PT94739A

PT94739A - Processo de formacao de corpos macrocompositos por tecnicas de vacuo auto-gerado

Info

Publication number: PT94739A
Application number: PT94739A
Authority: PT
Inventors: Robert Campbell Kantner; Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1991-03-20
Also published as: EP0409764A2; PL286090A1; JPH03138329A; ATE119509T1; DE69017545D1; MX167358B; DD301859A9; DE69017545T2; CS354990A3; JP3256219B2; IE902464A1; YU47110B; PL167044B1; KR910002739A; HUT64934A; YU139990A; ZA905589B; EP0409764A3; TR25515A; CN1033046C

Description

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LAHXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP "PROCESSO DE PORMAÇlO DE COEPOS MACROCOMPOSITOS POR TEClíIGAS DE YACUO AUdO-GERADO»

Pampo da invenção A presente invenção refere-se à formação de corpos macrocompôsitos. Em particular, coloca-se uma massa de material de enchimento ou um prê-molde junto de, ou em contacto com, pelo menos um segundo material. Põe-se depois a massa de material de enchimento ou o prê-molde em contacto com um metal da matriz fundido, na presença de uma atmosfera reactiva apropriada, num recipiente impermeável e, pelo menos em certo instante durante o processo, verifica-se uma reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou a massa de material de enchimento ou o prê-molde e/ou o recipiente impermeável, fazendo desse modo com que o metal da matriz fundido se infiltre na massa de material de enchimento ou no prê-molde, devido, pelo menos em parte, à criação de um vácuo auto-gerado. Uma tal infiltração pelo vácuo auto-gerado verifica-se sem a aplicação de qualquer pressão ou vácuo exteriores. Em algum instante durante o processo de infiltração do metal da matriz, o metal da matriz entra em contacto com pelo menos um segundo material. Por arrefecimento do metal da matriz até uma temperatura inferior ao seu ponto de fusão, forma-se um corpo macrocom-pósito, que compreende um corpo compósito com matriz de metal ligado a pelo menos uma parte do ou dos segundos materiais. fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem um metal de matriz e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como uma fase de partículas cerâmicas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, apresentam-se muito promissores para uma certa variedade de aplicações, porque combinam alguma da rijeza e resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e tenacidade da matriz de metal. Geralmente, um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades tais como a resistência mecânica, a rijeza, a resistência ao desgaste por contacto e elevada manutenção da resistência às temperaturas elevadas, relativamente ao metal da matriz na forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso, e da maneira como são processados na formação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio, reforçados com cerâmicas, tais como carboneto de silício em partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido à sua elevada rijeza, resistência ao desgaste e resistência às temperaturas elevadas, relativamente ao alumínio. Têm sido descritos vários processos metalúr- gicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados nas técnicas da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que utilizam vazamento sob pressão, vazamento sob vácuo, agitação e agentes molhantes.

Com as técnicas da metalurgia dos pós, misturam-se o metal sob a forma de pó com um pó e o material de reforço sob a forma de pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc,, sendo depois comprimidos a frio, sinteriza-dos ourcomprimidos a quente, A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pôs utilizando processos convencionais impõe certas limitações relativamente âs características dos produtos que podem ser obti dos, A percentagem, em volume, da fase cerâmica no compósito é limitada, no caso dos materiais em partículas, tipicamente a cerca de 40$. Também a operação de pressão coloca um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas fbcnss.re3sl± vamente simples dos produtos são possíveis sem processamento subsequente (por exemplo modelação ou maquinagem), ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode ocorrer uma con-tracção não uniforme durante a sinterização, bem como não uniformidade da microstrutura, devida à segregação nos compactos e crescimento dos grãos. A patente americana 12 3 970 136, concedida em 20 de Julho de 1976 a J.C, Cannell et al, descreve um processo para a formação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras, 0 compósito /

é fabricado colocando esteiras ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz fundido, por exemplo alumínio, entre pelo algumas das esteiras, e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nas esteiras e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado sobre a pilha de esteiras, enquanto é forçado, sob pressão, a escoar-se entre as esteiras. Foram indicadas cargas até cerca de 50%, em volume de fibras de reforço no compósito. 0 processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão exterior para forçar o metal da matriz metálica através da pilha de esteiras de fibras, ê sujeito aos caprochos dos processos de escoamento induzidos por pressão, isto é, a uma possível falta de unifonnidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade de propriedades é possível mesmo que o metal fundido possa ser introduzido em vários sítios no interior do agregado de fibras. Por conseguinte é necessário proporcionar disposições complicadas das esteiras e do reservatório, bem como trajectos de escoamento complicados para conseguir uma penetração apropriada e uniforme da pilha de esteiras de fibras. Também o processo de infiltração por pressão atrás referido apenas permite um reforço relativamente reduzido da percentagem em volume da matriz, devido à dificuldade inerente â infiltração de um grande volume de esteiras. Além disso ainda, são necessários moldes para conter o mectal fundido sob pressão, o que aumenta os custos do processo. Finalmente o processo atrás referido, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a foimação de compósitos com matriz de metal reforçados com materiais sob a foima de partículas, filamentos emaranhados ou fibras com orientações aleatórias.

Na fabricação de compósitos com matriz de alumínio com material de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tomando assim difícil formar um produto coerente. Podem fazer-se as mesmas considerações para outras combinações de metais da matriz-material de enchimento. Têm sido sugeridas várias soluções para este problema. Uma dessas propostas consiste em revestir a alumina com um metal (por exemplo níquel ou tungsténio), que § depois comprimido a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, foima-se uma liga do alumínio com lítio e pode revestir-se a alumina com sílica. Contudo, estes compósitos apresentam variações nas suas propriedades ou os revestimentos podem degradar o material de enchimento, ou a matriz contêm lítio, que pode afectar as propriedades da matriz. A patente americana N2 4 232 091 de R. W. Grimshaw et al vence algumas destas dificuldades técnicas que se encontram na produção de compósitos de matriz de alumínio com alumina. Esta patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 Kg/cm para forçar 0 alumínio fundido (ou liga de alumínio fundida) para 0 interior de uma esteira de fibras ou filamentos emaranhados de alumina que foi aquecida previamente a 700 a 1 050°C. A relação máxima entre os volumes de alumina e metal na peça moldada sólida era 1/4. Devido á sua dependência de uma força exterior para conseguir obter a infiltração, este processo sofre de muitas das mesmas deficiências do processo de Cannell et al. 0 pedido de patente europeu publicado Nô 115 742 descreve a fabricação de compósitos de aluminio--alumina especialmente utilizáveis como componentes de células electroliticas, preenchendo os vazios de uma matriz de alumina prê-moldada com alumínio fundido· 0 pedido de patente dá realce à ausência de molhabilidade da alumina pelo alumínio, sendo por isso usadas várias técnicas para molhar a alumina através de todo o pré-molde. Por exemplo, reveste--se a alumina com um agente molhante de um diboreto de ti-tânio, zircónio, háfnio ou nióbio ou com um metal, isto ê, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais ccmo árgon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer o alumínio fundido penetrar numa matriz não revestida. Neste aspecto, a infiltração obtêm-se evacuando os poros e depois aplicando pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa, o pré-molde pode ser infiltrado por deposição de alumínio em fase de vapor para molhar a superfície antes do preenchimento dos vazios por infiltração com alumínio fundido. Para garantir a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, ê necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1 400 a 1 800°C, ou no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão ao gás, quer a pressão de infiltração provocarão perda de alumínio do corpo. A utilização de agentes molhantes para efec-tuar a infiltração de um componente de alumina numa célula - 7 - electrolítica com metal fundido é também apresentada no pedido de patente europeu publicado U2 94 353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por electro-extracção com uma célula com um alimentador de corrente catódica sob a foxma de um forro ou substrato da célula. A fim de proteger este substrato da criolite fundida, aplica-se um fino revestimento de uma mistura de um agente molbante e um supressor de solubilidade ao Substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto está imersa no alumínio fundido produzido pelo processo elèctrolítico. Os agentes mo-lhantes apresentados são 0 titânio, 0 zircónio, 0 háfnio, o silício, o magnésio, 0 vanádio, o crómio, o nióbio, o cálcio sendo o titânio considerado como o agente preferido. Descre-vem-se compostos de boro, de carbono e de azoto como podendo ser usados na suspensão da solubilidade dos agentes molhan-tes no alumínio fundido. Ho entanto, a referência não sugere f a produção de compósitos com matriz de alumínio.

Além da aplicação de pressão e de agentes molhantes, revelou-se que um vácuo aplicado auxiliará a penetração do alumínio fundido no interior de um composto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana U2 3 718 441 concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham revela a infiltração de um composto cerâmico (por exemplo carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) quer com alumínio, quer com berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou cró-mio fundidos, sob um vácuo inferior a 10" torr. Um vácuo de 10"2 a 10‘6 torr conduz a um molliamento fraco da cerâmica pelo metal fundido numa extensão tal que 0 metal não fluirá livremente para 0 interior dos espaços vazios da cerâmica.

Porém, afirmou-se que o molhamento melhora quando se reduz -6 o vácuo para menos de 10 torr. A patente americana B® 3 864 154 concedida em 4 de Fevereiro de 1975 a G.E. Gazza et al também apresenta a utilização de vácuo para conseguir a infiltração. A patente descreve a carga de um compacto, prensado a frio, de A1B^2 pô num leito de pô de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do compacto de pó de A1B^2» Colocou-se o cadinho, carregado com o compacto de A1B^2 "ensanduichado" entre ás camadas de pó de alumínio, -5 num forno de vácuo. Evacuou-se o forno até cerca de 10 torr para permitir a extracção dos gases. Subiu-se depois a temperatura a 1 100°C e manteve-se durante 3 horas. Bestas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B12 poroso.

Um processo para a fabricação de materiais compósitos contendo material de reforço, tal como fibras, arames, pó, filamentos emaranhados ou similares, é apresentado no pedido de patente europeu publicado B® 045 002, publicado em 3 de Fevereiro de 198®, em nome de Donomoto. Pro-duz-se um material compósito colocando um material de reforço poroso (por exemplo - fibras de alumina, de carbono ou de boro alinhadas) não reactivo com a atmosfera e um metal fundido (por exemplo magnésio ou alumínio) num recipiente com uma parte aberta, insuflando oxigénio subatancialmente puro para o interior do recipiente, imergindo depois o recipiente numa massa liquida de metal fundido, de modo que o metal fundido infiltra-se nos interstícios do material de reforço. A publicação descreve que o metal fundido reage com o oxigénio presente no recipiente para formar um molde de metal sólido oxidado, criando um vácuo no recipiente que extrai o metal fundido através, dos interstícios do material de reforço e para o interior do recipiente. Numa forma de realização alternativa, a publicação descreve a colocação de um elemento absorvedor de oxigénio (por exemplo magnésio) no interior do recipiente para reagir com o oxigénio no recipiente para criar um vácuo que, com a ajuda da aplicação p de árgon a umapressão de 50 Kg/cm ao metal fundido, arrasta o metal fundido (por exemplo'alumínio) para o interior do recipiente cheio com material de reforço (por exemplo fibras de carbono alinhadas). A patente americana 12 3 867 177 concedida em 18 de Fevereiro de 1975 a J.J. Oto et al, descreve um processo para a impregnação de um corpo poroso com um metal, pondo em primeiro lugar o corpo em contacto com um "metal activador", imergindo depois o corpo num "metal de enchimento". Especificamente, imerge-se uma esteira ou corpo compactado poroso de material de enchimento num metal activador fundido, durante um tempo suficiente para encher completamente os interstícios do corpo com metal activador fundido pelo processo da patente 3 364 976 de Reding et al atrás descrito. Depois, após a solidificação do metal activador, mergulha-se completamente o corpo compósito num segundo metal e mantém-se durante um tempo suficiente para peimitir que o segundo metal substitua o metal activador no grau desejado. Deixa-se depois arrefecer o corpo formado. E também possível remover, pelo menos parcialmente, o metal de enchimento do interior do corpo poroso e substitui-lo

por pelo menos um terceiro metal, mais uma vez mergulhando parcial ou totalmente o corpo poroso num metal de substituição fundido durante um tempo suficiente para dissolver ou difundir uma quantidade desejada de metal de substituição no interior do corpo poroso. 0 corpo resultante pode também conter compostos intermetálicos dos metais nos interstícios entre o material de enchimento. A utilização de um processo com múltiplas fases, incluindo o uso de um metal activador para formar um compósito com uma combinação desejada é dispendiosa, quer em tempo, quer em dinheiro. Além disso, as limitações do processo baseadas, por exemplo, na compatibilidade dos metais (isto ê, a solubilidade, o ponto de fusão, a reactividade, etc.) limitam a capacidade para prê-determi-nar as características do material para uma finalidade desejada. A patente americana If2 3 529 655» concedida em 22 de Setembro de 1970 a G. D. Lawrence, descreve um processo para formar compósitos de magnésio ou de ligas de magnésio e filamentos emaranhados de carboneto de silício. Especificamente, mergulha-se um molde, com pelo menos uma abertura para a atmosfera e contendo filamentos emaranhados de carboneto de silício no volume interior do molde, num banho de magnésio fundido, de modo que todas as aberturas no molde fiquem abaixo da superfície do magnésio fundido durante um tempo suficiente para que 0 magnésio preencha 0 volume restante da cavidade do molde. Afirma-se que, quando 0 metal entra na cavidade do molde, ele reage com 0 ar contido no seu interior para formar pequenas quantidades de óxido de magnésio e de nitreto de magnésio, foimando desse - 11 - modo um vácuo, que arrasta metal fundido adicional para o interior da cavidade e entre os filamentos emaranhados de carboneto de silício. 0 molde cheio é depois retirado do banho de magnésio fundido e deixa-se solidificar o magnésio no molde. A patente americana is 3 364 976, concedida em 23 de Janeiro de 1968 a John N. Reding et al, descreve a criação de um vácuo autogerado num corpo para promover a penetração de um metal fundido no interior do corpo. Especifi-camente, mergulha-se um corpo, por exemplo um molde de grafite ou de aço, ou um material refractário poroso, completamente num metal fundido, por exemplo magnésio, liga de magnê· sio ou liga de alumínio. No caso de um molde, a cavidade do molde, que está cheia com um gás, por exemplo ar, que ê reactivo com 0 metal fundido, comunica com 0 metal fundido colocado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde no metal em fusão, veri-fica-se o enchimento da cavidade, quando se produz um vácuo devido à reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido; em particular, 0 vácuo é uma consequência da formação de um molde sólido oxidado a partir do metal. A patente americana Ns 3 396 777 concedida em 13 de Agosto de 1968 a John N. Reding Jr., descreve a criação de um vácuo autogerado, para promover a penetração de um metal fundido no interior de um corpo de material de enchimento. Especificamente, a patente descreve um recipiente de aço ou de ferro, aberto para a atmosfera numa extremidade, contendo 0 recipiente um material sólido poroso em partículas, por exemplo coque ou ferro, e estando coberto - 12

na extremidade aberta com uma tampa com perfurações ou furos de passagem de diâmetro menor do que as dimensões das partículas do material de enchimento sólido poroso. 0 recipiente também aloja uma atmosfera, por exemplo de ar, no interior dos poros do material de enchimento sólido que ê pelo menos parcialmente reactiva com o metal fundido, por exemplo magnê sio, alumínio, etc. A tampa do recipiente é mergulhada até uma distância suficiente abaixo da superfície do metal fundido para impedir que entre ar no recipiente, sendo a tampa mantida abaixo da superfície durante um tempo suficiente para que a atmosfera no recipiente reaja com o metal fundido para formar um produto sólido. A reacção entre a atmosfera e o metal fundido dá como resultado uma pressão baixa ou substancialmente um vácuo no interior do recipiente e um sólido poroso, que arrasta o metal fundido para o interior do recipiente e dos poros do sólido poroso. 0 processo de Reding Jr. está um tanto relacionado com o processo descrito na publicação europeia RS 045 002 e nas patentes americanas 3 867 177, 3 529 655 e 3 364 974, todas aqui discutidas. Especificamente, esta patente de Reding Jr. proporciona um banho de metal fundido no qual um recipiente, contendo no seu interior um material de enchimento, é mergulhado profundamente o suficiente para induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido e para vedar a cavidade com o metal fundido. Rum outro aspecto desta patente, a superfície do banho de metal da matriz fundido, que pode ser sujeito a oxidação no estado fundido quando em contacto com o ar ambiente, é coberta com uma camada ou fundente protector. 0 fundente é removido quan do o recipiente ê introduzido no metal fundido, podendo no entanto contaminantes provenientes do fundente ser incorporados no banho de metal da matriz fundido e/ou no interior do recipiente e do material sólido poroso a infiltrar. Tal contaminação, mesmo que em níveis muito baixos, pode ser inconveniente para a formação do vácuo no recipiente, bem como para as propriedades físicas do compósito resultante. Além disso, quando se retira o recipiente do banho de metal da matriz fundido e se arrasta metal da matriz em excesso do recipiente, pode verificar-se perda de metal da matriz a partir do corpo infiltrado, devido a forças gravitacionais.

Por conseguinte, tem havido desde há muito tempo uma necessidade sentida de um processo simples e fiável para a produção de compósitos com matriz de metal e de corpos macrocompôsitos contendo compósitos com matriz de metal que não se baseie na utilização de uma pressão ou vácuo aplicados exteriormente, que danificam os agentes de molhamento, ou a utilização de uma massa de metal da matriz fundido, com os inconvenientes que a acompanham, como atrás se notou. Além disso, tem-se sentido há muito tempo a necessidade de um processo que minimize as operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal ou um corpo macrocompôsito que contenha um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satisfaz estas e outras necessidades proporcionando um processo de formação de corpos macrocompôsitos que envolve um vácuo auto-gerado para infiltrar um material (por exemplo um material de cerâmica) que possa ser modelado para formar um pré-molde, com um metal da matriz fundido (por exemplo - 14

alumínio, magnésio, bronze, cobre, ferro fundido, etc.) na presença de uma atmosfera reactiva (nomeadamente, ar, azoto, oxigénio, etc.) nas condiçoes normais da pressão atmosférica.

