專利名稱:具有本征配合包套部件的陶瓷復合結構及其生產方法
本發(fā)明概括地講與陶瓷復合體及其制造方法有關。這種陶瓷復合體具有一個使復合體維持在壓應力下的包套部件，特別是，本發(fā)明與陶瓷復合體及其制備陶瓷復合體的方法有關，該陶瓷復合體包含埋置在填料中的多晶陶瓷基體，而且，具有一個使陶瓷復合體維持在壓應力下的包套。
本申請的主題內容與共同所有美國專利申請系列號819，397(1986年1月17日提出申請)有關，該申請是系列號697，878(1985年2月4日申請)的部分繼續(xù)申請，這兩份專利的申請人都是Marc S.Newkirk等，而且題名“復合陶瓷制品及其制造方法”。此共同未決申請披露了一種通過從母金屬生長氧化反應產物到可滲透填料塊體中來生產自支承陶瓷復合材料的新穎方法。
利用母金屬前體的氧化來生產自支承陶瓷體的方法已在共同所有美國專利申請系列號818，943(1986年1月15日申請)中披露，該申請是系列號776，964(1985年9月17日申請的)的部分繼續(xù)申請，后者又是系列號705，787(1985年2月26日申請)的部分繼續(xù)申請，后者又是系列號591，392(1984年3月16日申請)的部分進行申請，上述所有專利申請人都是以Marc S.Newkirk等人，題目是“新穎陶瓷材料及其制備方法“”。這種氧化現象的發(fā)現提供生長成前體母金屬氧化反應產物所需尺寸的自支承陶瓷體，通過在母金屬中使用合金化摻雜劑可能使該氧化現象得到加強。
前述方法通過采用向前體母金屬表面外施加摻雜劑得到改善，這已在共同所有美國專利申請系列號822，999(1986年1月27日申請)中披露，該申請是系列號776，965(1985年9月17日申請)的部分繼續(xù)申請，后者是系列號747，788(1985年6月25日申請)的部分繼續(xù)申請，后者又是系列號632，636(1984年7月20日申請)的部分繼續(xù)申請，上述所有專利申請人都是以Marc S.Newkirk等人名義，而且題目為“制造自支承陶瓷材料的方法”。
前述方法的進一步發(fā)展使得形成其中包括一個或多個孔的自支承陶瓷結構成為可能，這些孔是埋置在合適填料床中有一些形狀的前體母金屬陽模幾何形狀的反型復制，該合適填料在規(guī)定的條件下是自粘合的，該規(guī)定條件如美國專利申請系列號823，542(1986年2月27日申請)中所描述的，上述專利申請人是以Marc S.Newkirk等人的名義，題目為“制造陶瓷復合制品的反型復制方法及由此所得制品”。
上述方法的另一個發(fā)展是使形成具有陰模的自支承陶瓷體成為可能，該陰模可反型復制出靠近填料塊體放置的母金屬前身的陽模，這正在共同所有專利申請系列號896，157(1986年8月13日申請)中描述，申請人民是Marc S.Newkirk，題目為“用表面復型制造陶瓷復合制品的方法及由此所得制品”。
所有上述共同所有專利申請的全部公開內容和以下這些描述都特意在此作為參考而引入。
近些年來，將陶瓷用于以前用金屬的結構應用的興趣日益增加，這種興趣的推動力是就一些性能而論與金屬相比陶瓷具有優(yōu)勢，例如耐腐蝕性，硬度，彈性模量和耐火能力。
目前在生產更高強度，更可靠而且更具韌性的陶瓷制品方面的努力主要集中在(1)單片陶瓷工藝過程改善方法的發(fā)展。(2)新材料組成特別是陶瓷基復合材料的發(fā)展。復合材料結構是這樣一種結構，它包含由兩種或多種不同材料制成的不均勻的材料、坯體或制品，不同的材料緊密地結合在一起以便達到復合材料所需的性能。例如，兩種不同的材料可以通過一種埋置在另一種的基本體中來實現緊密結合。陶瓷基復合結構典型地包括一個陶瓷基體，陶瓷基體包絡了一種或多種不同種類的填充材料，例如顆粒，纖維，板條或類似的材料。
這些共同所有專利申請描述了一種新的工藝過程，該過程解決了一些用傳統陶瓷技術制造復合材料帶來的問題或局限性，例如壓實和燒結技術。本發(fā)明將共同所有專利申請中的工藝過程與另外的新穎概念相結合提供成型一定形狀的陶瓷復合結構，該結構具有一包套部件，是用復合材料整體地形成的，為了能保持其在一定壓力下。更進一步說，本發(fā)明通過氧化反應現象提供生產具有一定預定幾何形狀的陶瓷復合體，這種氧化現象克服了由眾所周知的工藝過程所帶來的困難和局限性，而且進一步在氧化反應過程期間，在將陶瓷復合體維持在壓應力下提供了在原來位置上形成一個完整裝置。在陶瓷領域眾所周知，一般陶瓷的抗壓強度大大高于其抗拉強度。假若將陶瓷置于壓力下，例如在一陶瓷管的內直徑施加壓力，則陶瓷受拉力。當受拉力時，如果一裂紋在陶瓷擴展，該陶瓷將會破碎。因此，有必要防止這種災難性破壞，這可以用本發(fā)明的方法和產品來完成，方法是通過提供為保持陶瓷復合材料在一定壓力下，在原來位置形成一個壓縮裝置。
早就知道適宜的預應力桿件在應用中顯得非常有力，因此，這種桿件在使用中承受的應力，可能在有效地施加應力于該桿件之前首先實際上用來卸掉預應力。將陶瓷用于抗拉設計應用情況下，通過對這種材料施加預壓應力可以獲得最大設計勢能，特別是因為它們的抗壓強度在某些情況下可能是其抗拉強度的5倍或更多。在本發(fā)明之前，鋼套管預應力陶瓷零件非常昂貴而且工作復雜。為了對于陶瓷產生適當數量的均勻應力而且避免產生很高的接觸應力以致可能引起陶瓷的破壞，陶瓷和金屬元件間不得不保證非常緊密的公差配合以致二者間近似精確一致。典型的這種條件僅僅通過對陶瓷桿件和界面部分的金屬套管表面進行精細的而昂貴的高公差研磨來滿足。正如在此描述的本發(fā)明通過一新穎的技術克服了這些問題而且不需要這種研磨。
