專利名稱：制造陶瓷和陶瓷復(fù)合體的方法
本申請是1989年7月7日提交，屬于Harold Daniel Lesher等，標(biāo)題為“制造陶瓷和陶瓷復(fù)合體”的美國申請系列號376，840的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及使用間歇、半連續(xù)和連續(xù)過程制造自支撐陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體的方法。
近年來，人們熱衷于使用陶瓷代替過去使用金屬的結(jié)構(gòu)。這一興趣的推動(dòng)力在于，與金屬相比，陶瓷在某些性能上具有優(yōu)越性，如耐腐蝕性、硬度、彈性模量和耐火性。
當(dāng)前，制造高強(qiáng)度、比較可靠和較高韌性陶瓷制品的努力大多集中在(1)開發(fā)改進(jìn)的整體陶瓷制造方法和(2)開發(fā)新的材料組成，特別是陶瓷基復(fù)合材料，復(fù)合結(jié)構(gòu)是指兩種或更多種材料緊密地結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，以便獲得需要的復(fù)合材料性能。例如，兩種材料，可以通過將其中一種嵌入到另一種材料的基體中而緊密地結(jié)合。陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常包括陶瓷基體，并在其中容納一種或更多的不同種填充材料，如顆粒，纖維，棒條及類似物。
用陶瓷取代金屬，存在幾種已知的局限或困難，如尺寸通用性、制造復(fù)雜形狀的能力、滿足極限條件下應(yīng)用所需的性能、以及費(fèi)用。與本申請同一受讓人的一些未決專利申請和出版專利(后文中有時(shí)稱做“共同擁有的專利申請和專利”)，克服了這些局限或困難，提供了可靠地制造陶瓷材料，包括復(fù)合材料的新方法。這一方法概括性地公開在1987年12月15日出版，屬于MarcS.Newkirk等，標(biāo)題為“新陶瓷材料及其制造方法”，共同擁有的美國專利號4，713，360中。這一專利公開了通過熔融母體前體金屬的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長來制造自支撐陶瓷體的方法;熔融母體前體金屬與氣相氧化劑反應(yīng)來形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。熔融金屬遷移過所形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物而與氧化劑反應(yīng)，從而連續(xù)地形成陶瓷多晶瓷體，并且，如果需要的話，可以包含互相連接的金屬成份。這一過程，可通過使用一種或多種與母體金屬形成合金的摻雜物而加強(qiáng)。例如，當(dāng)在空氣中氧化鋁時(shí)，將鎂和硅與鋁形成合金，有助于形成α-氧化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)。這一方法通過在母體金屬表面加入摻雜物質(zhì)而得到改進(jìn)，正如在1989年8月1日出版，共同擁有的美國專利號4，853，352中所描述的。這一專利源于1988年6月23日提交的，美國專利申請系列號220，935;它又是1986年1月27日提交的美國申請系列號822，999的部分繼續(xù)申請(現(xiàn)已放棄)，這又是1985年9月17日提交的，美國系列申請?zhí)?76，965的部分繼續(xù)申請(現(xiàn)已放棄)，這又是1985年6月25日提交的，美國申請系列號747，788的部分繼續(xù)申請(現(xiàn)已放棄)，這又是1984年7月20日提交的，美國申請系列號632，636的部分繼續(xù)申請(現(xiàn)已放棄);所有這些申請均屬于Marc S.Newkirk等，標(biāo)題為“制造自支撐陶瓷材料的方法”。以上提及的美國申請系列號747，788，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?530517.6，于1986年1月22日做為歐洲專利申請公開號0169067出版。
一種類似的氧化現(xiàn)象，被用來將氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入填充物以制造陶瓷復(fù)合體，正如在1988年11月1日提交的、共同擁有的美國專利申請?zhí)?65，835中描述的。這一申請現(xiàn)在是美國專利號4，916，113，1990年4月10日出版，而且是美國申請系列號819，397，即1989年7月25日出版的美國專利4，851，375的部分繼續(xù)申請，也是1985年2月4日提交折、美國申請系列號697，876(現(xiàn)已放棄)的部分繼續(xù)申請。這一段中提到的所有專利申請和專利，均屬于Marc S.Newkirk等，標(biāo)題為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”。但是，美國專利號4，851，375標(biāo)題為“制造包含嵌埋填充物的復(fù)合陶瓷制品的方法”;美國專利號4，916，113，標(biāo)題為“制造復(fù)合陶瓷制品的方法”。以上提到的美國申請系列號819，397，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?6300739-9，于1986年9月3日，做為歐洲專利申請公開號0193292出版。以上剛剛提到的專利申請和專利，公開了通過將由金屬母體產(chǎn)生的氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入可滲透的填充物塊(如碳化硅顆粒填充物)，從而用陶瓷基質(zhì)浸潤填充物來制造自支撐陶瓷復(fù)合材料的方法。然而，產(chǎn)生的復(fù)合材料，不具有確定的或預(yù)先指定的尺雨′形狀或構(gòu)造。
制造具有預(yù)先指定的尺雨或形狀的陶瓷復(fù)合體的方法，公開在共同擁有的，1989年4月14日提交的未決美國專利申請系列號338，471中，這是1986年5月8日提交的、美國申請系列號861，025(現(xiàn)已放棄)的繼續(xù)申請，兩者都屬于Marc S.Newkirk等。按照這一美國專利申請中的方法，不斷產(chǎn)生的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，沿著指向確定的表面邊界的方向，浸潤可滲透的填充物材料預(yù)成型體(如碳化硅預(yù)成型體)，以上提到的美國申請系列號861，025，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?7630075.7，于1987年11月11日，做為歐洲專利申請公開號0245192出版。
隨后發(fā)現(xiàn)，可以通過在預(yù)成型體上附加一個(gè)阻擋層來更容易地達(dá)到開關(guān)的精確復(fù)制，正如在1989年1月10日提交、共同擁有的美國專利申請系列號295，488中所公開的;這一申請，是1986年5月8日提交的、美國專利申請系列號861，024的繼續(xù)申請，即1990年5月8日出版的美國專利號4，923，832;所有申請及專利均屬于Marc S.Newkirk等。阻擋層與金屬隔開，以形成一個(gè)邊界或表面;通過將母體金屬氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入阻擋層的方法，可制造有確定開關(guān)的自支撐陶瓷件，包括有確定開關(guān)的陶瓷復(fù)合材料。以上提到的美國申請系列號861，024，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?7630076.5，于1987年11月11日，做為歐洲專利申請公開號0245193出版。
通過反復(fù)制正模型的開關(guān)來形成空腔內(nèi)部尺寸有要求的陶瓷復(fù)合體的方法，公開在1989年3月28日提交的、共同擁有的美國專利申請系列號329，794中，這是1986年1月27日提交的、美國專利申請系列號823，542的分案申請，即1989年5月9日出版的專利號4，828，785，均屬于Mare S.Newkirk等;這一方法，也公開在1989年8月22日出版的、共同擁有的美國專利號4，859，640中，這一專利源于1986年8月13日提交的，屬于Marc S.Newkirk的美國專利申請系列號896，157。以上提到的美國申請系列號823，542，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?7300409.7，于1987年9月2日，做為歐洲專利申請公開號0234704出版。以上提到的美國申請系列號896，157，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?760109.4，于1988年3月9日，做為歐洲專利申請公開號0259239出版。
從一個(gè)儲(chǔ)存器將附加的熔融母體金屬提供給最初的熔融金屬體的技術(shù)，公開在1992年2月12日提交的，共同擁有的未決美國專利申請系列號478，845，這是1988年3月15日提交的、美國專利申請系列號168，358的繼續(xù)申請。即1900年4月17日出版的美國專利號4，918，034;同時(shí)也是1986年9月16日提交的、美國專利申請系列號908、067的繼續(xù)部分申請，即1990年2月13日出版的美國專利號4，900，699。本段描述的專利申請和專利，標(biāo)題均為“形成陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存器供給法及用此種方法形成的結(jié)構(gòu)”。美國專利申請系列號478，845和168，358，均屬于Weinstein等。美國專利申請系列號908，067屬于Newkirk等。以上提到的美國申請系列號908，067，對應(yīng)于歐洲專利申請?zhí)?7630176.3，于1988年3月30日，做為歐洲專利申請公開號0262075出版。以上講座的儲(chǔ)存器供給法，已被成功地用來制備陶瓷基或陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一發(fā)明的方法，制造的陶瓷基體和陶瓷復(fù)合體包含自支撐陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)，在這一結(jié)構(gòu)中包括了通過母體金屬與氧化劑的氧化反應(yīng)，形成多晶材料而獲得的陶瓷基質(zhì)。在制造陶瓷基復(fù)合體的具體過程中，母體金屬體和填充物的可滲透團(tuán)塊或預(yù)成型體如此相互取向，以使氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成，將沿著指向和進(jìn)入填充物材料的方向。母體金屬被描述為以初始源和儲(chǔ)存器出現(xiàn)，金屬儲(chǔ)存器與初始源，由于，例如，重力流動(dòng)而連通。初始源熔融母體金屬與氧化劑反應(yīng)，開始形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。隨著初始源熔融母體金屬的消耗，它被從母體金屬儲(chǔ)存器，以連續(xù)的方式擇優(yōu)補(bǔ)充。母體金屬初始源的這種補(bǔ)充過程，隨著氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長，浸潤填充物材料而繼續(xù)。這樣，儲(chǔ)存器保證了有足夠的母體金屬來繼續(xù)制造過程，直到氧化反應(yīng)產(chǎn)物達(dá)到所需要的量。
一種控制陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)中金屬組份份的方法，公開在1988年11月9日提交、屬于Robert C.Kantner等，標(biāo)題為“陶瓷制品中金屬組元的即時(shí)控制方法及用這種方法制造的陶恣制品”、共同擁有的未決美國專利申請系列號269，152中，它是1988年2月5日提交、申請人和標(biāo)題相同的美國專利申請系列號152，518的繼續(xù)申請，這一專利申請又是1986年9月17日提交、屬于Marc S.Newkirk等、標(biāo)題相同的美國專利申請系列號908，054(現(xiàn)已放棄)的部分繼續(xù)申請。美國專利申請系列號152，518于1989年4月4日提交，現(xiàn)為美國專利號4，818，734，標(biāo)題為“陶瓷制品中金屬組份的好時(shí)控制方法“。最后，做為美國申請系列號908，454的繼續(xù)申請，美國申請系列號389，506，于1989年8月2日提交，屬于Marc S.Newkirk等，標(biāo)題為“陶瓷制品中金屬組元的即時(shí)控制方法及用此方法制造的制品”。以上提到的美國申請系列號908，454，對應(yīng)于歐洲專利申請系列號87630161.5，于1988年4月6日，做為歐洲專利申請公開號0263051出版。以上每項(xiàng)申請和專利，均公開了在陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體形成過程中控制其中的金屬組份(孤立的和互相聯(lián)結(jié)的)的方法，由此賦予形成的制品一種或多種所需要的特性。因此，最終陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體所需的性能特征，有利地通過即時(shí)包容所需的金屬組份而達(dá)到，而不是由于外部作用或通過后處理技術(shù)。
正如在這些一般擁有的專利申請和專利中所講座的，通過母體金屬與氧化劑，可以是固體、液體和/或液體之間的反應(yīng)，制造了新的多晶陶瓷基材料或多晶陶瓷基復(fù)合材料。按照這些共同擁有的專利申請和專利中公開的通用過程，一種母體金屬(如鋁)，被加熱到高于其熔點(diǎn)，但低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)的高溫，以形成熔融母體金屬體，熔融母體金屬體與氧化劑通過接觸反應(yīng)，生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。在這一溫度，氧化反應(yīng)產(chǎn)物，或至少其一部分，與熔融母體金屬體和氧化劑接觸，并分布在兩者之間，而且，熔融金屬被吸入或輸送通過生長的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，通向氧化劑。在先前生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物表面，輸送的熔融金屬通過與氧化劑接觸生成新的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。隨著過程的繼續(xù)，補(bǔ)充的金屬被輸送通過如此生成的多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，從而連續(xù)地“生長出”晶?；ハ嗦?lián)結(jié)的陶瓷結(jié)構(gòu)。最終的陶瓷基體，可能包含有金屬成份，如母體金屬未氧化的成份，和/或空隙。在討論氧化這一應(yīng)用的所有一般擁有的專利申請和專利中，“氧化”都是在最寬廣的意義上使用，表示金屬向氧化劑轉(zhuǎn)移或與之共同用電子;氧化劑可以是一種或幾種元素，和/或化合物。因此，氧以外的元素也可以作氧化劑。在某些例子中，母體金屬可能需要有一種或多種摻雜物，以便對氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長施加有益的影響或使之較容易。這樣的摻雜物，在氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長過程的某上時(shí)刻或之前，可能至少部分地與母體金屬形成合金。例如，在鋁作為母體金屬，空氣作為氧化劑的情形中，摻雜物如鎂和硅，這里僅指出一大族摻雜材料中的兩種，可以與鋁形成合金，這樣形成的合金，被用做母體金屬。這樣形成的合金導(dǎo)致的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，含有氧化鋁，通常為α-氧化鋁。
