PT92262B

PT92262B - Processo para a solidificacao direccional de compositos com matriz de metal

Info

Publication number: PT92262B
Application number: PT92262A
Authority: PT
Inventors: Robert Campbell Kantner; Michael Kevork Aghajanian; John Peter Biel Jr
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: AU625092B2; CN1042499A; FI91723C; BR8905758A; MX174180B; ZA898536B; EP0368785A1; KR900007527A; NZ231082A; PT92262A; TR27335A; IL91730A0; JPH02236248A; PH26243A; KR0121459B1; FI894930A0; CA2000800C; NO893983L; ATE96470T1; DE68910274D1

Description

PATENTE DE INVENÇÃO

N.° 92.262

REQUERENTE: Lanxide Technology Company, PL, norte-americana, con sede em Tralee Industrial Park, Newark, Delaware 19711, Estados Unidos da América,

EPÍGRAFE: Processo para a solidificação direccional de compósitos com matriz de metal

INVENTORES: Michal Kevork Aghajanian, John Peter Biel Jr., Robert Campbell Kantner,

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

U.S.A., 1011.1988, sob o NQ 269,602,

INPI MOD. 1,3 RF 18732

LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP

PROCESSO PARA A SOLIDIFICAÇÃO DIRECCIONAL DE COMPÓSITOS

COM MATRIZ DE METAL (·

Campo da Invenção

A presente invenção refere—se a compósitos com matriz de metal e a processos de fabricação dos mesmos. Em particular, uma massa permeável de material de enchimento ou um pré-molde é infiltrada espontaneamente (isto é, sem a aplicação de qualquer pressão ou vácuo) por uma liga de metal da matriz fundido, na presença, pelo menos em algum instante durante o processo, de um intensificador de infiltração e/ou um precursor de intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração. Além disso, durante a formação do compósito com matriz de metal ou subs tancialmente simultaneamente com o fim da formação do compósito com matriz de metal, efectua—se a solidificação direc cional do metal da matriz.

Fundamento da invenção:

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço cora a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgas^ te devido ao controlo e a retenção da resistência às tempera turas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específi^ cos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúr gicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc., são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem áxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio re- 3 forçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produç3o de compósitos com matriz de metal pelas técnicas de metalurgia dos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às características dos produtos que podem obter-se. A percentagem em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 40 por cento. Também, a operação de prensagem põe um lõ_ mite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do produto relativamente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maqui. nagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode ve rificar-se a contracção não uniforme durante a sinterização, bem como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana No. 3.970.136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré—determinado da orientação das fibras. O compósito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz por exemplo, alumínio fundido, entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para for- 4 çar ο metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50 , em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de filtros, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uni formidade da formação da matriz, porosidade, etc. A não uni formidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agregado fibroso. Consequentemente, é necessário proporcionar agregados de mantos/reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem em volu me da matriz, devido à dificuldade inerente à infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda, são necessários mol des para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, fi lamentos ou fibras orientados aleatoriamente.

Na fabricação de compositos com matriz de ζ

ζ

- 5 alumínio e carga de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina tornando assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções têm sido sugeridas para esse problema. Uma dessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois prensado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra te£ nica, o alumínio forma uma ligação com lítio e a alumina pode ser revestida com sílica. Contudo, esses compósitos apresen tam variações nas propriedades, ou os revestimentos podem d<í gradar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedades da matriz.

A patente norte-americana No. 4.232.091 con cedida a R.W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e alumina. Essa patente descreve a aplicação de pre£ sões de 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida)num manto de fibras ou de filamentos emaranhados de alumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação máxima entre os volumes de alumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi O,25/l. Devido à sua dependência da força externa para realizar a infiltração este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu No. 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de alumina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido

de patente faz realçar a não molhabilidade da alumina pelo alumínio e, portanto, sâo usadas várias técnicas para molhar a alumina em todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alu mina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como de árgon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fa_ zer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não reves^ tida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1400 a l800°C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material in filtrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio do corpo.

uso de agentes molhantes, para efectuar a infiltração de um componente de alumina de uma pilha electrolítica com metal fundido é também apresentado no pedido europeu No. 9^353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula. A fim de proteger este seu subs-

trato da criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubili dade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanadio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azo to são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solu bilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a pene tração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana No. 3 718 44l, concedida em 27 de Fevereiro de 1973, a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de —6 2 6 menos de 10 torr. Um vácuo de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo metal fundido ate o ponto de o metal não fluir livremente para o in terior dos espaços vazios de cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10 torr.

A patente americana No. 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de AlB^. num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de A1B^2« Colocou-se o cadinho, carregado com compacto AlB^^ ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximadamente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100°C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no com pacto de AlB^ poroso.

A patente americana No. 3.364.976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente, descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido.

No caso de um molde, a cavidade do molde que é preenchida com um gás reactivo com σ metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica—se o enchimento da cavidade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vácuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o /

gás na cavidade e o metal fundido. Contudo, utilizando ura molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde depois montados antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo seguindo-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente, inc luirá a rectificação das superfícies do molde ou o seu descar te se não for já aceitável para ser utilizado. A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa, (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde. Mais ainda, embora haja uma sugestão de um material refractário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se ge — ralmente que tipicamente o material em partículas se desinte graria ou separaria por flutuação quando colocado num metal fundido). Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e fiável para produzir compósitos com matriz de metal modelados que não dependem da utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criado internamente), ou agentes molhantes prejudiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro mate rial, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havido uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção áatis^ faz essas necessidades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), que pode ser modelado com a forma de um pré-molde com metal da matriz (por exemplo, alumínio) fundido na presença de uma atmosfera infiltrante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, desde que esteja presen te um intensificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

¹ Além disso, sabe-se geralmente que a solidi^ ficaçSo direccional ajuda os processos de moldação dos metais por exemplo reduz a porosidade e/ou os espaços vazios num cor po. aumenta a resistência à tracção, modifica a microestrutura, etc. A combinação das técnicas de solidificação direccional com os mecanismos da infiltração espontânea segundo a presente invenção proporciona corpos compósitos com matriz de metal novos.

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário assunto do presente pedido de patente está _ 11 /

f relacionado com o de diversos outros pedidos de patente correspondentes do mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem processos no vos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em diante, j5or vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprietário).

Um processo para a fabricação de um material compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, No. 0^9.171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e inti^ tulado Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo de invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontânea mente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um supri mento de liga de metal fundido é posto em contacto com a mas sa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 675°C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gás, se houver,um gás não oxidante, por exemplo, árgon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinária mente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volu métricas entre o material de enchimento e a liga maiores que

1:1.

Nas condições do processo na invenção de White et al atrás mencionada, pode formar-se nitreto de alumínio com uma fase descontínua dispersa por toda a matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar, dependendo de factores coiro a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propriedades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto de alumínio.

