专利名称：制造陶瓷和陶瓷复合体的方法
本申请是1989年7月7日提交，属于Harold Daniel Lesher等，标题为“制造陶瓷和陶瓷复合体”的美国申请系列号376，840的部分继续申请。
本发明涉及使用间歇、半连续和连续过程制造自支撑陶瓷基体和陶瓷基复合体的方法。
近年来，人们热衷于使用陶瓷代替过去使用金属的结构。这一兴趣的推动力在于，与金属相比，陶瓷在某些性能上具有优越性，如耐腐蚀性、硬度、弹性模量和耐火性。
当前，制造高强度、比较可靠和较高韧性陶瓷制品的努力大多集中在(1)开发改进的整体陶瓷制造方法和(2)开发新的材料组成，特别是陶瓷基复合材料，复合结构是指两种或更多种材料紧密地结合在一起的结构，以便获得需要的复合材料性能。例如，两种材料，可以通过将其中一种嵌入到另一种材料的基体中而紧密地结合。陶瓷基复合结构，通常包括陶瓷基体，并在其中容纳一种或更多的不同种填充材料，如颗粒，纤维，棒条及类似物。
用陶瓷取代金属，存在几种已知的局限或困难，如尺寸通用性、制造复杂形状的能力、满足极限条件下应用所需的性能、以及费用。与本申请同一受让人的一些未决专利申请和出版专利(后文中有时称做“共同拥有的专利申请和专利”)，克服了这些局限或困难，提供了可靠地制造陶瓷材料，包括复合材料的新方法。这一方法概括性地公开在1987年12月15日出版，属于MarcS.Newkirk等，标题为“新陶瓷材料及其制造方法”，共同拥有的美国专利号4，713，360中。这一专利公开了通过熔融母体前体金属的氧化反应产物的生长来制造自支撑陶瓷体的方法;熔融母体前体金属与气相氧化剂反应来形成氧化反应产物。熔融金属迁移过所形成的氧化反应产物而与氧化剂反应，从而连续地形成陶瓷多晶瓷体，并且，如果需要的话，可以包含互相连接的金属成份。这一过程，可通过使用一种或多种与母体金属形成合金的掺杂物而加强。例如，当在空气中氧化铝时，将镁和硅与铝形成合金，有助于形成α-氧化铝陶瓷结构。这一方法通过在母体金属表面加入掺杂物质而得到改进，正如在1989年8月1日出版，共同拥有的美国专利号4，853，352中所描述的。这一专利源于1988年6月23日提交的，美国专利申请系列号220，935;它又是1986年1月27日提交的美国申请系列号822，999的部分继续申请(现已放弃)，这又是1985年9月17日提交的，美国系列申请号776，965的部分继续申请(现已放弃)，这又是1985年6月25日提交的，美国申请系列号747，788的部分继续申请(现已放弃)，这又是1984年7月20日提交的，美国申请系列号632，636的部分继续申请(现已放弃);所有这些申请均属于Marc S.Newkirk等，标题为“制造自支撑陶瓷材料的方法”。以上提及的美国申请系列号747，788，对应于欧洲专利申请号8530517.6，于1986年1月22日做为欧洲专利申请公开号0169067出版。
一种类似的氧化现象，被用来将氧化反应产物长入填充物以制造陶瓷复合体，正如在1988年11月1日提交的、共同拥有的美国专利申请号265，835中描述的。这一申请现在是美国专利号4，916，113，1990年4月10日出版，而且是美国申请系列号819，397，即1989年7月25日出版的美国专利4，851，375的部分继续申请，也是1985年2月4日提交折、美国申请系列号697，876(现已放弃)的部分继续申请。这一段中提到的所有专利申请和专利，均属于Marc S.Newkirk等，标题为“复合陶瓷制品及其制造方法”。但是，美国专利号4，851，375标题为“制造包含嵌埋填充物的复合陶瓷制品的方法”;美国专利号4，916，113，标题为“制造复合陶瓷制品的方法”。以上提到的美国申请系列号819，397，对应于欧洲专利申请号86300739-9，于1986年9月3日，做为欧洲专利申请公开号0193292出版。以上刚刚提到的专利申请和专利，公开了通过将由金属母体产生的氧化反应产物长入可渗透的填充物块(如碳化硅颗粒填充物)，从而用陶瓷基质浸润填充物来制造自支撑陶瓷复合材料的方法。然而，产生的复合材料，不具有确定的或预先指定的尺雨′形状或构造。
制造具有预先指定的尺雨或形状的陶瓷复合体的方法，公开在共同拥有的，1989年4月14日提交的未决美国专利申请系列号338，471中，这是1986年5月8日提交的、美国申请系列号861，025(现已放弃)的继续申请，两者都属于Marc S.Newkirk等。按照这一美国专利申请中的方法，不断产生的氧化反应产物，沿着指向确定的表面边界的方向，浸润可渗透的填充物材料预成型体(如碳化硅预成型体)，以上提到的美国申请系列号861，025，对应于欧洲专利申请号87630075.7，于1987年11月11日，做为欧洲专利申请公开号0245192出版。
随后发现，可以通过在预成型体上附加一个阻挡层来更容易地达到开关的精确复制，正如在1989年1月10日提交、共同拥有的美国专利申请系列号295，488中所公开的;这一申请，是1986年5月8日提交的、美国专利申请系列号861，024的继续申请，即1990年5月8日出版的美国专利号4，923，832;所有申请及专利均属于Marc S.Newkirk等。阻挡层与金属隔开，以形成一个边界或表面;通过将母体金属氧化反应产物长入阻挡层的方法，可制造有确定开关的自支撑陶瓷件，包括有确定开关的陶瓷复合材料。以上提到的美国申请系列号861，024，对应于欧洲专利申请号87630076.5，于1987年11月11日，做为欧洲专利申请公开号0245193出版。
通过反复制正模型的开关来形成空腔内部尺寸有要求的陶瓷复合体的方法，公开在1989年3月28日提交的、共同拥有的美国专利申请系列号329，794中，这是1986年1月27日提交的、美国专利申请系列号823，542的分案申请，即1989年5月9日出版的专利号4，828，785，均属于Mare S.Newkirk等;这一方法，也公开在1989年8月22日出版的、共同拥有的美国专利号4，859，640中，这一专利源于1986年8月13日提交的，属于Marc S.Newkirk的美国专利申请系列号896，157。以上提到的美国申请系列号823，542，对应于欧洲专利申请号87300409.7，于1987年9月2日，做为欧洲专利申请公开号0234704出版。以上提到的美国申请系列号896，157，对应于欧洲专利申请号8760109.4，于1988年3月9日，做为欧洲专利申请公开号0259239出版。
从一个储存器将附加的熔融母体金属提供给最初的熔融金属体的技术，公开在1992年2月12日提交的，共同拥有的未决美国专利申请系列号478，845，这是1988年3月15日提交的、美国专利申请系列号168，358的继续申请。即1900年4月17日出版的美国专利号4，918，034;同时也是1986年9月16日提交的、美国专利申请系列号908、067的继续部分申请，即1990年2月13日出版的美国专利号4，900，699。本段描述的专利申请和专利，标题均为“形成陶瓷复合结构的储存器供给法及用此种方法形成的结构”。美国专利申请系列号478，845和168，358，均属于Weinstein等。美国专利申请系列号908，067属于Newkirk等。以上提到的美国申请系列号908，067，对应于欧洲专利申请号87630176.3，于1988年3月30日，做为欧洲专利申请公开号0262075出版。以上讲座的储存器供给法，已被成功地用来制备陶瓷基或陶瓷基复合结构。根据这一发明的方法，制造的陶瓷基体和陶瓷复合体包含自支撑陶瓷基复合结构，在这一结构中包括了通过母体金属与氧化剂的氧化反应，形成多晶材料而获得的陶瓷基质。在制造陶瓷基复合体的具体过程中，母体金属体和填充物的可渗透团块或预成型体如此相互取向，以使氧化反应产物的形成，将沿着指向和进入填充物材料的方向。母体金属被描述为以初始源和储存器出现，金属储存器与初始源，由于，例如，重力流动而连通。初始源熔融母体金属与氧化剂反应，开始形成氧化反应产物。随着初始源熔融母体金属的消耗，它被从母体金属储存器，以连续的方式择优补充。母体金属初始源的这种补充过程，随着氧化反应产物生长，浸润填充物材料而继续。这样，储存器保证了有足够的母体金属来继续制造过程，直到氧化反应产物达到所需要的量。
一种控制陶瓷基复合结构中金属组份份的方法，公开在1988年11月9日提交、属于Robert C.Kantner等，标题为“陶瓷制品中金属组元的即时控制方法及用这种方法制造的陶恣制品”、共同拥有的未决美国专利申请系列号269，152中，它是1988年2月5日提交、申请人和标题相同的美国专利申请系列号152，518的继续申请，这一专利申请又是1986年9月17日提交、属于Marc S.Newkirk等、标题相同的美国专利申请系列号908，054(现已放弃)的部分继续申请。美国专利申请系列号152，518于1989年4月4日提交，现为美国专利号4，818，734，标题为“陶瓷制品中金属组份的好时控制方法“。最后，做为美国申请系列号908，454的继续申请，美国申请系列号389，506，于1989年8月2日提交，属于Marc S.Newkirk等，标题为“陶瓷制品中金属组元的即时控制方法及用此方法制造的制品”。以上提到的美国申请系列号908，454，对应于欧洲专利申请系列号87630161.5，于1988年4月6日，做为欧洲专利申请公开号0263051出版。以上每项申请和专利，均公开了在陶瓷基体和陶瓷基复合体形成过程中控制其中的金属组份(孤立的和互相联结的)的方法，由此赋予形成的制品一种或多种所需要的特性。因此，最终陶瓷基体或陶瓷基复合体所需的性能特征，有利地通过即时包容所需的金属组份而达到，而不是由于外部作用或通过后处理技术。
