DE68910274T2

DE68910274T2 - Gerichtete Erstarrung von Verbundwerkstoff-Körpern mit Metallmatrix.

Info

Publication number: DE68910274T2
Application number: DE89630168T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; John Peter Biel; Robert Campbell Kantner
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: DK558589A; ATE96470T1; CA2000800C; CN1042499A; AU4165489A; BR8905758A; NO893983L; PH26243A; FI91723B; FI91723C; AU625092B2; NZ231082A; EP0368785B1; PT92262A; US5020583A; KR900007527A; EP0368785A1; JP2905516B2; MX174180B; KR0121459B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Metallmatrix-Verbundkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere wird eine durchlässige Masse aus einem Füllstoffmaterial oder eine Vorform durch eine schmelzflüssige Matrixmetall-Legierung in Gegenwart von, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, einem Infiltrationsverstärker und/oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie einer Infiltrationsatmosphäre spontan (d.h. ohne Anwendung irgendeines Druckes oder Vakuums) infiltriert. Weiterhin wird, entweder während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers oder im wesentlichen unmittelbar angrenzend an die abschließende Phase der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers, eine gerichtete Verfestigung des Matrixmetalls bewirkt.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einem Matrixmetall und einer stabilisierenden oder verstärkenden Phase, wie z.B. keramischen Teilchen, Whiskern, Fasern oder dergleichen, bestehen, erscheinen für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend zu sein, da sie einen Teil der Steifheit und der Verschleißfestigkeit der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix-Verbundkörper Verbesserungen solcher Eigenschaften wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit, der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls, wenn es als ein Stück vorliegt, auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschaft verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundgegenstände auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundgegenstände mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen oder Whiskern verstärkt ist, sind beispielsweise aufgrund ihrer größeren Steifheit, Verschleißfestigkeit und größeren Hitzestabilität im Vergleich zum Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundkörpern mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, einschließlich von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken und Techniken der Infiltration flüssiger Metalle beruhen, die Preßgießen, Vakuumgießen, Rühren und Netzmittel zum Einsatz bringen. Bei den pulvermetallurgischen Techniken wird das Metall in Form eines Pulvers und das verstärkende Material in Form eines Pulvers, von Whiskern, Schnittfasern etc., miteinander vermischt und entweder kalt gepreßt und gesintert oder warm gepreßt. Es wurde berichtet, daß der maximale Volumenanteil der Keramik in Verbundkörpern mit einer durch Siliziumkarbid verstärkten Aluminiummatrix, die durch dieses Verfahren erzeugt werden, im Falle von Whiskern bei ungefähr 25 Volumenprozent liegt und im Falle von Teilchen bei ungefähr 40 Volumenprozent.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundkörper ist typischerweise, im Falle von Teilchen, auf 40 Prozent begrenzt. Auch setzt der Preßvorgang der erzielbaren Größe Grenzen. Es sind nur relativ einfache Formen der Produkte ohne eine sich anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Ausformen oder maschinelles Bearbeiten) oder ohne komplexe Pressen möglich. Auch kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen sowie zu einer Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das U.S.-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid, und der ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Der Verbundkörper wird dadurch herstellt, daß parallele Matten oder Filze aus Fasern, die in derselben Ebene liegen, in eine Form gegeben werden, wobei sich ein Reservoir aus schmelzflüssigem Matrixmetall, z.B. Aluminium, zwischen zumindest einigen der Matten befindet, und durch Anwenden von Druck, um das schmelzflüssige Metall dazu zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die ausgerichteten Fasern zu umgeben. Es kann schmelzflüssiges Metall auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es durch Anwendung von Druck dazu gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beladungen von bis zu ungefähr 50 Volumenprozent an verstärkenden Fasern im Verbundkörper berichtet.
Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß ist, im Hinblick auf seine Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu pressen, den Unregelmäßigkeiten des druckinduzierten Flußprozesses ausgesetzt, d.h. einer möglichen Uneinheitlichkeit der Matrixbildung, der Porosität, etc. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist auch, wenn das schmelzflüssige Metall an mehreren Stellen in die faserförmige Anordnung eingebracht werden kann, möglich. Deshalb ist es erforderlich, komplizierte Anordnungen aus Matte und Reservoir und Flußwegen zu schaffen, um eine angemessene und gleichmäßige Durchdringung des Stapels aus Fasermatten zu erzielen. Auch ermöglicht die eben beschriebene Methode der Druckinfiltration aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Infiltration großer Mattenvolumina verbunden sind, nur eine relativ geringe Verstärkung des Volumens der Matrixfraktion. Außerdem müssen die Formen das schmelzflüssige Metall unter Druck aufnehmen, was die Kosten des Prozesses erhöht. Schließlich zielt der genannte Prozeß, der auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht darauf ab, Aluminium-Metallmatrix- Verbundkörper zu erzielen, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von Verbundkörpern, die aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid-Füllstoffen bestehen, benetzt das Aluminium nicht ohne weiteres das Aluminiumoxid, wodurch es schwierig wird, ein zusammenhängendes Produkt herzustellen. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein derartiger Ansatz liegt darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall zu beschichten (z.B. Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium warm gepreßt wird. Bei einer anderen Technik ist das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliziumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundkörper Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das U.S.-Patent Nr. 4 232 091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundkörpern aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25:1. Da äußerer Druck angelegt werden muß, um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundkörpern aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirkoniums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Kalzium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, daß durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt sowohl die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Entfernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug aus einer Mischung aus einem Netzmittel und einem Löslichkeitserniedriger auf das Substrat aus Aluminiumoxid vor dem Anfahren der Zelle, oder während es im schmelzflüssigen Aluminium, das durch den elektrolytischen Prozeß gebildet wird, eingetaucht ist, aufgetragen. Zu den offengelegten Netzmitteln gehören Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Kalzium, und Titan wird als das bevorzugte Mittel bezeichnet. Von Verbindungen des Bors, Kohlenstoffs und des Stickstoffs wird beschrieben, da sie nützlich für die Erniedrigung der Löslichkeit des Netzmittels im schmelzflüssigen Aluminium sind. Diese Arbeit legt jedoch nicht die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre nahe.
Zusätzlich zur Anwendung von Druck und von Netzmitteln wurde offengelegt, daß das Anlegen eines Vakuums das Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen keramischen Preßkörper erleichtert. Zum Beispiel berichtet das U.S.-Patent Nr. 3 718 441, das am 27. Februar 1973 an R. L. Landingham erteilt wurde, über die Infiltration eines keramischen Preßkörpers (z.B. Borkarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das U.S.-Patent Nr. 3 864 154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AlB&sub1;&sub2;, der sandwichartig zwischen den Schichten aus Aluminiumpulver vorlag, beladen war, wurde in einen Vakuumschmelzofen gegeben. Der Ofen wurde auf ungefähr 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um ein Ausgasen zu ermöglichen. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und 3 Stunden lang gehalten. Unter diesen Bedingungen durchdrang das schmelzflüssige Aluminium den porösen Preßkörper aus AlB&sub1;&sub2;.