Tem sido observado que temperaturas mais ele vadas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais con ducente à formação de nitretos. A invenção de White et al per mite a escolha de um equilíbrio entre a cinética da infiltra13

çâo e a formação dos nitretos.

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com ma triz de metal é descrito no pedido de patente americano do mesmo proprietário No. l4l 642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method of Making Metal Matrix Composite with the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Agha.

G·— janian et al, coloca-se um dispositivo de barreira (por exem pio, diboreto de titânio em partículas ou um material de gra fite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union Carbide com a designação comercial GrafoilGx ) num limite de superfície definido do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando a^ sim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequentemente, os corpos t · compósitos com matriz de metal formados têm uma forma exte rior que corresponde substancialmente à forma interior do meio de barreira.

presente pedido de patente americano No. 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. l68 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de

-14-/ metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte deliga de metal de matriz fundida é consumida du rante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga da matriz fun dida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realji zação do reservatório com todas as formas de realização alter nativas da invenção nele descritas, algumas das quais pode^ riam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo para contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir a infiltração espontânea se processe substancialmente até os limites (por exemplo, as barreiras) da massa permeável de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa quantidade suficiente de modo que não só haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como também poderia ficar liga de metal fundida em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito com plexo (por exemplo, um macrocompósito), no qual um corpo cerâ mico infiltrado, com uma matriz de metal, estará ligado direc tamente ao metal em excesso que fica no reservatório.

Todos os pedidos de patente de matriz de metal do mesmo proprietário atrás examinados descrevem procejs sos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz de metal produzidos por esses processos. As descrições completas de todos os pedidos de piatente de matriz de metal do mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Sumário da Invenção;

Um corpo compósito com matriz de metal é

Αά0·.'.'ΐ;

produzido por infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, um material cerâmico ou revestido com cerâmica) ou de um pré-molde com um metal da matriz fundido. O material de enchimento pode ser moldado ou estar contido num molde apropriado ou meio de barreira. Além disso, um precursor de um intensificador de infiltração e/ou um intensificador de infiltração e/ou uma atmosfera de infiltração estão em comunicação com o material de enchimento ou o pré-molde, pelo menos em certo instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz fundido se infiltre espontaneamente na massa permeável de material de enchimento ou do pré-molde. Em certo instante após a formação do compósito com matriz de metal, o compósito é submetido a uma técnica de solidificação direccional, que melhora as proprie dades do corpo compósito com matriz de metal.

Numa forma de realização preferida, o mate rial de enchimento pode incluir um precursor de intensificador de infiltração. 0 material de enchimento pode depois ser posto em contacto com uma atmosfera de infiltração para formar o intensificador de infiltraçSo pelo menos numa porção de material de enchimento. Esse intensificador de infiltração pode ser formado antes ou substancialmente simultaneamente com o estabelecimento do contacto do metal da matriz fundido com o material de enchimento. Além disso, pode proporcionar -se uma atmosfera de infiltraç3o durante substancialmento todo o processo de infiltração espontânea e, estar assim em comunicação com o material de enchimento ou, em alternativa, pode comunicar com o material de enchimento e/ou metal da ma

Z&i'.

triz durante apenas uma parte do processo de infiltração espontânea. Finalmente, é desejável que, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração este ja localizado em pelo menos uma porção de um material de enchimento .

Além disso, numa outra forma de realização preferida da presente invenção, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração ao material de enchi mento, pode fornecer-se directamente um intensificador de infiltração ao material de enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera de infiltração. Mais uma vez, finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar lovalizado em pelo menos uma porção do material de enchimento.

Faz-se notar que este pedido de patente dis^ cute primariamente metais da matriz de alumínio que, em algum instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, são postos em contacto com magnésio, que funciona como o precursor de intensificador de infiltração, na presença de azoto, que funciona como a atmosfera de infiltração. Assim, o sistema metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração de alumínio/magnésio/azoto apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/ /atmosfera de infiltração podem também comportar-se de uma ma neira análoga à do sistema alumínio/magnésio/azoto. Por exem pio, observou-se um comportamento de infiltração espontânea análogo no sistema de alumínio/estrõncio/azoto; no sistema

- 18 ç de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/cálcio/ /azoto. Consequentemente, embora aqui se examine primeiramente o sistema de alumínio/magnésio/azoto, deve entender—se que outros sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera de infiltração pode coraportar-se de maneira análoga, pretendendo-se que sejam abrangidos pela presente invenção.

κ- pQuando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contacto com uma massa de material de enchimento ou um pré-molde contendo um material de enchimento (por exemplo, alumina ou carboneto de silício), tendo o material de enchimento nele misturado mag nésio e/ou tendo estado em algum instante exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a lista de alumínio e/ou o material de enchimento ou o pré-molde estão contidos numa atmosfera de azoto durante pelo menos uma parte do processo. A massa de material de enchimento ou do pré-mo^L de infiltrar-se-ão espontaneamente e a extensão ou a velocidade de infiltração expontânea e de formação da matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera de infiltração), as dimensões e/ou a composição das partículas no material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera de infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a infiltração. A infiltração espontânea tipicamente ocorre numa extensão suficiente para filtrar substancial e completamente a massa de material de enchimento ou o pré-molde.

Foi ainda descoberto que a microestrutura, e portanto as propriedades, de um corpo compósito com matriz de metal infiltrado podem ser melhoradas pela utilização de solidificação direccional. Especificamente, uma vez terminada a infiltração espontânea do material de enchimento e/ou substancialmente próximo do fim da infiltração espontânea, pode aplicar-se um meio de aquecimento localizado num lado do compósito e/ou um meio de arrefecimento localizado num lado do compósito. Se se aplicar um meio de aquecimento ou um meio de arrefecimento ao compósito, os meios de aquecimen to e de resfriamento devem ser colocados substancialmente em extremidades opostas do compósito. Os compósitos com matriz de metal que são produzidos por um processo de infiltração espontânea e que foram solidificados direccionalmente podem ter microestruturas aperfeiçoadas em relação aos compósitos com matriz de metal feitos por uma técnica análoga mas sem serem submetidos à solidificação direccional. Por exemplo, as microestruturas podem ser mais uniformes, podem apresentar uma quantidade reduzida de poros ou espaços vazios, etc. Tais microestruturas aperfeiçoadas podem conduzir a uma melhoria das propriedades mecânicas, incluindo uma maior resistência à tracção, uma maior resistência à fractura, etc.

Exemplos específicos de meios de arrefecimento adequados para se obter solidificação direccional incluem placas de refrigeração, a remoção sequencial de um compósito com matriz de metal pelo menos parcialmente formado de um forno de aquecimento e/ou o estabelecimento do contacto de um compósito com matriz de metal pelo menos parcialmente formado com pelo menos um meio fluido. Exemplos específicos de meios de aquecimento adequados para obter a solidificação direccional incluem placas quentes: remoção pelo calor etc. Mais adiante examinam-se várias formas de realização da presente invenção com mais pormenor .

