DE4412768A1 - Verfahren zum Herstellen von Teilchen aus metallischer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen zerstäubter Pulverpartikel, in denen durch eine Gasreakti­ onssynthese zwischen einer Schmelze, als einem Bestandteil, und einem reaktionsfähigen Zerstäubungsgas,als einem weite­ ren Bestandteil, in einer Zerstäubungssprühzone hitzebestän­ dige oder intermetallische Verbindungen gebildet werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen zerstäubter Pulverpartikel, in denen sich eine übersättigte feste Lösung einer eine disperse Phase bildenden Spezies befindet, sowie auf die Behandlung der Pulverpartikel, um ein mittels Dispersion in situ verstärktes Material zu schaffen. Die Erfindung bezieht sich auch auf Pulverpro­ dukte, die mit diesen Verfahren erzeugt werden.

Seit einiger Zeit besteht Interesse an der Benutzung inter­ metallischer Verbindungen (beispielsweise von Aluminiden, Siliciden, Germaniden usw.) und hitzebeständigen Verbindun­ gen (beispielsweise Nitriden, Boriden usw.) für technische Verwendungszwecke. Viele dieser Verbindungen haben außerge­ wöhnlich hohe Schmelzpunkte, chemische Trägheit und eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen. Solche Verbin­ dungen bieten deshalb neue Möglichkeiten für die Weiterent­ wicklung technischer Werkstoffe, was für die Energieerzeu­ gung und den Energieerhalt ebenso wichtig ist wie für Hoch­ geschwindigkeitsflugzeuge, militärische Systeme sowie für die chemische Verfahrensindustrie.

Allerdings haben sich die Produktions- und Fabrikationsme­ thoden für derartige Verbindungen als schwierig erwiesen. So ist beispielsweise die Bildung vieler dieser Verbindun­ gen mit extremer Wärmeabgabe verbunden, was die Eingrenzung in Behältnissen während der Synthese zu einem ziemlichen Problem macht. Darüber hinaus haben viele dieser Verbindun­ gen hohe Schmelzpunkte und ein hohes Reaktionsvermögen in flüssigem Zustand, was das herkömmliche Tiegelschmelzver­ fahren kompliziert macht, welches man sonst zu deren Her­ stellung anwenden könnte. Außerdem ist wegen der geringen Geschmeidigkeit solcher Verbindungen, wie sie mit herkömm­ lichen Gießtechniken gefertigt werden, ein anschließendes Formgebungsverfahren praktisch unmöglich. Einige dieser Verbindungen sind zwar mittels Verfahren der Pulvermetal­ lurgie erzeugt worden, aber die Produktion geeigneter Pul­ ver hat sich als zeitraubend und teuer erwiesen und wird durch die Verschmutzung des Schmelztiegels und/oder auf­ grund von Feinzerkleinerungsvorgängen behindert. Auch das Plasmalichtbogenverfahren ist zum Herstellen einiger dieser Verbindungen angewandt worden, erfordert aber eine hohe Ka­ pitalinvestition, was die Kosten dieser Werkstoffe noch mehr erhöht.

Es besteht folglich Bedarf an einem Verfahren, die genann­ ten Verbindungen auf eine Weise herzustellen, mit der die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten bei der Erzeugung des Rohmaterials wie auch bei der Fertigung der Komponenten, die bisher mit diesen Stoffen einhergehen, umgangen werden können.

Seit einiger Zeit besteht außerdem Interesse an metalli­ schen Werkstoffen, die mittels Dispersion verstärkt sind, bei denen der Werkstoff typischerweise eine Matrix aus Me­ tall oder einer Legierung (nachfolgend als "metallisch" be­ zeichnet) aufweist, in der Dispergentien gleichmäßig über­ all verteilt sind, um die Stärke oder Festigkeit zu erhö­ hen. Solche im Wege der Dispersion verstärkten Werkstoffe hat man durch interne Oxidation der Matrix zur Schaffung einer Metallmatrix mit einer darin enthaltenen Dispersion feiner Oxidteilchen erzeugt. Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines im Wege der Dispersion gestärkten Materi­ als sieht die mechanische Verdichtung eines Gemisches aus dem metallischen Pulver und den Pulvern der dispersen Phase vor. Man hat auch versucht, eine Dispergentien enthaltende metallische Schmelze in einer Form zu gießen, um die ge­ nannten Werkstoffe zu erhalten.

Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von mittels Dispersion verstärktem Material ist das sogenannte mechanische Legie­ rungsverfahren der International Nickel Corporation, bei dem ein Gemisch aus einem Matrixpulver und einem Pulver­ dispergens langfristig einer mechanischen Schleifwirkung ausgesetzt wird, um die Teilchengröße zu reduzieren und eine innige Verbindung der beiden Phasen zu erzwingen, da­ mit ein "zusammengesetzter" teilchenförmiger Stoff ent­ steht. Gemäß noch einem weiteren Verfahren werden pulveri­ sierte Komponenten miteinander gemischt und anschließend gepreßt und gesintert.

Es besteht Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von mittels Dispersion gestärkten Materialien aus einem Vorläu­ fermaterial, welches ohne weiteres so behandelt werden kann, daß die gewünschten Dispergentien in situ in der me­ tallischen Matrix gebildet werden können.

Das von der Martin Marietta Corporation entwickelte, soge­ nannte XD-Verfahren stellt einen Versuch dar, zu einem sol­ chen Verfahren zu gelangen. Bei dem XD-Verfahren werden Di­ spergentien der zweiten Phase (zum Beispiel Titandiborid, Titancarbid usw.) in situ in einer metallischen Matrix (zum Beispiel einer Aluminiummatrix) erzeugt, wie das beispiels­ weise in den US-Patentschriften 4 710 348, 4 772 452, 4 751 048, 4 836 982, 4 915 905 und 4 915 908 beschrieben ist.

Die Gaszerstäubung ist ein allgemein angewandtes Verfahren, um auf wirtschaftliche Weise feines metallisches Pulver herzustellen, indem man das Metall schmilzt und dann einen Gasstrom auf die Schmelze aufprallen läßt, um sie zu fei­ nen, geschmolzenen Tröpfchen zu zerstäuben, die dann zu ei­ nem Pulver erhärten. Ein bestimmtes Gaszerstäubungsverfah­ ren ist in der US-Patentschrift 4 619 845 beschrieben, bei dem ein Schmelzstrom mit einem Überschallträgergas zer­ stäubt wird, um ein feines metallisches Pulver zu erhalten, beispielsweise in Teilchengrößen von 10 µm oder weniger. In den US-Patenten 5 073 409 und 5 125 574 wird die Zerstäu­ bung einer Schmelze mit Hochdruckgas beschrieben, bei dem eine dünne, schützende, hitzebeständige Oberflächenschicht oder ein Überzug aus Nitrid auf den zerstäubten Pulverpar­ tikeln gebildet wird. Im Fall von US-PS 5 073 409 wird ein Zerstäubergas, beispielsweise Stickstoff verwendet, der wahlweise mit einem Legierungsbestandteil unter Schaffung der Oberflächenschutzschicht umgesetzt wird. Im Fall von US-PS 5 125 574 wird ein Schutzgas zum Zerstäuben verwendet und ein reaktionsfähiges Gas an einer ausgewählten Stelle stromabwärts von der Zerstäuberdüse mit den zerstäubten Tröpfchen kontaktiert, um die Schutzschicht zu bilden. In den genannten Patenten werden verschiedene bekannte Verfah­ ren erläutert, mit denen durch Umsetzen einer Gasart mit der Schmelze oder einem Bestandteil der Schmelze Schutz­ schichten auf zerstäubtem Pulver geschaffen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen zerstäubter Pulverpartikel zu schaffen, in denen eine hit­ zebeständige oder intermetallische Verbindung durch Gaszer­ stäubung einer metallischen Schmelze unter Bedingungen hin­ sichtlich der Schmelztemperatur und der Zerstäubergasreak­ tionsfähigkeit gebildet wird, welche die gewünschte Verbin­ dung in den zerstäubten Teilchen durch und durch hervorru­ fen.

