DE69309917T2

DE69309917T2 - Herstellung von Cementkörpern durch reaktive Infiltration

Info

Publication number: DE69309917T2
Application number: DE69309917T
Authority: DE
Inventors: Terry Claar; William Johnson; Eugene Park; Gerhard Schiroky; Danny White
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2013-03-20
Also published as: EP0630306B1; CA2132430A1; AU3815493A; US5520880A; EP0630306A1; DE69309917D1; WO1993018877A1; JPH07504946A

Description

Technisches Umfeld

Diese Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung selbsttragender Verbundkörper, die durch die Oxidationsreaktion eines Grundmetalls und eines Festphasen- Oxidationsmittels unter Bildung wenigstens eines Oxidationsreaktionsprodukts gebildet werden, das wenigstens eine intermetallische Phase umfaßt und, bei Bedarf, wenigstens eine metallische Komponente aufweist, die während der Bildung des Körpers eingebracht wurde, um dem gebildeten Körper bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Die Erfindung betrifft auch die Bildung von, in bestimmten Fällen, keramischen Phasen zusätzlich zur intermetallischen Phase bzw. zu den intermetallischen Phasen.

Stand der Technik und Patente und Patentanmeldungen desselben Anmelders

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part der ebenfalls anhängigen U.S.- Patentanmeldung desselben Anmelders mit der Serien-Nr. 07/854281, die unter dem Namen William Bayard Johnson et al. eingereicht wurde und den Titel "Method for Forming Ceramic Artides by a Reactive Infiltration Technique and Artides Made Thereby" trägt.
In den letzten Jahren ist das Interesse an der Verwendung von Keramikmaterialien für strukturelle Anwendungen gewachsen, für die in der Vergangenheit Metalle herangezogen wurden. Der Antrieb für dieses Interesse kam aus der Überlegenheit von Keramikmaterialien gegenüber Metallen im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften, wie z.B. Korrosionsbeständigkeit, Härte, Elastizitätsmodul und Hitzebeständigkeit.
Die gegenwärtigen Bemühungen zur Herstellung keramischer Gegenstände größerer Stabilität, höherer Zuverlässigkeit und größerer Festigkeit sind im wesentlichen gerichtet auf (1) die Entwicklung verbesserter Verfahren zur Verarbeitung einstückiger Keramikartikel und (2) die Entwicklung neuer Materialzusammensetzungen, vor allem von Verbundmaterialien mit keramischen Matrices.
Eine Verbundstruktur ist eine Struktur, die ein heterogenes Material, einen heterogenen Körper oder einen heterogenen Gegenstand umfaßt, das bzw. der aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien hergestellt wurde, die eng miteinander kombiniert sind, damit die gewünschten Eigenschaften des Verbundkörpers erzielt werden. Zum Beispiel können zwei verschiedene Materialien dadurch eng miteinander kombiniert werden, daß das eine in eine Matrix aus dem anderen eingebettet wird. Ein Verbundmaterial mit einer Keramikmatrix umfaßt typischerweise eine keramische Matrix, die einen Typ eines Füllstoffmaterials oder mehrere verschiedene Typen von Füllstoffmaterialien eingearbeitet enthält, wie z.B. Teilchen, Fasern, Stäbe und dergleichen.
Beim Ersetzen von Metallen durch Keramikmaterialien ergeben sich mehrere bekannte Einschränkungen oder Schwierigkeiten, die z.B. mit der Flexibilität hinsichtlich der Größe, der Fähigkeit zur Erzeugung komplexer Formen, dem Bereitstellen von Eigenschaften, die für die spätere Anwendung erforderlich sind, sowie den Kosten verbunden sind. Mehrere ebenfalls anhängige Patentanmeldungen und veröffentlichte Patente desselben Anmelders wie desjenigen dieser Anmeldung (die hier im Folgenden als Patentanmeldungen und Patente desselben Anmelders bezeichnet werden) überwinden diese Einschränkungen oder Schwierigkeiten und stellen neuartige Verfahren zur zuverlässigen Erzeugung keramischer Materialien, einschließlich keramischer Verbundmaterialien, bereit. Das Verfahren wird seinem Wesen nach im U.S.-Patent Nr. 4 713 360 desselben Anmelders offengelegt, das den Titel "Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same" trägt, am 15. Dezember 1987 veröffentlicht wurde und aus der U.S.- Patentanmedung mit der Serien-Nr. 06/818 943, eingereicht am 15. Januar 1986, hervorging, die eine Continuation-in-Part der Anmeldung mit der Serien-Nr. 06/776 964 war, die am 17. September 1985 eingereicht und nun fallengelassen wurde, die eine Continuation-in-Part der Anmeldung mit der Serien-Nr. 06/705787 war, eingereicht am 26. Februar 1985 und nun fallengelassen, die eine Continuation-in-Part der Anmeldung mit der Serien-Nr. 06/591 392 war, eingereicht am 16. März 1984 und nun fallengelassen, alle im Namen von Marc S. Newkirk et al.. Dieses Patent legt ein Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper offen, die man als das Produkt der Oxidationsreaktion eines schmelzflüssigen Vorläufer-Grundmetalls, das mit einem Dampfphasen-Oxidationsmittel unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt wird, wachsen läßt. Schmelzflüssiges Metall wandert durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt, um mit dem Oxidationsmittel zu reagieren, wodurch kontinuierlich ein keramischer polykristalliner Körper entwickelt wird, der, wenn es gewünscht wird, eine in sich verbundene metallische Komponente enthalten kann. Der Prozeß kann durch die Verwendung eines in das Grundmetall einlegierten Dotierungsmittels oder mehrerer einlegierter Dotierungsmittel gefördert werden. Zum Beispiel ist es im Falle der Oxidation von Aluminium an Luft wünschenswert, Magnesium und Silicium mit dem Aluminium zu legieren, um keramische Strukturen aus alpha-Aluminiumoxid zu erzeugen. Dieses Verfahren wurde dann durch das Auftragen von Dotierungsmaterialien auf die Oberfläche des Vorläufermetalls verbessert, wie es im U.S.-Patent Nr. 4 853 352 desselben Anmelders beschrieben wird, das den Titel "Methods of Making Self-Supporting Ceramic Materials and Materials Made Thereby" trägt, am 1. August 1989 veröffentlicht wurde und aus der U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/220 935 hervorging, das eine Rule-62-Continuation der U.S.-Patentanmeldung desselben Anmelders mit der Serien-Nr. 06/822 999 war, eingereicht am 27. Januar 1985 und nun fallengelassen, die eine Continuation-in-Part der Serien-Nr. 06/776965 war, eingereicht am 17. September 1985 und nun fallengelassen, die eine Continuation-in-Part der Serien-Nr. 06/747788 war, eingereicht am 25. Juni 1985 und nun fallengelassen, die eine Continuation-in-Part der Serien-Nr. 06/632 636 warv eingereicht am 20. Juli 1984 und nun fallengelassen, alle im Namen von Marc S. Newkirk et al.
Dieses Oxidationsphänomen wurde zur Herstellung keramischer Verbundkörper verwendet, wie es im U.S.-Patent Nr.4 851 375 desselben Anmelders beschrieben wird, das den Titel "Methods of Making Composite Ceramic Artides Having Embedded Filler" trägt, das am 25. Juli 1989 veröffentlicht wurde und aus der U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 06/819 397 hervorging, die am 17. Januar 1986 eingereicht wurde und eine Continuation-in-Part der Serien- Nr. 06/697 876 war, eingereicht am 4. Februar 1985 und nun aufgegeben, alle im Namen von Marc S. Newkirk et al., und die den Titel "Composite Ceramic Artides and Methods of Making Same" trägt. Diese Patentanmeldungen und Patente legen neuartige Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Körpers durch das Wachsenassen eines Oxidationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetall in eine permeable Masse eines Füllstoffs offen, wodurch der Füllstoff mit einer keramischen Matrix infiltriert wird. Der resultierende Verbundkörper besitzt jedoch keine definierte oder vorher festgelegte Geometrie, Form oder Konfiguration.
Ein Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundkörper mit einer vorher festgelegten Geometrie oder Form wird im anhängigen U.S.-Patent Nr. 5 017 526 desselben Anmelders offengelegt, das den Titel "Method of Making Shaped Ceramic Composite" trägt, am 21. Mai 1992 veröffentlicht wurde und aus der U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/338 741 hervorging, die 14. April 1989 eingereicht wurde als eine Rule-62-Continuation der U.S.- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 06/861 025, die am 8. Mai 1986 im Namen von Marc S. Newkirk et al. eingereicht wurde und nun fallengelassen worden ist, und die den Titel "Shaped Ceramic Composites and Methods of Making the Same" trägt. Gemäß dem Verfahren im U.S.- Patent Nr. 5 017 526 infiltriert das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt eine permeable Vorform aus einem Füllstoffmaterial in Richtung einer festgelegten Oberflächenbegrenzung.
Es wurde entdeckt, daß eine hohe Wiedergabegenauigkeit leichter erreicht wird, wenn die Vorform mit einem Sperrschichtelement versehen wird, wie im U.S.-Patent Nr. 4 923 832 desselben Anmelders offengelegt ist, das am 8. Mai 1990 veröffentlicht wurde und aus der U.S.- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 06/861 024 hervorging, die am 8. Mai 1986 im Namen von Marc S. Newkirk et al. eingereicht wurde und den Titel "Method of Making Shaped Ceramic Composites with the Use of a Barrier" trägt. Dieses Verfahren erzeugt geformte selbsttragende keramische Körper, einschließlich geformter keramischer Verbundkörper, durch Wachsenlassen des Oxidationsreaktionsprodukts eines Voräufermetalls bis zu einem Sperrschichtelement, das vom Metall entfernt angeordnet ist, um eine Grenze oder Oberfläche festzulegen.
Keramische Verbundkörper, die einen Hohlraum mit einer inneren Geometrie enthalten, die die Gestalt einer positiven Form oder einer positiven Form oder eines positiven Musters aus Grundmetall umgekehrt wiederholt, werden im U.S.-Patent Nr. 4 828 785 desselben Anmelders offengelegt, das den Titel "Inverse Shape Replication Method of Making Ceramic Composite Articles" trägt, das am 9. Mai 1989 veröffentlicht wurde und aus der U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 06/823 542 hervorging, die am 27. Januar 1986 im Namen von Marc S. Newkirk et al. eingereicht wurde und den Titel "Inverse Shape Replication Method of Making Ceramic Composite Artides and Artides Obtained Thereby" trägt, und im U.S.-Patent Nr. 4 859 640 desselben Anmelders, das am 22. August 1989 veröffentlicht wurde und aus der U.S.- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 06/896 157 hervorging, die am 13. August 1986 im Namen von Marc S. Newkirk et al. eingereicht wurde und den Titel "Method of Making Ceramic Composite Artides with Shape Replicated Surfaces and Artides Obtained Thereby" trägt.
Die oben diskutierten Patentanmeldungen und Patente desselben Anmelders legen Verfahren zur Herstellung keramischer Gegenstände und/oder keramischer Verbundgegenstände offen, die einige der traditionellen Einschränkungen oder Schwierigkeiten bei der Herstellung keramischer Gegenstände als Ersatz für die traditionellen Keramiken und Metalle in zahlreichen Anwendungen überwinden.