正如在这些一般拥有的专利申请和专利中所讲座的，通过母体金属与氧化剂，可以是固体、液体和/或液体之间的反应，制造了新的多晶陶瓷基材料或多晶陶瓷基复合材料。按照这些共同拥有的专利申请和专利中公开的通用过程，一种母体金属(如铝)，被加热到高于其熔点，但低于氧化反应产物熔点的高温，以形成熔融母体金属体，熔融母体金属体与氧化剂通过接触反应，生成氧化反应产物。在这一温度，氧化反应产物，或至少其一部分，与熔融母体金属体和氧化剂接触，并分布在两者之间，而且，熔融金属被吸入或输送通过生长的氧化反应产物，通向氧化剂。在先前生成的氧化反应产物表面，输送的熔融金属通过与氧化剂接触生成新的氧化反应产物。随着过程的继续，补充的金属被输送通过如此生成的多晶氧化反应产物，从而连续地“生长出”晶粒互相联结的陶瓷结构。最终的陶瓷基体，可能包含有金属成份，如母体金属未氧化的成份，和/或空隙。在讨论氧化这一应用的所有一般拥有的专利申请和专利中，“氧化”都是在最宽广的意义上使用，表示金属向氧化剂转移或与之共同用电子;氧化剂可以是一种或几种元素，和/或化合物。因此，氧以外的元素也可以作氧化剂。在某些例子中，母体金属可能需要有一种或多种掺杂物，以便对氧化反应产物的生长施加有益的影响或使之较容易。这样的掺杂物，在氧化反应产物生长过程的某上时刻或之前，可能至少部分地与母体金属形成合金。例如，在铝作为母体金属，空气作为氧化剂的情形中，掺杂物如镁和硅，这里仅指出一大族掺杂材料中的两种，可以与铝形成合金，这样形成的合金，被用做母体金属。这样形成的合金导致的氧化反应产物，含有氧化铝，通常为α-氧化铝。
在前述的某些一般拥有的专利申请和专利中，公开和专利要求了新陶瓷基复合结构及其制造方法;这是利用氧化反应制造含有实际上是惰性的填充物的陶瓷基复合结构，填充物被浸润并嵌入多晶陶瓷基质中(注意在某些情形中，使用活性填充物，例如，填充物至少部分地与先前的氧化还原产物和/或母体金属反应，可能是有利的)。做为第一步，母体金属被放置在渗透的填充材料团附近;填充材料可以固定形状和/或处理预成型体。然后，母体金属被加热，形成熔融母体金属体，与氧化剂反应，如以上所描述的，以生成氧化反应产物。随着氧化反应产物生成并浸润附近的填充材料团块，熔融母体金属被吸，通过填充材料团块先前生成的氧化反应产物，并与氧化剂反应，在先前生成的氧化反应产物表面生成新增加的氧化反应产物，如以上所描述的。这样导致的氧化反应产物的生长，浸润或嵌埋了填充材料，最终形成包含嵌埋填充材料的多晶陶瓷基质的陶瓷基复合结构，也如以上所讨论的，填充材料团块(或预成型体)，也可以做为阻挡层，为陶瓷基复合结构提供边界或表面。
因此，前述共同拥有的专利和专利申请，描述了陶瓷基体和陶瓷基复合体的制造，它们包含了可以容易地生长到需要的尺寸和厚度的氧化反应产物，这在以前用通常的陶瓷工艺技术，很难实现，如果不是不可能的话。
在这里，从前所有共拥有的专利申请和专利中的全部公开内容共此参考。
本发明涉及用连续或半连续方式制造陶瓷基体或陶瓷基复合体的技术。一般地，这些技术包括熔融母体金属与氧化氮剂反应生成的氧化反应产物的生长。在本发明的一个优选实例中，制备的物体包含陶瓷基复合体，它是通过氧化反应产物长入填充材料体制造的填充材料体，可以制成无束缚的集团块或者，制成预成型体。氧化反应产物包含熔融母体金属(如铝)与氧化剂氧化反应的产物。特别地，填充材料体被放置在母体金属源附近，以使母体金属氧化产物的生成，发生在向着氧化剂(如一种固体、液体和/或气体氧化剂)，并进入填充材料体的方向。进一步，可以将一个阻挡层与填充材体一起使用，阻挡层可以对氧化反应产物的连续生长施加局部的抑制、毒化、停止、干扰、防止、或类似的作用。通常，母体金属被加热到高于其熔点，但低于其氧化反应产物熔点的温度，以形成熔融金属体。在这一温度，或在这一温度范围内，熔融金属与氧化剂反应，生成氧化反应产物。至少部分氧化反应产物保持与熔融金属和氧化剂接触，并处在熔融金属和氧化剂之间，以将熔融金属穿过氧化反应产物吸向氧化剂，与氧化剂接触;这样，新的氧化反应产物连续地在氧化剂和先前生成的氧化反应产物之间的界面上生成，从而保证了以氧化反应产物的生长来浸润附近的填充材料体。这一反应被持续足够长的时间，以便用多晶物质至少浸润部分填充材料体;多晶物质主要含有母体金属的氧化反应产物，更理想地，含有至少一种弥散或分布在多晶物质中的未氧化金属组份。填充材料体应具有足够的可渗透性，以允许或协助氧化反应产物在填允材料体内的生长，并允许气态氧化剂(如果使用气态氧化剂的话)。渗透填充材料体与熔融线体金属接触。应该清楚，在金属组分附近，多晶基质可能存在孔隙或气孔，但其体积百分比将在很大程度上依赖温度、时间、掺杂物和母体金属种类这样一些条件。如果使用阻挡层，陶瓷基复合体将持线生长到阻挡层，只要存在足够的母体金属以保证这种生长。
本发明的方法利用了生成陶瓷基体和陶瓷基复合体的方法，如上所述。特别地，本发明的方法着重于，通过利用连续、半连续或间歇制造技术，并与以上所描述的生成陶瓷基体或陶瓷基复合体的技术相结合，大量地制造以上描述的陶瓷基体或陶瓷基复合体。
在本发明的一个优选实例中，实现了一种制造技术。按照这种技术，至少一个预成型体漂浮在母体金属的熔融池表面，直到此预成型体至少已部分地被母体金属和氧化剂的氧化反应产物嵌埋。一旦成型体至少已部分地被氧化反应产物嵌埋，氧化反应可通过以下方法中的任一种来终止(1)使被浸润的预成型休与熔融金属脱离接触;(2)改变环境，使得氧化反应不能继续进行，如移走氧化剂;或者(3)使氧化反应产物的生长与阻挡材料接触。
定义以下术语，按照在本说明书和权利要求书中的使用方法，定义如下“合金面”，如在这里所使用的，指最终的陶瓷基复合材料的一面，它对应于填充材料体的一面，在熔融金属与氧化剂的氧化反应产物浸润填充材料体，以生成最终的陶瓷基复合材料之前，这一面最初是与熔融金属接触的。
“铝”等，如在这里所使用的，意指并包括基本上是纯的金属(如相对较纯，可商业上获得的未合金化的铝)或其它等级的金属，以及金属合金，如可商业上获得的、其中含有杂质同和/或如铁、硅、铜、镁、锰、铬、锌等合金成份的金属。本定义用途的铝合金，是以铝为主要成份的合金或金属间化合物。
“阻挡层”或“阻挡层机构”，如这里所使用的，可以是任何材料、化合物、元素、组成、或类似物，它们在本工艺条件下，保持一定的完整性，无显著的挥发(即，阻挡层材料不会挥发到如此程度，以至于失去了其做为阻挡层的功能)，而且对气相氧化剂(如果使用的活)有优先可渗透性，同时，对氧化反应产物的持续增长，可以局部地抑制、毒化、停止、干扰、防止，或类似作用。
“残留物”或“母体金属残留物”，如在这里所使用的，指初始母体金属体的任何剩余物，它在陶瓷基体或陶瓷基复合体的生成过程中没有被消耗掉，而且通常与生成的物体保持至少部分接触。需要说明的是，残留物可能也通常在其中含有母体金属被氧化的组部和/或第二种或杂质金属。
“陶瓷”，如在这里所使用的，不应不适当地解释为局限在经典的陶瓷体意义内，即，陶瓷完全由非金属无机材料组成这一意义，而应指，在组成或主要性能方面，主要是陶瓷性的物体，虽然这一物体可能包含少量或相当量的一种或多种金属组分(孤去的和/或相互联结的，依赖于生成这物体时的工艺条件)，最通常的情况下，金属组分的体积百分比在1-40的范围内，虽然也可能包含更多的金属;金属组分是从母体金属获得的，或是由氧化剂或掺杂物还原而得的，。
“陶瓷复合体”或“陶瓷基复合材料”，如在这里所使用的，指嵌埋了填充材料的任何陶瓷基体。
“掺杂物”，如在这里所使用的，指一些物质(合金组份或与填充物结合/或包含在填充物内和/或表面的组份)，当被用来与母体金属结合时，有助于或促进氧化反应过程和/或改善生长过程，以改变制品的显微结构和/或性能，虽然并不希望受任何关于掺杂物功能的物特定理论或解释的局限，但似乎当母体金属和其氧化反应产物之间不存在适当的促进氧化反应产物生成的本征关系时，某些掺杂物可以有效地促进氧化反应产物的生成。掺杂物可以(1)产生有利的表面能关系，以加强或诱导熔融母体金属对氧化反应产物的湿润;
(2)通过与合金、氧化剂和/或填充材料反应，在生长表面生成一“前体层”，以此(a)减少粘着的保护性氧化反应产物层的生成，(b)可以加强氧化剂在熔融金属中的溶解能力(从而加强其渗透能力)，和/或(c)有利于氧化剂从氧化性气氛，穿过任何前体氧化物层的输送，氧化剂通过这一输送，随后与熔融金属结合，以生成其它氧化反应产物;
(3)在氧化反应产物生成时改善其显微结构，或随后改变金属组份的组成和氧化反应产物的性能;和/或(4)加强生长的成核及氧化反应产物生长的均一性。
“填充物”，如在这里所使用时，是用来包括单一组份或多种组份的混合物，它们与金属(即，母体金属)和/或氧化反应产物基本上是不反应的，而且/或有限地溶解在金属和/或氧化反应产物中，填充物可以是单相或多相。填充物可以以多种形式提供，如粉末、薄片、薄层、微球、晶须、泡等，而且可以是致密的或多孔的。“填充物”也可以包括陶瓷填充物，如做为纤维、碎纤维、颗粒、晶须、泡、球、纤维织物或类似形式的氧化铝或在碳化硅。“填充物”也可以包括陶瓷覆的填充物，如氧化铝或碳化硅包覆的碳纤维，以保护碳免受，例如，熔融铝母体金属的破坏，填充物也可以包括金属。
“生长合金”，如在这里所使用的，指任何合金，它(1)在最初含有，或(2)在工艺过程中的某上时刻获得足够量的，为实现氧化反应产物从其中长出所必需的组份。
“液相氧化剂”或“液体氧化剂”，如在这里所使用的，指一种氧化剂，在工艺条件下，其中的特定的液体，是母体或前体金属唯一的，最主要的，或至少是重要的氧化者。
提及液体氧化剂，是指一种在氧化反应条件下为液体的氧化剂，因此，液体氧化剂可以有一个在氧化反应条件下被熔化的固体前体，如一种盐。或者，液体氧化剂可以有一个液体前体(如一种材料的溶液)，此液体前体用来浸渍部分或全部的填充物，并在氧化反应条件下熔化或分荽，以提供所需的氧化剂部分。如这里所定义的液体氧化剂的例子，也包括低熔点玻璃。
如果液体氧化剂被用来连接母体金属和填充物，通常，填充物基底的全部，或保含所需的陶瓷基复合体的那一部分，被氧化剂浸渍(例如，通过包覆或浸泡在氧化剂中)。
“含氮气体氧化剂”，如在这里使用的，指一种特定的气体或蒸气，在使用的氧化性环境的条件下，其中的氮气是母体或前体金属唯一的、最主要的或至少是重要的氧化耆。
