DD279467A5

DD279467A5 - Verfahren zur herstellung einer selbsttragenden keramikverbundstruktur

Info

Publication number: DD279467A5
Application number: DD87306589A
Authority: DD
Inventors: Marc S Newkirk; Daniel H Lesher; Ratnesh K Dwivedi; Robert C Kantner
Original assignee: ��@��@��@��k��
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1990-06-06
Also published as: JPS6374953A; CS8706573A2; IE872474L; JP2524095B2; JP2505207B2; NZ221745A; EP0262075B1; DE3780896T2; CN87106330A; HU203859B; US4900699A; DK480887D0; YU218188A; HUT46611A; DK480887A; FI89587B; FI873904A0; PT85711A; IN171077B; PL155540B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, danach erzeugte Metallstrukturen mit Keramikoberflaeche und Produkte. Das Verfahren beinhaltet das Erwaermen des Ausgangsmetalls, um eine erste Quelle fuer geschmolzenes Ausgangsmetall und einen Vorrat davon zu bilden, und das Beruehren der ersten Quelle mit einer durchlaessigen Fuellstoffbettung. Das geschmolzene Ausgangsmetall reagiert mit einem Oxidationsmittel zum Oxidationsreaktionsprodukt ueber einen Zeitraum, in dem das Oxidationsreaktionsprodukt bis zu der gewuenschten Grenze waechst und dadurch mindestens einen Teil der Fuellstoffbettung einbettet, um die Keramikverbundstruktur zu bilden. Die Fuellstoffbettung hat eine geeignete Form, einschliesslich der eines Hohlkoerpers. Fig. 1

Description

Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die aus einer Keramikmatrix besteht, die durch Oxidationsreaktion eines Ausgangsmetalls mit einem Oxidationsmittel erhalten wird, um ein polykristallines Material zu bilden, das ein Oxidationsreaktionsprodukt und einen Füllstoff enthält, der von der Matrix durchtränkt ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine selbsttragende Metallstruktur mit Keramikoberfläche und nach dem Verfahren hergestellta Produkte.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die vorliegende Erfindung steht mit den US-Patentanmeldungen Nr. 819397, eingereicht am 17. Januar 1986, und Nr. 697 878, eingereicht am 4. Februar 1985, mit dem Titel „Keramikverbunderzeugnisse und Verfahren für ihre Herstellung" in Beziehung. Diese US-Patentanmeldung legt ein neuartiges Verfahren dar, um durch Wachsen eines Cxidationsreaktionsproduktes aus einem Ausgangsmetall in sin durchlässiges Füllstoffbett einen selbsttragenden Keramikverbundstoff zu erzeugen. Das Verfahren sorgt jedoch nicht dafür, daß der sich ergebende Verbundstoff eine vorher ausgewählte Form oder Geometrie erhält. Das Verfahren der Erzeugung eines Keramikoxidationsreaktionsproduktes wird in allgemeiner Form in den US-Patentanmeldungen Nr.818943, eingereichtem 15.Januar 1986, Nr.776964, eingereichtem 17.September 1985, Nr.705787, eingereicht am 26. Februar 1985, Nr.591392, eingereicht am 16. März 1984, mit dem Titel „Neuartige Keramikmaterialien und Verfahren für ihre Herstellung" dargelegt. Diese Oxidationserscheinung, die durch den Einsatz eines Dotierungsmittels verstärkt werden kann, das in das Ausgangsmetall einlegiert wird, führt zu selbsttragenden Keramikmassen mit der gewünschten Größe, die als das Oxidationsreaktionsprodukt des Vorläuferausgangsmotalls gebildet wurden.

Das vorangehende Verfahren wurde durch die Benutzung äußerer Dotierungsmittel verbessert, die auf die Oberfläche des Vorläuferausgangsmetalls aufgebracht werden, wie es in den US-Patentanmeldungen Nr. 822 999, eingereicht am 27. Januar 1986, Nr.776965, eingereicht am 17. September 1985, Nr.747788, eingereicht am 25. Juni 1985, Nr.632636, eingereicht am 20. Juli 1984, mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden Keramikwerkstoffen" dargelegt wird. Weiterentwicklungen der vorangegangenen Verfahren ermöglichen die Slidung von Keramikverbundstrukturen, die 1. einen oder mehrere Hohlräume enthalten, der oder die die Geometrie eines geformten Vorläuferausgangsmetalls invers nachbildet oder nachbilden, und 2. ein negatives Muster aufweisen, das das positive Muster eines Ausgangsmetallvorläufers invers nachbildet. Diese Verfahren werden in folgenden Patentanmeldungen beschrieben: 1. in der US-Patentanmeldung Nr.823542, eingereicht am 27. Januar 1936, mit dem Titel „Inverses Formnachbildungsverfahren für die Herstellung von Keramikverbunderzeugnissen und dadurch erhaltene Erzeugnisse" und 2. in der US-Patentanmeldung Nr.896147, eingereicht am 13. August 1986, mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von Keramikverbunderzeugnissen mit Oberflächen, die die Form nachbilden, und dadurch erhaltene Erzeugnisse".

Es wurden auch Verfahren zur Herstellung von Keramikverbundstrukturen mit einer vorgewählten Form oder Geometrie entwickelt. Diese Verfahren beinhalten die Benutzung eines geformten Vorformlings aus durchlässigem Füllstoff, in den die Keramikmatrix durch Oxidation eines Ausgarigsmetallvorläufers hineinwächst, wie es in der US-Patentanmeldung Nr.861025, eingereicht am 8. Mai 1986, mit dem Titel „Geformte Keramikverbundstoffe und Verfahren für ihre Herstellung" beschrieben wird. Ein anderes Verfahren zur Herstellung derartiger geformter Keramikverbundstoffe beinhaltet die Verwendung von Barrierenmitteln, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes an einer gewählten Grenze abzubrechen oder zu hemmen, um die Form oder Geometrie der Keramikverbundstruktur zu definieren. Diese Methode wird in der US-Patentanmeldung Nr. 861025, eingereicht am 8. Mai 1986, mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung von geformten Keramikverbundstoffen bei Verwendung einer Barriere" beschrieben.

Die gesamten Darlegungen aller der vorangegangenen US-Patentanmeldungen sind hier ausdrücklich eingegliedert worden, indem auf sie Bezug genommen wird.

In den letzten Jahren hat ein wachsendes Interesse am Einsatz von Keramik für konstruktive Zwecke bestanden, für die historisch gesehen Metalle benutzt wurden. Die oben erwähnten US-Patentanmeldungen stellen einen wesentlichen Fortschritt auf diesem Gebiet dar, besonders was die kostengünstige Erzeugung von Keramik- und Keramikverbundmassen mit hoher Festigkeit und Bruchfähigkeit betrifft. Die Methoden nach den genannten US-Patentanmeldungen ermöglichen die Herstellung von Keramikverbundstrukturen, einschließlich geformten Keramikverbundstrukturen und großen Keramikstrukturen, durch Anwendung einer ungewöhnlichen Oxidationserscheinung, die es erlaubt, den Einsatz der Pulversinter- und Warmpreßtechniken und die ihnen innewohnenden Begrenzungen zu umgehen. So ist zum Beispiel die Notwendigkeit bei derartigen konventionellen Pulvertechnologien, die Pulvermassen zum Beispiel durch Kompaktierung oder Pressen zu

verdichten, mit der Herstellung von großen, aus einem Stück bestehenden Keramikstrukturen nicht vereinbar. Weiterhin bieten sich derartige Pulververarbeitungstechnologien nicht ohne weiteres von selbst für die Herstellung von Keramikverbundstrukturen an. Keramikverbundstrukturen umfassen ein heterogenes Material, eine Masse oder ein Erzeugnis, das aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien hergestellt ist, die i/inig miteinander kombiniert worden sind, um die gewünschten Eigenschaften des Verbundstoffes zu erzielen. Im Norrnfall umfaßt sie eine Keramikmatrix, in die ein oder mehrere unterschiedliche Füllstoffe eingebettet sind, wie zum Beispiel Teilchen, Stäbe, Fasern und ähnliches.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Umgehung der Pulversinter- und Warmpreßtechnik für die Herutellung von Keramikverbundstrukturen, in der Bereitstellung kostengünstiger Keramikmikrostrukturen mit hohe. Festigkeit und Bruchzähigkeit auch für Metallteile großer Dicke und Größe sowie in der Erhöhung der Zuverlässigkeit bei der Herstellung der Keramikverbundstrukturen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, danach hergestellte Metallstrukturen und Produkte zu entwickeln, die es gestatten, die Oxidationsreaktion von einem Ausgangsmetall mit einem Oxidationsmittel einzusetzen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Masse aus dem Ausgangsmetall und ein durchlässiger Füllstoff so zueinander orientiert werden, daß die Bildung des sich ergebenden Oxidationsreaktionsproduktes auf den Füllstoff zu und in diesen hinein erfolgt. Das Ausgangsmetall liefert eine erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall und einen Vorrat für geschmolzenes Ausgangsmetall, der durch Gravitationsströmung mit der ersten Quelle zusammenwirkt. Die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall reagiert mit dem Oxidationsmittel, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, und zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsproduktes wird in Kontakt mit der ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall und dem Oxidationsmittel gehalten und erstreckt sich zwischen den beider;, um fortlaufend geschmolzenes Ausgangsmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt zum Oxidationsmittel und in den Füllstoff zu ziehen, so daß sich das Oxidationsreaktionsprodukt weiterhin im Füllstoff an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und bereits gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet. Die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetali wird, vorzugsweise kontinuierlich, aus dem Vorrat nachgefüllt, wenn die Reaktion über einen Zeitraum hinweg andauert, der ausreicht, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, damit zumindest ein Teil des Füllstoffs mit dem Oxidationsreaktionsprodukt durchtränkt wird, um die Keramikverbundstruktur zu bilden.

Die Aufgabe wird weiter dadurch gelöst, daß die selbsttragende Metallstruktur mit Keramikoberfläche, ein Substrat, das aus einem Vorläufermetall besteht, einen Füllstoff, der auf das Substrat aufgebracht ist, und eine Keramikmatrix umfaßt, die sich zusammen mit dem Substrat gebildet hat und den Füllstoff einbettet und zwar durch Oxidationsreaktion des Vorläufermetalls mit einem Oxidationsmittel.

Im allgemeinen bietet die vorliegende Erfindung nicht nur wesentliche Verarbeitungsvorteile bei der Herstellung von selbsttragenden Keramikverbundstrukturen, sondern ermöglicht auch die Erzeugung von neuartigen Metallstrukturen mit Keramikoberfläche, wobei die Keramikoberfläche aus dem Ausgangsmetall gebildet wird. Das heißt, das Ausgangsmetall ist der Vorläufer für die Keramikmatrix, und weil sie als integraler Bestandteil mit dem Metall gebildet wird, umfaßt ein sich ergebendes Verbundprodukt eine Keramikoberfläche auf einem Metallsubstrat. Die Keramikoberfläche bettet einen Füllstoff ein, und die Keramikoberfläche kann entweder als eine Außen- oder als eine Innenfläche oder beides auf einem Substrat des Metalls gebildet werden, und die Keramikoberfläche kann bezüglich des jeweiligen Gesamtvolumens bezogen auf das Volumen des Metallsubstrats eine ausgewählte oder vorher festgelegte Dicke haben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, was das Nachfüllen von Ausgangsmetall betrifft, ermöglichen die Herstellung von dick- oder dünnwandigen Keramikstrukturen, bei denen das relative Volumen der Keramikmatrix, die die Keramikoberfläche bildet, wesentlich größer oder kleiner als das Volumen des Vorläufermetallsubstrats ist. Falls es beim Endprodukt gewünscht wird, kann das Ausgangsmetallsubstrat vollständig oder teilweise entfernt werden, oder es kann intakt gelassen werden.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch die Herstellung einer Reihe von Keramikverbundstrukturen aus einer gemeinsamen Ausgangsmetallquelle, wodurch die Effektivität des Vorgangs beträchtlich erhöht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Metallsubstratteil mit einer Keramikoberfläche geliefert, wo das besagte Substrat an der Keramikmatrix der Oberfläche haftet.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Metallsubstratteil mit Keramikoberfläche geliefert, bei dem sich an der Grenzfläche zwischen Keramikoberfläche und Metallsubstrat die Keramikoberfläche unter Druck und das Metallsubstrat unter Zug befindet.

Die Begriffe sind weiter unten so definiert, wie sie in dieser Spezifikation und den zugehörigen Ansprüchen verwendet werden: „Keramik" wird nicht im unangemessenerweise auf eine Keramikmasse im klassischen Sinn beschränkt, das heißt in dem Sinn, daß sie vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen besteht, sondern man muß sich (.'essen bewußt sein, daß der Begriff, wie er hier verwendet wird, sich auf eine Masse bezieht, die im Hinblick auf ihre Zusammensetzung oder ihre dominierenden Eigenschaften vorherrschend keramisch ist, obwohl die Masse kleine oder wesentliche Mengen eines oder mehrerer metallischer Bestandteile enthalten kann, die vom Ausgangsmetall, dem Oxidationsmittel oder einem Dotierungsmittel herrühren und normalerweise ungefähr 1-40 Vol.-% ausmachen, jedoch auch noch mehr Metall einschließen können

Unter dem „Oxidationsreaktionsprodukt" versteht man im allgemeinen ein Metall oder mehrere Metalle im oxidierten Zustand, wo ein Metall Elektronen an ein anderes Element, eine Verbindung oder Kombination davon abgegeben hat. Demzufolge beinhaltet ein „Oxidationsreaktionsprodukt" laut dieser Definition das Reaktionsprodukt von einem oder mehreren Metallen mit einem Oxidationsmittel, wie es zum Beispiel in dieser Anmeldung beschrieben wird.

Unter dem ,Oxidationsmittel" versteht man einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder Elektronenteiler, und es kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination davon (z. B. ein Feststoff und ein Gas) bei den Prozeßbedingungen sein. Eine derartige Definition soll Verbindungen einschließen, die unter den Bedingungen des Prozesses der vorliegenden Erfindung durch das Ausgangsmetall reduzierbar sind.

„Ausgangsmetair bezieht sich auf das Metall, z. B. Aluminium, das den Vorläufer für das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt darstellt und das das Metall als ein relativ reines Metall, ein im Handel zur Verfügung stehendes Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen oder eine Legierung beinhaltet, bei der der Metallvorläufer der Hauptbestandteil ist; und wenn ein spezifiziertes Metall als Ausgangsmetall erwähnt wird, z.B. Aluminium, so muß das identifizierte Metall unter dem Gesichtspunkt dieser Definition gesehen werden, solange durch den Zusammenhang nichts anderes angezeigt wird.

