專利名稱：陶瓷復(fù)合材料制品的生產(chǎn)方法及其生產(chǎn)的制品的制作方法
廣義地說，本發(fā)明是關(guān)于具有多個各具有有界截面并限定流道的間隔壁板的自撐式陶瓷復(fù)合材料體以及生產(chǎn)這種復(fù)合材料體的方法。更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于包括一種嵌入填料的多晶陶瓷基體并具有多個各具有有界橫截面的、軸向排列的間隔壁板(它們通常以兩個相反的方向逆形復(fù)制了模腔模型的幾何形狀)的一種自撐式陶瓷復(fù)合材料體，以及通過預(yù)成型的正像模型的母材的氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲透填料床層并以兩個相反的方向逆形復(fù)制以形成限定流道的間隔壁板生產(chǎn)該復(fù)合材料體的方法。
本申請書的主題與共同未決和共同所有的美國專利申請819，397(申請日1986年1月17日，申請人MarcS.Newkirk等人，題為“復(fù)合材料陶瓷制品及其生產(chǎn)方法”)有關(guān)。該共同未決申請書公開了一種通過使氧化反應(yīng)產(chǎn)物由母材生長進入可滲透的填料體中的方式生產(chǎn)自撐式陶瓷復(fù)合材料的新方法。然而，最后得到的復(fù)合材料不具有確定或預(yù)定的外形。
在共同未決和共同所有的美國專利818，943(申請日1986年1月15日，申請人MarcS.Newkirk等人，題為“新型陶瓷材料及其生產(chǎn)方法”)中一般性地公開了以氧化反應(yīng)生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品的方法。該申請書公開了用作為先質(zhì)的母材以氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形式生長的自撐式陶瓷體的生產(chǎn)方法。熔融的母材與一種氣相氧化劑反應(yīng)，生成一種氧化反應(yīng)產(chǎn)物，而且母材穿過氧化反應(yīng)產(chǎn)物向氧化劑遷移，以此連續(xù)地形成一種該氧化反應(yīng)產(chǎn)物的多晶陶瓷體。在這種多晶陶瓷體中，通常該氧化反應(yīng)產(chǎn)物的晶粒在一維以上空間互相連接，在三維空間互連最好。當(dāng)母材耗盡后，該過程就停止了，所獲得的陶瓷體致密且基本上沒有孔隙。在需要的場合中，可生產(chǎn)具有金屬組分和/或孔隙的陶瓷體，其晶粒可以互連或不連。這一過程可通過使用一種合金摻雜物，例如在空氣中已發(fā)生氧化的鋁母材而得到強化。正如在共同未決和共同所有的美國專利申請822，999(申請日1986年1月27日，申請人Msrc.S.Newkirk等人，題為“生產(chǎn)自撐式陶瓷材料的方法”)中所公開的，這種方法因使用了施加入先質(zhì)金屬表面的外部摻雜物而得到改善。
前述諸法的進一步發(fā)展使得以逆形復(fù)制成型的先質(zhì)母材的幾何形狀的方法，形成包括嵌入填料并具有一個或多個空腔的多晶陶瓷基體的陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件成為可能。在共同未決美國專利申請823，542(申請日1986年1月27日，申請人MsrcS.Newkirk等人，題為“生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料制品的逆形復(fù)制方法及其生產(chǎn)的制品”)和共同所有美國專利申請896，147(申請日1986年8月13日，申請人MarcS.Newkirk，題為“具有仿形表面的復(fù)合材料制品的生產(chǎn)方法及其生產(chǎn)的制品”)中描述了這些方法。
另外，如共同所有美國專利申請861，625(申請日1986年5月8日，申請人MarcS.Newkirk等人，題為“成型陶瓷復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法”)中所述，開發(fā)了一種通過將一種可滲透的填料的預(yù)型坯用于因母材的整體氧化而生長的陶瓷基體中的方法來生產(chǎn)具有預(yù)選形狀即幾何形狀的陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件的方法。通過利用阻止或防止氧化反應(yīng)產(chǎn)物在所選擇的邊界生長以限定該陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件的形狀即幾何形狀的阻擋裝置，獲得了顯示出高保真度的成型陶瓷復(fù)合材料。在共同所有美國專利申請861，024(申請日1986年5月8日，申請人Newkirk等人，題為“使用阻擋層生產(chǎn)成型陶瓷復(fù)合材料的方法”)中描述了這項技術(shù)。
上述共同所有美國專利申請書所公開的全部內(nèi)容特別引入本文，以供參考。
使用上面提及的共同所有美國專利申請書中所述的生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料體的諸方法的一個要點是當(dāng)要求氧化劑與熔融母材接觸時，所采用的填料對于該氧化劑是可滲透的，另外，該填料對于逐漸形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物進入填料的滲透作用也是可滲透的。所生產(chǎn)出的陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件通常為一個完整的單一的陶瓷復(fù)合材料體，它可具有填料預(yù)型坯的原始外形，或可包括一個其邊界和幾何形狀由預(yù)成型母材形狀所決定的空腔。
本發(fā)明的更進一步的改進在于提供了一種具有多個各具有限定流道的有界橫截面的間隔壁板的自撐式陶瓷體，這樣便通過對成型母材的逆形復(fù)制生產(chǎn)出該陶瓷體。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種具有多個間隔壁板(各壁板又具有用以限定基本上連續(xù)的流體通道的有界截面)的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的方法。這些壁板通常以兩個相反的方向逆形復(fù)制了正像模型的幾何形狀。軸向排列的各壁板都包括一個其中嵌入填料的陶瓷基體，而且這些壁板通過形成多晶材料的母材的氧化反應(yīng)獲得，該多晶材料基本上由該母材與一種氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物和根據(jù)情況選擇使用的一種或多種金屬(例如該母材的非氧化組分)組成。該方法包括如下步驟將母材加工成型為園筒狀模型(定義如下)，它至少具有一個開口空腔或孔，以此形成相反的兩個壁表面，即內(nèi)壁和外壁。該金屬模型成型時預(yù)先確定的壁厚決定了成品壁板的間距。將填料并置于該園筒狀模型的兩壁表面上。填料床層可以覆蓋各壁的整個表面，或僅僅覆蓋預(yù)定的部分或區(qū)域，因此填料所覆蓋的面積將決定復(fù)合材料成品的壁板面積。在要求氧化劑是汽相氧化劑的情況下，對于該氧化劑來說，填充材料(1)是可滲透的，而且在任何情況下它對于逐漸形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的滲入也是可滲透的;此外，該填充材料(2)在加熱溫度范圍內(nèi)具有足夠的可整合性，以適應(yīng)填料床層與母材之間的差熱膨脹以及母材熔點體積的變化。各填料床層(至少在分布在模腔壁之內(nèi)和外壁之外以便將模型包圍起來的支撐區(qū))中在高于某一溫度(該溫度高于母材的熔點，但低于并最好十分接近氧化反應(yīng)溫度)時將本能地自身結(jié)合，因此，各填料床層具有足夠的粘接強度，以便通過母材的遷移，保持填料床層中逆形復(fù)制的模型的幾何形狀不變(如下文所示)。
