PT92255B

PT92255B - Processo para a modelacao de um corpo composito com matriz de metal por infiltracao espontanea de fora para dentro e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92255B
Application number: PT92255A
Authority: PT
Inventors: Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: ZA898545B; FI894940A0; IL91723A; IE62755B1; JP2905524B2; NZ231077A; DE68913153T2; AU4165989A; US5005631A; NO893993L; ATE101658T1; IL91723A0; KR900007516A; TR27128A; AU623681B2; PT92255A; DK559689A; EP0369930A1; RO105715B1; KR0121462B1

Description

Campo de Invenção

A presente invenção refere-se a um novo processo para a formação de compósitos com matriz de metal e aos produtos produzidos por este processo. Em particulap modela-se uma massa permeável de material ae enchimento sob a forma de um pré-molde, contendo o pré-molde uma cavi dade pelo menos numa sua porção. Um intensificador aa infiltração e/ou um precursor do intensificador aa infiltra ção e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o pré-molae, pelo menos em aeterminado instante durante o processo, o que permite que metal de matriz fundido se infiltre espontaneamente no pré-molde quando o pré -molae é colocado no interior ao metal aa matriz funaido.

a atmosfera infiltrante deve comunicar pelo menos com a cavidade do pré-molde durante pelo menos uma parte Co pro cesso. Além disso, quando metal aa matriz fundido entra em contacto com uma, porção exterior do pré-molae, o metal ae matriz fundido infiltrar-se-á espontaneamente no pré-molde a partir de uma superfície exterior do mesmo no sen tido da cavidade nele existente.

Fundamento da invenção:

Os produtos compósitos que compreenaem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa varieaade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste aa fase de reforço com a ductilidade e a tenacidaae aa matriz ae metal. Em geral um compósito com matriz ae metal apresentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resistência, a fir meza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a re tenção aa resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal aa matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhoraaa depende grandemente dos constituintes específicos, aa sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode tamoém ser mais leve que o metal aa matriz em si. Os compósitos com matriz ae alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto ae silício, na forma ae partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados,

por exemplo, têm interesse aevido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz ae alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia aos pós e nas técnicas ae infiltração de metal liquido, que empregam a molaaçáo sob pressão, a molaaçao no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas aa metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material ae reforço sob a forma ae um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois prensa dos a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percen tagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem siao indicada como sendo cerca ae 25 por cento, em volume, no caso aos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produção ae compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia aos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações reiativamente às características aos produtos que podem oDter-se. A percentagem, em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partícuxas, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de prensagem pÕe um limite às dimensões práticas que poaem ooter-se.

ζ.

Apenas formas do proauto relativamente simples são possíveis sem um processamento suDsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também, pode verificar-se a contracção não uniforme durante a sinterização, bera como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana «s 3.970.136, concedida em 20 de Julho oe 1976, a J.C. Canneli e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fioroso, por exemplo filamentos emaranhados ae carooneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-dererminado aa orientação das fibras. 0 compósito é feito colocando mantos ou teltros paralelos ae fioras complanares num molde com um reservatório ae metal da matriz fundido, por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns aos mantos e aplicanao pressão para forçar o metal funaido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. O metal funaido pode ser vazano na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50%, em volume, ae fioras ae reforço no compósito .

O processo de infiltração atrás aescrito, tenao em vista a sua aependencia da pressão externa para forçar o metal aa matriz funaido através aa pilna ae mantos de fioras, está sujeito aos caprichos dos processos

ae fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da matriz, porosidade, etc.

A não uniformidade aas propriedades é possível emoora o metal fundido possa ser introduzido numa multipliciaade ae locais no interior ao agregado fioroso. Consequentemente, é necessário proporcionar agregaaos ae mantos/reservatòrio e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração aaequaaa e uniforme da puna ae mantos de fioras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem, em volume da matriz devido à dificulaaae inerente à infiltração ae um granae volume ae mantos. Mais ainaa, são necessários molaes para manter o metal fundiao sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação ae compósitos com matriz ae alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fioras orientados aleatoriamente.

Na fabricação ae compósitos com matriz ae alumínio e carga ae enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornanao assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções têm sido sugeridas para esse problema. Uma dessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois prensado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, o alumínio forma uma liga com lítio e a

alumina pode ser revestida com sílica. Contudo, esses compósitos apresentam variações nas propriedades, ou os reves timentos poaem degradar o material ae enchimento, ou a matriz contém lítio, que poae aiectar as propriedades aa matriz.

A Patente norte-americana KS 4.232.O9Í concedida a R.W. Grimshaw e outros, vence certas aificulaaaes técnicas encontradas na produção ae compósitos com matriz ae alumínio e alumina. Essa Patente descreve a apli. cação ae pressees ae 75-375 kg/cm para forçar alumínio funaiao (ou a liga de alumínio funaiaa) num manto ae fioras ou de filamentos emaranhaaos ae alumina que foi pré-aquecido a‘uma temperatura ae 700 a 1050° C. a relação máxima entre os volumes ae alumina e ae metal na peça moldada sóliaa resultante foi 0,25/1. uevido à sua dependência da força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas aas mesmas aeficiências que o de Canneii e outros.

a pudlicação ao pedido ae patente europeu N? 115.'/42 aescreve a faoricação de compósitos ae alumina-alumínio, especiaimente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios ae uma matriz de alumina pré-molaada com alumínio fundido.

peoido oe patente faz realçar a não molhaoiliaade da alu mina pelo alumínio e, portanto são usaaas técnicas para molhar a alumina em toao o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante formado por um di7

Doreto ae titânio, tíe zircónio, ae háfnio ou ae nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como ae árgon, para faci. litar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação ae pressão para fazer com que o alumínio fundiao penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infil. tração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio funaiao numa atmostera inerte, por exemplo ae árgon. Em alternativa poae infiltrar-se o pré-molae por aeposição de alumínio em fase ae vapor, para molhar a superfície antes ae preencner os vazios por infil. tração com alumínio funaido. Para assegurar a retenção ao alumínio nos poros ao pré-molae, é necessário um tratamen to térmico, por exemplo a 1400 a 1800° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção aa pressão de infiltração causará uma perda de alumínio ao corpo.

uso ae agentes molhantes para efectuar a infiltração de um componente ae alumina ue uma pilha electrolítica com metal fundiao é tamoém apresentauo no peaiao ae patente europeu N? 94353. Esta publicação aescreve a produção ae alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador ae corrente catóaico que forma um revestimento ou substracto ua célula, a fim de proteger este substrato aa criolite fundiua apiica-se um revestimento fino ue uma mistura ae um agente moihante ( ·* e um supressor oe soluoiliaaae ao substrato oe alumina armes Oo arranque ua célula ou enquanto mergulha no alumínio fundiao proauziao peio processo eiectrlítico. Os agen tes molhantes indicados sao o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanáaio, o crómio, o nióoio ou o cálcio, sendo o titânio mencionaao como o agente preferido. Os compostos ae ooro, caroono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubiliaaae dos agentes molhantes no alumínio fundiao. a referência, porém, não sugere a produção ae compósiros com matriz ae metal nem sugere a formação ae um tal compósito numa atmosfera por exempio ae azoto.

Além Oa aplicação oe pressão e agentes molhantes, foi inaicaao que um vácuo apiicaoo auxiliará a penetração ae alumínio funaiao num compacto cerâmico poroso. For exempio, a patente americana N⁵ 3 7ití 441, conceaiua em 27 ae Fevereiro ae 1973 a R.L. banaingnam, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carooneto de boro, alumina e óxiao de oerílio) com alumínio funaido, oerílio, magnésio, titânio, vanáaio, níquel ou crómio, sob um vácuo ae menos de 10 torr. Um vácuo de 2 5 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo metal fundiao até o ponto de o metal não fluir livremente para o interior dos espaços vazios aa cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento , — 6 melhorou quando se reauziu o vacuo para menos ae 10 torr.

A patente americana N² 3.864.154, concedida

em 4 de Fevereiro ae 1975, a G .E. Gazza e outros, tamoém mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.

Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de a1B^₂ num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se aepois alumínio adicional no topo do pó ae AlB^. Colocou-se o cadinho, carregaao com compacto de aíB^₂ ensanduichaao entre as camaaas de pó de alumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuaao até _5 aproximadamente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Eievou-se depois a temperatura até 1100° C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundiao penetrou no compacto de Altí^^ poroso.

