Processo para a fabricação de compostos cermicos auto-suportados.

  • Número do pedido da patente:
  • PI 8704768-3 A2
  • Data do depósito:
  • 15/09/1987
  • Data da publicação:
  • 03/05/1988
Inventores:
  • Classificação:
  • C04B 35/10
    Produtos modelados de cer?mica caracterizados por sua composi??o; Composições de cer?mica; Processamento de p?s de compostos inorgânicos, preparat?rio para manufatura de produtos cer?micos; / baseado em ?xidos; / baseado em ?xido de alum?nio;
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    C04B 35/65
    Produtos modelados de cer?mica caracterizados por sua composi??o; Composi??es de cer?mica; Processamento de p?s de compostos inorg?nicos, preparat?rio para manufatura de produtos cer?micos; / Processos de modelagem; Processamento de p?s de compostos inorg?nicos preparat?rio para a fabrica??o de produtos cer?micos; / Processos de queima ou sinteriza??o; / Rea??o de sinteriza??o de composi??es contendo metal livre ou sil?cio livre;
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    C22C 29/00
    Ligas ? base de carbetos, ?xidos, boretos, nitretos ou silicietos, p. ex. cermetos, ou outros compostos met?licos, p. ex. oxinitretos, sulfetos;
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    C04B 35/71
    Produtos modelados de cer?mica caracterizados por sua composi??o; Composi??es de cer?mica; Processamento de p?s de compostos inorg?nicos, preparat?rio para manufatura de produtos cer?micos; / Produtos cer?micos contendo agentes refor?antes macrosc?picos;
    ;
    C22C 29/12
    Ligas ? base de carbetos, ?xidos, boretos, nitretos ou silicietos, p. ex. cermetos, ou outros compostos met?licos, p. ex. oxinitretos, sulfetos; / ? base de ?xidos;
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    C04B 35/60
    Descri??o n?o cadastrada.
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Documento

Belatorio descritivo de patente de invenção para "PBOCESSO PABA A FABEICÀÇãO PE COlfiPOSSOS CEHÍMICOS AUIO-SHPOBIADOS" .

0 presente pedido é uma continuação-em-parte do Pedido Nfi de Serie 908.473» depositado em 17 de setembro de 1986, no nome de H. Paniel leaher e outros e intitulado “Processo Para a Fabricação de Com postos Cerâmicos*1

A presente invenção de um modo g& ral se refere a um processo para a fabricação de com postos cerâmicos. Mais particulaxmente, a presente in vanção se refere a um processo para a produção de coja postos eerâmicos pela infiltração de um material de en chimeato, que e revestido com uma fonte de silício,tegí do propriedades dopantes intrínsecas, com um produto da reação de ozidação desenvolvido a partir de um pr,e

cursor de metal original de alumínio.

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Sn anoa recentes, tem havido um in teresse crescente no uso de materiais cerâmicos para aplicaçâas estruturais historicamente servidas por jae tais. 0 ímpeto para esse interesse tom sido a superior ridade dos materiais cerâmicos em telação aos metais no gus so refere a certas propriedades, tais como rjt aistânoia à corrosão, duresa, modulo de elasticidade e capacidades rafratárias.

Esforço® correntes na produção de artigos cerâmicos de maior resistenoia, mais confiança e mala fortè estão amplamenta focalizados sobre (1) o desenvolvimento de processos aperfeiçoados de processa mento para cerâmicas monolíticas e (2) o desenvolvimetn to de novas composições de materiais» notavelmente com postos de matriz cerâmica, Uma estrutura composta aquela qpe compreende um material heterogeneo 9    corpo

ou artigo feito Ae dois ou mais materiais' diferentes y que sao intimamente combinados a fim de obter as pro priedades desejadas do composto. For exemplo, dois ma teriais diferentes podem ser intimamente combinados pe la colocação de um dentro de u'a matriz do outro. Um composto de matriz cerâmica incorpora uma ou mais esps cies diversas de materiais de enchimento, tais como partículas, fibras, bastões e semelhantes.