根據本發(fā)明，提供了一種生產具有包套部件的陶瓷復合體的方法，該包套部件與其緊密配合以使復合體保持在壓應力下。陶瓷基體是通過母金屬氧化來獲得的，母金屬氧化形成一種包含母金屬與氧化劑氧化反應產物的多晶材料和任意的一種或多種金屬成分。根據本方法，填料床被覆蓋在母金屬上，而且，床至少被部分的包套部件所包圍。將母金屬加熱到高于其熔點但低于氧化反應產物熔點的溫度范圍以形成熔融母金屬體。母金屬和填料床相互定向以便氧化反應產物在填料床中反應生長并朝向包套。在上述溫度范圍內，熔融母金屬與氧化劑反應形成氧化反應產物，而且至少部分的氧化反應產物保持與熔融金屬和氧化劑二者接觸并在其中間以便不斷地將熔融金屬抽過氧化反應產物使其與氧化劑接觸，以便氧化反應產物繼續(xù)在氧化劑和先前形成的氧化反應產物界面處的填料床中形成。反應繼續(xù)進行直到多晶材料已經滲過填料床到包套的內表面形成陶瓷復體為止。在冷卻時，包套部件與復合體表現出嚴密的配合性能，直接將復合體本身置于壓應力狀態(tài)。保持在壓應力下的陶瓷在限制陶瓷體抗拉斷裂的發(fā)展方面具有優(yōu)點，而且，另外又防止了陶瓷體的災難性斷裂。
正如共同所有專利申請中所披露的，多晶氧化反應產物具有通常在三維方向相互聯結的互聯晶體。此外，一種金屬成分和/或孔隙分布或分散在陶瓷體中，它們可能或不可能相互聯結，這要取決于工藝條件，母金屬，摻雜劑等等。
該包套部件通常是選擇具有比陶瓷復合體具有的更大的熱膨脹系數，因此，在多晶陶瓷體和包套部件冷卻時，包套裝置傾向于比陶瓷復合體收縮得更快，由于它與所述陶瓷體的緊密嚙合把壓力傳給了所述的陶瓷體。在一個優(yōu)選方案中，該包套部件可以用鋼制造，例如不銹鋼，包套部件包含一個圓筒部件或管套，以便使陶瓷具有圓柱外形。
本發(fā)明還提供一種包含埋置在多晶陶瓷基體中的填料(例如預成型體)的自支承陶瓷復合結構。該陶瓷基體是通過作為前體的母金屬與氧化劑的氧化反應獲得的，氧化反應形成了相互聯結的氧化反應產物和任意的一種或多種金屬成分。包套部件迭加在填料上而且在原來位置與陶瓷基體完全結合，包套部件與陶瓷復合體嚴密配合使復合體保持在壓應力狀態(tài)下。
“陶瓷”不是不正確地解釋為限制在經典意義下的陶瓷體，即，它完全由非金屬和無機材料構成，而是指，就其成分或主要性能而言它主要是陶瓷體，雖然該物體可能包含少量的或大量的一種或多種從母金屬中而來或氧化劑或摻雜劑的還原而來的金屬成分，最典型是在1-40%(體積)范圍內，但是還可能包括更多的金屬。
“氧化反應產物”通常是指一種或多種在任何氧化狀態(tài)下的金屬、化合物或它們的混合物，其中金屬已給出電子或與另一種元素共同電子。因此，在此定義下的“氧化反應產物”包括一種或多種金屬與本申請中所描述的氧化劑反應的產物。
“氧化劑”是指一種或多種適宜的電子受主或電子共有者，可以是固體、液體或氣體(蒸汽)或它們的組合，例如，在本工藝條件下的固體和氣體。
“母金屬”是指這樣的金屬，例如，鋁，它是多晶氧化反應產物的前體，而且包括相當純的金屬，市售的含雜質和/或合金成分的金屬，或者是金屬前體為主要成分的合金;當指定的金屬作為母金屬，例如鋁，所確定的金屬應在主觀上滿足這個定義，除非在上下文中有其它說明。
“本征配合”(Intrinsic fit”)是指在按照工藝條件冷卻時，包套部件將壓應力施加到緊密嚙合的陶瓷復合體上的這種固有性能。
圖1是一簡圖，是立面的部分橫截面圖，表明一個組裝包括容器和來源母金屬體以及其中裝有填料床的包套部件;
圖1A是一張放大圖，它是圖1組裝配圖中虛線區(qū)域A所包絡部分，其中有一部分已剖掉;
圖2是一張局部截面正視圖，它表示帶有與其本征配合的包套部件的自支承陶瓷復合結構，該復合結構是按照本發(fā)明利用圖1中的填料床組裝圖繪成的。
圖2A是沿圖2中A-A線的視圖。
在本發(fā)明的實踐中，將包括母金屬體的裝置進行熔化以便提供熔融母金屬，熔融母金屬與至少部分包含在包套部件中的填料體或塊體接觸。與填料接觸的包套部件的那部分叫做包套部件的嚙合表面。包套部件可能封包整個或部分填料體，填料床可能是松散床，顆粒狀填料或一定形狀的填料預成型體(如下所述)，填料床含有氧化劑或者能被氧化劑滲透。給該裝置提供一個氧化環(huán)境并且將其加熱到高于母金屬熔點但低于母金屬的氧化反應產物熔點的溫度范圍。在與氧化劑接觸時，熔融母金屬反應生成氧化反應產物，隨著由母金屬氧化產生的生長著的多晶體材料從而氧化反應產物開始滲透并包埋填料。這種氧化，包括將填料包埋在氧化反應產物中已在共同所有和共同未決專利申請中進行了詳細描述。
在本發(fā)明的實踐中，工藝過程繼續(xù)進行直至多晶體材料已經滲透而且包埋了填充材料，而且生長到與包套部件的嚙合表面相接觸。在某些情況下，僅僅只有一部分最終陶瓷體被封包在包套部件里。在另外情況下，一個以上的包套部件可以被一個單一陶瓷復合體充填。在包套部件外面的陶瓷復合體的那部分的形狀，若有的話，可以通過所提供的填料或者適當的填料部分作為一定形狀的預成型體進行控制，如下面所描述的，或者通過將合適的填料床放入有一定形狀的隔離劑里面，例如熟石膏隔離劑，正如在另一個共同未決和共同所有專利申請中所描述的，該申請是美國專利申請系列號861，024(1986年5月8日申請)，申請人為Marc S.Newkirk等人，題目為“利用隔離劑制造有一定形狀的陶瓷復合材料的方法”。隔離劑阻止了由氧化反應形成的多晶材料的生長。正如所披露的，象熟石膏這樣的隔離劑也可以被施加到預成型體的表面上。
母金屬可以用來提供一個母金屬容器，該容器裝滿了與填料體或填料塊體接觸的母金屬最初來源，按照在另一個共同未決和共同所有美國專利申請系列號908，067(與此同時申請)所披露的方法，申請人是Marc S.Newkirk等人，題目為“制造陶瓷復合體結構的容器供給方法”。母金屬的容器體通過重力流動傳遞來補充在氧化反應過程中已消耗掉的母金屬來源，由此以保證連續(xù)過程所能得到的充足母金屬，直到所需數量的多晶體材料已由氧化反應形成。最終所得陶瓷復合產品包括被包埋的填料和本征配合的包套部件。當包套部件包埋填料或部分填料時，在包套部件里的陶瓷復合產品的表面邊界可能至少部分被包套部件的內表面或嚙合表面的幾何形狀所限定。在這種情況下，陶瓷復合材料的形狀與包套部件的內表面或嚙合表面相一致，包套部件作為阻擋裝置，因而確定了陶瓷復合結構的外部幾何形狀或外型，完全相同的途徑，一模具的內表面確定了在其中的模鑄體的外部幾何形狀。