Definitionen

Die folgenden Begriffe, wie sie in dieser Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen verwendet werden, sind wie folgt definiert:
"Keramik" sollte nicht zu unrecht so verstanden werden, daß der Begriff auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne beschränkt ist, d.h. in dem Sinne, daß er vollständig aus nicht-metallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern er bezieht sich eher auf einen Körper, der entweder im Hinblick auf seine Zusammensetzung oder auf seine vorherrschenden Eigenschaften vorwiegend keramisch ist, obwohl der Körper geringe oder größere Mengen einer metallischen Komponente aufweist, die einen metallischen Bestandteil oder mehrere metallische Bestandteile (isoliert und/oder zusammenhängend) umfaßt, am typischsten innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1-40 Volumenprozent, die aber noch mehr Metall enthalten kann.
"Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet ein Metall oder mehrere Metalle in einem beliebigen oxidierten Zustand, in dem das Metall bzw. die Metalle Elektronen an ein anderes Element, eine andere Verbindung oder eine Kombination davon abgegeben hat bzw. haben oder Elektronen mit diesen teilt bzw. teilen. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition gemäß dieser Erfindung das Produkt der Reaktion von einem Bestandteil oder von mehreren Bestandteilen des Grundmetalls mit einem Material oder mit mehreren Materialien, das bzw. die wenigstens ein Festphasen-Oxidationsmittel umfaßt bzw. umfassen, das ein Metall, z.B. Molybdän, Niob, Silicium und Titan, enthält. Dementsprechend beinhaltet diese Definition intermetallische Verbindungen, Legierungen, feste Lösungen oder dergleichen, die durch beliebige Bestandteile des Grundmetalls und ein zweites oder fremdes Metall gebildet werden, das zu Anfang z.B. als wenigstens eine Komponente des einen oder der mehreren Festphasen-Oxidationsmittel vorhanden sein kann.
"Grundmetall" bezieht sich auf dasjenige Metall, das mit dem Festphasen-Oxidationsmittel unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts reagiert, und umfaßt dieses Metall als relativ reines Metall oder als ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen; und wenn ein bestimmtes Metall als Grundmetall erwähnt wird, z.B. Aluminium, Silicium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Zinn etc., dann sollte das angegebene Metall unter Beachtung dieser Definition gelesen werden, es sei denn, aus dem Zusammenhang geht etwas anderes hervor.
"Zweites oder fremdes Metall" bedeutet jede(s) geeignete Metall, Kombination von Metallen, Legierungen, intermetallische Verbindungen oder Quellen für diese, das bzw. die an Stelle von, zusätzlich zu oder in Kombination mit nicht-oxidierten Bestandteilen des Grundmetalls als metallische(r) Bestandteil oder Phase in die metallische Komponente eines gebildeten keramischen Körpers eingearbeitet wird oder eingearbeitet werden soll. Diese Definitionen schließt intermetallische Verbindungen, Legierungen, feste Lösungen oder dergleichen ein, die durch zwei oder mehrere derartige zweite oder fremde Metalle gebildet werden, von denen eines oder mehrere zu Anfang z.B. als wenigstens eine Komponente des einen oder der mehreren Festphasen-Oxidationsmittel vorhanden sein kann bzw. können.
"Fluß" aus schmelzflüssigem Metall bedeutet den durch die Prozeßbedingungen induzierten Strom oder Transport von schmelzflüssigem Metall im Inneren des Oxidationsreaktionsprodukts. "Fluß", wie der Begriff hier verwendet wird, soll nicht, wie in der klassischen Metallurgie, eine Substanz definieren.
"Grundmetallgerüst" bezieht sich auf möglicherweise verbliebenes Grundmetall, das bei der Bildung des selbsttragenden Körpers nicht verbraucht worden ist und das typischerweise in zumindest teilweisem Kontakt mit dem gebildeten Körper verbleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst typischerweise auch einige oxidierte Bestandteile des Grundmetalls und/oder eines zweiten oder fremden Metalls enthalten kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden Körpers, der wenigstens einen Körper aus einer intermetallischen Verbindung umfaßt, bereitgestellt, und zwar durch die Oxidation eines Grundmetalls, wobei der genannte Körper das Oxidationsreaktionsprodukt eines schmelzflüssigen Grundmetalls mit einem Festphasen-Oxidationsmittel sowie eine metallische Komponente umfaßt. Weiterhin kann ein zweites oder fremdes Metall während der Bildung des Körpers in die metallische Komponente des selbsttragenden Körpers eingebracht oder eingearbeitet werden, und zwar in einem Ausmaß, das ausreichend ist, wenigstens teilweise eine Eigenschaft oder mehrere Eigenschaften des Körpers zu beeinflussen.
Allgemein wird beim Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden Körpers, der eine intermetallische Verbindung umfaßt, die durch die Oxidation eines Grundmetalls gebildet wirdv das Grundmetall unter Bildung eines Körpers aus schmelzflüssigem Matrixmetall erhitzt und in Kontakt mit einem Festphasen-Oxidationsmittel angeordnet. Das schmelzflüssige Grundmetall reagiert bei einer geeigneten Temperatur mit dem Oxidationsmittel, wobei wenigstens ein intermetallisches Oxidationsreaktionsprodukt gebildet wird, und dieses Produkt wird wenigstens teilweise mit dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall und dem Festphasen- Oxidationsmittel in Kontakt gehalten und erstreckt sich zwischen diesen. Bei dieser Temperatur wird schmelzflüssiges Grundmetall kontinuierlich durch das intermetallische Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung des Festphasen-Oxidationsmittels transportiert, wodurch die Reaktion fortgesetzt wird. Weiterhin kann während des Prozesses wenigstens ein zweites oder fremdes Metall ebenfalls in den Fluß des schmelzflüssigen Metalls inkorporiert werden (wie es unten detaillierter beschrieben wird) und, infolgedessen, in die resultierende metallische Komponente des gebildeten Körpers. Die resultierende metallische Komponente, die das schmelzflüssige Grundmetall und wenigstens ein zweites oder fremdes Metall umfaßt, wird durch das intermetallische Oxidationsreaktionsprodukt transportiert, und das Grundmetall oxidiert, wenn es mit dem Festphasen-Oxidationsmittel in Kontakt kommt, wodurch sich kontinuierlich ein selbsttragender Körper entwickelt. Die Oxidationsreaktion wird über eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, einen selbsttragenden Körper zu bilden, der ein intermetallisches Oxidationsreaktionsprodukt und eine metallische Komponente umfaßt. Die metallische Komponente kann nicht-oxidierte Bestandteile des Grundmetalls umfassen sowie wenigstens ein zweites oder fremdes Metall, das in einer beträchtlichen Menge vorhanden sein kann, so daß eine Eigenschaft oder mehrere Eigenschaften des Körpers zumindest teilweise durch die Anwesenheit und/oder die Eigenschaften des zweiten oder fremden Metalls verändert wird bzw. werden. Als Folge des erfindungsgemäßen Prozesses weist der selbsttragende Körper eine oder mehrere vorher festgelegte oder gewünschte Eigenschaft(en) auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das zweite oder fremde Metall während der Bildung des selbsttragenden Körpers in den Fluß des schmelzflüssigen Metalls eingebracht werden, und es wird mit schmelzflüssigem Grundmetall als ein Fluß aus schmelzflüssigem Metall durch das intermetallische Oxidationsreaktionsprodukt transportiert. Ein Teil des Grundmetalls reagiert mit dem Festphasen-Oxidationsmittel unter Bildung des intermetallischen Oxidationsreaktionsprodukts, während das zweite oder fremde Metall unoxidiert durch das Dampfphasen-Oxidationsmittel zurückbleiben kann und typischerweise in der metallischen Komponente verteilt ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet sich das zweite oder fremde Metall als ein Ergebnis der Reaktion zwischen dem Grundmetall und dem Festphasen-Oxidationsmittel. Genauer gesagt kann die Oxidation des Grundmetalls das Festphasen-Oxidationsmittel zu einer metallischen Phase reduzieren, wobei die metallische Phase das zweite oder fremde Metall umfaßt. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das zweite oder fremde Metall in elementarer (z.B. metallischer) Form bereitgestellt. Bei dieser speziellen Ausführungsform kann das zweite oder fremde Metall als eine Schicht auf die Oberfläche des Grundmetalls oder des Festphasen-Oxidationsmittels aufgetragen werden, oder das zweite oder fremde Metall kann mit dem Festphasen- Oxidationsmittel vermischt werden. Unabhängig von der jeweiligen verwendeten Ausführungsform bildet nach der Bildung des selbsttragenden Körpers das zweite oder fremde Metall, als Bestandteil der metallischen Komponente, einen integralen Bestandteil des gebildeten Körpers, wodurch eine Eigenschaft oder mehrere Eigenschaften des Körpers verändert oder verbessert wird bzw. werden.
Bei einer anderen Ausführungsform, bei der ein Verbundkörper gebildet wird und man das Oxidationsreaktionsprodukt in eine Masse aus Füllstoffmaterial oder eine geformte Vorform wachsen läßt, kann das zweite Metall durch Zumischen des Festphasen-Oxidationsmittels, in homogener oder nicht-homogener Form, zum Füllstoffmaterial oder zur Vorform bereitgestellt werden. Wenn sich das intermetallische Oxidationsreaktionsprodukt in der im Füllstoffmaterial vorhandenen Porosität bildet und das schmelzflüssige Metall durch das sich entwickelnde intermetallische Oxidationsreaktionsprodukt transportiert wird, tritt das schmelzflüssige Grundmetall mit dem zweiten oder fremden Metall in Kontakt. Nach diesem Kontakt kann das zweite Metall, oder ein Teil davon, in den Fluß des schmelzflüssigen Metalls eingebracht oder inkorporiert und in die Matrix transportiert werden. Das Grundmetall, oder ein Teil davon, wird fortgesetzt durch das Festphasen-Oxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen dem Festphasen-Oxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt oxidiert, während das zweite Metall im Fluß im Inneren des gebildeten Verbundkörpers transportiert werden kann.
Bei noch einer anderen Ausführungsform kann das zweite oder fremde Metall in Form einer zusätzlichen Verbindung oder Mischung bereitgestellt werden (d.h. einer Verbindung oder Mischung, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich von derjenigen des festen Oxidationsmittels unterscheidet), welche wenigstens teilweise mit dem schmelzflüssigen Metall reagiert und/oder unter den Prozeßbedingungen dissoziiert, so daß das zweite Metall freigesetzt wird, das dann in den Fluß aus schmelzflüssigem Metall eingebracht oder inkorporiert werden kann. Eine derartige zusätzliche Verbindung oder Mischung kann z.B. als eine Schicht auf der Oberseite des Körpers aus Grundmetall aufgetragen werden, oder sie kann mit einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform vermischt oder auf dieses bzw. diese aufgetragen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus, der zur Durchführung des Prozesses der Verbundkörperherstellung aus Beispiel 1 verwendet wurde;
Figur 2A und 2B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des gebildeten Verbundmaterials aus Beispiel 1;
Figur 3 ist eine bei ungefähr 53facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des gebildeten Verbundmaterials aus Beispiel 2;
Figur 4 ist eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus, der zur Duichführung des Prozesses der Verbundkörperherstellung aus Beispiel 3 verwendet wurde;
Figur 5 ist eine bei ungefähr 53facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe A aus Beispiel 3;
Figur 6A und 6B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe B aus Beispiel 3;
Figur 7A und 7B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe C;
Figur 8A und 8B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 380facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe D;
Figur 9A und 9B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe E;
Figur 10A ist eine bei ungefähr Sofacher Vergrößerung durch Scanning- Elektronenmikroskopie unter Einsatz der Elektronenrückstreu-Darstellung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe F;
Figur 10B ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe F;
Figur 11 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe G;
Figur 12 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe H;