“氧化剂”，如在这里使用的，指一种或多种适当的电子接受物或电子共享物，在氧化反应条件下，可以是固体、液体或气体，或它们的某种组合(如固体和气体)。典型的氧化剂包括，非限制性地，氧气、氮气、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲，以及它们的化合物或组合物，例如，氧化硅或硅酸盐(做为氧源)、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯(这里碳氢化合物做为碳源)，还包括混合物如空气、H2/H2O和CO/CO2(氧源)，后两者对于降低环境的氧活性是很有用的。
“氧化反应产物”，如在这里所使用的，指一种或多种处于氧化态的金属，其中的金属，已向其它元素、化合物或其组合物给出电子，或与它们共享电子。因此，在这一定义下，“氧化反应产物”包括一种或多种金属与一种或多种氧化剂的反应的产物。
“含氧气体氧化剂”，如在这里使用的，指一种特定的气体或蒸气，在使用的氧化性环境的条件下，其中的氧气是母体或前体金属唯一的、最主要的或至少量重要的氧化者。
“母体金属”，如这里所使用的，指这样的金属(如铝、硅、钛、锡、铪和/或锆)，它是多晶氧化反应产物的前体，并以基本纯净的金属、可商业上获得的在其中含有杂质和/或合金成份的金属，或以这种金属前体为主要成份的合金等方式，包含有这些金属。当一种特定的金属做为母体或前体金属被提及时(如铝等)，应理解这种金属遵循本定义，除非文中另有说明。
一种母体金属之外的“其它”金属，是指不以母体金属中的金属为主要成份的金属(例如，如果母体金属的主要成份为铝、“其它”金属可以以，例如，镍为主要成份)。
“预成型体”或“可渗透预成型体”，如在这里所使用的，指填充物或填充材料的一个多孔团块，它被制作成具有至少一个表面边界，此表面边界决定了氧化反应产物生长的边界，这样的集团，在被生长着的陶瓷基质浸润之前，保持足够的开关完整性和生坯强度，以保证尺寸复制性。这一集团，以足够地多孔，以允许气相氧化剂(如果使用气相氧化剂的活)，渗透预成型体并与金属接触，(2)可渗透性中够强，以容纳氧化反应产物的发生和生长。预成型体通常包括填充物的有束缚的阵列或排列，均匀的或非均匀的，而且可以包含任何适当的材料(例如，陶瓷和/或金属的颗粒、粉末、纤维、晶须等，以及它们的组合)。预成型体可以单独存在，也可以做为装配件存在。
“活性填充物”，如在这里所使用的，指一种填充物，它与熔融母体金属相互作用(例如，被母体金属和/或氧化反应产物还原，并因此改善母体金属的组成和/或为氧化反应产物的生长提供氧化剂)。
“储存器”，如在这里所使用的，指一单独的张体金属体，它被与填充物集团或预成型体相对应放置，以便当其金属熔化时，可以流动以补充，或在某些例子中，最初提供，随后补充母体金属的一部分，片断或来源，这些母体金属与填充物或预成型体接触，浸润和/或反应生成氧化反应产物。
“第二或杂质金属”，如在这里所使用的，指任何适当的金属、金属组合、合金、金属间化合物、或任何一种的来源，它被，或希望被，包括含在生成的陶瓷基体或陶瓷基复合体中的金属组分的内，以做为母体金属未氧化组份的取代、补充或与之结合。本定义包括母体金属和第二金属间形成的金属间化合物、合金、固溶体或类似物。
“固固氧化剂”或“固体氧化剂”，如在这里所使用的，指一种氧化剂，其中特定的固体，在工艺条件下，是母体或前体金属叭一的、最主要的或至少是重要的氧化者。
当使用固体氧化剂来连结母体金属和填充物时，固体氧化剂通常弥散在整个填充物基底或基底的某一部分中，氧化反应产物将长入其中;固体氧化剂是以，例如，颗粒，与填充物混合或包覆填充物颗粒。任何适当的固体氧化剂都可以如此应用，包括元素，如硼或碳，或可还原的化合物，如二氧化硅或某些热力学上比母体金属硼化反应产物稳定性低的硼化物。例如，当硼或可还原的硼化物被用做铝母体金属的固体氧化剂时，最终的氧化反应产物包含硼化铝。
在某些情形中，母体金属与固体氧化剂的氧化反应进行得如此之快，以至于如于过程的放热性质，氧化反应产物趋向于熔化。这一现象能损害陶瓷基体的微观均匀性。这一快速的放热反应，可以通过在组成中混入吸收剩余热量的相对惰性的填充物而得到改进。与所要的氧化反应产物相同或基本相同的填充物，是这种适当的惰性填充物的一个例子。
“气相氧化剂”，如在这里所使用的，指包含或含有特定气体或蒸气的氧化剂，并进一步指一种氧化剂，其中特定的气体或蒸气，在所使用的氧化性环境条件下，是母体或前体金属唯一的，最主要的或至少是重要的氧化者。例如，虽然空气的主要成分是氮气，但空气中的氧气成分是母体金属的唯一氧化者，因为氧气是一种比氮气强得多的氧化剂。因此，空气符合“含氧气体氧化剂”的定义，而不符合“含氮气体氧化剂”的定义(“含氮气气体氧化剂”的例子是，通常含有大约96%体积氮气和大约4%体积氢气的合成气体)。
插图的简短描述
图1是本发明浸渍实例所用装置的剖面图，在定实例中使用了气相氧化剂;
图2是应用本发明浸渍实例的连续过程的剖面图;
图3是本发明漂浮实例中使用的装置的剖面图;
图4是本发明漂浮实例中使用的装置的剖面图，在这一实例中使用了多个预成型体;
图5是本发明漂浮实例中使用的装置的剖面图，在这一实例中使用了支撑柱;
图6是本发明漂浮实例中使用的装置的剖面图，在这一实例中使用了漂浮套;和图7是本发明漂浮实例中使用的装置的剖面图，在这一实例中使用了上部支撑机构。
本发明涉及连续或半连续地制造陶瓷基体或陶瓷基复合体的方法。本发明的陶瓷基体，是通过将熔融母体金属体与氧化剂反应以生成氧化反应产物体来形成的。本发明的陶瓷基复合体的，是通过将熔融母体金属体与氧化剂反应以生成氧化反应产物，其至少部分地嵌埋(即长入)至少一种填充材料。
一般地，为生成本发明的优先制品，陶瓷基复合体，母体金属(如生长合金)被制成块、条、棒、板或类似物，并被放入或容纳在一惰性基底、坩锅或其它耐火容器中。母体金属，可以如下面将详细说明的进行掺杂，则为氧化反应产物的前体。而且，母体金属可以包括一或几片、块或类似物，并用适当的方法制成适当的形状。可渗透的填充材料团块，或在本发明优先实例中，可渗透的具有一定形状的预成型体(以下将详细地描述)，被制成具有至少一个确定的表面边界，并对气相氧化剂是可渗透的，当这样的气丁氧化剂被单独或与其它氧化剂一起使用时，它还对生长着的氧化反应产物是可渗透的。在本发明的一个实例中，预成型体被放置在母体金属的至少一个表面或表面的一部分的附近，并与之接触，这样，至少预成型体的表面边界的一部分，被放置在远离母休金属的表面，或在外部分开;但当需要时，预成型体可以部分地或几乎全部地，但不是真的全部地浸渍在母体金属中。全部浸渍会切断或阻碍气相氧化剂进入预成型体的通道，并因此阻碍嵌埋预成型体的氧化反应产物的发生。然而，如果通过外部手段向预成型体提供气相氧化剂，如通过一个耐火材料的中尽管，那么预成型体的全部浸渍就成为一种可行的选择。进一步，当不使用气相氧化剂时(即，工艺过程条件下使用的唯一氧化剂是固体氧化剂和/或液体氧化剂)，预成型体在熔融母体金属中的全部浸渍也是一个可行的选择。氧化反应产物的生成，将发生在指向特定的表面边界的方向，在过程中的某一时刻，母体金属和可渗透的预成型体，将被一同或分别地放置在适当的容器中并送入加热炉。加热炉气氛中可包含氧化剂，以导致熔融母体金属气相氧化的发生。加热炉可以预加热到工艺温度，或者也可以在容纳有母体金属和可渗透预成型体的配置时加热到工艺温度。
在本发明的一个实例中，熔融母体金属体(例如，生长金属)，被容纳在一个容器中，以便形成一个熔融母体金属池。可渗透预成型体被放置在熔融母体金属池的表面(这一实例在这以后有时被称作“漂浮”实例)。在漂浮实例中，使预成型体在母体金属熔池表面漂浮(由于其浮力特性或由于外部机构)。如果使用气相氧化剂，熔融母体金属将与气丁氧化剂反应，以生成氧化反应产物，氧化反应产物长入预成型体，生成陶瓷基复合体。
实现漂浮实例的一项技术是间歇过程，在这一过程中(1)至少一个预成型体被放置在母体金属熔池表面;(2)然后，预成型体至少部分地被熔融母体金属和氧化剂的氧化反应产物所嵌埋，以生成包含氧化反应基质嵌埋预成型材料的陶瓷基复合体，和(3)完成需要的生长之后，将陶瓷基复合体移出母体金属熔池，母体金属熔池被抽干，这一过程用一新的母体金属池重复进行。
图3显示了漂浮实例中间歇过程技术的标准装置(11)的剖面。如图3所示，预成型体(19)漂浮在母体金属(15)熔池表面，母体金属融池被容纳在一容器(13)中。母体金属(15)熔池和预成型体(19)暴露给周围气氛的表面，被覆盖上一薄层(17)防止或阻碍周围气氛与熔融母体金属间反应的材料。然而，这一层(17)并不防止气氛与预成型体(19)接触，由此允许氧化反应产物长入并至少部分地嵌埋预成型体(19)。
图4显示了漂浮实例中间歇过程技术的装置(12)的剖面，用该装置每批可制造多陶瓷基复合体。如图4所示，多预成型体(19)漂浮在母体金属(15)熔池表面，母体金属融池被容纳在一容器(13)中。母体金属(15)熔池和预成型体(19)暴露给周围气氛的表面，被覆盖上一薄层(17)防止或阻碍周围气氛与熔融母体金属间反应的材料。然而，这一层(17)并不防止气氛与预成型体(19)接触，由此允许氧化反应产物长入并至少部分地嵌埋预成型体(19)。
以上描述的本发明的漂浮实例，也可以做为半连续过程运行，这可以通过使用初始的熔融金属池来向多组预成型体内长入氧化反应产物来实现。例如，当第一组预成型体至少以部分地被生长着的氧化反应产物嵌埋后，形成的陶瓷基复合体被移出熔融母体金属池，并被代之以一组新的(未被浸润的)预成型体。当这第二组预成型体至少已部分地被生长着的氧化反应产物嵌埋后，这第二组被移出母体金属熔池，并被代之以第三组预成型体，等等。这一过程可以无限地继续下去，直到母体金属熔池被耗净，或直到母体金属的某种组份的浓度变得小或过大，以至于不能保证氧化反应产物所需要的生长。