在本發(fā)明的某些實施方案中，母金屬或其中涉及作為母金屬來源的部分，可能被埋置在填料床中或放入與合適的填料床相嚙合。合適的填料與此母金屬來源體的形狀一致，結果(正如以上所描述的共同所有專利申請書系列號823，542和896，157中所解釋的)最終所得陶瓷復合結構已在其中形成一個陰?；蛞粋€或多個空腔，陰模和孔是母金屬來源體的反型或反幾何外型復制。母金屬來源可能包括一塊或多塊，而且它可能是簡單圓柱體、棒條、鑄塊或類似的東西，或者它可能是用任何合適裝置來成型的，例如母金屬棒條、坯段或鑄塊可能采用適當機加工、澆鑄、模壓、擠壓或其它成型方法，以便提供有一定形狀的母金屬來源體。因而母金屬來源體可能具有一個或多個空心槽、孔、凹槽、平臺、表面凸起部分、凸緣、螺孔螺紋和其類似的形成物。它可能也有或選擇性地有一個或多個軸環(huán)、軸襯、圓盤、棒條或諸如此類組裝在里面的以提供任何所需的外型。因此在陶瓷復合體中形成的陰?；蚩涨粫蛱钜阅附饘?，這是在工藝過程之后當結構冷卻時重新固化的母金屬。如下述該重新固化的母金屬可能任意地從包含它的陰?；蚩涨恢腥〕觥Ｗ罱K所得一定形狀的陶瓷復合產品因而有被多晶陶瓷基體埋置的填料和本征配合的一個或多個包套部件。陶瓷基體本身可能任意包括一種或多種母金屬的未氧化成分，或氣孔或二者兼有，而且還具有所選擇形狀的表面幾何形狀。(任意分散在陶瓷基體中的母金屬未氧化成分不要與在陰?；蚩涨恢惺Ｓ嗟膲K狀重新固化的母金屬混淆，該陰?；蚩涨皇窃谟赡附饘俾裰皿w在填料床中壓印或造型成的)。
雖然在本發(fā)明以下的詳細描述中，特別關于以鋁作為優(yōu)選的母金屬，其它滿足本發(fā)明標準的合適母金屬包括硅、鈦、錫、鋯和鉿，但不限于這些。例如，本發(fā)明的特殊方案在鋁為母金屬時，包括α-氧化鋁或氮氣化鋁作為氧化反應產物;鈦作為母金屬時，氮化鈦或硼化鈦作為氧化反應產物;硅作為母金屬時，碳化硅、硼化硅或氮化硅作為氧化反應產物。
可以采用一種固體，液體或氣相氧化劑，或者這些氧化劑的組合。典型的氣相氧化劑包括氧、氮、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲及其化合物和其組合物，并不限于這些。例如，氧化硅(作為氧的來源)甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯(作為碳的來源)，和象空氣，H2/H2O及CO/CO2之類的混合物，后兩種(即H2/H2O和CO/CO2)被用來降低環(huán)境的氧活性。相應地，本發(fā)明的陶瓷結構可從包含一種氧化反應產物，其中包括一種或多種氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和氧氮化合物。更準確地說，例如，氧化反應產物可以是氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、硼化硅、硼化鋁、氮化鈦、氮化鋯、硼化鈦、硼化鋯、氮化硅、硼化鉿和氧化錫中的一種或多種。
雖然可以使用任何合適的氧化劑，以下所描述的本發(fā)明的具體方案是關于使用氣相氧化劑。假若使用氣體或蒸汽氧化劑，即氣相氧化劑，填料對氣相氧化劑是可滲透的，以便當填料床暴露在氧化劑下時，氣相氧化劑能滲過填料床與其中的熔融母金屬接觸。例如，氧氣或含氧氣體混合物(包括空氣)是最優(yōu)的氣相氧化劑時，在此情況下鋁是母金屬，由于明顯的經濟原因用空氣通常是最優(yōu)的選擇。當氣相氧化劑認為是含有或包括特殊的氣體或蒸汽，這意味著所確定的氣體或蒸汽氧化劑，在所利用的氧化環(huán)境中得到的條件下對母金屬是唯一的、占主要地位的，或至少是重要的氧化劑。例如，雖然空氣的主要成分是氮氣，而對母金屬來說空氣中的氧氣含量是唯一的或主要的氧化劑。因為氧氣是比氮氣更明顯有效的氧化劑。因此空氣滿足“含氧氣體”氧化劑的定義，而不滿足“含氮氣體”氧化劑的定義。在此和權利要求
中使用的“含氮氣體”氧化劑的例子是“混合氣體”，它包括96%(體積)的氮氣和4%(體積)的氫。
當使用固體氧化劑時，氧化劑一般分散在整個填料床中或者分散在與母金屬鄰接的部分床中，氧化劑以顆粒形式與填料混合，或者涂覆在填料顆粒上?？赡懿捎萌魏魏线m的固體氧化劑，包括象硼這樣的元素或可還原的氧化物，如氧化硅或某些比金屬硼化反應物熱力學穩(wěn)定性更底的硼化物例如，當硼或可還原硼化物作為鋁母金屬的固體氧化劑時，最終的氧化反應產物是硼化鋁。
在某些情況下，與固體氧化劑的氧化反應進行得如此迅速以致由于過程的放熱特性氧化反應產物趨于熔融。這樣現象能夠損害陶瓷體微觀結構一致性。這種快速放熱反應能通過混入具有底反應能的相當惰性的填料成分來避免。這種填料能吸收反應熱使得任何熱逸出效應減小到最小程度。這種合適的惰性填料的一個例子是和預期的氧化反應產物相同的填料。
如果使用液體氧化劑，整個填料床或其與熔融金屬鄰接的部分通過浸泡在氧化劑中涂覆或浸漬，使氧化劑浸透填料。提到液體氧化劑就意味著，它在氧化反應條件下是液體，而且這種液體可能有固體前體，例如一種鹽，該固體前體在氧化反應條件下熔融。另一方面，液體氧化劑也可以是液體前體，例如，一種材料的溶液，它被用來浸透部分或整個填料，而且在氧化反應條件下熔化或分解以提供合適的氧化劑部分。在此所定義的液體氧化劑例子包括低熔點玻璃。
在工藝過程條件下是液體或固體的氧化劑可以與氣相氧化劑共同使用。這種附加氧化劑可能對促進母金屬在所選擇的填料床或預制件中，而不是在其界面之外的氧化特別有用。即，采用這種附加氧化劑可以在預制件中產生一種比預制件以外更適合母金屬氧化動力學的環(huán)境。這種強化環(huán)境對于促進在預制件以內到邊界的基體的發(fā)展和減小過分生長是有益的。
母金屬容器體可以很方便地裝入一個顆粒惰性材料床中，該材料對于熔融母金屬是惰性的或不可滲透的。因此，惰性材料床會包含熔融容器母金屬并傳送它，特別是穿過惰性材料床底部的一個開口到埋置在填充材料床中的來源體上。例如，將圓柱狀或半球狀金屬容器體鑄塊連同其凸出部分放置在填料床內埋置體的頂上。
