DE68922702T2

DE68922702T2 - Verfahren zum Modifizieren der Eigenschaften eines Verbundwerkstoff-Körpers mit Metallmatrix.

Info

Publication number: DE68922702T2
Application number: DE68922702T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Mark Gordon Mortenson; Marc Stevens Newkirk; Andrew Willard Urquhart
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: FI91494C; CN1042500A; US5000248A; JP2859329B2; KR900007529A; KR0121460B1; PT92250B; FI91494B; NO893992L; DK559589D0; EP0370940A1; RO106987B1; JPH02240227A; AU4170589A; EP0370940B1; NZ231076A; CN1082554C; DE68922702D1; CA2000792A1; BR8905755A

Description

Umfeld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Modifizieren der Eigenschaften eines Metallmatrix- Verbundkörpers durch eine Behandlung nach dem Bildungsprozeß und/oder durch eine im wesentlichen gleichzeitige Modifizierungsbehandlung. Eine Behandlung nach dem Bildungsprozeß kann auf eine Vielzahl von Metallmatrix-Verbundkörpern, die durch verschiedene Techniken erzeugt wurden, anwendbar sein, aber gemäß der vorliegenden Erfindung wird sie verwendet, um die Eigenschaften eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch eine Technik der spontanen Infiltration erzeugt wurde, zu modifizieren. Der Prozeß der im wesentlichen gleichzeitigen Modifizierung wird auch auf Metallmatrix-Verbundkörper, die durch eine Technik der spontanen Infiltration erzeugt wurden, angewendet. Genauer gesagt wird wenigstens ein Teil des Matrixmetalles des Metallmatrix-Verbundkörpers und/oder des Füllstoffmaterials des Metallmatrix- Verbundkörpers während und/oder nach dem Bildungsprozeß modifiziert oder verändert.

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- Verbundgegenstand 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 Verbundgegenstand auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundgegenstände mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliciumcarbid 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 Siliciumcarbid 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-Verbundkörpern durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundgegenstand 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 den Rückgriff auf komplexe Prozesse 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 Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, und der ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Der Verbundgegenstand 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 Verbundgegenstand 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, Verbundgegenstände mit einer Aluminiummetallmatrix, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind, zu erzeugen.
Bei der Herstellung von Verbundgegenständen, 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 Siliciumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstand 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, Calcium, 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, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium, 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. Borcarbid, 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 AIB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AIB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AIB&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 AIB&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-Verbundgegenstand, 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.

