PL157107B1 - Set up for manufacturing ceramic composite structures and method for manufacturing ceramic composite structures - Google Patents

Abstract

1. Zestaw do stosowania przy wytwarzaniu samonosnej ceramicznej struktury kompozyto- wej zawierajacej wypelniacz i polikrystaliczna osnowe ceramiczna obejmujaca ten wypelniacz, przy czym osnowa ceramiczna zawiera produkt reakcji utleniania metalu macierzystego utlenia- czem i ewentualnie jeden lub kilka skladników metalicznych, znamienny tym, ze sklada sie z segmentowego pojemnika przepuszczalnej masy wypelniacza umieszczonej w tym pojemniku oraz bryly metalu macierzystego usytuowanej w styku z masa wypelniacza, przy czym segmen- towy pojemnik zlozony jest z jednego lub kilku segmentów posiadajacych wspólczynnik rozsze- rzalnosci cieplnej wiekszy niz wspólczynnik rozszerzalnosci cieplnej masy wypelniacza, a seg- menty sa zwymiarowane i uksztaltowane tak, aby pomiedzy nimi wytworzyc jedno lub kilka polaczen kompensacyjnych, które przejmuja rozszerzalnosc cieplna tych segmentów przez rozszerzenie obwodowe, dzieki czemu unie mozliwione jest rozszerzenie promieniowe segmen- tów, aby zmniejszyc rozszerzalnosc objetosciowa pojemnika. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zestaw stosowany przy wytwarzaniu ceramicznych struktur kompozytowych oraz sposób wytwarzania ceramicznych struktur kompozytowych. Zestaw taki zawiera bryłę metalu macierzystego zorientowaną względem masy przepuszczalnego wypełniacza umieszczonego w segmentowym pojemniku. Zestaw taki ogrzewa się w celu roztopienia i w obecności utleniacza utlenienia roztopionego metalu macierzystego, aby wytworzyć polikrystaliczną osnowę ceramiczną obejmującą wypełniacz.

Przedmiot niniejszego zgłoszenia związany jest ze zgłoszeniem patentowym USA nr 819 397 z 17 stycznia 1986 jako częściową kontynuację zgłoszenia nr 697 876 z 4 lutego 1985. To równocześnie rozpatrywane zgłoszenie opisuje nowy sposób wytwarzania samonośnego kompozytu ceramicznego przez hodowanie produktu reakcji utleniania z metalu macierzystego w przepuszczalną masę wypełniacza.

Sposób wytwarzania samonośnej bryły ceramicznej przez utlenianie prekursora metalu macierzystego opisano ogólnie w zgłoszeniu patentowym USA nr 818943 z 15 stycznia 1986 jako częściowej kontynuacji zgłoszenia nr 776 964 z 17 września 1985, zgłoszenia nr 705 787 z 26 lutego 1985, i zgłoszenia nr 591 392 z 16 marca 1984. Wynalazek ten wykorzystuje zjawisko utlenienia, które może być wspomagane przez zastosowanie jednej lub kilku domieszek stopowych w metalu macierzystym, aby uzyskać samonośne bryły ceramiczne o żądanej wielkości hodowane jako produkt reakcji utleniania metalu macierzystego prekursora.

Sposób ten ulepszono przez zastosowanie jednej lub kilku zewnętrznych domieszek podawanych na powierzchnię prekursora metalu macierzystego jak opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr 822999 z 27 stycznia 1986 jako częściowej kontynuacji zgłoszenia nr 776965 z 17 września 1985, zgłoszenia nr 747788 z 25 czerwca 1985, i zgłoszenia nr 632636 z 20 lipca 1984.

Dalszy rozwój powyższych sposobów umożliwia wytwarzanie samonośnych struktur ceramicznych, które zawierają wewnątrz jedną lub kilka wnęk odwrotnie odwzorowujących kształt geometryczny pozytywowej formy z ukształtowanego metalu macierzystego prekursora umieszczonej w złożu z dostosowującego się do kształtu wypełniacza, który jest samospajalny w określonych warunkach, jak opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr 823 542 z 27 stycznia 1986.

Jeszcze inne rozwinięcie powyższych sposobów umożliwia wytwarzanie samonośnych brył ceramicznych posiadających kształt negatywowy, który odwrotnie odwzorowuje kształt pozytywowy prekursora metalu macierzystego umieszczonego przy masie wypełniacza, jak opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr 896 157 z 13 sierpnia 1986.

Jeszcze inne rozwinięcie powyższych sposobów polega na wytwarzaniu bryły kompozytu ceramicznego w pojemniku lub członie osłonowym w materiału, takiego jak Inconel, który ma współczynnik rozszerzalności cieplnej większy niż kompozytowa bryła ceramiczna, przy czym po ochłodzeniu polikrystalicznej bryły ceramicznej i członu osłonowego czołn ten zostaje dopasowany skurczowo wokół ceramicznej bryły kompozytowej, aby ściskać ją. Sposób ten opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr 908073 z 16 września 1986.

Przedmiotowe zgłoszenie wyraźnie nawiązuje do całości opisu wszystkich powyższych zgłoszeń patentowych tego samego właściciela oraz opisanych poniżej.

W ostatnich latach istnieje coraz większe zainteresowanie używaniem ceramiki dla zastosowań konstrukcyjnych historycznie załatwianych przez metale. Przyczyną tego zainteresowania jest wyższość ceramiki pod względem pewnych właściwości takich jak odporność na korozję, twardość, moduł sprężystości i ogniotrwałość w porównaniu z metalami. Aktualne wysiłki mające na celu wytworzenie bardziej wytrzymałych, bardziej niezawodnych i mocniejszych wyrobów ceramicznych skupione są głównie na opracowaniu ulepszonych metod technologicznych ceramiki monolitycznej i opracowaniu nowych kompozycji materiałowych, mianowicie kompozytów z osnową

157 107 ceramiczną. Struktura kompozytowa jest to taka struktura, która stanowi niejednorodny materiał, bryłę lub wyrób utworzony z dwóch lub więcej różnych materiałów, które są ze sobą ściśle złączone w celu osiągnięcia żądanych właściwości kompozytu. Przykładowo dwa różne materiały mogą być ściśle połączone ze sobą przez objęcie jednego w osnowie z drugiego. Struktura kompozytowa z osnową ceramiczną typowo zawiera osnowę ceramiczną, która obejmuje jeden lub kilka różnych rodzajów materiałów wypełniacza takich jak cząstki, włókna, pręty itp.

Zgłoszenia patentowe opisują nowe sposoby, które rozwiązują niektóre problemy lub ogranieczenia tradycyjnej technologii ceramicznej w celu wykonania kompozytów, na przykład przez zagęszczanie i spiekanie.

Typowy zestaw, który można stosować przy pewnych aspektach wynalazków opisanych w powyższych zgłoszeniach patentowych tego samego właściciela obejmuje umieszczenie bryły metalu macierzystego w styku z masą lub złożem przepuszczalnego wypełniacza umieszczonego w odpowiednim naczyniu lub pojemniku. Naczynie lub pojemnik muszą być zdolne do wytrzymywania warunków reakcji i zachowania swej integralności strukturalnej, a więc mogą być wykonane z materiału ogniotrwałego, takiego jak metal Inconel, stal nierdzewna itp. Jednakże, jeżeli współczynnik rozszerzalności cieplnej pojemnika jest znacznie większy niż złoża wypełniacza, wówczas po początkowym ogrzaniu zestawu do roztopienia metalu macierzystego pojemnik rozszerza się szybciej niż złoże wypełniacza. Może to być przyczyną, powstawania niepożądanych pęknięć, pustych przestrzeni lub nieciągłości w złożu wypełniacza, gdy rozszerzający się pojemnik odsuwa się od wypełniacza.

Przedmiotowy wynalazek łączy w sobie procesy według opisanych powyżej zgłoszeń patentowych tego samego właściciela z dodatkowym nowym pomysłem dotyczącym wytwarzania ceramicznych struktur kompozytowych przez zjawisko reakcji utleniania.