Vários materiais adequados tem sido

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empregados como um enchimento na formação e fabrioaçao de oomppstos de matriz cerâmica. Esses enchimentos tem sido usados na forma de fibras, pelotas, partículas,fi lamentes, etc. Esses materiais incluem, por exemplo, alguns doa pxidos (simples ou misturados), nitretos, carbonatos ou boretos de alumínio, háfhio, titânio,zir oõnio, ítrio e silício. Certos materiais conhecidos que tem sido utilizados como um material de enchimento, tal como oarboneto de silício e nitreto de silício,não são intrinsecamente estáveis em um meio oxidante em al ta temperatura (por exemplo, acima de 850&C), mas mos tram nesse meio reações de degradação tendo cinetica rg lativamente lenta.

Hp diversas limitações e dificulte

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498 conhecidas no uso de materiais cerâmicos como suba tituinteB para metais, tais como versatilidade na de sencrostação, capacidade de produzir fozmas complexas, satisfação das propriedades requeridas para aplicação

9 em uso final e o a custos» Diverso e pedidos de patentes

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oo-pendentes cedidos ao mesmo proprietário deste pedi do vencem algumas dessas limitações e dificuldades e proporcionam novos processos para produzir confiável mente materiais cerâmicos, incluindo compostos» Um pra,

10 cesso importante é divulgado de um modo genérico no Pe dido de Patente comum ente possuído e oo-pendente dos Estados Unidos N* de Serie 818,943, depositado em 15 de janeiro de 1986, no nome de Marc S. Neukirlc e ou troe, e entitulado "Povos Materiais Cerâmicos e Pro

19    cessos Para Patoricação dos Mesmos" • Estes pedidos di vulgam o processo de produção de corpos cerâmicos auto-suportados desenvolvidos como o produto de reação de

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oxidação de um precursor de metal original. Metal fdn dido é reagido com um oxidante de fase vapor para for

20    mar um produto da reação de oxidação e um metal migra através do produto de oxidação cm direção ao oxidante, desenvolvendo, assim, continuamente um corpo cerâmico pollcristalino. 0 processo pode ser melhorado pelo uso de um dopante ligado, tal como e usado no caso de oxi

29 dação de alumínio dopado com magnésio e silício em ar para formar estruturas de OQ-alumina. Este processo tox aperfeiçoado pala aplicação de materiais dopantes a superfície do metal precursor, como descrito no Pedi do de Patentes dos Estados Unidos comumente possuídolfe de Série 822.999, depositado em 27 de janeiro de 1986, no nome de< Maro S« Hemkirk e outros e intitulado "Pro

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cessos de Mabrioação de Materiais Cerâmicos Auto-supor tadoa",

Esse fenômeno de oxidação füi utili sado na produção de ooxpos cerâmicos compostos, como

descrito no pedido de patente co-pendente e comum ente

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possuído dos Estados Unidos NA de S^xie 619*397, depo sita do m 17 de janeiro de 1986, no nome de Mero S* Newkirk e outros e intitulado "Artigos cerâmicos Com postos s Processos de Fabricação dos Mesmos"« Esses pe didos divulgam novos processos para a produção de um composto cerâmico auto-suportado pelo desenvolvimento de um produto da reação de oxidação a partir de um pre cursor de metal original em u'a massa de enchimento permeável, infiltrando, assim, o enchimento com u'a ma tria cerâmicas 0 composto resultante, porém, não tpa geometria, forma ou configuração predeterminada*

Um processo jpara a produção de cor poa cerâmicos compostos, tendo uma geometria ou forma predeterminada, ,é divulgado no pedido de patente co-pendente.e comum ante possuído dos Matados Unidos NA de Série 661.025, depositado em 8 de maio de 1986» De a oor do com o processo nesse pedido de patente norte-americano, o produto da reação de oxidação em desenvol vimento infiltra uma prp-forma perae£vel na direção de-um limite de superfície definido. Foi descoberto que « formação de formas de alta fidelidade £ mais prontamen te obtida pelo fornecimento de um meio de barreira na prj£-forma, como divulgado no pedido de patente norte-americano co-pendente e comum ente poeauído NA de Serie 861.024, depositado em 8 de maio de 1986. Esse proces eo produz corpos cerâmicos moldados auto-sustentadoa ,

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incluindo compostos cerâmicos moldados, pelo desenvol vimento do produto da rèação de oxidação de um metal precursor m um meio de barreira espaçado do metal pa ra estabelecimento de um limite ou superfície* Um pxo cesso de formação de compostos cerâmicos tendo uma ca ▼idade com uma geometria interior que duplica a forma de um molde ou configuração positiva do metal original £ divulgado ao pedido de patente norte-americano eo-pendente e comum ente possuído N& de Série 023*542, de foeitado em 27 de janeiro de 1986, e no pedido de pa tente norte-americano eo-pandante e oomumante possuído H# de Série 896*157, depositado om 13 de agosto de3986.

Os relatórios completos de todos os pedidos de patente comum ente possuído b precedentes são

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aqui expressamente incorporados por referência,

A presente invenção de'um modo am pio proporciona um processo paria a produção de um cega posto cerâmico compreendendo uva astris cerâmica obti da pela reação de oxidação de metal original de alumí nio fundido com um oxidante, incluindo um oxidante de fase vapor, e um enchimento revestido, pelo menoe ini cialmente, com uma fonte de silício (definida abaixo) infiltrada pela matris» A fonte de ailíoio tem uma com posição diferente da composição primaria do enchimento e a fonte de silício é pelo menos parcialmente redusí vel ou dissolvida pelo metal original fundido sob as condições do processo» Esse revestimento de fonte de silíoio, quando aqecido até uma temperatura adequada, de preferência, mas não necessariamente, em um meio con tendo oxigênio, possui propriedades dopantes intr£nse

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cas para melhorar a reação de oxidação e a porção ea aancialmente inalterada ou restante do enchimento f ser vindo como enchimento, é incoxporada na ma t ri a em de aenvolvimento', como explicado abaixo em maiores detâ lhes*

0 composto cerâmico auto-suportado4 pxoduaido inicialmente pela fbxmação de um leito ou massa de material de enchimento, parte ou todos os constituintes do qual aão revestidos com uma fonte de silício* A fonte de silício é diferente em composição da composição primária do enchimento* 0 enchimento po de ser revestido pelo menos paroialmente com um meio de barreira que 4 pelo menos parcialmemte espaçado do metal original de alumínio , para estabelecimento de uma superfície ou limite da matriz cerâmica*

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0 enchimento portando a fonte de si líciof que pode ser usada em combinação com outros ma teriaia de enchimento, ou na foxma de camadas, leito a condiciona do ou pré-foxma do como uma pré-foraa, á po sicionado ou orientado adjacente ao metal original de alumínio, de modo que a fomoação do produto da reação de oxidação ocorrerá em uma direção ao oxidante e ao meio de barreira, ae algum for utilizado. 0 leito de material de enchimento ou pró-foxma deve ser sufioien temente pexmeávél para pexmitir ou acomodar o oreaci mento do produto da reação de oxidação dentro do leito e pexmitir que o oxidante gasoso, para pemear a pré-foxma e contactar o metal fundido* 0 metal original é aquecido até uma temperatura acima de seu ponto de ÍU são, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reação de oxidação, para foimar um coxpo de metal íündido.Hea

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ta temperatura, ou doutro desta faixa de temperatura,o metal fundido reage com o oxidante para formar o produ to da reação de oxidação» Pelo menos uma porção do pro duto da reação de oxidação é mantida em oontato com e entre o metal fundido e o oxidante, para extrair metal fundido através do produto da reação de oxidação em di reção e em oontato com o oxidante, de modo uue o produ to da reação de oxidação continua a ee foxmar na inter face entre o oxidante e o produto da reação de oxida ção previamente formado, assim, infiltrando o material de enchimento adjacenteo A reação é continuada por um tempo suficiente para infiltrar pelo menos uma porção do material de enchimento com um material polioristali no, consistindo essencialmente do produto da reação de oxidação e um ou mais constituintes metálicos, tais ço mo constituintes não oxidados do metal original ou do dopante, dispersos ou distribuídos através do materi al policristalino» Deve ser compreendido que o materi al de matriz polioristalino pode mostrar vazios ou po, rosidade no lugar da faae metal, mas o percentual volu métrico de vazios dependerá amplamente de condiçães como temperatura, tempo, dopantes o do tipo de metal original» Se um meio do barreira for usado, o corpo ce ramico continuará a se desenvolver ata a barreira, des de Q.U6 metal original suficiente esteja presente»

