JP7649373B2 - 空隙のないセラミック－メタリック複合材料及びそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空隙のないセラミック－メタリック複合材料及びそれらの製造方法の実施態様からなっている。セラミック－メタリック複合材料、特に、構成成分としてアルミニウム及びアルミニウム化合物を含むものは、数多くの用途を有している。そのような用途としては、以下のものが挙げられる：ブレーキのローターも含めたブレーキ要素、脱ガスローター、押湯チューブ、成形ダイ及び金型、ヒーター浸漬チューブ、熱電対保護チューブ、柄杓、撹拌装置、ベアリング、ノズル、ブッシング、バルブ要素、クラッチ、エンジン要素、タービン要素、導電体、ヒートシンク、放熱器、金属ワーキングダイ、切断工具、スポーツ用品（たとえばゴルフクラブのヘッドやアイススケートのブレード）の要素、インペラーなど。

しかしながら、本願出願人の見出したところでは、アルミニウムを含むセラミック－メタリック複合材料では、加工の際に発生する空隙という固有の問題がある。この空隙は、その複合材料の性能、特にそれらの強度に顕著なマイナスの影響を与え、その材料の有用性が限定される。このように、本発明の重要な目的は、空隙を大幅に低減又は排除し、それによって密度を高め、材料特性を改良することである。

以後で、さらに詳しく説明するが、この目的は、陰圧（真空とも呼ばれる）及び陽圧の不活性ガス圧力を適用して、最終的な複合材料の中の空隙を低減又は消失させる特別な装置を使用することによって、その中で空隙が顕著に減少した（そして、密度が顕著に増大した）セラミック－メタリック複合材料を作り出すことによって、達成される。

本発明の実施態様は、米国特許第５，２１４，０１１号明細書；米国特許第５，７２８，６３８号明細書；及び米国特許第７，２６７，８８２号明細書に記載されている発明を越えた改良である。それら３件の従来技術特許からの好ましい実施態様には、次の２つのメインプロセスステップが含まれている。

１．犠牲酸化物（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｏｘｉｄｅ）セラミック、典型的には二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含むプリフォーム付形物（ｐｒｅｆｏｒｍ ｓｈａｐｅ）を、常法により作成する。このプリフォーム付形物は、全面的にその犠牲酸化物からなっていてもよいし、或いは、不活性なセラミック添加物、典型的には炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含んでいてもよい。さらに、そのプリフォーム付形物は、多孔質であってもよいし、或いは、内部ボイド空間（細孔とも呼ばれる）がない、完全に中実であってもよい。

２．プリフォーム付形物を、１つの炉の中で、一般的には約１０００～１２５０℃の間である作業温度に予備加熱し、次いで、あらかじめそれと同じ温度範囲にしてある、第二の炉の内側に設けた液状アルミニウム（Ａｌ）浴の中に完全に浸漬させ、そして最終的には、加工が完了したら、浴から抜き出す。そのようにして得られた付形物は、そのプリフォーム付形物の元々の寸法を保持しているが、浸漬の間に、そのプリフォーム物材料が変態されて、セラミック－メタリック複合材料となる。そのアルミニウム浴は、純粋であってもよいし、或いは、痕跡量の、不純物、不活性な合金元素、又は（そのプリフォームの中にＳｉＣが存在している場合には）ＳｉＣとＡｌとの間のいかなる反応も完全に抑制するための、２０～３０重量％のケイ素（Ｓｉ）が含まれていてもよい。第二の炉は、液状アルミニウムを保持する下側セクションと加熱システムを含む頂部セクションとで構成されており、その頂部セクションは、付形物を浴に出し入れするときには、外される。この炉の中へは、不活性ガスたとえばアルゴンが、大気圧で流し込まれて、液状アルミニウムを、過剰な酸化から保護している。プリフォームを浸漬させている間に、その犠牲酸化物が、置換反応を介して、アルミニウムと反応する。二酸化ケイ素を使用した場合には、次の反応が起きる：４Ａｌ＋３ＳｉＯ_２＝２Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｓｉ。その液状アルミニウム浴の中に、その付形物を、置換反応が完了に達するに十分なくらいの時間保持し、その犠牲酸化物全部が、転化されて酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）となるようにする。その反応が完了したら、液状アルミニウム浴からその付形物を抜き出す。最初に、その浴の中にケイ素が存在しなかったら、その反応によって生ずるケイ素は十分に希釈されて、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌの複合材料を生じるであろう。そのプリフォームに炭化ケイ素が含まれているならば、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ－Ｓｉ－ＳｉＣの複合材料が生成する。出発物質のプリフォーム付形物に内部ボイド空間が含まれていたら、最終的な複合材料の中のアルミニウム及びケイ素の重量は、元々のプリフォーム物の空隙の大きさ、及び、加工の間にそのボイド空間が、どの程度アルミニウム合金で充填されるかに依存するであろう。

本願出願人は現在、ＴＣＯＮ（登録商標）の商標で販売されている複合材料を製造するために、この好ましい実施態様を使用している。本願出願人はさらに、液状金属浴の中で置換反応を実施する、それらの作成方法を記述するのに、「変態プロセス（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）」という用語を使用している。

有用な性能を有する独自の材料を製造することに加えて、この変態プロセスは、ネットシェイプ又はニアネットシェイプの、有用な付形物を製造することが可能であり、これは、他の競合プロセスよりも、コスト的に有利である。プリフォーム物を、ネットシェイプ付形物に加工するために、一般的な製造技術を使用することによって、この変態プロセスは、それらの特性を維持し、それにより、最終的な付形物を利用するのに必要な、各種の切断又は研磨をなくしたり、顕著に減らしたりすることができる。したがって、この従来技術で製造されたこれらのセラミック－メタリック複合材料は、各種の有用な性能を有していて、各種の用途での、ネットシェイプ又はニアネットシェイプした有用な付形物に成形することができる。しかしながら、最終的な複合材料におけるボイド（空隙率で測定される）のような材料欠陥は、それらの性能を制限するであろうし、空隙が大きいほど、性能が受ける悪影響も大きくなる。本願出願人が発見したところでは、３件の従来技術特許からの好ましい実施態様に従うと、一貫して、セラミック－メタリック付形物の中心領域に集中する空隙が生じるであろう。これは、より一般的には、センターライン空隙（ｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ）と呼ばれており、その結果は、図１に示したような断面図で示されたサンプルに見られるようなものである。さらなる検討で、この空隙が、複合材料のフリーアルミニウム相に集中しているということも発見された。

本発明は、これらのセラミック－メタリック複合材料の付形物の中の空隙の根本的な原因の研究、さらにはこれらの欠陥を消失させて、それにより性能を最大限に発揮させるための新規な加工方法の開発をした結果である。センターライン空隙は、次の３つのファクターが組み合わさったためであるということを突き止めた：１）溶解されている水素ガス；２）液状アルミニウムの固化の際の収縮；及び３）変態プロセスの最後に、アルミニウム浴から抜き出した後での、その複合材料の付形物からの熱の消散の仕方。液状アルミニウムが固化していくと、かなりの収縮が起きる同時に、水素ガスが放出されるが、その両方によって、固体のアルミニウム相の中に空隙が発生する。第三のファクターは、３件の従来技術特許からの好ましい実施態様の実施方法の直接的な結果である、すなわち、複合材料の付形物の外側表面が最初に冷却され、そして中心セクションが最後に冷却されるが、このことにより、収縮及びガス空隙が中心部に集中し、センターライン空隙が生じる。

水素ガスは、液状アルミニウムの中に非常に溶けやすく、水素の主たる供給源は、空気中の水蒸気と液状アルミニウムとの、次式の反応式に従った反応である：３Ｈ_２Ｏ＋２Ａｌ＝Ａｌ_２Ｏ_３＋６Ｈ。この現象は、純アルミニウムと同様、アルミニウムと他の構成成分との合金でも起きる。アルミニウムの温度が上がると、水素の溶解度も高くなる：たとえば、液体の純アルミニウム中への水素の溶解度は、６６０℃では、１００ｇのアルミニウムあたり０．６５ｍＬの水素であり、それに対して、９００℃では３ｍＬ／１００ｇである。さらに、純アルミニウムの中への水素の溶解度は、その金属が固化するにつれて、顕著に低下する：６６０℃では、液状アルミニウムでの溶解度が、０．６５ｍＬ／１００ｇであるが、アルミニウムが固化すると、わずか０．０３４ｍＬ／１００ｇである。したがって、液状アルミニウムが冷却するにつれて、水素ガスが追い出され、金属が固化する際に、空隙が発生する。アルミニウムの機械的性質に及ぼす、溶解されていた水素から発生する空隙の影響は、極めて大きい。一例として、溶解された水素がほぼゼロの３５６アルミニウム合金は、４１，０００ｐｓｉの引張強度を有しているであろうが、それに対して、０．２７ｍＬ／１００ｇの溶解水素を含む鋳造法による同一の合金では、１５％低下した、３５，０００ｐｓｉの強度を有するであろう。

液状アルミニウムの中への水素の溶解、それに続く固体のアルミニウムの中で発生する空隙に伴う問題、さらにはこの空隙を軽減させるか又は消失させるための技術は、従来技術においても、いろいろと報告されてきた。アルミニウム及びアルミニウム合金の金属鋳造法の分野においては、業界で広く使用されている技術がいくつか存在する。ガスパージ法は、最も広く使用されている技術であり、この場合、不活性ガス（たとえば、アルゴン）又は不活性ガス－活性ガス混合物（たとえば、アルゴン＋塩素）を、液状アルミニウム全体にバブリングさせて、溶解している水素を、その液体から連れ出す。液状アルミニウムに真空をかけることもまた公知の作業ではあるが、金属鋳造製造業者では、あまり使用されていない。