Według przedmiotowego wynalazku przewiduje się zestaw do stosowania przy wytwarzaniu samonośnej ceramicznej struktury kompozytowej, który zawiera wypełniacz objęty polikrystaliczną osnową ceramiczną zawierającą produkt reakcji utleniania prekursora metalu utleniaczem i ewentualnie jeden lub kilka składników metalicznych. Zestaw ten zawiera segmentowy pojemnik, który ewentualnie może być wyłożony perforowaną wykładziną, na przykład siatką metalową, na przykład nierdzewną siatką stalową i może być perforowany. Segmentowy pojemnik może zawierać segmenty wzdłużne tulei cylindrycznej, w której umieszczona jest przepuszczalna masa wypełniacza i bryła metalu macierzystego w styku z tą masą wypełniacza. Przykładowo bryła metalu macierzystego może być umieszczona w masie wypełniacza. Segmentowy pojemnik złożony jest z jednego lub kilku segmentów mających współczynnik rozszerzalności cieplnej większy niż współczynnik rozszerzalności cieplnej masy wypełniacza, przy czym segmenty są zwymiarowane i ukształtowane tak, aby tworzyły pomiędzy sobą złącze kompensacyjne. Złącza kompensacyjne skutecznie przejmują rozszerzalność cieplną segmentów przez rozszerzenie obwodowe, zapobiegając przez to promieniowemu rozszerzeniu segmentów, tak aby zmniejszyć rozszerzalność objętościową pojemnika. Segmentowy pojemnik może być wsparty przez dowolne odpowiednie elementy wsporcze.

Według innego aspektu wynalazku przewidziano, że segmenty zawierają część korpusową posiadającą przeciwległe krawędzie wzdłużne i przynajmniej jedną wzdłużną wargę krawędziową, która jest dołączona do części korpusowej promieniowo przebiegającym odsądzeniem i jest promieniowo odsunięta od części korpusowej i rozciąga się od niej obwodowo poza odsądzenie oraz kończy się krawędzią wzdłużną, która jest promieniowo odsunięta od części korpusowej, tworząc przez to odsuniętą krawędź wzdłużną. Konstrukcja taka służy dla utworzenia obwodowego luzu pomiędzy odsądzeniem a odsuniętą krawędzią wzdłużną. Odsunięta krawędź wzdłużna jednego segmentu pojemnika jest zestawiona z krawędzią wzdłużną sąsiedniego segmentu tak, aby przejmować przynajmniej część rozszerzenia cieplnego segmentów w przestrzeni luzu obwodowego.

Chociaż segmentowy pojemnik może być wykonany z dowolnego odpowiedniego materiału, w szczególnych przykładach realizacji wynalazku segmentowy pojemnik, korzystnie zawiera metal wybrany z grupy złożonej ze stopów na bazie niklu i na bazie żelaza odpornych na wysoką temperaturę, to znaczy z grupy złożonej ze stali nierdzewnej, stopu Inconel, stopu Fecral, stopu Hastelloy i stopu Incoloy. (Inconel, Fecral, Hastelloy i Incoloy są to znaki towarowe różnych producentów odpornych na wysoką temperaturę stopów na bazie niklu lub żelaza). Według

157 107 przedmiotowego wynalazku przewidziano również sposób wytwarzania ceramicznej bryły kompozytowej, jak opisano powyżej w odniesieniu do zgłoszeń patentowych tego samego właściciela. Zasadniczo sposób ten zawiera ogrzewanie metalu macierzystego w obecności utleniacza do zakresu temperatur reakcji, aby utworzyć bryłę roztopionego metalu w rozciągniętym styku powierzchniowym z masą wypełniacza i reagowanie tego roztopionego metalu macierzystego z utleniaczem w zakresie temperatur reakcji, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania. Zakres temperatur reakcji leży powyżej temperatury topnienia metalu macierzystego i poniżej temperatury topnienia produktu. Wynikowy produkt jest w styku z i rozciąga się pomiędzy bryłą roztopionego metalu a utleniaczem, a temperatura jest utrzymywana dla utrzymania roztopionego metalu macierzystego i stopniowego przeciągania roztopionego metalu macierzystego poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w masę wypełniacza, tak że produkt reakcji utleniania ciągle powstaje w masie wypełniacza na powierzchni międzyfazowej pomiądzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania. Reakcja jest kontynuowana przez czas wystarczający dla infiltracji masy wypełniacza w celu wytworzenia ceramicznej struktury kompozytowej zawierającej produkt reakcji utleniania. Ulepszenie tego sposobu polega na umieszczeniu masy wypełniacza w segmentowym pojemniku opisanym powyżej.

Poniżej podano znaczenia określeń użytych w opisie i w zastrzeżeniach.

„Ceramiczni¹ nie ogranicza się do bryły ceramicznej w sensie klasycznym, to znaczy w tym sensie, że złożona jest ona całkowicie z materiałów niemetalicznych i nieorganicznych, ałe raczej odnosi się do bryły, która jest głównie ceramiczna pod względem albo składu, albo dominujących właściwości, chociaż bryła może zawierać niewielkie lub znaczne ilości jednego lub kilku składników metalicznych uzyskanych z metalu macierzystego albo zredukowanych z utleniacza lub domieszki, najbardziej typowo w zakresie 1-40% objętościowych, ale może zawierać jeszcze więcej metalu.

„Produkt reakcji utleniania oznacza ogólnie jeden lub kilka metali w stanie utlenionym, kiedy metal oddał swe elektrony lub podzielił się nimi z innym pierwiastkiem, związkiem lub ich kombinacją. Odpowiednio „produkt reakcji utleniania według tej definicji stanowi produkt reakcji jednego lub kilku metali z utleniaczem takim jak opisane w niniejszym zgłoszeniu.

„Utleniacz oznacza jeden lub kilka odpowiednich akceptorów elektronów i może być to ciało stałe, ciecz lub gaz (para) albo pewna ich kombinacja, na przykład ciało stałe i gaz, w warunkach procesu.

„Metal macierzysty oznacza ten metal, na przykład aluminium, który jest prekursorem polikrystalicznego produktu reakcji utleniania i zawiera ten metal jako stosunkowo czysty metal, metal dostępny w handlu z zanieczyszczeniami i/lub składnikami stopowymi lub stop, w którym ten metal prekursor jest głównym składnikiem. Kiedy o danym metalu mówi się jako o metalu macierzystym, na przykład aluminium, należy to rozumieć zgodnie z tą definicją, chyba że z kontekstu wynika inaczej.

Wynalazek jest dokładniej opisany na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie zestaw według jednego przykładu wykonaniu wynalazku zawierający segmentowy pojemnik w przekroju, fig. 1A - część zestawu z fig. 1 zakreśloną linią przerywaną A na fig. 1 w powiększeniu, fig. IB - zestaw według wynalazku w powiększeniu w przekroju wzdłuż linii B-B z fig. l,fig. 1C-jeden segment pojemnika pokazanego na fig. 1-1B w widoku perspektywicznym, fig. 2 - zestaw z fig. 1 w widoku z góry, fig. 3 - samonośną ceramiczną strukturę kompozytową wykonaną z zastosowaniem zestawu według fig. 1 w widoku z boku z częściowym przekrojem, fig. 4 - jedno z połączeń kompensacyjnych segmentowego pojemnika zestawu z fig. 1-2 schematycznie w widoku z góry z pokazaniem liniami przerywanymi usytuowania po rozszerzeniu cieplnym, fig. 5 - inny przykład wykonania połączenia kompensacyjnego, fig. 6 - inny przykład wykonania segmentowego pojemnika według wynalazku w widoku perspektywicznym, a fig. 7 przedstawia segmentowy pojemnik z fig. 5 wyposażony w siatkę ze stali nierdzewnej stanowiącą otworowaną wykładzinę pojemnika segmentowego, w widoku z góry z pokazaniem liniami przerywanymi usytuowania części segmentowego pojemnika po rozszerzeniu cieplnym.

Zestaw 10 z fig. 1 zawiera segmentowy pojemnik 12 o kształcie zasadniczo cylindrycznym złożony z trzech segmentów 12a, 12b i 12c, jak to najlepiej widać na fig. IB. Każdy z segmentów 12a, 12b i 12c kończy się parą przeciwległych krawędzi wzdłużnych 16a, 16a', 16b, 16b' i 16c, 16c'.

157 107

Segmentowy pojemnik ma konstrukcję perforowaną, przy czym każdy z segmentów 12a, 12b i 12c ma wykonany w nim regularny wzór perforacji 14. Poszczególne segmenty 12a, 12b i 12c są usytuowane względem siebie tak, aby utworzyć zasadniczo cylindryczne wnętrze segmentowego pojemnika 12, w którym umieszczone jest złoże lub masa 18 przepuszczalnego wypełniacza.