另一方面，可以不考慮母金屬的成型和它在陶瓷復合體中反型復制的形狀或部分形狀。于是，當母金屬形狀不在陶瓷復合體中反應型復制時，可以使用任何形狀的母金屬。因此，在此情況下與填料塊體接觸的熔融母金屬可作為熔融金屬或任何容易獲得的形狀的坯段或鑄塊提供。填料床可能包括一合適填料床或一定形狀的填料預成型體。裝置的外型可能達到一開始就提供充足的母金屬與填料接觸的程度，或者，裝置可能是一種母金屬的容器體，當熔融母金屬滲進填料時，它能補充與填料接觸的母金屬來源。假若從容器體中向來源體提供充足的熔融金屬，該來源體是埋置在適當的填料內或與之適當嚙合，在氧化反應產物生長到所需尺寸后反應結束，未氧化的熔融母金屬重新固化，而且，陶瓷結構中的空腔或陰模中充填了重新固化的母金屬。然而，假若所提供的全部母金屬不足以保證用母金屬充填空腔或陰模，空腔或陰?？赡苁强盏幕蛘邇H僅部分充填重新固化的母金屬。如果需要，任何這種重新固化的母金屬可能在后續(xù)工藝步驟中從陶瓷復合產品的空腔、陰模中移走，以便提供其中具有空的空腔或空的陰模的成型后的復合材料，該陰模反型復制了母金屬來源體的幾何形狀。
本發(fā)明的實踐中使用的填料可能是一種或多種適合此目的的多種多樣材料。填料可能是“合適的”填料，在此和權利要求
中使用的這個詞是指，該填料能裝填在一個容器中，而且會與容器的內部形狀一致。如上所述，合適的填料也能與埋置在填料中的母金屬來源一致或者與放置進填料中的母金屬來源體相嚙合。例如，如果填料包括象氧化鋁這樣的耐火金屬氧化物細晶粒一類的顆粒狀材料，填料會與填裝它們的容器或包套部件的內部形狀一致。然而，作為合適的填料一定要細顆粒狀是不必要的。例如，填料可以是象切斷的短纖維這樣的纖維形式，或者是象類似鋼纖維這樣的纖維毛狀材料。填料也可能包括兩種或多種這類幾何外型的組合，即細顆粒狀晶粒和纖維的組合。為組成在此使用的合適填料，只須填料的物理形狀達到允許填料充填并與裝填它們的阻擋裝置的內表面形狀一致的程度。這種合適填料也與母金屬埋置體的表面或其中的一部分密切一致，母金屬體被埋置在合適填料塊中或與之相嚙合。
可以采用填料任何有用的形狀或形狀的組合，比如一種或多種空心體、顆粒、粉末、纖維、晶須、球、泡、鋼纖維、板片、粒料、線、桿、棒、片晶、小球、管、耐火纖維織品、細管、或者它們的混合物。
填料也包括有一定形狀的預成型體，它可以用任何傳統的方法作成或成型為預定的或所需的尺寸和形狀，例如通過石膏注漿、注射成型、轉換成型、真空成型或其它方法，這可以采用在此或別處更特別符合或需要的加工任何類型合適填充材料的工藝過程。填料預成型體對由母金屬氧化所得到的多晶材料在其中的生長以及對蒸氣相氧化劑是可透過的，填料預成型體可能包括或其中混合了固體氧化劑和/或與氣相氧化劑混合使用的液體氧化劑。預成型體具有一個表面邊界，而且應該保持足夠的形狀完整性和坯體強度，以便在陶瓷基體滲透后保證尺寸保真度，盡管它是足以適應生長著的多晶基體。更可取的是，預成型體填料具有約5～90%(體積)的堅硬部件，它增強了園筒狀網16而且其中還形成了孔20的模(圖1A)。圓筒18是堅硬的足以在工藝過程期間保持包含在其中的合適填料床38的形狀。網16可能是耐火織品或金屬，例如，不銹鋼網。在圖解說明的方案中，它是編織的開網眼不銹鋼網。網的許多孔與圓筒18的孔20排成一線，以便包套部件14是小孔的，而且是對進入其中的環(huán)境氣氛是敞開的。若干角鐵支架22位于圓筒18的外表面的配置位置，并用夾環(huán)32定位以增強結構?；?4可能或者是密實體或者是多孔結構，它封死了包套部件14的底部。
容器箱12也是圓筒形狀，而且直徑比包套部件14大，它被容器壁26和底板28所包封，容器箱12是一無孔結構。在該圖解說明的方案中，顆粒狀惰性材料床30支撐容器箱12中的母金屬容器體34。容器體34上部為一般的圓筒體形狀，底下聯接一個向內逐漸變細的圓錐形狀的部分，從這一部分伸出一個凸出物在28底板與來源體36接觸，36為細長的圓柱形狀，其直徑比容器體34小很多。來源36有一串三個普通的圓柱狀或圓盤狀凸出物36a、36b和36c，并安置在包含在包套部件14中的填料38的床當中。
包套部件14填以合適填料38的床，來源體36埋置在38的床中，而且延伸成為填料床材料外殼內的母金屬圓柱芯。來源體36和/或填料38可能用摻雜劑處理或包括摻雜劑以促進氧化反應。一種或多種摻雜劑可以熔合在母金屬中，而且一種或多種摻雜劑可以外加到來源體36或其一部分。此外，作為其代替，一種或多種摻雜劑可以施加到填料38中。至少施加在來源體36的附近區(qū)域。在容器箱12中的顆粒惰性材料30不能被流過它的熔融母金屬濕潤，因此對熔融母金屬是惰性的而且不可滲透，以致經過惰性材料30床氧化反應產物的形成和生長是不可能的。因此，可以獲得一個能借助重力流進來源體36的熔融母金屬容器，以補充已滲透并在合適填料床38中被氧化的母金屬。例如，在鋁母金屬情況下，惰性材料30可以包括顆粒E1剛玉，這是Norton公司的產品。在某些情況下，可能需要將容器12與環(huán)境氣氛隔離或防止與環(huán)境氣氛接觸。在這些情況下，可用一容器蓋板密封的孔隙率，更好的是約25～50%。多孔狀預成型體在工藝過程溫度條件下應該能更好地被熔融母金屬所潤濕，為了促進多晶材料在預成型體填料中的生長，產生高完整性和確定得很好的邊界的陶瓷復合產品。
用來制造預成型體的填料，比如陶瓷粉末顆粒，可以用任何適當的粘結劑粘結在一起，例如，聚乙烯醇或類似的東西，這些東西不參與本發(fā)明的反應在陶瓷復合產品中不留下所不希望的殘余副產品。可以采用的合適的顆粒，如碳化硅或氧化鋁，具有由約10到1000或更細的篩網尺寸，或者不同篩網尺寸和類型的混合顆粒。顆?？刹捎靡阎幕騻鹘y的技術成型，比如用在有機粘合劑中的顆粒的料漿進行成型，方法是將料漿注入模型，然后在高溫下干燥使其凝固。
更準確地說，就在可滲透的預成型體的成形和制造中可以采用的合適的材料而言，在別處和在此所述的三類填料都是可滲透的填料的合適材料。