Discussão Ae patentes e pedidos de patente de invenção relacionados do mesmo proprietário

Descreve-se um processo novo para a formação de um compósito com matriz de metal por infiltração de uma massa peimeável de material de enchimento contido num molde compósito de matriz de cerâmica-no pedido de patente americano do mesmo proprietário HS 142 385, depositado em 11 de Janeiro de 1988, por Dwivedi et al, e intitulado "Method of Making Metal Matrix Composites", agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com 0 processo de Dwivedi et al, forma-se um molde pela oxidação directa de um metal precursor fundido, ou metal original, com um oxidante, para desenvolver ou fazer crescer um produto da reacção de oxidação policristalino que embebe pelo menos uma porção de um pré-molde constituído por um material de enchimento apropriado (designado por "primeiro material de enchimento"). 0 molde formado de compósito de matriz cerâmica ê depois provido de um segundo material de enchimento, sendo 0 segundo material de enchimento e o molde postos em contacto com metal fundido, vedando-se hermeticamente os conteúdos do molde, 0 mais tipicamente introduzindo pelo menos um metal fundido na entrada ou abertura que veda 0 molde. 0 leito hermeticamente vedado pode conter ar retido, mas 0 ar retido e 0 conteúdo do molde estão isolados ou vedados de modo a excluir ou não deixar entrar 0 ar exterior ou ar ambiente. Proporcionando um ambiente her-

mético, consegue-se obter a infiltração efectiva do segundo material de enchimento a temperaturas moderadas do metal fundido, obviando-se, ou eliminando-se, portanto a necessidade de agentes molhantes, ingredientes especiais de liga no metal da matriz fundido, pressão mecânica aplicada, vácuo aplicado, atmosferas gasosa especiais ou outros expedientes de infiltração. 0 pedido de patente de invenção do mesmo proprietário atrás discutido descreve um processo para a produção de um corpo compósito com matriz de metal, que pode ser ligado a um corpo compósito com matriz de cerâmica e os corpos novos que são produzidos a partir do mesmo.

Um outro pedido de patente de invenção copen-dente e do mesmo proprietário, também de certo modo relacionado, é o pedido de patente de invenção norte-americana Bfs 168 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K, Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado "Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same". De acordo com os processos revelados neste pedido de patente de invenção norte-americana, uma liga de metal da matriz está presente sob a forma de uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido, por exemplo, a um fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente de invenção, a primeira fonte de liga de metal da matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento sob pressões iguais à pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal - 16 da matriz fundida ê consumida durante a sua infiltração no interior da massa de material de encMmento e, se se desejar, pode ser reenchida, de preferência de uma maneira contínua, a partir do reservatório de metal da matriz fundido à medida que a infiltração continua. Quando se tiver infiltrado uma quantidade desejada de material de encMmento permeável pela liga de metal da matriz fundida, baixa-se a temperatura, para solidificar a liga, formando-se desse modo uma estrutura de matriz de metal sólida que embebe o material de enchimento de reforço. Deve entender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma foma de realização da invenção descrita neste pedido de patente de invenção e que não é necessário combinar a forma de realização do reservatório com cada uma das outras formas de realização da invenção aqui reveladas, algumas das quais podem também ser beneficamente utilizadas em combinação com a presente invenção. 0 reservatório de metal pode estar presente em uma quantidade tal que proporcione uma quantidade de metal suficiente para infiltrar a massa de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira, optativo, pode estar em contacto com a massa de material de enchimento, em pelo menos um dos seus lados, para definir um limite superficial.

Além disso, enquanto o fornecimento da liga da matriz fundida deve ser pelo menos suficiente para permitir que a infiltração prossiga pelo menos até aos limites (por exemplo as barreiras) da massa de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório poderia exceder essa quantidade suficiente de modo que não sô haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa como também pode manter-se um excesso da liga de metal fundida e ser ligada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente um excesso de liga fundida, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo um macrocompósito), sendo então um material de enchimento infiltrado, tendo nele uma matriz de metal, direc-tamente ligado ao metal em excesso que fica no reservatório.

Descreve-se um processo de formação de corpos macrocompósitos, de maneira um tanto relacionada com este, num pedido de patente de invenção norte-americana copendente e do mesmo proprietário, depositado em 7 de Julho de 1989, em nome de Marc. S. Newkirk et al., e intitulado "Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby". Este pedido de patente de invenção ê uma continuação-em-parte do pedido de patente de invenção norte--americana HS 368 564, depositado em 20 de Junho de 1989, em nome de Marc S. Newkirk et al., e intitulado "Methods for Forming Macrocomposites Bodies and Macrocomposites Bodies Produced Thereby" que, por sua vez, ê uma continuação-em--parte do pedido de patente de invenção norte-americana 1Í2 269 464, depositado em 10 de Novembro de 1988, em nome de Marc S. Newkirk et al., e intitulado "Methods for Forming Macrocomposite Bodies and Macrocomposite Bodies Produced Thereby". Estes pedidos de patente de invenção revelam vários processos que se referem à formação de corpos macrocom-pósitos por infiltração espontânea de um material de enchi- - 18 - , / Η mento permeável ou de um pré-molde permeável com metal da matriz fundido e a ligação do material infiltrado espontaneamente a pelo menos um segundo material, tal como uma cerâmica e/ou um metal. Em particular, um intensificador da infiltração e/ou um precursor de um intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração estão em comunicação com um material de enchimento ou um pré-molde, pelo menos num certo instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Além disso, antes da infiltração, o material de enchimento ou o pré-molde são postos em contacto com pelo menos uma parte de um segundo material de modo que, depois da infiltração do material de enchimento ou do pré-molde, o material infiltrado é ligado ao segundo material, formando assim um corpo macrocompôsito.

Descreve-se um processo para a formação de corpos compósitos com matriz de metal por um processo de vácuo auto-gerado semelhante ao processo da presente invenção num pedido de patente de invenção norte-americana copen-dente, do mesmo proprietário, depositado em 18 de Julho de 1989, em nome de Robert C. Kantner et al., e intitulado "A Method of Eorming Metal Matrix Composite Bodies by a Self-Generated Vacuum Process and Products Produced There-from". Este pedido de patente de invenção revela um processo pelo qual um metal da matriz fundido ê posto em contacto com um material de enchimento ou um pré-molde na presença de uma atmosfera reactiva e, pelo menos num certo instante durante o processo, o metal da matriz fundido reage, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, com a atmosfera - 19

reactiva, fazendo assim com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde devido, pelo menos parcialmente, à criação de um vácuo auto-gerado. Essa infiltração por. vácuo auto-gerado verifica-se sem a aplicação de qualquer pressão ou vácuo exteriores.

As descrições completas dos pedidos de patente de invenção do mesmo proprietário atrás mencionadas são aqui incorporadas por referência.

Sumário da invenção

Bo processo segundo a presente invenção, produz-se um novo corpo compósito com matriz de metal, por uma técnica nova de vácuo auto-gerado, no qual um metal da matriz fundido infiltra uma massa permeável de material de enchimento ou um pré-molde permeável, dispostos num recipiente impermeável. Especificamente, um metal da matriz fundido e uma atmosfera reactiva são ambos postos em comunicação com a massa permeável, pelo menos em algum instante durante o processo e, após o contacto entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz e/ou o material de enchimento ou o pré-molde e/ou o recipiente impermeável, gera-se um vácuo, do qual resulta a infiltração do metal da matriz fundido no material de enchimento ou pré-molde. Além disso, antes da infiltração, o material de enchimento ou o pré-molde é colocado adjacente a, ou em contacto com o ou os segundos materiais, de modo que depois da infiltração do material de enchimento ou do pré-molde, o material infiltrado ê ligado a pelo menos uma parte do ou dos segundos materiais, formando desse modo um corpo macrocompósito. / - 20 —·,

Numa primeira forma de realização preferida, proporciona-se um sistema de reacção que compreende: 1) um recipiente impermeável; 2) uma massa de material de enchimento ou um pré-molde nele contido; 3) pelo menos um segundo material colocado adjacente a, ou em contacto com a massa de material de enchimento ou com o pré-molde; 4) um metal de matriz de metal; 5) uma atmosfera reactiva e 6) meios de vedação para isolar o sistema de reacção da atmosfera ambiente. 0 metal da matriz fundido é então posto em contacto com a massa de material de enchimento ou o pré-molde na presença da atmosfera reactiva e do meio de vedação. A atmosfera reactiva reage, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, com o metal da matriz fundido e/ou com o material de enchimento e/ou com o recipiente impermeável para formar um produto da reacção que pode criar um vácuo, transportando assim metal da matriz fundido, pelo menos parcialmente, para o interior do material de enchimento e para entrar em contacto com pelo menos uma parte de ou dos segundos materiais. A reacção que envolve a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável pode continuar durante um tempo suficiente para permitir que o metal da matriz fundido se infiltre, parcial-mente ou de maneira substancialmente completa, no material de enchimento ou no pré-molde. Porém, o metal da matriz fundido deve infiltrar-se no material de enchimento ou no pré--molde numa extensão tal que o metal da matriz fundido entre em contacto com pelo menos uma parte do ou dos segundos materiais. Pode proporcionar-se um meio de vedação extrínseco para vedar o sistema de reacção, com uma composição diferente da do metal da matriz.

Numa outra forma de realização preferida, o metal da matriz pode reagir com a atmosfera ambiente para formar um meio químico de vedação intrínseco, com uma composição diferente da do metal da matriz, que veda o sistema da reacção da atmosfera ambiente.

Numa outra forma de realização da presente invenção, em vez de se proporcionar um meio de vedação extrínseco para vedar o sistema de reacção, pode formar-se uma vedação física intrínseca pelo metal da matriz que molha o recipiente impermeável e/ou qualquer porção do ou dos segundos materiais, que poderia estender-se acima da superfície do metal da matriz fundido depois de se ter adicionado o metal da matriz fundido ao recipiente impermeável, isolando assim o sistema reaccional da atmosfera ambiente. Alêm disso, pode ser possível incorporar aditivos de liga no metal da matriz, o que facilita o molhamento do recipiente impermeável, e/ou pelo menos um segundo material pelo metal da matriz, vedando assim o sistema de reacção da atmosfera ambiente.

Numa outra forma de realização preferida, o material de enchimento pode reagir, pelo menos parcialmente, com a atmosfera reactiva para criar um vácuo que arrasta metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento ou do pré-molde. Além disso, podem incorporar-se aditivos no material de enchimento que podem reagir, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, com a atmosfera reactiva para criar um vácuo, bem como realçar as propriedades do corpo resultante. Além disso, alêm de, ou em - 22

vez do material de enchimento e do metal da matriz, o recipiente impermeável pode, pelo menos parcialmente, reagir com a atmosfera reactiva para gerar um vácuo.

Definições

Tal como aqui são usados na memória descritiva e nas reivindicações anexas, os termos seguintes são definidos como se segue: "lado da liga”, como aqui é usado, refere-se ao lado de um compósito com matriz de metal que está inicial mente em contacto com o metal da matriz antes de o metal fim dido ter infiltrado a massa permeável de material de enchimento ou o do pré-molde. "Alumínio", como é aqui usado, significa e inclui essencialmente metal puro (por exemplo um alumínio relativamente puro, sem liga, existente no mercado) ou outras qualidades de metal e ligas do metal tais como os metais existentes no mercado com impurezas e/ou componentes de liga tais como ferro, silício, cobre, magnésio, crómio, zinco, etc. Uma liga de alumínio ê, para os fins deste definição, uma liga ou composto intermetálico no qual o alumínio ê o constituinte mais importante. "Atmosfera ambiente", como é aqui usado, refere-se à atmosfera no exterior do material de enchimento ou do pré-molde e do recipiente impermeável. Pode ter substancialmente os mesmos constituintes que a atmosfera reactiva ou ter constituintes diferentes. "Barreira" ou "meios de barreira", como é aqui usado, em ligação com corpos compósitos com matriz de Λ' - 23 y ξ metal, significa qualquer meio apropriado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, do metal da matriz fundido para alêm de um limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, onde tal limite de superfície é definido pelos referidos meios de barreira.

Os meios de barreira apropriados podem ser qualquer dos materiais, compostos, elementos, composições ou similares, que, nas condições do processo, mantém alguma integridade e substancialmente não são voláteis (isto ê, o material de barreia não se volatiliza numa medida tal que se torna não funcional como barreira).

Alêm disso, os "meios de barreira" apropriados incluem materiais que são molháveis ou não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas condições do processo usadas, desde que o molhamento dos meios de barreira não avance substancialmente para alêm da superfície do material de barreira (isto é, um molhamento de superfície). Uma barreira deste tipo: mostra exibir uma afinidade substancialmente pequena ou nula para o metal da matriz fundido, sendo o movimento para alêm do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma parte da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. "Ligado", como é aqui usado, significa qualquer processo de fixação entre dois corpos. A fixação pode ser física e/ou química e/ou mecânica. Uma ligação física - 24 exige que pelo menos um dos dois corpos, usualmente num estado líquido, se infiltre em pelo menos uma parte da micro-estrutura do outro corpo. Este fenómeno é vulgarmente designado por "molhamento". Uma ligação química exige que pelo menos um dos dois corpos reaja quimicamente com o outro corpo para formar pelo menos uma ligação química entre os dois corpos. Um processo de formação de uma ligação mecânica entre os dois corpos inclui uma infiltração macroscópica de pelo menos um dos dois corpos no interior do outro corpo. Um exemplo disso seria a infiltração de pelo menos um dos dois corpos numa ranhura ou cava na superfície do outro corpo.

Uma tal ligação mecânica não inclui a infiltração microscópica ou o "molhamento" mas pode ser usada em combinação com tais técnicas de ligação física.

Um processo adicional de ligação mecânica inclui técnicas tais como o "ajuste por contracção", na qual um corpo é fixado no outro corpo por um ajuste de pressão. Reste processo de fixação mecânica, um dos corpos ê colocado sob compressão pelo outro corpo. "Bronze”, como é aqui usado, significa e inclui uma liga rica em cobre que pode incluir ferro, estanho, zinco, alumínio, silício, berílio, magnésio e/ou chumbo. Ligas de bronze específicas incluem aquelas nas quais a proporção de cobre é de cerca de 90 %, em peso, a proporção de silício ê de cerca de 6 %, em peso, e a proporção de ferro é de cerca de 3 %, em peso. "Carcassa” ou "Carcassa de metal da matriz", como é aqui usado, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz que fica, que não foi consumido du- 25

***** rante a formação do corpo compósito com matriz d© metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto, pelo menos parcial, com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcassa pode também incluir em si um segundo metal ou metal estranho. "Ferro fundido", como é aqui usado, refere-se à família das ligas de ferro fundido nas quais a percentagem de carbono é pelo menos de cerca de 2%, em peso. "Cobre", como é aqui usado, refere-se às qualidades comerciais do metal substancialmente puro, por exemplo com 99%, em peso, de cobre, com quantidades variáveis de impurezas. Além disso, refere-se também a metais que são ligas ou compostos intermetálicos que não caem dentro da definição de bronze e que contêm cobre como constituinte mais importante. "Material de enchimento", como é aqui usado, pretende-se que inclua quaisquer constituintes isolados ou misturas de constituintes que são substancialmente não reac-tivos com e/ou têm uma solubilidade limitada no metal da matriz, podendo ser monofásicos ou polifásicos. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados numa grande variedade de fornas, tais como pós, flocos, plaquetas, macrosferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc., e podem ser densos ou porosos. 0 termo "material de enchimento" pode também incluir materiais de enchimento de cerâmica, tais como alumina ou carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, partículas, filamentos emaranhados, pérolas, esferas, estiras de fibras ou similares, e materiais de enchimento revestidos com cerâmica, tais como fibras de carbono reves- - 26 / -V-. tidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento podem também incluir metais. "Recipiente impermeável", como ê aqui usado, significa um recipiente que pode alojar ou conter uma atmosfera reactiva e um material de enchimento (ou pré-molde) e/ou metal da matriz fundido e/ou meios de vedação nas condições do processo, e que é suficientemente impermeável para o transporte de produtos gasos ou vapores através do recipiente, de modo tal que possa estabelecer-se uma diferença de pressões entre a atmosfera ambiente e a atmosfera reactiva. "Macrocompôsito" ou "Corpo macrocompósito", como é aqui usado, significa qualquer combinação de dois ou mais materiais, escolhidos no grupo formado por um corpo com matriz de cerâmica, um corpo compósito com matriz de cerâmica, um corpo metálico e um corpo compósito com matriz de metal, que estão ligados intimamente, em qualquer configuração, compreendendo pelo menos um dos materiais um corpo compósito com matriz de metal formado por uma técnica de vácuo auto--gerado. 0 corpo com matriz de metal pode estar presente sob a forma de uma superfície exterior e/ou sob a forma de uma superfície interior. Além disso, o corpo compósito com matriz de metal pode estar presente sob a forma de uma camada intermédia entre dois ou mais dos materiais do grupo atrás descrito. Deve compreender-se que podem manipular-se ou con-trolar-se, de uma maneira ilimitada, a ordem, o número e/ou a posição de um corpo compósito com matriz de metal, ou mais de um desses corpos relativamente ao metal da matriz resi- dual e/ou de qualquer dos materiais no grupo descrito. "Metal da matriz” ou "liga de metal da matriz", como é aqui usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo antes da infiltração) e/ou o metal que está intermisturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal (por exemplo depois da infiltração). Quando um metal especificado for mencionado como metal da matriz, deve entender-se que um tal metal da matriz inclui esse metal como metal substancialmente· puro, um metal existente no mercado tendo impurezas e/ou componentes de liga nele contidos, um composto intermetálico ou uma liga em que esse metal ê o constituinte mais importante ou predominante. "Compósito comi matriz de metal" ou "MC", como é aqui usado, significa um material que compreende um metal da matriz ou liga interligado bi- ou tridimensional-mente e que embebeu um pré-molde ou material de enchimento. 0 metal da matriz pode inclui vários componentes de liga para proporcionar propriedades mecânicas e físicas especifica-mente desejadas no compósito resultante.