Figur 13A und 13B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe 1;
Figur 14 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe J.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Grundmetall, das ein Dotierungsmittel enthalten kann (wie weiter unten detaillierter erklärt wird) zu einem Block, einem Barren, einer Stange, einer Platte oder dergleichen geformt und in einen geeigneten Aufbau gegeben, der z.B. ein inertes Bett, einen inerten Schmelztiegel oder einen anderen feuerfesten Behälter umfassen kann. Es wurde entdeckt, daß ein zweites oder fremdes Metall mit schmelzflüssigem Grundmetall während der Bildung des selbsttragenden Körpers, der einen Füllstoff enthält oder auch nicht, kombiniert werden kann, so daß ein Fluß aus Metall gebildet wird. Der resultierende Fluß aus Grundmetall und zweitem Metall kann z.B. durch Kapillartransport des Flusses aus schmelzflüssigem Metall durch das zuvor gebildete Oxidationsreaktionsprodukt auf eine Weise transportiert werden, die derjenigen ähnlich ist, die in den Patenten und Patentanmeldungen desselben Anmelders beschrieben wurde. Somit kann das zweite oder fremde Metall ein integraler Teil der metallischen Komponente des gebildeten Körpers werden.
Eine vorher festgelegte Menge eines Festphasen-Oxidationsmittels kann dem Aufbau, der das Grundmetall, das genannte inerte Bett, den Schmelztiegel oder einen anderen feuerfesten Behälter umfaßt, sowie bei Bedarf ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform, bereitgestellt werden. Im einzelnen kann, indem das Festphasen-Oxidationsmittel in Kontakt mit einer Oberfläche oder mehreren Oberflächen des Grundmetalls oder, in Fällen, in denen ein Verbundkörper gebildet wird, indem des Festphasen-Oxidationsmittel mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt wird und das Grundmetall unter Bildung von schmelzflüssigem Grundmetall erhitzt wirdv eine Reaktion zwischen dem Grundmetall und dem Festphasen-Oxidationsmittel erfolgen (diese Techniken werden unten genauer erklärt). Der Körper wird dann wiedergewonnen, wobei der genannte Körper eine metallische Komponente hat, die nicht-oxidierte Bestandteile des Grundmetalls und, wenn es gewünscht wird, des zweiten Metalls umfaßt. Weiterhin umfaßt die metallische Komponente des gebildeten Körpers in sich verbundene und/oder isolierte Metalleinschlüsse.
Beim Einsatz der vorliegenden Erfindung basiert die Wahl des Festphasen- Oxidationsmittels bzw. der Festphasen-Oxidationsmittel und des Grundmetalls bzw. der Grundmetalle in erster Linie auf einer Eigenschaft oder mehreren Eigenschaften, die für den Körper, der gebildet werden soll, gewünscht wird bzw. werden. Die metallische Komponente kann bestimmte vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der beabsichtigten Verwendung auf den gebildeten Körper übertragen oder seine Leistungsfähigkeit verbessern. Zum Beispiel kann eine metallische Komponente im Körper die Bruchzähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Umweltverträglichkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Körpers auf günstige Weise verbessern, und zwar in Abhängigkeit von Faktoren wie der Zusammensetzung der metallischen Komponente und der Menge und der Verteilung der metallischen Komponente im gebildeten Körper. Durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Maßschneidern der Bestandteile der metallischen Komponente, die somit zusätzliche Metalle oder metallische Phasen neben dem Grundmetall oder andere Metalle oder metallische Phasen als das Grundmetall enthält, erweitert die Erfindung die Einsetzbarkeit derartiger gebildeter Körper beträchtlich. Um dem gebildeten Körper die gewünschte Eigenschaft oder die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, sollten solche zweiten oder zusätzlichen Metalle gewählt werden, die unter den jeweiligen eingesetzten Prozeßbedingungen im Vergleich zum Grundmetall nicht bevorzugt ein Oxidationsreaktionsprodukt bilden. Typischerweise erfüllt ein zweites Metall dieses Kriterium, wenn bei der jeweiligen Oxidationsreaktion, die mit dem vorhandenen Festphasen- Oxidationsmittel abläuft, sein Oxidationsreaktionsprodukt bei einer gegebenen Reaktionstemperatur eine kleinere negative freie Bildungsenergie aufweist als das Oxidationsreaktionsprodukt des Grundmetalls.
Das zweite oder fremde Metall kann mit dem Grundmetall in der metallischen Komponente eine Legierung bilden oder reagieren, wenn dieses zweite oder fremde Metall eine chemische Zusammensetzung aufweist, die von der Zusammensetzung des Grundmetalls verschieden ist. Weiterhin kann das zweite oder fremde Metall mit einer Komponente oder mehreren Komponenten des Festphasen-Oxidationsmittel unter Bildung von z.B. Legierungen oder weiteren intermetallischen Verbindungen reagieren, die erwünscht sein können, oder die dem resultierenden Körper gewünschte Eigenschaften verleihen. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur In-situ-Bildung einer gewünschten metallischen Phase oder mehrerer gewünschter metallischer Phasen bereitgestellt, die einen metallischen Bestandteil oder mehrere metallische Bestandteile des Grundmetalles umfassen, ein zweites oder zusätzliches Metall oder mehrere zweite oder zusätzliche Metalle sowie eine Komponente oder mehrere Komponenten des Festphasen-Oxidationsmittels (z.B. ein Produkt oder Produkte der Reaktion mit dem Festphasen-Oxidationsmittel). Derartige metallische Phasen umfassen intermetallische Verbindungen, feste Lösungen, Legierungen oder Kombinationen von diesen. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein geeignetes Festphasen-Oxidationsmittel so ausgewählt, daß der resultierende Körper wenigstens ein erwünschtes Oxidationsreaktionsprodukt und wenigstens eine erwünschte metallische Phase umfaßt. Zum Beispiel kann ein Festphasen-Oxidationsmittel so ausgewählt werden, daß bei einer gegebenen Temperatur und vorgegebenen Konzentrationsverhältnissen ein zweites Metall eine metallische Phase oder mehrere metallische Phasen in Kombination mit dem Grundmetall bildet, von der bzw. von denen erwünscht ist, daß sie z.B. in die metallische Komponente des gebildeten Körpers inkorporiert wird oder werden. Das zweite oder zusätzliche Metall kann in einer relativ geringeren Konzentration bereitgestellt und dem Fluß des schmelzflüssigen Metalls zugesetzt werden, als es für die Bildung der gewünschten metallischen Phase oder Phasen im resultierenden Körper erforderlich ist. Bei der Reaktion des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem Festphasen-Oxidationsmittel bei einer gegebenen Reaktionstemperatur, wobei wenigstens ein Oxidationsreaktionsprodukt gebildet wird, wird die relative Konzentration des Grundmetalls in der in sich verbundenen metallischen Komponente (d.h. dem Fluß) erschöpft oder vermindert. Somit steigt in der metallischen Komponente des gebildeten Körpers die relative Konzentration des zweiten Metalls an. Die Reaktion wird bei einer vorgegebenen Reaktionstemperatur oder innerhalb eines Temperaturbereiches fortgesetzt, bis eine ausreichende Menge an Grundmetall aus dem schmelzflüssigen Metallfluß entfernt worden ist, was zur Bildung einer metallischen Phase oder mehrerer metallischer Phasen führt, welche, in bestimmten Fällen, das Grundmetall und ein zweites Metall umfaßt bzw. umfassen. Alternativ kann die Oxidationsreaktion für eine Zeit fortgesetzt werden, die ausreicht, eine Menge an Grundmetall zu entfernen, so daß beim Erniedrigen der Reaktionstemperatur oder beim Abkühlen des gebildeten Körpers die gewünschte Bildung der metallischen Komponente erfolgt, wodurch die gewünschte metallische Phase, die in bestimmten Fällen das Grundmetall und ein zweites Metall umfaßt, gebildet oder angereichert wird. Die resultierende metallische Phase oder die resultierenden metallischen Phasen kann bzw. können dem Körper entweder von Haus aus eine gewünschte Eigenschaft oder gewünschte Eigenschaften übertragen, oder sie kann oder sie können eine derartige Zusammensetzung aufweisen, daß sie eine oder mehrere zusätzliche Phasen bei einer vorgegebenen Einsatztemperatur bildet oder bilden, wodurch dem gebildeten Körper die gewünschte Eigenschaft oder die gewünschten Eigenschaften verliehen wird bzw. werden. Außerdem kann durch Manipulieren der Reaktionsparameter (z.B. der Reaktionszeit, der Reaktionstemperatur etc.) oder durch die geeignete Kombination oder Zufügung bestimmter Metalle die metallische Komponente eines gebildeten Körpers zusätzlich maßgeschneidert werden, wie z.B. durch Ausscheidungshärten einer gewünschten Legierung im Inneren der metallischen Komponente.
Da das hier offengelegte Verfahren, das darin besteht, bei Bedarf ein zweites oder fremdes Metall in die metallische Komponente eines gebildeten Körpers einzuarbeiten, die enge Kombination von zwei oder mehreren Metallen, nämlich des zweiten Metalls und des Grundmetalls, umfaßt, sollte klar sein, daß die Vielseitigkeit, die bezüglich der Art, der Menge, der Form und/oder der Konzentration des zweiten Metalls im Vergleich zum Grundmetall, das eingesetzt werden soll, von den metallischen Bestandteilen oder Phasen abhängt, die in den Körper eingearbeitet werden sollen, sowie von den Prozeßbedingungen, die für die Bildung des gewünschten Oxidationsreaktionsprodukts bzw. der gewünschten Oxidationsreaktionsprodukte erforderlich sind. Der Einschluß und/oder die Bildung der gewünschten metallischen Bestandteile wird zumindest teilweise durch die Eigenschaften und/oder physikalische Metallurgie beherrscht, die mit der Kombination oder Wechselwirkung der jeweiligen Metalle, die unter den jeweiligen Prozeßbedingungen vorhanden sind, assoziiert sind, und/oder vom Festphasen-Oxidationsmittel, das für die Reaktion mit dem Grundmetall ausgewählt wurde. Diese Kombination von Metallen kann die Bildung verschiedener metallischer Phasen, einschließlich von Legierungen, intermetallischen Verbindungen, festen Lösungen (einschließlich relativ reiner Elemente), Präzipitate oder Mischungen von diesen, bewirken, und sie kann durch die Anwesenheit und Konzentration von Verunreinigungen und/oder Dotierungsmaterialien beeinflußt werden. Somit kann die metallische Komponente, die aus der Kombination der Metalle bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung resultiert, Eigenschaften aufweisen, die von denjenigen der verschiedenen einzelnen Metalle erheblich abweichen. Derartige Kombinationen, die das Grundmetall und das zweite Metall aufweisen, die in die metallische Komponente des gebildeten keramischen Körpers inkorporiert wurden, können die Eigenschaften des gebildeten Körpers vorteilhaft beeinflussen. Zum Beispiel kann die Kombination des zweiten Metalls und des Grundmetalls eine metallische Phase oder mehrere metallische Phasen bilden, wie z.B. feste Lösungen, Legierungen oder eine oder mehrere zusätzliche intermetallische Verbindung(en), welche einen Schmelzpunkt oberhalb von demjenigen des Grundmetalls besitzen, wodurch der Bereich der Einsatztemperatur eines keramischen Körpers, der eine derartige metallische Phase oder derartige metallische Phasen als metallischen Bestandteil bzw. metallische Bestandteile der metallischen Komponente des Körpers eingearbeitet enthält, erweitert wird. Weiterhin sollte klar sein, daß in bestimmten Fällen der Schmelzpunkt des resultierenden metallischen Bestandteils bzw. der resultierenden metallischen Bestandteile oberhalb der für die Bildung des angestrebten Oxidationsreaktionsprodukts einsetzbaren Temperatur liegen kann. Weiterhin kann die Bildung metallischer Bestandteile, die aus bestimmten Kombinationen von Grundmetallen und zweiten Metallen resultiert, bei der Reaktionstemperatur dem resultierenden schmelzflüssigen Metall erhöhte Viskosität verleihen, im Vergleich mit dem schmelzflüssigen Grundmetall ohne den Zusatz des zweiten Metalls bei der gleichen Temperatur, so daß der Transport von schmelzflüssigem Metall durch das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt erheblich verlangsamt wird oder nicht erfolgt. Deshalb sollte man bei der Konstruktion eines gewünschten Systems, das eine derartige Kombination aus Grundmetallen und zweiten Metallen umfaßt, Sorgfalt walten lassen, damit sichergestellt ist, daß die metallische Komponente in ausreichendem Maße flüssig bleibt, während sich das Oxidationsreaktionsprodukt bildet, um den fortgesetzten Fluß an schmelzflüssigem Metall bei einer Temperatur, die mit den Parametern des Prozesses der Oxidationsreaktion vereinbar ist, zu erleichtern
