DE68912523T2

DE68912523T2 - Verfahren zur Reproduktion der inversen Form von Verbundwerkstoff-Körpern mit Metallmatrix.

Info

Publication number: DE68912523T2
Application number: DE89630166T
Authority: DE
Inventors: Andrew Willard Urquhart; Danny Ray White
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: JP2905514B2; NO893980D0; FI894928A0; ZA898540B; NO176185C; FI91832C; AU4164189A; AU626582B2; BR8905616A; KR900007526A; ATE100499T1; PT92257B; EP0368783B1; IE893174L; CA2000775A1; NZ231070A; DK558389A; TR25274A; KR0121458B1; CN1082568C

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch eine spontane Infiltrierungstechnik und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die gemäß diesem Verfahren hergestellt wurden. Insbesondere wird ein Block aus Matrixmetall zu einem Muster geformt, das in der Form im wesentlichen komplementär zu einem Hohlraum ist, der innerhalb eines Metallmatrix-Verbundkörpers auszubilden ist. Der geformte Block des Matrixmetalls wird von einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial umgeben, die unter den Verfahrensbedingungen dem geformten Block des Matrixmetalls konform anpaßbar ist. Ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer und eine Infiltrierungsverstärkervorläufer sowie eine Infiltrierungsatmosphäre stehen auch mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens miteinander in Verbindung, was es gestattet, daß der geformte Block des Matrixmetalls, wenn er schmelzflüssig gemacht wird, die umgebende permeable Masse Füllstoffmaterial spontan infiltriert. Nach einer solchen spontanen Infiltrierung wird ein Metallmatrix-Verbundkörper hergestellt, der einen Hohlraum umfaßt, der in seiner Form im wesentlichen dem ursprünglich geformten Block des Matrixmetalls entspricht.

Hintergrund der Erfindung

Verbundkörperprodukte, die ein Matrixmetall und eine Verstärkungsphase, wie keramische Teilchen, Einkristallfäden, Fasern oder dergleichen, aufweisen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend, da sie etwas von der Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der Verstärkungsphase mit der Verformbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Im allgemeinen zeigt ein Metallmatrix-Verbundkörper eine Verbesserung solcher Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Festigkeitsbeibehaltung bei hohen Temperaturen mit Bezug auf das Matrixmetall in monolithischer Form, aber der Grad, zu dem irgendeine gegebene Eigenschaft verbessert werden kann, hängt großenteils ab von den spezifischen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil und wie sie zur Bildung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundkörper auch ein leichteres Gewicht als das Matrixmetall als solches haben. Aluminiummatrix-Verbundkörper, die mit Keramik verstärkt sind, wie Siliciumcarbid in Teilchen-, Blättchen- oder Einkristallfadenform, sind beispielsweise aufgrund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und hohen Temperaturfestigkeit mit Bezug auf Aluminium von Interesse.
Verschiedene metallurgische Verfahren wurden für die Herstellung von Aluminiummatrix-Verbundkörpern, einschließlich Verfahren auf der Grundlage von Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrierungstechniken, beschrieben, die Druckguß-, Vakuumguß-, Rühr- und Benetzungmittel verwenden. Bei Pulvermetallurgietechniken wird das Metall in der Form eines Pulvers und das Verstärkungsmaterial in der Form eines Pulvers, von Einkristallfäden, zerhackten Fasern usw. beigemischt und dann entweder kalt gepreßt und gesintert oder heiß gepreßt. Der maximale keramische Volumenanteil bei Aluminiummatrix-Verbundkörpern, die mit Siliciumcarbid verstärkt sind und durch dieses Verfahren hergestellt wurden, beträgt laut Angaben etwa 25 Vol.-% im Fall von Einkristallfäden und etwa 40 Vol.-% im Fall von Teilchen.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch Pulvermetallurgieverfahren unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren legt den Charakteristiken der erzielbaren Produkte bestimmte Beschränkungen auf. Der Volumenanteil der keramischen Phase in dem Verbundkörper ist typischerweise in dem Fall von Teilchen auf etwa 40% beschränkt. Der Preßvorgang setzt der erzielbaren praktischen Größe auch eine Grenze. Nur relativ einfache Produktformen sind ohne nachträgliches Bearbeiten (d.h. Formen oder spanendes Bearbeiten) oder ohne auf komplexe Pressen zurückzugreifen möglich. Auch kann ein nicht gleichförmiges Schrumpfen während des Sinterns auftreten sowie auch eine Ungleichmäßigkeit der Mikrostruktur aufgrund der Segregation in den Preßlingen und dem Kornwachstum.
Das US Patent 3 970 136 von J. C. Cannell et al., erteilt am 20. Juli 1976, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, in dem eine faserförmige Verstärkung enthalten ist, beispielsweise Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxideinkristallfäden mit einem vorbestimmten Muster der Faserorientierung. Der Verbundkörper wird hergestellt, indem parallele Matten oder Filze coplanarer Fasern in eine Form mit einem Reservoir von schmelzflüssigem Matrixmetall, beispielsweise Aluminium, zwischen mindestens einige der Matten verbracht werden, und Druck angewendet wird, um das schmelzflüssige Metall zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umgeben. Schmelzflüssiges Metall kann auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es unter Druck gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beschickungen von bis zu etwa 50 Vol.- % der Verstärkungsfasern in dem Verbundkörper berichtet.
Das vorstehend beschriebene Infiltrierungsverfahren unterliegt in Anbetracht seiner Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu zwingen, den Launen von druckinduzierten Fließverfahren, das heißt, einer möglichen Nichtgleichförmigkeit der Matrixbildung, Porosität usw.. Die Nichtgleichförmigkeit der Eigenschaften ist möglich, selbst wenn schmelzflüssiges Metall an einer Vielzahl von Stellen innerhalb der faserförmigen Anordnung eingeführt werden kann. Folglich müssen komplizierte Matten-/Reservoiranordnungen und Fließwege vorgesehen sein, um eine adäquate und gleichförmige Durchdringung des Stapels von Fasermatten zu erzielen. Das vorstehend erwähnte Druckinfiltrierungsverfahren gestattet auch nur eine relativ geringe Verstärkung mit Bezug auf den zu erzielenden Matrixvolumenanteil, aufgrund der der Infiltrierung eines großen Mattenvolumens innewohnenden Schwierigkeit. Weiterhin sind Formen erforderlich, um das schmelzflüssige Metall unter Druck zu enthalten, was das Verfahren verteuert. Außerdem ist das vorstehende Verfahren, das auf die Infiltrierung ausgerichteter Teilchen oder Fasern beschränkt ist, nicht auf die Bildung von Aluminiummetall-Matrixverbundkörpern gerichtet, die mit Materialien in der Form von zufällig orientierten Teilchen, Einkristallfäden oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von mit Aluminiumoxid gefüllten Aluminiummatrix-Verbundkörpern benetzt Aluminium das Aluminiumoxid nicht leicht, wodurch es schwierig gemacht wird, ein zusammenhängendes Produkt zu bilden. Verschiedene Lösungen dieses Problems wurden vorgeschlagen. Ein solcher Ansatz ist die Beschichtung des Aluminiumoxids mit einem Metall (beispielsweise Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium heiß gepreßt wird. Bei einer anderen Technik wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Diese Verbundkörper weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf oder die Überzüge können den Füllstoff verschlechtern oder die Matrix enthält Lithium, welches die Matrixeigenschaften beeinträchtigen kann.
Das US Patent 4 232 091 von R. W. Grimshaw et al. überwindet bestimmte Schwierigkeiten des Stands der Technik, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxidverbundkörpern auftreten. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um schmelzflüssiges Aluminium (oder schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine faserförmige oder Einkristallfadenmatte von Aluminiumoxid zu zwingen, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt wurde. Das maximale Volumenverhältnis des Aluminiumoxids zum Metall in dem sich ergebenden massiven Gußteil betrug 0,25/1. Aufgrund seiner Abhängigkeit von einer äußeren Kraft zur Bewirkung der Infiltrierung, unterliegt dieses Verfahren vielen der gleichen Nachteile wie das von Cannell et. al.
Die EP-A-115 742 beschreibt die Herstellung von Aluminium- Aluminiumoxidverbundkörpern, die insbesondere brauchbar als elektrolytische Zellbestandteile sind, durch Füllen der Leerräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit schmelzflüssigem Aluminium. Die Anmeldung betont die Nichtbenetzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und deshalb werden verschiedene Techniken verwendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Das Aluminiumoxid wird beispielsweise mit einem Benetzungsmittel eines Diborids von Titan, Zirconium, Hafnium oder Niobium, oder mit einem Metall, das heißt Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium überzogen. Inerte Atmosphären wie Argon werden verwendet, um die Benetzung zu erleichtern. Diese Druckschrift zeigt auch die Anwendung von Druck, um zu bewirken, daß schmelzflüssiges Aluminium in eine nicht überzogene Matrix eindringt. Bei diesem Aspekt wird die Infiltrierung bewirkt, indem die Poren evakuiert werden und dann Druck auf das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise Argon, ausgeübt wird. Alternativ kann die Vorform durch Dampfphasen- Aluminiumabscheidung infiltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Leerräume durch Infiltrierung mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um die Beibehaltung des Aluminiums in den Poren der Vorform sicherzustellen, ist eine Wärmebehandlung, beispielsweise bei 1400 bis 1800ºC entweder in einem Vakuum oder in Argon erforderlich. Sonst würde entweder die Aussetzung des druckinfiltrierten Materials an Gas oder die Entfernung des Infiltrierungdrucks den Verlust von Aluminium aus dem Körper verursachen.
Die Verwendung von Benetzungsmitteln zur Bewirkung der Infiltrierung einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der EP-A-94 353 gezeigt. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle mit einem Kathodenstromzuführer als Zellauskleidung oder -substrat. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug einer Mischung eines Benetzungsmittels und eines Löslichkeitssuppressors auf das Aluminiumoxidsubstrat vor der Anlaufperiode der Zelle aufgetragen oder während sie in dem durch das elektrolytische Verfahren hergestellten, schmelzflüssigen Aluminium eingetaucht ist. Die offenbarten Benetzungsmittel sind Titan, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niobium oder Calcium, und Titan wird als bevorzugtes Mittel genannt. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in schmelzflüssigem Aluminium beschrieben. Die Druckschrift schlägt jedoch die Herstellung von Matrixmetall-Verbundkörpern nicht vor und schlägt auch nicht die Bildung eines solchen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre vor.
Zusätzlich zu der Anwendung von Druck und der Verwendung von Benetzungsmitteln wurde offenbart, daß ein angewandtes Vakuum bei dem Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen, keramischen Preßling hilft. Das US Patent 3 718 441 von R. L. Landingham, erteilt am 27. Februar 1973, berichtet beispielsweise über die Infiltrierung eines keramischen Preßlings (beispielsweise Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) mit entweder schmelzflüssigem Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch das schmelzflüssige Metall in dem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die Keramikleerräume floß. Es wurde jedoch gesagt, daß die Benetzung verbessert war, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr verringert wurde.
Das US Patent 3 864 154 von G.E. Gazza et al., erteilt am 4. Februar 1975, zeigt auch die Verwendung von Vakuum, um die Infiltrierung zu erzielen. Dieses Patent beschreibt das Beschicken eines kaltgepreßten Preßlings aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett von kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Zusätzliches Aluminium wurde dann auf den AlB&sub1;&sub2;-Pulverpreßling gelegt. Der Schmelztiegel, der mit dem AlB&sub1;&sub2;-Preßling, sandwichartig zwischen den Schichten von Aluminiumpulver angeordnet, beschickt war, wurde in einen Vakuumofen verbracht. Der Ofen wurde auf etwa 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um das Ausgasen zu gestatten. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und während eines Zeitraums von 3 Stunden beibehalten. Unter diesen Bedingungen drang das schmelzflüssige Aluminium in den porösen AlB&sub1;&sub2;-Preßling ein.
Das US Patent 3 364 976 von John N. Reding et al., erteilt am 23. Januar 1968, offenbart das Konzept der Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung des Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper. Spezifisch wird offenbart, daß ein Körper, beispielsweise eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in einem schmelzflüssigen Metall eingetaucht ist. In dem Fall einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem mit dem Metall reaktionsfähigen Gas gefüllt ist, mit dem sich außen befindenden, schmelzflüssigen Metall durch mindestens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, tritt ein Füllen des Hohlraums auf, während das selbsterzeugte Vakuum aus der Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall erzeugt wird. Insbesondere ist das Vakuum ein Ergebnis der Bildung einer festen, oxidierten Form des Metalls. So offenbaren Reding et al., daß es wesentlich ist, eine Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall herbeizuführen. Die Verwendung einer Form zur Schaffung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der inhärenten Beschränkungen unerwünscht sein, die mit der Verwendung einer Form verbunden sind. Formen müssen zuerst spanend zu einer bestimmten Form bearbeitet werden, dann müssen sie endbearbeitet werden, spanend bearbeitet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form herzustellen, dann müssen sie vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden, dann müssen sie nach ihrer Verwendung auseinandergebaut werden, um das gegossene Stück daraus zu entfernen und dann muß die Form zurückgewonnen werden, was höchstwahrscheinlich ein Nachbearbeiten der Oberflächen der Form oder ein Wegwerfen der Form, falls sie nicht länger zur Verwendung annehmbar ist, umfaßt. Die spanende Bearbeitung einer Form zu einer komplexen Gestalt kann sehr kostspielig und zeitraubend sein. Außerdem kann das Entfernen eines geformten Stücks aus einer komplex geformten Form auch schwierig sein (d.h. gegossene Stücke mit einer komplexen Gestalt können brechen, wenn sie aus der Form entfernt werden). Während es einen Vorschlag gibt, daß ein poröses, feuerfestes Material direkt in einem schmelzflüssigen Metall ohne die Notwendigkeit einer Form eingetaucht werden kann, müßte das feuerfeste Material weiterhin ein einstückiges Stück sein, weil es keine Vorkehrung zur Infiltrierung eines losen oder getrennten porösen Materials gibt, falls keine Behälterform verwendet wird (das heißt, es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material sich typischerweise dissoziiert oder voneinander wegschwimmt, wenn es in ein schmelzflüssiges Metall verbracht wird). Falls es erwünscht ist, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, müßten außerdem Vorkehrungen getroffen werden, so daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Teile des teilchenförmigen Materials oder der Vorform verdrängt, was zu einer nicht homogenen Mikrostruktur führt.
Entsprechend bestand seit langem ein Bedarf nach einem einfachen und zuverlässigen Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, welches sich nicht auf die Verwendung von angewandtem Druck oder Vakuum (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen) oder beschädigende Benetzungsmittel zur Schaffung einer Metallmatrix verläßt, in der ein weiteres Material, wie ein keramisches Material, eingebettet ist. Außerdem besteht seit langem ein Bedarf zur Minimierung der Anzahl an abschließenden spanenden Bearbeitungsvorgängen, die benötigt werden, um einen Metallmatrix-Verbundkörper herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse, indem sie einen spontanen Infiltrierungsmechanismus zur Infiltrierung eines Materials (beispielsweise eines keramischen Materials), das zu einer Vorform geformt ist, mit schmelzflüssigem Matrixmetall (beispielsweise Aluminium) in Gegenwart einer Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise Stickstoff) und unter normalen atmosphärischen Drücken geformt wird, vorsieht, solange ein Infiltrationsverstärker mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens anwesend ist.

