DE3780896T2

DE3780896T2 - Verfahren zur darstellung eines keramischen verbundkoerpers mittels materialzufuehrung aus einem reservoir sowie so hergestellte gebilde.

Info

Publication number: DE3780896T2
Application number: DE8787630176T
Authority: DE
Inventors: Ratnesh K Dwivedi; Robert C Kantner; H Daniel Lesher; Marc S Newkirk
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-03
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2007-09-04
Also published as: NO873798D0; ES2033915T3; IN171077B; FI873904A0; TR24668A; PL267680A1; CA1307384C; JPH07149571A; FI89587B; DD279467A5; NZ221745A; PT85711B; IE872474L; PL155540B1; DE3780896D1; NO873798L; IL83744A0; YU218188A; DK480887D0; ATE79106T1

Description

Diese vorliegende Erfindung betrifft im weiteren Sinne Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundstrukturen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundstrukturen, die eine polykristalline keramische Matrix, die einen Füllstoff einbettet, aufweisen, mit Vorratszuführung.
Der Gegenstand dieser Anmeldung ist mit dem der europäischen Patentanmeldung EP-A-193 292 der gleichen Anmelder mit dem Titel "Keramische Verbundgegenstände und Verfahren zu ihrer Herstellung" verwandt. Diese Anmeldung beschreibt ein neues Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundmaterials durch Wachsenlassen eines Oxidationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetall in ein permeables Füllstoffbett. Das Verfahren sieht jedoch nicht vor, dem erhaltenen Verbundmaterial eine vorgegebene Form oder Geometrie zu verleihen.
Das Verfahren zum Wachsenlassen eines keramischen Oxidationsreaktionsprodukts ist grundsätzlich in der europäischen Patentanmeldung EP-A-155 831 der gleichen Anmelder mit dem Titel "Neue keramische Materialien und Verfahren zu ihrer Herstellung" beschrieben. Die Entdeckung eines Oxidationsphänomens, das durch die Verwendung eines Dotierungsmittels, das in das Grundmetall legiert ist, gesteigert werden kann, liefert selbsttragende keramische Körper einer gewünschten Größe, die als das Oxidationsreaktionsprodukt des Vorläufer-Grundmetalls gewachsen sind.
Das obige Verfahren wurde verbessert durch die Verwendung von externen Dotierungsmitteln, die auf die Oberfläche des Vorläufer-Grundmetalls aufgetragen sind, wie in der europäischen Patentanmeldung EP-A-169 067 der gleichen Anmelder mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Materialien" beschrieben ist.
Weitere Entwicklungen der obigen Verfahren ermöglichen die Bildung von keramischen Verbundstrukturen die (1) einen oder mehrere Hohlräume aufweisen, die die Geometrie eines geformten Vorläufer-Grundmetalls invers replizieren und (2) ein negatives Muster aufweisen, das invers das positive Muster eines Grundmetall-Vorläufers repliziert. Diese Verfahren sind beschrieben (1) der europäischen Patentanmeldung EP-A-234 704 (nicht vorveröffentlicht) der gleichen Anmelder mit dem Titel "Verfahren zur inversen Formreplikation zur Herstellung von keramischen Verbundgegenständen und die dabei erhaltenen Gegenstände", und (2) in der europäischen Patentanmeldung EP-A-259 239 (nicht vorveröffentlicht) der gleichen Anmelder mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung von keramischen Verbundgegenständen mit formreplizierten Oberflächen und die dabei erhaltenen Gegenstände".
Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundstrukturen mit einer vorgegebenen Form oder Geometrie wurden ebenfalls entwickelt. Diese Verfahren schließen die Anwendung einer geformten Vorform aus einem permeablen Füllstoff ein, in die die Keramikmatrix durch Oxidation eines Grundmetall-Vorläufers hineinwächst, wie beschrieben ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A-245 192 (nicht vorveröffentlicht) der gleichen Anmelder mit dem Titel "Geformte keramische Verbundmaterialien und Verfahren zu ihrer Herstellung". Ein anderes Verfahren zur Herstellung derartiger geformter keramischer Verbundmaterialien schließt die Verwendung eines Sperrschichtelements ein, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts an einer bestimmten Grenze zu stoppen oder zu inhibieren, um die Form oder Geometrie der keramischen Verbundstruktur zu definieren. Diese Technik wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A-245 193 (nicht vorveröffentlicht) der gleichen Anmelder mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung geformter keramischer Verbundgegenstände unter Verwendung einer Sperrschicht" beschrieben.
In den letzten Jahren entwickelte sich ein zunehmendes Interesse an der Verwendung von Keramiken für strukturelle Anwendungen, für die historisch Metalle verwendet wurden. Die oben erwähnten Patentanmeldungen der gleichen Anmelder stellen einen erheblichen Fortschritt auf diesem Fachgebiet dar, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung von hochfesten, bruchzähen keramischen Körpern und keramischen Verbundkörpern. Die Techniken der Patentanmeldungen der gleichen Anmelder gestatten die Herstellung von keramischen Verbundstrukturen, einschließlich geformter keramischer Verbundstrukturen und großer keramischer Strukturen unter Ausnutzung eines ungewöhnlichen Oxidationsphänomens, das es gestattet, die Anwendung von Pulver-, Sinter- und Heißpreßtechnologien und deren inhärente Grenzen zu überwinden. Beispielsweise ist die Notwendigkeit, bei derartigen herkömmlichen Pulvertechnologien die Pulverkörper durch Verdichten oder Pressen dichter zu machen, unverträglich mit der Herstellung großer einstückiger keramischer Strukturen. Außerdem eignen sich derartige Herstellungstechnologien nicht ohne weiteres für die Herstellung keramischer Verbundstrukturen. Keramische Verbundstrukturen umfassen eine heterogenes Material, einen Körper oder einen Gegenstand, der aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien besteht, die innig miteinander kombiniert sind, um die gewünschten Eigenschaften des Verbundmaterials zu erhalten. Typischerweise weist es eine keramische Matrix auf, die einen oder mehrere unterschiedliche Füllstoffmaterialien, wie Teilchen, Stäbe, Fasern oder dgl., einbettet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in den obigen europäischen Patentanmeldungen des gleichen Anmelders beschriebenen Techniken weiter zu verbessern, indem man ein Mittel schafft, geformte selbsttragende keramische Verbundstrukturen zu erzeugen, deren Form und Größe unabhängig ist von dem Raum, der für ein Grundmetall innerhalb einer Ausgangs-Füllstoffvorform zur Verfügung steht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur mit einer keramischen Matrix, die durch die Oxidationsreaktion eines Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten wurde, das ein Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, sowie mit einem von der genannten Matrix infiltrierten Füllstoff gelöst, wobei das Verfahren umfaßt:
(a) Orientieren eines Körpers des genannten Grundmetalls und einer permeablen Masse des genannten Füllstoffs relativ zueinander so, daß die Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts in eine Richtung auf die genannte Masse des Füllstoffs zu und in diese hineinerfolgt;
(b) Vorlegen des Grundmetalls (i) als eine erste Quelle von schmelzflüssigem Grundmetall und (ii) als ein Vorrat von schmelzflüssigem Grundmetall, der mit der genannten ersten Quelle kommuniziert;
(c) Umsetzen der genannten ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel, um das genannte Oxidationsreaktionsprodukt dadurch zu bilden, daß man wenigstens einen Teil des genannten Oxidationsreaktionsprodukts in Kontakt mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls und zwischen dieser und dem genannten Oxidationsmittel hält, um fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt zu dem Oxidationsmittel und in die genannte Masse des Füllstoffs zu saugen, so daß sich das Oxidationsreaktionsprodukt fortgesetzt innerhalb der genannten Füllstoffmasse an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet; und
(d) Ergänzen der genannten ersten Quelle von schmelzflüssigem Grundmetall aus dem genannten Vorrat, während die Umsetzung unter Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts andauert, um wenigstens einen Teil der genannten Füllstoffmasse mit dem genannten Oxidationsreaktionsprodukt unter Bildung der genannten keramischen Verbundstruktur zu infiltrieren.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Verwendung von einer oder mehreren der Techniken der Patentanmeldungen der gleichen Anmelder, die dadurch weiter verbessert wurden, daß man einen Grundmetallvorrat zur Verfügung stellt, wie nachfolgend näher beschrieben: Diese Techniken überwinden die oben beschriebenen Schwierigkeiten, indem sie zu hochfesten und bruchzähen keramischen Mikrostrukturen nach einem Mechanismus führen, der direkter und weniger teuer ist als die herkömmlichen Ansätze. Die vorliegende Erfindung schafft ferner verbesserte Verfahren und Einrichtungen zur zuverlässigen Herstellung von keramischen Verbundstrukturen auf der Basis von Oxidationsreaktionsprodukten mit einer Größe und Dicke, die mit der bisherigen Technologie schwierig oder unmöglich zu duplizieren ist. Die vorliegende Erfindung gestattet auch die Herstellung von metallischen Strukturbauteilen mit einer Keramikoberfläche, die in bestimmten Fällen leichter sind und billiger sind als viele ganz aus Keramik bestehende Körper.

Zusammenfassung der Erfindung:

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur geschaffen, die eine keramische Matrix aufweist, die durch Oxidationsreaktion eines Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten wurde. Bei der Durchführung des Verfahrens werden ein Körper des Grundmetalls und ein permeabler Füllstoff so zueinander angeordnet, daß die Bildung des erhaltenen Oxidationsreaktionsprodukts in eine Richtung auf den Füllstoff zu und in diesen hinein erfolgt. Das Grundmetall bildet eine erste Quelle für das schmelzflüssige Grundmetall, sowie einen Vorrat an schmelzflüssigem Grundmetall, der mit der ersten Quelle z.B. durch einen Fluß unter Schwerkrafteinwirkung verbunden ist. Die erste Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls reagiert mit dem Oxidationsmittel unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts, und wenigstens ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls und zwischen dieser und dem genannten Oxidationsmittel gehalten, und das Oxidationsmittel saugt fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt auf das Oxidationsmittel zu und in den Füllstoff hinein, so daß sich fortgesetzt Oxidationsreaktionsprodukt innerhalb des Füllstoffs an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet. Die erste Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls wird, vorzugsweise kontinuierlich, aus dem Vorrat ergänzt, während die Reaktion einen Zeitraum fortgesetzt wird, der ausreicht, das Oxidationsreaktionsprodukt unter Infiltration wenigstens eines Teils des Füllstoffs mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu infiltrieren und dadurch die keramische Verbundstruktur zu bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine selbsttragende Metall struktur mit Keramikoberfläche geschaffen, die ein Substrat, das ein Vorläufermetall umfaßt, einen Füllstoff, der dem Substrat überlagert ist, und eine Keramikmatrix umfaßt, die integral mit dem Substrat ausgebildet ist und den Füllstoff durch Oxidation des Vorläufermetalls mit einem Oxidationsmittel einbettet.
Allgemein gesprochen bietet die vorliegende Erfindung nicht nur erhebliche Verarbeitungsvorteile bei der Herstellung selbsttragender keramischer Verbundstrukturen, sondern ermöglicht auch die Herstellung von neuen Metallstrukturen mit Keramikoberflächen, bei denen die keramische Oberfläche aus dem Grundmetall erzeugt wurde. D.h., daß das Grundmetall der Vorläufer für die keramische Matrix ist, und da diese integral mit dem Metall erzeugt ist, weist das erhaltene Verbundprodukt eine keramische Oberfläche auf einem Metallsubstrat auf. Die keramische Oberfläche bettet einen Füllstoff ein, und die keramische Oberfläche kann entweder als eine äußere oder eine innere Oberfläche oder beides auf einem Metallsubstrat ausgebildet sein, und die keramische Oberfläche kann eine ausgewählte oder vorgegebene Dicke bezüglich jedes Gesamtvolumens relativ zu dem Volumen des Metallsubstrats aufweisen. Diese Techniken der vorliegenden Erfindung der Ergänzung des Grundmetalls ermöglichen die Herstellung von dickwandigen oder dünnwandigen keramischen Strukturen, bei denen die Relativvolumina der keramischen Matrix, die die keramische Oberfläche bildet, erheblich größer oder kleiner sein können als das Volumen des Vorläufermetallsubstrats. Gewünschtenfalls kann in dem Endprodukt das Grundmetallsubstrat vollständig oder teilweise entfernt werden oder es kann intakt gelassen werden.
Die Techniken der vorliegenden Erfindung ermöglichen auch die Herstellung einer Reihe von keramischen Verbundstrukturen aus einer gemeinsamen Grundmetallquelle, wodurch der Wirkungsgrad der Arbeit erheblich verbessert wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metallsubstratteil mit einer Keramikoberfläche geschaffen, bei dem das genannte Substrat an die Keramikmatrix der Oberfläche gebunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metallsubstratteil mit einer Keramikoberfläche geschaffen, bei dem die Keramikoberfläche komprimiert ist und das Metallsubstrat an der Grenzfläche zwischen den beiden unter Spannung steht.
Bei der Verwendung in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen sind die nachfolgenden Begriffe wie folgt definiert:
"Keramik" ist nicht unangemessen eng so auszulegen, daß der Begriff auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne beschränkt ist, d.h. in dem Sinne, daß dieser vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern es sollte verstanden werden, daß bei seiner Verwendung hierin der Begriff einen Körper bezeichnet, der im Hinblick auf entweder auf seine Zusammensetzung oder seine dominierenden Eigenschaften überwiegend keramisch ist, obwohl der Körper kleinere oder erhebliche Mengen an einem oder mehren metallischen Bestandteil enthalten kann, die aus dem Grundmetall, dem Oxidationsmittel oder einem Dotierungsmittel stammen, am typischsten innerhalb eines Bereichs von etwa 1 bis 40 Vol.%, er kann jedoch auch noch mehr Metall enthalten.
"Oxidationsreaktionsprodukt" meint allgemein eines oder mehrere Metalle in irgendeinem oxidierten Zustand, in dem ein Metall Elektronen an ein anderes Element, eine Verbindung oder Kombination davon abgegeben hat. Demzufolge schließt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" gemäß dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem Oxidationsmittel ein, wie sie in dieser Anmeldung beschrieben werden.
"Oxidationsmittel" bedeutet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder Elektronenteiler und kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder irgendeine Kombination davon bei den Verfahrensbedingungen sein (z.B. ein Feststoff und ein Gas). Eine derartige Definition soll Verbindungen einschließen, die von dem Grundmetall unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens reduzierbar sind.
"Grundmetall" bezeichnet das Metall, z.B. Aluminium, das der Vorläufer für das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt ist, und schließt dieses Metall als ein relativ reines Metall, als ein kommerziell erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen oder als Legierung ein, in der dieser Metallvorläufer den Hauptbestandteil bildet; und wenn ein spezifisches Metall als Grundmetall erwähnt wird, z.B. Aluminium, ist das angegebene Metall stets mit dieser Definition im Kopf zu lesen, es sei denn, durch den Kontext wird etwas anderes angegeben.
Weitere Vorteile und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Figuren.