セラミック－メタリック複合材料の中での空隙の第二の供給源は、固化の際の収縮によるもので、このタイプの空隙の影響は、溶解された水素が原因の空隙よりも、はるかに顕著である。液状のアルミニウム及びアルミニウム合金が冷却及び固化するにつれて、その材料の密度において顕著な増大が起きる；別の言い方をすれば、液体が固化するにつれて、体積の顕著な減少（収縮とも呼ばれる）が起きる。固化の際に、この収縮が補償されないと、その固体の金属が、空隙を含むことになるであろう。体積収縮のほとんどは、融点のところで起きる：純アルミニウムの融点は６６０℃であり、液状アルミニウムがその温度で固化すると、その密度は、２．３６８ｇ／ｃｍ^３から２．５４８ｇ／ｃｍ^３へと上昇し、それにより、７．１％の体積収縮が起きる。アルミニウム合金もまた、固化の際に体積収縮を起こすが、それは、合金元素に依存して、３．５～８．５％の範囲となる可能性がある。この場合もまた、さらなるアルミニウムでその体積収縮を埋め戻さない限り、空隙の大きさは同じようになるであろう。その空隙は、その固体金属の機械的性質にマイナスの影響を与えるには十分な酷さである。一例として、３１９アルミニウム鋳造合金における空隙が、約０体積パーセントから５体積パーセントにまで増大すると、その引張強度が、５０％を越えて低下し（２２５，０００ｐｓｉから、１００，０００ｐｓｉ未満へと）、そしてその金属が、より脆くなる。

アルミニウム及びアルミニウム合金の鋳造における収縮空隙の現象もまた、従来技術においていろいろと報告されてきた。アルミニウム鋳物の中の空隙を低減又は消失させるために使用される主たる技術は、押湯の使用である。金属鋳物は、液状金属を型の中に注入することにより製造され、押湯は、鋳造物が型の中で完全に固化した後で最後に固化するように設計された液体の容器であり、型のキャビティの中の液状金属が固化し収縮していくときに、押湯から液体を引き入れて、その収縮を補償する。さらなる技術では、固化収縮から生じる空隙を消失させる目的で、型の内部での液状金属の固化過程に影響を及ぼす型材料及び設計を使用する。しかしながら、これらの技術は、従来技術特許の好ましい実施態様に従って製造されるセラミック－メタリック複合材料の場合には、実際的ではないが、その理由は、そのプロセスでは、置換反応が実施される際に、いかなるタイプの型も使用されないからである。

最後に、収縮空隙の位置は、それら３件の従来技術特許からの好ましい実施態様に従ったことの、直接的な結果である。先に論じたように、犠牲酸化物セラミックを含むプリフォーム付形物は、約１０００～１２５０℃に保持された液状アルミニウム浴の中に完全に浸漬され、そして置換反応が完了したら、その付形物が、その浴から抜き出される。最初は、その最終的なセラミック－メタリック複合材料の付形物が、その液状アルミニウム浴の温度に等しい均質な温度で浴から出てくるが、その外側表面は直ちに、冷却しはじめる。その付形物が自立しているので、残存している熱が、その外側表面から連続的に消散して、温度勾配が起こり、それによって、外側表面に最も近い領域が、その付形物の中心部の領域よりも冷たくなる。温度が、アルミニウムの固化温度（たとえば、純アルミニウムでは６６０℃、アルミニウム－ケイ素合金では５７７℃）まで低下すると、外側表面に最も近い領域にあるアルミニウムが、最初に固化し、それによって起きる収縮が、その付形物の中心部にある液状アルミニウムによって埋め戻されることになるであろう。その複合材料の付形物の中のアルミニウムのすべてが完全に固化するまで、冷却が進行して、これが続行される。しかしながら、センターライン空隙が形成されるが、その理由は、それが、アルミニウムが固化する最後の領域であり、この空隙を、追加のアルミニウムを用いて埋め戻すことは不可能であるからである。一例として、図１にセンターライン空隙を示すが、これは、３件の従来技術特許からの好ましい実施態様に従って加工したテストバーで形成されたものである。

以下のような従来技術が、本願出願人には公知である。

Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｘｉｄｅ^ＴＭＣｅｒａｍｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｎｅｗｋｉｒｋ ｅｔ ａｌ．）（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｖｏｌ．１，Ｉｓｓｕｅ １，Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８６，ｐａｇｅ ８１－８９）には、セラミック－金属複合材料を調製するためのＬａｎｘｉｄｅ ＤＩＭＯＸ（金属酸化を目的としている）プロセスが記載されている。この成形加工技術は、気相輸送プロセスを利用し、バルクの液状金属をガスによって酸化して、セラミック－金属複合材料、たとえば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）－アルミニウム（Ａｌ）セラミック－メタリック複合材料を製造することが含まれている。

米国特許第４，７１３，３６０号明細書（Ｎｅｗｋｉｒｋ）にはさらに、Ｌａｎｘｉｄｅ ＤＩＭＯＸ（金属酸化を目的としている）プロセスの好ましい実施態様が開示されている。

米国特許第２，７０２，７５０号明細書（Ｇｅｏｒｇｅ）には、液状金属Ａｌ浴中、好適温度７００～９００℃での置換反応によって製造される、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）－アルミニウム（Ａｌ）セラミック－メタリック複合材料を作成する方法が開示されている。本発明は、次の点でＧｅｏｒｇｅの教示とは異なっている：本発明のプロセスは、Ｇｅｏｒｇｅの場合よりは、顕著に高い（典型的には１０００～１２００℃）温度で実施される。しかしながら、この特許における好ましい実施態様に従って製造された複合材料もまた、固化の際のアルミニウムの収縮が原因のセンターライン空隙が問題となるであろう。

米国特許第５，２１４，０１１号明細書（Ｂｒｅｓｌｉｎ）には、アルミニウム（Ａｌ）の融点（６６０℃）よりは少なくとも３００℃高い、好適な温度での、液状金属浴の中での置換反応によって、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）－アルミニウム（Ａｌ）セラミック－メタリック複合材料を作成するための方法が開示されている。その特許で開示されているプロセスは、９６０℃以上の温度で実施されている。

米国特許第５，７２８，６３８号明細書（Ｓｔｒａｎｇｅ）には、性能の改良をもたらす不活性な金属添加物を組み入れることによる、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許に開示された発明の改良が開示されている。

米国特許第７，２６７，８８２号明細書（Ｂｒｅｓｌｉｎ）には、性能の改良をもたらす不活性なセラミック添加物、たとえば炭化ケイ素を組み入れることによる、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許に開示された発明の改良が開示されている。

Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許、Ｓｔｒａｎｇｅの’６３８特許、及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許はすべて、犠牲酸化物を含む付形物を使用してセラミック－メタリック複合材料を作成する方法（一般的に「変態プロセス」と呼ばれている）について論じている。Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許及びＳｔｒａｎｇｅの’６３８特許が、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ複合材料に着眼し、そしてＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許が、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ－ＳｉＣ複合材料に着眼しているが、それらはすべて、それらの複合材料の中のフリーなアルミニウム又はアルミニウム合金が、その複合材料が加工されていくにつれて、空隙を形成する傾向が強く、そしてこの空隙が、その複合材料が、高い応力がかかる用途で使用可能であるかどうかの点で顕著な制限ファクターであるということを認識していない。さらには、それらの従来技術特許の実施態様に従うと、そのようにして得られたセラミック－メタリック複合材料は、先に述べたように、センターライン空隙を有し、その結果、その材料特性にマイナスの影響を与えるであろう。

Ｃｏ－ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ：Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ（Ｇ．Ｍ ＬａＶｅｃｃｈｉａ，Ｃ．Ｂａｄｉｎｉ，Ｄ．Ｐｕｐｐｏ，Ｆ．Ｄ’Ｅｒｒｉｃｏ，２００３）。これらの研究者らは、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許における好ましい実施態様に従って作成したセラミック－メタリック複合材料、具体的には、純アルミニウム又はアルミニウムの合金のいずれかプラス１０％ケイ素からなる液状金属の浴の中での、二酸化ケイ素プリフォーム物（溶融石英ガラスの形態にある）の変態についての実験を実施した。作成したすべてのサンプルにおいて、それらの研究者らは、その最終的な複合材料の中に、最高で１．７容積％までの残存空隙を見出した。さらには、それらの研究者らは、この空隙が、どれほど、それらの複合材料の機械的性質にマイナスの影響、たとえば引張強度の低下を与え、さらには、その試験結果にばらつきをもたらすかを記録している。この参考文献は、本願譲受人が、Ｂｒｅｓｌｉｎ特許の好ましい実施態様の実施で経験した問題点を記録している。