A patente americana N⁹ 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apresenta o conceito de criação ae um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração ae um metal fundido no corpo. Especificamente, aescreve-se que um corpo, por exemplo, um molae de grafite, um molde de aço ou um material refractàrio poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molae, que é preenchias com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molae na massa em fusão, verifica-se o encnimento da cavidade à meaida que se produz o vácuo auto-gerado a partir aa reação entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vácuo é o resultaao aa formação ae uma forma oxidaaa /

/' essen metal sólida do metal, assim, Reding et al descrevem que é ciai induzir uma reacção entre o gás na cavidaae e o fundido. Contudo, utilizando um molde para criar um vácuo pode ser inaesejável por causa cias limitações inerentes associadas com a utilização de um molce. Os molces têm de ser primeiro maquinados para lhe aar uma forma particular, e depois acaDados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, aepois montados antes aa sua utilização e em seguias aesmontaaos após o seu uso para remover a peça fundiaa do mesmo, seguindo-se aepois a recuperação do molae, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das superfícies ao molde ou o seu aescar te se não já aceitável para ser utilizado, a maquinagem de um molae para obter uma forma complexa poae ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça molcaaa ce um molae de forma complexa (isto é, as peças molaaaas com uma forma complexa poaera partir-se quando se retiram co molae) . Mais amaa, embora haja uma sugestão de que um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal funaiao sem a neces siaaae de um molae, o material refractário teria que cser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separaao ou solto, sem o uso de um molae contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, quando colocaco num metal funaiao). Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partí- li cuias ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molae, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida ae um processo simples e confiável para produzir compósitos com matriz de metal modelados que não depenaem aa utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criaao internamente), ou agentes molhantes prejuqiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havido uma necessidade há muito sentiaa ae minimizar a quantidade de operações finais ae maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz ae metal, a presente invenção satistaz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico) , que poae ser modelado com a forma de um pré-mol. ae, com metal da matriz (por exemplo, alumínio) funaiao, na presença de uma atmosfera infiltrante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, uesde que esteja presente um intensificador ae infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição dos pedidos ae patente americanos do mesmo proprietário

O assunto do presente pedido ae patente está relacionado com o oe diversos outros pediaos de patente copenaentes ao mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos ae patente copenaentes aescrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz ae metal (de aqui em diante, por vezes designados por pedidos ae patente de matrizes metálicas ao mesmo proprietário) .

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

Ny 049.171, depositado em 13 ae Maio ae 1987, em nome de white eu al e intitulado metal matrix Composites, aqora concedido nos Estados Unidos. De acorao com o processo da invenção ae white et al, um compósito com matriz ae metal é produzido pela infiltração ae uma massa permeável ae material ae enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio funaiao contendo pelo menos cerca ae 1 por cento, em peso, de magnésio e ae preferência pelo menos cerca ae 3 por cento, em peso, de maqnésio. a inriitração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liqa ue metal rundiao é posto em contacto com a massa ae material ae enchimento a uma temperatura ae pelo menos cerca ae 675° C, na presença ae um gás compreendendo ae cerca ae 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca ae 50 por cento ae azoto, em volume, sendo o restante do gás, se houver, um gás não oxidante, por exemplo árgon.

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Ζ /

Nestas condições, a liga ae alumínio fundiao infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz ae alumínio (ou liga ae alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejaaa ae material ae enchimento com a liga ae alumínio fundiaa, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz ae metal sólida emoebiaa no material ae enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento ae liga fundiaa fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites aa massa de material ae enchimento. A quantiaaae de material de enchimento nos compósitos com matriz ae alumínio produzidos ae acorao com a invenção de white et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, poaem atingir-se relações volumétricas entre o material ae enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições ao processo na invenção de white et al atrás mencionada, poae formar-se nitreto ae alumínio como uma fase descontínua dispersa por toaa matriz ae alumínio, a quantiaaae de nitreto na matriz ae alumínio poae variar, aepenaendo ae factores como a temperatura, a composição aa liga, a composição ao gás e ao material ae enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar ae antemão certas proprie dades do compósito. Para algumas aplicações ae utiliaação final, poae no entanto ser desejável que o compósito /

contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto oe alumínio.

Tem sido observaao que temperaturas mais elevaaas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conducente à formação de nitretos. A invenção ae white et ai permite a escolha ae um equilíbrio entre a cinética aa infiltração e a formação aos nitretos.

Um exemplo ae dispositivo ae barreira;àdequaao para ser utilizaao com a formação ae compósitos com matriz ae metal é descrito no pediao ae patente americano Oo mesmo proprietário w? i4i 642, copenaente, aepositauo em 7 ae Janeiro ae 1988, em nome ae Kichael K. Aghajanian et al, e intitulado nethod of ilaxing Metal matrix Composite with the use of a Barrier. ue acorao com o processo aa invenção ae Aghajanian et al, coloca-se um dispositivo de carreira (por exemplo, diboreto ae titânio em partículas ou um material ae grafite, tal como produto ae fita de grafite flexível venaiaa pela Union Caroide com a aesignação comercial Grafoil^) num limite ae superfície aefiniao ao material ae encnimento, e a liga aa matriz infiltra-se até ao limite aefiniao peio meio ae carreira. 0 meio de carreira é usado para inibir, impeair ou terminar a infiltração aa liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz ae metal formaaos têm uma forma exterior quer corresponde substancialmente à forma interior ao meio de carreira.

O processo do peaiao ae patente americano ine 049 171 foi aperfeiçoado peio peaiao ae patente americano copenaente e ao mesmo proprietário N5 1ó8 2tí4, depositado em 15 ce Março ae 19tí8, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. newkirk e intitulaco metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentaaos nesse pecido ae patente americano, uma liga ae metal aa matriz está presente como uma primeira fonte ue metal e como um reservatório ce liga ae metal da matriz que comunica com a primeira fonte ae metal funaiao aevico por exemplo, ao fluxo por graviaade. Em particular, nas condições descritas nesse peaiao de patente, a primeira fonte ae liga ce matriz funaiaa começa a infiltrar a massa ae material ce enchimento à pressão atmosférica normal, começando assim, a formação ae um compósito com matriz ae metal, a primeira fonte ce liga de metal de matriz fundiaa é consumida durante a sua infiltra ção na massa ue material ae enchimento e, se se aesejar, poae ser reposta, ae preferência por um meio contínuo, a partir co reservatório ce metal ae matriz fundiaa à mecica que a infiltração espontânea continua, uuando se tiver infiitraao espontaneamente uma quantiaace aesejaaa de material ce encnimento permeável peia liga aa matriz fundiaa, faixa-se a temperatura para soliaificar a liga, formando assim uma estrutura sólida ca matriz ce metal que emoeoe o material ue enchimento ae reforço. Deve compreen- ib der-se que a utilização ae um reservatório ae metal é simplesmente uma forma ae realização aa invenção aescrita nesse peaiao cie patente e não é necessário combinar a forma ae realização do reservatório com todas as formas ae realização alternativas ua invenção nele aescritas, algumas aas quais poderiam tamoém ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

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

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

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

Sumário da Invenção

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido infiltrando espontaneamente uma massa permeável de material de enchimento que foi moaelaaa formanao um pré -molae, contendo o pré-molae, pelo menos numa sua parte, uma cavidade. Especificamente, funde-se um metal da matriz e o metal aa matriz é mantido aentro ae um vaso não reactivo apropriado para alojar o metal aa matriz (por exemplo, um recipiente refractário aaequaao) para formar um corpo ae metal da matriz fundido. O pré-molae contendo a cavidade poae ser colocado, pelo menos pareialmente, no interior do metal da matriz funaido, ae modo que uma atmosfera infiltrante poae comunicar com a caviaaae ao pré-molae duran te pelo menos uma parte do processo, para obter infiltração espontânea de metal da matriz fundiao a partir de uma la superfície exterior do pré-molae no sentido da cavidade nela existente.

Mais especificamente, um intensificaaor aa infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração comunicam com o pré-molae, pelo menos em aeterminado instante durante o processo, o que permite ou induz o metal da matriz fundido a infiltrar-se espontâneamente no pré-molae, quando se coloca uma superfície exterior do pré-molae em contacto pelo menos parcial com metal aa matriz fundido. Assim, infiltra-se metal aa matriz fundiuo no pré-molae a partir ae uma superfície exterior do mesmo no sentido da cavidade, produzindo assim um corpo compósito com matriz de metal substancialmente com a geometria do pré-molde.

Numa forma ae realização preferida, fornece-se uma atmosfera infiltrante de maneira suostancialmente contínua a uma caviaaae ou porção interior num pré-molde, Uma porção ou superfície exterior do pré-molae fica exposta ao metal da matriz fundido. A exposição substancial mente simultânea da cavidade ao pré-molue a uma atmosfera infiltrante e da superfície exterior do pré-molae ao metal aa matriz fundido faz com que o metal da matriz funOido se infiltre espontaneamente no pré-molae, aesae que se proporcionem também um precursor do intensifícaaor da infiltração e/ou um intensificaaor aa infiltração ao sistema espontâneo no metal aa matriz e/ou no pré-molde e/ou na atmosfera infiltrante.