Jak to najlepiej widać na fig. IB i 2, segmenty 12a, 12b i 12c segmentowego pojemnika 12 są usytuowane w układzie schodkowym pokazanym na fig. IB, gdzie kolejne wzdłużne krawędzie 16a, 16a', 16b, 16b', 16c i 16c' usytuowane są z promieniowym przesunięciem względem krawędzi wzdłużnej sąsiadującej z nią w przemiennych promieniowo szeregach wewnętrznych i zewnętrznych, tak że pomiędzy sąsiednimi krawędziami wzdłużnymi, takimi jak krawędzie 16c i 16a powstają połączenia kompensacyjne. Oznacza to, że sąsiednie krawędzie wzdłużne są przesunięte promieniowo względem siebie. W odniesieniu do rysunków oraz w zastosowaniu w opisie i w zastrzeżeniach określenie „promieniowy, „promieniowo itp. dotyczące kierunku, wymiaru itp. odnosi się do kierunku, który przebiega poprzecznie w stosunku do obwodu segmentowego pojemnika, na przykład na fig. IB określenie to odnosi się do kierunku lub wymiaru wzdłuż promienia koła wyznaczonego przez układ segmentów 12a, 12b i 12c. Z drugiej strony określenie „obwodowy lub „obwodowo itp. odnosi się do kierunku lub wymiaru wzdłuż obwodu segmentowego pojemnika. Przykładowo, w odniesieniu do fig. IB, kierunek obwodowy lub wymiar obwodowy jest to kierunek lub wymiar wzdłuż okręgu wyznaczonego przez górne krawędzie segmentów 12a, 12b i 12c.

W przedstawionych przykładach wykonania segmentowe pojemniki mają ogólnie kształt cylindryczny i trzy segmenty, z których każdy zajmuje łuk okręgu 120° oczywiście można zastosować większą lub mniejszą liczbę segmentów. Na fig. 1C przedstawiono w widoku perspektywicznym pojedynczny segment 12B z pokazaniem krawędzi wzdłużnych 16b i 16b' rozciągających się odpowiednio pomiędzy górną krawędzią obwodową 19b a dolną krawędzią obwodową 21b. Krawędzie wzdłużne określające odpowiednie przedstawione segmenty są krawędziami prostoliniowymi rozciągającymi się równolegle do osi wzdłużnej segmentowego pojemnika. Jednakże należy zauważyć, że można zastosować inne kształty krawędzi wzdłużnych, takie jak spiralne lub inne krzywoliniowe krawędzie wzdłużne rozciągające się pomiędzy górną a dolną krawędzią obwodową pojemnika. Ponadto segmentowy pojemnik nie musi mieć stałego wymiaru przekroju poprzecznego lecz może stanowić zasadniczo stożek, kulę, półkulę lub inny żądany kształt. Ponadto pojemnik segmentowy nie musi być kołową konstrukcją cylindryczną, ale może być cylindrem o owalnym lub wielokątnym kształcie przekroju poprzecznego. Przykładowo boki cylindra o przekroju kwadratowym lub prostokątnym mogą być utworzone przez płaskie segmenty z połączeniami kompensacyjnymi pomiędzy nimi. Dla przytrzymywania segmentów pojemnika na miejscu można zastosować elementy mocujące (nie pokazano). Przykładowo materiał taśmowy wykonany z organicznego materiału polimerowego, który spala się lub paruje po ogrzaniu, można stosować dla tymczasowego przytrzymywania segmentów na miejscu, podczas gdy segmentowy pojemnik jest napełniany, a wokół niego umieszczone są elementy wsporcze 30 zawierające cylindryczne naczynie 32 i fragmenty 36.

Dla przytrzymywania segmentów we właściwym ustawieniu można stosować dowolne odpowiednie elementy, takie jak podkładki regulacyjne, elementy dystansowe lub zaciski montażowe, pod warunkiem, że elementy takie nie zakłócają pożądanego kierunku bocznej rozszerzalności poszczególnych segmentów pojemnika segmentowego. Krawędzie segmentów, to znaczy krawędzie brzegowe i zagłębione, pomiędzy którymi utworzone są połączenia kompensacyjne przedstawionych przykładów wykonania, przebiegają zasadniczo wzdłuż segmentowego pojemnika od góry do dołu.

Bryła źródła 20 metalu macierzystego ma zasadniczo cylindryczny kształt i kołowy przekrój poprzeczny oraz posiada parę tarczowych występów 22,24 utworzonych w niej. Bryła zbiornika 26 identycznego metalu macierzystego umieszczona jest u góry na przedłużeniu bryły 20. Zbiornik 26 może być zawarty w złożu 28 cząstkowego materiału przegrody, który nie będzie wspierać wzrostu polikrystalicznego produktu reakcji utleniania poprzez ten materiał w warunkach procesu, jak przykładowo złoże cząstek El Alundum (cząstki tlenku glinowego z firmy Norton Company) z metalem macierzystym w postaci stopu aluminium (10% Si, 3% Mg) w powietrzu przy temperaturze 1250°C. Cząstki mogą mieć dowolną odpowiednią wielkość ziarna, na przykład odpowiadającą

157 107 numerowi sita 90. W segmentowym pojemniku 12 złoże 18 przepuszczalnego wypełniacza rozciąga się od dolnej krawędzi obwodowej 22 pojemnika 12 w przybliżeniu aż do poziomu określonego przez płaszczyznę Χ-Χ na fig. 1, a złoże 28 materiału przegrody rozciąga się powyżej płaszczyzny Χ-Χ do górnej krawędzi obwodowej 19 pojemnika 12. Ewentualnie fizyczną przegrodę, taką jak płyta ze stali nierdzewnej, można umieścić na poziomie Χ-Χ, aby oddzielić złoże 18 wypełniacza od złoża 28 materiału przegrody. Jeżeli się ją stosuje, taka płyta przegrody ma otwór, aby umożliwić przechodzenie roztopionego metalu macierzystego ze zbiornika 26 do bryły 20 metalu macierzystego.

Elementy wsporcze są oznaczone ogólnie jako 30 (fig. 1, IB i 2) i zawierają cylindryczne naczynie 32 z zamkniętą ścianką denną 32a (fig. 1) oraz szereg perforacji 34 wykonanych w pionowej ściance bocznej tego naczynia. Cylindryczne naczynie 32, jeśli trzeba, może być wykonane z materiału takiego jak materiał ceramiczny posiadający współczynnik rozszerzalności cieplnej taki sam lub zbliżony do współczynnika rozszerzalności cieplnej złoża 18 wypełniacza. Cylindryczne naczynie 32 ma średnicę większą niż segmentowy pojemnik 12, a uzyskana przestrzeń pierścieniowa pomiędzy zewnętrznym obwodem segmentowego pojemnika 12 a wewnętrznym obwodem cylindrycznego naczynia 32 jest wypełniona dużymi fragmentami 36 pokruszonego materiału ceramicznego. Idealnie fragmenty 36 będą zawierać materiał o współczynniku rozszerzalności cieplnej, który jest identyczny lub zbliżony do współczynnika rozszerzalności cieplnej naczynia cylindrycznego 32 i złoża wypełniacza 18. Fragmenty 36 pokruszonego materiału ceramicznego są duże i ukształtowane nieregularnie, tak aby pomiędzy nimi powstała wystarczająca przestrzeń międzywęzłowa. W ten sposób utleniacz w fazie pary, taki jak powietrze, ma łatwy dostęp poprzez perforacje 34, przestrzenie międzywęzłowe pomiędzy fragmentami 36 i perforacje 14 segmentowego pojemnika 12, a dalej poprzez złoże 18 przepuszczalnego wypełniacza.

Wykładziną stanowiącą w przedstawionym przykładzie wykonania siatkę 38 ze stali nierdzewnej (nalepiej pokazana na fig. 1A i IB) wyłożono wnętrze segmentowego pojemnika 12 i służy ona dla uniemożliwienia wypadania małych cząstek złoża wypełniacza 18 poprzez preforacje 14 w segmentowym pojemniku 12. W typowym przykładzie wykonania bryła 20 metalu macierzystego i zbiornik 26 zawierają aluminiowy metal macierzysty, a złoże 18 przepuszczalnego wypełniacza zawiera dowolny odpowiedni materiał wypełniacza, taki jak opisany w innych częściach opisu. Segmentowy pojemnik 12 może być wykonany z odpornego na wysoką temperaturę stopu niklu lub żelaza, na przykład ze stopu Inconel, Hastelloy lub Incoloy, albo ze stali nierdzewnej lub dowolnego innego odpowiedniego metalu lub stopu. Typowo takie stopy mają współczynniki rozszerzalności cieplnej, które są większe niż współczynnik rozszerzalności cieplnej wypełniacza w złożu 18 i polikrystalicznego materiału ceramicznego wytwarzanego przez utlenienie roztopionego metalu macierzystego.

Zestaw przedstawiony na fig. 1 można umieścić w piecu otwartym do atmosfery, tak że powietrze obiega w nim i służy jako utleniacz w fazie pary. Zestaw jest ogrzewany do temperatury w żądanym zakresie temperatur powyżej temperatury topnienia, na przykład aluminiowego metalu macierzystego, ale poniżej temperatury topnienia produktu reakcji utleniania tego metalu tlenem z powietrza. Po ogrzaniu do takich podwyższonych temperatur segmenty 12a, 12b i 12c segmentowego pojemnika 12 rozszerzają się w znacznie większym stopniu niż złoże 18.