Aufgabe der Erfindung ist auch die Schaffung eines Verfah­ rens zur Herstellung zerstäubter Pulverpartikel mit einer übersättigten, festen Lösung aus einer eine disperse Phase bildenden Spezies im Innern durch Gaszerstäubung einer me­ tallischen Schmelze unter Bedingungen hinsichtlich der Schmelztemperatur und Zerstäubergasreaktionsfähigkeit, wel­ che übergleichgewichtige Konzentrationen der Spezies in den zerstäubten Teilchen hervorrufen.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zum Schaf­ fen eines mittels Dispersion verstärkten Materials zur Ver­ fügung zu stellen, bei dem Metallpulverpartikel, die durch Reaktionsgaszerstäubung mit einer eine disperse Phase bil­ denden Spezies übersättigt sind, einer Wärmebehandlung un­ terzogen werden, um die Spezies mit dem Wirtsmetall umzu­ setzen, damit in dem metallischen Pulver in situ feine Dispergentien entstehen.

Mit einem Verfahren gemäß der Erfindung werden Teilchen er­ zeugt, in denen eine Übersättigung einer eine disperse Phase bildenden Spezies in fester Lösung gelöst bis zu ei­ ner Tiefe unterhalb einer Außenfläche der Teilchen, vor­ zugsweise nach innen durch die Teilchen bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 0,1 µm, oder, was noch mehr bevorzugt wird, im wesentlichen durch die gesamte seitliche Abmessung des Teilchens, zum Beispiel den Teilchendurchmesser, ent­ halten ist. Das Verfahren weist verschiedene Schritte auf, gemäß denen zunächst eine überhitzte Schmelze gebildet wird, die einen metallischen Stoff (das heißt ein Metall oder eine Legierung) enthält und die Schmelze mit einer Zerstäubergasmischung zerstäubt wird, welche ein Trägergas und ein zweites, reaktionsfähiges Gas umfaßt, um die zer­ stäubten Teilchen zu erzeugen. Die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem Trägergas und dem zweiten Gas (zum Beispiel das Volumenverhältnis) wird so gewählt, daß eine übergleichgewichtige Konzentration der atomaren Spezies des zweiten Gases in fester Lösung in den Teilchen als eine Dispergentien bildende Spezies hervorgerufen wird. Das Trägergas ist vorzugsweise als Mehrheit (Vol.-%) des Zerstäubergases vorhanden oder, während das zweite Gas vor­ handen ist, als Minderheit (Vol.-%) des Zerstäubergases. Das Zerstäubergas weist vorzugsweise ein Schutzgas auf (zum Beispiel Ar) und ein reaktionsfähiges Gas, welches bei sei­ ner Auflösung in einer übersättigten, festen Lösung im me­ tallischen Matrixmaterial der Teilchen zu Dispergentien in diesem Material umgesetzt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfah­ ren geschaffen, bei dem ein metallischer Werkstoff mittels Dispersion verstärkt wird, wobei eine den metallischen Werkstoff aufweisende, überhitzte Schmelze gebildet und mit einem Zerstäubergas fein verteilt wird, um feinst zer­ kleinerte Teilchen zu erzeugen. Das Zerstäubergas weist ein Trägergas sowie ein Dispergentien bildendes Gas auf, wel­ ches, aufgelöst in fester Lösung in dem metallischen Werk­ stoff, reaktionsfähig ist, um in diesem Material Dispergen­ tien zu bilden. Die Temperatur der Schmelze und das Ver­ hältnis zwischen Trägergas und Reaktionsgas wird so ge­ wählt, daß eine übergleichgewichtige Konzentration der atomaren Spezies des die disperse Phase bildenden Gases in fester Lösung mindestens in einem Oberflächenbereich der Teilchen hervorgerufen wird.

Die Teilchen können auf solche Temperatur erhitzt werden, daß die atomare Spezies des reaktionsfähigen Gases mit dem metallischen Material unter Schaffung von Dispergentien in demselben umgesetzt wird. Als Alternative können die zer­ stäubten Teilchen, die eine übergleichgewichtige Konzentra­ tion der die disperse Phase bildenden Spezies enthalten, zu einem Gegenstand geformt werden, der dann auf solche Tempe­ ratur erhitzt wird, daß die aufgelöste Spezies mit dem me­ tallischen Material reagiert, um eine disperse Phase in dem Gegenstand zu erzeugen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren zur Schaffung von Teilchen, die eine hitzebeständige oder intermetallische Verbindung mit einer ersten, metalli­ schen Komponente und einer zweiten, nichtmetallischen oder metallischen Komponente aufweisen. Bei diesem Verfahren wird unter einer Schutzgasatmosphäre eine überhitzte Schmelze geschaffen, die die erste metallische Komponente der Verbindung aufweist und die Schmelze mit einem Zerstäu­ bergas zerstäubt, welches ein reaktionsfähiges Material aufweist, das mit der Schmelze so umsetzbar ist, daß die zweiten nichtmetallische oder metallische Komponente der Verbindung erzeugt wird. Die Temperatur der Schmelze und das Reaktionsvermögen des umsetzungsfähigen Materials wird so gewählt, daß die hitzebeständige oder intermetallische Verbindung in situ in den fein verteilten Partikeln in der Zerstäubungssprühzone gebildet wird. Die hitzebeständige oder intermetallische Verbindung wird bis zu einer Tiefe unterhalb der Außenfläche der Teilchen, vorzugsweise nach innen durch die Teilchen hindurch bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 0,1 µm, vorzugsweise im wesentlichen durch die gesamte seitliche Dimension des Partikels (zum Beispiel Partikeldurchmesser) erzeugt.

Die chemische Umsetzung zwischen der Schmelze und dem reak­ tionsfähigen Material in der Zerstäubungssprühzone wird durch die Reaktionswärme und Überhitzung der Schmelze ther­ modynamisch angetrieben. Die zerstäubten Partikel werden rasch hart und bilden zerstäubte Pulverpartikel, in denen die hitzebeständige oder intermetallische Verbindung ent­ halten ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Zer­ stäubergas Stickstoff, Boran oder einen organometallischen, umsetzungsfähigen Stoff auf, um zerstäubte Pulverpartikel zu bilden, die eine Nitrid-, Borid- oder intermetallische Verbindung aufweisen.

Die Schmelzzerstäubung in Kombination mit der Synthese der hitzebeständigen oder intermetallischen Verbindung in der Zerstäubungssprühzone umgeht die bisher auftretenden Schwierigkeiten bei herkömmlichen Erhärtungsprozessen hit­ zebeständiger oder intermetallischer Verbindungen, die aus ihren hohen Schmelzpunkten und ihrem extremen chemischen Reaktionsvermögen resultieren.

Mittels Gas zerstäubte Pulverteilchen gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen ein metallisches Matrixmaterial und eine übergleichgewichtige Konzentration einer eine di­ sperse Phase bildenden, in fester Lösung gelösten Spezies in den Teilchen bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 0,1 µm ab der Teilchenaußenfläche, vorzugsweise im wesent­ lichen über den gesamten Teilchendurchmesser hinweg auf. Die Dispergentien bildende Spezies ist mit dem metallischen Matrixmaterial so umsetzbar, daß darin bei Erwärmung eine disperse Phase gebildet wird.