不管填料是預成型體填料，或者是合適填料松散壓實的床或塊體，一個或多個包套部件部分地或全部地包套或包絡填料，以便埋置填料的多晶材料的生長擴展到包套部件的嚙合表面，使包套部件與陶瓷復合結構形成旋轉本征的收縮配合。包套部件可以采用任何適宜材料制造，并且具有任意所需形狀，能包絡至少填料的一部分。例如，它可能用象鋼或不銹鋼或鎳合金制造。鎳合金是以Inconel商標出售的。為了使氣相氧化劑通過，包套部件可以是多孔的或者是小孔結構。在某些情況下，包裹包套部件或提供涂層可能是必需的或必要的，在工藝過程條件下，這種涂層能防止這種部件被母金屬和/或填料或者氧化或腐蝕或者二者皆能防止。
現在參考附圖，圖1表明組裝10，它具有一個容器箱12和包套部件14，部件14位于容器箱12的下面并且通過容器箱12底板28上的開口(未編號)與容器箱12聯接。包套部件14由網16和一個多孔圓筒體18構成，象網狀16一樣18實際也是圓筒體外型。包套部件14的內部嚙合表面由網16(圖1和1A)所確定，網16包含在多孔筒體18內并被其所加強。圓筒18作為外層容器箱12的頂部的開口隔離周圍氣氛，而且，可用一密封板密封容器箱12和包套部件14間的開口(未編號)，除非它是一個添加母金屬時通過的開口。
將合適填料床38充填在包套部件14中，它與由網16確定的部件14內部或嚙合表面一致，借此包套部件14的內部形狀確定了填料床的表面界線和本征收縮配合陶瓷復合結構的部件。更進一步，這種充填也使填料與來源體36的形狀一致，以致后者確定而且充填了在合適填料38塊中有一定形狀的空腔。
裝置10放入窯爐中，窯爐中包含或引入適宜的氣相氧化劑，如果采用這種氧化劑的話。(否則，使用惰性氣體或真空)。氣相氧化劑可以包括空氣，在這種情況下，在窯爐內可采用適宜的通風口供給氣相氧化劑來源，方法是簡單地通過向爐內供給空氣。填料床裝置10可以用任何適宜的支撐裝置支撐在窯爐中的直立位置，圖中未表示出來。密器箱12保持在包套部件14上面，以便熔融母金屬借助重力從容器體34流向來源體36。氣相氧化劑通過圓筒18的孔20和小孔網16的孔進入合適填料38的床中。
如上所述，當熔融金屬通過生長著的氧化反應產物體在其表面被氧化并形成另外的氧化反應產物時，氧化產物的生長在進行。當生長著的多晶材料到達小孔網16時，其更進一步的生長由于網16提供的阻擋裝置而停止?？拙W16由圓筒18所支承。于是多晶材料生長完全充填包套部件14而且與它本征配合。由于多晶材料的生長被包套部件14提供的阻擋裝置有效地停止，多晶體材料完全充滿包套部件14而且與其本征配合。該生長著的多晶體材料必須與包套部件充分一致，以便它被牢固地保持而且通過冷卻被包裹在里面。更進一步，當圓筒18包含一種比陶瓷復合體熱膨脹系數更大的材料時，例如當它包含象不銹鋼或象Inconel合金這樣的鎳合金之類的金屬時，而這種復合體由此實例1的成分構成時，也可以獲得熱收縮配合。因此，當將裝置加熱到反應溫度時，不銹鋼或鎳合金圓筒膨脹，而且多晶體材料生長并充填熱膨脹的圓筒。在裝置冷卻時，陶瓷復合結構和包套圓筒兩者都產生收縮。然而，由于鋼或鎳合金圓筒18的熱膨脹和收縮明顯大于結構40的陶瓷材料，在結構冷卻時，圍繞陶瓷復合結構40的圓筒18產生了牢固的收縮配合。在工藝過程完成后，通過在其上產生合適的預應力，提高了陶瓷結構40的性能。
通過拆除填料裝置10可以取出陶瓷復合結構。松掉夾環(huán)32就會使角鐵支架22松開，而且其與具有與附近包套部件14本征收縮配合的陶瓷復合結構40的底座24相分離。于是包套部件14牢固地裝配在陶瓷復合結構40上。陶瓷復合結構40可以橫向切斷或在靠近包套部件14的上部切斷(如圖1所示)，以便提供合適的圓柱形狀的包套體陶瓷復合材料的結構如圖2所示。陶瓷復合結構40有一個內孔42，它是來源體36的反應型復制，來源體36包括一串三個擴大的空腔(在圖2中能看到的只是其中42a和42b兩個)。該擴大的空腔是來源體36相應的圓柱狀凸出物36a，36b和36c的反應型復制。在氧化反應完成之后，當裝置冷卻時在孔42中形成的重新固化的金屬可以用任何適當的方式移走，如果必要的話。例如，可以鉆一與孔42直徑相近的孔以除去重新固化的母金屬塊和殘留的母金屬，絕大多數是在較大的空腔中，例如42a和42b，可用化學溶解方法取走。例如，在鋁母金屬情況下使用氫氯酸。氫氯酸能溶解鋁但對陶瓷復合結構沒有有害作用。在某些情況下，可能需要將母金屬芯或它的一部分留在原處以便提供具有金屬芯的最終產品。
陶瓷復合結構40的外表面與網16的內圓筒表面一致，即與其相適應。而且穿透編織網的粗造或帶花紋的表面有助于固定本征收縮配合的包套部件即包套部件14在原來位置上。在圓筒18上可以提高向內凸出部件以便提高本征配合的強度。對包套部件14的某些外型而言，可能必須或需要通過肘型連接提供一個或多個附加金屬容器在來源體36的某些點引入母金屬，以便促進氧化反應產物在給六填料床38體積里的生長。
如圖2和2A圖解說明的，該包套部件，例如包括圓筒18，圍繞陶瓷復合結構40周圍的本征配合，可以用來提供一個裝置可在其上面裝配其它部件。圖2和2A說明了一種方案，在此方案中陶瓷復合材料結構40具有包套部件14，其上還有帶法蘭盤的管狀部件44裝在包套部件14上。這可以通過將在其一端具有法蘭盤44a的管狀部件44與包套的陶瓷結構安裝在一起來實現。管狀部件44可以具有密實無孔結構，比如它是一段管，而且可以有第二個法蘭盤(沒有給出)，它是固定在與法蘭盤44a固定端相反的一端上，以提供一有法蘭盤的導管，它具有一陶瓷復合結構芯，芯上有一延伸貫穿的孔42。管狀部件44可在法蘭盤44a的外表面點焊到多孔圓筒體18上(以及在其相反一端)，假若需要或必要的話。