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ Ｂｉｎｄｅｒ Ｊｅｔｔｅｄ Ｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｐｒｅｆｏｒｍｓ ｔｏ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｃｅｒａｍｉｃ－Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（Ｋｙｌｅ Ｍｙｅｒｓ，２０１６）。この研究者は、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許における好ましい実施態様に従って作成したセラミック－メタリック複合材料についての実験を、具体的には、添加剤製造法（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（３Ｄ印刷法（３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）としても知られている）により二酸化ケイ素プリフォーム物を加工し、それに続けて純アルミニウムからなる液状金属の浴の中で変態させることにより実施した。この研究者によって作成された複合材料のサンプルのすべてにおいて空隙が見出され、この研究者は、この空隙がどれほど、物理的性質、たとえば強度及び剛性にマイナスの影響を与えるかを記録している。高温静水圧圧縮法（ＨＩＰ）を後加工技術として使用する試みもなされたが、これでもそれらの複合材料サンプルの中の空隙のすべてを除去することはできなかった。この研究者はさらに、変態プロセスの際に真空及び不活性ガス加圧（３．４５ＭＰａ）を使用することも試みたが、それでもなお、それらのサンプルには、空隙が含まれていた。この参考文献は、本願譲受人が、Ｂｒｅｓｌｉｎ特許の好ましい実施態様の実施で経験した問題点を記録しており、そしてさらには、空隙のないセラミック－メタリック複合材料を作り出すために真空及び圧力を利用することが、特許可能な発明であることを支持している。

Ｃｏ－Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｒａｋｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｇ．Ｓ．Ｄａｅｈｎ ａｎｄ Ｍ．Ｃ．Ｂｒｅｓｌｉｎ，２００６）。これらの研究者は、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許における好ましい実施態様に従って、具体的には、二酸化ケイ素プラス炭化ケイ素を含むプリフォーム物を作成し、それに続けてアルミニウムプラス２５％ケイ素からなる液状金属の浴において変態させることにより作成した、セラミック－メタリック複合材料についての実験を実施した。小型のサンプルを卓上型の摩擦対（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐａｉｒ）装置で試験し、その結果は、これらのセラミック－メタリック複合材料が、自動車のブレーキのローターとして有用となり得る、有望な軽量材料であるということを示した。しかしながら、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許における好ましい実施態様に従い、フルサイズの自動車のブレーキのローターを作成し、自動車のブレーキ条件をシミュレートする動力計でそのローターサンプルを試験すると、それらの自動車のブレーキのローターは、空隙のためにその物理的性質が顕著に低下していることが理由で、その試験には不合格であるというのが、本願譲受人の経験であった。

下記の従来技術はすべて、本発明の改良に関して、本願出願人の主張を支持するに足るデータを開示している。

ＡＳＭ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｈａｎｄｂｏｏｋ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ（Ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｊ．Ｒ．Ｄａｖｉｓ，１９９３）；Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｎｉｎｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ １５：Ｃａｓｔｉｎｇ（Ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｄ．Ｍ．Ｓｔｅｆａｎｅｓｃｕ，１９８８）；Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｄｅｓｋ Ｅｄｉｔｉｏｎ（Ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｈ．Ｅ．Ｂｏｙｅｒ ａｎｄ Ｔ．Ｌ．Ｇａｌｌ，１９８５）；Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｄｕｒｉｎｇ Ｍｅｔａｌｃａｓｔｉｎｇ（Ｊ．Ｅ．Ｇｒｕｚｌｅｓｋｉ，２０００）；及びＵｓｉｎｇ Ｐａｒｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ Ｖａｃｕｕｍ Ｆｕｒｎａｃｅｓ（Ｄ．Ｈ．Ｈｅｒｒｉｎｇ、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｇａｚｉｎｅ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５発行）。

これらの書籍及び論文には、固化につれての液状アルミニウムの収縮、液状アルミニウム中への水素の溶解度、及びアルミニウムが固化する際にガスがどのようにして空隙を作るか、空隙がアルミニウム及びアルミニウム合金の性質にどのようなマイナスの影響を与えるかも含めた、アルミニウム及びアルミニウム合金の性質、並びに加熱処理及び真空加工のための従来技術が記載されている。

本発明は、空隙のないセラミック－メタリック複合材料及びそれらの製造方法の実施態様からなっている。アルミニウム又はアルミニウム合金を含むセラミック－メタリック複合材料は、各種の有用な性能を有する材料である。しかしながら、従来技術プロセスに従うと、それらの複合材料が空隙を含むようになり、そのことが、それらの性質及び有用性を顕著に低下させる。本発明には、下記の目的、態様、及び特性が含まれる。

（１）この問題に対処するために、本発明では、これらのセラミック－メタリック複合材料、具体的には、液状金属浴における置換反応により製造される、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）－アルミニウム（Ａｌ）複合材料又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）－アルミニウム（Ａｌ）－炭化ケイ素（ＳｉＣ）複合材料を製造するための置換反応を実施するための、独自の炉のシステムの使用を考慮する。本発明のいくつかの実施態様では、予備加熱システムを、少なくとも９００℃及びそれ以上の温度に保持された液状金属浴と共に一体化させ、そのすべてが、完全に真空にすること、さらには不活性ガスを用いて加圧することが可能なチャンバーの中に含まれている、独自の変態炉のシステムを使用する。この独自の炉のシステムは、真空－加圧－変態炉（Ｖａｃｕｕｍ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ）、簡略化してすなわちＶＰＴ炉と呼ぶことができる。

（２）これらの新規な方法は、先に論じた従来技術、特にＢｒｅｓｌｉｎ特許及びＳｔｒａｎｇｅ特許を反映した既存の技術から自明なものではなく、本願出願人は現在、ＴＣＯＮ（登録商標）の商標で販売されているセラミック－メタリック複合材料を作成するために使用している。

（３）金属と犠牲酸化物との間の置換反応は、共連続な（ｃｏ－ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）セラミック－金属相からなる複合材料を与え、それらの材料は独自の性能を有している。本願出願人が好ましいとする方法では、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含むプリフォーム付形物を使用し、液状アルミニウムの浴の中にプリフォームを完全に浸漬させることによってそれらの置換反応を実施するが、置換反応を実施するためのこの方法は、「変態」プロセスとして公知である。反応物が不足することを回避するために、その浴には、必要最小量よりは多い液状金属が含まれるようにするのがベストである。さらに、そのプリフォーム付形物は、犠牲酸化物がすべて反応してしまうまで、その浴の中に保持する。

（４）このプロセスの１つの変法においては、酸化アルミニウムセラミック－アルミニウム金属（Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ）ベースの複合材料を製造するために、次の反応を使用する：
（４＋ｘ）Ａｌ＋３ＳｉＯ_２＝２Ａｌ_２Ｏ_３＋ｘＡｌ＋３［Ｓｉ］_Ａｌ
ケイ素（Ｓｉ）副生物が、その液状アルミニウム（Ａｌ）の中に溶解することに注目されたい；これの大部分はＡｌ浴の中に流れ込み、幾分かの量が最終的な複合材料の中に残る。これにより、７４重量％のＡｌ_２Ｏ_３、２６重量％のＡｌ、及び痕跡量のＳｉ反応副生物の組成を有する物質が得られる。

（５）この変態プロセスのまた別な変法においては、最終的な性能に影響を与える、たとえば、その材料の熱衝撃抵抗性を向上させる目的で、それらのＡｌ_２Ｏ_３－Ａｌベースの複合材料に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子状物質を添加することもできる。適切な加工条件下では、そのＳｉＣ添加物は、不活性であり、置換反応に関わることはない。より具体的には、ＳｉＣがＡｌと反応することを防止するためには、その液状アルミニウム浴には、過剰のＳｉを含むようにして、４Ａｌ＋３ＳｉＣ＝Ａｌ_４Ｃ_３＋３Ｓｉの反応を抑制する。次いで、その反応は、以下のように表すことも可能である：
（４＋ｘ）Ａｌ＋３ＳｉＯ_２＋ｙ［Ｓｉ］_Ａｌ＋ｚＳｉＣ＝２Ａｌ_２Ｏ_３＋ｘＡｌ＋（３＋ｙ）［Ｓｉ］_Ａｌ＋ｚＳｉＣ

（６）そのようにして得られた材料は、基本的なＡｌ_２Ｏ_３－Ａｌ構造を維持しており、それが、ＳｉＣ添加剤に共に結合されている。その複合材料が、炭化ケイ素を含んでいるか否かに関わらず、この変態プロセスは、その置換反応からアルファ－酸化アルミニウム（α－Ａｌ_２Ｏ_３）を形成させるために、典型的には９００℃より高い温度で実施される。さらに、そのようにして得られた付形物は、そのプリフォーム付形物の元々の寸法を保持しているが、浸漬の間に、そのプリフォーム物材料が変態されて、セラミック－メタリック複合材料となる。最後に、これらのタイプのセラミック－メタリック複合材料はすべて、本願譲受人であるＦｉｒｅｌｉｎｅ，Ｉｎｃ．により商業的に製造され、ＴＣＯＮ（登録商標）の商標で販売されている。

（７）先に述べたように、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許、Ｓｔｒａｎｇｅの’６３８特許、及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許からの好ましい実施態様では、予熱炉、及び液状アルミニウムを含む別の変態炉を使用している。プリフォーム付形物を、第一の炉の中で、一般的には約１０００～１２５０℃の間である作業温度に予備加熱し、次いで、あらかじめそれと同じ温度範囲にしてある、第二の炉の内側に設けた液状アルミニウム（Ａｌ）浴の中に完全に浸漬させ、そして最終的には、加工が完了したら、浴から抜き出す。第二の炉は、液状アルミニウムを保持する下側セクションと加熱システムを含む頂部セクションとで構成されており、その頂部セクションは、付形物を浴に出し入れするときには、外される。この炉の中へは、不活性な被覆ガスたとえばアルゴンが、大気圧で流し込まれて、液状アルミニウムを、過剰な酸化から保護している。その液状アルミニウム浴では、従来技術に記載されている従来からの方法を使用して脱ガスさせて、それにより、水素ガス空隙を最小化することができるものの、その液状金属浴から抜き出された後でのその複合材料の付形物の冷却法が原因で、センターライン空隙が生成するであろう。真空－加圧－変態炉は、独自の炉のシステムであり、それは、両方の問題に対処し、その結果として、実質的に空隙がなく、最適な性質を有するセラミック－メタリック複合材料を与える。