Mittels Gas zerstäubte Pulverpartikel gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen eine hitzebeständige oder in­ termetallische Verbindung auf, die darin während der Zer­ stäubung gebildet wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungs­ beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Zerstäubungsvor­ richtung zum Durchführen eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung;

Fig. 2A und 2B graphische Darstellungen von Auger-Elektro­ nen-Spektrometriedaten für gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung hergestellte, zer­ stäubte Aluminiumpulverpartikel, welche eine uner­ wartete Übersättigung der Aluminiumpulverpartikel­ matrix mit Stickstoff bis zu einer Tiefe von min­ destens 1000 Angström zeigen; wobei in Fig. 2A die Elemente Al, C, N und O gemessen wurden, während in Fig. 2B die Ergebnisse für N und O aus Fig. 2A hervorgehoben sind;

Fig. 3A und 3B rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines zerstäubten Pulverpartikels, welches 240 Mi­ nuten bei 575°C behandelt wurde, um eine feine, gleichmäßige Dispersion von Aluminiumnitriddisper­ gentien in der gesamten Aluminiumpulverpartikelma­ trix zu erzeugen;

Fig. 4 und 5 Mikrophotographien zerstäubter Pulverparti­ kel, die als hitzebeständige Verbindung Nd-Nitrid in einer Eisenmatrix aufweisen;

Fig. 6 und 7 Mikrophotographien zerstäubter Pulverparti­ kel, die als hitzebeständige Verbindung Nd-Nitrid in einer Eisenmatrix aufweisen und hier im Quer­ schnitt und zur Bloßlegung der Mikrostruktur ge­ ätzt dargestellt sind.

In Fig. 1 ist eine Gaszerstäubungsvorrichtung gezeigt, mit der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens durchgeführt werden kann. Zu der Vorrichtung gehört eine Schmelzkammer 10, darunter ein Fallrohr 12, eine Pul­ versammelkammer 14 sowie ein Abgasreinigungssystem 16. Die Schmelzkammer 10 enthält als Ofen 18 einen Induktions­ schmelzofen sowie eine senkrecht bewegbare Stopfenstange 20 zum Steuern der Strömung der Schmelze aus dem Ofen 18 zu einer Zerstäuberdüse 22 für die Schmelze, die zwischen dem Ofen und dem Fallrohr angeordnet ist. Die Zerstäuberdüse 22 ist vorzugsweise für Überschallgas ausgelegt und von der Bauart, die im US-Patent 5 125 574 beschrieben ist, dessen Lehre ausdrücklich hinsichtlich des Aufbaus der Düse hier eingeschlossen wird. Der Zerstäuberdüse 22 wird Zerstäuber­ gas in einer noch näher zu beschreibenden Weise durch eine Leitung 25 und ein Auf/Zu-Ventil 43 zugeführt. Wie Fig. 1 zeigt, wird die Schmelze von der Zerstäuberdüse 22 zu einem Sprühnebel aus insgesamt kugelförmigen, geschmolzenen Tröpfchen D in das Fallrohr 12 hinein fein verteilt. So entsteht unterhalb der Zerstäuberdüse 22 im Fallrohr 12 eine Zerstäubungssprühzone ZZ, die bis zu einem Krümmer 12d des Fallrohres 12 reicht, der zu einem seitlichen Abschnitt 12b führt.

Schmelzkammer 10 und Fallrohr 12 sind über geeignete Öff­ nungen 32 und Leitungen 33 an eine Entleerungsvorrichtung, zum Beispiel eine Vakuumpumpe 30 angeschlossen. Vor dem Schmelzen und Zerstäuben der Schmelze wird die Schmelzkam­ mer 10 und das Fallrohr 12 auf einen Druckpegel von etwa 30×10^-3 Torr leergepumpt, um im wesentlichen die Umge­ bungsluft zu entfernen. Danach wird das Evakuierungssystem mit Hilfe gezeigter Ventile 34 gegenüber der Schmelzkammer 10 und dem Fallrohr 12 abgeschlossen und die Schmelzkammer 10 sowie das Fallrohr 12 mit einem Schutzgas positiv druck­ beaufschlagt, zum Beispiel mittels Argon auf ca. 1,1 Atmo­ sphären, damit das Eindringen von Umgebungsluft an­ schließend verhütet ist.

Das Fallrohr 12 weist einen senkrechten Abschnitt 12a und einen seitlichen Abschnitt 12b auf, welcher mit dem Pulver­ sammelbehälter 14 in Verbindung steht. Der senkrechte Ab­ schnitt 12a des Fallrohres hat einen insgesamt kreisförmi­ gen Querschnitt mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 3 Fuß, wobei in den hier beschriebenen Beispielen ein Durchmesser von 1 Fuß benutzt ist. Am Übergang oder Rohr­ krümmer 12d vom senkrechten Abschnitt 12a zum seitlichen Abschnitt 12b des Fallrohres ist mittels nicht gezeigter Bolzen ein wegwerfbares Spritzblech 12c befestigt, bei­ spielsweise aus rostfreiem Stahl, Typ 304 oder aus Ta-Me­ tall.

Die Länge des senkrechten Abschnitts 12a des Fallrohres ist typischerweise etwa 9 bis etwa 16 Fuß, wobei eine bevor­ zugte Länge von 9 Fuß bei den hier beschriebenen Beispielen gewählt ist, obwohl zur Durchführung der Erfindung auch an­ dere Längen benutzt werden können.

Das Ansammeln des Pulvers erfolgt durch Trennen der Pulver­ teilchen vom Abgasstrom in einem Zyklon-Staubabscheider/ Sammler, wobei die abgeschiedenen Pulverpartikel in dem mit Ventilen versehenen Pulversammelbehälter 14 zurückbleiben, siehe Fig. 1.

Am vertikalen Abschnitt 12a des Fallrohres können axial in Abständen voneinander mehrere Temperaturmeßfühler 42, die hier schematisch gezeigt sind, beispielsweise Strahlungs­ messer oder Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßgeräte ange­ ordnet sein, um die Temperatur oder Geschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen D auf ihrem Fall durch das Fallrohr und bei ihrer Abkühlung zu messen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Pul­ verpartikel gebildet, die eine metallische Matrix, das heißt eine Matrix aus Metall oder einer Legierung sowie eine übergleichgewichtige Konzentration einer atomaren Spe­ zies eines Gases aufweisen, welches in fester Lösung in den Pulverpartikeln bis zu einer beträchtlichen Tiefe unterhalb der Außenfläche der Partikel enthalten ist. Im einzelnen wird eine überhitzte Schmelze, welche das metallische Ma­ trixmaterial aufweist, in einem hier nicht gezeigten Schmelztiegel, vorzugsweise unter Schutzgasatmosphäre im Schmelzofen 18 hergestellt und mittels der Zerstäuberdüse 22 zerstäubt, um feinverteilte Pulverpartikel zu erzeugen. Das der Zerstäuberdüse 22 zugeführte Zerstäubergas weist ein Gemisch aus einem Trägergas und einem zweiten, reakti­ onsfähigen Gas oder einer Flüssigkeit auf, die dann umset­ zungsfähig ist, wenn sie als atomare Spezies in fester Lö­ sung in dem metallischen Matrixmaterial aufgelöst ist, um darin in situ eine disperse Phase zu bilden.

Das Trägergas und das zweite Gas wird entweder von einem Hochdruckgasgemischzylinder bereits vorgemischt oder aus herkömmlichen Quellen, beispielsweise Hochdruckzylindern oder druckbeaufschlagten Flaschen 40 und 44 zugeführt und in der gemeinsamen Leitung 25 gemischt, die zur Zerstäuber­ düse 22 führt. Das Trägergas weist typischerweise ein iner­ tes Gas auf, vorzugsweise ultrahochreines Argon, obwohl die Erfindung nicht auf die Verwendung von Schutzgas als Trä­ gergas beschränkt ist. Wenn als reaktionsfähiges Material eine Flüssigkeit benutzt wird, kann diese von einem druck­ beaufschlagten Zylinder zugeführt und mit dem Trägergas in einer vergaserartigen Kammer 45, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist und sich an der Verbindungsstelle einzelner Zufuhrleitungen 40a, 44a befindet, gemischt werden.

