生产具有改善的微观结构的自支承陶瓷体的方法

专利名称:生产具有改善的微观结构的自支承陶瓷体的方法
本发明涉及一种生产自支承陶瓷体的方法，该陶瓷体作为铝母金属和含氧气相氧化剂的氧化反应产物形成，并具有改善的微观金属，这是由于加入了一种或多种过渡金属改良剂。本发明还涉及由此产生的陶瓷体。
在近些年来，在采用陶瓷作为结构用途上的兴趣日渐增大，而过去用的是金属。这种兴趣的动力在于，与金属相对比陶瓷就某些性能象抗腐蚀、硬度、弹性模量、耐火能力而言具有优越性。
现在致力于生产更高强度，更可靠的和韧性更好的陶瓷制品主要是集中在(1)改善陶瓷单体工艺方法的发展和(2)新材料组合物，特别是陶瓷基体复合材料的发展。复合材料结构是这样一种结构，它包括由两种或更多的不同材料制成非均质材料、坯体或成品，这些不同材料是紧密地结合在一起以便达到所需的复合材料的性质。例如，两种不同材料可以通过把一种材料埋置在另一种材料的基体中来实现紧密地结合。陶瓷基体复合材料结构一般包括一种陶瓷基体，它结合有一种或多种不同种类的填料，例如，颗粒状、纤维状，棒状等等。在以陶瓷代替金属中有几种已知的限制和难点，例如，比例的变化性(scalingversatility)，生产复杂形状的能力，满足最后用途要求的性质，和造价。转让给本申请的同一所有者的几个共同未决专利申请(此后称为共同所有专利申请)，克服了这些限制或难点并提供新颖的可靠的生产陶瓷材料，包括复合体的方法。该方法一般地披露于1986年1月15日申请的共同所有的美国申请系列号818，943中，该申请是1985年9月17日申请的系列号为776，964的部分继续申请，后者又是1985年2月26日申请的系列号为705，787的部分继续申请，后者又是1984年3月16日申请的美国申请系列号为591，392的部分继续申请，所有都以MarcS.Newkirk等人的名义，题目为“新颖陶瓷材料及其制造方法”。这些申请披露了生产自支承陶瓷的方法，该陶瓷体是从母金属生长成的氧化反应产物。熔融金属与气相氧化剂反应形成氧化反应产物，并且该金属经过氧化反应产物向氧化剂迁移，从而继续陶瓷多晶体的发展，它可产生出具有互相连接的金属成分。该工艺过程可通过采用合金化掺杂剂加强，例如，在空气中氧化掺有镁和硅的铝来形成α-氧化铝陶瓷结构的情况下所用的。该方法通过向前体金属表面施加掺杂剂材料改进，如在1986年1月27日申请的共同所有的美国专利申请系列号为822，999所描述的，该申请是1985年9月17日申请的下列号为776，965的部分继续申请，后者是1984年7月20日申请的系列号为632，636的部分继续申请，所有都以MarcS.Newkirk等人的名义，题目为“生产自支承陶瓷材料的方法”。
这种氧化现象用来生产陶瓷复合体，如在1986年1月17日申请的共同所有和共同未决美国专利申请系列号819，397中所描述的，该申请是1985年2月4日申请的系列号为697，876的部分继续申请，两者都以MarcS.Newkirk等人的名义和题目“复合陶瓷制品及其制造方法”。这些申请披露了生产自支承陶瓷复合体的新颖方法，该方法是通过使氧化反应产物从母金属向可渗透的填料块体内部长大，从而陶瓷基体渗透进填料内。然而，最终所得复合体不具有限定的或预先确定的几何形状，造型或轮廓。