上一段中描述的漂浮实例，也可以被改造得适应陶瓷基复合体的连续制造。这可以通过提供使预成型体移动或横穿母体金属熔池表面的机构来实现。例如，连续制造可通过以方式实现(1)在母体金属熔池表面放置未处理预成型体于第一点，最好是放置在母体金属熔池的一端，这样，至少预成型体的一部分是与母体金属熔池接触的;(2)通过任何适当的机构移动预成型体横穿母体金属熔池表面到达第二个位置，最好是母体金属熔池的对面端，当预成型体被移动横穿母体金属熔池表面时，使母体金属与气相氧化剂的氧化反应产物长入和嵌埋预成型体;和(3)在第二点将嵌埋预成型体移出母体金属熔池。可以校准移动预成型体的机构，以使将特定的预成型体从母体金属熔池表面第一点移到第二点的时间，对应于完成所需的氧化反应产物向预成型体内长入量所需要的时间。这样，通过持续地向母体金属熔池表面第一点送入未处理预成型体，在经过一段经计算的时间以后，在第二点将浸润预成型体从母体金属熔池移走，可以实现连续工艺过程。或者，可以用视力观察来判断预成型体是否已被生长的氧化反应产物嵌埋到所需的程度(例如，当氧化反应产物长入预成型体时，预成型体可能会沉入熔融母体金属池;预成型体保留在母体金属熔池表面以上的量，可用来估计氧化反应产物长入预成型体的程度)。应当注意，在连续过程中，母体金属熔池中某些成份的浓度可能需要增加或减少。这可能是必要的，因为线体金属中的某些成份可能以不同于其它组份消耗速率的速率被消耗掉。各种成份的浓度，可以使用，例如传染器或连续采样技术来监测。当增加或减少线体金属中某些成份的浓度成为必要时，可以采用任何方便的方法，如可直接加入一种或几种成份，或加入与某些组份反应的元素或化合物，以增加或减小这些组份的浓度。
应当注意，实现漂浮实例的间歇、半连续和连续方法，并不局限于使用气相氧化剂。固体氧化剂和/或液体氧化剂和/或气丁氧化剂的任何组合，都可以用于此实例中。
在本发明的另一实例中，在最初或生长过程的某一时刻，预成型体可能倾向于沉没到母体金属熔池表面以下，当这种沉没发生时，可提供一种机构来防止预成型体完全沉没到母体金属熔池表面以下。例如，可以提供一个支撑系统，以保持至少预成型体的一部分在母体金属熔池表面以上。例如，包括挡板或一组柱的系统，这些挡板和柱是用在本过程所使用的温度下不显著地损害或反作用影响氧化反应产物的生长的材料制造的，可被放在预成型体之下，这样，预成型体和支撑系统之间的接触，保证至少每个预成型体的一部分保持在母体金属熔池表面以上。在连续过程方法中，支撑系统可以被安装在移动预成型体横穿母体金属熔池表面的机构之上。
图5显示了用于漂浮实例中间歇过程技术的一套装置(14)，它可以用来防止随着预成型体(19)被氧化反应产物浸润而沉没到母体金属熔池(15)表面以下。如图5所示，预成型体(19)漂浮在母体金属熔池(15)表面，表面下有一组安装或平放在容器(13)底的柱(21)，容器(13)容纳了母体金属熔池(15)。暴露给周围气氛的母体金属熔池(15)和预成型体(19)的表面，被覆盖上一薄层(17)防止或阻碍周围环境与熔融母体金属间反应的材料。然而，这一层(17)并不防止气氛与预成型体(19)接触，并允许氧化反应产物长入和至少部分地浸润预成型体(19)。如以上所描述的，这组柱，是用在本过程所使用的温度下不显著地损害熔融母体金属或与之反应的材料制造的。进一步，这组柱(21)的尺寸和形状，应当在预成型体(19)已至少部分地被氧化反应产物浸润后，是以防止至少预成型体(19)的一部分沉没到母体金属熔池(15)表面以下。
防止预成型体沉没到母体金属熔池表面以下的另一种方法，是在预成型体上安装漂浮套。这种漂浮套含有可以支持预成型体重量的材料，即，保持至少预成型体的一部分在母体金属熔池表面以上。进一步，在优先实例中，漂浮套可以至少在某种程度上，对于熔融母体金属和氧化剂的氧化反应产物的生长是不可渗透的。特别地，如果漂浮套不是不可渗透的，那么漂浮套郊和被嵌埋的预成型体结成一体，这在大多数情况下是不希望的。关于漂浮套的另一项考虑是，如果漂浮套被氧化反应产物部分地浸润，它应该在此被部分地浸润的的条件下仍保持足够的浮力，以支持被嵌埋的预成型体的重量。
图6显示了漂浮实例中间歇过技术的一套装置(16)的剖面，它可以用来防止预成型体(19)随着被氧化反应产物的生长所嵌埋而沉没互母体金属熔池(15)表面以下。如图6所示，多个预成型体(19)漂浮在容纳在容顺(13)中的母体金属熔池(13)表面。每个预成型体(19)上安装一个漂浮套(23)漂浮套含有具有上段所描述的特性的材料。漂浮套(23)保持预成型体(19)在母体金属熔池(15)表面以上。母体金属熔池(15)暴露给周围环境的表面，可以用一薄层(17)材料来覆盖，这种材料可以防止或阻碍周围环境与熔融母体金属的反应。预成型体919)的暴露表面，也可以用这样的材料覆盖，如果它们不是已被阻挡层或漂浮套(23)覆盖了的话。
除了以上描述的防止预成型体沉没到母体金属熔池表面以下的技术，还可以彩从上部或至少某一面来支持预成型体的方法。具体地，预成型体可以安装在一支持机构上，这一机构延伸到母体金属熔池的上部某处，或至少某一连，这一机构防止至少预成型体的一部分沉没到母体金属熔池表面以下。例如，一个固定的机构可以安装在预成型体上，同时安装在母体金属熔池表面上部某处，或至少某一面。这一固定的支持机构，在本实例的间歇和半连续方法中将是有用的。在连续方法的实例中，支持机构可以安装在固定在母体金属熔池表面上部某处，或至少某一边的轨道或索道上。在这一实例中，支持机构可以同时做为将预成型体移动横穿母体金属熔池表面的机构的一部分工作。
图7显示了漂浮实例中间歇过程技术的一套装置(18)的剖面，当预成型体(19)被氧化反应产物浸润，这套装置可以用来防止预成型体(19)沉没到母体金属熔池(15)表面以下。如图7所示，多个预成型体(19)漂浮在容纳在容器(13)中的母体金属熔池(15)的表面。预成型体(19)被安装在支持件(15)上，支持件则安装在高架支持物(27)上。支持件(25)与高架支持物结合，成为一高架支持机构，它防止预成型体(19)沉没到母体金属熔池(15)表面以下，支持件(25)可以安装成，当预成型体(19)部分地沉没到母体金属熔池(15)后，支持件(25)仅提供支持作用。母体金属熔池(15)和预成型体(19)暴露给周围环境的表面，被一薄层(17)能够防止或阻碍周围环境与熔融母体金属间反应的材料。然而，这一薄层(17)，并不防止气氛与预成型体919)接触，从而保证了氧化反应产物长入和至少部分地嵌埋预成型体(19)。
当使用气相氧化剂，而且当预成型体完全浸渍在母体金属熔池中时，没有适当的机构向预成型体供给气相氧化剂，只有在这些情形下，才需要外部的防止预成型体沉没到母体金属熔池表面以下的机构。
以上所描述的母体金属熔池，不受尺寸和形状的限制。例如，母体金属熔池，可具有正方形、长方形、圆形、三角形等表面，进一步，母体金属熔池的表面积，可在小于几平折毫米到大于几千平方米的范围。
在本发明的另一实例中，松散的填充物团块，或预成型体，至少被部分地约束在一支持机构内，随后被放入母体金属熔池(这一实例在以后有时被称为“浸渍”实例)。正如本发明的前一实例，这项技术可以以间歇过程、半连续过程、或连续过程实施。
当以间歇过程实施浸渍实例时，可将填充材料集团或预成型体约束进或安装到一支持机构，支持机构随后降低，与线体金属熔池接触。
在熔融母体金属与氧化剂的氧化反应产物已基本上完全长入并嵌埋松散的填充材料团块或预成型体后，将被嵌埋的填充材料团块或预成型体从母体金属熔池提升并冷却。母体金属熔池随后被抽干，并被新的母体金属熔池取代，这一母体金属熔池用于生长下一个陶瓷基复合体。
如果在浸渍实例中使用气相氧化剂，那么预成型体或填充材料松散团块的至少一部分，应保持在母体金属熔池表面以上，除非使用某一机构来向填充材料松散团块或预成型体供给气相氧化剂。剖面图1显示了这种机构的一个例子，在这里，使用了一不锈钢管(1)来向预成型体(2)供给气相氧化剂。如图1所示，具有圆台形状的预成型体(2)，被保持在一支持机构(3)中，支持机构包括在其底部安装了螺母(5)的螺纹杆(4)。螺母(5)被放置在耐火塞(6)内。在预成型体的上端，螺纹杆(4)穿过不锈钢板(9)进入到不锈钢管(37)中。不锈钢管(37)的下端与不锈钢板(9)接触，不锈钢管(37)的上端与一垫圈(35)接触。在此垫圈之上，两个弹簧(39)夹存3个垫圈(35)之间，套在螺纹杆(4)上。在不锈钢棒(4)的顶部，有第二个螺母(33)。当上面的螺母(33)拧紧时，不锈钢管(37)向不锈钢板(9)施加压力。而且，耐火塞(6)被拉向预成型体(2)。通过在预成型体(2)顶端和不锈钢板(9)底部之间，预成型体(2)低端和耐火塞(6)顶端之间使用含有称作“Fiberfrax paper”(Sohio/Carborundum公司生产)的耐火密封纸，并拧紧上螺母(33)，可将预成型体的内表面(41)与环境隔绝，通过使气相氧化剂穿过不锈钢管(1)并进入到预成型体(2)内部，可使氧化反应产物从熔融母体金属向着预成型体(2)的内表面(41)生长。可将一引导气相氧化剂向预成型体(2)的内表面(41)的流动的机构与不锈钢管(1)一起使用。在本发明的一个优先实例中，以上描述的机构，包括一网状陶瓷件，此陶瓷件从不锈钢管沿几个方向，最好是所有方向，延伸向预成型体(2)的内表面。网状陶瓷体可含有大于20%，小于95%体积的联通孔隙，例如，适宜的材料包括Amporox熔融金属过滤物(T-10和T-2颗粒等级，Astro Met，Inc.Cincinnati，OH 45215)。强迫气相氧化剂在一个或几个地点进入网状陶瓷体，并在陶瓷的几处地点释放出来，一些地点，优先设置在约略预成型体内表面(41)的底部，这样，在以上所说的气相氧化剂上升并与预成型体(2)的内表面(41)的中部和上部接触之前，使气相氧化剂的流动被引向预成型体内表面(41)的下部。这项技术使预成型体(2)的内表面(41)的下部，可以更多地获得气相氧化剂，并因此在预成型体内产生更均匀的氧化反应产物生长模式。可在预成型体(2)的内表面(41)上包覆阻挡层材料，以防止氧化反应产物的过分生长。如图1所显示的供给气相氧化剂的外部机构，当使用从包括固体氧化剂，液体氧化剂、内气相氧化剂源这一组中挑选的至少一种氧化剂时可能就是不必要的了。例如，为了在一高于室温，最好是在或接近母体金属熔点的温度产生至少一种气相氧化剂，可以将一种物质或一些物质的混合物放置在预成型体内部，它的分解或相互间反应，从而在氧化反应温度向预成型体内部供给至少一种气相氧化剂。或者，预成型体本身可含有固相氧化剂、液相氧化剂或二者的组合。