Andere Vorteile und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: einen schematischen, zum Teil im Schnitt dargestellten Aufriß, der eine Anordnung zeigt, die aus dem Ausgangsmetallvorrat und der ersten Quelle für Ausgangsmetall besteht, die in die Massen aus reaktionsträchtigem Material und Füllstoff eingebrachtwurde,

Fig. 1 A: eine vergrößerte Ansicht, bei der ein Teil vom gestrichelt gezeichneten Bereich A von Fig. 1 weggebrochen wurde; Fig. 2: einen zum Teil im Schnitt dargestellten AufriS einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die mit Hilfe der

An inungvonFig. 1 in Übereinstimmung mitdervorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 3: einen schematischen, im Schnitt dargestellten Aufriß einer Anordnung, die einen Ausgangsmetallvorrat und einen Vorformling einschließt, der sich in einem Barrieremittel befindet und in ein Rückhaltebett eingebracht wurde, das sich

in einem feuerfesten Behälter befindet; Fig. 4: einen Aufriß, zum Teil weggebrochen, einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die mit Hilfe der Anordnung

von Fig. 3 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 5: i"ie Ansicht, die Fig. 3 entspricht, jedoch eine andere Anordnung eines Vorrats für geschmolzenes Ausgangsmetall in Kontakt mit einem Vorformling und in einem Rückhaltebett zeigt, das sich in einem feuerfesten Behälter befindet,

wodurch eine Anordnung erzielt wird, die sich für die praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung eignet; Fig. 6: eine Schnittdarstellung, die eine andere Anordnung zeigt, die einan Ausgangsmetallvorrat beinhaltet, der durch ein Rohr mit einem dickwandigen Vorformling verbunden ist und sich in einem Bett aus reaktionsträgem

Rückhaltematerial befindet, das in einem feuerfesten Behälter enthalten ist; Fig. 7: einen Aufriß einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die mit Hilfe der Anordnung von Fig. 6 in

Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 8: eine Schnittdarstellung, die eine andere Anordnung einer ersten Ausgangsmetallquelle für das Ausgangsmetall, das in Kontakt mit einem Vorformling gebracht wurde, und eines Ausgangsmetallvorrats zeigt, der durch

Gravitationsströmung mit der ersten Ausgangsmetallquelle zusammenwirkt; Fig. 9: eine Draufsicht der selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die mit Hilfe der Anordnung von Fig. 8 in

Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 10: einen im Schnitt dargestellten Aufriß einer noch anderen Anordnung, die einen Ausgangsmetallvorrat einschließt, der durch Gravitationsströmung mit einer Vielzahl von Vorformlingen verknüpft ist, wobei das Ausgangsmetall vom

ganz rechten Tei. der Fig. weggelassen wurde, um die Klarheit der Darstellung zu verbessern; Fig. 11: eine Draufsicht mi, Teilen, die von der Anordnung von Fig. 10 weggebrochen worden sind, wobei einige Teile

weggelassen wurden, um eine klarere Darstellung zu erzielen, und durch gestrichelte Umrisse gezeigt werden; Fig. 12: einen schematischen, zum Teil im Schnitt dargestellten Aufriß einer offenen Form fürdas Schlickergießen eines

hohlen Vorformlings zeigt, der den sich ergebenden Vorformling zeigt, der aus der Form herausgenommen worden ist; Fig. 13: einen teilweise im Schnitt dargestellten Aufriß einer selbsttragenden Keramikverbundst: ,ktur, die mit Hilfe der

Anordnung der Fig. 10 und 11 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 14: einen im Schnitt dargestellten Aufriß einer zweiteiligen Form für das Schlickergießen eines hohlen Vorformlings; Fig. 15: eine Draufsicht eines hohlen Vorformlings, der durch Schlickergießen mit der Form von Fig. 14 hergestellt wurde; Fig. 15 A: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von Fig. 15; Fig. 16: einen im Schnitt dargestellten Aufriß, der eine Anordnung einer ersten Ausgangsmetallquelle, die in den hohlen Vorformling von Fig. 15 A eingebettet ist, und einen Ausgangsmetallvorrat zeigt, der durch Gravitationsströmung mit der ersten Quelle zusammenwirkt, wobei die Anordnung in ein Rückhaltebett aus reaktionsträgem Material gebracht

wird, das sich in einem feuerfesten Behälter befindet; Fig. 17: eine Ansicht, die der von Fig. 15 A entspricht, jedoch eine mit Metall gefüllte, eelbsttragende Verbundstruktur mit Keramikoberfläche zeigt, die mit Hilfe der Anordnung von Fig. 16 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;

Fig. 18: einen im Schnitt dargestellten Aufriß, dereine andere Anordnung aus einem Ausgangsmetallvorrat, einem Vorformling mit einem Barrieremittel oarauf und einem Rohr für geschmolzenes Ausgangsmetall zeigt, wobei die

Anordnung in ein Rückhaltebett eingebracht worden ist und sich in einem feuerfesten Behälter befindet; Fig. 18 A: eine Schnittansicht des Vorformlings entlang der Linie A- A von Fig. 18; Fig. 19: eine perspektivische Darstellung einer selbsttragenden Keramikverbundstruktur, die mit Hilfe der Anordnung von

Fig. 16 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; Fig. 20: einen teilweise im Schnitt dargestellten Aufriß eines Vorformlings mit einer Mittelbohrung, die mit einem Barrieremittel ausgekleidet ist;

Fig. 20 A: eine Seitenansicht entlang der Linie A-A von Fig. 20; Fig. 21: einen im Schnitt dargestellten Aufriß, der eine Anordnung des Vorformlings von Fig. 20 zeigt, der in geschmolzenes

Ausgangsmetall getaucht worden ist, das sich in einem feuerfesten Behälter befindet; Fig. 21A: eine Draufsicht der Anordnung von Fig. 21; Fig. 22: eine perspektivische Darstellung einer selbsttragenden Metallstruktur mit Keramikoberfläche, die mit Hilfe der

Anordnung von Fig. 21 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist; Fig. 23: einen teilweise im Schnitt dargestellten Aufriß eines anderen Vorformlings, der bei der vorliegenden Erfindung

einsetzbcristund Fig. 24: oine Draufsicht des Vorformlings von Fig. 23.

Bei der praktischen Realisiarung der vorliegenden Erfindung wird ein Ausgangsmetallvorrat bezüglich der Füllstoffmasse so aufgestellt, daß das Metall, wenn es geschmolzen ist, fließen kann, um ein Nachfüllen zu bewirken, und in einigen Fällen, um den Teil, den Abschnitt oder die Quelle für Ausgangsmetall, das mit dem Füllstoff in Kontakt ist, anfänglich mit Metall zu beliefern und anschließend nachzufüllen. Wahlweise kann ein Barrieremittel angebracht werden, um zumindest eine Oberfläche der Füllstoffmasse zu definieren oder urn mit ihr übereinzustimmen, und die Anordnung wird in eine oxidierende Umgebung gebracht (oder wenn das Oxidationsmitte! im Vorformling enthalten ist, wird die Anordnung in eine reaktionsträge Umgebung gebracht) und auf einen Temperaturbereich erwärmt, der oberhalb des Schmelzpunktes des Ausgangsmetalls und unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes des Ausgangsmetalls liegt. Die Füllt toffmasse ist für die Entwicklung des Oxidationsreaktionsproduktes durchlässig, um eine Durchtränkung zu ermöglichen, und die Füllstoffmasse ist, wenn das Oxidationsmittel ein Dampfphasenoxidationsmittel, ζ. B. Luft, einschließt, für das Oxidationsmittel durchlässig. Das geschmolzene Metall reagiert bei Kontakt mit dem Oxidationsmittel und bildet ein Oxidationsreaktionsprodukt, das die Füllstoffmasse durchdringt, wodurch die Einbettung der Füllstoffbestandteile in der Keramikmatrix einsetzt, die aus dem polykristallinen Material besteht, das durch Oxidation des Ausgangsmetalls erhalten wird. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukt's wird in Kontakt mit dem geschmolzenen Ausgangsmetall und dem Oxidationsmittel gehalten und erstreckt sich zwischen beiden, so daß das geschmolzene Ausgangsmetall bei fortgesetztem Einwirken des Oxidationsmittels fortlaufend in das Oxidationsreaktionsprodukt hinein und durch dieses hindurch zum Oxidationsmittel gezogen wird. Das geschmolzene Ausgangsmetall berührt das Oxidationsmittel und bildet zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt, so daß ein fortlaufendes Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsproduktmaterials in der Füll, offmasse bewirkt wird. In einigen Fällen können metallische Bestandteile, die nichtoxidierte Bestandteile des Ausgangsmetalls oder reduzierte Bestandteile des Oxidationsmittels darstellen, und/oder Hohlräume fein verteilt im polykristallinen Material verbleiben. Im Normalfall besteht das Oxidationsreaktionsprodukt im wesentlichen aus Kristalliten, die • miteinander verbunden sind, vorzugsweise in drei Dimensionen, und die nichtoxidierten, metallischen Bestandteile können, wenn welche vorhanden sind, zumindest teilweise miteinander verbunden sein, oder sie können diskrete, unvernetzte „Inseln" metallischer Bestandteile umfassen.

Der Prozeß setzt sich fort, bis das polykristalline Matrixmaterial das Füllstoffmaterial in dem gewünschten Ausmaß durchdrungen und eingebettet hat, zum Beispiel bis zum wahlweise eingesetzten Barrieremittel, das zumindest eine Oberflächengrenze der Füllsto^masse definiert. Das Barrieremittel wird benutzt, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch bei de η sich ergebenden Keramikverbundstoff Nettoformen oder nahezu Nettoformen entstehen.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird das Ausgangsmetall so zugeteilt, daß eine erste Ausgangsmetallquelle erzielt wird, die die reagierende Quelle ist, wobei eine Masse dieser ersten Quelle mit dem Füllstoff in Kontakt ist, und die der Vorläufer für das Oxidationsreaktionsprodukt ist. Zusätzlich gibt es einen zweiten Ausgangmetallanteil, der die nichtreagierte Ausgangsmetallquelle darstellt und als Vorrat für die erste Quelle dient. Der Vorrat steht mit der ersten Quelle in Verbindung, und das Ausgangsmetall fließt durch die Schwerkraft vom Vorrat zur ersten Quelle, um die Ausgangsmetallquelle nachzufüllen, die eine Oxidationsreaktion erfahren hat, wodurch sichergestellt wird, daß reichlich Ausgangsmetall zur Verfugung steht, damit der Prozeß weitergeht, bis das polykristalline Material bis zu dem gewünschten Ausmaß gewachsen ist, z. B. bis zur Grenzoberfläche der Füllstoffeinbettung. In einigen Fällen schließt das Barrieremittel die Außenflächen der Füllstoffeinbettung ein oder umhüllt sie, so daß die Grenzoberfläche der Einbettur j u^d daher auch das Ausmaß des Wachstums an poly xristallinem Material durch das Barrieremittel definiert wird. In derartigen Fällen stimmt die Form der Keramikmasse im wesentlichen mit der der Innenfläche des Barrieremittels überein. Das Ausmaß der Bildung an polykristallinem Material kann auch durch andere Mittel, bei denen es sich nicht um Barrieren handelt, begrenzt werden, z. B. durch Zuführung von einem oder mehreren Dotierungsmitteln und/oder Oxidationsmitteln zu nur Teilen einer Füllstoffmasse, wo die Bildung von polykristallinem Material erwünscht ist. Allgemein gesagt, in der Füllstoffmasse wird eine Oxidationsreaktionskinetik aufrechterhalten, die für das Wachstum günstiger ist als die, die außerhalb der Füllstoffmasse aufrechterhalten wird.

Die Keramikverbundstruktur kann ein negatives Muster aufweisen, das die Konfiguration einer Ausgangsmetallquelle invers nachbildet, oder einen oder mehrere Hohlräume enthalten, z. B. kann sie einen Hohlkörper umfassen. Die Ausgangsmetallnachfüllmethode der vorliegenden Erfindung macht es möglich, daß das negative Muster oder der Hohlraum Ausgangsmetall enthält oder vollständig mit Ausgangsmetall gefüllt ist, das sich verfestigt, wenn man die Struktur nach der Verarbeitung abkühlen läßt. Das verfestigte Ausgangsmetall kann wahlweise aus dem negativen Muster oder dem Hohlraum, der es enthält, entfernt werden, wie es weiter unten beschrieben wird.

Wenn ein Forformling verwendet wird, d. h. eingeformte Füllmasse, die durch ein geeignetes Bindemittel verbunden ist und eine Grünfestigkeit aufweist, die für den Transport und die Verarbeitung ausreicht, stimmt die Form der Keramikverbundmasse im wesentlichen mit der Form des Vorformlings überein, wenn Schritte unternommen werden, wie sie weiter unten beschrieben werden, indem man entweder ein Barrieremittel benutzt oder'die Oxidationsreaktionskinetik im Vorformling aufrechterhält, die günstiger als die außerhalb des Vorformlings ist.

Obv/ohl die Erfindung weiter unten speziell in bezug auf Aluminium als bevorzugtes Ausgangsmetall im Detail beschrieben wirr¹, gehören zu anderen geeigneten Ausgangsmetallen, die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, jedoch nicht ciar, begrenzt sind, Silizium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium. Spezielle Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung beinhalte.".; η Beispiel, wenn Aluminium das Ausgangsmetall ist, Alpha-Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumborid als Oxidationsreaktionsprodukt, wenn Titan das Ausgangsmetall ist. Titannitrid oder Titanborid als Oxidationsreaktionsprodukt, und wenn Silizium das Ausgangsmetall ist, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumborid als Oxidationsreaktionsprodukt. Zusammen mit dem Ausgangsmetall kann ein oder können mehrere Dotierungsmittel benutzt werden. Der Einsatz eines Dotierungsmittels oder von Dotierungsmitteln zusammen mit einem Au&gangsmetall, wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet und beinhaltet die folgenden Schritte: 1. Legieren eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittel in ein Ausgangsmetall, 2. Aufbringen eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittol äußerlich auf mindestens einen Teil der Oberfläche einer Ausgangsmetallmasse, 3. Unterbringen eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittel in der Nähe einer Ausgangsmetallmasse, zum Beispiel Einbringen eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittel in eine rüllstoffmasse, in die das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt des Ausgangsmetalls hineinwächst oder in der es gebildet wird, und 4. eine Kombination einer beliebigen Anzahl der vorherigen Schritte. Es kann ein festes, flüssiges oder Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination derartiger Oxidationsmittel eingesetzt werden. Typische Oxidationsmittel beinhalten zum Beispiel ohne Einschränkung Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und Verbindungen und Kombinationen davon, zum Beispiel Siliziumoxid (als Sauerstoffquelle), Methan, Äthan, Propan, Azetylen, Äthylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen), und Gemische, wie zum Beispiel Luft, H₂/H₂O und CO/CO₂, wobei die letzteren beiden (d.h. H₂/H₂O und CO/CO₂) bei der Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung von Nutzen sind. Demzufolge kann die Keramikstruktur der Erfindung zum Beispiel ein Oxidationsreaktionsprodukt umfassen, das eines oder mehrere Oxide, Nitride, Karbide und Boride einschließt. Genauer gesagt, das Oxidationsreaktionsprodukt kann ein Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titanborid, Zirkoniumborid, Zirkoniumkarbid, Siliziumnitrid, Titankarbid, Hafniumkarbid, Hafniumborid oder Zinnoxid oder mehreres davon sein.

Obwohl beliebige geeignete Oxidationsmittel verwendet werden können, werden weiter unten spezielle Reaüsierungsmöglichkeiten der Erfindung unter Bezugnahme auf den Einsatz von Dampfphasenoxidationsmitteln beschrieben. Wenn ein Gas- oder Dampfoxidationsmittel benutzt wird, ist die Füllstoffmasse für das Dampfphasenoxidationsmittel durchlässig, so daß es den Füllstoff durchdringen kann, um geschmolzenes Ausgangsmetall zu berühren, das durch das sich bildende Oxidationsreaktionsprodukt transportiert wird. Sauerstoff oder Gasgemische, die Sauerstoff enthalten (einschließlich Luft) sind bevorzugte Dampfphasenoxidationsmittel, wie in dem Fäll, wo Aluminium das Ausgangsmetall ist, wo Luft aus offensichtlich ökonomischen Gründen normalerweise am meisten bevorzugt wird. Wenn ein Oxidationsmittel als eines identifiziert worden ist, das ein spezielles Gas oder einen speziellen Dampf enthält, so bedeutet dies, es ist ein Oxidationsmittel, bei dem das identifizierte Gas oder der identifizierte Dampf der einzige, dominierende oder zumindest ein wesentlicher Oxydator für das Ausgangsmetall unter den Bedingungen ist, die in der benutzten oxidierenden Umgebung erreicht werden. Obwohl zum Beispiel Stickstoff der Hauptbestandteil von Luft ist, ist der Sauerstoffgehalt der Luft der einzige Oxydator für das Ausgangsmetall, weil Sauerstoff ein wesentlich stärkeres Oxidationsmittel ist als Stickstoff. Luft fällt deshalb unter die Definition eines „sauerstoffhaltigen Gasoxidationsmittels" und nicht unter die Definition eines „stickstoffhaltigen Gasoxidationsmittels". Ein Beispiel für ein „stickstoffhaltiges Gasoxidationsmittel", wie es hier und in den Ansprüchun benutzt wird, ist „Formiergas", das normalerweise 96 Vol.-% Stickstoff und 4Vol.-% Wasserstoff enthält.

Wenn ein festes Oxidationsmittel eingesetzt wird, so ist es normalerweise in der gesamten Füllstoff masse oder in einem Teil des Füllstoffs, der an das Ausgangsme.all angrenzt, in Form von Teilchen fein verteilt, die dem Füllstoff beigemischt wurden, oder vielleicht in Form von Überzügen auf den Füllstoffteilchen. Es kann ein beliebiges festes, geeignetes Oxidationsmittel eingesetzt werden, einschließlich Elemente, wie zum Beispiel Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbare Verbindungen, wie zum Beispiel Siliziumdioxid oder bestimmte Boride mit einer niedrigeren thermodynamischen Stabilität als das Boridreaktionsprodukt des Ausgangsmetalls. Wenn am Beispiel Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminiumausgangsmetall benutzt w>d, ist das sich ergebende Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumborid. In einigen Fällen kann die Oxtdationsreaktion mit einem festen Oxidationsmittel solange fortdauern, daß das Oxidationsreaktionsprodukt im allgemeinen auf Grund des exothermen Charakters des Prozesses verschmilzt. Diese Erscheinung kann die mikrostrukturelle Homogenität der Keramikmasse verschlechtern. Diese rasche exotherme Reaktion läßt sich durcii das Einmischen von relativ trägen Füllstoffen, die ein niedriges Reaktionsvermögen aufweisen, in die Zusammensetzung vermeiden oder verlangsamen. Ein Beispiel für einen derartigen reaktionsträgen Füllstoff ist ein Stoff, der im wesentlichen mit dem geplanten Oxidationsreaktionsprodukt identisch ist.

Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel eingesetzt wird, wird die gesamte Füllstoffmasse oder ein Teil davon, der an das geschmolzene Metall angrenzt, mit dem Oxidationsmittel beschichtet oder in dem Oxidationsmittel eingeweicht, um den Füllstoff zu durchtränken. Unter einem flüssigen Oxidationsmittel versteht man eines, das unter den Oxidationsreaktionsbedingungen flüssig ist, und solch ein flüssiges Oxidationsmittel kann einen festen Vorläufer, wie beispielsweise ein Salz, haben, das bei den Oxidationsreaktionsbedingungen geschmolzen ist. Als Alternative dazu kann das flüssige Oxidationsmittel einen flüssigen Vorläufer haben, zum Beispiel eine Lösung eines Stoffes, die benutzt wird, um einen Teil des Füllstoffs oder den gesamten Füllstoff zu durchtränken, und dieser Stoff liegt bei Oxidationsreaktionsbedingungen in geschmolzener oder zersetzter Form vor, um ein geeignetes Oxidationsmittel zu bilden. Beispiele für flüssige Oxidationsmittel, wie sie hier definiert sind, beinhalten niedrigschmelzende Gläser.

Der bei der praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung eingesetzte Füllstoff kann ein Stoff oder mehrere Stoffe aus einer großen Vielzahl von Stoffen sein, die für diesen Zweck geeignet sind. Die Füllstoffmasse kann ein „anpaßbarer" Füllstoff sein, was, so wie es hier verwendet wird, he'ßt, daß der Füllstoff ein Stoff ist, der in einen Behälter gegeben werden kann oder in der ein geformtes Ausgangsmetall eingebettet werden oder von ihm umhüllt werden kann, und er wird sich der Konfiguration des Behälters oder des geformten Ausgangsmetalls anpassen. Die Benutzung eines anpaßbaren Füllstoffs erlaubt die Anwendung bekannter Methoden. Anpaßbare Füllstoffe können aus Teilchenmaterial bestehen, wie zum Beispiel feinen Körnern eines feuerfesten Metalloxide, Fasern, wie zum Beispiel kleingeschnitzelten Fasern, oder faserwoilenähnlichem Material, zum Beispiel so etwas wie Stahlwolle, oder einer Kombination aus zwei oder mehr derartigen physikalischen Konfigurationen, wie zum Beispiel einer Kombination aus feinen Körnern und Fasern. Es kann ein beliebiger anderer Füllstofftyp oder eine beliebige Kombination daraus verwendet werden. Es kann auch ein Vorformling, der in der gewünschten Konfiguration der Keramikverbundstruktur, die erzeugt werden soll, geformt ist als Füllstoffmasse eingesetzt werden. Das erste Quellenausgangsmetall, das heißt als ein Feststoff, der sich in Kontakt mit dem Füllstoff befindet, kann so geformt werden, daß es eine vorher festgelegte Form oder ein vorher festgelegtes Muster besitzt. Diese geformte Ausgangsmetallmasse wird in die Füllstoffmasse eingebettet oder in einen entsprechenden Kontakt mit ihr gebracht, um die Form oder das Muster der Ausgangsmetallmasse invers nachzubilden. Bei Bildung der Keramikverbundstruktur wird das Muster durch den Verbundstoff invers nachgebildet. Wenn eine derartige inverse Nachbildung nicht erwünscht oder nicht nötig ist, kann ein Vorformling verwendet werden, um zu einer Verbundstoffmasse mit einer vorher festgelegten Form zu gelangen, und die erste Quelle für Ausgangsmetall kann eine geeignete Form aufweisen, wie zum Beispiel Block. Barren, Stange, usw. Der Ausgangsmetallvorrat kann eine geeignete Form und Menge aufweisen und kann so aufgestellt werden, daß durch Gravitationsströmung eine Verbindung zur ersten Ausgangsmetallquelle besteht, so daß geschmolzenes Ausgangsrnetall durch die Schwerkraft aus dem Vorrat zum Bildungsort des Oxidationsreaktionsprodukts fließt.

Der Ausgangsmetallvorrat kann sich bequemer Weise in einem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial befinden, das die Oxidationsreaktion des geschmolzenen Ausgangsmetalls aufrechterhält oder begünstigt. Geschmolzenes Ausgangsmetall wird einer ersten Ausgangsmetallquelle durch eine Öffnung im Boden des Behälters zugeführt. Als Alternative dazu kann sich der Ausgangsmetallvorrat in einem geeigneten feuerfesten Behälter befinden.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Anordnung 10, die eine Vorratskammer 12 und einen Barrieremittelbehälter 14 hat, der sich darunter befindet und durch eine Öffnung (ohne Nummerierung) im Boden 28 der Vorratskammer 12 mit ihr verbunden ist. Der Barrieremittelbehälter 14 hat im wesentlichen eine zylindrische Konfiguration, und er hat eine Innenfläche, die durch ein Sieb 16 definiert wird (Fig.' und 1 A), das sich darin befindet und durch einen gelochten Zylinder 18 verstärkt wird, der als starres Außenteil dient, das das zylindrische Sieb 16 verstärkt. Ein gelochtes Metallblech, wie zum Beispiel ein rostfreier Stahl, kann anstelle des Siebes verwendet werden. Der Zylinder 18 hat über seine Oberfläche hinweg ein Muster aus Lochungen 20 gebildet (Fig. 1 A) und ist starr genug, um während der Verarbeitung die Form einer Masse des anpaßbaren Füllstoffs beizubehalten, der durch die Keramikmaterialmatrix eingebettet werden soll, die aus dem Ausgangsmetall wächst. Das Sieb 16 kann ein feuerfestes Gewebe oder ein Metall sein, zum Beispiel ein Sieb aus rostfreiem Stahl. Auf jeden Fall ist es in der dargestellten Realisierungsmöglichkeit ein gewebtes, offenmaschiges Sieb, von dem viele der Öffnungen zu den Lochungen 20 des Zylinders 18 ausgerichtet worden sind, so daß der Barrieremittelbehälter Hoffen ist, damit die umgebende oxidierende Atmosphäre in ihn hineingelangen kann. Über die Außenfläche von Zylinder 18 ist in Abständen voneinander eine Vielzahl von Winkelbändern 22 aus rostfreiem Stahl angeordnet, die durch Klemmringd 32 an ihrem Platz gehalten werden, urn die Struktur zu verstärken.

Eine Grundplatte 24, bei der es sich entweder um eine massive oder eine durchlöcherte Konstruktion handelt, schließt den Boden des Barrierenmittelbehälters 14.

Dia Vorratskammer 12, die auch einen zylindrischen Aufbau und einen Durchmesser hat, eier größer als der Barrieremittelbehälter 14 ist, wird von den Vorratswänden 26 und einem Boden 28 umgeben, die aus ungelochtem Material gebaut sind. In der dargestellten Realisierungsmöglichkeit wird das Ausgangsmetail gleichmäßig zugeteilt, um zu einem Ausgangsmetallvorrat 34 zu gelangen, der sich in einem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 30 befindet, das in der Vorratskammer 12 enthalten ist, und um zu einer geformten, langgestreckten ersten Quelle 36 aus Ausgangsmetall zu gelangen, die sich in einer Masse aus anpaßbarGm Füllstoff 38 befindet, der den Barrieremittelbehälter 14 füllt. Der Ausgangsmetallvorrat 34 hat einen sich nach innen zu verjüngenden Abschnitt, von dem aus sich ein Kreiszylinderabschnitt nach unten erstreckt, der an der Verbindungsstelle von Vorratskammer 12 und Barieremittelbehälter 14 an die erste Quelle 36 anstößt. In der dargestellten Realisierungsmöglichkeit ist das langgestreckte, zylindrische Ausgangsmetall der Quelle 36 so geformt, daß es eine Reihe von drei im allgemainen scheibenförmigen Vorsprüngen 36a; 36b und 36c besitzt, die in Längsrichtung einen Abstand voneinander haben, und das Ausgangsmetall erstreckt sich als Ausgangsmetallkern in und in Kontakt mit der Masse aus anpaßbarem Füllstoff 38. Es kann ein Dotierungsmittel oder mehrere Dotierungsmittel in das Ausgangsmetall (einschließlich Ausgangsmetallvorrat 34) einlegiert und/oder äußerlich auf die ersie Quelle 36 oder Teile davon aufgebracht oder dem Füllstoff 38 zugegeben werden, zumindest in der Nähe der ersten Quelle 36, um die Oxidationsreaktion zu erleichtern.

Die Vorratskammer 12 ist mit einem Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 30 gefüllt, das d jrch das geschmolzene Ausgangsmetall nicht benetzbar ist, so daß Bildung und Wachstum von polykristallinem Material darauf ausgeschlossen oder stark behindert sind. Demzufolge steht eine Masse aus geschmolzenen Ausgangsmetall, die beim Schmelzen erhalten wurde, um den Ausgangsmetallvorrat 34 zu versorgen, für die Gravitationsströmung vom Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 30 zur ersten Quelle 36 zur Verfügung, um Ausgangsmetall nachzufüllen, das bei der Oxidationsreaktion verbraucht worden ist. Bei einem Aluminiumausgangsmetall kann das Material Teilchenform aufweisen. Wenn es notwendig oder erwünscht ist, kann die obere Öffnung der Vorratskammer 12 gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch eine Vorratsabdeckplatte abgeschlossen werden, und zwischen Vorratskammer 12 und Barrieremittelbehälter 14 kann in ähnlicher Weise, abgesehen von einer Öffnung, damit geschmolzenes Ausgangsmetall vom Ausgangsmetallvorrat 34 zu'ersten Quelle 36 fließen kann, eine Dichtungsplatte eingesetzt werden.

ϋςι anpaßbare Füllstoff 38 paßt sich im Barrieremittelbehälter 14 der Innenfläche des Barrieremittelbehälters 14 an, die durch das Sieb 16 definiert wird, wodurch die Innenkonfip'jration des Barrieremittelbehälters 14 die äußera Grenze für die Konfiguration der Masse von Füllstoff 38 als eine das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes abbrechende Grenze definiert. Diese Grenze definiert deshalb die äußere Konfiguration der Keramikverbundstruktur, die im Barrieremittßlbehälter 14 hergestellt werden soll. Weiterhin wird dadurch auch die Anpassung des Füllstoffs an die Form oder Geometrie der ersten Quelle 36 bewirkt, so daß die letztere einen geformten Hohlraum innerhalb der Masse des anpaßbaren Füllstoffs 38 definiert und füllt.

Die Füllstoff-Bett-Anordnung wird in einen Ofen gebracht, der ein geeignetes Dampfphasenoxii'ationsmittel enthält oder in den eines eingeleitet wird. Als Alternative dazu oder zusätzlich kann in der Masse des Füllstoffs 38 ein festes oder flüssiges Oxidationsmittel oder beides vorliegen. Wenn ein Dampfphasenoxidationsmittel eingesetzt wird, kann es zum Beispiel aus Atmosphärenluft bestehen, wobei geeignete Entlüftungsöffnungen im Ofen verwendet werden können, um eine Quelle für das Dampfphasenoxidationsmittel einfach dadurch zu bilden, daß dem Ofeninneren Luft beigemischt wird. Die komplette Anordnung 10 kann im Ofen durch eine geeignete Tragvorrichtung, nicht gezeigt, in einer aufrechten Stellung gehalten werden (wie es in Fig. 1 gezeigt wird). Das Dampfphasenoxidationsmittel dringt durch die Lochungen 20 von Zylinder 18 und die Öffnungen von Sieb 16 in die Masse aus anpaßbarem Füllstoff 38 ein und oxidiert das geschmolzene Ausgangsmetall. Das sich ergebende Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsproduktes schreitet voran, wie es oben beschrieben wird, wenn geschmolzenes Ausgangsmetall aus der ersten Quelle 36 durch das Oxidationsreaktionsprodukt gezogen wird, um an seiner Oberfläche oxidiert zu werden und zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden. Die Menge an geschmolzenem Ausgangsmetall wird durch die Strömung aus dem Aui gangsmetallvorrat 34 zur ersten Quelle 36 nachgefüllt. Wenn das wachsende polykristalline Material das Sieb 16 erreicht, wird das weitere Wachstum durch das das Wachstum abbrechende Barrieremittel gestoppt, das durch das Sieb 16, gestützt durch Zylinder 18, geliefert wird. Auf diese Weise ist das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes darauf beschränkt, sich im wesentlichen an das Barrieremittel anzupassen, das in der dargestellten Realisierungsmöglichkeit durch die Innenfläche von Sieb 16 des Barrieremittelbehälters 14 gebildet wird. Es wird als günstig eingeschätzt, daß das Innere des Barrieremittelbehälters 14 eine beliebige Form aus einer großen Anzahl von Formen haben kann, um eine gewünschte Oberflächengeometrie für die sich ergebende Keramikverbundmasse zu erzielen. Die Menge von Ausgangsmetallvorrat 34 des Ausgangsmetalls kann im Hinblick auf die erste Quelle 36 vorher festgelegt werden, um die erste Quelle 36 mit ausreichend Ausgangsmetall zu versorgen, damit die erste Quelle 36 mit Metall gefüllt bleibt, zumindest bis das gesamte Volumen von Füllstoff 38 mit dem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt durchtränkt ist oder in dieses eingebettet ist. Wenn dieser Punkt erreicht ist, wird die Ofentemperatur reduziert, und man läßt die Anordnung abkühlen, und die erste Quelle 36 für Ausgangsmetall verfestigt sich und gelangt zu einem intensiven Kontakt mit der Keramikmatrix. Die sich ergebende Keramikverbundstruktur umfaßt somit ein Metallsubstrat mit einer Keramikoberfläche, und das Keramiksubstrat ist in dieser Realisierungsmöglichkeit außen anordnet und umgibt teilweise das Metallsubstrat. Um eine leichte Demontage zu realisieren, kann der gelochte Zylinder 18, wenn es gewünscht wird, aus zwei Halbzylindern bestehen, die durch ein geeignetes Mittel, zum Beispiel durch Winkelbänder 22 aus Eisen und Klemmringe 32, an ihrem Platz gehalten werden, das entfernt werden kann, damit sich die beiden in Längsrichtung gespaltenen Hälften des gelochten Zylinders 18 abnehmen lassen. Sieb 16 kann nach de^r"., .unehmen des gelochten Zylinders 18 weggerollt oder weggeschnitten werden. Die Keramikverbundstruktur kann in Querrichtung am oberen Abschnitt (wie es in Fig. 1 dargestellt ist) oder in der Nähe des oberen Abschnitts des Barrieremittelbehälters 14 abgetrennt werden, um einen im wesentlichen zylindrisch geformten Keramikverbundstoff 40 zu erzielen, wie er in Fig. 2 gezeigt wird. Der Kernmikverbundstoff 40 hat eine Innenbohrung 42, die eine inverse Nachbildung der Form der ersten Quelle 36 des Ausgangsmetallteils ist, einschließlich einer Reihe von drei vergrößerten Kammern 42a; 42 b und 42c. Wiederverfestigtös Ausgangsmetall in der Innenbohrung 42 kann, wenn es gewünscht wird, auf eine geeignete'/.'eise entfernt werden. Die Innonbohrung 42 kann zum Beispiel ausgebohrt werden und das verbleibende Metall, meist in der. Kammern 42a-42c, kann durch chemische Auflösung, zum Beispiel durch Salzsäure bei Aluminiumausgangsmetall, herausgelöst werden. Salzsäure löst das Metall auf, hat jedoch keine störenden Auswirkungen auf den Keramikverbundstoff. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den gesamten Ausgangsmetallkern oder einen Teil an seinem Platz zu lassen, um ein Fertigprodukt zu erzeugen, das einen Ausgangsmetallkern oder ein Ausgangsmetallsubstrat hat oder um einen Teil des Kerns oder den gesamten Kern durch ein anderes Material, wie zum Beispiel ein anderes Metall oder eine Legierung oder irgendein anderes Material, wie beispielsweise synthetisches organisches Polymermaterial (Plast*., zu ersetzen. Die Außenfläche des Keramikverbundstoffs 40 kann eine rauhe Oberfläche haben, die das Webmuster des Siebes nachbildet, und es kann deshalb wünschenswert sein, die Außenfläche spanend zu bearbeiten, um sie zu glätten, obwohl in einigen Fällen die rauhe Textur des Siebes 16 (oder ein anderes gewähltes Muster) erwünscht sein kann. Für einige Konfigurationen von Barrieremittelbehälter 14 kann es notwendig oder wünschenswert sein, durch Winkelverbindungsstücke einen oder mehrere zusätzliche Metallvorräte für die Zuführung von geschmolzenem Nachfüllmetall an mehreren Stellen en'lang der ersten Quelle 36 zu bilden.