Um metal "diferente" do metal da matriz significa um metal que não contém, como constituinte primário, o mesmo metal que o metal da matriz (por exemplo, se o constituinte primário do metal da matriz for o alumínio, o metal "diferente" pode por exemplo ter um constituinte primário de níquel). "Pré-molde" ou "pré-molde permeável", como ê aqui usado, significa uma massa porosa de material de enchimento ou material de enchimento que é manufacturada com pelo menos um limite de superfície que substancialmente define um limite para a infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa substancialmente integridade de forma e resistência em verde suficientes para proporcionar fidelidade dimensional sem quaisquer meios exteriores de suporte antes de ser infiltrado pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para permitir a infiltração do metal da matriz. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição limitada de material de enchimento, homogénea ou heterogénea, e pode ser constituído por qualquer material apropriado (por exemplo partículas, pôs, fibras, filamentos emaranhados, etc., de cerâmica e/ou de metal, ou quetsquer combinações dos mesmos. Um pré-molde pode existir singularmente ou num conjjunto. nSistema da reaccão". como aqui é usado, re-fere-se à combinação de materiais que apresentam infiltração por vácuo auto-gerado de um metal da matriz fundido num material de enchimento ou num pré-molde. Um sistema da reac-ção compreende pelo menos um recipiente impermeável que contêm em si uma massa permeável de material de enchimento ou de um pré-molde, uma atmosfera reactiva e um metal da matriz. "Atmosfera reactiva”, como aqui é usado, signi fica uma atmosfera que pode reagir com o metal da matriz e/ou com o material de enchimento (ou o pré-molde) e/ou o recipiente impermeável para formar um vácuo auto-gerado, fazendo desse modo com que o metal da matriz fundido se infiltre no interior do material de enchimento (ou pré-molde) apôs a formação do vácuo auto-gerado. - 29 "Reservatório”, como aqui ê usado, significa um corpo separado de metal da matriz, posicionado em relação à massa do material de enchimento ou do pré-molde de modo tal que, quando o metal está fundido, ele pode fluir para encher ou, em alguns casos, proporcionar inicialmente e depois encher, a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou com o pré-molde. "Vedação" ou "meio de vedação", como aqui é usado, refere-se à vedação impermeável aos gases nas condições do processo, quer seja formada independentemente do sistema de reacção (por exemplo uma vedação extrínseca) quer formada pelo sistema da reacção (por exemplo uma vedação intrínseca) , que isola a atmosfera e/ou o recipiente impermeável e/ou o material de enchimento ou o pré-molde. 0 material pode ser adicionado ao metal da matriz, podendo a presença do facilitador da vedação no metal da matriz realçar as propriedades do corpo compósito resultante. "Facilitador da vedação”, como é aqui usado, é um material que facilita a formação de uma vedação por reacção do metal da matriz com a atmosfera ambiente e/ou com o recipiente impermeável e/ou com o material de enchimento ou pré-molde. 0 material pode ser adicionado ao metal da matriz e a presença do facilitador da vedação no material da matriz pode melhorar as propriedades do corpo compósito resultante. "Segundo material", como ê aqui usado, refe-re-se a um material escolhido do grupo constituído por um corpo com matriz de cerâmica, um corpo compósito com matriz de cerâmica, um corpo de metal e um corpo compósito com matriz de metal. "Intensificador do molhamento". como aqui ê usado, refere-se a qualquer material que, quando adicionado ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento ou ao prê--molde, intensifica o molhamento (por exemplo reduz a tensão superficial do metal da matriz fundido) do material de enchi mento ou do pré-molde pelo metal da matriz fundido. A presença de um intensificador do molhamento pode também melhorar as propriedades do corpo compósito com matriz de metal resultante, por exemplo melhorando a ligação entre o metal da matriz e o material de enchimento.

Breve descrição dos desenhos

Os desenhos anexos são proporcionados para ajudar a entender a presente invenção, mas não se pretende que eles limitem o escopo da mesma. Sempre que possível, utilizaram-se os mesmos números de referência em todas as „ figuras para designar componentes idênticos. Nos desenhos as figuras representam: A fig. 1, uma vista esquemática, em corte transversal, de um conjunto experimental típico de acordo com o processo da presente invenção que utiliza um meio de vedação extrínseco; A fig. 2, um fluxograma simplificado do processo segundo a presente invenção, aplicado a um conjunto experimental padrão; A fig. 3, uma fotografia de um corte trans - 31 / , ... A* versai horizontal do corpo macrocompósito final formado no Exemplo 1; A fig. 4, uma vista de cima das quatro ranhuras na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica utilizado nos Exemplos 2, 3, 4, 5 e 7» A fig. 5, uma fotografia do corpo maerocompó-sito final formado no Exemplo 2; A fig. 6, uma vista em corte transversal vertical do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 3; A fig. 7, uma vista em corte transversal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 4; A fig. 8, uma fotografia do corpo macrocompó-sito formado no Exemplo 4; A fig. 9, uma vista em corte transversal vertical do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 5; A fig. 10, uma fotografia do corpo macrocom-pósito formado no Exemplo 5; A fig. 11, uma vista em corte vertical do conjjunto usado para produzir o corpo macrocompôsito do Exemplo 6; A fig. 12, uma fotografia do corpo macrocom-pósito formado no Exemplo 6; A fig. 13, uma vista em corte transversal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 7; A fig. 14, uma fotografia do corpo macrocompôsito acabado formado no Exemplo 7; A fig. 15, uma ilustração de um corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito cilíndrico formado no Exemplo 8; A fig. 16, uma vista em corte transversal vertical do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 9; A fig. 17, uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 9; A fig. 18, uma vista em corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 10; A fig. 19, uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpoi macrocompôsito formado no Exemplo 11; A fig. 20, uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito final formado no Exemplo 12; A fig. 21, uma vista em corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 13; A fig. 22, uma vista em corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito formado no Exemplo 14; e A fig. 23, uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito de duas camadas final formado no Exemplo 15.

Descrição pormenorizada da invenção e de formas Ae realização preferidas

Com referencia à fig. 1, está ilustrado um conjunto experimental típico (30) para a formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de metal ligado a um segundo material, sendo o corpo compósito com matriz de metal formado por uma técnica de vácuo auto-gerado. Especificamente, coloca-se um material de enchimento ou um pré-molde (31), que pode ser de um material qualquer apropriado, como se discute mais adiante, adjacente a um segundo material, por exemplo, um corpo compósito com matriz de cerâmica (29), num recipiente impermeável (32), que ê capaz de alojar um metal da matriz fundido (33) e uma atmosfera reactiva. Por exemplo, o material de enchimento (31) pode estar em contacto com uma atmosfera reactiva (por exemplo, a atmosfera que existe no interior dos poros do material de enchimento ou do prê-molde) durante um tempo suficiente para permitir que a atmosfera reactiva penetre parcialmente ou de maneira substancialmente completa nos poros do material de enchimento (31) no recipiente impermeável (32). 0 metal da matriz (33), sob a forma fundida ou na de um lingote sólido, é depois colocado em contacto com o material de enchimento (31). Gomo se descreve com mais pormenor mais adiante numa forma de realização preferida, pode proporcio-nar-se uma vedação extrínseca ou um meio de vedação extrínseco (34), por exemplo na superfície do metal da matriz (33), para isolar a atmosfera reactiva da atmosfera ambiente (37). Os meios de vedação, sejam extrínsecos ou intrínsecos, podem y/ η- ϊ

.1 *· *.TS£^ •O - 34 - ν.. ou não funcionar como meios de vedação à temperatura ambiente, mas devem funcionar como meio de vedação nas condições do processo (por exemplo à temperatura de fusão do metal da matriz ou superior). Coloca-se depois o conjunto (30) num forno, que ou está à temperatura ambiente ou foi pré-aqueci-do até cerca da temperatura do processo. Uas condições do processo,o forno opera a uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz-para permitir a infiltração do metal da matriz fundido no interior do material de enchimento ou do prê-molde, e entrar em contacto com pelo menos uma parte do segundo material, pela formação de um vácuo auto--gerado.

Com referencia à fig. 2, nela está representado um fluxograma simplificado das fases do processo para a realização do processo segundo a presente invenção. Ha fase (1), pode fabricar-se ou obter-se de outro modo um recipiente impermeável apropriado, que possui as propriedades apropriadas, descritas com mais pormenor mais adiante. Por exemplo, um simples cilindro de aço (por exemplo de aço inoxidável) com a parte superior aberta é apropriado para ser usado como molde. 0 recipiente de aço pode então optativamente ser forrado com GRAPOIL·^, uma fita de grafite (GRAIOIL^ ê uma marca registada da Union Carbide) para facilitar a remoção do corpo macrocompôsito da matriz de metal que se pretende formar no recipiente. Como mais adiante se descreve com mais pormenor, podem também usar-se para facilitar o desprendimento do corpo macrocompôsito de matriz de metal do recipiente ou molde outros materiais, tais como BgO^ pulverizado no interior do recipiente, ou estanho que é adi- Λ - 35 cionado ao metal da matriz. 0 recipiente pode depois ser carregado com uma quantidade desejada de um material de enchimento ou com um prê-molde que, optativamente, pode ser pelo menos parcialmente coberto com uma outra camada de fita τ> GRAFOIL . Essa camada de fita de grafite facilita a separação do corpo macrocompôsito com matriz de metal de qualquer carcassa de metal da matriz que fique depois da infiltração do material de enchimento. <

Pode depois vazar-se uma certa quantidade de metal da matriz fundida, por exemplo alumínio, bronze, cobre, ferro fundido, magnésio, etc. no recipiente. Este hlti-mo pode estar à temperatura ambiente ou pode ter sido aquecido previamente até uma temperatura qualquer apropriada.

Além disso, o metal da matriz podia inicialmente ser proporcionado sob a forma de lingotes sólidos de metal da matriz e depois aquecido para fundir os lingotes. Pode então formar--se um meio de vedação apropriado (descrito adiante com mais pormenor) escolhido do grupo constituído por um meio de vedação extrínseco e um meio de vedação intrínseco. Por exemplo, se se desejasse formar uma vedação extrínseca, poderia aplicar-se um meio de vedação extrínseco, tal como uma frita de vidro (por exemplo na suPer;fS-cie <*a massa líquida do metal da matriz fundido no recipiente. A frita funde então, cobrindo tipicamente a superfície da massa líquida mas, como se descreve com mais pormenor adiante, não é necessária a cobertura completa. Depois de por em contacto o metal da matriz fundido com um material de enchimento ou uim pré-molde e de vedar o metal da matriz e/ou o material de enchimento da atmosfera ambiente por meio de uma vedação extrínseca, se for necessário, coloca-se o recipiente num forno apropria do, que pode ser pré-aquecido até uma temperatura de processamento, durante um tempo apropriado para permitir que se ve rifique a infiltração. A temperatura de processamento do for no pode ser diferente, para metais da matriz diferentes (por exemplo, são desejáveis cerca de 950°C para algumas ligas de alumínio e cerca de 1 100°C para algumas ligas de bronze)· A temperatura de processamento apropriada do processamento variará conforme o ponto de fusão e outras características do metal da matriz, bem como das características específicas dos componentes do sistema de reacção, tais como o ou os segundos materiais e os meios de vedação. Após um intervalo de tempo apropriado à temperatura do forno, criar-se-á um vácuo (descrito com mais pormenor adiante) no interior do aaterial de enchimento ou do pré-molde, permitindo assim que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde e entre em contacto com pelo menos uma parte do ou dos segundos materiais. 0 recipiente pode depois ser reti rado do forno e arrefecido, por exemplo colocando-o numa pia ca de refrigeração, para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Retira-se depois o corpo macrocompósito do re cipiente, de uma maneira qualquer conveniente.

Compreender-se-á que as descrições anteriores das fig. 1 e 2 são simplesmente para esclarecer característi cas salientes da presente invenção. Outros pormenores das fa ses do processo e das características dos materiais que podem ser usados no processo são apresentados mais adiante.

Sem pretender ficar limitado por qualquer teo ria ou explicação particulares, crê-se que, quando um metal - 37 da matriz apropriado, tipicamente no estado fundido, contacta com um material de enchimento ou um prê-molde, que está situado ;junto de, ou em contacto com o ou os segundos materiais, na presença de uma atmosfera reactiva apropriada num recipiente impermeável, pode verificar-se uma reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento ou o prê-molde e/ou o recipiente impermeável donde resulta um produto da reacção (por exemplo iam sólido, um líquido ou um vapor) que ocupa um volume menor do que o volume inicial ocupado· pelos componentes que reagiram. Quando a atmosfera reactiva estiver isolada da atmosfera ambiente, pode criar-se um vácuo no material de enchimento ou no prê-molde permeáveis, que arrasta metal da matriz fundido para o interior dos espaços vazios do material de enchimento. Adicionalmente, a criação de um vácuo pode intensificar o molhamento. A reacção continuada entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento ou o prê-molde e/ou o recipiente impermeável pode ter cano consequência a infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou no prê-molde, enquanto se gera um vácuo adicional.. A reacção pode continuar durante o tempo suficiente para permitir que o metal da matriz fundido se infiltre, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, na massa do material de enchimento ou do prê-molde. 0 material de enchimento ou o prê-molde devem ser suficientemente permeáveis para permitir que a atmosfera reactiva atravesse, pelo menos parcialmente, a massa do material de enchimento ou do prê-molde. Além disso, para fornar um corpo macrocompôsito, o metal da matriz fundido deve infil- - 38

trar-se na massa do material de enchimento ou no pré-molde numa extensão tal que o metal da matriz fundido contacte pelo menos com uma parte do ou dos segundos materiais.

Este pedido de patente discute vários metais da matriz que em algum instante, durante a formação de um macrocompósito com matriz de metal, estão em contacto com uma atmosfera reactiva. Âssim, serão feitas várias referências a combinações ou sistemas particulares de metal da ma-triz/atmosfera reactiva. Espeeificamente, verificou-se o comportamento de formação de um' vácuo auto-gerado no sistema alumínio/ar, no sistema alumínio/oxigénio, no sistema alumí-nio/azoto, no sistema bronze/ar, no sistema bronze/azoto, no sistema cobre/ar, no sistema cobre/azoto e no sistema ferro fundido/ar. Contudo, compreender-se-á que podem comportar-se da mesma maneira outros sistemas de metal/atmosfera reactiva diferentes dos especificados no presente pedido de patente.

Para levar à prática a técnica do vácuo auto--gerado segundo a presente invenção, é necessário que a atmos fera reactiva esteja fisicamente isolada da atmosfera ambiente de modo tal que a pressão reduzida da atmosfera reactiva que existe durante a infiltração não seja afectada de maneira adversa significativamente por quaisquer gases transportados da atmosfera ambiente. Um recipiente impermeável que pode ser utilizado no processo segundo a presente invenção pode ser um recipiente de quaisquer dimensões, de qualquer forma e/ou de qualquer composição que pode ou não ser não reactivo com o metal da matriz e/ou com a atmosfera reactiva e que seja impermeável à atmosfera ambiente nas condições do processo. Espeeificamente, o recipiente impermeável pode com - 39 preender qualquer material (por exemplo cerâmica, metal, vidro, polimero, etc.) que possa sobreviver às condições do processo de modo que mantenha as suas dimensões e a sua forma e que impeça ou iniba suficientemente o transporte da atmosfera ambiente através do recipiente. Utilizando-se um recipiente suficientemente impermeável para transportar a atmosfera através do recipiente, é possível formar um vácuo auto-gerado no interior do recipiente. Além disso, conforme o sistema de reacção particular usado, pode utilizar-se um recipiente impermeável que seja- pelo menos parcialnrente reactivo com a atmosfera reactiva e/ou com o metal da matriz e/ou com o material de enchimento, para criar ou ajudar a criar um vácuo auto-gerado no interior do recipiente.

As características de um recipiente impermeável apropriado são a ausência de poros, rachas ou óxidos redutíveis, qualquer destas coisas podendo interferir de maneira adversa com o desenvolvimento ou a manutenção de um vácuo auto-gerado. Assim, compreender-se-á que pode utilizar--se uma ampla variedade de materiais para formar os recipientes impermeáveis. Por exemplo, podem usar-se alumina moldada ou vazada ou carboneto de silício, bem como metais com solubilidade limitada ou baixa no metal da matriz, por exemplo aço inoxidável, para metais da matriz de alumínio, cobre e bronze.

Além disso, materiais, de outro modo não apro priados, tais como materiais porosos (por exemplo corpos cerâmicos) podem impermeabilizar-se por fomação de um revestimento apropriado pelo menos numa porção dos mesmos. Tais revestimentos impermeáveis podem ser um qualquer de uma grande ,* - 40 variedade de vidrados e geles apropriados para se ligarem a tais materiais porosos e vedá-los. Além disso, um revestimento impermeável apropriado pode ser liquido ás temperaturas do processo, caso em que o material de revestimento deve ser suficientemente estável para se manter impermeável sob o vácuo auto-gerado, por exemplo aderindo de maneira viscosa ao recipiente ou ao material de enchimento ou ao pré-molde. Os materiais de revestimento apropriados incluem materiais vítreos (por exemplo BgO^), cloretos, carbonatos, etc., desde que as dimensões dos poros do material de enchimento ou do pré-molde sejam suficientemente pequenas para formar um revestimento impermeável. 0 metal da matriz usado no processo segundo a presente invenção pode ser qualquer metal da matriz que, quando fundido nas condições do processo, se infiltra no material de enchimento ou do pré-molde pela criação de um vácuo no interior do material de enchimento. Por exemplo, o metal da matriz pode ser qualquer metal, ou constituinte no interior do metal, que reaja com a atmosfera reactiva nas condições do processo, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, fazendo desse modo com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no pré-molde, devido, pelo menos em parte, à criação de um vácuo no seu interior. Além disso, conforme o sistema usado, o metal da matriz pode ser parcialmente ou de maneira substancialmente completa não reactivo com a atmosfera reactiva, e criar-se um vácuo devido a uma reacção da atmosfera reactiva com, optativamente, um ou mais outros componentes do sistema de reacção, permitindo desse modo que o metal da ma- / *Γ - 41 - triz se infiltre no material de enchimento.

Numa forma de realização preferida, o metal da matriz pode formar uma liga com um intensificador do mo-lhamento para facilitar a capacidade de molhamento do metal da matriz, facilitando assim, por exemplo, a formação de uma ligação entre o metal da matriz e o material de enchimento, reduzindo a porosidade no compósito de matriz de metal formado, reduzindo o tempo necessário para completar a infiltração, etc. Além disso, um material que compreende um intensificador do molhamento podem também actuar como um faci-litador da vedação, como se descreve mais adiante, para ajudar o isolamento da atmosfera reactiva da atmosfera ambiente. Mais ainda, numa outra forma de realização preferida, o intensificador do molhamento pode ser incorporado directamente no material de enchimento em vez de formar liga com o metal da matriz. 0 intensificador de molhamento pode também facilitar a capacidade de molhamento do metal da matriz com o ou os segundos materiais, permitindo desse modo a produção de um corpo macrocompôsito mais forte e mais coerente.