Como explicado nos Pedidos de Paten te Comumente Possuídas supra-citados, o uso de materi ais dopantes pode influenciar favoravelmente ou promover o processo da reação de oxidação» Silício é um do pante útil oom um metal original de alumínio, especial mente m combinação oom outros dopantes e pode ser apli

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oado externam ante do metal original e uma fonte útil para eaae dopante 4 sílica* Sol? aa condições do preces ao da presente invenção, um oompoato de silício como a fonte de silício (por exemplo» eílica) 4 reduaido pelo 5 metal original de alumínio fundido» para fornar alumi-na e silício* Assim» o revestimento do composto de ai lício no material de enchimento é um dopante útil na promoção do desenvolvimento ou crescimento do produto da reação de oxidação* Por exemplo» oarhoneto de silí 10 cio oxidará em ou na superfície em temperaturas eleva das em ar» para formar uma película de sílica e» por tanto» carboneto de silício 4 um enchimento particular mente útil pelo fato de çue serve não so oomo um mate rial de enchimento» mas também como uma fonte de dopan 13 te* A película da sílica 4 reduzida pelo metal orijpji nal de alumínio fUndido» para produzir um dopante de silício» que promove o desenvolvimento da matriz poli

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cristalina através do enchimento de carboneto de sil'í cio* Alan ãissov o revestimento de sílica sobre as par 20 tículas de carboneto de silício 4 vantajoso polo fato de que durante a reação de foimação da matriz ele au menta a concentração local de ailíoio no metal original de alumínio não oxidado e» assim» reduz a tenden cia para a formação de Al^C.^ durante o processo de creg, 23 cimento da matriz* Al^C^ é indesejável porque ele 4 i|g távèl na presença de níveis de umidade noxmalmente pre sentes em ar ambiente» resultando na evolução de meta no e na degradação das propriedades estruturais do com posto resultante*

30    Poi descoberto para fina da prosem

te invenção que» na condução da reação de oxidação» de preferenoia m um meio contendo oxigênio» o revestimen

■fo da fonte de silício serve como um material dopante para a reação de oxiâação do metal original* A porção restante do enchimento abaixo do revestimento, sendo de uma oomposiçao diferente, fica substancialmente inalte rada e serve corno um enchimento no composto* Por ex«a-pio, o enchimento pode conduzir um composto de silício, que ó reduzível pelo metal fundido, ou o enchimento po de ser revestido com silício, que ó diasolvivei pelo metal fundido* Leve ser compreendido que substancial mento toda a fonte de silício pode ser utilizada como um dopante, ou uma porção apenas ó utilizada como do pante, o restante ficando oom o enchimento e ae tornan do envolvido pela matriz* Certos enchimentos, tais co mo carboneto de silício, se oxidarão, para foxmarSlOg nas temperaturas elevadas do processo e as eondiçõçs soo controladas para limitar a oxidação-de modo a pro duzir um rsvestlmento de sílioa reduzível pelo metal o riginal fundido* Quando desejado, um material de reves tlmento separado pode ser aplicado ao enchimento, que, no aquecimento, produz o composto do silício* 0 reves, tlmento da fonte de silício, por exemplo, composto de silício, pode ser foimado ou produzido primeiro pré-queimando ou aquecendo um enchimento adequado em uma atmosfera oontendo oxigênio# 0 enchimento pré-queima do, tendo sobre ele o revestimento ó empregado subsequegí temente como um material de enchimento* Por exemplo, u ma pré-foxma pode ser fabricada de partículas de carbo neto de silício ou partículas de alumina revestidas com um precursor ou composto silicioso, tal como ortos silicato* à pr(ó-foxma ó, então, pró-queimada ou aqueci da em ar para foxmar uma croata de pxido de sílioa so.

bre as partículas de carboaeto de silício ou partículas de alumina da prp-íorma* A pré-forma* então, pode ser empregada como um material bruto composto cerâmico po£ auindo uma fonte intrínseca de material dopante de ei 5 lí cio, Alternativem ente, as partículas de carboneto de silício ou alumina com o revestimento eilicioso podem ser usadas no assentamento do material de enchimento e no metal original e a película ou revestimento de sííi ca é formada in si tu durante o processo da reação    de