將成型母材連同與之并列的填料床層加熱至其熔點以上，氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點以下的某一溫度區(qū)的某一溫度，以形成熔融母材體，并在該溫度區(qū)中該熔融母材與氧化劑反應(yīng)，形成了氧化反應(yīng)產(chǎn)物。至少要使部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物維持在該溫度區(qū)中，并使其在熔融金屬體和氧化劑之間保持接觸，這樣，熔融金屬穿過氧化反應(yīng)產(chǎn)物逐漸地從熔融金屬體中吸取出來，在氧化劑和先前生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上繼續(xù)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。這一反應(yīng)在該溫度區(qū)中連續(xù)地進行一段時間，以便足以使氧化反應(yīng)產(chǎn)物通過其生長至少部分地滲入兩床層，同時形成各具有一個有界橫截面的間隔壁板，并在先前被金屬所占據(jù)的壁板和由最內(nèi)部壁板定界的中心流道即通道之間留下一限定流道即通道。也就是說，氧化反應(yīng)產(chǎn)物以兩個相反的方向生長到填料床層中，同時該金屬的遷移和轉(zhuǎn)化致使以兩個相反方向逆形復(fù)制金屬模型相鄰部分的陶瓷基體形成，并以此形成流道。壁板間的流道酷似母材的壁。最后將得到的自撐式復(fù)合材料體從過量的填料(如果有和話)中分離出，同時分離出的產(chǎn)品包括具有位于壁板和中心流道之間的縱向流道的多壁、園筒狀陶瓷復(fù)合材料體。這些壁板為軸向排列，而且最好為同軸排列，以便使這些壁板基本上同軸。
另一方面，本發(fā)明提供了用來支撐壁板使其免于塌陷和保持壁板間隔關(guān)系的裝置。在某一實施案中，該支撐裝置是通過提供給模型一個或多個孔或洞并用填料填充它們的方法與該陶瓷復(fù)合材料體整體形成的。在加工中，氧化反應(yīng)產(chǎn)物作為基體生長到填料以及鄰近壁的填料床層中，以此在壁板間形成陶瓷連接肋。在使用兩個或更多的園筒狀母材模型的另一個實施方案中，支撐裝置可加在園筒與園筒之間，在生長成陶瓷復(fù)合材料體后，因而被氧化反應(yīng)產(chǎn)物在原位固定，以此連接和支撐了相間隔的陶瓷園筒。
本說明書及所附權(quán)利說明書中所使用的下列術(shù)語定義如下
“陶瓷”并非嚴(yán)格只局限于用傳統(tǒng)意義上的陶瓷體(也就是說，傳統(tǒng)意義上的陶瓷完全由非金屬和無機材料組成)，而是指一種無論就成分還是就主要特性來說都是以陶瓷為主的坯體，雖然這種坯體可以含有微量或基本量的一種或多種從母材中獲得的金屬組分或從氧化劑或摻雜物中還原出的金屬組分(最典型的體積含量在大約1～40%范圍中)，但它仍可含有更大量的金屬。
“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”通常指一種或多種處于氧化態(tài)的金屬，其中金屬放出電子或與其它元素、化合物共享電子，或兩者兼而有之。因此，這一定義下的“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”包括一種或多種金屬與文中所述的氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)物。
“氧化劑”指一種或多種適宜的電子受體或電子共享體，而且它可以是一種元素、元素的組合、化合物、或化合物的組合(包括可還原的化合物)，在工藝條件下，氧化劑可為固相、液相或氣相(蒸汽)或它們的某種組合(例如固相和氣體的組合)。
“母材”指這樣一種金屬(例如鋁)，它為多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的先質(zhì)，包括相當(dāng)純的金屬，含有雜質(zhì)和/或合金組分的市售金屬，或先質(zhì)金屬為主要組分的合金;因此，當(dāng)提到所指定的金屬作為母材(例如鋁)時，該金屬應(yīng)該被理解為符合上述定義，除非文中另有說明。
“園筒狀壁”或“園筒狀壁板”并非嚴(yán)格只限于橫截面為園筒結(jié)構(gòu)的壁，而是指橫截面可以具有任何適宜有界形狀的任一種壁，例如圓形、橢圓形、三角形、矩形或其它任一種多邊形(例如五邊形、八邊形等等)的截面。另外，該術(shù)語不僅包括表面平整和光滑的壁，而且還包括任何類型和形狀的起伏平面的壁，例如齒形、正弦波形、瓦垅形表面壁等等。


圖1為形狀為園筒狀管(具有許多橫向貫穿筒壁的孔)的母材模型的水平視圖;
圖2為已裝有填料的圖1的2-2線處的剖面視圖;
圖3為描述另一實施方案的成型母材水平視圖;
圖4為已裝有填料的圖3所示的成型母材的端視圖;
圖5為表明埋入容放于耐高溫容器中的顆粒填料床層中的、圖1所示的成型母材模型組裝情況的縱截面視圖;
圖6為圖5所示的成型母材的槽區(qū)的局部放大剖面視圖，表明填料中的支撐區(qū);
圖7為根據(jù)本發(fā)明使用圖1所示的母材模型制出的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的水平視圖;
圖8為圖7所示的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的端視圖;
圖9為形狀為一對同軸放置的園筒狀管(各管均具有許多橫向貫穿筒壁的孔)的母材模型的端視圖;
圖10為根據(jù)本發(fā)明使用圖9所示的母材模型制出的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的端視圖;
圖11為在采用另一個實施方案生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料中有用的母材的橫截面視圖;
圖12為根據(jù)本發(fā)明使用圖11所示的母材模型制出的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的視圖。
在本發(fā)明的實施中，母材以模具或模型的形式提供，該模型至少具有一個軸向深孔、模腔、通道等，它們至少一端是開口的。采用下列的本發(fā)明的方法，對母材模型以兩個相反方向逆形復(fù)制，便可生產(chǎn)出含有多個各具有一個有界橫截面的間隔壁的自撐式陶瓷復(fù)合材料體。本發(fā)明省去了分別制作園筒基體，然后再軸向排列和內(nèi)部連接等幾道工序。術(shù)語“逆形復(fù)制”指產(chǎn)品壁間的間隔通過靠近陶瓷壁的兩相對表面加以限定，該陶瓷壁基本上與母材的原始形狀一致。亦即如果作為模型的母材包括一個橫截面為環(huán)形的園筒狀管，那么陶瓷產(chǎn)品的壁板間形成的間隔將基本上與線材園筒壁的厚度一樣寬，而當(dāng)逆形復(fù)制該模型幾何形狀時該間隔的橫截面將為環(huán)形。
