DE69211397T2

DE69211397T2 - Faserverstärkter Verbundkörper mit Aluminium-Matrix mit verbesserter Grenzflächenbindung

Info

Publication number: DE69211397T2
Application number: DE69211397T
Authority: DE
Inventors: Misra Chanakya; Maya Fishkis; Karl Wefers
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-03-25
Also published as: JPH04304333A; US5286560A; DE69211397D1; EP0505990A2; US5435374A; EP0505990A3; EP0505990B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminium/Aluminiumoxid-Verbundstoffe sowie Verfahren zur Erhöhung der Benetzbarkeit von Aluminiumoxid-Fasern durch schmelzflüssiges Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung des Bindens an den Grenzflächen zwischen Aluminiumoxid-Fasern und Aluminiummetall.
Die bei der Erzeugung von Aluminiumoxid/Aluminiummetall-Matrixverbundstoffen (MMCs) auftretende Hauptschwierigkeit besteht darin, daß schmelzflüssiges Aluminium und seine Legierungen das Aluminiumoxid nicht ohne weiteres benetzen. Das Benetzen der Fasern durch schmelzflüssiges Metall ist für die Erzeugung verwendbarer MMCs entscheidend.
Die Funktion der Fasern in Verbundstoffen besteht in der Erhöhung der Festigkeit und Bruchzähigkeit. Diese zwei Funktionen stellen für die Aluminiumoxid/Aluminium-Grenzfläche widersprüchliche Anforderungen. Hohe Festigkeit wird über eine gute Lastübertragung von der Matrix zu den Fasern erzielt und erfordert daher ein starkes Binden an der Grenzfläche. Hohe Bruchzähigkeit wird über eine Rißenergiedissipation erreicht.
In der Vergangenheit wurde die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit verstärkenden Aluminiumoxid-Fasern vorgeschlagen, die in einer Aluminiummetallmatrix eingeschlossen sind, indem eine geeignete Assemblierung von Fasern mit schmelzflüssigem Metall imprägniert wurde. Aluminiumoxid- Fasern zeigen kein starkes Reaktionsvermögen mit Aluminiumlegierungen und können daher als ein kompatibles Verstärkungsmaterial verwendet werden. Außerdem ist Aluminiumoxid ausgesprochen hochschmelzend (die Schmelztemperatur beträgt 1.999 ºC ... 2.032 ºC) und ist daher in der Lage, den Verarbeitungstemperaturen von schmelzflüssigein Aluminium zu widerstehen.
Es wird angestrebt, daß Aluminiumoxid-Fasern mit dem schmelzflüssigen Aluminiummetall durch Kapillarwirkung imprägniert werden, wobei die Fasern entweder teilweise oder ganz in das schmelzflüssige Metall eingetaucht werden, was sich durch die Wirkung von Unterdruck fördern läßt und wobei die Fasern in einer evakuierten Kammer eingeschlossen sind und das schmelzflüssiges Metall in die Kammer eingelassen wird.
Unvollständiges Benetzen der Aluminiumoxid-Fasern und der Aluminiummetallmatrix führt zur Erzeugung von Hohlräumen im Inneren des resultierenden Verbundwerkstoffes, die den Verbundwerkstoff wiederum schwächen. Sodann wird außerdem, selbst wenn ein annehmbares Benetzen erzielt worden ist, eine ausreichende Bindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen der Faser und den Metallen angestrebt, um eine hohe Festigkeit zu erhalten. Bei dem nachfolgenden Schweißen oder Hartlöten der Verbundstoffe können weitere Schwierigkeiten auftreten. Lokalisiertes Schmelzen des Metallmatrix- Verbundstoffes während der Operationen des Schweißens oder Hartlötens können ein entsprechendes lokalisiertes Entnetzen der verstärkten Faser hervorrufen. Dieses führt wiederum zur Porosität im Bereich der Schweiße oder der Hartlötung. Allgemein läßt sich sagen, daß ein unzureichendes Benetzen und/oder unzureichendes Binden an der Grenzfläche zwischen den Verbundstoffschichten die Eigenschaften des Verbundstoffes herabsetzen wird.
Außerdem kann die Imprägnierung der Fasern mit dem schmelzflüssigen Metall eine lange Zeitdauer beanspruchen, wodurch möglicherweise eine nachteilige Wechselwirkung zwischen den Fasern und dem Metall hervorgerufen wird.
Es sind zahlreiche Versuche bekannter Ausführung bekannt, diese Probleme anzugehen. Die bekannten Verfahren haben jedoch ein oder mehrere schwerwiegende Nachteile, wodurch sie für ihre vorgesehenen Zwecke nicht ganz geeignet sind.