（８）図２及び４には、この真空－加圧－変態炉を通して処理され、センターライン空隙をまったく示さない複合材料を示すが、それに対して、図１及び３には、従来技術に従って加工し、センターライン空隙を示すサンプルを示している。

（９）先に述べたように、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許、Ｓｔｒａｎｇｅの’６３８特許、及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許からの好ましい実施態様では、２つの別個の炉のシステムを使用しており、その第一の炉は、プリフォーム付形物を、一般的には約１０００～１２５０℃の間の作業温度にまで予熱するのに使用され、それに対して第二の炉は、液状アルミニウムをそれと同じ温度範囲に保持している下側セクションと加熱システムを含む頂部セクションとから構成されており；その頂部セクションが、付形物をその浴へ出し入れするときには、外される。この炉の中へは、大気圧での不活性な被覆ガスたとえばアルゴンが、流し込まれて、液状アルミニウムを、過剰な酸化から保護している。

（１０）そのＶＰＴ炉のシステムは、それら従来技術の炉のシステムよりは、いくつかの理由で改良されている：付形物の予熱及び変態ステップが、２つの別個の炉に代えて、１つの炉システムの中で実施される；空気及び湿分を除去するために真空圧を使用することは、不活性な被覆ガスを使用するよりは、はるかに有効であり、それにより、その液状金属浴の清浄度が顕著に上昇する；不活性ガスの陽圧を使用することにより、最終的な複合材料の付形物の中でのセンターライン空隙の形成が排除される。

（１１）さらに、驚くべきことには、真空－加圧－変態炉のさらなる便益が発見された：達成される変態反応速度が、従来技術に比較して、顕著に高い。Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許、Ｓｔｒａｎｇｅの’６３８特許、及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許のいずれにも、それらの特許における好ましい実施態様に従えば、１～３ｍｍ／時間の反応速度が達成されるということが開示されている。本発明では、驚くべきことには、同じプリフォーム組成物で８．５ｍｍ／時間以上が達成され、これは、ほぼ３倍の改良である。その結果、その真空－加圧－変態炉を使用することは、付形物の処理速度を従来技術よりも３倍も早くすることができるので、製造プロセスとして顕著な利点を有している。

（１２）従来技術特許では、セラミック－メタリック複合材料の加工の際に、陰圧及び陽圧をどのように使用できるかを開示しているが、従来技術特許は、本出願による開示とは異なった文脈でそのようにしている。たとえば、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許には、第８カラム、第５２行に始まる、下記の開示がある：
「本発明のさらに別な利点は、酸素不在の環境、たとえばアルゴンブランケット若しくはＡｒ／Ｈ混合物中、又は全面的若しくは部分真空下で、その反応を実施できることである。したがって、本発明では、Ｌａｎｘｉｄｅ ＤＩＭＯＸプロセスや他の従来技術プロセスでは起きる可能性がある、望ましくない酸化副反応が回避される」。

Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許でなされた開示は、純粋に、その発明の独自さを、顕著な量の酸化雰囲気が必要とされる、他の従来技術と対比させることである。

（１３）さらに、Ｂｒｅｓｌｉｎの’８８２特許には、第４カラム、第１７行に始まる、下記の開示がある：
「本プロセスは、大気圧より上５ｐｓｉと約５マイクロメートルＨｇ（絶対圧）との間の圧力で、満足のいくレベルで完結させることができた。このプロセスはさらに、不活性な雰囲気でも、満足のいくレベルで完結させることができた。このプロセスはさらに、より高い圧力でも、満足のいくレベルで完結させることが可能であろうと考えられ、そして以下で論じるように、このプロセス及び反応は、プリフォーム物中の細孔の中に液状金属を強制的に導入することには依存していない。その理由は、そのプリフォーム物が、好適には、その液状金属の中に浸漬されるので、液状金属以外には、その反応を取り巻く雰囲気は存在しないからである」。；
さらには、第５カラム、第５９行に始まる、下記の記述がある：
「従来からの複合材料調製技術は、一般的には、金属をプリフォーム物の中へ流し込ませることを可能とし、そしてセラミックのマトリックスと接触を最大化させるために、大きい空隙が望ましく、そのため、プリフォーム物を通る連続の空隙が必要であり、そのため、制限的な圧力のない流路が存在したり、或いは液状金属が貫入できないポケットが形成される可能性があったりする。これらのプロセスは、多くの場合、強制的に金属を細孔の中に流し込んだり、通過させたりするための、陽圧又は陰圧を使用している。従来からの複合材料の形成法とは異なって、本発明におけるアルミニウムは、反応物質と接触するために、セラミックの中の細孔を通過する必要はなく、そしてそのプリフォーム物の空隙は、本発明においては望ましくないが、その理由は、複合材料の形成が、反応主導であり、細孔の充填に主導されるものではないからである」。

（１４）Ｂｒｅｓｌｉｎの’８８２特許によるこれらの開示は、その発明の独自さを、セラミック－メタリック複合材料を作成する目的で、そのプリフォーム物の細孔の中に液状金属を強制的に入れるために、陰圧及び／又は陽圧を使用することに加えて、プリフォーム物の中の細孔の存在が、必要条件である、他の従来技術と対比させるためになされたものである。本願出願人らは、その好ましい実施態様が、従来技術とは異なって、置換反応を実施するために真空又は圧力を必要としない点；その変態プロセスが、中実又は多孔質、両方のプリフォーム付形物で、真空又は加圧を必要とすることなく、満足のいくレベルで進行する点で、Ｂｒｅｓｌｉｎの’０１１特許、Ｓｔｒａｎｇｅの’６３８特許、及びＢｒｅｓｌｉｎの’８８２特許には、賛同する。しかしながら、それらの従来技術特許は、最終的なセラミック－メタリック複合材料の中での空隙の形成が、それらの好ましい実施態様の一部であることを認識していない。本出願は、その問題に対する独自の解決法を提供する。

（１５）これらの改良されたセラミック－メタリック複合材料の、数々の有力な工業的用途は、先に開示され、論じられた従来技術の特許で概略説明されている。本願譲受人のＦｉｒｅｌｉｎｅ，Ｉｎｃ．の現行の製品及び市場開発の中心は、自動車のブレーキのローターであり、そして本発明の複合材料は、その用途において顕著な性能改良を与える。

このように、本発明の第一の目的は、空隙のないセラミック－メタリック複合材料、及びそれらを製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、材料の中に空隙が存在すると、その複合材料の強度が低下するということを認識した上で、そのような複合材料を提供することである。

本発明のさらなる目的は、真空－加圧－変態炉と呼ばれる独自の炉を使用することによる、液状金属浴における置換反応により製造される、酸化アルミニウムとアルミニウムとを組み込んだものに特有である、セラミック－メタリック複合材料への改良を目指すことである。

本発明のなおもさらなる目的は、そのような複合材料を提供するだけではなく、それらの製造方法を開示し、請求することである。

本発明のこれら及びその他の目的、態様、及び特性は、添付の図面と関連づけて、以下の発明を実施するための形態から、よりよく理解されるであろう。

センターライン空隙を示す、断面切断した従来技術のテストバーの、５倍拡大の光学写真である。 センターライン空隙を示さない、断面切断した本発明の教示に従って作成したテストバーの、５倍拡大の光学写真である。 センターライン空隙を示す、破断した従来技術のテストバーの、５倍拡大の光学写真である。 センターライン空隙を示さない、破断した本発明の教示に従って作成した、テストバーの、５倍拡大の光学写真である。 付形物アクチュエーター付きの真空－加圧－変態炉の断面図であり、その付形物が、予熱位置にある。 アクチュエーター付きの真空－加圧－変態炉の断面図であり、付形物が、液状金属の中に浸漬されている。 アクチュエーターなしの真空－加圧－変態炉の断面図であり、付形物が、固体の金属の上の予熱位置にある。 アクチュエーターなしの真空－加圧－変態炉の断面図であり、付形物が、液状金属の中に浸漬されている。 アクチュエーターなしの真空－加圧－変態炉の断面図であり、付形物が、再加圧処理サイクルを通過している。

真空－加圧－変態炉は、変態プロセスを実施するように設計されており、２つの主たる圧力条件、すなわち陰圧（すなわち、真空）下、又は陽圧下のいずれかで運転されるが、いずれのモードも、完全な炉のサイクルの間に使用される。それぞれの炉のサイクルの最初、さらには最後には、炉のチャンバーが、付形物を装入及び装出するために開放されるときに、周囲大気圧に達するようにされる。真空－加圧－変態炉の一例が、サブコンポーネントが個別に番号付けられて、図５に示されている：
チャンバーシステム１０は陰圧及び陽圧の不活性ガス圧力（いずれも高温運転の際に）に耐えることができる；
チャンバーの蓋１１又はドア；坩堝、金属のチャージ物、取付け具、及びプリフォーム物又は複合材料の付形物を、チャンバーに出し入れ可能とする；
加熱システム１３；チャンバーと一体化されており、金属を加熱して、液体状態、さらには少なくとも９００℃及びそれ以上の温度とすることが可能であり、それにプラスして、プリフォーム付形物を、液状金属浴の中に浸漬させるより前に、予熱することが可能である；
坩堝１５；変態プロセスのための金属１７を含む；
真空ポンプシステム１９；
不活性ガス供給源及び加圧システム２１；
取付け具２３；加工の際に、プリフォーム物／複合材料の付形物２５を保持するために使用される。