Definições

Lado da Liga, tal como aqui é usado, refe re-se ao lado do compósito com matriz de metal que contactou inicialmente com o metal fundido antes de o metal fundido se infiltrar no pró-molde ou massa de material de enchimento.

Alumínio. como aqui é usado, significa e inclui o metal substancialmento puro (por exemplo, um alumínio sem liga, relativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus do metal e de ligas do metal, tais como os rne tais comercialmente disponíveis com impurezas e/ou elementos de liga, tais como ferro, solício, cobre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc. Uma liga de alumínio para fins da presen te definição é uma liga ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituinte principal.

Gas restante não oxidante, como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás prin cipal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás iner te ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas condições do processo.

Barreira ou meios de Barreira, como aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de su perfície de uma massa permeável do material de enchimento ou do pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira.

Além disso, os meios de barreira apropria dos incluem materiais que são substancialmente não molháveis pelo metal da matriz fundido que migra, nas condições do processo utilizadas. Uma barreira deste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde é impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma porção da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tor nada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfuração da barreira, para permitir que o gás contacte com o me tal da matriz fundido.

Carcaça ou carcaça de metal da matriz r' como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcaça pode também incluir tipicamente um segundo metal ou metal estanho.

Material de enchimento, como aqui é usado, pretende-se que inclua quer constituintes individuais, quer misturas de constituintes substancialmente não reactivos, com o metal da matriz e/ou com solubilidade reduzida no mesmo, podendo ser de fase única ou com várias fases. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados com uma ampla variedade de formas, tais como pós, flocos, plaquetas, micro esferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc. e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimento podem também incluir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, a alumina ou o carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cor tadas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, pero las, esferas, mantos de fibras ou similares e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para pro teger o carbono do tanque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento também podem incluir metais em qualquer configuração desejada.

Remoção do topo pelo calor, como aqui usa do, refere-se à colocação de uma substância numa extremidade (a extremidade de topo) de um compósito com matriz de metal pelo menos parcialmente formado, que reage exotermicamente com o metal da matriz e/ou o material de enchimento e/ou com outro material fornecido à extremidade de topo. Esta reacção exotérmica deve proporcionar calor suficiente para manter o metal da matriz na extremidade de topo num estado fundido enquanto o restante do metal da matriz no compósito arrefece até à temperatura de solidificação.

Intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado por exemplo, a partir de uma reacção de um precur sor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (l) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante.e/ou (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ou metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à de um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o precursor de intensificador de infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ¹¹ ou precursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espon taneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação parλ ticular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sis temas de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da, temperatura a que

i..... o metal de matriz se funde. Essa volatilização pode levar a:

(l) uma reacção no precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento do material de enchimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde o que intensifica o molha mento; e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de en chimento ou do pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Metal da Matriz ou liga de metal da matriz¹¹, como aqui é usado, significa o metal que é utilizíi do para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um ma terial de enchimento para formar um corpo compósito com matriz de metal (por exemplo, depois da infiltração). Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, deve entender-se que esse metal da matriz inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou elementos de liga, um composto inter metálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltraçâo/atmosfera infiltrante ou Sisi .···.·>tema espontâneo. como aqui é usado, refere-se a combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-mol^ de ou material de enchimento. Deve entender—se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de uma maneira particular, apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

/

Compósito com matriz de metal ou MMC, como aqui é usado, significa um material que compreende uma liga ou material de metal interligado bi- ou tridimensionalmente, que embebeu um pré-molde ou massa de material de enchi, mento. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para proporcionar propriedades mecânicas e físicas espe cificamente desejadas no compósito resultante.

Um metal diferente do metal da matriz significa um metal que não contém, como constituinte principal , o metal igual ao da matriz (por exemplo, se o constituinte principal do metal da matriz for o alumínio, o metal diferente pode ter um constituinte principal de, por exemplo , níquel).

Vaso não reactivo para alojar o metal da matriz. significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molde) e/ou metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiitrante e/ou o precursor do intensificador da infiltração e/ou um material de enchimento ou pré-molde de uma maneira que seria significativamente prejudicial ao mecanismo de infiltração.

Pré-molde ou Pré-molde permeável como aqui é usado,significa uma massa porosa de material de enchi mento ou um material de enchimento que é preparada com pelo menos um limite de superfície que define substancialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensional an—

tes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no seu interior. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição ligados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas em pó, fibras, filamentos emaranhados, etc. de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

Reservatório, como aqui é usado, significa um corpo separado de metal da matriz posicionado em rela ção a uma massa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para rea bastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicialmente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou com o pré-molde. 0 reservatório pode também ser usado para proporcionar um metal diferente do metal da matriz.

Infiltração espontânea, como aqui é usa do, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeável de material de enchimento ou pré-molde, que se verifica sem exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplica dos externamente quer criados internamente).

Breve Descrição das Figuras

As figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas não se destinam a limitar o escopo da presente invenção. Utilizaram-se núme ros de referência iguais, sempre que possível, em todas as figuras, para indicar componentes semelhantes, representando:

A fig. 1, uma vista em corte transversal dos materiais utilizados no Exemplo 1, para obter uma infiltração espontânea de um primeiro pré-molde;

A fig. 2 uma vista em corte transversal dos materiais utilizados no Exemplo 1 para obter uma infiltração espontânea de um segundo pré-molde;

A fig. 3, uma vista em corte transversal dos materiais representados na fig. 2 depois de se verificar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde. A fig. 3, também mostra o conjunto de solidificação direccional utilizado no Exemplo 1;

A fig. 4, uma vista em corte transversal dos materiais utilizados no Exemplo 2 para obter uma infil tração espontânea de uma massa de material de enchimento;

As Fig.s 5a θ 5b, são microfotografias ópticas de um compósito com matriz de metal, solidificado não direccionalmente, contendo fibras de alumina;

As fig.s 6a e 6b, microfotografias ópticas de um compósito com matriz de metal solidificado dire£ cionalmente, contendo fibras de alumina.

A fig. 7 uma microfotografia óptica de um compósito com matriz de metal não direccionalmente solidificado num forno, contendo fibras de alumina.

A fig. 8 uma microfotografia óptica de um

compósito com matriz de metal solidificado direccionalmente, contendo fibras de alumina.

Descrição pormenorizada da invenção e forde realização preferidas

Uma fase inicial na presente invenção con siste em seleccionar uma combinação adequada de materiais para obter infiltração espontânea (por exemplo, selecção do metal da matriz e/ou do material de enchimento ou do pré-molde do intensificador de infiltração e/ou do precursor de intensificador de infiltração, dos componentes de liga (se necessário) e/ou da atmosfera infiltrante). A presente invenção utiliza o efeito sinergético que resulta: da combinação dos materiais usados para se obter a infiltração espontânea. Depois de escolher uma combinação apropriada de materiais e de obter a infiltração espontânea, solidificou-se direccionalmente a massa de enchimento ou do pré-molde infiltrada a seguir (ou substancialmente simultaneamente com a infiltração) por uma técnica apropriada de solidificação direccional. As técnicas específicas de solidificação direc cional adequadas para uso em combinação com a técnica de infiltração espontânea são discutidas mais adiante.