Eine übliche Methode bekannter Ausführung ist beispielsweise die Druckinfiltration oder das Preßformgießen, indem das schmelzflüssige Aluminium in die Fasern unter Einsatz von hohem Druck als eine übliche Methode bekannter Ausführung gedrückt wird. Die US-P-4 232 091 (4. Navober 1980, Grimshaw et al.) beschreibt die Anwendung von mindestens 75 kg/cm² zur Überwindung der Oberflächenspannung zwischen den Aluminiumoxid-Fasern und dem schmelzflüssigen Aluminium oder Legierungen, in der Hoffnung eine Penetration zu erreichen. Die US-P-4 450 207 (2. Mai 1984, Donomoto et al.) beschreibt darüber hinaus, daß zur Infiltration von schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetallen (selbst mit 0,5 % ... 4,5 Gewichtsprozent Magnesium für ein Optimum der Bindungseigenschaften) in die Zwischenräume der verstärkenden Aluminiumoxid-Fasern ein Unterdrucksetzen bei näherungsweise 1.000 kg/cm² erforderlich ist. In der Praxis neigen diese Prozesse zur Kanalbildung in der Form und gewährleisten oftmals keinen optimalen Kontakt zwischen einem Metall und den Fasern.
Zusätzlich wurde eine Dotierung des Aluminiums und der Aluminiumlegierungen mit Lithium zur Erhöhung des Benetzens der Legierung auf den Aluminiumoxid-Fasern vorgeschlagen. Es erfolgt eine Reaktion zwischen dem Lithium und der Legierung an der Oberfläche der Fasern, wobei die Oberfläche infolge der Bildung von Lithiumaluminat grau bis schwarz wird. Beispielsweise beschreiben die US-P-4 012 204 und 4 053 011 (15. März 1977 bzw. 11. Oktober 1977, Riewald et al.) Verbundwerkstoffe mit einer Aluminium-Lithiummatrix, verstärkt mit polykristallinen Aluminiumoxid-Fasern. Um in den Fasern eine brauchbare Festigkeit zu erhalten, sollten nicht mehr als 15 % des Gesamtdurchmessers der Faser mit dem Lithium reagieren. Dementsprechend müssen die Reaktionsbedingungen in bezug auf den Anfangsgehalt an Lithium, auf die Temperatur und insbesondere den Druck sorgfältig kontrolliert werden. Zur Überwindung des Widerstands des schmelzflüssigen Metalls gegenüber einer Penetration in die Aluminiumoxid-Fasern ist immerhin ein Druckunterschied von etwa 13,8 ... 27,6 kPa (2 ... 14 psi) erforderlich.
Wie bereits ausgeführt, hat sich eine substantielle Oxidation an der Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid-Faser und Aluminiummetall als schädlich erwiesen. Unlängst befaßte sich die US-P-4 687 043 (18. August 1987, Weiss et al.) mit einem solchen im Zusammenhang mit der Anwesenheit von Oxiden an der Grenzfläche einer Aluminiummetallschicht auftretenden Problem. Darin wurde an der Grenzfläche eine Legierung aus Zinklot zum Schutz der Oberfläche der Aluminiumoxid-Faser an der Grenzfläche zwischen den darauf zu gießenden Aluminiumschichten zu schützen.
Die EP-A-3 94056 offenbart, wie durch Verwendung von aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid hergestellte Fasern eine hohe Benetzbarkeit von verstärkenden Fasern mit schmelzflüssigem Aluminium erzielt wird, wodurch eine Grenzfläche eines gemischten Bor-Aluminiumoxids mit dem Aluminiummatrixmetall geschaffen wird.
Dementsprechend ist die Gewährung eines Verfahrens zum verbesserten Binden von Aluminiummetall oder -legierungen an Feuerfestfasern von Interesse, bei welchem Verfahren die Fasern durch das Aluminium oder die Aluminiumlegierung "benetzt" werden.
Ein weiteres Gebiet von Interesse ist die Schaffung eines mit Aluminiumoxid-Faser verstärkten Aluminiumlegierungssystems, das eine gute Grenzflächenbenetzung zeigt, die keinen niedrigen Partialdruck von Sauerstoff während der Fertigung erfordert.
Ein weiteres Gebiet von Interesse ist die Gewährung eines Verfahrens, welches keine übermäßige Druckdifferenz erfordert, um die Faserimprägnierung durch schmelzflüssiges Metall zu erzwingen.
Ein weiteres Gebiet von Interesse ist die Schaffung eines mit Aluminiumoxid-Faser verstärkten Aluminiumlegierungssystems, das eine gute Grenzflächenbenetzung ohne die Verwendung von reaktionsfähigen Metallen, wie beispielsweise Lithium, als Benetzungsmittel erfordert.