Numa outra forma cte realização, antes oe imergir em metal aa matriz funaiao um pré-molae moaeiaao cilínarico ou tubular, que não contém uma caviaade natural, forma-se uma caviaade temporária no pré-molae. Em particular, por exemplo, poae ooturar-se uma extremidade aDerta do pré-molae que aeve ser imersa em metal aa matriz funaiao, com um meio ae obturação apropriaao. Esse meio ae obtu ração serve para criar uma cavidade temporária no pré-molae. Consequentemente, a caviaade temporária poae receoer e manter uma atmosfera infiltrante durante um tempo necessário. O meio de obturação pode ser constituido por um material substancialmente não reactivo com o metal aa matriz e/ou com o pré-molue e/ou com a atmosrera infiltrante e/ou com o intens1ficaaor da infiltração e/ou com o precursor ao intensificaaor da infiltração ou pelo menos com um aeies. Uma vez que o pré-molae incLui um meio ae obturação para criar uma cavidade temporária, pode infiltrar-se espontaneamente metal aa matriz funaiao no pré-molae a partir ae uma superfície exterior ao mesmo, no sentido aa cavidade temporária.

Numa outra forma ae realização preferida, numa caviOaae formada naturalmente num pré-molae ou numa caviaaae temporária formada pelo uso de um meio de ooturação, inciui-se ainaa, numa outra parte Oa mesma, um meio limitaaor, que limita ou reauz a comunicação aa caviaaae cio pré-molae com qualquer atmosfera não infiltrante que possa estar presente. Em particular, a fim qe criar uma atmosfera mais confinada ou auto-contiaa no interior ae uma caviaatíe existente naturalmente ou de uma cavidaae temporária, fecha-se ou limita-se, pelo menos parciaimente uma extermiaade aberta do pré-molae, ae modo que a atmostera infiltrante que deve circular na cavidade é impeaida ae se escapar e/ou qualquer atmostera náo infiltrante (por exemplo, um oxidante) poae ser impediaa de comunicar com a cavidaae. 0 usõ do meio limitador no pré-molae pode ajuaar o metal aa matriz tundiao a infiltrar-se espontaneamente no pré-molae a partir ae uma parte exterior do pré-molae no sentiao aa cavidaae ao pré-molae.

Numa outra forma de realização prerenda, poae colocar-se um captaaor ae oxiaante numa cavidaae natural num pré-molde ou numa caviaaae temporária num pré -molae para actuar como um captaaor ou retentor ae qualquer oxidante sóliao, iíquiao ou gasoso. Especificamente, para minimizar a formação ao produto aa reacção ae oxiaaçao aevido, por exemplo, às impurezas do oxiaante, que poetem estar presentes na atmosfera infiltrante ou poaem aparecer na atmostera infiltrante e que, se não forem con troladas, poaem reagir com o metal da matriz fundido para formar um produto eta reacção, poae ser aesejável incluir um captaaor ae oxidantes.

Assim, para se obter a infiltração espontânea, pode fornecer-se um precursor ao intensificador aa ζ

/ infiltração ou um intensificador aa infiltração directamente ao pré-molae e/ou ao metal Oa matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Contudo, finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador Oa infiltração deve estar localizaao pelo menos mama porção do pré-molae.

Deve notar-se que o presente pedido ae patente aescreve primariamente os metais oa matriz de alumínio, que, em aeterminado instante durante a formação do corpo compósito com matriz oe metal, são postos em contacto com magnésio, que funciona como precursor Co intensificador Oa infiltração, na presença ae azoto, que funciona como atmostera infiltrante. Assim, o sistema ae metal aa matriz/precursor Co intensificaaor aa inf1ltração/atmosfera infiltrante ae alumínio/magnésio/azoto apresenta a infiltração espontânea. Contuco, outros sistemas ce metal Ca matriz/precursor ao intensificaaor aa inf1ltração/atmostera infiltrante poaem tamoém comportar-se ae maneira análoga à do sistema alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, obser vou-se um comportamento ae infiltração espontânea análogo no sistema ae alumínio/estrôncio/azoto no sistema ae alumínio/zinco/oxigénio e no sistema ae alumínio/cáicio/azoto. Consequentemente, embora seja o sistema ae alumínio/magnésio/azoto que aqui se aescreve primariamente, aeve entender-se que outros sistemas ae metal aa matriz/precursor Co intensificaaor aa infiltração/atmostera infiltrante podem comportar-se ae maneira análoga.

Quando o metal aa matriz for constituiOo por uma liga ae alumínio, a liga ae alumínio é posta em contacto com um pré-molae que compreende um material ae enchimento (por exemplo, partículas ae alumina ou carboneto ae silício), estando misturaao com o material ae enchimento, magnésio e/ou ficando o material ce enchimento em determinado instante durante o processo ao mesmo. Além aisso, numa forma ce realização preferida, a liga de alumínio e o pré-molae estão contidos numa atmosfera ae azoto durante pelo menos uma parte do processo. 0 pré-mol de será infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz, variando a extensão ou a velociaade de infiltração espontânea e a formação de metal aa matriz com um aado conjunto ae condições do processo, incluinao, por exemplo, a concentração ae magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na liga ae alumínio e/ou no pré-molae e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição das partículas no pré-molae, a concentração ae azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a infiltração. a infiltração espontânea tipicamente ocorre numa extensão suficiente para emcecer o pré-molae ae maneira substancial mente completa.

Definições:

“Alumínio, como aqui é e inclui o metal suostancialrnente puro alumínio sem liga, relativamente puro, ponível) ou outros graus ao metal e ae usado, significa (por exemplo, um comercialmente ais ligas do metal, tais como os metais comercialmente disponíveis com impu23

rezas e/ou elementos de liga, tais como rerro, silício, corre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc. Uma liga de alumínio para fins aa presente definição é uma iiga ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituinte principal.

Gás restante não oxiaante, como aqui é usaao, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal aa matriz nas condições ao processo. Qualquer gás oxiaante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usauo(s) aeve ser insuficiente para oxiaar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas condições uo processo.

oarreira ou meios ue barreira”, como aqui é usaao, significa qualquer meio aaequaao que interfere, inibe, impeae ou interrompe a migração, o movimento ou similar, ae metal aa matriz tundiao para além ae um limite ae superfície ae uma massa permeável ao material ae enchimento ou pré-molae, senão esse limite ae superfície aefiniao pelos meios ae oarreira. dao meios ae oarreira apropria dos qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material ae oarreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como oarreira.

/

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

Carcaça ou carcaça de metal da matriz, como aqui é usaao, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz ae metal que foi formaao. lieve entenaer-se que a carcaça poae também incluir em si um segundo metal ou metal estranho.

Cavidade, como aqui é usado, significa qualquer espaço não preencniao no interior de uma massa ou corpo, que ocorre naturalmente ou é criado artificial- 25 mente, não senão limitado a qualquer configuração de espaço específica. Especificamente, uma cavioaae poae incluir os espaços substancialmente fechaaos à comunicação com uma porção exterior aa massa ou corpo, poaendo no entanto permitir a comunicação com uma porção exterior da massa ou corpo. Além disso, uma caviaade inclui um espaço parcialmente fechado, que não ocorre naturalmente, (isto é, uma caviaade temporária), num corpo, que pode transformar-se numa cavidade introduzindo em pelo menos uma porção do espaço não fechado um meio de obturação, que ajuda a formação de uma cavidade temporária no interior de um corpo.

Material ae enchimento, como aqui é usaao, pretende-se que inclua quer constituintes individuais, quer misturas ae constituintes substancialmente não reactivos, com o metal aa matriz e/ou com solubiliaade reduzida no mesmo, podenao ser ue fase única ou com várias fases. Os materiais ae enchimento podem ser proporcionados com uma ampla varieaade de formas, tais como pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc e poaem ser densos ou porosos.

“Material de encnimento poaem tampém incluir materiais ae enchimento cerâmicos, tais como, a alumina ou o carboneto de silício sob a forma ae fioras, fibras corta aas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, péro las, esferas, mantos de fibras ou similares, e materiais de enchimento revestidos ae cerâmica, tais como fibras de

2õ carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metai original cie alumínio fundido. Os materiais ue enchimento também podem incluir metais.

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

Intensificador de infiltração, como aqui é usaao, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea ao metal aa matriz num material ae enchimento ou pré-molae. Um intensificaaor de infiltração poae ser formaao, por exemplo, a partir de uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto aa reacção do precursor ue intensificaaor de infiltração com a atmostera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção do precursor ae intensificaaor ae infiltração com o material ae enchimento ou pré-molae.