Po ogrzaniu zestawu większość rozszerzenia cieplnego segmentów 12a, 12b i 12c zostanie przejęta jak pokazano na fig. 4 przez rozszerzenie obwodowe (pokazane liniami przerywanymi na fig. 4) poszczególnych segmentów 12a, 12b i 12c. Na fig. 4 (jak na fig. 5 i 7) segmenty pojemnika segmentowego pokazano linią ciągłą w stanie przy temperaturze otoczenia i linią przerywaną w stanie rozszerzenia cieplnego po ogrzaniu zestawu do zakresu temperatury procesu. Stopień rozszerzenia cieplnego zaznaczony linią przerywaną na fig. 4, 5 i 7 nie jest podany w żadnej określonej skali i jest nieco powiększony dla wyrazistości ilustracji. Nawiązując do fig. 4 należy zauważyć, że przedstawiona konstrukcja pozwala na przejęcie rozszerzenia cieplnego segmentów przez obwodowe rozszerzenie do konfiguracji podanej liniami przerywanymi, przez co zapobiega się promieniowemu rozszerzeniu segmentów, tak aby zmniejszyć rozszerzenie objętościowe pojemnika 12.

Zastosowanie pojemnika w postaci pojemnika segmentowego z połączeniami kompensacyjnymi pomiędzy segmentami zmniejsza więc rozszerzenie objętościowe pojemnika po cieplnym

157 107 rozszerzeniu poszczególnych segmentów. W przeciwieństwie do tego, jeżeli zastosuje się segmentowy pojemnik 12 w postaci zwykłej, niesegmentowej tulei cylindrycznej, wówczas rozszerzalność cieplna, której podlega pojemnik po ogrzaniu do podwyższonych temperatur stosowanych w procesie, spowodowałby zwiększenie objętości pojemnika na skutek rozszerzenia promieniowego na zewnątrz po nagrzaniu. Przez segmentowanie pojemnika i zastosowanie połączeń kompensacyjnych pomiędzy segmentami, jak przedstawiono na przykład na fig. IB i 4, zostaje zmniejszone rozszerzenie objętościowe pojemnika 12 i dzięki temu zmniejsza się lub zasadniczo eliminuje powstawanie pustych przestrzeni, pęknięć lub innych nieciągłości w złożu 18 po ogrzaniu.

Na figurze 5 pokazano inny przykład wykonania połączenia kompensacyjnego do stosowania według przedmiotowego wynalazku, gdzie krawędzie wzdłużne 25c' i 25b segmentów 23c i 23b są usytuowane przy sobie, ale w znacznie większym odstępie niż odpowiednie krawędzie wzdłużne 16c' i 16b w przykładzie wykonania z fig. 4. Przedłużenie 17, które przebiega wzdłużnie zgodnie z segmentami 23c i 23b jest przyspawane lub inaczej dołączone do segmentu 23c i przebiega bocznie poza jego krawędź wzdłużną 25c' kończąc się w przybliżeniu obwodowo zgodnie z krawędzią wzdłużną 25b. Przedłużenie 17 służy do przykrycia raczej dużej szczeliny obwodowej pomiędzy wzdłużnymi krawędziami 25c' i 25b, pomagając przez to we wspieraniu siatki lub innej wykładziny, którą można ewentualnie zastosować i/lub pomagając w utrzymaniu cząstek wypełniacza w segmentowym pojemniku 23. Po cieplnym rozszerzeniu segmentów pojemnika segmentowego 23 segmenty te oraz przedłużenie 17 rozszerzają się od swego stanu przy temperaturze otoczenia pokazanego liniami ciągłymi do zaznaczonego liniami przerywanymi na fig. 5 stanu po rozszerzeniu cieplnym.

Zestaw z fig. 1 utrzymywany jest w odpowiedniej temperaturze reakcji przez czas wystarczający dla utlenienia roztopionego metalu macierzystego w celu wytworzenia polikrystalicznego produktu reakcji utleniania, który infiltruje i obejmuje złoże 18, aby wytworzyć żądany ceramiczny materiał kompozytowy. Gdy metal macierzysty 20 zużywa się, jest on uzupełniany przez metal macierzysty ze zbiornika 26 i reakcja jest kontynuowana przez żądany czas, zwykle aż rosnący polikrystaliczny materiał ceramiczny dojdzie do przegrody utworzonej przez wykładzinę z siatki 38, którą wyłożono segmentowy pojemnik 12. W tym momencie temperatura zostaje zmniejszona i umożliwia się ochłodzenie zestawu. Segmentowy pojemnik 12 wyjmuje się z elementów wsporczych 30 i oddziela się od niego ceramiczną bryłę kompozytową 40 (fig. 3). Ceramiczną bryłę kompozytową 40 można otrzymać przez cięcie wzdłuż płaszczyzny Χ-Χ (fig. 1) lub wzdłuż płaszczyzny nieco poniżej płaszczyzny Χ-Χ, aby otrzymać zasadniczo cylindryczną ceramiczną bryłę kompozytową 40 o wnętrzu odwrotnie odwzorowującym kształt metalu macierzystego 20. Bryła ceramiczna 40 ma więc centralną wnękę 20' zawierającą powiększenie komory 22' i 24', które mogą być wypełnione zakrzepłym metalem macierzystym, jeżeli było wystarczające uzupełnianie metalu macierzystego dla utrzymania tych objętości w stanie wypełnionym roztopionym metalem macierzystm, aż do zakończenia reakcji. Jeżeli jest to pożądane, zakrzepły metal macierzysty, powiedzmy zakrzepłe aluminium, można usunąć z ceramicznej bryły kompozytowej 40 przez wiercenie lub wytrąwanie chemiczne, aby uzyskać bryłę ceramiczną 40 posiadającą wydrążony otwór odpowiadający wnęce 20' rozciągający się poprzez tę bryłę i zawierający powiększone wydrążone komory 22' i 24'.

Na figurach 6 i 7 pokazano inny przykład realizacji wynalazku, gdzie segmentowy pojemnik 42 złożony jest z trzech segmentów 42a, 42b i 42c, z których każdy ma odpowiednie przeciwległe krawędzie wzdłużne 44a, 44a'; 44b, 44b'; 44c, 44c'. Odpowiednie górne krawędzie brzegowe 45a, 45b i 45c oraz odpowiednie dolne krawędzie brzegowe 47a i 47c są pokazane na fig. 6. (Dolna krawędź brzegowa segmentu 42b nie jest widoczna na fig. 6). Segment 42a pokazano na fig. 6 jako perforowany wieloma perforacjami 49 rozmieszczonymi na całej powierzchni segmentu 42a, chociaż dla ekonomiczości ilustracji nie pokazano wszystkich perforacji. Segmenty 42b i 42c przedstawiono jako konstrukcję nieperforowaną, dla celów ilustracji. Należy zauważyć, że zwykle wszystkie segmenty pojemnika albo będą perforowane, albo będą nieperforowane, dla uzyskania pojemnika albo całkowicie perforowanego, albo nieperforowanego.

Wykładzina 46 zawiera siatkę ze stali nierdzewnej i tworzy wyłożenie wnętrza segmentowego pojemnika 42. (Wykładzina 46 jest dla jasności ilustracji na fig. 6). W tym przykładzie realizacji każdy z segmentów 42a, 42b i 42c ma brzegową wargę 48a, 48b i 48c związaną odpowiednio z nim i usytuowaną promieniowo na zewnątrz odpowiedniej części korpusu 50a, 50b i 50c, które leżą w

157 107 płaszczyźnie cylindrycznej i w przedstawionym przykładzie wykonania ma kształt łukowy. Odsądzenie 52a, 52b i 52c są wykonane w miejscu połączenia brzegowych warg 48a, 48b i 48c z częściami korpusowymi 50a, 50b i 50c i przebiegają pomiędzy nimi promieniowo. Brzegowe wargi kończą się odpowiednimi krawędziami wzdłużnymi 44a, 44b i 44c, a odpowiednie usytuowane przy nich krawędzie wzdłużne 44a', 44b' i 44c' są usytuowane promieniowo wewnątrz odpowiednich krawędzi wzdłużnych 44a, 44b i 44c. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 6 i 7 wynikowa konstrukcja łączona jest podobna do konstrukcji z fig. 5 z tym wyjątkiem, że zamiast przedłużenia 17 przyspawanego przy każdym połączeniu kompensacyjnym brzegowe wargi 48 są wykonane integralnie z częścią korpusową poszczególnych segmentów, na przykład przez tłoczenie.

W przedstawionej konstrukcji pomiędzy sąsiednimi segmentami przewidziano luzy obwodowe. Przykładowo typowy luz obwodowy utworzono pomiędzy odsądzeniem 52c a krawędzią wzdłużną 44b, a taki luz obwodowy przejmuje obwodowe rozszerzenie cieplne segmentów 42a, 42b i 42c, jak pokazano liniami przerywanymi na fig. 7, przez co uniemożliwia się luz zasadniczo eliminuje rozszerzenie objętościowe segmentowego pojemnika 42.

Podany poniżej przykład ilustruje jedną praktyczną realizację wynalazku.

Zastosowano zestaw zasadniczo podobny do pokazanego na fig. 1. W zestawie tym segmentowy pojemnik (odpowiadający pojemnikowi 12 z fig. 1) złożony był z perforowanej blachy o grubości 22 w kształcie cylindra ze stali nierdzewnej 304 z cięciem równolegle do wzdłużnej osi środkowej cylindra na trzy jednakowe segmenty, z których każdy stanowił łukowy korpus zajmujący łuk okręgu 120°. Blacha ze stali nierdzewnej miała regularny rozkład perforacji o średnicy 1,6 mm z odstępem pomiędzy środkami otworów 2,38 mm. Do zewnętrznych powierzchni segmentów przyspawano przebiegające wzdłuż tych segmentów kątownikowe wsporniki również wykonane ze stali nierdzewnej 304. Segmenty umieszczono w układzie „koła zapadkowego jak pokazano na fig. IB i 2, aby utworzyć połączenia kompensacyjne pomiędzy trzema segmentami. Wsporniki kątownikowe były usytuowane w odstępie od krawędzi wzdłużnych tworzących połączenia kompensacyjne, tak aby nie przeszkadzać w obwodowym rozszerzeniu cieplnym segmentów. Pojemnik segmentowy miał średnicę wewnętrzną w przybliżeniu 190 mm. Cylindryczną bryłę metalu macierzystego umieszczono w segmentowym pojemniku współosiowo z jego wzdłużną osią środkową w złożu wypełniacza (odpowiadające złożu wypełniacza 18 z fig. 1) złożonego z 38 Ałundum (Norton Company) o ziarnie 90 z domieszką krzemu jak opisano poniżej.

Zbiornik metalu macierzystego (odpowiadający zbiornikowi 26 z fig. 1) umieszczono na wierzchu na przedłużeniu bryły metalu macierzystego wewnątrz złoża (odpowiada 28 na fig. 1) 38 Alundum o ziarnie 90. Złoże z ziaren Alundum obejmujące bryłę zbiornika nie było potraktowane domieszką. Każda z brył metalu macierzystego zawierała stop aluminium zawierający 10% Wagowych krzemu i 3% wagowych magnezu, które służyły jako domieszki wewnętrzne. Zestaw złożony z segmentowego pojemnika i jego zawartości był podparty w konstrukcji wsporczej typu przedstawionego na fig. 1 zawierającej zewnętrzne naczynie cylindryczne (odpowiadające 32 na fig. 1) z otworami powietrznymi (odpowiadające 34 na fig. 1) o średnicy 19 mm wywierconymi w rozkładzie przypadkowym. Cylindryczne naczynie wsporcze było ceramiczną bryłą o średnicy wewnętrznej w przybliżeniu 317 mm wytworzoną z odlewniczego materiału ogniotrwałego na bazie tlenku glinowego takiego jak AP Greencast 94 z firmy AP Green Corp. Pierścieniowa przestrzeń pomiędzy cylindrycznym pojemnikiem segmentowym a zewnętrznym cylindrycznym naczyniem wsporczym wypełniona była dużymi fragmentami (odpowiadającymi 36 na fig. 1) nieregularnie ukształtowanego surowego materiału ceramicznego takiego samego jak materiał, z którego wykonano cylindryczne naczynie wsporcze.

Wykładzina (odpowiadająca 38 na fig. 1 i IB) utworzona była przez wyłożenie wnętrza segmentowego pojemnika siatką ze stali nierdzewnej 304 o grubości 26.

części wagowych cząstek 38 Alundum o ziarnie 90 zmieszano z trzema częciami wagowymi przemysłowego suchego piasku Newport nr 1,88% wagowych którego stanowiły cząstki odpowiadające numerowi sita 100 lub mniejsze. Mieszaninę cząstek mieszano w młynie kulowym przez 24 h, a następnie ogrzewano w atmosferze powietrznej przy temperaturze 1250°C-1425°C przez 24 h. Piasek (krzemionka) stał się szklisty i spoił się z cząstkami tlenku glinowego. Uzyskany materiał zaglomerowany mielono następnie, aby uzyskać materiał drobnoziarnisty, który wykorzystano jako bryłę przepuszczalnego wypełniacza.

157 107

Opisany powyżej zestaw umieszcza się w piecu z wentylacją dla zapewnienia obiegowej atmosfery powietrznej w piecu i ogrzewa się od temperatury otoczenia do temperatury 1250°C przez 10 h, a następnie utrzymuje się w temperaturze 1250°C przez 225 h, po czym pozostawia się do ochłodzenia do temperatury otoczenia przez 30 h.

Powstała bryła kompozytu ceramicznego zawierającego polikrystaliczny produkt reakcji utleniania roztopionego stopu aluminium i tlenu z powietrza obejmujący domieszkowany wypełniacz. Wynikową ceramiczną bryłę kompozytową odebrano z zestawu, przy czym wnętrze tej ceramicznej bryły kompozytowej było wypełnione resztką nie zużytego, zakrzepłego aluminiowego metalu macierzystego w kształcie pierwotnej bryły źródła metalu macierzystego. Segmentowy pojemnik łatwo usuwa się przez odłamanie od powierzchni bryły kompozytowej ze względu na znaczne utlenienie i małą wytrzymałość pojemnika na skutek procesu.

Sposób według wynalazku można praktycznie realizować z zestawami mającymi jedną lub kilka z opisanych tu cech. Zestawy można wykonywać i sposób można przeprowadzać przy dowolnej odpowiedniej kombinacji metalu macierzystego, utleniacza i ewentualnie jednej lub kilku odpowiednich domieszek stosowanych w połączeniu z metalem macierzystym. Przykładowo metal macierzysty można wybrać z grzpy złożonej z aluminium, krzemu, tytanu, cyny, cyrkonu i hafnu. Korzystnie metalem macierzystym jest aluminiowy metal macierzysty i stosuje się utleniacz w fazie pary zawierający gaz zawierający tlen. Przykładowo, w jednej realizacji wynalazku utleniacz stanowi powietrze, produkt reakcji utleniania stanowi tlenek glinowy, a zakres temperatur jest 850-1450°C. Ponieważ stosuje się bardziej ogniotrwały metal macierzysty, zatem metal wybrany ha pojemnik może być potrzebny bardziej ogniotrwały.

Jak opisano w znanych zgłoszeniach patentowych polikrystaliczny produkt reakcji utleniania ma złączone krystality zwykle złączone w trzech wymiarach. Ponadto składnik metaliczny i/lub pory są rozłożone lub rozproszone w bryle ceramicznej, przy czym mogą być one złączone, lub też nie, zależnie od warunków procesu, metalu macierzystego, domieszki itd.

W praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku proces jest kontynuowany aż polikrystaliczny produkt reakcji utleniania wytworzony przez utlenienie metalu macierzystego dokona infiltracji lub obejmie materiał wypełniacza w żądanym stopniu, który może być kontrolowany przez wzrost materiału polikrystalicznego do styku z wewnętrzną powierzchnią segmentowego pojemnika lub z jego wykładziną. Segmentowy pojemnik lub wykładzina będą służyć jako przegroda dla dalszego wzrostu polikrystalicznego materiału ceramicznego, a więc mogą być stosowane jako przegroda lub zapora, która służy dla określenia kształtu geometrycznego zewnętrznej powierzchni ceramicznego materiału kompozytowego.

Metal macierzysty może być ewentualnie zastosowanny dla utworzenia zbiornika metalu macierzystego, który uzupełnia źródło metalu macierzystego w styku z bryłą lub masą wypełniacza, zgodnie ze sposobami opisanymi w zgłoszeniu patentowym USA nr 908063 z 16 września 1986. Zbiornik metalu macierzystego przepływa poprzez przepływowe połączenie grawitacyjne, aby uzupełniać metal macierzysty, który jest zużywany w procesie reakcji utleniania, przez co zapewnia się wystarczającą ilość metalu macierzystego dla kontynuowania procesu aż do wytworzenia żądanej ilości materiału polikrystalicznego przez reakcję utleniania.

W pewnych przykładach realizacji wynalazku masa przepuszczalnego wypełniacza dostosowuje swój kształt do kształtki metalu macierzystego, którą umieszcza się w styku z wypełniaczem, tak że uzyskiwana w wyniku ceramiczna struktura kompozytowa ma kształt negatywowy lub jedną albo kilka wnęk, które odwrotnie odwzorowują kształt geometryczny bryły metalu macierzystego. Przykładowo ukształtowana bryła metalu macierzystego może być całkowicie objęta w masie przepuszczalnego wypełniacza jak opisano w zgłoszeniu patentowym USA, tego samego właściciela nr 823 542, a w tym przypadku roztopiony metal macierzysty jest utleniany, zaś uzyskiwany w wyniku produkt reakcji utleniania infiltruje otaczające złoża przepuszczalnego wypełniacza, przy czym w wynikowej bryle kompozytu ceramicznego na skutek migracji roztopionego metalu macierzystego powstaje wnęka. Wnęka ta odwrotnie odwzorowuje kształt geometryczny ukształtowanej bryły metalu macierzystego lub formy początkowo umieszczonej w wypełniaczu. W takim przypadku ze względu na powstawanie różnicy ciśnień na powstającej skorupie produktu reakcji utleniania wewnątrz wypełniacza przepuszczalny wypełniacz lub przynajmniej strefa wsporcza takiego wypełniacza tuż przy umieszczonym w nim ukształtowanym metalu macierzystym

157 107 powinna spiekać się lub inaczej spajać samoistnie w odpowiednim zakresie temperatur. Takie samo spajanie służy dla zapewnienia wytrzymałości mechanicznej podczas początkowego etapu wzrostu wystarczającej dla uniknięcia zapadnięcia się rosnącej skorupy produktu reakcji utleniania na skutek różnicy ciśnień na niej. Gdy produkt reakcji utleniania wzrośnie do wystarczającej grubości, staje się wystarczająco wytrzymały dla różnicy ciśnień.

Jak opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr 896 157 część bryły metalu macierzystego może mieć nadany żądany kształt, przy czym ukształtowaną część bryły metalu macierzystego umieszcza się w masie przepuszczalnego wypełniacza z pozostawieniem nieodwzorowywanej części metalu macierzystego poza wypełniaczem. W takim przypadku całkowicie zamknięta wnęka odizolana od otaczającej atmosfery nie powstaje na skutek migracji roztopionego metalu macierzystego, gdy rosnący produkt reakcji utleniania infiltruje w wypełniacz i obejmuje go. Z tego względu nie występuje problem różnicy ciśnień i samospajalność wypełniacza nie jest istotna, chociaż oczywiście wypełniacz taki można stosować, jeżeli jest to pożądane.

Należy jednak zauważyć, że dla praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku nie jest istotne, że bryła metalu macierzystego jest bryłą ukształtowaną, której całość lub część ma być odwrotnie odwzorowywana w przepuszczalnym wypełniaczu. Przykładowo metal macierzysty, którego kształt nie jest istotny, może być po prostu umieszczony na wierzchu złoża przepuszczalnego wypełniacza i roztopiony, albo też pewną ilość roztopionego metalu macierzystego można doprowadzić do styku ze złożem wypełniacza, tak że produkt reakcji utleniania wytworzony z tego metalu infiltruje w wypełniacz i obejmuje go.

Metal macierzysty może zawierać jeden lub kilka kawałków i może być to zwykły cylinder, pręt, wlewek, kęs itp., albo też może być on odpowednio ukształtowany za pomocą dowolnych odpowiednich środków, na przykład przez obróbkę skrawaniem, odlewanie, formowanie, wytłaczanie lub inne kształtowanie metalu macierzystego. Kształt negatywowy lub wnęka tak powstała w ceramicznej bryle kompozytowej będzie zawierać metal macierzysty lub będzie wypełniona metalem macierzystym, który krzepnie, gdy strukturę pozostawia się do ochłodzenia, po procesie. Zakrzepły metal macierzysty można ewentualnie usunąć z kształtu negatywowego lub wnęki zawierającej go jak opisano poniżej. Uzyskiwany w wyniku ukształtowany ceramiczny wyrób kompozytowy zawiera więc wypełniacz objęty polikrystaliczną osnową ceramiczną i samoistnie dopasowany do jednego lub kilku członów osłonowych. Sama osłona ceramiczna może ewentualnie zawierać jeden lub kilka nieutlenionych składników metalu macierzystego i/lub pustych przestrzeni i ma wybrany kształt geometryczny powierzchni wyznaczony przez kształt pojemnika, w którym umieszczone było złoże wypełniacza. (Nieutlenione składniki metalu macierzystego ewentualnie rozproszone w osnowie ceramicznej nie powinny być mylone z bryłą zakrzepłego metalu macierzystego pozostawioną poza negatywowym kształtem lub wnęką utworzoną w złożu wypełniacza przez bryłę metalu macierzystego).

Chociaż wynalazek opisano szczegółowo w odniesieniu, zwłaszcza do aluminium jako korzystnego metalu macierzystego, inne odpowiednie metale macierzyste, które spełniają warunki przedmiotowego wynalazku to krzem, tytan, cyna, cyrko i hafn, ale bez ogranieczenia do nich. Przykładowo szczególne przykłady realizacji wynalazku obejmują, kiedy metalem macierzystym jest aluminium tlenek glinowy alfa lub azotek aluminium jako produkt reakcji utleniania; tytan jako metal macierzysty i azotek tytanu lub borek tytanu jako produkt reakcji utleniania; krzem jako metal macierzysty i węglik krzemu, borek krzemu lub azotek krzemu jako produkt reakcji utleniania.

Można stosować utleniacz stały, ciekły lub w fazie pary, albo też kombinację takich utleniaczy. Typowymi utleniaczami w fazie pary są, bez ograniczenia, tlen, azot, chlorowiec, siarka, fosfor, arsen, węgiel, bor, selen, tellur i/lub ich związki i kombinacje, na przykład krzemionka (jako źródło tlenu), metan, etan, propan, acetylen, etylen i propylen (jako źródła węgla), oraz mieszaniny takie jak powietrze, IJ2/H2O i CO/CO2, przy czym ostatnie dwie (to znaczy H2/H2O i CO(CO2) są użyteczne dla zmniejszania aktywności tlenu w środowisku. Struktura ceramiczna według wynalazku może zawierać produkt reakcji utleniania stanowiący jeden lub kilka tlenków, azotków, węglików, borków i tlenko-azotków. W szczególności produktem reakcji utleniania może być przykładowo jeden lub kilka spośród następujących związków: tlenek glinowy, azotek glinu, węglik krzemu, borek krzemu, borek aluminium, azotek tytanu, azotek cyrkonu, borek tytanu, borek cyrkonu, azotek krzemu, borek hafnu i tlenek cyny.

157 107

Chociaż można stosować dowolne odpowiednie utleniacze, poszczególne przykłady realizacji wynalazku opisano w odniesieniu do zastosowania utleniaczy w fazie pary. Jeżeli stosuje się utleniacz gazowy lub parowy (to znaczy utleniacz w fazie pary) wypełniacz jest przepuszczalny dla utleniacza w fazie pary, tak że po wystawieniu złoża wypełniacza na działanie utleniacza utleniacz w fazie pary przenika złoże wypełniacza do styku z roztopionym metalem macierzystym w nim. Przykładowo tlen lub mieszaniny gazowe zawierające tlen (łącznie z powietrzem) są korzystnymi utleniaczami w fazie pary, jak w przypadku gdy metalem macierzystym jest aluminium, przy czym powietrze jest zwykle bardziej korzystne z oczywistych względów ekonomicznych. Kiedy o utleniaczu w fazie pary mówi się jako o utleniaczu zawierającym dany gaz lub parę, oznacza to utleniacz, w którym ten gaz lub para jest jedynym, głównym lub przynajmniej znaczącym utleniaczem metalu macierzystego w warunkach otrzymywanych w zastosowanym środowisku utleniającym. Przykładowo, chociaż głównym składnikiem powietrza jest azot, tlen zawarty w powietrzu jest jedynym lub głównym utleniaczem metalu macierzystego, ponieważ tlen jest znacznie silniejszym utleniaczem niż powietrze. Powietrze podlega zatem pod definicję utleniacza „gaz zawierający tlen, a nie pod definicję utleniacza „gaz zawierający azot. Przykładem utleniacza „gaz zawierający azot jest „gaz formujący, który zawiera 96% objętościowych azotu i 4% objętościowe wodoru.

Kiedy stosuje się utleniacz stały, jest on zwykle rozproszony w całym złożu wypełniacza lub w części złoża przy metalu macierzystym w postaci cząstek zmieszanych z wypełniaczem lub ewentualnie jako powłoki na cząstkach wypełniacza. Można stosować dowolny odpowiedni utleniacz stały zawierający pierwiastki, takie jak bor lub redukowalne związki, takie jak dwutlenek krzemu lub pewne boki o stabilności termodynamicznej niższej niż borkowy produkt reakcji metalu macierzystego. Przykładowo, kiedy bor lub redukowalny borek stosuje się jako utleniacz stały dla aluminiowego metalu macierzystego, wynikowym produktem reakcji utleniania jest borek aluminium.

W pewnych przypadkach reakcja utleniania może przebiegać tak szybko z utleniaczem stałym, że produkt reakcji utleniania ma tendencję do stapiania się na skutek egzotermicznej natury procesu. Zjawisko takie może zniszczyć mikrostrukturalną jednorodność bryły ceramicznej. Takiej gwałtownej reakcji egzotermicznej można uniknąć mieszając ze składem stosunkowo obojętne wypełniacze, które wykazują niską skłonność do reagowania. Takie wypełniacze pochłaniają ciepło reakcji, aby zmniejszyć do minimum zjawisko udaru cieplnego. Przykładem takiego odpowiedniego wypełniacza obojętnego jest wypełniacz, który jest identyczny jak zamierzony produkt reakcji utleniania.

Jeżeli stosuje się utleniacz ciekły, całe złoże wypełniacza lub jego część przy metalu macierzystym jest pokryta lub nasycona, na przykład przez zanurzenie w utleniaczu, aby przesycić wypełniacz. Określenie „utleniacz ciekły oznacza taki, który jest cieczą w warunkach reakcji utleniania, a więc utleniacz ciekły może mieć prekursor stały, taki jak sól, która roztapia się w warunkach reakcji utleniania. Alternatywnie utleniacz ciekły może być prekursorem ciekłym, na przykład roztworem materiału, który stosuje się do nasycania części lub całości wypełniacza, i który roztapia się lub jest rozkładany w warunkach reakcji utleniania, aby uzyskać odpowiednią cząsteczkę utleniacza. Przykładami utleniaczy ciekłych według tej definicji są szkła o niskiej temperaturze topnienia. Jeżeli stosuje się utleniacz ciekły i/lub stały, ale nie utleniacz w fazie pary, wówczas pojemnik segmentowy i ewentualna struktura wsporcza zastosowana w połączeniu z nim mogą nie mieć konstrukcji perforowanej lub otworowanej w celu przepuszczania utleniacza w fazie pary.

Utleniacz, który jest cieczą lub ciałem stałym w warunkach procesu, można stosować w połączeniu z utleniaczem w fazie pary. Takie dodatkowe utleniacze mogą być szczególnie korzystne dla wspomagania utleniania metalu macierzystego korzystnie raczej w złożu wypełniacza, a nie poza jego powierzchniami granicznymi. Oznacza to, że zastosowanie takich dodatkowych utleniaczy może czynić środowisko w wypełniaczu bardziej korzystnym dla kinetyki utleniania metalu macierzystego niż środowisko na zewnątrz wypełniacza. Takie wspomniane środowisko jest korzystne dla wspomagania rozwoju osnowy w wypełniaczu do granicy i dla zmniejszenia przerastania do minimum.

Wypełniacz stosowany w praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku może być jednym lub kilkoma z wielu różnych materiałów odpowiednich dla tego celu. Wypełniacz może być wypełniaczem „dopasowującym się do kształtu, które to określenie zastosowane tu i w zastrzeże14

157 107 niach oznacza, że wypełniacz może być umieszczony w pojemniku i dostosowuje się do kształtu wnętrza pojemnika. Wypełniacz dostosowujący się do kształtu może również dostosować się do kształtu bryły źródła metalu macierzystego umieszczonej w nim albo w styku z nim jak opisano powyżej. Przykładowo, jeżeli wypełniacz zawiera materiał ziarnisty, taki jak drobne ziarna ogniotrwałego tlenku metalu, na przykład tlenku glinowego, wypełniacz będzie dostosowywać się do kształtu wnętrza pojemnika lub członu osłonowego, w którym jest umieszczony. Jednakże wypełniacz dostosowujący się do kształtu nie musi być wypełniaczem w postaci drobnoziarnistej. Przykładowo wypełniacz może być w postaci włókien, na przykład krótkich włókien siekanych lub w postaci włóknistego materiału wełnopodobnego, na przykład zbliżonego do wełny stalowej.

Wypełniacz może również zawierać połączenie dwóch lub więcej takich konfiguracji geometrycznych, na przykład kombinację niewielkich ziaren i włókien. Aby wypełniacz był wypełniaczem dostosowującym się do kształtu konieczne jest tylko, by postać fizyczna wypełniacza była taka, aby mógł on wypełniać i dostosowywać się do kształtu wewnętrznej powierzchni pojemnika przegrodowego, w którym jest umieszczony. Taki wypełniacz dostosowujący się do kształtu będzie również ściśle dostosowywał się do powierzchni bryły metalu macierzystego lub jej części, która jest umieszczona w masie lub w styku z masą wypełniacza dostosowującego się do kształtu. Można stosować każdy użyteczny kształt lub kombinację kształtów wypełniacza, taki jak jedna lub kilka z podanych poniżej postaci: wydrążone bryłki, cząstki, proszki, włókna, wiskery, kulki, pęcherzyki, wełna stalowa, płytki, agregaty, druty, pręty, drążki, płatki, rurki, tkanina z włókien ogniotrwałych, kanaliki lub ich mieszaniny. Odpowiednie kompozycje wypełniacza ceramicznego obejmują tlenki, węgliki, azotki i borki metali, takie jak tlenek glinowy, węglik krzemu, tlenek tytanu, tlenek hafnu, tlenek cyrkonu, dwuborek tytanu i azotek aluminium.

Jak opisano w wymienionych wyżej zgłoszeniach patentowych USA nr 818943 i 822999 można stosować jedną lub kilka odpowiednich domieszek dla ułatwienia wzrostu produktu reakcji utleniania z roztopionego metalu macierzystego. Jedną lub kilka domieszek metalicznych można wprowadzać stopowo do metalu macierzystego (zgłoszenie nr 818 943), albo też jedną lub kilka domieszek lub ich źródeł (na przykład tlenki metali domieszkujących) można podawać zewnętrznie na powierzchnię ukształtowanego metalu macierzystego lub w pobliżu (zgłoszenie nr 822999). Alternatywnie lub dodatkowo, w tych przypadkach, gdzie rosnący produkt reakcji utleniania infiltruje w wypełniacz (jak w przykładzie na fig. 1-2), jedną lub kilka domieszek można podawać do samego wypełniacza, albo też wypełniacz może zawierać domieszki. Można również stosować w kombinacji dwa lub wszystkie trzy powyższe sposoby. Użyte tu i w zastrzeżeniach określenie domieszki „stosowana w połączeniu z metalem macierzystym ma obejmować każdy z powyższych sposobów lub ich kombinację. Odpowiednie domieszki stanowią źródło jednego lub kilku spośród następujących pierwiastków: magnez, cynk, krzem, german, cyna, ołów, bor, sód, lit, wapń, fosfor, itr i metale ziem rzadkich. Metale ziem rzadkich korzystnie wybrane są z grupy złożonej z lantanu, ceru, prazeodymu, neodymu i samaru. Przykładowo jak stwierdzono domieszki magnezowe i krzemowe są szczególnie skuteczne, gdy stosuje się je w połączeniu z aluminiowymi metalami macierzystymi, kiedy utleniaczem jest powietrze.

Ceramiczne struktury kompozytowe otrzymane przez praktyczną realizację przedmiotowego wynalazku będą zwykle gęstą, spójną masą, w której 5-98% objętościowych całej objętości struktury kompozytowej stanowi jeden lub kilka składników wypełniacza objętych w polikrystalicznym materiale osnowy. Polikrystaliczny materiał osnowy jest zwykle złożny, kiedy metalem macierzystym jest aluminium, a utleniaczem jest powietrze lub tlen z około 60-98% wagowych (ciężaru materiału polikrystalicznego) złączonego tlenku glinowego alfa i około 1-40% wagowych (na tej samej podstawie) nieutlenionych składników metalu macierzystego.

Fig. 3

Fig. ΙΑ

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 5000 zł.

Claims (31)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zestaw do stosowania przy wytwarzaniu samonośnej ceramicznej struktury kompozytowej zawierającej wypełniacz i polikrystaliczną osnowę ceramiczną obejmującą ten wypełniacz, przy czym osnowa ceramiczna zawiera produkt reakcji .utleniania metalu macierzystego utleniaczem i ewentualnie jeden lub kilka składników metalicznych, znamienny tym, że składa się z segmentowego pojemnika przepuszczalnej masy wypełniacza umieszczonej w tym pojemniku oraz bryły metalu macierzystego usytuowanej w styku z masą wypełniacza, przy czym segmentowy pojemnik złożony jest z jednego lub kilku segmentów posiadających współczynnik rozszerzalności cieplnej większy niż współczynnik rozszerzalności cieplnej masy wypełniacza, a segmenty są zwymiarowane i ukształtowane tak, aby pomiędzy nimi wytworzyć jedno lub kilka połączeń kompensacyjnych, które przejmują rozszerzalność cieplną tych segmentów przez rozszerzenie obwodowe, dzięki czemu unimożliwione jest rozszerzenie promieniowe segmentów, aby zmniejszyć rozszerzalność objętościową pojemnika.
2. 2. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że segmentowy pojemnik jest perforowany.
3. 3. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że segmentowy pojemnik złożony jest z dwóch lub więcej segmentów zorientowanych wokół wspólnej osi i leżących w płaszczyźnie cylindrycznej, aby określić ten pojemnik ze wspólną osią jako osią wzdłużną pojemnika oraz z odpowiednimi parami krawędzi wzdłużnych usytuowanych przy sobie, aby określić odpowiednie połączenia kompensacyjne pomiędzy segmentami, przez co powstaje luz obwodowy pomiędzy sąsiednimi segmentami.
4. 4. Zestaw według zastrz. 3, znamienny tym, żejedna z wzdłużnych krawędzi pary krawędzi jest promieniowo odsunięta od drugiej.
5. 5. Zestaw według zastrz. 3, znamienny tym, że jedna z wzdłużnych krawędzi pary krawędzi jest odsunięta krawędzią wzdłużną, która jest promieniowo odsunięta od cylindrycznej płaszczyzny, a druga krawędź wzdłużna pary krawędzi leży w tej cylindrycznej płaszczyźnie.
6. 6. Zestaw według zastrz. 5, znamienny tym, że odsunięta wzdłużna krawędź znajduje się promieniowo na zewnątrz do płaszczyzny cylindiycznej.
7. 7. Zestaw według zastrz. 4, znamienny tym, że segmenty zawierają część korpusową, która ma przeciwległe krawędzie wzdłużne i przynajmniej jedną wzdłużną wargę brzegową, która to warga brzegowa: jest dołączona do części korpusowej przez odchodzące promieniowo odsądzenie, jest promieniowo odsunięta od części korpusowej i rozciąga się obwodowo od niej poza wymienione odsądzenie oraz kończy się krawędzią wzdłużną, która jest promieniowo odsunięta od części korpusowej, przez co powstaje odsunięta krawędź wzdłużna, aby utworzyć w ten sposób obwodowy luz pomiędzy odsądzeniem a odsuniętą krawędzią wzdłużną, a ponadto odsunięta krawędź wzdłużna jednego segmentu pojemnika jest usytuowana przy krawędzi wzdłużnej sąsiedniego segmentu, tak aby przejąć przynajmniej część rozszerzenia cieplnego tych segmentów w wymienionym luzie obwodowym.
8. 8. Zestaw według zastrz. 7, znamienny tym, że warga brzegowa jest promieniowo odsunięta na zewnątrz od części korpusowej, przez co krawędź wzdłużna, w której kończy się wymieniona warga, stanowi krawędź wzdłużną zwróconą promieniowo na zewnątrz.
9. 9. Zestaw według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5 albo 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że segmentowy pojemnik zawiera stop metali wybrany z grupy złożonej ze stopów na bazie niklu i ze stopów na bazie żelaza odpornych na wysoką temperaturę.
10. 10. Zestaw według zastrz. 9, znamienny tym, że stop wybrany jest z grupy złożonej ze stali nierdzewnej, stopu Inconel, stopu Feeral, stopu Hastelloy i stopu Incoloy.
11. 11. Zestaw według zastrz. 1-8, znamienny tym, że segmentowy pojemnik zawiera wzdłużne segmenty tulei cylindrycznej.
12. 12. Zestaw według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5 albo 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że zawiera perforowaną wykładzinę segmentowego pojemnika.
13. 13. Zestaw według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5 albo 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że zawiera człony wsporcze usytuowane na zewnątrz pojemnika w styku z nim.

    157 107 3
14. 14. Zestaw według zastrz. 13, znamienny tym, że człony wsporcze stanowi perforowane naczynie obejmujące segmentowy pojemnik.
15. 15. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera domieszkę stosowaną w połączeniu z metalem macierzystym.
16. 16. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że wypełniaczem jest wypełniacz dostosowujący się do kształtu.
17. 17. Sposób wytwarzania samonośnej ceramicznej struktury kompozytowej utworzonej przez utlenienie metalu macierzystego, polegający na ogrzewaniu metalu macierzystego w obecności utleniacza, aby wytworzyć bryłę roztopionego metalu w styku powierzchniowym z masą wypełniacza i reagowanie tego roztopionego metalu macierzystego z utleniaczem przy tej temperaturze, aby wytworzyć produkt reakcji utleniania, który to produkt jest w styku z i rozciąga się pomiędzy bryłą roztopionego metalu a utleniaczem, utrzymywaniu tej temperatury, aby utrzymać metal macierzysty w stanie roztopionym i stopniowo przeciągać roztopiony metal macierzysty poprzez produkt reakcji utleniania w kierunku do utleniacza i w masę wypełniacza, tak że produkt reakcji utleniania ciągle powstaje w masie wypełniacza na powierzchni międzyfazowej pomiędzy utleniaczem a poprzednio wytworzonym produktem reakcji utleniania, oraz kontynuowaniu tej reakcji przez czas wystarczający dla infiltracji masy wypełniacza, w celu wytworzenia ceramicznej struktury kompozytowej zawierającej produkt reakcji utleniania, znamienny tym, że umieszcza się masę wypełniacza w segmentowym pojemniku złożonym z jednego lub kilku segmentów mających współczynnik rozszerzalności cieplnej większy niż współczynnik rozszerzalności cieplnej masy wypełniacza, przy czym segmenty te są zwymiarowane i ukształtowane tak, aby tworzyły pomiędzy sobą jedną lub kilka połączeń kompensacyjnych, które skutecznie przejmują rozszerzenie cieplne segmentów przez rozszerzenie obwodowe, przez co zapobiega się rozszerzeniu promieniowemu tych segmentów, aby zmniejszyć rozszerzenie objętościowe pojemnika.
18. 18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że segmentowy pojemnik jest pojemnikiem perforowanym, a utleniacz jest utleniaczem w fazie pary.
19. 19. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że segmentowy pojemnik złożony jest z dwóch lub więcej segmentów zorientowanych wokół wspólnej osi i leżących w płaszczyźnie cylindrycznej, aby utworzyć pojemnik ze wspólną osią jako osią wzdłużną pojemnika oraz z odpowiednimi parami krawędzi wzdłużnych usytuowanych przy sobie, aby utworzyć odpowiednie połączenia kompensacyjne pomiędzy segmentami, przez co tworzy się obwodowy luz pomiędzy sąsiednimi segmentami.
20. 20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że jedna z wzdłużnych krawędzi par krawędzi jest odsunięta promieniowo od drugiej.
21. 21. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że jedna z krawędzi wzdłużnych par krawędzi jest odsuniętą krawędzią wzdłużną, która jest promieniowo odsunięta od płaszczyzny cylindrycznej, a druga krawędź wzdłużna par krawędzi leży w tej płaszczyźnie cylindrycznej.
22. 22. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że odsunięta krawędź wzdłużna jest usytuowana promieniowo na zewnątrz płaszczyzny cylindrycznej.
23. 23. Sposób według zastrz. 17 albo 18 albo 20 albo 21 albo 22, znamienny tym, że zestaw zawiera perforowaną wykładzinę segmentowego pojemnika.
24. 24. Sposób według zastrz. 17 albo 18 albo 20 albo 21 albo 22, znamienny tym, że segmentowy pojemnik zawiera stop wybrany z grupy złożonej ze stopu na bazie niklu i stopu na bazie żelaza o odporności na wysoką temperaturę.
25. 25. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że stop wybrany jest z grupy złożonej ze stali nierdzewnej, stopu Inconel, stopu Fecral, stopu Hastelloy i stopu Incoloy.
26. 26. Sposób według zastrz. 17 albo 18 albo 20 albo 21 albo 22, znamienny tym, że bryłę metalu macierzystego umieszcza się w masie wypełniacza.
27. 27. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że metalem macierzystym jest aluminiowy metal macierzysty, a utleniacz w fazie pary zawiera gaz zawierający tlen.
28. 28. Sposób według zastrz. 27, znamienny tym, że utleniacz stanowi powietrze, produkt reakcji utleniania stanowi tlenek glinowy, a zakres temperatur wynosi 850-1450°C.
29. 29. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że metal macierzysty wybrany jest z grupy złożonej z aluminium, krzemu, tytanu, cyny, cyrkonu i hafnu.

    157 107
30. 30. Sposób według zastrz. 17 albo 18. znamienny tym, że stosuje się przynajmniej jeden odpowiedni materiał domieszkujący w połączeniu z metalem macierzystym.
31. 31. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że wypełniacz jest wypełniaczem dostosowującym się do kształtu.