Ein weiteres Gebiet von Interesse ist die Verbesserung der Festigkeit einer Aluminiumoxid-Faser/Aluminiumlegierung- MMC durch Erhöhung der Bindungsfestigkeit an der Grenzfläche.
Dieses und die Aufgaben und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung besser verstanden und eingeschätzt.
Die vorliegende Erfindung gewährt ein Verfahren zur Verbesserung der Benetzung und des Bindens von Fasern, die mindestens 30 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; mit schmelzflüssigem Aluminium oder Aluminiumlegierung enthalten, und zwar mit Hilfe einer Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid zwischen den Fasern und dem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Fasern eine Beschichtung aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid gebildet und dadurch die Grenzfläche erzeugt wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die Erzeugung von mit Aluminiumoxid-Fasern verstärkten Aluminiumlegierungen. Dieses schließt die Schritte ein: (a) Beschichten von Aluminiumoxid-Fasern mit einer wirksamen Menge eines thermisch zersetzbaren Präkursors von Boroxid; (b) ausreichendes Erhitzen der beschichteten Fasern, um ein Bor-enthaltendes Oxid zu erzeugen; sowie (c) Erzeugen eines Verbundstoffes mit Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung. Thermisch zersetzbare Präkursoren aus Boroxid umfassen Ammoniumpentaborat, Ammoniumdiborat und Orthoborsäure. Der am meisten bevorzugte Präkursor ist Ammoniumpentaborat.
Die Erfindung gewährt ebenfalls einen Aluminiumlegierungsmatrix-Verbundstoff, der eine Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilicat-Verstärkung und eine Grenzfläche aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid zwischen der Verstärkung und der Aluminiumlegierung aufweist, wodurch das Verbundstoffmaterial zwischen der Verstärkung und der Aluminiumlegierung Benetzung zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstoff aufweist:
(a) eine Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilicat-Verstärkung;
(b) eine Matrix aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, und
(c) eine Zwischenschicht aus gemischten Oxiden von Aluminium und Bor an der Grenzfläche zwischen der Verstärkung und der Matrix.
Der Verbundstoff zeigt eine verbesserte Bindungsfestigkeit an der vorstehend beschriebenen Grenzfläche und kein merkliches Entnetzen beim nachfolgenden Hartlöten oder Schweißen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert oder augenscheinlich gemacht, welche Erfindung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist, worin zeigen:
Fig. 1 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrößerung von unbehandelten Aluminiumoxid-Fasern, bedampft mit 2,5 Mikrometer Aluminium und oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erhitzt;
Fig. 2 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrößerung von Aluminiumoxid-Fasern, die mit Ammoniumpentaborat behandelt wurden, bedampft mit 2,5 Mikrometer Aluminium und oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erhitzt;
Fig. 3 eine SEM von Aluminiumoxid-Fasern, behandelt mit Ammoniumpentaborat, bedampft mit 2,5 Mikrometer Aluminium und erhitzt oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium in 500-facher Vergrößerung;
Fig. 4 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrößerung von Aluminiumoxid-Fasern, die mit Boroxid beschichtet und sodann mit 2,5 Mikrometer Aluminium bedampft und oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erhitzt wurden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren und Produkt kann der Begriff "Bor-Aluminiumoxid-Grenzfläche" allgemein als eine Mischung von Reaktionsprodukten aus Bor und Aluminiumoxiden an der Grenzfläche zwischen Aluminiummetall oder -legierung und Aluminiumoxid-Fasern beschrieben werden.
Die hierin verwendeten Begriffe bedeuten:
"wirksame Menge Bor" zur Beschreibung der an der Grenzfläche der Aluminiumoxid-Faser und der Aluminiumlegierung umgesetzten Bormenge, um das angestrebte Benetzen zu ermöglichen und die Bindungsfestigkeit in der vorliegenden Erfindung zu verbessern;