Das U.S.-Patent Nr. 3 364 976, das am 23. Januar 1968 an John N. Reding et al. erteilt wurde, legt das Konzept zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung das Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper offen. Speziell wird offengelegt, daß ein Körper, z.B. eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses hitzebeständiges Material, vollkommen in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas gefüllt ist, das mit dem Metall reagiert, mit dem außen lokalisierten schmelzflüssigen Metall durch zumindest eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird füllt sich der Hohlraum, da die Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall das selbsterzeugte Vakuum schafft. Insbesondere ist das Vakuum das Ergebnis der Bildung einer festen oxidierten Form des Metalls. Somit legen Reding et al. offen, daß es essentiell ist, eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall hervorzurufen. Die Verwendung einer Form zur Erzeugung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der Beschränkungen, die zwangsläufig mit der Verwendung einer Form verbunden sind, unerwünscht sein. Formen müssen zunächst durch maschinelle Bearbeitung in die jeweilige Gestalt gebracht werden; dann müssen sie geglättet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form zu erzeugen; dann vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden; dann nach ihrer Verwendung auseinandergenommen werden, um das gegossene Stück aus ihnen zu entfernen; und danach muß die Form überholt werden, wozu höchstwahrscheinlich eine Neubearbeitung der Oberflächen der Form oder das Verwerfen der Form gehört für den Fall, daß sie nicht mehr für eine Verwendung geeignet ist. Die maschinelle Bearbeitung der Form, um ihr eine komplexe Gestalt zu geben, kann sehr teuer und zeitaufwendig sein. Darüber hinaus kann das Entfernen eines geformten Stückes aus einer Gußform von komplexer Gestalt ebenfalls schwierig sein (d.h., gegossene Stücke mit einer komplexen Form könnten beim Entfernen aus der Form zerbrochen werden). Weiterhin muß obwohl vorgeschlagen wurde, daß ein poröses hitzebeständiges Material direkt in ein schmelzflüssiges Metall eingetaucht werden kann, ohne daß eine Form notwendig ist, das hitzebeständige Material aus einem Stück bestehen, da in Abwesenheit eines Formbehälters keine Möglichkeit besteht, ein in mehrere Teile zerfallenes poröses Material zu infiltrieren (d.h., es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material beim Eintauchen in ein schmelzflüssiges Metall typischerweise auseinanderfällt oder auseinanderschwimmt). Weiterhin sollte, wenn es gewünscht war, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, Vorsorge getroffen werden, daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Bereiche der Teilchen oder der Vorform verdrängt was zu einer inhomogenen Mikrostruktur führen würde.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, der nicht auf die Verwendung eines Druckes oder eines Vakuums angewiesen ist (ganz gleich, ob äußerlich angewendet oder intern erzeugt) oder auf schädigende Netzmittel, um eine Metallmatrix zu erzeugen, die ein anderes Material, wie z.B. ein keramisches Material, einbettet. Darüber hinaus besteht schon lange ein Bedarf danach, das Ausmaß der abschließenden maschinellen Bearbeitungen, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers erforderlich sind, zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß sie einen Mechanismus zur spontanen Infiltration eines Materials (z.B. eines keramischen Materials) liefert, das zu einer Vorform ausgebildet ist, mit schmelzflüssigem Matrixmetall (z.B. Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoff) bei normalem atmosphärischem Druck, solange wie ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses anwesend ist.
Weiterhin weiß man von der gerichteten Verfestigung, daß sie generell bei Metallgußverfahren insofern von Nutzen ist, als sie z.B. die Porosität und/oder Hohlräume im Körper reduziert, die Zugfestigkeit erhöht, die Mikrostruktur modifiziert etc. Die Kombination der Techniken der gerichteten Verfestigung mit den Mechanismen der spontanen Infiltration der vorliegenden Erfindung liefert neuartige Metallmatrix-Verbundkörper.

Beschreibung von Patentanmeldungen desselben Anmelders

Der Gegenstand dieser Anmeldung steht in Zusammenhang mit denjenigen verschiedener anderer ebenfalls anhängiger Patentanmeldungen desselben Anmelders. Speziell beschreiben diese anderen ebenfalls anhängigen Anmeldungen neuartige Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Metallmatrix (die hier im folgenden manchmal als "Metallmatrix- Patentanmeldungen desselben Anmelders" bezeichnet werden). Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix wird in der EP-A-291441 desselben Anmelders offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch die Infiltration einer durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angewendet wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Matrix aus Aluminium (oder aus einer Aluminiumlegierung). Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung fest werden zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise wird soviel schmelzflüssige Legierung bereitgestellt, daß die Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen der Masse aus Füllstoffmaterial voran schreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials im Aluminiummatrix-Verbundkörper, der gemäß der Erfindung der EP-A-291 441 hergestellt wird, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann, in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß der Verbundkörper wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, aber den Prozeß auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eines Gleichgewichtes zwischen der Infiltrationskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für ein geeignetes Sperrschichtelement für die Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundkörpern wird in der EP-A-323945 desselben Anmelders beschrieben. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sperrschichtelement (z.B. teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie z.B. ein biegsames Graphitband, das von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil vertrieben wird) auf eine festgelegte Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials aufgebracht, und die Matrixlegierung infiltriert bis zu der Grenze, die durch das Sperrschichtelement festgelegt wird. Das Sperrschichtelement wird verwendet, um die Infiltration der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch sie zu Metallmatrix-Verbundkörpern mit einer endgültigen oder nahezu endgültigen Form führt. Dementsprechend weisen die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelements entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291441 wurde dann durch die EP-A-333629 desselben Anmelders verbessert. Gemäß den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offengelegt werden, liegt eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle eines Metalls und als ein Reservoir an Matrixmetallegierung vor, das z.B. aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Quelle an schmelzflüssigem Metall kommuniziert. Insbesondere beginnt unter den Bedingungen, die in dieser Patentanmeldung beschrieben werden, die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse aus Füllstoffmaterial bei normalem Atmosphärendruck zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn die spontane Infiltration voranschreitet, bei Bedarf nachgeliefert werden, vorzugsweise kontinuierlich aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall. Wenn eine gewünschte Menge an durchlässigem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der durchlässigen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin sollte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern das überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix- Verbundkörper verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundkörper (z.B. ein Makrokomposit), bei dem ein infiltrierter keramischer Körper, der eine Metallmatrix enthält, direkt an überschüssiges Metall, das im Reservoir verblieben ist, gebunden ist.
Jede der oben diskutierten Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders beschreibt Verfahren für die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neuartige Metallmatrix-Verbundkörper, die damit hergestellt werden. Die gesamten Offenlegungen aller vorangehender Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wird dadurch hergestellt, daß eine durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. ein keramisches oder ein keramisch beschichtetes Material) oder eine Vorform mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall infiltriert wird. Das Füllstoffmaterial kann in einer geeigneten Form oder einem geeigneten Sperrschichtelement geformt oder enthalten vorliegen. Weiterhin befinden sich ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt des Prozesses in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, die durchlässige Füllstoffmasse oder die Vorform spontan zu infiltrieren. An einem gewissen Punkt nach der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers wird der Verbundkörper einer Technik der gerichteten Verfestigung unterworfen, was die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers verbessert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Füllstoffmaterial einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer enthalten. Das Füllstoffmaterial kann danach mit einer Infiltrationsatmosphäre unter Bildung des Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials in Kontakt gebracht werden. Ein derartiger Infiltrationsverstärker kann vor oder im wesentlichen unmittelbar angrenzend an das Inkontaktbringen des schmelzflüssigen Matrixmetalls mit dem Füllstoffmaterial gebildet werden. Weiterhin kann im wesentlichen während des gesamten Prozesses der spontanen Infiltration eine Infiltralionsatmosphäre bereitgestellt werden und sich somit in Verbindung mit einem Füllstoffmaterial befinden, oder sie kann sich, alternativ, nur während eines Teils des Prozesses der spontanen Infiltration in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall befinden. Letztlich ist es erwünscht, daß der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration zumindest in einem Teil eines Füllstoffmaterials vorkommen sollte.
Weiterhin kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer zumindest einem vom Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre direkt zugesetzt werden, statt daß man einen Infiltrationsverstärker dem Füllstoffmaterial zugibt. Wieder sollte letztlich der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials vorkommen.
Es wird angemerkt, daß diese Anmeldung primär Matrixmetalle aus Aluminium diskutiert, die an einem gewissen Punkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit Magnesium in Kontakt gebracht werden, das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert, und zwar in Gegenwart von Stickstoff, der als Infiltrationsatmosphäre fungiert. Somit kommt es in dem System Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff zur spontanen Infiltration. Jedoch können sich andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre auf ähnliche Weise wie das System Aluminium/Magnesium/Stickstoff verhalten. Zum Beispiel wurde ein ähnliches spontanes Infiltrationsverhalten in dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Kalzium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß obwohl hier primär das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff diskutiert wird, sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten können und durch die Erfindung eingeschlossen werden sollen.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Masse aus einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform in Kontakt gebracht, die ein Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid) aufweist, wobei das genannte Füllstoffmaterial zugesetztes Magnesium enthält, und/oder diese wurden an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt. Darüberhinaus liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder das Füllstoffmaterial oder die Vorform für zumindest einen Abschnitt des Prozesses in einer Stickstoffatmosphäre vor. Dabei wird die Masse aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform spontan infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration unter Bildung der Metallmatrix hängt von einer vorgegebenen Kombination an Prozeßbedingungen ab, zu denen z.B. die Konzentration des Magnesiums gehört, die dem System zur Verfügung steht (z.B. in der Aluminiumlegierung und/oder dem Füllstoffmaterial und/oder der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen im Füllstoffmaterial, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeit, über die man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß, das ausreicht, im wesentlichen die gesamte Masse aus Füllstoffmaterial oder Vorform einzubetten.
