretação do metal. roce assim contro lar-se a quantiaade da tase de nitreto na matriz ce metal fazendo variar a temperatura ae processamento à tual se verifica a infiltração. A temperatura ce processamento especirica a cual se torna ~ais pronunciaaa a formação de nitreto varia tamoém com factores tais como a liça Ce alumínio ca matriz usada e a sua cuantiaade reiativemente ao volume ae material ae enchimento, o material ce enchimento a infiltrar e a concentração ae azoto Ga atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão Ga formação de nitreto ce alumínio a uma caCa temperatura aumenta quanao aiminiu a cepaciaade aa liça para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração ae azoto ca atmosfera.

£ pois possível, pré-Geterminar a constituição da matriz de metal curante a rormação ao compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um CaCo sistema, pocem escolher-se as concicões co processo para controlar a rormação de nitreto.

Um produto compósito contento uma rase ce nitreto de aiumínio apresentará certas propriedades que poaem ser favorá veis para, ou meihorar a eticácia ao proauto. Aíêm disso, a gama ce temperaturas para a intiitração espontânea com uma liga ce aiumínio poae variar com o material cerâmico usado, no caso de alumina como material ce enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1CCO2C, se se desejar cue a auctilidace ca matriz não seja recuziaa peia formação significativa ce nitreto. Contuco, poaem usar-se, temperaturas superiores a 1C00⁹ C se se cesejar procuzir um compósito com uma matriz menos aúctii e mais rígida. Para infiltrar carboneto ce silício, poaem usar-se temperaturas mais eievaoas, de cerca ae 1200^s C, visto que a liga ae alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente aó uso ce alumina como material ce enchimento, guando se usar o carboneto ce siií cio como material Ce enchimento.

Além aisso, é possível usar um reservatório ce metal ca matriz para assegurar a infiltração completa co material ae enchimento e/ou fornecer um segundo metal, gue tem uma composição diferente da primeira fonte Ce metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal aa matriz no reservatório, com uma composição cirerente ca primeira fonte ce metal da matriz. foE exemplo, se se usar uma liga de aiumínio como primeira fonte de metal Ca matriz, pode então, usar-se suostancialm.ente cualcuer outro metal ou liga ce metal que tunciu à te..'.peratura ae processamento como metal Co reservatório.

Cs metais runcicos são frequente.ments muito miscíveis uns co’ os outros, conce resultaria a mistura co metal co reser vatório com a primeira fonte ce metal aa matriz, aesae gue se cesse um tempo apropriaco para cue se verificasse a mistura. Assim, utiiizanco um metal oo reservatório com composição aiíerente cia primeira fonte ae metal da matriz, e'possível pré-ceterminar as propriedades aa matriz ae metai para satisfazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, pré-aeterminar as propriedac.es co compósito com matriz oe metal.

Fode utilizar-se tamoém um meio de carreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio ae carreira a utilizar com a presente invenção poce ser cuaicuer meio adequaao que interfira, inioa, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, ca liga oe matriz fundida (por exempio, uma liga ae alumínio) para aiêm do limite ae superfície definido ao material ae encni mento.

Os meios ae Parreira apropriados inciuem materiais que sao suostancialmente não molháveis peia liga ae metal da matriz funcida que micra, nas condições do processo usadas. Uma carreira cesse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma arinicace para a liga ce matriz runaica, impec.indo-se ou inioinco-se o movimento para além co limite ce superfície aerinico do material ce enenimento por meio ca Parreira. A carreira rec.uz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários co proouto compósito com matriz ce metal. domo atrás se -i.encionou, a carreira ceve ce preferência ser permeável ou porosa, cu tornada permeável por meio ce furos, para permitir que

o gás contacte com a liga cia '.'atriz fundida.