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no material de enchimento ou no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser proporcionado (l) no metal da matriz; e/ou (2) na massa de material de enchimento permeá30 vel ou no pré-molde; e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante; e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um in tensificador de infiltração directamente ao material de enchimento ou ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos durante a infil^ tração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchj^ mento ou pré-molde.

Numa forma de realização preferida, é possível que o precursor de intensificador de infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificador da infiltração pode ser formado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde, antes ou substancialmente e simultaneamente com o contacto do material de enchimento ou pré-molde com o metal da matriz (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intensificador de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante,, o intensificador de infiltração poderia ser o nitre to de magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção do pré-molde ou do material de enchimento).

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, a massa de material de enchimento ou pré-molde deve ser suficientemente permeável para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atra, vesse os poros do material de enchimento ou pré-molde num dado instante durante o processo e/ou entre em contacto com o metal da matriz fundido. Além disso, a massa de material de enchimento ou pré-molde pode adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que a massa de ma terial de enchimento ou o pré-molde impregnados com azoto se jam infiltrados espontaneamente com metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fa-

zer	com	que o azoto	reaja com	um	precursor de intensifica-
dor	de	infiltração	para formar	o	intensificador de infiltra^
ção	no	material de	enchimento	ou	pré-molde, dando origem à

infiltração espontânea. A extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições de processo incluindo o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio do material de enchimento ou pré-molde, a quantidade de nitreto de magnésio no material de enchimento ou no pré-molde, a presença de elementos de liga adicionais por exem pio silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zindo e semelhantes), as dimensões médias do material de enchimento (por exemplo o diâmetro das partículas) que constituem o pré-molde ou material de enchimento, a condição da superfície e o tipo de material de enchimento ou pré-molde, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a in filtração e a temperatura a que se verifica a infiltração.

Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontaneamente o alumínio

Ύ\ pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de . infiltração) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propredades específicas pré-determinadas. (Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para condu zir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde). A perda de magnésio a partir do sistema espontâ^ neo devido, por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador de infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será efectuada de manei ra adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio quer no pré-molde (ou material de enchimento), quer no metal da matriz ou apenas no pré-molde (ou material de enchimento) pode ter como consequência uma redução na quan tidade de magnésio necessária para se obter a infiltração pontânea (examinado com mais pormenor mais adinate).

A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se—à uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam

presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, do azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decomposição de um material.

α·.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde depende de uma ou mais variáveis tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zin co, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmosfera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do material de enchimento ou do pré-molde. Também para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de tempera, turas, mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exem pio, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condiçães: uma tem peratura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao material de enchimento ou ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na utilidade geral, numa ampla variedade de condições do processo, preferin do-se pelo menos cerca de 5 por cento, quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração.

teor de magnésio pode ser reduzido quan do usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substanciai, mente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro for mando liga com apenas 10 por cento de silício a 1000°C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99 da

Norton Co.) com granulometria de 5θ0 mesh. Mas na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou mate rial de enchimento.

Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio for necido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocado no pré— -molde ou material de enchimento. Pode ser desejável propor cionar uma quantidade menor de magnésio a fim de impedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de carboneto de silício, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de 1 %, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de aiumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou-se que, quando um pré-molde de aiumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a aiumina que se infiltrou num pré-molde de carboneto de silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3 ^em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração e/ou intensificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchi mento antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido no siste ίΐ>.

ζ;

ma espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido que a refe rida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de mate rial de enchimento ou vice-versa, ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou mate rial de enchimento. Além disso, é ainda possível que se uti^ lize uma certa combinação da aplicação na superfície da formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do material de enchimento óu do pré-molde. Essa combinação da aplicação de intensificador(es) de infintração e/ou precursor(es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio no material de enchimento ou no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minimizar-se a quantidade de compostos intermetálicos indesejáveis formados devido à presença de magnésio.

uso de um ou mais elementos de liga au xiliares e da concentração de azoto no gás circundante também afecta a extensão de nitretaçâo do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, podem usar-se elementos de liga auxiliares, tais como o zinco ou o ferro incluídos na liga, ou colocados numa superfície da liga, para baixar a temperatura de infiltração e diminuir assim a quantidade da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

/ ί

Α concentraç3o de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde também tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores de liga infev ·. riores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mis eleva das ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltra, ção espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa: (l) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes de liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ /ou (3) quando estiver presente na liga de alumínio outro ' ^Λ elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com diferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-à a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675°C e, de preferência, a uma temperatura de processo de pelo menos cerca de 75O°C-8OO°C. Temperaturas geralmente acima de 1200°C parece não benificiarem o processo, tendo—se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 675°C a cerca de 1200°C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura su perior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volatilização do metal da matriz. Alél disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda à medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio a uma atmosfera infiltrante de azoto,pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto da reacção pode ser desejável ou indesejável conforme a aplicação pre tendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contu do, qualquer meio de aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção .

No presente processo, por exemplo, uma massa de material de enchimento ou um pré-molde entra em contacto com alumínio fundido na presença de pelo menos um gás contendo azoto, em algum momento durante o processo. 0 gás contendo azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo con tínuo de gás em contacto com o material de enchimento ou o pré-molde e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal do gás contendo azoto não seja crítico, é preferido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido à formação de nitre to na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a in39 cursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido .

processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as con dições do processo a reactividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo, quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adquados incluem (2) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo, dodecarboreto de alumínio e (d) nitretos, por exem pio, nitretos de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alurmí nio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados podem ser cerâmicas, tais como óxidos, carbonetos, boratos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de multifilíi

- 4θ mentos . Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana No. 4 713 360, intitulada Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same publicada em 15 de Dezembro de 1987 , em nome de Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltraçSo de sejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Além disso, os corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito no pedido de patente copenden te, do mesmo proprietário No. 819 397, intitulado Composite Ceramic Articles and Methods of Marking Same em nome de Mack S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de in filtração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente são aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração me nores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedido de patente e da patente americana atrás mencionados.

As dimensões e a forma do material de en chimento podem ser quaisquer necessárias para obter as pro priedades desejadas no compósito. Assim, o material de enchimento pode estar sob a forma de partículas, filamentos ema r nhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas tais como, esferas, túbulos, peletes, tecido de fibras refrac tárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser neces sários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infiitrante).

processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento, permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Maio res percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não esteja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração

pela liga fundida. Preferem-se percentagens, em volume, de material de enchimento da ordem de 40 a 50 por cento, para a termomodelação segundo a presente invenção. Para tais percentagens, em volume, o compósito infiltrado mantém, ou mantém substancialmente, a sua forma facilitando assim o proces samente secundário. Podem no entanto usar-se cargas ou percentagens, em volume, de partículas maiores ou menores, conforme a carga do compósito final desejado, depois da termomo delação. Além disso, podem usar-se processos para reduzir as cargas de partículas em relação com os processos de termo modelação segundo a presente invenção, para se obterem menores cargas de partículas.