最後に、任意のアクチュエーターメカニズム２７を使用してプリフォーム付形物を液状金属浴の中に完全に浸漬させ、そして、セラミック－メタリック複合材料の付形物を液状金属浴から抜き出す。

ＶＰＴ炉の正確な構成は変化させることが可能ではあるが、空隙のないセラミック－メタリック複合材料がうまく成形加工される結果が得られるようにするのは、それらの特性の組み合わせである。

その真空－加圧－変態炉は、特定されたレベルの（可能な限り低い）真空圧及び（可能な限り高い）陽圧の不活性ガス圧力が達成されるように設計されているが、加工の際に使用される正確な数値は、以下で述べるような、各種のファクターにより決まるであろう。

完全な真空は、物質が完全に存在しない空間と定義されるのに対して、工業用途では、幾分かの物質がまだ残っている部分真空を使用する。さらには、ｔｏｒｒのような単位で、分圧（大気圧より低い）により測定して、それが完全な真空にどの程度近いかによって、真空の品質を定義する方が、より、意味深い。標準大気圧を７６０ｔｏｒｒとして、真空の品質は、典型的には、以下のように分類される：低真空（７６０～２５ｔｏｒｒ）、中真空（２５～０．００１ｔｏｒｒ）、高真空（１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒ）、及び超高真空（１×１０^－９～１×１０^－１２ｔｏｒｒ）。真空－加圧－変態炉のサイクルの初期の部分で、真空を適用することには、３つの便益が存在する。その第一は、チャンバーからの湿分の除去であり、それにより、液状アルミニウムの中に溶解している水素の量を、顕著に低下させる。その第二は、チャンバーからの酸素の除去であり、空気及び湿分からの酸素は、液状アルミニウム浴の上側表面で酸化物層が生成する原因となる。この酸化物層は、従来技術においてはドロス（ｄｒｏｓｓ）とも呼ばれており、融解物の上側表面の上にしっかりとした皮膜を形成し、この皮膜は、温度が上がるほど、そして酸素への曝露時間が長くなるほど、厚みが増すであろう。プリフォーム付形物をその液体浴に浸漬させようとすると、その酸化物層が壊され、そのかけらが、付形物の外側に張り付いたり、或いは付形物の内部に浸透したりして、そのいずれもが、最終製品において起こりうる品質問題の原因となる。真空の使用が、この酸化物層を、最低限の厚みとするまで低下させる。第三の便益は、プリフォーム付形物の表面、さらにはその材料内部の細孔からの酸素及び湿分の真空排気であり、これにより、水素ガス又は酸化物欠陥の供給源のまた別な可能性が除去される。したがって、真空－加圧－変態炉のサイクルの開始の際での真空の使用を最適化することが、最終的なセラミック－メタリック複合材料における水素ガス空隙の生成及びドロス欠陥を実質的に消失させるが、これらの結果は、典型的には、中真空（２５～０．００１ｔｏｒｒ）又は高真空（１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒ）を使用することにより達成される。上で概略説明した３つの便益は、そのシステムが低温である間に、ＶＰＴ炉の中に真空をかけることにより実現させることが可能であるが、温度が上昇して９００℃以上に達すると、ＶＰＴ炉中の材料の沸点を越えてしまうという危険性がある。たとえば、７６０ｔｏｒｒでの液状アルミニウムの沸点は、２３２７℃であるが、真空圧が０．１ｔｏｒｒにまで下がると、沸点が低下して１１２３℃となる。この例においては、９００℃未満の温度で、たとえば１×１０^－４ｔｏｒｒのような高真空を使用するが、温度を上昇させて９００℃を越えるようになったら、たとえば５ｔｏｒｒのような中真空に下げて、ＶＰＴ炉のサイクルを使用するのがよい。したがって、ＶＰＴ炉のサイクルの間は、ＶＰＴチャンバーの中に含まれている物質の沸点、達成される真空レベルには、注意深い配慮を払わねばならない。

最後に、付形物をＶＰＴ炉の中の液状金属浴から抜き出す間及びその後に、陽圧の不活性ガス圧力を適用する便益は、その付形物の冷却の際のセンターライン空隙の生成を消失させることである。複合材料の付形物を液状金属浴から抜き出すときに、その外側表面が最初に、そしておそらくはその内部領域よりは早く冷却する。したがって、その複合材料の付形物の内側の、外側表面に近いところに位置している液状金属が、最初に固化しはじめる。センターライン空隙が生成するのは、その複合材料の付形物の中心領域が最後に固化し、追加の金属を用いてこの空隙を埋め戻すことが不可能であるからである。陽圧の不活性ガス圧力を適用し、そして冷却速度を制御することによって、複合材料の付形物の内部の液状金属が、より均質に固化しながらも、中心領域に向けて押しつけられ、それによって、センターライン空隙の生成可能性をなくすことが可能となる。本出願は、０．３ＭＰａ（５０ｐｓｉ）のような低圧から６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）以上までの陽圧で、この便益が達成可能であることを見出した。

真空－加圧－変態炉は、図５～９に見られるような、２つの運転モードで実施されるように構成することができる。

図５及び６に示されているその第一のモードでは、アクチュエーター２７を使用することにより、プリフォーム付形物の変態を実施する。このモードを用いると、全プロセスが１つの炉のサイクルで実施され、センターライン空隙のないセラミック－メタリック複合材料が得られる、

図７、８、及び９に示されているその第二のモードは、２つの炉のサイクルで実施しなければならない。プリフォーム付形物２５の変態の第一のサイクルは、図７及び８に見られるように、アクチュエーターなしで実施される。これに続くのが、図９に見られるような、その同じ複合材料の付形物２５への再融解－再加圧処理を用いる第二のサイクルであり；坩堝１５及び金属浴１７が除かれ、複合材料の付形物２５が、炉のチャンバーの中に戻される。

いずれのモードでも、センターライン空隙を含まない複合材料の付形物が得られるであろう。第一の真空－加圧－変態炉の構成モードは、１つの炉のサイクルで全プロセスが実施され、最も好都合であるように見えるが、そのシステムにアクチュエーターを組み込むことは、高温条件下で、真空と高い陽圧との両方に耐えなければならないために、設計的及び操作的に難題でもある。したがって、２つの炉のサイクルを用いる第二の構成モードでＶＰＴ炉を運転することが、１つの代案である。

その第二の構成モードの場合においては、第一の炉のサイクルを、アクチュエーターを使用せずに、プリフォーム材料をセラミック－メタリック複合材料に変態させるのに使用している。その複合材料の付形物は、変態サイクルの終了時点では、液状金属浴の中に留まっており、次いで、周囲圧力条件でその液体から取り出される。その炉のサイクルが、真空圧を使用することによって、溶解されていた水素ガスを除去したものの、固化の際の液状アルミニウムの収縮のため、及びに付形物の中心領域が最後に冷却されることが理由で、センターライン空隙が生成している。したがって、ＶＰＴ炉にアクチュエーターが存在しない場合には、最終的な複合材料の付形物の中のセンターライン空隙を消失させるためには、再融解－再加圧処理を実施するための第二の炉のサイクルが、不可欠である。

第二の炉のサイクルの際には、そのセラミック－メタリック複合材料の付形物が、その金属成分の融点のすぐ上の温度にまで加熱され、そのチャンバーから酸素及び湿分を除去する目的で、その炉のサイクルが、陰圧で開始され、次いでそのサイクルを完結されるために、陽圧の不活性ガス圧力に切り替えられる。その付形物は、複合材料中の金属成分を融解させるに十分な、高い温度と長い時間、加熱される。陽圧の不活性ガス圧力を適用し、冷却速度を制御することによって、複合材料の付形物の内部の液状金属が、より均質に固化しながらも、中心領域に向けて押しつけられ、それによって、センターライン空隙が再び形成される可能性をなくすことが可能となる。その再融解－再加圧処理の後では、そのセラミック－メタリック複合材料は、改良された性質を有するであろう。

Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｄｅｓｋ Ｅｄｉｔｉｏｎで定義されているように、「加熱処理」という用語についての従来技術定義は、「所望の条件又は性質を得るために、固体の金属又は合金を加熱し、冷却すること」である。さらに、Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｎｉｎｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ １５：Ｃａｓｔｉｎｇに定義されているように、固体のアルミニウム合金の「高温静水圧圧縮法」の従来技術プロセスは、高い不活性ガス圧力であるが、初期融解が起きるよりも低い温度で実施される。両方の場合において、これらの従来技術プロセスでは、その金属付形物を、固体に留め、融点より低い温度で加工することが要求される。それとは対照的に、本発明の、再融解－再加圧処理の使用は、セラミック－メタリック複合材料中での空隙を消失させるために、その材料を、その複合材料の付形物の中の金属成分が融解する点にまで加熱し、さらには陰圧及び陽圧を適用することによって、そのプロセスが特異的に使用されているという点で独特である。

再融解－再加圧処理の炉のサイクルの中で使用される最低限の加工温度は、そのセラミック－メタリック複合材料の金属の組成、より具体的にはその金属又は金属合金の融点に依存するであろう。たとえば、純アルミニウムは、６６０℃で融解し、アルミニウムをマグネシウムと合金化させたときには、その初期融点は４５０℃であり、そしてアルミニウムをケイ素と合金化させたときには、その初期融点は５７７℃である。したがって、セラミック－メタリック複合材料における金属合金の組成及びそれに伴う液相線温度については、注意深く考える必要がある。