圖2和2A中所介紹的結構的一個優(yōu)點是，它能使陶瓷復合體構生長到與加熱的熱膨脹多孔圓筒18嚙合接觸，以便在冷卻時提供收縮配合的包套金屬的陶瓷芯結構。本發(fā)明的技術優(yōu)點，在已知的圍繞一預先固定的陶瓷芯收縮配合一金屬管的技術范圍內，在已知的技術中要求陶瓷芯的外經與金屬套管內徑間達到一個非常高地高精度公差。為了使陶瓷芯和金屬套管間的熱膨脹和收縮差維持在一個窄的范圍內，這些高精度公差是必須的。這種窄范圍能使加熱的套管在陶瓷芯上滑動而且冷卻時收縮在陶瓷芯上提供適量的嚙合力。為了保證金屬與陶瓷表面間緊密一致更進一步需要高精神度公差，以避免能引起陶瓷體破壞的高接觸應力。本發(fā)明的技術不需要對陶瓷芯和金屬圓筒進行機加工來達到這種高精度公差。取代而代之的是，選擇一個合適尺寸的金屬圓筒，陶瓷復合結構在其中生長到圓筒的內表面并與其緊密嚙合并一致。圓筒或圓筒的內襯提供了阻擋裝置，氧化反應產物會生長到阻擋裝置，但不超過它，從而提供一個精確的本征配合。借助圓筒和陶瓷復合體間的熱膨脹差，在裝置冷卻時產生了適當的預應力。在包套金屬不必具有多孔結構的情況下，適當無孔結構的套管或管子長度可以在其上配合，如在圖2和2A中由管狀部件44所圖解說明的。
如上所述，在陶瓷復合結構中包套部件是本征配合的，陶瓷復合結構包括埋置填料的陶瓷基體，填料可以是合適填料或有一定形狀預成型體，正如以上所詳細描述的一類適宜的填料成分包括那些在工藝過程溫度和氧化條件下，不揮發(fā)，熱力學穩(wěn)定，并且不與熔融母金屬反應或過分地在其中溶解的物質。在使用鋁作母金屬，空氣或氧氣作為氧化劑時，已知大量的材料滿足這些要求。這些材料包括單一金屬氧化物鋁，Al2O3;鈰，Ce O2;鉿，Hf O2;鑭，La2O3;釹，Nd2O3;鐠，多種氧化物，釤，Sm2O3;鈧，Sc2O3;釷，Th O2;鈾，UO2;Y2O3;和鋯，Zr O2。此外，大量二元、三元和更高元金屬化合物，如鋁鎂尖晶石，Mg O.Al2O3，都包括在這一類穩(wěn)定耐火化合物中。
第二類的合適填料或填料組分是那些在優(yōu)選方案的氧化和溫度環(huán)境下非本征穩(wěn)定的物質，但是，由于降解反應慢的動力學，它們可以混合在生長的陶瓷體中作為填料相。具有經濟重要性的一個例子是Si C根據本發(fā)明，在用氧氣或空氣氧化鋁的必要條件下，要不是一層氧化硅保護層形成并覆蓋在Si C顆粒上限制了Si C的進一步氧化，這種材料將會完全氧化。氧化硅保護層還能使Si C顆粒燒結或自身粘結和與其它填料成分粘結。
第三類合適的填充材料是象碳纖維之類的物質，在熱力學或動力學上，并不期望它們能經受住為實踐本發(fā)明某一方案時必須的某一氧化環(huán)境，或者能經受住暴露于優(yōu)選實施方案中的熔融鋁中，但是，它們能夠不與本發(fā)明的工藝過程相矛盾，如果1)將環(huán)境變?yōu)榈突钚?，例如，通過利用H2/H2O或CO/CO2作為氧化氣體，或2)通過在其上采用涂層，比如氧化鋁，它使得該類物質在氧化環(huán)境下動力學上是非活性的。
一般說來，發(fā)現在填料中非常有用的是以下一種或多種物質氧化鋁、氧化硅、碳化硅、硅鋁氮氧化合物、氮化鋯、鈦酸鋇、氮化硼、氮化硅、鋁酸鎂、含鐵合金、鐵-鉻-鋁合金、碳和鋁。
正如本發(fā)明的另一實施方案和在共同所有專利申請中所解釋的，將摻雜材料加入金屬能對氧化反應過程產生有利影響。摻雜材料的一種或者多種作用取決于除摻雜材料本身之外的許多因素，例如，這些因素包括特殊的母金屬、所需的最后產品、當使用兩種或多種摻雜劑時摻雜劑間的特殊組合、外部施加摻雜劑與內部加入摻雜劑的組合使用、摻雜劑的濃度、氮化環(huán)境、和工藝過程條件。
一種或多種摻雜劑(1)可以作為母金屬的合金成分提供，(2)可以施用到的至少一部分母金屬埋置體的表面上，或(3)可以施用到填料上或者鄰近母金屬來源體填料床的一部分上，或者采用技術(1)，(2)，(3)的兩種或多種的任意結合。例如，熔合在母金屬中的一種或多種摻雜劑可以與外部施加到母金屬埋置的整個或局部分表面的一種或多種摻雜劑結合使用。在技術(3)的情況下，是將一種或多種摻雜劑施用到填料中，這可以用任何適當的方式進行施加，比如將摻雜劑分散在部分或整個填料塊體中作為填料顆粒的涂層，或者以顆粒的形狀，最好包括至少與母金屬埋置體直接鄰接填料床一部分。向填料的任何摻雜劑的施加還可以通過向填料床上或內部施加一種或多種摻雜材料層來實現。包括其任何內部開口、空隙、通道、插入空間(Intervening Spaces)或諸如此類，這都能使填料可以滲透。施加任何摻雜劑的一個方便的方式是僅僅將整個填料床浸泡在一種摻雜材料的液體中(例如一種溶液)。摻雜劑的來源也可能通過下列方式提供，即，使摻雜劑剛性體與至少部分母金屬表面和填料床接觸而且在它們之間。例如，可以將含硅玻璃的薄層(作為鋁母金屬氧化的摻雜劑非常有用)施加在母金屬表面上。當覆蓋有含硅材料的鋁母金屬(可以內摻Mg)在氧化環(huán)境下熔化(例如，鋁在空氣中的情況下，在約850℃到約1450℃之間，最好是約900℃到約1350℃之間)就產生多晶體材料生長進入可滲透的床中。在將摻雜劑外部施加到至少一部分母金屬的表面的情況下，多晶體氧化物結構一般在摻雜劑層以外(即在施加的摻雜劑層的深度以外)的可滲透的填料里生長。在任何情況下，一種或多種摻雜劑可以外加到母金屬表面和/或可滲透的床中。此外，熔合在母金屬里和/或外加到母金屬上的摻雜劑可以通過施加到填料床中的摻雜劑來增加。因此，熔合在母金屬里和/或外加到母金屬上的摻雜劑任何濃度不足都可以通過將相應的摻雜劑施加到填料床中的附加濃度來補充，反過來也是如此。
對鋁母金屬有用的摻雜劑，特別是以空氣作為氧化劑時，包括鎂、鋅、硅，正如這里所敘述的，或者是單獨或者相互組合或者是與其它摻雜劑組合。這些金屬，或者其合適的金屬來源，可熔合到鋁基母金屬中，每種的濃度占最終所得摻雜金屬總重量的0.1-10%(重量)。這些摻雜劑材料或其合適的來源，例如Mg O、Zn O、或SiO2，可以外加到母金屬上。因此，以鋁-硅合金作為母金屬，空氣作為氧化劑，Mg O作為表面摻雜劑，摻重大于要氧化的每克母金屬約0.0008克，以大于施加Mg O的每平方厘米的母金屬表面約0.003克，能得到一種氧化鋁陶瓷結構。
對用空氣氧化鋁母金屬有效的摻雜材料的另一些例子包括鈉、鍺、錫、鉛、鋰、鈣、硼、磷、和釔，它們可以單獨使用或與一種或多種摻雜劑組合，這取決于氧化劑和工藝過程條件。象鈰、鑭、鐠、釹和釤之類的稀土金屬也是有用的摻雜劑，這里特別又是當與其它的摻雜劑組合時，正如在共同所有專利申請中所解釋的，所有的摻雜劑材料都對鋁基母金屬系統中促進多晶體氧化反應產物的生長非常有效。