Foi observado que, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimen to cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretáção desprezável ou mínima do metal resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superior da faixa de temperatura,torna-se mais provável a nitretação do metal. Pode assim controlar-se, a quantidade da fase de nitreto da matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à que se verifica a infiltração. A tem peratura de processamento específica à qual se torna mais pro nunciada a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade re lativamente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível, pré-determinar a consti tuição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitretos. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para, ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a in filtração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1000°C, se se desejar que a duc tilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem usar-se, temperaturas superiores a 1000°C, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cer ca de 1200°C, visto a liga de alumínio se nitrificar em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como material de enchimento

- 4L torio de metal da

Além disso, é possível usar um reservamatriz para assegurar a infiltração comple ta do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal, que tem uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser de sejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma posição diferente da da primeira fonte de metal da matriz.

Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então, usar—se substancialmen te qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu à temperatura de processamento como metal do reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reservatório que com composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz, é possível prj? -determinar as propriedades da matriz de metal para satisfazer os vários resuisitos operacionais e, desse modo, pré-de— terminar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode utilizar-se também um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, da liga da matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser qualquer material, com

posto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferência, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, inter romper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração con tínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento cerâmico. Os meios de barreira podem ser usados durante a infiltração espontânea ou em quaisquer moldes ou outros acessórios utilizados em ligação com a termomodelação do compósito com matriz de metal infiltrando espontaneamente, como se descreverá com mais pormenor mais adiante.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal da matriz fundida que migra, nas condições do processo usadas. Uma barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedindo-se ou inibindo-se o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-molde por meio da barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto compósito com matriz de metal. Como atrás se mencionou, a barreira deve, de preferência, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de furos, para permitir que o gás contacte com a liga da matriz fundida.

Barreiras adequadas particularmente utili.

záveis para as ligas de matriz de alumínio são as que contêm

carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de car bono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não polhável pela liga de alumínio fundido, nas condições do pr_o cesso descritas. Uma grafite particuiarmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendido sob a marca comerciai Grafoil, registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e quimicamente inerte.0 material de grafite Grafoil te/ é flexível, compatível, moldjá vel e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adap tar a qualquer aplicação da barreira. Contudo, o meio de bar reira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno de e no lirni te do material de enchimento ou pré-molde. Grafoil^—' é particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou pré-molde.

Outro ou outros meios de barreira para in filtrar ligas da matriz de metal de alumínio num ambiente de azoto são os boretos de um metal de transmissão (por exemplo, diboreto de titânio (T1B_O)), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condições do processo empregadas usando esse material. Com uma barreira desse tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, pois, de outro modo, o material de barreira torna—

- 47 -se menos eficaz, verificando-se de facto, com o aumento da temperatura a infiltração na barreira. Os boretos com um me tal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (l-30 micrómetros). Os materiais de barreira podem ser aplicados como uma suspensão ou pasta nos limites da mas sa permeável de material de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldado como um pré-molde.

Outros materiais de barreira utilizáveis para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de pequena volatibilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchimento ou pré-molde. Mediante a cozedura em azoto, especialmente nas condições de processo da presente invenção, o composto orgânico decomp8e-se deixando uma película de fuliger de carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais, tais como, pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais de partículas fina mente triturados, podem funcionar como barreira,desde que a infiltração do material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa de infiltração do material de en chimento.

Assim, o meio de barreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de barreira sob a forma de líquido, suspensão ou pasta,

ou por deposição de um meio de barreira vaporizável, ou simplesmente pela deposição de uma camada de meio de barreira sólido, em partículas, ou pela aplicação de uma folha fina sólida ou película de meio de barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração do metal da matriz atingir o limite de superfície definido e entrar em contacto com o meio de barreira.

triz de metal tendo:

Uma vez consèguida uma quantidade desejada de infiltração espontânea, ou durante a infiltração espontânea (por exemplo, substancialmente perto do fim da infiltração espontânea), pode utilizar-se um meio para solidificar direccionalmente o compósito com matriz de metal.

Vários meios aceitáveis para solidificar direccionalmente o compósito com matriz de metal podem ser utilizados, incluindo a remoção do topo a quente de pelo menos uma superfcie do compósito com matriz de metal e/ou estabelecendo o contacto de uma superfície do compósito com matriz de metal com um colector fixo, tal como uma placa de refrigeração, e/ou esta belecendo o contacto ou imergindo sequencialmente o compósito com matriz de metal com/num corpo fluído (fixo ou fluente); e/ou a remoção sequencial do compósito com matriz de metal do forno em que foi formado; etc. Utilizando um ou mais desi tas técnicas de solidificação direccional, isoladas ou em com binação, é possível melhorar as propriedades de um compósito com matriz de metal produzido por uma técnica de infiltração espontânea. Por exemplo, podem obter-se compósitos com mamicroestruturas aperfeiçoadas (por exem

- ^9 pio, mais uniformes); uma quantidade reduzida de porosidade ou espaços vazios na microestrutura; maior resistência à tracção; etc., relativamente aos compostos com matriz de metal produzidos de maneira análoga, que não foram solidificados direccionalmente. Como se mostra nas figs. 5® e 5b θ nas figs. 6a e 6b, a solidificação direccional de um corpo compósito com matriz de metal contendo fibras reduz a porosi. dade no corpo composto e cria uma microestrutura mais unifor me. Além disso, como se demonstra no Exemplo 1, os compósitos com matriz de metal reforçados com fibras, que foram solidificados direccionalmente têm resistências à tracção maio res do que os compósitos análogos, que não foram solidificados, direccionalmente.

Especificamente, as figs. 5a, 5b, 6a e 6b são microfotografias ópticas de compósitos com matriz de metal contendo fibras de alumina. Cada conjunto de figuras mostra microfotografias com dois níveis de ampliação. As mi crofotografias nas figs. 5a ® 56 são representativas de um compósito com matriz de metal, que foi arrefecido no forno isto é, não solidificado direccionalmente.

Como se indica pelas linhas com a referência (8θ) nas figs. 5a e 5b, o compósito com matriz de metal que não foi solidificado direccionalmente mostra zonas de porosidade ou de espaços vazios onde não há metal da mai triz. Em contraste, vê-se facilmente nas figs. 6a e 6b que o compósito com matriz de metal solidificado direccionalmen te contém substancialmente menos porosidade ou espaços vazios. Além disso, o compósito com matriz de metal represen tado nas figs. 6a e 6b tem uma microestrutura mais uniforme do que o compósito com matriz de metal representado nas figs. 5a e 5b. Em particular, esse aumento da uniformidade é evidenciado pela maior dispersão de fibras no metal da matriz.