Beschreibung der sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen

Der Gegenstand dieser Anmeldung bezieht sich auf den Gegenstand von verschiedenen anderen, gleichzeitig anhängigen und sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen. Insbesondere beschreiben diese anderen, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen neue Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpermaterialien (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Metallmatrix-Patentanmeldungen" bezeichnet).
Ein neues Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpermaterials ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-291 441 offenbart. Gemäß dem Verfahren der EP- A 291 441 wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch Infiltrieren einer permeablen Masse des Füllstoffmaterials (beispielsweise einer Keramik oder eines mit Keramik überzogenen Materials) hergestellt, wobei das schmelzflüssige Aluminium mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium, enthält. Die Infiltrierung erfolgt spontan ohne die Anwendung von äußerem Druck oder Vakuum. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metall-Legierung wird mit der Masse des Füllstoffmaterials bei einer Temperatur von mindestens etwa 675ºC in Anwesenheit eines Gases in Berührung gebracht, das etwa 10 bis 100 Vol.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-%, Stickstoff enthält, und ein Rest des Gases, falls vorhanden, ein nichtoxidierendes Gas ist, beispielsweise Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse unter normalen Atmosphärendrücken zur Bildung eines Aluminium-(oder Aluminiumlegierungs-)Matrix-Verbundkörpers. Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials mit der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise reicht der Vorrat von zugeführter schmelzflüssiger Legierung aus, um zu gestatten, daß die Infiltrierung im wesentlichen zu den Grenzen der Masse des Füllstoffmaterials fortschreitet. Die Menge des Füllstoffmaterials in den gemäß der Erfindung der EP-A-291 441 hergestellten Aluminiummatrix-Verbundkörpern kann äußerst hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Verfahrensbedingungen der vorstehenden Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als diskontinuierliche Phase, die in der gesamten Aluminiummatrix dispergiert 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, variieren. So ist es durch Steuerung von einem oder mehreren dieser Faktoren in dem System möglich, bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßzuschneidern. Für einige Endverbrauchsanwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß der Verbundkörper wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltrierung begünstigen, aber das Verfahren der Nitridbildung gegenüber geneigter machen. Die Erfindung der EP-A 291 441 gestattet die Wahl eines Gleichgewichts zwischen der Infiltrierungskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für geeignete Sperrschichten zur Verwendung mit der Metallmatrix-Verbundkörperbildung ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-323 945 beschrieben. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird eine Sperrschicht (beispielsweise teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie ein flexibles Graphitbandprodukt, vertrieben von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil ) auf einer definierten Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials angeordnet, und eine Matrix-Legierung infiltriert bis zu der durch die Sperrschicht definierten Grenze. Die Sperrschicht wird verwendet, um die Infiltrierung der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch Netto- oder nahezu Nettoformen in dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper geschaffen werden. Entsprechend haben die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form, die im wesentlichen der inneren Form der Sperrschicht entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291 441 wurde durch die sich im gemeinsamen Besitz befindende EP-A-333 629 verbessert. In Übereinstimmung mit den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offenbart sind, ist eine Matrixmetall-Legierung als erste Quelle des Metalls und als Reservoir der Matrixmetall- Legierung vorhanden, das mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Metalls aufgrund von beispielsweise Schwerkraftfluß in Verbindung steht. Insbesondere unter den in dieser Patentanmeldung beschriebenen Bedingungen beginnt die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse des Füllstoffmaterials unter normalen atmosphärischen Drücken zu infiltrieren und beginnt so die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers. Die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixmetall-Legierung wird während ihrer Infiltrierung in die Masse des Füllstoffmaterials verbraucht und kann, falls gewünscht, vorzugsweise durch eine kontinuierliche Einrichtung aus dem Reservoir des schmelzflüssigen Matrixmetalls nachgefüllt werden, während sich die spontane Infiltrierung fortsetzt. Wenn eine gewünschte Menge des permeablen Füllstoffs spontan durch die schmelzflüssige Matrix-Legierung infiltriert wurde, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Reservoirs von Metall einfach eine Ausführungsform der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Erfindung ist, und es nicht notwendig ist, die Reservoirausführungsform mit jeder der alternativen Ausführungsformen der Erfindung, die dort offenbart sind, zu kombinieren, von denen einige auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden können.
Das Reservoir des Metalls kann in einer solchen Menge vorhanden sein, daß es für eine ausreichende Menge an Metall sorgt, um die permeable Masse des Füllstoffmaterials in einem vorbestimmten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann eine wahlweise Sperrschicht die permeable Masse des Füllstoffs auf mindestens einer Seite davon kontaktieren, um eine Oberflächengrenze zu definieren.
Außerdem könnte, während die Zuführung der zugeführten schmelzflüssigen Matrixlegierung mindestens ausreichend sein sollte, um es der spontanen Infiltrierung zu gestatten, im wesentlichen zu den Grenzen (beispielsweise den Sperrschichten) der permeablen Masse des Füllstoffmaterials fortzuschreiten, die Menge an der in dem Reservoir vorhandenen Legierung eine solche ausreichende Menge übersteigen, so daß es nicht nur eine ausreichende Menge an Legierung für die vollständige Infiltrierung gibt, sondern die überschüssige schmelzflüssige Metall-Legierung verbleiben und an dem Metallmatrix-Verbundkörper anhaften könnte. So ist, falls eine überschüssige schmelzflüssige Legierung vorliegt, der sich ergebende Körper ein komplexer Verbundkörper (beispielsweise ein Makroverbundkörper), wobei ein infiltrierter keramischer Körper mit einer darin enthaltenen Metallmatrix direkt an das überschüssige Metall, das in dem Reservoir verbleibt, gebunden wird.
Jede der vorstehend erörterten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patentanmeldungen beschreibt Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die danach hergestellt sind. Die gesamten Offenbarungen aller vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patentanmeldungen sind ausdrücklich in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.
Der Gegenstand dieser Anmeldung betrifft auch eine andere, gleichzeitig anhängige und sich im gemeinsamen Besitz befindende Patentanmeldung, die die Herstellung eines neuen keramischen Matrixverbundmaterials betrifft (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Keramikmatrix-Patentanmeldung" bezeichnet).
Insbesondere wird ein inverses Formreplizierungsverfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpergegenstandes in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-234 704 offenbart. In Übereinstimmung mit einem in dieser Patentanmeldung offenbarten Verfahren wird ein geformtes Grundmetall in ein Bett von konform anpaßbarem Füllstoff eingebettet, und das geformte Grundmetall wird dazu veranlaßt, ein Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, das in das Bett aus konform anpaßbarem Füllstoffmaterial wächst, was zu einem Keramikverbundkörper führt, der einen geformten Hohlraum umfaßt, der im wesentlichen der Form des ursprünglichen geformten Grundmetalls entspricht.
Der Gegenstand dieser sich im gemeinsamen Besitz befindenden Keramikmatrix-Patentanmeldung wird ausdrücklich hier durch Bezugnahme aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wird durch das spontane Infiltrieren einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall hergestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Füllstoffmaterial insbesondere ein konform anpaßbarem Material, das anfänglich einen geformten Block aus Matrixmetall mindestens teilweise umgibt. Zu irgendeinem Zeitpunkt des Verfahrens kann der Füllstoff selbsttragend werden. Insbesondere kann die permeable Masse des Füllstoffmaterials selbsttragend werden, indem sie beispielsweise erhöhten Temperaturen und/oder einem Bindemittel und/oder einem Reaktionsmittel usw. ausgesetzt wird. Außerdem wird bevorzugt, daß das permeable Füllstoffmaterial eine ausreichende konforme Anpassungsfähigkeit über einen bestimmten Erhitzungsbereich aufweist, so das es jeglichen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen sich selbst und dem geformten Matrixmetall plus irgendeiner Schmelzpunktvolumenänderung des geformten Matrixmetalls aufnehmen kann.
Außerdem kann bei einer bevorzugten Ausführungsform das Füllstoffmaterial mindestens in einer tragenden Zone davon, die das geformte Matrixmetall umgibt, intrinsisch selbstbindend sein, vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes des geformten Matrixmetalls, aber unterhalb und vorzugsweise in der Nähe der Temperatur liegt, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig gemacht wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Füllstoffmaterial außerdem aufgrund einer Reaktion mit einer Komponente (d.h. einer Infiltrierungsatmosphäre) selbsttragend, der das Füllstoffmaterial mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des spontanen Verfahrens ausgesetzt wird.
Ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer sowie eine Infiltrierungsatmosphäre stehen mit dem Füllstoffmaterial mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung, was es gestattet, daß das geformte Matrixmetall, wenn es schmelzflüssig gemacht wird, im wesentlichen das gesamteFüllstoffmaterial spontan infiltriert.
Wenn eine gewünschte Menge der spontanen Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial erreicht worden ist, wird ein Hohlraum, der der Form des geformten Blocks des Matrixmetalls mindestens teilweise entspricht, in dem spontan infiltrierten Füllstoffmaterial gebildet (d.h. der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper enthält einen Hohlraum).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Füllstoffmaterial einen Infiltrationsverstärkervorläufer enthalten. Das Füllstoffmaterial kann danach mit einer Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung des Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials kontaktiert werden. Ein solcher Infiltrationsverstärker kann vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit der Kontaktierung des schmelzflüssigen Matrixmetalls mit dem Füllstoffmaterial gebildet werden. Außerdem kann eine Infiltrierungsatmosphäre während im wesentlichen des gesamten spontanen Infiltrierungsverfahrens geschaffen werden, und so in Verbindung mit einem Füllstoffmaterial stehen oder es kann alternativ mit dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall nur während eines Teils des spontanen Infiltrierungsverfahrens in Verbindung stehen. Schließlich ist es wünschenswert, daß zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials angeordnet ist.
Außerdem kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens entweder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre zugeführt werden statt einem Infiltrationsverstärkervorläufer dem Füllstoffmaterial zuzuführen. Wiederum sollte schließlich zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials angeordnet sein.
Es ist zu beachten, daß diese Anmeldung hauptsächlich Aluminiummatrixmetalle erörtert, die zu irgendeinem Zeitpunkt während der Bildung des Matrixmetall-Verbundkörpers mit Magnesium kontaktiert werden, das als Infiltrationsverstärkervorläufer dient, in Anwesenheit von Stickstoff, der als Infiltrierungsatmosphäre wirkt. So zeigt das Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären- System vön Aluminium/Magnesium/Stickstoff eine spontane Infiltrierung. Jedoch können andere Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären- Systeme auch ähnlich wie das Aluminium-/Magnesium- /Stickstoff-System wirken. Beispielsweise wurde ein ähnliches spontanes Infiltrierungsverhalten bei dem Aluminium- /Strontium-/Stickstoff-System, dem Aluminium-/Zink-/sauerstoff-System und dem Aluminium-/Calcium-/Stickstoff-System beobachtet. Entsprechend ist zu beachten, daß, obgleich das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System hier hauptsächlich erörtert wird, sich andere Matrixmetall-/Infiltrationsver-Stärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systeme ähnlich verhalten können und von der Erfindung umfaßt werden sollen.
Wenn das Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt, wird die Aluminiumlegierung mit einem Füllstoffmaterial kontaktiert (beispielsweise Aluminiumoxid- oder Siliciumcarbidteilchen), wobei dem Füllstoffmaterial Magnesium beigemischt und/oder diesem zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens ausgesetzt wird. Außerdem sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial mindestens während eines Teils des Verfahren in einer Stickstoffatmosphäre enthalten. Die Vorform wird spontan infiltriert und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und die Bildung der Metallmatrix variieren mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich beispielsweise der Konzentration des dem System zugeführten Magnesiums (beispielsweise in der Aluminiumlegierung und/oder in dem Füllstoffmaterial und/oder in der Infiltrierungsatmosphäre), der Größe und/oder Zusammensetzung der Teilchen in dem Füllstoffmaterial, der Konzentration von Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung erlaubten Zeit und/oder der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Die spontane Infiltrierung tritt typischerweise in einem Ausmaß auf, das ausreichend ist, um im wesentlichen das Füllstoffmaterial vollständig einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie hier verwendet, bedeutet und umfaßt im wesentlichen reines Metall (beispielsweise ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metall-Legierungen, wie die im Handel erhältlichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie beispielsweise Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. darin. Für die Zwecke dieser Definition ist eine Aluminiumlegierung eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, bei der Aluminium der Hauptbestandteil ist.
"Nichtoxidierendes Restgas", wie hier verwendet, bedeutet, daß irgendein Gas, das zusätzlich zu dem Hauptgas vorhanden ist, das die infiltrierende Atmosphäre umfaßt, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen mit dem Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen nicht reaktionsfähig ist. Jegliches oxidierende Gas, das als eine Unreinheit in dem verwendeten Gas (den verwendeten Gasen) vorhanden sein kann, sollte nicht ausreichen, um das Matrixmetall in irgendeinem wesentlichen Ausmaß unter den Verfahrensbedingungen zu oxidieren.
"Sperrschicht", wie hier verwendet, bedeutet jegliches geeignete Mittel, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen von schmelzflüssigem Matrixmetall über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder Vorm Vorform stört, hemmt, verhindert oder beendet, wo eine solche Oberflächengrenze von der Sperrschicht definiert ist. Geeignete Sperrschichten können irgendein Material, irgendeine Verbindung, irgendein Element, irgendeine Zusammensetzung oder dergleichen sein, die unter den Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität beibehält und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h. das Sperrschichtmaterial verflüchtigt sich nicht in einem solchen Ausmaß, daß es als Sperrschicht unbrauchbar gemacht wird).
Außerdem umfassen geeignete "Sperrschichten" Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde, schmelzflüssige, Matrixmetall unter den verwendeten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches endgültige spanende Bearbeiten oder Schleifen, das erforderlich sein kann, und definiert mindestens einen Teil der Oberfläche des sich ergebenden Matrixmetall-Verbundkörperprodukts. Die Sperrschicht kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder beispielsweise durch Bohren von Löchern oder Durchbohren der Sperrschicht permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu kommen.
"Gerippe" oder "Matrixmetallgerippe", wie hier verwendet, bezieht sich auf irgendeinen ursprünglichen Körper des Matrixmetalls, der verbleibt und der während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht wurde, und typischerweise einen, der, falls er kühlen gelassen wird, zumindest teilweise in Berührung mit dem gebildeten Metallmatrix- Verbundkörper verbleibt. Es ist zu beachten, daß das Gerippe auch ein zweites oder Fremdmetall darin enthalten kann.
"Hohlraum", wie hier verwendet, bedeutet jeden ungefüllten Raum innerhalb einer Masse oder eines Körpers (beispielsweise eines Metallmatrix-Verbundkörpers) und ist nicht auf irgendeine spezifische Konfiguration des Raums beschränkt und umfaßt sowohl geschlossene als auch offene Räume. Insbesondere kann ein Hohlraum jene Räume umfassen, die vollständig von der Verbindung mit einem äußeren Teil der Masse oder des Körpers, die den Hohlraum enthält, abgeschlossen ist, wie ein Hohlraum, der das Innere eines hohlen Körpers definiert. Außerdem kann ein Hohlraum solche Räume umfassen, die in Richtung auf eine Außenfläche einer Masse oder eines Körpers durch beispielsweise einen Durchlaß oder eine Öffnung offen sind.
"Füllstoff", wie hier verwendet, soll entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen bedeuten, die im wesentlichen nicht reaktionsfähig sind mit und/oder von begrenzter Löslichkeit in dem Matrixmetall sind und Einzelphasen- oder Mehrphasenbestandteile sein können. Füllstoffe können in einer großen Vielfalt von Formen, wie Pulver, Flocken, Blättchen, Mikrokügelchen, Einkristallfäden, Blasen usw. vorgesehen sein und können entweder dicht oder porös sein. "Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid als Fasern, zerkleinerte Fasern, Teilchen, Einkristallfäden, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen umfassen und keramikbeschichtete Füllstoffe wie Kohlenstoff-Fasern, beschichtet mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, um den Kohlenstoff vor einem Angriff beispielsweise durch ein schmelzflüssiges Aluminiumgrundmetall zu schützen. Füllstoffe können auch Metalle umfassen.
"Infiltrierungsatmosphäre", wie hier verwendet, bedeutet diejenige Atmosphäre, die vorhanden ist und die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung steht, oder das Auftreten der spontanen Infiltrierung des Matrixmetalls gestattet oder verbessert.
"Infiltrationsverstärker", wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder dabei hilft. Ein Infiltrationsverstärker kann beispielsweise aus (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärkervorläufers mit einer Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und des Füllstoffmaterials oder der Vorform gebildet sein. Außerdem kann der Infiltrationsverstärker direkt mindestens dem Füllstoffmaterial und/oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre zugeführt werden und kann in im wesentlichen der gleichen Weise wie ein Infiltrationsverstärker wirken, der als Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer anderen Spezies gebildet wurde. Schließlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltrierung sich in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, um eine spontane Infiltrierung zu erzielen.