Zu weiteren Faktoren, die in Betracht gezogen werden müssen, wenn ein geeignetes Material als Festphasen-Oxidationsmittel ausgewählt wird, gehören die metallurgischen Eigenschaften, die mit dem Kontakt des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem zweiten Metall assoziiert sind, damit die Einbringung der erwünschten Menge des zweiten Metalls in den Fluß der metallischen Komponente bewirkt wird. Zum Beispiel können, wenn ein Festphasen- Oxidationsmittel unter Freisetzung eines zweiten Metalls in die metallische Komponente vom Grundmetall reduziert wird, eine Diffusion der beiden Metalle ineinander oder eine Reaktion der beiden Metalle, wie bei der Bildung einer zusätzlichen intermetallischen Verbindung oder mehrerer zusätzlicher intermetallischer Verbindungen, keramischer Verbindung(en) oder anderer metallischer Phase(n) zwischen dem Grundmetall und dem zweiten Metall, erfolgen. Somit hängt die Einbringung und/oder die Geschwindigkeit der Einbringung des zweiten Metalls in den Fluß der metallischen Komponente von einem oder von mehreren derartigen metallurgischen Faktor(en) ab. Zu derartigen Faktoren gehören der physikalische Zustand des zweiten Metalls bei der jeweiligen Reaktionstemperatur, die Geschwindigkeit der Diffusion zwischen dem Grundmetall und dem zweiten Metall, das Ausmaß und/oder die Geschwindigkeit des Lösens des zweiten Metalls im Grundmetall oder des Grundmetalls im zweiten Metall sowie die Bildung weiterer intermetallischer oder sonstiger metallischer Phasen zwischen dem Grundmetall und dem zweiten Metall. Deshalb sollte sorgfältig darauf geachtet werden, daß sichergestellt wird, daß die Reaktionstemperatur so aufrecht erhalten wird, daß die metallischen Bestandteile, die aus der Einbringung des zweiten Metalls in den Fluß der metallischen Komponente des gebildeten Körpers resultieren, wenigstens teilweise flüssig bleiben, damit der Transport der metallischen Bestandteile durch die metallische Komponente in das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt erleichtert wird und somit ein Kontakt des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem Festphasen- Oxidationsmittel zur Erleichterung der Bildung des Körpers ermöglicht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Einbringung eines zweiten Metalls in den Fluß des schmelzflüssigen Metalls oder die Erschöpfung des Grundmetalls im Fluß des schmelzflüssigen Metalls aufgrund der Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts zur Bildung einer metallischen Phase oder mehrerer metallischer Phasen führen, die das Grundmetall und zweites Metall umfaßt bzw. umfassen. Jedoch können metallische Phasen, die bestimmte Kombinationen aus Grundmetall und zweitem Metall umfassen, der metallischen Komponente des sich bildenden Körpers erhebliche Viskosität verleihen oder auf sonstige Weise den Fluß der schmelzflüssigen Metallfraktion der metallischen Komponente behindern, so daß der Transport des Metalls in Richtung des Festphasen-Oxidationsmittels aufhört, ehe sich das gewünschte Oxidationsreaktionsprodukt vollständig entwickelt hat. In derartigen Fällen kann die Bildung des gewünschten Oxidationsreaktionsprodukts durch diese Phänomene gestoppt oder erheblich verlangsamt werden, und deshalb sollte darauf geachtet werden, daß die vorzeitige oder exzessive Bildung derartiger metallischer Phasen vermieden wird.
Für den durchschnittlichen Fachmann sollten zahlreiche Reaktionstypen sowie die Verbundmaterialien, die dadurch erzeugt werden, offensichtlich sein. Einige dieser Beispiele können, unter den geeigneten Reaktionsbedingungen, diejenigen Materialkombinationen einschließen, die in der Tabelle 1 dargelegt sind. Spezielle Arbeitsbeispiele der Erfindung sind jedoch in den später folgenden Beispielen dargestellt. TABELLE 1 Mögliche Kombinationen bei der Reaktion
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Produkt ein Verbundmaterial ist, das durch Wachsenlassen des Oxidationsreaktionsprodukts in eine Masse oder ein Aggregat aus Füllstoffmaterial oder in eine permeable Vorform hergestellt wird, wobei dieses Füllstoffmaterial oder diese Vorform an das Grundmetall angrenzend angeordnet werden kannu kann das Festphasen-Oxidationsmittel bereitgestellt werden, indem es mit dem Füllstoffmaterial oder mit dem Vorformmaterial vermischt wird, oder es kann, wie durch Beschichten, auf eine Oberfläche oder mehrere Oberflächen des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgetragen werden. Das Festphasen-Oxidationsmittel kann auch auflediglich eine Oberfläche oder auf mehrere Oberflächen einer Masse oder eines Aggregats aus Füllstoffmaterial oder einer geformten Vorform aufgetragen werden. Das Auftragen eines Festphasen-Oxidationsmittels auf eine Oberfläche oder auf mehrere Oberflächen einer Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann zu einem Verbundkörper führen, bei dem die exponierten Teile der metallischen Komponente reich am zweiten oder fremden Metall aus dem Dampfphasen-Oxidationsmittel sind, verglichen mit anderen Teilen der metallischen Komponente im Inneren des gebildeten Verbundkörpers.
Das Festphasen-Oxidationsmittel kann in Form einer Mischung oder einer Verbindung bereitgestellt werden, die mit dem schmelzflüssigen Grundmetall reagiert und/oder unter den Prozeßbedingungen dissoziiert, wobei das zweite oder fremde Metall daraus freigesetzt wird, das dann, wie oben diskutiert wurde, in den Fluß des schmelzflüssigen Metalls eingebracht wird. Eine derartige Verbindung kann ein Metalloxid, -nitrid, -carbid, -bond etc. sein, das durch das Grundmetall reduziert werden kann oder mit diesem reagiert, wobei das zweite Metall oder die zweiten Metalle freigesetzt wird bzw. werden. Wenn z.B. ein Verbundkörper eine Keramikmatrix umfassen soll, die durch die Oxidation eines Aluminium-Grundmetalls hergestellt wird, und die Teilchen aus einem Füllstoff aus Aluminiumoxid einbetten soll, dann kann ein Festphasen- Oxidationsmittel (z.B. ein einfaches, binäres, ternäres oder ein höheres Oxid, ein Nitrid, Carbid, Bond etc.), welches das gewünschte zweite Metall bzw. die gewünschten zweiten Metalle enthält, wie Silicium, Nickel, Eisen oder Chrom, mit dem Füllstoff aus Aluminiumoxid vermischt oder der Oberseite des Aluminium-Grundmetalls aufgelagert werden. Wenn z.B. Chrom als ein zweites Metall gewünscht wird, dann kann Chrommetall durch Vermischen von Chromoxid mit einem Füllstoffmaterial in den Fluß aus schmelzflüssigem Metall eingebracht werden. Wenn der Fluß des schmelzflüssigen Aluminiums mit dem Chromoxid in Kontakt kommt, reduziert ein Teil des schmelzflüssigen Aluminiums das Chromoxid und setzt metallisches Chrom frei. Eine gewisse Menge des freigesetzten metallischen Chroms wird dann in den Fluß des verbleibenden schmelzflüssigen Aluminiums eingebracht, wie oben diskutiert wurde, und durch und/oder in das Oxidations-reaktionsprodukt transportiert, das gebildet wird, wenn das schmelzflüssige Aluminium-Grundmetall fortgesetzt mit dem Festphasen-Oxidationsmittel aus Chromoxid in Kontakt kommt.
Wie in den Patenten und Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird, beeinflussen Dotierungsmaterialien, die zusammen mit dem Metall verwendet werden, den Prozeß der Oxidationsreaktion vorteilhaft. Weiterhin kann bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung in bestimmten Fällen ein Dotierungsmaterial so gewählt werden, daß es, zusätzlich zu seinen Dotierungseigenschaften, ein zweites oder fremdes Metall oder eine Quelle desselben bereitstellt, von dem erwünscht ist, daß es in die metallische Komponente des gebildeten Körpers eingearbeitet wird. Jedoch wird in bestimmten Fällen kein geeignetes Dotierungsmaterial, das die erforderlichen Dotierungseigenschaften und eine Quelle für das gewünschte zweite oder fremde Metall und/oder das Festphasen-Oxidationsmittel bereitstellt, zur Verfügung stehen. Deshalb kann es sein, daß ein Dotierungsmaterial zusammen mit dem zweiten oder fremden Metall und/oder dem Festphasen-Oxidationsmittel verwendet werden muß. Es sollte jedoch festgestellt werden, daß, wenn ein Dotierungsmaterial zusammen mit einem Festphasen-Oxidationsmittel verwendet wird, die Anwesenheit des einen einen Effekt auf die Funktion undloder die Leistungsfähigkeit des jeweils anderen haben kann. Bei der Durchführung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen es erwünscht ist, daß die Bildung eines metallischen Bestandteils oder mehrerer metallischer Bestandteile bewirkt wird, der bzw. die das Grundmetall und das zweite Metall umfaßt bzw. umfassen, und bei denen außerdem ein separates Dotierungsmaterial eingesetzt wird, können somit die jeweiligen Konzentrationen des Grundmetalls und des Festphasen-Oxidationsmittels, die für die Bildung des gewünschten Bestandteils bzw. der gewünschten Bestandteile erforderlich sind, von denjenigen Konzentrationen verschieden sein, die notwendig sind, um die Bildung der metallischen Bestandteile im binären System, das das Grundmetall und das Festphasen-Oxidationsmittel umfaßt, zu bewirken. Deshalb sollten die Effekte aller Materialien, die in einem bestimmten Falle vorhanden sind, sorgfältig berücksichtigt werden, wenn ein System konstruiert wird, bei dem es gewünscht wird, daß es die Bildung eines metallischen Bestandteils oder mehrerer metallischer Bestandteile in der metallischen Komponente des gebildeten Körpers bewirkt. Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel, das bzw. die zusammen mit dem Grundmetall verwendet wird bzw. werden, wie im Falle von zweiten Metallen, können (1) bereitgestellt werden als Legierungsbestandteile des Grundmetalls, können (2) auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen werden oder können (3) auf einen Teil des Füllstoffmaterials oder auf das gesamte Füllstoffmaterial aufgetragen oder in einen Teil des Füllstoffmaterials oder in das gesamte Füllstoffmaterial eingearbeitet werden, oder es kann eine beliebige Kombination von zwei oder mehreren der Techniken (1), (2) oder (3) eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein einlegiertes Dotierungsmittel allein oder in Kombination mit einem zweiten äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittel verwendet werden. Im Falle der Technik (3), bei der ein zusätzliches Dotierungsmittel oder zusätzliche Dotierungsmittel auf das Füllstoffmaterial aufgetragen werden, kann das Auftragen auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, wie in den Patenten und Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird.
Die Funktion oder die Funktionen eines jeweiligen Dotierungsmaterials kann bzw. können von mehreren Faktoren abhängen. Zu derartigen Faktoren gehören z.B. die jeweilige Kombination der Dotierungsmaterialien, wenn zwei oder mehrere Dotierungsmaterialien verwendet werden, die Verwendung eines äußerlich aufgetragenen Dotierungsmaterials in Kombination mit einem in das Grundmetall einlegierten Dotierungsmaterial, die Konzentration des verwendeten Dotierungsmaterials, die oxidierende Umgebung, die Prozeßbedingungen und, wie oben festgestellt wurde, die Art und die Konzentration des anwesenden zweiten Metalls.
Wie in dem oben diskutierten U.S.-Patent Nr. 4 923 832 offengelegt wurde, kann ein Sperrschichtelement verwendet werden, um das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts über die Sperre hinaus zu hemmen. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und in der Lage ist, das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts lokal zu hemmen, zu vergiften, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen. Zu geeigneten Sperren gehören Calciumsulfat (Gips), Calciumsilicat und Portlandzement sowie Kombinationen von diesen, und sie werden typischerweise in breiiger oder pastöser Form auf die Oberfläche des Füllstoffmaterials aufgetragen. Weiterhin kann das Sperrschichtelement ein geeignetes feuerfestes teilchenförmiges Material enthalten, um ein mögliches Schrumpfen oder Springen zu verhindern, zu dem es sonst während des Prozesses kommen kann. Ein derartiges teilchenförmiges Material, das im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Füllstoffmaterial aufweist, ist besonders erwünscht.
Diese Erfindung wird in dem folgenden, nicht einschränkenden Beispiel weiter veranschaulicht.