Os requerentes crêm que o aumento na resistência a tracção evidenciado pelos compósitos com matriz de metal solidificado, direccionalmente descritos no Exemplo 1, foi devido, pelo menos em parte, à redoção da porosidade ou dos espaços vazios obtida mediante a solidificação direccional do composto com matriz de metal. Em particular, a porosidade ou os espaços vazios reduzem a área de suporte de carga no interior do compósito com matriz de metal, reduzindo assim a resistência à tracção do compósito. Assim, a redu ção da porosidade ou dos espaços vazios conduzirá a uma área de suporte de carga maior no interior do compósito com matriz de metal e um aumento correspondente da resistência à tracção.

As figs 7 θ 8 s3o microfotografias ópticas de dç»is compósitos com matriz de metal contendo fibras de alumina. A fig. 7 mostra a microestrutura de um compósito com matriz de metal que não foi solidificado direccionalmente, ao passo que a fig. 8 mostra a microestrutura de um compósito com matriz de metal que foi solidificado direccionalmente no Exemplo 1. As linhas na fig. 7 com a referência (84) indicam zonas de porosidade ou de espaços vazios no compósito com matriz de metal. Um exame da fig. 8 revela que estas zonoas de porosidade ou de espaços vazios foram substancialmente reduzidas. Assim, as figs. 7 θ 8 proporcionam com maior evidência de que pode obter—se uma redução da porosidade ou dos espaços vazios

e uma microestrutura mais uniforme através da solidificação direccional dos compósitos com matriz de metal produzidos pela infiltração espontânea de um metal da matriz numa massa de material de enchimento ou num pré-molde.

Embora muitos dos meios de solidificação direccional aqui examinados sejam descritos como entran do em contacto com o compósito com matriz de metal formado directamente, deve entender-se que estas descrições são apenas ilustrativas e que o compósito está usualmente contido no interior de pelo menos um recipiente adequado durante a fase de solidificação direccional. Assim, quando se descreve que um meio de solidificação direccional particular é pos to em contacto com uma parte particular do compósito, deve entender-se que o meio de solidificação direccional pode de facto ser posto em contacto com a extremidade de um conjunto ou montagem mais próxima da parte descrita do compósito. A solidificação direccional dos conjuntos que contêm compósitos com matriz de metal é demonstrada nos Exemplos seguintes. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como ilustrativos e não devem ser considerados como limitando o escopo da presente invenção, conforme é definido nas reivindicações anje xas.

Exemplo 1 exemplo seguinte demonstra a utilização de uma técnica de solidificação direccional em combinação com um novo processo de formação de compósito com matriz de metal por uma técnica de infiltração espontânea para se

- / obter um compósito com matriz de metal, com uma resistência à tracção superior à de um corpo compósito com matriz de me tal produzido por uma técnica de infiltração espontânea aná Ioga, sem ser combinada com uma fase de solidificação dire_c cional.

Infiltrou—se um pré-molde poroso, de aqui em diante designado por pré-molde No. 1, com as dimensões de cerca de 12,7 x 12,7 x 2,032 cm (5 x 5 x 0,8), na preseri ça 8e uma atmosfera de azoto, por uma liga de alumínio comercial fundida, contendo magnésio. 0 pré-molde era consti tuído por aproximadamente 12 por cento, em volume, de fibras de alumínio (pelo menos 90 por cento, em peso, das fibras de alumina eram de Fiber FP, produzida pelo Du Pont Company) e ligaram-se entre as fibras de alumina corn alumina coloidal. A reacção de pesos de alumina coloidal/fibra era aproximada mente l/4 e o restante do volume do pré-niolde era constituí^ do por poros interligados. A infiltração do pré-molde foi obtida pelo procedimento descrito nos parágrafos seguintes.

Como se mostra na fig. 1, colocou—se uma camada de aproximadamente 2,54 cm (l) de um material de alu mina (l7) de 24 grit, produzido pela Norton Company e vendida sob a marca comercial Alundum no fundo de uma barquinha de grafite (io). Colocou-se uma caixa (l2) feita de um produto de fita de grafite Grade GTB de 0,38 m (0,015) 8® espessura, produzido pela Union Carbide e vendido sob a mar ca comercial Grafoil ® no topo da camada de 2,54 cm (l)de Alundum (l7) contida no interior da barquinha de grafite (1 ^X 2 (lO). A caixa de Grafoil (l2) foi produzida unindo com grampos secções de dimensões apropriadas de Grafoil^* e, depois as juntas com uma pasta fluida preparada misturando pó de grafite (Grade KS-44 da Lonza, Inc.)e sílica coloidal (Ludox H5 da DuPont). A relação dos pesos de grafite e sj[ lica coloidal era de cerca de l/3.

Depois de colocar a caixa de Grafoil (l2) no topo da camada inicial de Alundum^ (17), adicionou—se mais Alundum (l4) à barquinha de grafite (lO) em torno do exterior da caixa de Grafoil (l2) até o nível resultante do leito (l4) de Alundum (R) dentro da barquinha de grafite (lO) atingir aproximadamente o mesmo nível que o topo da cai. xa de Grafoil (l2). Nesta altura o pré-molde No. 1 (l6) da fig. 1, no fundo da caixa de Grafoil ® (l2) e um lingote (l8) da liga 520.2, comercialmente disponível, com as dimen sões aproximadas de 12,065 x 12,065 x 1,27 cm (4 x x ) no topo do pré-molde (l6).

Colocou-se o conjunto formado pela barquinha de grafite (lO) e o seu conteúdo no interior de um forno de resistência eléctrica com atmosfera controlada (isto é, um forno de vácuo) â temperatura ambiente. Evacuou-se depois o forno à temperatura ambiente até obter um alto vácuo , —4 \ χ (aproximadamente 1 x 10 Torr). Uma vez estabelecido o vai cuo, elevou-se progressivamente a temperatura do forno duran te um período de 45 minutos para cerca de 200°C e manteve-se durante cerca de duas horas a essa temperatura. Após o períc> do de manutenção de duas horas, encheu-se de novo o forno com gás azoto até aproximadamente uma atmosfera e estabele- 54ceu-se um caudal contínuo de pás de 2 litros/minuto. Elevou -se depois a temperatura do forno, para cerca de 700°C durante um período de 5 horas e manteve-se a 700°C durante cerca de 20 horas. Após o período de aquecimento de 20 horas, desligou-se o forno e deixou-se que o conjunto arrefecesse dentro do forno até à temperatura ambiente.

Após alcançar a temperatura ambiente, reti rou-se o conjunto do forno e desmontou-se. Cortou-se o com pósito com matriz de metal obtido a partir do conjunto em dois pedaços iguais e sujeitou-se um dos pedaços, de aqui em diante designado por pedaço A, a um tratamento térmico com solução T4. 0 tratamento térmico com solução T4 consis tiu ein mergulhar o compósito de matriz - de metal a cerca de 432°C, durante cerca de 18 horas e, imediatamente, o arrefe cimento rápido do compósito com matriz de metal em água fervente a 100°C, por aproximadamente durante 20 segundos.

outro pedaço de compósito com matriz de metal, de aqui em diante designado por pedaço B, não foi submetido a qualquer tratamento térmico.

Infiltrou-se um segundo pré-molde, de aqui em diante designado por pré-molde No. 2 constituído pelos mesmos materiais que o pré-molde No. 1 mas com as dimensões de l4,6O5 x 14,005 x 2,032 cmi ( 5j x 5j ^x θ,θ)» numa at mosfera de azoto com uma liga de alumínio comercial, contendo magnésio. A infiltração do pré-molde foi obtida pelo pro cesso descrito nos parágrafos seguintes.

Como se mostra na fig. 2, colocou-se uma caixa de Grafoil^ (22) de 14,605 x 14,605 x 7,62 cm / 3 3 \ ' (5·^ x 5-ζ- x 3) produzida da maneira atras descrita dentro de uma caixa de aço inoxidável (24) de 15,24 x 15,24 x l6,51cm (6 3à 6 x 6·^·.) . Colocou-se o pré-molde (pré-molde No. 2), designado por (26) na fig. 2, dentro da caixa Grafoil (22) e colocou-se um lingote (28) de aproximadamente 8,89 x 8,89 x zl 1· 1 \ , x 1,27 cm (3-2 x 3j x 2 ) de liga de alumínio 520,2, comer cialmente disponível, no topo do pré-molde (26). Cobriu-se depois o topo da caixa (24) de aço inoxidável com uma placa (30) de 3,175 mni(g ) de espessura de um material isolante produzido por McNeil Refractories Inc. e vendido com a marca comercial Fiberfrax Duraboard HD. Colocou-se o conjunto formado pela placa de Fiberfrax (3θ) que cobre a caixa (24) de aço inoxidável e o seu conteúdo dentro de um forno de resistência eléctrica com atmosfera controlada. Evacuou-se d_e pois o forno à temperatura ambiente até obter um alto vácuo (aproximadamente 1 x 10 ~ Torr). Uma vez estabelecido o vácuo, encheu-se de novo o forno à temperatura ambiente com gás azoto até aproximadamente uma atmosfera e estabeleceu-se um (Caudal contínuo de gás de cerca de 2500 cin /minuto. Elevou-se depois a temperatura do forno até cerca de 725°C com a velocidade de cerca de 150°C/hora. Manteve-se o forno a cerca de 725°C durante cerca de 15 horas fundindo durante esse tempo o lingote de liga de alumínio e infiltrou-se e_s pontanearnente no pré-molde.

Após o período cleixou-se arrefecer o forno até de aquecimento de 15 horas, cerca de 675°O..A esta tem56 peratura, retirou-se o conjunto do forno e, como se mostra na fig. 3, colocou-se no topo de uma placa de aço (34), que assentava no topo de duas placas de grafite (36). Além di_s so, como se mostra na fig. 3, colocaram-se quatro tijolos refractários (38) à volta da caixa (24) de aço inoxidável, a fim de isolar o conjunto e manter a liga no estado de fusão durante o processo de solidificação direccional. Cada tijolo refractário (3θ) estava em contacto com um dos quatro lados da caixa (24) de aço inoxidável. A solidificação direccional da liga fundida na composição ocorreu através da absorção pelas placas de grafite (36) da energia térmica extraída do conjunto através da placa de aço (34). Assim, a placa de aço (34) transferiu o calor da parte inferior e do conjunto para as placas de grafite (36), que actuarem como um colector de calor. Deste modo, o conjunto foi arrefecido direccionalmente da sua base para a liga em excesso (35) na sua superfície.

Depois de arrefecer abaixo da temperatura de solidificação da liga de alumínio, desmontou-se o conjun to e recuperou—se um compósito com matriz de metal. 0 compósito com matriz de metal foi cortado em dois pedaços com as mesmas dimensões. 0 primeiro pedaço, de aqui em diante designado por pedaço C, submetido a um tratamento térmico T4. Esse tratamento térmico está atrás descrito. 0 segundo pedaço, de aqui ern diante designado por pedaço D, não foi submetido a qualquer tratamento térmico.

Os quatro pedaços, pedaços A, B, C e D, fo

ram submetidos ao ensaio normalizado de medição da resistência â tracção descrito no parágrafo seguinte.

Cortaram tiras para ensaio, medindo cerca de 2,54 mm (0,1) de espessura por cerca de 1,27 cm (θ,5) de largura por cerca de 12,7 cm (5') de comprimento de cada pedaço do compósito com matriz de metal. A geometria das tiras de ensaio seguia a norma D 3552-77 da ASTM (Reaprova do em 1982), figura 1, espécime 1, excepto que o raio de osso de cão usado era nominalmente de 10,ló cm (4), Montou-se cada uma das tiras de ensaio em garras adequadas de uma máquina de ensaio e aplicou-se uma carga (puxando uma extremidade da tira de ensaio) com uma velocidade de cruzeta aproximadamente constante de 0,508 mm/m (0,02/m) até a rutura da tira. Os resultados destes ensaios de resistência à tracção estão resumidos no Quadro 1.

Quadro 1

Pedaço	Liga	Temp. (°c)/ Tempo (horas)	Tratamento Térmico	Outro s	Resistência à tracção (Ksi)
A	Al-10,5	mg	700/20	T4	solidificado direccional- mente	22 (máx)
B	Λ1-10,5	mg	700/20	Nenhum	Resfriamento em forno	24 (máx)
C	Al-10,5	mg	725/15	T4	Solidificado direccionalmen te	40,3 + 0,9
D	Al-10,5	mg	725/15	Nenhum	Solidificado direccional—	36,2 + 0,7

mente

Os resultados resumidos no Quadro 1 demonstram que a utilização da solidificação direccional na formação de um corpo compósito com matriz de metal pode au mentar a resistência à tracção do compo compósito com matriz de metal. Além disso, o tratamento térmico de um cor po compósito com matriz de metal solidificado direccionalmente pode ainda aumentar a resistência à tracção. Julga-se que o aumento dramático da resistência a tracção que se verifica pela solidificação direccional é o resultado da redução da porosidade ou do espaço vazio no corpo compósito com matriz de metal. Essa redução da porosidade ou do espa ço vazio aumenta a área de suporte de carga, aumentando assim a resistência à tracção do corpo compósito com matriz de metal.

Exemplo 2 exemplo seguinte demonstra a utilização de uma técnica de solidificação direccional em combinação com um novo processo de formação de um compósito com matriz de metal por uma técnica espontânea para obter um compósito com matriz de metal que apresenta porosidade ou espaço vazio reduzidos em relação a um corpo compósito com matriz de metal formado de maneira análoga que não foi submetido a uma solidificação direccional.