Além disso, o intensificaaor de infiltração poae ser forne eido directamente ao pré-molae e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmostera intiltrante e funciona ae uma maneira suostancialmente análoga à ae um intensificaaor ae infiltração

que foi formaao como uma reacção entre o precursor ae intensificaaor ae infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensifica dor de infiltração aeve estar locaiizaao em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou pré-molae para ooter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador ae inriitração ou precursor para o intensificador ae infiltração, como aqui é usaao, significa um material que, quando usado em combinação com o metal aa matriz, o pré-molae e/ou a atmosfera infiitrante, forma um intensificador ae inriitração que induz ou auxilia o metal da matriz a intiltrar-se espon taneamente no material ae enchimento ou pré-molae. bem dese jar ficar limitaao por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que poue ser necessário que o precursor ao intensificaaor de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de intensificaaor ae infiltração interaja com a atmosrera intiltrante e/ou o pré-molae ou materiai de enchimento e/ou metal aa matriz. For exemplo, em certos sistemas ae metal aa matriz/precursor de intensificaaor de intiltração/atmosrera infiitrante é desejável que o precursor ae intehsificaaor de infiltração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima aa, temperatura a que o metal aa matriz funae. Essa volatilização poae levar a: (1) uma reacção do precursor de intensificaaor ae infiltração com a atmosfera infiitrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento ao material ae enchimento ou o pré-molae pelo metal aa matriz; e/ou (2) uma reacção ao precursor de intensificaaor ae infiltração com a atmostera infiltrante para tormar um intensificaaor de infiltração sólido, liquido ou gasoso em peio menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molae o que intensifica o molhamento; e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificador de innltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador ae infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou do pré-molae, o gue intensifica o molhamento.

Metal da Matriz ou liga de metal aa matriz , como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz ae metal (por exemplo, antes aa infiltração) e/ou o metal que é mistuEado com um material ae enchimento para formar um corpo compósito com matriz ae metal (por exemplo aepois aa infiltração) . Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, aeve entender-se que esse meral da matriz inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou elementos ae liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema ae metal da matriz/precursor ae intensificador aa infiltração/atmosfera infiltrante ou

Sistema espontâneo, como aqui é usacto, refere-se à combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento. Ueve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor oe intensificador oe infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizaao para aesignar um sistema ou combinação ae materiais que, quando comoinados de uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material ae enchimento.

Compósito com matriz de metal ou MMC , como aqui é usado, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi-ou triaimensionalmente, que emceoeu um pré-molae ou material de enchimen tp. 0 metal aa matriz poae incluir vários elementos de liga para proporcionar proprieaades mecânicas e físicas especificamente aesejadas no compósito resultante.

Um metal diferente do metal da matriz significa um metal que não contém, como constituinte principal, o metal igual ao aa matriz (por exempio, se o constituinte principal do metal aa matriz for o alumínio, o metal aiferente poae ter um constituinte principal ae, por exemplo, níquel).

Atmosfera não Infiltrante, como aqui é usado, significa uma atmosfera que pode ou não interagir com o metal aa matriz e/ou com o pré-molae (ou material de enchimento) e/ou com o precursor da infiltração e/ou com o intensificaaor da infiltração, mas que não permite nem promove, podendo mesmo inibir, a infiltração espontânea ao metal da matriz.

Vaso não reactivo para alojar o metal aa matriz, significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molae) e/ou metal aa matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensificaaor aa infiltração e/ou um material de enchi, mento ou pré-molde de uma maneira que seria significativamente prejuaicial ao mecanismo de infiltração.

Captador de oxiaante, como aqui é usaao, significa qualquer material aoequaao (por exemplo, aparas ae metal titânio), que, quando usaao em combinação com o metal aa matriz/intensificador aa infiltração/atmosfera inriltrante, nas condições de processo para a infiltração espontânea poae ser usado para captar ou reter qualquer oxiaante sólido, líquiuo ou gasoso presente no sistema de reacção, que poaeria inioir a infiltração espontânea do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molae. ue preferência, o captador de oxidante não reagirá sunstan cialmente com quaisquer componentes do sistema espontâneo de maneira que afecte de maneira substancialmente prejuaicial a infiltração espontânea nas conoições ao processo.

meios ae ubturaçao ou Obturaaor, como aqui é usaao, significa qualquer material que possa ser utilizaao em comoinação com um pré-molde, que auxilia a criação no interior ao pré-molae ae uma caviaade temporária. De preferencia, o meio ae obturação não reagirá com quaisquer componentes do sistema espontâneo ae modo a afectar ue maneira substancialmente prejudicial a infiltração espontânea nas conaições do processo. O meio ae obturação pode ou não ser removível ao pré-molde após a infiltração ao pré-molde. Além disso, o meio ae obturação pode ser infiltrado pelo metal da matriz fundioo para fazer parte integrante ao pré-molae.

Pré-molae ou Pré-molde permeável como aqui é usaao, significa uma massa, porosa ae material ae enchimento ou um material de enchimento que é preparado com pelo menos um limite de superfície que define substan cialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integriaade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidaae dimensional antes ae ser infiltraaa pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à inriltraçao espontânea do metal aa matriz no seu interior. Um pré-molae compreende tipicamente um agre gado ou disposição ligados de material ae enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituido por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas, em pó, fibras, filamentos emaranhados, etc de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

Reservatório, como aqui é usado, significa um corpo separaao de metal da matriz posicionado em relação a uma massa de material ce enchimento ou pré-molae, ae modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para reaoastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicial, mente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou pré-molae.

Meios de Limitação ou Meios limitaaores, como aqui são usados, significam qualquer material que poae ser usaao em combinação com uma pré-molde, que auxilia a limitação do fluxo de saída da atmosfera infiltrante de uma cavidade num pré-molde e/ou que limita ou reauz a comunicação da cavidaae do pré-molde com qualquer atmosfera não infiltrante que possa estar presente. De preferência, os meios ae limitação não reagem com quaisquer componentes no sistema espontâneo, ae que possa resultar um efeito prejudicial substancial sobre a infiltração espontânea.

Infiltração espontânea, como aqui é usado, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeá vel ae material ae enchimento ou pré-molde, que se verifica sem exigir a aplicação ae pressão ou vácuo (quer aplica dos externamente quer criaaos internamente).

Cavidade temporária, como aqui é usado, significa uma cavidade criada por um meio ae obturação, i

não ocorrendo essa cavidade naturalmente no pré-molde e existindo apenas enquanto o meio de obturação se mantiver em contacto com o pré-molde».

Breve descrição das figuras:

as figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas: não se destinam a limitar o escopo da presente invenção. Utilizaram-se números ae referência iguais sempre que possível, em todas as figuras, para indicar componentes semelhantes, representen do:

	A fig. 1, um corte transversal esquemático
de uma	montagem ae materiais utilizada para obter uma infil
tração	de fora para dentro de um pré-molde;
de uma	A fig. 2, um corte transversal esquemático montagem de materiais utilizaaa para obter uma infil
tração	de fora para dentro de um pré-molde;
ae uma	A fig. 3, um corte transversal esquemático montagem ae materiais utilizada para obter uma infil
tração	ae fora para dentro ae um pré-molde;
de uma	a fig. 4, um corte transversal esquemático montagem ae materiais utilizada de acordo com o

Exemplo 1;

A fig. 5a_z uma fotografia ae uma vista lateral do compósito com matriz de metal produziao de acordo com o Exemplo 1; e

TF a fig. 5b, uma fotografia de uma vista de cima do compósito com matriz cie metal produzido de acoruo com o Exemplo 1.

Descrição pormenorizada da invenção e formas ae realização preferidas

A presente invenção refere-se à formação de corpos compósitos com matriz ae metal exponao um pré-moiae, pelo menos parcialmente, ao metal da matriz fundiao, o pré -molae contém, em pelo menos uma sua porção não inicialmente em contacto com metal ae matriz fundido, uma cavida de. Além disso, o pré-molde está em contacto, em aeterminaao instante durante o processo, com um:intensificaaor da infiltração e/ou com um precursor do intensificador da infiltração e/ou com uma atmosfera infiltrante, donae resulta que metal ua matriz fundido se infiltra espontaneamente no pré-molde a partir de uma porção exterior do mesmo no sentiao da cavidade.

Especificamente, como se representa Ha fig.

1, um metal da matriz funae e o metal aa matriz é mantiao no interior ae um vaso não reactivo apropriaao para alojar metal aa matriz (21) (por exemplo, um recipiente refractá rio adequaao), para formar um corpo ae metal aa matriz fundiao (20). 0 pré-molde (22) contendo a cavidade (30) pode ser colocauo, pelo menos parcialmente, no metal aa matriz funaido (20), ae modo que uma atmosfera infiltrante (23) pode comunicar com a cavidade (30) do pré-molde /

durante pelo menos uma parte ao processo, a fim de obter a infiltração espontânea oe metai oa matriz funaido a par tir de uma superfície exterior do pré-molae no sentido Oa cavidade nele existente. atmosfera infiltrante pode escoar-se para fora do pré-molde, como se mostra em (24).