従来技術からの従来からの変態炉を用いるのでは、真空－加圧－変態炉を使用することによる便益は、一切見出すことができない。ＶＰＴ炉を使用することによる、セラミック－メタリック複合材料における空隙の消失は、最終的な材料特性に極めて顕著な効果を有している。たとえば、図１に示したのと同じようなテストバーは、２７５ＭＰａすなわち３９，９００ｐｓｉの三点曲げ強度（ＡＳＴＭ Ｃ１１６１の手順による）及び１．５容積％の空隙（アルキメデスの原理で測定）（ＡＳＴＭ Ｃ２０の手順による）を有していたが、それ対して図２に示したのと同じようなテストバーは、４２３ＭＰａすなわち６１，４００ｐｓｉの三点曲げ強度を有し、測定可能な空隙は存在しなかった。この独自の炉のシステムを使用してセンターライン空隙を消失させることにより、それにより増大した密度が、その複合材料の強度を最大化させている。

以下で述べる本発明の２つの実施態様が、従来技術の実施態様におけるセラミック－メタリック複合材料の最終密度に大きな変化を与え、その結果、空隙の量が少なく、そのため従来技術の実施態様から得られる性能に優る改良された性能を有する、独自の複合材料が得られる。

１つの好ましい実施態様においては、その真空－加圧－変態炉に、液状金属浴の中への制御された浸漬、さらには変態反応の完了時の浴からのその部材の抜き出しの際に、プリフォーム付形物を扱うためのアクチュエーターが組み込まれている。そのアクチュエーターの構成は、所望される複雑度及びコストも含めた複数のファクターの組み合わせに応じて変化するであろうが、その機能は、どの場合でも、液状金属浴への浸漬及びそれからの抜き出しの際に、付形物を拘束するようになっているであろう。このアクチュエーターを使用する場合、そのＶＰＴ炉のサイクルは、実質的に、７つのステージで構成される。

ステージ１：プリフォーム付形物を取付け具に取り付け、アルミニウムのチャージ物を含む坩堝を準備し、それらすべてを、周囲大気圧の下で、ＶＰＴ炉の中に装入し、次いでそのチャンバーを密閉する。

ステージ２：プリフォーム物を、アクチュエーターにより、坩堝の上に保持しながら、チャンバーを真空に引き、加熱システムで、プリフォーム付形物を、９００℃より高い温度にまで予熱し、さらにはアルミニウムを融解させる。最初は、高真空（１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒ）を使用するのがよいが、金属が融解して、９００℃に達したら、真空品質を下げて、中真空（２５～０．００１ｔｏｒｒ）とする必要があるが、その最終的な数値は、最終的な保持温度と融解物の中の構成成分の沸点とに依存する。

ステージ３：チャンバーを真空下におき、プリフォーム付形物及びアルミニウム浴の両方を９００℃より高くしておいて、アクチュエーターによって、プリフォーム物を、液状アルミニウム浴の中に完全に浸漬させる。

ステージ４：付形物を液状アルミニウム浴の中に完全に浸漬させたらすぐに、陽圧の不活性ガス圧力を加え、置換反応が完了するまで、温度及び圧力を一定に保つ。０．３ＭＰａ（５０ｐｓｉ）～６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）以上の圧力範囲で、アルゴン又はヘリウムガスを使用するのがよい。

ステージ５：チャンバーを陽圧下においたまま、アクチュエーターにより、付形物を、液状アルミニウム浴から完全に抜き出す。

ステージ６：チャンバーを陽圧下においたまま、付形物を放冷する。

ステージ７：付形物の温度が、アルミニウムの固化温度よりも下に低下したら、ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とし、チャンバーを開き、セラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出す。この温度は、純アルミニウムでは６６０℃、アルミニウム合金ではそれよりも低い温度であるが、その合金元素に依存する。その最終的な複合材料は、センターライン空隙がなく、改良された性質を有している。

第二の好ましい実施態様においては、その真空－加圧－変態炉には、プリフォーム付形物を液状金属浴への出し入れを扱うためのアクチュエーターが含まれていない。このことのために、付形物を浴から抜き出した後に加圧することができないので、その付形物は、もう一度、第二のＶＰＴ炉のサイクルを通さなければならない。この実施態様においては、その第一のＶＰＴ炉のサイクルは、実質的に６つのステージで構成されている。

ステージ１：固体のアルミニウムのチャージ物を、坩堝の中に装入し、プリフォーム付形物を取付け具に取り付け、次いで固体のアルミニウムの上に置き、その集合体全体を、周囲大気圧で、ＶＰＴ炉の中に装入し、次いでチャンバーを密閉する。

ステージ２：チャンバーを真空に引き、加熱システムで、プリフォーム付形物及びアルミニウムを、９００℃よりも高い温度にまで加熱する。最初は、高真空（１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒ）を使用するのがよいが、金属が融解して、９００℃に達したら、真空品質を下げて、中真空（２５～０．００１ｔｏｒｒ）とする必要があるが、その最終的な数値は、最終的な保持温度と融解物の中の構成成分の沸点とに依存する。

ステージ３：チャンバーを真空下におきながら、アルミニウムが融解したときに、その取り付けられたプリフォーム物を液状アルミニウム浴の中に、重力によりそれ自体完全に浸漬させる。その金属の融解温度は、純アルミニウムでは６６０℃であるか、又はアルミニウム合金では、その合金元素に依存してそれよりも低い温度である。

ステージ４：ＶＰＴ炉が、９００℃よりも高い温度に達したら、陽圧の不活性ガス圧力を加え、置換反応が完了するまで、温度及び圧力を一定に保つ。０．３ＭＰａ（５０ｐｓｉ）～６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）以上の圧力範囲で、アルゴン又はヘリウムガスを使用するのがよい。

ステージ５：チャンバーを陽圧下においたまま、付形物を、アルミニウムの固化温度よりもすぐ上の温度になるまで放冷する。この場合もまた、その温度が、純アルミニウムでは６６０℃よりも高く、アルミニウム合金ではそれよりも低い温度である。

ステージ６：ＶＰＴ炉を、アルミニウムの固化温度よりもすぐ上の温度に保持しながら、チャンバーの中の圧力を低下させて周囲大気圧とし、チャンバーを開き、セラミック－メタリック複合材料の付形物を、液状金属浴から抜き出し、坩堝を炉から取り出す。

第一のＶＰＴ炉のサイクルの後では、再融解－再加圧処理を介してセンターライン空隙を消失させる目的で、そのセラミック－メタリック付形物を、第二のＶＰＴ炉のサイクルを通して処理しなければならない。この第二のＶＰＴ炉のサイクルは、実質的に７つのステージで構成されている。

ステージ１：周囲大気圧で、複合材料の付形物を空のＶＰＴ炉の中に装入し、次いでそのチャンバーを密閉する。

ステージ２：チャンバーを真空に引き、次いで、加熱システムを始動して、複合材料の付形物を加熱する。中真空（２５～０．００１ｔｏｒｒ）又は高真空（１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒ）を使用するのがよい。

ステージ３：複合材料の中の金属がその融解温度に達する前に、アルゴン又はヘリウムのような不活性ガスを使用して、陽圧を加える。この温度は、純アルミニウムでは６６０℃、アルミニウム合金ではそれよりも低い温度であるが、その合金元素に依存する。０．３ＭＰａ（５０ｐｓｉ）～６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）以上の圧力範囲で、不活性ガスを使用するのがよい。

ステージ４：陽圧の不活性ガス圧力を加えながら、加熱システムにより、付形物の温度を、その複合材料の中の金属の融解温度より上にまで上げる。

ステージ５：チャンバーを陽圧下においたまま、複合材料の付形物からすべての空隙がなくなるまで、その温度及び圧力を一定に保つ。

ステージ６：チャンバーを陽圧下においたまま、付形物を放冷する。

ステージ７：付形物の温度が、アルミニウムの固化温度よりも下に低下したら、ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とし、チャンバーを開き、最終のセラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出す。この温度は、純アルミニウムでは６６０℃、アルミニウム合金ではそれよりも低い温度であるが、その合金元素に依存する。その最終的な複合材料は、センターライン空隙がなく、改良された性質を有している。

以下は、本発明のこれら好ましい実施態様の実施例である。

実施例１：３６重量％の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）及び６４重量％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むプリフォーム物のテストバー付形物を常法により作成した。プリフォーム付形物及び８０重量％のアルミニウムと２０重量％のケイ素との合金を含む坩堝を、真空－加圧－変態炉の中に装入した。次いで、そのＶＰＴ炉を密閉し、そのチャンバーを、１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空に引いた。この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、そのプリフォーム物を、坩堝の上に保持し、加熱システムでプリフォーム付形物を予備加熱して９００℃の温度とし、Ａｌ－Ｓｉ合金を融解させた。９００℃に達したら、真空を下げて、５ｔｏｒｒの中真空とした。プリフォーム付形物とアルミニウム合金の両方が加熱されて１２００℃になったら、この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、このプリフォーム物を、液状のＡｌ－Ｓｉ浴の中に完全に浸漬させた。付形物が液状金属浴の中に完全に浸漬されたらすぐに、不活性なアルゴンガスのプラスの圧力をかけた。９０分の間、温度は１２００℃に保持し、圧力は５．０ＭＰａ（７２５ｐｓｉ）に保持した。そのタイミングで、変態が完了し、８．５ｍｍ／時間の速度が達成された。チャンバーをこの陽圧に維持したままで、アクチュエーターによって、付形物を、液状アルミニウム浴から完全に抜き出し、次いで、４５０℃未満になるまで、放冷した。ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とした後で、チャンバーを開き、ＳｉＣ－Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌセラミック－メタリック複合材料の付形物を取りだした。そのテストバーについて、ＡＳＴＭ標準Ｃ１１６１及びＣ２０に従って、曲げ強度及び見掛け気孔率を測定した。三点曲げ強度は、４２３ＭＰａ（６１，４００ｐｓｉ）であり、見掛け気孔率はゼロであった。その最終的な複合材料は、その密度を計量することによって測定して、センターライン空隙を有さず、図２及び４に見られるのと同様の構造を有していた。