Das zweite, umsetzungsfähige Gas wird so gewählt, daß eine gewünschte umsetzungsfähige, eine disperse Phase bildende atomare Spezies in fester Lösung in das Pulvermatrixmate­ rial eingeführt wird. So kann beispielsweise das zweite, umsetzungsfähige Gas ultrahochreinen Stickstoff aufweisen, wenn Pulverpartikel gebildet werden sollen, in denen atoma­ rer Stickstoff in fester Lösung aufgelöst enthalten ist, damit durch eine anschließende Wärmebehandlung in situ darin Nitriddispergentien gebildet werden können. Das zweite, reaktionsfähige Gas kann ultrahochreines Boran auf­ weisen, wenn die Schaffung von Pulverpartikeln gewünscht ist, die atomares Bor, gelöst in fester Lösung enthalten, um durch anschließende Wärmebehandlung in situ darin Borid­ dispergentien zu erzeugen. Zu den zur Verwendung mit dem Trägergas geeigneten< reaktionsfähigen Flüssigkeiten gehö­ ren, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, NH₃ oder Me­ tallcarbonyl. Es können auch andere geeignete Trägergas/ umsetzungsfähige Gasgemische als Zerstäubergas benutzt wer­ den, um Pulverpartikel zu erzeugen, die atomaren Sauer­ stoff, Kohlenstoff, Silizium, Germanium usw., gelöst in fe­ ster Lösung enthalten, um bei einer anschließenden Wärmebe­ handlung Oxide, Carbide, Silizide, Germanide und ähnliche disperse Phasen in situ darin zu erzeugen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde festge­ stellt, daß eine überraschend hohe übergleichgewichtige Konzentration einer atomaren Spezies des zweiten, umset­ zungsfähigen Gases oder der umsetzungsfähigen Flüssigkeit in fester Lösung in den zerstäubten Pulverpartikeln bei richtiger Wahl der Temperatur der Schmelze und des Verhält­ nisses zwischen dem Trägergas und dem zweiten, reaktionsfä­ higen Gas bzw. der reaktionsfähigen Flüssigkeit gelöst wer­ den kann. Insbesondere kann eine überraschend hohe Konzen­ tration der gelösten, atomaren Spezies des zweiten, umset­ zungsfähigen Gases in den zerstäubten Pulverpartikeln über die Vorhaltegleichgewichtskonzentration hinaus durch Zer­ stäuben der Schmelze bei folgenden Bedingungen erzielt wer­ den:

• 1.) bei einer Überhitzungstemperatur der Schmelze, die nicht so hoch ist, daß sie eine Verdampfung der zerstäubten Tröpfchen in der Zerstäubungssprühzone ZZ verursacht, aber doch hoch genug, um eine starke Fluidität und atomare Mobi­ lität innerhalb der flüssigen, zerstäubten Tröpfen zu ver­ ursachen, und
• 2.) bei einem Verhältnis zwischen dem Träger­ gas und dem zweiten Gas, welches so groß ist (ausreichend niedriger Partialdruck des zweiten Gases), daß die Reaktion des zweiten Gases mit der zerstäubten Schmelze in der Zer­ stäubungssprühzone ZZ in einer eine Verbindung oder Verbin­ dungen bildenden Weise im wesentlichen verhindert wird, und so niedrig (ausreichend hoher Partialdruck des zweiten Gases), daß eine wesentliche Auflösung der atomaren Spezies des zweiten Gases mindestens im Oberflächenbereich der zer­ stäubten Schmelzpartikel in der Zerstäubungssprühzone ZZ erzielt wird.

Vorzugsweise ist das Trägergas als Mehrheit (Vol.-%) des Zerstäubergases oder, während das zweite Gas vorhanden ist, als Minderheit (Vol.-%) des Zerstäubergases vorhan­ den.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelztröpfchen in der Zerstäubungssprühzone ZZ ist so rasch, daß die gelöste, ato­ mare Spezies des zweiten, umsetzungsfähigen Gases in fester Lösung mindestens auf eine wesentliche Tiefe unterhalb der Außenfläche der zerstäubten Partikel (zum Beispiel in einem Bereich bis zu einer Tiefe von mindestens etwa 0,1 µm ab der äußeren Partikeloberfläche) bei ihrem raschen Hartwer­ den in der Zerstäubungssprühzone ZZ eingefangen oder abge­ schreckt wird. Die Teilchen werden in der Zerstäubungs­ sprühzone ZZ ganz und gar hart, das heißt in ihrem ganzen Querschnitt, um eine insgesamt kugelförmige Teilchengestalt zu erzielen und die aufgelöste Spezies in der Matrix einzufangen.

Die Zerstäubungsparameter, zum Beispiel die Gasstöchiome­ trie, Überhitzung der Schmelze, Druck des Zerstäubergases, Chemie der Gasspezies, können so eingestellt werden, daß die vorstehend genannte, überraschend hohe Übersättigung an Stickstoff im gesamten Teilchenquerschnitt statt nur in ei­ nem Oberflächenbereich erzielt wird. So kann zum Beispiel bei gegebenem Niveau der Reaktionskinetik ein erhöhter Zerstäubungsenergiepegel kleinere zerstäubte Tröpfchen hervorrufen,die im Durchschnitt das Eindringen der gelösten atomaren Spezies im gesamten Partikeldurchmesser erfahren, wenn der übersättigte Oberflächenbereich oder diese Zone sich im Mittelpunkt des Tröpfchens einer Überlappung nä­ hert. Die Zerstäubungsparameter können im Hinblick hierauf eingestellt werden. Die Übersättigung an Stickstoff kann im wesentlichen durch das gesamte Teilchen erzielt werden statt nur in einem Oberflächenbereich, wie aus den in Fig. 2 veranschaulichten Daten hervorgeht.

Im Beispiel 1 sind Bedingungen für die Schmelztemperatur und das Verhältnis zwischen Trägergas und zweitem (Stickstoff) Gas angegeben, mit denen eine überraschend hohe übergleichgewichtige Konzentration an gelöstem Stick­ stoff über den ganzen Durchmesser feiner, sphärischer Alu­ miniumpulverpartikel hinweg erzielt werden kann Fünf Atom-% aufgelöster Stickstoff ist bis zu einer Tiefe von 1300 Angström ab der Oberfläche der Partikel vorhanden (Größe 25 µm). Das läßt sich vergleichen mit einer gleich­ gewichtigen Konzentration von 0,1 Atom-% Stickstoff in ku­ bisch flächenzentriertem Aluminium bei 1400°C und 1×10^-11 Atom-% Stickstoff in kubisch flächenzentriertem Aluminium bei 660°C. Eine Stickstoffkonzentration von 1,0 Atom-% (die ein ebenes Konzentrationsplateau bildet), ist nach 48minütigem Sprühen vorhanden (Fig. 2A, 2B), was auf eine Stickstoffübersättigung hinweist, die bis zu einer Tiefe von 4000 Angström unterhalb der Teilchenoberfläche reicht.

Die Pulverpartikel mit der übergleichgewichtigen Konzentra­ tion der atomaren Spezies des zweiten Gases, gelöst in fe­ ster Lösung, können dann auf eine Temperatur erhitzt wer­ den, die ausreicht, um die gelöste, atomare Spezies mit dem metallischen Matrixmaterial der Pulverpartikel umzusetzen, damit darin Dispergentien in situ gebildet werden. Die Tem­ peratur und die Zeit bei der Temperatur, die erforderlich sind, um eine disperse Phase in situ zu erzeugen, hängen von der jeweiligen Zusammensetzung des Matrixmetalls oder der Matrixlegierung sowie von der jeweils benutzten, gelö­ sten, eine disperse Phase bildenden Spezies und deren Kon­ zentration, gelöst in der Partikelmatrix ab. Geeignete Pa­ rameter für die Temperatur und Dauer bei der Temperatur lassen sich ohne weiteres auf empirischer Basis bestimmen.

So könnte zum Beispiel hinsichtlich der vorstehend genann­ ten Aluminiumpulverteilchen, die 5 Atom-% Stickstoff gelöst im Oberflächenbereich der Teilchen enthielten, bei einer Temperatur von 575°C und einer Dauer von 240 Minuten bei dieser Temperatur der gelöste Stickstoff und die Aluminium­ matrix umgesetzt werden, um feine, hitzebeständige Disper­ gentien aus Aluminiumnitrid (hitzebeständige Verbindungen) in gleichmäßiger Verteilung über den gesamten Querschnitt (Durchmesser) der Teilchen zu bilden, siehe Fig. 3. Es wurde beobachtet, daß die Aluminiumnitriddispergentien sich nur auf etwa 1,5 µm Durchmesser maximal nach einer vier­ stündigen Erwärmung auf 575°C vergröberten.

Die wärmebehandelten Partikel können dann unter Anwendung herkömmlicher Verfahren der Pulvermetallurgie zu einem Ge­ genstand geformt werden. Bei diesen Verfahren werden die Teilchen typischerweise in einer Form oder einem Behälter kalt oder heiß zu einer gewünschten Gestalt verdichtet und dann mittels Wärme und Druck unter Anwendung bekannter Sin­ tertechniken oder isostatischer Warmpreßtechniken metallur­ gisch miteinander verbunden.

Als Alternative können die erhaltenen, zerstäubten Pulver­ partikel mit der übergleichgewichtigen Konzentration der die disperse Phase bildenden Spezies unter Anwendung der genannten, herkömmlichen Verfahren der Pulvermetallurgie auch unmittelbar zu einem Fertigungsgegenstand geformt wer­ den. Die bei der Verdichtung und/oder beim Sintern oder isostatischen Warmpreßvorgang angewandte Temperatur würde dann benutzt, um die Reaktion der gelösten Spezies mit dem Metall oder der Legierung der Partikelmatrix hervorzurufen, damit im gesamten Artikel Dispergentien in situ entstehen.

Der erzeugte pulvermetallurgische Gegenstand ist, gleich­ gültig welche Verfahrensfolge angewandt wurde, durch das Vorhandensein der gleichmäßigen Verteilung feiner Disper­ gentien in seiner Mikrostruktur verstärkt. Was einen Gegen­ stand betrifft, bei dem Aluminiumnitriddispergentien in ei­ ner Aluminium- oder Aluminiumlegierungsmatrix verteilt sind, sollten die Dispergentien bei erhöhten Temperaturen erheblich oberhalb der auf herkömmliche Weise mittels Aus­ fällung gehärteter Aluminiumlegierungen, wie den Legierun­ gen der Serien 2000, 5000 und 7000 wärmestabil sein. Aller­ dings ist die Erfindung nicht auf Matrices aus Aluminium und Aluminiumlegierungen beschränkt, sondern kann auch für andere Metalle und Legierungen angewandt werden, wozu Cu, Fe, Ti, Ni, Zr, Co und Ag gehören, ohne jedoch hierauf be­ schränkt zu sein.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung, aber nicht zur Einschränkung der oben genannten Ausführungsbei­ spiele der Erfindung.

Beispiel 1

Der Schmelzofen wurde mit einer reinen Aluminiumcharge be­ schickt (Sauerstoffgehalt 35 ppm nach Gewicht), die 250 Gramm wog. Die Charge wurde im Induktionsschmelzofen in ei­ nem hochreinen, grobkörnigen Aluminiumdioxidtiegel ge­ schmolzen (Alundum-An 229A, erhalten von der Firma Norton Refractories). Es wurde ein Gießrohr und eine Stopfenstange benutzt, die beide aus hochreinem Bornitrid bestanden (Bornitrid, Typ A, von der Firma Carborundum Corp.). Die Charge wurde im Induktionsschmelzofen nach dem Entleeren der Schmelzkammer und des Fallrohres auf 3,4×10^-5 Atmo­ sphären und anschließender Druckbeaufschlagung mit Argon auf 1,1 Atmosphären geschmolzen. Die Schmelze wurde auf eine Temperatur von 1405°C erhitzt (was 745°C Überhitzung oberhalb des Aluminiumschmelzpunktes brachte). Nach einer Wartezeit von 2 Minuten zum Stabilisieren der Metalltempe­ ratur wurde die Schmelze durch das Gießrohr nach dem Anhe­ ben der Stopfenstange aus Bornitrid durch Schwerkraftströ­ mung der Zerstäuberdüse zugeführt. Die Zerstäuberdüse ent­ sprach in ihrem Aufbau der US-Patentschrift 5 125 574, wie bereits erwähnt.

Das Zerstäubergas wies eine Mischung aus Argon und Stick­ stoff in einem Verhältnis von 90 : 10 auf (das heißt 90 Vol.-% Ar und 10 Vol.-% Stickstoff). Das Gemisch aus Argon­ gas und Stickstoffgas wurde der Zerstäuberdüse unter einem am jeweiligen Gaszufuhrregler gemessenen Druck von 750 psig zugeführt. Ultrahochreines (99,995%) Argongas und Stickgas wurden der Zerstäuberdüse als fabrikmäßig geliefertes Ge­ misch zugeführt. Der Strömungsdurchsatz des Zerstäubergas­ gemisches zur Zerstäuberdüse betrug etwa 150 scfm (Stan­ dardkubikfuß pro Minute).

Es wurden kugelförmige Aluminiumpulverteilchen in einem Größenbereich von 100 bis 150 µm erzeugt. Um Daten über die chemische Zusammensetzung der Pulverteilchen zu sammeln, wurde die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) bei Zimmer­ temperatur angewandt. Die AES-Analyse (siehe Fig. 2A, 2B) repräsentativer Pulverpartikel zeigte eine Konzentration an gelöstem, atomarem Stickstoff von mindestens etwa 5 Atom-% bis zu einer Tiefe von etwa 1300 Angström in den feinver­ teilten Pulverpartikeln (Durchmesser 25 µm). Unterhalb die­ ser Tiefe bis zu mindestens 4000 Angström unterhalb der Teilchenoberfläche betrug die Stickstoffkonzentration etwa 1 Atom-%. Diese Werte gelösten Stickstoffs in fester Lösung liegen weit oberhalb der anhand des Gleichgewichtsphasen­ diagramms für Stickstofflöslichkeit in Aluminium zu er­ wartenden Werte. So ist zum Beispiel bei 660 und 1400°C die Gleichgewichtskonzentration von Stickstoff in Aluminium im Phasendiagramm mit 1×10^-11 Atom-% bzw. 0,1 Atom-% ange­ geben.

Die Untersuchung rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen zeigte außerdem, daß die Mikrostruktur der zerstäubten Alu­ miniumpulverpartikel eine zellular/dendritische Struktur ist. Diese bei der Zerstäubung erhaltene Mikrostruktur war für reine Aluminiumpulverteilchen deshalb unerwartet, weil das normale Fehlen von Verunreinigungen die Abstoßung einer zweiten Phase an Zell- oder Dendriten-Grenzen eliminiert, was zu großen, reinen Metalldendriten führt. Bei Pulver­ teilchen dieser Größen wären keine mehrfachen Dendritenarme oder Zellen zu beobachten.

Die zerstäubten Aluminiumpulverpartikel wurden einer Wärme­ behandlung unterzogen und in einer isostatischen Warmpresse (Druck 45 ksi) 240 Minuten lang bei 575°C teilweise konso­ lidiert und dann metallographisch untersucht. Die Fig. 3A und 3B sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, wel­ che repräsentativ sind für einen wärmebehandelten Partikel­ kompakt, der offenkundig eine feine, gleichmäßige Dispersion aus hitzebeständigen Aluminiumnitridpartikeln (Dispergen­ tien) in der gesamten Aluminiummatrix aufweist. Die Disper­ gentiengröße (Durchmesser) betrug etwa 1,5 bis 0,1 µm im Durchmesser. Die sehr feine Größe und gleichmäßige Vertei­ lung der Aluminiumnitriddispergentien sollte eine beträcht­ liche Stärkung als Partikelverhärtungsphase bieten. Wie schon erwähnt, sollten die hitzebeständigen Dispergentien aus Aluminiumnitrid bei erhöhten Temperaturen mindestens bis zu 575°C, weit oberhalb der herkömmlichen, mittels Ausfällung gehärteten Legierungen der Serie 2000, 5000 und 7000 beständig sein, welche sich bei 300°C ernstlich ver­ gröbern.