Como se mostra na fig. 4, misturaram-se aproximadamente 263 gramas de carboneto de silício verde de 1000 grit, produzido pela Norton Co. e vendido com a designação comercial de 39 Crystolon, com aproximadamente 2?ó,

-ς em peso, (5,8 gramas)) de magnésio em pó, estando a mistura referenciada como (50) θ colocou-se a mistura (50) dentro de uma caixa (4θ) com as dimensões aproximadas de 15,24 x x 7,62 x 12,7 cm (6 x 3” x 5) θ feita de aço carbono (42) de aproximadamente 254 mrn (θ,1) de espessura, com um forro interior (44) de um produto de fita de grafite de Grau CTB de 0,38 mm (θ,Ο15”) de espessura, conhecido com a designação comercial Grafoil e produzido pela Union Carbide. Revestiu-se o exterior da caixa (40) com Fiberfrax Duraboard HD pré-cozida de 3,1-75 (^ ) de espessura, produzido pela

McNeil Refractories Inc., com a referência (46) na fig. 4.

Colocou-se um lingote (48) de aproximadamente 520,2 gramas de uma liga de alumínio compreendendo 12 %, ern peso, de si.

lício, 5 %, em peso, de zinco, 6 %, em peso de magnésio e o restante de alumínio, no topo do leito (50) da mistura de carboneto de silício/magnésio de 1000 grit. Colocóu-se este conjunto no topo de uma placa (5 2) de 3,175 mm (1/') de 8 espessura do material Fiberfrax atrás descrito, que estava situado no fundo de um recipiente (54) de aço inoxidável, com uma alimentação (56) de gás azoto e uma tampa (58) de folha de cobre. Colocou-se esponja de titânio (6θ) dentro do recipiente de aço inoxidável, mas fora da Fiberfrax (46) contendo a mistura (50) e a liga de alumínio (48). A esponja de titânio (60) fo i colocada dentro do recipiente (54) para funcionar como um captador de oxigénio. Colocou-se o recipiente (54) dentro de um forno aquecido com resistência eléctrica, que era aberto para o ar e aqueceu—se desdo a temperatura ambiente até cerca de 25O°C durante um tempo de

6θ aproximadamente 4θ minutos, manteve-se a cerca de 25O°C durante cerca de uma hora, elevou-se para cerca de 800°C durante um tempo de cerca de três horas, manteve-se a cerca de 800°C durante cerca de 2,5 horas e, retirou-se depois do forno a cerca de 800°C. Enquanto o recipiente esteve rio for no, forneceu-se azoto através da alimentação (56) para o in terior do recipiente (54) com um caudal de cerca de 5 litros/ /minuto e manteve-se a pressão dentro do forno a cerca de uma atmosfera. Após a remoção do forno a cerca de 800°C, o conjunto solidificou direccionalmente sobre uma placa de arrefecimento com a parte superior do cobre arrefecida por água, durante cerca de ¹/2 hora e, mergulhou-se depois em água à temperatura ambiente.

Ao atingir a temperatura ambiente, retirou-se o conjunto da água e desmontou-se. 0 exame do compósito com matriz de metal obtido a partir do conjunto revelou que o compósito tinha uma porosidade menor ou menos espaços vazios que os compósitos com rtiatriz de metal anteriores produzidos sem solidificação direccional.

Embora os exemplos anteriores tenham sido descritos com particularidade, podem ocorrer a um técnico com habilidade comum várias modificações desses Exemplos, devendo ser consideradas como estando dentro do escopo das reivindicações anexas

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. - Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases seguintes:

proporcionar um material de enchimento substancialmente não reactivo;

infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com metal da matriz fundido para formar uma massa infiltrada espontaneamente; e solidificar riireccionalmente pelo menos uma porção da massa infiltrada espontaneamente.
2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de uma atmosfera infiltrante comunicar com o material de enchimento e/on o metal da matriz durante pelo menos .¼ uma porçSo do período de infiltração.

rizado nos um fi cador rial de
3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caractepelo facto de compreender ainda a fase de fornecer pelo meprecursor de intensificador da infiltração e/ou um intensida infiltração a pelo menos o metal da matriz e/ou o mateenchimento e/ou a atmosfera infiltrante.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer pelo menos um precursor de intensificador de infiltração e/ou um intensificador de infiltração a pelo menos o metal de matriz e/ou o material de enchimento.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 3» caracterizado pelo facto de pelo menos o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador de infiltração serem fornecidos por uma fonte externa.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma porção do período de infiltração.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 7» caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto de reacção em pelo menos uma porção do material de enchimento.

í·'· '
10. - -Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender um pre-molde.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14. - Processo de acordo com a reivindicação 13, carac terizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo'formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, cara_c terizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e pelo menos o metal ria matriz, e/ou o enchimento, e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo .¾ menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractarios.
18. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac-

terizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubili- dade limitada no metal da matriz fundido. 19. , - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo

menos um material cerâmico.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o

estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto. 21, , - Processo de acordo com a reivindicação 3, carac- terizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o

precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22. - Processo de acordo com a reivindicação 4, carac66 terizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o pre cursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.

1, carac inf iltra
23. - Proce terizado pelo facto de ção formar uma liga com sso de acordo com a reivindicação o precursor de intensificador da o metal da matriz.
24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e conter pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, carac terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz e no material de enchimento.
26. - Processo de acordo com a reivindicação 3, carac terizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmosfera infiltrante.

. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior à temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
28. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29. - Processo de acordo com a reivindicaçSo 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.

Λ .
30. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado por óxidos, carbonetos, boretos e nitretos.
31. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de a fase de solidificaçSo direccional ser realizada depois de a infiltração espontânea estar pelo menos substancialmente completa.
32.

caracterizado ser realizada

- Processo de acordo pelo facto de a fase durante o período de com as reivindicações 1 ou 3, de solidificação direccional infiltração espontânea.
33. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de a fase de solidificação direccional compreender o estabelecimento do contacto de umn superfície da massa infiltrada espontaneamente com um dissipador de calor.
34. - Processo de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo facto de o dissipador de calor ser uma placa de refrigeração .
35· - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de a fase de solidificação direccional compreender o estabelecimento do contacto de uma superfície da massa infiltrada espontaneamente com um corpo fluído.
36. - Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de o corpo fluído compreender um fluído em escoamento.
37. - Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de o corpo fluído estar substancialmente fixo.
38. - Processo de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo facto de a massa infiltrada espontaneamente ser pelo menos parcialmente imersa no referido corpo fluído.
39. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facro de a fase de solidificação espontânea compreender a remoção sequencial da massa infiltrada espontaneamente de uma fonte de calor.
40. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo facto de a fase de solidificação direccional compreender a remoção pelo calor de pelo menos uma porção de pelo menos uma suoerfície da massa infiltrada espontaneamente.

4l. - Processo caracterizado pelo facto compreender o aquecimento uma superfície da massa i que permite que a porção arref eça.

de acordo de a fase de pelo nfiltrada da massa com as reivindicações 1 ou 3, de solidificação direccional menos uma porção de pelo menos espontaneamente, ao mesmo tempo que não está a ser aquecida

Lisboa, 9 de Novembro de 1989

0 Ags.ite Oficial da Prcpr.adGde Industria,¹