Além disso, um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração comunicam com o pré-molae, pelo menos em oeterminado instante durante o processo, o que permite ou induz a infiltração espontânea oo metal oa matriz funaido no pré-molae, quando se colocar uma superfície exterior do pré-moloe em contacto pelo menos parcial com metai ua matriz fundido. Assim, metai oe matriz funaido inriltra-se no pré-molae a partir oe uma superfície exterior ao mesmo no sentido aa caviaaae, proouzinao assim um corpo compósito com matriz ue metai, substancialmente, com a geometria do prémoloe .

numa forma ue realização preferiOa, uma atmostera inriltrante é fornecida ae maneira substancialmente contínua a uma caviaaae ou porção interior num prémolae. Uma porção ou superfície exterior do pré-molde é exposta (por exemplo, pela imersão pelo menos parcial) ao metal aa matriz lundido. A exposição substancialmente simultânea aa caviaaoe ao pré-molae a uma atmosfera infil. trante e a exposição da superfície exterior ao pré-moloe ao metal da matriz fundiao faz com que o metal aa matriz fundido se infiltre espontaneamente no pré-molde , aesae

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que também se proporcionem um precursor ae intensificaaor aa infiltração e/ou um intensificaaor ca infiltração ao sistema espontâneo, no metal ca matriz e/ou no pré-molae e/ou na atmosfera infiltrante.

Numa outra forma ae realização preferida, antes ce expor ao metal aa matriz fundido um pré-molde modelado cilíndrico tubular que não contém uma caviaade natural, forma-se uma cavidade temporária no pré-molde.

Em particular, como se representa na fig. 2, por exemplo, pode obturar-se uma extremidade aoerta do pré-molae (22) que está imersa no metal aa matriz fundido (20) com um meio de obturação apropriado (25). Esse meio de obturação (25) serve para criar uma cavidade temporária (30) no prémolae (22). Consequentemente, a caviaaae temporária (30) poae receber e reter uma atmosfera infiltrante (23) durante o tempo necessário, numa forma de realização preferida, o meio de obturação (25) poae compreender um material substancialmente não reactivo com o metal aa matriz (20) e/ou com a pré-molae (22) e/ou com a atmosfera infiltrante (23) e/ou com o intensificador aa infiltração e/ou com o precursor do intensificaaor aa infiltração ou com pelo menos um aeles. Uma vez que esse pré-molae (22) inclui um meio ae obturação (25) para criar uma cavidade temporária (30), o metal aa matriz fundiao (20) pode infiltrar-se espontaneamente no pré-molde (22) a partir ae uma superfície exterior do mesmo no sentiao aa cavidade temporária ( 30) .

Ύ.

Numa outra forma oe realização preferida, o meio de obturação (25) poae ser escolhido de modo que não só sirva para criar uma cavidade temporária (3o), mas também possa ser espontaneamente infiltraao pelo metal da matriz fundido (20). Neste caso, o meio ae obturação (25) torna-se uma parte integrante do corpo compósito com matriz ae metal.

Numa outra forma ae realização preferida, uma cavidade formaaa naturalmente num pré-molae, ou uma caviaade temporária, formaaa pelo uso ae um meio ue ooturação, incluem ainaa numa porção aa mesma, um meio limitaaor, que limita ou reduz a comunicação aa cavidade oo pré-molae com qualquer atmosfera não infiltrante que possa estar presente. Em particular, como se representa na fig.

3, para criar uma atmosfera mais confinaaa auto-contida no interior aa caviaade (30) formaaa naturalmente, ou ae uma caviaaae temporária (30), limita-se ou fecha-se uma extremidade acerta do pré-molde (22), peio menos parcialmente, por um meio limitaaor (26), de modo que a atmosfera infiltrante (23), que aeve escoar-se para a caviuade (30), é impediaa ae se escapar e/ou poae limitar-se a comunicação ae qualquer atmosfera não infiltrante (por exemplo, um oxiaante) com a caviaaOe. O uso ao meio limitador (26) no pré-molae (22) poae ajudar o metal da matriz funaiao a infiltrar-se espontaneamente no pré-molde (22) a partir de uma porção exterior ao pré-molde no sentiOo aa caviaaae ao pré-molde.

Numa outra moaaliaade preferida, poae colocar-se um captador ae oxiaante numa caviaaae natural num pré-molde ou numa caviaade temporária num pré-moiae para actuar como captador ou retentor ae qualquer oxidante sóii do, líquiao ou gasoso. Especificamente, para minimiaar a formação ae produto aa reacção da oxiaação, aevido, por exempio, às impurezas oxidantes que poaem estar presentes na atmosfera infiltrante ou que poaem tornar-se presentes na atmosfera e que, se não forem controladas, poaem reagir com o metai da matriz fundido para formar um produto aa reacção, poae ser aesejável incluir um captauor ae oxiaante na caviaaae ae um pré-molae. Consequentemente, como se representa na fig. 1, poae colocar-se um captaaor ae oxidante (27) no interior aa caviaaae (3o). Ue preferência, os captaaores ae oxiaante não reagirão substancialmente com quaisquer componentes do sistema espontâneo ae moao a afectar ae maneira substancialmente prejudicial a infiltra ção espontânea nas condições ao processo.

além aisso, para se obter a infiltração espontânea, poae fornecer-se um precursor ao intensificaaor aa infiltração ou um intensificaaor ua infiltração directamente ao pré-molae e/ou ao metai ua matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Contuao, finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificaaor ae infiltração ueve estar localizado pelo menos numa porção ao pré-molae.

Poae tamoém ser possível expor uma massa per meável ae material ae enchimento ao metal aa matriz fundiao para se ooter a infiltração espontânea ao material ae enchi, mento. Especificamente, poae colocar-se uma massa permeável ae material ae enchimento, que pode enrijecer (por exemplo, sinterizar-se) por aquecimento, para formar uma massa sólida, num molde consumível (por exempio, que se volatiliza ou interdifunae no metal da matriz), durante a reacção para criar um molde contendo material oe enchimento e com uma caviaaae, formada naturalmente ou criaaa artificialmente, a qual é exposta a uma atmosfera infiltrante.

molae contendo a liga é aquecido, colocando-o num forno aquecido contendo o metal aa matriz fundiao, ou numa fase separada, para enrijecer substancialmente a massa permeável de material ae enchimento. 0 molae, contendo o material de enchimento substancialmente enrijecido, é exposto (por exemplo, por imersão, pelo menos parcial) à liga aa matriz fundida, a exposição substancialmente simultânea da cavidade da massa substancialmente enrijecida de material ae enchimento a uma atmosfera ae infiltração e a exposição do exterior ao pré-molde substancialmente enrijecido faz com que o metal aa matriz funaido se infiltre espontaneamente no material de enchimento, desde que se proporcionem um precursor do intensificador aa infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração e/ou um intensifieaaor da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infil tração. Desde que esse material ae enchimento inclua um meio de obturação para criar uma cavidade temporária, o metal da matriz funaiao pode infiltrar-se espontaneamente no pré-mol de a partir ae uma superfície exterior ao mesmo no sentiao aa caviaaae temporária.

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no material de enchimento ou no pré-molae, aeve proporcionar-se um intensificaaor ae infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poaeria ser formaao a partip ae um precursor de intensificador de infiltração que poaeria ser proporcionado (1) no metal aa matriz; e/ou (2) no material de enchimento ou no prémolae e/ou (3) a partir ae atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir ae uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além disso, em vez ae fornecer um precursor de intensificador de infiltração, poae proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente ao material ae enchimento ou ao pré-molae e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador ae infiltraçSo deve estar localizaao em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molae.

numa forma de realização preferida, é possível que o precursor de intensificador ae infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificaaor aa infiltração poae ser forma do em pelo menos uma porção do material ae enchimento ou pré-molae, antes ou substancialmente ao mesmo tempo que o contacto do pré-molde com o metal da matriz fundido (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intensificador

de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificaaor ae infiltração poaeria ser o nitreto ae magnésio, que estaria localizaao pelo menos numa porção do material de encnimento ou ao pré-molae.

Um exemplo de um sistema de metal aa matriz/ /precursor ae intensificador ae infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especifi camente, um metai da matriz ae alumínio pode estar contiao dentro de um vaso refractário adequaao que, nas condições do processo, não reage com o metai aa matriz ae alumínio, quando o alumínio fundir. Um material de enchimento, contendo magnésio ou estanao exposto ao mesmo, e estando exposto pelo menos em aeterminaao instante durante o processamento, a uma atmostera de azoto poae, então, ser posto em contacto com o metal ua matriz de alumínio fundiao. 0 metal aa matriz, infiltrar-se-á então, espontaneamente no material ae enchimento ou no pré-molae.