実施例２：３６重量％のＳｉＯ_２及び６４重量％のＳｉＣを含む、２つのプリフォーム物のテストバー付形物を常法により作成した。そのプリフォーム付形物を取付け具に取り付け、固体の８０重量％のＡｌ及び２０重量％のＳｉの合金を含む坩堝の上に設置したが、これらはすべて室温で実施した。坩堝と取付け具の集合体を、真空－加圧－変態炉の中に装入した。ＶＰＴ炉を密閉し、そのチャンバーを、１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空に引いた。この陰圧下のままで、プリフォーム付形物及びＡｌ－Ｓｉ合金を、加熱して温度９００℃とした。５７７℃より高いある点で、そのＡｌ合金が融解し、取付け具及び２つのプリフォーム付形物が、重力により、その液状金属浴の中に完全に浸漬された。９００℃に達したら、真空を下げて、５ｔｏｒｒの中真空とした。合金浴が１２００℃に達したら、７．０ＭＰａ（１０１５ｐｓｉ）のプラスの不活性なアルゴンガス圧力を、９０分間かけた。チャンバーをこの陽圧に維持したままで、次いで、その液状金属を放冷して、７００℃又はその固化温度より高い温度とした。その時点で、ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とし、チャンバーを開き、液状金属浴から取付け具を抜き出し、ＳｉＣ－Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌセラミック－メタリック複合材料の付形物を、その取付け具から外し、そして坩堝を、炉から取りだした。１つのテストバーは、取り除いてそのまま放置したが、それに対して第二のテストバーは、再融解－再加圧処理のために、第二のＶＰＴ炉のサイクルを通して処理した。周囲大気圧のままで、その複合材料の付形物を、（坩堝及び金属を取りだした後の）ＶＰＴ炉の中に装入し、次いでチャンバーを密閉した。チャンバーを１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空にまで引き、次いで炉に、複合材料の付形物の加熱を開始させた。付形物が４００℃に達するまでのその陰圧を保持し、次いで、７．０ＭＰａ（１０１５ｐｓｉ）のプラスの不活性なアルゴンガス圧力をかけた。付形物が７００℃に達するまで加熱を続け、次いで、テストバーをその温度で９０分間保持した。依然として陽圧を保持しながら、付形物を放置して、温度４００℃にまで低下させた。その時点で、ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とし、チャンバーを開き、最終的なセラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出した。両方のテストバーについて、ＡＳＴＭ標準Ｃ１１６１及びＣ２０に従って、曲げ強度及び見掛け気孔率を測定した。ＶＰＴ炉を１回だけ通して処理されたテストバーは、２７５ＭＰａ（３９，９００ｐｓｉ）の三点曲げ強度、１．５容積％の見掛け気孔率、及び図１及び３に見られるのと同様のセンターライン空隙を有していた。対照的に、ＶＰＴ炉を２回通して処理されたテストバーは、４２０ＭＰａ（６１，０００ｐｓｉ）の三点曲げ強度、密度を計量することにより測定してゼロの見掛け気孔率を有し、そして図２及び４に見られるのと同様の構造を有していてセンターライン空隙は認められなかった。

実施例３：二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含むプリフォームロッド付形物を常法により作成した。プリフォーム付形物及び市販の純アルミニウムを含む坩堝を、真空－加圧－変態炉の中に装入した。次いで、そのＶＰＴ炉を密閉し、そのチャンバーを、１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空に引いた。この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、そのプリフォーム物を、坩堝の上に保持し、加熱システムでプリフォーム付形物を予備加熱して９００℃の温度とし、アルミニウムを融解させた。９００℃に達したら、真空を下げて、５ｔｏｒｒの中真空とした。プリフォーム付形物とアルミニウム合金の両方が加熱されて１２００℃になったら、この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、このプリフォーム物を、液状のＡｌ浴の中に完全に浸漬させた。付形物が液状金属浴の中に完全に浸漬されたらすぐに、不活性なアルゴンガスのプラスの圧力をかけた。９０分の間、温度は、１２００℃に保持し、圧力は、５．０ＭＰａ（７２５ｐｓｉ）に保持した。チャンバーをこの陽圧に維持したままで、アクチュエーターによって、付形物を、液状アルミニウム浴から完全に抜き出し、次いで、６００℃未満になるまで、放冷した。ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とした後で、チャンバーを開き、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌセラミック－メタリック複合材料の付形物を取りだした。その最終的な複合材料は、密度を計量することにより測定して、センターライン空隙を有していなかった。

実施例４：ＳｉＯ_２を含むプリフォームロッド付形物を常法により作成した。プリフォーム付形物及び６０重量％のアルミニウムと４０重量％の銀（Ａｇ）との合金を含む坩堝を、真空－加圧－変態炉の中に装入した。次いで、そのＶＰＴ炉を密閉し、そのチャンバーを、１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空に引いた。この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、そのプリフォーム物を、坩堝の上に保持し、加熱システムでプリフォーム付形物を予備加熱して９００℃の温度とし、アルミニウム合金を融解させた。９００℃に達したら、真空を下げて、１０ｔｏｒｒの中真空とした。プリフォーム付形物と合金の両方が加熱されて１２００℃になったら、この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、このプリフォーム物を、液状のＡｌ－Ａｇ浴の中に完全に浸漬させた。付形物が液状金属浴の中に完全に浸漬されたらすぐに、不活性なアルゴンガスのプラスの圧力をかけた。９０分の間、温度は、１２００℃に保持し、圧力は、６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）に保持した。チャンバーをこの陽圧に維持したままで、アクチュエーターによって、付形物を、液状アルミニウム浴から完全に抜き出し、次いで、５５０℃未満になるまで、放冷した。ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とした後で、チャンバーを開き、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ－Ａｇセラミック－メタリック複合材料の付形物を取りだした。その最終的な複合材料は、密度を計量することにより測定して、センターライン空隙を有していなかった。

実施例５：ＳｉＯ_２を含むプリフォームロッド付形物を常法により作成した。プリフォーム付形物及び８５重量％のアルミニウムと１５重量％の鉄（Ｆｅ）との合金を含む坩堝を、真空－加圧－変態炉の中に装入した。次いで、そのＶＰＴ炉を密閉し、そのチャンバーを、１×１０^－４ｔｏｒｒの高真空に引いた。この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、そのプリフォーム物を、坩堝の上に保持し、加熱システムでプリフォーム付形物を予備加熱して９００℃の温度とし、アルミニウム合金を融解させた。９００℃に達したら、真空を下げて、７．５ｔｏｒｒの中真空とした。プリフォーム付形物と合金の両方が加熱されて１２００℃になったら、この陰圧下のままで、アクチュエーターによって、このプリフォーム物を、液状のＡｌ－Ｆｅ浴の中に完全に浸漬させた。付形物が液状金属浴の中に完全に浸漬されたらすぐに、不活性なアルゴンガスのプラスの圧力をかけた。９０分の間、温度は、１２００℃に保持し、圧力は、５．０ＭＰａ（７２５ｐｓｉ）に保持した。チャンバーをこの陽圧に維持したままで、アクチュエーターによって、付形物を、液状アルミニウム浴から完全に抜き出し、次いで、６５０℃未満になるまで、放冷した。ＶＰＴ炉の中の圧力を下げて周囲大気圧とした後で、チャンバーを開き、Ａｌ_２Ｏ_３－Ａｌ－Ｆｅセラミック－メタリック－インターメタリック複合材料の付形物を取りだした。その最終的な複合材料は、密度を計量することにより測定して、センターライン空隙を有していなかった。

Claims (20)