該母材模型可以以任何適宜的手段成型，只要它含有至少一個開孔或模腔即可，最好為縱向沿軸貫穿該成型母材的開孔或模腔，例如園筒狀管。例如，可以適宜的方法對一種金屬件(例如一段管子，或其它任何一段具有貫穿其中的縱向孔并以此形成一園筒的管子)進行切削、鑄造、模壓、擠出或其它成型加工，以便提供成型模型。為了提供用以形成陶瓷復(fù)合材料的支撐裝置的模型，作為模型的母材可以具有開槽，鉆孔、開口，凹槽、凸臺、凸緣等(詳述如下)以下將更詳細地說明。該母材模型可具有從圓形到多邊形的有界橫截面(如上所述)。無論該母材為何種形狀，填補均緊靠在該模型的壁表面上，該模型包括模腔或內(nèi)壁和外壁，而且最好這些壁相互平行，以此提供橫截面基本上一致的流道。用一種可整合性的填料填充模腔是很便利的，然后將該模型埋入容放在一適宜熔爐或容器中的另一合適的填料床層中。這兩種填補的成分、粒度、純度或結(jié)構(gòu)可相同或不同。這樣，該模型便使成型模腔限定在整合性的填料床層中，并將該成型模腔填放在填料體中。當(dāng)占有空間的母材最終熔化、氧化并向填料空間遷出時，就會以兩個相反方向形成多個具有有界橫截面并軸向排列的陶瓷壁，以此在所得到的陶瓷復(fù)合材料體中形成有界的空間，該空間的界限與原始母材模型的形狀基本一致，這樣，該母材模型的壁厚便可以確定壁板間空間的橫截面寬度。在復(fù)合材料體形成和冷卻過程中，調(diào)節(jié)母材的熔點和熱膨脹體積差的變化，所得到的陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品基本上具有原始模型的幾何形狀。因此，就某一方面來說，本發(fā)明提供了一種以對母材而不是對陶瓷進行機械加工的方式(對后者的機械加工更困難而且成本高)生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀陶瓷體的優(yōu)點。
盡管下面具體以鋁作為優(yōu)選母材對本發(fā)明進行詳細地描述，但對適合于本發(fā)明準(zhǔn)則的其它適宜的母材并不受限制，它們包括硅、鈦、錫、鋯和鉿。
在本發(fā)明的方法的實施過程中，在氧化環(huán)境中，將作為模型的母材和填料床層的組合體加熱到高于母材熔點但低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點的某一溫度，從而得到一種金屬熔體或熔穴。在與氧化劑接觸時，該熔融金屬將發(fā)生反應(yīng)，生成一層氧化反應(yīng)產(chǎn)物。由于繼續(xù)暴露于氧化環(huán)境中，在適宜的溫度范圍內(nèi)，剩余熔融金屬朝著氧化劑方向不斷地被吸入并穿過氧化反應(yīng)產(chǎn)物，然后進入填料床層，在這里與氧化劑接觸時形成更多的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。至少部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物保持與熔融母材和氧化劑接觸并處于該二者之間，以便使多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物在填料床層中繼續(xù)生長，以此滲入填料并將其嵌在多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物中。只要保持適宜的氧化反應(yīng)條件并留有部分未氧化的母材，該多晶基本材料就將繼續(xù)生長。
該過程一直進行下去，直至氧化反應(yīng)產(chǎn)物已經(jīng)滲入填料床層并已嵌入了所要求數(shù)量的填料床層為止。所得到的陶瓷復(fù)合產(chǎn)品含有被陶瓷基本嵌于其中的填料，而陶瓷基本包括多晶氧化物，酌情選擇的母材的一種或多種非氧化組分、固相或液相氧化劑還原組分或一種或多種摻雜物組分，或孔隙，或上述物質(zhì)的組合。在這些多晶陶瓷材料中，典型的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的晶粒是在一維以上的空間中互相連接的，在三維空間中連接最好，而且金屬雜質(zhì)或空隙也會部分互相連接。當(dāng)母材耗盡之后，該過程就停止了，所得到的陶瓷復(fù)合材料相當(dāng)致密而且基本上無孔隙。當(dāng)過程趨于完成，也就是說，當(dāng)已經(jīng)有在該工藝條件下預(yù)期或可能的金屬量被氧化時，在內(nèi)連接金屬處將會形成該陶瓷復(fù)合材料體中的孔，在該復(fù)合材料體和形成和冷卻過程中，調(diào)節(jié)母材熔點和熱膨脹體積差的變化，使得最終的本發(fā)明的陶瓷復(fù)合產(chǎn)品包括多個通常以相反方向逆形復(fù)制原始模型幾何形狀的、軸向排列且相互間隔的園筒狀壁板。在一優(yōu)選的實施方案中，臂板為同軸排列，而且陶瓷產(chǎn)品包括一個中心流道和一個或更多的同心分布的流道。這種類型和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品作為熱交換器往往特別有用。
詳細參見附圖，其中相同的參考數(shù)碼指相類似的零件(適用于各視圖)，圖1和圖2為母材模腔模型的透視圖，該模型通常以數(shù)碼10表示，其形狀為一個園筒狀管或園筒，具有壁12和軸向貫通的中心孔14。圖1中的園筒狀管12具有許多橫穿園筒10的壁12的孔16。在圖3和圖4所示和實施方案中，園筒狀管10具有多個幾乎縱向穿透該園筒壁12的長槽18。如圖2和圖4所述，在這些實施方案中，孔16和長槽18分別填充著填料20。在各中心孔14中，都填充著與填料20相同或不同的另一種填料床層22;如果希望的話，各園筒的內(nèi)壁可內(nèi)襯預(yù)定厚度的床層，以便只填充該中心孔的部分空間，同時在該床層的最內(nèi)界面處裝有適宜和阻擋層，以阻止生長(圖中未標(biāo)出，在下文中詳述)。還有，如果孔的長經(jīng)此很大，在過程中汽相氧化劑可能不容易滲透該床層，因而留下疏松床層，在這種情況下，為該床層提供一種液相或固相氧化劑將是有利的(詳細說明如下)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，床層20和22最好包括或含有一種可燒結(jié)的或自身結(jié)合的填料或一種粘接劑或燒結(jié)劑(解釋如下)，其范圍即距模型10的極限以虛線21表示(如圖6所示)。不難看出這樣一個自身結(jié)合可以僅包括部分床層，或者基本上包括整個床層，另外，或者由于填料的固有性能，或者由于可在床層中加入適宜的材料以便提供足夠的粘接能力，該填料能夠本征地自身粘接。用實施例的方式僅以圖5舉例情況，母材10的限界端壁提供了適宜的阻擋層23(如下文詳述)，然后將該母材埋入容放于耐高溫容器25(例如鋁容器)中的顆粒床層24中，填料床層20，22和24的組成、純度或類型可以相同或不同。
當(dāng)將圖5所示的組裝體加熱到足以使母材熔化的高溫時，氧化劑，例如氣相氧化劑就會滲透到床層中，并與熔融金屬接觸，使熔融金屬氧化，從中得到的生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物就滲入床層20、22和24。阻擋層裝置23阻止了模型端壁氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長。例如，當(dāng)母材為鋁而且空氣作為氧化劑時，氧化反應(yīng)溫度可由約690℃到約1450℃，最好為由約900℃到約1350℃，而且該氧化反應(yīng)產(chǎn)物通常為α-鋁。熔融金屬由先前被模型10所占據(jù)的體積中遷移通過正在形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物層，這樣，由于對于氧化反應(yīng)產(chǎn)物皮生長的周圍氣氛的不可滲透性和凈壓對容器狀氧化反應(yīng)產(chǎn)物皮的作用，便在先前被模型10所占據(jù)的體積中千萬了低壓。但是，填料床層20、22和24(或它們的支撐區(qū))可以在自身結(jié)合溫度(該溫度處于母材熔點以上，接近但低于氧化反應(yīng)溫度)或高于該溫度時本征地自身結(jié)合。