Fig. 1 ist eine schematische, teilweise geschnittene Aufrißansicht, die eine Anordnung aus einem Grundmetallvorrat und einer ersten Grundmetallquelle zeigt, die innerhalb von Massen von Inertmaterial und Füllstoff angeordnet sind;
Fig. 1A ist eine Ansicht in vergrößertem Maßstab und mit einem herausgebrochenen Teil entsprechend dem mit der unterbrochenen Linie gekennzeichneten Bereich A von Fig. 1;
Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 3 ist eine schematische geschnittene Aufrißansicht einer Anordnung, die einen Grundmetallvorrat und eine Vorform umfaßt, die von einem Sperrschichtelement umgeben sind und innerhalb eines Haltebetts angeordnet sind, das in einem Feuerfestbehälter enthalten ist;
Fig. 4 ist eine teilweise weggebrochene Aufrißansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 3 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die Fig. 3 entspricht, die jedoch eine andere Anordnung aus einem Vorrat von schmelzflüssigem Grundmetall im Kontakt mit einer Vorform zeigt, die innerhalb eines Haltebetts angeordnet ist, das in einem Feuerfestbehälter enthalten ist, wodurch ein für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeigneter Zusammenbau geschaffen wird;
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Anordnung, die einen Grundmetallvorrat einschließt, der mittels einer Leitung mit einer dickwandigen Vorform verbunden ist und innerhalb eines Betts aus einem inerten Haltematerial angeordnet ist, das in einem Feuerfestbehälter enthalten ist;
Fig. 7 ist eine Aufrißansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine andere Anordnung aus einer ersten Grundmetallquelle, die im Kontakt mit einer Vorform angeordnet ist, sowie einen Grundmetallvorrat zeigt, der in einer Schwerkraft-Strömungsverbindung mit der ersten Grundmetallquelle angeordnet ist;
Fig. 9 zeigt eine Grundansicht der unter Verwendung der Anordnung von Fig. 8 erfindungsgemäß hergestellten selbsttragenden keramischen Verbundstruktur;
Fig. 10 ist eine Querschnitts-Aufrißansicht einer weiteren Anordnung, die einen Grundmetallvorrat einschließt, der in Schwerkraft-Strömungsverbindung mit einer Vielzahl von Vorformen steht, wobei zur Verbesserung der Klarheit der Darstellung das Grundmetall aus dem am weitesten rechts angeordneten Bereich der Figur weggelassen ist;
Fig. 11 ist eine Grundrißansicht mit weggebrochenen Teilen der Anordnung von Fig. 10, wobei aus Gründen der Klarheit der Darstellung einige Bereiche weggelassen wurden und in gestrichelter Darstellung gezeigt sind;
Fig. 12 ist eine schematische, teilweise geschnittene Aufrißansicht einer offenen Form für den Schlickerguß einer hohlen Vorform, die die aus der Form entfernte Vorform zeigt,
Fig. 13 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur, die unter Verwendung der Anordnung der Fig. 10 und 11 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 14 ist eine Querschnitts-Aufrißansicht einer geteilten Form für den Schlickerguß einer hohlen Vorform;
Fig. 15 ist eine Grundrißansicht der hohlen Vorform, die unter Verwendung der Form von Fig. 14 durch Schlickerguß hergestellt wurde;
Fig. 15A ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A von Fig. 15;
Fig. 16 ist eine geschnittene Aufrißansicht, die eine Anordnung aus einer ersten Grundmetallquelle zeigt, die innerhalb der hohlen Vorform von Fig. 15A angeordnet ist, sowie einen Grundmetallvorrat, der in einer Schwerkraft-Strömungsverbindung mit der ersten Quelle angeordnet ist, wobei die Anordnung innerhalb eines Haltebetts aus einem Inertmaterial angeordnet ist, das in einem Feuerfestbehälter enthalten ist;
Fig. 17 ist eine Ansicht, die der von Fig. 15A entspricht, die jedoch eine selbsttragende, metallgefüllte Verbundstruktur mit Keramikoberfläche zeigt, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 16 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 18 ist eine Querschnitts-Aufrißansicht, die eine andere Anordnung aus einem Grundmetallvorrat, einer Vorform mit einem Sperrschichtelement darauf und einer Leitung für schmelzflüssiges Grundmetall zeigt, wobei die Anordnung in einem Haltebett angeordnet und in einem Feuerfestbehälter enthalten ist;
Fig. 18A ist eine Schnittansicht der Vorform entlang der Linie A-A von Fig. 18;
Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 16 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 20 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht einer Vorform mit einer zentralen Bohrung, die mit einem Sperrschichtelement ausgekleidet ist;
Fig. 20A ist eine Endansicht längs der Linie A-A von Fig. 20;
Fig. 21 ist eine geschnittene Aufrißansicht, die eine Anordnung der Vorform gemäß Fig. 20 zeigt, die in schmelzflüssiges Grundmetall eingetaucht wurde, das innerhalb eines Feuerfestbehälters enthalten ist;
Fig. 21A ist eine Grundrißansicht von oben der Anordnung von Fig. 21;
Fig. 22 ist eine perspektivische Ansicht einer selbsttragenden Metallstruktur mit Keramikoberfläche, die unter Verwendung der Anordnung von Fig. 21 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 23 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht einer anderen Vorform, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
Fig. 24 ist eine Grundrißansicht der Vorform von Fig. 23. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsformen
Bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung wird ein Grundmetallvorrat relativ zu der Masse des Füllstoffs so angeordnet, daß dann, wenn das Metall geschmolzen wird, dieses strömen kann, um den Teil, das Segment oder die Quelle des Grundmetalls, die sich innerhalb des Füllstoffs befindet, zu ergänzen und in einigen Fällen von Anfang an zu stellen und anschließend zu ergänzen. Ein Sperrschichtelement kann gegebenenfalls angeordnet werden, um wenigstens eine Oberfläche der Füllstoffmasse zu definieren oder mit dieser zusammenzufallen, und die Anordnung wird in einer oxidierenden Umgebung (oder dann, wenn das Oxidationsmittel in der Vorform enthalten ist, kann die Anordnung in einer Inertumgebung angeordnet werden) und auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts des Grundmetalls, erhitzt. Die Füllstoffmasse ist für die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts permeabel, so daß eine Infiltration ermöglicht ist, und wenn das Oxidationsmittel ein Dampfphasenoxidationsmittel einschließt, z.B. Luft, ist die Füllstoffmasse für das Oxidationsmittel permeabel. Beim Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts, das die Füllstoffmasse infiltriert, wodurch die Einbettung der Füllstoffbestandteile mit der Keramikmatrix einsetzt, die von dem polykristallinen Material gebildet wird, das durch Oxidation des Grundmetalls erhalten wird. Wenigstens ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigen Grundmetall und dem Oxidationsmittel gehalten, so daß bei der fortgesetzten Einwirkung des Oxidationsmittels das schmelzflüssige Grundmetall fortschreitend in und durch das Oxidationsreaktionsprodukt auf das Oxidationsmittel zu gesaugt wird. Das schmelzflüssige Grundmetall kommt mit dem Oxidationsmittel in Berührung und bildet zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt, so daß ein fortgesetztes Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsproduktmaterials in der Füllstoffmasse bewirkt wird. In einigen Fällen können metallische Bestandteile, die nicht oxidierte Bestandteile des Grundmetalls oder reduzierte Bestandteile des Oxidationsmittel darstellen, und/oder Hohlräume durch das polykristalline Material dis-pergiert bleiben. Typischerweise besteht das Oxidationsreaktionsprodukt im wesentlichen aus Kristalliten, die untereinander verbunden sind, vorzugsweise in drei Dimensionen, und die nicht oxidierten metallischen Bestandteile, so vorhanden, können wenigstens teilweise untereinander verbunden sein oder können diskrete unverbundene "Inseln" aus metallischen Bestandteilen bilden. Eine derartige Oxidationsreaktion, einschließlich einer Infiltration einer Füllstoffmasse mit dem Oxidationsreaktionsprodukt, ist in Einzelheiten in den oben erwähnten Patentanmeldungen des gleichen Anmelders beschrieben.
Das Verfahren wird fortgesetzt, bis das polykristalline Matrixmaterial das Füllstoffmaterial im gewünschten Ausmaß infiltriert und eingebettet hat, beispielsweise bis zu dem gegebenenfalls vorhandenen Sperrschichtelement, das wenigstens eine Oberflächengrenze der Füllstoffmasse definiert. Das Sperrschichtelement wird dazu verwendet, das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts zu behindern, zu verhindern oder zu beenden, wodurch in dem erhaltenen keramischen Verbundstoff Nettoendformen oder nahezu Nettoendformen erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung wird das Grundmetall auf solche Weise portioniert, daß eine erste Quelle des Grundmetalls erhalten wird, die die Reaktionsquelle darstellt, indem ein Körper aus der ersten Quelle mit dem Füllstoff in Berührung steht und den Vorläufer für das Oxidationsreaktionsprodukt bildet. Zusätzlich existiert ein zweiter Teil des Grundmetalls, der eine unumgesetzte Grundmetallquelle darstellt und dazu dient, als Vorrat für die erste Quelle zu dienen. Der Vorrat steht in Verbindung mit der ersten Quelle, und Grundmetall strömt beispielsweise unter Schwerkrafteinfluß aus dem Vorrat in die erste Quelle, um die Quelle aus Grundmetall zu ergänzen, die einer Oxidationsreaktion unterzogen wurde, wodurch sichergestellt wird, daß ausreichend Grundmetall zur Verfügung steht, um das Verfahren durchzuführen, bis das polykristalline Material im gewünschten Umfange gewachsen ist, d.h. bis zu der Grenzoberfläche des Füllstoffbetts. In einigen Fällen kann das Sperrschichtelement die Außenoberfläche des Füllstoffbetts umschließen oder einhüllen, so daß die Grenzoberfläche des Bettes und damit auch das Wachstum des polykristallinen Materials durch das Sperrschichtelement definiert wird. In solchen Fällen ist die Form des keramischen Körpers im wesentlichen kongruent mit der Innenoberfläche des Sperrschichtelements. Das Ausmaß der Bildung des polykristallinen Matrixmaterials kann auch auf andere Weise als durch ein Sperrschichtelement begrenzt werden, z.B. dadurch, daß man ein oder mehrere Dotierungsmittel und/oder Oxidationsmittel nur Teilen der Füllstoffmasse zufügt, in denen die Bildung des polykristallinen Materials gewünscht wird. Allgemein gesprochen wird innerhalb der Füllstoffmasse eine Oxidationskinetik aufrechterhalten, die für das Wachstum günstiger ist als die außerhalb der Füllstoffmasse.
Die keramische Verbundstruktur kann ein negatives Muster aufweisen, das die Konfiguration einer Grundmetallquelle umgekehrt repliziert, oder einen oder mehrere Hohlräume enthalten, z.B. kann sie einen Hohlkörper umfassen. Die Technik der Ergänzung des Grundmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, daß das Negativmuster oder der Hohlraum Grundmetall enthalten oder von diesem zur Gänze gefüllt sein kann, das sich verfestigt, wenn man die Struktur nach der Verarbeitung abkühlen läßt. Das verfestigte Grundmetall kann gegebenenfalls aus der Negativform oder dem Hohlraum, in dem es enthalten ist, entfernt werden, wie weiter unten beschrieben wird. Wenn eine Vorform verwendet wird, z.B. ein von einem geeigneten Bindemittel gebundener geformter Füllstoffkörper mit einer ausreichenden Rohfestigkeit zur Handhabung und Verarbeitung, fällt die Form des keramischen Verbundkörpers im wesentlichen mit der Form der Vorform zusammen, wenn Maßnahmen getroffen werden, wie sie oben beschrieben wurden, indem man entweder ein Sperrschichtelement verwendet oder innerhalb der Vorform eine solche Oxidationsreaktionskinetik aufrechterhält, die günstiger ist als die außerhalb der Vorform.
Obwohl die Erfindung nachfolgend in näheren Einzelheiten unter spezieller Bezugnahme auf Aluminium als das bevorzugte Grundmetall beschrieben wird, schließen andere geeignet Grundmetalle, die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, Silizium, Titan, Zinn, Zirkonium und Hafnium ein, ohne daß diese Aufzählung abschließend ist. Beispielsweise schließen spezifische Ausführungsformen der Erfindung dann, wenn Aluminium das Grundmetall ist, Alpha-Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumborid als das Oxidationsreaktionsprodukt ein; ferner Titan als Grundmetall und Titannitrid oder Titanborid als das Oxidationsreaktionsprodukt; Silizium als Grundmetall und Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumborid als das Oxidationsreaktionsprodukt.
Wie in den oben erwähnten europäischen Patentanmeldungen EP-A-155 831 und EP-A-169 067 detailliert beschrieben wird, können eines oder mehrere Dotierungsmittel zusammen mit dem Grundmetall verwendet werden. Hier und in den Ansprüchen bedeutet die Verwendung eines Dotierungsmittels oder mehrerer Dotierungsmittel in Verbindung mit einem Grundmetall die Stufen (1) Zulegieren eines oder mehrerer Dotierungsmittel in ein Grundmetall, (2) Aufbringen eines oder mehrerer Dotierungsmittel extern auf wenigstens einen Teil der Oberfläche eines Grundmetallkörpers, (3) Anordnen eines oder mehrerer Dotierungsmittel in der Nähe eines Grundmetalls, indem man beispielsweise eines oder mehrere Dotierungsmittel in einer Füllstoffmasse anordnet, in die hinein das polykristalline Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetalls wächst oder gebildet wird, und (4) eine Kombination irgendwelcher der genannten Stufen bzw. schließt diese Stufen ein.
Es können ein festes, ein flüssiges oder Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination derartiger Oxidationsmittel verwendet werden. Beispielsweise schließen typische Oxidationsmittel, ohne daß die Aufzählung abschließend ist, Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und Verbindungen und Kombinationen davon ein, beispielsweise Siliziumoxid (als Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen) sowie Mischungen wie Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die beiden letztgenannten (d.h. H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO &sub2;) nützlich zur Verminderung der Sauerstoffaktivität in der Umgebung sind. Demgemäß kann die erfindungsgemaße keramische Struktur beispielsweise ein Oxidationsreaktionsprodukt umfassen, das eines oder mehrere von Oxiden, Nitriden, Carbiden und Boriden aufweist. Spezieller kann das Oxidationsreaktionsprodukt eines oder mehrere von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumborid, Aluminiumborid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titanborid, Zirkoniumborid, Zirkoniumcarbid, Siliziumnitrid, Titancarbid, Hafniumcarbid, Hafniumborid und Zinnoxid sein.
Obwohl irgendwelche geeigneten Oxidationsmittel verwendet werden können, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Verwendung von Dampfphasenoxidationsmitteln beschrieben. Wenn ein Gas- oder Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, ist die Füllstoffmasse für das Dampfphasenoxidationsmittel permeabel, so daß dieses den Füllstoff bis zum Kontakt mit dem schmelzflüssigen Grundmetall durchdringen kann, das durch das sich bildende Oxidationsreaktionsprodukt transportiert wird. Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gasmischungen (einschließlich Luft) sind bevorzugte Dampfphasenoxidationsmittel, und wenn Aluminium das Grundmetall ist, ist Luft üblicherweise aus offensichtlichen Gründen der Wirtschaftlichkeit das bevorzugteste Oxidationsmittel. Wenn ein Oxidationsmittel dadurch charakterisiert wird, daß es ein spezielles Gas oder einen Dampf enthält oder umfaßt, ist damit ein Oxidationsmittel gemeint, bei dem das angegebene Gas oder Dampf das einzige, überwiegende oder wenigstens signifikante Oxidationsmittel für das Grundmetall unter den Bedingungen, die in der angewandten oxidierenden Atmosphäre erhalten werden, ist. Obwohl beispielsweise der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, ist der Sauerstoffgehalt der Luft das einzige Oxidationsmittel für das Grundmetall, da Sauerstoff ein erheblich stärkeres Oxidationsmittel ist als Stickstoff. Luft fällt daher unter die Definition eines "sauerstoffhaltiges Gas"-Oxidationsmittels, jedoch nicht unter die Definition eines "stickstoffhaltiges Gas"-Oxidationsmittels. Ein Beispiel für "stickstoffhaltiges Gas"-Oxidationsmittel gemäß der Verwendung hier und in den Ansprüchen ist "Formiergas", das typischerweise 96 Vol.% Stickstoff und 4 Vol.% Wasserstoff enthält.
Wenn ein festes Oxidationsmittel verwendet wird, wird dieses üblicherweise durch die gesamte Füllstoffmasse oder durch einen Teil des Füllstoffs angrenzend an das Grundmetall dispergiert, und zwar in Form von mit dem Füllstoff vermischten Teilchen oder gegebenenfalls als Überzüge auf den Füllstoffteilchen. Es kann irgendein geeignetes festes Oxidationsmittel verwendet werden, einschließlich von Elementen wie Bor oder Kohlenstoff oder reduzierbaren Verbindungen wie Siliziumdioxid oder bestimmten Boriden mit einer niedrigeren thermodynamischen Stabilität als das Borid-Reaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn beispielsweise Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminium-Grundmetall verwendet wird, ist das erhaltene Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumborid.
In einigen Fällen kann die Oxidationsreaktion mit einem festen Oxidationsmittel so heftig ablaufen, daß das Oxidationsreaktionsprodukt dazu neigt, aufgrund der exothermen Natur des Prozesses zu schmelzen. Diese Erscheinung kann die mikrostrukturelle Gleichförmigkeit des keramischen Körpers verschlechtern. Diese heftige exotherme Reaktion kann vermieden oder gemindert werden, indem man der Zusammensetzung relativ inerte Füllstoffe beimischt, die eine niedrige Reaktivität zeigen. Ein Beispiel für einen derartigen geeigneten Inertfüllstoff ist einer, der im wesentlichen mit dem angestrebten Oxidationsreaktionsprodukt identisch ist.
Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel verwendet wird, wird die gesamte Masse des Füllstoffs oder ein an das schmelzflüssige Metall angrenzender Teil davon mit dem Oxidationsmittel überzogen oder getränkt, um den Füllstoff zu imprägnieren. Die Bezugnahme auf ein flüssiges Oxidationsmittel meint ein solches, das unter den Reaktionsbedingungen eine Flüssigkeit darstellt, und so ein flüssiges Oxidationsmittel kann einen festen Vorläufer aufweisen, beispielsweise ein Salz, das bei den Oxidationsreaktionsbedingungen schmilzt. Alternativ dazu kann das flüssige Oxidationsmittel einen flüssigen Vorläufer aufweisen, beispielsweise eine Lösung eines Materials, die verwendet wird, einen Teil des oder den gesamten Füllstoff (s) zu imprägnieren und das bei den Oxidationsreaktionsbedingungen schmilzt oder sich zersetzt, um eine geeignete Oxidationsmitteleinheit zu liefern. Beispiele für flüssige Oxidationsmittel, wie sie hier definiert werden, schließen niedrigschmelzende Gläser ein.
Der bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendete Füllstoff kann eines oder mehrere einer großen Variationsbreite von Materialien sein, die für den Zweck geeignet sind. Eine Füllstoffmasse kann ein "formanpassender" Füllstoff sein, wobei dieser Begriff hier bedeutet, daß der Füllstoff ein solcher ist, der in einem Behälter angeordnet werden kann oder in dem ein geformtes Grundmetall eingebettet oder in Formkontakt angeordnet werden kann und der die Konfiguration des Behälters oder des geformten Grundmetalls getreu abbildet. Die Verwendung eines formanpassenden Füllstoffs ermöglicht die Anwendung der in der europäischen Patentanmeldung EP-A-259 239 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundgegenstände mit formreplizierten Oberflächen und dabei erhaltene Gegenstände" der gleichen Anmelder beschriebenen Technik. Formanpassende Füllstoffe können teilchenförmige Materialien wie feine Körner eines feuerfesten Metalloxids, Fasern, wie kurze gehackte Fasern oder ein fasernwollenartiges Material, z.B. irgendetwas wie Stahlwolle oder eine Kombination aus zwei oder mehr derartigen physikalischen Ausprägungen umfassen, z.B. eine Kombination aus feinen Körner und Fasern. Es kann irgendein nützlicher Typ oder eine nützliche Kombination von Füllstoffen verwendet werden, wie sie in den oben erwähnten Patentanmeldungen des gleichen Anmelders beschrieben werden. Als Füllstoffmasse kann auch eine Vorform verwendet werden, die in die gewünschte Konfiguration der herzustellenden keramischen Verbundstruktur geformt ist.
Die erste Grundmetallquelle, d.h. in Form eines Feststoffs für den Kontakt mit dem Füllstoff, kann in eine vorgegebene Form oder zu einem Modell verformt werden. Dieser geformte Körper aus Grundmetall wird in einer Füllstoffmasse eingebettet oder in formanpassenden Kontakt angeordnet, um die Form oder das Modell des Grundmetallkörpers invers zu replizieren. Bei der Bildung der keramischen Verbundstruktur wird das Muster durch den Verbundstoff invers repliziert. Wenn eine derartige inverse Replikation nicht gewünscht oder erforderlich ist, kann eine Vorform verwendet werden, um einen Verbundkörper einer vorgegebenen Form zu schaffen, und die erste Grundmetallquelle kann von irgendeiner bequemen Form sein, wie beispielsweise ein Gußblock, ein Knüppel, eine Stange usw. Der Grundmetallvorrat kann irgendeine bequeme Form und Größe aufweisen und kann in einer Schwerkraft-Fließverbindung mit der ersten Grundmetallquelle stehen, so daß schmelzflüssiges Grundmetall unter Schwerkrafteinwirkung aus dem Vorrat an die Bildungsstelle des Oxidationsreaktionsprodukts strömt.
Der Grundmetallvorrat wird bequemerweise in einem Bett aus teilchenförmigem Inertmaterial angeordnet, das die Oxidationsreaktion des schmelzflüssigen Grundmetalls nicht aufrechterhält oder fördert. Schmelzflüssiges Grundmetall wird der ersten Grundmetallquelle durch eine Öffnung im Boden des Behälters zugeführt. Alternativ dazu kann der Grundmetallvorrat auch in einem geeigneten Feuerfestbehälter enthalten sein.
Nunmehr bezugnehmend auf die Figuren zeigt Fig. 1 eine Anordnung 10 mit einer Vorratskammer 12 und einem Sperrschichtelementbehälter 14, der darunter angeordnet ist und mit der Vorratskammer 12 über eine Öffnung (nicht numeriert) im Boden 28 der Vorratskammer 12 verbunden ist. Der Sperrschichtbehälter 14 weist eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration auf und hat eine Innenoberfläche, die durch ein Gitter 16 (Fig. 1 und 1A) definiert wird, das innerhalb eines perforierten Zylinders 18 angeordnet und von diesem verstärkt wird, der als ein äußeres starres Teil dient, das das zylindrische Gitter 16 verstärkt. Anstelle des Gitters kann auch ein perforiertes Metallblatt, beispielsweise aus nicht rostendem Stahl, verwendet werden. Der Zylinder 18 weist über seine ganze Oberfläche ein Muster von Perforationen 20 (Fig. 1A) auf und ist starr genug, um während der Verarbeitung die Form einer Masse aus formanpassendem Füllstoff aufrechtzuerhalten, die von der Matrix des keramischen Materials eingebettet werden soll, das aus dem Grundmetall wächst. Das Gitter 16 kann ein Gitter aus einem Feuerfestgewebe oder einem Metall, z.B. aus nicht rostendem Stahl sein. In jedem Falle ist es in der geschilderten Ausführungsform ein gewebtes offenmaschiges Gitter, von dem viele Öffnungen mit den Perforationen 20 des Zylinders 18 fluchten, so daß der Sperrschichtelementbehälter 14 für einen Eintritt der umgebenden oxidierenden Atmosphäre offen ist. Eine Vielzahl von Winkelbändern 20 aus nicht rostendem Stahl ist in einem Abstand voneinander über die Außenoberfläche des Zylinders 18 verteilt und wird von Klemmringen 32 an Ort und Stelle gehalten, um die Struktur zu verstärken. Eine Basis 24, die entweder fest sein kann oder eine durchbrochene Struktur aufweisen kann, schließt den Boden des Sperrschichtelementbehälters 14.
Die Vorratskammer 12, die ebenfalls von zylindrischer Konfiguration ist und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Sperrschichtelementbehälter 14, wird von Vorratswänden 26 und einem Boden 28 umschlossen, die aus einem undurchbrochenen Material hergestellt sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Grundmetall so portioniert, so daß ein Vorrat 34 an Grundmetall bereitgestellt wird, der in einem in der Vorratskammer 12 befindlichen Bett aus Inertmaterial 30 getragen wird, sowie eine geformte, langgestreckte erste Grundmetallquelle 36, die von einer Masse aus einem formanpassenden Füllstoff 38 gestützt wird, der den Sperrschichtelementbehälter 14 füllt. Der Behälter 34 weist einen nach innen abgeschrägten Bereich auf, von dem aus sich ein kreisförmiger zylindrischer Abschnitt nach unten in Anlagekontakt mit der ersten Quelle 36 an der Verbindungsstelle der Vorratskammer und des Sperrschichtelementbehälters 14 erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform weist das langgestreckte zylindrische Grundmetall 36 eine Form auf, die eine Reihe von drei im wesentlichen scheibenartigen Vorsprüngen 36a, 36b und 36c in Abständen voneinander in Längsrichtung aufweist und sich als Kern aus Grundmetall innerhalb einer Masse aus einem formanpassenden Füllstoff 38 und im Kontakt damit erstreckt. Zur Erleichterung der Oxidationsreaktion können eines oder mehrere Dotierungsmittel in das Grundmetall (einschließlich Vorrat 34) legiert sein und/oder können extern auf die erste Quelle 36 oder Teile davon oder auf den Füllstoff 38 aufgebracht sein, und zwar wenigstens in der Nachbarschaft der ersten Quelle 36.
Der Vorratsbehälter 12 ist mit einem Haltebett aus teilchenförmigem Inertmaterial 30 gefüllt, das von dem schmelzflüssigen Grundmetall nicht benetzbar ist, so daß die Bildung und das Wachstum des polykristallinen Materials ausgeschlossen oder stark behindert sind. Demzufolge steht ein Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall, der beim Schmelzen unter Bildung des Vorrats 34 erhalten wird, für ein Nachfließen aus dem Bett 30 in die erste Quelle 36 unter Schwerkrafteinwirkung zur Verfügung, um Grundmetall zu ergänzen, das durch Oxidationsreaktion verbraucht wurde. Im Falle eines Aluminium-Grundmetalls kann das Material teilchenförmiges El Alundum umfassen, ein Produkt der Norton Company. Wenn erforderlich oder wünschenswert, kann eine Vorratsdeckplatte die obere Öffnung der Vorratskammer 12 gegen die umgebende Atmosphäre abschließen, und eine Abschlußplatte kann in ähnlicher Weise zwischen der Vorratskammer 12 und dem Sperrelementbehälter 14 verwendet werden, nur daß dieser eine Öffnung aufweist, um eine Strömungsverbindung zwischen dem schmelzflüssigen Grundmetall aus dem Vorrat 34 zu der ersten Quelle 36 zu ermöglichen.
Der formanpassende Füllstoff 38 innerhalb des Sperrelementbehälters 14 bildet die durch das Gitter 16 gebildete Innenoberfläche des Sperrelementbehälters 14 ab, so daß die innere Konfiguration des Sperrelementbehälters 14 die äußere Grenze oder Konfiguration der Füllstoffmasse 18 als wachstumsstoppende Grenze für das Oxidationsreaktionsprodukt definiert. Diese Grenze definiert somit die äußere Konfiguration der keramischen Verbundstruktur, die man innerhalb des Sperrelementbehälters 14 wachsen läßt. Außerdem bildet der Füllstoff in einer derartigen Packungsanordnung auch die Form oder Geometrie der ersten Quelle 36 ab, so daß letztere einen gefüllten Hohlraum innerhalb der Masse des formanpassenden Füllstoffs 38 definiert und ausfüllt.
Die Füllstoffbett-Anordnung 10 wird innerhalb eines Ofens angeordnet, der ein geeignetes Dampfphasenoxidationsmittel enthält oder dem ein solches zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich können ein festes oder flüssiges Oxidationsmittel oder beide in der Füllstoffmasse 38 vorgesehen sein. Wenn ein Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, kann dieses beispielsweise atmosphärische Luft umfassen, und in diesem Falle können geeignete Lüftungsöffnungen in dem Ofen verwendet werden, um eine Quelle des Dampfphasenoxidationsmittels dadurch zuzuführen, daß man einfach Luft in das Ofeninnere gelangen läßt. Die gesamte Anordnung 10 kann in einer senkrechten Stellung (wie in Fig. 1 gezeigt) in dem Ofen abgestützt werden, und zwar durch irgendeine nicht dargestellte Stützeinrichtung. Das Dampfphasenoxidationsmittel dringt in die Masse des formanpassenden Füllstoffs 38 durch die Perforationen 20 des Zylinders 18 und die Öffnungen des Gitters 16 ein und oxidiert das schmelzflüssige Grundmetall. Das erhaltene Wachstum des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts schreitet wie oben beschrieben fort, während schmelzflüssiges Grundmetall aus der ersten Quelle 36 durch das Oxidationsreaktionsprodukt an dessen Oberfläche gesaugt und dort oxidiert wird und zusätzliches Oxidationsreaktionsprodukt bildet. Der Vorrat an schmelzflüssigem Grundmetall wird durch den Zufluß aus dem Vorrat 34 in die erste Quelle 36 ergänzt. Wenn das Wachsen des polykristallinen Materials das Gitter 16 erreicht, wird ein weiteres Wachstum durch das wachstumsstoppende Element gestoppt, das durch das Gitter 16 mit dem Zylinder 18 als Hintergrund gebildet wird. Auf diese Weise wird das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts so eingeschränkt, daß es im wesentlichen das eingesetzte Sperrelement abbildet, das bei der dargestellten Ausführungsform von der Innenoberfläche des Gitters 16 des Sperrelementbehälters 14 gebildet wird. Es versteht sich, daß die Innenoberfläche des Sperrelementbehälters 14 irgendeine aus einer großen Anzahl von Formen aufweisen kann, um dem gebildeten keramischen Verbundkörper eine gewünschte Oberflächengeometrie zu verleihen.
Die Menge des Grundmetallvorrats 34 kann relativ zu der ersten Quelle 36 vorbestimmt werden, um ausreichend Grundmetall zur Verfügung zu stellen, um die erste Quelle 36 wenigstens so lange mit Metall gefüllt zu halten, bis das Gesamtvolumen des Füllstoffs 38 von dem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt infiltriert oder darin eingebettet ist. Wenn dieser Punkt erreicht ist, wird die Ofentemperatur vermindert und man läßt die Anordnung abkühlen, und die erste Grundmetallquelle 36 verfestigt sich und liegt innig an der Keramikmatrix an. Die erhaltene keramische Verbundstruktur weist auf diese Weise ein Metallsubstrat mit einer Keramikoberfläche auf, und in dieser Ausführungsform ist das Keramiksubstrat extern zu dem Metallsubstrat angeordnet und umschließt dieses teilweise.
Für eine Erleichterung des Auseinanderbaus kann der perforierte Zylinder 18 gewünschtenfalls von zwei Halbzylindern gebildet werden, die auf irgendeine geeignete Weise an Ort und Stelle gehalten werden, z.B. durch Winkeleisenbänder 22 und Ringklammern 32, die entfernt werden können, um eine Entfernung der beiden längsgeschlitzten Hälften des perforierten Zylinders 18 zu gestatten. Nach der Entfernung des perforierten Zylinders 18 kann das Gitter 16 ausgerollt oder abgeschnitten werden. Die keramische Verbundstruktur kann an oder in der Nähe des oberen Bereichs des Sperrelementbehälters 14 (wie in Fig. 1 gezeigt) abgeschnitten werden, um einen im wesentlichen zylinderförmigen keramischen Verbundkörper 14 zu erhalten, wie er in Fig. 2 gezeigt ist. Der keramische Verbundkörper 40 weist eine Innenbohrung 42 auf, die eine inverse Replikation der Form der ersten Quelle 36 des Grundmetallteils darstellt, einschließlich einer Reihe von teilvergrößerten Kammern 42a, 42b und 42c. Das verfestigte Grundmetall in der Bohrung 2 kann gewünschtenfalls auf irgendeine geeignete Weise entfernt werden. Beispielsweise kann die Bohrung 42 herausgebohrt werden und das restliche Metall, das sich vor allem innerhalb der Kammer 42a-42c befindet, kann durch chemische Herauslösung entfernt werden, beispielsweise im Falle eines Aluminium-Grundmetalls mit Salzsäure. Salzsäure löst das Metall auf, greift jedoch den keramischen Verbundkörper nicht an. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den gesamten Grundmetallkern oder einen Teil davon an Ort und Stelle zu lassen, um ein Endprodukt herzustellen, das einen Metallkern oder ein Metallsubstrat aufweist, oder einen Teil oder die Gesamtmenge des Kerns durch ein anderes Material zu ersetzen, beispielsweise ein anderes Metall oder eine Legierung oder irgendein anderes Material wie beispielsweise ein synthetisches organisches Polymermaterial (Kunststoff).
Die Außenoberfläche des keramischen Verbundkörpers 40 kann eine rauhe Oberfläche aufweisen, die das Webmuster des Gitters abbildet, und es kann daher erwünscht sein, die Außenoberfläche spanabhebend zu behandeln, um sie glatt zu machen, obwohl in einigen Fällen die rohe Texture des Gitters 16 (oder eines anderen vorgegebenen Musters) erwünscht sein kann.
Für bestimmte Konfigurationen des Sperrelementbehälters 14 kann es erforderlich oder erwünscht sein, mit Hilfe von Verbindungen vom Knierohr-Typ einen oder mehrere zusätzliche Metallvorräte vorzusehen, um schmelzflüssiges Ergänzungsmetall an verschiedenen Punkten längs der ersten Quelle 36 zuzuführen.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 3 ist dort eine Anordnung aus einer Vorform 44 gezeigt, auf der sich in Anlage damit ein Grundmetallvorrat 46 befindet. Die Außenoberflächen des Vorrats 46 und der Vorform 44 werden von einem Sperrelement umgeben, das aus einer Schicht aus gebranntem Gips 48 besteht, die durch Einarbeitung eines ausbrennbaren Materials in die Schicht 48 luftdurchlässig gemacht ist. Das Sperrelement umhüllt und definiert auf diese Weise ein Grenze von wenigstens einer Oberfläche der Vorform 44. In der gezeigten Ausführungsform ist die vom Sperrelement umhüllte Oberfläche die gesamte Oberfläche der Vorform 44 mit der Ausnahme desjenigen Bereichs, der den Vorrat 46 berührt. Somit bezeichnet gemäß der Verwendung hier und in den Ansprüchen die wenigstens eine Oberfläche oder wenigstens eine Oberfläche einer Füllstoffmasse, die durch das Sperrelement definiert wird, denjenigen Abschnitt der Masse, der von dem Sperrschichtelement bedeckt ist oder an dieses anliegt.
Der von der Schicht aus gebranntem Gips umhüllte Vorrat 46 und die Vorform 44 werden von einem Haltebett aus inertem Material 50 getragen, das sich innerhalb eines Feuerfestgefäßes 42 befindet, beispielsweise eines Aluminiumoxid-Feuerfestgefäßes 52. Die Vorform 44 weist die Form eines Kolbens einer Brennkraftmaschine auf und schließt einen Kopfteil 44a, eine Ringnut 44b und einen Hohlbereich 44c ein, in dem ein Paar von radial einander gegenüberliegenden Anschlußöffnungen 44d und 44e ausgebildet sind. Eine erste Quelle 54 aus Grundmetall ist innerhalb des hohlen Bereichs 44c und in Kontakt mit dessen Innenoberflächen angeordnet. Die Schicht 48 aus gebranntem Gips, die die Vorform 44 umhüllt, bildet eine wachstumsstoppende Sperrschicht, die die Außenoberfläche der Vorform 44 abbildet und dazu beiträgt, eine glatte Oberfläche des keramischen Verbundkörpers zu gewährleisten, indem sie das Wachstum des polykristallinen Materials über die Vorform hinaus verhindert. Die Schicht 48 aus gebranntem Gips, die den Vorrat 46 umgibt, erleichtert den Zusammenbau und stellt einen Behälter für das schmelzflüssige Grundmetall dar, das beim Erhitzen der Anordnung erhalten wird. Da das Bett aus Inertmaterial 50 jedoch von dem schmelzflüssigen Grundmetall nicht benetzbar ist, wäre es ausreichend, den Vorrat an schmelzflüssigen Grundmetall an Ort und Stelle zu halten, selbst wenn dieser nicht von dem gebrannten Gips umgeben wäre. Das Bett aus Inertmaterial 50 ist auch für das Dampfphasenoxidationsmittel, z.B. Luft, durchlässig. Wenn man, wie oben beschrieben, auf eine geeignete Verfahrenstemperatur erhitzt, oxidiert das Dampfphasenoxidationsmittel, z.B. Luft, das schmelzflüssige Grundmetall, das an die Oberflächen des Oxidationsreaktionsprodukts transportiert wird, um, wie oben beschrieben, ein polykristallines Matrixmaterial zu bilden. So wie das schmelzflüssige Grundmetall aus der ersten Quelle 54 verbraucht wird, so ergänzt schmelzflüssiges Metall aus dem Vorrat 46 die Quelle 44, und die Reaktion setzt sich fort, bis die polykristalline keramische Matrix bis zu dem Sperrschichtelement wächst, das von der Schicht 48 aus gebranntem Gips um die Vorform 44 gebildet wird. An diesem Punkt wird die Reaktion gestoppt, z.B. durch Absenken der Ofentemperatur, und die Anordnung kann aus dem Bett 50 entfernt werden und die Schicht aus gebranntem Gips beispielsweise durch Sandstrahlen entfernt werden. Schmelzflüssiges Grundmetall kann aus dem hohlen Teil 44c herausgegossen werden und unumgesetztes Grundmetall, das sich darin verfestigt, kann, wie oben beschrieben, mechanisch oder chemisch entfernt werden.
Fig. 4 zeigt die keramisch Verbundstruktur, die aus der Anordnung von Fig. 3 erhalten wird. Ein keramischer Verbundkolben 44' umfaßt die Vorform 44, die von einer Keramikmatrix infiltriert ist, die das Oxidationsreaktionsprodukt sowie gegebenenfalls Metallbestandteile aufweist, beispielsweise nicht oxidierte Bestandteile des Grundmetalls oder reduzierte Bestandteile des Dotierungsmittel, Füllstoffs oder Oxidationsmittels (in einem Fall, in dem das Oxidationsmittel eine reduzierbare Metallverbindung ist). Da das Wachstum der Keramikmatrix an der Grenze gestoppt wird, die von der Außenoberfläche der Vorform 44 gebildet wird, ist der erhaltene Kolben 44' genau geformt und weist einen Kopfabschnitt 44a', eine Ringnut 44b', einen hohlen Bereich 44c' sowie ein Paar von radial gegenüberliegenden Anlenkbolzen-Öffnungen 44c' und 44e' auf.
Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung, bei der eine Füllstoffvorform 46 die Form einer 45º-Knierohrverbindung aufweist, die Flansche 56a und 56b an ihren gegenüberliegenden Enden aufweist. Ein feuerfester Vorratsbehälter 58 weist ein in seinem Boden ausgebildetes Loch 60 auf und ist gegen die Senkrechte geneigt, um ihn in einem ebenen anliegenden Kontakt mit dem Flansch 56a der Vorform 56 anzuordnen. Der Flansch 56b ist durch einen Stopfen 62 aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise gebranntem Gips, verstopft. Die Anordnung wird von einem Bett aus Inertmaterial 64 aufgenommen, das seinerseits in einem Feuerfestbehälter 66 enthalten ist. Fig. 5 zeigt einen Vorrat 68 von schmelzflüssigem Grundmetall, das innerhalb des feuerfesten Vorratsbehälters 58 enthalten ist und in die Vorform 56 strömt, um die darin enthaltene schmelzflüssige erste Grundmetallquelle 70 zu ergänzen.
In beiden Ausführungen der Fig. 3 und 5 kann das feste Grundmetall als erste Quelle (54 in Fig. 3 und 70 in Fig. 5) als solches eingesetzt und in situ geschmolzen werden, um die erste Quelle aus schmelzflüssigem Grundmetall zu bilden. Alternativ dazu könnte man auch ursprünglich nur den Vorrat 46 in Fig. 3 und 68 in Fig. 5 vorsehen, und beim Schmelzen fließt schmelzflüssiges Grundmetall aus dem Vorrat in Kontakt mit der Vorform (44 in der Ausführungsform von Fig. 3 und 56 in der von Fig. 5) um die erste Quelle aus Grundmetall in Kontakt mit dem Füllstoff zu bilden. Die erste Quelle aus Grundmetall kann somit sowohl ursprünglich aus dem Grundmetallvorrat gebildet und danach ergänzt werden.
Die Bereitstellung eines Grundmetallvorrats zur Ergänzung der ersten Grundmetallquelle im Inneren des hohlen Bereichs 44c trägt dazu bei, ein wirksames und gleichmäßiges Wachstum der keramischen Matrix in die Vorform 44 zu gewährleisten, indem zu jedem Zeitpunkt eine Inhaltsmenge an Grundmetall zum vollständigen Ausfüllen des hohlen Innenbereichs des Abschnitts 44c gewährleistet wird. Das eliminiert die Möglichkeit, daß Teile der Vorform 44 nicht mit der keramischen Matrix gefüllt werden, weil im Zuge des Absenkens des Niveaus an schmelzflüssigem Grundmetall innerhalb des hohlen Bereichs 44c durch den Verbrauch des Metalls die Zufuhr an schmelzflüssigem Grundmetall zu der Vorform 44 (in Fig. 3) abnimmt.
Im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann die erste Quelle 70 des Grundmetalls entweder dadurch bereitgestellt werden, daß man einen festen Körper aus schmelzflüssigem Metall innerhalb der Vorform 56 vor dem Erhitzen anordnet, oder indem man schmelzflüssiges Metall aus dem Vorratsbehälter 58 strömen läßt, um den Innenraum der Vorform 56 zu füllen. Es ist offensichtlich, daß die dargestellte relative Dicke der Wände der Vorform 56 verglichen mit ihrem hohlen Innenraum so ist, daß darin mehr als genug schmelzflüssiges Grundmetall enthalten ist, um die Gesamtheit des Vorform-Füllstoffs mit der keramischen Matrix beim Durchführen der Oxidationsreaktion zu füllen. Der Vorteil, einen Vorrat aus schmelzflüssigem Metall zu erzeugen, liegt in diesem Falle darin, daß, wie oben im Hinblick auf die Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist, dieser das Niveau des schmelzflüssigen Grundmetalls hoch genug halten kann, das Innere der Vorform 56 bis oben gefüllt zu halten, wodurch man ein gleichförmiges Wachstum des polykristallinen Matrixmaterials durch die ganze Vorform 56 gewährleistet, ohne Diskontinuitäten in der keramischen Matrix.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird die Vorform 56 in ein Bett 44 aus teilchenförmigem Inertmaterial gepackt, in das hinein es zu keinem nennenswerten Wachstum der Keramikmatrix kommt, so daß die Keramikmatrix bis zu der Grenze wächst, die durch die Außenoberflächen der Vorform 56 definiert sind. Der Stopfen 62 aus gebranntem Gips dient dazu, das teilchenförmige Inertmaterial 64 aus dem Inneren der Vorform 46 herauszuhalten. Wenn es erforderlich oder gewünscht ist, kann gebrannter Gips oder irgendein anderes ähnliches Material in der Art einer Packungsdichtung um den Boden des feuerfesten Vorratsbehälters 58 und den Flansch 56a der Vorform 56 herum verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch das gesamte Äußere der Vorform 56 von einer Schicht aus luftdurchlässigem gebranntem Gips umhüllt werden, der von dem fertigen keramischen Verbundkörper entfernt wird.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 6 ist dort eine andere Anordnung gezeigt, bei der eine im allgemeinen kreisförmige zylindrisch geformte Vorform 72 einen Basisabschnitt 74 und einen engeren Halsabschnitt 76 aufweist, der in einem Endabschnitt 78 endet. Eine Hohlbohrung 80 erstreckt sich konzentrisch um deren Längsachse durch die Vorform 72. Das Ende der Bohrung 80, das sich zur Oberfläche des Endabschnitts 78 öffnet, wird durch einen Stopfen 82 aus einem geeigneten Material, wie gebranntem Gips, verschlossen. Das gegenüberliegende Ende der Bohrung 80, das sich zum Ende des Basisabschnitts 74 öffnet, wird in Strömungsverbindung mit einer Leitung 84 angeordnet, die aus einem geeigneten Material hergestellt ist, das ebenfalls gebrannter Gips sein kann. Die Leitung 84 ist somit ein kurzer Abschnitt aus einem Rohr aus gebranntem Gips, von dem ein Ende an dem Basisabschnitt 74 anliegt und das gegenüberliegende Ende an einem Grundmetallvorrat 86 anliegt. Die Leitung 84 und der Vorrat 86 sind im wesentlichen koaxial angeordnet. Die Vorform 72 ist so angeordnet, daß ihre Längsachse L einen Winkel mit der Horizontalen einschließt, die durch die Linie H-H angegeben ist. Indem auf diese Weise die Vorform 72 mit einem leicht geneigten Ende 78 angeordnet ist, beispielsweise unter einem Winkel von 5 bis 10º unter die Horizontale, wird der Fluß des schmelzflüssigen Grundmetalls aus dem Vorrat 86 durch die Leitung 84 und anschließend in die Bohrung 80 erleichtert. Die Vorform 72, die Leitung 84 und der Grundmetallvorrat 86 werden von einem Bett aus einem teilchenförmigen Inertmaterial 58 getragen, das in einem Feuerfestbehälter 90 enthalten ist. Bei der Durchführung des Verfahrens schmilzt der Grundmetallvorrat und fließt durch die Leitung 84 in die Bohrung 80, wobei er diese mit schmelzflüssigem Grundmetall füllt. Die Öffnung in der Leitung 84 und die Bohrung 80 können somit als Eingußkanal betrachtet werden, durch den schmelzflüssiges Grundmetall der Vorform 72 zugeführt wird. Der Stopfen 82 hält Inertmaterial 88 aus der Bohrung 80. Ein Dampfphasenoxidationsmittel, wie beispielsweise Luft, durchdringt das Bett aus Inertmaterial 88 und die Vorform 72 und oxidiert das schmelzflüssige Grundmetall. In dem Umfange, in dem schmelzflüssiges Grundmetall innerhalb der Bohrung 80 verbraucht wird, wird das Grundmetall durch schmelzflüssiges Metall ersetzt, das aus dem Vorrat 86 zuströmt, so daß die Bohrung 80 während des ganzen Verfahrens vollständig mit schmelzflüssigem Grundmetall gefüllt gehalten wird.