Weiterhin wurde entdeckt, daß die Mikrostruktur, und damit die Eigenschaften, eines spontan infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörpers durch den Einsatz einer gerichteten Verfestigung verbessert werden kann bzw. können. Speziell kann, wenn die spontane Infiltration des Füllstoffmaterials erst einmal erreicht worden ist und/oder im wesentlichen kurz vor dem Abschluß der spontanen Infiltration, zumindest entweder ein Heizmittel, das an einer Seite des Verbundkörpers angeordnet ist, und/oder ein Kühlmittel, das an einer Seite des Verbundkörpers angeordnet ist, eingesetzt werden. Wenn sowohl ein Heizmittel als auch ein Kühlmittel mit dem Verbundkörper eingesetzt werden, dann sollten das Heizmittel und das Kühlmittel im wesentlichen an gegenüberliegenden Enden des Verbundkörpers placiert werden. Metallmatrix-Verbundkörper, die durch einen Prozeß der spontanen Infiltration hergestellt und gerichtet verfestigt wurden, können im Vergleich zu Metallmatrix-Verbundkörpern, die durch eine ähnliche Technik hergestellt wurden, jedoch keiner gerichteten Verfestigung unterworfen wurden, verbesserte Mikrostrukturen aufweisen. Zum Beispiel können die Mikrostrukturen gleichmäßiger sein, einen verminderten Anteil an Porosität oder Hohlräumen aufweisen etc.. Derartige verbesserte Mikrostrukturen können zu einer Verbesserung mechanischer Eigenschaften führen, einschließlich größerer Zugfestigkeit, höherer Bruchfestigkeit etc..
Zu speziellen Beispielen für Kühlmittel, die für das Erzielen der gerichteten Verfestigung nützlich sind, gehören Kühlplatten; das allmähliche Entfernen eines zumindest teilweise gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers aus einem heißen Schmelzofen; und/oder das Inkontaktbringen eines zumindest teilweise gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers mit wenigstens einem Fluidmittel. Zu speziellen Beispielen für Heizmittel, die für das Erzielen der gerichteten Verfestigung nützlich sind gehören heiße Platten; ein "Hot-Topping" etc.. Verschiedene spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden hier später diskutiert werden.

Definitionen

"Legierungsseite", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf diejenige Seite des Metallmatrix-Verbundkörpers der anfangs mit schmelzflüssigem Metall in Kontakt stand, ehe dieses schmelzflüssige Metall die Vorform oder die Masse aus Füllstoffmaterial infiltrierte.
"Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. im Handel erhältliche Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen, Silizium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink etc. enthalten. Eine Aluminiumlegierung für die Zwecke dieser Definition ist eine Legierung oder eine Zwischenmetallverbindung, in der Aluminium den Hauptbestandteil darstellt.
"Restliches nichtoxidierendes Gas", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu dem primären Gas, das die Infiltrationsatmosphäre ausmacht, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen unter den Prozeßbedingungen mit dem Matrixmetall nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
"Sperre" oder "Sperrschichtelement", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet jedes geeignete Mittel, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze aus einem durchlässigen Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetallmaterial auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, das notwendig sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metallmatrix-Verbundkörperproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen durchlässig oder porös sein oder durchlässig gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten.
"Gerüst" oder "Gerüst aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in Kontakt mit zumindest einem Teil des Metallmatrix-Verbundkörpers, der gebildet wurde, bleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst typischerweise auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, soll entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen bedeuten, die im wesentlichen nicht reaktiv mit dem Matrixmetall und/oder von begrenzter Löslichkeit im Matrixmetall sind, und die aus einer oder mehreren Phase(n) bestehen können. Füllstoffe können in einer großen Vielzahl von Formen bereitgestellt werden, wie z.B. als Pulver, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whisker, Blasen etc., und sie können entweder dicht oder porös sein. Zu "Füllstoffen" gehören auch keramische Füllstoffe, die andere sind als chemisch vorbehandeltes B&sub4;C, Bor und Boride), wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff- Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen.
"Hot-Topping", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf das Aufbringen einer Substanz auf ein Ende (das "Topping"-Ende) eines zumindest teilweise gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers, die exotherm mit wenigstens entweder dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmatenal und/oder mit einem anderen Material reagiert, daß im "Topping"-Ende vorkommt. Diese exotherme Reaktion sollte eine ausreichende Hitze liefern, um das Matrixmetall am "Topping"-Ende im schmelzflüssigen Zustand zu halten, während sich der Rest des Matrixmetalls im Verbundkörper auf die Verfestigungstemperatur abkühlt.
"Infiltrationsatmosphare", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige vorliegende Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung tritt und den Ablauf der spontanen Infiltration des Matrixmetall gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüberhinaus kann der Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und im wesentlichen wirkt er auf ähnliche Weise wie ein Infiltrationsverstärker, der sich aus einer Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer anderen Spezies gebildet hat. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen, damit die spontane Infiltration erzielt wird.
"Infiltrationsverstärker-Vorläufer" oder "Vorläufer des Infiltrationsverstärkers", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrationsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall zur Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bringt oder es dabei unterstützt. Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu treten. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur, in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetallegierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeuten dasjenige Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers eingesetzt wird (z.B. vor der Infiltration) und/oder dasjenige Metall, das mit einem Füllstoff vermischt wird, so daß ein Metallmatrix-Verbundkörper gebildet wird (z.B. nach der Infiltration). Wenn ein bestimmtes Metall als das Matrixmetall erwähnt wird, dann sollte klar sein, daß dieses Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, eine Zwischenmetallverbindung oder eine Legierung, in der dieses Metall den Hauptbestandteil oder vorherrschenden Bestandteil darstellt, beinhaltet.
"System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre" oder "spontanes System", wie die Begriffe hier verwendet werden, bezieht sich auf diejenige Kombination von Materialien, die zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führt. Es sollte klar sein, daß immer wenn ein "/"zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, das "/"verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu benennen, die, wenn sie auf bestimmte Weise kombiniert werden, zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führen.
"Metallmatrix-Verbundkörper" oder "MMC", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das ein(e) in zwei oder drei Dimensionen in sich verbundene(s) Legierung oder Matrixmetall aufweist, die bzw. das eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente enthalten, um dem resultierenden Verbundkörper bestimmte gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen.
"Ein Metall, das vom Matrixmetall "verschieden" ist", bedeutet ein Metall, das nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall als Hauptbestandteil enthält (wenn z.B. der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, dann kann das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nichtreaktives Gefäß für das Unterbringen des Matrixmetalls" bedeutet jedes beliebige Gefäß, das ein Füllstoffmaterial (oder eine Vorform) und/oder schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen könnte.
"Vorform oder durchlässige Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächenbegrenzung hergestellt wird, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall infiltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff, entweder homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeignetem Material bestehen (z.B. aus Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulvern, Fasern, Whiskern etc. und jeder Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu Füllstoffmasse oder zur Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt fließen kann, um denjenigen Teil, der sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen, oder um in bestimmen Fällen denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der bzw. das bzw. die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, bereitzustellen und anschließend aufzufüllen. Das Reservoir kann auch verwendet werden, um ein Metall bereitzustellen, das verschieden vom Matrixmetall ist.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet die Infiltration eines Matrixmetalls in eine durchlässige Masse aus Füllstoff oder die Vorform, wobei diese Infiltration erfolgt ohne daß es erforderlich wäre, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, aber sie sollen nicht den Bereich der Erfindung einschränken. Es wurden, wann immer es möglich war, ähnliche Referenzziffern verwendet, um ähnliche Komponenten in den Figuren zu bezeichnen:
Figur 1 ist ein Querschnitt durch die Materialien, die in Beispiel 1 verwendet wurden, um eine spontane Infiltration einer ersten Vorform zu erzielen.
Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Materialien, die in Beispiel 1 verwendet wurden, um eine spontane Infiltration einer zweiten Vorform zu erzielen.