□arrsirss aceguacas particularmente utilizáveis para as ligas da matriz oe alumínio são as que contêm caroono, especiaimente a rorma aíotrópica cristalina ce carcono conhecida como grafite. A grafite é essen ciêl-iente não .molr.ável peie liga ce alumínio runcida, nas condições ce processo cescritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto ce fita ce grafite cue é (r) vendido sob a marca comercial GraioiJm, registada pela Union Carbide. Esta fita Ce grafite apresenta caracteristicas ce vedação que impecem a migração de liga ce alumínio runcido para além co iimite ce superfície Cerinico co material de enchimento. Esta fita ce grafite é também resistente ao caior e quimicamente inerte. 0 material ce grafite Grafoil é flexível, compatível, molcável e elástica. Pode ser feito em várias rormes para se adaptar a qualquer aplicação Ca Parreira. Contudo, o meio ce barrei ra ce grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película ce tinta em torno de e no (S) limite co material ce encnimento. Grafoil^ é oarticuiarmente preferido porque se encontra na rorma ce uma folha ce grafite rlexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente mocelaaa em torne co material ce enchinente.

Cutro ou outros neios ce carreira mara ligas Ca matriz ce metal Ce alumínio em azoto são os

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boratos da um metal oe transição (por exemplo, di boreto de titânio (Ti?₂)), cue são em çerai não moináveis mel ue metal ce alumínio fundido em certas condições do processo empregadas usando esse material. Com uma barreira deste tipo, a temperatura co processo não deve exceaer cerca de S752 c, pois, de outro moco, o material de barrei ra torna-se menos eficaz, verificando-se ce tato, com o aumento da temperatura a inriitração na carreira. Os bore tos de um metal oe transição encontram-se tipicamente numa forma ce partículas (1-30 micrémetros). A formação ae metal pode ser aplicada como uma suspensão ou pasta nos limites aa massa permeável de material de encnimento cerâmico oue, de prererência, é moldado como um pré-molde.

Outros barreiras utilizáveis para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto inciuem compostos orgânicos de pequena volatioilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material ae enchimento. Heciante a cozedura em azoto, especialmente nas condições de processo oa presente invenção, o composto orgânico cecompõe-se deixando uma peiícuia de tuligem de carbono. 0 composto orgânico pode ser apiicado por meios convencionais, tais como pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como carreira, desce que a infiltração co material em partículas se veritique com orna velocidade menor que a taxa de infiltração oo

- bC· material ae encnimento.

Assim, o meio de Parreira pode ser aplicaco por qualquer meio adequado, por exempio, aispondo o meio de barreira em camadas cobrindo o limite ae superfície derinido. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicaaa por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicanao ae outro i:ioco o meio de barreira soo a forma de líquido, suspensão ou pasta, ou por deposição de um meio de carreira vaporizável, ou simplesmente pela deposi. ção ae uma camada de meio de barreira sóliao, em partículas, ou pela aplicação ae uma tolha fina sólida ou película ae meio de barreira no limite de superfície derinido. Com o meio ae barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente ao atingir-se o limite ce superfície aefinido e se contactarem os meios ae barreira. Embora as rormas de realização anteriores tenham sido aescritas com pormenor, várias moaificações poaeriam consi cerar-se dentro do escopo cias reivindicações anexas.

6.

.¼

Claims (36)

1. REIVINDICAÇÕES

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

   proporcionar um. corpo que compreende pelo menos um material escolhido no grupo formado por uma massa solta de material de enchimento substancialmente não reactivo e um pré-molde cue compreende um material de enchimento modelado substancialmente não reactivo;

   infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do corpo com o metal da matriz fundido;

   estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do corpo ou do metal da matriz com um segundo metal com uma composição diferente da do metal dE matriz, modificando assim pelo menos uma propriedade do corpo infiltrado; e arrefecer o corpo infiltrado contendo o referido metal de matriz e o segundo metal, formando assim um compósito com matriz de metal.
2. 2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de uma atmosfera infiltrante comunicar com o corno e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. 3·- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz, e/ou ao corpo e/ou a atmosfera infiltrante.
4. 4.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao corpo .
5. 5.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem pro63 porcionados por uma fonte externa.
6. 6.- Processo de acordo com a reivindicação 1. caracterizado pelo facto de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração estarem em contacto com pelo menos uma porção do corpo durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. 7Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do corpo.
10. 10.- Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11.- Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser formado como um revestimento em pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. 12.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a infiltração se verificar no interior de meios de barreira definidos.
13. 13-- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
14. 14.- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o meio de barreira ser substancialmente nãc molhável pelo metal da matriz.
15. 15·- Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o meio de barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz, e/ou o corpo, e/ou