通過本發(fā)明的實踐所得到的陶瓷復合結構一般是致密的凝聚塊體，在塊里占復合結構總體積的約5%～98%是由一種或多種埋置在多晶體基體體體里的填料成分所組成。當母金屬是鋁而且空氣或氧氣為氧化劑時，該多晶體基體材料一般是由約60%～98%(重量)的(占多晶材料重量的百分數)的相互聯接的α-氧化鋁和約1%到40%(重量)(同一基準)的未氧化母金屬成分組成。
本發(fā)明所提供的預應力特性特別適合于內部加壓體的設計和制造，例如，可用作為槍管或槍筒。槍管特別包括非常高的內壓環(huán)境，它兼有腐蝕、銹蝕和接觸磨耗，同時需要高精度公差，平直度和在許多情況下，來復線幾何形狀。借助類似于例1中所說明的方法，可以制造內有來復線的或直孔的陶瓷復合結構，它里面包括一個將復合結構構置于壓應力下的收縮配合金屬鋼套管。通過對槍管的燒結，它變成受壓的產品，在其中產生任何拉應力之前，陶瓷復合結構首先卸掉壓應力。從而，特殊形式的陶瓷復合材料抗拉強度明顯高于非預應力形式。組成類似于實例1的復合材料的陶瓷復合材料已進行了顆粒耐磨蝕的試驗，發(fā)現在這種試驗中比鎢鉻鈷(Sellite)合金6的磨損低二倍或更多。鎢鉻鈷合金是目前用作機關槍的槍管內襯。本發(fā)明對以前解決槍管內襯的陶瓷方法具有很特殊的優(yōu)點，由于它為生產非常大的陶瓷襯管以及很小的襯管的獨特的潛力。
通過以下的無局限性的實施例對本發(fā)明進行更進一步的說明。
實施例1為了制作其上具有一個金屬套筒的陶瓷復合結構，在鎳鉻鐵(Inconel)601金屬合金(國際鎳公司)的6英寸長的Schedule 40管(相當于圖1中18)(外徑1 15/16英寸)打上大量直徑為3/16英寸的孔。在整個圓筒體上全鉆上孔，管中心到中心3/8英寸排成花樣。一塊多孔304合金不銹鋼薄板厚約0.008英寸具有直徑為0.016英寸孔用作為鉆過孔的鎳鉻鐵合金(Incoriel金屬管的內襯(相當于圖1中的16)?？走_到了22%的薄板開口面積。多孔不銹鋼選作為本例中基體生長的阻擋裝置。
由含10%硅，含3%鎂的鋁合金組成的母金屬部件，包括母金屬來源體和母金屬容器體如圖1說明的。在本實例中，采用一母金屬容器體(相當于圖1中的34)，無錐度，圓筒形直徑為2 1/2英寸，高2英寸。母金屬來源體(相當于圖1中的36)直徑3/4英寸長6英寸，以螺紋形連接一起，并且埋置在填料塊體(相當于圖1和1A中合適填料塊體38)中，該填料是5%(重量)的商品砂(二氧化硅)和95%(重量)的90目，38剛玉的混合物，它是由Norton公司提供的顆粒狀氧化鋁。將填料混合物加熱到約1250℃經24小時，然后使其冷卻到室溫，再將冷卻了的混合物磨細裝入內襯多孔鉻鎳合金管Schedule 40的不銹鋼管中。母金屬來源體涂一層木膠(市售商標為Elmer′s)和砂。將容器體埋置在裝在304合金不銹鋼箱內的90目38剛玉床中，不銹鋼箱相當于圖1中的12，而且在其底板上有一個2英寸直徑的洞(在圖1中示出，未編號)。將鉻鎳鐵合金(Incorel)管的頂部焊在2英寸洞的圓周上。為了將最后所得裝置支撐在直立的位置，將鉻鎳鐵合金(Inconel)管的其中一部分(相當于圖1中的14)放入多孔的304合金不銹鋼的支撐圓筒中，支撐圓筒的內徑為3 1/2英寸，鉆有3/32英寸直徑的孔，孔提供了支撐圓筒40%的開口面積。支撐圓筒具有一支撐容器箱的長度(容器箱相當于圖1中的12)，容器箱在支撐圓筒的頂部。這種排列方法使母金屬和填料裝置保持在一垂直位置，容器體直接地垂直地位于來源體的上面。將所得的支撐裝置放入耐火的開口容器中，并在具有空氣氣氛的窯爐中加熱10小時到達1245℃，在1245℃下恒溫100小時，然后在30小時內冷卻到125℃，以后再冷卻到室溫。陶瓷復合體已在Schechule 40鎳鉻鐵(Inconel)不銹鋼圓筒的包套中生長，而且被埋置在填料塊中。冷卻時，發(fā)現鎳鉻鐵合金屬(Inconel)包套能提供與陶瓷復合體非常嚴密的配合，可以相鄰由于較大的熱膨脹系數可以給所說的陶瓷復合結構提供壓應力。在用鉆孔或化學(氫氯酸)處理去掉重新固化的母金屬后，露出一個貫穿的孔，該孔是初始來源體螺紋外型的反型復制。
正如在以上的實例中所說明的，通過本發(fā)明的工藝過程在獲得了直接在鎳鉻鐵合金(Inconel)套筒上形成的陶瓷復合體，而對陶瓷/金屬界面不需要任何研磨。
雖然，上面僅僅就很少的幾個本發(fā)明的示范方案進行詳細描述，但是，本專業(yè)的熟練技術人員容易理解，除了舉例說明的以外本發(fā)明還包括不同于這些實例的任意組合和變化。
權利要求
1.一種用包套部件生產保持在壓力狀態(tài)下的陶瓷復合體的方法，所述的復合體包括(1)由母金屬氧化形成多晶體材料所獲得的陶瓷基體，該多晶體材料包括(i)所述母金屬與氧化劑的氧化反應產物和任意的(ii)一種或多種金屬成分，(2)由所述基體埋置的填料塊體，該方法包括以下步驟(a)將所述母金屬加熱到高于其溶點而低于氧化反應產物溶點的溫度范圍以形成熔融母金屬體；(b)在氧化劑存在條件下，使所述的熔融母金屬與填料接觸，至少所述的填料的一部分盛裝在所述包套部件內并與所述包套部件內表面一致嚙合，從而所述的表面確定了所述的填料塊體的表面邊界，以便在所述填料塊體中出現所述氧化反應產物的形成，并朝向或沿著所述表面邊界方向；和(c)在所述溫度范圍內(1)所述熔融母金屬與所述氧化劑反應形成所述氧化反應產物，(2)保持至少一部分所述的氧化反應產物與所述的熔融母金屬和氧化劑接觸并在二者之間，逐步地將熔融母金屬抽引經過氧化反應產物到氧化劑方面，以便氧化反應產物不斷地在氧化劑和先前形成的氧化反應產物界面間的填料里形成，(3)繼續(xù)所述的反應直到所述多晶體材料已經滲透所述填料到達所述表面邊界，并產生所述的陶瓷復合體，和(4)重新獲得的所述陶瓷復合材料具有所述的與其本征配合的包套部件，包套部件將所述復合體保持在壓應力作用下。