In Fig. 3 wird eine Anordnung aus einem Vorformling 44, an dessen Oberseite ein Ausgangsmetallvorrac 46 anstößt, gezeigt. Die Außenflächen von Ausgangsmetallvorrat 46 und Vorformling 44 befinden sich in einem Barrieremittel, das aus einer Gipsschicht 48 besteht, die durch Einbauen eines verbrennbaren Materials in Gipsschicht 48 luftdurchlässig gemacht wird. Das Barrieremittel umhüllt und definiert somit eine Grenze von zumindest einjr Oberfläche von Vorformling 44. In der dargestellten Realisierungsmöglichkeit ist die vom Barrieremittel eingehüllte Oberfläche die gesamte Oberfläche von Vorformling 44 mit Ausnahme des Teils, den der A'jsgangsmetallvorrat 46 berührt. Somit bezieht sich zumindest die eine Oberfläche oder zumindest eine Oberflächengrenze einer Füllstoffmasse, die durch das Barrieremittel definiert wird, wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, auf den Teil der Masse, die vom Barrieremittel bedeckt ist oder intensiven Kontakt zu diesem hat. Der mit Gips umhüllte Ausgangsmetallvorrat 46 und Voi formling 44 werden von einem Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 50 getragen, das sich in einem feuerfesten Behälter 52, zum Beispiel einem feuerfesten Behälter 52, aus Aluminiumoxyd befindet. Vorformling 44 hat die Form eines Verbrer.nungsmotorkolbens und beinhaltet ein Kopfteil 44a, eine ringförmige Auskehlung 44b und einen hohlen Abschnitt 44c, in den ein Paar aus sich radial gegenüberliegenden Verbindui gsöffnungen 44d und 44 e gebildet werden.

Eine erste Quelle 54 aus Ausgangsmetall befindet sich im hohlen Abschnitt 44c und berührt dessen Innenflächen. Die Gipsschicht 48, die den Vorformling 44 umgibt, bildet eine das Wachstum abbrechende Barriere, die sich an die Außenfläche von

-11- 279 4S7

Vorformling 44 anpaßt und die hilft, dab eine glatte Oberfläche für die Keramikverbundmesse sichergestellt wird, indem sie das Wachstum des polykristallinen Materials außerhalb des Vorformlings verhindert. Die Gipssr'iicht 48, die den Ausgangsmetallvorrat 46 umgibt, erleichtert die Anordnung und bildat einen Behälter für das geschmolzene Ausgangsmetall, das beim Erwärmen der Anordnung gebildet wird. Das Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmat6rial 50, das durch das geschmolzene Ausgangsmetall nicht benetzbar ist, würde den Vorrat an geschmolzenem Ausgangsmetall in zufriedenstellender Weise an seinem Platz halten; selbst dann, wenn er nicht von Gips umgeben wäre. Das Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 50 ist auch für das Dampfphasenoxidationsmittel, zum Beispiel Luft, durchlässig. Beim Erwärmen auf eine geeignete Prozeßtemperatur, wie es oben beschrieben wird, oxidiert das Dampfpriasenoxidationsmittel, zum Beispiel Luft, das geschmolzene Ausgangsmetall, wenn es zu don Oberflächen des Oxidationsreaktionsproduktes transportiert wird, um ein polykristallines Matrixmaterial zu bilden, wie es oben beschrieben wird. Wenn geschmolzenes Ausgangsrnetall aus der ersten Quoile 54 verbraucht wird, füllt geschmolzenes Ausgangsmetall aus dem Metallvorrat 46 die Quelle 54 nach, und die Reaktion geht weiter, bis die polykristalline Keramikmatrix bis zum Barrieremittel wächst, das durch die Gipsschicht 48 um den Vorformling 44 herum gebildet wird. An dieser Stelle wird die Reaktion abgebrochen, zum Beispiel durch Vermindern der Ofentemperatur, und die Anordnung kann aus dem Rückhaltebett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 50 herausgenommen werden, und die Gipsschicht kann durch Sandstrahlen entfernt werden. Geschmolzenes Ausgangsmetall kann aus dem hohlen Abschnitt 44c herausgegossen werden, und als Rückstand vorliegendes, ti. h. nicht reagiertes, Ausgangsmetall, das sich darin verfestigt hat, kann mit Hilfe von mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt werden, wie es oben beschrieben wird. Fig.4 zeigt die Keramikverbundstruktur, die aus der Anordnung von Fig.3 erha'len wird. Ein Keramikverbundkolban 44' besteht aus dem Vorformling 44, der mit einer Kerdmikmatrix durchtränkt ist, die aus dem Oxidationsprodukt und aus metallischen Bestandteilen, wie zum Beispiel nicht oxidierten Bestandteilen des Ausgangsmetalls oder reduzierten Bestandteilen des Dotierungsmittels, Füllstoffes oder Oxidationsmittels (wenn das Oxidationsmittel eine reduzierbare Verbindung t^nes Metalls ist), besteht. Weil das Wachstum der Keramikmatrix an der Grenze abgebrochen wird, ist der sich argeoende Keramikverbundkolben 44' exakt so geformt, daß er ein Kopfteil 44a', eine ringförmige Auskehlung 44 b', einen hohlen Abschnitt 44c' und ein Paar von sich radial gegenüberliegenden Gelenkstiftöffnungen 44d' und 44c' hat. Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung, bei der ein Füllstoffvorformling 56 die Form eines 45°-Schenk6lrohrverbindungsstückes mit den Flanschen 56a und 56b an seinen entsprechenden gegenüberliegenden Enden hat. Ein feuerfester Vorratsbehälter 58 hat ein Loch 60 in seinem Boden und ist gegenüber der Senkrechten geneigt, um ihn so aufzustellen, daß er bündig mit dem Flansch 56a von Füllstoffvorformling 56 zusammenstößt. Flansch B6a wird durch einen Stopfen 62 aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Gips, verschlossen. Die Anordnung befindet sich in einem Bett aus reaktionsträgem Teilcherhnaterial 64, das sich seinerseits in einem feuerfesten Behälter 66 befindet. Fig. 5 zeigt den geschmolzenen Ausgangsmetallvorrat 68, der sich in dem feuerfesten Vorratsbehälter 58 befindet und in den Füllstoffvorformling 56 fließt, um die geschmolzene erste Quelle 70 für Ausgangsmetall, die sich darin befindet, nachzufüllen.

Sowohl in der Realisierungsmöglichkeit von Fig.3 als auch in der von Fig. 5 könnte festes Ausgangsmetall als erste Quelle (54 in Fig. 3 und 70 in Fig. 5) eingebracht und somit an Ort und Stelle geschmolzen · verden, um die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall zu bilden. Als Alternative dazu braucht anfänglich nur der Ausgangsmetallvorrat (46 in Fig. 3 und 68 in Fig. 5) vorhanden sein, und beim Schmelzen fließt geschmolzenes Ausgangsmetall zum Vorformling (44 in der Realisierungsmöglichkeit von Fig.3 und 66 in der Realisierungsmöglichkeit von Fig. 5), um die erste Quelle für Ausgangsmetall in Kontakt mit dem Füllstoff zu bilden. Die erste Ausgangsmetallquelle kann somit sowohl anfangs durch Strömung aus dem Ausgangsmetallvorrat versorgt als auch später dann auf diese Weise nachgefüllt werden.

Die Einrichtung eines Ausgangsmetallvorrats zum Nachfüllen der ersten Quelle für Ausgangsmetall, die sich im Im eren des hohlen Abschnitts 44c befindet, hilft, ein effektives und gleichmäßiges Wachstum der Keramikmamx in den Vorformling 44 dadurch sicherzustellen, daß immer eine Menge an Ausgangsmetall vorliegt, die ien hohlen Innenraum von Abschnitt 44c vollständig ausfüllt. Dadurch wird die Möglichkeit beseitigt, daß Abschnitte des Vorformlings 44 nicht mit der Keramikmatrix gefüllt sind, weil das Aufbrauchen des Pegels an geschmolzenem Ausgangsmetall im hohlen Abschnitt 44c, wenn das Metall verbraucht wird, einen Mangel bei der Versorgung von Vorformling 44 (wie es in Fig.3 dargestellt ist) mit geschmolzenem Ausgangsmetall bewirkt.

Bei der Realisierungsmöglichkeit von Fig. 5 kann die erste Quelle 70 für Ausgangsmetall dadurch entstehen, daß entweder eine feste Masse von geschmolzenem Metall vor dem Erwärmen in den Füllstoffvorformling 56 gebracht wird oder daß geschmolzenes Ausgangsmetall ai's dem Vorratsbehälter 58 fließt, um das Innere von Füllstoffvorformling 56 zu füllen. Es hat den Anschein, als ob die dargestellte relative Dicke der Wände des Füllstoffvorformlings 56 verglichen mit seinem hohlen Inneren so ist, daß sich mehr als genug geschmolzenes Metall darin befindet, um die Gesamtheit des Füllstoffvorformlings mit der Keramikmatrix zu füllen, wenn die Oxidationsreaktions durchgeführt wird. Der Vorzug der Erzeugt ,g eines Vorrats an geschmolzenem Metall besteht in diesem Fall darin, wie es oben im Hinblick auf die Realisierungsmoglichkeit von Fig.3 festgestellt wird, daß die Menge an geschmolzenem Ausgangsmetali hoch genug bleibt, um das Innere des Füllstoffvcrformlings 56 bis oben gefüllt zu halten, wodurch ei'i homogenes Wachstum des polykristallinen Matrixmateri-?ls im Füllstoffvorformling 56 ohne Unstetigkeiten in der Keramikmatrix sichergestellt wird.

In der Realisierungsmöglichkeit von Fig. 5 ist der Füllstoffvorformling 56 in ein Bett aus reüktionsträgem Teilchenmaterial 64 gepackt, in das hinein ein beträchtliches Wachstum der Keramikmatrix nicht erfolgt, und scmit wachs·, die Keramikmatiix iuf die Grenze zu, die durch die Außenflächen von Füllstoffvorformling 56 definiert wird. Der Gipsstopfen 62 dient dazu, das reaktionsträge Teilcheninaterial 64 aus dem Inneren von Füllstoffvorformling 56 herauszuhalten. Wenn es notwendig ttier wünschenswert ist, kann Gips oder ein anderes ähnliches Material wie ein? Dichtung auf dem Boden des feuerfeste ι Vorratsbehälters 58 und auf Flansch 56a von Füllstoffvorformling 56 aufgebracht werde.i. Das gesamte Äußere des Füllstoffvorformlings 06 kann wahlweise mit einer Schicht aus luftdurchlässigem Gips umgeben werden, die von der fertigun Keramikverbundmasse entfernt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird jeUt eine andere Anordnung gezeigt, bei der ein im allgemeinen die Form eines Kreiszylinders habender Vorformling 72 einen unteren Abschnitt 74 und einsn schmaleren Halsabschnitt ⁷6 besitzt, der in einem Endabschnitt 78 endet. Eine Hohlbohrung 80 erstreckt sich durch den Vorformling 72 konzentrisch u'n seine Längsachse. Das

En.de von der Hohlbohrung 80, das zur Oberfläche des Endabschnitts 78 hin offen ist, wird durch einen Stopfen 82 aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Gips, verschlossen. Das gegenüberliegende Ende von der Hohlbohrung 80, das am Ende des unteren Abschnitts 74 offen ist, ist so gelegen, daß es din;*« Strömung mit einem Rohr 84 zusammenwirkt, das aus einem geeigneten Material besteht, bei dem es sich ebenfalls um ^T--" handeln kann. Das Rohr 84 ist somit ein kurzes Stück Gipsrohr oder -rohrleitung, dessen eines Endes an das Ende des unteren Abschnitts 74 stößt und dessen gegenüberliegendes Ende an den Ausgangsmetallvorrat 86 stößt. Rohr 84 und Ausgangsmetallvorrat 86 sind im allgemeinen koaxial ausgerichtet. Vorformling 72 hat eine derartige Lage, daß seine Längsachse L einen Winkel a mit der Horizontalen definiert, der durch die Gerade H-H angegeben wird. Dadurch, daß der Vorformling 72 so gelegt wird, daß sein Endabschnitt 78 leicht geneigt ist, beispielsweise in einem Winkel von 5 bis 10°, unterhalb der Horizontalen, wird der Fluß von geschmolzenem Ausgangsmetall aus dem Ausgängsmetallvorrat 86 durch das Rohr 84 und dann in die Hohlbohrung 80 erleichtert. Vorformling 72, Pohr 84 und Ausgangsmetallvorrat 86 befinden sich in einem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 88, das sich in einem feuerfesten Behälter 90 befindet. Bei der Durchführung des Prozesses schmilzt der Ausgangsmetallvorrat 86 und fließt durch das Rohr 84 in die Hohlbohrung 80 und füllt dadurch die Hohlbohrung 80 mit geschmolzenem Ausgangsmetall. Man kann somit davon ausgehen, daß die Öffnung, die in Rohr 84 vorgesehen ist, und die Hohlhohrung 80 als Eingußtrichter dienen, durch das geschmolzene Ausgangsmetall zum Vorformling 72 gebracht wird. Der Stopfen 82 hält das reaktionsträge Teilchenmaterial 88 aus der Hohlbohrung 80 fern. Ein Dampfphasenoxidationsmittel, wie beispielsweise Luft, durchdringt das Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 88 und Vorformling 72, um das geschmolzene Ausgangsmetall zu oxidieren. Wenn geschmolzenes Ausgangsmetall, das sich in der Hohlbohrung 80 befindet, verbraucht wird, wird das Ausgangsmetall mit geschmolzensm Metall nachgefüllt, das aus dem Ausgangsmetallvorrat 86 fließt, so daß die Hohlbohrung 80 während des Prozesses vollständig mit geschmolzenem Ausgangsmetall gefüllt bleibt.

Wie in Fig. 6 klar dargestellt ist, reicht die Menge an geschmolzenem Metall, die sich in der Hohlbohrung 80 befinden kann, ohne Nachfüllen des verbrauchten Metalls nicht aus, um den Vorformling 72 vollständig mit dem polykristallinen Material zu füllen, das durch Oxidationsreaktion des Ausgangsmetalls erhalten wird, das die Keramikmatrix bildet, die den Vorformling 72 durchdringt. (Dies steht im Gegensatz zur Anordnung von Fig. 5, wo die Menge an geschmolzenem Ausgangsmetall der ersten Quelle 70 im Füllstoffvorformling 56 eindeutig i.^ehr als genug ist, um die relativ dünnen Wände von Füllstoffvorformling 56 mit der Keramikmatrix zu füllen). In der Realisierungsmöglichkeit von Fig. 6 bildet der Ausgangsmetall 86 zusätzlich dazu, daß er für eine gleichmäßige Versorgung mit geschmolzenem Metall sorgt, ein Mittel, um eine ausreichende Menge an geschmolzenem Ausgangsmetall kontinuierlich über die Hohlbohrung 80 mit relativ kleinem Volumen zur Verfügung zu stellen, um den Vorformling 72 vollständig mit dem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt zu füllen. Die Nachfüllmethode der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit die Bildung des polykristallinen Materials aus einer Zone mit geringem Volumen einer ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall und aus : iner derartigen Zone heraus die Durchdringung eines viel größeren Füllstoffvolumens mit dem polykristallinen Matrixmaterial. Durch Fortsetzung des Nachfüllens von geschmolzenem Ausgangsmetall in der Zone kann ein Füllstoffvolumen mit gerade ungefähr einer gewünschten Größe mit polykristallinem Matrixmaterial durchtränkt werden, das aus dem Ausgangsmetall gebildet wird, das aus einer derartigen Zone der Oxidationsreaktion zugeführt wird.

Die Bildung der Keramikmatrix wird an der Grenze beendet, die durch die Außenfläche von Vorformling 72 definiert wird. Wie oben festgestellt wurde, kann der Vorformling 72, wenn es gewünscht wird, von eir.em geeigneten Barrieremittel umgeben werden. Der verfestigte Ausgangsmetallkern, der in der Hohlbohrung 80 zurückbleibt, kann an seinem Platz in der fertigen Struktur gelassen werden, oder er kann vollständig oder teilweise entfernt oder durch ein anderes geeignetes Material ersetzt werden, wenn es erforderlich ist. Die fertige Keramikverbundstruktur wird in Fig.7 in der Fort, jezeigt, daß sie aus einer Keramikverbundmasse 72' besteht, die einen unteren Abschnitt 74', einen Halsabschnitt 76' mit einer konkav m Aussparung und einen Endabschnitt 78' mit einer Bohrung 80', die sich in Längsrichtung c^!ljrch ihn hindurch erstreckt, umfaßt. Fig.8 zeigt eine andere Anordnung, bei der ein Vorformling 92 einen im allgemeinen scheibenförmigen Radabschnitt 94 besitzt, von dessen einer Seiie aus sich eine zentrale Hohlwelle 98 und ein konzentrischer kreisrunder Radkranz 96 erstreckt. Die Hohlwelle 98 hat eine Bohrung 100, die hindurchgeht und in einem nach außen ausgeweitetem Ende 100a endet, daß zu der Sti nseite des Radabschnittes 94 hin offen ist, die der gegenüberliegt, von der der Radkranz 96 und die Hohlwelle 98 ausgehen. DcS obere Ende (wie es in Fig.8 dargestellt ist) der Bohrung 100 ist durch einen Stoofen 102 aus geeignetem Material, wie zum Beispiel Gips, verschlossen. Unter Vorformling 92 (wie es in Fig. 8 dargestellt ist) und daran anstoßend befindet sich eine Ausgangsmetallmasse der Quelle 104.

Ein rechtwinkliges Schenkelrohr 106 stößt mit einem offenen Ende an die Ausgangsmetallmasse der Quelle 104 und mit dem gegenüberliegenden oberen (wie es in Fig.8 dargestellt ist) offenen Ende an einen Ausgangsmetallvorrat 108 an. Nur ein derartiger Ausgangsmetallvorrat 108 und das zugehörige Schenkelrohr 106 sind in Fig.8 dargestellt, es ist auch möglich, daß zwei oder mehr Ausgangsmetallvorräte und ihre zugehörigen Rohre in ähnlicher Weise am Umfang der ersten Quelle 104 des Ausgangsmetalls angeordnet sein können, die vorzugsweise scheibenförmig ist und im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Radabschnitt 94 von Vorformling 92 haben kann. Vorformling 92, die Ausgangsmetallmasse der Quelle 104 und der Ausgangsmetallvorrat 108 und das Schenkelrohr 106 befinden sich alle in einem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 110, das sich in einem feuerfesten Behälter 112 befindet.

Beim Erwärmen auf eine entsprechende Reaktionstemperatur, beispielsweise in einem Ofen in einer Luftatmosphäre, schmilzt das Ausgangsmetall und bildet eine erste Quelle 104 für Ausgangsmetall in Kontakt mit Vorformling 92, und das Ausgangsmetall von Ausgangsmetallvorrat 108 schmilzt und fließt durch Schenkelrohr 106 nach unten, wodurch ein Ausgangsmetallkopf gebildet wird, der das geschmolzene Ausgangsmetall nach oben durch Ende 100a und Bohrung 100 zur Oberseite (wie es in Fig.8 dargestellt ist) von Bohrung 100 drückt, wo es durch den Stopfen 102 zurückgehalten wird. Bei dieser Anordnung füllt der Ausgangsmetall vorrat 108 nicht nur die erste Quelle 104 nach, um eine ausreichende Ausgangsmetallmenge sicherzustellen, um den Vorformling 92 vollständig mit polykristallinem Matrixmaterial zu füllen, sondern er füllt auch die gesamte Länge von Bohrung 100 mit geschmolzenem Ausgungsmetall (solange der Pegel an geschmolzenem Metall im Ausgangsmetallvorrat mindestens so hoch wie die Oberseite von Bohrung 100 gehalten wird) und hält sie gefüllt. Dies hilft mit, ein gleichmäßiges Wachstum der Keramikmatrix im Vorformling 92 sicherzustellen. Wenn der Ausgangsmetallvorrat 108 und sein zugehöriges Schenkelrohr 106 weggelassen würden, könnten, selbst wenn das Ausgangsmetall der Quelle 104 groß genug gemacht würde, um für eine Menge zu sorgen, die ausreicht, um den Vorformling 92 mit der Keramikmatrix zu füllen, bei Fließen des

geschmolzenen Ausgangsmetalls cia hindurch Schwierigkeiten auftreten, besonders an der Drosselstelle, die an der Grundseite von Hohlwelle 98 vorgesehen ist, wo sie mit dem Radabschnitt 94 zusammentrifft. Obwohl das geschmolzene Ausgangsmetall eine gute Saugwirkung in dem durchlässigen Vorformling 92 ze'gt, wenn die Zufuhr von geschmolzenem Ausgangsmetall, die durch Quelle 104 bewirkt wird, erschöpft ist, wenn kein Ausgangsmetallvorrat 108 vorliegt, um ein Nachfüllen von geschmolzenem Ausgangsmetall unter einem statischen Druck zu bewirten, kann bei sehr großen Bauteilen die Saugwirkung deutlich unzureichend sein, um ein gleichmäßiges Wachstum sicherzustellen, insbesondere in der Hohlwelle 98, die vom Radabschnitt 94 ab liegt. Die Methode der vorliegenden Erfindung überwindet dieses Problem in dieser dargestellten Realisierungsmöglichkeit mit Erfolg durch Füllen von Bohrung 100 bis zu ihrem oberen Ende mit einer Menge von geschmolzenem Metall unter einem mehr oder weniger statischen Druck sowie durch Gefüllthalten der Quelle 104 mit geschmolzenem Metall in einer analogen Weise. Der Ausgangsmetallvorrat 108 selbst kann von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden, wann und wie es erforderlich ist.

Fig.9 zeigt die Keramikverbundmasse 92', die mit der Anordnung erzielt wird, die in Fig. 8 dargestellt wird und die eine zentrale Welle 98' hat, in der sich eine Bohrung 100' befindet, und die einen Radabschnitt 94' einschließt mit einem kreisrunden Radkranz 96', der sich von der gleichen Seite aus erstreckt wie die Welle 98'. Wie oben bei den anderen Realisierungsmöglichkeiten festgestellt wurde, kann geschmolzenes Metall, das sich wiederverfestigt hat und in Bohrung 100 und Ende 100a befindet, aus dem fertigen Keramikverbunderzeugnis entfernt werden.

Als Alternative dazu kann die gesamte Bohrung 100 und Ende 100a oder ein Teil davon mit Ausgangsmetall gefüllt bleiben, das sich wieder/erfestigt hat, oder es kann teilweise oder vollständig mit einem anderen geeigneten Material gefüllt werden. Auf jeden Fall kann das Material, das Bohrung 100 und Ende 100a füllt, aufgebohrt werden, um eine hindurchgehende Bohrung mit einem kleineren Durchmesser zu erzeugen.

Fig. 10 zeigt im Schnitt den Aufriß einer Anordnung, die einen feuerfesten Vorratsbehälter 114 einschließt, der einen Ausgangsmetallvorrat 116 enthält, wie er im wesentlichen mit geschmolzenem Ausgangsmetall gefüllt ist. Im Boden des Vorratsbehälters 114 wird ein Loch 118 gebildet, durch das geschmolzenes Ausgangsmetall durch die Schwerkraft in eine flache zentrale Mulde 120 fließt, die in einer Unterseite oder Boden 122 des Rückhaltevorrichtungsmawrials gebildet worden ist. Das Rückhaltevorrichtungsmaterial kann aus einem geeigneten Material gebildet werden, wie zum Bbispiel Gips, das sich in einem feuerfesten Schiffchen 124 befindet. Zum Beispiel kann ein feuerfestes Schiffchen 124 teilweise gefüllt sein, z. B. bis ungefähr zur halben Tiefe, wie es in Fig. 11 zu sehen ist, mit fließbarem Gips, den man erstarren und hart werden läßt. Eine flache zentrale Mulde 120 wird dann aus dem gehärteten Gips herausgeschnitten oder mit Hilfe einer geeigneten Form, die in den vorerstarrten Gips gebracht wird, darin geformt.

Eine Vielzahl von identischen durchlässigen Vorformlingen 126 hat im allgemeinen die Konfiguration eines Bechers oder einer Trommel und ist mit den offenen Seiten nach unten gespreizt und entlang der Mulde 120 Seite an Seite ausgerichtet angeordnet. Die Abstände zwischen benachbarten Exemplaren von hohlen Vorformling 126 über Mulde 120 werden durch Stopfen 128 aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Gips, geschlossen. Anfangs kann sich ein Ausgangsmetall als erste Quelle in dem hohlen Abschnitt jedes Vorformlings 126 befinden, und ein Ausgangsmetallvorrat befindet sich im Vorratsbehälter 114. Als Alternative dazu kann es günstiger sein, geschmolzenes Metall in den Vorratsbehälter 114 zu gießen (oder ein festes Ausgangsmetall in den Vorratsbehälter 114 zu geben und die Anordnung zu erwärmen, um das Ausgangsmetall zu schmelzen) und das Ausgangsmetall von Vorratsbehälter 114 durch Mulde 120 in jeden der Vorformlinge 126 fließen zu lassen. Auf jeden Fall erfolgt das Nachfüllen mit geschmolzenem Ausgangsmetall durch Gravitationsströmung aus dam Vorratsbehälter 114 durch das Loch 118 in dessen Boden (wie es in Fig. 10 dargestellt ist), und dann in Mulde 120 und in das hohle Innere der Vorformlinge 126. Der linke Teil von Fig. 10 zeigt das geschmolzene Ausgangsmetall im Vorratsbehälter 114, der Mulde 120 und das Füllen des Innenraums der Vorformlinge 126. Der rechte Teil von Fig. 10, rechts von der senkrecht angeordneten unregelmäßigen Teilungslinib, die durch die Mitte- einen der Vorformlinge 126 läuft, ist das geschmolzene Ausgangsmetall weggelassen worden, um die Lage der hohlen Vorformlinge 126 über und entlang Mulde 120 klarer zu zeigen. In analoger Weise läßt der rechte Abschnitt von Fig. 11 einen Teil des mittleren Vorformlings und die beiden rechts davon sowie ihre zugehörigen Stopfen 128 weg, um die Konfiguration von Mulde 120 bezüglich der Vorformlinge besser zeigen zu können. Die weggelassenen Dinge werden gestrichelt in Fig. 11 gezeigt, wo auch ein Teil von Vorratsbehälter 114 weggelassen worden ist. Der statische Druck des geschmolzenen Ausgangsmetalls im Vorratsbehälter 114 sorgt dafür, daß jeder der Vorformlinge mit geschmolzenem Ausgangsinetaü gefüllt gehalten wird, um das Ausgangsmetall nachzufüllen, wenn es im Prozeß verbraucht wird, um die polykristalline Keramikmatrix zu bilden, die den Füllstoff einbettet, wie es oben unter Bezugnahme auf andere Realisierungsmöglichkeiten beschrieben worden ist. Wenn die Reaktion bis zu dem Grad abgeschlossen ist, daß all die Vorformlinge vollständig mit der Keramikmatrix durchtränkt sind, wird die Anordnung aus dem Ofen herausgenommen, und das überschüssige geschmolzene Metall kann von den Keramikverbundmassen abgegossen werden. Der Vorratsbehälter 114 kann selbst mit Ausgangsmetall von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden, wenn es notwendig ist. Vorzugsweise hat der Vorratsbehälter jedoch eine ausreichende Menge an Ausgangsmetall, um den Prozeß ohne Zwischenzugaben an Ausgangsmetall zu beenden.

Die hohlen Vorformlinge, die in der Anordnung der Fig. 10 und 11 benutzt werden, können mit Hilfe eines beliebigen geeigneten Mittels hergestellt werden. Ein bequemes Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen mit dieser Form ist das Schlickergießen, das mit Hilfe einer offenen Form 130 der Art durchgeführt werden kann, die in Fig. 12 im Schnitt dargestellt ist. Die Form 130 ist so geformt, daß sie eine becherartige Vertiefung 132 hat, die in ihr gebildet wurde, und die Form 130 kann aus einem geeigneten Material hergestellt werden, sie kann zum Beispiel aus Gips gegossen werden. Ein geeignetes Schlickergemisch, dec einen aus feinen Teilchen bestehenden Füllstoff enthält, wird in die Vertiefung 132 gegossen, um sie auszufüllen, und man läßt den Schlicker für einen Zeitraum in der Form ruhen. Ein Teil der Schlickerträgerflüssigkeit, im Normalfall Wasser, wird in der porösen Gipsform absorbiert, und nach einem geeigneten Zeitraum wird die überschüssige Flüssigkeit herausgegossen, wodurch eine dicke Schicht Füllstoff zurückbleibt, die an der Innenseite der becherartigen Vertiefung 132 haftet. Die Schicht kann getrocknet und gebrannt werden, damit sie eine ausreichende mechanische Festigkeit (Grünfestigkeit") erhält, damit der hohle Vorformling 126 aus der Form 130 herausgezogen werden kann, wie es durch den nicht nummerierten Pfeil in Fig. 12 angezeigt wird. Die becherartige Vertiefung 132 kann zweimal oder noch öfter mit dem Schlickergußgemisch erneut gefüllt werden, nachdem der überschüssige Schlicker vorsichtig abgegossen worden ist, um das Ansammeln einer erforderlichen Dicke des Füllstoffs in der Form zu erzielen.

Fig. 13 zeigt eine typische Keramikverbundmasse 126', die durch Benutzung der Anordnung von Fig. 10 und 11 erhalten wurde. Die Keramikverbundmasse 126' umfaßt eine Keramikmatrix, die den hohlen Vorformling 126 durchdringt. Überschüssiges Ausgangsmaterial, das in der Keramikverbundmasse 126' verbleiben kann, kann durch mechanische oder chemische Mittel entfernt werden, um eine hohle, becherartige Keramikverbundmasse zu erzeugen.

Die Keramikverbundmassen 126' können natürlich te' eise oder vollständig mit wiedererstarrtem geschmolzenen Metall oder einem anderen Material gefüllt bleiben.

Fig. 14 zeigt eine zweiteilige Form, die benutzbar ist, um \Ίτν» Hilfe der gleichen Schlickergußmethode, wie sie im Hinblick auf Fig. 12 beschrieben worden ist) einen hohlen Vorformling ι,. Form eines Pumpenrades zu bilden, wie es in den Fig. 15 und 15A dargestellt worden ist. Bezüglich Fig. 14 hat die zweiteilige R:rm 134 einen oberen Abschnitt 136 und einen unteren Abschnitt 138, von denen jeder so aufgebaut ist, daß sie, wenn der obere Abschnitt 136 richtig am unteren Abschnitt 138 befestigt ist, zusammenwirken, um zwischen sich einen Hohlraum zu definieren, um einen pumpenradförmigen Vorformling 140 (Fig. 15 und 15A) zu bilden, der eine scheibenförmige Masse 142 umfaßt, die vier gekrümmte Lamellen 144a; 144b; 144c und 144dhat, die sich von einer hohlen Mittelwelle 146, die in einem Flansch 146a endet, aus radial nach außen erstrecken bis zum äußeren Rand 148 der scheibenförmigen Masse 142. Die Mittelwelle 146 ist hohl und hat eine Bohrung 150, die durch sie hindurchgeht, und die scheibenförmige Masse 142 ist hohl und definiert in sich einen Hohlraum 152.

Der pumpenradförmige hohle Vorformling 140 wird dadurch erzielt, daß die Form 134 (Fig. 14) über ihre Öffnung 150' mit einer geeigneten Schlickergußaufschlämmung gefüllt wird. Die Schlickergußmethode, wie sie eben beschrieben wird, kann durchgeführt werden, um eine erforderliche Dicke einer Schicht aus Teilchenfüllstoff auf dem inneren Hohlraum von Form 134 aufzubauen. Nach dem Dekantieren der überschüssigen Flüssigkeit, dem Trocknen und Brennen der Form, die den Überzug aus Schlickerguß enthält, ist das Ergebnis der hohle Vorformling 140, der in den Fig. 15 und 15A gezeigt wird. Gemäß Fig '6 wird der Vorformling 140 in ein Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 154 gelegt, das sich in einem feuerfesten Behälter 156 befindet. Ein Rohr 158, das aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Gips, besteht, wird auf dem Flansch 146a befestigt und enthält ein Ausgangsmetallvorrat 160. Eine Ausgangsmetallmasse als erste Quelle 162 füllt das Innere von Vorformling 140. Wie oben im Bezug auf andere Realisierungsmöglichkeiten festgestellt wurde, kann das Ausgangsmetall der Quelle 162 in den Vorformling 140 gebracht werden, zum Beispiel durch Füllen seines hohlen Inneren mit Teilchenausgangsmetall, oder der Innenraum des Vorformlings 140 kann nach dem Errichten der Anordnung mit geschmolzenem Ausgangsmetall gefüllt werden, das von einer Gießpfanne aus zugeführt werden kann. In ähnlicher Weise kann der Ausgangsmetallvorrat 160 anfänglich als fester Ausgangsmetallvorrat in die Anordnung eingebracht werden oder es kann ausreichend geschmolzenes Ausgangsmetall hineingegossen werden, um nicht nur den hohlen Innenraum von Vorformling 140, sondern auch das Rohr 158 zu füllen, um sowohl die erste Quelle als auch den Vc Tat für Ausgangsmetall in geschmolzener Form zu bilden. Auf jeden Fall wird die Anordnung zum Beispiel in einen Ofen gelegt, der im Bezug auf eine Luftatmosphäre offen ist, und auf den erforderlichen Temperaturbereich erwärmt, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden und dadurch den Vorformling 140 mit der Keramikmatrix zu durchtränken.

Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, kann man nicht reagiertes Ausgangsmetall, das den mit der Keramikmatrix durchtränkten Vorformling 140 füllt, darin wieder erstarren lassen. Als Alternative dazu kann es, wenn es geschmolzen ist, aus der Keramikmasse herausgegossen werden. Auf jeden Fall zeigt Fig. 17 die sich ergebende Keramikverbundmasse 140', wie sie aus einer scheibenförmigen Masse 142' und einer Welle 146' besteht, die in einem Flansch 146a' abschließt und Lamellen hat, die sich von der Welle aus radial erstrecken, wobei nur die Lamellen 144a' und 144b' in Fig. 17 sichtbar sind. Das Innere der Keramikverbundmasse 140' ist mit einem Material 164 gefüllt, bei dem es sich um das wiedererstarrte Ausgangsmetall oder ein beliebiges anderes Material, wie beispielsweise ein anderes Metall oder eine Legierung oder ein anderes Material, zum Beispiel einen Gipswerkstoff, handeln kann.

In der dargestellten Realisierungsmöglichkeit in Fig. 17 wurde in das Material 164, zum Beispiel wiedererstarrtes Ausgangsmetall, innerhalb von Welle 146'ein I och 166 gebohrt, und mit der Bohrung 166 wird ein Keilnut 168 gebildet, um die Befestigung des Pumpenrades auf einer Welle zu erleichtern. Es kann im Bereich von Bohrung 166 eine Bohrung mit Schraubgewinde oder eine andere geeignete Konfiguration gebildet werden, um eine geeignete Anordnung für das Anbringen des Pumpenrades auf einer Welle oder etwas Ähnlichem zu erzielen.

In Fig. 18 und 18A wird ein Vorformling 170 gezeigt, der mit einem Barrieremittel 172 beschichtet ist, das aus einer Schicht aus luftdurchlässigem Gips besteht. Ein Schenkelrohr 174 sorgt für eine Strömung zwischen einem feuerfesten Behälter 176 und einem Hohlraum 178 unter dem Vorformling 170, wobei der Hohlraum 178 durch eine Hülle des Barrieremittels 172 aus Gips definiert und umhüllt wird. Der feuerfeste Behälter 176 hat eine Gipsauskleidung 180 und enthält in sich einen Ausgangsmetailvorrat 182, dessen Oberseite mit einer Schicht aus einem reaktionsträgen Teilchenmaterial 184 abgedeckt ist. Fig. 18zeigt die Anordnung, bevor der Ausgangsmetallvorrat 182 geschmolzen ist. In einer alternativen Realisierungsmöglichkfiit könnte der Hohlraum 178 mit einer Ausgangsmetallquelle gefüllt werden. Inder dargestellten Realisierungsmöglichkeit fließt das geschmolzene Ausgangsmetall beim Schmelzen des Ausgangsmetallvorrats 182 jedoch durch das Schenkelrohr 174 in dei. Hohlraum 178, um die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall in Kontakt mit Vorformling 170 zu bilden. Der Vorformling 170 hat drei parallele Bohrungen, die sich durch ihn hindurch erstrecken und sich an den gegenüberliegenden Seiten öffnen. Die Anordnung von Fig. 18 wird in einem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 188 gehalten, das sich in einem feuerfesten Behälter 190 befindet. Beim Erwärmen flioßt das geschmolzene Ausgangsmetall durch das Schenkelrohr 174 in den Hohlraum 178, wodurch der Hohlraum gefüllt wird, und das geschmolzene Ausgangsmetall durchdringt den Vorformling 170, um dort oxidiert zu werden, um schließlich die Füllstoff bestandteile von Vorformling 170 in einer Keramikmatrix aus polykristallinem Material einzubetten. Die Lage des Ausgangsmetallvorrats 182 sorgt für einen statischen Druck des geschmolzenen Metalls, das den Hohlraum 178 mit einer ersten Quelle für Ausgangsmetall über den gesamten Oxidationsprozeß hinweg gefüllt hält, um mitzuhelfen, daß es sicher ist, daß der Vorformling 170 vollständig und gleichmäßig mit der sich ergebenden Keramikmatrix gefüllt wird. Wie oben im Hinblick auf andere Realisierungsmöglichkeiten angezeigt wird, kann mehr als ein Ausgangsmetallvorrat 182 verwendet werden, um geschmolzenes Ausgangsmetall in Hohlraum 178 fließen zu lassen.

Bei Beendigung der Reaktion und dem Abkühlen der Anordnung wird die sich ergebende Keramikverbundstruktur aus dem Bett aus reaktionsträgem Teilchenmaterial 188 herausgenommen, und das Barrieremittel 172 aus Gips wird weggebrochen, um die Keramikverbundstruktur 170' freizugeben (Fig. 19), die drei parallele Bohrungen 186 hat, die durch sie hindurchführen.

Wenn man die Oxidationsreaktionsbedingungen im Vorformling 170 aufrechterhält, die günstiger sind als die außerhalb des Vorformlings, bleiben die Bohrungen 186 im wesentlichen frei von polykristallinem Matrixmaterial. In diesem Zusammenhang liegen die Räume, die die Bohrungen 186 umfassen, „außerhalb" des Materials, aus dem der Vorformling 170 erzeugt wird. Bei einer der Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung kann die Zusammensetzung des Materials des Vorformlings (oder einer anderen Füllstofform) ein oder mehrere geeignete Dotierungsmittel oder Oxidationsmittel enthalten oder anderweitig für die Bedingungen sorgen, bei denen die Oxidationskinetik für das Ausgangsmetall günstiger ist, als sie es wäre, wenn der Füllstoff fehlen würde. Deshalb kann in Abhängigkeit von den speziellen Dotierungsmitteln, Oxidationsmitteln, dem Ausgangsmetall und den Temperaturbedingungen das polykristalline Material, das aus dem Oxidationsreaktionsprodukt besteht, unter gewissen . Umständen dazu gebracht werden, daß es außerhalb des Füllstoffs wächst. In der Realisierungsmöglichkeit, die in Fig. 18 und 18Adargestellt ist, entsteht oder wächst das polykristalline Material somit nicht, um die Bohrungen 186zu füllen. Als Alternative oder zusätzlich kann ein Barrieremittel in die Bohrungen 186 gegeben werden, um das Wachstum des polykristallinen Matrixmaterials darin zu verhindern, ein Verfahren, das unter Bezugnahme auf die Realisierungsmöglichkeit von Fig. 20-21 dargestellt wird.

In Fig. 20-21A wird ein Vorformling 192 gezeigt, der eine kreisrunde Konfiguration (wie sie am besten in Fig. 20 A zu sehen ist) und eine Mittelbohrung 194 hat, die hindurchgeht und sich an jedem der gegenüberliegenden Enden öffnet. Die Mittelbohrung 194 ist mit einem Barrieremittel 196 ausgekleidet, das aus einer Schicht Gips besteht, die das Innere der Mittelbohrung 194 bedeckt und die beiden offenen Enden verschließt. Die Mittelbohrung 194 könnte auch vollständig mit einem Stopfen aus Barrierematerial gefüllt sein.

Fig. 21 zeigt eine Anordnung von Vorformling 192, der senkrecht in einer Masse aus geschmolzenem Ausgangsmetall 198 zentriert ist, die sich in einem zylindrischen feuerfesten Behälter 200 befindet. Der Vorformling 192 hat eine Form, die mit dem Inneren von Behälter 200 übereinstimmt, jedoch einen schmaleren Durchmesser besitzt. Ein Ende von Vorformling 192 kann auf dem Boden von Behälter 200 ruhen, wie es dargestellt ist, oder es kann auf Unterlegstücken liegen, um einen kleinen Spalt für den Zugang von geschmolzenem Ausgangsmetall zum Boden von Vorformling 192 zu bewirken. Der feuerfeste Behälter 200 ist so groß, daß er den Vorformling 192 in sich aufnehmen kann und dabei genügend Raum zwischen dem Vorformling 192 und den Innenwänden von Behälter 200 bleibt, um das Berühren der Außenfläche von Vorformling 192 durch eine Maöse aus geschmolzenem Ausgangsmetall mit einer gleichmäßigen kreisrunden Dicke zu ermöglichen. Damit der Vorformling 192 immer in der Masse aus geschmolzenem Ausgangsmetall 198 untergetaucht bleibt, muß kontinuierlich oder zeitweilig aus einem Vorrat (in den Fig. 21 oder 21A nicht gezeigt) geschmolzenes Ausgangsmetall nachgefüllt werden, wie es durch den Pfeil R in Fig. 21 angezeigt wird.

Somit kann der Behälter 200 aus einer Gießpfanne oder einem Vorrat versorgt werden, wo das geschmolzene Ausgangsmetall durch ein Rohr oder ein anderes geeignetes Mittel in den feuerfesten Behälter 200 gebracht wird. Als Alternative kann festes Ausgangsmetall, beispielsweise in Teilchenform, der Masse aus geschmolzenem Ausgangsmetall 198 zugegeben werden, wie es erforderlich ist, um an Ort und Stelle zu schmelzen, um die Ausgangsmetallmenge nachzufüllen. In dieser Realisierungsmöglichkeit kann man sehen, daß das Wachstum des polykristallinen Keramikmatrixmaterials, um den Vorformling 192 mit der Matrix zu durchtränken, von der gesamten Außenfläche des Vorformlings 192 aus ajf die Mittelbohrung 194 zu stattfindet. Eine glatte Oberfläche der Mit'.elbohrung 194 wird durch das darin befindliche Barrieremittel 196 sichergestellt. Wie schon bei den früheren Realisierungsmöglichkeiten garantiert das Nachfüllen aus einem Vorrat von geschmolzenem Ausgangsmetall, daß der gesamte Vorformling 192 im geschmolzenen Ausgangsmetall untergetaucht gehalten wird, um ein gleichmäßiges Wachstum des polykristallinen Ausgangsmetalls zu bewirken. Der feuerfeste Behälter 200 kann bezüglich von Vorformling 192 größenmäßig so ausgelegt sein, daß der Ausgangsmetallvorrat in Form von geschmolzenem Ausgangsmetall in einer ausreichenden Höhe über dem Vorformling 192 vorliegt, so daß der Vorformling 192 bei Abschluß des Prozesses noch immer vollständig im geschmolzenen A'jsgangsmetall untergetaucht ist. Somit können der Vorrat und die erste Quelle für Ausgangsmetall die einzige Masse an geschmolzenem Ausgangsmetall 198 umfassen, vorausgesetzt, sie ist groß genug, um den Vorformling während des gesamten Oxidationsreaktionsprozesses vollständig im geschmolzenen Ausgangsmetall untergetaucht zu halten.

Bei Abschluß des Prozesses wird das Keramikerzeugnis aus dem geschmolzenen Ausgangsmetallbad herausgenommen, und man läßt das überschüssige geschmolzene Ausgangsmetall davon ablaufen.

Der Kern als Barrieremittel 196 wird entfernt, und das Ergebnis ist eine Keramikverbundstruktur 193 mit zylindrischer Konfiguration, die eine Keramikauskleidung 192' mit einer Mittelbohrung 194 umfaßt, die entlang der Längsachse hindurchgeführt und einen integralen Bestandteil mit dem Ausgangsmetallsubstrat 198' bildet.

Strukturen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie zum Beispiel die, die beispielsweise in Fig. 8 (wenn wiedererstarrtes Ausgangsmetall in Hohlbohrung 80 verbleibt), Fig. 17 und Fig. 22 dargestellt sind, haben eine Keramikoberfläche, die als integraler Bestandteil darauf gebildet worden ist und normalerweise mit einer Metallmasse verbunden ist. Die Keramikoberfläche besteht aus einer Matrix aus polykristallinem Material, das durch Oxidationsreaktion des Ausgangsmetalls erhalten wurde und einen Füllstoff einbettet. Derartige integrale Metallstrukturen mit Keramikoberfläche bieten wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Keramikstrukturen, einschließlich einem erhöhten Widerstand gegen verhängsnisvollen Ausfall i.nd in bestimmten Fällen ein leichteres Gewicht. Die äußere Keramikoberfläche des Pumpenrades von Fig. 17 macht es zum Beispiel möglich, daß es für Dinge eingesetzt wird (wie zum Beispiel dem Pumpen von korrodierenden und/oder Erosion bewirkenden Flüssigkeiten und Gasen), die eine Keramikoberfläche erfordern, und auf Grund der Verbindung mit der Keramikoberfläche bieten ihr Metallkern oder ihr Substrat einen Widerstand gegenüber dem verhängnisvollen Ausfall des Pumpenrades, der normalerweise bei herkömmlichen Keramikstrukturen fehlt. Somit würde bei einem Spannungsriß oder einem mechanischen Stoß, wodurch im allgemeinen eine herkömmliche Keramikstruktur zerspringen würde, was zum verhängnisvollen Ausfall des Teils führt, bei Strukturen dieser Erfindung ihre Integrität bestehen bleiben. So würde zum Beispiel, selbst wenn ein mechanischer Stoß des Pumpenrades von Fig. 17 ausreichen würde, um die Keramikoberfläche des Pumpenrades zu beschädigen oder dort Risse zu erzeugen, die Metallmasse die strukturelle Integrität des Teils aufrechterhalten. Die Struktur der Erfindung überwindet auch die schon seit langem bestehenden Schwierigkeiten, die beim Befestigen eines Keramikteils, wie zum Beispiel eines Pumpenrades, an einem Metallteil mit hoher Festigkeit, wie zum Beispiel einer Stahlantriebswelle, auftreten. Bei älteren Keramikmassen führten lokalisierte mechanische Spannungen, die auf das spröde Keramikteil an einer Grenzfläche mit einem verformbaren Bauteil ausgeübt wurden, oft zur Zerstörung des bröckligen

Keramikmaterials. Die Metallsubstratstruktur mit Keramikoberfläche der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Fähigkeit, eine Metall-Metall-Verbindung (z.B. eine Metallwelle, die in der Bohrung 166 in Fig. 17 verkeilt ist) an einem Keramikteil zu verwirklichen. Die Fähigkeit, einen verhängsnisvollen Ausfall zu vermeiden, ist ein besonders wichtiger Punkt bei der Konstruktion von sich drehenden, sich hin- und herbewegenden und unter Druck stehenden Bauteilen.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das sich ergebende Metallteil mit der Keramikfläche durch Wahl eines entsprechenden Ausgangsmetalls, Füllstoffs und Oxidationsmittels mit einer günstigen Vorspannung erzeugt werden kann, die in die Keramikoberfläche und die Metallgrenzfläche eingebaut ist und dazu führt, daß Keramikverbunderzeugnisse eine sehr große scheinbare Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen zeigen. Dies wird durch die Wahl von Materialien und Prozeßbedingungen verwirklicht, die ein kontrolliertes differentielles Schrumpfen zwischen der Keramikoberfläche und dem Metallsubstrat bewirken. Eine Vorspannung wird durch die außerordentlich gute Verbindung zwischen Keramikoberfläche und Substrat möglich gemacht.

In Fig. 23 und 24 wird ein Vorformling 202 gezeigt, der aus einer äußeren Zylinderschale 204 und einer inneren Zylinderschale 206 mit einem geringeren Durchmesser als die Zylinderschale 204, jedoch mit der gleichen Länge, besteht. Die äußere und die innere Schale sind durch drei Schenkel 208a, 208 b und 208c verbunden, die sich über die gleiche Länge wie die Zylinderschale 204 und die innere Zylinderschale 206 erstrecken. Der Vorformling 202 umfaßt somit eine einheitliche Struktur. Die Schenkel 208a, 208b und 208c sind auf den Umfangen der Zylinderschalo 204 und der inneren Zylinderschale 206 in einem gleichen Winkel voneinander entfernt verteilt, d. h., die drei Schenkel haben einen Winkel von jeweils 120 Grad zueinander, wie es in Fig. 24 dargestellt ist. Wie man in Fig. 24 am besten sehen kann, die Struktur unterteilt das Innere des Vorformlings 202 in eine sich in Längsrichtung erstreckende Mittelbohrung 210 und drei sich in Längsrichtung erstreckende ringförmige Abschnitte 212a, 212b und 212c.

Der Vorformling 202 kann mit polykristallinem Material durchtränkt sein, das durch Oxidation des geschmolzenen Ausgangsmetallserhalten wird, das in Mittelbohrung 210 und die Abschnitte 212 a, 212 bund 212c eingeschleppt wird. Außerdem kann auch die Außenfläche der äußeren Schale 204 in geschmolzenes Ausgangsmetall getaucht werden, wie man es bei einer Anordung von Vorformling 202 erreicht, die der ähnelt, die in Fig. 21 dargestellt ist, wo es um den Vorformling 192 geht. Weiterhin können, wenn es gewünscht wird, eine oder mehrere der Mittelboh'ung 210 und der Abschnitte 212 a, 212 b und 212c mit wiedererstarrtem Ausgangsmetall darin verbleiben, um eine mit Keramik ausgekleidete Metallsubstratstruktur zu erzielen. Als Alternative oder zusätzlich dazu kann auf der Außenfläche der äußeren Zylinderschale 204 ein Substrat aus wiederorstarrtem Ausgangsmetall (entsprechend dem Ausgangsmetallsubstrat 198' von Fig. 22) gelassen werden.

Die Kttramikverbundstrukturen, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt werden, umfasse'i, wie es oben festgestellt wurde, eine Keramikmatrix, die einen Füllstoff einbettet, der als Bett aus anpaßbarem Füllstoff odor als geformter Vorformling ausgelegt sein kann. Geeignete Füllstoffe beinhalten die chemischen Spezies, die unter den Temperatur- und Oxidationsbedingungen des Prozesses nicht flüchtig sind, thermodynamisch stabil sind und nicht mit dem geschmolzenen Ausgangsmetall reagieren und sich nicht übermäßig in ihm auflösen. Den Personen, die Erfahrung auf diesem Gebiet haben, sind zahlreiche Materialien bekannt, die derartige Kriterien erfüllen, wenn Aluminium als Ausgangsmetall und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Derartige Materialien beinhalten die Metalloxide, Boride oder Karbide, wie zum Beispiel Aluminium, Silizium, Hafnium und Zirkonium, und sie können in einer beliebigen wünschenswerten Form oder Größe eingesetzt werden. Das oder die Dotierungsmittel, die zusammen mit dem Ausgar gsmetall verwendet werden, können 1. als Legierungsbestandteile des Ausgangsmetalls vorliegen, 2. au' mindestens einen Teil der Oberfläche der Ausgangsmetallquellenmasse aufgebracht werden oder 3. auf einen Teil des Füllstoffs oder Vorformlings oder auf den gesamten Füllstoff oder Vorformling aufgebracht oder in ihn eingeschlossen werden, oder durch eine Kombination von zwei oder mehr Methoden gemäß 1., 2. oder 3. eingesetzt werden. Ein legiertes Dotierungsmittel kann zum Beispiel allein oder zusammen mit einem zweiten, äußerlich aufgebrachten Dotierungsmittel eingesetzt werden. Bei der 3. Methode, wo zusätzliche Dotierungsmittel oder zusätzliche Dotierungsmittel auf dem Füllstoff aufgebracht werden, kann das Aufbringen in einer geeigneten Weise bewerkstelligt werden.

Dotierungsmittel, die bei einem Aluminiumausgangsmetall einsetzbar sind, insbesondere mit Luft als Oxidationsmittel, beinhalten Magnesium, Zink und Silizium, die kombiniert mit anderen Dotierungsmitteln eingesetzt werden können, wie es weiter unten beschrieben wird. Diese Metalle oder eine geeignete Quelle für die Metalle können bei Konzentrationen von jeweils ungefähr 0,1 bis 10 Gew.-% auf der Grundlage des Gesamtgewichts des sich ergebenden dotierten Metalls in das auf Aluminium basierende Ausgangsmetall einlegiert werden. Diese Dotierungsstoffe oder eine geeignete Qutilla dafür, z. B. MgO, ZnO oder SiO₂, können äußerlich beim Ausgangsmetall eingesetzt werden. Somit ist für eine Aluminiumsiliziurilegierung als Ausgangsmetall mit Hilfe von Luft als Oxidationsmittel durch das Einsetzen von MgO als Oberflächendotierungsmittel in einer Menge über ungefähr 0,0008 Gramm pro Gramm zu oxidierendes Ausgangsmetall und über ungefähr 0,003 Gramm pro Quadratzentimeter Ausgangsmetalloberfläche, auf die das MgO aufgebracht wird, eine Aluminiumoxidkeramikstruktur erzielbar.

Zusätzliche Beispiele für Dotierungsstoffe, die sich bei Aluminiumausgangsmetall, das mit Luft oxidiert wird, als effektiv erweisen, beinhalten Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, die einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln verwendet werden, was vom Oxidationsmittel und von den Prozeßbedingungen abhängt. Seltene Erden, wie zum Beispiel Zer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium sind auch brauchbare Dotierungsmittel, und hier wieder besonders dann, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln eingesetzt werden. Alle genannten Dotierungsmittel bewirken eine Begünstigung des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsproduktes für Ausgangsmetallsysteme auf Aluminiumbasis.

Die Keramikverbundstruktur, die durch die praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung erzielt wird, ist normalerweise eine dichte, kohärente Masse, bei der ungefähr 5 bis ungefähr 98VoI.-% des Gesamtvolumens der Verbundstruktur durch einen oder mehrere der Füllstoffkomponenten eingenommen werden, die in einem polykristallinen Matrixmaterial eingebettet sind. Das polykristalline Matrixmaterial besteht normalerweise, wenn das Ausgangsmetall Aluminium ist, zu ungefähr 60 bis ungefähr 99Gew.-% (des Gewichts des polykristallinen Materials) aus vernetzten! Alpha-Aluminiumoxid und zu ungefähr 1 bis 40Gew.-% (gleiche Grundlage) aus nicht oxidierten Bestandteilen des Ausgangsmetalls.

Die innige Vorbindung, die normalerweise beim Abkühlen zwischen einem entsprechend ausgewählten Ausgangsmetall und der Keramikoberfläche besteht, die durch den Prozeß der vorliegenden Erfindung darauf erzeugt werden kann, erlaubt das Aufbringen eines verschleißbeständigen Materials auf ein verformbares Teil und macht zum Beispiel den Einsatz von Keramikoberflächen auf verformbaren Druckschalen durchführbar. Die kochfeste Verbindung zwischen der Keramikoberfläche und dem Metallsubstrat in der vorliegenden Erfindung scheint ihre Existenz dem intensiven Benetzen des Ausgangsmetalls, was sein Oxidationsreaktionsprodukt betrifft, zu verdanken, dessen hervorstechendes Merkmal auch den Transport des Ausgangsmetalls durch ein derartiges Reaktionsprodukt erlaubt, um die Matrix der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Die Produkte der vorliegenden Erfindung sind auf Grund ihrer Wirtschaftlichkeit, ihres leichten Gewichts, ihres vorgespannten Zustande, der Verbindung der Keramikoberfläche mit dem Metallsubstrat, der Formvielseitigkeit, der Größenvielseitigkeit, der Widerstandsfähigkeit gegenüber einem verhängnisvollen Ausfall, der Verschleißbeständigkeit, der Festigkeit, der Hochtemperaturbeständigkeit oder der Korrosionsbeständigkeit ideal für den Einsatz als Wärmekraftmaschinenteile, Ventilteile und Pumpenteile geeignet.

Die Idee eines Keramiküberzugs auf Metall ist nicht neu. Obwohl es von der Idee her ein sohr attraktives Konzept ist, ließen sich mit früheren Mitteln derartige Bauteile extrem begrenzt erzielen, weil es unmöglich war, eine derartige Keramikoberfläche mit einer ausreichenden Tiefe zu erzeugen, ohne daß es zum Abplatzen kam und daß dabei eine ausreichende Adhäsion am Metallsubstrat zurückblieb, die über komplizierte Oberflächen verteilt ist und dies bei vernünftigen Kosten. Die vorliegende Erfindung ist völlig einzigartig, was ihre Fähigkeit betrifft, K6ramikverbundoberflächen mit fast jeder Konfiguration und Dicke und in einem billigen, druckfreien Prozeß bei mäßigen Temperaturen so herzustellen, daß sie integral mit technisch reinen Ausgangsmetallen für baulicho Zwecke verbunden sind

Die Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Beispiele, die keine Begrenzung darstellen, verdeutlicht.

Beispiel 1

Um eine Keramikverbundstruktur herzustellen, wurde eine Rohrprobe (Außendurchmesser 49,2 mm) aus einer Metallegierung (entspricht 18 in Fig. 1) mit einer Länge von 152,4mm mit einer Vielzahl von Löchern versehen, von denen jedes einen Durchmesser von 4,76 mm besitzt. Die Löcher wurden in einem aus versetzt angeordnet liegenden Reihen bestehenden Muster an 9,52-mm-Mittelpunkten über den gesamten zylindrischen Körper des Rohres hinweg verteilt gebohrt. Ein gelochtes Blech aus rostfreiem Legierungsstahl mit einer Dicke von 0,20mm mit Löchern mit einem Durchmesser von 0,406 mm wurde als Innenauskleidung (entspricht 16 von Fig. 1) für das Bohren des Metallrohrs verwendet. Die Löcher ergaben ein Blech mit einer offenen Fläche von 22%. Der gelochte rostfreie Stahl wurde ausgewählt, um als eine Barriere für das Matrix/vachstum für das vorliegende Beispiel zu dienen.

Ein Ausgangsmetallteil bestand aus einer Aluminiumlegierung, die 10% Silizium und 3% Magnesium enthält und eine Ausgangsmetallquellenmasse und einen Ausgangsmetallvorrat umfaßt, die hinsichtlich der Konfiguration denen ähneln, die <n Fig. 1 dargestellt sind. In diesem Fall war der Vorrat (entspricht 34 von Fig. 1) zylindrisch und verjüngte sich nicht, und er hatte einen Durchmesser von 63,49mm und war 50,79 mm hoch, und die Quellenmasse (entspricht 36 von Fig. 1) hatte einen Durchmesser von 19,05mm und eine Länge von 152,4mm und war an ihrem oberen Ende mit dem Vorrat verbunden. Die Quellenmasse hatte die Konfiguration eines Schraubengewindes und war in eine Füllstoffmasse (entspricht der Masse an anpaßbarem Füllstoff 38 in den Fig. 1 und 1 A) eingebettet, wobei der Füllstoff aus einem Gemisch aus 5 Gew.-% handelsüblichem Sand (Siliziumoxid) und 95Gew.-% Teilchenaluminiumoxid mit der Körnung 90, bestand. Das Füllstoffgemisch wurde 24 Stunden lang auf ungefähr 1250°C erwärmt, und dann ließ man es auf Umgebungstemperatur abkühlen. Das abgekühlte Gemisch wurde dann gemahlen und in das gelochte Rohr gegeben, das mit rostfreiem Stahl ausgekleidet war. Die Ausgangsmetallquellenmasse war mit einer Schicht Holzleim und Sand beschichtet. Dor Vorrat befand sich in einem Bett aus Aluminiumoxid mit Körnung 90, das sich in einer Kammer aus rostfreiem Legierungsstahl (entspricht 12 in Fig. 1) befand und in ihrem Boden ein Loch mit einem Durchmesser von 50,79 mm hatte (in Fig. 1 ohne Numerierung gezeigt). Das Oberteil des Rohrs wurde am Umfang des Lochs angeschweißt.

Um die sich ergebende Anordnung in einer aufrechten Stellung zu halten, wurde der Rohrabschnitt (entspricht 14 in Fig. 1) in einen gelochten Stützzylinder aus rostfreiem Legiorungsstahl mit einem Innendurchmesser von 88,89 mm gebracht, der mit Löchern mit 2,38mm Durchmesser versehen war, die hineingebohrt wurden, um eine offene Fläche von 40% für den Stützzylinder zu erzielen. Der Stützzylinder war so lang, daß er an seinem oberen Ende die Vorratskammer (entspricht 12 in Fig. 1) tragen konnte. Durch diese .Anordnung wurden Ausgangsmetall und Füllstoff in senkrechter Lage gehalten, wobei sich der Vorrat direkt vertikal über df.r Quellenmasse befand. Die sich ergebende gestützte Anordnung wurde auf einen feuerfesten, offenen Behälter gelegt und in einem Ofen mit einer Luftatmosphäre 10 Stunden lang auf eine Temperatur von 1 245⁰C erwärmt. Die 1245°C wurden 100 Stunden lang aufrechterhalten, und dann folgte ein 30stündiges Abkühlen auf 125°C, wonach man dann die Anordnung auf Umgebungstemperatur abkühlen ließ. In der Umhüllung des rostfreien Stahlzylinders und eingebettet in die Füllstoffmasse war eine Keramikverbundmasse gewachsen. Es zeigte sich, daß sich die Umhüllung beim Abkühlen an die Keramikverbundmasse anpaßte. Beim Entfernen des wiedarverfestigten Ausgangsmetalls aus der Bohrung der Keramikstruktur durch Bohren und chemische Behandlung (mit Salzsäure), wurde ein durch sie hindurchgehendes Bohrloch erzeugt, das die Schraubengewindekonfiguration der ursprünglichen Quellenmasse invers nachbildet. Die Wanddicke der Keramikmasse von ungefähr 12,7 mm war viel dicker, als man sie mit der Quellenmasse hätte erzeugen können, wenn keine Vorratsmasse dagewesen wäre

Die folgenden Tabellen sollen beim Beschreiben der Beispiele der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.

Tabelle A

(A) Eine Schlickergußzusammensetzung für die Benutzung in Gipsformen, wie es oben beschrieben wurde, kann durch Mischen der folgenden Bestandteile in den angegebenen Mengen hergestellt werdon:

Gewichtsteile

47,6 Aluminiumoxid Körnung 100

23,6EPK-Porzellarjrde

28,5 Wasser

0,1 Vee-Gum Cer

0,2 Dawan-7

Vee-Gum Cer und Dawan-7 sind Dispersionsmittel für Porzellanerde.

(B) Eine Sedimentationsgußzusammensetzung kann durch Mischen eines wäßrigen Bindemittels, das 10 Volumenteile Wasser und einen Volumenteil Klebstoff auf Latexbasis (Zimmermannleim), hergestellt werden. Das wäßrige Bindemittel wird dann mit ausgewählten Füllstoffteilchen in solch einer Menge gemischt, daß bei der sich ergebenden Aufschlämmung die gewünschte Konsistenz erzielt wird.

(C) RTV-Silikongummi wurde dadurch hergestellt, daß ein Teil mit der flüssigen Gummizusammensetzung beschichtet wurde, und dann ließ man den Gummi hart werden und nahm die Gummiform vom Erzeugnis ab.

Tabelle B Zusammensetzung der Aluminiumausgangsmetallegierung

5% Silizium

4% Kupfer

1% Magnesium

4% Zink

1 % Eisen

Rest Aluminium

Tabelle C Zusammensetzung der Ausgangsmetallegierung (nominell)

3,7% Zink

3,9% Kupfer

1,1% Eisen

8,3% Silizium

0,19% Magnesium

0,04% Nickel

0,02% Zinn

0,04% Chrom

0,20% Mangan

0,08% Titan

Rest Aluminium

Beispiel 2

Ein Vorformling mit der Form von Vorformling 44 von Fig. 3 wurde durch Sedimentationsguß aus einem Miniaturkolben in einer Gummiform hergestellt, wie sie in Tabelle A, Schritt C, beschrieben wird. Die Sedimentgußzusammensetzung verwendet das wäßrige Bindemittel von Tabelle A, Schnitt B, mit den folgenden Füllstoffen:

Gewichtsteile

93 Alundum38

7 Siliziummetall

(70 Gewichtsteile mit Körnung 220 50 Gewichtsteile mit Körnung 500) (50 Gewichtsteile mit Körnung 220 30 Gewichtsteile mit Körnung 500)

Überschüssiges Bindemittel wurde vorsichtig aus der Form abgegossen, und die Form wurde eingefroren, um das Entfernen des gegossenen Füllstoffs zu ermöglichen, den man dann trocknen ließ. Der getrocknete Füllstoff wurde drei Stunden lang in Luft bei 1300°C vorgebrannt. Der sich ergebende durchlässige Vorformling wurde auf den Oberflächen seines hohlen Masseabschnitts (44c in Fig. 3) mit einer Nickelpulveraufschlämmung beschichtet. Die Außenseite des Vorformlings wurde mit einer Schicht aus luftdurchlässigem Gips überzogen. Eine Aluminiumausgangsmetallmasse, deren Zusammensetzung im wesentlichen der entsprach, die in Tabelle B angegeben wurde, wurde mit dem Vorformling so aufgestellt, wie es in Fig. 3 gezeigt wird, und in einer Luftatmosphäre 40 Stunden lang bei 1000⁰C gebrannt. Überschüssiges geschmolzenes Aluminium wurde aus der sich ergebenden Keramikverbundstruktur, die ein Miniaturkeramikverbundkolben mit exakten Abmessungen war, vorsichtig herausgegossen.

Beispiel 3

Ein durchlässiger Vorformling mit der Form von Vorformling 56 in Fig. 5 wurde mit Hilfe der Methode von Tabelle A, Schritt B und C, unter Einsatz der gleichen Sedimentationsgußzusammensetzung, abgesehen davon, daß nur 5 Gewichtsteile Siliziummetallpulver verwendet wurden, hergestellt. Der Vorformling wurde auf seiner Außenfläche mit zwei dünnen Schichten aus luftdurchlässigem Gipsbarrierematerial überzogen, und die gleiche Aluminiumlegierung wie in Tabelle C wurde als Ausgangsmetall in einen Behälter (58 in Fig. 5) gebracht. Die Anordnung wurde in einer Luftatmosphäre 68 Stunden lang bei 1000°C erwärmt, und die sich ergebende Keramikverbundstruktur zeigte genaue Abmessungen und eine komplette Durchtränkung des Vorformlings durch die Keramikmatrix.

Beispiel 4

Fünf durchlässige Vorformlinge mi* der Form, die für Vorformling 126 in den Fig. 10,11 und 12 gezeigt wird, wurden mit Hilfe der Sedimentationsgußmethode von Tabelle A hergestellt.

Eine Anordnung, wie sie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, wurde hergestellt. Gipsstopfen 128 wurden über steife Papierbrücken, die über Mulde 120 gelegt wurden, in den Lücken zwischen den Vorformlingen 126 eingesetzt. Die Außenfläche jedes Vorformlings 126 wurde mit einer Gipsbarrierematerialschk.nt überzogen. In den Behälter 114 wurde sine Masse der Aluminiumlegierungszusammensetzung wie in Tabelle C gebracht, und die Anordnung wurde in Luft auf 1000⁰C erwärmt. Als die Aluminiumlegierung schmolz, floß sie durch Mulde 120 und nach oben in jeden der Vorformlinge 126, wodurch die Vorformlinge langsam bis oben hin gefüllt wurden, wenn Luft durch die porösen Vorformlinge herausgedrückt wurde. Die Temperatur wurde 50 Stunden lang aufrechterhalten, danach wurde die Anordnung auseinandergebaut, und das geschmolzene Ausgangsaluminium wurde vorsichtig aus den sich ergebenden Keramikverbundtiegeln herausgegossen, dabei wurde Säure und/oder Sandputzstrahlen eingesetzt, um wiederverfestigte überschüssige Aluminiumlegierung aus dem Inneren der Keramikverbundtiegel zu entfernen.

Beispiel 5

Die Schlickergußrnethodfl von Tabelle A, Schritt A wurde benutzt, um in einer Gipsform, die der ähnelt, die in Fig. 14 dargestellt ist, einen durchlässigen Vorformling zu erzeugen, wie er in den Fig. 15 und 15Azu sehen ist. Der Schlickergußvorformling wurde getrocknet und 30 Minuten lang bei 700⁰C vorgebrannt. Die Außenseite des Vorformlings wurde mit einem Gemisch (Trockenbasis) aus 70Gew.-% Gips und 30Gew.-% SiO₂ beschichtet, das als Barrierematerial dienen sollte. Das Innere des Vorformlings wurde mit einer Aufschlämmung aus Siliziummetallpulver gekühlt, und dann wurde der Vorformling mit der geschmolzenen Aluminiumlegierungszusammensetzung, wie sie in Tabelle C aufgeführt ist, gefüllt. Die Anordnung wurde 96 Stun.Jen lang auf 900°C erwärmt. Dabei wurde kontinuierlich Aluminiumlegierung nachgefüllt, um den Vorformling vollständig mit geschmolzener Aluminiumlegierung gefüllt zu halten. Nach dem Herausnehmen aus dem Ofen und dem Abkühlen erhielt man ein mit Metall gefülltes, mit Keramikverbundstoff ausgekleidetes Pumpenrad mit genauen Abmessungen.

Die Keramikoberfläche auf dem Metallsubstrat des Pumpenrades von Beispiel 5 war typisch für die Metallsubstrate mit Keramikoberfläche, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurden, da sie eine dichte integrale Haftung zwischen dem erstarrten Ausgangsmetall und der Keramikoberfläche, die als integraler Bestandteil darauf gebildet wurde, aufwies. Die auf diese Weise in dem obigen Beispiel hergestellten Teile hatten zähe Oberflächen aus Keramikmatrizen, die einen Füllstoff einbetteten, der dicht am Legierungsaluminiumsubstrat haftet, so daß die Teile die mechanische Zähigkeit und Rückparallel-Elastizität der Aluminiumlegierung und dazu eine Deckschicht oder einen Kern aus harter Keramikoberfläche aufwiesen. Obwohl nur einige wenige Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung in Form von Beispielen oben im Detail beschrieben worden sind, sind sich die Leute, die Erfahrungen auf diesem Gebiet haben, ohne weiteres darüber im klaren, daß die vorliegende Eifindung noch viel mehr Kombinationen und Variationen umfaßt al j die, die in Form von Beispielen vorgestellt worden sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kerarnikverbundstruktur, die aus einer Keramikmatrix besteht, die durch Oxidationsreaktion eines Ausgangsmetalls mit einem Oxidationsmittel erhalten wird, um ein polykristallines Material zu bilden, das ein Oxidationsprodukt und einen Füllstoff enthält, der von der Matrix durchtränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Schritten besteht:

(a) Ausrichtung einer Masse des Ausgangsmetalls und einer durchlässigen Füllstoffmasse zueinander, so daß die Bildung des Oxidationsreaktionsproduktes in einer Richtung auf die Füllstoffmasse zu und in sie hinein erfolgt,

(b) Versorgen einer ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall und eines Vorrats für geschmolzenes Ausgangsmetall, der mit der ersten Quelle zusammenwirkt, mit dem Ausgangsmetall,

(c) Reaktion der ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall mit einem Oxidationsmittel, um das Oxidationsreaktionsprodukt dadurch zu bilden, daß zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts in Kontakt mit der ersten Quelle aus geschmolzenem Ausgangsmetall und dem Oxidationsmittel gehalten wird und sich zwischen den beiden erstreckt, um fortlaufend geschmolzenes Ausgangsmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt ium Oxidationsmittel hin und in die Füllstoffmasse hinein zu ziehen, so daß das Oxidationsreaktionsprodukt sich weiterhin in der Füllstoffmasse an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und dem sich bereits gebildeten Oxidationsreaktionsprodukt bildet,

(d) Nachfüllen der ersten Quelle von geschmolzenem Ausgangsmetali aus dem Vorrat, wenn die Reaktion weitergeht, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, um zumindest einen Teil der Füllstoffmasse mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu durchtränken, um die Keramikverbundstruktur zu bildan.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Nachfüllen mit geschmolzenem Ausgangsmetall aus dem Vorrat zur ersten Quelle durch Schwerkraftströmung ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsmetallvorrat und ein daraus geschmolzener Ausgangsmetallfluß in Kontakt mit der Füllstoffmasse bereitgestellt wird, um die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall zu bilden, und daß danach geschmolzenes Ausgangsmetall aus dem Vorrat fließt, um das besagte Nachfüllen durchzuführen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall in Form eines festen Ausgangsmetalls (1), das sich in Kontakt mit der Füllstoffmasse befindet, das beim Schmelzen die erste Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall bildet, und ein Ausgangsmetallvorrat (2) bereitgestellt wird, der den Vorrat an geschmolzenem Ausgangsmetall bildet, und wo geschmolzenes Ausgangsmetall aus dem Vorrat zur ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall fließt, um das Nachfüllen durchzuführen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließen von geschmolzenem Ausgangsmetaü durch Gravitationsströmung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quelle für Ausgangsmetall als ein festes Ausgangsme tall mit einem Muster, das sich darauf gebildet hat., vorliegt, und die Füllstoffrnasse einen Füllstoff umfaßt, der das Muster entsprechend umhüllt, das in der Geometrie der Keramikstruktur invers nachgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffmasse ein geformter Verformung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Oberfläche des Vorformlings durch ein Barrierenmittel definiert wird,

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin ein Barrierenmittel umfaßt, das zumindest teilweise einen Abstand von der ersten Quelle für Ausgangsmetall hat, um zumindest eine Oberfläche der Füllstoffmasse festzulegen, und bei dem die Reaktion fortgesetzt wird, um das Oxidationsreaktionsprodukt an Barrierenmittel zu bilden, um die Keramikverbundstruktur mit der Oberfläche zu erzeugen, die durch Barrierenmittel festgelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffmasse einen Hohlkörper umfaßt und die Orientierung so erfolgt, daß die erste Quelle von geschmolzenem Ausgangsmetall mit zumindest einer Wand des Hohlkörpers Kontakt hat, wodurch die Eindringung des Oxidationsreaktionsproduktes von der Wand aus oder entlang dieser Wand voranschreitet.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrat an geschmolzenem Ausgangsmetall in einer Höhe aufrechterhalten wird, die bei oder über der höchsten Höhe der ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall liegt, um dadurch auf der ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall einen statischen Druck aufrechtzuerhalten.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von

Füllstoff massen vorliegt und geschmolzenes Ausgangsmetall aus einem gemiensamen Vorrat zu der Vielzahl von Füllstoffmassen fließt.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Ausgangsmetall in Kontakt mit der Füllstoffmasse gehalten wird, und wo, nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, man das nicht reagierte Metall in Kontakt mit der Keramikverbundstruktur erstarren läßt, um zu einem Metallsubstrat zu gelangen, daß sich integral damit gebildet hat.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffmasse einen oder mehrere Hohlräume hat, die sich in ihr gebildet haben, und wo das nicht reagierte geschmolzene Ausgangsmetall in dem einen oder mehreren Hohlräumen in Kontakt gehalten wird, urn zu Metallsubstrat als einem inneren Substrat zu gelangen, das eine Außenfläche aus Keramikvorbundstoff hat.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht reagierte geschmolzene Ausgangsmetall in Kontakt mit mindestens einen Teil einer Außenfläche der Füllstoffmasse gehalten wird, um eine Keramikverbundstruktur zu erzeugen, die eine Oberfläche aus verfestigtem Ausgangsmetall hat, das außerhalb der Keramikverbundstruktur angeordnet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikverbundstruktur mit einem Volumen gebildet wird, das geringer als das Volumen des Metallsubstrats ist.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikverbundstruktur mit einem Volumen gebildet wird, das größer als das Volumen des Metallsubstrats ist.

18. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der ersten Quelle für geschmolzenes Ausgangsmetall, mit der das Oxidationsreaktionsprodukt in Schritt (c) in Kontakt gehalten wird, in ausreichendem Maße kleiner als das Porenvolumen der Füllstoffmasse ist, die von dem Oxidationsreaktionsprodukt durchdrungen werden soll, das sich aus der ersten Quelle gebildet hat, wobei das Nachfüllen der ersten Quelle aus dem Vorrat beim Bilden des Oxidationsreaktionsprodukt im gesamten Volumen der Füllstoffmasse verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall ein Aluminiumausgangsmetall ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel Luft ist, der Temperaturbereich von ungefähr 850 bis ungefähr 1450⁰C reicht und das Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine erste Grenze der Füllstoffmasse mit einem Barrierenmittel definiert ist.

22. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunktes und unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes erwärmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens ein geeignetes Dotierungsmittel zusammen mit dem Ausgangsmetall benutzt wird.

24. Verfahren nach Anspruch Ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens ein geeignetes Dotierungsmittel zusammen mit dem Ausgangsmetall benutzt wird.

25. Selbsttragende Metallstruktur mit Keramikoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Substrat, das aus einem Vorläuferausgangsmetall besteht, einen Füllstoff, der auf das Substrat aufgebracht worden ist, und eine Keramikmatrix umfaßt, die integral mit dem Substrat gebildet worden ist und den Füllstoff einbettet durch Oxidationsreaktion des Vorläufermetalls mit einem Oxidationsmittel.

26. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff einen Vorformling umfaßt.

27. Metallstruktur mit Keramikoberfiäche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberflächengrenze des Füllstoffs durch ein Barrierrenmittel definiert ist.

28. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmatrix das Substrat einhüllt.

29. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Substrats nicht ausreicht, um ausreichend Ausgangsmetall zu liefern, um die Keramikmatrix zu bilden.

30. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Keramikmatrix enthält, die außerhalb vom Substrat angeordnet ist.

31. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Keramikmatrix enthält, die innerhalb des Substrats angeordnet ist.

32. Metallstruktur mit Keramikmatrix nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorläuferausgangsmetall aus einem Aluminiumausgangsmetall besteht.

33. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmatrix aus Aluminiumoxid besteht.

34. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Keramikmatrix geringer als das Volumen des Metallsubstrats ist.

35. Metallstruktur mit Keramikoberfläche nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Keramikmatrix größer als das Volumen des besagten Metallsubstrats ist.

36. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von Vorformlingen einschließt und wo geschmolzenes Ausgangsmetall aus einem gemeinsamen Vorrat zur Vielzahl von Vorformlingen fließt.

37. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetali ein Aluminiumausgangsmetall ist.

38. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Titan, Silizium, Zirkonium, Hafnium und Zinn besteht.

39. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Titan, Silizium, Zirkonium, Hafnium und Zinn besteht.

40. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall Aluminium ist, das Oxidationsmittel Sauerstoff umfaßt und das Barrierenmittel einen oder mehrere Stoffe umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus rostfreiem Stahl, Gips, Kalziumsilikat, Kalziumsulfat, Wollastonit und Portlandzement besteht.

41. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffmasse auch auf den Temperaturbereich erwärmt wird.

42. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmetall Aluminium ist, das Oxidationsmittel Sauerstoff umfaßt, und das Barrierenmittel einen oder mehrere Stoffe umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus rostfreiem Stahl, Gips, Kalziumsilikat, Kalziumsulfat, Wollastonit und Portlandzement besteht

43. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit der Keramikverbundstruktur verbunden wird.

44. Produkt nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat innig mit der besagten Keramikmatrix verbunden ist.

45. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Einsatz als Pumpenbauteil hergestellt wird.

46. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Einsatz als Ventilbauteil hergestellt wird.

47. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Einsatz als Wärmekraftmaschinenteil hergestellt wird.

48. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmatrix eine Innenauskleidung für einen Hohlraum im Substrat darstellt.

49. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmatrix an der Grenzfläche zwischen Keramikmatrix und Substrat unter Druckbelastung und das Substrat an dieser Stelle unter Zugbelastung steht.

50. Produkt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikverbundstruktur eine Wanddicke aufweist, die größer ist, als sie durch Oxidation des Teils der ersten Quelle des Ausgangsmetalls erzeugt werden könnte, wenn die Ausgangsmetallquelle sich nicht über den Hohlraum hinaus in der Füllstoffmasse erstreckt.

51. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Metall oder mehrere Metalle umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Zinn und Silizium besteht.

52. Produkt nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Aluminium umfaßt.