"Aluminiumlegierung" zur Beschreibung von Aluminiumlegierungen mit Aluminiummetall als Hauptbestandteil;
"Metall in Flüssigphase" zur Beschreibung aller fluiden und semifluiden Phasen, in denen das Metall nicht vollständig verfestigt ist.
Ein gutes Benetzen von Fasern durch flüssiges Aluminium ist eine Vorbedingung für ein starkes Binden an den Grenzflächen. Unter normalen Verarbeitungsbedingungen werden Aluminiumoxid-Fasern durch flüssiges Aluminium nicht benetzt. Bei der Verarbeitung von Verbundstoffmaterialien aus Aluminiumoxid/Aluminium (Al&sub2;O&sub3;/Al) wird in der Regel hoher Druck zur Anwendung gebracht, um die Imprägnierung des Metalls in eine Faservorform zu erzwingen. Ein optimaler Kontakt zwischen der Aluminiummatrix und den Aluminiumoxid- Fasern wird selbst unter hohem Druck nicht gewährleistet.
Es wurde festgestellt, daß, wenn Aluminiumoxid-Fasern mit Boroxid beschichtet werden, die nachfolgende Verarbeitung zur Erzeugung eines Aluminiumoxid-Faser/Aluminiummatrix-Verbundmaterials ein MMC mit erhöhter Grenzflächenbenetzung liefert. Geeignete Bormengen können auf den folgenden Wegen geschaffen werden:
(1) Eintauchen der Fasern in gesättigte Lösungen aus Boroxid-Präkursoren und nachfolgendes Erhitzten der beschichteten Fasern zur Erzeugung von Boroxid auf der Oberfläche;
(2) Aufdampfen von Bor auf die Oberfläche der Fasern in einer Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 30 nm (300 Å) ... 3 Mikrometer;
(3) Dotieren von Aluminium oder Aluminiumlegierung mit Bor in einer Menge oberhalb seiner Löslichkeitsgrenze vor dem Beschichten der Fasern mit einer derartigen Legierung.
In der Praxis der vorliegenden Erfindung ist die auf der Oberfläche abgeschiedene Bormenge von Bedeutung. Übermäßige Bormengen können auf der Aluminiumoxidoberfläche nicht umgesetztes B&sub2;O&sub3; hinterlassen. Dieses würde durch das Schmelzen von B&sub2;O&sub3; die Grenzflächen schwächen. Eine zu geringe Bormenge würde selbstverständlich nicht ausreichen, um das angestrebte Benetzen herbeizuführen.
Nach der Lehre der US-P-4 659 593 (21. April 1987, Rocher et al.) können selbst solche auf diese Weise behandelte Carbonfasern durch flüssiges Aluminium nicht spontan benetzt werden, "wenn sie mit Luft zwischen der Vorbehandlung und der Imprägnierung in Kontakt gebracht werden" (siehe Spalte 3, Zeilen 17...21).
Nach der Lehre der US-P-4 630 665 (Novak et al.) werden Borf asern, wie beispielsweise Bornitrid, traditionell in bezug auf metallisches Aluminium als "nichtbenetzend" angesehen, sofern nicht eine wesentliche Oxidation an der Grenzfläche verhindert wird. Die vorliegende Erfindung läßt demgegenüber eine Oxidation an der Grenzfläche als vorteilhaft zu.
Wie bereits beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe einer Bor-oxidierten Grenzfläche ausgeführt werden, die nach einer beliebigen von mehreren Möglichkeiten gebildet wurde. Boroxid (B&sub2;O&sub3;) kann in situ durch Eintauchen von Aluminiumoxid-Fasern in erhitzte gesättigte Lösungen eines beliebigen thermisch zersetzbaren Präkursors von Boroxid oder Boroxid selbst gebildet werden. Diese Präkursoren können beispielsweise Ammoniumpentaborat, Ammoniumdiborat, Orthoborsäure, usw. sein. Vorzugsweise wird Ammoniumpentaborat eingesetzt.
Nach dem Eintauchen werden die beschichteten Fasern bei Außentemperatur, beispielsweise bei 23,9 ºC (75 ºF), getrocknet und danach im wesentlichen bei Temperaturen von 670 ºC ... 1.450 ºC, vorzugsweise jedoch etwa 1.250 ºC, erhitzt. Von B&sub2;0&sub3; ist bekannt, daß es mit Al&sub2;O&sub3; im Temperaturbereich von 788 ºC ... 1.260 ºC (1.450 ºF ... 2.300 ºF) unter Bildung der Verbindungen 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; reagiert. Diese Verbindungen sind bis zu 1.949 ºC (3.540 ºF) bzw. 1.035 ºC (1.895 ºF) stabil. Diese Verbindungen 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und 9Al&sub2;O&sub3; 28&sub2;O&sub3; werden gelegentlich hierin bezeichnet als "gemischte Aluminium- Boroxide".
Es ist zu beachten, daß eine erhitzte Lösung aus Ammoniumpentaborat, in die die Fasern eingetaucht werden, beispielsweise bei Temperaturen zwischen etwa 50 ºC und 90 ºC und vorzugsweise etwa 75 ºC für eine Zeitdauer erhitzt werden können, die benötigt wird, um ein Benetzen der Faseroberflächen durch die Lösung zu gewähren. Derartige Zeitbereiche liegen zwischen 10 Sekunden und 15 Minuten, wobei vorzugsweise etwa 1 Minute geeignet ist.
Wahlweise kann auf die Oberfläche der Aluminiumoxid- Fasern Boroxid selbst abgeschieden werden. Bei Einsatz dieses Verfahrens würden die beschichteten Fasern immer noch im wesentlichen bei Temperaturen von etwa 670 ºC ... 1.450 ºC erhitzt werden müssen, so daß sich auf der Oberfläche der Fasern vor der Infiltration mit der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; bilden können.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen als eine Matrix, die mit etwa 1 Gewichtsprozent Bor dotiert wurden, was oberhalb ihrer Löslichkeitsgrenze liegt. Bor würde sodann zu der Oberfläche der Fasern wandern, oxidieren und mit Al&sub2;O&sub3; unter Bildung von 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; auf der Oberfläche reagieren und auf diese Weise das Benetzen und Binden des schmelzflüssigen Metalls mit den Aluminiumoxid- Fasern unterstützen. Weitere Legierungen, die eine Reihe anderer Bestandteile zusätzlich zu dem Bor enthalten, können jede Aluminium-Knetlegierung oder -gußlegierung umfassen.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Fasern können amorph, einkristalline Form von Aluminiumoxid oder Aluminiumsilicat oder eine polykristalline Form von Aluminium sein. Aluminiumsilicate, die eingesetzt werden können, umfassen Cordierit (4(Mg,Fe)O 4Al&sub2;O&sub3; 10SiO&sub2;) und Mullit 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2;. Zusätzlich lassen sich auch andere Fasern, die kein Silica enthalten, in der Ausführung der vorliegenden Erfindung einsetzen unter der Voraussetzung, daß sie mindestens 30 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; auf ihrer Oberfläche enthalten.
Oberflächenbehandlungen nach der vorliegenden Erfindung können auf Oberflächen von verschiedenen Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilicat-Verstärkungen angewandt werden, die unter Bildung von Verbundwerkstoffen mit Legierungen auf der Grundlage von Aluminium verfestigt werden können. Die vorgenannten Verstärkungen können Feststoffteilchen jeder beliebigen Form sein, Aluminiumoxid-Whisker, Endlosfasern, gewebte, geschnittene Fasern sowie Vorformen jeder Gestalt. Wenn als Verstärkungsmaterial Partikel verwendet werden sollen, ist zu empfehlen, daß die Lösung eines Boroxid- Präkursors zur Gewährleistung einer guten Benetzung der Lösung der Partikeloberflächen bewegt oder gerührt wird.
Die Fasern können unter Erzeugung von Verbundwerkstoffen mit Legierungen auf Aluminiumbasis nach jeder beliebigen Methode bekannter Ausführung verfestigt werden. Diese Methoden umfassen Flüssigphaseinfiltration, Druckformgießen, Rheogießen, "Compo-Gießen" oder Gießen unter Vakuum ohne die Verwendung von Überdruck. Das Gießen kann unter Anwendung von mechanischen, hydraulischen, Vakuumund/oder Hochdruckvorrichtungen ausgeführt werden.
Die Oberflächenbehandlungen der vorliegenden Erfindung vermitteln eine höhere Bindungsfestigkeit zwischen den Verstärkungen und der Aluminiumlegierung und verbessern dadurch die mechanischen Eigenschaften, einschließend die Zugfestigkeit, der erzeugten Verbundstoffe.
Die neuartigen Verbundstoffe der vorliegenden Erfindung enthalten Fasern aus hochschmelzendem Aluminiumoxid oder Aluminiumsilicat, eine Matrix aus Aluminiummetall oder -legierung und eine Zwischenschicht aus gemischten Aluminium-Boroxiden an der Grenzfläche zwischen den Fasern und der Matrix. Diese Materialien zeigen eine wesentlich verbesserte Bindungsfestigkeit und kein merkliches Entnetzen selbst bei nachfolgendem Schweißen oder Hartlöten Die folgenden Beispiele veranschaulichen eindeutiger die Art und Weise, in der die erfindungsgemäßen Grenzflächen aus Bor-Aluminiumoxid erzeugt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Beispielen dargestellten speziellen Ausführungsformen beschränkt.

Beispiel 1

Es wurden FP-Aluminiumoxid-Fasern, kommerziell erhältlich bei DuPont, mit einer 2,5 Mikrometer dicken Schicht aus reinem Aluminium bedampft. Die Aluminiumabscheidung wurde mit Hilfe des physikalischen Beschichtens aus der Gasphase ausgeführt. Die Fasern wurden sodann oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium oder bei 750 ºC für 15 Minuten zum Schmelzen des Aluminiums erhitzt und abkühlen gelassen.
Fig. 1 zeigt die starke Entnetzung von Aluminiummetall auf den Aluminiumoxid-Fasern bei 100-facher Vergrößerung. Dieses Phänomen zeigt sich dadurch, daß sich im wesentlichen das gesamte metallische Aluminium auf der Oberfläche der Fasern zu Tröpfchen entmischt hat. Auf den Fasern ist kein nennenswertes Ausbreiten oder Binden des Aluminiummetalls an den Fasern zu beobachten.

Beispiel 2

Die Prozedur von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß vor dem Beschichten der Fasern mit Aluminium diese durch Eintauschen in eine gesättigte wäßrige Lösung aus Ammoniumpentaborat bei 75 ºC und für 10 Minuten in Außenatmosphäre getrocknet und danach in Luft für 1 Stunde bei 1.250 ºC erhitzt wurden.
Fig. 2 zeigt die mit Ammoniumpentaborat behandelten Fasern in 100-facher Vergrößerung. Die behandelten Fasern zeigten eine thermische Zersetzung des Pentaborats zu Boroxid unter Bildung einer interoxidierten Schicht von gemischten Oxiden aus B&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3;, einschließend 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3;, an der Grenzfläche zwischen den Fasern und des Aluminiummetalls. Fig. 3 ist eine SEM in 500-facher Vergrößerung von Aluminiumoxid-Fasern, die mit Ammoniumpentaborat behandelt wurden, mit 2,5 Mikrometer dickem Aluminium beschichtet und oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erhitzt wurden. Fig. 2 und 3 veranschaulichen, wie die oberflächenbehandlung die Benetzung der Aluminiumoxid-Fasern durch das schmelzflüssige Metall verbessert. Das Aluminiummetall benetzte die Fasern mit einer weitgehend gleichförmigen homogenen Metallschicht und erzeugte sehr wenige Aluminiumtröpfchen auf der Oberfläche der Fasern.