Beispiel 1

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines Verbundkörpers, der eine intermetallische Verbindung aus Niobaluminid (NbAl&sub3;) umfaßt. Die Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus, der zur Durchführung des Prozesses der Herstellung des Verbundmaterials verwendet wurde. Dieses Beispiel sollte nicht so aufgefaßt werden, daß es auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern derart, daß es auch andere bedeutende Aspekte der beanspruchten Erfindung offenlegt.
Es wurden ungefähr 6,94 Gramm teilchenfirmiges Titandibond, bei dem im wesentlichen alle Teilchen kleiner als ungefähr 45 µm im Durchmesser waren (-325 Mesh, Consolidated Astronautics Co., Saddle Brook, NJ), und ungefähr 13,1 Gramm teilchenförmiges Niob, bei dem im wesentlichen alle Teilchen kleiner als ungefähr 45 µm im Durchmesser waren (-325 Mesh, Consolidated Astronautics Co., Saddle Brook, NJ), von Hand in einer Wägeschale gemischt. Die teilchenförmige Mischung wurde dann in einen Schmelztiegel 10 aus Grade-ATJ-Graphit (Union Carbide Corp., Carbon Products Division, Cleveland, OH), der einen Innendurchmesser von ungefähr 1,5 in (37 mm) hatte und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war, gegossen und per Hand aufgestoßen, um möglicherweise vorhandene überschüssige Porosität zwischen den Teilchen zu entfernen, wodurch eine permeable Masse 12 gebildet wurde. Ungefähr 0,34 Gramm teilchenförmiges Magnesium 16, bei dem im wesentlichen alle Teilchen einen Durchmesser zwischen ungefähr 300 und ungefähr 700 µm (-24 +50 Mesh, Hart Corp., Tamaqua, PA) hatten, wurden gleichmäßig über die geglättete permeable Masse 12 aus Niob und Titandibond gestreut. Ein Block 14 aus Grundmetall, der ungefähr 25,4 Gramm wog und Aluminium von im Handel erhältlicher Reinheit umfaßte, wurde dann unter Bildung eines Aufbaus 18 auf die Oberseite der Schicht aus dem teilchenförmigen Magnesium 16 gesetzt. Der Graphitschmelztiegel 10 und sein Inhalt wurden dann in ein Schiffchen 20 aus Graphit gesetzt, das ungefähr 5 in (127 mm) im Quadrat maß und ungefähr 2 in (51 mm) hoch war, und mit einem Bogen 22 aus GRAFOIL - Graphitfolie (Union Carbide CO., Carbon Products Div., Cleveland, OH) bedeckt, um den experimentellen Zusammenbau 24 zu vervollständigen.
Der Zusammenbau 24, der das Graphitschiffchen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde dann in die Vakuumkammer eines Vakuumofens bei ungefähr 25ºC gesetzt. Die Kammer wurde dann verschlossen, zweimal auf weniger als ungefähr 4 x 10&supmin;&sup4; Torr evakuiert und wieder mit Argongas im Handel erhältlicher Reinheit auf im wesentlichen Atmosphärendruck gefüllt. Danach wurde eine Argongas-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 4000 sccm eingestellt und bei einem Druck von ungefähr 5 psi (35 000 Pa) über Atmosphärendruck aufrechterhalten. Die Temperatur im Inneren der Ofenkammer wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde von ungefähr 25ºC auf eine Temperatur von ungefähr 1000ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 1000ºC für ungefähr 10 Stunden wurde die Temperatur in der Kammer dann wieder mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde auf ungefähr 25ºC abgesenkt.
Als sich die Temperatur in der Vakuumkammer auf im wesentlichen Umgebungstemperatur abgekühlt hatte (z.B. auf ungefähr 25ºC), ließ man den Druck in der Kammer sich auf den umgebenden Atmosphärendruck einstellen, die Kammer wurde geöffnet, und der Zusammenbau 24 wurde entnommen und zerlegt, wobei sich zeigte, daß sich ein Verbundkörper gebildet hatte.
Ein Teil des gebildeten Verbundmaterials wurde qualitativ durch Röntgenbeugung analysiert. Diese Probe wurde aufbereitet, indem etwas vom gebildeten Verbundmaterial abgespant und mit Mörser und Stößel zu einem feinen Pulver gemahlen wurde. Die gepulverte Probe wurde in die Probenkammer eines Röntgendiffraktometers (Modell D500, Siemens AG, München, Deutschland) gegeben und mit ungefilterter Cuκα-Röntgenstrahlung einer Energie von ungefähr 40 keV gescannt. Die Zählzeit betrug ungefähr zwei Sekunden für jedes Intervall von 0,030 Grad von zwei-theta. Diese Röntgenbeugungsanalyse ergab die Anwesenheit von NbAl&sub3;, Al und TiB&sub2;.
Ein weiterer Teil des Verbundkörpers wurde mit einer Diamantsäge geschnitten und als Vorbereitung für die mikroskopische Untersuchung in Kunststoff eingebettet und mit zunehmend feinerem Diamantscheifmittel poliert. Die Figuren 2A und 2B sind lichtmikroskopische Aufnahmen eines derartigen polierten Querschnitts, die bei ungefähr 53facher bzw. 425facher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Somit demonstriert dieses Beispielu daß ein Verbundkörper, der ein intermetallisches Oxidationsreaktionsprodukt aus Niobaluminid umfaßt, durch das reaktive Infiltrieren eines Grundmetalls, das Aluminium umfaßt, in eine permeable Masse, die Niob umfaßt, hergestellt werden kann.