生产具有预先确定几何形状或造型的陶瓷复合材料体的方法是在1986年5月8日申请的共同所有的和共同未决的美国专利申请系列号861，025中所披露的。按照在这个美国专利申请中的方法，该正在发展的氧化反应产物在朝向确定表面界面的方向渗透可渗透的预成型体。发现通过提供具有隔离剂的预成型体更容易得到高精确度，如在1986年5月8日申请的共同所有的和共同未决的美国专利申请系列号861，024中所披露的。这个方法生产异型自支承陶瓷体，包括异型陶瓷复合体是通过使母金属的氧化反应产物生长到隔离剂上，该隔离剂离开金属一定距离以建立界面或表面。陶瓷复合体具有一空腔，这个空腔带有一内部相反复制出的阳模的几何形状。该陶瓷复合体在1986年1月27日申请的共同所有的和共同未决的美国专利申请系列号823，542和在1986年8月13日申请的美国专利申请系列号896，157中作了披露。
结合在此供参考的上述的共同所有专利申请，披露了生产陶瓷制品的方法，这种方法在生产取代最后应用中的金属的陶瓷制品中克服了某些传统的制约或难点。
对这些共同所有的专利申请的每一个所共有的是这样的陶瓷体方案的披露，该陶瓷体包含有在一维或多维(通常为三维)的互相连接的氧化反应产物和一种或多种金属成分或组分。金属的体积，它一般包括未氧化的母金属和/或从氧化剂还原的金属，取决这样些因素如氧化反应产物形成的温度，允许氧化反应进行时间的长短，母金属的组成，掺杂剂材料的存在，任何氧化剂或填料材料的还原成分的存在，等等。虽然某些金属成分可以是孤立的或被包封的，常常是这种情况金属的相当大的体积百分数是互相连接的和在陶瓷体的外表面上能看见的。对这些陶瓷体可以看出这种含有互相连接金属成分或组分在约1～40%(体积)的范围内，有时会更高。这种金属成分可以在许多产品应用中，赋予陶瓷某些优良性质或改善其性能。例如，在陶瓷结构中这种金属的存在对陶瓷体的断裂韧性，热传导性，或电导性具有许多有利之处。
本发明披露了制造陶瓷体的一个方法，在该方法中加入工艺过程改良剂，其中的陶瓷体表现出的微观结构和未加入改良剂制造的实质上相同的陶瓷体相比有了改善。改善的微观结构可以对最后陶瓷产品的一种或多种性能有所改进或有助于改进。
所有前面的共同所有的专利申请的内容结合在此供参考。
对本说明书和附属权利要求
中所用的技术术语作如下定义“陶瓷”不应不适当地局限于经典意义的陶瓷体，也就是说，完全由非金属材料和无机的材料组成，而是指一种坯体，它主要是就组成或者主要性质而论是陶瓷，虽然该坯体含有少量或大量的一种或多种金属成分，按体积计最典型的范围约在1～40%，但可能包含更多的金属。
“氧化反应产物”是指在任何氧化状态的一种或多种金属，其中的金属已把电子给予另一元素或与其共用电子，化合物或其混合物。因此在这种定义下的“氧化反应产物”包括一种或多种金属与氧化剂反应的产物，氧化剂如氧气，氮气，囟素，硫，磷，砷，碳，硼，硒，碲和它们化合物和混合物，例如，Si O2(作为氧的来源)，可以被母金属还原的硼化物(作为硼的来源)，甲烷，乙烷，丙烷，乙炔，乙烯，丙烯(碳氢化合物作为碳的来源)，以及象空气，H2/H2O和CO/CO2之类的混合物，后两者(即H2/H2O和CO/CO2)在降低环境中氧的活性非常有用。
“气相氧化剂”，在采用的氧化环境中得到的条件下，它指定包含一特种气体或蒸气的氧化作用，意思是指一种氧化剂其中指定的气体或蒸气是母金属的唯一的占优势的或至少主要的氧化剂。例如，虽然空气的主要成分是氮气，但空气的氧含量是母金属的唯一氧化剂，因为氧是比氮显著强的氧化剂。所以空气适合于“含氧气体”氧化剂的定义，但不适合于在这里和在权利要求
中采用的“含氮气体”氧化剂的定义。
“母金属”是指这样的金属，例如铝，它是多晶体氧化反应产物的前体，并且包括相当纯的这种金属、具有杂质的和/或合金成分的市售金属，或以这种金属为主要成分的合金;当一种特定金属指定作母金属时，例如，铝，要在思想带有这个定义来理解该标定的金属，除非在上下文中另有说明。