"Infiltrationsverstärkervorläufer" oder "Vorläufer für den Infiltrationsverstärker" bedeutet, wie hier verwendet, ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrierungsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall dazu verleitet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren, oder dem Matrixmetall dabei hilft. Ohne durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, scheint es, daß es für den Vorläufer für den Infiltrationsverstärker notwendig sein kann, daß er imstande ist, an einer Stelle positioniert, angeordnet oder zu einer Stelle transportiert zu werden, die es dem Infiltrationsverstärkervorläufer gestattet, mit der Infiltrierungsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu stehen. Beispielsweise ist es bei einigen Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer- /Infiltrierungsatmosphären-Systemen wünschenswert, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer sich bei, in der Nähe von oder in einigen Fällen sogar etwas oberhalb der Temperatur verflüchtigt, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird. Eine solche Verflüchtigung kann zu folgendem führen: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies, die das Benetzen des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verbessert und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, was das Benetzen verbessert und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die einen festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform bildet, was das Benetzen verbessert.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetall-Legierung", wie hier verwendet, bedeutet das Metall, das verwendet wird zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers (beispielsweise vor der Infiltrierung) und/oder das Metall das zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers mit einem Füllstoffmaterial gemischt wird (beispielsweise nach der Infiltrierung). Wenn ein spezifisches Metall als Matrixmetall erwähnt wird, ist zu verstehen, daß ein solches Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin, eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung, bei der das Metall der Haupt- oder ein vorherrschender Bestandteil ist, umfaßt.
"Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-System" oder "spontanes System" wie hier verwendet, bezieht sich auf die Kombination von Materialien, die eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigen. Es ist zu beachten, daß, immer wenn ein "/" zwischen einem beispielhaften Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer Infiltrierungsatmosphäre erscheint, das "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu bezeichnen, die, auf eine besondere Art kombiniert, eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigt.
"Metallmatrix-Verbundkörper" oder "MMC" wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das eine zwei- oder dreidimensional miteinander verbundene Legierung oder Matrixmetall umfaßt, in dem eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet ist. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente umfassen, um die spezifisch gewünschten, mechanischen und physikalischen Eigenschaften in dem sich ergebenden Verbundkörper zu liefern.
Ein von dem Matrixmetall "unterschiedliches" Metall bedeutet ein Metall, das als einen Hauptbestandteil nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall enthält (beispielsweise falls der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, könnte das "unterschiedliche" Metall einen Hauptbestandteil aus beispielsweise Nickel aufweisen).
"Nicht reaktives Gefäß zur Unterbringung von Matrixmetall" bedeutet irgendein Gefäß, in dem ein Füllstoffmaterial und/oder eine Vorform und/oder ein schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufgenommen werden kann oder diese enthalten kann, und mit der Matrix und/oder der Infiltrierungsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform nicht in einer Weise reagiert, die für den spontanen Infiltrierungmechanismus sehr schädlich wäre.
"Vorform" oder "permeable Vorform", wie hier verwendet, bedeutet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächengrenze hergestellt ist, die im wesentlichen eine Grenze für die Infiltrierung des Matrixmetalls definiert, wobei eine solche Masse eine ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit beibehält, um eine Abmessungsbeständigkeit vor der Infiltrierung durch das Matrixmetall zu liefern. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls dort hinein aufzunehmen. Eine Vorform umfaßt typischerweise eine gebundene Anordnung des Füllstoffs, entweder homogen oder heterogen, und kann aus irgendeinem geeigneten Material (beispielsweise Keramik- und/oder Metallteilchen, Pulvern, Fasern, Einkristallfäden usw. und irgendeiner Kombination davon) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Zusammenstellung existent sein.
"Reservoir", wie hier verwendet, bedeutet einen eigenständigen Körper aus Matrixmetall, der mit Bezug auf eine Masse Füllstoff oder eine Vorform so angeordnet ist, daß das Metall, wenn es geschmolzen ist, fließen kann, um den Teil, das Segment oder die Quelle des Matrixmetalls, das in Berührung mit dem Füllstoff oder der Vorform steht, nachzufüllen oder in einigen Fällen anfänglich vorzusehen und anschließend nachzufüllen.
"Geformtes Matrixmetall" oder "Block von geformtem Matrixmetall", wie hier verwendet, bedeutet ein Matrixmetall, das zu einem vorbestimmten Muster geformt worden ist, das unter den Verfahrensbedingungen der vorliegenden Erfindung spontan ein umgebendes Füllstoffmaterial infiltriert, um dadurch einen Metallmatrix-Verbundkörper zu bilden, der mindestens teilweise die Konfiguration des geformten Matrixmetalls invers repliziert.
"Spontane Infiltrierung", wie hier verwendet, bedeutet, die Infiltrierung des Matrixmetalls in die permeable Masse des Füllstoffs oder der Vorform, die ohne das Erfordernis der Anwendung von Druck oder Vakuum stattfindet (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Fig. sind vorgesehen, um bei dem Verständnis der Erfindung zu helfen, aber sie sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Gleiche Bezugszeichen wurden, wo immer möglich, in jeder der Fig. zur Bezeichnung gleicher Bestandteile verwendet, in denen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Materialien, die in Übereinstimmung mit Beispiel 1 verwendet werden,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung von Materialien, die in Übereinstimmung mit Beispiel 2 verwendet werden,
Fig. 3A und 3B Fotografien des in Übereinstimmung mit Beispiel 1 herstellten Metallmatrix-Verbundkörpers,
Fig. 4A und 4B Fotografien des in Übereinstimmung mit Beispiel 2 herstellten Metallmatrix-Verbundkörpers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der einen Hohlraum enthält, der durch ein Formreplizierungsverfahren eines Blocks des Matrixmetalls gebildet wurde. Insbesondere kann ein Block des Matrixmetalls zu einer vorbestimmten Form geformt werden und mindestens teilweise von einem Füllstoffmaterial umgeben sein.
Der Füllstoff kann den geformten Matrixmetallblock vollständig oder nur teilweise umgeben, oder ein Teil des geformten Blocks kann sich nach außen über den Füllstoff hinaus erstrecken. Ein sich so nach außen erstreckender Teil des geformten Blocks wird jedoch nicht repliziert. Außerdem kann eine Sperrschicht, die nachstehend näher erörtert wird, verwendet werden, um einen sich nicht replizierenden Oberflächenteil zu schaffen, wenn diese Sperrschicht mindestens einen Teil der Oberfläche des geformten Matrixmetallblocks kontaktiert. Dementsprechend gestattet die vorliegende Erfindung die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der invers einen geformten Block aus Matrixmetall in irgendeinem gewünschten Ausmaß repliziert.
Um die spontane Infiltrierung zu erzielen, stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer sowie eine Infiltrierungsatmosphäre mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung, was es dem Matrixmetall, wenn es schmelzflüssig gemacht wird, gestattet, das Füllstoffmaterial spontan zu infiltrieren. Nachdem eine solche spontane Infiltrierung erzielt worden ist, wird ein Hohlraum in einem Metallmatrix-Verbundkörper gebildet, wobei der Hohlraum mindestens teilweise komplementär zu der ursprünglichen Gestalt des geformten Matrixmetallblocks ist.
Um eine spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugeführt werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärkervorläufer gebildet sein, der (1) in dem Matrixmetall und/oder (2) in dem Füllstoffmaterial vorgesehen sein könnte und/oder (3) aus der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (4) aus einer äußeren Quelle dem spontanen System zugeführt wird. Außerdem könnte statt der Zuführung eines Infiltrationsverstärkervorläufers, ein Infiltrationsverstärker mindestens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre direkt zugeführt werden. Schließlich sollte mindestens während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrierungsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker mindestens in einem Teil des Füllstoffmaterials, vor dem Kontaktieren des Füllstoffmaterials mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall, oder im wesentlichen gleichzeitig hiermit gebildet werden kann (beispielsweise falls Magnesium der Infiltrationsverstärkervorläufer und Stickstoff die Infiltrierungsatmosphäre ist, könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials vorhanden ist).
Ein Beispiel eines Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systems ist das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System. Insbesondere kann ein geformter Block aus Aluminiummatrixmetall innerhalb eines Füllstoffmaterials eingebettet sein, das innerhalb eines geeigneten feuerfesten Gefäßes enthalten sein kann, das unter den Verfahrensbedingungen nicht mit dem Aluminiummatrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial reagiert, wenn das Aluminium schmelzflüssig gemacht wird. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder diesem ausgesetzt ist und das mindestens während eines Zeitpunkt während des Verfahrens einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt ist, kann mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht werden. Das Matrixmetall infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial.
Unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bedingungen sollte im Fall eines spontanen Aluminium- /Magnesium-/Stickstoff-Infiltrierungssystems das Füllstoffmaterial ausreichend permeabel sein, um es dem stickstoffenthaltenden Gas zu gestatten, in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens einzudringen oder es zu durchdringen und/oder das schmelzflüssige Matrixmetall zu kontaktieren. Außerdem kann das permeable Füllstoffmaterial die Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetalls aufnehmen, wodurch bewirkt wird, daß das stickstoffdurchdrungene Füllstoffmaterial, das mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers spontan infiltriert wird, und/oder bewirkt wird, daß der Stickstoff mit einem Infiltrationsverstärkervorläufer zur Bildung eines Infiltrationsverstärkers in dem Füllstoffmaterial reagiert, und so zu einer spontanen Infiltrierung führt. Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers variiert mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich dem Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, dem Magnesiumgehalt des Füllstoffmaterials, der Menge an Magnesiumnitrid in dem Füllstoffmaterial, der Anwesenheit von zusätzlichen Legierungselementen (beispielsweise Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe (beispielsweise Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, der Oberflächenbedingung und Art des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung gestatteten Zeit und der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Beispielsweise kann, damit die Infiltrierung des schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetalls spontan auftritt, das Aluminium mit mindestens etwa 1 Gew.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium (das als Infiltrationsverstärkervorläufer wirkt) mit Bezug auf das Legierungsgewicht legiert sein. Legierungshilfselemente, wie vorstehend erörtert, können in dem Matrixmetall auch enthalten sein, um die Eigenschaften spezifischen Bedürfnissen anzupassen. Zusätzlich können die Legierungshilfselemente die Mindestmenge von Magnesium beeinflussen, die in dem Matrixaluminiummetall erforderlich ist, um zur spontanen Infiltrierung des Füllstoffmaterials zu führen. Der Verlust von Magnesium aus dem spontanen System aufgrund von beispielsweise Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Ausmaß auftreten, daß kein Magnesium zur Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. So ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge an anfänglichen Legierungselementen zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltrierung nicht nachteilig durch die Verflüchtigung beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in dem Füllstoffmaterial und dem Matrixmetall oder dem Füllstoffmaterial allein zu einer Verringerung der erforderlichen Menge an Magnesium zur Erzielung der spontanen Infiltrierung (nachstehend detaillierter erörtert) führen.
Der Volumenprozentsatz von Stickstoff in der Stickstoffatmosphäre beeinflußt auch die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere tritt, wenn weniger als etwa 10 Vol.-% Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre vorhanden sind, eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltrierung auf. Es wurde festgestellt, daß, wenn vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sind, dies beispielsweise zu kürzeren Infiltrierungszeiten aufgrund einer viel höheren Infiltrierungsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise ein stickstoffenthaltendes Gas) kann dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall direkt zugeführt werden oder sie kann durch eine Zersetzung eines Materials hergestellt werden oder sich aus dieser ergeben.
Der Mindestmagnesiumgehalt, der erforderlich ist, damit schmelzflüssiges Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen wie der Verfahrenstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit von Legierungshilfselementen, wie Silicium oder Zink, der Natur des Füllstoffmaterials, der Lage des Magnesiums in einer oder mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit ab, mit der die Stickstoffatmosphäre fließt. Niedrigere Temperaturen oder kürzere Heizungszeiten können verwendet werden, um eine vollständige Infiltrierung zu erhalten, während der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Bei einem gegebenen Magnesiumgehalt gestattet die Zugabe von bestimmten Legierungshilfselementen, wie Zink, auch die Verwendung von niedrigeren Temperaturen. Ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des funktionsfähigen Bereichs, beispielsweise etwa 1-3 Gew.-%, kann beispielsweise in Verbindung mit mindestens einem der folgenden Parameter verwendet werden: einer Verarbeitungstemperatur, die oberhalb des Minimums liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren Legierungshilfselementen. Wenn dem Füllstoffmaterial kein Magnesium zugefügt wird, werden Legierungen, die von etwa 3-5 Gew.-% Magnesium enthalten, auf der Grundlage ihrer allgemeinen Brauchbarkeit über eine große Vielfalt von Verfahrensbedingungen bevorzugt, wobei mindestens etwa 5 Gew.-% bevorzugt sind, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten verwendet werden. Magnesiumgehalte, die über etwa 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung liegen, können verwendet werden, um die für die Infiltrierung erforderlichen Temperaturbedingungen zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann verringert werden, wenn er in Verbindung mit einem Legierungshilfselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine Hilfsfunktion und werden zusammen mit mindestens der vorstehend angegebenen Mindestmenge Magnesium verwendet. Beispielsweise gab es im wesentlichen keine Infiltrierung von nominell reinem Aluminium, legiert nur mit 10% Silicium bei 1000ºC in ein Bett von 25 um (500 mesh) 39 Crystolon (99% reines Siliciumcarbid von der Norton Co.). In Gegenwart von Magnesium wurde jedoch gefunden, daß Silicium das Infiltrierungsverfahren fördert. Als weiteres Beispiel variiert die Menge an Magnesium, falls es exklusiv dem Füllstoffmaterial zugeführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine spontane Infiltrierung mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz an Magnesium auftritt, das dem spontanen System zugeführt wird, wenn mindestens etwas der Gesamtmenge an zugeführtem Magnesium in dem Füllstoffmaterial zugeführt wird. Es kann wünschenswert sein, daß eine geringere Menge Magnesium geliefert wird, um die Bildung von unerwünschten intermetallischen Verbindungen in dem Metallmatrix- Verbundkörper zu verhindern. Im Fall einer Siliciumcarbidvorform wurde festgestellt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, wobei die Vorform mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium enthält und sich in Gegenwart einer im wesentlichen reinen Stickstoffatmosphäre befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Fall einer Aluminiumoxidvorform ist die Menge an Magnesium, die für die Erzielung einer annehmbaren spontanen Infiltrierung benötigt wird, geringfügig höher. Es wurde insbesondere gefunden, daß bei einer Aluminiumoxidvorform, wenn sie mit einem ähnlichen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, bei etwa der gleichen Temperatur wie das Aluminium, das in die Siliciumcarbidvorform infiltriert ist, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens etwa 3 Gew. -% Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltrierung zu erzielen wie die, die bei der vorstehend erörterten Siliciumcarbidvorform erzielt wurde.
Es ist auch zu beachten, daß es möglich ist, dem spontanen System Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder auf einer Oberfläche des Füllstoffmaterials und/oder innerhalb des Füllstoffmaterials vor dem Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial zuzuführen (d.h. es muß nicht notwendig sein, daß der zugeführte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärkervorläufer mit dem Matrixmetall legiert wird, sondern eher einfach dem spontanen System zugeführt wird). Falls das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, kann es vorzuziehen sein, daß diese Oberfläche die Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse von Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Berührung mit dieser steht oder umgekehrt oder solch ein Magnesium könnte in mindestens einen Teil des Füllstoffmaterials gemischt sein. Weiterhin ist es möglich, daß irgendeine Kombination der Oberflächenaufbringung, Legierung oder Verbringen des Magnesium in mindestens einen Teil des Füllstoffmaterials verwendet werden könnte. Eine solche Kombination der Aufbringung von Infiltrationsverstärker(n) und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer(n) könnte zu einer Verringerung des für die Förderung der Infiltrierung des Matrixaluminiummetalls in das Füllstoffmaterial benötigten Gesamtgewichtsprozentsatzes Magnesium und zu der Erzielung niedrigerer Temperaturen, bei denen die Infiltrierung auftreten kann, führen. Außerdem könnte die Menge an unerwünschten, aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildeten, intermetallischen Verbindungen auch auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Die Verwendung von einem oder mehreren Hilfslegierungselementen und die Konzentration von Stickstoff in dem Umgebungsgas beeinflußt auch das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Beispielsweise können Hilfslegierungselemente wie Zink oder Eisen, die in der geformten Legierung enthalten sind oder auf eine Oberfläche der geformten Legierung verbracht sind, verwendet werden, um die Infiltrierungstemperatur abzusenken und dadurch die Menge der Nitridbildung zu verringern, wohingegen die Erhöhung der Konzentration von Stickstoff in dem Gas zur Förderung der Nitridbildung verwendet werden kann.
Die Konzentration von Magnesium, die sich in der Legierung befindet und/oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht wurde und/oder in dem Füllstoff kombiniert wurde, neigt auch dazu, das Ausmaß der Infiltrierung bei einer gegebenen Temperatur zu beeinflussen. Folglich kann es in einigen Fällen bevorzugt werden, bei denen wenig oder kein Magnesium direkt mit dem Füllstoffmaterial in Berührung gebracht wird, daß mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte von weniger als dieser Menge, beispielsweise 1 Gew.-% Magnesium, können höhere Verfahrenstemperaturen oder ein Legierungshilfselement für die Infiltrierung benötigen. Die für die Bewirkung des spontanen Infiltrierungsverfahrens dieser Erfindung erforderliche Temperatur kann niedriger sein: (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, beispielsweise auf mindestens etwa 5 Gew.-%, und/oder (2) wenn die Legierungsbestandteile mit der permeablen Masse des Füllstoffmaterials gemischt werden und/oder (3) wenn ein weiteres Element wie Zink oder Eisen in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch mit unterschiedlichen Füllstoffmaterialien variieren. Im allgemeinen tritt eine spontane und fortschreitende Infiltrierung bei einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 675ºC, und vorzugsweise einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 750ºC bis 800ºC, auf. Temperaturen, die im allgemeinen über 1200ºC liegen, scheinen das Verfahren nicht zu begünstigen, und es wurde gefunden, daß ein besonders brauchbarer Temperaturbereich zwischen etwa 675ºC und etwa 1200ºC liegt. Im allgemeinen ist jedoch die spontane Infiltrierungstemperatur eine Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls, aber unterhalb der Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls liegt. Außerdem sollte die spontane Infiltrierungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Füllstoffmaterials liegen. Weiterhin nimmt bei Erhöhung der Temperatur die Neigung zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre zu (beispielsweise in dem Fall von Aluminiummatrixmetall und einer Stickstoffinfiltrierungsatmosphäre kann Aluminiumnitrid gebildet werden). Ein solches Reaktionsprodukt kann auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung des Matrixmetall- Verbundkörpers wünschenswert oder nicht wünschenswert sein. Zusätzlich wird typischerweise eine elektrische Widerstandsheizung verwendet, um die Infiltrierungstemperaturen zu erzielen. Jegliche Heizvorrichtung, die zum Schmelzen des Matrixmetalls führen kann und die spontane Infiltrierung nicht nachteilig beeinflußt, ist jedoch zur Verwendung bei der Erfindung annehmbar.