2.如權利要求
1所述的方法，其中母金屬是鋁母金屬。
3.如權利要求
2所述的方法，其中所說的氧化劑包括含氧氣體，所說的氧化反應產物包括氧化鋁，所說的溫度范圍是從約850～1450℃。
4.如權利要求
3所述的方法，其中所說的含氧氣體是空氣。
5.如權利要求
1、2、3或4中任一權項所述的方法，包括一種氣相氧化劑和至少固體氧化劑和液體氧化劑中的一種混合到至少部分所述填料中，而且所述熔融母金屬也與所述的附加氧化劑反應，所述多晶體材料進一步包括所述母金屬和附加氧化劑的氧化反應產物。
6.如權利要求
5所述的方法，其中所說的固體氧化劑選自由硅、硼和可還原金屬硼化物組成的一組物質中。
7.如權利要求
1、2、3或4中任一權項所述的方法，其中所說的母金屬選自由硅、鈦、錫、鋯和鉿組成的一組金屬中。
8.如權利要求
1、2、3或4中任一權項所述的方法，其中所說的填料選自由氧化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、鋁酸鎂及其混合物組成的一組物質中。
9.如權利要求
1、2、3或4中任一權項所述的方法，包括使用至少一種與所述母金屬結合的合適摻雜劑材料。
10.如權利要求
1所述的方法，其中所說的氧化劑是氣相氧化劑，所說的包套部件和填料對所述氣相氧化劑都是可滲透的。
11.如權利要求
10所述的方法，其中所說的包套部件包括一個內部網狀襯里和堅硬的外部硬套。
12.如權利要求
1、2、3或4中任一權項所述的方法，其中所說的包套部件包括選自以下一族中的一種金屬，這族金屬包括不銹鋼、Inconel金屬、Fecral金屬、Fecralloy金屬、Hastalloy金屬和Incoloy金屬。
13.一種自支承陶瓷復合結構，該結構包括填料和埋置所述填料的多晶陶瓷基體，所述陶瓷基體包括(ⅰ)前體母金屬與氧化劑的相互聯結的氧化反應產物和任意的，(ⅱ)一種或多種金屬成分，具有迭加在所述填料上的包套部件為保持所述陶瓷復合結構在壓應力作用下，在原來位置上通過本征配合所產生的與所述陶瓷基體的緊密嚙合。
14.如權利要求
13所述的陶瓷復合結構，其中所說的包套部件包括選自以下一族中的一種金屬，這族金屬包括不銹鋼、Inconel金屬、Fecral金屬、Fercrally金屬、Hastalloy金屬和Incoloy金屬。
15.如權利要求
13或14所述的陶瓷復合結構，其中所說的包套部件包括一圓筒狀鋼套，以及所說的陶瓷復合體包括一個由所述鋼套包封的圓筒。
16.如權利要求
13或14所述的陶瓷復合結構，包括至少1%(體積)的金屬成分。
17.如權利要求
13或14所述的陶瓷復合結構，其中所說的前金屬為鋁，所說的反應產物為α-氧化鋁。
18.如權利要求
1或2所述的方法，其中所說的包套部件包括從以下一族中選出的一種金屬，這族金屬包括鈦、鋯和鋼。
19.如權利要求
1所述的方法，其中所說的包套部件是這樣一種部件它具有比所述陶瓷復合結構更大的熱膨脹系數。
20.如權利要求
13或14所述的陶瓷復合結構，其中所說的包套部件具有比所述陶瓷復合體更大的熱膨脹系數。
21.如權利要求
1或2所述的方法，其中所說的包套部件是加了內襯或涂有保護層能防止所說的母金屬填料和氧化劑對所說的包套部件有任何顯著的侵蝕
22.如權利要求
1所述的方法，其中所說的母金屬被成型為形狀模，至少在其復制成槍管孔的區(qū)域，而且，至少在先于步驟(a)所述的填料中埋置部分形狀模。
23.如權利要求
13或14所述的的陶瓷復合結構，其中所說的陶瓷復合結構和所說的包套部件包括槍管或槍管內襯。
24.一種槍管，該槍管包括一個陶瓷內襯和鋼套，該鋼套是指迭加在所述內襯上為了保持所述內襯在壓應力作用下，所述內襯包括陶瓷填料和埋置在所述填料中的多晶陶瓷基體，所述多晶陶瓷基體主要包括(ⅰ)母金屬與氧化劑反應的相互聯接的氧化反應產物，和(ⅱ)金屬成分和/或氣孔。
25.如權利要求
24所述的槍管，其中所說的陶瓷內襯具有帶來復線的孔。
26.如權利要求
24所述的槍管，其中所說的基體由氧化鋁組成，所說的填料由氧化鋁組成。
27.如權利要求
26所述的槍管，其中所說的基體含有鋁。
28.如權利要求
27所述的槍管，所說的鋁組分高達約為所述基體重量的40%。
29.如權利要求
24所述的槍管，其中所說的陶瓷內襯是這樣一種內襯，它是在可滲透的管狀態(tài)陶瓷預成型體中由熔融母金屬與氧化劑的氧化得來的。
30.如權利要求
24所述的槍管，其中所說的陶瓷內襯是有一個孔，當所說的壁體形成時由母金屬的遷移和氧化產生的。
31.如權利要求
30所述的槍管，其中所說的陶瓷內襯是這樣一個內襯，它由熔融母金屬與氧化劑氧化而產生的，氧化是在圍繞金屬棒的多孔顆粒狀陶瓷填料塊體中進行的，當熔融母金屬被連續(xù)地抽引經過所述的反應產物時，最后所得陶瓷氧化反應產物并滲透并生長進入而穿過所述的填料塊體。
32.如權利要求
15所述的陶瓷復合結構，其中所說的包套部件具有比所述陶瓷復合體更大的熱膨脹系數。
33.如權利要求
17所述的陶瓷復合結構，其中的包套部件具有比所述陶瓷復合體更大的熱膨脹系數。
專利摘要
提供了一種生產自支承陶瓷復合結構的方法，該復合結構具有一個或多個包套部件，比如包套鋼套管，陶瓷材料生長到包套部件的嚙合表面使得它與復合結構聯接。使母金屬與由包套部件包封的填料體相接觸。將最后所得裝置加熱到熔化并使用母金屬氧化，例如鋁，形成包含氧化反應產物多晶體材料。氧化反應產物生長穿過填料體而且停止在包套部件的嚙合表面上，從而，包套部件確定了所生長的陶瓷基體的表面幾何形狀。通過冷卻，包套部件與陶瓷復合體間形成收縮配合。本發(fā)明還提供了最終的制品，例如，具有一個固定在其上的不銹鋼部件的陶瓷復合體。
文檔編號C22C1/05GK87106037SQ87106037
公開日1988年6月29日 申請日期1987年9月1日
發(fā)明者馬克·S·紐克爾克, H·丹尼爾·萊舍爾 申請人:蘭克西敦技術公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan