FI93826C - Menetelmä itsekantavien keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi - Google Patents

Description

93826

Menetelmä itsekantavien keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi Förfarande för framställning av självbärande keramiska sammansättningar 5

Keksinnön kohteena on menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi, käsittäen (1) keraamisen matriisin, joka on saatu hapet-10 tamalla alumiiniperusmetallia muodostamaan monikiteisen materiaalin, joka käsittää (a) perusmetallin hapettumisreaktiotuotteesta ainakin yhden hapettimen kanssa, johon sisältyy kaasufaasihapetin ja valinnaisesti (b) yhden tai useamman metalliainesosan ja (2) täyteaineen, johon matriisi on suodattunut, joka menetelmä käsittää seuraavaa: (A) 15 suunnataan alumiiniperusmetalli ja täyteaine suhteessa toisiinsa siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu täyteaineeseen ja kohti sitä, jossa täyteaineessa on ainakin yksi hapetusreaktiota parantava lisäaine alumiiniperusmetallille; (B) kuumennetaan alumiiniperusmetalli sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen 20 sulamispisteen alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sula alu-miiniperusmetallimassa, ja annetaan sulan alumiiniperusmetallin reagoida hapettimen kanssa sanotussa lämpötilassa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, ja sanotussa lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallin massan ja 25 hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia voisi vetäytyä vähitellen hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja täyteaineeseen siten, että tuoreen hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyteaineessa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; ja (C) jatketaan reaktiota 30 niin kauan, että ainakin osa täyte-aineesta tai esimuotista suodattuu monikiteisellä materiaalilla.

Tämän keksinnön kohteena on laajasti määritettynä menetelmä keraamisten sekarakenteiden valmistamiseksi. Tarkemmin sanottuna tämän keksinnön 35 kohteena on menetelmä keraamisten sekarakenteiden tuottamiseksi suodattamalla täyteaine, joka on päällystetty lisäaineominaisuuksilla varustetulla piilähteellä, hapettumisreaktiotuotteella, joka on kasvatettu ‘ alumiiniperusmetallin esiasteesta.

2 93826

Viime vuosina on esiintynyt yhä lisääntyvää mielenkiintoa käyttää keramiikkaa rakennesovelluksissa, joissa aikaisemmin käytettiin metalleja. Sysäyksenä tälle mielenkiinnolle on ollut keramiikan paremmuus metal-leihin verrattuna suhteessa tiettyihin ominaisuuksiin, joita ovat esi-5 merkiksi ruosteenkestävyys, kovuus, kimmokerroin ja tulenkestävyys.

Nykyiset yritykset tuottaa lujempia, luotettavampia ja sitkeämpiä keraamisia artikkeleita keskittyvät paljolti (1) parempien prosessointi-menetelmien kehittämiseen monoliittiselle keramiikalle ja (2) uusien 10 materiaaliseosten, pääasiassa keraamisten matriisisekarakenteiden, kehittämiseen. Sekarakenne on rakenne, joka käsittää kahdesta tai useammasta erilaisesta materiaalista valmistetun heterogeenisen materiaalin, kappaleen tai artikkelin, jotka materiaalit on läheisesti yhdistetty sekarakenteen toivottujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Kaksi eri-15 laista materiaalia voidaan yhdistää läheisesti esimerkiksi upottamalla toinen toisen matriisiin. Keraaminen matriisisekarakenne sisältää yhden tai useamman erilaisen täyteaineen, kuten hiukkasia, kuituja, sauvoja tai vastaavia.

20 Erilaisia sopivia materiaaleja on käytetty täyteaineena muodostettaessa ja valmistettaessa keraamisia matriisisekarakenteita. Näitä täyteaineita on käytetty kuitujen, pellettien, hiukkasten, karvojen, jne. muodossa. Näitä materiaaleja ovat esimerkiksi alumiinin, hafniumin, titaanin, sirkoniumin, yttriumin ja piin jotkut oksidit (yksittäiset tai sekoite-25 tut), nitridit, karbidit tai boridit. Tietyt tunnetut materiaalit, joita on käytetty täyteaineina, kuten piikarbidi ja piinitridi, eivät ole luontaisesti stabiileja korkealämpötilaisessa hapettavassa ympäristössä (esim. yli 850°C:ssa), mutta niillä on tällaisessa ympäristössä hajoa-misreaktioita, joilla on suhteellisen alhainen kinetiikka.

30

Kun metalleja korvataan keramiikalla, tunnetaan useita rajoituksia ja vaikeuksia, joita ovat esimerkiksi mitoittaminen, kyky tuottaa monimutkaisia muotoja, lopulliselta käyttökohteelta vaadittavien ominaisuuksien tyydyttäminen ja kustannukset. Useissa hakijan patenteissa voitetaan 35 jotkut näistä rajoituksista tai vaikeuksista ja tuotetaan uusia menetelmiä, joilla voidaan tuottaa luotettavasti keraamisia materiaaleja, mukaanlukien sekarakenteet. Yksi tärkeä menetelmä on esitetty hakijan 3 93826 US-patentissa 4 713 360, nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Uudet keraamiset materiaalit ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Tässä patentissa esitetään menetelmä itsekantavien keraamisten kappaleiden tuottamiseksi kasvatettuina hapettumisreaktiotuotteena perus-5 metalliesiasteesta. Sulan metallin annetaan reagoida kaasufaasihapet-timen kanssa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, ja metalli siirtyy hapettumistuotteen läpi kohti hapetinta kehittäen näin jatkuvasti keraamista monikiteistä kappaletta. Prosessia voidaan edistää käyttämällä lejeerattua lisäainetta, kuten hapetettaessa magnesiumilla ja piillä 10 lisättyä alumiinia ilmassa alfa-alumiinioksidisten keraamisten rakenteiden muodostamiseksi. Tätä menetelmää parannettiin levittämällä lisäaineet esiastemetallin pintaan, kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 4 853 352, nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Menetelmät itsekantavien keraamisten materiaalien valmistamiseksi".

15 Tätä hapettamisilmiötä käytettiin hyväksi tuotettaessa keraamisia seka-rakennekappaleita, kuten on kuvattu hakijan US-patentissa 4 851 375, nimellä Marc S. Newkirk et ai ja nimeltään "Keraamiset sekarakenteet ja menetelmät niiden valmistamiseksi". Näissä patenteissa esitetään uusia 20 menetelmiä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi kasvattamalla hapettumisreaktiotuote perusmetalliesiasteesta läpäisevään täyteainemassaan, jolloin täyteaine suodattuu keraamisella matriisilla. Saatavalla sekarakenteella ei kuitenkaan ole mitään määritettyä tai ennaltamäärättyä geometriaa, muotoa tai konfiguraatiota.

25

Menetelmä keraamisten sekarakennekappaleiden tuottamiseksi, joilla on ennaltamäärätty geometria tai muoto, on esitetty hakijan US-patentissa 5 017 526. Tämän US-patentin menetelmän mukaisesti kehittyvä hapettumisreaktiotuote suodattuu läpäisevään esimuottiin kohti määritettyä 30 pintarajaa. Havaittiin, että erittäin luotettava muoto saavutetaan helpommin varustamalla esimuotti rajoittimella, kuten on selvitetty hakijan US-patentissa 4 923 823. Tämän menetelmän avulla tuotetaan itsekantavia keraamisia kappaleita, mukaanlukien muotoillut keraamiset sekarakenteet, kasvattamalla esiastemetallin hapettumisreaktiotuote 35 metallista erillään olevaan rajoittimeen rajan tai pinnan aikaansaamiseksi. Menetelmä keraamisten sekarakenteiden muodostamiseksi, joilla on 4 93826 sisägeometrialla varustettu ontelo, joka toistaa käänteisesti perusmetallin positiivisen muotin tai mallin muodon, on esitetty hakijan US-patentissa 4 828 785 ja hakijan US-patentissa 4 859 640.

5 Kaikkien yllämainittujen hakijan patenttien koko kuvauksiin viitataan tämän hakemuksen yhteydessä.

Keksinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että ainakin osalla täyteainetta on (i) piipäällyste, joka on levitetty kemiallisella 10 höyrykerrostamisella, tai (ii) piiesiastepäällyste levitettynä täyteaineelle päällystämällä täyteaine piiesiasteen suspensiolla tai liuoksella ja kuivaamalla se, jolloin piiesiaste kykenee muodostamaan pii-lähteen, jolla on lisäaineominaisuuksia, tai (iii) piilähdepäällyste, joka on muodostettu piiesiasteesta hapettamalla tai dissosiaatiolla, 15 joka piiesiaste ja piilähde eroavat koostumukseltaan täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta.

Tämän keksinnön kohteena on laajasti määriteltynä menetelmä keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi käsittäen keraamisen matriisin, joka on 20 saatu sulan alumiiniperusmetallin ja hapettimen välisellä hapettamis-reaktiolla (mukaanlukien kaasufaasihapettimen), ja täyteaineen, joka on ainakin osittain päällystetty piilähteellä ja johon matriisi suodattuu (määritetty alla). Piilähteen koostumus eroaa täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta, ja piilähde on ainakin osittain pelkistettävissä 25 tai liuotettavissa sulalla perusmetallilla prosessiolosuhteissa. Tällä piilähdepäällysteellä, kun se kuumennetaan sopivaan lämpötilaan, mielellään, muttei välttämättä, happea sisältävässä ympäristössä, on lisäaineominaisuuksia hapettamisreaktion edistämiseksi, ja täyteaineen olennaisesti muuntumaton tai jäljellä oleva osa, joka toimii täyteai-30 neena, sisällytetään kehittyvään matriisiin, kuten alla on yksityiskohtaisemmin selvitetty.

Itsekantava keraaminen sekarakenne tuotetaan muodostamalla aluksi täy-, ’ teaineen peti tai massa, jonka ainesosista osa tai kaikki on päällys- 35 tetty piilähteellä. Piilähteen koostumus eroaa täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta. Täyteaine voi olla ainakin osittain rajoittimen 5 93826 peittämä, joka sijaitsee ainakin osittain erillään alumiiniperusmetallista keraamisen matriisin pinnan tai rajan aikaansaamiseksi.

Piilähteen sisältävä täyteaine, jota voidaan käyttää yhdessä muiden 5 täyteaineiden kanssa kerrostuman tai tiivistetyn pedin muodossa tai esimuotiksi esimuotoiltuna, sijoitetaan tai asetetaan alumiiniperus-metallin viereen siten, että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti hapetinta ja täyteainetta ja kohti rajoitinta, jos sitä käytetään. Täyteaineen pedin tai esimuotin tulisi olla riittävän lä-10 päisevä salliakseen tai mahdollistaakseen hapettumisreaktiotuotteen kasvun pedissä ja salliakseen kaasumaisen hapettimen läpäistä esimuotin ja tulla kosketukseen sulan metallin kanssa. Perusmetalli kuumennetaan sulamispisteensä yläpuolella, mutta hapettumisreaktiotuotteen alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sulan metallin massan. Tässä 15 lämpötilassa tai tällä lämpötila-alueella sula metalli reagoi hapettimen kanssa muodostaen hapettumisreaktiotuotteen. Ainakin osa hapettu-misreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan metallin ja hapettimen kanssa näiden välillä, jotta sulaa metallia vetäytyisi hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja kosketukseen sen kanssa siten, 20 että hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuisi hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla suodattaen näin viereisen täyteaineen. Reaktiota jatketaan niin kauan, että ainakin osa täyteaineesta suodattuu monikiteisellä materiaalilla, joka muodostuu olennaisesti hapettumisreaktiotuotteesta ja 25 yhden tai useamman metallin ainesosasta, kuten perusmetallin tai lisäaineen hapettumattomista ainesosista, hajautettuna tai levitettynä monikiteisen materiaalin läpi. Tulisi ymmärtää, että monikiteisessä matriisimateriaalisssa voi olla tyhjiöitä tai huokoisuutta metallifaa-sin tilalla, mutta tyhjiöiden tilavuusprosentti riippuu paljolti sel-30 laisista olosuhteista kuin lämpötila, aika, lisäaineet ja perusmetallin tyyppi. Jos rajoitinta on käytetty, keraamisen kappaleen kasvu jatkuu * rajoittimelle asti edellyttäen, että läsnä on riittävästi perusmetallia.

35 Kuten yllämainituissa hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineiden käyttö voi vaikuttaa suotuisasti tai edistää hapettamisreaktioproses-sia. Pii on hyödyllinen lisäaine alumiiniperusmetaliin yhteydessä eri- 6 93826

Cyisesti yhdessä muiden lisäaineiden kanssa, ja se voidaan lisätä ulkoisesti perusmetalliin, ja hyödyllinen lähde tällaiselle lisäaineelle on piidioksidi. Tämän keksinnön mukaisissa prosessiolosuhteissa piiyhdiste piin lähteenä (esim. piidioksidi) pelkistetään sulalla alumiini-5 perusmetallilla alumiinioksidin ja piin muodostamiseksi. Näin ollen täyteaineen päällä oleva piiyhdistepäällyste on hyödyllinen edistämään hapettumisreaktiotuotteen kehittymistä tai kasvua. Esimerkiksi piikar-bidi hapettuu pinnalla tai pintaan korkeissa lämpötiloissa ilmassa muodostaen piidioksidikalvon, ja tämän vuoksi piikarbidi on erityisen 10 hyödyllinen täyteaine siinä mielessä, että se toimii sekä täyteaineena että lisäaineen lähteenä. Keksinnössä kuitenkin piiesiaste eroaa täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta. Piidioksidikalvo pelkistyy sulalla alumiiniperusmetallilla tuottaen piilisäaineen, joka edistää monikiteisen matriisin kasvua piikarbiditäyteaineen läpi. Piikarbidi-15 hiukkasten päällä oleva piidioksidipäällyste on hyödyllinen lisäksi siinä mielessä, että matriisin muodostumisreaktion aikana se lisää paikallista piipitoisuutta hapettumattomassa perusmetallissa ja vähentää näin Al4C3:n muodostumistendensiä matriisin kasvuprosessin aikana. Al4C3:n läsnäolo ei ole toivottavaa, koska se on epävakaa ympäröivässä 20 ilmassa normaalisti vallitsevissa kosteustasoissa, mikä johtaa metaanin kehittymiseen ja saatavan sekarakenteen rakenteellisten ominaisuuksien heikentymiseen.

Kun hapettamisreaktiota suoritetaan mielellään happea sisältävässä ' 25 ympäristössä, piilähteen päällyste toimii lisäaineena perusmetallin hapettamisreaktiolle. Päällysteen alapuolella oleva täyteaineen jäljellä oleva osa, joka on koostumukseltaan erilainen, pysyy olennaisesti muuttumattomana ja toimii täyteaineena sekarakenteessa. Täyteaine voi sisältää esimerkiksi piiyhdisteen, joka on pelkistettävissä sulalla 30 metallilla, tai täyteaine voidaan päällystää piillä, jota sula metalli ei sulata. Olennaisesti koko piilähdettä voidaan käyttää lisäaineena tai että ainoastaan osaa käytetään lisäaineena, jolloin loppuosa on täyteaineen yhteydessä ja uppoutuu matriisiin. Tietyt täyteaineet, kuten piikarbidi, hapettuvat muodostaen Si02:ta prosessin korkeissa 35 lämpötiloissa, ja olosuhteita säädellään hapettumisen rajoittamiseksi, jotta voidaan tuottaa sulalla perusmetallilla pelkistyvä piidioksidipäällyste. Erillinen päällystemateriaali voidaan haluttaessa lisätä 7 93826 täyteaineeseen, joka tuottaa kuumennettaessa piiyhdisteen. Piilähteen päällyste, esim. piiyhdiste, voidaan muodostaa tai tuottaa ensin esi-kuumentamalla tai kuumentamalla sopiva täyteaine happea sisältävässä ilmakehässä. Päällysteellä varustettua esikuumennettua täyteainetta 5 käytetään myöhemmin täyteaineena. Esimuotti voidaan valmistaa esimerkiksi piikarbidihiukkasista tai alumiinioksidihiukkasista, jotka on päällystetty piiesiasteella tai -yhdisteellä, kuten tetraetyylior-tosilikaatilla. Tämän jälkeen esimuotti esikuumennetaan tai kuumennetaan ilmassa piidioksidisen oksidikalvon muodostamiseksi esimuotin 10 piikarbidihiukkasten tai alumiinioksidihiukkasten päälle. Esimuottia voidaan tämän jälkeen käyttää keraamisen sekarakenteen raaka-aineena, jolla on piilisäaineen sisäinen lähde. Piipäällysteellä varustettuja piikarbidi- tai alumiinioksidihiukkasia voidaan vaihtoehtoisesti käyttää täyteaineen ja perusmetallin koosteessa, ja piidioksidikalvo tai 15 -päällyste muodostetaan paikan päällä hapettamisreaktioprosessin aikana happea sisältävän kaasun läsnäollessa. Täyteainehiukkasten (esim. piikarbidi- tai alumiinioksidihiukkasten) pääasiallinen koostumus jää koskemattomaksi ja toimii täyteaineena sekarakenteelle. Tässä keksinnössä piiesiaste ja piilähde eroavat koostumukseltaan täyteaineen pää-20 asiallisesta koostumuksesta.

Tämän keksinnön mukaisilla materiaaleilla voi olla olennaisesti yhtenäiset ominaisuudet läpi koko poikkileikkauksensa paksuuteen, jota on ollut tähän mennessä vaikeata saavuttaa tavanomaisilla prosesseilla : 25 keraamisia rakenteita tuotettaessa. Näitä materiaaleja tuottavalla prosessilla vältetään myös korkeat kustannukset, jotka liittyvät keramiikan tavanomaisiin tuotantomenetelmiin, kuten hienojen, erittäin puhtaiden yhtenäisten jauheiden valmistamiseen ja niiden tihentämiseen sellaisilla menetelmillä kuin sintraus, kuumapuristus tai isostaattinen 30 puristus.

Tämän keksinnön tuotteet soveltuvat tai valmistetaan käytettäviksi kauppatavaroina, joiden on tässä yhteydessä tarkoitettu sisältävän rajoituksitta teolliset, rakenteelliset ja tekniset keraamiset kappa-35 leet sellaisissa käyttökohteissa, joissa sähköiset, lämpöön liittyvät, rakenteelliset tai muut piirteet tai ominaisuudet ovat tärkeitä tai hyödyllisiä; ja niiden ei ole tarkoitettu sisältävän kierto- tai jäte- 8 93826 materiaaleja, joita ehkä syntyisi ei-toivottuina sivutuotteina sulia metalleja prosessoitaessa.

Tässä erittelyssä ja patenttivaatimuksissa käytettyinä allaolevat ter-5 mit määritetään seuraavasti:

Termin "keraaminen" ei tule ajatella olevan rajoitetun keraamiseen kappaleeseen termin klassisessa merkityksessä eli siinä merkityksessä, että se muodostuu kokonaan ei-metallisista ja epäorgaanisista materiaa-10 leista, vaan se viittaa pikemminkin kappaleeseen, joka on pääasiassa keraaminen joko koostumukseltaan tai hallitsevilta ominaisuuksiltaan, vaikka kappale voi sisältää vähäisiä tai huomattavia määriä yhden tai useamman metallin ainesosaa, jotka on saatu perusmetallista tai tuotettu hapettimesta tai lisäaineesta, tyypillisimmin alueella noin 1-40 15 tilavuusprosenttia, mutta kappale voi sisältää enemmänkin metallia.

"Hapettumisreaktiotuote” tarkoittaa yleensä alumiinia perusmetallina missä tahansa hapettuneessa tilassa, jossa metalli on luovuttanut elektroneja toiselle alkuaineelle, yhdisteelle tai näiden yhdistelmälle 20 tai sillä on ollut yhteisiä elektroneja viimeksimainittujen kanssa.

Tämän määritelmän mukaisesti "hapettumisreaktiotuote" sisältää siis alumiinimetallin reaktion tuotteen hapettimen kanssa, joita hapettimia ovat esimerkiksi tässä hakemuksessa mainitut hapettimet.

25 "Hapetin" tarkoittaa yhtä tai useampaa elektronin vastaanotinta tai ainetta, jolla on yhteisiä elektroneja toisen aineen kanssa, ja se voi olla kiinteä aine, neste tai kaasu (höyry) tai jokin näiden yhdistelmä (esim. kiinteä aine ja kaasu) prosessiolosuhteissa.

30 "Perusmetalli" viittaa alumiiniin, joka on esiaste monikiteiselle ha-pettumisreaktiotuotteelle ja sisältää suhteellisen puhtaan alumiinin, kaupallisesti saatavan alumiinin epäpuhtauksineen ja/tai siihen lisät-tyine ainesosineen tai alumiinin seoksen, jossa alumiini esiasteena on pääasiallinen tai merkittävin ainesosa hapettumisreaktiotuotetta muo-35 dostettaessa.

9 93826 "Piilähde" viittaa alkuainepiihin tai piiyhdisteeseen, joka tuottaa lisäaineen ja/tai edistää täyteaineen kostumista sulalla perusmetallilla prosessiolosuhteissa.

5 Kuviot 1,2 ja 3 ovat valokuvia taso- ja sivukuvina tässä järjestyksessä sekarakenteesta, joka on valmistettu esimerkin 2 mukaisesti. Kussakin kuvassa osa kasvaneesta sekarakenteesta on poistettu halkaisemalla myöhempää analyysiä varten.

10 Kuvio 4 on 50 kertaa suurennettu mikrovalokuva sekarakenteesta, jossa keraaminen matriisi on sulkenut sisäänsä päällystetyt täyteainehiukka-set, joka matriisi on valmistettu esimerkin 3 mukaisesti.

Tämän keksinnön prosessia sovellettaessa alumiiniperusmetalli, johon 15 voi olla lisätty ylimääräinen lisäaine (kuten alla on yksityiskohtaisemmin selvitetty) ja on esiaste hapettumisreaktiotuotteelle, muodostetaan harkoksi, billetiksi, sauvaksi, levyksi tai vastaavaksi. Täyteaineen massa, joka käsittää hiukkasia, jauheita, kuituja, karvoja tai muita sopivia muotoja, joilla on puolestaan piilähteestä koostuva pääl-20 lyste, asetetaan suhteessa alumiiniperusmetalliin siten, että hapet- tumisreaktiotuotteen kasvun suunta on kohti täyteainetta ja täyteaineeseen. Päällysteen koostumus eroaa täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta, ja jos se on piiyhdiste, se on myös pelkistettävissä sulalla alumiiniperusmetallilla, jolloin se edistää hapettamisreaktiota toimi-. 25 maila lisäaineena. Uskotaan myös, että piilähde toimii siten, että se lisää täyteaineen kostutettavuutta perusmetallilla. Peti on läpäisevä kaasufaasihapettimelle (esim. ilmalle) ja hapettumisreaktiotuotteen matriisin kasvulle, jolloin se sallii hapettumisreaktiotuotteen kehittymisen ja tässä yhteydessä tapahtuvan täyteaineen suodattumisen. Kuten 30 hakijan patenteissa on selvitetty, lisäaineet vaikuttavat suotuisasti perusmetallien hapettamisreaktioprosessiin, ja pii, piidioksidi sekä vastaavat piitä sisältävät yhdisteet ovat hyödyllisiä lisäaineiden lähteitä järjestelmissä, joissa alumiinia käytetään perusmetallina. Tämän keksinnön yhden suositeltavan suoritusmuodon mukaisesti piiyhdiste, 35 joka kuumennetaan sopivaan lämpötilaan happea sisältävässä ilmakehässä, muodostaa oksidipäällysteen, joka toimii lisäaineena. Täyteaineen päällä olevan oksidipäällysteen muodostuminen voidaan saada aikaan esikuu- 93826 10 mennusvaiheessa tai paikan päällä keraamisen kappaleen muodostamisen aikana happea sisältävän kaasun toimiessa hapettimena. Ellei tekstin asiasisältö muuta osoita, termin "täyteaine" on tarkoitettu viittaavan massaan, petiin tai esimuottiin, joka käsittää täyteaineen ainakin 5 osittain päällystettynä piilähteellä, jota voidaan käyttää yhdessä ilman tällaista päällystettä olevien täyteaineiden kanssa.

Itse täyteaine voi reagoida esimerkiksi piikarbidin tapauksessa muodostaen piiyhdistepäällysteen, joka on pelkistettävissä sulalla alumiini-10 perusmetallilla. Kun tällainen täyteaine sinänsä on kyseessä, sillä on täyteaineen tuottamia luontaisia lisäaineominaisuuksia, ja jäljellä oleva muuttamaton tai muuntamaton osa toimii täyteaineena, kun sitä suodatetaan hapettumisreaktiotuotteella. Tämän tyyppisiä erityisen sopivia täyteaineita ovat esimerkiksi piikarbidi ja piinitridi. Tämän 15 tyyppisten materiaalien yhteydessä piidioksipäällyste tai silikaatti-päällyste muodostetaan kuumentamalla ilmassa tai muissa happea sisältävissä kaasuissa. Täyteaineella voi olla haluttaessa piilähteestä tai piiesiasteesta koostuva sopiva päällyste, joka levitetään täysin erilaisen koostumuksen omaavaan täyteaineeseen. Tämän tyyppinen erityisen 20 hyödyllinen järjestelmä on esimerkiksi tetraetyyliortosilikaatti lisättynä sirkoniumoksidikuituihin, jotka materiaalin dissosioimiseksi kuivatettaessa tai miedosti kuumennettaessa muodostavat piidioksidipääl-lysteen. Lisäesimerkkinä mainittakoon, että etyylisilikaattilasi voidaan lisätä alumiinioksidihiukkasiin, jotka kuumennettaessa muodostavat 25 piidioksidipäällysteen. Keksinnössä piiesiaste ja piilähde eroavat koostumukseltaan täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta.

Sopiva täyteaine kuten piikarbidi tai piinitridi hiukkasten muodossa voidaan esikuumentaa tai kuumentaa happea sisältävässä ilmakehässä, 30 esim. ilmassa, lämpötilassa, joka on riittävä muodostamaan piidioksidipäällysteen hiukkasten olennaiseen osaan. Kun käytetään esimerkiksi piikarbidia täyteaineena, esikuumentaminen suoritetaan mielellään noin 1000-1450°C:en lämpötilassa ja mieluummin 1200-1350°C:ssa. Aika, joka vaaditaan oksidipäällysteen tuottamiseen tällaisiin täyteaineisiin, 35 riippuu sellaisista tekijöistä kuin hiukkaskoko, muoto, huokoisuus ja hapettimen saavutettavuus. Piikarbidilla, jonka seulamitta on noin 250-750, mikä vastaa n. 17-60 mikronia, sopiva esikuumentamisaika on 11 93826 noin 5-40 tuntia. Esikuumentamisen toinen etu on se, että voidaan tuottaa paksumpi piidioksidipäällyste kuin mitä voitaisiin tuottaa aikana, joka vaaditaan matriisin muodostamiseen.

5 Toisessa suoritusmuodossa piidioksidikalvo tai -päällyste muodostetaan paikan päällä hapettamisreaktioprosessin aikana happea sisältävän kaasun ollessa hapettimena. Alumiiniperusmetallin ja täyteaineen kooste, joka on sijoitettu sopivaan tulenkestävään astiaan, kuumennetaan lämpötilaan, joka ei ole ainoastaan perusmetallin sulamispisteen yläpuolella 10 vaan myös kyllin korkea muodostaakseen riittävän piidioksidipäällysteen täyteaineen päälle. Tässä suoritusmuodossa matriisin muodostavassa hapettamisreaktiossa käytettävä kaasufaasihapetin reagoi myös täyteaineen kanssa muodostaen piidioksidikalvon. Kun käytetään esimerkiksi alumiinioksidisella matriisilla suodatettua piikarbiditäyteainetta alu-15 miiniperusmetallin ja happea sisältävän kaasufaasihapettimen, mielellään ilman, hapettumisreaktiotuotteena, oksidipäällyste muodostuu pii-karbidihiukkasten päälle sopivassa lämpötilassa. Kooste kuumennetaan ensin lämpötilaan noin 1000-1450°C ja mieluummin lämpötilaan noin 1200-1350°C. Kun piidioksidikalvo tai -päällyste on muodostunut piikar-20 biditäyteaineen päälle, tätä lämpötila-aluetta voidaan pitää yllä tai muuntaa hapettamisreaktioprosessin jatkamiseksi tai keraamisen sekara-kenteen muodostamiseksi.

Keksinnön muussa suoritusmuodossa täyteaine voidaan päällystää edelleen 25 piillä esimerkiksi kemiallisella höyrysijoittamisella. Tämä voi olla erityisen höydyllistä täyteaineiden, tyypillisesti kuitujen, hiukkasten tai karvojen, yhteydessä, jotka vaativat suojaa heikentymistä vastaan prosessiolosuhteissa. Esimerkiksi boorinitridihiukkaset vaativat suojausta hapettumiselta ja reaktiolta sulan alumiinin kanssa, ja piipääl-30 lyste tuottaa tämän suojauksen, mutta täyttää silti keksinnön muut kriteerit.

Täyteaineet kuten piikarbidi ja piinitridi ovat mielellään hiukkasten muodossa ja voivat sisältää erilaisten raekokojen tai seulamittojen 35 mielellään noin 10-1000, mikä vastaa n. 12-2000 mikronia, yhdistelmiä, vaikka hienompia hiukkasiakin voidaan käyttää. Piinitridin yhteydessä on kuitenkin tarkoituksenmukaista käyttää suhteellisen karkeata materi- 12 93826 aalia, jotta voidaan estää liiallinen hapettuminen tai reaktio alu-miininitridin ja piin muodostamiseksi. Tällä tavoin sekoitettu täyteaine voidaan muotoilla tuottamaan täyteaineen, jolla on toivotut lopulliset ominaisuudet, kuten läpäisevyys, huokoisuus, tiheys, jne.

5 Täyteaine on tyypillisesti sidottu pediksi tai esimuotiksi minkä tahansa sopivan sidemateriaalin, -aineksen, -yhdisteen tai vastaavan kanssa, joka ei häiritse tämän keksinnön mukaisia reaktioita tai jätä merkittävää määrää ei-toivottuja sivutuotteita keraamiseen sekaraken-10 netuotteeseen. On havaittu, että sopivia sideaineita ovat esimerkiksi polyvinyylialkoholi, epoksihartsi, synteettinen lateksi, jne., jotka ovat alalla hyvin tunnettuja. Sideaineella tai ilman sitä varustettu täyteaine voidaan muodostaa mihinkä tahansa ennalta määrättyyn kokoon tai muotoon millä tahansa tavanomaisella menetelmällä, joita ovat esi-15 merkiksi liukuvalu, ruiskupuristus, siirtopuristus, tyhjömuovaus, jne.

On suositeltavaa, että täyteaine olisi esimuotoiltu varustettuna ainakin yhdellä pintarajalla ja että sen tulisi säilyttää riittävä muodon yhtenäisyys sekä raakalujuus ja mittatarkkuus prosessoinnin ja keraami-20 sen kappaleen muodostamisen aikana. Täyteaineen pedin tai esimuotin tulisi kuitenkin olla kyllin läpäiseviä sisällyttääkseen kasvavan moni-kiteisen matriisimateriaalin. Tässä keksinnössä hyödyllisellä piikarbi-dilla tai piinitridillä huokoisuuden tulisi esimerkiksi olla noin 5-90 tilavuusprosenttia ja mieluummin noin 25-75 tilavuusprosenttia.

25

Prosessia tuotettaessa täyteaine, joka voi olla esikuumennettu ja/tai esimuotoiltu, sijoitetaan alumiinin yhden tai useamman pinnan tai pinnan osan viereen. Täyteaine on mielellään kosketuksessa perusmetallin alueellisen pinnan kanssa; mutta se voidaan haluttaessa upottaa osit-30 tain, muttei täysin upottaa, sulaan perusmetalliin, koska täydellinen upottaminen estäisi tai sulkisi kaasufaasihapettimen pääsyn täyteaineeseen monikiteisen matriisin täydelliseksi kehittämiseksi. Hapettumis-reaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu kohti täyteaineen suuntaa ja täyteaineeseen.

Täyteaineen ja alumiinin perusmetallina käsittävä kooste sijoitetaan uuniin, joka on varustettu sopivalla kaasufaasihapettimella, ja kooste 35 93826 13 kuumennetaan lämpötilaan tai lämpötila-alueelle, joka on perusmetallin sulamispisteen yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen alapuolella. Kun ilmaa käytetään kaasufaasihapettimena, alumiini-perusmetallille sopiva prosessilämpötila-alue on noin 700-1450°C ja 5 mielellään noin 800-1350°C. Tällä käytettävällä lämpötilavälillä tai suositeltavalla lämpötila-alueella muodostuu sulan metallin massa tai allas, ja hapettimen kanssa kosketukseen joutuessaan sula metalli reagoi muodostaen kerroksen hapettumisreaktiotuotetta. Ollessaan jatkuvasti alttiina hapettavalle ympäristölle sopivalla lämpötila-alueella 10 jäljellä oleva sula metalli vetäytyy progressiivisesti hapettumisreak-tiotuotteeseen ja sen läpi hapettimen suuntaan. Hapettimen kanssa kosketukseen tullessaan sula metalli reagoi muodostaen lisää hapettumis-reaktiotuotetta. Ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta pidetään kosketuksessa sulan perusmetallin ja hapettimen kanssa sekä näiden välil-15 lä, jotta sulaa metallia kulkeutuu jatkuvasti muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta siten, että monikiteinen hapettu-misreaktiotuote suodattuu ainakin osaan täyteainetta. Piilähdepäällys-te, joka on tuotettu täyteaineen päälle esimerkiksi paikan päällä tapahtuvalla esikuumentamisella tai esipäällystämisellä, kiihdyttää moni-20 kiteisen hapettumisreaktiotuotteen kasvua tuottamalla piin jatkuvaa lähdettä läpi koko täyteaineen tilavuuden.

Prosessia jatketaan, kunnes hapettumisreaktiotuote on suodattunut ainakin osaan täyteaineen pedistä. Jos käytetään esimuottia, prosessia 25 jatketaan, kunnes hapettumisreaktiotuote on suodattanut ja sisäänsä sulkenut esimuotin ainesosat määritetylle pintarajalle asti eikä mielellään sen ulkopuolelle, mikä olisi monikiteisen materiisimateraalin "ylikasvua".

30 Tulisi ymmärtää, että saatavassa monikiteisessä materiaalissa voi olla huokoisuutta, joka voi olla metallisten aineosien osittaista tai lähes täydellistä korvaamista, mutta tyhjiöiden tilavuusprosentti riippuu sellaisista tekijöistä kuin lämpötila, aika, perusmetallin tyyppi ja lisäaineiden pitoisuudet. Näissä monikiteisissä keraamisissa rakenteis-35 sa hapettumisreaktiotuotteen kristalliitit ovat tyypillisesti yhdistyneitä yhdessä tai useammassa ulottuvuudessa, mielellään kolmessa ulottuvuudessa, ja metalliset tai huokoiset ainesosat voivat olla ainakin 14 93826 osittain yhdistyneitä. Saatavalla keraamisella sekarakennetuotteella on alkuperäisen esimuotin mitat ja geometrinen konfiguraatio, jos esimuot-tia on käytetty, ja hyvä muototarkkuus saavutetaan erityisesti käyttämällä rajoitinta.

5

Hapettamisreaktioprosessissa käytettävä kaasufaasihapetin on normaalisti kaasumainen tai höyrystyy prosessiolosuhteissa ja tuottaa hapettavan ilmakehän kuten ilmakehän ilman. Jos kuitenkin käytetään esikuumennet-tua tai esipäällystettyä täyteainetta, hapettimen ei tarvitse olla hap-10 pea sisältävä kaasu. Tyypillisiä höyry- tai kaasuhapettimia, joiden käyttö riippuu siitä, onko täyteaine esikuumennettu tai esipäällystet-ty, ovat lisäksi typpi tai typpeä sisältävä kaasu sekä seokset kuten ilma, H2/H20 ja C0/C02, joista kaksi jälkimmäistä (eli H2/H20 ja C0/C02) ovat höydyllisiä vähentämään ympäristön happiaktiviteettia suhteessa 15 esimuotin toivottaviin hapetettaviin ainesosiin. Happea (mukaanlukien ilman) sisältävät happi- tai kaasuseokset ovat sopivia kaasufaasihapet-timia, joista ilmaa pidetään tavallisesti parempana sen ilmeisestä taloudellisuudesta johtuen. Kun kaasufaasihapetin tunnistetaan tietyn kaasun tai höyryn sisältäväksi tai käsittäväksi, tämä tarkoittaa kaasu-20 faasihapetinta, jossa tunnistettu kaasu tai höyry on perusmetallin ainoa, hallitseva tai ainakin merkittävä hapetin käytettävässä hapettavassa ympäristössä vallitsevissa olosuhteissa. Vaikka esimerkiksi ilman pääainesosa on typpi, ilman happipitoisuus on perusmetalin ainoa hapetin käytettävässä hapettavassa ympäristössä vallitsevissa olosuhteissa. 25 Tämän vuoksi ilma määritetään "happea sisältäväksi kaasuhapettimeksi" muttei "typpeä sisältäväksi kaasuhapettimeksi". Esimerkki typpeä sisältävästä hapettimesta on tässä yhteydessä ja patenttivaatimuksissa käytettynä "muodostuskaasu", joka sisältää tyypillisesti noin 96 tilavuusprosenttia typpeä ja noin 4 tilavuusprosenttia vetyä.

30

Hapetinta, joka on nestemäinen tai kiinteä prosessiolosuhteissa, voidaan käyttää kaasufaasihapettimen yhteydessä. Tällaiset lisähapettimet ovat erityisen hyödyllisiä edistämään perusmetallin hapettumista erityisesti täyteaineessa pikemminkin kuin sen rajojen ulkopuolella. Toi-35 sin sanoen tällaisten lisähapettimien käyttäminen voi luoda ympäristön, joka on suotuisampi perusmetallin hapettumiskinetiikalle kuin ympäristölle täyteaineen pedin tai esimuotin ulkopuolella. Mitä esimuottina 15 93826 käytettävään piikarbiditäyteaineeseen tulee, tämä parannettu ympäristö on hyödyllinen edistämään matriisin kehittymistä esimuotissa sen rajalle asti ja minimoimaan ylikasvua.

5 Kun kiinteää hapetinta käytetään kaasufaasihapettimen lisäksi, se voi olla hajautettuna täyteaineen koko tilavuuden läpi tai ainoastaan täyteaineen perusmetallin viereisen osan läpi esimerkiksi hiukkasten muodossa ja täytaineeseen sekoitettuna. Mitä tahansa sopivaa kiinteää hapetinta voidaan käyttää riippuen sen yhteensopivuudesta kaasufaasi-10 hapettimen kanssa. Tällaiset kiinteät hapettimet voivat sisältää sopivia alkuaineita kuten boorin tai sopivia pelkistyviä yhdisteitä kuten tiettyjä boraatteja, boraattilaseja, silikaatteja ja silikaattilaseja, joiden lämpödynaaminen stabiliteetti on alhaisempi kuin perusmetallin hapettumisreaktiotuotteella.

15

Jos nestemäistä hapetinta käytetään kaasufaasihapettimen lisäksi, nestemäinen hapetin voi olla hajautettuna läpi koko täyteaineen pedin tilavuuden tai sulan metallin viereisen täyteaineen osan läpi edellyttäen, että tällainen nestemäinen hapetin ei estä kaasufaasihapettimen 20 pääsyä sulaan perusmetalliin. Viittaus nestemäiseen hapettimeen tarkoittaa sellaista hapetinta, joka on juokseva hapettamisreaktio-olosuh-teissa, ja näin ollen nestemäisellä hapettimella voi olla kiinteä esiaste kuten suola, joka on sulassa muodossa tai juoksevaa hapettamis-reaktio-olosuhteissa. Nestemäisellä hapettimella voi vaihtoehtoisesti 25 olla nestemäinen esiaste, esim. materiaalin liuos, joka sulatetaan tai hajotetaan prosessiolosuhteissa sopivan hapettimen osuuden aikaansaamiseksi. Esimerkkejä nestemäisistä hapettimista ovat tässä yhteydessä käytettyinä alhaissulaitteiset lasit.

30 Jos käytetään muotoiltua esimuottia, esimuotin tulisi olla riittävän • huokoinen tai läpäisevä salliakseen kaasufaasihapettimen läpäistä esi muotin ja tulla kosketukseen sulan perusmetallin kanssa. Esimuotin tulisi myös olla riittävän läpäisevä mahdollistaakseen hapettumisreak-tiotuotteen kasvun rajoillaan häiritsemättä, järkyttämättä tai muutoin 35 muuntamatta sen konfiguraatiota tai geometriaa. Siinä tapauksessa, että esimuotti sisältää kiinteän hapettimen ja/tai nestemäisen hapettimen, ' jota voidaan käyttää kaasufaasihapettimen yhteydessä, esimuotin tulisi 16 93826 olla riittävän huokoinen tai läpäisevä salliakseen ja hyväksyäkseen hapettumisreaktiotuotteen kasvun, joka saa alkunsa kiinteästä ja/tai nestemäisestä hapettimesta.

5 Voidaan käyttää sekarakennetäyteainetta, joka happea sisältävässä ilmakehässä sopivaan lämpötilaan kuumennettuna tuottaa lisäaineen sisäisen lähteen; toisin sanoen esimerkiksi piikarbidi täyteaineena on piidioksidin sisäinen lähde lisäaineena. Tietyissä sovelluksissa voi olla välttämätöntä tai toivottavaa käyttää ylimääräistä lisäainetta täyden-10 tämään lisäainetta, jonka piilähde on sisäisesti tuottanut. Tässä keksinnössä kuitenkin piiesiaste ja piilähde eroavat koostumukseltaan täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta. Kun yhtä tai useampaa lisäainetta käytetään piilähteen lisäksi, ne: (1) voidaan järjestää alu-miiniperusmetaliiin lisättävinä ainesosina, (2) voidaan levittää aina-15 kin osaan perusmetallin pinnasta tai (3) voidaan lisätä tai sisällyttää koko täyteaineeseen tai osaan siitä, tai mitä tahansa kahden tai useamman tekniikan (1), (2) ja (3) yhdistelmää voidaan käyttää. Perusmetallin kanssa lejeerattua lisäainetta voidaan käyttää esimerkiksi yksin tai yhdessä toisen, ulkoisesti lisätyn lisäaineen kanssa piiyhdiste-20 päällysteen yhteydessä. Tekniikan (3) tapauksessa, jossa ylimääräinen lisäaine tai -lisäaineet lisätään täyteaineeseen, lisäys voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla tavalla, kuten hakijan patenteissa on selvitetty. Lisäaineen toiminta tai toiminnot voivat riippua muistakin tekijöistä kuin itse lisäaineesta. Tällaisia tekijöitä ovat esimerkiksi 25 lisäaineiden tietty yhdistelmä kahta tai useampaa lisäainetta käytettäessä, ulkoisesti lisätyn lisäaineen käyttäminen yhdessä perusmetalliin lejeeratun lisäaineen kanssa, lisäaineen pitoisuus, hapettava ympäristö ja prosessiolosuhteet.

30 Lisäaineita, jotka ovat hyödyllisiä käytettäessä piilähdettä lisäainee-. na alumiiniperusmetallin yhteydessä erityisesti ilman ollessa hapetti- mena, ovat esimerkiksi magnesium ja sinkki, joita voidaan käyttää yhdessä muiden lisäaineiden kanssa, kuten alla on selvitetty. Nämä metallit tai metallien sopiva lähde voidaan sekoittaa alumiinipohjaiseen pe-35 rusmetalliin pitoisuuksina kullekin noin 0,1-10 painoprosenttia perustuen saatavan sekoitetun metallin kokonaispainoon. Piimetalli voidaan haluttaessa sekoittaa perusmetallin kanssa täydentämään piilähdettä 93626 17 päällysteenä täyteaineen päällä. Tällaisissa esimerkeissä suositeltava magnesiumpitoisuus on alueella noin 0,1-3 painoprosenttia, piipitoisuus alueella noin 1-10 painoprosenttia ja sinkkipitoisuus alueella noin 1-6 painoprosenttia magnesiumin kanssa käytettäessä. Näitä lisäaineita tai 5 niiden sopivaa lähdettä (esim. MgO ja ZnO) voidaan käyttää ulkoisesti perusmetalliin. Näin ollen alumiinioksidinen keraaminen rakenne on saavutettavissa alumiiniperusmetallille käytettäessä ilmaa hapettimena käyttämällä MgO:ta lisäaineena määrässä, joka on suurempi kuin noin 0,0008 grammaa per gramma hapetettavaa perusmetallia ja suurempi kuin 10 0,003 grammaa per neliösenttimetri perusmetallia, johon MgO lisätään.

Lisäesimerkkejä lisäaineista, jotka ovat tehokkaita happea sisältävän ilmakehän kanssa reagoivien alumiiniperusmetallien yhteydessä, ovat germanium, tina, lyijy, litium, kalsium, boori, fosfori ja yttrium, 15 joita voidaan käyttää yksin tai yhdessä yhden tai useamman muun lisäaineen kanssa hapettimesta ja prosessiolosuhteista riippuen. Harvinaiset maametallit, kuten serium, lantaani, praseodyymi, neodyymi ja samarium, ovat myös hyödyllisiä lisäaineita, ja tässä yhteydessä jälleen käytettyinä erityisesti yhdessä muiden lisäaineiden kanssa. Kuten hakijan 20 patenteissa on selvitetty, kaikki lisäaineet piilähteen päällysteen lisäksi ovat tehokkaita edistämään monikiteisen hapettumisreaktiotuotteen kasvua alumiinipohjaisissa perusmetallijärjestelmissä.

Tätä keksintöä soveltamalla saatu keraaminen sekarakennetuote on taval-25 lisesti koherentti tuote, jossa noin 5-98 tilavuusprosenttia keraamisen sekarakennetuotteen kokonaistilavuudesta koostuu monikiteisen keraamisen matriisin sisäänsä sulkemasta täyteaineesta. Ilman tai hapen ollessa hapettimena monikiteinen keraaminen matriisi koostuu tavallisesti 60-99 tilavuusprosentista (monikiteisen matriisin tilavuudesta) yhdis-30 tynyttä alfa-alumiinioksidia ja noin 1-40 painoprosentista (sama peruste) metallisia ainesosia, kuten perusmetallin hapettumattomia ainesosia tai lisäaineesta tai hapettimesta pelkistynyttä metallia.

Kuten hakijan US-patentissa 4 923 823 on selvitetty, täyteaineen yh-35 teydessä voidaan käyttää rajoitinta ehkäisemään hapettumisreaktiotuot-teen kasvua tai kehittymistä rajoittimen ulkopuolelle. Sopiva rajoitin voi olla mikä tahansa materiaali, yhdiste, alkuaine, seos tai vastaava, 18 93826 joka tämän keksinnön prosessiolosuhteissa säilyttää osan yhtenäisyyttään, ei ole haihtuva, ja on mielellään läpäisevä kaasufaasihapettimel-le sekä pystyy paikallisesti ehkäisemään, negatiivisesti aktivoimaan, pysäyttämään, häiritsemään, estämään, jne. hapettumisreaktiotuotteen 5 jatkuvan kasvun. Kalsiumsulfaatti (kipsi), kalsiumsilikaatti ja port-landsementti sekä näiden seokset, jotka ovat erityisen hyödyllisiä alumiinin ollessa perusmetallina ja happea sisältävän kaasun ollessa hapettimena, levitetään tyypillisesti lietteenä tai pastana täyteaineen pintaan. Nämä rajoittimet voivat sisältää myös sopivan palavan tai 10 haihtuvan materiaalin, joka eliminoituu kuumennettaessa tai materiaalin, joka hajoaa kuumennettaessa, jotta rajoittimen huokoisuutta ja läpäisevyyttä voidaan lisätä. Rajoitin voi lisäksi sisältää sopivia tulenkestäviä hiukkasia minkä tahansa mahdollisen kutistumisen tai halkeilemisen estämiseksi, jota voi muutoin esiintyä prosessin aikana. 15 Sellaiset hiukkaset, joiden laajenemiskerroin on olennaisesti sama kuin täyteainepedin, ovat erityisen suositeltavia. Jos esimuotti käsittää esimerkiksi alumiinioksidin ja saatava keramiikka käsittää alumiinioksidin, rajoitin voidaan sekoittaa alumiinioksidihiukkasten kanssa, joiden seulamitta on mielellään noin 20-1000, mikä vastaa n. 12-850 20 mikronia.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat keksinnön tiettyjen piirteiden soveltamista.

25 Esimerkki 1 Tämän keksinnön mukaisesti valmistettiin keraaminen rakenne käsittäen /)-S iC-karvoja sisäänsä sulkevan alumiinioksidisen hapettumisreaktiotuotteen, jotka karvat oli toimittanut NIKKEI TECHNORESEARCH COMPANY, 30 LTD ja jotka oli alunperin päällystetty joko kaupallisella kolloidisel-. la piidioksidilla (Ludox HS-30, Du Pont Company) tai natriumsilikaatti- 1luokse11a (40-42° Baume) piin täydentävinä lähteinä.

Valmistettiin kolme esimuottia, halkaisijaltaan 2 tuumaa (5,08 cm) ja 35 paksuudeltaan 3/8 tuumaa (0,95 cm), sekoittamalla kolme erillistä erää β-SiC-karvoja nestemäisen aineen kanssa, kaatamalla saatu liete muottiin ja kaasuttamalla sekä kuivaamalla tyhjöeksikkaattorissa. Nestemäi- 19 93826 tien aine, joka sekoitettiin j8-SiC-karvojen kanssa, sisälsi tislattua vettä verranteena, kolloidista piidioksidia ja natriumsilikaattiliuos-ta. Esimuotit sijoitettiin 90-raekoon (n. 165 mikronia) El Alundum -pohjaan (Norton Company) tulenkestävään veneenmuotoiseen kappaleeseen.

5 Alumiiniseosharkoissa (n:o 712.2), joiden halkaisija oli sama kuin esimuottien, toinen puoli oli päällystetty ohuella kerroksella hiekkaa, ja kunkin harkon päällystetty puoli sijoitettiin kosketukseen esimuotin yläpuolen kanssa. Tämä kooste sijoitettiin uuniin ja kuumennettiin 900°C:en 5 tunnissa. Tätä lämpötilaa pidettiin yllä 36 tuntia, ja kooste 10 jäähdytettiin ympäristön lämpötilaan 5 tunnissa. Alumiinioksidisen hapettumisreaktiotuotteen suodattuminen oli merkityksetöntä esimuotis-sa, joka sisälsi ainoastaan /9-SiC-karvoja (kun verranteessa käytettiin tislattua vettä). Kolloidisella piidioksidilla päällystetyt /J-SiC-kar-vat suodattuivat esimuotin koko paksuuden läpi. Natriumsilikaattiliuok-15 sella varustettujen /3-SiC-karvojen suodattuminen ulottui suunnilleen esimuotin keskiosaan.

Esimerkki 2 20 Tämän keksinnön mukaisesti valmistettiin keraaminen sekarakenne käsittäen piikarbiditäyteaineen (39 Crystolon, raekoko 500 [n. 23 mikronia], Norton Co.) hiukkaset sisäänsä sulkevan alumiinoksidisen hapettumisreaktiotuotteen, jotka hiukkaset oli alunperin päällystetty kolloidisella piidioksidilla (Ludox HS-30, Du Pont Company, 30-prosenttinen 25 liuos) piin lähteenä.

Piikarbidihiukkasten päällä oleva kolloidinen piidioksidipäällyste tehtiin valmistamalla kaksi esimuottia, mitoiltaan 2 x ^ tuumaa (12 x 1,25 cm), sedimenttivalamalla kumimuottiin piikarbidihiukkasten 30 (raekooltaan 500 - n. 25 mikronia) ja kolloidisen piidioksidin seos . jauheen ja nesteen suhteen ollessa 2:1. Kun yksi esimuoteista oli jäh metetty ja kuivattu, se murskattiin ja seulottiin 100-prosenttisesti seulamitan 100 (n. 150 mikronia) läpi. Tämä piikarbidilla päällystetty, musrkattu kolloidinen piidioksidi sedimenttivalettiin tämän Jälkeen 35 uudestaan käyttäen 2-prosenttista akryylilateksisideainetta (Elmer's Wood Glue, Borden Co.). Valmistettiin ylläolevien kanssa identtinen 20 93826 esimuotti piikarbidin kanssa, jota ei ollut päällystetty kolloidisella piidioksidilla, käyttäen ainoastaan lateksisideainetta.

Kolme alumiiniseoksesta 712 (joiden nimellinen koostumus oli 0,15 % Si, 5 0,6 % Mg, 6 % Zn) koostuvaa tankoa sijoitettiin Uollastoniittikuiduista (NYAD FP, Petty-Rowley Chemical Co.) koostuvaan tulenkestävään pohjaan tulenkestävään astiaan siten, että kunkin tangon yksi 2x2 tuuman (2 x 2,54 cm) pinta oli paljaana ilmakehälle ja olennaisesti samassa tasossa pohjan kanssa. Kolme ylläkuvattua esimuottia sijoitettiin kukin 10 seostankojen päälle siten, että kunkin vastaavan esimuotin 2x2 tuuman (2 x 2,54 cm) pinta oli olennaisesti samansuuntainen. Kerros Wollas-toniittikuituja hajautettiin esimuottien päälle, jotta voitiin lieventää keraamisen matriisin ylikasvua esimuotin rajojen ulkopuolelle. Tämä kooste sijoitettiin uuniin ja kuumennettiin 10 tunnin aikana 1000°C:en. 15 Uunia pidettiin 1000°C:ssa 80 tuntia, jonka jälkeen se jäähdytettiin ympäristön lämpötilaan 10 tunnin aikana. Kooste poistettiin uunista, ja saadut keraamiset sekarakenteet otettiin talteen. Saadut sekarakenteet hiekkapuhallettiin kevyesti uppoutumattomien esimuotin materiaalien poistamiseksi. Kuviot 1(a), 2(a) ja 2(b) ovat valokuvia saaduista seka-20 rakennemateriaaleista, joissa on käytetty esimuottejä kolloidisen pii-dioksidipäällysteen kanssa (kuvioihin 2(a) ja 2(b) sisältyy uudelleen valettu esimuotti) ja jotka havainnollistavat hyvää kasvua; ja kuviot 3(a) ja 3(b) esittävät saadun sekarakenteen, jossa piidioksidipäällys-tettä ei ole käytetty. Kuten kuvioista ilmenee, piidioksidilla päällys-25 tetyillä hiukkasilla varustetut esimuotit olivat uponneet olennaisesti mittarajoilleen, kun taas piidioksidia sisältämättömässä esimuotissa oli havaittavissa vähemmän suodattumista keraamisella matriisilla.

Esimerkki 3 30 Tämän keksinnön mukaisesti valmistettiin keraaminen sekarakenne käsit täen alumiinioksidisen hapettumisreaktiotuotteen, joka sulki sisäänsä piillä päällystetyt boorinitridihiukkaset.

35 Alumiiniseoksesta 380.1 koostuva tanko (Belmont Metals, nimellinen tunnistettu koostumus painoprosentteina: 8,85 % Si, 2-3 % Zn, ja 0,1 % Mg aktiivisina lisäaineina, ja 3,5 % Cu sekä Fe, Mn ja Ni, mutta mag- 21 93826 nesiumpitoisuus oli joskus korkeampi alueella 0,17-0,18 %) upotettiin boorinitridihiukkasten petiin (seulamitta noin 50 - n. 300 mikronia). Boorinitridihiukkaset oli päällystetty piillä (kemiallisen höyrysijoit-tamisen avulla) boorinitridin suojelemiseksi heikentymiseltä ja jotta 5 pii toimisi piilisäaineen lähteenä, joka täydensi seoksessa olevaa pii-lähdettä. Tämä peti sijoitettiin tulenkestävään astiaan. Tämä kooste sijoitettiin uuniin, joka oli varustettu aukolla ilman kulun helpottamiseksi, ja kuumennettiin 5 tunnin aikana 1100°C:en. Uunia pidettiin 1100°C:ssa 48 tuntia, jonka jälkeen se jäähdytettiin ympäristön lämpöti-10 laan. Saatu keraaminen sekarakenne otettiin talteen. Kuvio 4 on 50 kertaa suurennettu mikrovalokuva sekarakenteesta, jossa boorinitridihiukkaset 4 ovat alumiinioksidimatriisin 2 sisäänsä sulkemia, joissa hiukkasissa oli vielä jonkin verran piipäällystettä 6.

15 Ylläolevat esimerkit havainnollistavat täyteaineen käytettävyyttä pii-lähteen kanssa, jolla on lisäaineominaisuuksia sekarakenteen muodostumisen parantamiseksi. Vaikka ainoastaan muutamia tämän keksinnön suoritusmuotoja on kuvattu yllä yksityiskohtaisesti, alan asiantuntijat ymmärtävät helposti, että tähän keksintöön liittyy monia muitakin vari-20 aatioita kuin yllä esitetyt.

Claims (13)

93826 Patentt ivaa t imuks e t

1. Menetelmä itsekantavan keraamisen sekarakenteen tuottamiseksi, käsittäen (1) keraamisen matriisin, joka on saatu hapettamalla alumiini-5 perusmetallia muodostamaan monikiteisen materiaalin, joka käsittää (a) perusmetallin hapettumisreaktiotuotteesta ainakin yhden hapettimen kanssa, johon sisältyy kaasufaasihapetin ja valinnaisesti (b) yhden tai useamman metalliainesosan ja (2) täyteaineen, johon matriisi on suodattunut, joka menetelmä käsittää seuraavaa: (A) suunnataan alumii-10 niperusmetalli ja täyteaine suhteessa toisiinsa siten, että hapettumis-reaktiotuotteen muodostuminen tapahtuu täyteaineeseen ja kohti sitä, jossa täyteaineessa on ainakin yksi hapetusreaktiota parantava lisäaine alumiiniperusmetallille; (B) kuumennetaan alumiiniperusmetalli sulamispisteensä yläpuolella mutta hapettumisreaktiotuotteen sulamispisteen 15 alapuolella olevaan lämpötilaan muodostamaan sula alumiiniperusmetal-limassa, ja annetaan sulan alumiiniperusmetallin reagoida hapettimen kanssa sanotussa lämpötilassa muodostamaan hapettumisreaktiotuotteen, ja sanotussa lämpötilassa pidetään ainakin osa hapettumisreaktiotuotteesta kosketuksessa sulan metallin massan ja hapettimen kanssa näiden 20 välillä, jotta sulaa metallia voisi vetäytyä vähitellen hapettumisreaktiotuotteen läpi kohti hapetinta ja täyteaineeseen siten, että tuoreen hapettumisreaktiotuotteen muodostuminen jatkuu täyteaineessa hapettimen ja aikaisemmin muodostuneen hapettumisreaktiotuotteen välisellä rajapinnalla; ja (C) jatketaan reaktiota niin kauan, että ainakin osa täy-25 te-aineesta tai esimuotista suodattuu monikiteisellä materiaalilla, tunnettu siitä, että ainakin osalla täyteainetta on (i) pii-päällyste, joka on levitetty kemiallisella höyrykerrostamisella, tai (ii) piiesiastepäällyste levitettynä täyteaineelle päällystämällä täyteaine piiesiasteen suspensiolla tai liuoksella ja kuivaamalla se, 30 jolloin piiesiaste kykenee muodostamaan piilähteen, jolla on lisäaine-ominaisuuksia, tai (lii) piilähdepäällyste, joka on muodostettu pii-esiasteesta hapettamalla tai dissosiaatiolla, joka piiesiaste ja pii-lähde eroavat koostumukseltaan täyteaineen pääasiallisesta koostumuksesta. 35 93826

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että piipäällyste, joka on levitetty kemiallisella höyrykerrostamisel-la, on läsnä päällysteenä boorinitridi-täyteainemateriaalilla,

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että piiesiastepäällyste valitaan ryhmästä, johon kuuluu kolloidinen piidioksidi, silikaatti, tetraetyyliortosilikaatti ja etyylisilikaatti-lasi.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että täyteaine on piikarbidi, piinitridi, sirkoniumoksidi tai hiukkasmainen alumiinioksidi.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1,3 tai 4 mukainen menetelmä, t u n -15 n e t t u siitä, että piilähteen suspensio tai liuos lisäksi sisältää sideaineen ja muodostetaan täyteainepeti tai muotoiltu täyteaine-esi-muotti, joka kuivataan.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että piiesiastepäällyste on piiyhdiste, joka on pelkistettävissä sulalla alumiiniperusmetallilla vaiheissa (B) ja (C).

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettaminen tai dissosioiminen piilähdepäällystyksen tuottami- 25 seksi suoritetaan ennen kohdan (a) sanottua suuntausvaihetta.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettaminen tai dissosioiminen piilähdepäällystyksen tuottamiseksi suoritetaan paikan päällä hapetusreaktiotuotteen muodostamisen 30 aikana.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettaminen päällystyksen muodostamiseksi suoritetaan kuumentamalla piiesiastepäällyste happea sisältävän ilmakehän läsnä- 35 ollessa piidioksidipäällysteen muodostamiseksi. i 93826

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään lisäksi ainakin yhtä ylimääräistä lisäainetta alumiiniperusmetallin yhteydessä.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että täyteaine muotoillaan ainakin yhdeksi esimuotik-si varustettuna ainakin yhdellä pintarajalla.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että esimuotin päälle asetaan rajoitin, jotta voidaan estää hapettumis- reaktiotuotteen muodostuminen sen ulkopuolelle.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin käsittää lisäksi ainakin yhtä kiinteää 15 tai nestemäistä hapetinta tai molempia sisällytettynä ainakin osaan täyteainetta ja että sulan metallin annetaan lisäksi reagoida lisäha-pettimen kanssa ja että monikiteinen materiaali sisältää lisäksi perusmetallin ja lisähapettimen hapetusreaktiotuotteen. 20 4 93826