Beispiel 2

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines Verbundkörpers, der ein Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, das eine intermetallische Verbindung aus Titanaluminid umfaßt. Der Zusammenbau, der zur Herstellung dieses Verbundmaterials verwendet wurde, war im wesentlichen der gleiche wie derjenige, der in der Figur 1 gezeigt ist. Dieses Beispiel sollte nicht so aufgefaßt werden, daß es auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern derart, daß es auch andere bedeutende Aspekte der beanspruchten Erfindung offenlegt.
Es wurden ungefähr 20 Gramm teuchenförmiges Titan, bei dem im wesentlichen alle Teilchen kleiner als ungefähr 45 µm im Durchmesser waren (-325 Mesh, Consolidated Astronautics CO., Saddle Brooku NJ), und ungefähr 20,1 Gramm Titandibond, bei dem im wesentlichen alle Teilchen einen Durchmesser zwischen ungefähr 1 und 5 µm hatten (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), von Hand in einer Wägeschale gemischt, bis eine gleichmäßige Farbe erreicht war. Die teilchenförmige Mischung wurde dann in einen Schmelztiegel 10 aus Grade-ATJ-Graphit (Union Carbide Co., Carbon Products Division, Cleveland, OH), der einen Innendurchmesser von ungefähr 1 in (25 mm) hatte und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war, gegossen und geglättet. Der Graphitschmelztiegel 10 und sein Inhalt wurden dann von Hand aufgestoßen, um möglicherweise vorhandenen überschüssigen Hohlraum zwischen den Teilchen zu enifernen, wodurch die teilchenförmige Mischung zu einer permeablen Masse 12 ausgebildet wurde. Ungefähr 0,2 Gramm teilchenförmiges Magnesium 16, bei dem im wesentlichen alle Teilchen einen Durchmesser zwischen ungefähr 300 und ungefähr 700 um (-24 +50 Mesh, Hart Corp., Tamaqua, PA) hatten, wurden dann auf die Oberseite der teilchenförmigen Mischung im Graphitschmelztiegel 10 gestreut. Ein Block 14 aus Grundmetall, der ungefähr 35,5 Gramm wog und Aluminium von im Handel erhältlicher Reinheit umfaßte, wurde dann unter Bildung eines Aufbaus 18 auf die Oberseite der Schicht aus dem tellchenförmigen Magnesium 16 gesetzt. Der Graphitschmelztiegel 10 und sein Inhalt wurden dann in ein Schiffchen 20 aus Graphit gesetzt, das ungefähr 3 in (76 mm) im Quadrat maß und ungefähr 3,25 in (83 mm) hoch war. Die Öffnung in der Oberseite des Schiffchens wurde mit einem Bogen 22 aus GRAFOLL -Graphitfolie im wesentlichen auf die gleiche Weise bedeckt, wie es im Beispiel 1 beschrieben wurde, um den Zusammenbau 24 zu erzeugen.
Der Zusammenbau 24, der das Graphitschiffchen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde dann in die Vakuumkammer eines Vakuumofens gesetzt. Die Kammer wurde verschlossen und dann zweimal im wesentlichen auf die gleiche Weise, wie es im Beispiel 1 beschrieben wurde, evakuiert und wieder mit Argongas gefüllt. Dann wurde eine Flußgeschwindigkeit an Argongas von im Handel erhäluicher Reinheit von ungefähr 4000 bis 5000 sccm eingestellt und bei einem Druck von ungefähr 5 psi (35000 Pa) über Atmosphärendruck durch die Vakuumkammer aufrechterhalten. Die Temperatur im Inneren der Vakuumkammer wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde von einer Temperatur von ungefähr 25ºC auf eine Temperatur von ungefähr 800ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 800ºC für ungefähr 10 Stunden wurden die Ofenkammer und ihr Inhalt dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde auf ungefähr 25ºC abgekühlt.
Nachdem sich die Temperatur in der Vakuumkammer auf ungefähr 25ºC abgekühlt hatte, wurde der Druck in der Vakuumkammer mit dem umgebenden Atmosphärendruck equilibriert, die Kammer wurde geöffnet, und der Zusammenbau 24, der das Graphitschiffchen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde im wesentlichen auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 entnommen und zerlegt, wobei sich zeigte, daß sich ein Verbundkörper gebildet hatte. Dieser Verbundkörper wurde aus dem Aufbau 18 geborgen.
Der Verbundkörper wurde mit einer Diamantsäge geschnitten und als Vorbereitung für die mikroskopische Untersuchung in Kunststoff eingebettet und mit zunehmend feinerem Diamantscheifmittel poliert. Die Figur 3 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme dieses polierten Querschnitts, die bei ungefähr 53facher Vergrößerung aufgenommen wurde.
Die anschließende qualitative Röntgenbeugungsanalyse des Verbundkörpers, die im wesentlichen auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt wurde, ergab die Anwesenheit von TiAl&sub3;, TiB&sub2; und möglicherweise einer Spur von TiO&sub2; als Anatas.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß ein Verbundkörper, der ein intermetallisches Oxidationsreaktionsprodukt aus Titanaluminid TlAl&sub3; umfaßt, durch das reaktive Infiltrieren eines Grundmetalls, das Aluminium umfaßt, in eine permeable Masse, die Titan umfaßt, hergestellt werden kann.

Beispiel 3

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung von Verbundkörpern, die intermetallische Verbindungen aus Titanaluminid umfassen, durch die reaktive Infiltration eines Grundmetalls, das Titan umfaßt. Der Zusammenbau, der zur Herstellung dieser Verbundkörper verwendet wurde, ist schematisch in der Figur 4 gezeigt. Dieses Beispiel sollte nicht so aufgefaßt werden, daß es auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern derart, daß es auch andere bedeutende Aspekte der beanspruchten Erfindung offenlegt.

PROBE A

Dieses Experiment demonstriert im einzelnen die reaktive Infiltration eines Grundmetalls, das Titan umfaßt, in eine permeable Masse, die Titan und Aluminiumnitrid umfaßt, unter Bildung eines Verbundkörpers, der eine intermetallische Verbindung aus Titanaluminid umfaßt.
Es wurden ungefähr 5,8 Gramm teilchenförmiges Titan, bei dem im wesentlichen alle Teilchen kleiner als ungefähr 45 um im Durchmesser waren (-325 Mesh, Consolidated Astronautics Co., Saddle Brook, NJ), und ungefähr 4,2 Gramm teilchenförmiges Grade-A-200- Aluminiumnitrid (Advanced Refractory Technologies Inc., Buffalo, NY) von Hand in einer Wägeschale gemischt, bis ein gleichmäßiger Farbton erreicht war. Die teilchenförmige Mischung wurde dann in einen Schmelztiegel 10 aus Grade-ATJ-Graphit (Union Carbide Company, Carbon Products Division, Cieveiand, OH) gegossen, der einen Innendurchmesser von ungefähr 1,25 in (32 mm) hatte und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war. Der Graphitschmelztiegel 10 und sein Inhalt wurden dann mehrmals von Hand aufgestoßen, um möglicherweise vorhandenen überschüssigen Hohlraum zwischen den Teilchen zu entfernen, wodurch die teilchenförmige Mischung zu einer permeablen Masse 12 ausgebildet wurde. Ein Grundmetall 14, das einen Titanschwamm umfaßte, der im wesentlichen alle Korngrößen zwischen ungefähr 850 und 4000 µm umfaßte (-5 +20 Mesh, Micron Metalls Inc., Salt Lake City, UT), wurde in das Graphitschiffchen 10 auf die Oberseite der permeablen Masse 12 unter Bildung des Aufbaus 18 für die Probe A gegossen.