Die mit Stickstoff übersättigten, zerstäubten Pulverparti­ kel können unmittelbar, das heißt ohne Wärmebehandlung mit­ tels herkömmlicher Verfahren der Pulvermetallurgie, wie vorstehend gesagt, zu einem Fertigungsgegenstand verarbei­ tet werden, wobei die Verarbeitungsbedingungen die Bildung der Aluminiumnitriddispergentien in situ in der Pulverpar­ tikelmatrix bewirken und dadurch den Gegenstand verstärken. Gemäß einer Alternative können die Pulverpartikel vor der pulvermetallurgischen Behandlung zu einem Fertigungsgegen­ stand einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Hinweis auf die Her­ stellung von mit einer gelösten, umsetzungsfähigen Spezies übersättigten Pulverpartikeln in der Zerstäubungssprühzone ZZ beschrieben. Danach werden die Pulverpartikel in einem anschließenden Arbeitsgang erhitzt, um die gelöste Spezies mit dem Material der Partikelmatrix umzusetzen, damit eine Dispersion aus hitzebeständigen Verbindungen, zum Beispiel Aluminiumnitride in situ in der gesamten Partikelmatrix entsteht.

Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Ausführungsbei­ spiel aber auch das Steuern der Zerstäubungsbedingungen, um eine Umsetzung der Schmelze und des Zerstäubergases zur Schaffung von hitzebeständigen oder intermetallischen Ver­ bindungen in den zerstäubten Pulverpartikeln während der Zerstäubung zu bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine hitzebeständige oder intermetallische Verbindung mit einer ersten, metallischen Komponente und einer zweiten, nichtmetallischen oder metal­ lischen Komponente in der Zerstäubungssprühzone ZZ durch chemische Reaktion zwischen der Schmelze und einem umset­ zungsfähigen Material des Zerstäubergases während der Zer­ stäubung der Schmelze gebildet.

Im einzelnen ist bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfah­ rens vorgesehen, daß eine die erste, metallische Komponente der Verbindung aufweisende, überhitzte Schmelze in einer Schutzgasatmosphäre im Schmelzofen 18 erzeugt und die Schmelze mit einem Zerstäubergas feinverteilt wird, welches einen reaktionsfähigen Stoff aufweist, dessen Reaktionsver­ mögen mit der Schmelze so gewählt ist, daß die zweiten nichtmetallische oder metallische Komponente der Verbindung bereitgestellt wird. Die chemische Umsetzung zwischen der Schmelze und dem reaktionsfähigen Material in der Zerstäu­ bungssprühzone ZZ wird durch die Reaktionswärme sowie die Überhitzung der Schmelze, und nicht von einer äußeren Wär­ mequelle, wie beim Kalzinieren thermodynamisch angetrieben. Die zerstäubten Teilchen werden rasch hart, um zerstäubte Pulverpartikel zu bilden, welche die hitzebeständige oder intermetallische Verbindung im Innern enthalten.

Das der Zerstäuberdüse 22 zugeführte Zerstäubergas kann bei diesem Ausführungsbeispiel einzig und allein aus einem re­ aktionsfähigen Gas bestehen. Alternativ kann das Zerstäu­ bergas aber auch ein Gemisch aus einem Trägergas und einem umsetzungsfähigen Stoff, wie einem umsetzungsfähigen Gas oder einer umsetzungsfähigen Flüssigkeit aufweisen. In je­ dem Fall ist der umsetzungsfähige Stoff mit der überhitzten Schmelze in der Zerstäubungssprühzone ZZ chemisch umsetz­ bar, um die hitzebeständige oder intermetallische Verbin­ dung in den zerstäubten Pulverpartikeln zu bilden.

Das reaktionsfähige Gas wird von einer herkömmlichen Quelle, beispielsweise einem Hochdruckgaszylinder oder ei­ ner Flasche 42 zugeführt, wie in Fig. 1 gezeigt. Wenn ein Trägergas und ein umsetzungsfähiges Gas als Zerstäubergas benutzt wird, werden die Gase entweder vorgemischt von ei­ nem Hochdruckgasgemischzylinder oder von Hochdruckzylindern 40, 44 zugeführt und in der Leitung 25 gemischt, welche mit der Zerstäuberdüse 22 in Verbindung steht, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Trägergas würde typischerweise ein Schutzgas aufweisen, wie vorzugsweise ultrahochreines Argon, obwohl die Erfindung nicht auf die Benutzung eines inerten Gases als Trägergas beschränkt ist.

Wird ein Zerstäubergas und als umsetzungsfähiger Stoff eine Flüssigkeit benutzt, so werden sie durch Zwischenwirkung in einer vergaserartigen Kammer 45 an der Verbindungsstelle der Zufuhrleitungen 40a, 44a in Fig. 1 gemischt.

Das reaktionsfähige Gas oder Material wird so gewählt, daß die nichtmetallische oder metallische Komponente der hitze­ beständigen oder intermetallischen Verbindung in der Zer­ stäubungssprühzone ZZ gebildet wird. So kann das reaktions­ fähige Gas oder Material beispielsweise ultrahochreinen Stickstoff aufweisen, um zerstäubte Pulverpartikel zu er­ halten, die eine Nitridverbindung, zum Beispiel Aluminium­ nitrid aufweisen. Das reaktionsfähige Gas oder Material kann auch ultrahochreines Boran aufweisen, um zerstäubte Pulverpartikel zu erzeugen, die eine Boridverbindung, zum Beispiel Aluminiumborid enthalten. Das reaktionsfähige Gas oder Material kann auch eine ultrahochreine organometalli­ sche Flüssigkeit aufweisen; um eine intermetallische Ver­ bindung, zum Beispiel Titanaluminid, Nickelaluminid, Eisen­ silizid, Eisengermanid usw. zu erzeugen. Die organometalli­ sche Flüssigkeit kann ein Carbonyl, Aryl, Alken oder Allyl des jeweils geeigneten Metalls aufweisen. Diese Flüssigkei­ ten werden in der Zerstäubungssprühzone ZZ thermisch zer­ setzt.

Wie schon gesagt, kann ein reaktionsfähiges Gas allein als Zerstäubergas benutzt werden, ohne daß ein Trägergas nötig ist, wie im Beispiel 2 beschrieben. Als Alternative kann eine Mischung aus Trägergas und reaktionsfähigem Gas als Zerstäubergas benutzt werden. In diesem Fall würde das re­ aktionsfähige Gas eine Mehrheit (Vol.-%) des Gemisches aus­ machen, während das Trägergas bei diesem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung eine Minderheit (Vol.-%) ausmacht, um die nötige Reaktion der Schmelze und des Gases in der Zer­ stäubungssprühzone ZZ zu bewirken, damit die gewünschten hitzebeständigen oder intermetallischen Verbindungen in den zerstäubten Pulverpartikeln entstehen.

Die Überhitzungstemperatur der Schmelze und das Reaktions­ vermögen des umsetzungsfähigen Materials wird so gewählt, daß die gewünschte Reaktion zwischen Schmelze und umset­ zungsfähigem Gas in der Zerstäubungssprühzone stattfindet, damit die hitzebeständige oder intermetallische Verbindung in situ in den zerstäubten Schmelztröpfchen gebildet wird. Sobald die Umsetzung zwischen Schmelze und reaktionsfähigem Gas im zerstäubten Sprühnebel erfolgt, ist die Abkühlungs­ geschwindigkeit der zerstäubten Schmelztröpfchen so rasch, daß feine Pulverteilchen entstehen, in denen die hitzebe­ ständige oder intermetallische Verbindung enthalten ist. Die Pulverpartikel werden dann im Pulversammelbehälter 14 angesammelt, um anschließend mittels Pulververdichtungsver­ fahren weiterverarbeitet zu werden.

Die für die Synthese der hitzebeständigen oder intermetal­ lischen Verbindung in der Zerstäubungssprühzone ZZ erfor­ derliche Überhitzungstemperatur der Schmelze und Zusammen­ setzung des umsetzungsfähigen Gases hängt von den jeweils zu erzeugenden Verbindungen ab. Geeignete Schmelztemperatu­ ren und Zusammensetzungen des umsetzungsfähigen Gases las­ sen sich ohne weiteres anhand von Normtabellen freier Ener­ gien der Bildung von Verbindungen und/oder auf empirischer Basis je nach der gewünschten hitzebeständigen oder inter­ metallischen Verbindung bestimmen.

Das nachfolgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung, aber nicht der Einschränkung des vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Beispiel 2

Der Schmelzofen wurde mit Hartgußstücken aus Nd₂, Fe₁₄B der Firma Research Chemicals Corp., FeB-Stücken der Firma Shieldalloy Corp. und Stücken aus Nd-16 Gew.-% Fe aus der Thermitreduktion beschickt. Die Stücke wurden in entspre­ chenden Mengen aufgegeben, um eine Schmelzzusammensetzung zu erhalten, die Nd₂Fe₁₄B_1.5 enthielt. Das Gewicht der Ge­ samtcharge betrug 1000 Gramm. Die Charge wurde im Schmelz­ ofen in einem hochreinen, grobkörnigen Aluminiumdioxidtie­ gel geschmolzen. Es wurde ein Gießrohr und eine Stopfen­ stange, beide aus Bornitrid benutzt. Die Charge wurde ge­ schmolzen, nachdem die Schmelzkammer und das Fallrohr auf 30×10^-3 Torr leergepumpt und dann mit ultrahochreinem Ar­ gon auf 1,1 Atmosphären druckbeaufschlagt worden war. Die Schmelze wurde auf eine Temperatur von 1600°C erhitzt (was 350°C Überhitzung über den Legierungsflüssigkeiten ergab). Nach einer Wartezeit von 2 Minuten zum Stabilisieren der Temperatur wurde die Schmelze nach dem Anheben der Stopfen­ stange aus Bornitrid der Zerstäuberdüse durch Schwerkraft­ strömung zugeführt. Die Zerstäuberdüse entsprach der be­ reits genannten US PS 5 125 574.

Das Zerstäubergas wies allein ultrahochreinen Stickstoff unter einem Druck von 1700 psig, gemessen am Gaszufuhrreg­ ler auf. Der Durchsatz an Stickgas zur Zerstäuberdüse be­ trug etwa 300 scfm.

Es wurden unregelmäßig, rosinenartig geformte Pulverparti­ kel in einem Größenbereich von etwa 1 bis 300 µm erzeugt, wobei 50% der Teilchen einen größeren Durchmesser als etwa 180 µm hatten. Fig. 4 ist eine Mikrophotographie der zer­ stäubten Pulverpartikel, die mechanisch zu einem Korn­ größenbereich von 63 µm bis weniger als 74 µm klassiert worden waren. Fig. 5 zeigt eine ähnliche Mikrophotographie der zerstäubten Pulverpartikel, hier nach einer mechani­ schen Siebung auf einen Korngrößenbereich von 200 bis 300 µm. Fig. 6 und 7 sind Mikrophotographien repräsenta­ tiver Pulverpartikel der jeweiligen Korngrößenbereiche aus Fig. 4 und 5 die, um die Mikrostruktur des Partikels zu zeigen, metallographisch angeordnet, poliert und geätzt wurden (Nital-Ätzmittel). Die Mikrostrukturanalyse zeigte Eisendentriten, in denen eine an Nd reiche, interdentri­ sche Phase vorhanden war.

Bei der Röntgenbeugung der zerstäubten Teilchen zeigte sich, daß die dominante Phase Eisen (bcc) war, wobei eine zweite Phase aus Neodymnitrid vorhanden war. Es war nur eine Spur von Nd₂Fe₁₄B vorhanden. Anhand der chemischen Naßanalyse, Vakuumfusionsanalyse und Mikro-Kjeldahl-Analyse zeigt sich, daß mindestens 95% des ursprünglich in der Schmelze enthaltenen Neodyms in der Zerstäubungssprühzone in die hitzebeständige Nitridverbindung umgewandelt wurde.

Dies Ausführungsbeispiel ist nicht auf die oben beschriebe­ nen Nd-Fe-B-Legierungen beschränkt. Es können beispiels­ weise auch andere Metalle und Legierungen einschließlich Fe, Ni, Co, Cu, Ag, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, mit einem Zerstäubergas, welches einen umsetzungsfähigen Stoff enthält, unter Bedingungen zerstäubt werden, die feine Pulverpartikel produzieren, wobei eine hitzebestän­ dige oder intermetallische Verbindung darin in der Zerstäu­ bungssprühzone ZZ der Zerstäubungsvorrichtung in situ ge­ bildet wird.

Die Kombination der Schmelzzerstäubung mit der Synthese der hitzebeständigen oder intermetallischen Verbindung in der Zerstäubungssprühzone vermeidet die Schwierigkeiten, denen man sich bisher bei der herkömmlichen Verarbeitung zur Ver­ festigung von hitzebeständigen oder intermetallischen Ver­ bindungen ausgesetzt sah und die aus deren hohen Schmelz­ punkten und dem extremen chemischen Reaktionsvermögen re­ sultierten.

Claims (24)

1. Verfahren zum Herstellen von Teilchen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schmelze unter einer Schutzgas­ atmosphäre geschaffen wird, die ein Metall oder eine Legierung aufweist, daß die Schmelze mit einem Zer­ stäubungsgasgemisch zerstäubt wird, welches ein Trägergas und bin zweites Gas oder eine Flüssigkeit zur Bildung zerstäubter Partikel aufweist, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem Trägergas und dem zweiten Gas oder der Flüssigkeit so gewählt wird, daß sich eine übergleichgewichtige Konzentration einer atomaren Spezies des zweiten Gases oder der Flüssigkeit in fester Lösung in den zer­ stäubten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel einstellt, und daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die übergleichgewichtige Konzentration der atomaren Spezies darin erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgasgemisch ein inertes Gas und ein um­ setzungsfähiges, eine disperse Phase bildendes Gas aufweist, welches reagiert, wenn es in fester Lösung in dem Metall oder der Legierung gelöst wird, um darin Dispergentien zu bilden.

3. Verfahren zum Herstellen von Aluminiumteilchen, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Aluminium aufweisende Schmelze unter einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze zur Schaffung zerstäubter Partikel mit einem Zerstäubungsgasgemisch, welches ein inertes Gas und Stickstoff aufweist, zerstäubt wird, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem inerten Gas und dem Stickstoff bewirkt, daß eine übergleichgewichtige Konzentration atomaren Stickstoffs in fester Lösung bis zu einer Tiefe unter­ halb der Oberfläche der Teilchen hervorgerufen wird und daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die übergleichgewichtige Konzentration atomaren Stickstoffs beibehalten wird.

4. Verfahren zur Stärkung eines metallischen Materials mittels Dispersion, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze, die ein Metall oder eine Legierung aufweist, unter einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze mit einem Zerstäubungsgasgemisch zur Schaffung zerstäubter Partikel zerstäubt wird, wobei das Zerstäubungsgasgemisch ein Trägergas und ein um­ setzungsfähiges Gas aufweist, welches reaktionsfähig ist, wenn es in fester Lösung in dem metallischen Material gelöst ist, um eine disperse Phase darin zu bilden, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem Trägergas und dem umsetzungs­ fähigen Gas so gewählt wird, daß eine übergleichge­ wichtige Konzentration einer atomaren Spezies des umsetzungsfähigen Gases in fester Lösung in den zer­ stäubten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel bei Festigung der­ selben entsteht,
daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die Übergleichgewichte Konzentration der atomaren Spezies beibehalten wird, und
daß die zerstäubten Partikel auf eine Temperatur er­ hitzt werden, bei der die atomare Spezies des umsetz­ ungsfähigen Gases in fester Lösung mit dem erstarrten Partikel unter Ausbildung von Dispergentien in dem­ selben reagiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas ein inertes Gas und das umsetz­ ungsfähige Gas aufweist.

6. Verfahren zum Herstellen von mittels Dispersion ver­ stärkten Aluminiumteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminium aufweisende Schmelze unter einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze zur Erzeugung zerstäubter Partikel mit einem Zer­ stäubungsgasgemisch, welches ein inertes Gas und Stickstoff aufweist, zerstäubt wird, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem inerten Gas und dem Stickstoff bewirkt, daß eine übergleichgewichtige Konzentration atomaren Stick­ stoffs in fester Lösung in den zerstäubten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zer­ stäubten Partikel bei Festigung derselben entsteht,
daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die übergleichgewichtige Konzentration atomaren Stick­ stoffs erhalten bleibt, und
daß die zerstäubten Partikel auf eine Temperatur er­ hitzt werden, bei der der atomare Stickstoff in fester Lösung mit dem Aluminium unter Ausbildung von Dis­ pergentien in demselben reagiert.

7. Verfahren zum Herstellen eines mittels Dispersion ver­ stärkten Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein Metall oder eine Legierung aufweisende Schmelze unter einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze zur Schaffung zerstäubter Partikel mit einem Zerstäubungsgasgemisch zerstäubt wird, daß das Zerstäubungsgas ein Trägergas und ein umsetzungs­ fähiges Gas aufweist, welches, gelöst in fester Lösung in dem metallischen Material unter Ausbildung von Dispergentien in demselben reagiert, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem Trägergas und dem umsetzungsfähigen Gas so gewählt wird, daß sich eine übergleichgewichtige Konzentration einer atomaren Spezies des umsetzungsfähigen Gases in fester Lösung in den zerstäubten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel bei Festigung derselben einstellt,
daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die übergleichgewichtige Konzentration der atomaren Spezies beibehalten wird, und
daß aus den zerstäubten Partikeln ein Gegenstand geformt wird, und daß die erstarrten Partikel vor oder nach der Bildung des Gegenstands auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die genannte Spezies mit dem metallischen Material unter Bildung einer dispersen Phase in demselben reagiert.

8. Verfahren zum Herstellen eines mittels Dispersion ver­ stärkten Aluminiumgegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminium aufweisende Schmelze unter einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze zur Erzeugung zerstäubter Partikel mit einem ein Trägergas und Stickstoff aufweisenden Zerstäubungs­ gasgemisch zerstäubt wird, wobei die Temperatur der Schmelze und das Verhältnis zwischen dem Trägergas und Stickstoff so gewählt wird, daß eine übergleichge­ wichtige Konzentration atomaren Stickstoffs in fester Lösung in den zerstäubten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel bei Festigung derselben entsteht,
daß die zerstäubten Partikel erstarrt werden, wobei die übergleichgewichtige Konzentration atomaren Stick­ stoffs beibehalten wird,
daß aus den zerstäubten Partikeln ein Gegenstand ge­ formt wird, und daß die erstarrten Partikel vor oder nach der Bildung des Gegenstands auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der atomare Stickstoff mit dem Aluminium unter Ausbildung von Aluminiumnitriddis­ pergentien in dem Aluminium reagiert.

9. Verfahren zum Herstellen von Teilchen, die eine hitze­ beständige oder intermetallische Verbindung mit einer ersten, metallischen Komponente und einer zweiten, nichtmetallischen oder metallischen Komponente auf­ weisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze, die die erste, metallische Komponente der Verbindung auf­ weist, in einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze zur Schaffung der zweiten, nichtmetall­ ischen oder metallischen Komponente der Verbindung mit einem Zerstäubungsgas zerstäubt wird, welches ein umsetzungsfähiges Material aufweist, das mit der Schmelze umsetzbar ist, wobei die Temperatur der Schmelze und die Menge des umsetzungsfähigen Materials so gewählt wird, daß eine Umsetzung der Schmelze und des umsetzungsfähigen Materials in einem Zerstäubungs­ sprühnebel unter Bildung der Verbindung in den durch Zerstäubung der Schmelze erzeugten feinverteilten Partikeln bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der feinverteilten Partikel bewirkt wird, und daß die zerstäubten Partikel verfestigt werden, um Partikel bereitzustellen, in denen die genannte Verbindung enthalten ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das umsetzungsfähige Material ein umsetzungsfähiges Gas aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das umsetzungsfähige Gas allein als Zerstäubungsgas benutzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das umsetzungsfähige Gas Stickstoff zur Schaffung einer Nitridverbindung in dem Zerstäubungs­ sprühnebel aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das umsetzungsfähige Gas im wesentlichen Boran zur Schaffung einer Boridverbindung in dem Zer­ stäubungssprühnebel aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das umsetzungsfähige Material ein metallorganisches Gas oder Flüssigkeit zur Schaffung einer intermetall­ ischen Verbindung in dem Zerstäubungssprühnebel aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze überhitzt wird, um die Reaktionswärme zum Inganghalten der Reaktion in dem Zerstäubungssprüh­ nebel zu ergänzen.

16. Verfahren zum Herstellen von Partikeln, die eine hit­ zebeständige oder intermetallische Verbindung mit einer ersten, metallischen Komponente und einer zweiten, nichtmetallischen oder metallischen Komponente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine die metallische Komponente der Verbindung aufweisende, überhitzte Schmelze in einer Schutzgasatmosphäre gebildet wird, daß die Schmelze mit einem Zerstäub­ ungsgas zerstäubt wird, welches mit der Schmelze unter Schaffung der nichtmetallischen oder metallischen Komponente der Verbindung reagiert, wobei die Temperatur der Schmelze und die Menge des umsetzungs­ fähigen Zerstäubungsgases so gewählt wird, daß eine Reaktion der Schmelze und des umsetzungsfähigen Materials in einem Zerstäubungssprühnebel bewirkt wird, um in den durch Zerstäubung der Schmelze erzeugten, feinverteilten Partikeln durch und durch die genannte Verbindung hervorzurufen, und daß die zerstäubten Partikel verfestigt werden, um Partikel bereitzustellen, in welchen die Verbindung enthalten ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstaubungsgas Stickstoff aufweist, um eine Nitridverbindung in dem Zerstäubungssprühnebel zu erzeugen.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas Boran aufweist, um eine Boridverbindung in dem Zerstäubungssprühnebel zu erzeugen.

19. Mittels Gas zerstäubte Pulverpartikel, gekennzeichnet durch ein metallisches Material und eine übergleichge­ wichtige Konzentration einer atomaren Spezies, gelöst in fester Lösung in dem Material bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel.

20. Pulverpartikel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die atomare Spezies mit dem metallischen Material bei Erwärmung unter Bildung einer dispersen Phase in demselben umsetzungsfähig ist.

21. Mittels Gas zerstäubte Pulverpartikel, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie Aluminium mit einer übergleichge­ wichtigen Konzentration an atomarem Stickstoff, gelöst in fester Lösung bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der zerstäubten Partikel aufweisen.

22. Pulverpartikel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die atomare Stickstoffkonzentration mindestens etwa 1 Atom-%, gemessen mittels Auger- Spektroskopie beträgt.

23. Mittels Gas zerstäubte Pulverpartikel, die eine hitze­ beständige Verbindung oder eine intermetallische Ver­ bindung aufweisen, welche in situ bis zu einer Tiefe unterhalb der Oberfläche der Partikel gebildet ist.

24. Pulverpartikel nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindung in situ in den Partikeln durch und durch gebildet ist.