Nas condições usaaas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea ae alumínio/magnésio/azoto, o material de enchi, mento ou o pré-molde devem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contenao azoto penetre ou atravesse os poros Co material ae enchimento ou pré-molae num dado instante durante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundido. Além aisso, o material ae encnimento ou o pré-molde permeáveis podem adaptar-se à

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infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o material ae enchimento ou o pré-molde impregnados com azoto seja infiltraaa espontaneamente com metal aa matriz fundida para formar um corpo compósito com matriz ae metal e/ou tazer com que o azoto reaja com um precursor ao intensificador da infiltração para formar o intensificador aa infiltração no material ae enchimento ou pré-molae, aando assim, origem à infiltração espontânea, a extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação ao compósito com matriz de metal variarão com um daao conjunto ae conaições ae processo, inciuinao o teor ae magnésio aa liga de alumínio, o teor de magnésio ao material ae enchimento ou do pré-molde, a quantidade ae nitreto ae magnésio no material ae enchimento ou pré-molde, a presença de elementos de liga adicionais (por exemplo, silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material de encnimento (por exemplo o diâmetro aas partículas) , a condição ua superfície e o tipo de material ae enchimento, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitiao para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. Por exemplo, para que a infiltração ae metal aa matriz ue alumínio funαιαο se verifique espontaneamente o alumínio poae formar uma liga com pelo menos cerca ae i por cento, em peso, e ae preferência pelo menos cerca ae 3 por cento, em peso, ae magnésio (que funciona como precursor ao intensificaaor ae infiltração) com oase no peso aa liga. Elementos ae liga auxiliares, como atrás se mencionou, tamoém podem estar incluídos no metal da matriz nela obter propriedades específicas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem iniluenciar a quantiaaae mínima cie magnésio requerida no metal ae alumínio aa matriz para conauzir à infiltra ção espontânea do material ae enchimento ou pré-molde. A perda ae magnésio a partir do sistema espontâneo deviao, por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador ae infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos ae liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada ae maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio quer no material ce enchimento, quer no pré-molde, quer no metal da matriz ou apenas no material ae enchimento ou no pré-molde pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração espontânea (examinaao com mais pormenor mais adiante), a percentagem, em volume, de azoto na atmosfera ae azoto também afecta as taxas ae formação do corpo compósito com matriz ae metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, ae azoto na atmosfera, verificar-se-á uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, ae azoto na atmosfera, ae modo que resultam, por exemplo, menores tempos ae infiltração deviao a uma velociaade ae infiltração muito maior, a atmosfera infil44 trante (por exemplo, um gás contenao azoto) poae ser forneciaa directamente ao material ae encnimento ou pré-molae e/ou ao metal da matriz, ou pode ser proauzida por ou resul tar ae uma decomposição de um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal aa matriz funaido se infiltre num material de ench_i mento ou pré-molde depenae de uma ou mais variáveis, tais como a temperatura ae processamento, o tempo, a presença ae elementos ae liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza ao material de enchimento, a localiaação ao magnésio em um ou mais dos componentes ao sistema espon tâneo e o teor ae azoto aa atmosfera e a velociaade com que a atmosfera de azoto flui. Poaem usar-se temperaturas mais oaixas ou tempos ae aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor ae magné sio da liga e/ou do pré-molae. Também, para um dado teor de magnésio, a aaição ae certos elementos ae liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso ae temperaturas mais oaixas. For exempio, um teor ae magnésio no metal aa matriz no extremo inferior aa faixa operável, por exemplo, ae cerca Oe 1 a 3 por cento, em peso, poae ser usado em conjunto com pelo menos uma aas seguintes condições: uma temperatura ae processamento acima aa mínima, uma elevaaa concentração ae azoto, um ou mais elementos ae liga. Se não se aaicionar nenhum magnésio ao pré-molae, são preferi das as ligas contendo cerca ae 3 a 5 por cento, em peso, ae magnésio, com base na sua utiliaade geral, numa ampla

variedade de condições do processo, preferinao-se pelo menos cerca ae 5 por cento, quando se utilizam temperaturas mais Daixas e tempos mais curtos. Poaem usar-se teores de magnésio acima ae cerca ae ±0 por cento, em peso, aa liga ae alumínio para moderar as condições ae temperatura requeridas para a infiltração.

teor ae magnésio pode ser reduzido quanao usaao em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas aesempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantiaade mínima ae magnésio atrás especificada. ?or exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração ae alumínio nominalmente puro formando liga com apenas lO por cento ae silício a 1000° C num leito de 39 Crystolon (carboneto ae silício puro a 99%, aa Norton Co.) com granulometria ae 500 mesh. Mas na presença ae magnésio, verificou-se que o silício promove o processo ae infiltração. Como outro exemplo, a quantiaaae ae magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material ae enchimento. Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor ae magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte aa quantiaade total ue magnésio fornecido for colocaua no pré-molde ou material ae enchimento, roue ser aesejável proporcionar uma quantiaade menor ae magnésio a fim ae impedir a formação ae compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz ae metal, no caso ae um pré-molde ae carboneto ae

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ζ.

silício, aescouriu-se que, quando se põe o pré-molae em contacto com um metal aa matriz ae alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de i%, em peso, ae magnésio e estando na presença de uma atmosfera ue azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal aa matriz no pré-molae. No caso de um pré-molae ae alumina, a quantiaaae ae magnésio necessária para se ooter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou-se que, quando um pré-molae ae alumina é posto em contacto com um metal aa matriz ue alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molae de carboneto ae silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molae ae carboneto ae silício que se acabou ae examinar.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificaaor ae infi_l tração e/ou intensificaaor de infiltração numa superfície aa liga e/ou numa superfície do pré-molae ou material oe enchimento e/ou no interior ao pré-molae ou material ae enchimento antes da infiltração ao metal da matriz no material ae enchimento ou pré-molae (isto é, poae não ser necessário que o intensificaaor de infiltração ou o precur sor ae intensificaaor de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). ae se tiver apli-

caao o magnésio a uma superfície do metal aa matriz, poae ser preferiao que a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, ae preferência, em contacto com a massa permeável de material ae enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molae ou material de enchimento. Além aisso, é ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície, da formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde.

Essa combinação aa aplicação de intensificador (es) de infiltração e/ou precursor (es) de intensificador ae infiJL tração poderia ter como resultaao uma diminuição aa percen tagem total, em peso, ae magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio aa matriz no pré-molae, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além aisso, poderia também minimizar-se a quantiaade de compostos intermetálicos indesejáveis formaaos aevido à presença ae magnésio.

O uso de um ou mais elementos de liga auxiliares e aa concentração ae azoto no gás circundante também afecta a extensão de nitretação ao metal aa matriz a uma daaa temperatura. Por exempio, poaem usar-se elementos ae liga auxiliares, tais como o zinco ou o ferro incluídos na liga, ou colocados numa superfície aa liga, para baixar a temperatura de infiltração e, diminuir assim a quantida de da formação de nitreto, ao passo que poae usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação

- 4tí de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou colocaao numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molae também tende a afectar a exten são de infiltração a uma aada temperatura. Consequentemen te, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é po_s to directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores ae liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, ae magnésio, poaem requerer temperaturas ao processo mais elevaaas ou um elemento ae liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo ae infiltração espontânea segunao a presente invenção poae ser mais oaixa :(1) quando se aumentar apenas o teor ae magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes ae liga com a massa permeável tío material ae encnimento ou pré-molae; e/ou (3) quanao estiver presente na liga ae alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também poae variar com aife rentes materiais ae enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura ao processo ae pelo menos cerca ae 675° C e, de preferência, a uma temperatura ao processo de pelo menos cerca de 750° C-800° C. Temperaturas geraimente acima ae 1200° C parece não oeneficiarem o processo, tendo-se verificado

ser particularmente útil uma gama de temperaturas ae cerca ae 675° C a cerca de 1200° C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto cie fusão do metal aa matriz, mas aoaixo aa temperatura de volatilização do metal aa matriz. Além disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão ao material ae enchimento. Além aisso ainaa, à medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto ae reacção entre o metal Oa matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz ae aiuminio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto ae alumínio). Um tal produto da reacção pode ser aesejável ou inaesejável conforme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz ae metal. Adieionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência elétrica para obter as temperaturas de infiltração. Contuao, qualquer meio de aquecimento que possa' fazer com que o metal aa matriz funaa e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção.

imo presente processo, por exemplo, uma massa ae material de enchimento ou um pré-molde é colocauo em contacto com alumínio fundido na presença ae pelo menos um gás contenao azoto, em algum momento durante o processo. O gás contenao azoto poae ser forneciao mantendo um fluxo contínuo ae gás em contacto com o material de enchimento ou o pré-molae. Embora o caudal ae gás contenao azoto não seja crítica, é preferiuo que esse caudal seja suficiente para impeair ou inioir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal funaido.