PROBE B

Dieses Experiment demonstriert im einzelnen die reaktive Infiltration eines Grundmetalls, das Titan umfaßt, in eine permeable Masse, die Titandibond und Aluminiumnitrid umfaßt, unter Bildung eines Verbundkörpers, der eine intermetallische Verbindung aus Titanaluminid umfaßt.
Es wurden ungefähr 8,5 Gramm teilchenförmiges Titandibond (durchschnittlicher Teilchendurchmesser 1-5 µm, Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ) von Hand in einer Wägeschale gemischt, bis ein gleichmäßiger Farbton erreicht war. Die teilchenförmige Mischung wurde dann in einen Schmelztiegel 10 aus Grade-ATJ-Graphit gegossen, der einen Innendurchmesser von ungefähr 1,5 in (37 mm) hatte und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war. Die teilchenförmige Mischung wurde geglättet, und der Schmelztiegel wurde mehrmals von Hand aufgestoßen, um möglicherweise vorhandenen überschüssigen Hohlraum zwischen den Teilchen zu entfernen, wodurch die teilchenförmige Mischung zu einer permeablen Masse 12 ausgebildet wurde. Ungefähr 39,2 Gramm eines Grundmetalls 14, das einen Titanschwamm umfaßte, der im wesentlichen alle Korngrößen zwischen ungefähr 300 und ungefähr 700 µm im Durchmesser umfaßte (Micron Metalls Inc.), wurde dann in das Graphitschiffchen 10 gegossen und gleichmäßig auf der Oberseite der permeablen Masse 12 verteilt, wodurch der Aufbau 18 für die Probe B vervollständigt wurde.
Die Aufbauten 18 für die Proben A und B wurden dann in ein Schiffchen 20 aus Graphit gesetzt, das ungefähr 10 in (254 mm) im Quadrat maß und ungefähr 4 in (102 mm) hoch war. Die Öffnung in der Oberseite des Schiffchens wurde mit einem Bogen 22 aus GRAFOIL -Graphitfolie (Union Carbide Co.) bedeckt, um den Zusammenbau 24 zu vervollständigen. Der Zusammenbau 24V der das Graphitschiffohen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde dann in die Vakuumkammer eines Vakuumofens bei einer Temperatur von ungefähr 25ºC gesetzt. Die Kammer wurde verschlossen und dann zweimal auf ungefähr 2 x 10&supmin;&sup4; Torr evakuiert und wieder mit Argongas im Handel erhältlicher Reinheit auf im wesentlichen Atmosphärendruck gefüllt. Danach wurde eine Argongas-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 2000 sccm durch die Kammer bei einem Druck von ungefähr 5 psi (35 000 Pa) über Atmosphärendruck eingestellt und aufrechterhalten. Die Temperatur in der Vakuumkammer wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 300ºC pro Stunde von ungefähr 25ºC auf eine Temperatur von ungefähr 1 700ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 1 700ºC für ungefähr 10 Stunden wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde wieder auf ungefähr 25ºC abgekühlt. Nachdem die Temperatur in der Vakuumkammer auf ungefähr 25ºC abgesunken war, wurde der Druck in der Vakuumkammer mit dem umgebenden Atmosphärendruck equilibriert, die Kammer wurde geöffnet, und der Zusammenbau 24, der das Graphitschiffchen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde aus der Vakuumkammer entnommen und zerlegt. Bei beiden Proben A und B hatte sich ein Verbundkörper gebildet, da die permeable Masse aus teilchenförmigem Material in jedem Graphitschmelztiegel offenbar vollständig infiltriert worden war.
Jeder Verbundkörper wurde mit einer Diamantsäge geschnitten und als Vorbereitung für die mikroskopische Untersuchung in Kunststoff eingebettet und mit zunehmend feinerem Diamantscheifmittel poliert. Weiterhin wurde jeder Verbundkörper qualitativ durch Röntgenbeugung im wesentlichen auf die gleiche Weise analysiert, wie es im Beispiel 1 beschrieben wurde.
Die Figur 5 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe A, die bei ungefähr 53facher Vergrößerung aufgenommen wurde. Die Figuren 6A und 6B sind lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe B, die bei ungefähr 53facher bzw. 425facher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Die Röntgenbeugungsanalyse des Verbundmaterials der Probe A ergab die Anwesenheit von TiC-, TiN-, TiB&sub2;- und TlAl&sub3;-Phasen sowie möglicherweise von etwas restlichem Al.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß ein Verbundkörper, der die intermetallischen Titanaluminide Tl&sub9;Al&sub2;&sub3; oder TlAl&sub3; umfaßt, durch das reaktive Infiltrieren eines Grundmetalls, das Titan umfaßt, in eine permeable Masse, die Aluminiumnitrid umfaßt, hergestellt werden kann.

Beispiel 4

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung von Verbundkörpern, die die intermetallische Verbindung MoSi&sub2;, Molybdändisilicid, umfassen. Der verwendete Zusammenbau war im wesentlichen der gleiche wie der, der in der Figur 1 gezeigt wird. Dieses Beispiel sollte nicht so aufgefaßt werden, daß es auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern derart, daß es auch andere bedeutende Aspekte der beanspruchten Erfindung offenlegt.

PROBEN C-E

Es wurde ein Aufbau zur Herstellung eines Verbundkörpers mittels der Verfahren des vorliegenden Beispiels wie folgt hergestellt:
Molybdändioxid und teilchenförmiges Aluminiumoxid wurden ungefähr eine Stunde lang in Abwesenheit eines Mahl- oder Schleifmediums auf einer Wälzmühle gemahlen. Die auf der Wälzmühle gemahlene teilchenförmige Mischung wurde dann in einen Kasten von ungefähr 2 in (51 mm) im Quadrat gegeben, der aus einem bogenförmigen GRAFOIL -Graphitfolienmaterial (Union Carbide Co., Carbon Products Division, Cleveland, OH) hergestellt worden war und glattgestrichen. Der Kasten aus GRAFOIL -Graphitfolie und sein Inhalt wurden dann von Hand mehrere Male aufgestoßen, um die teilchenförmigen Materialien in ihm zu verfestigen und dadurch möglicherweise vorhandenen überschüssigen Hohlraum zwischen den Teilchen zu entfernen. Der Kasten aus Graphitfolie war aus einem einzigen Bogen GRAFOIL -Graphitfolie, der ungefähr 0,015 in (0,4 mm) dick war, hergestellt worden, indem in dem Bogenmaterial an geeigneten Stelen Schnitte und Knicke angebracht und die Ränder zusammengeheftet wurden, so daß ein fünfseitiger Kasten gebildet wurde. Dann wurde ein Block aus einem Grundmetall, das ungefähr 30 Gewichtsprozent Silicium und 5 Gewichtsprozent Magnesium umfaßte, der Rest war Aluminium, auf die Oberseite der teilchenförmigen Mischung im Kasten aus Graphitfolie gegeben. Auf die Grenzfläche zwischen dem Block aus Grundmetall und der Mischung aus teilchenförmigem Molybdändioxid und teilchenförmigem Aluminiumoxid wurde eine gleichmäßige Schicht aus einem Initiatormaterial gestreut, das teilchenförmiges Magnesium umfaßte, bei dem im wesentlichen alle Magnesiumteilchen einen Durchmesser zwischen ungefähr 300 µm und ungefähr 700 µm (-24 +50 Mesh, Hart Corporation, Tamaqua, PA) hatten.
Die Tabelle 1 enthält die jeweiligen Mengen der oben genannten Materialien, die zur Herstellung des Aufbaus der einzelnen Proben C bis E eingesetzt wurden. Tabelle 1
a Alfa Products, Abteilung von Johnson Matthey CO., Ward Hill, MA, Reinheit 99%
b EGPA Aluminiumoxid, durchschnittliche Teilchengröße 15 µm, Norton Co., Worcester,
Die Aufbauten der Proben C, D und E wurden dann in ein Schiffchen 20 aus Graphit gesetzt, das ungefähr 10 in (254 mm) im Quadrat maß und ungefähr 4 in (102 mm) hoch war. Die Öffnung in der Oberseite des Schiffchens 20 wurde mit einem Bogen 22 aus GRAFOIL - Graphitfolie (Union Carbide Co.) bedeckt, um den Zusammenbau 24 zu vervollständigen.
Der Zusammenbau 24, der das Graphitschiffchen 20 und seinen Inhalt umfaßte, wurde dann in die Vakuum kam mer eines Vakuumofens bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC gesetzt. Die Vakuumkammer wurde verschlossen, und der Inhalt der Vakuumkammer wurde dann zweimal auf ein Vakuum von weniger als ungefähr 30 in (760 mm) Quecksilbersäule evakuiert und wieder mit Argongas im Handel erhältlicher Reinheit auf im wesentlichen Atmosphärendruck gefüllt. Nach der zweiten Füllung wurde eine Stickstoffgas- Flußgeschwindigkeit von ungefähr 4000 sccm eingestellt und in der Kammer bei einem Druck von ungefähr 5 psi (35 000 Pa) über Atmosphärendruck aufrechterhalten.
Die Temperatur der Vakuumkammer und ihres Inhalts wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde von ungefähr 150ºC auf eine Temperatur von ungefähr 925ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 925ºC für ungefähr 10 Stunden wurde die Temperatur der Vakuumkammer und ihres Inhalts mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 400ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 825ºC abgekühlt. Bei einer Temperatur von ungefähr 825ºC wurde der Druck in der Vakuumkammer wieder auf ungefähr Atmosphärendruck zurückgefahren, die Vakuumkammer wurde geöffnet, und der Zusammenbau, der das Graphitschiffchen und seinen Inhalt umfaßte, wurde aus der Vakuumkammer entnommen und an der Luft von allein auf eine Temperatur von ungefähr 20ºC abkühlen gelassen.
Nachdem sich der Zusammenbau auf im wesentlichen ungefähr 20ºC abgekühlt hatte, wurden die verschiedenen Aufbauten, die in dem Zusammenbau enthalten waren, zerlegt. Im einzelnen ergab das Zerlegen der Aufbauten der Proben C und D, daß die permeable Masse, die die teilchenförmige Mischung aus Molybdändioxid und Aluminiumoxid umfaßte, bis zu einer Tiefe von ein paar Millimetern infiltriert worden war. Das Zerlegen des Aufbaus der Probe E ergab, daß die permeable Masse, die diese teilchenförmige Mischung umfaßte, vollständig infiltriert worden war. Jeder Verbundkörper wurde mittels Röntgenbeugungsanalyse im wesentlichen gemäß dem Verfahren aus Beispiel 1 analysiert. Weiterhin wurde jeder Verbundkörper mit einer Diamantsäge geschnitten und als Vorbereitung für die mikroskopische Untersuchung in Kunststoff eingebettet und mit zunehmend feinerem Diamantscheifmittel poliert.
Die Röntgenbeugungsanalyse des gebildeten Materials des Verbundkörpers der Probe C ergab die Anwesenheit der folgenden Phasen im gebildeten Verbundmaterial: Al, Si, MoSi&sub2;, α-Al&sub2;O&sub3;, MGAl&sub2;O&sub4; und Mo. Die Figuren 7A und 7B sind lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe CV die bei ungefähr 53facher und ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Die Röntgenbeugungsanalyse des gebildeten Materials des Verbundkörpers der Probe D ergab die Anwesenheit der folgenden Phasen im gebildeten Verbundmaterial: Al, Si, MoSi&sub2; und α-Al&sub2;O&sub3;. Die Figuren 8A und 8B sind lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe D, die bei ungefähr 53facher und ungefähr 380facher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Die Röntgenbeugungsanalyse des gebildeten Materials des Verbundkörpers der Probe E ergab die Anwesenheit der folgenden Phasen im gebildeten Verbundmaterial: Al, Si, MoSi&sub2;, α-Al&sub2;O&sub3; und AlN. Die Figuren 9A und 9B sind lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe E, die bei ungefähr 53facher und ungefähr 42sfacher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß ein Verbundkörper, der ein Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, das die intermetallische Verbindung MoSi&sub2;, Molybdändisilicid, umfaßt, durch das reaktive Infiltrieren eines Grundmetalls, das Silicium umfaßt, in eine permeable Masse, die Molybdändioxid und Aluminiumoxid umfaßt, hergestellt werden kann.