Bei dem vorliegenden Verfahren kommt beispielsweise ein permeables Füllstoffmaterial in Berührung mit schmelzflüssigem Aluminium in Anwesenheit eines stickstoffenthaltenden Gases mindestens zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens. Das stickstoffenthaltende Gas kann dadurch zugeführt werden, daß ein kontinuierlicher Strom von Gas in Berührung mit mindestens dem Füllstoffmaterial und/oder dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall gehalten wird. Obgleich die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffenthaltenden Gases nicht kritisch ist, wird bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, um jeglichen Stickstoff auszugleichen, der aus der Atmosphäre aufgrund von Nitridbildung in der Legierungsmatrix verloren geht und um auch den Einfall von Luft, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren, wie der Matrixlegierung, den Verfahrensbedingungen, der Reaktionsfähigkeit der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial, der Fähigkeit des Füllstoffmaterials, sich er Gestalt des geformten Blocks des Matrixmetalls konform anzupassen, und den für das endgültige Verbundkörperprodukt gewünschten Eigenschaften, ab. Wenn Aluminium das Matrixmetall ist, umfassen geeignete Füllstoffmaterialien beispielsweise (a) Oxide, beispielsweise Aluminiumoxid, (b) Carbide, beispielsweise Siliciumcarbid, (c) Boride, beispielsweise Aluminiumdodecaborid und (d) Nitride, beispielsweise Aluminiumnitrid. Falls das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall zu reagieren, kann dem Rechnung getragen werden, indem die Infiltrationszeit und -temperatur auf ein Minimum herabgesetzt werden, oder indem eine nichtreaktionsfähige Beschichtung auf dem Füllstoff vorgesehen wird. Das Füllstoffmaterial kann ein Substrat umfassen, beispielsweise Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das eine Beschichtung trägt, um das Substrat vor Angriff oder Degradation zu schützen. Geeignete Beschichtungen können keramisches Material sein wie Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Keramische Materialien, die bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt verwendet werden, umfassen Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in der Form von Teilchen, Blättchen, Einkristallfäden und Fasern. Die Fasern können diskontinuierlich (in zerkleinerter Form) oder in der Form eines kontinuierlichen Fadens wie Mehrfädenseile vorliegen. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch festgestellt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien eine verbesserte Infiltrierung mit Bezug auf Füllstoffmaterialien aufweisen, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben. Beispielsweise weisen zerkleinerte Aluminiumoxidkörper, die nach dem in der EP-A-155 831 offenbarten Verfahren hergestellt wurden, wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältliche Aluminiumoxidprodukte auf. Außerdem weisen zerkleinerte Aluminiumoxidkörper, die durch das in der EP-A-193 292 offenbarte Verfahren hergestellt sind, wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältlich Aluminiumoxidprodukte auf. Der Gegenstand jeder dieser erwähnten Patentanmeldungen wird hier ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen. So wurde entdeckt, daß die vollständige Infiltrierung einer permeablen Masse von keramischem Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen und/oder kürzeren Infiltrationszeiten durch Verwendung eines zermahlenen oder zerkleinerten Körpers auftreten kann, der durch das Verfahren der vorstehend erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde.
Die Größe und Form des Füllstoffmaterials kann irgendeine sein, die benötigt wird, um die in dem Verbundkörper gewünschten Eigenschaften zu erzielen, und die dem geformten Block des Matrixmetalls konform anpaßbar ist. So kann das Füllstoffmaterial in der Form von Teilchen, Einkristallfäden, Blättchen, Fasern oder Mischungen vorliegen, da die Infiltrierung nicht durch die Form des Füllstoffmaterials beschränkt ist. Andere Formen wie Kugeln, Röhrchen, Kügelchen, feuerfestes Fasergewebe und dergleichen können verwendet werden. Außerdem beschränkt die Größe des Materials die Infiltrierung nicht, obgleich eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum für die vollständige Infiltrierung einer Masse von kleineren Teilchen benötigt wird als für größere Teilchen. Außerdem sollte das zu infiltrierende Füllstoffmaterial dem schmelzflüssigen Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel sein.
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorteilhafterweise nicht auf die Verwendung von Druck angewiesen, um schmelzflüssiges Matrixmetall in eine Masse von Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu drücken. Die Erfindung gestattet die Herstellung von im wesentlichen gleichförmigen Metallmatrix-Verbundkörpern mit einem hohen Volumenanteil von Füllstoffmaterial und niedriger Porosität. Höhere Volumenanteile von Füllstoffmaterial in der Größenordnung von mindestens ewa 50% können erzielt werden, indem eine Ausgangsmasse von Füllstoffmaterial mit einer niedrigeren Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse gepreßt oder anderweitig verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht entweder in einen Preßling mit enger Zellporosität oder in eine vollständig dichte Struktur umgewandelt wird, was die Infiltrierung durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminiummatrixmetall ein wichtiger Teil des Infiltrierungsmechanismus für die Aluminiuminfiltrierung und Matrixbildung um einen keramischen Füllstoff herum sein kann. Außerdem tritt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen eine vernachlässigbare oder minimale Menge an Metallnitridierung auf, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase von in der Metallmatrix dispergiertem Aluminiumnitrid führt. Wenn man sich jedoch dem oberen Ende des Temperaturbereichs nähert, tritt die Nitridierung des Metalls mit größerer Wahrscheinlichkeit auf. Die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix kann so durch Änderung der Verarbeitungstemperatur, bei der die Infiltrierung auftritt, gesteuert werden. Die spezifische Verfahrenstemperatur, bei der die Nitridbildung ausgeprägter wird, variiert auch mit solchen Faktoren, wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge relativ zu dem Volumen des Füllstoffmaterials, dem zu infiltrierenden Füllstoffmaterial und der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre. Es wird beispielsweise angenommen, daß das Ausmaß der Aluminiumnitridbildung bei einer gegebenen Verfahrenstemperatur erhöht wird, während die Fähigkeit der Legierung, den Füllstoff zu benetzen, abnimmt, und während die Stickstoffkonzentration der Atmosphäre zunimmt.
Deswegen ist es möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers besonderen Bedürfnissen anzupassen, um dem sich ergebenden Produkt bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Bei einem gegebenen System können die Verfahrensbedingungen zur Steuerung der Nitridbildung ausgewählt werden. Ein Verbundkörperprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für die Leistung des Produkts günstig sein oder diese verbessern können. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltrierung mit einer Aluminiumlegierung mit dem verwendeten, keramischen Material variieren. Im Fall von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial, sollte die Temperatur für die Infiltrierung vorzugsweise etwa 1000ºC nicht übersteigen, falls es gewünscht wird, daß die Verformbarkeit der Matrix durch die beträchtliche Bildung von Nitrid nicht verringert wird. Temperaturen von mehr als 1000ºC können jedoch angewandt werden, falls es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger verformbaren und steiferen Matrix herzustellen. Um Siliciumcarbid zu infiltrieren, können höhere Temperaturen von etwa 1200ºC angewandt werden, da die Aluminiumlegierung zu einem geringeren Ausmaß nitriert mit Bezug auf die Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Außerdem ist es möglich, ein Reservoir von Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltrierung des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall zuzuführen, das eine von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterschiedliche Zusammensetzung hat. Spezifisch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, ein Matrixmetall in dem Reservoir zu verwenden, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet. Falls eine Aluminiumlegierung beispielsweise als erste Quelle von Matrixmetall verwendet wird, könnte praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metall-Legierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig ist, als Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig miteinander sehr mischbar, was dazu führen würde, daß das Reservoirmetall sich mit der ersten Quelle von Matrixmetall mischt, solange ein angemessener Zeitraum für das Auftreten des Mischens gegeben ist. So ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in der Zusammensetzung von der der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix so anzupassen, daß sie unterschiedliche Betriebserfordernisse erfüllen, und so die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers anzupassen.
Eine Sperrschicht kann auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Spezifisch kann die Sperrschicht zur Verwendung bei dieser Erfindung irgendein geeignetes Mittel sein, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (beispielsweise einer Aluminiumlegierung) über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus stört, hemmt, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrschichten können aus irgendeinem Material, irgendeiner Verbindung, irgendeinem Element, irgendeiner Zusammensetzung oder dergleichen bestehen, die unter den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung etwas Integrität beibehält, nicht flüchtig ist und vorzugsweise dem bei dem Verfahren verwendeten Gas gegenüber permeabel ist und auch imstande ist, die fortgesetzte Infiltrierung oder irgendeine andere Art der Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus örtlich zu hemmen, zu stoppen, zu stören, zu verhindern oder dergleichen.
Geeignete Sperrschichten umfassen Materialien, die im wesentlichen durch die Wanderung der schmelzflüssigen Matrixlegierung unter den angewandten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint wenig oder keine Affinität bezüglich der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches abschließende spanende Bearbeiten oder Schleifen, das bei dem Metallmatrix-Keramikverbundkörperprodukt erforderlich sein kann. Wie vorstehend angegeben, sollte die Sperrschicht vorzugsweise permeabel oder porös sein oder durch Durchbohren permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, die schmelzflüssige Matrixlegierung zu kontaktieren.
Bei Aluminiummatrixlegierungen besonders brauchbare, geeignete Sperrschichten sind jene, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein Graphitbandprodukt, das unter dem Warenzeichen Grafoil , eingetragen für die Union Carbide, vertrieben wird. Dieses Graphitband hat Abdichtungseigenschaften, die die Wanderung von schmelzflüssiger Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch wärmebeständig und chemisch inert. Grafoil -Graphitmaterial ist flexibel, kompatibel, konform anpassbar und nachgiebig. Es kann zu einer Vielfalt von Formen geformt werden, um für jede Sperrschichtanwendung geeignet zu sein. Graphitsperrschichten können jedoch als Aufschlämmung oder Paste und selbst als Anstrichfilm um die und auf die Grenze des Füllstoffmaterials angewendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt, weil es in der Form einer flexiblen Graphitfolie vorliegt. Bei Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial herum geformt.
Andere bevorzugte Sperrschicht(en) für die Infiltrierung von Aluminiummetall-Matrixlegierungen in einer Stickstoffumgebung sind die Übergangsmetallboride (beispielsweise Titandiborid (TiB&sub2;)), die im allgemeinen durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-Legierung unter bestimmten der verwendeten Verfahrensbedingungen bei Verwendung dieses Materials nicht benetzbar sind. Mit einer Sperrschicht dieser Art sollte die Verfahrenstemperatur etwa 875ºC nicht übersteigen, da sonst das Sperrschichtmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich mit erhöhter Temperatur eine Infiltrierung in die Sperrschicht auftritt. Die Übergangsmetallboride liegen typischerweise in einer Teilchenform (1-30 um) vor.
Die Metallbildung kann als Aufschlämmung oder Paste auf die Grenzen der permeablen Masse des keramischen Füllstoffmaterials, welches vorzugsweise als Vorform vorgeformt ist, aufgebracht werden.
Andere brauchbare Sperrschichten für Aluminiummetallmatrixlegierungen in Stickstoff umfassen organische Verbindungen mit niedriger Flüchtigkeit, die als Film oder Schicht auf die Außenoberfläche des Füllstoffmaterials aufgebracht sind. Bei Brennen in Stickstoff, insbesondere bei den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung, zersetzt sich die organische Verbindung unter Belassung eines Rußfilms. Die organische Verbindung kann durch irgendwelche herkömmlichen Mittel wie Anstreichen, Sprühen, Eintauchen usw. aufgebracht werden.
Außerdem können fein vermahlene, teilchenförmige Materialien als Sperrschicht wirken, solange die Infiltrierung des teilchenförmigen Materials mit einer Geschwindigkeit auftritt, die geringer ist als die Infiltrierungsgeschwindigkeit des Füllstoffmaterials.
So kann die Sperrschicht auf irgendeine geeignete Weise aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Bedecken der definierten Oberflächengrenze mit einer Schicht der Sperrschicht. Solch eine Schicht der Sperrschicht kann durch Anstreichen, Eintauchen, Siebdruck, Verdampfen oder anderweitiges Auftragen der Sperrschicht in flüssiger, Aufschlämmungs- oder Pastenform oder durch Sputtern einer verdampfbaren Sperrschicht oder durch einfaches Abscheiden einer Schicht einer festen, teilchenförmigen Sperrschicht aufgebracht werden oder durch Aufbringen eines festen, dünnen Blattes oder Films der Sperrschicht auf die definierte Oberflächengrenze. Wenn sich die Sperrschicht an Ort und Stelle befindet, endet die spontane Infiltrierung im wesentlichen, wenn das infiltrierende Matrixmetall die definierte Oberflächengrenze erreicht und die Sperrschicht kontaktiert.
Verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung sind in den nachstehenden Beispielen enthalten. Diese Beispiele sollten jedoch als veranschaulichend angesehen werden und nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert beschränken.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Anordnung im Querschitt, die zur Bildung eines geformten Hohlraums in einem Metallmatrix-Verbundkörper verwendet werden kann. Insbesondere wurde ein Füllstoffmaterial (3), das 66 um (220 grit) Siliciumcarbid, geliefert von der Norton Co., und verkauft unter dem Handelsnamen 39 Crystolon enthält, in ein feuerfestes Gefäß (1) verbracht, das ein Aluminiumoxidschiffchen hoher Reinheit umfaßte. Das feuerfeste Schiffchen aus Aluminiumoxid wurde von der Bolt Technical Ceramics bezogen und hatte eine Reinheit von 99,7%. Zwei geformte Aluminiumlegierungsstangen, (2a) und (2b), die jeweils etwa 15 Gew.-% Silicium und etwa 15 Gew.-% Magnesium enthielten, wobei der Rest Aluminium war, und jede etwa 11,4 x 5,1 x 1,3 cm (4 1/2 Zoll x 2 Zoll x 1/2 Zoll) maß, wurden aufeinandergestapelt und in das 66 um (220 grit) Siliciumcarbid so eingebettet, daß eine Oberfläche der Stange (2a) im wesentlichen mit einer Oberfläche des Füllstoffmaterials (3) bündig war. Das Aluminiumoxidschiffchen (1), welches das Füllstoffmaterial (3) und die Blöcke (2a) und (2b) enthielt, wurde in einen elektrischen Widerstandsofen mit gesteuerter Atmosphäre verbracht.
Insbesondere umfaßte der Ofen ein Muffelrohr, welches äußerlich durch eine Widerstandsspule erhitzt wurde und weiterhin von der Außenatmosphäre abgedichtet war. Eine infiltrierende Atmosphäre, die etwa 96 Vol.-% Stickstoff und etwa 4 Vol.-% Wasserstoff (d.h. Formiergas) enthielt, wurde dem Inneren des Muffelrohrs zugeführt. Das Formiergas floß in den Ofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 350 cm³/min. Der Muffelofen wurde auf eine Temperatur von etwa 900-930ºC während eines Zeitraums von etwa 10 Stunden erhitzt. Diese Temperatur wurde etwa 12 Stunden lang aufrechterhalten und der Muffelofen wurde auf etwa Raumtemperatur während eines 5-Stunden-Zeitraums gekühlt.
Das Schiffchen (1) wurde aus dem Ofen entfernt und der Inhalt wurde begutachtet. Wie in Fig. 3a gezeigt, welche eine Überkopf-Ansicht des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers (7) ist, wurde ein Hohlraum (6), der im wesentlichen in der Form den geformten Blöcken (2a) und (2b) entsprach, gebildet. Außerdem war, wie in Fig 3B gezeigt, die eine winkelförmige Überkopf-Ansicht mit Blick in den Hohlraum (6) in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper (7) zeigt, die Replizierung der Stangen (2a) und (2b) so genau, daß Sägemarkierungen (8), die an den Stangen (2a) und (2b) vorhanden waren, invers in dem Metallmatrix-Verbundkörper repliziert waren.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde eine kompliziertere Form invers repliziert. Fig. 2 offenbart die Anordnung im Querschnitt, die zur Herstellung eines komplexen Hohlraums in einem Metallmatrix-Verbundkörper verwendet wurde. Insbesondere wurde ein Füllstoffmaterial (5), das 66 um (220 grit) Aluminiumoxidpulver enthielt, geliefert von der Norton Co., und vertrieben unter dem Handelsnamen 38 Alundum, in den Bodenteil eines feuerfesten Gefäßes (1) gegossen, das ein Aluminiumoxidschiffchen hoher Reinheit enthielt. Das Aluminiumoxidschiffchen wurde von der Bolt Technical Ceramics bezogen und hatte eine Reinheit von 99,7%. Dann wurde ein spanend bearbeiteter Aluminiumlegierungsblock (4), der etwa 158 g wog und auf einer Außenfläche eine Vielzahl von Vorsprüngen (9) aufwies, auf das Füllstoffmaterial (5) gelegt. Der spanend bearbeitete Block (4) umfaßte etwa 5 Gew.-% Silicium, etwa 5 Gew.-% Zink, etwa 7 Gew.-% Mg, wobei der Rest Aluminium war. Zusätzliches Füllstoffmaterial (5) wurde dann um den Block (4) herum gegossen, bis der Block im wesentlichen vollständig mit dem Füllstoffmaterial (5) bedeckt war. Das Schiffchen (1), welches das Füllstoffmaterial (5) und den Block (4) enthielt, wurde dann in den in Beispiel 1 beschriebenen Muffelrohrofen verbracht. Ein Vakuum wurde dann in dem Ofen angelegt, um die Atmosphäre herauszuspülen, und nach einem solchen Spülen wurden eine infiltrierende Atmosphäre, die Formiergas enthielt (d.h. 96 Vol.-% Stickstoff und 4 Vol.-% Wasserstoff), dem Ofen zugeführt. Das Formiergas wurde dem Muffelrohrofen kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 cm³/min. zugeführt. Das Muffelrohr wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 150ºC/Std. bis zu einer Temperatur von etwa 875ºC erhitzt. Diese Temperatur wurde während etwa 15 Stunden aufrechterhalten. Der Muffelrohrofen wurde dann auf etwa Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde gekühlt. Nach dem Kühlen wurde das Schiffchen (1) entfernt und inspiziert.
Wie in Fig. 4a gezeigt, die eine Querschnittsansicht durch den gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper ist, wurde ein Hohlraum (10) in dem Metallmatrix-Verbundkörper (11) gebildet, wobei der Hohlraum (10) im wesentlichen in der Form dem Block (4) komplementär war. Insbesondere infiltrierte das Matrixmetall infiltrierte, wenn es schmelzflüssig gemacht wurde, im wesentlichen das Füllstoffmaterial (5) vollständig, so daß Nuten (9a) als Ergänzungen zu den Vorsprüngen an dem Block (4) gebildet wurden. Außerdem zeigt Fig. 4B eine Endansicht des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers (11), bevor er quer geschnitten wurde. Entsprechend wird beobachtet, daß das Replizierungsverfahren einen Verbundkörper mit einem Hohlraum (10) geschaffen hat, welcher den geformten Block (4) im wesentlichen invers repliziert. Es kann festgestellt werden, daß das Materialstück (20), das sich in einem Bodenbereich des Hohlraums (10) befindet, einem Teil des Füllstoffmaterials entspricht, das sich direkt oberhalb des geformten Blocks (4) befunden hatte.
Während die vorstehenden Beispiele mit Besonderheit beschrieben worden sind, fallen einem Fachmann mit normalen Fähigkeiten unterschiedliche Abänderungen dieser Beispiele ein. Und all diese Abänderungen werden als unter den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallend erachtet.