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-291 441 desselben Anmelders offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundgegenstand 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 voranschreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials im Aluminiummatrix-Verbundgegenstand, 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 Verbundgegenstand 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-323 945 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-Verbundgegenstand eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelements entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291 441 wurde dann durch die EP-A-333 629 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- Verbundgegenstand verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundgegenstand (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-Verbundgegenstand, die damit hergestellt werden. Die gesamten Offenlegungen aller vorangehender Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zur Modifizierung der Eigenschaften eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch die Technik der spontanen Infiltration hergestellt wurde, bereitgestellt:
A) Ein Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:
a) Auswählen einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials, das gegenüber dem Matrixmetall nicht reaktiv ist;
b) Anordnen einer Quelle eines Matrixmetalles angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;
c) Erhitzen der genannten Quelle des Matrixmetalles auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunktes, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden
d) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu einem gewissen Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Masse des Füllstoffmaterials spontan infiltriert, wodurch eine infiltrierte Masse gebildet wird, die wenigstens etwas Porosität aufweist; und
e) Bereitstellen wenigstens eines zweiten Metalles, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, angrenzend an die genannte infiltrierte Masse, das wenigstens teilweise die genannte Porosität der genannten infiltrierten Masse infiltriert, wodurch der genannte Metallmatrix-Verbundkörper gebildet wird.
B) Ein Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:
a) Auswählen einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials, das gegenüber dem Matrixmetall nicht reaktiv ist;
b) Anordnen einer ersten Quelle eines Matrixmetalles angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;
c) Erhitzen der genannten ersten Quelle des Matrixmetalles auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunktes, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden;
d) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu einem gewissen Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, um zu bewirken, daß die Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetalles die Masse des Füllstoffmaterials praktisch vollständig spontan infiltriert;
e) Bereitstellen einer Quelle wenigstens eines zweiten Metalles, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, angrenzend an die genannte infiltrierte Masse, um zu ermöglichen, daß das genannte wenigstens eine zweite Metall von dem genannten Matrixmetall transportiert wird, sowie zu ermöglichen, daß wenigstens eines von dem genannten Füllstoffmaterial und dem genannten Matrixmetall mit dem genannten wenigstens einen zweiten Metall reagiert, um wenigstens ein Reaktionsprodukt zu bilden, wobei es während der genannten Bildung des genannten wenigstens einen Reaktionsproduktes zu einer Volumenausdehnung kommt.
C) Ein Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:
a) Auswählen eines Füllstoffmaterials;
b) Vermischen wenigstens eines zweiten Materials, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, mit wenigstens einem Teil des genannten Füllstoffmaterials, um eine permeable Masse zu bilden, wobei das genannte zweite Material wenigstens ein Material umfaßt, das in situ mit wenigstens einem von einem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem genannten Füllstoffmaterial reagieren kann;
c) Anordnen einer Quelle eines Matrixmetalles angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;
d) Erhitzen des genannten Matrixmetalles auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunktes, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden; und
e) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre zu wenigstens irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall spontan die permeable Masse infiltriert, wobei dann, wenn das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt und die genannte Infiltrationsatmosphäre eine stickstoffhaltige Atmosphäre umfaßt, das genannte wenigstens eine zweite Material ein Material umfaßt, das auf einem Material basiert, das nicht Magnesium ist.
Demgemäß können das Matrixmetall im spontan infiltrierten Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder das Füllstoffmaterial oder die Vorform im wesentlichen gleichzeitig mit der Infiltration modifiziert werden, und/oder sie können durch eine Behandlung nach dem Bildungsprozeß modifiziert werden (d.h. sie können modifiziert werden, nachdem die Infiltration erreicht worden ist). Eine derartige Modifikation resultiert in gesteigerten oder verbesserten Eigenschaften (z.B. verbesserten mechanischen Eigenschaften speziell bei hohen Temperaturen, verbesserter Korrosionsbeständigkeit, verbesserter Erosionsbeständigkeit etc.) eines gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers. Außerdem können Metallmatrix-Verbundkörper, die durch andere Verfahren als einen Prozeß der spontanen Infiltration erzeugt wurden, gemäß einer Behandlung nach dem Bildungsprozeß entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelt werden.