Beispiel 3

Zur Bewertung der Grenzflächenbindung wurden zwei Feuerfeststäbe aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 inch) verwendet. Der erste Stab blieb unbehandelt. Der zweite Stab wurde behandelt mit einer gesättigten Lösung Ammoniumpentaborat, indem der Stab darin für 10 Minuten bei 75 ºC eingetaucht, unter Außenbedingungen getrocknet und nachfolgend für 1 Stunde bei 1.250 ºC erhitzt wurde.
Die Aluminiummatrixlegierung Al-4,5Cu-3Mg wurde in einem Vakuuminduktionsofen geschmolzen. Die Aluminiumoxidstäbe wurden in die Flüssigphase-Aluminiumlegierung eingetaucht und darin belassen, bis die Legierung an dem Umfang eine vollständige Verfestigung erfahren hat. Danach wurde der Zusammenhalt und die Festigkeit der Grenzflächen bewertet.
Mit einer Instron-Zugprüfmaschine wurden bei einer Querhauptgeschwindigkeit von 1,3 mm (0,05 inch) pro Minute die Daten der "Durchbiegung unter Last" aufgenommen. Die Untersuchung und das mechanische Prüfen der Proben sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Zwischen dem unbehandelten Aluminiumoxid-Stab und der Matrixlegierung zeigte sich eine geringe Bindung. Der behandelte Stab zeigte jedoch an der Grenzfläche zwischen dem Aluminiumoxid und der Matrix eine starke Bindung. Der behandelte Stab erzeugte unerwartet eine Grenzfläche, die um das Zehnfache stärker war als die Bindung zwischen dem unbehandelten Stab und der Matrix. Die Bildung von gemischten Oxiden ermöglichte ein effektives Benetzen der Legierung unter Erzeugung einer starken Bindung zwischen der Legierung und dem Aluminiumoxid. Tabelle I

Beispiel 4

Es wurde eine 40 Nanometer (400 Å) dicke Schicht aus Bor auf die Oberflächen der FP-Aluminumoxid-Faser auf gedampft. Die Bor-beschichteten Fasern und unbehandelte Faser wurden jeweils mit einer 2,5 Mikrometer dicken Schicht aus reinem Aluminium durch physikalisches Beschichten aus der Gasphase bedampft und bis zum Schmelzen des Aluminiums erhitzt.
Fig. 4 zeigt das gemischte Bor-Aluminiumoxid der Grenzfläche Faser/Metall, die ein weitgehendes und effektives Benetzen des Aluminiums im Vergleich zu derjenigen ermöglichte, die mit unbehandelten Fasern erhalten wurde und keine nennenswerte Benetzung zeigte.

Beispiel 5

Es wurde ein Aluminiumoxid-Stab mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 inch) in eine schmelzflüssige Matrix aus Al-Cu- Mg-B mit einem Gehalt von etwa 0,1 Gewichtsprozent Bor (was beim Schmelzpunkt der Matrix oberhalb der Löslichkeitsgrenze für Bor liegt) eingeführt. Es wurde die Verfestigung abgewartet. Die Untersuchung der verfestigten Probe zeigte eine wesentlich verbesserte Bindung an der Grenzfläche zwischen dem Aluminiumoxid-Stab und der Bor-legierten Aluminiummatrix.
Obgleich die vorliegende Erfindung am Beispiel eines Verbundstoffes aus Aluminiumoxid-Faser/Aluminiummatrix beschrieben wurde, können auch andere Formen von Aluminiumoxid Nutzen aus der dargelegten Lehre ziehen. Zur Verstärkung von Aluminiumlegierungen lassen sich saitit beispielsweise gleichachsiges und nichtgleichachsiges partikuläres Aluminiumoxid, planare Aluminiumoxid-Flächengebilde und Aluminiumoxid- Whisker verwenden, die insgesamt nach der vorliegenden Erfindung behandelt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Benetzung und des Bindens von Fasern, die mindestens 30 Gew.% Al&sub2;O&sub3; mit schmelzflüssigem Aluminium oder Aluminiumlegierung enthalten, mit Hilfe einer Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid zwischen den Fasern und dem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Fasern eine Beschichtung aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid-Material gebildet und dadurch die Grenzfläche erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Grenzfläche aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird, indem Aluminiumoxid-Fasern mit einem Material beschichtet werden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bor, Boroxid, Boroxid- Präkursoren und Borlegierungen mit Aluminium, wobei im Fall des Boroxids oder der Boroxid-Präkursoren die beschichteten Fasern auf 670 ... 1.450 ºC erhitzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Boroxid- Präkursoren ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus Ammoniumpentaborat, Ammoniumdiborat und Orthoborsäure.

4. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch Legieren der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung mit einer Menge Bor, die größer ist als die Löslichkeitsgrenze der Legierung.

5. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch Legieren der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung mit näherungsweise 1 Gewichtsprozent Bor.

6. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch:

(a) Beschichten von Aluminiumoxid-Fasern mit einer wirksamen Menge eines thermisch zersetzbaren Präkursors von Boroxid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ammoniumpentaborat, Ammoniumdiborat und Orthoborsäure, wodurch beschichtete Fasern erzeugt werden;

(b) ausreichendes Erhitzen der beschichteten Fasern, um den zersetzbaren Präkursor zu Boroxid zu zersetzen; sowie

(c) Erzeugen eines Verbundstoffes aus den beschichteten Fasern mit Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung.

7. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch:

(a) Beschichten von Aluminiumoxid-Fasern mit einer wirksamen Menge Boroxid und

(b) Erzeugen eines Verbundstoffes mit Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung.

8. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch:

(a) Beschichten der Aluminiumoxid-Faser mit reinem Bor,

(b) Erzeugen eines Verbundstoffes mit Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung.

9. Verfahren nach Anspruch 1. bei welchem die Grenzfläche von gemischtem Bor-Aluminiumoxid erzeugt wird durch:

(a) Erzeugen einer schmelzflüssigen, mit Bor legierten Aluminiummatrix, die eine Menge Bor enthält, die größer ist als die Löslichkeitsgrenze der Legierung, und

(b) Erzeugen eines Verbundstoffes mit der mit Bor legierten Aluminiummatrix.

10. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:

(a) Beschichten von Aluminiumoxid-Fasern mit Ammoniumpentaborat,

(b) ausreichendes Erhitzen der beschichteten Faser, um das Ammoniumpentaborat zu zersetzen, und

(c) Erzeugen eines Verbundstoffes mit Aluminiummetall oder -legierung.

11. Aluminiumlegierungsmatrix-Verbundstoff, der eine Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilicat-Verstärkung und eine Grenzfläche aus gemischtem Bor-Aluminiumoxid zwischen der Verstärkung und der Aluminiumlegierung aufweist, wodurch das Verbundstoffmaterial zwischen der Verstärkung und der Aluminiumlegierung Benetzung zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstoff aufweist:

(a) eine Aluminiumoxid- oder Aluminiumsilicat-Verstärkung,

(b) eine Matrix aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und

(c) eine Zwischenschicht aus gemischten Oxiden von Aluminium und Bor an der Grenzfläche zwischen der Verstärkung und der Matrix.

12. Aluminiumlegierungsmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 11, bei welchem die Verstärkung aus Aluminiumoxid-Fasern besteht.

13. Aluminiumlegierungsmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 11, bei welchem die Verstärkung aus Aluminiumoxid-Partikeln besteht.