在前述的某些一般擁有的專利申請和專利中，公開和專利要求了新陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法;這是利用氧化反應(yīng)制造含有實(shí)際上是惰性的填充物的陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)，填充物被浸潤并嵌入多晶陶瓷基質(zhì)中(注意在某些情形中，使用活性填充物，例如，填充物至少部分地與先前的氧化還原產(chǎn)物和/或母體金屬反應(yīng)，可能是有利的)。做為第一步，母體金屬被放置在滲透的填充材料團(tuán)附近;填充材料可以固定形狀和/或處理預(yù)成型體。然后，母體金屬被加熱，形成熔融母體金屬體，與氧化劑反應(yīng)，如以上所描述的，以生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。隨著氧化反應(yīng)產(chǎn)物生成并浸潤附近的填充材料團(tuán)塊，熔融母體金屬被吸，通過填充材料團(tuán)塊先前生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并與氧化劑反應(yīng)，在先前生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物表面生成新增加的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，如以上所描述的。這樣導(dǎo)致的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長，浸潤或嵌埋了填充材料，最終形成包含嵌埋填充材料的多晶陶瓷基質(zhì)的陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)，也如以上所討論的，填充材料團(tuán)塊(或預(yù)成型體)，也可以做為阻擋層，為陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)提供邊界或表面。
因此，前述共同擁有的專利和專利申請，描述了陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體的制造，它們包含了可以容易地生長到需要的尺寸和厚度的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，這在以前用通常的陶瓷工藝技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)，如果不是不可能的話。
在這里，從前所有共擁有的專利申請和專利中的全部公開內(nèi)容共此參考。
本發(fā)明涉及用連續(xù)或半連續(xù)方式制造陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體的技術(shù)。一般地，這些技術(shù)包括熔融母體金屬與氧化氮?jiǎng)┓磻?yīng)生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，制備的物體包含陶瓷基復(fù)合體，它是通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入填充材料體制造的填充材料體，可以制成無束縛的集團(tuán)塊或者，制成預(yù)成型體。氧化反應(yīng)產(chǎn)物包含熔融母體金屬(如鋁)與氧化劑氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。特別地，填充材料體被放置在母體金屬源附近，以使母體金屬氧化產(chǎn)物的生成，發(fā)生在向著氧化劑(如一種固體、液體和/或氣體氧化劑)，并進(jìn)入填充材料體的方向。進(jìn)一步，可以將一個(gè)阻擋層與填充材體一起使用，阻擋層可以對氧化反應(yīng)產(chǎn)物的連續(xù)生長施加局部的抑制、毒化、停止、干擾、防止、或類似的作用。通常，母體金屬被加熱到高于其熔點(diǎn)，但低于其氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)的溫度，以形成熔融金屬體。在這一溫度，或在這一溫度范圍內(nèi)，熔融金屬與氧化劑反應(yīng)，生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。至少部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物保持與熔融金屬和氧化劑接觸，并處在熔融金屬和氧化劑之間，以將熔融金屬穿過氧化反應(yīng)產(chǎn)物吸向氧化劑，與氧化劑接觸;這樣，新的氧化反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)地在氧化劑和先前生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上生成，從而保證了以氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長來浸潤附近的填充材料體。這一反應(yīng)被持續(xù)足夠長的時(shí)間，以便用多晶物質(zhì)至少浸潤部分填充材料體;多晶物質(zhì)主要含有母體金屬的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，更理想地，含有至少一種彌散或分布在多晶物質(zhì)中的未氧化金屬組份。填充材料體應(yīng)具有足夠的可滲透性，以允許或協(xié)助氧化反應(yīng)產(chǎn)物在填允材料體內(nèi)的生長，并允許氣態(tài)氧化劑(如果使用氣態(tài)氧化劑的話)。滲透填充材料體與熔融線體金屬接觸。應(yīng)該清楚，在金屬組分附近，多晶基質(zhì)可能存在孔隙或氣孔，但其體積百分比將在很大程度上依賴溫度、時(shí)間、摻雜物和母體金屬種類這樣一些條件。如果使用阻擋層，陶瓷基復(fù)合體將持線生長到阻擋層，只要存在足夠的母體金屬以保證這種生長。
本發(fā)明的方法利用了生成陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體的方法，如上所述。特別地，本發(fā)明的方法著重于，通過利用連續(xù)、半連續(xù)或間歇制造技術(shù)，并與以上所描述的生成陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體的技術(shù)相結(jié)合，大量地制造以上描述的陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)了一種制造技術(shù)。按照這種技術(shù)，至少一個(gè)預(yù)成型體漂浮在母體金屬的熔融池表面，直到此預(yù)成型體至少已部分地被母體金屬和氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋。一旦成型體至少已部分地被氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋，氧化反應(yīng)可通過以下方法中的任一種來終止(1)使被浸潤的預(yù)成型休與熔融金屬脫離接觸;(2)改變環(huán)境，使得氧化反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，如移走氧化劑;或者(3)使氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長與阻擋材料接觸。
定義以下術(shù)語，按照在本說明書和權(quán)利要求書中的使用方法，定義如下“合金面”，如在這里所使用的，指最終的陶瓷基復(fù)合材料的一面，它對應(yīng)于填充材料體的一面，在熔融金屬與氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物浸潤填充材料體，以生成最終的陶瓷基復(fù)合材料之前，這一面最初是與熔融金屬接觸的。
“鋁”等，如在這里所使用的，意指并包括基本上是純的金屬(如相對較純，可商業(yè)上獲得的未合金化的鋁)或其它等級的金屬，以及金屬合金，如可商業(yè)上獲得的、其中含有雜質(zhì)同和/或如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等合金成份的金屬。本定義用途的鋁合金，是以鋁為主要成份的合金或金屬間化合物。
“阻擋層”或“阻擋層機(jī)構(gòu)”，如這里所使用的，可以是任何材料、化合物、元素、組成、或類似物，它們在本工藝條件下，保持一定的完整性，無顯著的揮發(fā)(即，阻擋層材料不會(huì)揮發(fā)到如此程度，以至于失去了其做為阻擋層的功能)，而且對氣相氧化劑(如果使用的活)有優(yōu)先可滲透性，同時(shí)，對氧化反應(yīng)產(chǎn)物的持續(xù)增長，可以局部地抑制、毒化、停止、干擾、防止，或類似作用。
“殘留物”或“母體金屬殘留物”，如在這里所使用的，指初始母體金屬體的任何剩余物，它在陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體的生成過程中沒有被消耗掉，而且通常與生成的物體保持至少部分接觸。需要說明的是，殘留物可能也通常在其中含有母體金屬被氧化的組部和/或第二種或雜質(zhì)金屬。
“陶瓷”，如在這里所使用的，不應(yīng)不適當(dāng)?shù)亟忉尀榫窒拊诮?jīng)典的陶瓷體意義內(nèi)，即，陶瓷完全由非金屬無機(jī)材料組成這一意義，而應(yīng)指，在組成或主要性能方面，主要是陶瓷性的物體，雖然這一物體可能包含少量或相當(dāng)量的一種或多種金屬組分(孤去的和/或相互聯(lián)結(jié)的，依賴于生成這物體時(shí)的工藝條件)，最通常的情況下，金屬組分的體積百分比在1-40的范圍內(nèi)，雖然也可能包含更多的金屬;金屬組分是從母體金屬獲得的，或是由氧化劑或摻雜物還原而得的，。
“陶瓷復(fù)合體”或“陶瓷基復(fù)合材料”，如在這里所使用的，指嵌埋了填充材料的任何陶瓷基體。
“摻雜物”，如在這里所使用的，指一些物質(zhì)(合金組份或與填充物結(jié)合/或包含在填充物內(nèi)和/或表面的組份)，當(dāng)被用來與母體金屬結(jié)合時(shí)，有助于或促進(jìn)氧化反應(yīng)過程和/或改善生長過程，以改變制品的顯微結(jié)構(gòu)和/或性能，雖然并不希望受任何關(guān)于摻雜物功能的物特定理論或解釋的局限，但似乎當(dāng)母體金屬和其氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間不存在適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)氧化反應(yīng)產(chǎn)物生成的本征關(guān)系時(shí)，某些摻雜物可以有效地促進(jìn)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成。摻雜物可以(1)產(chǎn)生有利的表面能關(guān)系，以加強(qiáng)或誘導(dǎo)熔融母體金屬對氧化反應(yīng)產(chǎn)物的濕潤;
(2)通過與合金、氧化劑和/或填充材料反應(yīng)，在生長表面生成一“前體層”，以此(a)減少粘著的保護(hù)性氧化反應(yīng)產(chǎn)物層的生成，(b)可以加強(qiáng)氧化劑在熔融金屬中的溶解能力(從而加強(qiáng)其滲透能力)，和/或(c)有利于氧化劑從氧化性氣氛，穿過任何前體氧化物層的輸送，氧化劑通過這一輸送，隨后與熔融金屬結(jié)合，以生成其它氧化反應(yīng)產(chǎn)物;
(3)在氧化反應(yīng)產(chǎn)物生成時(shí)改善其顯微結(jié)構(gòu)，或隨后改變金屬組份的組成和氧化反應(yīng)產(chǎn)物的性能;和/或(4)加強(qiáng)生長的成核及氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的均一性。
“填充物”，如在這里所使用時(shí)，是用來包括單一組份或多種組份的混合物，它們與金屬(即，母體金屬)和/或氧化反應(yīng)產(chǎn)物基本上是不反應(yīng)的，而且/或有限地溶解在金屬和/或氧化反應(yīng)產(chǎn)物中，填充物可以是單相或多相。填充物可以以多種形式提供，如粉末、薄片、薄層、微球、晶須、泡等，而且可以是致密的或多孔的?！疤畛湮铩币部梢园ㄌ沾商畛湮?，如做為纖維、碎纖維、顆粒、晶須、泡、球、纖維織物或類似形式的氧化鋁或在碳化硅?！疤畛湮铩币部梢园ㄌ沾筛驳奶畛湮铮缪趸X或碳化硅包覆的碳纖維，以保護(hù)碳免受，例如，熔融鋁母體金屬的破壞，填充物也可以包括金屬。
“生長合金”，如在這里所使用的，指任何合金，它(1)在最初含有，或(2)在工藝過程中的某上時(shí)刻獲得足夠量的，為實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)產(chǎn)物從其中長出所必需的組份。
“液相氧化劑”或“液體氧化劑”，如在這里所使用的，指一種氧化劑，在工藝條件下，其中的特定的液體，是母體或前體金屬唯一的，最主要的，或至少是重要的氧化者。
提及液體氧化劑，是指一種在氧化反應(yīng)條件下為液體的氧化劑，因此，液體氧化劑可以有一個(gè)在氧化反應(yīng)條件下被熔化的固體前體，如一種鹽。或者，液體氧化劑可以有一個(gè)液體前體(如一種材料的溶液)，此液體前體用來浸漬部分或全部的填充物，并在氧化反應(yīng)條件下熔化或分荽，以提供所需的氧化劑部分。如這里所定義的液體氧化劑的例子，也包括低熔點(diǎn)玻璃。
如果液體氧化劑被用來連接母體金屬和填充物，通常，填充物基底的全部，或保含所需的陶瓷基復(fù)合體的那一部分，被氧化劑浸漬(例如，通過包覆或浸泡在氧化劑中)。
“含氮?dú)怏w氧化劑”，如在這里使用的，指一種特定的氣體或蒸氣，在使用的氧化性環(huán)境的條件下，其中的氮?dú)馐悄阁w或前體金屬唯一的、最主要的或至少是重要的氧化耆。
“氧化劑”，如在這里使用的，指一種或多種適當(dāng)?shù)碾娮咏邮芪锘螂娮庸蚕砦?，在氧化反?yīng)條件下，可以是固體、液體或氣體，或它們的某種組合(如固體和氣體)。典型的氧化劑包括，非限制性地，氧氣、氮?dú)?、鹵素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲，以及它們的化合物或組合物，例如，氧化硅或硅酸鹽(做為氧源)、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯(這里碳?xì)浠衔镒鰹樘荚?，還包括混合物如空氣、H2/H2O和CO/CO2(氧源)，后兩者對于降低環(huán)境的氧活性是很有用的。
“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”，如在這里所使用的，指一種或多種處于氧化態(tài)的金屬，其中的金屬，已向其它元素、化合物或其組合物給出電子，或與它們共享電子。因此，在這一定義下，“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”包括一種或多種金屬與一種或多種氧化劑的反應(yīng)的產(chǎn)物。
“含氧氣體氧化劑”，如在這里使用的，指一種特定的氣體或蒸氣，在使用的氧化性環(huán)境的條件下，其中的氧氣是母體或前體金屬唯一的、最主要的或至少量重要的氧化者。
“母體金屬”，如這里所使用的，指這樣的金屬(如鋁、硅、鈦、錫、鉿和/或鋯)，它是多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的前體，并以基本純凈的金屬、可商業(yè)上獲得的在其中含有雜質(zhì)和/或合金成份的金屬，或以這種金屬前體為主要成份的合金等方式，包含有這些金屬。當(dāng)一種特定的金屬做為母體或前體金屬被提及時(shí)(如鋁等)，應(yīng)理解這種金屬遵循本定義，除非文中另有說明。
一種母體金屬之外的“其它”金屬，是指不以母體金屬中的金屬為主要成份的金屬(例如，如果母體金屬的主要成份為鋁、“其它”金屬可以以，例如，鎳為主要成份)。
“預(yù)成型體”或“可滲透預(yù)成型體”，如在這里所使用的，指填充物或填充材料的一個(gè)多孔團(tuán)塊，它被制作成具有至少一個(gè)表面邊界，此表面邊界決定了氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的邊界，這樣的集團(tuán)，在被生長著的陶瓷基質(zhì)浸潤之前，保持足夠的開關(guān)完整性和生坯強(qiáng)度，以保證尺寸復(fù)制性。這一集團(tuán)，以足夠地多孔，以允許氣相氧化劑(如果使用氣相氧化劑的活)，滲透預(yù)成型體并與金屬接觸，(2)可滲透性中夠強(qiáng)，以容納氧化反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)生和生長。預(yù)成型體通常包括填充物的有束縛的陣列或排列，均勻的或非均勻的，而且可以包含任何適當(dāng)?shù)牟牧?例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等，以及它們的組合)。預(yù)成型體可以單獨(dú)存在，也可以做為裝配件存在。
“活性填充物”，如在這里所使用的，指一種填充物，它與熔融母體金屬相互作用(例如，被母體金屬和/或氧化反應(yīng)產(chǎn)物還原，并因此改善母體金屬的組成和/或?yàn)檠趸磻?yīng)產(chǎn)物的生長提供氧化劑)。
“儲(chǔ)存器”，如在這里所使用的，指一單獨(dú)的張?bào)w金屬體，它被與填充物集團(tuán)或預(yù)成型體相對應(yīng)放置，以便當(dāng)其金屬熔化時(shí)，可以流動(dòng)以補(bǔ)充，或在某些例子中，最初提供，隨后補(bǔ)充母體金屬的一部分，片斷或來源，這些母體金屬與填充物或預(yù)成型體接觸，浸潤和/或反應(yīng)生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
“第二或雜質(zhì)金屬”，如在這里所使用的，指任何適當(dāng)?shù)慕饘?、金屬組合、合金、金屬間化合物、或任何一種的來源，它被，或希望被，包括含在生成的陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體中的金屬組分的內(nèi)，以做為母體金屬未氧化組份的取代、補(bǔ)充或與之結(jié)合。本定義包括母體金屬和第二金屬間形成的金屬間化合物、合金、固溶體或類似物。
“固固氧化劑”或“固體氧化劑”，如在這里所使用的，指一種氧化劑，其中特定的固體，在工藝條件下，是母體或前體金屬叭一的、最主要的或至少是重要的氧化者。
當(dāng)使用固體氧化劑來連結(jié)母體金屬和填充物時(shí)，固體氧化劑通常彌散在整個(gè)填充物基底或基底的某一部分中，氧化反應(yīng)產(chǎn)物將長入其中;固體氧化劑是以，例如，顆粒，與填充物混合或包覆填充物顆粒。任何適當(dāng)?shù)墓腆w氧化劑都可以如此應(yīng)用，包括元素，如硼或碳，或可還原的化合物，如二氧化硅或某些熱力學(xué)上比母體金屬硼化反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性低的硼化物。例如，當(dāng)硼或可還原的硼化物被用做鋁母體金屬的固體氧化劑時(shí)，最終的氧化反應(yīng)產(chǎn)物包含硼化鋁。
在某些情形中，母體金屬與固體氧化劑的氧化反應(yīng)進(jìn)行得如此之快，以至于如于過程的放熱性質(zhì)，氧化反應(yīng)產(chǎn)物趨向于熔化。這一現(xiàn)象能損害陶瓷基體的微觀均勻性。這一快速的放熱反應(yīng)，可以通過在組成中混入吸收剩余熱量的相對惰性的填充物而得到改進(jìn)。與所要的氧化反應(yīng)產(chǎn)物相同或基本相同的填充物，是這種適當(dāng)?shù)亩栊蕴畛湮锏囊粋€(gè)例子。
“氣相氧化劑”，如在這里所使用的，指包含或含有特定氣體或蒸氣的氧化劑，并進(jìn)一步指一種氧化劑，其中特定的氣體或蒸氣，在所使用的氧化性環(huán)境條件下，是母體或前體金屬唯一的，最主要的或至少是重要的氧化者。例如，雖然空氣的主要成分是氮?dú)?，但空氣中的氧氣成分是母體金屬的唯一氧化者，因?yàn)檠鯕馐且环N比氮?dú)鈴?qiáng)得多的氧化劑。因此，空氣符合“含氧氣體氧化劑”的定義，而不符合“含氮?dú)怏w氧化劑”的定義(“含氮?dú)鈿怏w氧化劑”的例子是，通常含有大約96%體積氮?dú)夂痛蠹s4%體積氫氣的合成氣體)。
插圖的簡短描述

圖1是本發(fā)明浸漬實(shí)例所用裝置的剖面圖，在定實(shí)例中使用了氣相氧化劑;
圖2是應(yīng)用本發(fā)明浸漬實(shí)例的連續(xù)過程的剖面圖;
圖3是本發(fā)明漂浮實(shí)例中使用的裝置的剖面圖;
圖4是本發(fā)明漂浮實(shí)例中使用的裝置的剖面圖，在這一實(shí)例中使用了多個(gè)預(yù)成型體;
圖5是本發(fā)明漂浮實(shí)例中使用的裝置的剖面圖，在這一實(shí)例中使用了支撐柱;
圖6是本發(fā)明漂浮實(shí)例中使用的裝置的剖面圖，在這一實(shí)例中使用了漂浮套;和圖7是本發(fā)明漂浮實(shí)例中使用的裝置的剖面圖，在這一實(shí)例中使用了上部支撐機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明涉及連續(xù)或半連續(xù)地制造陶瓷基體或陶瓷基復(fù)合體的方法。本發(fā)明的陶瓷基體，是通過將熔融母體金屬體與氧化劑反應(yīng)以生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物體來形成的。本發(fā)明的陶瓷基復(fù)合體的，是通過將熔融母體金屬體與氧化劑反應(yīng)以生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，其至少部分地嵌埋(即長入)至少一種填充材料。
一般地，為生成本發(fā)明的優(yōu)先制品，陶瓷基復(fù)合體，母體金屬(如生長合金)被制成塊、條、棒、板或類似物，并被放入或容納在一惰性基底、坩鍋或其它耐火容器中。母體金屬，可以如下面將詳細(xì)說明的進(jìn)行摻雜，則為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的前體。而且，母體金屬可以包括一或幾片、塊或類似物，并用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ瞥蛇m當(dāng)?shù)男螤??？蓾B透的填充材料團(tuán)塊，或在本發(fā)明優(yōu)先實(shí)例中，可滲透的具有一定形狀的預(yù)成型體(以下將詳細(xì)地描述)，被制成具有至少一個(gè)確定的表面邊界，并對氣相氧化劑是可滲透的，當(dāng)這樣的氣丁氧化劑被單獨(dú)或與其它氧化劑一起使用時(shí)，它還對生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物是可滲透的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，預(yù)成型體被放置在母體金屬的至少一個(gè)表面或表面的一部分的附近，并與之接觸，這樣，至少預(yù)成型體的表面邊界的一部分，被放置在遠(yuǎn)離母休金屬的表面，或在外部分開;但當(dāng)需要時(shí)，預(yù)成型體可以部分地或幾乎全部地，但不是真的全部地浸漬在母體金屬中。全部浸漬會(huì)切斷或阻礙氣相氧化劑進(jìn)入預(yù)成型體的通道，并因此阻礙嵌埋預(yù)成型體的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)生。然而，如果通過外部手段向預(yù)成型體提供氣相氧化劑，如通過一個(gè)耐火材料的中盡管，那么預(yù)成型體的全部浸漬就成為一種可行的選擇。進(jìn)一步，當(dāng)不使用氣相氧化劑時(shí)(即，工藝過程條件下使用的唯一氧化劑是固體氧化劑和/或液體氧化劑)，預(yù)成型體在熔融母體金屬中的全部浸漬也是一個(gè)可行的選擇。氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成，將發(fā)生在指向特定的表面邊界的方向，在過程中的某一時(shí)刻，母體金屬和可滲透的預(yù)成型體，將被一同或分別地放置在適當(dāng)?shù)娜萜髦胁⑺腿爰訜釥t。加熱爐氣氛中可包含氧化劑，以導(dǎo)致熔融母體金屬氣相氧化的發(fā)生。加熱爐可以預(yù)加熱到工藝溫度，或者也可以在容納有母體金屬和可滲透預(yù)成型體的配置時(shí)加熱到工藝溫度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，熔融母體金屬體(例如，生長金屬)，被容納在一個(gè)容器中，以便形成一個(gè)熔融母體金屬池?？蓾B透預(yù)成型體被放置在熔融母體金屬池的表面(這一實(shí)例在這以后有時(shí)被稱作“漂浮”實(shí)例)。在漂浮實(shí)例中，使預(yù)成型體在母體金屬熔池表面漂浮(由于其浮力特性或由于外部機(jī)構(gòu))。如果使用氣相氧化劑，熔融母體金屬將與氣丁氧化劑反應(yīng)，以生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入預(yù)成型體，生成陶瓷基復(fù)合體。
實(shí)現(xiàn)漂浮實(shí)例的一項(xiàng)技術(shù)是間歇過程，在這一過程中(1)至少一個(gè)預(yù)成型體被放置在母體金屬熔池表面;(2)然后，預(yù)成型體至少部分地被熔融母體金屬和氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物所嵌埋，以生成包含氧化反應(yīng)基質(zhì)嵌埋預(yù)成型材料的陶瓷基復(fù)合體，和(3)完成需要的生長之后，將陶瓷基復(fù)合體移出母體金屬熔池，母體金屬熔池被抽干，這一過程用一新的母體金屬池重復(fù)進(jìn)行。
圖3顯示了漂浮實(shí)例中間歇過程技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)裝置(11)的剖面。如圖3所示，預(yù)成型體(19)漂浮在母體金屬(15)熔池表面，母體金屬融池被容納在一容器(13)中。母體金屬(15)熔池和預(yù)成型體(19)暴露給周圍氣氛的表面，被覆蓋上一薄層(17)防止或阻礙周圍氣氛與熔融母體金屬間反應(yīng)的材料。然而，這一層(17)并不防止氣氛與預(yù)成型體(19)接觸，由此允許氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入并至少部分地嵌埋預(yù)成型體(19)。
圖4顯示了漂浮實(shí)例中間歇過程技術(shù)的裝置(12)的剖面，用該裝置每批可制造多陶瓷基復(fù)合體。如圖4所示，多預(yù)成型體(19)漂浮在母體金屬(15)熔池表面，母體金屬融池被容納在一容器(13)中。母體金屬(15)熔池和預(yù)成型體(19)暴露給周圍氣氛的表面，被覆蓋上一薄層(17)防止或阻礙周圍氣氛與熔融母體金屬間反應(yīng)的材料。然而，這一層(17)并不防止氣氛與預(yù)成型體(19)接觸，由此允許氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入并至少部分地嵌埋預(yù)成型體(19)。
以上描述的本發(fā)明的漂浮實(shí)例，也可以做為半連續(xù)過程運(yùn)行，這可以通過使用初始的熔融金屬池來向多組預(yù)成型體內(nèi)長入氧化反應(yīng)產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)?shù)谝唤M預(yù)成型體至少以部分地被生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋后，形成的陶瓷基復(fù)合體被移出熔融母體金屬池，并被代之以一組新的(未被浸潤的)預(yù)成型體。當(dāng)這第二組預(yù)成型體至少已部分地被生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋后，這第二組被移出母體金屬熔池，并被代之以第三組預(yù)成型體，等等。這一過程可以無限地繼續(xù)下去，直到母體金屬熔池被耗凈，或直到母體金屬的某種組份的濃度變得小或過大，以至于不能保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物所需要的生長。
上一段中描述的漂浮實(shí)例，也可以被改造得適應(yīng)陶瓷基復(fù)合體的連續(xù)制造。這可以通過提供使預(yù)成型體移動(dòng)或橫穿母體金屬熔池表面的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。例如，連續(xù)制造可通過以方式實(shí)現(xiàn)(1)在母體金屬熔池表面放置未處理預(yù)成型體于第一點(diǎn)，最好是放置在母體金屬熔池的一端，這樣，至少預(yù)成型體的一部分是與母體金屬熔池接觸的;(2)通過任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)移動(dòng)預(yù)成型體橫穿母體金屬熔池表面到達(dá)第二個(gè)位置，最好是母體金屬熔池的對面端，當(dāng)預(yù)成型體被移動(dòng)橫穿母體金屬熔池表面時(shí)，使母體金屬與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入和嵌埋預(yù)成型體;和(3)在第二點(diǎn)將嵌埋預(yù)成型體移出母體金屬熔池。可以校準(zhǔn)移動(dòng)預(yù)成型體的機(jī)構(gòu)，以使將特定的預(yù)成型體從母體金屬熔池表面第一點(diǎn)移到第二點(diǎn)的時(shí)間，對應(yīng)于完成所需的氧化反應(yīng)產(chǎn)物向預(yù)成型體內(nèi)長入量所需要的時(shí)間。這樣，通過持續(xù)地向母體金屬熔池表面第一點(diǎn)送入未處理預(yù)成型體，在經(jīng)過一段經(jīng)計(jì)算的時(shí)間以后，在第二點(diǎn)將浸潤預(yù)成型體從母體金屬熔池移走，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工藝過程?；蛘撸梢杂靡暳τ^察來判斷預(yù)成型體是否已被生長的氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋到所需的程度(例如，當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入預(yù)成型體時(shí)，預(yù)成型體可能會(huì)沉入熔融母體金屬池;預(yù)成型體保留在母體金屬熔池表面以上的量，可用來估計(jì)氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入預(yù)成型體的程度)。應(yīng)當(dāng)注意，在連續(xù)過程中，母體金屬熔池中某些成份的濃度可能需要增加或減少。這可能是必要的，因?yàn)榫€體金屬中的某些成份可能以不同于其它組份消耗速率的速率被消耗掉。各種成份的濃度，可以使用，例如傳染器或連續(xù)采樣技術(shù)來監(jiān)測。當(dāng)增加或減少線體金屬中某些成份的濃度成為必要時(shí)，可以采用任何方便的方法，如可直接加入一種或幾種成份，或加入與某些組份反應(yīng)的元素或化合物，以增加或減小這些組份的濃度。
應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)現(xiàn)漂浮實(shí)例的間歇、半連續(xù)和連續(xù)方法，并不局限于使用氣相氧化劑。固體氧化劑和/或液體氧化劑和/或氣丁氧化劑的任何組合，都可以用于此實(shí)例中。
在本發(fā)明的另一實(shí)例中，在最初或生長過程的某一時(shí)刻，預(yù)成型體可能傾向于沉沒到母體金屬熔池表面以下，當(dāng)這種沉沒發(fā)生時(shí)，可提供一種機(jī)構(gòu)來防止預(yù)成型體完全沉沒到母體金屬熔池表面以下。例如，可以提供一個(gè)支撐系統(tǒng)，以保持至少預(yù)成型體的一部分在母體金屬熔池表面以上。例如，包括擋板或一組柱的系統(tǒng)，這些擋板和柱是用在本過程所使用的溫度下不顯著地?fù)p害或反作用影響氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長的材料制造的，可被放在預(yù)成型體之下，這樣，預(yù)成型體和支撐系統(tǒng)之間的接觸，保證至少每個(gè)預(yù)成型體的一部分保持在母體金屬熔池表面以上。在連續(xù)過程方法中，支撐系統(tǒng)可以被安裝在移動(dòng)預(yù)成型體橫穿母體金屬熔池表面的機(jī)構(gòu)之上。
圖5顯示了用于漂浮實(shí)例中間歇過程技術(shù)的一套裝置(14)，它可以用來防止隨著預(yù)成型體(19)被氧化反應(yīng)產(chǎn)物浸潤而沉沒到母體金屬熔池(15)表面以下。如圖5所示，預(yù)成型體(19)漂浮在母體金屬熔池(15)表面，表面下有一組安裝或平放在容器(13)底的柱(21)，容器(13)容納了母體金屬熔池(15)。暴露給周圍氣氛的母體金屬熔池(15)和預(yù)成型體(19)的表面，被覆蓋上一薄層(17)防止或阻礙周圍環(huán)境與熔融母體金屬間反應(yīng)的材料。然而，這一層(17)并不防止氣氛與預(yù)成型體(19)接觸，并允許氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入和至少部分地浸潤預(yù)成型體(19)。如以上所描述的，這組柱，是用在本過程所使用的溫度下不顯著地?fù)p害熔融母體金屬或與之反應(yīng)的材料制造的。進(jìn)一步，這組柱(21)的尺寸和形狀，應(yīng)當(dāng)在預(yù)成型體(19)已至少部分地被氧化反應(yīng)產(chǎn)物浸潤后，是以防止至少預(yù)成型體(19)的一部分沉沒到母體金屬熔池(15)表面以下。
防止預(yù)成型體沉沒到母體金屬熔池表面以下的另一種方法，是在預(yù)成型體上安裝漂浮套。這種漂浮套含有可以支持預(yù)成型體重量的材料，即，保持至少預(yù)成型體的一部分在母體金屬熔池表面以上。進(jìn)一步，在優(yōu)先實(shí)例中，漂浮套可以至少在某種程度上，對于熔融母體金屬和氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長是不可滲透的。特別地，如果漂浮套不是不可滲透的，那么漂浮套郊和被嵌埋的預(yù)成型體結(jié)成一體，這在大多數(shù)情況下是不希望的。關(guān)于漂浮套的另一項(xiàng)考慮是，如果漂浮套被氧化反應(yīng)產(chǎn)物部分地浸潤，它應(yīng)該在此被部分地浸潤的的條件下仍保持足夠的浮力，以支持被嵌埋的預(yù)成型體的重量。
圖6顯示了漂浮實(shí)例中間歇過技術(shù)的一套裝置(16)的剖面，它可以用來防止預(yù)成型體(19)隨著被氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長所嵌埋而沉沒互母體金屬熔池(15)表面以下。如圖6所示，多個(gè)預(yù)成型體(19)漂浮在容納在容順(13)中的母體金屬熔池(13)表面。每個(gè)預(yù)成型體(19)上安裝一個(gè)漂浮套(23)漂浮套含有具有上段所描述的特性的材料。漂浮套(23)保持預(yù)成型體(19)在母體金屬熔池(15)表面以上。母體金屬熔池(15)暴露給周圍環(huán)境的表面，可以用一薄層(17)材料來覆蓋，這種材料可以防止或阻礙周圍環(huán)境與熔融母體金屬的反應(yīng)。預(yù)成型體919)的暴露表面，也可以用這樣的材料覆蓋，如果它們不是已被阻擋層或漂浮套(23)覆蓋了的話。
除了以上描述的防止預(yù)成型體沉沒到母體金屬熔池表面以下的技術(shù)，還可以彩從上部或至少某一面來支持預(yù)成型體的方法。具體地，預(yù)成型體可以安裝在一支持機(jī)構(gòu)上，這一機(jī)構(gòu)延伸到母體金屬熔池的上部某處，或至少某一連，這一機(jī)構(gòu)防止至少預(yù)成型體的一部分沉沒到母體金屬熔池表面以下。例如，一個(gè)固定的機(jī)構(gòu)可以安裝在預(yù)成型體上，同時(shí)安裝在母體金屬熔池表面上部某處，或至少某一面。這一固定的支持機(jī)構(gòu)，在本實(shí)例的間歇和半連續(xù)方法中將是有用的。在連續(xù)方法的實(shí)例中，支持機(jī)構(gòu)可以安裝在固定在母體金屬熔池表面上部某處，或至少某一邊的軌道或索道上。在這一實(shí)例中，支持機(jī)構(gòu)可以同時(shí)做為將預(yù)成型體移動(dòng)橫穿母體金屬熔池表面的機(jī)構(gòu)的一部分工作。
圖7顯示了漂浮實(shí)例中間歇過程技術(shù)的一套裝置(18)的剖面，當(dāng)預(yù)成型體(19)被氧化反應(yīng)產(chǎn)物浸潤，這套裝置可以用來防止預(yù)成型體(19)沉沒到母體金屬熔池(15)表面以下。如圖7所示，多個(gè)預(yù)成型體(19)漂浮在容納在容器(13)中的母體金屬熔池(15)的表面。預(yù)成型體(19)被安裝在支持件(15)上，支持件則安裝在高架支持物(27)上。支持件(25)與高架支持物結(jié)合，成為一高架支持機(jī)構(gòu)，它防止預(yù)成型體(19)沉沒到母體金屬熔池(15)表面以下，支持件(25)可以安裝成，當(dāng)預(yù)成型體(19)部分地沉沒到母體金屬熔池(15)后，支持件(25)僅提供支持作用。母體金屬熔池(15)和預(yù)成型體(19)暴露給周圍環(huán)境的表面，被一薄層(17)能夠防止或阻礙周圍環(huán)境與熔融母體金屬間反應(yīng)的材料。然而，這一薄層(17)，并不防止氣氛與預(yù)成型體919)接觸，從而保證了氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入和至少部分地嵌埋預(yù)成型體(19)。
當(dāng)使用氣相氧化劑，而且當(dāng)預(yù)成型體完全浸漬在母體金屬熔池中時(shí)，沒有適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)向預(yù)成型體供給氣相氧化劑，只有在這些情形下，才需要外部的防止預(yù)成型體沉沒到母體金屬熔池表面以下的機(jī)構(gòu)。
以上所描述的母體金屬熔池，不受尺寸和形狀的限制。例如，母體金屬熔池，可具有正方形、長方形、圓形、三角形等表面，進(jìn)一步，母體金屬熔池的表面積，可在小于幾平折毫米到大于幾千平方米的范圍。
在本發(fā)明的另一實(shí)例中，松散的填充物團(tuán)塊，或預(yù)成型體，至少被部分地約束在一支持機(jī)構(gòu)內(nèi)，隨后被放入母體金屬熔池(這一實(shí)例在以后有時(shí)被稱為“浸漬”實(shí)例)。正如本發(fā)明的前一實(shí)例，這項(xiàng)技術(shù)可以以間歇過程、半連續(xù)過程、或連續(xù)過程實(shí)施。
當(dāng)以間歇過程實(shí)施浸漬實(shí)例時(shí)，可將填充材料集團(tuán)或預(yù)成型體約束進(jìn)或安裝到一支持機(jī)構(gòu)，支持機(jī)構(gòu)隨后降低，與線體金屬熔池接觸。
在熔融母體金屬與氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物已基本上完全長入并嵌埋松散的填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體后，將被嵌埋的填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體從母體金屬熔池提升并冷卻。母體金屬熔池隨后被抽干，并被新的母體金屬熔池取代，這一母體金屬熔池用于生長下一個(gè)陶瓷基復(fù)合體。
如果在浸漬實(shí)例中使用氣相氧化劑，那么預(yù)成型體或填充材料松散團(tuán)塊的至少一部分，應(yīng)保持在母體金屬熔池表面以上，除非使用某一機(jī)構(gòu)來向填充材料松散團(tuán)塊或預(yù)成型體供給氣相氧化劑。剖面圖1顯示了這種機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子，在這里，使用了一不銹鋼管(1)來向預(yù)成型體(2)供給氣相氧化劑。如圖1所示，具有圓臺(tái)形狀的預(yù)成型體(2)，被保持在一支持機(jī)構(gòu)(3)中，支持機(jī)構(gòu)包括在其底部安裝了螺母(5)的螺紋桿(4)。螺母(5)被放置在耐火塞(6)內(nèi)。在預(yù)成型體的上端，螺紋桿(4)穿過不銹鋼板(9)進(jìn)入到不銹鋼管(37)中。不銹鋼管(37)的下端與不銹鋼板(9)接觸，不銹鋼管(37)的上端與一墊圈(35)接觸。在此墊圈之上，兩個(gè)彈簧(39)夾存3個(gè)墊圈(35)之間，套在螺紋桿(4)上。在不銹鋼棒(4)的頂部，有第二個(gè)螺母(33)。當(dāng)上面的螺母(33)擰緊時(shí)，不銹鋼管(37)向不銹鋼板(9)施加壓力。而且，耐火塞(6)被拉向預(yù)成型體(2)。通過在預(yù)成型體(2)頂端和不銹鋼板(9)底部之間，預(yù)成型體(2)低端和耐火塞(6)頂端之間使用含有稱作“Fiberfrax paper”(Sohio/Carborundum公司生產(chǎn))的耐火密封紙，并擰緊上螺母(33)，可將預(yù)成型體的內(nèi)表面(41)與環(huán)境隔絕，通過使氣相氧化劑穿過不銹鋼管(1)并進(jìn)入到預(yù)成型體(2)內(nèi)部，可使氧化反應(yīng)產(chǎn)物從熔融母體金屬向著預(yù)成型體(2)的內(nèi)表面(41)生長?？蓪⒁灰龑?dǎo)氣相氧化劑向預(yù)成型體(2)的內(nèi)表面(41)的流動(dòng)的機(jī)構(gòu)與不銹鋼管(1)一起使用。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先實(shí)例中，以上描述的機(jī)構(gòu)，包括一網(wǎng)狀陶瓷件，此陶瓷件從不銹鋼管沿幾個(gè)方向，最好是所有方向，延伸向預(yù)成型體(2)的內(nèi)表面。網(wǎng)狀陶瓷體可含有大于20%，小于95%體積的聯(lián)通孔隙，例如，適宜的材料包括Amporox熔融金屬過濾物(T-10和T-2顆粒等級，Astro Met，Inc.Cincinnati，OH 45215)。強(qiáng)迫氣相氧化劑在一個(gè)或幾個(gè)地點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)狀陶瓷體，并在陶瓷的幾處地點(diǎn)釋放出來，一些地點(diǎn)，優(yōu)先設(shè)置在約略預(yù)成型體內(nèi)表面(41)的底部，這樣，在以上所說的氣相氧化劑上升并與預(yù)成型體(2)的內(nèi)表面(41)的中部和上部接觸之前，使氣相氧化劑的流動(dòng)被引向預(yù)成型體內(nèi)表面(41)的下部。這項(xiàng)技術(shù)使預(yù)成型體(2)的內(nèi)表面(41)的下部，可以更多地獲得氣相氧化劑，并因此在預(yù)成型體內(nèi)產(chǎn)生更均勻的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長模式?？稍陬A(yù)成型體(2)的內(nèi)表面(41)上包覆阻擋層材料，以防止氧化反應(yīng)產(chǎn)物的過分生長。如圖1所顯示的供給氣相氧化劑的外部機(jī)構(gòu)，當(dāng)使用從包括固體氧化劑，液體氧化劑、內(nèi)氣相氧化劑源這一組中挑選的至少一種氧化劑時(shí)可能就是不必要的了。例如，為了在一高于室溫，最好是在或接近母體金屬熔點(diǎn)的溫度產(chǎn)生至少一種氣相氧化劑，可以將一種物質(zhì)或一些物質(zhì)的混合物放置在預(yù)成型體內(nèi)部，它的分解或相互間反應(yīng)，從而在氧化反應(yīng)溫度向預(yù)成型體內(nèi)部供給至少一種氣相氧化劑?；蛘?，預(yù)成型體本身可含有固相氧化劑、液相氧化劑或二者的組合。
在浸漬實(shí)例的半連續(xù)形式中，可以在氧化反應(yīng)產(chǎn)物的連續(xù)多次生長中重復(fù)使用，直到(1)熔融母體金屬池被消耗凈，或(2)母體金屬某些組份的濃度增加或減少到如此程度，以至于妨礙了所希望的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長。
在浸漬實(shí)例的連續(xù)形式中，可將一系統(tǒng)裝置放入、拉過、提出母體金屬熔池，每個(gè)裝置包括約束或安裝在支持機(jī)構(gòu)上的預(yù)成型體材料松散團(tuán)塊或預(yù)成型體。實(shí)現(xiàn)這一連續(xù)過程，可以通過將每一裝置的支持機(jī)構(gòu)安裝到軌道或索道上，并計(jì)算軌道或索道的動(dòng)動(dòng)，以使裝置與母體金屬熔池接觸足夠的時(shí)間，從而保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入填充材料松散集團(tuán)或預(yù)成型體所需的程度。使用氣相氧化劑的連續(xù)過程浸漬實(shí)例，圖示于圖2中。
如圖2所示，一系統(tǒng)裝置(47)被連續(xù)地放入、拉過、提出母體金屬熔池(50)。裝置(47)安裝在支持件(48上，支持件被安裝在軌道上，并與之一起移動(dòng)。
正如在浸漬實(shí)例的間歇過程方法，當(dāng)預(yù)成型體或填充材料松散集團(tuán)被全部浸漬在母體金屬熔池中時(shí)，可以使用外部的機(jī)構(gòu)向預(yù)成型體或填充材料松散團(tuán)塊供給氣相氧化劑。這樣，如圖2所示，圖1所示的裝置也可以使用在浸漬實(shí)例的半連續(xù)和連續(xù)形式中。
如以上所討論的，在連續(xù)過程方法中，在過程中增加或減少母體金屬熔池中某些組件的濃度可能是必要的或有益的。這種增加或減少可能是有益的，因?yàn)槟阁w金屬熔池的某些組分的消耗速率，可能比其它成分的大。各種成份的濃度可以通過，例如，使用傳感器或連續(xù)采樣技術(shù)來監(jiān)測。當(dāng)有必要增加或減少母體金屬某些成份的濃度時(shí)，可以使用任何方便的方法來增加或減少這些組分的濃度，例如，直接加入一種或幾種組分，或者加入與某些組分反應(yīng)的元素或化合物。
在本發(fā)明的漂浮和浸漬實(shí)例中，均可使用阻擋層機(jī)構(gòu)來控制氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長，并保證具有確定形狀的陶瓷基復(fù)合體的生成。這些阻擋層機(jī)構(gòu)和制作它們的材料，在本文的其它段落討論。
本發(fā)明的另一實(shí)例，涉及生成包含熔融金屬和氧化劑氧化反應(yīng)產(chǎn)物的陶瓷基體的連續(xù)方法。在此實(shí)例中，將熔融母體金屬與氧化劑接觸，以生成母體金屬與氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。理想地，使用至少一個(gè)成型的阻擋層機(jī)構(gòu)，以提供一個(gè)具有確定形狀的空腔，氧化反應(yīng)產(chǎn)物將長入此空腔。一旦與阻擋層機(jī)構(gòu)接觸，氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長將停止，從而在阻擋層機(jī)構(gòu)所決定的空腔內(nèi)形成一具有確定形狀的陶瓷基體。最終的具有特定形狀的陶瓷基體的獲得，可通過去除阻擋層機(jī)構(gòu)和殘存的母體金屬殘留物，這些母體金屬殘留物附著在陶瓷基體與熔融金體金屬接觸的表面上。為了以連續(xù)或半連續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)這一過程可將一系列預(yù)先制作的、含有至少一種阻擋層材料的結(jié)構(gòu)與熔融母體金屬接觸足夠長的時(shí)間，以保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長到由每個(gè)成型阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)壁所決定的那些邊界。當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長已經(jīng)基本上全部填滿了阻擋層材料結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)部空腔時(shí)，氧化反應(yīng)將通過以下的法停止(1)停止已生成的陶瓷基體與熔融母體金屬源的接觸，或者(2)停止氧化劑與熔融母體金屬源間的接觸。對于以上剛剛描述的技術(shù)(1)，停止熔融母體金屬與陶瓷基體的接觸，可以通過物理方法，使容納在阻擋層材料結(jié)構(gòu)中的陶瓷基體與母體金屬熔融源脫離接觸?；蛘?，可以向阻擋層材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔供給經(jīng)預(yù)先計(jì)算的量的母體金屬，這些母體金屬對生長所需要量的氧化反應(yīng)產(chǎn)物是足夠的。
對于上一段中所描述的技術(shù)(2)，停止氧化劑與熔融金屬源間的接觸，可以通過經(jīng)外部機(jī)構(gòu)，如耐火材料或不銹鋼制中空管向成型阻擋層材料結(jié)構(gòu)供給氧化劑，然后，當(dāng)氯化反應(yīng)產(chǎn)物的生長已經(jīng)填充阻擋層材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔劑所需的程度時(shí)，停止供給氧化劑?；蛘?，可以在最初供給阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔預(yù)先計(jì)算量的氧化劑，這樣，當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物已經(jīng)填充內(nèi)部空腔到所需要的程度時(shí)，氧化劑將被耗盡。
實(shí)現(xiàn)陶瓷基體連續(xù)生產(chǎn)的一種方法是，制作具有至少一個(gè)內(nèi)部空腔的自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)。至少其中一個(gè)內(nèi)部空腔的一部分，具有某種配置，以保證制造出具有與內(nèi)部空腔形狀對應(yīng)的形狀的陶瓷基體。而且，至少其中一個(gè)內(nèi)部空腔的一部分可以容納母體金屬。此母體金屬，可以在最初制作自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)時(shí)以母體金屬固體鑄塊的形式引入，或者，母體金屬可在任一時(shí)刻以粉末態(tài)或液態(tài)，通過阻擋層材料結(jié)構(gòu)上的小洞或開口引入。引入自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)的母體金屬的量，可以是(1)一預(yù)先計(jì)算量，足以導(dǎo)致填充內(nèi)部空腔成型部分到所需程度的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長;或者(2)一富余量導(dǎo)致氧化反應(yīng)物的生長，完全填滿內(nèi)部空腔的所有成型部分，仍有富余。后一項(xiàng)技術(shù)，技術(shù)(2)，可在制造出在其上附著有剩余反應(yīng)母體金屬，即固體金屬殘留物的陶瓷基體。
可通過數(shù)種方式向上一段中描述的自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)供給氧化劑。首先，阻擋層材料結(jié)構(gòu)對周圍氧化劑可以是可滲透的。第二，可使用外部機(jī)構(gòu)向內(nèi)空腔供給氧化劑。例如，可使用耐火材料或不銹鋼制的中空管，至少一種氧化劑可以通過中空管。最后，可在最初向內(nèi)空腔成型部分供給預(yù)先計(jì)算量的至少一種氧化劑，這些氧化劑足以保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成填充內(nèi)空腔定型部分到所需要的程度。
以上描述的自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)，可以被連續(xù)地提供給一機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)移動(dòng)這些結(jié)構(gòu)穿過加熱機(jī)構(gòu)。(例如加熱爐)，此加熱機(jī)構(gòu)保證自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)和它們?nèi)菁{的材料獲得發(fā)生氧化反應(yīng)所需的溫度?？梢孕?zhǔn)移動(dòng)自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)，以使自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)和它的容納的材料。在氧化反應(yīng)溫度保持足夠長的時(shí)間，從而保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生物填充阻擋層材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔中成型部分到所需要的程度。在所需要量的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長完成后，自封閉阻擋層材料結(jié)構(gòu)和它們的容納物被冷卻，阻擋層材料和母體金屬殘留物，如果有的話，被從形成的有一定形狀的陶瓷基體上移去。
連續(xù)生產(chǎn)陶瓷基體的另一方法，是將一系列阻擋層材料結(jié)構(gòu)的開放部分與母體金屬熔池接觸，這些阻擋層材料結(jié)構(gòu)包括(1)成型空型;和(2)開放部分。熔融母體金屬與氧化劑反應(yīng)，生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物可以長入阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)包含的成型空腔。當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長已經(jīng)填充每個(gè)阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的成型空腔到所需要的程度，停止供給氧化劑，或停止阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的陶瓷基體與母體金屬熔融源的接觸，從而防止氧化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步生長。
有多種技術(shù)可使阻擋層材料結(jié)構(gòu)連續(xù)地與母體金屬熔池接觸。一種方法是用阻擋層材料包覆母體金屬熔池，此阻擋層材料上有孔或槽，氧化劑通過它們與熔融母體金屬接觸。具有成型空的阻擋層材料結(jié)構(gòu)被放置在每個(gè)孔或槽的上方，這樣，氧化反應(yīng)產(chǎn)物可以從孔或槽長入每個(gè)阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的成型空腔。這一方法可能需要用阻擋層材料將母體熔池幾乎全部表面包覆，以防止在除孔或洞以外的地方，發(fā)生不需要的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長?？梢灾谱饕粋€(gè)系統(tǒng)，當(dāng)溫度和氧化劑條件使得氧化反應(yīng)產(chǎn)物可在母體金屬任何未被阻擋層材料包覆處生成時(shí)，用此系統(tǒng)時(shí)至少一種阻擋層材料連續(xù)地包覆母體金屬熔池表面。因此，通過控制母體金屬和/或與母體金屬接觸的環(huán)境氣氛的溫度，可在母體金屬表面未被阻擋層材料覆蓋時(shí)期，控制氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長。通過連續(xù)地移走已被氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長填充到所需要的程度的阻擋層材料結(jié)構(gòu)，并將新的阻擋層材料結(jié)構(gòu)放到露出的孔或槽上可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)過程。
使用母體金屬熔池來連續(xù)地生成陶瓷基體的另一方法是，連續(xù)地將阻擋層材料結(jié)構(gòu)的開放部分與母體金屬熔池接觸，此阻擋層材料結(jié)構(gòu)包括(1)一開放部分;和(2)一與開放部分相聯(lián)的成型空腔。阻擋層材料結(jié)構(gòu)可聯(lián)結(jié)到一機(jī)構(gòu)上，此機(jī)構(gòu)移動(dòng)阻擋層材料結(jié)構(gòu)橫穿母體金屬熔池表面或其內(nèi)部。可以在最初向阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔供給母體或液體氧化劑，也可以通過一外部機(jī)構(gòu)向其供給氧化劑，例如，使用與氧化劑源聯(lián)結(jié)的耐火材料或不銹鋼中空管。母體金屬熔池不與阻擋層材料開放部分接觸的暴露表面，在氣氛或環(huán)境能與熔融母體金屬反應(yīng)的情況下，可用阻擋層材料(如拉斯頓顆粒)包覆?？梢孕?zhǔn)移動(dòng)阻擋層材料結(jié)構(gòu)橫穿母體金屬熔池或其內(nèi)部的機(jī)構(gòu)，以允許阻擋層材料結(jié)構(gòu)與母體金屬熔池接觸足夠長的時(shí)間，從而保證氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長將填入阻擋層材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)空腔到所需要的程度。通過連續(xù)地向母體金屬熔池的某一部分供給新的阻擋層材料結(jié)構(gòu)，并在母體金屬熔池另一部分連續(xù)地移走已被氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長填充到所需程度的阻擋層材料結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)過程。
以上所討論的連續(xù)地生成陶瓷基體的許多方法，可以改造以制造陶瓷基復(fù)合體。例如，阻擋層材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的成型空腔，可在初始時(shí)容納一材料，它隨后被氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長所嵌理，從而生長出陶瓷基復(fù)合體。而且，空腔可容納至少一個(gè)可被氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌理的預(yù)成型體。提供一支持機(jī)構(gòu)以防止填充材料通過阻擋層材料結(jié)構(gòu)開口部分逸出，可能是必要的。此支持機(jī)構(gòu)可具有至少一個(gè)開口，開口保證母體金屬能接近成型空腔，同時(shí)防止填充物產(chǎn)料逸入母體金屬熔池。
當(dāng)至少一種氧化劑是氣相氧化劑時(shí)，具有足夠的多孔或可滲透性，以保證氣相氧化劑滲入預(yù)成型體而與母體金屬接觸，這樣的預(yù)成型體在陶瓷基復(fù)合體的制造中是有用的。預(yù)成型體也應(yīng)該是自支撐的和具有足夠可滲透性的，以適應(yīng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物在預(yù)成型體內(nèi)發(fā)展或生成基質(zhì)，而不是顯著地干擾、破壞、或者改變預(yù)成型體的配置和尺寸。
可以使用固體、液體或氣相氧化劑，或者它們的組合。例如，典型的氧化劑包括，非限制性地，氧氣、氮?dú)?、鹵素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲、和/或它們的化合物和組合，例如，氧化硅(做為氧源)、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯(做為碳源)，以及混合物如空氣、H2/H2O和CO/CO2，后兩者(即H2/H2O和CO/CO2)對降低環(huán)境氧的活性是很有用的。因此，本發(fā)明的陶瓷基結(jié)構(gòu)，包含氧化反應(yīng)產(chǎn)物，它們包括一種或多種氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和氧氮化物。更確切地，氧化反應(yīng)產(chǎn)物可以是，例如，氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、硼化硅、硼化鋁、氮化鈦、氮化鋯、硼化鈦、硼化鋯、碳化鈦、碳化鋯、氮化硅、硼化鉿和氧化錫中的一種或幾種。雖然氧化反應(yīng)通常被描述成有氣相氧化劑參加，單獨(dú)地或與過程條件下為固體或液體的氧化劑一起參加，但應(yīng)當(dāng)注意，氣相氧化劑的使用，對于制造陶瓷基復(fù)合體不是必需的。當(dāng)不使用氣相氧化氧而是使用在過程條件為固體或液體的氧化劑時(shí)，預(yù)成型體對于周圍氣氛沒有必要是可滲透的。然而，預(yù)成型體仍應(yīng)是足夠地可滲透的，以適應(yīng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物在預(yù)成型體內(nèi)發(fā)育或生長成基質(zhì)，而不顯著地干擾、破壞、或者改變預(yù)成型體的配置和尺寸。
使用固體或液體氧化劑，可以在預(yù)成型體內(nèi)造成比預(yù)成型體環(huán)境更有利于母體金屬氧化機(jī)理的環(huán)境。這一加強(qiáng)的環(huán)境，對于促進(jìn)基質(zhì)在成型體內(nèi)直到邊界的發(fā)展和減少過生長，都是有益的。當(dāng)使用固體氧化劑時(shí)，可以將其彌散在處于母體金屬附近的預(yù)成型體的全部體積內(nèi)或彌散在其一部分內(nèi)，如以顆粒形式混合在預(yù)成型體內(nèi)，過者，它可以做為制做預(yù)成型體的顆粒的包覆。適當(dāng)?shù)墓腆w氧化劑可包括適宜的元素，如硼或碳，或者合適的可還原的化合物，如二氧化硅(做為氧氣源，或某些硼化物，它們的熱力學(xué)穩(wěn)定性比母體金屬的硼化反應(yīng)物為低。
如果使用液體氧化劑，可以將其彌散在處于母體金屬附近的預(yù)成型體的全部體積內(nèi)或彌散在其一部分內(nèi)。提及液相氧化劑，指在氧化反應(yīng)條件下為液體的氧化劑，所以，液體氧化劑可以有一固體前體，如做為鹽，在氧化反應(yīng)條件下，固體前體熔化或成液體?；蛘撸后w氧化劑可以有一液體前體，例如材料的溶液，以前體被用來包覆全部或部分預(yù)成型體孔隙表面，并在過程條件下熔化或分解，成為適宜的氧化劑部分。如這里所定義的液體氧化劑的實(shí)例，包括低熔點(diǎn)玻璃。
正如在共同擁有的專利申請和專利中所解釋的，加入摻雜物質(zhì)與例如鋁母體金屬配合，可能有益于氧化反應(yīng)過程，摻雜材料的功能，可能依賴于其自身以外的一些因素。這些因素包括，例如，所需要的最終產(chǎn)物、當(dāng)使用兩種或多種摻雜物時(shí)摻雜物的組合。與合金化摻雜物組合的外加摻雜物的使用、摻雜物的濃度、氧化性環(huán)境和過程條件。
與母體金屬一同使用的摻雜物;(1)可做為母體金屬的合金成份提供;(2)可被使用于至少母體金屬表面的一部分;(3)可被加入到填充材料中;或者(4)使用技術(shù)(1)、(2)、(3)的結(jié)合。例如，合金化摻雜物可以與外加雜物一起使用。通過將摻雜物粉末或摻雜物硬體與母體金屬表面的至少一部分接觸，可以形成一摻雜物源。例如，可以將一薄層含硅玻璃放置在鋁母體金屬表面。當(dāng)被覆以含硅材料的鋁母體金屬(可能已在內(nèi)部摻雜3mg)，在氧化性環(huán)境中被加熱。例如，在空氣中鋁的情況下，加熱到大約85℃至大約1450℃之間，最好是大約90℃至大約1350℃之間，就發(fā)生多晶陶瓷材料的生長。當(dāng)將摻雜物外加到鋁母體金屬至少一部分表面時(shí)，多晶氧化鋁結(jié)構(gòu)的生長，一般顯著地超出摻雜層(即，超出加入的摻雜層的深度)。在任何情況下，可將一種或多種摻雜物加入到母體金屬表面。而且，合金化在母體金屬內(nèi)的摻雜物的任何濃度不足，都可以通過外加到母體金屬的相應(yīng)摻雜物的附加濃度而增加。
鋁母體金屬的有用摻雜物，特別是當(dāng)以空氣做為氧化劑時(shí)，包括例如，鎂、鋅和硅。它們的相互組合。或者，與以下描述的摻雜物的組合。這些金屬，或這些金屬適當(dāng)?shù)脑矗該诫s后金屬的總重量計(jì)，這些金屬，或這些金屬適當(dāng)?shù)脑矗梢悦糠N金屬大約0.1-10%重量的濃度合金化到鋁基母體金屬中。此范圍內(nèi)的濃度，似乎能引發(fā)陶瓷生長、加強(qiáng)金屬輸運(yùn)和有益于形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)。任何一種摻雜物的濃度范圍，都將依賴于如摻雜物組合和過程溫度這樣的因素。
能有效地促進(jìn)氧化鋁多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物從鋁母體金屬系統(tǒng)生長的其它摻雜物是，例如，鍺、錫和鉛，特別是當(dāng)與鎂一同使用時(shí)。這些其它摻雜物、或它們的適當(dāng)?shù)脑?，被合金化到鋁母體金屬系統(tǒng)中，每種摻雜物的濃度從大約0.5到大約15%合金總重量，然而，可獲得更理想的生長機(jī)理和生長形狀，當(dāng)摻雜濃度在大約1-10%母體金屬合金總重量范圍內(nèi)時(shí)。鉛作為摻雜物，在至少1000℃的溫度下合金化到鋁基母體金屬中，以適應(yīng)其在鋁中的低溶解度;然而，加入其它合金成分，如錫，通常可以增加鉛的熔解度，從而能夠在較低的溫度下加入合金材料。
在使用鋁母體金屬，并以空氣為氧化劑時(shí)，特別有用的摻雜物組合包括(a)鎂和硅或者(b)鎂、鋅和硅。在這些例子中，理想的鎂濃度在從大約0.1到大約3%重量范圍。對鋅是從大約1到大約6%重量范圍，對硅是從大約1到大約10%重量范圍。
對鋁母體金屬有用的摻雜物的其它例子，包括鈉和鋰，根據(jù)過程條件，它們可以單獨(dú)或與一種或幾種其它摻雜物一起使用?？梢允褂脴O少量的鈉和鋰(在百萬分之幾范圍，通常為大約百萬分之100-200)，而且鈉和鋰中每一種可單獨(dú)或二者共同使用，或者與其它摻雜物一起使用。鈣、硼、磷、釔，及稀土金屬如鈰、鑭、鐠、釹和釤，也是有用的摻雜物，而且特別是當(dāng)與其它摻雜物一起使用時(shí)。
當(dāng)在外部使用摻雜材料時(shí)，它們通常被加入到母體金屬表面的某一部分，做為其上的一均勻覆蓋層。相對于加入了摻雜物的這部分母體金屬的量，摻雜物量在一寬廣范圍內(nèi)有效，在鋁的形情中，試驗(yàn)中沒能確定有效范圍的上、下限。例如，當(dāng)使用二氧化硅形式的硅，從外部加入，做為鋁基母體金屬的摻雜物，并以空氣或氧氣為氧化劑時(shí)，低達(dá)每克母體金屬0.00003克硅，或母體金屬暴露表面每平方厘米大約0.0001克硅，同第二種摻雜物源、鎂一起，被用來發(fā)生多晶陶瓷生長現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過以鎂做摻雜物，其量大于每克被氧化母體金屬0.0008克鎂和大于加入鎂的同體金屬表面每平方厘米0.003克鎂，用空氣或氧氣做氧化劑，可以從鋁-硅合金母體金屬獲得陶瓷結(jié)構(gòu)。
當(dāng)以內(nèi)部摻雜鎂的鋁為母體金屬，空氣或氧氣做氧化介質(zhì)時(shí)，在大約820℃到950℃溫度下，觀察到鎂至少部分地在合金外氧化。在鎂摻雜系統(tǒng)的這些情況下，鎂在熔融鋁合金表面生成了氧化鎂和/或鎂鋁尖晶時(shí)相;在生長過程中，這些鎂化合物基本上保留在生成的陶瓷基結(jié)構(gòu)的母體金屬初始氧化表面(例如，“初始表面”)。因此，在這些鎂摻雜系統(tǒng)中，除了初始表面上相對較薄的鎂鋁尖晶石層外，制造出了氧化鋁基結(jié)構(gòu)。需要時(shí)，在使用這種多晶陶瓷基制品之前，可通過研磨、印削、拋充或噴砂容易地除去此初始表面。
在本發(fā)明的另一實(shí)例中，在多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物制品的生長過程中可以引入一種不同氣相氧化劑。在這一內(nèi)容下，“不同”應(yīng)被理解為指組成在化學(xué)上不同于原氣相(或固體)氧化劑組成。這樣，用“不同”氣相氧化劑生成的第二種氧化反應(yīng)產(chǎn)物制品，將形成相互完整連結(jié)的兩個(gè)陶瓷基體或相，并具有分層性質(zhì)(例如，可在最初生成的陶瓷基復(fù)合體上生成另一層)。
在另一實(shí)例中，首先完全地生成一陶瓷基復(fù)合體，隨后，完全地生成的陶瓷基復(fù)合體，被暴露給氧化劑，最好是與用來生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物的氧化劑“不同”的氧化劑;這些氧化反應(yīng)產(chǎn)物在陶瓷基復(fù)合體中做被嵌埋填充材料的基質(zhì)。在此供選擇的實(shí)例中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合體中的殘余母體金屬，被吸向陶瓷基復(fù)合體的至少一個(gè)表面，并與“不同”氧化劑反應(yīng)，由此在首先生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物基體上生成不同的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
在本發(fā)明的另一實(shí)例中，陶瓷基復(fù)合體中的金屬組分，可通過改變其組成而選定。確切地，例如，可在比如說氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長期間，將第二種金屬合金化或擴(kuò)散進(jìn)母體金屬，以有益地改變母體金屬的組成，并由此，機(jī)械、電和/或化學(xué)性質(zhì)。
為幫助生成具有一定形狀的陶瓷基復(fù)合體，可將一阻掛層機(jī)構(gòu)與填充材料預(yù)成型體一起使用。確切地，適于本發(fā)明應(yīng)用的阻擋層機(jī)構(gòu)，可以是任何能干擾、阻礙或停止氧化反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)展或生長的適宜機(jī)構(gòu)。適宜的阻擋層機(jī)構(gòu)可以是任何材料、化合物、元素、組成，或類似物，在能夠局部地阻礙、毒化、停止、干擾、防止或類似的作用，氧化反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)生長的同時(shí)，它能保持一定的完整性，不揮發(fā)，而且對氣相氧化劑最好是可滲透的，如果使用氣相氧化劑的話。
阻擋層機(jī)構(gòu)的一類，似乎是這樣一族材料，它們不能顯著地被輸運(yùn)的熔融母體金屬所濕潤。這種類型的阻擋層，似乎實(shí)際上很少或沒有顯示對熔融金屬的親合性，生長可被阻擋層機(jī)構(gòu)停止或阻礙。其它阻擋層，傾向于通過大量地溶入或稀釋輸運(yùn)金屬，或通過生成固相反應(yīng)產(chǎn)物(例如金屬間產(chǎn)物，它能阻礙熔融金屬的輸運(yùn)過程)等方式，與輸運(yùn)熔融母體金屬作用，以阻礙進(jìn)一步生長。這種形式的阻擋層，可是金屬或金屬合金，包括它們的適宜前體，如氧化物或可還原的金屬化合物，或密實(shí)的陶瓷材料。由于這種阻擋層的阻礙過程的性質(zhì)，在生長停止之前，生長可能延伸入或者超超阻擋層。然而，阻擋層減少了生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物可能需要的任何最后切削或研磨。如以上所申明的，阻擋層應(yīng)優(yōu)先為可滲透的或多孔的，因而，當(dāng)使用固體，不可滲透壁時(shí)，阻擋層應(yīng)在至少某一區(qū)域開放，或在一端或兩端開放，以保證氣相氧化劑接觸熔融母體金屬。
在本發(fā)明中，當(dāng)使用鋁母體金屬，用空氣做氧化劑時(shí)特別有用的適宜的阻擋層是硫酸鈣、硅酸鈣和磷酸三鈣。這些阻擋層似乎局部地與發(fā)展著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物作用，生成不可滲透的鋁酸鈣層，鋁酸鈣層局部地停止氧化反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)一步生長。這些阻擋層通常以泥漿或膏的形式加到填充物基底表面，填充物基體最好為預(yù)成型體。阻擋層機(jī)構(gòu)也可以包括適當(dāng)?shù)目扇紵驌]發(fā)性材料，它在加熱時(shí)消失，或者包括加熱時(shí)分解的材料，以此來增加阻擋層機(jī)構(gòu)的可滲透性和多孔性，再進(jìn)一步，阻擋層機(jī)構(gòu)可包括適當(dāng)?shù)哪突痤w粒，以減少否則可能產(chǎn)生的收縮或開裂。具有與填充物基底幾乎相同的膨脹系數(shù)的顆粒，是特別需要的。例如，如果預(yù)成型體包含氧化鋁，而且形成的陶瓷也含有氧化鋁，阻擋層可與氧化鋁顆?；旌?，氧化鋁顆粒最好有大約20-1000的顆粒度。例如，可將氧化鋁顆粒與硫酸鈣大約10∶1到1∶10的比例范圍混合，最佳比例在1∶1附近。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，阻擋層機(jī)構(gòu)包括硫酸鈣的混合物(即熱石膏和波特蘭水泥)?？蓪⒉ㄌ靥m水泥與熱石膏按10∶1至1∶10的比例混合，最佳波特蘭水泥對熱石膏的比例大約為1∶3。如果需要的話，也可以單獨(dú)使用波特蘭水泥做阻擋層材料。
在另一實(shí)例中，使用鋁母體金屬，以空氣作氧化劑，以硅石和熱石膏按化學(xué)計(jì)量比混合作為阻擋層，但可以有過量的熟石膏。在處理中，熟石膏和硅石反應(yīng)，生成硅酸鋁，由此形成的阻擋層幾乎沒有裂紋，特別有利。在另外一個(gè)實(shí)例中，熟石膏與大約25-40重量百分比的碳酸鈣混合。加熱時(shí)，碳酸鈣分解放出二氧化碳，因此增強(qiáng)了阻擋層機(jī)構(gòu)的多孔性。
其它對鋁基母體金屬系統(tǒng)特別有用的阻擋層包括含鐵材料(例如，不銹鋼容器)、氧化鉻和其它耐火氧化物，它們可被用做填充物基底的疊加壁或容器，或者用作填充物基底表面的一層。其它阻擋層包括致密的燒結(jié)或熔融陶瓷如氧化鋁。這些阻擋層通常是不可滲透的，因而或者特制以適應(yīng)多孔性，或者需要一開放部分如開放端。這些阻擋層機(jī)構(gòu)在反應(yīng)條件下可能生成脆性產(chǎn)物，但可以通過研磨去除，以恢復(fù)陶瓷基體。
可以將阻擋層機(jī)構(gòu)制作或制造成任何適宜的形式，大小和形狀，而且當(dāng)使用氣相氧化劑時(shí)，最好對于氣相氧化劑是可滲透的。可以以薄膜、膏、泥漿、有孔或無孔的薄片或板，或者格或孔的網(wǎng)如金屬或陶瓷柵或織物，或者以上的組合等形式使用阻擋層機(jī)構(gòu)，阻擋層機(jī)構(gòu)還可以包含某些填充物和/或粘合劑。
阻擋層機(jī)構(gòu)的大小和形狀，依賴于所需要的陶瓷基制品的形狀。僅舉一例，如果阻擋層機(jī)構(gòu)被放置在距母體金屬一預(yù)先確定的距離，當(dāng)陶瓷基質(zhì)的生長遇到阻擋層機(jī)構(gòu)時(shí)，它將局部地被停止或受到阻礙例如，如果中凹的阻擋層至少部地放置離開母體金屬，多晶生長將發(fā)生在由中凹阻擋層邊界和母體金屬表面積所確定的體積空間內(nèi)。生長在半凹阻擋層的邊界顯著地停止。去除阻擋機(jī)構(gòu)后，就留下一陶瓷基體，它具有至少一個(gè)由阻擋層機(jī)構(gòu)中凹性所確定的凸起部分。應(yīng)當(dāng)注意，對于具有氣孔的阻擋層機(jī)構(gòu)情形，可能會(huì)發(fā)生多晶材料過生長入孔隙，雖然這種過生長可以通過使用更有效的阻擋層材料而被有力地限制或消除。在此情形下，當(dāng)將阻擋層機(jī)構(gòu)從生成的多晶陶瓷基體移去后，任何多晶過生長，都可以通過研磨、噴砂或類似方法除掉，以制造所需要的沒有殘余多晶材料過生長的陶瓷基質(zhì)部分?？梢赃M(jìn)一步解釋，如果將阻擋層機(jī)構(gòu)放置離開母體金屬，而且其在向著金屬的方向有一圓柱形凸起，將會(huì)將成一具有圓柱形凹陷的陶瓷基體，圓柱形凹陷復(fù)制了圓柱形凸起的相同半徑和濃度。
為了在陶瓷基復(fù)合體的生成過程中達(dá)到最少或沒有多晶材料的過生長，可以將阻擋層機(jī)構(gòu)放到任何填充物基底或預(yù)成型體的確定表面邊界上，或放置得緊密鄰近此表面邊界。將阻擋層機(jī)構(gòu)設(shè)置在其底或預(yù)成型體的確定表面邊界上，可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒?，例如用阻擋層包覆確定的表面邊界。施加這樣的阻擋機(jī)構(gòu)層到確定的表面層邊界，可以通過涂覆、滲漬、絲網(wǎng)印刷、蒸鍍等方式，或者以液體、泥漿或膏的形式施加阻擋層結(jié)構(gòu)，或者通過噴鍍揮發(fā)性阻擋層機(jī)構(gòu)，或者通過簡單地沉積一層阻擋層機(jī)構(gòu)固體顆粒，或者通過施加阻擋層機(jī)構(gòu)的一薄層或薄膜。設(shè)置上阻擋層機(jī)構(gòu)后，多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長在到達(dá)預(yù)成型體確定的表面邊界，并與阻擋層機(jī)構(gòu)接觸時(shí)停止。
在制造陶瓷基復(fù)合體的一個(gè)優(yōu)先實(shí)例中，制作了可滲透的定型預(yù)成型體(以下更詳細(xì)地描述)，它具有至少一個(gè)確定的表面邊界，確定的表面邊界的至少一部分與阻擋層機(jī)構(gòu)接觸或被阻擋層機(jī)構(gòu)包覆。應(yīng)當(dāng)清楚，術(shù)語“預(yù)成型體”可包括不同預(yù)成型體的組裝，最終聯(lián)結(jié)成一完整的復(fù)合體。預(yù)成型體被放置在一種或多種母體金屬表面，或表面一部分的附近，或者與表面接觸，這樣，預(yù)成型體的部分確定表面大致處于遠(yuǎn)離或背向母體金屬表面，預(yù)成型體與阻擋層機(jī)構(gòu)接觸或被其包覆，氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成將沿著指向阻擋層機(jī)構(gòu)的方向長入預(yù)成型體。阻擋層機(jī)構(gòu)、可滲透的預(yù)成型體和母體金屬形成一套組合，當(dāng)在加熱爐中加熱此組合，母體金屬和預(yù)成型體將暴露給，例如氣相氧化劑，或被其包圍;氣相氧化劑可以與固體或液體氧化劑一起使用。金屬和氧化劑反應(yīng)，反應(yīng)過程持續(xù)到氧化反應(yīng)產(chǎn)物已經(jīng)長入并嵌埋預(yù)成型體，并開始與確定的表面邊界接觸，此表面邊界與阻擋層結(jié)構(gòu)接觸或被其包覆。最典型地，預(yù)成型體和陶瓷基質(zhì)的邊界是基本重合的;但是，預(yù)成型體在表面的各別組成可能從基質(zhì)中暴露出來或突出來，因而陶瓷基質(zhì)對預(yù)成型體的嵌埋或浸潤，就完全地用基質(zhì)嵌埋或封閉預(yù)成型體來說，可能是不完全的。通過與阻擋層機(jī)構(gòu)接觸，阻擋層機(jī)構(gòu)防止、阻礙或停止氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長;當(dāng)使用阻擋層材料時(shí)，基本上不發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)物的過生長。所生成的陶瓷基復(fù)合制品，包括被陶瓷基質(zhì)浸潤或嵌埋到其邊界的預(yù)成型體;陶瓷基質(zhì)包含多晶材料，此多晶材料基本上是母體金屬與氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物，理想地，還包含一種或多種金屬成分，如母體金屬未氧化成份或氧化劑還原后的成份。
在使用氣相氧化劑時(shí)，雖然有時(shí)有必要用能夠防止或阻礙環(huán)境與熔融母體金屬發(fā)后的材料覆蓋母體金屬熔池的暴露表面，然而，有某些條件，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的漂浮實(shí)例而不覆蓋母體金屬熔池的任何表面。確切地，填充物團(tuán)塊或預(yù)成型體可以包含對氣相氧化劑與熔融金屬的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長是必要的材料。這樣，在不與填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體接觸的母體金屬熔池表面，將不生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，因而，母體金屬熔池暴露表面上，沒必要有覆蓋材料。
或者，填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體可以物理地，而不是化學(xué)地，與母體金屬熔池作用，以保證生成熔融母體金屬和氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，它長入或嵌埋填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體。確切地，填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體內(nèi)容納的顆粒，可以為熔融母體金屬提供一溫潤表面，此濕潤表面保證熔融母體金屬逸出自然保護(hù)層，此自然保護(hù)層存在于母體金屬熔池表面。一旦熔融母體金屬逸出自然保護(hù)層，它可以在填充材料團(tuán)塊或預(yù)成型體內(nèi)與氣相氧化劑反應(yīng)，以形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物制品體。而且，此氧化反應(yīng)產(chǎn)物體并不是在暴露給氣相氧化劑的母體金屬熔池表面生成的，因?yàn)樽匀槐Ｗo(hù)層阻止熔融母體金屬和氣相氧化劑間的任何進(jìn)一步相互作用。因此，沒有必要用可防止或阻礙氣氛和熔融金屬間反應(yīng)的材料來覆蓋母體金屬熔池的暴露表面，因此，在某些情形下，有可能選擇填充材料、母體金屬、摻雜物、氧化劑的組合及溫度，以保證熔融母體金屬和氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入并嵌埋漂浮在母體金屬熔池表面的填充材料團(tuán)塊預(yù)成型體，而沒有必要用可防止或阻礙氣相氧化劑和熔融母體金屬間反應(yīng)的材料覆蓋母體金屬熔池的暴露表面。
本發(fā)明的漂浮實(shí)例，可用來制造很大和很厚的陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體。另外，在熔融母體金屬和氣相氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)期間，當(dāng)正在發(fā)育的陶瓷基體和陶瓷基體一定程度地沉入母體金屬熔池表面以下時(shí)，基體沉入母體金屬熔池表面以下的部分，避免了氣相氧化劑的進(jìn)入，因而在初始的填充材料集團(tuán)或預(yù)成型體邊界之外，如果使用阻擋層的話，顯示最少的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的過生長。最后，本發(fā)明的漂浮實(shí)例，允許加熱爐在相對較窄的溫度范圍內(nèi)連續(xù)操作，因?yàn)楫?dāng)在完成每一氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長周期之后，沒有必要將加熱爐冷卻到周圍的室溫。因此，最后的冷卻階段和最初始的加熱階段都避免了，因此節(jié)省了大量的處理時(shí)間。
本發(fā)明漂浮實(shí)例的優(yōu)點(diǎn)，有些已在這段中陳述;這些優(yōu)點(diǎn)，使得此方法可被用來連續(xù)址制造具有多種尺寸和形狀的陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體。因此，本發(fā)明的漂浮實(shí)例，將保證能以比當(dāng)前采用的方法費(fèi)用較低，原材料和能源利用效率較席的方式，大批量制造范圍廣泛的陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體。
實(shí)例1以下實(shí)例顯示了本發(fā)明漂浮實(shí)例的間歇制造方法。
通過以下表述的步驟，制備三十個(gè)預(yù)成型體。
(1)準(zhǔn)備含約95%重量比未研磨平均顆粒直徑2.9μm的Alcan C-73氧化鋁(Alcan Ciemicals，Division of Alcan Alwminum Co.，Clevel-and，OH)和大約5%重量百分比細(xì)顆粒研磨MTN-U-SILR硅石(U.S.Silica Company Sp Berkley，Springs，WV)的混合物。
(2)如(1)中描述的固體混合物，再與濃度大約為15%的聚乙烯醇水溶液ELVANOLR75-15(E.I.du Pont de Nemows& Co.，Wilmington，DE)混合成新的混合物，在此混合物中，聚乙烯醇溶液的百分固體，達(dá)到全部固體總重量的大約2%。
(3)干燥(2)中制備的混合物到含水量為1-2%重量比水平。
(4)干燥后，將混合物過20目篩，過篩后混合物包含直徑大約840μm或更小的顆粒。
(5)將過篩混合物在大約10，000磅每平方英吋(703kg/cm2)的后力下壓成環(huán)，環(huán)大約0.4英寸(10mm高(從頂部到底部測量)，外徑大約1.64英寸(42mm)，厚大約0.23英寸(5.8mm)(從內(nèi)直徑壁到外直徑壁測量)。
(6)壓制成型后，將預(yù)成型體放在耐火平板上，在大約1250℃溫度下，在空氣中的加熱大約24小時(shí)，然后冷卻到周圍室溫。
(7)到達(dá)室溫后，用阻擋層材料混合物手工涂覆預(yù)成型體。阻擋層材料混合物包含大約50%重量比水平和大約50%重量比混合物，此混合物含大約30%重量比細(xì)顆粒MIN-U-SILR研磨硅石和大約70%重量比BONDEXR熟石膏(Bondex Internotimal，Inc.，Brunswick，OH)。
(8)用(7)中描述的阻擋層材料涂覆預(yù)成型體，外徑、內(nèi)徑和一面對涂覆，即，只有一面未涂覆。
(9)大約10克325目(粒徑45μm或更小)的99.99純硅金屬(從Atlantic Equipment Engineers，Bergenfield，NJ處獲得)與大約15克水混合，形成泥漿。將其泥漿涂覆到預(yù)成型體未用阻擋層材料涂覆的面上。
(10)涂層干燥后，稱量預(yù)成型體重量，發(fā)現(xiàn)阻擋層材料的重量大約為0.5至1.5克/預(yù)成型體，硅涂層大約為0.03至0.07克/預(yù)成型體。
(11)涂覆后的預(yù)成型體被加熱到大約900℃，然后直接放到大約900℃的鋁合金熔池表面。
(12)在(11)中提及的鋁合金，為可商業(yè)上獲得的鋁合金380.1，其標(biāo)稱確定的組成為含8-8.5%重量比Si，2-3%Zn，和0.1%Mg作為活性摻雜物，3.5%Cu及Fe、Mn、和Ni，但mg的含量有時(shí)較高，例如，在0.17-0.18%范圍。
(13)預(yù)成型體與鋁合金熔池接觸的表面，是硅涂覆表面。
(14)在將預(yù)成型體放到鋁合金熔池表面之前，機(jī)械地削刮熔池表面，以除去可能已形成的氧化鋁膜保護(hù)層。
(15)在所有30個(gè)預(yù)成型體均被放置在鋁合金熔池表面以后在母體金屬熔池的所有暴露表面撒上厚約1/2英寸(13mm)的拉斯頓粉末;此粉末為NYADR-325目(粒徑45μm或更小)(Nyco，Willisboro，NY)。以此來防止這些暴露表面有任何氧化反應(yīng)物的生長，拉斯頓粉末也覆蓋預(yù)成型體的暴露表面。
(16)鋁合金熔池的表面積大約為90平方英寸(58，064mm2)。
(17)當(dāng)每只預(yù)成型體都已被熔融鋁合金和空的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長所完全地嵌理，用鋼鉗將其從鋁合金熔池表面移去，并直接放置在處于空氣中周圍室溫的沙床上。嵌埋預(yù)成型體被移出加熱爐之前，通過在熔融母體金屬池上方搖動(dòng)未除掉每只預(yù)過型體上的多余熔融母體金屬。第一只預(yù)成型體在其被放置在鋁合金熔池表面16小時(shí)后移出，最后一只預(yù)成型體在其被放置到鋁合金熔池表面24小時(shí)后移出。
在去除阻擋層材料和母體金屬殘留物，如果有的話，之后，形成的陶瓷基復(fù)合體經(jīng)視覺檢查。發(fā)現(xiàn)很少或沒有氧化反應(yīng)產(chǎn)物的過生長而且生成的陶瓷基復(fù)合體非常接近初始預(yù)成型體的尺寸。而且，還發(fā)現(xiàn)鋁母體金屬和空氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)物很快地嵌埋預(yù)成型體。
實(shí)例2以下實(shí)例顯示了本發(fā)明漂浮實(shí)例的半連續(xù)方法。
制作兩個(gè)大約10英寸(254mm)×12資寸(305mm)×6英寸(152mm)深的容器。一個(gè)容器用90RAMRPC塑性制品耐火材料(C-E Repractories，Valley Forge，PA制做，另一個(gè)容器用CATOLASTRAL氧化鋁泥漿耐火材料(Harbison-Walker Refractories，Pittsburg，PA)制作。在應(yīng)用于本試驗(yàn)之后，兩個(gè)容器都經(jīng)燒成。燒成后，將容器放入加熱爐，并在每個(gè)容器中放入可商業(yè)上獲得的380.1鋁合金塊，在大約700℃，鋁合金塊熔化，在每個(gè)容器中形成鋁合金熔池;380.1鋁合金具有標(biāo)稱確定組成8-8.5%重量比Si、2-3%Zn、和0.1%mg作為活性摻雜物、和3.5%Cu，以及Fe、Mn和Ni。以上所描述的380.1鋁合金的鎂含量，有時(shí)高于標(biāo)稱確定組成所宣稱的含量，例如，Mg含量有時(shí)在0.17-0.18%重量比范圍內(nèi)。
將要漂浮在鋁合金熔池表面的第一組預(yù)成型體為圓形預(yù)成型體，其尺寸大約為，高一英寸(25mm)，直徑2英寸(51mm);含有顆粒度500的39CRYSTOLONR碳化硅(Norton Co.，Worcester，MA出售)，混合有大約2-4%重量比的ELMER′SRProfessional Carpenter′s Wood Glue(聚乙酸乙烯脂，Borden Chemical，Columbus，OH出品)。在將碳化硅與ELMER′SRProfessional Conpenter′s Wood Glue混合之前，將碳化硅集團(tuán)空氣中大約130℃預(yù)燒大約24小時(shí)，以使碳化硅顆粒集團(tuán)生成大約15-25%重量比的二氧化硅。預(yù)成型體制成稍有傾角，以使底部直徑約為2英寸(51mm)，頂部直徑約為1英吋(45mm)。而且，預(yù)成型體在其頂部表面有一大約1/2英吋(13mm)深X1英吋(25mm)直徑的圓柱形凹陷。三個(gè)這樣的預(yù)成型體(每個(gè)初始時(shí)都處于室溫)漂浮在每個(gè)容器中的鋁合金熔池表面。在預(yù)成型體初始漂浮時(shí)，加熱爐的溫度大約為700℃。在此溫度下，鋁合金熔池的暴露表面被大約厚1/2英吋(13mm)的細(xì)拉斯頓層覆蓋(如實(shí)例1中描述)。此拉斯頓層也覆蓋預(yù)成型體的暴露表面。加熱爐溫度在2小時(shí)內(nèi)從大約700℃升到大約900℃。溫度保持在大約900℃大約120小時(shí)，然后在2小時(shí)內(nèi)下降到大約700℃。加熱爐內(nèi)的氣氛含有循環(huán)空氣。預(yù)成型體在大約700℃與熔融鋁合金保持接觸大約12小時(shí)，然后從鋁合金熔池表面移出。所有六個(gè)預(yù)成型體都被熔融鋁和空氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)物完全嵌埋。
當(dāng)用機(jī)械刮削的方法除去硅灰石阻擋層材料和前一循環(huán)中可能生成的任何氧化物層期間，容納熔融鋁合金的容器保持在大約700℃，刮削完成后，立即將一只新的預(yù)成型體(初始時(shí)處于室溫，放置到每個(gè)鋁合金熔池表面;這些預(yù)成型體含有與前段描述相同的預(yù)燒碳化硅顆粒，但與4%重量比的ELMER′SRProfessional Carperter′s Wood Glue混合，尺寸為大約6英寸(152mm)外徑和大約4 1/2 英吋(114mm)內(nèi)徑，大約1/2英吋(13mm)高。而且，將另一只預(yù)成型體(初始時(shí)處于室溫)放置到每個(gè)鋁合金熔池表面;這種預(yù)成型體含有以上描述的預(yù)燒碳化硅顆粒，并與大約2%重量比ELMER′SRProfessional Carpenter′s Wood Glue混合，其尺寸大約為2英吋(51mm)×大約2英吋(51mm)×大約2英吋(51mm)。在放置到每個(gè)鋁合金熔池表面上之前，每只預(yù)成型體將與熔融鋁合金接觸的表面都被涂覆上類似于實(shí)例1中所描述的硅摻雜物漿。在預(yù)成型體初始漂浮時(shí)，加熱爐溫度大約為700℃。在此溫度下，用一層厚約1/2英呎(13mm)的拉斯頓細(xì)顆粒(如實(shí)例所描述的覆蓋鋁合金熔池表面的暴露部分。拉斯頓層也覆蓋預(yù)成型體的暴露表面。然后在2小時(shí)內(nèi)將溫度從大約700℃升到大約980℃，并在大約980℃保持大約200小時(shí)，然后在2小時(shí)內(nèi)冷卻到大約700℃。預(yù)成型體在大約700℃下從鋁合金熔池表面移去，并進(jìn)行視覺檢查。以上所描述的直徑6英吋(152mm)環(huán)被熔融鋁和空氣環(huán)境的氧化反應(yīng)產(chǎn)物完全地嵌埋。而且，除了在每只預(yù)成型體頂部大約1/8英吋(3.2mm)厚的一層外，以上所描述的2英吋(51mm)×2英吋(51mm)×2英吋(51mm)碳化硅預(yù)成型體，也被熔融鋁合金和空氣環(huán)境的氧化反應(yīng)產(chǎn)物所嵌埋。
在第二循環(huán)(在上一段中描述)之后，用新的鋁合金塊部分更新鋁合金熔池;新鋁合金塊具有與以上描述的鋁合金相同的組成。附加的鋁合金塊在加熱爐溫度大約為700℃時(shí)加入到加熱爐。鋁在大約30分鐘內(nèi)熔化，然后，用機(jī)械刮削的方法，除去保留在鋁合金熔池表面的第二循環(huán)的殘余拉斯頓顆粒和任何氧化物膜。在機(jī)械刮削步驟完成之后，立即將一碳化硅預(yù)成型體漂浮在每一鋁合金熔池表面;此種預(yù)成型體具有與第二循環(huán)中大約2英吋(51mm)×2英吋(51mm)×2英吋(51mm)立方預(yù)成型體相同的組成，尺寸為大約4 1/2 英吋(114mm)×大約6 1/2 英吋(165mm)×大約1英吋(25mm)厚。一層如實(shí)例1描述的硅泥漿再次涂覆在每只預(yù)成型體將與熔融金屬接觸的表面。加熱爐中的氣氛為循環(huán)空氣，預(yù)成型體(處于室溫)被加入到大約700℃的加熱爐中的鋁合金熔池。在此溫度，一層厚約1/2英吋(13mm)的NYADR-325目(顆粒45μm或更小)拉斯頓顆粒(NYCO，Willsboro，NY)被撒到鋁合金熔池的暴露表面。此拉斯頓層也覆蓋預(yù)成型體表面。然后，將爐溫在兩小時(shí)內(nèi)從大約700℃升到大約980℃，并在大約980℃保持大約190小時(shí)，隨后在兩小時(shí)內(nèi)降溫到700℃。預(yù)成型體在700℃時(shí)被移出鋁合金熔池表面并經(jīng)視覺檢查。兩個(gè)預(yù)成型體均被熔融鋁合金和空氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)物完全嵌埋。
隨后的循環(huán)使用了較大的預(yù)成型體，尺寸為大約3 1/2 英吋(89mm)×大約7英吋(176mm)×大約2英吋(51mm厚。這些循環(huán)中在預(yù)成型體下使用了空心磚以在氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長過程中支撐預(yù)成型體，空心磚為DBSC碳化硅陶瓷泡沫磚(每英吋10孔)和氧化鋁(92%重量比)陶瓷泡沫磚(10孔每英吋，每種元件均可從Hi-Tech Ceramics，Inc.，Acfred，NY商業(yè)上獲得)。這些空心陶瓷磚保證預(yù)成型體保持與熔融鋁合金接觸，同時(shí)防止預(yù)成型體沉沒到鋁合金熔池表面以下。空心陶瓷泡沫磚成功地支撐了預(yù)成型體，并保證其被熔融鋁合金和空氣氣氛的氧化反應(yīng)產(chǎn)物完全地嵌埋。
權(quán)利要求
1.至少一種自支撐陶瓷基復(fù)合體制造方法，其中包括提供一個(gè)母體金屬熔池；將至少一種選自填充物料團(tuán)塊和至少一種預(yù)成型體的材料與母體金屬熔池表面的至少一部分接觸；將所說母體金屬熔池中的熔融母體金屬與氧化劑反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物長入并嵌埋所說至少一種材料的至少一部分之中；將所說母體金屬保持在高于所說母體金屬熔點(diǎn)，但低于所說氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)的溫度下，從而形成附加的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物進(jìn)入所說母體金屬熔池和所說氧化劑之間并與之接觸；在所說溫度下繼續(xù)所說反應(yīng)以使所說母體金屬熔池中的母體金屬通過先期形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物而逐漸移向所說反應(yīng)劑并進(jìn)入所說至少一種材料，從而可在所說氧化劑和先期形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上不斷形成新的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并使所說氧化反應(yīng)產(chǎn)物體逐漸增厚，而且嵌埋入所說至少一種材料的至少一部分之中；以及在所說至少一種材料已至少部分地被所說氧化反應(yīng)產(chǎn)物嵌埋時(shí)，從所說母體金屬熔池表面去除所說至少一種材料，從而形成所說至少一種自支撐陶瓷基復(fù)合體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少一種材料的至少一面的至少一部分涂上阻擋材料。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所說氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長至所說阻擋材料。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所說至少一種材料附在漂浮柱上并可去除。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所說漂浮柱也作為阻擋材料。
6.權(quán)利要求1的方法，其中提供外部供料裝置，用以提供至少一種氧化劑給所說至少一種材料以有助于形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所說接觸步驟包括將所說至少一種材料基本上連續(xù)地移過所說母體金屬熔池的所說表面。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所說接觸包括將所說至少一種材料的至少一部分浸入所說母體金屬熔池的所說表面之下。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所說浸入包括采用一種支撐裝置而實(shí)現(xiàn)所說浸入。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所說氧化劑包括氣相氧化劑，通過外部供料裝置供給所說至少一種材料。
11.權(quán)利要求8的方法，其中所說至少一種材料包括預(yù)成型體，其中有空腔并且所說預(yù)成型體的至少一個(gè)壁可滲透氣相氧化劑，而且所說預(yù)成型體浸入所說母體金屬熔體之中，而空腔與氣相氧化劑連通。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所說氣相氧化劑用外部裝置供給。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所說氣相氧化劑和所說母體金屬熔體中的母體金屬形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物長入并嵌埋所說預(yù)成型體的至少一部分。
14.權(quán)利要求1的方法，其中在從所說母體金屬熔池的所說表面去除所說至少一種材料之后，將至少另外一種所說至少一種材料與所說母體金屬熔池的所說表面接觸并重復(fù)所說反應(yīng)，維持，連續(xù)和去除步驟。
15.權(quán)利要求12的方法，其中所說外部裝置的至少一部分包括網(wǎng)狀陶瓷，這可使所說氣相氧化劑基本上均勻地分散進(jìn)入所說空腔。
16.權(quán)利要求1的方法，其中所說母體金屬熔池表面的至少一部分上涂有可防止其中形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物的材料。
全文摘要
公開了用間歇、半連續(xù)和連續(xù)過程制造自支撐陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合體的方法，這些方法應(yīng)用了熔融母體金屬與氧化劑的定向反應(yīng)，以生成嵌埋填充材料的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
文檔編號C04B35/622GK1048536SQ9010339
公開日1991年1月16日 申請日期1990年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月7日
發(fā)明者哈羅德·丹尼爾·萊舍, 拉特尼師·庫瑪·德維瓦迪, 佩里·布賴恩·戈德堡 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司