在浸渍实例的半连续形式中，可以在氧化反应产物的连续多次生长中重复使用，直到(1)熔融母体金属池被消耗净，或(2)母体金属某些组份的浓度增加或减少到如此程度，以至于妨碍了所希望的氧化反应产物的生长。
在浸渍实例的连续形式中，可将一系统装置放入、拉过、提出母体金属熔池，每个装置包括约束或安装在支持机构上的预成型体材料松散团块或预成型体。实现这一连续过程，可以通过将每一装置的支持机构安装到轨道或索道上，并计算轨道或索道的动动，以使装置与母体金属熔池接触足够的时间，从而保证氧化反应产物长入填充材料松散集团或预成型体所需的程度。使用气相氧化剂的连续过程浸渍实例，图示于图2中。
如图2所示，一系统装置(47)被连续地放入、拉过、提出母体金属熔池(50)。装置(47)安装在支持件(48上，支持件被安装在轨道上，并与之一起移动。
正如在浸渍实例的间歇过程方法，当预成型体或填充材料松散集团被全部浸渍在母体金属熔池中时，可以使用外部的机构向预成型体或填充材料松散团块供给气相氧化剂。这样，如图2所示，图1所示的装置也可以使用在浸渍实例的半连续和连续形式中。
如以上所讨论的，在连续过程方法中，在过程中增加或减少母体金属熔池中某些组件的浓度可能是必要的或有益的。这种增加或减少可能是有益的，因为母体金属熔池的某些组分的消耗速率，可能比其它成分的大。各种成份的浓度可以通过，例如，使用传感器或连续采样技术来监测。当有必要增加或减少母体金属某些成份的浓度时，可以使用任何方便的方法来增加或减少这些组分的浓度，例如，直接加入一种或几种组分，或者加入与某些组分反应的元素或化合物。
在本发明的漂浮和浸渍实例中，均可使用阻挡层机构来控制氧化反应产物的生长，并保证具有确定形状的陶瓷基复合体的生成。这些阻挡层机构和制作它们的材料，在本文的其它段落讨论。
本发明的另一实例，涉及生成包含熔融金属和氧化剂氧化反应产物的陶瓷基体的连续方法。在此实例中，将熔融母体金属与氧化剂接触，以生成母体金属与氧化剂的氧化反应产物。理想地，使用至少一个成型的阻挡层机构，以提供一个具有确定形状的空腔，氧化反应产物将长入此空腔。一旦与阻挡层机构接触，氧化反应产物的生长将停止，从而在阻挡层机构所决定的空腔内形成一具有确定形状的陶瓷基体。最终的具有特定形状的陶瓷基体的获得，可通过去除阻挡层机构和残存的母体金属残留物，这些母体金属残留物附着在陶瓷基体与熔融金体金属接触的表面上。为了以连续或半连续的方式实现这一过程可将一系列预先制作的、含有至少一种阻挡层材料的结构与熔融母体金属接触足够长的时间，以保证氧化反应产物生长到由每个成型阻挡层材料结构内壁所决定的那些边界。当氧化反应产物的生长已经基本上全部填满了阻挡层材料结构形成的内部空腔时，氧化反应将通过以下的法停止(1)停止已生成的陶瓷基体与熔融母体金属源的接触，或者(2)停止氧化剂与熔融母体金属源间的接触。对于以上刚刚描述的技术(1)，停止熔融母体金属与陶瓷基体的接触，可以通过物理方法，使容纳在阻挡层材料结构中的陶瓷基体与母体金属熔融源脱离接触。或者，可以向阻挡层材料结构的内部空腔供给经预先计算的量的母体金属，这些母体金属对生长所需要量的氧化反应产物是足够的。
对于上一段中所描述的技术(2)，停止氧化剂与熔融金属源间的接触，可以通过经外部机构，如耐火材料或不锈钢制中空管向成型阻挡层材料结构供给氧化剂，然后，当氯化反应产物的生长已经填充阻挡层材料结构的内部空腔剂所需的程度时，停止供给氧化剂。或者，可以在最初供给阻挡层材料结构内部空腔预先计算量的氧化剂，这样，当氧化反应产物已经填充内部空腔到所需要的程度时，氧化剂将被耗尽。
实现陶瓷基体连续生产的一种方法是，制作具有至少一个内部空腔的自封闭阻挡层材料结构。至少其中一个内部空腔的一部分，具有某种配置，以保证制造出具有与内部空腔形状对应的形状的陶瓷基体。而且，至少其中一个内部空腔的一部分可以容纳母体金属。此母体金属，可以在最初制作自封闭阻挡层材料结构时以母体金属固体铸块的形式引入，或者，母体金属可在任一时刻以粉末态或液态，通过阻挡层材料结构上的小洞或开口引入。引入自封闭阻挡层材料结构的母体金属的量，可以是(1)一预先计算量，足以导致填充内部空腔成型部分到所需程度的氧化反应产物的生长;或者(2)一富余量导致氧化反应物的生长，完全填满内部空腔的所有成型部分，仍有富余。后一项技术，技术(2)，可在制造出在其上附着有剩余反应母体金属，即固体金属残留物的陶瓷基体。
可通过数种方式向上一段中描述的自封闭阻挡层材料结构供给氧化剂。首先，阻挡层材料结构对周围氧化剂可以是可渗透的。第二，可使用外部机构向内空腔供给氧化剂。例如，可使用耐火材料或不锈钢制的中空管，至少一种氧化剂可以通过中空管。最后，可在最初向内空腔成型部分供给预先计算量的至少一种氧化剂，这些氧化剂足以保证氧化反应产物的生成填充内空腔定型部分到所需要的程度。
以上描述的自封闭阻挡层材料结构，可以被连续地提供给一机构，此机构移动这些结构穿过加热机构。(例如加热炉)，此加热机构保证自封闭阻挡层材料结构和它们容纳的材料获得发生氧化反应所需的温度。可以校准移动自封闭阻挡层材料结构的机构，以使自封闭阻挡层材料结构和它的容纳的材料。在氧化反应温度保持足够长的时间，从而保证氧化反应产物的生物填充阻挡层材料结构的内部空腔中成型部分到所需要的程度。在所需要量的氧化反应产物生长完成后，自封闭阻挡层材料结构和它们的容纳物被冷却，阻挡层材料和母体金属残留物，如果有的话，被从形成的有一定形状的陶瓷基体上移去。
连续生产陶瓷基体的另一方法，是将一系列阻挡层材料结构的开放部分与母体金属熔池接触，这些阻挡层材料结构包括(1)成型空型;和(2)开放部分。熔融母体金属与氧化剂反应，生成的氧化反应产物可以长入阻挡层材料结构内包含的成型空腔。当氧化反应产物的生长已经填充每个阻挡层材料结构内的成型空腔到所需要的程度，停止供给氧化剂，或停止阻挡层材料结构内的陶瓷基体与母体金属熔融源的接触，从而防止氧化反应产物进一步生长。
有多种技术可使阻挡层材料结构连续地与母体金属熔池接触。一种方法是用阻挡层材料包覆母体金属熔池，此阻挡层材料上有孔或槽，氧化剂通过它们与熔融母体金属接触。具有成型空的阻挡层材料结构被放置在每个孔或槽的上方，这样，氧化反应产物可以从孔或槽长入每个阻挡层材料结构内的成型空腔。这一方法可能需要用阻挡层材料将母体熔池几乎全部表面包覆，以防止在除孔或洞以外的地方，发生不需要的氧化反应产物的生长。可以制作一个系统，当温度和氧化剂条件使得氧化反应产物可在母体金属任何未被阻挡层材料包覆处生成时，用此系统时至少一种阻挡层材料连续地包覆母体金属熔池表面。因此，通过控制母体金属和/或与母体金属接触的环境气氛的温度，可在母体金属表面未被阻挡层材料覆盖时期，控制氧化反应产物的生长。通过连续地移走已被氧化反应产物的生长填充到所需要的程度的阻挡层材料结构，并将新的阻挡层材料结构放到露出的孔或槽上可以实现连续过程。
使用母体金属熔池来连续地生成陶瓷基体的另一方法是，连续地将阻挡层材料结构的开放部分与母体金属熔池接触，此阻挡层材料结构包括(1)一开放部分;和(2)一与开放部分相联的成型空腔。阻挡层材料结构可联结到一机构上，此机构移动阻挡层材料结构横穿母体金属熔池表面或其内部。可以在最初向阻挡层材料结构内的空腔供给母体或液体氧化剂，也可以通过一外部机构向其供给氧化剂，例如，使用与氧化剂源联结的耐火材料或不锈钢中空管。母体金属熔池不与阻挡层材料开放部分接触的暴露表面，在气氛或环境能与熔融母体金属反应的情况下，可用阻挡层材料(如拉斯顿颗粒)包覆。可以校准移动阻挡层材料结构横穿母体金属熔池或其内部的机构，以允许阻挡层材料结构与母体金属熔池接触足够长的时间，从而保证氧化反应产物的生长将填入阻挡层材料结构的内空腔到所需要的程度。通过连续地向母体金属熔池的某一部分供给新的阻挡层材料结构，并在母体金属熔池另一部分连续地移走已被氧化反应产物生长填充到所需程度的阻挡层材料结构，可以实现连续过程。
以上所讨论的连续地生成陶瓷基体的许多方法，可以改造以制造陶瓷基复合体。例如，阻挡层材料结构内的成型空腔，可在初始时容纳一材料，它随后被氧化反应产物的生长所嵌理，从而生长出陶瓷基复合体。而且，空腔可容纳至少一个可被氧化反应产物嵌理的预成型体。提供一支持机构以防止填充材料通过阻挡层材料结构开口部分逸出，可能是必要的。此支持机构可具有至少一个开口，开口保证母体金属能接近成型空腔，同时防止填充物产料逸入母体金属熔池。
当至少一种氧化剂是气相氧化剂时，具有足够的多孔或可渗透性，以保证气相氧化剂渗入预成型体而与母体金属接触，这样的预成型体在陶瓷基复合体的制造中是有用的。预成型体也应该是自支撑的和具有足够可渗透性的，以适应氧化反应产物在预成型体内发展或生成基质，而不是显著地干扰、破坏、或者改变预成型体的配置和尺寸。
可以使用固体、液体或气相氧化剂，或者它们的组合。例如，典型的氧化剂包括，非限制性地，氧气、氮气、卤素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲、和/或它们的化合物和组合，例如，氧化硅(做为氧源)、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯(做为碳源)，以及混合物如空气、H2/H2O和CO/CO2，后两者(即H2/H2O和CO/CO2)对降低环境氧的活性是很有用的。因此，本发明的陶瓷基结构，包含氧化反应产物，它们包括一种或多种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和氧氮化物。更确切地，氧化反应产物可以是，例如，氧化铝、氮化铝、碳化硅、硼化硅、硼化铝、氮化钛、氮化锆、硼化钛、硼化锆、碳化钛、碳化锆、氮化硅、硼化铪和氧化锡中的一种或几种。虽然氧化反应通常被描述成有气相氧化剂参加，单独地或与过程条件下为固体或液体的氧化剂一起参加，但应当注意，气相氧化剂的使用，对于制造陶瓷基复合体不是必需的。当不使用气相氧化氧而是使用在过程条件为固体或液体的氧化剂时，预成型体对于周围气氛没有必要是可渗透的。然而，预成型体仍应是足够地可渗透的，以适应氧化反应产物在预成型体内发育或生长成基质，而不显著地干扰、破坏、或者改变预成型体的配置和尺寸。
使用固体或液体氧化剂，可以在预成型体内造成比预成型体环境更有利于母体金属氧化机理的环境。这一加强的环境，对于促进基质在成型体内直到边界的发展和减少过生长，都是有益的。当使用固体氧化剂时，可以将其弥散在处于母体金属附近的预成型体的全部体积内或弥散在其一部分内，如以颗粒形式混合在预成型体内，过者，它可以做为制做预成型体的颗粒的包覆。适当的固体氧化剂可包括适宜的元素，如硼或碳，或者合适的可还原的化合物，如二氧化硅(做为氧气源，或某些硼化物，它们的热力学稳定性比母体金属的硼化反应物为低。
如果使用液体氧化剂，可以将其弥散在处于母体金属附近的预成型体的全部体积内或弥散在其一部分内。提及液相氧化剂，指在氧化反应条件下为液体的氧化剂，所以，液体氧化剂可以有一固体前体，如做为盐，在氧化反应条件下，固体前体熔化或成液体。或者，液体氧化剂可以有一液体前体，例如材料的溶液，以前体被用来包覆全部或部分预成型体孔隙表面，并在过程条件下熔化或分解，成为适宜的氧化剂部分。如这里所定义的液体氧化剂的实例，包括低熔点玻璃。
正如在共同拥有的专利申请和专利中所解释的，加入掺杂物质与例如铝母体金属配合，可能有益于氧化反应过程，掺杂材料的功能，可能依赖于其自身以外的一些因素。这些因素包括，例如，所需要的最终产物、当使用两种或多种掺杂物时掺杂物的组合。与合金化掺杂物组合的外加掺杂物的使用、掺杂物的浓度、氧化性环境和过程条件。
与母体金属一同使用的掺杂物;(1)可做为母体金属的合金成份提供;(2)可被使用于至少母体金属表面的一部分;(3)可被加入到填充材料中;或者(4)使用技术(1)、(2)、(3)的结合。例如，合金化掺杂物可以与外加杂物一起使用。通过将掺杂物粉末或掺杂物硬体与母体金属表面的至少一部分接触，可以形成一掺杂物源。例如，可以将一薄层含硅玻璃放置在铝母体金属表面。当被覆以含硅材料的铝母体金属(可能已在内部掺杂3mg)，在氧化性环境中被加热。例如，在空气中铝的情况下，加热到大约85℃至大约1450℃之间，最好是大约90℃至大约1350℃之间，就发生多晶陶瓷材料的生长。当将掺杂物外加到铝母体金属至少一部分表面时，多晶氧化铝结构的生长，一般显著地超出掺杂层(即，超出加入的掺杂层的深度)。在任何情况下，可将一种或多种掺杂物加入到母体金属表面。而且，合金化在母体金属内的掺杂物的任何浓度不足，都可以通过外加到母体金属的相应掺杂物的附加浓度而增加。
铝母体金属的有用掺杂物，特别是当以空气做为氧化剂时，包括例如，镁、锌和硅。它们的相互组合。或者，与以下描述的掺杂物的组合。这些金属，或这些金属适当的源，以掺杂后金属的总重量计，这些金属，或这些金属适当的源，可以每种金属大约0.1-10%重量的浓度合金化到铝基母体金属中。此范围内的浓度，似乎能引发陶瓷生长、加强金属输运和有益于形成的氧化反应产物的形态。任何一种掺杂物的浓度范围，都将依赖于如掺杂物组合和过程温度这样的因素。
能有效地促进氧化铝多晶氧化反应产物从铝母体金属系统生长的其它掺杂物是，例如，锗、锡和铅，特别是当与镁一同使用时。这些其它掺杂物、或它们的适当的源，被合金化到铝母体金属系统中，每种掺杂物的浓度从大约0.5到大约15%合金总重量，然而，可获得更理想的生长机理和生长形状，当掺杂浓度在大约1-10%母体金属合金总重量范围内时。铅作为掺杂物，在至少1000℃的温度下合金化到铝基母体金属中，以适应其在铝中的低溶解度;然而，加入其它合金成分，如锡，通常可以增加铅的熔解度，从而能够在较低的温度下加入合金材料。
在使用铝母体金属，并以空气为氧化剂时，特别有用的掺杂物组合包括(a)镁和硅或者(b)镁、锌和硅。在这些例子中，理想的镁浓度在从大约0.1到大约3%重量范围。对锌是从大约1到大约6%重量范围，对硅是从大约1到大约10%重量范围。
对铝母体金属有用的掺杂物的其它例子，包括钠和锂，根据过程条件，它们可以单独或与一种或几种其它掺杂物一起使用。可以使用极少量的钠和锂(在百万分之几范围，通常为大约百万分之100-200)，而且钠和锂中每一种可单独或二者共同使用，或者与其它掺杂物一起使用。钙、硼、磷、钇，及稀土金属如铈、镧、镨、钕和钐，也是有用的掺杂物，而且特别是当与其它掺杂物一起使用时。
当在外部使用掺杂材料时，它们通常被加入到母体金属表面的某一部分，做为其上的一均匀覆盖层。相对于加入了掺杂物的这部分母体金属的量，掺杂物量在一宽广范围内有效，在铝的形情中，试验中没能确定有效范围的上、下限。例如，当使用二氧化硅形式的硅，从外部加入，做为铝基母体金属的掺杂物，并以空气或氧气为氧化剂时，低达每克母体金属0.00003克硅，或母体金属暴露表面每平方厘米大约0.0001克硅，同第二种掺杂物源、镁一起，被用来发生多晶陶瓷生长现象。已经发现，通过以镁做掺杂物，其量大于每克被氧化母体金属0.0008克镁和大于加入镁的同体金属表面每平方厘米0.003克镁，用空气或氧气做氧化剂，可以从铝-硅合金母体金属获得陶瓷结构。
当以内部掺杂镁的铝为母体金属，空气或氧气做氧化介质时，在大约820℃到950℃温度下，观察到镁至少部分地在合金外氧化。在镁掺杂系统的这些情况下，镁在熔融铝合金表面生成了氧化镁和/或镁铝尖晶时相;在生长过程中，这些镁化合物基本上保留在生成的陶瓷基结构的母体金属初始氧化表面(例如，“初始表面”)。因此，在这些镁掺杂系统中，除了初始表面上相对较薄的镁铝尖晶石层外，制造出了氧化铝基结构。需要时，在使用这种多晶陶瓷基制品之前，可通过研磨、印削、抛充或喷砂容易地除去此初始表面。
在本发明的另一实例中，在多晶氧化反应产物制品的生长过程中可以引入一种不同气相氧化剂。在这一内容下，“不同”应被理解为指组成在化学上不同于原气相(或固体)氧化剂组成。这样，用“不同”气相氧化剂生成的第二种氧化反应产物制品，将形成相互完整连结的两个陶瓷基体或相，并具有分层性质(例如，可在最初生成的陶瓷基复合体上生成另一层)。
在另一实例中，首先完全地生成一陶瓷基复合体，随后，完全地生成的陶瓷基复合体，被暴露给氧化剂，最好是与用来生成氧化反应产物的氧化剂“不同”的氧化剂;这些氧化反应产物在陶瓷基复合体中做被嵌埋填充材料的基质。在此供选择的实例中，陶瓷基质复合体中的残余母体金属，被吸向陶瓷基复合体的至少一个表面，并与“不同”氧化剂反应，由此在首先生成的氧化反应产物基体上生成不同的氧化反应产物。
在本发明的另一实例中，陶瓷基复合体中的金属组分，可通过改变其组成而选定。确切地，例如，可在比如说氧化反应产物生长期间，将第二种金属合金化或扩散进母体金属，以有益地改变母体金属的组成，并由此，机械、电和/或化学性质。
为帮助生成具有一定形状的陶瓷基复合体，可将一阻挂层机构与填充材料预成型体一起使用。确切地，适于本发明应用的阻挡层机构，可以是任何能干扰、阻碍或停止氧化反应产物的发展或生长的适宜机构。适宜的阻挡层机构可以是任何材料、化合物、元素、组成，或类似物，在能够局部地阻碍、毒化、停止、干扰、防止或类似的作用，氧化反应产物连续生长的同时，它能保持一定的完整性，不挥发，而且对气相氧化剂最好是可渗透的，如果使用气相氧化剂的话。
阻挡层机构的一类，似乎是这样一族材料，它们不能显著地被输运的熔融母体金属所湿润。这种类型的阻挡层，似乎实际上很少或没有显示对熔融金属的亲合性，生长可被阻挡层机构停止或阻碍。其它阻挡层，倾向于通过大量地溶入或稀释输运金属，或通过生成固相反应产物(例如金属间产物，它能阻碍熔融金属的输运过程)等方式，与输运熔融母体金属作用，以阻碍进一步生长。这种形式的阻挡层，可是金属或金属合金，包括它们的适宜前体，如氧化物或可还原的金属化合物，或密实的陶瓷材料。由于这种阻挡层的阻碍过程的性质，在生长停止之前，生长可能延伸入或者超超阻挡层。然而，阻挡层减少了生成的氧化反应产物可能需要的任何最后切削或研磨。如以上所申明的，阻挡层应优先为可渗透的或多孔的，因而，当使用固体，不可渗透壁时，阻挡层应在至少某一区域开放，或在一端或两端开放，以保证气相氧化剂接触熔融母体金属。
在本发明中，当使用铝母体金属，用空气做氧化剂时特别有用的适宜的阻挡层是硫酸钙、硅酸钙和磷酸三钙。这些阻挡层似乎局部地与发展着的氧化反应产物作用，生成不可渗透的铝酸钙层，铝酸钙层局部地停止氧化反应产物的进一步生长。这些阻挡层通常以泥浆或膏的形式加到填充物基底表面，填充物基体最好为预成型体。阻挡层机构也可以包括适当的可燃烧或挥发性材料，它在加热时消失，或者包括加热时分解的材料，以此来增加阻挡层机构的可渗透性和多孔性，再进一步，阻挡层机构可包括适当的耐火颗粒，以减少否则可能产生的收缩或开裂。具有与填充物基底几乎相同的膨胀系数的颗粒，是特别需要的。例如，如果预成型体包含氧化铝，而且形成的陶瓷也含有氧化铝，阻挡层可与氧化铝颗粒混合，氧化铝颗粒最好有大约20-1000的颗粒度。例如，可将氧化铝颗粒与硫酸钙大约10∶1到1∶10的比例范围混合，最佳比例在1∶1附近。在本发明的一个实例中，阻挡层机构包括硫酸钙的混合物(即热石膏和波特兰水泥)。可将波特兰水泥与热石膏按10∶1至1∶10的比例混合，最佳波特兰水泥对热石膏的比例大约为1∶3。如果需要的话，也可以单独使用波特兰水泥做阻挡层材料。
在另一实例中，使用铝母体金属，以空气作氧化剂，以硅石和热石膏按化学计量比混合作为阻挡层，但可以有过量的熟石膏。在处理中，熟石膏和硅石反应，生成硅酸铝，由此形成的阻挡层几乎没有裂纹，特别有利。在另外一个实例中，熟石膏与大约25-40重量百分比的碳酸钙混合。加热时，碳酸钙分解放出二氧化碳，因此增强了阻挡层机构的多孔性。
其它对铝基母体金属系统特别有用的阻挡层包括含铁材料(例如，不锈钢容器)、氧化铬和其它耐火氧化物，它们可被用做填充物基底的叠加壁或容器，或者用作填充物基底表面的一层。其它阻挡层包括致密的烧结或熔融陶瓷如氧化铝。这些阻挡层通常是不可渗透的，因而或者特制以适应多孔性，或者需要一开放部分如开放端。这些阻挡层机构在反应条件下可能生成脆性产物，但可以通过研磨去除，以恢复陶瓷基体。
可以将阻挡层机构制作或制造成任何适宜的形式，大小和形状，而且当使用气相氧化剂时，最好对于气相氧化剂是可渗透的。可以以薄膜、膏、泥浆、有孔或无孔的薄片或板，或者格或孔的网如金属或陶瓷栅或织物，或者以上的组合等形式使用阻挡层机构，阻挡层机构还可以包含某些填充物和/或粘合剂。
阻挡层机构的大小和形状，依赖于所需要的陶瓷基制品的形状。仅举一例，如果阻挡层机构被放置在距母体金属一预先确定的距离，当陶瓷基质的生长遇到阻挡层机构时，它将局部地被停止或受到阻碍例如，如果中凹的阻挡层至少部地放置离开母体金属，多晶生长将发生在由中凹阻挡层边界和母体金属表面积所确定的体积空间内。生长在半凹阻挡层的边界显著地停止。去除阻挡机构后，就留下一陶瓷基体，它具有至少一个由阻挡层机构中凹性所确定的凸起部分。应当注意，对于具有气孔的阻挡层机构情形，可能会发生多晶材料过生长入孔隙，虽然这种过生长可以通过使用更有效的阻挡层材料而被有力地限制或消除。在此情形下，当将阻挡层机构从生成的多晶陶瓷基体移去后，任何多晶过生长，都可以通过研磨、喷砂或类似方法除掉，以制造所需要的没有残余多晶材料过生长的陶瓷基质部分。可以进一步解释，如果将阻挡层机构放置离开母体金属，而且其在向着金属的方向有一圆柱形凸起，将会将成一具有圆柱形凹陷的陶瓷基体，圆柱形凹陷复制了圆柱形凸起的相同半径和浓度。
为了在陶瓷基复合体的生成过程中达到最少或没有多晶材料的过生长，可以将阻挡层机构放到任何填充物基底或预成型体的确定表面边界上，或放置得紧密邻近此表面边界。将阻挡层机构设置在其底或预成型体的确定表面边界上，可以通过任何适当的方法，例如用阻挡层包覆确定的表面边界。施加这样的阻挡机构层到确定的表面层边界，可以通过涂覆、渗渍、丝网印刷、蒸镀等方式，或者以液体、泥浆或膏的形式施加阻挡层结构，或者通过喷镀挥发性阻挡层机构，或者通过简单地沉积一层阻挡层机构固体颗粒，或者通过施加阻挡层机构的一薄层或薄膜。设置上阻挡层机构后，多晶氧化反应产物的生长在到达预成型体确定的表面边界，并与阻挡层机构接触时停止。
在制造陶瓷基复合体的一个优先实例中，制作了可渗透的定型预成型体(以下更详细地描述)，它具有至少一个确定的表面边界，确定的表面边界的至少一部分与阻挡层机构接触或被阻挡层机构包覆。应当清楚，术语“预成型体”可包括不同预成型体的组装，最终联结成一完整的复合体。预成型体被放置在一种或多种母体金属表面，或表面一部分的附近，或者与表面接触，这样，预成型体的部分确定表面大致处于远离或背向母体金属表面，预成型体与阻挡层机构接触或被其包覆，氧化反应产物的生成将沿着指向阻挡层机构的方向长入预成型体。阻挡层机构、可渗透的预成型体和母体金属形成一套组合，当在加热炉中加热此组合，母体金属和预成型体将暴露给，例如气相氧化剂，或被其包围;气相氧化剂可以与固体或液体氧化剂一起使用。金属和氧化剂反应，反应过程持续到氧化反应产物已经长入并嵌埋预成型体，并开始与确定的表面边界接触，此表面边界与阻挡层结构接触或被其包覆。最典型地，预成型体和陶瓷基质的边界是基本重合的;但是，预成型体在表面的各别组成可能从基质中暴露出来或突出来，因而陶瓷基质对预成型体的嵌埋或浸润，就完全地用基质嵌埋或封闭预成型体来说，可能是不完全的。通过与阻挡层机构接触，阻挡层机构防止、阻碍或停止氧化反应产物的生长;当使用阻挡层材料时，基本上不发生氧化反应产物的过生长。所生成的陶瓷基复合制品，包括被陶瓷基质浸润或嵌埋到其边界的预成型体;陶瓷基质包含多晶材料，此多晶材料基本上是母体金属与氧化剂的反应产物，理想地，还包含一种或多种金属成分，如母体金属未氧化成份或氧化剂还原后的成份。
在使用气相氧化剂时，虽然有时有必要用能够防止或阻碍环境与熔融母体金属发后的材料覆盖母体金属熔池的暴露表面，然而，有某些条件，可以实现本发明的漂浮实例而不覆盖母体金属熔池的任何表面。确切地，填充物团块或预成型体可以包含对气相氧化剂与熔融金属的氧化反应产物的生长是必要的材料。这样，在不与填充材料团块或预成型体接触的母体金属熔池表面，将不生成氧化反应产物，因而，母体金属熔池暴露表面上，没必要有覆盖材料。
或者，填充材料团块或预成型体可以物理地，而不是化学地，与母体金属熔池作用，以保证生成熔融母体金属和气相氧化剂的氧化反应产物，它长入或嵌埋填充材料团块或预成型体。确切地，填充材料团块或预成型体内容纳的颗粒，可以为熔融母体金属提供一温润表面，此湿润表面保证熔融母体金属逸出自然保护层，此自然保护层存在于母体金属熔池表面。一旦熔融母体金属逸出自然保护层，它可以在填充材料团块或预成型体内与气相氧化剂反应，以形成氧化反应产物制品体。而且，此氧化反应产物体并不是在暴露给气相氧化剂的母体金属熔池表面生成的，因为自然保护层阻止熔融母体金属和气相氧化剂间的任何进一步相互作用。因此，没有必要用可防止或阻碍气氛和熔融金属间反应的材料来覆盖母体金属熔池的暴露表面，因此，在某些情形下，有可能选择填充材料、母体金属、掺杂物、氧化剂的组合及温度，以保证熔融母体金属和气相氧化剂的氧化反应产物长入并嵌埋漂浮在母体金属熔池表面的填充材料团块预成型体，而没有必要用可防止或阻碍气相氧化剂和熔融母体金属间反应的材料覆盖母体金属熔池的暴露表面。
本发明的漂浮实例，可用来制造很大和很厚的陶瓷基体和陶瓷基复合体。另外，在熔融母体金属和气相氧化剂进行氧化反应期间，当正在发育的陶瓷基体和陶瓷基体一定程度地沉入母体金属熔池表面以下时，基体沉入母体金属熔池表面以下的部分，避免了气相氧化剂的进入，因而在初始的填充材料集团或预成型体边界之外，如果使用阻挡层的话，显示最少的氧化反应产物的过生长。最后，本发明的漂浮实例，允许加热炉在相对较窄的温度范围内连续操作，因为当在完成每一氧化反应产物生长周期之后，没有必要将加热炉冷却到周围的室温。因此，最后的冷却阶段和最初始的加热阶段都避免了，因此节省了大量的处理时间。
本发明漂浮实例的优点，有些已在这段中陈述;这些优点，使得此方法可被用来连续址制造具有多种尺寸和形状的陶瓷基体和陶瓷基复合体。因此，本发明的漂浮实例，将保证能以比当前采用的方法费用较低，原材料和能源利用效率较席的方式，大批量制造范围广泛的陶瓷基体和陶瓷基复合体。
实例1以下实例显示了本发明漂浮实例的间歇制造方法。
通过以下表述的步骤，制备三十个预成型体。
(1)准备含约95%重量比未研磨平均颗粒直径2.9μm的Alcan C-73氧化铝(Alcan Ciemicals，Division of Alcan Alwminum Co.，Clevel-and，OH)和大约5%重量百分比细颗粒研磨MTN-U-SILR硅石(U.S.Silica Company Sp Berkley，Springs，WV)的混合物。
(2)如(1)中描述的固体混合物，再与浓度大约为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体，达到全部固体总重量的大约2%。
(3)干燥(2)中制备的混合物到含水量为1-2%重量比水平。
(4)干燥后，将混合物过20目筛，过筛后混合物包含直径大约840μm或更小的颗粒。
(5)将过筛混合物在大约10，000磅每平方英吋(703kg/cm2)的后力下压成环，环大约0.4英寸(10mm高(从顶部到底部测量)，外径大约1.64英寸(42mm)，厚大约0.23英寸(5.8mm)(从内直径壁到外直径壁测量)。
(6)压制成型后，将预成型体放在耐火平板上，在大约1250℃温度下，在空气中的加热大约24小时，然后冷却到周围室温。
(7)到达室温后，用阻挡层材料混合物手工涂覆预成型体。阻挡层材料混合物包含大约50%重量比水平和大约50%重量比混合物，此混合物含大约30%重量比细颗粒MIN-U-SILR研磨硅石和大约70%重量比BONDEXR熟石膏(Bondex Internotimal，Inc.，Brunswick，OH)。
(8)用(7)中描述的阻挡层材料涂覆预成型体，外径、内径和一面对涂覆，即，只有一面未涂覆。
(9)大约10克325目(粒径45μm或更小)的99.99纯硅金属(从Atlantic Equipment Engineers，Bergenfield，NJ处获得)与大约15克水混合，形成泥浆。将其泥浆涂覆到预成型体未用阻挡层材料涂覆的面上。
(10)涂层干燥后，称量预成型体重量，发现阻挡层材料的重量大约为0.5至1.5克/预成型体，硅涂层大约为0.03至0.07克/预成型体。
(11)涂覆后的预成型体被加热到大约900℃，然后直接放到大约900℃的铝合金熔池表面。
(12)在(11)中提及的铝合金，为可商业上获得的铝合金380.1，其标称确定的组成为含8-8.5%重量比Si，2-3%Zn，和0.1%Mg作为活性掺杂物，3.5%Cu及Fe、Mn、和Ni，但mg的含量有时较高，例如，在0.17-0.18%范围。
(13)预成型体与铝合金熔池接触的表面，是硅涂覆表面。
(14)在将预成型体放到铝合金熔池表面之前，机械地削刮熔池表面，以除去可能已形成的氧化铝膜保护层。
(15)在所有30个预成型体均被放置在铝合金熔池表面以后在母体金属熔池的所有暴露表面撒上厚约1/2英寸(13mm)的拉斯顿粉末;此粉末为NYADR-325目(粒径45μm或更小)(Nyco，Willisboro，NY)。以此来防止这些暴露表面有任何氧化反应物的生长，拉斯顿粉末也覆盖预成型体的暴露表面。
(16)铝合金熔池的表面积大约为90平方英寸(58，064mm2)。
(17)当每只预成型体都已被熔融铝合金和空的氧化反应产物的生长所完全地嵌理，用钢钳将其从铝合金熔池表面移去，并直接放置在处于空气中周围室温的沙床上。嵌埋预成型体被移出加热炉之前，通过在熔融母体金属池上方摇动未除掉每只预过型体上的多余熔融母体金属。第一只预成型体在其被放置在铝合金熔池表面16小时后移出，最后一只预成型体在其被放置到铝合金熔池表面24小时后移出。
在去除阻挡层材料和母体金属残留物，如果有的话，之后，形成的陶瓷基复合体经视觉检查。发现很少或没有氧化反应产物的过生长而且生成的陶瓷基复合体非常接近初始预成型体的尺寸。而且，还发现铝母体金属和空气的氧化反应产物很快地嵌埋预成型体。
实例2以下实例显示了本发明漂浮实例的半连续方法。
制作两个大约10英寸(254mm)×12资寸(305mm)×6英寸(152mm)深的容器。一个容器用90RAMRPC塑性制品耐火材料(C-E Repractories，Valley Forge，PA制做，另一个容器用CATOLASTRAL氧化铝泥浆耐火材料(Harbison-Walker Refractories，Pittsburg，PA)制作。在应用于本试验之后，两个容器都经烧成。烧成后，将容器放入加热炉，并在每个容器中放入可商业上获得的380.1铝合金块，在大约700℃，铝合金块熔化，在每个容器中形成铝合金熔池;380.1铝合金具有标称确定组成8-8.5%重量比Si、2-3%Zn、和0.1%mg作为活性掺杂物、和3.5%Cu，以及Fe、Mn和Ni。以上所描述的380.1铝合金的镁含量，有时高于标称确定组成所宣称的含量，例如，Mg含量有时在0.17-0.18%重量比范围内。
将要漂浮在铝合金熔池表面的第一组预成型体为圆形预成型体，其尺寸大约为，高一英寸(25mm)，直径2英寸(51mm);含有颗粒度500的39CRYSTOLONR碳化硅(Norton Co.，Worcester，MA出售)，混合有大约2-4%重量比的ELMER′SRProfessional Carpenter′s Wood Glue(聚乙酸乙烯脂，Borden Chemical，Columbus，OH出品)。在将碳化硅与ELMER′SRProfessional Conpenter′s Wood Glue混合之前，将碳化硅集团空气中大约130℃预烧大约24小时，以使碳化硅颗粒集团生成大约15-25%重量比的二氧化硅。预成型体制成稍有倾角，以使底部直径约为2英寸(51mm)，顶部直径约为1英吋(45mm)。而且，预成型体在其顶部表面有一大约1/2英吋(13mm)深X1英吋(25mm)直径的圆柱形凹陷。三个这样的预成型体(每个初始时都处于室温)漂浮在每个容器中的铝合金熔池表面。在预成型体初始漂浮时，加热炉的温度大约为700℃。在此温度下，铝合金熔池的暴露表面被大约厚1/2英吋(13mm)的细拉斯顿层覆盖(如实例1中描述)。此拉斯顿层也覆盖预成型体的暴露表面。加热炉温度在2小时内从大约700℃升到大约900℃。温度保持在大约900℃大约120小时，然后在2小时内下降到大约700℃。加热炉内的气氛含有循环空气。预成型体在大约700℃与熔融铝合金保持接触大约12小时，然后从铝合金熔池表面移出。所有六个预成型体都被熔融铝和空气的氧化反应产物完全嵌埋。
当用机械刮削的方法除去硅灰石阻挡层材料和前一循环中可能生成的任何氧化物层期间，容纳熔融铝合金的容器保持在大约700℃，刮削完成后，立即将一只新的预成型体(初始时处于室温，放置到每个铝合金熔池表面;这些预成型体含有与前段描述相同的预烧碳化硅颗粒，但与4%重量比的ELMER′SRProfessional Carperter′s Wood Glue混合，尺寸为大约6英寸(152mm)外径和大约4 1/2 英吋(114mm)内径，大约1/2英吋(13mm)高。而且，将另一只预成型体(初始时处于室温)放置到每个铝合金熔池表面;这种预成型体含有以上描述的预烧碳化硅颗粒，并与大约2%重量比ELMER′SRProfessional Carpenter′s Wood Glue混合，其尺寸大约为2英吋(51mm)×大约2英吋(51mm)×大约2英吋(51mm)。在放置到每个铝合金熔池表面上之前，每只预成型体将与熔融铝合金接触的表面都被涂覆上类似于实例1中所描述的硅掺杂物浆。在预成型体初始漂浮时，加热炉温度大约为700℃。在此温度下，用一层厚约1/2英呎(13mm)的拉斯顿细颗粒(如实例所描述的覆盖铝合金熔池表面的暴露部分。拉斯顿层也覆盖预成型体的暴露表面。然后在2小时内将温度从大约700℃升到大约980℃，并在大约980℃保持大约200小时，然后在2小时内冷却到大约700℃。预成型体在大约700℃下从铝合金熔池表面移去，并进行视觉检查。以上所描述的直径6英吋(152mm)环被熔融铝和空气环境的氧化反应产物完全地嵌埋。而且，除了在每只预成型体顶部大约1/8英吋(3.2mm)厚的一层外，以上所描述的2英吋(51mm)×2英吋(51mm)×2英吋(51mm)碳化硅预成型体，也被熔融铝合金和空气环境的氧化反应产物所嵌埋。
在第二循环(在上一段中描述)之后，用新的铝合金块部分更新铝合金熔池;新铝合金块具有与以上描述的铝合金相同的组成。附加的铝合金块在加热炉温度大约为700℃时加入到加热炉。铝在大约30分钟内熔化，然后，用机械刮削的方法，除去保留在铝合金熔池表面的第二循环的残余拉斯顿颗粒和任何氧化物膜。在机械刮削步骤完成之后，立即将一碳化硅预成型体漂浮在每一铝合金熔池表面;此种预成型体具有与第二循环中大约2英吋(51mm)×2英吋(51mm)×2英吋(51mm)立方预成型体相同的组成，尺寸为大约4 1/2 英吋(114mm)×大约6 1/2 英吋(165mm)×大约1英吋(25mm)厚。一层如实例1描述的硅泥浆再次涂覆在每只预成型体将与熔融金属接触的表面。加热炉中的气氛为循环空气，预成型体(处于室温)被加入到大约700℃的加热炉中的铝合金熔池。在此温度，一层厚约1/2英吋(13mm)的NYADR-325目(颗粒45μm或更小)拉斯顿颗粒(NYCO，Willsboro，NY)被撒到铝合金熔池的暴露表面。此拉斯顿层也覆盖预成型体表面。然后，将炉温在两小时内从大约700℃升到大约980℃，并在大约980℃保持大约190小时，随后在两小时内降温到700℃。预成型体在700℃时被移出铝合金熔池表面并经视觉检查。两个预成型体均被熔融铝合金和空气的氧化反应产物完全嵌埋。
随后的循环使用了较大的预成型体，尺寸为大约3 1/2 英吋(89mm)×大约7英吋(176mm)×大约2英吋(51mm厚。这些循环中在预成型体下使用了空心砖以在氧化反应产物生长过程中支撑预成型体，空心砖为DBSC碳化硅陶瓷泡沫砖(每英吋10孔)和氧化铝(92%重量比)陶瓷泡沫砖(10孔每英吋，每种元件均可从Hi-Tech Ceramics，Inc.，Acfred，NY商业上获得)。这些空心陶瓷砖保证预成型体保持与熔融铝合金接触，同时防止预成型体沉没到铝合金熔池表面以下。空心陶瓷泡沫砖成功地支撑了预成型体，并保证其被熔融铝合金和空气气氛的氧化反应产物完全地嵌埋。
权利要求
1.至少一种自支撑陶瓷基复合体制造方法，其中包括提供一个母体金属熔池；将至少一种选自填充物料团块和至少一种预成型体的材料与母体金属熔池表面的至少一部分接触；将所说母体金属熔池中的熔融母体金属与氧化剂反应形成氧化反应产物，该产物长入并嵌埋所说至少一种材料的至少一部分之中；将所说母体金属保持在高于所说母体金属熔点，但低于所说氧化反应产物熔点的温度下，从而形成附加的氧化反应产物，该产物进入所说母体金属熔池和所说氧化剂之间并与之接触；在所说温度下继续所说反应以使所说母体金属熔池中的母体金属通过先期形成的氧化反应产物而逐渐移向所说反应剂并进入所说至少一种材料，从而可在所说氧化剂和先期形成的氧化反应产物之间的界面上不断形成新的氧化反应产物，并使所说氧化反应产物体逐渐增厚，而且嵌埋入所说至少一种材料的至少一部分之中；以及在所说至少一种材料已至少部分地被所说氧化反应产物嵌埋时，从所说母体金属熔池表面去除所说至少一种材料，从而形成所说至少一种自支撑陶瓷基复合体。
2.权利要求1的方法，其中所说至少一种材料的至少一面的至少一部分涂上阻挡材料。
3.权利要求2的方法，其中所说氧化反应产物生长至所说阻挡材料。
4.权利要求1的方法，其中所说至少一种材料附在漂浮柱上并可去除。
5.权利要求4的方法，其中所说漂浮柱也作为阻挡材料。
6.权利要求1的方法，其中提供外部供料装置，用以提供至少一种氧化剂给所说至少一种材料以有助于形成氧化反应产物。
7.权利要求1的方法，其中所说接触步骤包括将所说至少一种材料基本上连续地移过所说母体金属熔池的所说表面。
8.权利要求1的方法，其中所说接触包括将所说至少一种材料的至少一部分浸入所说母体金属熔池的所说表面之下。
9.权利要求8的方法，其中所说浸入包括采用一种支撑装置而实现所说浸入。
10.权利要求9的方法，其中所说氧化剂包括气相氧化剂，通过外部供料装置供给所说至少一种材料。
11.权利要求8的方法，其中所说至少一种材料包括预成型体，其中有空腔并且所说预成型体的至少一个壁可渗透气相氧化剂，而且所说预成型体浸入所说母体金属熔体之中，而空腔与气相氧化剂连通。
12.权利要求11的方法，其中所说气相氧化剂用外部装置供给。
13.权利要求12的方法，其中所说气相氧化剂和所说母体金属熔体中的母体金属形成氧化反应产物，该产物长入并嵌埋所说预成型体的至少一部分。
14.权利要求1的方法，其中在从所说母体金属熔池的所说表面去除所说至少一种材料之后，将至少另外一种所说至少一种材料与所说母体金属熔池的所说表面接触并重复所说反应，维持，连续和去除步骤。
15.权利要求12的方法，其中所说外部装置的至少一部分包括网状陶瓷，这可使所说气相氧化剂基本上均匀地分散进入所说空腔。
16.权利要求1的方法，其中所说母体金属熔池表面的至少一部分上涂有可防止其中形成氧化反应产物的材料。
全文摘要
公开了用间歇、半连续和连续过程制造自支撑陶瓷基体和陶瓷基复合体的方法，这些方法应用了熔融母体金属与氧化剂的定向反应，以生成嵌埋填充材料的氧化反应产物。
文档编号C04B35/622GK1048536SQ9010339
公开日1991年1月16日 申请日期1990年7月6日 优先权日1989年7月7日
发明者哈罗德·丹尼尔·莱舍, 拉特尼师·库玛·德维瓦迪, 佩里·布赖恩·戈德堡 申请人:兰克西敦技术公司