Figur 3 ist ein Querschnitt durch die Materialien, die in Beispiel 2 dargestellt sind, nachdem die spontane Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform erfolgt ist. Figur 3 zeigt außerdem die Anordnung für die gerichtete Verfestigung aus Beispiel 1.
Figur 4 ist ein Querschnitt durch die Materialien, die in Beispiel 2 verwendet wurden, um eine spontane Infiltration einer Masse aus Füllstoffmaterial zu erzielen.
Figur 5a und Figur 5b sind mikroskopische Aufnahmen eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der Aluminiumoxidfasern enthält und nicht gerichtet verfestigt wurde.
Figur 6a und Figur 6b sind mikroskopische Aufnahmen eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der Aluminiumoxidfasern enthält und gerichtet verfestigt wurde.
Figur 7 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der Aluminiumoxidfasern enthält und im Schmelzofen nicht gerichtet verfestigt wurde.
Figur 8 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der Aluminiumoxidfasern enthält und gerichtet verfestigt wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Ein anfänglicher Schritt besteht bei der vorliegenden Erfindung darin, eine für die Erzielung der spontanen Infiltration geeignete Kombination von Materialien auszuwählen (z.B. Auswahl des Matrixmetalls und/oder des Füllstoffmaterials oder der Vorform, des Infiltrationsverstärkers und/oder des Infiltrationsverstärker-Vorläufers, der Legierungsbestandteile (falls erforderlich) und/oder der Infiltrationsatmosphäre). Die vorliegende Erfindung nützt den synergistischen Effekt aus, der aus der Kombination der Materialien, die zur Erzielung der spontanen Infiltration verwendet werden, resultiert. Nach der Auswahl einer geeigneten Kombination an Materialien und dem Erzielen der spontanen Infiltration wird die infiltrierte Füllstoffmasse oder die infiltrierte Vorform anschließend (oder im wesentlichen gleichzeitig mit der Infiltration) durch eine geeignete Technik der gerichteten Infiltration gerichtet verfestigt. Spezielle Techniken der gerichteten Verfestigung, die für eine Anwendung in Kombination mit der Technik der spontanen Infiltration geeignet sind, werden hier an späterer Stelle diskutiert werden.
Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer hergestellt werden, der z.B. (1) im Matrixmetall und/oder (2) in der Masse aus durchlässigem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder (3) von der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) von einer äußeren Quelle im spontanen System zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitstellt, direkt entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärker- Vorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen der Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall gebildet wird (wenn z.B. Magnesium als Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff als Infiltrationsatmosphäre verwendet werden, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff die Masse aus Füllstoffmaterial oder die Vorform ausreichend durchlässig sein, um es dem stickstoffhaltigen Gas zu ermöglichen, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial einzudringen oder es zu durchdringen und/oder mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Darüber hinaus kann die Masse aus Füllstoffmaterial oder die Vorform die Infiltration durch das schmelzflüssige Matrixmetall aufnehmen, was dazu führt, daß die vom Stickstoff durchdrungene Masse aus Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert wird und/oder daß der Stickstoff mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung eines Infiltrationsverstärkers im Füllstoffmaterial oder der Vorform reagiert, was zur spontanen Infiltration führt. Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, einschließlich des Magnesiumgehaltes der Aluminium-Legierung, des Magnesiumgehaltes des Füllstoffmaterials oder der Vorform, der Menge des Magnesiumnitrids im Füllstoffmaterial oder der Vorform, der Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe des Füllstoffmaterials (z.B. dem Teilchendurchmesser), aus dem die Vorform besteht, der Oberflächenbedingungen und des Typs des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeitspanne, für die man die Infiltration ablaufen läßt, und der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Zum Beispiel kann, damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls spontan erfolgt, das Aluminium mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, Magnesium (das als Infiltrationsverstärker- Vorläufer fungiert) legiert werden. Zusätzliche Legierungselemente können, wie oben diskutiert wurde, auch im Matrixmetall enthalten sein, um spezifische Eigenschaften maßzuschneidern. (Weiterhin können die zusätzlichen Legierungselemente die minimale Menge an Magnesium beeinflussen, die im Matrixaluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken.) Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Ausmaß erfolgen, daß kein Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung ungünstig beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in sowohl der Vorform als auch dem Matrixmetall oder lediglich in der Vorform zu einer Verminderung der benötigten Menge an Magnesium führen, die gebraucht wird, die spontane Infiltration zu bewirken (wie unten genauer diskutiert werden wird). Die Volumenprozente des Stickstoffs in der Stickstoffatmosphäre beeinflussen ebenfalls die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere findet eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltration statt, wenn weniger als ungefähr 10 Volumenprozent an Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt, daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. zu kürzeren Infiltrationszeiten aufgrund einer erheblich schnelleren Infiltrationsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrationsatmosphäre (z.B. ein stickstoffhaltiges Gas) kann direkt dem Füllstoffmaterial oder der Vorform zugesetzt werden, oder es kann als Ergebnis eines Zerfalls eines Materials gebildet werden.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silizium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit, mit der die Atmosphäre zuströmt. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder des Füllstoffmaterials oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls vom unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration und einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Nützlichkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminium-Legierung können eingesetzt werden, um die Temperaturbedingungen, die für die Infiltration benötigt werden, zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann vermindert werden, wenn er zusammen mit einem weiteren Legierungselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine unterstützende Funktion und werden zusammen mit mindestens der oben angegebenen Mindestmenge an Magnesium verwendet. Zum Beispiel wurde praktisch keine Infiltration von nominal reiner Aluminium-Legierung beobachtet, die lediglich 10 Prozent Silizium enthielt und bei 1000ºC in einer Einbettung von 25 um (500 Mesh) aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliziumkarbid von Norton Co.). Jedoch wurde für Silizium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Infiltrationsprozess fördert. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert, wenn es lediglich dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird. Es wurde entdeckt daß die spontane Infiltration bei einem geringeren Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem spontanen System zugesetzt wurde, erfolgt, wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge im Füllstoffmaterial enthalten ist. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundkörper verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliziumkarbid wurde entdeckt, daß, wenn die Vorform mit dem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, wobei die Vorform mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die benötigte Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliziumkarbid infiltrierte, und in Gegenwart der Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sind, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige, die mit einer Vorform aus Siliziumkarbid erreicht wurde, wie gerade oben diskutiert wurde, zu erreichen.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vor der Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der zugesetzte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wird, ist es manchmal bevorzugt, daß die genannte Oberfläche diejenige Oberfläche ist, die der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte mit zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials vermischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und dem Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auftragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrixaluminiummetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Darüber hinaus könnte auch die Menge an unerwunschten Zwischenmetallverbindungen, die aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildet werden, minimiert werden.
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im umgebenden Gas beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel können zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder die auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht werden, verwendet werden, um die Infiltrationstemperatur zu erniedrigen und dadurch das Ausmaß der Nitridbildung zu vermindern, während eine Erhöhung der Konzentration des Stickstoffs im Gas verwendet werden kann, um die Bildung des Nitrids zu fördern.
Die Konzentration des Magnesiums, das in der Legierung enthalten ist und/oder auf die Oberfläche der Legierung aufgebracht wurde und/oder mit dem Füllstoff oder dem Vorformmaterial kombiniert wurde, beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Demnach kann es in einigen Fällen, in denen wenig oder kein Magnesium mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen und ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC-800ºC. Generell scheinen Temperaturen, die über 1200ºC liegen, den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt, daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 675ºC bis ungefähr 1200ºC reicht. Als allgemeine Regel gilt jedoch, daß die Temperatur der spontanen Infiltration eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber unter der Temperatur, die für die Verflüchtigung des Matrixmetalls erforderlich ist, liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials liegen. Und außerdem steigt, wenn die Temperatur steigt, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalls und einer Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen). Ein derartiges Reaktionsprodukt kann entweder erwünscht oder unerwünscht sein, was von der vorgesehenen Anwendung des Metallmatrix-Verbundkörpers abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren verwendet werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringt und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren kommt z.B. eine durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit schmelzflüssigem Aluminium in Gegenwart eines stickstoffhaltigem Gas für zumindest eine gewisse Zeit während des Prozesses mit schmelzflüssigem Aluminium in Kontakt. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit mindestens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall bereitgestellt gestellt werden. Obwohl die Durchflußgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt daß die Durchflußgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund der Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und auch den Einbruch von Luft zu verhindern oder zu hemmen, der eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben könnte.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; b) Karbide, z.B. Siliziumkarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann aus einem Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder einem anderen nichtkeramischen Material, das eine Beschichtung aufweist, um die Oberfläche vor dem Angriff oder einem Abbau zu schützen, bestehen. Geeignete Beschichtungen können Keramiken sein, wie z.B. Oxide, Karbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend sein (in gehackter Form) oder in Form von kontinuierlichen Filamenten vorliegen, wie z.B. als Werg aus vielen Filamenten. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein erhöhtes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren, das in der EP-A-155831 desselben Anmelders offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid die besseren Infiltrationseigenschaften auf. Zudem weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren, das in der EP-A-193292 desselben Anmelders offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls die besseren Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt jeder dieser genannten Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen. Es wurde also entdeckt daß eine vollständige Infiltration einer durchlässigen Masse eines keramischen Materials durch Verwendung zerkleinerter oder pulverisierter Körper, die durch die Verfahren der zuvor erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurden, bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen und/oder kürzeren Infiltrationszeiten erfolgen kann.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundkörper angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Material in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie z.B. Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden. Weiterhin sollte die Masse des Füllstoffmaterials (die zu einer Vorform geformt ist), die infiltriert werden soll, durchlässig sein (d.h. durchlässig für das schmelzflüssige Matrixmetall und für die Infiltrationsatmosphäre).
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix-Verbundkörpern, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial können erzielt werden, wenn am Anfang eine Masse aus Füllstoffmaterial geringerer Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, was die Infiltration durch das schmelzflüssige Legierungsmetall verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffs oder der Vorform, dem Füllstoffmaterial, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom Keramikmaterial, das verwendet wird, variieren. Im Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration vorzugsweise nicht ungefähr 1000ºC übersteigen, wenn es gewünscht wird, daß die Duktilität der Matrix durch die erhebliche Nitridbildung nicht verringert wird. Es können jedoch Temperaturen verwendet werden, die 1000ºC überschreiten, wenn es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliziumkarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliziumkarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Speziell kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange wie eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von derjenigen der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern und so verschiedene Anforderungen an den Gebrauch zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers maßzuschneidern.
Es kann auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit dieser Erfindung verwendet werden. Genauer gesagt kann das Sperrschichtelement, das in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, jede geeignete Vorrichtung sein, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (z.B. einer Aluminiumlegierung) über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus beeinflußt hemmt, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche bzw. welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Gas, das im Prozeß verwendet wird, durchlässig ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität gegenüber der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert eine möglicherweise erforderliche abschließende maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen des Produktes aus dem Metallmatrix-Verbundmaterial. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise durchlässig oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen durchlässig gemacht werden, um es dem Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung in Kontakt zu treten.
Geeignete Sperrschichtelemente, die besonders für Aluminium-Matrixlegierungen nützlich sind, sind diejenigen, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline allotrope Form des Kohlenstoffs, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist unter den beschriebenen Prozeßbedingungen durch das schmelzflüssige Aluminium im wesentlichen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein bandförmiges Produkt aus Graphit, das unter dem Handelsnamen Grafoil, der auf Union Carbide eingetragen ist, verkauft wird. Dieses Graphitband weist abdichtende Eigenschaften auf, die die Wanderung der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzeresistent und chemisch inert. Das Grafoil-Graphitmaterial ist biegsam, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch. Es kann in verschiedene Formen gebracht werden, so daß es als jede beliebige Sperre eingesetzt werden kann. Sperrschichtelemente aus Graphit können jedoch auch als ein Brei oder eine Paste oder sogar als ein aufgemalter Film um das Füllstoffmaterial oder die Vorform herum oder auf deren Grenze verwendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt da es in Form eines biegsamen Graphitbogens vorliegt. Bei der Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial oder die Vorform herum geformt.
Andere bevorzugte Sperren für die Infiltration von Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in einer Stickstoffumgebung sind die Boride der Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unten gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetallegierung benetzbar sind. Mit einer Sperre dieses Typs sollte die Prozeßtemperatur nicht ungefähr 875ºC überschreiten, da andernfalls das Sperrmaterial weniger Wirksam wird, und tatsächlich erfolgt mit steigender Temperatur eine Infiltration in die Sperre. Die Boride der Übergangsmetalle liegen typischerweise in Teilchenform vor (1-30 um). Die Sperrmaterialien können als ein Brei oder eine Paste auf die Grenzflächen der durchlässigen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für eine Matrixlegierung aus Aluminiummetall in Stickstoff nützlich sind, gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf die äußere Oberfläche des Füllstoffmaterials aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff speziell unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung, zerfällt die organische Verbindung unter Zurücklassung eines Rußfilmes aus Kohlenstoff. Die organische Verbindung kann mit konventionellen Techniken, wie z.B. durch Aufmalen, Sprayen, Eintauchen etc., aufgetragen werden.
Weiterhin können fein gemahlene teilchenförmige Materialien als eine Sperre fungieren, solange die Infiltration des teilchenförmigen Materials mit einer geringeren Geschwindigkeit erfolgt als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Somit kann das Sperrschichtelement auf jede geeignete Weise aufgetragen werden, wie z.B. durch Bedecken der festgelegten Oberflächengrenze mit einer Schicht des Sperrschichtelements. Eine derartige Schicht des Sperrschichtelements kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdrucken, Verdampfen oder ein sonstiges Verfahren zum Auftragen des Sperrschichtelements in flüssiger, breiiger oder pastöser Form aufgetragen werden oder durch Aufdampfen eines verdampfbaren Sperrschichtelements oder einfach durch Auflagern einer Schicht eines festen teilchenförmigen Sperrelements oder durch Auftragen einer festen dünnen Schicht oder eines Films aus Sperrschichtelement auf die festgelegte Oberflächengrenze. Wenn das Sperrschichtelement aufgetragen ist, hört die spontane Infiltration im wesentlichen auf, wenn das infiltrierende Matrixmetall die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt.
Nachdem ein gewünschtes Ausmaß an spontaner Infiltration erreicht worden ist oder während der spontanen Infiltration (z.B. im wesentlich kurz vor der Vollendung der spontanen Infiltration) wird ein Mittel zur gerichteten Verfestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet. Es können verschiedene passende Mittel für die gerichtete Verfestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet werden, einschließlich eines "Hot-Topping" zumindest einer Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers; und/oder Inkontaktbringen einer Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers mit einer stationären Wärmesenke, wie z.B. einer Kühlplatte; und/oder Inkontaktbringen oder allmähliches Eintauchen des Metallmatrix-Verbundkörpers in einen Fluidkörper (entweder stationär oder fließend); und/oder allmähliches Entfernen des Metallmatrix- Verbundkörpers aus dem Schmelzofen, in dem er gebildet wurde etc.. Durch Verwendung einer oder mehrerer dieser Techniken zur gerichteten Verfestigung, entweder einzeln oder in Kombination, ist es möglich, die Eigenschaften eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch die Technik der spontanen Infiltration hergestellt wurde, zu verbessern. Zum Beispiel können Metallmatrix-Verbundkörper erzielt werden, die im Vergleich zu ähnlich hergestellten Metallmatrix- Verbundkörpern, die nicht gerichtet verfestigt wurden, folgendes aufweisen: verbesserte Mikrostrukturen (z.B. gleichmäßigere); ein verringertes Ausmaß an Porosität oder Hohlraum in der Mikrostruktur; größere Zugfestigkeit etc.. Wie in den Figuren 5a und 5b und den Figuren 6a und 6b gezeigt wird, vermindert die gerichtete Verfestigung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der Fasern enthält, die Porosität des Verbundkörpers und führt zu einer gleichmäßigeren Mikrostruktur. Weiterhin haben, wie in Beispiel 1 gezeigt wird, faserverstärkte Metallmatrix-Verbundkörper, die gerichtet verfestigt wurden, eine größere Zugfestigkeit als ähnliche Verbundkörper, die nicht gerichtet verfestigt wurden.
Im einzelnen handelt es sich bei den Figuren 5a, 5b, 6a und 6b um mikroskopische Aufnahmen von Metallmatrix-Verbundkörpern, die Aluminiumoxidfasern enthalten. Jede Gruppe der Figuren stellt mikroskopische Aufnahmen bei zwei verschiedenen Vergrößerungen dar. Die mikroskopischen Aufnahmen in den Figuren 5a und 5b sind für einen Metallmatrix-Verbundkörper repräsentativ, der im Schmelzofen abgekühlt wurde, d.h. der nicht gerichtet verfestigt wurde.
Wie durch die Linien, die in den Figuren 5a und 5b als 80 gekennzeichnet sind, angegeben ist, weist der Metallmatrix-Verbundkörper, der nicht gerichtet verfestigt wurde, Bereiche an Porosität oder Hohlraum auf, in denen kein Matrixmetall vorkommt. Im Gegensatz dazu ist es in den Figuren 6a und 6b offensichtlich, daß der gerichtet verfestigte Metallmatrix-Verbundkörper erheblich weniger Porosität oder Hohlraum enthält. Zudem weist der Metallmatrix-Verbundkörper, der in den Figuren 6a und 6b dargestellt ist, eine gleichmäßigere Mikrostruktur als der Metallmatrix-Verbundkörper auf, der in den Figuren 5a und 5b dargestellt ist. Insbesondere geht dieser Zuwachs an Gleichmäßigkeit aus der größeren Verteilung der Fasern im Matrixmetall hervor.
Die Anmelder glauben, daß der Zuwachs an Zugfestigkeit, den die gerichtet verfestigten Metallmatrix-Verbundkörper, die im Beispiel 1 beschrieben wurden, aufwiesen, zumindest teilweise auf die Verminderung der Porosität oder des Hohlraums, die nach der gerichteten Verfestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers erhalten wurde, zurückzuführen war. Insbesondere vermindert die Porosität oder der Hohlraum die belastbare Fläche im Metallmatrix-Verbundkörper, wodurch die Zugfestigkeit des Verbundkörpers vermindert wird. Somit führt eine Verminderung der Porosität oder des Hohlraums zu einer größeren belastbaren Fläche im Metallmatrix-Verbundkörper und zu einer entsprechenden Erhöhung der Zugfestigkeit.
Die Figuren 7 und 8 sind weitere mikroskopische Aufnahmen von zwei Metallmatrix- Verbundkörpern, die Aluminiumoxidfasern enthalten. Die Figur 7 stellt die Mikrostruktur eines Metallmatrix-Verbundkörpers dar, der nicht gerichtet verfestigt wurde, während die Figur 8 die Mikrostruktur eines Metallmatrix-Verbundkörpers darstellt, der einer gerichteten Verfestigung unterzogen wurde. Die Figur 8 stellt dabei die Mikrostruktur des Metallmatrix-Verbundkörpers dar, der in Beispiel 1 gerichtet verfestigt wurde. Die Linien in der Figur 7, die als 84 bezeichnet sind, geben Bereiche an Porosität oder Hohlraum im Metallmatrix-Verbundkörper an. Eine Analyse der Figur 8 macht deutlich, daß diese Bereiche an Porosität oder Hohlraum entweder wesentlich vermindert oder eliminiert wurden. Somit liefern die Figuren 7 und 8 weitere Hinweise darauf, daß durch die gerichtete Verfestigung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in eine Masse aus Füllstoffmaterial oder eine Vorform hergestellt wurde, eine Verminderung der Porosität oder des Hohlraums und eine gleichmäßigere Mikrostruktur erzielt werden können.
Obwohl für viele der Mittel zur gerichteten Verfestigung, die hier diskutiert werden beschrieben wird, daß sie mit dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper in direktem Kontakt stehen, sollte klar sein, daß diese Beschreibungen lediglich illustrativen Zwecken dienen und daß der Verbundkörper gewöhnlich während der gerichteten Verfestigung in zumindest einem geeigneten feuerfesten Behälter enthalten ist. Somit sollte, wenn für ein spezielles Verfahren zur gerichteten Verfestigung beschrieben wird, daß es mit einem speziellen Bereich des Verbundkörpers in Kontakt steht, klar sein, daß das Mittel zur gerichteten Verfestigung tatsächlich darin bestehen kann, daß es mit demjenigen Ende des Aufbaus in Kontakt steht, das dem beschriebenen Teil des Verbundkörpers am nächsten ist. Die gerichtete Verfestigung von Anordnungen, die Metallmatrix-Verbundkörper enthalten, wird in den folgenden Beispielen veranschaulicht. Man sollte jedoch davon ausgehen, daß diese Beispiele zur Veranschaulichung dienen, und sie sollten nicht so verstanden werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, einschränken sollen.

Beispiel 1

Das folgende Beispiel veranschaulicht die Anwendung einer Technik der gerichteten Verfestigung in Kombination mit einem neuartigen Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix- Verbundkörpers durch eine Technik der spontanen Infiltration, wodurch ein Metallmatrix- Verbundkörper geschaffen wird, der im Vergleich zu einem Metallmatrix-Verbundkörper, der durch eine ähnliche Technik der spontanen Infiltration ohne die Kombination mit einem Schritt der gerichteten Verfestigung hergestellt wurde, eine bessere Zugfestigkeit aufweist.
Eine poröse Vorform, die hier im folgenden als Vorform Nr. 1 bezeichnet wird und Abmessungen von ungefähr 12,7 x 12,7 x 2 cm (5 in x 5 in x 0,8 in) aufwies, wurde in Gegenwart einer Stickstoffatmosphäre durch eine schmelzflüssige, im Handel erhältliche Aluminiumlegierung, die Magnesium enthielt, infiltriert. Die Vorform bestand aus ungefähr 12 Volumenprozent Aluminiumoxidfasern (mindestens 90 Gewichtsprozent der Aluminiumoxidfasern bestand aus der Faser FP, die von der DuPont Company hergestellt wird), und die Aluminiumoxidfasern waren mit kolloidalem Aluminiumoxid verbunden. Das Verhältnis der Gewichte des kolloidalen Aluminiumoxids und der Fasern betrug ungefähr 1:4, und der Rest des Vorformvolumens bestand aus in sich verbundener Porosität. Die Infiltration der Vorform wurde durch die in den folgenden Abschnitten beschriebene Prozedur erreicht.
Wie in der Figur 1 gezeigt wird, wurde eine ungefähr 2,5 cm (1 in) dicke Schicht aus einem Material aus Aluminiumoxid 17 von 1 mm (24 Grit) Teilchengröße, das von der Norton Company hergestellt und unter dem Handelsnamen Alundum verkauft wird, in den unteren Teil eines Schiffchens 10 aus Graphit gegeben. Ein Kasten 12, der aus einem 0,4 mm (15/1000 in) dicken GTB-Graphitband geformt war, das von Union Carbide hergestellt und unter dem Handelsnamen Grafoil verkauft wird, wurde auf die Oberseite der 2,5 cm (1 in) dicken Schicht 17 aus Alundum gegeben, die in dem Graphitschiffchen 10 enthalten war. Der Grafoil-Kasten 12 wurde durch Aufeinanderstapeln von Teilen geeigneter Größe aus Grafoil und anschließendes Abdichten der Fugen mit einem Brei hergestellt, der durch Vermischen von Graphitpulver (KS-44 von Lonza, Inc.) und kolloidalem Siliziumoxid (Ludox HS von DuPont) hergestellt wurde. Das Gewichtsverhältnis von Graphit zu kolloidalem Siliziumoxid betrug ungefähr 1:3.
Nachdem der Grafoil-Kasten 12 auf die Oberseite der ursprünglichen Schicht 17 aus Alundum gegeben worden war, wurde weiteres Alundum 14 dem Graphitschiffchen zugegeben, und zwar außerhalb des Kastens 12 aus Grafoil, bis das Niveau des resultierendes Bettes 14 aus Alundum im Graphitschiffchen 10 ungefähr auf gleicher Höhe mit dem Kasten 12 aus Grafoil lag. An dieser Stelle wurde die Vorform Nr. 1, die in Figur 1 als 16 bezeichnet ist, in den unteren Teil der Kasten 12 aus Grafoil gesetzt, und ein Block 18 aus im Handel erhältlicher 520.2-Legierung, der ungefähr 12 x 12 x 1,3cm (4 3/4 in x 4 3/4 in x 1/2 in) maß, wurde auf die Oberseite der Vorform 16 gegeben.
Der Aufbau aus dem Graphitschiffchen 10 und seinem Inhalt wurde in einen elektrischen Widerstandsschmelzofen mit kontrollierter Atmosphäre (d.h. einen Vakuumschmelzofen) von Raumtemperatur gegeben. Der Schmelzofen wurde dann bei Raumtemperatur evakuiert, bis ein gutes Vakuum (ungefähr 1,3 x 10&supmin;² Pa (1 x 10&supmin;&sup4; Torr)) erreicht wurde. Nach dem Erreichen des Vakuums wurde die Temperatur im Schmelzofen innerhalb von 45 Minuten auf ungefähr 200ºC erhöht und ungefähr 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach dem zweistündigen Halten dieser Temperatur wurde der Schmelzofen wieder mit Stickstoffgas bis zu einem Druck von ungefähr einer Atmosphäre gefüllt, und es wurde ein kontinuierlicher Gasfluß von 2 Litern pro Minute eingestellt. Die Temperatur im Schmelzofen wurde dann über einen Zeitraum von 5 Stunden auf ungefähr 700ºC erhöht und für ungefähr 20 Stunden bei 700ºC gehalten. Nach der 20stündigen Heizperiode wurde der Schmelzofen abgeschaltet, und man ließ den Aufbau im Schmelzofen auf Umgebungstemperatur abkühlen.
Nachdem der Aufbau die Umgebungstemperatur erreicht hatte, wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entnommen und auseinandergenommen. Der aus diesem Aufbau erhaltene Metallmatrix-Verbundkörper wurde in zwei gleich große Stücke geschnitten, und eines der Stücke, das im folgenden als Stück A bezeichnet wird, wurde einer Hitzebehandlung in einer T4-Lösung unterzogen. Die Hitzebehandlung in der T4-Lösung bestand aus dem Einweichen des Metallmatrix-Verbundkörpers bei ungefähr 432ºC für ungefähr 18 Stunden und dem sofort anschließenden Abschrecken des Metallmatrix-Verbundkörpers in kochendem Wasser bei 100ºC für ungefähr 20 Sekunden. Das andere Stück des Metallmatrix-Verbundkörpers, das hier im folgenden als Stück B bezeichnet wird, wurde keiner Hitzebehandlung unterzogen.
Eine zweite Vorform, die hier im folgenden als Vorform Nr. 2 bezeichnet wird und die aus den gleichen Materialien wie die Vorform Nr. 1 bestand, aber Abmessungen von 14,6 x 14,6 x 2 cm (5 3/4 in x 5 3/4 in x 0,8 in) aufwies, wurde in einer Stickstoffatmosphäre durch eine im Handel erhältliche Aluminiumlegierung, die Magnesium enthielt, infiltriert. Die Infiltration der Vorform wurde durch die in den folgenden Abschnitten beschriebene Prozedur erreicht.
Wie in der Figur 2 gezeigt wird, wurde ein Kasten 22 aus Grafoil von 14,6 x 14,6 x 7,6cm (5 3/4 in x 5 3/4 x 3 in), der auf die oben beschriebene Weise hergestellt worden war, in einen Kasten 24 aus rostfreiem Stahl mit den Abmessungen 15,2 x 15,2 x 16,5cm (6 in x 6 in x 6 1/2 in) gesetzt. Die Vorform (Vorform Nr. 2), die in Figur 2 als 26 bezeichnet ist, wurde in den Grafoil- Kasten 22 gesetzt, und ein Gußkörper 28 aus im Handel erhältlicher Aluminiumlegierung 520.2 von ungefähr 8,9 x 8,9 x 1,3 cm (3 1/2 in x 3 1/2 in x 1/2 in) wurde auf die Oberseite der Vorform 26 gesetzt. Die Oberseite des Kastens 24 aus rostfreiem Stahl wurde dann mit einer Platte 30 von 3,2 mm (1/8 in) Dicke aus einem Isoliermaterial, das von McNeil Refractories Inc. hergestellt und unter dem Handelsnamen Fiberfrax Duraboard&supmin; HD vertrieben wird, bedeckt. Der Aufbau aus der Fiberfrax-Platte 30, die den Kasten aus rostfreiem Stahl 24 und seinen Inhalt bedeckte, wurde in einen elektrischen Widerstandsofen mit einer kontrollierten Atmosphäre (d.h. einem Vakuumofen) von Raumtemperatur gegeben. Der Schmelzofen wurde dann bei Raumtemperatur evakuiert, bis ein gutes Vakuum (ungefähr 1,3 x 10&supmin;² Pa (1 x 10&supmin;² Torr)) erreicht wurde. Nachdem das Vakuum erreicht worden war wurde der Schmelzofen bei Raumtemperatur mit Stickstoffgas bis zu einem Druck von ungefähr einer Atmosphäre gefüllt, und es wurde ein kontinuierlicher Gasfluß mit einer Geschwindigkeit von 2500 cm³/Minute eingestellt. Die Temperatur im Schmelzofen wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC/Stunde auf ungefähr 725ºC erhöht. Der Schmelzofen wurde ungefähr 15 Stunden bei ungefähr 725ºC gehalten, und während dieser Zeit schmolz der Block aus der Aluminiumlegierung und infiltrierte spontan die Vorform.
Nach der 15-stündigen Heizperiode ließ man den Schmelzofen auf ungefähr 675ºC abkühlen. Bei dieser Temperatur wurde der Aufbau aus dem Schmelzofen entfernt und, wie in Figur 3 gezeigt wird, auf die Oberseite einer Stahlplatte 34 gegeben, die oben auf zwei Graphitplatten 36 gelagert war. Weiterhin wurden, wie in Figur 3 gezeigt ist, vier feuerfeste Ziegel 38 um den Kasten aus rostfreiem Stahl 24 angeordnet, um den Aufbau zu isolieren und die Legierung während des gerichteten Verfestigungsprozesses im schmelzflüssigen Zustand zu halten. Jeder der feuerfesten Ziegel 38 befand sich in Kontakt mit einer der vier Seiten des Kastens 24 aus rostfreiem Stahl. Die gerichtete Verfestigung der schmelzflüssigen Legierung im Aufbau erfolgte durch die Absorption der Wärmeenergie durch die Graphitplatten 36, die aus dem Aufbau durch die Stahlplatte 34 abgezogen wurde. Somit übertrug die Stahlplatte 34 die Wärme aus dem unteren Teil des Aufbaus auf die Graphitplatten 36, die als eine Wärmesenke fungierten. Auf diese Weise wurde der Aufbau von seiner Unterseite in Richtung der überschüssigen Legierung 35 auf seiner Oberfläche gerichtet abgekühlt.
Nach dem Abkühlen unter die Verfestigungstemperatur der Aluminiumlegierung wurde der Aufbau auseinandergenommen, und es wurde ein Metallmatrix-Verbundkörper erhalten. Der Metallmatrix-Verbundkörper wurde in vier gleich große Stücke geschnitten. Das erste Stück, das hier im folgenden als Stück C bezeichnet wird, wurde einer T4-Wärmebehandlung unterzogen. Diese Wärmebehandlung wird oben beschrieben. Das zweite Stück, das hier im folgenden als Stück D bezeichnet wird, wurde keiner Wärmebehandlung unterzogen.
Die vier Stücke, d.h. die Stücke A, B, C und D, wurden einer standardisierten Zugfestigkeitsmessung unterworfen, die im folgenden Abschnitt beschrieben ist.
Von jedem Stück aus Metallmatrix-Verbundmaterial wurden Teststücke von ungefähr 2,5 mm (0,10 in) Dicke, ungefähr 1,3 cm (0,50 in) Breite und ungefähr 12,7 cm (5 in) Länge abgeschnitten. Die Abmessungen der Stücke richteten sich nach der ASTM Std. D 3552-77 (erneut zugelassen 1982), Figur 1, Muster B, außer daß der Radius des verwendeten keramischen Rohrkondensators mit radialen Leitungen nominal 10,2 cm (4 in) betrug. Jedes Stück wurde in geeignete Halterungen einer Testmaschine eingespannt, und es wurde eine Belastung (durch Ziehen an einem Ende des Stückes) mit einer in etwa konstanten Zugstangengeschwindigkeit von 0,508 mm/min (0,02 in/min) angelegt, bis das Teststück versagte. Die Ergebnisse dieser Zugfestigkeitsmessungen sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.