Assim, o molhamento do material de enchimento pelo metal da matriz pode melhorar as propriedades (por exemplo a resistência à tracção, a resistência a erosão, etc.) do corpo compósito com matriz de metal resultante. Além disso, o molhamento do material de enchimento pelo metal da matriz fundido pode permitir uma dispersão uniforme do material de enchimento por todo o compósito com matriz de metal formado e melhorar a ligação do material de enchimento ao metal da matriz. Os intensificadores do molhamento utilizáveis para um metal da matriz de alumínio incluem o magnésio, o bis- - 42

muto, o chumbo, o estanho, etc., e para o bronze e o cobre incluem o selénio, o telúrio, o enxofre, etc. Além disso, como atrás de discutiu, pode adicionar-se pelo menos um in-tensificador de molhamento ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento para comunicar as propriedades desejadas ao corpo compósito com matriz de metal resultante.

Além disso, ê possível utilizar um reservatório de metal da matriz como-fonte para assegurar a infiltração completa de metal da matriz no material de enchimento e/ou para fornecer um segundo metal com uma composição da primeira fonte de metal da matriz. Bspecificarnente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma composição diferente da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, então pode usar-se como metal do reservatório substancialmente qualquer outro metal ou liga metálica que esteja fundida à temperatura do processo. Os metais fundidos são frequentemente miscí-veis uns com os outros, o que teria como consequência que o metal do reservatório se misturaria com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se permitisse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal num reservatório de composição diferente do da primeira fonte de metal da matriz, é possível pré-determinar as propriedades do metal da matriz para satisfazer vários requi sitos operacionais e desse modo pré-determinar as propriedades do corpo com matriz de metal. A temperatura a que o sistema de reacção fica exposto (por exemplo a temperatura de processamento) pode va - 43 •f riar conforme os metais da matriz, os materiais de enchimento ou os pré-moldes, os segundos materiais e as atmosferas reactivas usados. Por exemplo, para um metal da matriz de alumínio, o presente processo do vácuo· auto-gerado geralmente prossegue a uma temperatura de pelo menos cerca de 700°C e, de preferência, de cerca de 850°C ou mais. Hao são necessárias temperaturas superiores a 1 000°C, em geral, sendo particularmente utilizáveis "temperaturas na gama dos 850 a 1 000°G. Para um metal da matriz de bronze ou de cobre podem utilizar-se temperaturas de cerca de 1 050 a cerca de 1 125°C e para o ferro fundido, temperaturas de cerca de 1 250 a 1 400°C. Em geral, podem usar-se temperaturas superiores ao ponto de fusão, mas inferiores ao ponto de volatilização do metal da matriz usado. Ê possível pré-determinar a composição e/ou a microestrutura da matriz de metal durante a formação do componente compósito com matriz de metal do corpo macrocom-pôsito para conferir características desejadas ao corpo ma-crocompôsito. Por exemplo, para um sistema dado, podem es-colher-se as condições do processo para controlar a formação de, por exemplo, compostos intermetálicos, óxidos, ni-tretos, etc. Além disso, adicionalmente à pré-determinação da composição da matriz de metal outras características físicas do componente compósito com matriz de metal, por exemplo a porosidade, podem ser modificadas controlando a velocidade de arrefecimento do componente do corpo compósito com matriz de metal. Em alguns casos, pode ser desejável que o componente do compósito com matriz de metal seja solidificado direccionalmente, colocando, por exemplo, o reci- - 44 / ,Λν Η ' ...... piente que contém o corpo macrocompôsito formado numa placa de refrigeração e/ou colocando materiais isolantes selecti-vamente em torno do recipiente. Além disso, outras propriedades adicionais (por exemplo a resistência à tracção) do componente compósito com matriz de metal do corpo macrocompôsito podem ser controladas utilizando um tratamento térmico (por exemplo, um tratamento térmico normalizado) que corresponde substancialmente ao tratamento térmico de apenas o metal da matriz ou um tratamento modificado parcialmente ou de maneira significativa. Estas técnicas para modificar as propriedades do componente de compósito com matriz de metal do corpo macrocompôsito podem ser usadas para alterar ou modificar as propriedades do corpo macrocompôsito final para satisfazer certos requisitos industriais.

Uas condições usadas no processo segundo a presente invenção, a massa de material de enchimento ou o prê-molde, que estão situados adjacentes a, ou em contacto com, pelo menos um segundo material, devem ser suficientemente permeáveis para permitir que a atmosfera reactiva penetre ou atravesse os poros do material de enchimento ou do pré-molde em algum instante durante o processo antes do isolamento da atmosfera ambiente da atmosfera reactiva. Proporcionando um material de enchimento apropriado, a atmosfera reactiva pode, parcialmente ou de maneira substancialmente completa, reagir por contacto com o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável, resultando daí a criação de um vácuo que arrasta metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento e em contacto com pelo menos uma parte do ou dos segundos ma- - 45 -

teriais. Além disso, a distribuição da atmosfera reactiva no interior do material de enchimento não tem de ser substan cialmente uniforme, podendo no entanto uma uniformidade subs tancial da distribuição da atmosfera reactiva ajudar à formação de um corpo compósito com matriz de metal desejável. 0 processo segundo a presente invenção para a formação de um corpo compósito com matriz de metal ê aplicável a uma grande variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha dos materiais largamente de factores tais como o metal da matriz, o ou os' segundos materiais, as condições do processamento, a reactividade do metal da matriz fundido com a atmosfera reactiva, a reactividade do metal da matriz fundido com o recipiente impermeável e as propriedades previstas para o componente compósito com matriz de metal do produto macrocompôsito final. Por exemplo, quando o metal da matriz compreender aluminio, os materiais de enchimento apropriados incluem: a) óxidos (por exemplo alumi-na); b) carbonetos (por exemplo carboneto de silicio); c) nitretos (por exemplo nitreto de titânio. Se houver tendência para o material de enchimento reagir de maneira adver sa com o metal da matriz fundido, tal reacção pode ser compensada minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, que leva um revestimento cerâmico para proteger o substrato de ataque ou degradação. Os revestimentos cerâmicos apropria dos incluem óxidos, carbonetos e nitretos. As cerâmicas preferidas para ser usadas no processo da presente invenção in- - 46 - / / .y cluem a alumina e o carboneto de silicio sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (na forma cortada) ou sob a forma de filamentos contínuos, tais como estopas de multifila-mentos. Além disso, a composição e/ou a forma do material de enchimento ou do pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos.

As dimensões "e a forma do material de enchimento podem ser quaisquer que sejam necessárias para obter as propriedades desejadas no componente compósito com matriz de metal do produto macrocompósito final. Assim, o material pode ter a forma de partículas, de filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Podem também ser usadas outras foimas, tais como esferas, pérolas, túbulos, pe-letes, tecido refractário de fibras e outras análogas. Além disso, as dimensões do material não limita infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais elevada ou um tempo mais longo para obter a infiltração completa de uma massa de partículas menores que de partículas maiores. Preferem-se, para a maioria das aplicações técnicas, dimensões médias das partículas que vão desde menos de 24 grit a cerca de 500 grit. Além disso, controlando as dimensões (por exemplo o diâmetro das partículas, etc.) da massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, podem pré--determinar-se as propriedades físicas e/ou mecânicas do componente compósito com matriz de metal do produto macro-compósito final para satisfazer um número ilimitado de aplicações industriais. Mais ainda, incorporando um material de - 47 - enchimento que compreende partículas de material de enchimento com dimensões diferentes, pode obter-se uma compactação maior do material de enchimento para obter o componente com matriz de metal do corpo macrocompósito. Por outro lado, é possível obter menores cargas de partículas, se se desejar, agitando o material de enchimento (por exemplo abanando o recipiente) durante a infiltração e/ou misturando metal da matriz em pô com o material de enchimento, antes da infiltração · A atmosfera reactiva utilizada no processo segundo a presente invenção pode ser qualquer atmosfera que reaja, pelo menos parcialmente, ou de maneira substancialmente completa, com o metal da matriz fundido e/ou com o material de enchimento e/ou com o recipiente impermeável, para formar um produto da reacção que ocupa um volume menor do que o volume ocupado pela atmosfera e/ou os componentes da reacção antes da reacção. Especificamente, a atmosfera reactiva, em contacto com o metal da matriz fundido e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável, pode reagir com um ou mais componentes do sistema de reacção para formar um produto da reacção sólido, líquido ou em fase de vapor, que ocupa um volume menor do que o dos componentes individuais combinados, criando assim um vazio ou vácuo que ajuda a arrastar metal da matriz fundido para o interior do material de enchimento ou do pré-molde. A reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz e/ou o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável, pode continuar durante um tempo suficiente para que o metal da matriz se infiltre, pelo menos parcialmente ou de maneira substancial- - 48 - mente completa, no material de enchimento. Porém, o metal da matriz fundido deve infiltrar o material de enchimento ou o prê-molde numa extensão tal que o metal da matriz fundido contacte pelo menos com uma parte do ou dos segundos materiais colocados adjacentes, ou em contacto com- a massa de material de enchimento ou o prê-molde. Por exemplo, quando se usar ar como atmosfera reactiva, uma reacção entre o metal da matriz (por exemplo áluminio) e o ar pode ter como consequência a formação de produtos da reacção (por exemplo alumina e/ou nitreto de alumínio, etc.). 33as condições do processo, o ou os produtos da reacção tendem a ocupar um volume menor do que o volume total ocupado pelo alumínio fundido que reage com o ar. Como consequência da reacção, gera--se um vácuo, fazendo-se assim com que o metal da matriz fundido se infiltre no material de enchimento ou no prênmol-de. Conforme o sistema utilizado, o material de enchimento e/ou o recipiente impermeável podem reagir com a atmosfera reactiva de uma maneira semelhante para gerar um vácuo, auxiliando assim a infiltração do metal da matriz fundido no interior do material de enchimento. A reacção que produz o vácuo auto-gerado pode continuar durante um tempo suficiente para conduzir à formação de um corpo compósito com matriz de metal, que está ligado com pelo menos um segundo material para formar um corpo macrocompósito.

Além disso, verificou-se que pode proporcionar-se uma vedação ou um meio de vedação para ajudar a impedir ou limitar o fluxo de gases a partir da atmosfera ambiente para o interior do material de enchimento ou do prê--molde (por exemplo, impedir o fluxo da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva). Fazendo novamente referência à fig. 1, a atmosfera reactiva no interior do recipiente impermeável (32) e do material de enchimento (31) deve ser su-ficientemente isolada da atmosfera ambiente (37) de modo que enquanto continua a reacção entre a atmosfera reactiva e o metal da matriz fundido (33) e/ou o material de enchimento ou o pré-molde (31) e/ou o recipiente impermeável (32), se estabeleça uma diferença “de pressões, que é mantida, entre as atmosferas reactiva e ambiente, até se ter conseguido a infiltração desejada. Compreender-se-â que o isolamento entre as atmosferas reactiva e ambiente não necessita de ser perfeito, bastando antes ser "suficiente", de modo a estar presente uma diferença líquida de pressões (por exemplo, pode haver um fluxo de fase de vapor da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva desde que o caudal seja menor do que o necessário imediatamente para reencher a atmosfera reactiva). Como atrás se descreveu, uma parte do isolamento necessário da atmosfera ambiente da atmosfera reactiva é proporcionada pela impermeabilidade do recipiente (32).

Como a maior parte dos metais da matriz são também suficientemente impermeáveis à atmosfera ambiente, a massa de metal da matriz fundido (33) proporciona uma outra parte do isolamento necessário. 2 no entanto importante notar que a interface entre o recipiente impermeável (32) e o metal da matriz pode proporcionar um trajecto de fugas entre as atmojs feras ambiente e reactiva. Por conseguinte, deve proporcio-nar-se uma vedação que iniba ou evita suficientemente essas fugas.

As vedações ou meios de vedação apropriados - 50 - J'

'*** I ·τ-.- podem ser classificados como mecânicos, físicos ou químicos, podendo cada um deles ser classificado em extrínseco e intrínseco. Por "extrínseco" entende-se que a acção de vedação surge independentemente do metal da matriz fundido, ou adicionalmente a qualquer acção de vedação proporcionada pelo metal da matriz fundido (por exemplo, a partir de um material adicionado aos outros elementos do sistema da reac-ção); por "intrínseco" significa-se que a acção de vedação resulta exclusivamente de uma ou mais características do metal da matriz (por exemplo, da capacidade de o metal da matriz molhar o recipiente impermeável). Uma vedação mecânica intrínseca pode ser formada proporcionando simplesmente uma massa líquida suficientemente profunda de metal da matriz fundido ou submergindo o material de enchimento ou o pré--molde, como nas patentes de Reding e de Reding et al atrás mencionadas, e nas patentes com elas relacionadas.

Contudo, verificou-se que as vedações mecânicas intrínsecas, como se definem, por exemplo, por Reding Jr., são ineficientes numa grande variedade de aplicações, podendo requerer quantidades excessivamente grandes de metal da matriz fundido. Segundo a presente invenção, verificou-se que as vedações extrínsecas e as classes física e mecânica de vedações intrínsecas ultrapassam esses inconvenien tes de uma vedação mecânica intrínseca, Numa forma de realização preferida de uma vedação extrínseca, pode aplicar-se um meio de vedação externamente na superfície do metal da matriz sob a forma de um material sólido ou líquido que, nas condições do processo, pode ser substancialmente não reactivo com o metal da matriz. Verificou-se que uma tal ve- - 51 - dação extrínseca impede, ou pelo menos inibe suficientemente, o transporte dos constituintes em fase de vapor da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva. Os materiais apropriados para ser usados como meios de vedação físicos extrínsecos podem ser sólidos ou líquidos, incluindo vidros (por exemplo vidros de boro e silício, ^2^3» óxidos fundidos, etc.) ou qualquer ou quaisquer outros materiais que inibem suficientemente 0 transporte da atmosfera ambiente para a atmosfera reactiva nas condições do processo.

Uma vedação mecânica extrínseca pode ser formada alisando ou polindo previamente, ou modelando de outro modo, a superfície interior do recipiente impermeável em contacto com a massa líquida de metal de metal da matriz, de modo que seja suficientemente inibido o transporte de gases entre a atmosfera ambiente e a atmosfera reactiva. Vidrados e revestimentos, tais como de BgO^, que podem ser aplicados ao recipiente para 0 tornar impermeável, podem também proporcionar uma vedação apropriada.

Uma vedação química extrínseca poderia ser proporcionada colocando um material na superfície de um metal da matriz fundido que seja reactivo com, por exemplo, 0 recipiente impermeável. 0 produto da reacção pode compreender um composto intermédio, um óxido, um carboneto, etc.

Uuma forma de realização preferida de uma vedação física intrínseca, 0 metal da matriz pode reagir com a atmosfera ambiente para formar uma vedação ou meios de vedação com uma composição diferente da composição do metal da matriz. Por exemplo, por reacção do metal da matriz com a atmosfera ambiente pode formar-se um produto da reacção $ '-^ι·.At -52- " (por exemplo MgO e/ou espinela de aluminato de magnésio, no caso de uma liga de Al^Mg reagir com ar, ou óxido de cobre, no caso de uma liga de bronze reagir com ar), o qual pode vedar a atmosfera reactiva da atmosfera ambiente· Muma outra forma de realização de uma vedação física intrínseca, pode adicionar-se um facilitador da vedação ao metal da matriz para facilitar a formação de uma vedação por reacção entre o metal da matriz e a atmosfera ambiente (por exemplo, pela adição de magnésio, bismuto, chumbo, etc., para metais da matriz de alumínio, ou a adição' de selénio, telúrio, enxofre, etc., para metais da matriz de cobre ou de bronze· Formando um meio de vedação químico intrínseco, o metal da matriz pode reagir com o recipiente impermeável (por exemplo por dissolução parcial do recipiente ou do seu revestimento (intrínseco) ou formando um produto da reacção ou compostos intermetâlicos, etc., que possam vedar o material de enchimento da atmosfera ambiente.

Além disso, compreender-se-á que a vedação deve ser susceptível de compensar variações volumétricas (isto é, de expansão ou de contracção) ou outras variações no sistema da reacção, sem permitir que a atmosfera ambiente flua para o interior do material de enchimento (por exemplo, fluxo para o interior da atmosfera reactiva). Sspecificamen-te, à medida que o metal da matriz se infiltra na massa permeável do material de enchimento ou do prê-molde, a profundidade do metal da matriz no recipiente pode tender a diminuir. Os meios de vedação apropriados para um tal sistema devem ser suficientemente flexíveis para impedir o transporte da atmosfera ambiente para o material de enchimento à me dida que diminui o nível do metal da matriz fundido no recipiente.

Em certas formas de realização da presente invenção, o ou os segundos materiais utilizados na foraação do corpo macrocompôsito podem estender-se acima do nível da superfície da liga de metal da matriz fundida depois de se colocar a liga da matriz no interior do recipiente impermeável. Nesta situação, o metal da matriz fundido deve também foimar uma vedação com o segundo material na interface entre o metal da matriz fundido, o segundo material e a atmosfera ambiente. A discussão anterior, referente â vedação entre o metal da matriz fundido e o recipiente impermeável também se aplica à vedação entre o metal da matriz fundido e o segundo material, quando tal vedação for necessária.

Pode também utilizar-se um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, um meio de barreira que pode ser usado no processo segundo a presente invenção pode ser qualquer meio apropriado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimento, ou similar, de metal da matriz fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Um meio de barreira apropriado pode ser qualquer material, composto, elemento, composição, ou similar, que, nas condições do processo da presente invenção, mantenha alguma integridade, não seja volátil e seja susceptível de inibir, interromper com, evitar, ou similar, localmente, a infiltração continuada ou qualquer outro tipo de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira podem ser usados durante a infiltração - 54

por vácuo auto-gerado ou em qualquer recipiente impermeável utilizado em ligação com a técnica do vácuo auto-gerado para formar compósitos com matriz de metal, como mais adiante se descreve com mais pormenor. Estes meios de barreira facilitam a produção de corpos macrocompôsitos modelados.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são molháveis ou não molháveis pelo metal da matriz fundido em migração, nas condições do processo utilizadas, desde que o molhamento dos meios de barreira não prossiga substancialmente para além- da superfície do material de barreira (isto I, um molhamento de superfície). Uma barreira deste tipo mostra uma pequena ou nula afinidade para a liga de matriz fundida, e o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-mol-de ê evitado ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação que possam ser necessárias para-produzir. o corpo.macrocompósito final.

Barreiras apropriadas que podam ser usadas particularmente para metais da matriz de alumínio são as que contêm carbono, em especial a forma alotrópica cristalina do carbono conhecida por grafite. A grafite é substancialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições do processo descritas. Uma grafite particular- T> mente preferida é a fita de grafite GRAEOIL , produto que apresenta características que impedem a migração da liga de alumínio fundida para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e ê quimicamente substancialmente inerte. A fita de grafite GRAEOIL ^ I flexível, compatível, mo- - 55 - / % ( delável e elástica, e pode ser feita com uma certa variedade de formas para se adaptar à maioria das aplicações da barrei ra. Os meios de barreira de grafite podem também ser aplicados sob a forma de uma lama ou pasta ou mesmo sob a forma de uma película de pintura em tomo de, e sobre o limite do ma-terial de enchimento ou do pré-molde. A fita GRA1OIL ê par ticularmente preferível porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Um processo de utilização deste material de grafite semelhante a uma folha de papel consiste em embrulhar o material de enchimento ou o pré-molde a infil

R trar no interior de uma camada de material GRAFOIL . Em alternativa, o material de folha de grafite pode ser modelado como um molde em negativo com uma forma desejada para o corpo compósito de matriz de metal, podendo este molde negativo ser depois cheio com o material de enchimento.

Além disso, outros materiais finamente moídos em partículas, tais como alumina de 500 grit, podem funcionar como uma barreira, em certas situações, desde que a infiltração do material de barreira em partículas se verifique com uma velocidade menor do que a velocid&de de infiltração do material de enchimento.

Os meios de barreira podem ser aplicados por quaisquer meios apropriados, tais como cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Uma tal camada de meio de barreira póde ser aplicada por pintura, por imersão, por serigrafia, por evaporação, ou aplicada de outro modo sob a forma de um líquido, de uma lama ou de uma pasta, ou por deposição catódica de meios de barreira vaporizáveis, ou simplesmente depositando uma camada de um meio de barreira sólido em pa rtícuias, ou aplicando uma fina folha ou película sólida de meios de barreira sobre o limite de superfície definido. Com os meios de barreira no lugar, a infiltração por vácuo auto-gerado termina substancialmente quando o metal da matriz que se infiltra atingir o limite de superfície definido e contactar com os meios de barreira. 0 processo segundo a presente invenção do componente compósito com matriz de metal pela técnica do vácuo auto-gerado, em combinação com a utilização de um meio de barreira, proporciona vantagens significativas em relação â técnica anterior. Especificamente, utilizando-se o processo segundo a presente invenção, pode produzir-se um corpo compósito com matriz de metal sem a necessidade de um proces sarnento caro e complicado. Uum aspecto da presente invenção, um recipiente impermeável, que pode ser um recipiente existente no comércio ou feito de propósito para uma necessidade especial, pode conter um material de enchimento ou um prê--molde com uma forma desejada, situados junto de, ou em contacto com, pelo menos um segundo material, uma atmosfera reactiva e um meio de barreira para interromper a infiltração do metal da matriz para além da superfície do corpo ma-crocompôsito formado resultante. Por contacto da atmosfera reactiva com o metal da matriz, que pode ser vazado no recipiente impermeável e/ou no material de enchimento, nas condições do processo, pode criar-se um vácuo auto-gerado, fazendo assim com que o metal da matriz fundido se infiltre no interior do material de enchimento e eventualmente contacte com pelo menos uma parte do ou dos segundos materiais. 0 presente processo evita a necessidade de fases de proces- - 57 - sarnento complexas, por exemplo a maquinagem de moldes para obter formas complexas, a manutenção de banhos de metal fundido, a remoção de peças formadas a partir de moldes de forma complexa, etc. Além disso, minimiza-se substancialmente o deslocamento de um material de enchimento pelo metal da matriz fundida proporcionando um recipiente estável que não é submerso no interior de um banho de metal fundido.

Nos Exemplos·.seguintes* estão incluídas várias demonstrações da presente invenção. No entanto, estes exemplos devem ser considerados como ilustrativos e não deve admitir-se que eles constituam uma limitação do escopo da presente invenção, tal como ê definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1 0 Exemplo seguinte demonstra um processo de ligação de um corpo com matriz de cerâmica com um corpo de aço inoxidável pela utilização de uma camada intermédia de compósito com matriz de metal de alumínio.

Colocou-se uma barra de aço inoxidável, com as dimensões aproximadas de 12,54 mm (1/2") de diâmetro e 63.5 mm (2 1/2") de comprimento, numa posição em pé, no interior de um recipiente impermeável constituído por um cadinho de alumina existente no mercado, com as dimensões aproximadas de 38,1 mm (1 1/2") de diâmetro interior e 63.5 mm (2 1/2") de altura, de modo que tuna extremidade da barra de aço assentasse no fundo do cadinho de alumina. En-cheu-se depois o espaço anular entre a superfície exterior da barra de aço e a superfície interior do cadinho de alumi- na com uma camada com a espessura de aproximadamente 19,05 mm (3/4") de um material de enchimento que compreende partículas de carboneto de silício de 54 grit. A superfície exterior da barra de aço tinha sido previamente revestida com uma solução de pô de em água. 0 pó de foi na

Aesar Company de Seabrook, Hew Hampshire. Colocou-se uma quantidade de metal da matriz sólido, compreendendo uma liga de alumínio com a composição aproximada, em peso, de 2,5--3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20--0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35%' Sn e 0,50% Ui, sendo o restante de alumínio, no interior do recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, em cima do material de enchimento de carboneto de silício. Colocou-se depois o conjunto experimental, constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo, num forno com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido a uma temperatura de cerca de 600°C. Depois elevou-se rapidamente a temperatura do forno até cerca de 900°C durante um período de 1,5 h, fun dindo-se durante esse tempo a liga de metal sólida para formar uma camada de aproximadamente 19,01 mm (3/4") de liga da matriz fundida no interior do espaço anular entre a barra de aço inoxidável e o cadinho de alumina. Cobriu-se depois o metal da matriz com um material que forma uma vedação. Espe-cificamente, colocou-se um pó de BgO^ da Aesar Company de Seabrook, Uew Hampshire, na superfície do metal da matriz de alumínio fundido. Após cerca de 15 minutos a cerca de 900°C, o material de BgO^ tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que tenha ficado retida no BgO^ foi elimi- - 59 nada por evaporação de maneira substancialmente completa, formando assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto experimental no forno durante mais 1 h, a cerca de 90Q°C. Depois, retirou-se o conjunto do forno e colocou--se em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmen-te o metal da matriz. Uma análise da estrutura final do conjunto mostrou que o metal dá matriz fundido se infiltrou no material de enchimento de carboneto de silicio para formar um compósito com matriz de metal que estava ligado, quer ao cadinho de alumina, quer à barra de aço inoxidável, formando assim um corpo macro compósito sólido, no qual um corpo de cerâmica (o cadinho de alumina) estava ligado a um corpo metálico (a barra de aço inoxidável), por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal. Além disso, uma camada de metal da matriz residual, que não se tinha infiltrado no material de enchimento de carboneto de silício, estava ligada ao cadinho de alumina, à camada intermédia do compósito com matriz de metal e à barra de aço, na superfície superior do conjunto experimental. A fig. 3 é uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompôsito final formado neste Exxmplo. 0 corte transversal foi feito abaixo da camada residual de metal da matriz e acima do fundo do cadinho de alumina. Este corte transversal mostra a barra de aço inoxidável (60) ligada ao cadinho de alumina (62) pela camada in-temédia (64) de compósito com matriz de metal. - 60 /

Exemplo 2 0 Exemplo seguinte demonstra um processo para a formação de um corpo macrocompósito, que compreende um cor po compósito com matriz de cerâmica ligado a um corpo compósito com matriz de metal de alumínio. Este Exemplo mostra também a utilização da ligação mecânica em combinação com outros mecanismos de ligação.

Colocou-se um corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico, que compreende um material de enchimento de carboneto de silício embebido por uma matriz de alumi-na, em cima de uma camada de pó de alumina de 500 grit (38 Alundum da ÍTorton Company) contida no interior de um recipiente impermeável com cerca de 38,1 mm (1 1/2”) de diâmetro interior e cerca de 57,15 mm (2 1/4") de altura feito de aço inoxidável de calibre 16 AISI tipo 304. 0 recipiente foi feito soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16, com cerca de 38,1 mm (1,5”) de diâmetro interior e cerca de 57,15 mm (2 1/4”) de comprimento, numa placa de aço inoxidável de calibre 16 de 44,45 x 44,45 mm (1 3/4” x 1 3/4”). 0 corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico atrás descrito foi feito pelas técnicas descritas nos seguintes pedidos de patente de invenção norte-americana do mesmo proprietário, sendo as descrições completas das mesmas aqui expressamente incorporadas por referência: patente de invenção US 4 851 375, publicada em 25 de Julho de 1989, em nome de Marc S. lewkirk et al., e intitulada "Methods of Making Composite Ceramic Articles Having Embedded Eiller” e o pedido de patente de invenção US 07/338 471, depositado em - 61 15 de Abril de 1989, que é uma Rule 62 Continuation do 1T2 06/861 025, depositado em 8 de Maio de 1986, e agora aban donado, ambos em nome de Marc S. lewkirk, et al., e intitulados "Shaped Ceramic Composites and Methods of Making tJie Same". 0 espaço anular entre a superfície do corpo compósito com matriz de cerâmica correspondente ao diâmetro exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico e a superfície interior do recipiente impermeável foi preenchido com o referido pó de alumina de 500 grit até o nível do pó ser aproximadamente igual ao nível da superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. 0 pó de 500 grit, nas condições deste Exemplo, actuou como material de barreira, impermeável ao metal da matriz fundido. A superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica tinha quatro ranhuras de 0,89 mm (0,035”) de largura e 0,76 mm (0,030") de profundidade, orientadas segundo o padrão ilustrado na fig. 4. As ranhuras (66) estavam inclinadas de cerca de 8o em relação ao eixo vertical do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. 0 pó de 500 grit não cobria a superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica e não entrava nas ranhuras na superfície do corpo compósito com matriz de cerâmica. As dimensões aproximadas do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico eram de 34,93 mm (1 3/8") de diâmetro e 7,9 mm (5/16") de altura. Colocou-se depois uma camada, com a espessura de cerca de 3,18 mm (0,125"), de um material de enchimento que compreende partículas de carboneto de silício de 90 grit sobre a superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. As partículas de carboneto de silício também preencheram as - 62

ranhuras na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido compreendendo uma liga de alumínio com a composição aproximada, em peso, de 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 5,2-5,3% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ui, sendo o restante de alumínio, no recipiente, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício. 0 metal da matriz fundido estava à temperatura de cerca de 800°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação da vedação. Especificamente, colocou-se um pô de BgO^, da Aesar Company de Seabrook, Uew Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se o conjunto experimental, que compreende o recipiente de aço inoxidável impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi aquecido previamente a uma temperatura de cerca de 800°C. Apôs cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de £3^3 fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Alêm disso, qualquer água que tivesse ficado retida no ®2°3 evaPorou“se de maneira substancialmente completa, formando desse modo uma vedação impermeável aos gases. Mante-ve-se o conjunto experimental no forno durante mais 2 horas, a 800°C. Depois, retirou-se 0 conjunto experimental do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável, que definia o fundo do recipiente impermeável, em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente 0 metal da matriz. Depois de se ter arrefecido 0 conjunto experimental até à temperatura ambiente, - 63 -

desmontou-se o mesmo para se obter um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de metal, que estava ligado a um corpo compósito com matriz de cerâmica. Rectificou-se depois a secção da matriz de metal do macrocom pósito até uma espessura de cerca de 0,38 mm (0,015”)·· Sujeitou-se este corpo macrocompósito final, representado na fig. 5t a uma série de ensaios de choque térmico para determinar se o corpo compósito com matriz de metal (68) se separava do corpo compósito com matriz de cerâmica .(70) devido ao choque térmico. 0 ensaio de choque térmico compreendia um ciclo térmico no qual o corpo macrocompósito foi levado a uma temperatura de 500°C num forno com uma atmosfera de ar e mantido durante 15 minutos a 500°C, antes de ser retirado do forno a uma temperatura igual à temperatura ambiente, durante 15 minutos. Depois de o corpo macrocompósito ter sido sujeito à temperatura ambiente durante 15 minutos, foi de novo colocado no forno a 500°C, e repetiu-se o ciclo. Depois de este ter sido repetido seis vezes, não se observou qualquer falha de ligação ou separação do corpo compósito com matriz de metal do corpo compósito com matriz de cerâmica.

Exemplo 3 0 Exemplo seguinte demonstra um processo para a formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de cerâmica ligado a um corpo de aço inoxidável, mediante a utilização de uma camada intermédia de compósito com matriz de metal de alumínio.

Colocou-se um corpo compósito com matriz de cerâmica, cilíndrico, com as dimensões aproximadas de 25,4mm (1") de diâmetro e 6,35 mm (1/4”)de altura, e constituído por um material de enchimento de carboneto de silício embebido no interior de uma matriz de alumina, na parte superior de uma camada de pó de alumina de 500 grit (38 Alundum da Norton Company) contido no interior de um recipiente impermeável com cerca de 38,1 mm (1 1/2") de diâmetro interior e 57,15 mm (2 1/4”) de altura. 0 corpo compósito de matriz cerâmica foi produzido por técnicas apresentadas nos pedidos de patente de invenção do mesmo proprietário, indicadas no Exemplo 2. A superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica tinha quatro ranhuras de 0,89 mm (0,035") de largura e 0,76 mm (0,030") de profundidade, orientadas segundo o desenho ilustrado na fig. 4. As ranhuras estavam inclinadas de cerca de 8o em relação ao eixo vertical do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. 0 recipiente impermeável foi construído a partir de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, e soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16 com cerca de 38,1 mm (1 1/2") de diâmetro interior e cerca de 57,15 mm (2 1/4") de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 de 44,45 x x 44,45 mm (1 3/4" x 1 3/4"). Colocou-se um pedaço de papel de escrita em torno da superfície do corpo compósito cilíndrico com matriz de cerâmica correspondente ao diâmetro exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. 0 papel estendia-se até cerca de 12,7 mm (1/2".) acima da superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica, criando assim uma área de contenção. Adicionou-se então uma quantidade de um material de enchimento que compreende partículas de carboneto de silício de 90 grit à área de conten- ção, de modo que se encheram as ranhuras na superfície do corpo compósito com matriz de cerâmica com o material de enchimento de carboneto de silício. Adicionou-se depois mais carboneto de silício de 90 grit à área de contenção até exis tir uma camada de cerca de 1,59 mm (1/16”) de espessura de carboneto de silício de 90 grit na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. Colocou-se depois uma placa de aço inoxidável'perfurada no topo da camada de partículas de carboneto de silício. As dimensões aproximadas da placa circular perfurada' eram de 25,4 mm (1”) de diâmetro e 0,76 mm (0,030") de espessura. Cerca de 40% da área total da superfície da placa perfurada era constituída por furos de passagem, cada um dos quais com um diâmetro de cerca de 1,59 mm (1/16”). Depois a placa de aço inoxidável perfurada foi colocada no topo da camada de partículas de carboneto de silício e adicionou-se mais partículas de carboneto de silício de 90 grit à área de contenção. Estas partículas adicionais de carboneto de silício preencheram as perfurações da placa de aço inoxidável e criaram uma camada com a espessura aproximada de 1,59 mm (1/16") de carboneto de silício no topo da superfície superior da placa de aço inoxidável perfurada. Festa altura, adicionou-se uma quantidade adicional de pó de 500 grit ao espaço anular entre a superfície exterior da área de contenção e a superfície interior do recipiente impermeável de aço inoxidável. Adicionou-se o pó de 500 grit até o nível do pó de 500 grit ser aproximada-mente igual ao nível da área de contenção. Vazou-se depois uma quantidade de metal da matriz fundido, com uma composição aproximada, em peso, de 9,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu,

7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ni, sendo o restante de alumínio, no interior do recipiente, o qual estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício, e farinha de 500 grit. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 900°C. Cobriu-se então o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se ’um pô de esar Company de Seabrook, New Hampshire, no metal de matriz de alumínio fundido. Colocou-se depois o conjunto experimental, constituído pelo recipiente de aço inoxidável impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido a uma temperatura de cerca de 900°C. Apôs cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que tivesse sido retida no BgO^ tinha sido evaporada substancialmente, formando assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto experimental num forno durante mais cerca de 1,5 h, a 900°C. Depois, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável, que defina o fundo do recipiente impermeável, em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois do arrefecimento à temperatura ambiente, recuperou-se um corpo macrocompósito do conjunto. Na fig. 6 está representado um corte transversal deste corpo macrocompósito. Como se mostra na fig. 6, o corpo macrocompósito (72) era constituído pelo corpo compósito com matriz de cerâmica (74) ligado à placa de aço inoxidável perfurada (76) por uma camada intermédia (78) de um material compósito com matriz de metal que compreende material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido no interior de uma matriz da liga de alumínio atrás descrito. A camada intermédia do corpo macrocom-pósito em questão também se estendia através dos furos da placa de aço inoxidável e estava assim ligada ao restante do corpo compósito com matriz de metal (80) situada por cima da placa de aço inoxidável perfurada.

Exemplo 4 0 Exemplo seguinte demonstra um processo para a formação de um corpo macro compósito que compreende um corpo compósito com matriz de cerâmica ligado a um corpo compósito com matriz de metal de alumínio que, por sua vez, está ligado a uma certa quantidade de metal da matriz.

Produziu-se um corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico pelas técnicas apresentadas nos pedidos de patente de invenção do mesmo proprietário discutidas no Exemplo 2 e constituído por um material de enchimento de carboneto de silício embebido no interior de uma matriz de alumina, no topo de uma camada de pó de alumina de 500 grit (38 Alundum da Norton Company) contido num recipiente impermeável. 0 recipiente foi construído de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16. 0 recipiente foi feito soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16 e tendo 53,98 mm (2 1/8") de diâmetro interior e cerca de 7,62 mm (3”) de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2") de comprimento. Adicionou- - 68 - r -se mais pô de 500 grit ao espaço anular entre a superfície exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico, definida pelo diâmetro exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico, e a superfície interior do recipiente impermeável, até que o nível do pó fosse aproxima-damente igual à superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. 0 corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico tinha as dimensões aproximadas de 33,69 mm (1/9/16") de diâmetro e 12,5 mm (1/2") de altura. Além disso, o corpo compósito com matriz de cerâmica tinha quatro ranhuras de cerca de 0,89 mm (0,035") de largura por 0,76 mm (0,03") de profundidade na sua superfície superior.

As ranhuras estavam orientadas segundo o desenho ilustrado na fig. 4. As ranhuras estavam inclinadas de cerca de 8o em relação ao eixo vertical do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. Colocou-se depois uma camada, com uma espessura de aproximadamente 6,3 mm (1/4"), de um material de enchimento que compreende partículas de carboneto de silício de 90 grit, em cima da superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica e do pó de 500 grit. 0 material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit também encheu as ranhuras na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. Vazou-se depois uma quantidade de uma matriz de metal fundido com a composição, em peso, aproximada, de 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Pe, 0,20,0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ni, sendo o restante de alumínio, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício e o material - 69 -

em pô. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 850°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se ^2^3 em cia Asear Company de Seabrook, lew Hampshire, sobre a superfície do metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se depois o conjunto experimental num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência a uma temperatura de cerca de -850°C. Apôs cerca de 15 minutos à temperatura, o material de BgO^ tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea.

Além disso, qualquer água que se tivesse retido no foi substancialmente evaporada, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se depois o conjunto experimental no forno durante mais 3 h, a 850°C. Depois disso, re-tirou-se o conjunto experimental do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que defina o fundo do recipiente de aço inoxidável, em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar di-reccionalmente. Depois de arrefecer: até á temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto para permitir a recuperação de um corpo macrocompôsito. la fig. 7 está ilustrado um corte transversal vertical deste corpo macrocompôsito. Como se mostra na fig. 7, o corpo macrocompôsito (82) compreendia o corpo compósito com matriz de cerâmica (84) ligado a um corpo compósito com matriz de metal (86) que, por sua vez, estava ligado a um corpo com matriz de metal (88). 0 corpo compósito com matriz de metal compreendia material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido no interior de uma matriz da liga da matriz de alumínio atrás descrita. A secção de metal da matriz do corpo macrocompôsito foi depois maquinada até se obter o corpo macrocompôsito representado na fig. 8. As linhas de referência na fig. 8 designam os mesmos componentes que na fig, 7.

Como se mostra nas fig. 7 e 8, o corpo compósito com matriz de metal (86) está ligado mecanicamente ao corpo compósito com matriz de cerâmica (84) pelo material compósito com matriz de metal que se infiltrou nas quatro ranhuras. Três das ranhuras (90) infiltradas são visíveis no corte transversal (fig. 7) e-na fotografia do corpo macr£ compósito (fig. 8). Como se mencionou mais atrás neste Exemplo, as ranhuras estão ligeiramente inclinadas em relação ao eixo vertical do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. Quando o material compósito com matriz de metal solidifica no interior das referidas ranhuras, desenvolve-se uma ligação mecânica entre o corpo compósito com matriz de metal e o corpo compósito com matriz de cerâmica. Esta ligação mecânica intensifica a resistência de qualquer outra ligação (por exemplo uma ligação química) que possa estar presente entre o corpo compósito com matriz de cerâmica e o corpo compósito com matriz de metal, proporcionando assim um corpo macrocompôsito mais forte e mais coerente. Além disso, se falharem uma qualquer ou todas as outras ligações entre o corpo compósito com matriz de cerâmica e o corpo compósito com matriz de metal, a ligação mecânica ainda manterá os dois corpos juntos. Isso tende a prevenir avarias catastróficas de todo o corpo macrocompôsito quando sujeito a certos tipos de tensões. - 71

Exemplo 5 0 Exemplo seguinte demonstra um processo para a formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de cerâmica que está ligado a um cor po compósito com matriz de metal de alumínio.

Colocou-se um corpo compósito com matriz de cerâmica que compreende pelo menos um material de enchimento contido numa matriz de alumina, em cima de uma camada de pó de alumina de 500 grit (38 Alundum da Norton Company) contido num recipiente impermeável. 0 recipiente impermeável tinha cerca de 79,38 mm (3 1/8") de diâmetro interior e cerca de 50,8 mm (2”) de altura e foi construído a partir de um tubo de aço inoxidável AISI tipo 304. 0 recipiente foi construído soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16, com cerca de 79,38 mm (3 1/8”) de diâmetro interior e cerca de 50,8 mm (2") de comprimento, a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 com 92,08 x 92,08 mm (3 5/8” x 3 5/8"). 0 corpo compósito com matriz de cerâmica foi formado pelo processo descrito na patente de invenção norte-americana do mesmo proprietário N2 4 818 734, publicada em 4 de Abril de 1989, em nome de Robert C. Kantner, et al., e intitulada "Method for In Situ Tailoring the Matallic Component of Ceramic Articles”. Incorpora-se aqui por referencia toda a descrição contida na patente de invenção US 4 818 734. 0 cor po compósito com matriz de cerâmica era cilíndrico e tinha as dimensões aproximadas de 76,2 mm (3") de diâmetro e 6,35 mm (1/4”) de altura. Além disso, o corpo compósito com matriz de cerâmica tinha quatro ranhuras na sua superfície - 72 / superior, com 0,89 mm (0,035”) de largura por 0,76 mm (0,03”) de profundidade. As ranhuras estavam orientadas segundo o desenho ilustrado na fig. 4. Além disso, colocou-se pô de alumina de 500 grit no espaço anular entre a superfície exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico definida pelo diâmetro exterior do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico e a superfície interior do recipiente impermeável de aço inoxidável. Adicionou-se mais pó de alumina de 500 grit até que o nível do pô no interior do recipiente impermeável fosse aproximadamente igual ao nível da superfície super.ior do corpo compósito com matriz de cerâmica. Colocou-se depois uma camada de cerca de 1,52 mm (0,060”) de espessura de um material de enchimento que compreende carboneto de silício, em verde, de 90 grit, na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica e o pó de 500 grit. 0 carboneto de silício, em verde, de 90 grit também preencheu as ranhuras na superfície superior do corpo compósito com matriz de cerâmica. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido, com uma composição, em peso, de cerca de 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% fle, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,050% Ni, sendo o restante de alumínio, no recipiente, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 850°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de da Aesar Company de Seabrook, New Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se depois o conjunto - 73 / experimental constituído pelo recipiente impermeável de aço inoxidável e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, o qual foi prê-aquecido até uma temperatura de cerca de 850°C. Apôs cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de ma neira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que se tivesse retido no B2°3 ^porou-se de maneira·substancialmente completa formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto experimental no forno durante mais cerca de 2,5 horas, a 850°. Depois, retirou-se o conjunto experimental do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável, que definia o fundo do recipiente impermeável, em contacto directo com uma placa de refrigeração arrefecida por água para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois de arrefecido atê à temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto experimental para recuperar um corpo macrocompósito cilíndrico. A fig. 9 é um corte transversal vertical do corpo macrocom-pósito formado. Como se mostra na fig. 9, o corpo macrocom-pôsito (92) compreendia o corpo compósito com matriz de cerâmica (94) ligado a um corpo compósito com matriz de metal (96) que, por sua vez, estava ligado a uma camada de metal da matriz residual (98) que não tinha infiltrado o material de enchimento. 0 corpo compósito com matriz de metal compreendia o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido numa matriz da liga de alumínio atrás descrita. Sujeitou-se depois o corpo macrocompósito a um processo de acabamento, no qual se retirou, por rectificação, a camada de metal da matriz residual. Depois de terminado ... - 74 este processo de acabamento, abriu-se uma ranhura no corpo compósito com matriz de metal aproximadamente na interface entre o corpo com matriz de cerâmica e o corpo compósito com matriz de metal. A ranhura estendeu-se ao longo de toda a periferia do corpo macrocompôsito cilíndrico. 0 corpo macro-compósito final está representado na fig. 10, onde a ranhura tem a referencia (102). Muitas das referencias usadas na fig. 9 são também usadas na 'fig. 10 para designar componentes e/ou estruturas semelhantes. A fig. 9 ilustra' também a ligação mecânica proporcionada pelas ranhuras (100) cheias com o compósito com matriz de metal, como se descreveu em pormenor no Exemplo 4.

Exemplo 6

Este Exemplo mostra um processo para a formação de um corpo macrocompôsito que compreende uma série de corpos compósitos com matriz de cerâmica ligados uns aos outros por uma camada intermédia de um material compósito com matriz de metal de alumínio e uma camada fina de metal da matriz. A fig. 11 mostra um corte transversal vertical de um conjunto (104) usado para produzir o corpo macro-compósito do presente Exemplo. 0 conjunto (104) foi formado aplicando uma camada fina de Elmer*s Wood Glue (produzida pela Borden Company) a superfície (106) de cinco corpo compósitos com matriz de cerâmica (108) e pondo depois em contacto as superfícies revestidas (106) dos corpos compósitos com matriz de cerâmica (108) umas com as outras. Os corpos - 75 - f compósitos com matriz de cerâmica foram formados pelas técnicas apresentadas na patente de invenção norte-americana do mesmo proprietário descritas no Exemplo 5, sendo cada corpo compósito com matriz de cerâmica constituído por pelo menos um material de enchimento embebido no interior de uma matriz de alumina. Além disso, os corpos compósitos com matriz de cerâmica tinham a forma rectangular e possuiam ranhuras (110) nas suas faces. Algumás destas ranhuras eram inclinadas de cerca de 8o, quer relativamente à linha (A-A), quer relativamente à linha (B-B), representadas na fig. 11, do conjunto (104). Depois de a cola solidificar, colocou-se a peça inserta do conjunto com 101,6 mm (4") de comprimento por 44,45 mm (1 3/4”) de largura em cima de uma camada de material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit contido num recipiente impermeável, com cerca de 127 mm (5n) de diâmetro e uma altura de cerca de 63,5 mm (2 1/2"). 0 recipiente impermeável foi construído soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16, AISI, tipo 304 com cerca de 127 mm (5") de diâmetro e cerca de 63,5 mm (2 1/2") de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 de 152,4 x 152,4 mm (6” x 6”). Adicionou-se depois mais material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit ao recipiente impermeável até todo o conjunto ficar enterrado sob uma camada de material de enchimento de carboneto de silício. 0 nível final do material de enchimento de carboneto de silício era de aproximadamente 3,175 mm (1/8”) acima das superfícies (112) do conjunto. As ranhuras (110) também foram preenchidas com material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit, Yazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido, com a composição seguinte, em peso, aproximada; 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ni, sendo o restante de alumínio, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 850°C. Cobriu--se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificaménte, colocou-se um pó de da Aesar Company de Seabrobk, New Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se o conjunto experimental, que compreende o recipiente impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, o qual foi aquecido previamente a uma temperatura de cerca de 850°C. Apôs cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de manei ra substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água retida no tinha-se evaporado substancialmente, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto experimental no forno durante mais 3,5 horas a cerca de 850°C. Retirou-se depois o conjunto experimental do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável, que definia o fundo do recipiente impemeável, em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz.

Depois de o conjunto experimental ter arrefecido até à temperatura ambiente, desmontou-se o mesmo para recuperar um corpo macrocompósito. 0 corpo macrocompósito - 77

compreendia o conjunto de corpos compósitos com matriz de cerâmica, que estava completamente embebeido no interior de um corpo compósito com matriz de metal que compreendia o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido num metal da matriz de alumínio atrás descrito. Por ma-quinagem, separou-se o material compósito com matriz de metal das superfícies exteriores do conjunto de corpos compósitos com matriz de cerâmica para-formar o corpo macrocompôsito ilustrado na fig. 12. Este corpo macrocompôsito (114) era constituído pelos cinco corpos compósitos com matriz de cerâmica (108) que constituíam o conjunto, ligados entre si por uma camada intercalar (116) de material compósito com matriz de metal que se estendia entre pelo menos uma parte de cada um dos corpos compósitos com matriz de cerâmica individuais (108). Alêm disso, os corpos compósitos com matriz de cerâmica (108) estavam ligados entre si por camadas intercalares (118) de metal da matriz que se infiltravam nas partes do conjunto que tinham antes sido ocupadas pela Elmer*s Wood Glue. Assim, o corpo macrocompôsito final (114) compreendia um conjunto de corpos compósitos com matriz de cerâmica, que estavam ligados a uma camada intercalar de compósitos com matriz de metal (116) e, além disso, quer a camada intercalar de compósito com matriz de metal (116), quer os corpos compósitos com matriz de cerâmica (108) estavam ligados a finas camadas intercalares (118) de metal da matriz que exis-. te entre os corpos compósitos com matriz de cerâmica individuais (108). A fig. 12 também ilustra a ligação mecânica proporcionada pelas ranhuras (120) cheias com compósito com compósito com matriz de metal, discutida em poimenor no Exemplo 4. Deve notar-se que o corpo macrocompôsito do presente Exemplo tem ranhuras horizontais cheias de compósito com matriz de metal nos corpos compósitos com matriz de cerâmica situadas em cada uma das extremidades do corpo macrocompôsito. Estas ranhuras horizontais cheias com compósito com matriz de metal, quando combinadas com ranhuras verticais cheias com compósito com matriz de metal nos outros corpos compósitos com matriz de cerâmica, proporcionam ao corpo macrocompôsito um sistema' de bloqueio mecânico bidi-mensional.

Exemplo 7

Este Exemplo demonstra um processo para a formação de um corpo macrocompôsito que compreende um corpo compósito com matriz de metal que está ligado quer a um corpo compósito com matriz de cerâmica, quer a um conjunto que compreende uma placa de aço inoxidável perfurada que está soldada a uma barra de aço inoxidável roscada.

Colocou-se um corpo compósito com matriz de cerâmica formado pelas técnicas apresentadas nos pedidos de patente de invenção do mesmo proprietário descritas no Exemplo 2 e que compreende um material de enchimento embebeido por uma matriz de alumina, no interior de um recipiente impermeável. 0 recipiente impermeável foi construído a partir de aço inoxidável AISI Tipo 304 de calibre 16. 0 recipiente foi feito soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16, com 53,97 mm (2 1/8") de diâmetro interior e cerca de 76,?mm (3”) de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre - 79

16 de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2”). 0 diâmetro do compósito com matriz de cerâmica cilíndrica era aproximadamente igual ao diâmetro interior do recipiente impermeável. Além disso, o corpo compósito com matriz de cerâmica tinha quatro ranhuras com 0,89 mm (0,035") de largura por 0,76 mm (0,030") de profundidade na sua superfície superior. As ranhuras estavam orientadas segundo o desenho representado na fig. 4. Além disso, as ranhuras estavam inclinadas de cerca de 8o em relação ao eixo vertical do corpo compósito com matriz de cerâmica cilíndrico. Colocou-se uma certa quantidade de um material de enchimento que compreende partículas de carboneto de silício sobre a superfície do corpo compósito com matriz de cerâmica, de modo que se preencham as ranhuras e estende-se numa camada muito fina sobre a superfície do corpo compósito com matriz de cerâmica. Colocou-se depois um conjunto constituído por uma placa de aço inoxidável perfurada, soldada numa extremidade de uma barra de aço inoxidável roscada, sobre o material de enchimento de carboneto de silício, de modo que uma face da placa de aço inoxidável perfurada ficasse em contacto com a camada de material de enchimento de carboneto de silício, e a outra face, que estava soldada â barra de aço inoxidável, ficasse voltada para o lado oposto ao corpo compósito com matriz de cerâmica. A placa de aço inoxidável perfurada tinha uma geometria circular, com as dimensões de aproximadamente 44,45 mm (1 3/4") de diâmetro e 0,76 mm (0,030") de espessura. Além disso, aproximadamente 40% da área total da superfície da placa perfurada compreendiam furos de passagem, cada um com um diâmetro aproximado de 1,59 mm (1/16"). Adicionou-se depois mais - 80

material de enchimento de 90 grit de carboneto de silício ao recipiente impermeável até a superfície superior da placa de aço inoxidável perfurada estar coberta com uma camada de cer ca de 3,17 mm (1/8") de material de enchimento de carboneto de silício. 0 material de enchimento de carboneto de silício estendia-se através das perfurações no interior da placa de aço inoxidável para contactar com o material de enchimento de carboneto de silício por'baixo da placa de aço inoxidável perfurada. 0 material de carboneto de silício também envolveu e contactou com a base da barra-de aço inoxidável. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido com uma composição aproximada, em peso, de 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ui, sendo o restante de alumínio, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício e envolver uma parte da barra de aço inoxidável. 0 metal da matriz fundido estava à temperatura de cerca de 800°C. 0 metal da matriz fundido foi coberto com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de B20^ da Aesar Company de Seabrook, New Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se o conjunto experimental, constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi prê-aquecido até uma temperatura de cerca de 800°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira subs- tancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que estivesse retida no BgO^ tinha-se - 81 evaporado de maneira substancialmente completa, formando assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjun to experimental no forno durante aproximadamente mais 2 horas a 800°C. Depois disso, retirou-se o conjunto experimental do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável, que definia a superfície inferior do recipiente impermeável, em contacto directo com uma chapa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois de arrefecer até à temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto experimental para recuperar um corpo macrocompôsito. Como se mostra na fig. 13, que ê um corte transversal vertical do corpo macrocompôsito, o corpo macrocompôsito (122) compreendia o corpo compósito com matriz de cerâmica (124) ligado ao conjunto constituído pela placa per furada de aço inoxidável (126) e a barra roscada (128), por uma camada intermédia (130) de um material compósito com matriz de metal. Além disso, a camada intermédia (130) de com-pôsiro com matriz de metal estava também ligada a algum metal da matriz residual não infiltrado (132) que, por sua vez, estava ligado à barra de aço inoxidável roscada (128). 0 material compósito com matriz de metal compreendia o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido no interior do metal da matriz de alumínio atrás descrito. 0 ma terial compósito com matriz de metal envolvia completamente a placa de metal inoxidável perfurada e também se estendia através das perfurações, para ligar o material compósito com matriz de metal por baixo da placa de aço inoxidável ao material compósito com matriz de metal por cima da placa de aço inoxidável. - 82

A fig. 14 ê uma fotografia do corpo macrocom-pósito pronto, que foi produzido retirando a maior parte do metal da matriz residual por rectificação. A fig. 14 utiliza muitos dos números de referência da fig. 13 para designar componentes análogos ou estruturas análogas. Como se mostra na fig. 14, deixou-se ficar um colar (134) de metal da matriz residual em tomo da base da barra de aço inoxidável roscada (128). A placa de aço inoxidável perfurada não é visível na fig. 14 porque está completamente embebida no interior da camada intermédia da matriz de metal (130). A fig. 14 também ilustra a ligação mecânica proporcionada pelas ranhuras (136) cheias com compósito com matriz de metal, discutidas em pormenor no Exemplo 4.