Wie klar in Fig. 6 dargestellt ist, ist die Menge an schmelzflüssigem Metall, das innerhalb der Bohrung 80 vorhanden sein kann, ohne Ersatz des verbrauchten Materials nicht ausreichend, um die Vorform 72 mit dem polykristallinen Material vollständig zu füllen, das durch die Oxidationsreaktion des Grundmetalls gebildet wird und die keramische Matrix erzeugt, die die Vorform 72 infiltriert (das steht im Gegensatz zu der Anordnung von Fig. 5, bei der der Vorrat an schmelzflüssigem Grundmetall 70 innerhalb der Vorform 56 ganz klar mehr als ausreicht, die relativ dünnen Wände der Vorform 56 mit der keramischen Matrix zu füllen). Im Falle der Ausführungsform von Fig. 6 stellt der Vorrat 86 zusätzlich dazu, daß er eine gleichmäßige Zufuhr von schmelzflüssigem Metall gewährleistet, auch ein Mittel dar, um kontinuierlich ausreichend schmelzflüssiges Grundmetall über die relativ kleinvolumige Bohrung 80 zuzuführen, um vollständig die Vorform 72 mit dem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt zu füllen. Die Ergänzungstechnik der vorliegenden Erfindung erlaubt somit die Bildung des polykristallinen Materials aus einer kleinvolumigen Zone einer ersten Quelle von schmelzflüssigem Grundmetall und aus einer derartigen Zone heraus die Infiltration eines sehr viel größeren Füllstoffvolumens mit dem polykristallinen Matrixmaterial. Indem man in der Tat fortgesetzt schmelzflüssiges Grundmetall in der Zone ergänzt, kann ein Füllstoffvolumen von nahezu jeder beliebigen gewünschten Größe mit polykristallinem Matrixmaterial infiltriert werden, das aus einem Grundmetall hergestellt wird, das man aus einer derartigen Zone heraus der Oxidationsreaktion zu führt.
Die Bildung der Keramikmatrix wird an der Grenze gestoppt, die durch die Außenoberfläche der Vorform 72 definiert wird. Wie oben erläutert, kann die Vorform 72 von einem geeigneten Sperrschichtelement eingehüllt sein. Der verfestigte Kern aus Grundmetall, der in der Bohrung 80 zurückbleibt, kann in der fertigen Struktur belassen werden, oder er kann vollständig oder teilweise entfernt oder durch ein anderes geeignetes Material ersetzt werden, wie erforderlich. Die fertige keramische Verbundstruktur ist in Fig. 7 gezeigt als ein keramischer Verbundkörper 72' mit einem Basisabschnitt 74', einem Halsabschnitt 76' mit einer konkaven Ausnehmung und einem Endabschnitt 78' sowie mit einer Bohrung 80', die sich in Längsrichtung durch ihn hindurch erstreckt.
Fig. 8 zeigt eine weitere Anordnung, in der ein Vorform 92 einen im allgemeinen scheibenartigen Radabschnitt 74 aufweist, von dessen einer Seite sich eine zentrale hohle Welle 98 sowie ein konzentrischer kreisförmiger Rand 96 weg erstrecken. Die Welle 98 weist eine Bohrung 100 auf, die sich durch sie hindurch erstreckt und in einem nach außen weiter werdenden Ende 100a endet, das sich auf eine Oberfläche des Radabschnitts 94 gegenüber derjenigen öffnet, von der sich der Rand 96 und die Welle 98 erstrecken. Das obere Ende (gemäß Fig. 8) der Bohrung 100 ist mit einem Stopfen 102 aus einem geeigneten Material, wie gebranntem Gips, verschlossen. Unterhalb (gemäß Fig. 8) der Vorform 92 und in Anlage damit ist ein Grundmetallquellen-Körper 104 angeordnet.
Eine rechtwinklige Knieleitung 106 weist ein offenes Ende davon in Anlage mit dem Grundmetallquellen-Körper 104 auf, und das gegenüberliegende obere (gemäß Fig. 8) offene Ende davon ist in Anlage mit einem Grundmetallreservoir 108 angeordnet. Es ist nur ein derartiger Grundmetallvorrat 108 und eine zugehörige Leitung 106 in Fig. 8 gezeigt, es ist jedoch einzusehen, daß zwei oder mehr Grundmetallvorräte und ihre zugehörigen Leitungen in ähnlicher Weise um den Umfang der ersten Quelle 104 des Grundmetalls herum angeordnet sein können, wobei die erste Quelle vorzugsweise scheibenförmig ist und im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie den Radabschnitt 94 der Vorform 92 aufweisen kann. Die Vorform 92, die Körper aus Grundmetall 104 und 108 und die Leitung 106 sind alle innerhalb eines Betts aus einem teilchenförmigen Inertmaterial 110 enthalten, daß seinerseits in einem Feuerfestbehälter 112 enthalten ist.
Beim Erhitzen auf eine geeignete Reaktionstemperatur, z.B. innerhalb eines Ofens in einer Luftatmosphäre, schmilzt das Grundmetall, um eine erste Grundmetallquelle 104 im Kontakt mit der Vorform 92 zu bilden, und Grundmetall aus dem Vorrat 108 schmilzt und fließt durch die Leitung 106 nach unten, wodurch ein Überstand aus Grundmetall erzeugt wird, der schmelzflüssiges Grundmetall nach oben durch das Ende 100a und die Bohrung 100 bis zum oberen Ende (gemäß Fig. 8) der Bohrung 100 drückt, wo es durch einen Stopfen 102 angehalten wird. Bei dieser Anordnung ergänzt der Vorrat 108 nicht nur die erste Quelle 104, um eine ausreichende Zufuhr an Grundmetall für die vollständige Füllung der Vorform 92 mit polykristallinem Matrixmaterial zu gewährleisten, sondern er füllt auch die gesamte Länge der Bohrung 100 mit schmelzflüssigem Grundmetall und hält sie gefüllt (so lange wie das Niveau des schmelzflüssigen Metalls im Vorrat 108 wenigstens auf der Höhe der Bohrung 100 gehalten wird). Das trägt dazu bei, ein gleichförmiges Wachstum der keramischen Matrix durch die gesamte Vorform 92 zu gewährleisten. Wenn der Vorrat 108 und die zugehörige Leitung 106 weggelassen würden, könnten selbst dann, wenn man die Grundmetallquelle 104 groß genug machte, um einen Vorrat zu gewährleisten, der ausreicht, die Vorform 92 mit der keramischen Matrix zu füllen, Schwierigkeiten beim Fluß des schmelzflüssigen Grundmetalls durch sie hindurch auftreten, und zwar insbesondere am Engpaß, der an der Basis der Welle 98 existiert, wo diese mit dem Radbereich 94 verbunden ist. Während das schmelzflüssige Grundmetall eine gute Dochtwirkung durch die permeable Vorform 92 aufweist, kann dann, wenn die Zufuhr an schmelzflüssigem Grundmetall, die durch die Quelle 104 gewährleistet ist, erschöpft ist, ohne daß ein Vorrat 108 vorgesehen ist, der eine Ergänzung des schmelzflüssigen Grundmetalls unter einem statischen Drucküberstand gewährleistet, im Falle von sehr großen Teilen die Dochtwirkung unzureichend sein, um ein vollständiges gleichförmiges Wachstum zu gewährleisten, und zwar insbesondere durch die Welle 98, die von dem Radabschnitt 94 entfernt liegt. Die Technik der vorliegenden Erfindung überwindet dieses Problem bei der dargestellten Ausführungsform erfolgreich, indem man die Bohrung 100 bis zu ihrem oberen Ende mit einem Vorrat an schmelzflüssigem Metall unter einem mehr oder weniger statischen Drucküberstand füllt und außerdem die Quelle 104 des schmelzflüssigen Metalls auf ähnliche Weise gefüllt hält. Der Vorrat 108 selbst kann von Zeit zu Zeit ergänzt werden, wenn und wie erforderlich.
Fig. 9 zeigt den keramischen Verbundkörper 92', der aus der in Fig. 8 gezeigten Anordnung erhalten wird und der einen zentralen Schaft 98' aufweist, in dem eine Bohrung 100' ausgebildet ist und der einen Radabschnitt 94' mit einem kreisförmigen Rand 96' aufweist, der sich von der gleichen Oberfläche erstreckt, von der aus sich der Schaft 98' erstreckt. Wie oben bei den anderen Ausführungsformen angegeben, kann verfestigtes schmelzflüssiges Metall, das sich innerhalb der Bohrung 100 und innerhalb des Endes 100a befindet, aus dem fertigen keramischen Verbundprodukt entfernt werden. Alternativ dazu kann man die gesamte Bohrung 100 oder einen Teil davon und das Ende 100a mit verfestigtem Grundmetall gefüllt lassen, oder sie können teilweise oder vollständig mit einem anderen geeigneten Material gefüllt sein. In jedem Falle kann das Material, das die Bohrung 100 und das Ende 100a füllt, beispielsweise gebohrt werden, um eine Durchgangsbohrung mit einem kleineren Durchmesser zu erzeugen.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 10 ist in einen Querschnitts-Aufrißansicht eine Anordnung gezeigt, die einen feuerfesten Vorratsbehälter 114 mit einem Grundmetallvorrat 116 einschließt, der als im wesentlichen mit schmelzflüssigen Grundmetall gefüllt gezeigt ist. Ein Loch 118 ist im Boden des Behälters 114 ausgebildet, durch das schmelzflüssiges Grundmetall unter Schwerkrafteinwirkung in einen flachen zentralen Trog 120 fließt, der in einer Basis oder einem Boden 122 aus einem Haltematerial ausgebildet ist. Das Haltematerial kann von irgendeinem geeigneten Material, wie gebranntem Gips, gebildet werden, das sich in einem Feuerfesttiegel 124 befindet. Beispielsweise kann ein Feuerfesttiegel 124 teilweise gefüllt sein, z.B. bis etwa die Hälfte seiner Tiefe, wie in Fig. 11 gezeigt ist, mit einem fließfähigen gebranntem Gips, den man abbinden und härten läßt. Ein flacher zentraler Trog wird aus dem ausgehärtetem gebranntem Gips herausgeschnitten oder wird unter Verwendung einer geeigneten Form, die man in den gebrannten Gips vor der Härtung einlegt, ausgeformt.
Eine Vielzahl von identischen permeablen Vorformen 126 weisen im allgemeinen eine becher- oder trinkglasförmige Konfiguration auf und sind mit ihren offenen Seiten rücklings nach unten und nebeneinander längs des Trogs 120 angeordnet. Die Räume zwischen benachbarten hohlen Vorformen 126 oberhalb des Trogs 120 sind mit Stopfen 128 aus einem geeigneten Material, wie gebranntem Gips, geschlossen. Zu Anfang kann ein Grundmetall als erste Quelle in dem hohlen Bereich einer jeden Vorform 126 angeordnet werden, und ein Vorrat an Grundmetall wird innerhalb des Behälters 114 angeordnet. Alternativ dazu kann es bequemer sein, schmelzflüssiges Grundmetall in den Behälter 114 einzugießen (oder ein festes Grundmetall in den Behälter 114 zu geben und dann die Anordnung zu erhitzen, um das Grundmetall zu schmelzen) und dann das Grundmetall aus dem Behälter 114 durch den Trog 120 in jede der Vorformen 126 einströmen zu lassen. In jedem Falle erfolgt unter Schwerkraftfluß ein Ersatz des schmelzflüssigen Grundmetalls aus dem Behälter 114 durch das Loch 118 in seinem Boden (gemäß Fig. 10), dann durch den Trog 120 und in den hohlen Innenraum der Vorformen 126. Der linke Bereich der Fig. 10 zeigt das schmelzflüssige Grundmetall im Behälter 114, im Trog 120 und als Füllung des Innenraums der Vorformen 126. Im rechten Teil der Fig. 10, und zwar rechts von der senkrechten unregelmäßigen Trennlinie durch das Zentrum einer der Vorformen 126, ist das schmelzflüssige Grundmetall weggelassen, um klarer die Anordnung der hohlen Vorformen 126 über und längs des Trogs 120 zu zeigen. Ähnlich sind im rechten Teil der Fig. 11 ein Teil der zentralen Vorform zusammen mit den beiden rechts davon genau wie deren Stopfen 128 weggelassen, um die Konfiguration des Trogs 120 relativ zu den Vorformen besser zu zeigen. Die weggelassenen Gegenstände sind in Fig. 11 gestrichelt gezeigt, wobei gleichzeitig ein Teil des Behälters 114 weggelassen ist. Der statische Überstand an schmelzflüssigem Grundmetall im Vorratsbehälter 114 gewährleistet, daß jede der Vorformen mit schmelzflüssigem Grundmetall gefüllt gehalten wird, um Grundmetall zu ersetzen, während es während des Verfahrens zur Bildung der polykristallinen keramischen Matrix verbraucht wird, die den Füllstoff einbettet, wie oben bezüglich der anderen Ausführungsformen beschrieben ist. Wenn die Reaktion so weit abgeschlossen ist, daß alle Vorformen vollständig von der keramischen Matrix infiltriert sind, wird die Anordnung aus dem Ofen entfernt, und überschüssiges schmelzflüssiges Metall kann aus den keramischen Verbundkörpern herausgegossen werden. Der Vorratsbehälter 114 kann, wenn erforderlich, von Zeit zur Zeit mit Grundmetall nachgefüllt werden. Vorzugsweise enthält der Vorratsbehälter jedoch eine ausreichende Menge an Grundmetall, so daß das Verfahren abgeschlossen werden kann, ohne daß zwischenzeitlich Grundmetall zugegeben wird.
Die in der Anordnung der Fig. 10 und 11 verwendeten hohlen Vorformen können auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Vorformen dieser Form ist der Schlickerguß, der unter Verwendung einer offenen Form 130 eines Typs durchgeführt werden kann, der in einer Querschnittsansicht in Fig. 12 gezeigt ist. Die Form 130 ist so geformt, daß sie eine becherartige Vertiefung 132 aufweist, und die Form 130 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus gebranntem Gips gegossen sein. Eine geeignete Schlickermischung, die feine teilchenförmige Füllstoffteilchen enthält, wird in die Vertiefung 132 gegossen, um sie auszufüllen, und man läßt die Schlickermischung einen Zeitraum innerhalb der Form absetzen. Eine gewisse Menge des flüssigen Trägers des Schlickers, typischerweise Wasser, wird von der porösen Form aus gebranntem Gips absorbiert, und nach einem geeigneten Zeitraum wird überschüssige Flüssigkeit ausgegossen, so daß eine dicke Schicht aus Füllstoffmaterial zurückbleibt, die an der Innenwand der becherartigen Vertiefung 132 haftet. Die Schicht kann getrocknet und gebrannt werden, um ihr eine ausreichende mechanische Festigkeit ("Grünfestigkeit") zu verleihen, um es zu ermöglichen, die hohle Vorform 126 aus der Form 130 herauszunehmen, wie von dem nicht numerierten Pfeil in Fig. 12 gezeigt wird. Die becherartige Vertiefung 132 kann zweimal oder mehrmals mit der Schlickergußmischung gefüllt werden, nachdem man den Überschuß abgegossen hat, um die erforderliche Dicke des Füllstoffmaterials in der Form aufzubauen.
Fig. 13 zeigt einen typischen keramischen Verbundkörper 126', wie er unter Verwendung der Anordnung der Fig. 10 und 11 erhalten wird. Der keramische Verbundkörper 126' weist eine Keramikmatrix auf, die die hohle Vorform 126 infiltriert. Überschüssiges Grundmetall, das in dem keramischen Verbundkörper 126' zurückbleiben kann, kann auf mechanische oder chemische Weise entfernt werden, um einen hohlen, becherartigen keramischen Verbundkörper zu erzeugen. Natürlich kann man die Körper 126' auch teilweise oder vollständig mit verfestigtem schmelzflüssigem Metall oder einem anderen Material gefüllt lassen.
Fig. 14 zeigt eine zweiteilige Form, die benützt werden kann, um (auf die gleiche Schlickergußtechnik wie bei Fig. 12 beschrieben) eine hohle Vorform in der Form eines Pumpenflügelrads herzustellen, wie in den Fig. 15 und 15A dargestellt ist. Bezugnehmend auf Fig. 14 weist die zweiteilige Form 134 einen oberen Abschnitt 136 und einen unteren Abschnitt 138 auf, die beide so geformt sind, daß sie dann, wenn der obere Abschnitt 136 ordnungsgemäß auf den unteren Abschnitt 138 montiert ist, so zusammenwirken, daß zwischen ihnen ein Hohlraum definiert wird, der eine Vorform 140 (Fig. 15 und 15A) in der Form eines Pumpenflügelrads bildet, die einen scheibenförmigen Körper 142 mit vier gekrümmten Radschaufeln 144a, 144b, 144c und 144d aufweist, die sich von einem hohlen Zentralschaft 146 radial nach außen erstrecken, der in einem Flansch 146a endet, und zwar bis zur Umfangskante 148 des scheibenförmigen Körpers 142. Der Schaft 146 ist hohl und weist eine Durchgangsbohrung 150 auf, und der scheibenförmige Körper 142 ist ebenfalls hohl und weist einen Hohlraum 152 auf.
Die flügelradartige hohle Vorform 140 wird dadurch erhalten, daß man die Form 134 (Fig. 14) über ihre Öffnung 150' mit einer geeigneten Schlickergußaufschlämmung füllt. Dann kann die Schlickergußtechnik, wie sie oben beschrieben wurde, durchgeführt werden, um eine erforderliche Dicke einer Schicht eines teilchenförmigen Füllstoffmaterials am Innenhohlraum der Vorform 134 auszubilden. Nach dem Dekantieren überschüssiger Flüssigkeit, Trocknen und Brennen der Form, die den Überzug aus der Schlickergußzusammensetzung enthält, wird als Ergebnis die hohle Vorform 140 erhalten, die in den Fig. 15 und 15A gezeigt ist.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 16 wird die Vorform 140 in einem Bett aus Inertmaterial 154 angeordnet, das innerhalb eines Feuerfestgefäßes 156 enthalten ist. Eine Leitung 158 aus einem geeigneten Material, wie gebranntem Gips, wird oben auf dem Flansch 146a montiert und enthält darin einen Vorrat 160 aus Grundmetall. Ein Körper aus Grundmetall als erste Quelle 162 füllt den Innenraum der Vorform 140. Wie oben im Hinblick auf andere Ausführungsformen angegeben ist, kann die Grundmetallquelle 162 dadurch innerhalb der Vorform 140 angeordnet werden, daß man den hohlen Innenraum davon mit einem teilchenförmigen Grundmetall füllt, oder daß man nach dem Aufbau der Anordnung den Innenraum der Vorform 140 mit schmelzflüssigem Grundmetall füllt, das aus einer Gießpfanne zugeführt werden kann. In ähnlicher Weise kann der Grundmetallvorrat 160 ursprünglich als fester Grundmetallvorrat in der Anordnung angeordnet werden, oder es kann eine ausreichende Menge schmelzflüssiges Grundmetall eingegossen werden, so daß nicht nur der hohle Innenraum der Vorform 140 gefüllt wird, sondern auch die Leitung 148, so daß sowohl die erste Quelle als auch der Vorrat an Grundmetall in flüssiger Form zur Verfügung gestellt werden. In jedem Falle wird die Anordnung beispielsweise in einem zur Luftatmosphäre offenen Ofen angeordnet und auf den erforderlichen Temperaturbereich erhitzt, um Oxidationsreaktionsprodukt zu erzeugen und auf diese Weise die Vorform 140 mit der keramischen Matrix zu infiltrieren.
Wenn die Umsetzung abgeschlossen ist, kann man unumgesetztes Grundmetall, das die von einer Keramikmatrix infiltrierte Vorform 140 füllt, darin fest werden lassen. Alternativ dazu kann es aus dem keramischen Körper ausgegossen werden, während es schmelzflüssig ist. In jedem Falle zeigt Fig. 17 den enthaltenen keramischen Verbundkörper 140', der einen scheibenförmigen Körper 142' und einen Schaft 146' aufweist, der in einem Flansch 146a' endet und Radschaufeln aufweist, die sich radial von dem Schaft wegerstrecken, wobei in Fig. 17 nur die Radschaufeln 144a' und 144b' zu sehen sind. Das Innere des keramischen Verbundkörpers 140' wird von einem Material 164 gefüllt, daß das verfestigte Grundmetall sein kann oder irgendein anderes Material, wie beispielsweise ein unterschiedliches Metall oder eine Legierung oder ein anderes Material, wie ein Kunststoffmaterial. Bei der in Fig. 17 gezeigten Ausführungsform wurde eine Bohrung 160 in das Material 164 gebohrt, z.B. das verfestigte Grundmetall im Schaft 146', und in der Bohrung ist eine Keilnut 168 ausgebildet, um die Befestigung des Flügelrads 140' auf einem Schaft per Keilverbindung zu erleichtern. Eine Bohrung mit Schraubengewinde oder irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration kann in dem Bereich der Bohrung 166 ausgebildet werden, um eine geeignete Anordnung für die Montage des Flügelrads 140' auf einer Welle oder dgl. zu erzeugen.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Fig. 18 und 18A ist dort eine Vorform 170 gezeigt, die mit einem Sperrschichtelement 172 überzogen ist, das eine Schicht aus luftdurchlässigem gebranntem Gips umfaßt. Ein Knierohr 174 bildet eine Strömungsverbindung zwischen einem Feuerfestbehälter 176 und einem Hohlraum 178 unterhalb der Vorform 170, wobei der Hohlraum 178 von einer Schale aus dem Sperrschichtelement 172 aus gebranntem Gips definiert und umschlossen wird. Der Feuerfestbehälter 176 weist eine Auskleidung 180 aus gebranntem Gips auf und enthält darin einen Grundmetallvorrat 182, dessen Deckfläche von einer Schicht aus teilchenförmigem Inertmaterial 184 abgedeckt ist. Fig. 18 zeigt die Anordnung vor dem Schmelzen des Grundmetalls 182. In einer alternativen Ausführungsform könnte der Hohlraum 178 mit einer Grundmetallquelle gefüllt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform strömt jedoch beim Schmelzen des Grundmetalls 182 schmelzflüssiges Grundmetall durch die Leitung 174 und in den Hohlraum 178 und erzeugt die erste Quelle an schmelzflüssigem Grundmetall im Kontakt mit der Vorform 170.
Die Vorform 170 weist drei parallele Bohrungen auf, die sich durch sie hindurcherstrecken und in deren gegenüberliegenden Stirnflächen enden. Die Anordnung von Fig. 18 wird von einem Bett aus teilchenförmigem Inertmaterial 188 gehalten, das sich innerhalb eines Feuerfestbehälters 190 befindet. Beim Erhitzen fließt das schmelzflüssige Grundmetall durch die Leitung 174 und in den Hohlraum 178 und füllt den letztgenannten, und schmelzflüssiges Grundmetall infiltriert die Vorform 170, um darin oxidiert zu werden, so daß schließlich die Füllstoffbestandteile der Vorform 170 in einer Keramikmatrix aus polykristallinem Material eingebettet sind. Die Position des Grundmetallvorrats 182 halt den statischen Druck eines Überstands aus schmelzflüssigem Metall aufrecht, wodurch der Raum 178 mit einer ersten Grundmetallquelle während des gesamten Oxidationsverfahrens gefüllt gehalten wird, wodurch sichergestellt wird, daß die Vorform 170 vollständig und gleichmäßig mit der gebildeten Keramikmatrix gefüllt wird. Wie oben unter Bezugnahme auf andere Ausführungsformen angegeben ist, kann mehr als ein Grundmetallvorrat 182 verwendet werden, um schmelzflüssiges Grundmetall in den Raum 178 einströmen zu lassen. Beim Abschluß der Reaktion und nach dem Abkühlen der Anordnung wird die erhaltene keramisch Verbundstruktur aus dem Bett aus Inertmaterial 188 entfernt, und das Sperrschichtelement 172 aus gebranntem Gips wird abgebrochen, um die keramische Verbundstruktur 170' (Fig. 19) zu befreien, die drei parallele Durchgangsbohrungen 186 aufweist. Indem man innerhalb der Vorform 170 Oxidationsreaktionsbedingungen aufrechterhält, die günstiger sind als außerhalb der Vorform, hält man die Bohrungen 186 im wesentlichen frei von polykristallinem Matrixmaterial. In diesem Kontext sind die Räume, die die Bohrung 186 umfassen, "außerhalb" des Materials, aus dem die Vorform 170 hergestellt ist.
Bei jeder der Ausführungsformen der Erfindung kann die Zusammensetzung des Materials der Vorform (oder jeder anderen Füllstoffform) eines oder mehrere geeignete Dotierungsmittel oder Oxidationsmittel enthalten oder kann auf andere Weise Bedingungen bieten, unter denen die Kinetik der Oxidation des Grundmetalls günstiger ist als in Abwesenheit des Füllstoffmaterials. In Abhängigkeit von spezifischen Dotierungsmitteln, Oxidationsmitteln, Grundmetallen und Temperaturbedingungen kann daher das polykristalline Material, das aus dem Oxidationsreaktionsprodukt besteht, dazu gebracht werden, unter derartigen Umständen nicht außerhalb des Füllstoffs zu wachsen. Somit bildet sich oder wächst bei der in den Fig. 18 und 18A dargestellten Ausführungsform das polykristalline Material nicht in solcher Weise, daß die Bohrungen 186 gefüllt werden. Alternativ dazu oder zusätzlich kann in den Bohrungen 186 auch ein Sperrelement angeordnet werden, um das Wachstum des polykristallinen Matrixmaterials darin zu verhindern, eine Technik, die unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der Fig. 20-21 illustriert wird.
Nunmehr bezugnehmend auf die Fig. 20-21A, ist dort eine Vorform 192 gezeigt, die eine kreisförmige zylindrische Konfiguration (wie am besten in Fig. 20A zu erkennen ist) sowie eine Zentralbohrung 194 aufweist, die sich durch sie hindurcherstreckt und an jedem ihrer gegenüberliegenden Enden mündet. Die Zentralbohrung 194 ist mit einem Sperrschichtelement 196 ausgekleidet, das eine Schicht aus gebranntem Gips umfaßt, die die Innenfläche der Zentralbohrung 194 bedeckt und beide offenen Enden davon verschließt. Die Zentralbohrung 194 könnte auch vollständig mit einem Pfropfen aus Sperrschichtmaterial gefüllt sein.
Fig. 21 zeigt eine Anordnung aus der Vorform 192, die senkrecht innerhalb eines Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall 198 zentriert ist, der sich innerhalb eines zylindrischen Feuerfestbehälters 200 befindet. Die Vorform 192 weist eine Form auf, die dem Innenraum des Behälters 200 kongruent ist, jedoch einen engeren Durchmesser aufweist. Ein Ende der Vorform 192 kann auf dem Boden des Behälters 200 ruhen, wie dargestellt, oder kann auf Abstandselementen ruhen, um einen kleinen Raum für den Zutritt von schmelzflüssigem Grundmetall zu dem Boden der Vorform 192 zu schaffen. Der Feuerfestbehälter 200 weist eine solche Größe auf, daß er in sich die Vorform 192 aufnehmen kann, wobei ein ausreichender Ringraum zwischen der Vorform 192 und den Innenwänden des Behälters 200 existiert, damit die gesamte äußere Oberfläche der Vorform 192 mit einem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall einer gleichmäßigen Ringdicke in Kontakt ist. Um die Vorform 192 die ganze Zeit in dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall 198 untergetaucht zu halten, erfolgt ein Ersatz von schmelzflüssigem Grundmetall aus einem Behälter (nicht gezeigt in den Fig. 21 oder 21A) auf einer kontinuierlichen oder intermittierenden Basis, wie durch den Pfeil R in Fig. 21 gezeigt wird. So kann der Behälter 200 aus der Schnauze einer Gießpfanne oder aus einem Vorrat versorgt werden, aus dem das schmelzflüssige Grundmetall mit Hilfe einer Leitung oder auf eine andere geeignete Weise in den Feuerfestbehälter 200 gelangt. Alternativ dazu kann ein festes Grundmetall, beispielsweise in teilchenförmiger Form, entsprechend den Erfordernissen zu dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall 198 zugegeben werden, um es zur Ergänzung des Vorrats an Grundmetall in situ zu schmelzen. Bei dieser Ausführungsform ist zu erkennen, daß das Wachstum des polykristallinen keramischen Materials unter Infiltration der Vorform 192 durch die Matrix von der gesamten äußeren Oberfläche der Vorform 192 her in Richtung der Zentralbohrung 194 erfolgt. Es wird eine glatte Oberfläche der Zentralbohrung 194 gewährleistet, indem man darin ein Sperrschichtelement 196 vorsieht. Wie bei den vorausgehenden Ausführungsformen gewährleistet eine Ergänzung des schmelzflüssigen Grundmetalls aus einem Vorrat, daß die gesamte Vorform 192 im untergetauchten Zustand in dem schmelzflüssigen Grundmetall gehalten wird, um ein gleichmäßiges Wachstum des polykristallinen Matrixmaterials durch die Vorform zu gewährleisten.
Der Feuerfestbehälter 200 kann bezüglich der Vorform 192 solche Abmessungen aufweisen, daß der Vorrat des Grundmetalls in Form einer ausreichenden Tiefe des schmelzflüssigen Grundmetalls über der Vorform 192 bereitgestellt wird, so daß bei der Beendigung des Verfahrens die Vorform 192 immer noch vollständig in dem schmelzflüssigen Grundmetall untertaucht. Somit können der Vorrat und die erste Quelle des Grundmetalls den einzigen Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall 198 bilden, vorausgesetzt, daß dieser groß genug ist, die Vorform während des gesamten Oxidationsreaktionsverfahrens in dem schmelzflüssigen Metall untergetaucht zu halten.
Beim Abschluß des Verfahrens wird das keramische Produkt aus dem schmelzflüssigen Grundmetallbad entfernt, und man läßt überschüssiges schmelzflüssiges Grundmetall davon abfließen. Der als Sperrschichtelement 196 dienende Kern wird entfernt, und das Ergebnis ist eine keramische Verbundstruktur 193 von zylindrischer Konfiguration, die eine keramische Auskleidung 192' mit einer zentralen Bohrung längs ihrer Längsachse aufweist und einstückig mit einem Metallsubstrat 198' ausgebildet ist.
Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise solche, wie sie in Fig. 7 (wenn man verfestigtes Grundmetall in der Bohrung 80' zurückläßt), Fig. 17 und Fig. 22 dargestellt sind, weisen eine keramische Oberfläche auf, die integral ausgebildet ist auf einem Körper aus Metall und typischerweise daran gebunden ist. Die keramische Oberfläche umfaßt eine Matrix aus dem polykristallinen Material, das durch die Oxidationsreaktion des Grundmetalls erhalten wurde und einen Füllstoff einbettet. Derartige integrale Metallstrukturen mit einer Keramikoberfläche bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen keramischen Strukturen, einschließlich einer erhöhten Beständigkeit gegenüber einem plötzlichen Vollausfall und in bestimmten Fällen ein geringeres Gewicht. Beispielsweise ermöglicht es die äußere Keramikoberfläche des Pumpen-Flügelrads von Fig. 17, dieses in Anwendungen (wie zum Pumpen von korrodierenden und/oder erodierenden Flüssigkeiten) zu verwenden, die eine keramische Oberfläche erfordern, und aufgrund seiner Bindung an die keramische Oberfläche gewährleisten der metallische Kern oder das metallische Substrat einen Widerstand gegen einen Totalschaden des Flügelrads, wie er normalerweise bei herkömmlichen Strukturen auftritt. D. h., bei einem Spannungsriß oder einem mechanischen Schlag, die eine herkömmliche keramische Struktur zertrümmern würden, was zu einem Totalausfall des Teils führt, behalten Strukturen der vorliegenden Erfindung ihre Integrität. Beispielsweise würde selbst dann, wenn ein mechanischer Schlag auf das Flügelrad von Fig. 17 ausreichen würde, die keramische Oberfläche des Flügelrads 140 zu beschädigen oder zu brechen, der Metallkörper die strukturelle Integrität des Teils aufrechterhalten. Die Struktur der Erfindung überwindet auch die lange bestehenden Schwierigkeiten, die für die Befestigung eines keramischen Teils, beispielsweise eines Pumpenflügelrads, an ein hochfestes Metallteil wie eine Stahl-Antriebswelle charakteristisch waren. Bei früheren keramischen Körpern führten lokalisierte mechanische Spannungen, die auf das spröde keramische Teil an einer Grenzfläche zu einem duktilen Bauteil einwirkten, häufig zu einer Zertrümmerung des brüchigen keramischen Materials. Die erfindungsgemäße Struktur aus einem Metallsubstrat mit einer Keramikoberfläche schafft die Möglichkeit, eine Metall-Metall-Verbindung zu einem keramischen Teil herzustellen (z.B. einen Metallschaft, der mit der Bohrung 166 in Fig. 17 verkeilt ist). Die Möglichkeit, einen Totalschaden zu vermeiden ist besonders wichtig bei der Schaffung von rotierenden, sich hin und her bewegenden und druckbeaufschlagten Teilen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man dadurch, daß man ein geeignetes Grundmetall, einen Füllstoff und ein Oxidationsmittel auswählt, die erhaltene Metallkomponente mit Keramikoberfläche mit einer günstigen Vorspannung erzeugen kann, die in die Keramikoberfläche und die Metallgrenzfläche eingebaut sein kann, was dazu führt, daß der keramische Verbundgegenstand eine überlegene sichtbare Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung aufweist. Das wird dadurch erreicht, daß man Materialien und Verfahrensbedingungen wählt, die eine kontrollierte differenzielle Schrumpfung zwischen der Keramikoberfläche und dem Metallsubstrat erzeugen. Ein Vorspannung wird durch die außerordentlich gute Bindung der Keramikoberfläche an das Substrat ermöglicht.
Nunmehr bezugnehmend auf die Fig. 23 und 24 wird dort eine Vorform 202 gezeigt, die eine äußere zylindrische Schale 204 und eine innere zylindrische Schale 206 von geringerem Durchmesser als die Schale 204 aufweist, jedoch die gleiche Länge. Die äußeren und die inneren Schalen sind über drei Stege 208a, 208b und 208c miteinander verbunden, die gleich lang sind wie die Schalen 204 und 206. Die Vorform 202 bildet daher eine einheitliche Struktur. Die Stege 208a, 208b und 208c sind in gleichen Winkeln zueinander auf den Umfängen der Schalen 204 und 206 angeordnet, d.h. die drei Stege sind voneinander durch Winkel von 120º getrennt, wie in Fig. 24 zu sehen ist. Wie ebenfalls am besten in Fig. 24 zu erkennen ist, teilt die Struktur den Innenraum der Vorform 202 in eine zentrale Längsbohrung 210 und drei ringförmige Längskammern 212a, 212b und 212c.
Die Vorform 202 kann mit einem polykristallinen Material infiltriert werden, das durch die Oxidation eines schmelzflüssigen Grundmetalls erhalten wird, das man in die Bohrung 210 und in die Kammern 212a, 212b und 212c einführt. Zusätzlich kann die Außenoberfläche der äußeren Schale 204 ebenfalls in schmelzflüssiges Grundmetall eingetaucht werden, was erreicht werden kann durch eine Anordnung der Vorform 202 ähnlich der, die in Fig. 21 im Hinblick auf Vorform 192 gezeigt ist. Gewünschtenfalls kann man in einer oder mehreren der Bohrungen 210 und den Kammern 212a, 212b und 212c verfestigtes Grundmetall zurücklassen, um eine keramikverkleidete Materialsubstratstruktur zu schaffen. Alternativ oder zusätzlich kann man ein Substrat aus einem verfestigten Grundmetall (entsprechend dem Metallsubstrat 198' von Fig. 22) um die Außenoberfläche des äußeren Zylinders 204 zurücklassen.
Die keramischen Verbundstrukturen, die durch die vorliegende Erfindung geschaffen werden, weisen, wie oben erläutert wird, eine keramische Matrix auf, die einen Füllstoff einbettet, der als ein Bett eines form-anpassenden Füllstoffs oder als eine geformte Vorform eingesetzt werden kann. Geeignete Füllstoffe schließen solche chemischen Spezies ein, die unter den Temperatur-Oxidationsbedingungen des Verfahrens nicht flüchtig sind und thermodynamisch stabil sind und nicht mit dem schmelzflüssigem Grundmetall reagieren oder sich darin übermäßig auflösen. Dem Fachmann sind zahlreiche Materialien bekannt, die diese Kriterien in dem Fall erfüllen, wenn man Aluminium als Grundmetall und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Derartige Materialien schließen Metalloxide, -boride oder -carbide ein, wie die von Aluminium, Silizium, Hafnium und Zirkonium, und sie können in irgendeiner erwünschten Form oder Größe vorliegen.
Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel, die in Verbindung mit dem Grundmetall verwendet werden, (1) können als Legierungsbestandteile des Grundmetalls eingesetzt werden, (2) können auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Ausgangs-Grundmetallkörpers aufgetragen werden, oder (3) können aufgetragen werden auf oder eingearbeitet werden in einen Teil des oder das gesamte Füllstoffmaterial oder die Vorform, oder es kann irgendeine Kombination von zwei oder mehr der Techniken (1), (2) und (3) zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann ein zulegiertes Dotierungsmittel allein oder in Kombination mit einem zweiten, extern aufgebrachten Dotierungsmittel verwendet werden. Im Falle der Technik (3), wenn eines oder mehrere zusätzliche Dotierungsmittel auf das Füllstoffmaterial aufgebracht werden, kann dieses Aufbringen auf irgendeine geeignete Weise erfolgen, wie in den Patentanmeldungen des gleichen Anmelders erläutert wird.
Dotierungsmittel, die für ein Aluminium-Grundmetall nützlich sind, und zwar insbesondere mit Luft als Oxidationsmittel, schließen Magnesium, Zink und Silizium ein, die in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln vorliegen können, wie unten beschrieben wird. Diese Metalle oder eine geeignete Quelle dieser Metalle können in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentrationen eines jeden davon zwischen etwa 0,1 und 10 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des erhaltenen dotierten Metalls, legiert werden. Diese Dotierungsmaterialien oder eine geeignete Quelle des Metalls, können in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentrationen für jedes von ihnen zwischen etwa 0,1 und 10 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des erhaltenen dotierten Metalls, einlegiert werden. Diese Dotierungsmaterialien oder eine geeignete Quelle davon, z.B. MgO, ZnO oder SiO&sub2;, können extern zu dem Grundmetall verwendet werden. Somit kann eine Aluminiumoxidkeramikstruktur aus einer Aluminium-Siliziumlegierung als Grundmetall unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel und unter Verwendung von MgO als Oberflächendotierungsmittel in einer Menge von mehr als etwa 0,0008 g/g zu oxidierendes Grundmetall und mehr als etwa 0,003 g/cm² Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgebracht wird, erhalten werden.
Zusätzliche Beispiele für Dotierungsmaterialien, die für mit Luft oxidierte Aluminium-Grundmetalle wirksam sind, schließen Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Calcium, Bor, Phosphor und Yttrium ein, die einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln verwendet werden können, und zwar in Abhängigkeit von dem Oxidationsmittel und den Verfahrensbedingungen. Seltenerdelemente, wie Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium sind ebenfalls nützliche Dotierungsmittel, und dabei wiederum speziell dann, wenn sie in Kombination mit anderen Dampfphasenoxidationsmitteln verwendet werden. Alle diese Dotierungsmaterialien, wie in den Patentanmeldungen des gleichen Anmelders erklärt wird, sind wirksam im Hinblick auf die Förderung des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts für ein Grundmetallsystem auf Aluminiumbasis.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene keramische Verbundstruktur ist üblicherweise eine dichte, kohärente Masse, bei der zwischen etwa 5 und 98 % des Gesamtvolumens der Verbundmaterialstruktur von einer oder mehreren Füllstoffkomponenten gebildet werden, die in einem polykristallinen Matrixmaterial eingebettet sind. Das polykristalline Matrixmaterial besteht üblicherweise dann, wenn das Grundmetall Aluminium ist, aus etwa 60 bis etwa 99 Gew.% (des Gewichts des polykristallinen Materials) aus untereinander verbundenem Alpha-Aluminiumoxid und aus etwa 1 bis 40 Gew.% (gleiche Basis) aus nicht oxidierten Bestandteilen des Grundmetalls.
Die innige Bindung, zu der es typischerweise beim Abkühlen zwischen einem geeignet ausgewählten Grundmetall und der Keramikoberfläche kommt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf erzeugt werden kann, gestattet es, ein verschleißbeständiges Material auf ein duktiles Teil aufzubringen und macht es beispielsweise möglich, Keramikoberflächen auf duktile Druckschalen aufzubringen. Die bruchfeste Bindung der Keramikoberfläche an das Metallsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung scheint seine Existenz der intensiven Benetzung des Oxidationsreaktionsprodukts des Grundmetalls durch das Grundmetall zu verdanken, wobei dieses gleiche Merkmal es auch gestattet, daß das Grundmetall durch ein derartiges Reaktionsprodukt hindurchtransportiert wird, und die Matrix der vorliegenden Erfindung wächst.
Aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit, ihres geringen Gewichts, dem vorgespannten Zustand, der Bindung der Keramikoberfläche an das Metallsubstrat, der vielseitigen Formgebung, der Größenvaribilität, des Widerstandes gegen einen Totalschaden, der Abnutzungsbeständigkeit, der Festigkeit, der Hochtemperaturbeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit sind die Produkte der vorliegenden Erfindung ideal für Verwendungen als Wärmekraftmaschinenteile, Ventilkomponenten und Pumpenkomponenten geeignet.
Die Idee einer keramischen Beschichtung auf Metall ist nicht neu. Obwohl sie vom Konzept her ein sehr attraktives Konzept darstellt, waren bisherige Möglichkeiten, derartige Komponente zu erhalten, hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit extrem beschränkt, und zwar aufgrund der Unmöglichkeit, eine derartige keramische Oberfläche mit einer ausreichenden Dicke zu erzeugen, ohne daß es zu einem Abschälen kommt und dabei eine ausreichende Haftung an das Metallsubstrat beizubehalten, die über komplexe Oberflächen verteilt ist und kostengünstig ist. Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf ihre Fähigkeit, keramische Verbundoberflächen nahezu jeder Konfiguration und Dicke herzustellen und diese integral an strukturelle Grundmetalle von Handelsreinheit nach einem kostengünstigen, bei moderaten Temperaturen und ohne Druck arbeitenden Verfahren zu binden, einzigartig.
Die Erfindung wird weiterhin durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Um eine keramische Verbundstruktur herzustellen, wurde ein Rohr der Größe 40 (4,92 cm Außendurchmesser) aus der Inconel 601 Metallegierung (International Nickel Co.) (entsprechend 18 in Fig. 1) mit einer Länge von 15,24 cm mit einer Vielzahl von Löchern versehen, die alle einen Durchmesser von 4,76 mm aufwiesen. Die Löcher wurden in den gesamten Zylinderkörper des Rohrs in 0,95 cm-Mittelpunkten in Form von versetzten Reihen gebohrt. Ein perforiertes Blech aus einer 304 Legierung aus nicht rostendem Stahl mit einer Dicke von etwa 0,2 mm und mit Löchern von 0,41 mm Durchmesser wurde als Innenauskleidung (entsprechend 16 in Fig. 1) für das aufgebohrte Inconel-Metallrohr verwendet. Die Löcher lieferten ein Blech mit einer 22 %igen offenen Fläche. Der perforierte nicht rostende Stahl wurde als Sperrelement für das Matrixwachstum im vorliegenden Beispiel verwendet.
Ein Grundmetallteil, das aus einer Aluminiumlegierung, die 10 % Silizium und 3 % Magnesium enthielt, bestand, wies einen Grundmetall-Quellenkörper und einen Grundmetallvorrat auf, und zwar von einer ähnlichen Konfiguration wie die, die in Fig. 1 gezeigt ist. In diesem Falle war jedoch der Vorrat (entsprechend 34 in Fig. 1) von einer nicht abgeschrägten zylindrischen Konfiguration mit einem Durchmesser von 6,35 cm und einer Höhe von 5,08 cm, und der Quellenkörper (entsprechend 36 in Fig. 1) wies einen Durchmesser von 1,91 cm und eine Länge von 5,24 cm auf und war über sein oberes Ende mit dem Vorratsteil verbunden. Der Quellenkörper wies eine Schraubengewinde-Konfiguration auf und war in eine Füllstoffmasse eingebettet (entsprechend der Masse des formanpassenden Füllstoffs 38 in den Fig. 1 und 1A), die aus einer Mischung aus 5 Gew.% handelsüblichem Sand (Siliziumoxid) und 95 Gew.% von 216um (90 grit) 38er Alundum bestand, einem teilchenförmigen Aluminiumoxid, das von der Norton Company geliefert wird. Die Füllstoffmischung wurde etwa 24 Stunden auf etwa 1250ºC erhitzt, wonach man sie auf Umgebungstemperatur abkühlen ließ. Die abgekühlte Mischung wurde dann vermahlen und in dem perforierten Inconel-Rohr der Größe 40 mit der Auskleidung aus nicht rostendem Stahl angeordnet. Der Körper der Grundmetallquelle wurde mit einer Schicht Holzleim (verkauft unter der Handelsbezeichnung ELMER'S von der Bordon Company) und Sand beschichtet. Der Vorrat wurde in einem Bett aus 216 um (90 grit) 38er Alundum eingebettet, das sich in einer Kammer aus nicht rostendem Stahl aus der 304-Legierung befand (entsprechend 12 in Fig. 1), die ein Loch mit einem Durchmesser von 5,08 cm in ihrem Boden aufwies (in Fig. 1 ohne Nummern gezeigt). Die Oberseite des Inconel-Rohrs war an den Umfang des 5,08 cm-Lochs angeschweißt.
Um die erhaltene Anordnung in einer aufrechten Stellung abzustützen, wurde der von dem Inconel-Rohr gebildete Teil davon (entsprechend 14 in Fig. 1) in einem perforierten Stützzylinder aus nicht rostendem Stahl der 304-Legierung mit einem Innendurchmesser von 8,89 cm und mit einer Perforierung mit Löchern eines Durchmessers von 2,38 mm angeordnet, die hineingebohrt worden waren, so daß der Stützzylinder eine offene Fläche von 40 % aufwies. Der Stützzylinder wies eine solche Länge auf, daß er die Vorratskammer (entsprechend 12 in Fig. 1) oben auf dem Stützzylinder abstützte. Diese Anordnung hielt die Baugruppe aus dem Grundmetall und dem Füllstoff in einer Senkrechtstellung, wobei der Vorrat direkt senkrecht über dem Quellenkörper angeordnet war. Die erhaltene abgestützte Anordnung wurde auf einem feuerfesten offenen Behälter angeordnet und in einen Ofen mit einer Luftatmosphäre 10 Stunden bei einer Temperatur von 1245ºC erhitzt, dann 100 Stunden bei 1245ºC gehalten und dann innerhalb eines Zeitraums von 30 Stunden auf 125ºC abgekühlt, wonach man auf Umgebungstemperatur abkühlen ließ. Innerhalb der Umhüllung aus dem Größe 40-Inconel-nicht rostenden-Stahl-Zylinder war ein keramischer Verbundkörper gewachsen und hatte die Füllstoffmasse eingebettet. Beim Abkühlen wurde festgestellt, daß die Inconel-Hülle fest auf dem keramischen Verbundkörper saß. Bei der Entfernung von erstarrtem Grundmetall aus der Bohrung der keramischen Struktur durch Bohren und chemische Behandlung (mit Salzsäure), wurde eine Durchgangsbohrung freigelegt, die die Schraubengewindekonfiguration des ursprünglichen Quellenkörpers invers repliziert. Die Wanddicke des keramischen Körpers von etwa 1,27 cm war sehr viel dicker als sie aus dem Quellenkörper hätte erzeugt werden können, wenn kein Vorratskörper angefügt gewesen wäre.
Auf die folgenden Tabellen wird zur Beschreibung der Beispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen.

Tabelle A

(A) Eine Schlickergußzusammensetzung zur Verwendung in Formen aus gebranntem Gips, wie sie unten beschrieben sind, kann dadurch hergestellt werden, daß man die folgenden Bestandteile in den angegebenen Mengen vermischt. Gewichtsteile 47,6 173 um (100 grit) E67 Aluminiumoxid (Norton Co.) 23,6 EPK Kaolinton 28,5 Wasser 0,1 Vee-Gum Cer 0,2 Dawan-7 Vee-Gum Cer und Dawan-7 sind Dispergiermittel für den Kaolinton.
(B) Eine Sedimentationsgußzusammensetzung kann dadurch herstellt werden, daß man ein wässriges Bindemittel, das 10 Volumenteile Wasser und 1 Volumenteil eines Kleber auf Latexbasis (Zimmermannsleim), der unter der Handelsbezeichnung ELMER'S von der Bordon Company vertrieben wird, enthielt, mischte. Das wässrige Bindemittel wird dann mit ausgewählten Füllstoffteilchen in solchen Mengen vermischt, daß die erhaltene Aufschlämmung die gewünschte Konsistenz hat.
(C) RTV-Silikonkautschuk-Formen wurden dadurch hergestellt, daß man ein Teil mit der flüssigen Kautschukzusammensetzung überzog, den Kautschuk aushärten ließ und dann die Kautschukform von dem Gegenstand entfernte. Tabelle B Aluminium-Grundmetall-Legierungs-Zusammensetzung 5 % Silizium 4 % Kupfer 1 % Magnesium 4 % Zink 1 % Eisen Rest Aluminium Tabelle C Aluminium-Grundmetall-Legierungs-Zusammensetzung (Nominal) 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

Eine Vorform der Form von Vorform 44 in Fig. 3 wurde durch Sedimentationsguß in einer Kautschukform hergestellt, die, wie in Tabelle A, Stufe (C) beschrieben ist, von einem Miniaturkolben hergestellt worden war. Die für das Sedimentationsgießen verwendete Zusammensetzung verwendete das wässrige Bindemittel gemäß Tabelle A, Stufe (B) mit den folgenden Füllstoffen:
Gewichtsprozent
93 38 Alundum (70 Gew.% 66 um (220 grit), 30 Gew.% 17 um (500 grit))
7 Siliziummetall (50 Gew.% 66 um (220 grit), 50 Gew.% 17 um (500 grit))
Überschüssiges Bindemittel wurde aus der Form abgegossen, und die Form wurde gefroren, um die Entfernung des gegossenen Füllstoffs zu ermöglichen, den man dann trocknen ließ. Der getrocknete Füllstoff wurde drei Stunden bei 1300ºC an der Luft vorgebrannt. Die erhaltene permeable Vorform wurde auf den Oberflächen ihres Hohlkörperabschnitts (44c in Fig. 3) mit einer Nickelpulveraufschlämmung überzogen. Die Außenseite der Vorform wurde mit einer Schicht aus luftdurchlässigem gebranntem Gips überzogen. Ein Aluminium-Grundmetallkörper, dessen Zusammensetzung im wesentlichen der in Tabelle B entsprach, wurde zusammen mit der Vorform in einer Anordnung, wie in Fig. 3 gezeigt, angeordnet und in einer Luftatmosphäre 40 Stunden bei 1000ºC gebrannt. Überschüssiges schmelzflüssiges Aluminium wurde aus der erhaltenen keramischen Verbundstruktur dekantiert, die ein genau dimensionierter Miniaturkolben aus einem keramischen Verbundmaterial war.

Beispiel 3

Eine permeable Vorform der Form von Vorform 56 in Fig. 5 wurde nach der Technik von Tabelle A, Stufen (B) und (C) hergestellt, wobei man die gleiche Sedimentationsgußzusammensetzung verwendete, außer daß man nur 5 Gewichtsteile Siliziummetallpulver verwendete. Die Vorform wurde auf ihrer Außenoberfläche mit zwei dünnen Schichten eines luftdurchlässigen Sperrschichtmaterials aus gebranntem Gips überzogen, und die gleiche Aluminiumlegierung, wie in Tabelle C, wurde als Grundmetall in einem Behälter (58 in Fig. 5) eingesetzt. Die Anordnung wurde in einer Luftatmosphäre 68 Stunden bei 1000ºC erhitzt, und die erhaltene keramische Verbundstruktur zeigte die genauen Abmessungen und eine vollständige Infiltration der Vorform durch die keramische Matrix.

Beispiel 4

Fünf permeable Vorformen der Form, wie sie für die Vorform 126 in den Fig. 10, 11 und 12 gezeigt ist, wurden dadurch hergestellt, daß man die Sedimentationsgußtechnik von Tabelle A anwandte.
Eine Anordnung, wie sie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, wurde hergestellt. Auf steifen Papierbrücken, die man quer über den Trog 120 in den Zwischenräumen zwischen den Vorformen 126 auslegte, wurden Pfropfen aus gebranntem Gips 128 aufgebracht. Die Außenoberfläche einer jeden Vorform 126 wurde mit einer Sperrschichtmaterialschicht aus gebranntem Gips überzogen. Innerhalb des Behälters 114 wurde ein Körper aus einer Aluminiumlegierung mit der Zusammensetzung gemäß der Tabelle C angeordnet, und die Anordnung wurde in Luft bei 1000ºC erhitzt. Beim Schmelzen der Aluminiumlegierung floß diese durch den Trog 120 und nach oben in jede der Vorformen 126, wobei die Vorformen langsam bis zur Decke gefüllt wurden, indem Luft durch die porösen Vorformen ausgetrieben wurde. Die Temperatur wurde 50 Stunden aufrechterhalten, wonach die Anordnung auseinandergebaut wurde und schmelzflüssiges Grundaluminium aus den erhaltenen keramischen Verbundtiegeln ausgegossen wurde, wobei Säure und/oder Sandstrahlen verwendet wurden, um überschüssige verfestigte Aluminiumlegierung aus dem Inneren der keramischen Verbundmaterialtiegeln zu entfernen.

Beispiel 5

Die Schlickergußtechnik von Tabelle A, Stufe (A) wurde dazu angewandt, um in einer Form aus gebranntem Gips ähnlich der in Fig. 14 gezeigten eine permeable Vorform herzustellen, wie sie in den Fig. 15 und 15A dargestellt ist. Die durch Schlickerguß hergestellte Vorform wurde getrocknet und bei 700ºC 30 Minuten vorgebrannt. Die Außenseite der Vorform wurde mit einer Mischung (Trockenbasis) aus 70 Gew.% gebranntem Gips und 30 Gew.% SiO&sub2; überzogen, die als Sperrschichtmaterial diente. Das Innere der Vorform wurde mit einer Aufschlämmung aus Siliziummetallpulver abgekühlt, und anschließend wurde die Vorform mit einer schmelzflüssigen Aluminiumlegierung der Zusammensetzung gemäß Tabelle C gefüllt. Die Anordnung wurde bei 900ºC 96 Stunden unter kontinuierlichem Nachspeisen der Aluminiumlegierung erhitzt, so daß die Vorform vollständig mit schmelzflüssiger Aluminiumlegierung gefüllt blieb. Nach der Entfernung aus dem Ofen und dem Abkühlen wurde ein metallgefülltes, mit einer Außenschicht aus einem keramischen Verbundmaterial versehenes Pumpenflügelrad genauer Abmessungen erhalten.
Die keramische Oberfläche auf dem Metallsubstrat des Pumpenflügelrads von Beispiel 5 war typisch für die mit Keramikoberflächen versehenen Metallsubstrate, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, indem sie eine dichte, integrale Haftung zwischen dem verfestigten Grundmetall und der integral damit ausgebildeten Keramikoberfläche zeigte. Die wie in dem Beispiel oben hergestellten Teile hatten zähe Oberflächen aus einen Füllstoff einbettenden keramischen Matrizen, die dicht auf einem Aluminiumlegierungssubstrat hafteten, so daß die Teile die mechanische Zähigkeit und Elastizität der Aluminiumlegierung und eine Verkleidung oder einen Kern aus einer harten Keramikoberfläche aufwiesen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden keramischen Verbundstruktur mit einer keramischen Matrix, die durch die Oxidationsreaktions eines Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel unter Bildung eines polykristallinen Materials erhalten wurde, das ein Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, sowie mit einem von der genannten Matrix infiltrierten Füllstoff, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Orientieren eines Körpers des genannten Grundmetalls und einer permeablen Masse des genannten Füllstoffs relativ zueinander so, daß die Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts in eine Richtung auf die genannte Masse des Füllstoffs zu und in diese hinein erfolgt;

(b) Vorlegen des Grundmetalls (i) als eine erste Quelle von schmelzflüssigem Grundmetall und (ii) als ein Vorrat von schmelzflüssigem Grundmetall, der mit der genannten ersten Quelle kommuniziert;

(c) Umsetzen der genannten ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel, um das genannte Oxidationsreaktionsprodukt dadurch zu bilden, daß man wenigstens einen Teil des genannten Oxidationsreaktionsprodukts in Kontakt mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls und zwischen dieser und dem genannten Oxidationsmittel hält, um fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das Oxidationsreaktionsprodukt zu dem Oxidationsmittel und in die genannte Masse des Füllstoffs zu saugen, so daß sich das Oxidationsreaktionsprodukt fortgesetzt innerhalb der genannten Füllstoffmasse an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet; und

(d) Ergänzen der genannten ersten Quelle von schmelzflüssigem Grundmetall aus dem genannten Vorrat, während die Umsetzung unter Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts andauert, um wenigstens einen Teil der genannten Füllstoffmasse mit dem genannten Oxidationsreaktionsprodukt unter Bildung der genannten keramischen Verbundstruktur zu infiltrieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das das Vorlegen des genannten Grundmetalls (1) in Form eines festen Grundmetalls, das in Kontakt mit der genannten Masse des Füllstoffs angeordnet ist und das beim Schmelzen die genannte erste Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls bildet, sowie (2) in Form eines Grundmetallvorrats, der den genannten Vorrat an schmelzflüssigem Grundmetall liefert, sowie ein Nachfließen von schmelzflüssigem Grundmetall aus dem genannten Vorrat zu der genannten ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls umfaßt, um das genannte Ergänzen zu bewirken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die genannte erste Quelle des Grundmetalls als ein festes Grundmetall eingesetzt wird, das eine bestimmte Form aufweist, und bei dem die genannte Masse des Füllstoffs einen Füllstoff aufweist, der an der genannten Form formgetreu anliegt, so daß letztere in der Geometrie der genannten keramischen Verbundstruktur invers repliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die genannte Masse des Füllstoffs eine geformte Vorform ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem wenigstens ein Teil der Oberfläche der genannten Vorform durch ein Sperrschichtmittel definiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die genannte Masse an Füllstoff einen Hohlkörper umfaßt, und bei dem das genannte Anordnen so erfolgt, daß die genannte erste Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls wenigstens mit einer Wand des genannten Hohlkörpers in Kontakt ist, wodurch die genannte Infiltration des Oxidationsreaktionsprodukts ausgehend von oder längs der genannten Wand fortschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das eine Vielzahl von Füllstoffmassen umfaßt und das Strömen von schmelzflüssigem Grundmetall aus einem gemeinsamen Vorrat zu der genannten Vielzahl von Füllstoffmassen umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das das Inkontakthalten des schmelzflüssigen Grundmetalls mit der genannten Füllstoffmasse sowie das Erstarrenlassen von nicht umgesetztem Metall in Kontakt mit der genannten keramischen Verbundstruktur, nachdem die Umsetzung abgeschlossen ist, umfaßt, so daß ein einstückig mit der Verbundstruktur geformtes Metallsubstrat geschaffen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die genannte Masse des Füllstoffs eine oder mehrere darin ausgebildete Hohlräume aufweist und das das Inkontakthalten des genannten unumgesetzten schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem genannten einen oder den mehreren Hohlräumen umfaßt, um das genannte Metallsubstrat als ein inneres Substrat zu erzeugen, das eine Außenoberfläche aus einem keramischen Verbundmaterial aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, das das Inkontakthalten des genannten unumgesetzten schmelzflüssigen Grundmetalls mit wenigstens einem Teil einer Außenoberfläche der genannten Füllstoffmasse umfaßt, um eine keramische Verbundstruktur zu erzeugen, die eine Oberfläche aus einem erstarrten Grundmetall aufweist, das außerhalb der genannten keramischen Verbundstruktur angeordnet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, das die Erzeugung der genannten keramischen Verbundstruktur mit einem Volumen umfaßt, das größer ist oder kleiner ist als das Volumen des genannten Metallsubstrats.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Volumen der genannten ersten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls, mit dem das genannte Oxidationsreaktionsprodukt in Stufe (c) in Kontakt gehalten wird, ausreichend geringer ist als das Porenvolumen der genannten Masse des Füllstoffs, die von dem genannten Oxidationsreaktionsprodukt, das von der genannten ersten Quelle gebildet wird, zu infiltrieren ist, so daß das Ergänzen der genannten ersten Quelle aus dem genannten Vorrat dazu verwendet wird, das genannte Oxidationsreaktionsprodukt durch das gesamte Volumen der genannten Masse des Füllstoffs zu erzeugen.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Grundmetall ein Aluminium-Grundmetall ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das genannte Oxidationsmittel Luft umfaßt, der genannte Temperaturbereich von etwa 850ºC bis etwa 1450ºC beträgt und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumoxid umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das das Erhitzen des genannten Grundmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des genannten Oxidationsreaktionsprodukts umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, das die Verwendung von wenigstens einem geeigneten Dotierungsmaterial in Verbindung mit dem genannten Grundmetall umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Grundmetall wenigstens ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Silicium, Zirconium, Hafnium und Zinn besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das genannte Substrat innig an die genannte keramische Verbundstruktur gebunden ist.

19. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8, 9 oder 10, das außerdem die Stufe der Entfernung von wenigstens einem Teil des Metallsubstrats nach einem Verfahren umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem Bohren und der chemischen Auflösung besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 19, das außerdem das Ersetzen von wenigstens einem Teil des entfernten Metallsubstrats durch wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Metall und einem synthetischen organischen polymeren Material besteht.