Die in Tabelle 1 zusammengefaßten Ergebnisse zeigen, daß die Anwendung der gerichteten Verfestigung bei der Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers die Zugfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers verbessern kann. Zusätzlich kann eine Hitzebehandlung eines gerichtet verfestigten Metallmatrix-Verbundkörpers die Zugfestigkeit weiter erhöhen. Man nimmt an, daß die dramatische Steigerung der Zugfestigkeit, die bei der gerichteten Verfestigung erfolgt, das Ergebnis der Reduzierung der Porosität oder des Hohlraums im Metallmatrix-Verbundkörper ist. Diese Verminderung der Porosität oder des Hohlraums erhöht die belastbare Fläche, wodurch die Zugfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers erhöht wird.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel veranschaulicht die Anwendung einer Technik der gerichteten Verfestigung in Kombination mit einem neuartigen Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix- Verbundkörpers durch eine spontane Technik, wobei ein Metallmatrix-Verbundkörper geschaffen wird, der im Vergleich zu einem ähnlich gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper, der keiner gerichteten Verfestigung unterworfen wurde, weniger Porosität und Hohlräume aufweist.
Wie in Figur 4 gezeigt wird, wurden ungefähr 263 g eines grünen Siliziumkarbids von 5 um (1000 Grit), der von Norton Co. hergestellt und unter dem Handelsnamen 39 Crystolon vertrieben wird, mit ungefähr 2 Gewichtsprozent (5,8 g) gepulverten Magnesiums vermischt, wobei die Mischung als 50 beziffert ist, und die Mischung 50 wurde in einen Kasten 40 mit den ungefähren Abmessungen 15,2 x 7,6 x 12,7 cm (6 in x 3 in x 5 in) gegeben, der aus ungefähr 2,5 mm (1/10 in) dickem Kohlenstoffstahl 42 hergestellt war und eine innere Auskleidung 44 aus einem GTB- Graphitbandprodukt von 0,4 mm (15/1000 in) Dicke, das unter dem Handelsnamen Grafoil bekannt ist und von Union Carbide hergestellt wird, aufwies. Die Außenseite des Kastens 40 war mit 3,2 mm (1/8 in) dickem vorgebranntem Fiberfrax-Duraboard&supmin; HD, das von McNeil Refractories Inc. hergestellt wird und in Figur 4 als 46 beziffert ist, verkleidet. Ein Block 48 von ungefähr 520,2 g aus einer TABELLE 1 Stück Legierung Temp. (ºC)/Zeit (Stunden) Hitzebehandlung Sonstiges Zugfestigkeit (kPa) ((ksi) ) keine im Ofen abgekühlt gerichtet verfestigt
Aluminiumlegierung, die 12 Gewichtsprozent Silizium, 5 Gewichtsprozent Zink, 6 Gewichtsprozent Magnesium, der Rest Aluminium, aufwies, wurde auf die Oberseite des Bettes 50 aus einer Mischung aus Siliziumkarbid von 5 um (1000 Grit) und Magnesium gegeben. Dieser Aufbau wurde auf die Oberseite einer 3,2 mm (1/8 in) dicken Platte 52 aus dem oben beschriebenen Fiberfrax- Material gegeben, das im Unterteil eines Behälters 54 aus rostfreiem Stahl, der eine Stickstoff- Zuleitung 56 und eine Abdeckung 58 aus einem Kupferblech aufwies. Ein Titanschwamm 60 wurde in den Behälter aus rostfreiem Stahl, aber außerhalb des Fiberfrax 46, das die Mischung 50 und die Aluminiumlegierung 48 enthielt, gegeben. Der Titanschwamm 60 wurde als Sauerstoff-Fänger in den Behälter 54 gegeben. Der Behälter 54 wurde in einen elektrischen Widerstandsofen gegeben, der offen gegenüber der Luft war, und in einem Zeitraum von ungefähr 40 Minuten von Umgebungstemperatur auf ungefähr 250ºC aufgeheizt; eine Stunde bei ungefähr 250ºC gehalten; gleichmäßig innerhalb eines Zeitraums von ungefähr 3 Stunden auf ungefähr 800ºC erhitzt; ungefähr 2,5 Stunden bei ungefähr 800ºC gehalten; und dann bei ungefähr 800ºC aus dem Schmelzofen entnommen. Während sich der Behälter im Schmelzofen befand, wurde Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5 Liter/min durch die Zuleitung 56 dem Inneren des Behälters 54 zugeführt, und der Druck im Schmelzofen wurde bei ungefähr einer Atmosphäre aufrechterhalten. Nach dem Entfernen aus dem Schmelzofen bei ungefähr 800ºC wurde der Aufbau auf einer wassergekühlten kupfernen Kühlplatte für ungefähr 1/2 Stunde gerichtet verfestigt und dann in Wasser von Raumtemperatur eingetaucht.
Nach dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Aufbau aus dem Wasser entnommen und auseinandergenommen. Die Untersuchung des Metallmatrix-Verbundkörpers, der aus dem Aufbau erhalten worden war, ergab, daß der Verbundkörper weniger Porosität oder Hohlraum als frühere Metallmatrix-Verbundkörper, die ohne gerichtete Verfestigung hergestellt worden waren, aufwies.
Obwohl vorrangig die obigen Beispiele beschrieben wurden, können einem durchschnittlichen Fachmann verschiedene Modifikationen einfallen, und es sollte davon ausgegangen werden, daß alle diese Modifikationen im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:

- Bereitstellen von (1) einem im wesentlichen nicht-reaktiven Füllstoffmaterial, wobei das genannte Füllstoffmaterial aus keramischen Füllstoffen ausgewählt ist, die nicht chemisch vorbehandelte B&sub4;C, Bor und Boride sind, sowie aus beschichteten Füllstoffmaterialien einschließlich keramisch beschichteter Fasern, und (2) einem Matrixmetall, und

- bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls und in Gegenwart von (3) wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einem Infiltrationsverstärker sowie (4) einer Infiltrationsatmosphäre, die die spontane Infiltration des Matrixmetalls ermöglicht oder verstärkt und in Verbindung mit wenigstens einem von dem Matrixmetall und dem Füllstoff wenigstens an einen Punkt des Verfahrens steht, Bewirken, daß das Matrixmetall wenigstens einen Teil des Füllstoffs unter Ausbildung einer spontan infiltrierten Masse spontan infiltriert und

- gerichtetes Verfestigen wenigstens eines Teils der genannten spontan infiltrierten Masse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer von dem genannten Infiltrationsverstärker-Vorläufer und dem genannten Infiltrationsverstärker wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem Füllstoff und der Infiltrationsatmosphäre zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Füllstoff eine Vorform umfaßt.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem die Stufe der Festlegung wenigstens einer Oberflächengrenze des Füllstoffs mit einer Sperrschicht umfaßt und bei dem das Matrixmetall den Füllstoff bis zu der Sperrschicht spontan infiltriert.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Füllstoff im wesentlichen ein nichtreaktives Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokügelchen, Whiskers, Hohlkügelchen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, Kügelchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben besteht.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur während der spontanen Infiltration höher liegt als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls, jedoch niedriger als die Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls sowie der Schmelzpunkt des Füllstoffs.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die genannte Stufe der gerichteten Verfestigung durchgeführt wird, nachdem die spontane Infiltration wenigstens im wesentlichen abgeschlossen ist, oder während des Zeitraums der spontanen Infiltration.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Stufe der gerichteten Verfestigung wenigstens eine der Maßnahmen umfaßt: Inberührungbringen einer Oberfläche der spontan infiltrierten Masse mit wenigstens einem von einer Wärmesenke und einem Fluidkörper, die allmähliche Entfernung der genannten spontan infiltrierten Masse aus einer Wärmequelle, Versehen wenigstens eines Teils wenigstens einer Oberfläche der spontan infiltrierten Masse mit einem Blockaufsatz sowie Erhitzen wenigstens eines Teils wenigstens einer Oberfläche der spontan infiltrierten Masse, während man den Teil der genannten Masse, der nicht erhitzt wird, abkühlen läßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der genannte Fluidkörper wenigstens eines von einem strömenden Fluid und einem im wesentlichen stationären Fluid umfaßt.