Um die spontane Infiltration zu erreichen wird eine durchlässige Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit einem Infiltrationsverstärker und/oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre in Kontakt gebracht, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung der spontanen Infiltration kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt wenigstens entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zufügen. Letztlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Modifizierung wenigstens einer Eigenschaft eines Metallmatrix-Verbundkörpers wird wenigstens eines von dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in einem Metallmatrix-Verbundkörper im wesentlichen gleichzeitig mit der spontanen Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalles in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform modifiziert. Bei dieser Ausführungsform kann ein zweites Material (z.B. ein gepulvertes Metall oder ein Vorläufer eines Metalles) zumindest teilweise mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden, wobei das genannte zweite Material gegenüber dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform reaktiv ist. Genauer gesagt kann das zweite Material mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung erwünschter Zwischenmetallverbindungen reagieren, die z.B. die Stabilität bei hohen Temperaturen, die Korrosionsbeständigkeit, die Erosionsbeständigkeit etc. des Metallmatrix-Verbundkörpers verbessern.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läßt man die spontane Infiltration das Füllstoffmaterial oder die Vorform nicht vollständig einbetten (z.B. wird wenigstens etwas Porosität im Füllstoffmaterial oder der Vorform erzeugt oder gebildet). Ein zweites Metall, das sich in seiner Zusammensetzung vom Matrixmetall unterscheidet, kann dann mit einer Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers, der nicht vollständig infiltriert wurde, in Kontakt gebracht werden. Das zweite Metall infiltriert dann die Porosität des Metallmatrix-Verbundkörpers (z.B. kann das zweite Metall mit dem infiltrierten Matrixmetall eine Legierung bilden und eine für ein vollständiges Ausfüllen der Porosität im Füllstoffmaterial oder in der Vorform ausreichende Menge des legierten Matrixmetalles bereitstellen). Weiterhin sollte ein derartiges Ausfüllen der Porosität bei der Liquidustemperatur oder oberhalb der Liquidustemperatur des Matrixmetalles (und/oder der Legierung aus dem Matrixmetall und dem zweiten Metall) erfolgen. Dementsprechend wird der Metallmatrix-Verbundkörper durch das Ausfüllen der Porosität eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform durch eine Legierung aus dem Matrixmetall und dem zweiten Metall modifiziert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein zweites Metall, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall, das ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert hat, unterscheidet, mit wenigstens einem Teil eines praktisch vollständig infiltrierten Füllstoffmaterials oder einer praktisch vollständig infiltrierten Vorform in Kontakt gebracht werden, und das genannte zweite Metall reagiert mit wenigstens einem von dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Im einzelnen kann das zweite Metall bei einer bevorzugten Ausführungsform vom Matrixmetall transportiert werden und dann mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in Kontakt treten und/oder direkt mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in Kontakt treten, und dadurch kann es mit dem mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform unter Bildung eines Reaktionsproduktes reagieren. Bei diesem bevorzugten Verfahren ist das Volumen des gebildeten Reaktionsproduktes größer as das ursprüngliche Füllstoffmaterial oder die ursprüngliche Vorform. Ein derartiges Reaktionsprodukt wird typischerweise dann gebildet, wenn sich das Matrixmetall bei, oberhalb oder knapp unterhalb der Liquidustemperatur befindet, was dazu führt, daß Matrixmetall vom Metallmatrix-Verbundkörper verdrängt wird. Dementsprechend werden, in Abhängigkeit von der Menge des gebildeten Reaktionsproduktes, die gesamten Volumenprozent- Anteile des Matrixmetalles im Metallmatrix-Verbundkörper vermindert. Zum Beispiel könnte die Bildung eines Reaktionsproduktes auf einen Oberflächenbereich des Metallmatrix-Verbundkörpers begrenzt werden, wodurch eine Oberfläche aus Reaktionsprodukt in einem Metallmatrix- Verbundkörper als Träger gebildet würde. Weiterhin ist die Bildung eines Reaktionsproduktes nicht auf Metallmatrix-Verbundkörper beschränkt, die gemäß einer Technik der spontanen Infiltration hergestellt werden. Mann kann sich vorstellen, daß die Bildung eines Reaktionsproduktes in jedem beliebigen System, das die Umwandlung eines Matrixmetalles und/oder eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform in ein Reaktionsprodukt beinhaltet, das dann Matrixmetall verdrängt, erwünschte Ergebnisse erzielen kann.
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/Calcium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß, obwohl hier primär das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff diskutiert ird, sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten können und durch die Erfindung mit eingeschlossen sein sollen.
Wenn das Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform, die ein Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid) aufweist, oder einem Füllstoffmaterial in Kontakt gebracht, wobei das genannte Füllstoffmaterial oder die genannte Vorform zugesetztes Magnesium enthält und/oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt wird. Darüber hinaus liegen bei einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial für zumindest einen Abschnitt des Prozesses in einer Stickstoffatmosphäre vor. Dabei wird die Vorform spontan infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der 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 im Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder in der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform oder dem 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, um die gesamte Vorform praktisch vollständig einzubetten.

Definitionen

"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 Metalles und von Metallegierungen, wie z.B. im Handel erhältliche Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen, Silicium, 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 unter den Prozeßbedingungen gegenüber dem Matrixmetall praktisch 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 Matrixmetalles über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials 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 Matrixmetall 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-Verbundproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder permeabel 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 auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen im wesentlichen nichtreaktiven Füllstoff, der keramische Füllstoffe, die von B&sub4;C verschieden sind, umfaßt, und beinhaltet entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen, die gegenüber dem Matrixmetall im wesentlichen nichtreaktiv sind und aus einer oder mehreren Phasen 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, wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch beschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff-Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch ein schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen.
"Infiltrationsatmosphäre", 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 Matrixmetalles gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalles in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers und der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers und der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüber hinaus 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) der 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) einer 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) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasformigen Infiltrationsverstarkers in zumindest einem Teil des Fullstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Interdiffusion" oder "interdiffundiert", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet, daß zumindest ein partieller Kontakt oder eine partielle Vermischung eines Matrixmetalles mit einem zweiten oder fremden Metall erfolgt, was in einer neuen erwünschten Legierung und/oder Zwischenmetallverbindung resultiert.
"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 Füllstoffmaterial vermischt wird, um einen Metallmatrix-Verbundgegenstand zu bilden (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, als ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, als eine Zwischenmetallverbindung oder als 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 Inflltrationsatmosphäre 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 ein Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente enthalten, um dem resultierenden Verbundgegenstand 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 Matrixmetalles Aluminium ist, dann kann das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nichtreaktives Gefäß für das Unterbringen des Matrixmetalles" 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 auf eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen würde.
"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 Matrixmetalles 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.
"Reaktionsprodukt", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet das Produkt einer Reaktion zwischen einem zweiten oder fremden Metall und wenigstens einem von einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform und/oder einem Matrixmetall.
"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.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalles in die permeable Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt, ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall, wobei gleichzeitig mit der spontanen Infiltration und/oder anschließend an die genannte spontane Infiltration die Modifizierung eines Teiles des Metallmatrix- Verbundkörpers erfolgt.
Ein Metallmatrix-Verbundkörper kann durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit einem schmelzflüssigem Matrixmetall erzeugt werden. Das Matrixmetall im infiltrierten Füllstoffmaterial oder der infiltrierten Vorform und/oder das Füllstoffmaterial oder die Vorform können im wesentlichen gleichzeitig mit der Infiltration modifiziert werden; und/oder sie können durch eine Behandlung nach dem Bildungsprozeß modifiziert werden (d.h. sie können modifiziert werden, nachdem die Infiltration erreicht worden ist). Eine derartige Modifizierung resultiert in gesteigerten oder verbesserten Eigenschaften (z.B. verbesserten mechanischen Eigenschaften, verbesserter Korrosionsbeständigkeit, verbesserter Erosionsbeständigkeit etc.) eines gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers. Weiterhin können Metallmatrix-Verbundkörper, die durch andere Verfahren als einen Prozeß der spontanen Infiltration hergestellt wurden, ebenfalls gemäß einer Behandlung nach dem Bildungsprozeß behandelt werden.
Um die spontane Infiltration zu erreichen wird eine durchlässige Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit einem Inflltrationsverstärker und/oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre in Kontakt gebracht, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung der spontanen Infiltration kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt wenigstens entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zufügen. Letztlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Gefäß aus rostfreiem Stahl, das einen Behälter umfaßt, der eine Bodenplatte aufweist, die mit einer ringförmigen Kupferdichtung fixiert ist, verwendet werden. Der Behälter aus rostfreiem Stahl weist vorzugsweise eine feuerfeste Stütze auf. Eine Dose aus rostfreiem Stahl kann einen Füllstoff aus Aluminiumoxid, wie z.B. 38-Alundum von 90 Grit, das von Norton Co. bezogen werden kann, mit ungefähr 50 Volumenprozent eines gepulverten zweiten Metalles, das vom Matrixmetall verschieden ist, enthalten. Bei dieser Ausführungsform kann die Matrixmetall-Legierung auf das Füllstoffmaterial in der Dose aus rostfreiem Stahl gegeben werden. Das Matrixmetall umfaßt vorzugsweise eine Aluminiumlegierung mit ungefähr 5 Gewichtsprozent Mg. Um das Matrixmetall spontan in das Füllstoffmaterial zu infiltrieren, sollte das Gefäß aus rostfreiem Stahl in einer Atmosphäre aus einem stickstoffhaltigen Gas auf ungefähr 750-1100ºC erhitzt werden. Wenn das Matrixmetall spontan den permeablen Füllstoff infiltriert, tritt es mit dem zweiten Metall, das im Füllstoff enthalten ist (z.B. Nickel), in Kontakt. Das Aluminium im Matrixmetall kann mit dem Nickel im Füllstoff unter Bildung einer Zwischenmetallverbindung, wie z.B. Nickelaluminid, in den Kanälen, durch die das Matrixmetall beim spontanen Infiltrieren des Füllstoffes vordrang, reagieren. Das Ausmaß, in dem eine Reaktion erfolgt, hängt von der Temperatur, der Länge der Exposition bei dieser Temperatur und/oder der Mischbarkeit der schmelzflüssigen Metalle ab.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zur Modifizierung wenigstens einer Eigenschaft eines Metallmatrix-Verbundkörpers wird wenigstens eines von dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in einem Metallmatrix-Verbundkörper im wesentlichen gleichzeitig mit der spontanen Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalles in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform modifiziert. Bei dieser Ausführungsform kann ein zweites Material (z.B. ein gepulvertes Metall oder ein Voriäufer eines Metalles) zumindest teilweise mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden, wobei das genannte zweite Material gegenüber dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in situ reaktiv ist. Genauer gesagt kann das zweite Material mit schmelzflüssigem Matrixmetall unter Bildung erwünschter Zwischenmetallverbindungen reagieren, die z.B. die Stabilität bei hohen Temperaturen, die Korrosionsbeständigkeit, die Erosionsbeständigkeit etc. des Metallmatrix- Verbundkörpers verbessern.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läßt man die spontane Infiltration das Füllstoffmaterial oder die Vorform nicht vollständig einbetten (z.B. wird wenigstens etwas Porosität im Füllstoffmaterial oder der Vorform erzeugt oder gebildet). Ein zweites Metall, das in seiner Zusammensetzung vom Matrixmetall verschieden ist, kann dann mit einer Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers, der nicht vollständig infiltriert wurde, in Kontakt gebracht werden. Das zweite Metall infiltriert dann die Porosität des Metallmatrix-Verbundkörpers (z.B. kann das zweite Metall mit dem infiltrierten Matrixmetall eine Legierung bilden und eine für ein vollständiges Ausfüllen der Porosität im Füllstoffmaterial oder in der Vorform ausreichende Menge des legierten Matrixmetalles bereitstellen). Weiterhin sollte ein derartiges Ausfüllen der Porosität bei der Liquidustemperatur oder oberhalb der Liquidustemperatur des Matrixmetalles. (und/oder der Legierung aus dem Matrixmetall und dem zweiten Metall) erfolgen. Dementsprechend wird der Metallmatrix-Verbundkörper durch das Ausfüllen der Porosität eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform durch eine Legierung aus dem Matrixmetall und dem zweiten Metall modifiziert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein zweites Metall, das in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall, das ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert hat, verschieden ist, mit wenigstens einem Teil eines praktisch vollständig infiltrierten Füllstoffmaterials oder einer praktisch vollständig infiltrierten Vorform in Kontakt gebracht werden, und das genannte zweite Metall reagiert mit wenigstens einem von dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Im einzelnen kann das zweite Metall bei einer bevorzugten Ausführungsform vom Matrixmetall transportiert werden und dann mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in Kontakt treten und/oder direkt mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in Kontakt treten, und dadurch kann es mit dem mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform unter Bildung eines Reaktionsproduktes reagieren. Bei diesem bevorzugten Verfahren ist das Volumen des gebildeten Reaktionsproduktes größer as das ursprüngliche Füllstoffmaterial oder die ursprüngliche Vorform. Ein derartiges Reaktionsprodukt wird typischerweise dann gebildet, wenn sich das Matrixmetall bei, oberhalb oder knapp unterhalb der Liquidustemperatur befindet, was dazu führt, daß Matrixmetall vom Metallmatrix-Verbundkörper verdrängt wird. Dementsprechend werden, in Abhängigkeit von der Menge des gebildeten Reaktionsproduktes, die gesamten Volumenprozent-Anteile des Matrixmetalles im Metallmatrix-Verbundkörper vermindert. Zum Beispiel könnte die Bildung eines Reaktionsproduktes auf einen Oberflächenbereich des Metallmatrix-Verbundkörpers begrenzt werden, wodurch eine Oberfläche aus Reaktionsprodukt in einem Metallmatrix- Verbundkörper als Träger gebildet würde. Weiterhin ist die Bildung eines Reaktionsproduktes nicht auf Metallmatrix-Verbundkörper beschränkt, die gemäß einer Technik der spontanen Infiltration hergestellt werden. Mann kann sich vorstellen, daß die Bildung eines Reaktionsproduktes in jedem beliebigen System, das die Umwandlung eines Matrixmetalles und/oder eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform in ein Reaktionsprodukt beinhaltet, das dann Matrixmetall verdrängt, erwünschte Ergebnisse erzielen kann.
Bei jedem der oben diskutierten Veränderungsverfahren kann die Menge oder der Anteil des Metallmatrix-Verbundkörpers und/oder des Füllstoffmaterials, die bzw. der umgewandelt oder verändert werden soll, variiert werden. Somit könnte jeder der oben diskutierten Prozesse auf, in erster Linie, einen Oberflächenbereich eines Metallmatrix-Verbundkörpers beschränkt werden, oder es könnte, wenn man die Umwandlung genügend lange ablaufen lassen würde, eine vollständige Umwandlung des Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch die spontane Infiltration erzeugt wurde, erfolgen. Außerdem könnten Faktoren wie die Temperatur, der atmosphärische Druck etc. die Geschwindigkeit der Umwandlung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers erhöhen oder vermindern.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein gasförmiges Mittel über die Oberfläche eines gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers geströmt, wobei das gasförmige Mittel ein Element enthält, das mit wenigstens einem Teil einer Oberfläche des gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers reagiert, wodurch es die resultierenden Eigenschaften des gebildeten Körpers modifiziert.
Zur Erzielung der spontanen Infiltration sollten sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und eine Infiltrationsatmosphäre in Kommunikation mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform befinden, zumindest an einem gewissen Punkt des Prozesses, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Speziell sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugegeben werden, um die spontane Infiltration des Matrixmetalles in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer gebildet werden, der (1) im Matrixmetall und/oder (2) im Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder (3) aus der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) aus einer äußeren Quelle dem spontanen System bereitgestellt werden könnte. Weiterhin kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zufügen. Letztlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltration in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Zur Erzeugung einer infiltrierten Masse eines Füllstoffmaterials für die nachfolgende Modifizierung ihrer Eigenschaften 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 oder der Vorform vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Speziell kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem Füllstoffmaterial eingebettet sein, das in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein kann, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial reagiert, wenn man das Aluminium schmilzt. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder gegen dieses exponiert wird, und das zumindest an einem gewissen Punkt der Verarbeitung gegen eine Stickstoff-Atmosphäre exponiert wird, kann mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht werden. Das Matrixmetall infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff das Füllstoffmaterial oder die Vorform ausreichend permeabel sein, um es dem stickstoffhaltigen Gas zu ermöglichen, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial oder die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und/oder mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Darüber hinaus kann das permeable Füllstoffmaterial oder die permeable Vorform die Infiltration durch das Matrixmetall aufnehmen, was dazu führt, daß das vom Stickstoff durchdrungene 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 Aluminiumlegierung, des Magnesiumgehaltes des Füllstoffmaterials oder der Vorform, der Menge des Magnesiumnitrids im Füllstoffmaterial oder der Vorform, der Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe des Füllstoffmaterials (z.B. dem Teilchendurchmesser), der Oberflächenbeschaffenheit 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-Matrixmetalles 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 sowohl in dem Füllstoffmaterial und dem Matrixmetall oder lediglich im Füllstoffmaterial allein zu einer geringeren benötigten Menge an Magnesium führen, die gebraucht wird, um 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 Infiltrationsatmosphäre 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 und/oder dem Matrixmetall zugesetzt werden, oder sie kann als Ergebnis des 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. Silicium 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 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 Matrixmetalles 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 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 Aluminiumlegierung 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 reinem Aluminium beobachtet, das lediglich mit 10 Prozent Silicium legiert war und bei 1000ºC in einer Einbettung von 25 um (500 Mesh) aus 39-Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliciumcarbid von Norton Co.). Jedoch wurde für Silicium 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 in das Füllstoffmaterial gegeben wird. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundgegenstand verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliciumcarbid 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 Siliciumcarbid infiltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige, die mit einer Vorform aus Siliciumcarbid erreicht wurde, wie gerade oben diskutiert wurde, zu erreichen.
Weiterhin kann, wenn ein permeabler Füllstoff unter Verwendung eines Systems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff infiltriert wird, ein Spinell (z.B. MgAl&sub2;O&sub4;) gebildet werden. Somit kann, wenn eine ausreichende Menge an Magnesium vorhanden ist, das Magnesium mit dem Aluminiumoxid-Füllstoff reagieren, wenn es ausreichend lange bei hoher Temperatur gehalten wird. Die Bildung des MgAl&sub2;O&sub4; resultiert in einer Volumenausdehnung und einer Verminderung des Metalles, wie oben diskutiert wurde.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Inflltrationsverstärker 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 Matrixmetalles 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 Matrixmetalles 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 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 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 Matrixaluminiummetalles in das Füllstoffmaterial zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Darüber hinaus könnte auch die Menge an unerwünschten 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 Matrixmetalles 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 eine 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 permeablen 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 Matrixmetalles, aber unter der Verdampfungstemperatur des Matrixmetalles liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials liegen. Und außerdem steigt, wenn die Temperatur erhöht wird, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsproduktes zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalles 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 in der Erfindung eingesetzt werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringt und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren wird z.B. ein permeables Füllstoffmaterial oder eine Vorform in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Gases für zumindest eine gewisse Zeit während des Prozesses mit schmelzflüssigem Aluminium in Kontakt gebracht. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit wenigstens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder schmelzflüssigem Aluminiummatrixmetall bereitgestellt werden. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Durchflußgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund einer Nitridbildung in der Matrix aus der Legierung auszugleichen sowie den Einbruch von Luft, der 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 Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegierung gegenüber dem Füllstoffmaterial, der Fähigkeit des Füllstoffmaterials, sich dem Matrixmetall anzupassen, 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) Carbide, z.B. Siliciumcarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid, und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann könnte das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann ein Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das eine geeignete Beschichtung aufweist, um das Trägermaterial vor einem Angriff oder einem Abbau zu schützen, aufweisen. Zu geeigneten keramischen Beschichtungen gehören Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend sein (in gehackter Form) oder in Form gewebter Matten oder kontinuierlicher Filamente 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 hergestellt wurden, das in der EP-A-1 155 831 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid bessere Infiltrationseigenschaften auf. Außerdem weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-193 262 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls bessere Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt jeder der Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen worden. Speziell wurde entdeckt, daß eine praktisch vollständige Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Material oder einem keramischen Verbundmaterial bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten erfolgen kann, wenn ein zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundgegenstand angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Füllstoffmaterial in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern und Mischungen davon 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, permeabel sein (d.h. permeabel für das schmelzflüssige Matrixmetall und für die Infiltrationsatmosphäre).
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, 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 in der Gegend von wenigstens ungefähr 50% erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität und Teilchen unterschiedlicher Größe verwendet werden. 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, die die Infiltration durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würden.
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, 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 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 Verbundgegenstand mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliciumcarbid 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 Siliciumcarbid 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 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 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 permeabel 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 -Graphftmaterial 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 Füllsfoffmaterial 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 herum geformt.
Andere bevorzugte Sperren für Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in Stickstoff sind die Boride der Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-Legierung 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 permeablen 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 beim Erreichen der festgelegten Oberflächengrenze und dem Inkontakttreten mit dem Sperrschichtelement praktisch auf.
Zwar sind ausführlich die obigen Ausführungsformen beschrieben worden, aber man sollte davon ausgehen, daß verschiedene Modifikationen von den beigefügten Ansprüchen eingeschlossen werden.

Claims

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

(a) Auswählen einer permeablen Masse eines Füllstoffmaterials, das gegenüber dem Matrixmetall nicht reaktiv ist;

(b) Anordnen einer Quelle eines Matrixmetalls angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;

(c) Erhitzen der genannten Quelle des Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden;

(d) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu einem gewissen Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Masse des Füllstoffmaterials spontan infiltriert, wodurch eine infiltrierte Masse gebildet wird, die wenigstens etwas Porosität aufweist; und

(e) Bereitstellen wenigstens eines zweiten Metalls, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, angrenzend an die genannte infiltrierte Masse, das wenigstens teilweise die genannte Porosität der genannten infiltrierten Masse infiltriert, wodurch der genannte Metallmatrix-Verbundkörper gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Metall in einer Menge bereitgestellt wird, die ausreicht, wenigstens eine gewisse Porosität der genannten infiltrierten Masse im wesentlichen vollständig zu füllen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Infiltration des genannten wenigstens einen zweiten Metalls bei einer Temperatur bei oder oberhalb der Liquidustemperatur von wenigstens einem von dem genannten Matrixmetall und einer Legierung des genannten Matrixmetalls mit dem genannten wenigsten einen zweiten Metall erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Infiltration des genannten wenigstens einen zweiten Metalls in die genannte wenigstens gewisse Porosität der genannten infiltrierten Masse wenigstens eine Eigenschaft der genannten infiltrierten Masse modifiziert.

5. Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:

(b) Anordnen einer ersten Quelle des Matrixmetalls angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;

(c) Erhitzen der genannten ersten Quelle des Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden;

(d) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre zu wenigstens irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker und einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß die Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetalls die Masse des Füllstoffmaterials im wesentlichen vollständig spontan infiltriert;

(e) Bereitstellen einer Quelle wenigstens eines zweiten Metalls, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, angrenzend an die genannte infiltrierte Masse, um zu ermöglichen, daß das genannte wenigstens eine zweite Metall von dem genannten Matrixmetall transportiert wird, sowie zu ermöglichen, daß wenigstens eines von dem genannten Füllstoffmaterial und dem genannten Matrixmetall mit dem genannten wenigstens einen zweiten Metall reagiert, um wenigstens ein Reaktionsprodukt zu bilden, wobei es während der genannten Bildung des genannten wenigstens einen Reaktionsprodukts zu einer Volumenausdehnung kommt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Metall mit dem genannten Füllstoffmaterial unter Bildung des genannten wenigstens einen Reaktionsprodukts reagiert, wobei es während der genannten Bildung des genannten wenigstens einen Reaktionsprodukts zu einer Volumenausdehnung relativ zu dem genannten Füllstoffmaterial kommt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die genannte Volumenausdehnung den gesamten prozentualen Volumenanteil an Metall in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper vermindert.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt, das genannte Füllstoffmaterial Aluminiumoxid umfaßt, das genannte wenigstens eine zweite Metall Magnesium umfaßt und das genannte wenigstens eine Reaktionsprodukt Magnesiumaluminatspinell umfaßt.

9. Verfahren zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:

(a) Auswählen eines Füllstoffmaterials;

(b) Vermischen wenigstens eines zweiten Materials, das sich in seiner Zusammensetzung von dem Matrixmetall unterscheidet, mit wenigstens einem Teil des genannten Füllstoffmaterials, um eine permeable Masse zu bilden, wobei das genannte zweite Material wenigstens ein Material umfaßt, das in situ mit wenigstens einem von einem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem genannten Füllstoffmaterial reagieren kann;

(c) Anordnen einer Quelle eines Matrixmetalls angrenzend an die genannte permeable Masse des Füllstoffmaterials;

(d) Erhitzen des genannten Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden; und

(e) Einwirkenlassen einer Infiltrationsatmosphäre zu wenigstens irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall spontan die permeable Masse infiltriert, wobei dann, wenn das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt und die genannte Infiltrationsatmosphäre eine stickstoffhaltige Atmosphäre umfaßt, das genannte wenigstens eine zweite Material ein Material umfaßt, das auf einem Material basiert, das nicht Magnesium ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Material mit wenigstens einem von dem genannten Füllstoffmaterial und dem genannten Matrixmetall reagiert, um in dem genannten Matrixmetall erwünschte intermetallische Verbindungen zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Material wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem pulverisierten Metall und einem Vorläufer für ein Metall besteht.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8 und 10, bei dem das genannte wenigstens eine Reaktionsprodukt gebildet wird, wenn sich das genannte Matrixmetall auf eine Temperatur oberhalb, bei oder etwas unterhalb der Liquidustemperatur des genannten wenigstens einen von dem genannten Matrixmetall und einer Legierung des genannten Matrixmetalls mit dem genannten wenigstens einen zweiten Metall befindet.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8 und 10, bei dem das genannte wenigstens eine Reaktionsprodukt auf nur einem Teil einer Oberfläche der genannten infiltrierten Masse gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Interdiffusion oberhalb, bei oder etwas unterhalb der Liquidustemperatur von wenigstens einem von dem genannten Matrixmetall und einer Legierung des genannten Matrixmetalls mit dem genannten wenigstens einen zweiten Metall erfolgt.

15. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 und 11, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Metall mit dem genannten Matrixmetall wenigstens teilweise eine Legierung bildet.

16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die genannte Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens einem von der genannten permeablen Masse und dem Matrixmetall für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration kommuniziert.

17. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Infiltration innerhalb einer definierten Sperrschichteinrichtung erfolgt.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Füllstoffmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Microspheres, Whiskers, Bläschen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, sphärischen Teilchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgewebe besteht.

19. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 und 11, bei dem das genannte wenigstens eine zweite Metall mit dem genannten Matrixmetall eine Interdiffusion zeigt, wodurch erwünschte intermetallische Verbindungen gebildet werden.

20. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt und das genannte Füllstoffmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Boriden, Carbiden und Nitriden besteht.

21. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt und der genannte wenigstens eine von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer ein Material auf der Basis von Magnesium, Calcium, Strontium oder Zink umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei dann, wenn der genannte wenigstens eine von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer ein Material auf der Basis von Magnesium, Calcium oder Strontium umfaßt, die genannte Infiltrationsatmosphäre eine stickstoffhaltige Atmosphäre umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei dann, wenn der genannte wenigstens eine von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer ein Material auf der Basis von Zink umfaßt, die genannte Infiltrationsatmosphäre eine sauerstoffhaltige Atmosphäre umfaßt.