這樣，剛一加熱到其自身結(jié)合溫度(但不是在此之前)，填料床層20、22和24，或其支撐區(qū)便燒結(jié)或以另一種方式結(jié)合起來，并固著在生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物上，為這些填料床層，即相應(yīng)的支撐區(qū)提供了足夠的強度，以便承受壓差，并以此通過床層與模型10形狀的整合性，在各填料床層中保持園筒狀壁和其中形成的充有填料的模腔的幾何形狀。正如下面所詳述的，如果母材加熱和熔化時，填料在母材膨脹完成之前就顯著地自身結(jié)合起來的話，那么該自身結(jié)合的填料可能會被母材的膨脹作用所脹裂。在一實施方案中，填料支撐區(qū)只含有或包括一種可燒結(jié)的或自身結(jié)合的填料，或一種粘接劑或燒結(jié)劑，圖6中的虛線表明了床層中該支撐區(qū)的范圍。該反應(yīng)繼續(xù)時，由模型10預(yù)前填埋于填料床層20、22和24中的模腔基本上完全被熔融母材的遷移所消耗貽盡，該熔融母材穿過氧化反應(yīng)產(chǎn)物向其外表面遷移，在那里它與氣相氧化劑接觸，并被氧化成進一步的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。該氧化反應(yīng)產(chǎn)物包括一種多晶陶瓷材料，根據(jù)該工藝條件和反應(yīng)物的不同，該多晶陶瓷材料可以含有母材組分的雜質(zhì)，以及摻雜物的還原組分和固相或液相氧化劑(如果使用的話)。在該反應(yīng)完成以及先前由模型10所占據(jù)體積的耗空時，允許該組裝體冷卻，以生成最后得到的陶瓷復(fù)合材料體(在圖7和圖8中通常以26表示)。
最后得到的復(fù)合材料體26包括具有中心流道29和外層流道31的同軸園筒28和30。采用若干個在原位形成并與復(fù)合材料體26的同軸園筒成為一個整體的經(jīng)向分布的輻條即連接肋32(見圖8)，使這兩個園筒在相互間隔關(guān)系上支撐起來。過量的填料(如果有的話)可通過噴砂、振動、滾筒清理、研磨或其它類似方法從該復(fù)合材料體上除掉。一種經(jīng)濟的方法是使用一種砂粒材料進行噴砂處理，這種材料適合作為填料或其中的一種組分、這樣，清理下來的填料和砂粒可以在下次操作中重新作為填料使用。盡管填料能在過程中自身結(jié)合，但是這種自身結(jié)合填料的強度典型地此最后得到的復(fù)合材料體的強度低得多，因此，一種合理的方法是通過噴砂，除掉過量的自身結(jié)合填料但又不對復(fù)合材料體26造成明顯的損壞。最后得到的陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品的表面可以采用研磨或機械切削或其它方法成型，以得到所希望的、與其內(nèi)部形成的流道的尺寸和形狀相一致的尺寸、形狀或表面光潔度。
可以看出加工成型為園筒狀管12的模型10產(chǎn)生兩個同軸排列的園筒，例如園筒28和園筒30。這樣，在氧化反應(yīng)過程中，陶瓷基體向兩個方向生長，即(a)由母材壁表面向里生長到模腔或中心孔中；(b)由母材外壁表面向外生長；從而產(chǎn)生了內(nèi)園筒28和外園筒30，以及支撐板32。
母材模型可加工成能產(chǎn)生兩個以上園筒的形狀或結(jié)構(gòu)。例如在圖9中概括表示為36的母材模型可加工成型為兩個同軸的金屬園筒38和40，各具有多個橫向孔42和44。將縱向連接肋45(最好為陶瓷，例如氧化鋁，可根據(jù)共同所有專利申請書制備)嵌在金屬園筒38和40之間。與參考圖5中所表示的情況類似，把該模型埋入容放于一耐高溫容器中的適宜的填料中，以便將該填料床層置于內(nèi)園筒38的中心孔中、兩園筒之間、外園筒的外層以及孔42和44中。在氧化反應(yīng)過程中，內(nèi)園筒模型38的園筒壁以兩個相反方向生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，形成了內(nèi)園筒的兩側(cè)陶瓷壁46和48，它們通過許多輻條即連接肋50(見圖10)同軸并立體地支撐在一起，輻條即連接肋50是作為基體的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長進入先前填入橫向孔42的填料中而形成的。同樣，外園筒模型40的園筒壁在氧化反應(yīng)過程中以兩個相反方向生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，從而形成了外園筒的兩側(cè)陶瓷壁52和54，它們通過許多輻條55同軸并立體地支撐在一起，輻條55是作為基體的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長進入先前被填入橫向孔44的填料中而形成的。通過陶瓷壁的生長而發(fā)展的氧化反應(yīng)產(chǎn)物將在縱向連接肋45的基礎(chǔ)上生成，以此將這些連接肋在原位固定起來，并支撐著彼此間隔的壁板48和52。最后得到的復(fù)合材料體具有中心流道51和外層或同軸流道53、57和59。
在另一個實施方案中，可以加工成型一種圖11中概括地表示為60的母材模型，以便當(dāng)其埋入容放于如圖5所示的容器25中的填料24中時，母材的內(nèi)園筒模型61被母材的外園筒模型62所環(huán)繞并與之同軸放置。該內(nèi)園筒模型61含有許多橫向孔64。此外，外園筒模型壁62被阻擋層裝置66所環(huán)繞，如下文進一步說明的，該阻擋層裝置66阻止、妨礙或終止了氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長或形成。與其它一些實施方案中的情況一樣，一種可包括支撐區(qū)的適宜的填料被定位或放置于園筒62的中心孔中和內(nèi)園筒模型61與外園筒模型62之間以及橫向孔64中。作為該氧化反應(yīng)過程的結(jié)果，內(nèi)園筒模型的園筒壁以兩個相反方向生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，以此形成內(nèi)園筒的兩側(cè)陶瓷壁68和70，它們由許多連接肋即輻條72同軸并立體地支撐在一起，輻條72是作為陶瓷基體的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長進入先前被填入橫向孔64的填料中而形成的。阻擋層裝置66阻止了外園筒模型62的園筒壁氧化反應(yīng)產(chǎn)物朝外方向的生長和發(fā)展。這樣，在該氧化反應(yīng)過程中，通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長進入填料，該園筒模型62便產(chǎn)生了一個完整的園筒狀陶瓷復(fù)合材料外壁74?？稍趨⒖紝嵤┓桨傅膱D9和圖10中所述的兩園筒壁之間放置一個或更多的連接條或連接肋76，例如一種陶瓷連接肋。該陶瓷復(fù)合材料體包括中心流道78和同軸流道80和82。這樣，通過本發(fā)明的實際應(yīng)用，可以生產(chǎn)一種陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品，根據(jù)不同的母材的模腔模型并使用阻擋層裝置，該產(chǎn)品具有兩個或更多的園筒壁。
通過選擇一種適宜的填料并維持該氧化反應(yīng)條件一段時間，以便足以將基本上全部的熔融母材從起初由該模型所占據(jù)的充滿填料的模腔中耗盡，從而達到精確地逆形復(fù)制該模型(包括所有的孔、洞等)的幾何形狀。盡管附圖中所描述的形狀(以及所形成的園筒壁和間隔的形狀)相當(dāng)簡單，但在精確地逆形復(fù)制幾何形狀更為復(fù)雜的模型形狀的陶瓷復(fù)合材料體中可以形成空腔和其它間隔。
在本發(fā)明的實施中所使用的、整合于該模型的填料可以為一種或多種適合于本目的各式各樣的材料。本文及權(quán)利要求書中所使用的、用以表示填料的術(shù)語“可整合的”意指該填料為一種可填充到模型內(nèi)部各處，可堆置或圍繞模型的填料;而且該填料也適合于用填料填充的模型的幾何形狀。例如，如果填料含有粒料(例如耐熱金屬氧化物的細粒)，那么該模型就可以用該填料填充，這樣，該模型便限定了一個填料有填料的模腔(被該模型填充或占據(jù))，然而，填料并不一定是顆粒狀，例如它可以包括纖維、須晶、粉料等。填料也可以包括兩種或多種這類組分或幾何構(gòu)形的均勻或非均勻的組合，例如細小顆粒和須晶的組合。填料物理構(gòu)形應(yīng)使填料填入母材模型中，或用緊靠該模型表面的填料將母材模型埋入填料體中成為可能。在本文和權(quán)利要求書中，母材模型指的是“模型”，因為復(fù)合材料中最終形成的空間是模型幾何形狀的負像。所有，模型最初在整合的填料床層內(nèi)或在其間形成或占據(jù)一定的空間，該空間最初是由模型成型和填充的。例如，適宜的填料包括氧化物、碳化物，氮化物和硼化物，象氧化鋁，氧化鋯、硼化鈦、碳化硅、氮化鋁和氮化鈦，或二元、三元或高級金屬氧化物的化合物，例如尖晶石類(如鋁鎂尖晶石)。
在本發(fā)明實施中所使用的整合的填料是一種在按下述本發(fā)明的氧化反應(yīng)條件下，當(dāng)氧化劑是汽相氧化劑時，對于通過的氧化劑是可滲透的填料。在任何情況下，填料還要對穿過的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長和發(fā)展是可滲透的。在氧化反應(yīng)過程中，似乎熔融母材是通過正在形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物進行的遷移而維持反應(yīng)進行。這種氧化反應(yīng)產(chǎn)物一般對環(huán)境氣氛是不可滲透的，從而爐中氣氛(如空氣)不能從中穿過。如前述共同所有專利申請823，542所說明，在氧化反應(yīng)產(chǎn)物包封由熔融母材的遷移形成的模腔時，生長的氧化反應(yīng)產(chǎn)物對于爐中氣氛的不滲透性導(dǎo)致了壓差問題。在前述共同所有的專利申請書中采用一種自身結(jié)合的、可整合的填料克服這一問題。按其定義，這種填補是一種高于母材熔點且接近但低于氧化反應(yīng)溫度下部分燒結(jié)或自身結(jié)合并與生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物層相結(jié)合的填料。這種填料從生長著的模腔外部充分提供結(jié)構(gòu)強度以保持增長著的模腔中模型的復(fù)制幾何形狀，至少直至生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)達到足夠的厚度，從而自支撐住沿生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的壁(限定模腔形成)形成的壓差。但是，該自身結(jié)合填料在太低的溫度下不能燒結(jié)或自身結(jié)合，因為要是燒結(jié)或自身結(jié)合的話，當(dāng)母材被加熱到操作溫度時，它因熔化而產(chǎn)生熱膨脹和體積變化，致使填料可能破碎。換句話說，當(dāng)自身結(jié)合填料被加熱和熔化時，應(yīng)保持其整合性以適應(yīng)其與母材之間的體積變化的差異，然后自身結(jié)合，當(dāng)氧化反應(yīng)不斷進行時，為發(fā)展著的模腔提供了機械強度。然而本發(fā)明的技術(shù)一般避免了壓差問題，因為至少在相當(dāng)大程度上一點兒未形成全部由生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物包圍著的模腔。但是，可使用大氣不可滲透的阻擋層裝置，在某些情況下，可將其展散分布，以便阻擋爐氣氛進入形成著的模腔，致使沿生長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物壁產(chǎn)生壓差。在這樣的情況下，使用自身結(jié)合填料至少在生長初期提供了機械強度(如上所述)。
在本文和權(quán)利要求書中表征整合填料所采用的術(shù)語“自身結(jié)合”指的是那些與母材正像模型以整合接觸形式放置的填料，它們是，可使用大氣不可滲透的阻擋層裝置，在某些情況下，可將其展散分布，以便阻擋爐氣氛進入形成著的模腔，致使沿生長著的氧化物壁產(chǎn)生壓差。在這樣的情況下，使用自身結(jié)合填料至少在生長初期提供了機械強度(如上所述)。
在本文和權(quán)利要求書中表征整合填料所采用的術(shù)語“自身結(jié)合”指的是那些與母材正像模型以整合接觸形式放置的填料，它們保持著充分的整合性，以適應(yīng)母材熔點體積變化和母材與填料之間的差熱膨脹的需要，至少在其支撐區(qū)緊密與正像模型相鄰，這些填料是本征地自身結(jié)合的，但只有在高于母材熔點而又低于并充分接近氧化反應(yīng)溫度時，才能使前述的整合性成為可能。填料的這種自身結(jié)合賦予其充分的粘結(jié)強度，從而克服了由于母材移入填料沿負像模型所造成的壓差，保持了所逆形復(fù)制的負像模型。
沒有必要使整個填料體或填料床層都包括可整合填料或(需要時)自身結(jié)合填料，盡管這種分布是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。只有在靠近正像模型和由正像模型成型的床層的那部分才需要填料是整合性的和/或自身結(jié)合的。換句話說，只有在足夠的深度才需要填料具有整合性和自身結(jié)合能力。就整合性而言，目的在于與母材先質(zhì)正像模型整合;而就自身結(jié)合而言，是為了在特定情況下提供充分的機械強度。填料床整體不需要是整合的和/或自身結(jié)合的。
在任何情況下，填料都不應(yīng)該以形成不可滲透的團塊的方式燒結(jié)、熔融或反應(yīng)，以免阻擋氧化反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)其滲透或在使用汽相氧化劑時阻擋汽相氧化劑穿過。此外，填料應(yīng)具有充分的整合性，以適應(yīng)于該組裝體加熱所造成的母材和填料間的差熱膨脹，以及母材熔化時所產(chǎn)生的體積變化，并保持其與母材先質(zhì)正像模型的緊密整合性。
不用說如上所述的填料的可滲透性、可整合性和自身結(jié)合性等是該填料的整體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，而該填料的各個組分并非必須要具有其中的一個性質(zhì)或全部性質(zhì)。這樣，填料可以包括一種單一材料，一種材料相同但粒度不同的顆粒混合物，或兩種或多種材料的混合物。在后面這種情況下，填料的某些組分在氧化反應(yīng)溫度下可以不是充分自身結(jié)合的或可燒結(jié)的，但是，這些組分是填料的一個組成部分，由于其它材料的存在，在其自身結(jié)合溫度條件下和高于該溫度時，它們將具有自身結(jié)合或燒結(jié)特性。許多材料由于它們賦予陶瓷復(fù)合材料以所希望的特性，故而成為很有用的填料，它們也將具有如上所述的可滲透性、可整合性和自身結(jié)合性等特性。這些適宜的材料在低于氧化反應(yīng)溫度時，將充分地保持在不燒結(jié)或不結(jié)合狀態(tài)，這樣，其中埋入模型的填料就能適應(yīng)熱膨脹和熔點體積變化，而且只有當(dāng)達到處于母材熔點以上但接近和低于氧化反應(yīng)溫度的自身結(jié)合溫度時，該填料才開始燒結(jié)或自身結(jié)合，充分地給予了防止在氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長和發(fā)展的最初階段所形成的模腔的塌陷所必須的機械強度。
如上所述，固相，液相或汽相氧化劑，或這些氧化劑的組合都可以使用。例如典型的氧化劑包括(不局限于)氧、氮、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲和及其化合物和組合，例如二氧化硅(作為氧源)、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯(作為碳源)，以及混合物，例如空氣，H2/H2O和CO/CO2)在環(huán)境的氧活性還原中很有用。依所使用的氧化劑的不同，所生成的陶瓷基體可含有氧化物，碳化物，氮化物或硼化物。
雖然任何一種適宜的氧化劑都可以使用，但汽相(氣體)氧化劑是優(yōu)選的，而且本文就是以使用汽相氧化劑為基準(zhǔn)來說明本發(fā)明的實施方案的。如果使用氣相或汽相氧化劑，填料對于氣體是可滲透的，這樣，由于填料床層暴露于該氧化劑中，該汽相氧化劑就會穿透該填料床層與其中的熔融母材相接觸。術(shù)語“汽相氧化劑”指的是一種可提供氧化氣氛的汽化的或通常為氣體的物質(zhì)。例如，對于鋁為母材的場合，氧化或含氧的氣體混合物(包括空氣)就是優(yōu)選的汽相氧化劑，由于明顯的經(jīng)濟原因，以空氣作氧化劑通常更為優(yōu)選。當(dāng)將氧化劑表示為含有或包括一種特殊氣體或汽體時，就是指這樣一種氧化劑其中所指定的氣體或汽體是唯一的、占優(yōu)勢的、或至少在所采用的氧化環(huán)境中所獲得的條件下是母材的有效氧化劑。例如，雖然空氣的主要組分是氮，但是由于氧是比氮更為強烈的氧化劑，因此，空氣中的氧組分是該母材的氧化劑。這樣，空氣從定義上講屬于“含氧氣體”氧化劑，而不是“含氮氣體”氧化劑。本文及權(quán)利要求書中所使用的“含氮氣體”氧化劑是“形成氣體”，它含有大約96%(體積)的氮和4%(體積)的氫。
當(dāng)使用固相氧化劑時，通常以與填料混合的顆?；蚍勰┬问綄⑵浞稚⒃谡麄€填料床層中或靠近母材的部分床層中，可能的話，也可將其覆蓋在填料顆粒的表面上。任何一種適宜的氧化劑都可以使用，它包括元素，例如硼或碳;或不還原的化合物，例如堇青石、二氧化硅或某些熱力學(xué)穩(wěn)定性低于母材的硼化物反應(yīng)產(chǎn)物的硼化物。例如，使用硼或一種可還原的硼化物作為鋁母材的固相氧化劑時，所得到的氧化反應(yīng)產(chǎn)物是硼化鋁。如果鈦作母材，則鋁的十二硼化物為適宜的固相氧化劑，而且該氧化反應(yīng)產(chǎn)物含有二硼化鈦。
在某些情況下，采用固相氧化劑的氧化反應(yīng)可能進行的如此之快，以致氧化反應(yīng)產(chǎn)物因該過程的放熱特性而趨于熔化。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)降低了陶瓷體微現(xiàn)結(jié)構(gòu)的均勻性。這個迅速的放熱反應(yīng)可通過在復(fù)合材料中混入表現(xiàn)出低反應(yīng)活性的相當(dāng)惰性的填料來避免。這種填料吸收了反應(yīng)熱，從而將任何放熱影響降低到最低限。這種適宜的惰性填料的一個例子是基本上與預(yù)期的氧化反應(yīng)產(chǎn)物一樣的填料。
如果采用液相氧化劑，可以用該氧化劑浸漬填料的方式涂覆整個填料床層或靠近熔融母材的部分填料床層，或用浸泡法浸除，然后干燥。關(guān)于液相氧化劑指的是一種在氧化反應(yīng)條件下為液體的氧化劑，而且該液相氧化劑可以具有一種在氧化反應(yīng)條件下熔化的固體先質(zhì)，例如鹽。換一種方式，液相氧化劑也可以是一種液體或溶液，它可用來浸漬全部或部分填料，并在氧化反應(yīng)條件下熔化或分解，以提供適宜的氧化劑部分。本文所定義的液相氧化劑的例子包括低熔點玻璃。
如先前所提到的，在填料尚不另外具有足以防止在先前由模型所占據(jù)的體積中形成的空間塌陷的固有自身結(jié)合或燒結(jié)特性的情況下，結(jié)合劑或燒結(jié)劑可以作為填料的一個組分包括在其中。這種結(jié)合劑可分散在整個填料中或僅分散在支撐區(qū)中。適合這一目的材料包括在形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物所要求的氧化條件下將至少部分分解并使填料結(jié)合以充分地提供必要機械強度的那些有機金屬材料。這種結(jié)合劑不應(yīng)干擾氧化反應(yīng)過程，或在陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品中留下不希望有的殘余副產(chǎn)物。適合于這一目的的結(jié)合劑為本技術(shù)領(lǐng)域所公知的。例如原硅酸四乙酯就是適宜的有機金屬結(jié)合劑的一個典型例子，在氧化反應(yīng)溫度下，它留下了以必要的結(jié)合強度將填料有效地結(jié)合起來的二氧化硅部分。
如共同所有專利申請書所說明的，與母材一并加入的摻雜物有益地影響著氧化反應(yīng)過程，尤其是在使用鋁作為母材的體系中。這種或幾種與母材一并加入或結(jié)合使用的摻雜物(1)可以以母材合金組分的形式提供，(2)可以施加到至少部分母材表面上，或(3)可施加到或一并加入部分或全部填料或填料預(yù)型坯中，或可采用(1)、(2)或(3)中兩種或三種方法的組合。例如，合金化的摻雜物可單獨使用，或與第二種從外部施加的摻雜物共同使用。在方法(3)中(其中將另外的一種或幾種摻雜物施加到填料中)，可以共同所有專利說明書中所說明的任一種適宜的方式完成摻雜物的施用。
一種具體的摻雜物的作用或多種作用取決于因素的多少。例如，這些因素包括具體的母材、當(dāng)使用兩種或多種摻雜物時摻雜物的具體組合、外部施加的摻雜物與被先質(zhì)金屬合金化的摻雜物共同使用、所采用的摻雜劑的含量、氧化環(huán)境以及過程條件等。
用于鋁母材的摻雜物(特別是與作為氧化劑的空氣共同使用時)包括鎂、鋅和硅，或單獨使用，或與其它摻雜物共同使用(如下所述)。這些金屬或適宜的金屬源可以各約為0.1～10%(以最后生成的摻雜金屬的總重量計)的濃度被合金化到鋁基母材中。這些摻雜材料或其適宜的源(例如MgO、ZnO或SiO2)可以從外部施加到母材上。這樣，對于鋁-硅母材，以空氣作為氧化劑，以每克待氧化母材高于大約0.0008克Mg的量和每平方厘米母材(施加到其表面的是MgO)高于0.003克Mg的量將MgO作為摻雜物施加到該金屬表面，便可獲得一種氧化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)。
用于鋁母材的摻雜材料的其它例子包括鈉、鍺、錫、鉛、鋰、鈣、硼、磷和釔。根據(jù)氧化劑和過程條件的不同，這些摻雜材料可單獨使用，或與一種或多種摻雜物共同使用。稀土元素，例如鈰、鑭、鐠、釹和釤也是可用的摻雜物，當(dāng)它們與其它摻雜物共同使用時，本文又特別提到它。如在共同所有專利申請書中所說明的，這些摻雜材料對于促進鋁基母材體系的多晶氧化反應(yīng)的進行是有效的。
如在共同所有專利申請861，024中所公開的，可以使用一種阻擋層裝置來阻止氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長和發(fā)展，使其不能超越該阻擋層。適宜的阻擋層裝置可以是任何一種材料(化合物、元素、混合物等)，在本發(fā)明的過程條件下，它保持著一定的整體性、不揮發(fā)、而且最好對于汽相氧化劑是可滲透的，但是它能夠局部地阻止、抑制、停止、干擾、預(yù)防氧化反應(yīng)產(chǎn)物的繼續(xù)生長。如圖5所示的實施方案所表明的，阻擋層應(yīng)該用于成型母材的端面處，以防止氧化反應(yīng)產(chǎn)物在這些表面上生長。對于空氣或含氧氣體中的鋁母材尤為適用的阻擋層包括硫酸鈣(熟石膏)、硅酸鈣和波特蘭水泥，以及它們的組合，當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長欲限制于某一床層區(qū)域時，通常將上述材料以料漿或糊漿的形式涂敷在模型表面或填料表面。這些阻擋層裝置也可以包括一種適宜的易燒或揮發(fā)材料，這樣就省去了加熱，或者省去了靠加熱分解的材料，目的在于增加該阻擋層的孔隙率和可滲透率。另外，阻擋層裝置可含有適宜的耐火顆粒，以減少在過程中或許會發(fā)生的收縮或破裂的可能性。膨脹系數(shù)基本上與填料床層相同的顆粒尤為理想。例如，如果床層包括氧化鋁，而且所得到的陶瓷也包括氧化鋁，那么就可以將阻擋層與按要求粒度與床層所使用的顆粒粒度大致相同(例如約20～1000)的氧化鋁顆?；旌显谝黄?。其它適宜的阻擋層包括致密的耐火陶瓷或金屬屏蔽層，按照要求它們至少一端是開口的，以便允許汽相氧化劑穿入床層中并與熔融金屬接觸。在某些情況下，供給帶有阻擋層裝置的第二種金屬源也是有可能的。例如某些牌號的不銹鋼組分，當(dāng)在某些氧化過程條件下(例如在高溫和含氧氣氛中)反應(yīng)時，依不銹鋼的成分而生成了其各自組分的氧化物，例如氧化鐵、氧化鎳或氧化鉻。這樣，在某些情況下，象不銹鋼屏蔽層這樣的阻擋層就能提供一個第二種金屬或異金屬的適宜的源，而且它可以影響第二種金屬(例如鐵、鎳或鉻)導(dǎo)入與之接觸的熔融金屬流體中。
下面本發(fā)明的非限制性實施例，旨在舉例說明。
實施例1用一個園筒狀管(如圖2所示)制備一個具有兩個同軸內(nèi)連接的陶瓷園筒的陶瓷管狀體，其尺寸為長1英寸，直徑1英寸，園筒壁厚1/8英寸并含有三列各有四個間隔90°分布的、直徑為1/8英寸的橫向孔。該園筒由380.1鋁合金制成(該合金從BelmontMatals.公司獲得，標(biāo)稱等同成分為8～8.5wt%Si、2～3wt%Zn、0.1wt%Mg作為活性摻雜物，以及Cu、Fe、Mn和Ni各為3.5wt%，但Mg含量有時高出0.17～0.18wt%范圍)。外園筒壁、內(nèi)園筒壁以及橫向孔壁全部覆蓋一層0.001～0.01英寸厚的粒度500的硅金屬粉末(AtlanticEquipmenlEngineers，Bergenfield，NewJersey供貨)并填充以粒度500、綠色的、在1250℃空氣中預(yù)燒24小時的碳化硅(NortonCo.供貨的39Crystolon)，然后全部埋入容放于耐高溫容器中的粒度500、綠色的預(yù)燒碳化硅填料床中。在空氣中將該裝置加熱到過程預(yù)定溫度900℃，維持24小時，總爐時為35小時，升溫過程為6小時，冷卻過程為5小時。
最后得到的復(fù)合材料從橫截面看為一對內(nèi)部以輻條相連接的園筒壁(如圖9所示)。內(nèi)園筒外徑約為10/16英寸，壁厚約為3/32英寸。兩園筒壁之間的間距約為1/8英寸。外園筒的外徑約為1～1/16英寸，壁厚約為3/32英寸。
所得到的復(fù)合材料的成分通過X光衍射和光學(xué)顯微鏡分析得已證實。該復(fù)合材料含有嵌入碳化硅填料的氧化鋁基體。
實施例2重復(fù)實施例1，但填料床層為70%T64氧化鋁(-325目，Alcoa)和30%EPK(Kaolin，F(xiàn)eldsparCorp.，Edgar，F(xiàn)L)的混合物，而且在空氣中將該裝置加熱到過程預(yù)定溫度1000℃，維持40小時。生成一對以輻條從內(nèi)部相連的同軸園筒壁(如圖9所示)。內(nèi)園筒壁厚約1/16英寸，其外徑約為11/16英寸。外園筒壁厚給1/16英寸，其外徑約為1～1/16英寸。兩園筒壁間距約為1/8英寸。
實施例3重復(fù)實施例2，但填料床層為氧化鋁(A17，-325目，Alcoa)，而且該裝置是在爐中預(yù)熱5小時后被加熱到預(yù)定過程溫度1000℃，維持40小時，然后隨爐降溫5小時。生成一對以輻條從內(nèi)部連接的同軸園筒壁。外園筒壁的外徑為1/16英寸，厚度約為3/32英寸。內(nèi)園筒壁的厚度為3/32英寸，而外徑約為1～1/16英寸。兩園筒壁間距約為1/8英寸。
實施例4將一英寸長的園筒狀380.1鋁合金管(與圖2類似)全部埋入容放于一耐高溫容器中的堇青石床層中。該園筒狀管長一英寸，外徑為一英寸，筒壁具有直徑為1/8英寸的橫向孔。筒內(nèi)壁以及橫向孔壁均用堇青石填料填實。在空氣中將該裝置加熱到過程的預(yù)定溫度1000℃，維持40小時，總爐時為50小時，升溫過程5小時，冷卻過程5小時。陶瓷復(fù)合材料生長到一對以輻條從內(nèi)部連接的同軸園筒壁中是非常均勻的。外園筒壁的外徑約1～1/16英寸，壁厚約為1/16英寸。內(nèi)園筒壁厚給1/16英寸，其外徑約為11/16英寸。兩園筒壁間距約為1/8英寸。
以上所詳細描述的這些典型的實施方案說明了本發(fā)明的實用性，而且除了所例舉的內(nèi)容以外的許多組合和變型均在本技術(shù)領(lǐng)域之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)自撐式陶瓷復(fù)合材料體的方法，所述復(fù)合材料包括多個具有有界截面且通常以相反方向逆形復(fù)制母材模型幾何形狀的軸向排列的壁，所述陶瓷復(fù)合材料體包含有(1)一種由母材與氧化劑氧化反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物而得到的陶瓷基體，(2)一種嵌入了所述基體的填料，所述方法包括如下步驟(a)提供至少具有一個開口空腔的母材體以給出具有有界截面和相對壁面的壁；(b)將可整合的填料床并置在所述壁面上，所述填料床的特征在于(1)當(dāng)需要所述氧化劑在步驟(c)中接觸熔融母材時，對于所述氧化劑是可滲透的，并對于經(jīng)由各填料床由氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長所產(chǎn)生的滲透是可滲透的，(2)保持充分的可整合性以提供所述母材熔點體積變化和所述母材與各填料床層之間的差熱膨脹的適應(yīng)性；(c)將所述嵌入的成型母材加熱到其熔點以上但低于所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點溫度形成母材熔體，并且在所述溫度下，(1)使熔融母材與所述氧化劑反應(yīng)形成所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物，(2)使至少一部分所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物接觸并保持在所述金屬熔體與所述氧化劑之間，以從所述金屬熔體經(jīng)由氧化反應(yīng)產(chǎn)物逐漸將金屬熔體吸入所述填料床，當(dāng)在所述氧化劑與以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上不斷形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物時，同時形成了所述多個的軸向排列的間隔壁，以及(3)將所述反應(yīng)持續(xù)一段足夠時間，以通過所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長，至少部分地將后者嵌入填料以形成一種具有多個軸向排列，具有有界截面的間隔壁的自撐式陶瓷復(fù)合材料體，所述間隔壁通常逆形復(fù)制模型的幾何形狀，并以此形成至少兩個軸向排列的流道，及(d)從過量的填料(如果有的話)中分離出所得到的自撐式陶瓷復(fù)合材料體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述床層另外包括只有在母材熔點溫度以上但低于并充分接近氧化反應(yīng)溫度(以提供所述的適應(yīng)性)下才能本征地自身結(jié)合的支撐區(qū)。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述母材是園筒體，所述空腔是縱向孔腔。
4.權(quán)利要求1或2的方法，另外提供具有至少一個壁孔的所述母材的壁并在所述壁孔中提供填料床。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物在所述壁孔中嵌入所述填料，形成與所述間隔壁成一體的支撐裝置。
6.權(quán)利要求3的方法，其中所述軸向排列的間隔壁基本上是同軸的。
7.權(quán)利要求1或2的方法，另外包括與所述母材一起使用一種摻雜物。
8.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述母材是鋁。
9.權(quán)利要求8的方法，另外包括與所述母材一起使用一種摻雜物。
10.權(quán)利要求1或2的方法，另外包括用至少一個連接肋連結(jié)所述軸向排列壁。
11.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述氧化劑是一種汽相氧化劑。
12.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述氧化劑在所述溫度下是固體。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述氧化劑選自硅石、硼、碳、堇青石和可還原化合物。
14.權(quán)利要求11的方法，其中所述氧化劑包括一種含氧氣體。
15.權(quán)利要求11的方法，其中所述氧化劑包括一種含氮氣體。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述母材是鋁。
17.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述母材選自硅、鈦、錫、鋯和鉿。
18.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述填料是選自從鋁、鈰、鉿、鈦、硅、鎂、硼、鑭、釹、鐠、釤、鈧、釷、鈾、鐿和鋯中選取的一種金屬的一種或多種氧化物。
19.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述陶瓷基體包括一種氧化物、氮化物、碳化物或硼化物。
20.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述母材金屬體包括兩個間隔的末端開口的園筒體。
21.權(quán)利要求1或2的方法，包括提供具有阻擋層裝置的所述母材體的端壁。
22.一種生產(chǎn)自撐式陶瓷復(fù)合材料體的方法，所述陶瓷復(fù)合材料體包括多個基本上同軸的間隔園筒并且通常以相反方向逆形復(fù)制母材模型的幾何形狀;所述陶瓷復(fù)合材料體含有(1)一種通過鋁母材與一種包括汽相氧化劑在內(nèi)的氧化劑氧化反應(yīng)以形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物而得到的陶瓷基體，(2)嵌入了所述基體的填料，該方法包括以下步驟。(a)提供一個由所述鋁母材構(gòu)成并在所述園筒壁中至少具有一個壁孔的末端開口的園筒;(b)將可整合填料的第一床層并置在所述園筒的相對壁面上，將填料的第二床層置于所述壁孔中，所述填料床層的特征在于(1)當(dāng)需要所述氧化劑在步驟(c)中與熔融母材接觸時對所述氧化物是可滲透的并對氧化物反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)各填料床生長所產(chǎn)生的滲透是可滲透的，(2)保持充分的整合性以提供所述母材熔點體積變化和所述母材各填料床層之間的差熱膨脹的適應(yīng)性;(c)將所述嵌入的成型母材加熱到其熔點以上但低于所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點的溫度，形成母材熔體，并在所述溫度下，(1)使熔融母材與所述氧化劑進行反應(yīng)以形成所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物;(2)使至少一部分所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物接觸并保持在所述熔融金屬體與所述氧化劑之間，以將從所述熔融金屬體來的熔融金屬通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物吸入所述的填料床，當(dāng)氧化反應(yīng)產(chǎn)物不斷地在所述氧化劑和以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上形成時，同時在所述第一填料床層中形成間隔園筒，在所述第二填料床層形成經(jīng)向分布的連接肋，以及(3)將所述反應(yīng)持續(xù)一段足夠時間，以通過所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成，使后者至少部分地嵌入填料，從而形成一種具有多個同軸的間隔園筒和作為所述間隔園筒用的支持裝置的經(jīng)向分布的連接肋的自撐式陶瓷復(fù)合材料，所述園筒一般逆形復(fù)制了模型的幾何形狀，并以此成軸向排列的流道;以及(e)從過量的填料(如果有的話)中分離出所得到的自撐式陶瓷復(fù)合材料。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述的汽相氧化劑是一種含氧氣體，所述的氧化反應(yīng)產(chǎn)物包括氧化鋁。
24.權(quán)利要求22或23的方法，包括提供帶有阻擋層裝置的所述母材園筒的端壁。
25.權(quán)利要求22或23的方法，其中與所述鋁母材一起使用一種摻雜物。
26.一種自撐式陶瓷復(fù)合材料體，它包括許多軸向排列的，具有形成中心孔的有界截面的間隔園筒壁和至少一個壁間的縱向流道，以及以間隔的關(guān)系支撐所述園筒壁的連接裝置;所述壁和所述連接裝置包括滲入到填料中的多晶陶瓷基體;當(dāng)所述金屬從初始位置上形成所述壁和所述連接裝置時，所述壁和所述連接裝置通常逆形復(fù)制置于填料床層中的母材的幾何形狀，同時發(fā)生從所述初始位置輸送的熔融母材的氧化反應(yīng)，在所述填料床層內(nèi)形成所述多晶陶瓷基體，所述陶瓷基體含有所述母材與氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
27.權(quán)利要求26的自撐式陶瓷復(fù)合材料體，其中所述母材包括鋁，所述氧化反應(yīng)產(chǎn)物包括氧化鋁。
全文摘要
提供一種生產(chǎn)具有多個間隔壁板的自撐式陶瓷復(fù)合材料體的方法，所述壁板各具有有界截面，用來限制基本上連續(xù)的流道。該壁板通常以相反方向逆形復(fù)制正向模型的幾何形狀。軸向排列的各壁板含有一種其中嵌入了填料的陶瓷基體，是通過母材的氧化反應(yīng)形成多晶物質(zhì)得到的，所述多晶物質(zhì)主要是由母材與氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)長以及酌情選擇的一種或多種金，例如母材的非氧化組分組成的。
文檔編號C04B35/622GK1031694SQ8810487
公開日1989年3月15日 申請日期1988年8月9日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月10日
發(fā)明者拉特奈西·凱·德維韋迪 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司