本发明提供了一种生产自支承陶瓷体的方法，该方法是通过铝熔融母金属与含氧气的气相氧化剂进行氧化反应，并且包括采用连同母金属一起或与之结合的工艺过程改良剂。在至少一部分母金属氧化之前与母金属采用工艺过程改良剂。由于这种改良剂的存在，形成的氧化反应产物，氧化铝，表现出改善的微观结构(如下面极为详细的讨论)，这是和不加改良剂的通过实质上相同的工艺过程所生产实质上相同的氧化反应产物相比较而言，所得最终自支承陶瓷体包括母金属与气相氧化剂的氧化反应产物，以及，随意地，未氧化的金属成分。
通常，按照本发明，工艺过程改良剂(下面作极详尽的讨论)连同铝母金属一起使用。将母金属在含氧氧化剂存在的情况下加热到高于其熔点的温度，但低于氧化反应产物的熔点，形成熔融金属体。在这个温度下，或在这个温度范围内，该熔融母金属与气相氧化剂反应形成氧化铝作为氧化反应产物，该产物至少部分保持与熔融母金属体和气相氧化剂接触，并且处于其两者中间。当该熔融的母金属在以前形成的氧化反应产物和气相氧化剂的界面上与气相氧化剂接触时，从而继续氧化产生多晶体氧化反应产物。该氧化反应继续一段时间足以形成包括氧化反应产物的和，随意地，未氧化的金属成分的自支承陶瓷体。由于本发明的工艺过程的原因，包含多晶体氧化反应产物的基体和金属成分或空隙或两者的陶瓷体的微观结构，表现出微观结构上的改善(下面作极详细的讨论)。
这种改良剂可以通过几种方法中的任何一种，或其组合与母金属一起使用。该改良剂可以(1)在预加工阶段与母金属熔合，意图是包括使用市售母金属合金，这种母金属在其组成中包括有适宜数量的所要求的改良剂，(2)可以施加在母金属的一个或多个表面上，最好是生长的表面上，或者与之接触，或(3)在复合材料形成的情况下，该改良剂可以与填料或预成型体混合。这些方法的任一种，单独地或组合地，都一般作为与母金属一起使用的改良剂加以披露。
按照本发明的一个方案，将适量的改良剂通过预加工将其与母金属熔合来与母金属一起使用。改良剂的预加工熔合意思是包括采用市售铝母金属合金，该铝金属合金具有本来存在其合金组成中的适量的特种改良剂。进行母金属的氧化并且所得到的陶瓷产品表现出改善的微观结构。
在另一方案中，其中形成复合体，并且该氧化反应产物生长进入填料块体中或有一定形状的预成型体中，该改良剂可通过将其与填料或预成型材料混合来提供，或者施加到一个或多个它的表面上，最好是与母金属接触的表面上来提供。当氧化反应产物渗透填料，由此，将该熔融母金属输送经过发展的氧化反应产物，该熔融母金属接触到改良剂，典型的是合金或金属互化物，因此并与之连接。该所得陶瓷产品表现出改善的微观结构。
在又一方案中，改良剂是以化合物或混合物的形式提供的，该化合物或混合物与熔融的母金属反应和/或在工艺过程条件下分解，放出改良剂，然后该改良剂与母金属连接在一起。例如，这样一种化合物可以是一种金属氧化物，它可被熔融母金属还原。这种化合物可以以薄层施加在母金属体的顶上，或者与填料或预成型体材料混合或施加到填料或预成型体材料中。
图1为实例1中制造的未改善的氧化反应产物的放大400倍的微观结构的显微照片，使用的母金属合金包括5%(重量)的Si和3%(重量)的Mg作为合金化掺杂剂，以及空气作为气相氧化剂。
图2为一种改善的微观结构放大400倍的显微照片，该改善的微观结构是得自使用5.6%(重量)的Cu作为改良剂，与在图1的实例中采用的母合金结合使用。
图3为一种改善的微观结构放大400倍的显微照片，该改善的微观结构是得自使用2%(重量)的Ni作为改良剂，与在图1的实例中采用的母合金结合使用。