1. センターライン空隙のないセラミック－メタリック複合材料を製造する方法であって、
   ａ）以下のもの：
   ｉ）アクセスドアを有するチャンバー；
   ｉｉ）前記チャンバー内の坩堝；
   ｉｉｉ）前記チャンバーに接続された不活性ガスの供給源、及び前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを選択的に加圧するための加圧システム；
   ｉｖ）前記チャンバーに接続され、前記チャンバーを選択的に排気運転することが可能な真空ポンプシステム；及び
   ｖ）前記チャンバーを選択的に加熱運転することが可能な加熱システム
   を含む真空－加圧－変換（ＶＰＴ）炉を提供するステップ；
   ｂ）前記坩堝の中にアルミニウム又はアルミニウム合金のチャージ物を添加するステップ；
   ｃ）プリフォーム物を、前記チャンバーの中、前記坩堝の上に設置するステップであって、前記プリフォーム物が前記チャンバーの内部に直接露出される囲まれていない側面を有しており；
   ｄ）前記真空ポンプシステムを運転して、前記チャンバーの中を部分真空とするステップ；
   ｅ）前記チャンバーの部分真空状態の間、前記加熱システムを運転して、前記チャージ物の融点よりも高い温度にチャンバー温度を上げ、それにより、前記チャージ物を融解させ、前記プリフォーム物は、前記チャージ物と同じ温度に加熱されるステップ；
   ｆ）前記坩堝の中の前記融解されたチャージ物の中に、前記プリフォーム物を浸漬させるステップ；
   ｇ）前記加圧システムを運転して、前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを加圧して、０．３ＭＰａよりも高い圧力とするステップ；
   ｈ）置換反応が完了するまで、温度及び圧力を一定に維持するステップ；
   ｉ）前記チャンバー内の陽圧を維持しながら、前記チャンバーの中の温度を低下させ、そして前記坩堝から、今のセラミック－メタリック複合材料の付形物を抜き出すステップ；及び
   ｊ）陽圧下に、前記複合材料の付形物を放冷するステップ；及び
   ｋ）前記チャンバーから、前記セラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出すステップであり、前記複合材料の付形物はセンターライン空隙を含まない；
   を含む方法。
2. 前記設置ステップに、前記プリフォーム物を取付け具に取り付けるステップが含まれる、請求項１に記載の方法。
3. 前記不活性ガスが、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記取付け具が、アクチュエーターの上に設置される、請求項２に記載の方法。
5. 前記浸漬ステップに、前記アクチュエーターを運転して、前記プリフォーム物を前記坩堝の中へ低下させるステップが含まれる、請求項４に記載の方法。
6. 前記浸漬ステップに、前記プリフォーム物を前記坩堝の中に、重力によって低下させることが含まれる、請求項１に記載の方法。
7. 前記真空ポンプシステムを運転するステップに、最初に、前記坩堝の内部の前記チャージ物が融解するまで、前記チャンバーを１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒの圧力まで排気し、次いで圧力を、０．００１～２５ｔｏｒｒまで上昇させることが含まれる、請求項１に記載の方法。
8. 前記加圧システムを運転するステップに、前記チャンバーを０．３～６．９ＭＰａの圧力まで加圧することが含まれる、請求項１に記載の方法。
9. 前記方法が、少なくとも８．５ｍｍ／ｈｒの反応速度で実施される、請求項１に記載の方法。
10. 前記加熱システムが、前記チャンバーの温度を９００℃よりも高くするように運転される、請求項１に記載の方法。
11. 前記セラミック－メタリック複合材料の付形物が、アルミニウムの融点よりも高い温度で前記坩堝から抜き出される、請求項１に記載の方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    ａ）前記坩堝が、前記チャンバーから取り出され、そして前記セラミック－メタリック複合材料の付形物が、前記チャンバーの中に再装入される；
    ｂ）前記真空ポンプシステムが稼働されて、チャンバーの圧力を２５ｔｏｒｒ以下にまで下げる；
    ｃ）前記チャンバーを、前記付形物の融点のすぐ下にまで加熱し、そして前記加圧システムを駆動して、不活性ガスを前記チャンバーの中へ流し込んで、少なくとも０．３ＭＰａの圧力とする；
    ｄ）チャンバー温度を上げて、前記付形物の中の金属の融解温度よりも高くする；
    ｅ）全部の空隙が、前記付形物から除去されるまで、温度を一定に保持する；
    ｆ）陽圧で、前記チャンバーの中の前記付形物を冷却する；及び
    ｇ）前記付形物を前記チャンバーから取り出す
    方法。
13. 前記不活性ガスが、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記圧力が、０．３～６．９ＭＰａである、請求項１２に記載の方法。
15. 請求項１２に記載のｇ）前記付形物を前記チャンバーから取り出すステップより前に、前記チャンバー内の温度が、アルミニウムの固化温度よりも高い温度に維持される、請求項１２に記載の方法。
16. 請求項１２に記載のｇ）前記付形物を前記チャンバーから取り出すステップより前に、前記チャンバー内の圧力を、周囲大気圧まで下げる、請求項１５に記載の方法。
17. センターライン空隙のないセラミック－メタリック複合材料を製造する方法であって、
    ａ）以下のもの：
    ｉ）アクセスドアを有するチャンバー；
    ｉｉ）前記チャンバー内の坩堝；
    ｉｉｉ）前記チャンバーに接続された不活性ガスの供給源、及び前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを選択的に加圧するための加圧システム；
    ｉｖ）前記チャンバーに接続され、前記チャンバーを選択的に排気運転することが可能な真空ポンプシステム；及び
    ｖ）前記チャンバーを選択的に加熱運転することが可能な加熱システム
    を含む真空－加圧－変換（ＶＰＴ）炉を提供するステップ；
    ｂ）アルミニウムのチャージ物を前記坩堝の中に添加するステップ；
    ｃ）アクチュエーターの上の取付け具の中のプリフォーム物を前記チャンバーの中、前記坩堝の上に置くステップであって、前記プリフォーム物は、前記チャンバーの内部に直接露出される囲まれていない側面を有しており；
    ｄ）前記真空ポンプシステムを運転して、前記チャンバーの中を部分真空とするステップ；
    ｅ）前記チャンバーの部分真空状態の間、前記加熱システムを運転して、チャンバー温度を９００℃よりも高くまで上げ、それにより、前記アルミニウムのチャージ物を融解させ、前記プリフォーム物は、前記チャージ物と同じ温度に加熱されるステップ；
    ｆ）前記アクチュエーターを運転して、前記プリフォーム物を、前記坩堝の内部の液状アルミニウムの中に浸漬させるステップ；
    ｇ）前記加圧システムを運転して、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択される前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを、０．３ＭＰａよりも高い圧力まで加圧するステップ；
    ｈ）置換反応が完了するまで、温度及び圧力を一定に維持するステップ；
    ｉ）前記チャンバー内の陽圧を維持しながら、前記チャンバーの中の温度を低下させ、そして前記アクチュエーターを運転して、前記坩堝から、今のセラミック－メタリック複合材料の付形物を抜き出すステップ；
    ｊ）陽圧下に、前記複合材料の付形物を放冷するステップ；及び
    ｋ）前記チャンバーから、前記セラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出すステップであり、前記複合材料の付形物はセンターライン空隙を含まない；
    を含む方法。
18. 前記浸漬ステップに、前記アクチュエーターを運転して、前記プリフォーム物を前記坩堝の中へ低下させるステップが含まれる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記真空ポンプシステムを運転するステップに、最初に、前記坩堝の内部の前記アルミニウムが融解するまで、前記チャンバーを１×１０^－３～１×１０^－９ｔｏｒｒの圧力まで排気し、次いで圧力を、０．００１～２５ｔｏｒｒまで上昇させることが含まれる、請求項１７に記載の方法。
20. 空隙のないセラミック－メタリック複合材料を製造する方法であって、
    ａ）以下のもの：
    ｉ）アクセスドアを有するチャンバー；
    ｉｉ）前記チャンバー内の坩堝；
    ｉｉｉ）前記チャンバーに接続された不活性ガスの供給源、及び前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを選択的に加圧するための加圧システム；
    ｉｖ）前記チャンバーに接続され、前記チャンバーを選択的に排気運転することが可能な真空ポンプシステム；及び
    ｖ）前記チャンバーを選択的に加熱運転することが可能な加熱システム
    を含む真空－加圧－変換（ＶＰＴ）炉を提供するステップ；
    ｂ）アルミニウムのチャージ物を前記坩堝の中に添加するステップ；
    ｃ）アクチュエーターの上の取付け具の中のプリフォーム物を前記チャンバーの中、前記坩堝の上に置くステップ；
    ｄ）前記真空ポンプシステムを運転して、前記チャンバーの中を部分真空とするステップ；
    ｅ）前記加熱システムを運転して、チャンバー温度を９００℃よりも高くまで上げ、それにより、前記アルミニウムのチャージ物を融解させるステップ；
    ｆ）前記アクチュエーターを運転して、前記プリフォーム物を、前記坩堝の内部の液状アルミニウムの中に浸漬させるステップ；
    ｇ）前記加圧システムを運転して、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択される前記不活性ガスを用いて前記チャンバーを、０．３ＭＰａよりも高い圧力まで加圧するステップ；
    ｈ）置換反応が完了するまで、温度及び圧力を一定に維持するステップ；
    ｉ）前記チャンバー内の陽圧を維持しながら、前記チャンバーの中の温度を低下させ、そして前記アクチュエーターを運転して、アルミニウムの融点よりも高い温度で前記坩堝から、今のセラミック－メタリック複合材料の付形物を抜き出すステップ；
    ｊ）陽圧下に、前記複合材料の付形物を放冷するステップ；
    ｋ）前記チャンバーから、前記セラミック－メタリック複合材料の付形物を取り出すステップ；
    ｌ）前記坩堝が、前記チャンバーから取り出され、そして前記セラミック－メタリック複合材料の付形物が、前記チャンバーの中に再装入されるステップ；
    ｍ）前記真空ポンプシステムが稼働されて、チャンバーの圧力を２５ｔｏｒｒ以下にまで下げるステップ；
    ｎ）前記チャンバーを、前記付形物の融点のすぐ下にまで加熱し、そして前記加圧システムを駆動して、不活性ガスを前記チャンバーの中へ流し込んで、少なくとも０．３ＭＰａの圧力とするステップ；
    ｏ）チャンバー温度を上げて、前記付形物の中の金属の融解温度よりも高くするステップ；
    ｐ）全部の空隙が、前記付形物から除去されるまで、温度を一定に保持するステップ；
    ｑ）陽圧で、前記チャンバーの中の前記付形物を冷却するステップ；及び
    ｒ）前記付形物を前記チャンバーから取り出すステップ；
    を含む方法。
    
    

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