O processo para a modelação oe um compósito com matriz ue metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material ae enchimento de factores tais como a liga aa matriz, as conaições ao processo, a reactividade da liga da matriz fundida com o material ae enchimento e as proprieaades pretendidas para o produto compósito final, ror exemplo, quando o alumínio for o metal aa matriz, os materiais ae encnimento aaequaaos incluem (a) óxidos, por exempio alumina; (b) carbonetos, por exempio, caraoneto de silício;

(c) boretos, por exempio, douecarooreto de alumínio e (a) nitretos, por exemplo, nitreto ae alumínio. Se houver uma tendência para o material ae enchimento reagir com o metal aa matriz ae alumínio fundiao, isso poderia ser compensado minimizando o tempo ae infiltração e a tempera tura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material ae enchimento poae compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da aegraaação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxiaos, carbonetos, boretos e nitretos. as cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma ae partículas, plaquetas, filamentos emaranhaaos e fioras. as fioras poetem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma ae filamento contínuo tais como estopas ae multifilamentos. A±ém aisso, o material ae enchimento ou o pré-molae podem ser homogéneos ou heterogéneos.

Descobriu-se também que certos materiais ae enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais ae enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina trituràaa feitos pelo processo aescrito na patente americana N24.713.36O, intitulada “Novel Ceramic Materials and Methoas of MaKing Same¹¹ publicada em 15 ae uezemoro de 1987, em nome ae Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades ae infiltração aesejáveis em relação aos produtos ae alumina comercialmente disponíveis. Além disso, os corpos de alumina tritu rada feitos pelo processo descrito no pedido ae patente copendente, do mesmo proprietário N9 819 397, intitulado Composite Ceramic Articles and Methods of Making Same em nome de Mack Ξ. Newkirk et al, também apresentam proprie, dades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos ao peai, do ae patente publicaao e do peaido ae patente copenaente são aqui expressamente incorporaaos por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas ae infiltração mais caixas e/ou em tempos ae infiltração menores utilizando um corpo triturado ou reau zido a partículas produzido pelo processo ao pedido ae ae patente e aa patente americanos atrás mencionaaos.

As dimensões e a forma ao material ae enchimen to poaem ser quaisquer necessárias para obter as propriedades desejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma ae partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tãis como esferas, túbulos, peletes teciao ae fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser neces sários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa ae uma massa ae partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa ae material ae enchimento (moldada para formar um pré-molae) a infiltração ceve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infi_l trante) .

processo ce formação ue compósitos com matriz ce metal segunco a presente invenção por não ser dependente do uso ae pressão para forçar ou comprimir metal aa matriz fundiao para o interior ae um pré-molae ou uma massa de material ae enchimento, permite a produção ae compótos com matriz ae metal substancialmente uniforme com elevada percentagem, em volume, ae material ae enchimento e uma oaixa porosiaade. rodem conseguir-se maiores percenta gens, em volume, de material de enchimento utilizando uma

- 53 massa inicial ae material ae encnimento com menor porosidade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtiaas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechaaos, nem numa estrutura densa, que impediria a infiltração pela liga tunaida.

Foi observaao que, para a infiltração ae alumínio e a formação ae uma matriz em torno ae um material ae enchimento cerâmico, o molhamento ao material de encnimento cerâmico pelo metal da matriz ae alumínio poue ser uma parte importante ao mecanismo ae infiltração. Além disso, a temperaturas ae processamento oaixas, verifica-se uma nitretação aesprezável ou mínima ao metal, resultanao aaí uma fase descontínua mínima ae nitreto de alumínio disperso na matriz de metai. Contudo, quando nos aproximamos ao extremo superior aa faixa ae temperatura, torna-se mais provável a nitretação ao metai. Poae assim, controlar -se a quantiaaae aa fase ae nitreto na matriz ae metal fazenao variar a temperatura de processamento à qual se veritica a infiltração, a temperatura ae processamento específica à qual se torna mais pronunciaaa a formação ae nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativamente ao volume de material de enchimento ou ao pré-moiae, o material cerâmico a infiltrar e a concentração ae azoto aa atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão

da formação de nitreto ae alumínio a uma ciada temperatura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento cerâmico quando aumenta a concentra ção de azoto da atmosfera.

S pois possível, pré-aeterminar a constituição da matriz de metai durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante.

Para um dado sistema, podem escolher-se as condições oo processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto oe alumínio apresen tará certas propriedades que podem ser favoráreis para ou melhorar a eficácia ao produto. Além disso, a gama oe temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material oe enchimento, a temperatura para a infiltração não deve ae preferência exceder cerca de 1000° C, se se desejar que a ductiliaade da matriz não sejja reduzida pela formação significativa oe nitreto. Contudo, podem usar-se, temperaturas superiores a 1000° C, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, poaem usar-se temperaturas mais elevadas, oe cerca de 1200° C, visto que a liqa ôe alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material ae enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enenimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal aa matriz para assegurar a infiltração completa do material ae enchimento e/ou fornecer um segundo metal, que tem uma composição diferente aa primeira fonte de metal aa matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal aa matriz no reservatório, com uma composição diferente aa primeira fonte de metal aa matriz. Por exemplo, se se usar uma liga ae alumínio como primeira fonte de metal ua matriz, poae então, usar-se substancialmente qualquer outro metal ou liga ae metal que fundiu à temperatura de processamento como metai ao reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal aa matriz, aesae que se desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metai do reservatório com composição diferente da primeira fonte de metal aa matriz, é possível pré-aeterminar as propriedades Oa matriz ae metai para satisfazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, pré-aeterminar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Poae utilizar-se tamoém um meio ae barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, inioa, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, aa liga ae matriz fundida (por exempio, uma liga ae alumínio) para além do limite de superfície definiao cio material ae encni mento. Os meios oe Parreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar, que, nas conaiçoes do processo segunao a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, ae preferência, é permeável ao gás usaao com o processo, oem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impe dir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie ae movimento para além ao limite ae superfície aefinido ao material de enchimento ou,do'pré-molae.

Os meios de barreira apropriaaos incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal aa matriz fundida que migra, nas condições ao proces so usaaas.Uma oarreira aesse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afiniaade para a liga ae matriz funaiaa, impedindo-se ou inibindo-se o movimento para além Co limite Ce superfície aefinido do material.ae enchimento ou pré-molae por meio da oarreira. a oarreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto compósito com matriz de metal. Como atrás se mencionou, a oarreira aeve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio ae furos, para permitir que o gás contacte com a liga aa matriz fundida.

barreiras adequadas particularmente utilizáveis para as ligas aa matriz ae alumínio são as que contêm carbono, especialmente a forma aíotrópica cristalina ae car57

oono conhecida como grafite, a grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de processo descritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto ae fita ae grafite que é vendido sob a marca comercial Grafoil , registaaa pela Union Carbide.

Esta fita ae grafite apresenta características ue vecação que impedem a migração ae liga de alumínio fundiao para além ao limite de superfície definiao do material de enchi, mento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e quimicamente inerte. 0 material ae grafite Crafoil® é flexível, compatível, moldável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se aaaptar a qualquer aplicação aa barreira. Contudo, o meio ue oarreira ae grafite poae ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno ae e no limite ao material ae enchimento ou pré-molde. Grafoil^ é particularmente preferido porque se encontra na forma ae uma folha ae grafire flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simples mente moaelada em torno ao material ae enchimento ou pré-molae.

Outro ou outros meios ae oarreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos ae um metal de transição (por exemplo, aiboreto de titânio (T1B2)), que são em geral não molháveis pela liga oe metal ae alumínio fundido em certas condições ao processo empregadas usanao esse material. Com uma oarreira deste tipo, a temperatura ao processo não aeve exceder cerca ae 875°C, pois, ae outro modo, o material ae carreira torna-se menos eficaz, verificando-se ae fato, com o aumento da temperatura a infiltração na Parreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (1-30 micrómetros). Os materiais de barreira podem ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites da massa permeável ae material de enchimento cerâmico que, ae preferência, é moldado como um pré-molde.

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

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como barreira, desde que a infiltração uo material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa ae infiltração do material de enchimento.

Assim, o meio de carreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite de superfície aefinido com uma camada do meio de barreira.