Exemplo 8

Este Exemplo mostra um processo de produção de um corpo macrocompósito que compreende dois tubos de aço inoxidável dispostos concentricamente e ligados entre si por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal de alumínio situada entre a superfície exterior do tubo de aço inoxidável interior e a superfície interior do tubo de aço inoxidável exterior.

Crinu-se um primeiro conjunto soldando um tubo de aço inoxidável AI SI, tipo 304 de calibre 16, com um diâmetro interior de cerca de 40,38 mm (1 9/16'·) e um comprimento de cerca de 120,65 mm (4 3/4"), numa placa de aço inoxidável de calibre 16, com as dimensões de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2"). Colocou-se um segundo tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16 com cerca de 53,97 mm - 83 (2 1/8") de diâmetro interior e cerca de 158,75 mm (6 1/4”) de comprimento em torno do primeiro tubo de aço inoxidável de modo a ficar concêntrico com o primeiro tubo de aço inoxidável. Por sua vez, soldou-se o segundo tubo de aço inoxidável à placa de aço inoxidável de calibre 16, de 63,5 x x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2"), para criar um recipiente impermeável. Encheu-se depois o tubo interior com pô de alumina de 500 grit (38 Alundum da Uorton Company) até o nível do pò de 500 grit ser aproximadamente igual ao da borda superior do tubo interior. Vedou-se' depois a extremidade superior do tubo interior, formando uma camada de uma mistura de aluminato de cálcio, produzida misturando cimento Secar 71 com água, através da superfície superior do tubo interior. Encheu-se então o volume anular entre a superfície exterior do tubo interior e a superfície interior do tubo exterior com carboneto de silício em partículas de 14 grit. Depois de o volume referido ter sido cheio com carboneto de silício de 14 grit, colocou-se uma camada de carboneto de silício em partículas de 50 grit em cima da camada de 14 grit e vi-brou-se ultrassonicamente a camada de partículas de carboneto de silício de 14 grit. Assim, depois da fase de vibração ultrassónica, o volume anular entre a superfície exterior do tubo interior e a superfície interior do tubo exterior estava cheio com uma mistura de partículas de carboneto de silício de 14 e de 50 grit até um nível aproximadamente igual ao da extremidade superior vedada do tubo de aço inoxidável interior. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido, constituído por uma liga de alumínio existente no mercado, designada por 6061, no volume definido pe- - 84

la superfície interior do tubo de aço inoxidável exterior, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício e a extremidade superior vedada do tubo de aço inoxidável interior. 0 metal da matriz fundido estava à temperatura de cerca de 900°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de da Aesar Company de Seabrook, Hew Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se o conjunto constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo:num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, o qual foi prê-aquecido a uma temperatura de cerca de 900°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que se tivesse retido no material de BgO^ tinha-se evaporado de maneira substancialmente completa, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto experimental no forno durante mais cerca de 2 horas, a 900°C. Depois disso, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia a superfície inferior do conjunto em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmen-te o metal da matriz. Depois de o conjunto ter arrefecido até à temperatura ambiente, cortou-se a placa de aço inoxidável para a separar dos tubos de aço inoxidável e do compósito com matriz de metal. Além disso, cortou-se a extremidade superior do tubo de aço inoxidável exterior, a um nível ligeiramente abaixo da extremidade superior vedada do tubo - 85 de aço inoxidável interior. 0 corpo macrocompósito cilíndrico final era constituído por dois tubos de aço inoxidável ligados entre si por uma camada intercalar de compósito com matriz de metal. 0 corpo compósito com matriz de metal era constituído por uma mistura de material de enchimento de carboneto de silício de 14 e 50 grit embebido por uma matriz da liga de alumínio atrás descrita. ETa fig. 15 está ilustrado um corte transversal do corp’o macrocompósito cilíndrico formado no presente Exemplo, tendo o tubo de aço inoxidável exterior a referencia (138), o tubo de aço inoxidável interior a referencia (140) e a camada intermédia de compósito com matriz de metal a referencia (142).

Exemplo 9

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de metal de alumínio ligado a um corpo de metal.

Colocou-se uma camada de cerca de 6,35 mm (1/4") de espessura de partículas de carboneto de silício, em verde, de 180 grit, no fundo de um recipiente impemneável. 0 recipiente foi feito moldando um tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, com cerca de 53,97 mm (2 1/8") de diâmetro interior e cerca de 76,2 mm (3U) de comprimento a uma placa de aço inoxidável de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2” x x 2 l/2n). Colocou-se um lingote cilíndrico de liga de alumínio 606l, com as dimensões aproximadas de 19,05 mm (3/4") de diâmetro e cerca de 25,4 mm (1") de altura em cima da camada de partículas de carboneto de silício, de modo que uma - 86 - extremidade circular do cilindro ficasse assente nas partículas e a dimensão da altura de 25,4 mm (1") fosse perpendicular à camada de partículas de carboneto de silício. Adicio nou-se então uma camada adicional de 12,7 mm (1/2M) de parti cuias de carboneto de silício ao recipiente impermeável de modo que as partículas de carboneto de silício envolvessem o lingote de alumínio cilíndrico até cerca de metade da sua altura. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido constituído por uma liga de alumínio com uma composição aproximada, em peso, de 2,5-3,5% Zn, 3,0-4,0% Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ni, sendo o restante de alumínio, no recipiente impeimeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de carboneto de silício e a parte superior de 1/2 de lingote de liga de alumínio 6061. 0 metal de matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 800°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou--se um pó de ^esar Oompany de Seabrook, New Hampshire sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se então o conjunto formado pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido a rima temperatura de cerca de 800°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que se tivesse retido no tinha-se evaporado de ma neira substancialmente completa, formando-se assim uma vedação impermeável. Manteve-se o conjunto no forno durante mais - 87 - cerca de 3,5 horas, a 800°C. Depois disso, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia o fundo do recipiente impermeável em contacto direc-to com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois de o conjunto ter atingido a temperatura ambiente, desmontou-se o mesmo para recuperar um corpo macrocompósito. A fig. 16 é um corte vertical do corpo macrocompósito recuperado do conjunto. Como se mostra na fig. 16, o corpo ma-crocompôsito (144) ê constituído por um corpo de metal de alumínio (146) ligado a um corpo compósito com matriz de metal (148). 0 corpo compósito com matriz de metal compreendia o material de enchimento de carboneto de silício de 180 grit embebido no interior de uma matriz do metal da matriz atrás descrito. A fig. 17 ê uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompósito formado neste exem pio. 0 corte transversal representado na fig. 17 foi feito num nível ligeiramente abaixo da superfície superior do corpo compósito da matriz de metal. Como se mostra na fig. 17, o corpo compósito com matriz de metal (148) está ligado a um corpo de metal de alumínio (146).

Exemplo 10

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito constituído por um corpo compósito com matriz de metal de alumínio ligado a um corpo metálico.

Construiu-se um recipiente impermeável com 88

cerca de 40,38 mm (1 9/16”) de diâmetro interior e uma altura de cerca de 120,65 mm (4 3/4") de altura, de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16. 0 recipiente foi feito soldando um tubo de aço inoxidável de calibre 16 com cerca de 40,38 mm (1 9/16") de diâmetro interior e cerca de 120,65 mm (4 3/4") de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 com 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2"). Colocou-se uma barra de uma liga de alumínio existente no mercado 6061, com as dimensões aproximadas de 25,4 mm (1") de diâmetro e 76,2 mm (3") de comprimento, no'interior do recipiente impermeável de modo que a extremidade da barra ficasse no fundo do recipiente impermeável. A extremidade da barra que estava em contacto com o fundo do recipiente impermeável tinha um bordo circular que aumentava o diâmetro da barra de modo a ter aproximadamente 0 mesmo diâmetro (40,38 mm - 1 9/16") que o diâmetro interior da parte cilíndrica do recipiente impermeável. 0 bordo circular tinha uma altura de cerca de 6,35 mm (1/4"). Encheu-se então 0 espaço anular entre a superfície exterior da barra acima do bordo circular e a superfície interior do recipiente impermeável com um material de enchimento constituído por partículas de carboneto de silício de 24 grit. 0 nível das partículas de carboneto de silício era aproximadamente igual ao da extremidade superior da barra de alumínio. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido constituído por uma liga de alumínio com uma composição, em peso, de aproximadamente 2,5-3,5% Zn, 3,Q$4,0 Cu, 7,5-9,5% Si, 0,8-1,5% Fe, 0,20-0,30% Mg, 0,50% Mn, 0,35% Sn e 0,50% Ei, sendo 0 restante de alumínio, no recipiente impermeável, que estava à temperatura - 89 ambiente, para cobrir a superfície superior da barra de alumínio. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 900°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamen te, colocou-se um pô de da Aesar Company de Seabrook,

Hew Hampshire, sobre o metal da matriz de alumínio fundido. Colocou-se depois o conjunto experimental constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré--aquecido até uma temperatura de cerca de 900°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que se tenha retido no tinha-se evaporado de maneira substancialmente com pleta, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. 0 conjunto experimental foi mantido no forno durante mais cerca de 2 horas, a 900°C. Retirou-se depois o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que formava o fundo do recipiente impermeável em contacto directo com uma placa de arrefecimento de cobre arrefecida por água para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois de atin gir a temperatura ambiente, separou-se por corte a extremidade inferior do conjunto, num ponto ligeiramente acima do rebordo na barra de alumínio. Além disso, cortou-se a parte superior do conjunto num nível ligeiramente abaixo da extremidade superior da barra de alumínio. Retirou-se então o cilindro de aço inoxidável para revelar um corpo macrocompósi-to que compreende uma barra de liga de alumínio ligada a uma concha de compósito com matriz de metal cilíndrica, que com- preende partículas de carboneto de silício de 24 grit embebido no interior de uma matriz do metal da matriz atrás descrito. A fig. 18 mostra um corte transversal horizontal do corpo macrocompósito formado no presente Exemplo. Como se mostra na fig. 18, o corpo macrocompósito formado (150) compreende a barra de alumínio (152) ligada a uma concha de compósito com matriz de metal cilíndrica (154).

Exemplo 11

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito que compreende dois tubos de aço inoxidável concêntricos ligados entre si por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal de bronze.

Soldou-se um primeiro tubo de aço inoxidável de calibre 16, com cerca de 40,38 mm (1 9/16") de diâmetro interior e cerca de 120,65 mm (4 3/4") de comprimento, numa placa de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2"), para formar um primeiro conjunto. Colocou-se um segundo tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, de maiores dimensões, em torno do primeiro tubo de aço inoxidável, de modo a ser concêntrico com o primeiro tubo de aço inoxidável. Soldou-se o segundo tubo de aço inoxidável, que tinha cerca de 53,97 mm (2 1/8") de diâmetro e cerca de 165,1 mm (6 1/2") de comprimento, à mesma placa de aço inoxidável de calibre (16) de 63,5 x x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2") que o primeiro tubo de aço inoxidável, para formar um recipiente impermeável. Soldou-se uma placa circular de aço inoxidável AISI tipo 304 de cali- - 91 - bre 16 com o mesmo diâmetro que o tubo de aço inoxidável interior, à parte superior do tubo de aço inoxidável interior, de modo a vedar a parte superior do tubo. Encheu-se depois o espaço anular entre a superfície exterior do tubo de aço inoxidável interior e a superfície interior do tubo de aço inoxidável exterior com um material de enchimento que compreende o produto de alumina de 90 grit conhecido por 38 Alundum, da Horton Company. 0 nível do material de enchimento de alumina era aproximadamente igual ao nível da parte superior do tubo de aço inoxidável interior vedado. Vazou-se uma quantidade de metal da matriz fundido que compreende uma liga de bronze tendo uma composição aproximada, em peso, de 90% de cobre, 5% de silício, 2% de ferro e 3% de zinco, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento e a superfície vedada do tubo de aço inoxidável interior. 0 metal da matriz fundido encontra-se a uma temperatura de cerca de 1 100°0. 0 metal da matriz fundido foi então coberto com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de BgO^ da Aesar Company de Seabrook, Hew Hampshire, sobre o metal da matriz de bronze fundido. Colocou-se depois o conjunto, constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo, num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido até uma temperatura de cerca de 1 100°C. Após cerca de 15 minutos a esta temperatura, o material de B203 tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que estivesse retida no Β20^ evaporou-se de maneira subs - 92 - /"

V tancialmente completa, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto no forno durante mais cerca de 4 horas, a 1 100°C. Depois, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável em contacto directo com uma placa de arrefecimento de cobre arrefecida por água para solidificar direccionalmente o metal da matriz. Depois de o conjunto ter arrefecido até à temperatura ambiente, separou-se por- corte a placa de aço inoxidável dós tubos de aço inoxidável e do compósito com matriz de metal. Além disso, separou-se por corte a extremidade superior do segundo conjunto, a um nível ligeiramente abaixo da parte superior do tubo de aço inoxidável interior vedado. 0 corpo macrocompôsito resultante compreendia dois tubos de aço inoxidável concêntricos ligados entre si por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal. A fig. 19 é uma fotografia de um corpo macrocompôsito em corte transversal horizontal, formado no presente Exemplo. Como se mostra na fig. 19, o corpo macrocompôsito (156) compreendia dois tubos de aço inoxidável concêntricos, um tubo exterior (158) e um tubo interior (160), ligados entre si por uma camada intermédia (162) de compósito com matriz de metal de bronze.

Exemplo 12

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompôsito que compreende um tubo de aço inoxidável oco ligado a um corpo compósito com matriz de metal de bronze.

Construiu-se um recipiente impermeável sol- - 93 ί

V dando um primeiro tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16 com cerca de 40,38 mm (1 9/16") de diâmetro interior e 120,65 mm (4 3/4") de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16, com as dimensões de 63,5 x x 63,5 mm (2 1/2” x 2 1/2”) para fornar um primeiro conjunto. Colocou-se um segundo tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16 em torno do primeiro tubo de aço inoxidável de modo a ficar concêntrico·'com o primeiro tubo de aço inoxidável. Soldou-se o segundo tubo de aço inoxidável, que tinha cerca de 53,97 mm (2 1/8") de diâmetro interior e cerca de 165,1 mm (6 1/2”) de comprimento à mesma placa de aço inoxidável que o primeiro tubo de aço inoxidável para formar um recipiente impermeável. Colocou-se depois uma placa circular de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16 à parte superior do (primeiro) tubo de aço inoxidável interior. Esta placa circular de aço inoxidável tinha um diâmetro ligeira-mente maior do que o diâmetro do tubo de aço inoxidável interior e, uma vez soldado no seu lugar, vedava a extremidade superior do tubo de aço inoxidável interior. Depois de o tubo de aço inoxidável interior ter sido vedado, abriu-se um furo de sangria através do fundo da placa de aço inoxidável de calibre 16 de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2") para o interior do volume definido pelas paredes interiores do tubo de aço inoxidável interior. Este tubo de sangria evitou que se verificasse qualquer aumento da pressão, que poderia verificar-se quando se aqueceu o conjunto desde a temperatura ambiente até à temperatura de processamento. Este furo de sangria não afectou a impermeabilidade do conjunto, porque a extremidade superior do tubo interior estava vedada. Encheu -se depois o espaço anular entre a superfície exterior do tubo de aço inoxidável interior e a superfície interior do (segundo) tubo de aço inoxidável exterior com um material de enchimento que compreende um produto de alumina de 14 grit, conhecido por 38 Alundum da Norton Company. 0 nível do material de enchimento de alumina era aproximadamente igual ao da extremidade superior do referido tubo de aço inoxidável interior vedado. Tazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido compreendendo uma liga de bronze com uma composição aproximada, em peso, de 90% de cobre, 2% de ferro, 5% de silício e 3% de zinco, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de alumina e a extremidade superior do tubo de aço inoxidável interior vedado. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de BgO^ da Aesar Company de Seabrook, New Hampshire, sobre o metal da matriz de bronze fundido. Colocou-se depois o conjunto constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido a uma temperatura de cerca de 1 100°C, Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que estivesse retida no BgO-j tinha-se evaporado de maneira substancialmente completa. Manteve-se o conjunto no forno durante mais cerca de 2 horas, a 1 100°C. Depois, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia o fundo do - 95 - <<

Si \ conjunto em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccional-mente o metal da matriz. Depois de o conjunto ter arrefecido até à temperatura ambiente, cortou-se a placa de aço inoxidá vel, separando-a dos tubos de aço inoxidável e da camada intermédia de compósito de matriz de metal. Além disso, cor-tou-se a extremidade superior do conjunto num nível ligeira-mente abaixo da extremidade.superior do tubo de aço inoxidável interior. 0 corpo macrocompósito recuperado do conjunto compreendia dois tubos de aço inoxidável concêntricos ligados entre si por uma camada intermédia de compósito de matriz de metal. A camada intermédia de compósito com matriz de metal compreendia o material de enchimento de alumina de 14 grit embebido no interior de uma matriz da liga da matriz de bronze atrás descrita. Depois de retiradas as duas extremidades do conjunto, retirou-se também o tubo de aço inoxidável exterior para fornar um corpo macrocompósito final constituído por um tubo de aço inoxidável ligado a uma concha de compósito com matriz de metal. A fig. 20 ê uma fotografia de um corte transversal horizontal do corpo macrocompósito formado neste Exemplo. Como se mostra na fig. 20, o corpo macrocompósito (1Ó4) compreendia 0 tubo de aço inoxidável interior (166) ligado à concha de compósito com matriz de metal (168).

Exemplo 13

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito que compreende uma barra de aço inoxidável ligado a um tubo de aço inoxidável por uma - 96 camada intermédia de compósito com matriz de metal de bronze. A barra de aço inoxidável e o tubo de aço inoxidável eram concêntricos.

Criou-se um primeiro conjunto soldando uma barra de aço inoxidável com um diâmetro de aproximadamente 25,4 mm (1”) e uma altura de cerca de 114,3 mm (4 1/2"), numa placa de aço inoxidável de calibre 16 com 63,5 x 63,5mm (2 1/2” x 2 1/2") aproximadamente. Colocou-se um tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, com um diâmetro interior de cerca de 34,9 mm (1' 3/8") e um comprimento de cerca de 152,4 mm (6"), em tomo da barra de aço inoxidável, de modo a ficar concêntrico com a barra de aço inoxidável. Soldou-se depois o tubo de aço inoxidável à placa de aço ino xidável de 63,5 x 63,5 mm (2 1/2" x 2 1/2") para formar um recipiente impermeável. Encheu-se então o espaço anular entre a superfície exterior da barra de aço inoxidável e a superfície interior do tubo de aço inoxidável com um material de enchimento que compreende um produto de alumina de 90 grit conhecido por 38 Alundum da Eorton Company. 0 nível do material de enchimento de 90 grit era aproximadamente igual ao da extremidade superior da barra de aço inoxidável. Yazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido que compreende uma liga de bronze com uma composição aproximada, em peso, de 90% de cobre, 5% de silício, 2% de ferro e 3% de zinco, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir o material de enchimento de alumina e a extremidade superior da barra de aço inoxidável. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com rim - 97 - material de formação de uma vedação. Especificamente, colo-cou-se um pô de da Aesar Company de Seabrook, lew Hamp- shire, sobre o metal da matriz de bronze. Golocou-se então o conjunto constituído pelo recipiente impermeável e o seu con teúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi aquecido previamente a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Apôs cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substan cialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água retida no material de ^ίη^·3"8β evaporado de maneira substancialmente completa, formando-se assim uma vedação impemneável aos gases. Manteve-se o conjunto no forno a cerca de 1 100°C, durante mais cerca de 4 horas. Depois, retirou-se 0 conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia 0 fundo do conjunto em contacto di-recto com uma placa de arrefecimento, de cobre, arrefecida por água, para solidificar direccionalmente 0 metal da matriz. Depois de 0 conjunto ter arrefecido até à temperatura ambiente, cortou-se 0 fundo do conjunto a um nível ligeiramente acima do nível da placa de aço inoxidável inferior. Além disso, cortou-se a extremidade superior do conjunto a um nível ligeiramente abaixo do nível da extremidade superior da barra de aço inoxidável. 0 corpo macrocompôsito cilíndrico final recuperado do conjunto compreendia uma barra de aço inoxidável ligada a um tubo de aço inoxidável por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal. 0 compósito com matriz de metal compreendia 0 material de enchimento de alumina de 90 grit embebido por uma matriz de bronze atrás descrita. A fig. 21 é um corte transversal horizontal do corpo macrocompósito formado neste exemplo. Como se mostra na fig. 21, o corpo macrocompósito (170) compreendia uma barra de aço inoxidável (172) ligada a um tubo de aço inoxidável (174) por uma camada intermédia de compósito com matriz de metal de bronze (176).

Sujeitou-se um corte transversal de cerca de 7,9 mm (5/16") de espessura.do corpo macrocompósito cilíndri co formado neste Exemplo e ilustrado na fig. 21, a um ensaio de corte para determinar a resistência da ligação do material compósito com matriz de metal à barra de aço inoxidável. 0 disco cortado foi colocado num anel de aço de modo tal que a matriz de metal de bronze preenchida com alumina ficou em contacto com o anel de aço. Encostou-se depois um macaco ao centro de aço inoxidável e aplicou-se uma pressão ao macaco de modo a empurrar o centro de aço inoxidável numa direcção perpendicular ao diâmetro do disco. 0 ensaio foi realizado numa máquina de ensaio de compressão Formey/Universal modelo PT-0060-D, fabricada pela Eomey, Inc., Wampum, PA. Uma carga máxima de cerca de 3 724 Kg (8 210 libras) numa área o de corte de cerca de 25,12 cm (0,989 polegadas quadradas) p deu uma resistência medida ao corte de cerca de 583,55 Kg/cm (8 300 psi).

Exemplo 14

Este Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de metal de bronze ligado a um corpo metá- - 99 Λ»

Colocou-se uma folha de material de fita de grafite, existente no mercado com a designação GRAPOIL , produzido pela Union Carbide, no fundo de um recipiente impermeável de modo a cobrir todo o fundo do recipiente impermeável. 0 recipiente impermeável foi feito soldando placas de aço inoxidável de calibre 16 entre si para formar um re- ~ .2 cipiente quadrado com as dimensões interiores de 10,16 cm (4 polegadas quadradas) por‘3,81 cm de altura (1 1/2”). Co-locou-se uma camada com cerca de 3,175 mm (1/8”) de espessura de um material de enchimento' que compreende um produto de alumina de 90 grit conhecido por 38 Alundum, da Norton Com-

R pany, na parte superior da folha de GRAPOIL . Colocou-se uma placa quadrada de aço moldada a frio, com as dimensões aproximadas de 88,9 mm (3 1/2”) por 0,375 mm (3/8”) de espesi sura em cima da camada de material de enchimento de alumina. Colocou-se depois mais material de enchimento de alumina de . 90 grit dentro do recipiente impermeável, até o nível do material de enchimento de alumina ser aproximadamente igual ao da superfície superior da peça de aço modelada a frio. Colo-

R cou-se depois uma segunda folha de GRAPOIL em cima da peça

R de aço modelada a frio. A folha de GRAPOIL estendia-se sobre os bordos da peça de aço modelada a frio e cobria parcialmente a camada de material de enchimento de alumínio. Havia um intervalo de cerca de 6,35 ffim (1/4") entre os bor-dos da folha de GRAPOIL e a superfície interior do recipiente impermeável. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido que compreende uma liga de bronze com uma composição aproximada, em peso, de 90% de cobre, 5% de silício, 2% de ferro e 3% de zinco, no recipiente impermeável,

que estava à temperatura ambiente, para cobrir a folha de R GRAFOIL e o material de enchimento de alumina exposto. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Cobriu-se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pô de da Aesar Company, de Seabrook, Hew

Hampshire, sobre o metal da matriz de bronze. Colooou-se o conjunto constituído pelo recipiente e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência que foi pré-aquecido até uma temperatura de cerca de 1 100°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o material de tinha fundido de maneira substancialmente completa, para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que estivesse retida no evaporado de maneira substancialmente completa, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se 0 conjunto no forno durante cerca de mais 3 horas, a 1 100°C. Depois disso, retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia o fundo do recipiente impermeável em contacto com uma placa de refrigeração de cobre arrefecida:..por água para solidificar direccionalmente 0 metal da matriz. Depois de 0 conjunto ter arrefecido até à temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto para recuperar o corpo macrocompó-sito. 0 corpo macrocompôsito compreendia um corpo compósito com matriz de metal ligado à peça de aço modelada a frio. A fig. 22 ê um corte transversal vertical do corpo macrocompôsito formado neste Exemplo. Como se mostra na fig. 22, o corpo macrocompôsito (178) compreendia um corpo compósito com matriz de metal de bronze (180) ligado à - 101 peça de aço modelada a frio (182).

Exemplo 15 0 presente Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito que compreende um corpo compósito com matriz de metal de bronze ligado a outro corpo compósito com matriz de metal com um material de enchimento diferente. Além disso, o presente Exemplo demonstra um processo de formação de um corpo macrocompósito de baixa densidade .

Colocou-se uma camada de um material de enchimento que compreende carboneto de silício de 90 grit com uma espessura de cerca de 3,175 mm (1/8”) no fundo de um recipiente impermeável. 0 recipiente impermeável foi feito soldando um tubo de aço inoxidável AISI tipo 304 de calibre 16, com cerca de 50,8 mm (2") de diâmetro interior e cerca de 63,5 mm (2 1/2") de comprimento a uma placa de aço inoxidável de calibre 16 com as dimensões de 60,33 mm (2 3/8") por 60,33 (2 3/8"). Colocou-se uma camada de aerosferas de alu-mina com uma espessura de cerca de 19,05 mm (3/4") em cima da camada de carboneto de silício de 90 grit. As aerosferas de alumina tinham a forma esférica, com 3,2 mm de diâmetro e foram produzidas pela Ceramic Fillers Inc., Atlanta, Geor-gia. Colocou-se outra camada de material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit em cima da camada de aerosferas de alumina. Vibrou-se depois suavemente o conjunto experimental constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo, para permitir que o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit se afundasse e preenchesse (is- to é, se colocasse no interior) de pelo menos alguns poros entre as aerosferas de alumina. Quando já não se afundava mais carboneto de silício de 90 grit adicional no interior dos poros entre as aerosferas, adicionou-se uma quantidade adicional de carboneto de silício de 90 grit ao conjunto, para criar uma camada de 3,175 mm (1/8”) de carboneto de silício em cima das aerosferas de alumina. Colocou-se uma placa de aço inoxidável com aproximadamente 47,63 mm (1 7/8") de diâmetro e 3,175 mm (1/8") de espessura em cima da camada superior de carboneto de silício. A placa de aço inoxidável tinha um diâmetro ligeiramente menor do que o diâmetro interior do recipiente impermeável, proporcionando assim um ligeiro intervalo entre a borda da placa de aço inoxidável e a superfície interior do tubo de aço inoxidável. Vazou-se uma quantidade de um metal da matriz fundido que compreende uma liga de bronze com uma composição aproximada, em peso, de 90% de cobre, 5% de silício, 2% de ferro e 3% de zinco, no recipiente impermeável, que estava à temperatura ambiente, para cobrir a placa de aço inoxidável e o material de enchimento de carboneto de silício exposto. 0 metal da matriz fundido estava a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Cobriu--se depois o metal da matriz fundido com um material de formação de uma vedação. Especificamente, colocou-se um pó de BgO^ da Aesar Company de Seabrook, ITew Hampshire, sobre o metal da matriz de bronze fundido. Colocou-se depois o conjunto constituído pelo recipiente impermeável e o seu conteúdo num forno de caixa com atmosfera de ar, aquecido por resistência, que foi pré-aquecido a uma temperatura de cerca de 1 100°C. Após cerca de 15 minutos a essa temperatura, o - 103 ' *·*- . material de tinha fundido de maneira substancialmente completa para formar uma camada vítrea. Além disso, qualquer água que estivesse retida no tinha-se evaporado de ma neira substancialmente completa, formando-se assim uma vedação impermeável aos gases. Manteve-se o conjunto no forno durante aproximadamente mais duas horas, a 1 100°C. Depois retirou-se o conjunto do forno e colocou-se a placa de aço inoxidável que definia a superfície inferior do recipiente impermeável em contacto directo com uma placa de refrigeração de cobre, arrefecida por água, para solidificar direc-cionalmente o metal da matriz. Depois de o conjunto arrefecer até à temperatura ambiente, desmontou-se o conjunto para recuperar um corpo macrocompósito. 0 corpo macrocompósito compreendia uma primeira camada de material compósito com matriz de metal que compreende o material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido no interior de uma matriz de metal da matriz de bronze atrás descrito, ligado a uma segunda camada de material compósito com matriz de metal que compreende aerosferas de alumina embebidas no interior de uma matriz do metal da matriz de bronze atrás descrito que, por sua vez, estava ligada a uma terceira camada de material compósito com matriz de metal que compreende material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido no interior de uma matriz de metal da matriz de bronze atrás descrito. Retirou-se a camada de compósito com matriz de metal superior do corpo macrocompósito para produzir um corpo macrocompósito de duas camadas constituído pelo corpo compósito com matriz de metal contendo aerosferas ligado ao corpo compósito com matriz de metal contendo mate- - 104 rial de enchimento de carboneto de silício de 90 grit. A den

O sidade desta peça era de aproximadamente 3,9 g/cm . A densidade normal de um corpo compósito com matriz de metal com aproximadamente 50%, em volume, de um material de enchimento de carboneto de silício de 90 grit embebido por uma liga de bronze semelhante á liga de bronze usada no presente exemplo é de cerca de 5,5 g/cm^. A fig. 23 é uma fotografia de um corte transversal do corpo macrocompôsito de duas camadas final fornado neste Exemplo. Como se mostra na fig. 23, o corpo macrocom-pósito (184) compreendia um corpo compósito com matriz de metal de bronze contendo aerosferas de alumina como material de enchimento (186) ligado a um corpo compósito com matriz de metal de bronze contendo material de enchimento com carboneto de silício (188).

Claims

f -f 05- REIVINDICAÇÕES 1.- Processo de formaçao de um corpo macrocompõsito, carac terizado por compreender as fases de: formar um sistema de reacção que compreende um metal da matriz, uma atmosfera reactiva, um recipiente impermeável, uma massa permeável que compreende pelo menos um material escolhido do grupo formado por uma massa solta de material de enchimento e um prê-molde de material de enchimento e pelo menos um segundo corpo ou corpo adicional adjacente à referida massa permeável; vedar pelo menos parcialmente o sistema de reacção de uma

atmosfera ambiente que é exterior ao referido sistema de reacção de modo a obter um diferencial de pressão liquido entre a referi da atmosfera reactiva e a referida atmosfera ambiente, sendo a vedação proporcionada por pelo menos uma vedação extrínseca, toma vedação física intrínseca e uma vedação química intrínseca; e aquecer o sistema de reacção vedado para fundir 6 metal da matriz e infiltrar pelo menos parcialmente o corpo ou os corpos com o referido metal da matriz fundido para formar um compósito com matriz metálica que ê ligado ou fixado integralmente ao ou aos referidos segundos corpos ou corpos adicionais, formando desse modo um corpo macrocompõsito.
2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por a referida vedação pelo menos parcial compreender o iso lamento de maneira substancialmente completa da atmosfera reactiva da referida atmosfera-ambiente. • »·
3. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por o referido diferencial de pressão líquido existir pelo menos durante uma parte da referida infiltração do metal da matriz fundido na referida massa permeável.
4.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por o referido metal da matriz ser escolhido do grupo formado pelo alumínio, o magnésio, o bronze, o cobre e o ferro fundi do.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do ainda por se proporcionar pelo menos um intensificador do mo lhamento ao referido sistema de reacção.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do ainda por se proporcionar pelo menos um facilitador da vedação no referido sistema de reacção.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por a vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação extrínseca que compreende um material vítreo.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por a referida vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação química intrínseca que compreende um produto da reacção do referido metal da matriz e da referida atmosfera ambiente .
9. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do por a referida vedação pelo menos parcial ser proporcionada por uma vedação física intrínseca que compreende um molhamento do referido recipiente impermeável pelo referido metal da matriz . /108- /
10. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a referida vedação parcial ser proporcionada por uma ve dação química intrínseca que compreende um produto da reacção do referido material da matriz e do referido recipiente impermeável.
11. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por a referida atmosfera reactiva reagir pelo menos parcialmente com o referido metal da matriz e/ou o referido material de enchimento e/ou o referido recipiente impermeável, de modo que resulta o referido diferencial de pressão liquido.
12. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteriza do por o ou os referidos intensificadores de molhamento formarem uma liga com o referido metal da matriz.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteriza do por compreender ainda proporcionar meios de barreira que definem pelo menos uma porção de uma superfície da referida massa permeável.
14.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracteri-zado por os referidos meios de barreira compreenderem pelo menos um material escolhido do grupo formado pelo carbono, a gra fite, o diboreto de titãnio, a alumina, a sílica e o aço inoxi- clave 1.
15.- Processo de acordo com a reivindicação 13, caracteri-zado por os referidos meios., de barreira serem substancialmente não molháveis pelo referido metal da matriz-
16. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender alumínio e o referido intensificador do molhamento compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pelo magnésio, o bismuto, o chumbo e o estanho.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender bronze e/ou cobre e o referido intensificador do molhamento compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pelo selinio, o telurio e o enxofre.
18.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida massa permeável compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado por põs, flocos, plaquetas, microesferas, fios emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, tubulos e tecidos refractários.
19.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pelos óxidos, os car bonetos, os boretos e os nitretos.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido recipiente impermeável compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado por uma cerâmica, um metal, um vidro e um polímero.
21. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender um material es_ colhido do grupo formado pelo alumínio, o cobre e o bronze e o referido recipiente impermeável compreender aço inoxidável.
22. - Processo de acordo com a reivindicação 20, caracteri-zado por o referido recipiente impermeável compreender alumina ou carboneto de silício.
23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a referida atmosfera reactiva compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado por uma atmosfera contendo oxigénio e uma atmosfera contendo azoto.
24.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado por o referido metal da matriz compreender alumínio e a referida atmosfera reactiva compreender ar, oxigénio ou azoto.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido metal da matriz compreender um metal da matriz de bronze e/ou um material da matriz de cobre e/ou um me tál da matriz de ferro fundido e a referida atmosfera reactiva compreender ar, oxigénio ou azoto.
26. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a temperatura do referido sistema de reacção ser mais elevada do que o ponto de fusão do referido metal da matriz, mas mais baixa do que a temperatura de volatilização do referi do metal da matriz e o ponto de fusão do material de enchimento.
27.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o referido sistema de reacção vedado ser aquecido até uma temperatura de cerca de 700°C a 1 000°C quando o referido metal da matriz compreender alumínio; de cerca de 1 050°C a 1 125°C quando o referido metal da matriz compreender bronze ou cobre; e de cerca de 1 250°C a 1 400°C quando o referido metal da matriz compreender ferro fundido.
28.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracteri- zado por o referido material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido do grupo formado pela alumina, o carboneto de silício, o zircõnio, o nitreto de titânio, o carboneto de boro e as suas misturas.
29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por compreender ainda a solidificação direccional de pelo menos a referida porção de compósito com matriz metãlica do re ferido corpo macrocomposito.
30. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por o ou os segundos corpos ou corpos adicionais compreen derem pelo. menos um material escolhido do grupo formado por um metal, uma cerâmica, um compósito com matriz de cerâmica, um compósito com matriz metálica e combinações dos mesmos. Lisboa, 17 de Julho de 1990