按照本发明，将铝母金属，特别是掺杂的(如下面所详细解释的)，并且是氧化反应产物的前体，成形为铸锭、坯段、坯棒、坯板等等形状;并且放入一惰性床、坩埚、或其它耐火容器的反应装置内。已经发现与母金属一起使用工艺过程改良剂能改善所得氧化反应产物微观结构，这是与按照非改善的但其它实际上相同的工艺过程生产出的实际上同样的氧化反应产物的微观结构相对比而言的。这种改良剂包括一种或多种金属或其前体，最好是过渡金属。优选的过渡金属包括元素周期表的Ⅰ-B，Ⅳ-B，Ⅴ-B，Ⅵ-B和Ⅷ族的元素。向包括母金属、耐火容器、和，随意地，复合填料或预成型体的装置提供适量的一种或多种工艺过程改良剂，方法是(1)改良剂与母金属的预加工熔合，或使用在其组成上具有适量改良剂的市售合金，(2)将改良剂施加到母金属的一个或多个表面上，或者使之与母金属的一个或多个表面相接触，或者(3)在形成复合材料的情况下，通过将适量的改良剂与填料或预成型体材料(对其技术下面将作极详细的讨论)混合，以使改良剂与母金属一起使用。
通过由熔融的铝母金属与作为氧化剂的氧气的氧化反应生产的陶瓷体其特征在于多晶氧化反应产物还含有一种或多种金属成分和/或孔隙。这种具有改善的微观结构的陶瓷金属，即这样一种陶瓷金属其中一种或多种微观结构特点是减小了尺寸或间距，相对于未改善的材料，可以预期在某些性质上显出改善，特别是某些机械性质。正如在此说明书和附属权利要求
中所采用的微观结构的改善，指的是像金属孔道尺寸，金属孔道的间隔，气孔大小和空间等等之类的微观结构特征的几何排列的变化，在由母金属的气相氧化所产生的两个陶瓷体之间一个坯体是标准的。这种在特殊微观结构的特点中的几何排列可以用在下面实例中描述的传统定量全相学技术进行定量测定。
已经发现和母金属一起采用数量相当少的改良剂产生具有改善的微观结构特征的陶瓷体，这种陶瓷体对于根据未改善的其它基本相同生产过程生产出的陶瓷体的微观结构而言。例如，将一种或多种过渡金属或其前体，例如，铜、镍、钨、铌、锆、铁、铬、钛和钴以0.1～10%(重量)加入到铝母金属内能实现所得氧化铝陶瓷体在微观结构上的改善，这是与未使用改良剂生产的陶瓷体的微观结构相比较而言的。应当清楚如这里和在附属权利要求
中所用的“连接”(“conjunction)一词或其类似的词是指将改良剂向一母金属内掺杂或与之接触，以及其它使改良剂处于这样的位置(例如加到填料上)以致于在氧化反应产物形成期间改良剂会由母金属接触或变成向母金属内掺杂。
正如上面所解释的，按照本发明，适量的改良剂可以在制造工艺过程之前通过向母金属内掺杂来提供。例如，在采用铝母金属和空气作为气相氧化剂形成氧化铝氧化反应产物的系统中，像钛、钨、铜、镍、铁、钴、锆、铌、铬或其它过渡金属之类的改良剂可以内掺到铝母金属中。例如，可能最理想的是使用铜作为工艺过程改良剂，因为有现成的市售含铜的铝合金。适量的铜金属一般为0.25～10%(重量)，以铝母金属为基。将铝母金属和铜改良剂金属在低于所希望的氧化反应产物，氧化铝，的熔点，但高于铜铝合金(如在上面参考的共同所有的专利申请中所描述的)的熔点进行加热。当熔融的铝前体金属与氧化剂在该合适的温度范围内接触时，形成一层氧化反应产物，这层产物对熔融的母金属是可渗透的。在某些情况下，当镁用作铝母金属的掺杂剂时(下面有详细的讨论)，可能有一镁铝尖晶石起始层，这个起始层会先于氧化铝氧化反应产物的形成。在任何情况下，熔融的合金经过形成的氧化反应产物向氧化剂输送。当该熔融的合金与氧化剂接触时，合金的铝金属成分至少部分氧化了，因此形成一逐渐增厚的氧化反应产物层。改良剂金属也是熔融合金的一种组分，同样输送进入已形成的氧化反应产物里面去。然而，铜改良剂金属，例如铜，通过氧化并未从熔融母金属上耗尽，因为形成其氧化物的形成自由能比氧化铝的形成自由能的负值更小些。因此，当铝被氧化并从熔融的合金上消耗掉时，改良剂的相对浓度就会增大。铝金属的氧化继续进行一段时间足够形成氧化反应产物所需的数量。在有加入的改良剂存在时，发现最终所得陶瓷具有改善的微观结构。
在将所需量的改良剂金属以层状施加到或者使其与一个或多个铝母金属表面接触的情况下，母金属就会与作为气相氧化剂的空气进行反应，适用的改良剂，例如，钴、锆、镍、钨、钛、铌、铁、铜或铬，最好呈粉状或颗粒状散布在母金属的一个或多个表面上，或与之接触。例如，镍可能是本发明陶瓷产品制造中的理想改良剂，所以，将适量的镍粉，一般在铝母体金属重量的0.5～10%(重量)范围，散布在铝母金属体的生长表面上。当熔融的铝金属前体与镍金属接触时，适量的镍金属就与熔融的铝金属连接在一起。于是熔融的金属输送进入氧化铝氧化反应产物里面。最终所得氧化反应产物表现出改善的微观结构。
产品是陶瓷复合体情况时，该产品通过使氧化反应产物生长进入放在铝母金属邻近的填料材料块体中或可渗透过的预成型体中制造的，改良剂金属可以与母金属熔合，或者它可以通过与填料材料或预成型材料混合，或者以层状施加到一个或多个同样材料的表面上来提供。在希望改善陶瓷体全部微观结构的情况下，就须注意保证至少部分混合的改良剂与母金属体接触。例如，如果所期望的复合产物包括氧化铝陶瓷基体，该陶瓷体是通过透过碳化硅颗粒床的铝母金属的气相氧化制成的，碳化硅颗粒可以预成型到生坯体内部，像钛、铁、镍、铜、铬等等的粉状或颗粒状的改良剂可以与碳化硅填料材料混合。例如，最理想的是使用镍作为改良剂来改善陶瓷体的微观结构。所以将适量的金属与碳化硅填料混合。颗粒状金属的适量为每100克铝母金属约0.1～10克的镍。因为已形成的氧化铝氧化反应产物夹在碳化硅颗粒层间，并且熔融的铝金属输送经过，熔融的铝金属接触和溶解混合的镍金属。由此适量的改良剂与熔融母金属结合在一起。在某些情况下，改良剂的一部分可以以孤立的改良剂内含物形式存在于复合材料中。所说的改良剂是没有和熔融母金属连接的，但包括在由氧化反应产物透过的填料块体或预成型体的那部分中。该改良剂金属还可以只施加在填料块体或有一定形状的预成型体的一个或多个表面上。例如，可以将镍粉以层状施加到碳化硅床或预成型体表面上。当熔融铝前体金属接触到这个表面时，大量的镍金属就在这个表面上连接在一起。按照本方案将改良剂施加到填料块体或预成型体的一个或多个外表面上，产生一种具有改善的微观结构的外层的复合材料体。
在本发明的实践中，其中改良剂金属提供到母金属外表面上，该改良剂可以以混合物或化合物形式提供，该混合物或化合物会与熔融母金属反应，和/或在工艺过程条件下分解放出改良剂金属，然后该改良剂与母金属连接在一起。这样一种化合物可以是金属氧化物，该氧化物可以被母金属还原，或与母金属反应放出改良剂金属。例如，如果陶瓷复合体是所期望的，包含由母金属和埋置的氧化铝填料材料颗粒氧化制造的氧化铝陶瓷基体，将像镍、铁或铬之类的所期望的改良金属的氧化物，可以与氧化铝埋藏材料混合，或在铝母金属顶上铺上一层。例如，铬金属可以用来作为改良剂金属，方法是将氧化铬与埋藏材料混合。当熔融铝与氧化铬接触时，熔融铝会还原氧化铬并放出铬金属。于是大量放出的铬金属与熔融铝连接在一起，如上面所讨论过的。
正如在共同所有的专利申请中所说明的，和母金属一起采用的掺杂剂材料对氧化反应过程有有利影响。所以除了改良剂之外采用一种或多种掺杂剂材料是有利的。但是，应该注意除了改良剂金属之外当采用掺杂剂材料时，每一个的存在可以影响另一个的作用和/或性能。因此，在采用掺杂剂来实施本发明中，为实现所期望的每一个结果所需要的改良剂金属和掺杂剂的各自的浓度可能是变化的。所以当设计一个体系时，应该注意考虑在特定情况下存在的所有金属的影响。如改良剂金属的情况，与母金属连接或结合使用的一种掺杂剂或多种掺杂剂(1)可以作为母金属的合金组分提供，(2)可以施加到至少母金属一部分表面上，或(3)可以施加到或混进填料材料或预成型体的一部分或全部，或者可以采用工艺技术(1)，(2)或(3)的两种或多种的任意组合。例如，合金化的掺杂剂可以单独使用或者与第二种外部掺杂剂组合使用。在工艺技术(3)的情况下，其中另外一种或多种掺杂剂施加到填料材料上，施加方法可以用共同所有专利申请中所说明的任何一个适宜方法来完成。
一种特定掺杂剂材料的一种功能或多种功能可能取决于许多因素。例如，这种因素包括当采用两种或多种掺杂剂时，掺杂剂的特殊组合，掺杂剂使用的浓度，氧化的环境，工艺过程条件，以及如上所述的，存在的改良剂金属的特性和浓度。
以空气作为氧化剂，对铝母金属非常有用的掺杂剂，包括镁、锌和硅，特别是当彼此组合或与其它掺杂剂组合使用的时候，如以下所描述的。可将金属，或这些金属的合适来源，熔合到铝基母金属中，每一种浓度约在0.1～10%(重量)，以最终所得掺杂的金属总重为基础。这些掺杂剂材料或其合适的来源(例如Mg O，Zn O或Si O2也可以外加到母金属上。因此对采用空气作为氧化剂的铝硅合金母金属来说可以得到氧化铝陶瓷结构，方法是采用Mg O作为外部掺杂剂加入量大于约每克要氧化的母金属0.0008克，大于要施加Mg O的母金属每平方厘米0.003克。然而，如上所述，所需的掺杂剂的浓度可能取决于改良剂的特性、存在和浓度。
铝母金属的掺杂剂的另外一些例子包括钠、锗、锡、铅、锂、钙、硼、磷和钇，它们可以单独使用或与一种或多种其它掺杂剂结合使用，这取决于氧化剂、改良剂金属的特性和数量以及工艺过程条件。像铈、镧、镨、钕和钐之类的稀土元素也是有用的掺杂剂，这里又特别是当与其它掺杂剂组合使用时。所有这些掺杂剂材料正如在共同所有的专利申请中所说明的，对铝基母金属体系来说，在促进多晶体氧化反应产物生长中都很有效。
可以采用隔离剂来抑制氧化反应产物的隔离剂以外生长或发展。合适的隔离剂可以是任何材料，化合物，元素，混合物，或诸如此类，在本发明的工艺过程条件下，隔离剂保持完整，不挥发，并且最好对气相氧化剂是可渗透，同时能局部防止、阻止、停止、干扰、抑制氧化反应产物的继续生长。合适的隔离剂包括硫酸钙(熟石膏)、硅酸钙、波特兰水泥，及其混合物，一般将这种材料以料浆或灰膏的形式施用到填料或预成型体的表面上。这些隔离剂还包括合适的可燃材料或挥发性材料，为增大隔离剂的孔隙率和透过性，可通过加热排除掉可燃物或加热分解掉挥发物。更进一步，隔离剂可以包括合适的耐火颗粒来降低任何可能的收缩或开裂，否则上述现象在工艺过程中就会发生。具有基本上与填料床或填料预成型体相同膨胀系数的这种颗粒是特别理想的。例如，如果预成型体包括氧化铝并且最后陶瓷包括氧化铝、隔离剂可以和氧化铝混合，最理想地具有大约20～1000目的粒度。其它合适的隔离剂包括耐火材料陶瓷或金属膜，它至少在一端开放使气相氧化剂能透入填料床并与熔融母金属接触。在某些情况下，可能供给具有隔离剂的改良剂来源。例如，某些不锈钢的组成当在某些氧化过程条件下在含氧气氛的高温下进行反应时，形成像氧化铁，氧化镍或氧化铬之类的它们的组分的氧化物，取决于不锈钢的组成。因此，在某些场合，发现不锈钢膜之类的隔离剂提供一合适的与熔融母金属相接触的改良剂金属来源。这可以实现陶瓷体周围微观结构的改善。
实施例按照本发明，将几种工艺过程的改良剂分别加到两种不同的铝合金中，一种铝合金内含3%(重量)的Si和3%(重量)的Mg，另一种含5%(重量)的Si和3%(重量)的Mg。采用这些材料通过熔融母金属的气相氧化来制造陶瓷结构，如在前述共同所有的申请中所披露的。另外，为了对比，采用3%Si和3%Mg，以及5%Si和3%Mg的铝合金不加工艺过程改良剂，在相同的条件下生长的陶瓷结构。
将改善的合金棒和两种对比棒，尺寸为4 1/2英寸×2×1/2，放入分别的氧化铝颗(Norton El刚玉，90目)床内，氧化铝颗粒床装在耐火容器内，使试棒的一个4 1/2英寸×2英寸面与床面基本平齐暴露于大气中。将一薄层掺杂剂材料，小于140目的Si O2，均匀地分布在每一个棒的暴露的表面上(约0.01～0.04克Si O2/平方厘米。将这些装置的每一个都放进炉子内，在5个小时内加热到1250℃。将该炉子保持在1250℃下20个小时，然后在5小时内冷却至室温。将每一装置移出，并将最终所得陶瓷体分离出来。
从每一个陶瓷体上制取横截面，以相同放大倍数下制取每一个微观结构的显微照片。采用工艺过程改良剂制得的那些陶瓷材料的微观结构和对比试件相对比表现出微观结构的改善。采用平均线性截距法可以定量测定改善的程度。在这个技术中，在微观结构中的给定组分的平均尺寸用该种组分截距的平均长度来表示，该种组分在固定放大倍数下得到的显微照片上具有一系列随机测线。在本发明的情况下，选作测量的微观结构组分是通过氧化反应产物的通路，如在显微照片中由非氧化的金属和/或孔隙区域所表示的。测得的结果列出在下面的表Ⅰ中。
表Ⅰ铝合金改良剂平均截距长度(重量百分数)(重量百分数)(毫微米)3Mg，3Si4.83Mg，5Si4.53Mg，5Si钛2.82.93Mg，3Si锆3.03.23Mg，3Si铌3.03.33Mg，5Si铬4.72.73Mg，5Si钴5.31.73Mg，5Si铁2.02.83Mg，5Si铜5.61.43Mg，5Si镍2.01.63Mg，5Si镍4.02.13Mg，3Si钨5.03.83Mg，5Si铁0.31.7因为小的平均线性截距数值表现出微观结构特点的尺寸的降低，在表Ⅰ中的结果清楚表明在氧化反应产物中的通路由于存在有改良剂已经降低，在某些情况下急剧降低。
由这几个图对这些结果提供了更进一步的图解说明。图1表明在放大400倍下的陶瓷产物的微观结构，是得自在表Ⅰ中第二个对比试件的未加改良剂的氧化产物。图2和3表明改善的微观结构，也是放大400倍的照片，是得自分别采用铜(5.6%(重量)和镍(2%(重量)作为改良剂的氧化反应产物，是指和同样铝合金一起的氧化过程。
机械性能数据也说明了改良剂的作用。例如，发现含3%(重量)的镍和5%(重量)的硅的合金的氧化反应陶瓷产物具有洛氏A级宏观硬度73。采用2%(重量)和4%(重量)的镍改良剂表明在同一硬度级别，宏观硬度(macrohardness)分别增大到78和82。
权利要求
1.一种生产自支承陶瓷结构的方法，该陶瓷结构基本由(1)作为铝母金属和含氧气体的气相氧化剂的氧化反应产物的氧化铝，和随意地(2)来氧化的金属组分所组成，特征在于由于加入了一种或多种的工艺过程改良剂，与未加工艺过程改良剂生产的基本相同的氧化反应产物相比具有改善的微观结构，该方法包括以下步骤(A)提供一种或多种所说的工艺过程改良剂或它们的来源，(B)将所说的改良剂连同所说的母金属一起使用，(C)在所说的气相氧化剂存在情况下，将所说的母金属加热到高于其熔点但低于所说的氧化反应产物熔点的温度下，以形成熔融的金属体，并且在所说的温度下，使所说的熔融金属与所说的气相氧化剂反应形成氧化反应产物，该产物与所说的熔融金属体和所说的气相氧化剂相接触，并且延伸到它们的中间，并且在所说的温度下，将所说的熔融金属经过所说的氧化反应产物向所说的气相氧化剂输送，以便氧化反应继续在所说的气相氧化剂和以前形成的氧化反应产物之间的界面上形成，从而形成一逐渐增厚的所说的氧化反应产物的坯体，它具有所说的改善的微观结构，(D)回收所说的坯体。
2.一种生产自支承陶瓷复合结构的方法，该复合结构主要由(1)作为铝母金属和含氧气的气相氧化剂的氧化反应产物的氧化铝，(2)一种填料和随意地(3)未氧化的金属组分，其特征在于由于加入了一种或多种工艺过程改良剂，与未加工艺过程改良剂生产的基本相同的氧化反应产物相比具有改善的微观结构，该方法包括下列步骤(A)提供一种或多种所说的工艺过程改良剂或其来源，(B)将所说的一种或多种改良剂连同所说的母金属一起使用。(C)提供放置在所说的母金属邻近的填料块体，(D)在所说的气相氧化剂存在情况下，将所说的母金属加热到高于其熔点但低于所说的氧化反应产物熔点的温度下，以形成熔融的金属体，并且在所说的温度下，使所说的熔融金属与所说的气相氧化剂反应形成氧化反应产物，该产物与所说的熔融金属体和所说的气相氧化剂相接触，并延伸到它们中间，并且在所说的温度下，将所说的熔融金属经过所说氧化反应产物向所说的气相氧化剂输送，以便氧化反应产物继续在所说的气相氧化剂和以前形成的氧化反应产物之间的界面上形成，从而形成逐渐增厚的所说的氧化反应产物体，因此，埋置至少一部分所说的填料块体或集料，所说的反应继续经过一段充分时间足够产生所说的坯体，它具有所说的改善的微观结构。(E)回收所说的坯体。
3.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的改良剂是一种或多种过渡金属，它选自元素周期表中Ⅰ-B，Ⅳ-B，Ⅴ-B，Ⅵ-B，Ⅶ-B和Ⅷ族。
4.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的改良剂选自由铜、镍、铁、锆、铬、钛、钨、铌、和钴以及它们的混合物组成的一组金属中。
5.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的改良剂在所说的加热步骤以前与所说的母金属熔合。
6.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的改良剂施加到所说的母金属的一个或多个表面上。
7.如权利要求
2所述的方法，其中所说的填料材料包括一定形状的预成型体。
8.如权利要求
2所述的方法，其中所说的改良剂与所说的填料材料混合在一起。
9.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的改良剂是外部施加到所说的母金属上的混合物并且所说的改良剂与所说的熔融母金属反应放出改良剂金属。
10.如权利要求
1或2所述的方法，其中所说的气相氧化剂为空气。
专利摘要
本发明涉及一种生产自支承陶瓷结构的方法，该陶瓷结构包括母金属和气相氧化剂形成的氧化反应产物，由于加入了一种或多种工艺过程改良剂，与未加工艺过程改良剂所产生的大体上相同的氧化反应产物相比，具有改善的显微结构。
文档编号C04B35/10GK87106038SQ87106038
公开日1988年6月29日 申请日期1987年9月1日
发明者罗伯特·C·坎特内尔, 米歇尔·K·阿格哈贾尼安, 斯坦尼斯拉夫·安托林, 阿兰·S·那吉尔伯格, 拉特尼什·K·德维夫迪 申请人:兰克西敦技术公司