    u.m intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração.
16. 16.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos, emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractários.
17. 17·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
18. 18.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um. material cerâmico.
19. 19·- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender peio menos um. material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
20. 20.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado peio facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
21. 21. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o corpo e o metal da matriz.
22. 22, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado peio facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.
23. 23·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o metal da matriz conter pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
24. 24.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/cu o intensificador da infiltração serem propor67 cionados quer no metal da matriz quer no material de enchimento .
25. 25·- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de 0 precursor de intensificador da infiltração e/ou 0 intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre 0 metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.
26. 26.- Processo caracterizado pelo facto tração espontânea ser sup da matriz, mas inferior a metal da matriz e o conto de acordo com a reivindicação 1, de a temperatura durante a infilerior ao ponto de fusão do metal temperatura de volatilizarão do de fusão do material de enchiment
27. 27.- Processo de acordo ccm. s reivincicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo - oxigénio e o azoto.

    23.- Processo de acordo com a reivincicação 3, caracterizado ceio facto de 0 precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e 0 cálcio.

    25.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
28. 30. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de 0 estabelecimento do contacto referido compreender a mistura do segundo metal com 0 corpo antes da fase de infiltração espontânea.
29. 31. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de 0 estabelecimento do contacto referido compreender o preenchimento dos poros num corpo infiltrado espontaneamente com o segundo metal.
30. 32. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de 0 estabelecimento do contacto referido compreender a difusão do segundo metal num corpo infiltrado espontaneamente.
31. 33·- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de 0 estabelecimento do contacto referido ter como consequência uma reacção entre 0 segundo metal e 0 coroo e/ou 0 metal da matriz.
32. 34. - Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases de:

    proporcionar um corpo que compreende peio menos um material escolhido no grupo formado por uma massa solta de material de enchimento substancialmente não reactivo e um pré-molde constituído por um material de enchimento modelado substancialmente não reactivo;

    infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do corpo com o metal da matriz fundido, estando o metal da matriz e/ou o corpo na presença de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos ume parte do período de infiltração;

    estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do corpo ou do metai da matriz com um segundo metei com uma composição diferente da do metal da matriz, modificando assim pelo menos uma propriedade do corpo infiltrado; e arrefecer o corpo infiltredo contendo o metal da matriz e o segundo metal, formando assim um compósito com matriz de metal.
33. 35. - Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, ceracterizado pele facto de compreender as fases de:

    infiltrar sem a eolicacão de nressão ou vácuo pelo menos numa porção de um corpo compreendendo pelo menos um material escolhido no grupo formado por uma massa solta de material de enchimento substancialmente não reactivo e um pré-molde constituído por um material de enchimento modelado substancialmente não reactivo, com um metal da matriz fundido, estando o metal da matriz e/ou o corpo na presença de um auxiliar da infiltração durante pelo menos uma parte do período de infiltração; e estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do corpo ou do metal da matriz com um segundo metal, com uma composição diferente da do metal da matriz, modificando assim pelo menos uma propriedade do corpo infiltrado.
34. 36. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de pelo menos uma porção do referido corpo ou do referido metal da matriz estar em contacto com o referido segundo metal enquanto o referido metal da matriz está fundido.
35. 37. - Compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de ser modelado pelo estabelecimento do contacto de um metal da matriz fundido com o corpo de material de enchimento na presença de um intensificador da infiltração e um segundo metal com uma composição diferente da do metal da matriz.
36. 38.- Compósito com matriz de metal de a reivindicação 33, caracterizado pelo facto de uma propriedade do compósito com matriz de modificada pela presença do segundo metal.

    acordo com pelo menos metal ser

    Lisboa, 20 de Novembro de 1995 f s .

    O Agente- Oficiei do Picrxicdode Industrie!