Beispiel 5

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines Verbundkörpers, der ein Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, das die intermetallische Verbindung MoSi&sub2;, Molybdändisilicid, umfaßt, Der zur Herstellung der Verbundkörper dieses Beispiels verwendete Zusammenbau war im wesentlichen der gleiche wie derjenige, der in der Figur 4 gezeigt wird. Dieses Beispiel sollte nicht so aufgefaßt werden, daß es auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern derart, daß es auch andere bedeutende Aspekte der beanspruchten Erfindung offenlegt.

PROBEN F-J

Die Aufbauten für die Proben F-J wurden im wesentlichen auf die gleiche Weise hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Grundmetall für die Proben 1 und J eine handgemischte Mischung aus Körnern aus ALFA -Silicium (Alfa Products, Division of Johnson Matthey COV Ward Hill, MA, Reinheit 99,999%) und aus AESAR -Aluminium (Aesar Group of Johnson Matthey Co, Seabrook, NH, Reinheit 99,9%) umfaßte.
Die Tabelle 2 enthält eine Liste der jeweiligen Mengen der verschiedenen Rohmaterialien, die für die Zusammenstellung jedes Aufbaus verwendet wurden. Tabelle 2
¹ Alfa Products, Division of Johnson Matthey Co., Ward Hill, MA
² Superstrong MCA, Norton Co., Worcester, MA, 500 Grit
³ Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ, -325 Mesh
&sup4; AESAR Group of Johnson Matthey Co, Seabrook, NH, Reinheit 99,9%, Körner von 2-10 mm.
Es wurde eine teilchenförmige Ursprungsmischung, die ungefähr 75 Gramm teilchenförmiges ALFA --Molybdän (Alfa Products, Division of Johnson Matthey Co., Ward Hill, MA) und ungefähr 75 Gramm teilchenförmiges Superstrong-MCA-Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) umfaßte, hergestellt, indem die Teilchen in eine Kugelmühle gegeben und ohne eine Schleifmedium ungefähr eine Stunde lang gemahlen wurden. Bei allen experimentellen Durchgängen mit Ausnahme desjenigen der Probe F wurde die Zusammensetzung jedes permeablen Füllstoffmaterials durch "Verdünnen" einer jeweiligen Menge der gewünschte Menge mit zusätzlichem Superstrong-MCA-Siliciumcarbid hergestellt, indemu genauer gesagt, die gewünschte Menge an Siliciumcarbid zur gewünschte Menge der Ursprungsmischung gegeben und ungefähr 15 Minuten lang im wesentlichen auf die gleiche Weise gemischt wurde, die zum Mischen der Ursprungsmischung eingesetzt wurde.
Die permeable Masse, die die teilchenförmige Mischung aus Molybdän und Siliciumcarbid umfaßte, wurde dann in einen Schmelztiegel aus Grade-ATJ-Graphit (Union Carbide Company, Carbon Products Division, Cleveland, OH), der ungefähr 2 in (51 mm) im Quadrat maß und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war, gegossen und geglättet. Der Schmelztiegel aus Graphit und sein Inhalt wurden dann mehrmals von Hand aufgestoßen, um das Pulver etwas zu verfestigen, indem möglicherweise vorhandener überschüssiger Hohlraum zwischen den Teilchen in der permeablen Masse entfernt wurde. Dann wurde die gewünschte Menge des teilchenförmigen oder kornförmigen Grundmetalls auf die Oberseite der permeablen Masse gegossen und geglättet, um den Aufbau zu vervollständigen.
Jeder Aufbau wurde dann in die Vakuumkammer eines Vakuumofens bei einer Temperatur von ungefähr 20ºC gesetzt. Die Kammer wurde verschlossen, und der Inhalt der Vakuum kammer wurde dann zweimal auf ungefähr 2 x 10&supmin;&sup4; Torr evakuiert und wieder mit Argongas im Handel erhältlicher Reinheit auf ungefähr Atmosphärendruck gefüllt. Nach der zweiten Füllung wurde ein Argongas-Fluß durch die Kammer eingestellt und bei einer Flußgeschwindigkeit von ungefähr 1000 sccm bei einem Druck von ungefähr 5 psi (35 000 Pa) über Atmosphärendruck aufrechterhalten.
Die Temperatur der Vakuumkammer und ihres Inhalts wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 400ºC pro Stunde von ungefähr 20ºC auf eine Temperatur von ungefähr 1 700ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 1 700ºC für ungefähr 10 Stunden wurde die Temperatur der Vakuum kam mer und ihres Inhalts mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 400ºC pro Stunde auf ungefähr 20ºC abgesenkt. Als sich die Temperatur in der Vakuumkammer auf im wesentlichen Umgebungstemperatur (z.B. auf 20ºC) abgekühlt hatte, wurde der Druck in der Vakuumkammer mit dem umgebenden Atmosphärendruck equilibriert, die Ofenkammer wurde geöffnet, und die Aufbauten für die Proben F-J wurden aus der Vakuumkammer entnommen und zerlegt.
Beim Zerlegen eines jeden Aufbaus zeigte sich, daß sich ein Verbundkörper gebildet hatte. Im einzelnen schien es, daß jede permeable Masse im wesentlichen vollständig infiltriert worden war. Jeder Verbundkörper wurde mit einer Diamantsäge geschnitten und als Vorbereitung für die mikroskopische Untersuchung in Kunststoff eingebettet und mit zunehmend feinerern Diamantscheifmittel poliert. Weiterhin wurde jeder gebildete Verbundkörper qualitativ durch Röntgenbeugung im wesentlichen gemäß Beispiel 1 analysiert.
Die Figuren 10A und 10B sind eine durch Scanning-Elektronenmikroskopie unter Einsatz der Elektronenrückstreu-Darstellung aufgenommene Aufnahme und eine lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe F, die bei ungefähr 50facher bzw. ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommen wurden.
Die Figur 11 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe G.
Die Figur 12 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe H.
Die Figuren 13A und 13B sind bei ungefähr 53facher bzw. ungefähr 425facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahmen eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe I.
Die Figur 14 ist eine bei ungefähr 106facher Vergrößerung aufgenommene lichtmikroskopische Aufnahme eines polierten Querschnitts des Verbundmaterials der Probe J.
Die qualitative Röntgenbeugungsanalyse der Verbundmaterialien der Proben F, G und H ergab die Anwesenheit der folgenden Phasen in jedem Verbundkörper: Si, SiC und MoSi&sub2;. Ähnliche Analysen der Verbundmaterialien der Proben I und J ergaben außerdem die Anwesenheit einer Al-Phase im gebildeten Verbundkörper.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß ein Verbundkörper, der ein intermetallisches Oxidationsreaktionsprodukt aus MoSl&sub2;, Molybdandisilicid umfaßt, durch das reaktive Infiltrieren eines Grundmetalls, das Silicium oder eine Silicium-Aluminium-Legierung umfaßt, in eine permeable Masse, die Molybdän umfaßt, hergestellt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden Körpers, das das Infiltrieren einer permeablen Masse mit einem Oxidationsreaktionsprodukt umfaßt, das durch Oxidation eines Grundmetalls erhalten wird, so daß ein polykristallines Material gebildet wird, das aufweist (i) das Oxidationsreaktionsprodukt des genannten Grundmetalls mit wenigstens einem Festphasen-Oxidationsmittel, und (ii) eine metallische Komponente, die wenigstens eine metallische Phase aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Bilden einer permeablen Masse, die wenigstens ein Festphasen-Oxidationsmittel aufweist, das ein Metall enthält, wobei das genannte feste Oxidationsmittel mit dem schmelzflüssigen Grundmetall unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts reagiert, das wenigstens eine intermetallische Phase umfaßt;

(b) gegenseitiges Orientieren der genannten permeablen Masse und einer Quelle für das genannte Grundmetall in einer Weise, daß die Bildung des genannten wenigstens einen Oxidationsreaktionsprodukts in die genannte permeable Masse hinein erfolgt;

(c) Erhitzen der genannten Quelle des Grundmetalls auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des genannten Grundmetalls, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall zu bilden;

(d) Umsetzen des genannten Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall mit dem genannten wenigstens einen Festphasen- Oxidationsmittel bei der genannten Temperatur, um eine Bildung des genannten Oxidationsreaktionsprodukts zu ermöglichen;

(e) Halten wenigstens eines Teils des genannten wenigstens einen Oxidationsreaktionsprodukts im Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigen Grundmetall und dem Festphasen-Oxidationsmittel bei der genannten Temperatur, um fortschreitend schmelzflüssiges Grundmetall durch das genannte Oxidationsreaktiqnsprodukt auf das genannte Festphasen-Oxidationsmittel zu zu saugen, um es zu ermöglichen, daß sich frisches Oxidationsreaktionsprodukt fortgesetzt an einer Grenzfläche zwischen dem genannten Festphasenoxidationsmittel und einem vorher gebildeten Oxidationsreaktionsprodukt, das die genannte permeable Masse infiltriert hat, bildet; und

(f) Fortsetzen von Stufe (e) bei der genannten Temperatur für eine Zeit, die ausreicht, wenigstens einen Teil der genannten permeablen Masse mit dem genannten polykristallinen Material zu infiltrieren, wodurch der genannte selbsttragende Körper gebildet wird, der aufweist (a) das genannte Oxidationsreaktionsprodukt, das wenigstens eine intermetallische Phase umfaßt, und (b) eine metallische Komponente, die wenigstens eine metallische Phase umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte metallische Komponente wenigstens ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus wenigstens einer restlichen nicht umgesetzten Komponente des genannten Grundmetalls und wenigstens einem zweiten oder Fremdmetall.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das genannte wenigstens eine zweite oder Fremdmetall ein Metall umfaßt, das durch Reduktion aus dem genannten Festphasenoxidationsmittel erhalten wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte permeable Masse außerdem wenigstens ein zweites oder Fremdmetall aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte permeable Masse außerdem wenigstens ein Füllstoffmaterial aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das genannte Füllstoffmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliciumcarbid und Titandibond besteht.

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

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Festphasen- Oxidationsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Niob, Titan und Silicium besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das genannte wenigstens eine zweite oder Fremdmetall eine intermetallische Phase umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Grundmetall Aluminium umfaßt, das genannte Festphasen-Oxidationsmittel Niob umfaßt und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Niobaluminid (NbAl&sub3;) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Grundmetall Aluminium umfaßt, das genannte Festphasen-Oxidationsmittel Titan umfaßt und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Titanaluminid (TiAl&sub3;) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Grundmetall Titan umfaßt, das genannte Festphasen-Oxidationsmittel Aluminiumnitrid umfaßt und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt wenigstens eine intermetallische Titanaluminidphase umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Grundmetall Silicium umfaßt, das genannte Festphasen-Oxidationsmittel Molybdän umfaßt und das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Molybdändisilicid umfaßt.