Claims

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

Ausbilden eines geformten Blocks aus Matrixmetall;

wenigstens teilweises Umgeben des genannten Blocks mit einer permeablen Masse eines im wesentlichen nichtreaktiven Füllstoffs;

Erhitzen wenigstens des genannten Blocks auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, um ihn schmelzflüssig zu machen, um dadurch eine Quelle für ein schmelzflüssiges Matrixmetall auszubilden; und

Zuführung einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu irgendeinem Punkt während des Verfahrens, sowie wenigstens eines von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß das Matrixmetall im wesentlichen die gesamte permeable Masse spontan infiltriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens einem von dem Füllstoff und dem Matrixmetall für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration in Verbindung steht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer von dem genannten Infiltrationsverstärkervorläufer und Infiltrationsverstärker wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem Füllstoff und der Infiltrationsatmosphäre zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff eine Vorform umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufe der Festlegung einer Oberflächengrenze des Füllstoffs mit einer Sperrschicht umfaßt, wobei das Matrixmetall spontan bis zu der Sperrschicht infiltriert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Sperrschicht ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff und Titandiborid besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokügelchen, Whiskers, Blasen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, Kügelchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben besteht.

8. Verfahren nach den Ansprüche 1 oder 3, bei dem der genannte Block wenigstens zum Teil im wesentlichen einer gewünschten Form eines Hohlraums entspricht, die in dem Metallmatrix-Verbundkörper ausgebildet werden soll.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die genannte Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetall im wesentlichen in den genannten Füllstoff infiltriert, so daß in dem genannten Metallmatrix-Verbundkörper ein Hohlraum zurückbleibt, wobei der genannte Hohlraum bezüglich seiner Form dem genannten Block entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der genannten Hohlraum wenigstens teilweise offen ist oder im wesentlichen vollständig geschlossen ist.

11. Verfahren nach den Ansprüche 1, 3, 6 oder 8, bei dem der genannte Füllstoff wenigstens zu einem gewissen Zeitpunkt während des Verfahrens der spontanen Infiltration selbsttragend ist.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3, 6 oder 8, bei dem der genannte Füllstoff selbsttragend gemacht wird, indem man wenigstens eines von Erhitzen des genannten Blocks, Verwenden eines Bindemittels und chemische Reaktion von dem genannten Füllstoff mit wenigstens einer anderen Spezies, einschließlich der Infiltrationsatmosphäre, zur Anwendung bringt.

13. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Kohlenstoff Graphit umfaßt.