Essa camada ae meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de oarreira sob a forma ae líquido, suspensão ou pasta, ou por deposição ae um meio ae barreira vaporizável, ou simplesmente pela aeposição ae uma camada de meio ae barreira sólido, em partículas, ou pela aplicação de uma folha fina sólida ou película de meio de oarrei ra no limite ae superfície aefinido. Com o meio ae carreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina suostan cialmente quando a infiltração do metal da matriz atingir o limite de superfície definiao e entrar em contacto com o meio ae oarreira .

O processo segundo a presente invenção proporciona uma produção económica de corpos compósitos com matriz de metal pelo processo atrás mencionaao. Em particular, o uso de uma fonte localizaaa ae atmosfera infiltrante no interior ua cavidade ao material ae enchimento ou ao pré-molae reauz a necessidade ae sistemas ae processamento mais caros, permitindo o processamento ae compósitos numa atmosfera acerta. Analogamente, poae por este processo realizar-se a formação ae corpos compósitos com matriz ae metai por um sistema ae processamento contínuo. Além aisso, os compósitos com matriz ae metal produzidos rêm Doas capa cidades para obter formas exactas ou quase exactas.

Nos Exemplos que se seguem imeaiatamente estão incluídas várias demonstrações aa presente invenção. Contudo, esses Exemplos aevem ser consiaerauos como senão

- bO ilustrativos e não como limitativos ao escopo Pa presente invenção, como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

A fig. 4 mostra um conjunto, em corte transver sal, que pode ser usado para formar um corpo compósito com matriz ae metal por um precursor oe infiltração ae fora para aentro. Em particular, moaelou-se um pré-molde cilíndrico (3), com uma extremiuade techaaa (8) e uma caviaade (9), por moldação a partir de uma pasta fluiaa ae carboneto ae silício ae 1000 grit (fornecida pela Exolon-ESK Co. de 1'onawanaa, New York, e vendida com a aesignação Carbolon F1000) em torno ae uma barra ae alumina com um diâmetro ae aproximaaamente 3,81 x 15,24cm (1 l/2 x 6”) ae comprimento. A pasta foi a seguir seca e pré-cozida num forno ae ar a ±100° C, durante cerca ae cinco horas, para formar um pré-molae (3) com uma espessura ae parecie ae cerca ae 5 milímetros. Colocaram-se aparas de titânio (5) (fornecidas pela Chem Alroy Co., Inc e vendiaas com a.-designação QI-Í4-30) em contacto com uma liga ae alumínio 380.1 ( 2), ligeiramente modificada (obtida na oelmont Metals), com uma composição ae cerca ae 7,5-9,5% ae Si, 3,0-4,0% ae Cu, 2,9% de zn, ó,0% de Fe, 0,5% de Mn, 0,5% ae Ni, 0,35% ue Sn e cerca ue 0,17-0,18% de Mg, a que se juntaram 5 por cento, em peso, ue magnésio aaicional. a liga ue alumínio estava contida no interior de um leito ae pó ue woiiastonite (7) (fornecida pela wYCOT Inc.), estando todo o conjunto contido num vaso refractário (1). Utilizou-se pó de woiiastonite (7) porque o alumínio fundiao não molha facil

- ol mente esse material e funciona como um recipiente para o alumínio fundiao. O vaso refractário (1) e o seu conteúao foram aquecidos num forno ae ar até uma temperatura ae cerca de 800° C, para fundir a liga ae alumínio. Colocou-se um fino revestimento ou camada de pó de wonastonite (6) soore a superfície aa liga funaiaa (2), que não estava em contacto com o pré-molde parcialmente imerso (3), para impeair a oxiaação aa liga funaiaa (2). Um tuoo ae fluxo ' ' (4) ae alumina estabeleceu a comunicação ae uma atmosfera infiltrante ae cerca ae gás azoto cerca ae 99,9% puro com a caviaaae (9) no pré-molae (3). Criou-se assim uma atmosfera ue gás azoto localizaaa no interior da cavidade (9).

tubo (4) funcionou também para manter o pré-molde (3) imerso ae aproximadamente 10,lõcm (4) no interior da liga fundida (2). Manteve-se o forno a cerca de 800° C durante aproximadamente 25 horas. Retirou-se depois o pré-molde (3) da liga fundida (2), mas deixou-se ficar aentro ao forno durante cerca de 10 horas, até todo o conjunto arrefecer até aproximadamente a temperatura amoiente .

Retirou-se o pré-molae infiltraao (2) do sistema e inspeccionou-se. Como mostra a fig. 5a, que é uma vista de laao ao compósito com matriz de metai formado (8), o pré-molde foi infiltraao apenas até um comprimento de cerca ae 10,l6cm (4), que correspondia à profundidade de imersão do pré-molde (2) na liga da matriz fundida (2).

A fig. 5b, que é uma vista ue cima ao compósito com matriz ae metal (8), mostra a cavidade cue existia no interior do pré-molae fig. 2a e dentro de pré-molae (2) . Consequentemente, fica claro a partir aas 2P que a infiltração espontânea de fora para metal da matriz fundido para o interior ae um proporciona boas capacidades para obtenção de formas exactas ou quase exactas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

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

proporcionar um material de enchimento substancialmente não reactivo;

estabelecer a comunicação de uma atmosfera infiltrante localizada com pelo menos uma porção do material de enchimento; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com o metal da matriz fundido.
2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase fie fornecer um precursor de in lensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz, e/ou ao enchimento e/ou à atmosfera infiltrante.
3. - Processo de acordo com a reivindicação 1, cara_c terizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento .
4. - Processo de acordo com a reivindicação 2, cara_c terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados por uma fonte externa.

p. - Processo de acordo com a reivindicação 1, cara_c terizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte do período de inf iltra çã o.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 2, carac terizado pelo facto de o intensificador de infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador de infiltração e pelo menos uma espécie que compreende um elemento escolhido do grupo formado pela atmosfera de infiltração, o material de enchimento e o metal da matriz.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracte^ rizado pelo facto de, durante a -infiltração, o precursor de intensificarior da infiltração se volatilizar.
8. - Processo de acordo.com a reivindicação 7, caracte^ rizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do material de enchimento.
9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracte rizado pelo facto de o produto da reacção ser, pelo menos parcialmente, redutível pelo metal da matriz fundido.
10. - Processo de acordo com a reivindicação 9> caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção rio material de enchimento .
11. - Processo de acordo terizado pelo facto de o material riv por um pré-molde.

com a reivindicação 1, caracenctiimento ser constituído
12 .

Processo de acordo com a reivindicação 1, carac66 terizado pelo facto de compreender ainria a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, cara_c terizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhi do no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio .

racterizado lhável pelo l4. - Processo de acordo pelo facto de a barreira meta 1 da matriz.

com a reivindicação 12, caser substancialmente não mo15. - Processo de acorho com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal ria matriz e/ou o material rie enchimento e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.

l6. - Processo de acordo com a reivinficaçãc X caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, pl_a quetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos rie fibras, fibras cortarias, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractarios.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
19. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo rnenos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o metal dn matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
21. - Processo de acorri o com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o pre cursor de intensificado; da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal ria matriz.
22. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal ria matriz.
23. - Processo de acordo con a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal ria matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo sílicio,o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
24. - Processo de acordo com a reivindicação 3, cara£ terizado pelo facto de o precrusor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no material de enchimento.

2p. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e o intensificador da infiltração serem proporcionados cm mais de uin entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.
26. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal ria matriz, mas inferior à temperatura de volatilização do metai da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
27. - Processo de acordo com a reivindicaçSo 1^ caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
28. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal do matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
30. - Proce-so' de acordo com asreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender um pré-molde que de*'ine uma cavidade e a atmosfera infiltrante comunicar directamente com a cavidade.
31. - Processo de acordo com a rei vin-dcação 30, carac terizado pelo facto de a cavidade ser pelo menos parcialmente defi nida por urn inacbo.

com a reivindicação 31, carac integrado com o pre-molde.

terizad ο
32. - Processo de acordo pelo facto de o macho estar
33. - Processo de acordo com a reivindicação 31, carac terizado pelo facto de o macho ser amovível.

3^. - Processo de acordo terizado pelo facto de a infiltração com a reivindicação 1, carac espontânea ser realizada num forno numa atmosfera aberta.
35· - Processo de acordo coin a reivindicação 30, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante comunicar com a cavidade por meio de pelo menos umo conduta.
36. - Processo de acordo com as reivindicações 30 ou 35, caracterizado pelo facto de a cavidade ser pelo menos parcialmente restringida por meios de restrição adjacentes a uma porção ria mesma .
37· - Processo de acordo com as reivindicações 1, 30 ou 3^, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de pro porcionar um captarior de oxidantes.
38. - Processo de acordo com as rcivimiicnções 1 ou 30, caracterizado pelo facto de a infiltração espontânea sor rea71 lizada envolvendo, ρ·Ίο menos tal da matriz fundido.

pareialmen te pré-molde com o me-