专利名称:具有反型复制表面的陶瓷复合体制品的生产方法及其所得制品的制作方法广义地说，本发明涉及陶瓷复合体及其制造方法，该复合体具有其部分复制形状。特别是，本发明涉及陶瓷复合体，它包含埋有填充物的多晶基体，并具有一负型，它是母金属前体的阳模反型复制形成的。本发明还涉及制造该复合体的方法，是通过用母金属前体的氧化反应产物渗入填充物床中来制造复合材料的阴模。本申请的主题内容与共同未决和共同所有的美国专利申请系列号819，397(1986年1月17日提出申请)的主题有关;上述专利为系列号697，878(1985年2月4日提出申请)的部分继续申请。这两者都是以Marc.S.Newkirk等人的名义，题目为“复合陶瓷产品及其制造方法”。这些共同未决的申请都公开了一种通过母金属氧化反应产物逐渐进入一个可渗透的填充物块体中来产生自承陶瓷复合体材料的新颖方法。然而，最终的复合材料不具有确定的或者是预先确定的形状。由一种氧化反应来制造陶瓷产品的方法在共同未决和共同所有的美国专利申请系列号818，943(1986年1月15日提出申请)中已作一般披露。该专利申请是作为系列号776，964(1985年9月17日提出申请)的部分继续申请，而系列号为776，964的申请又是系列号为705，787(1985年2月26日提出申请)的部分继续申请;系列号705;787的申请是系列号591，392(1984年3月16日提出申请)的部分继续申请。所有这些都是以Marc.S.Newkirk等人的名义，并且题目为“新型陶瓷材料及其制造方法”。正如在前述的共同所有专利申请中所描述的一种特殊氧化现象的使用，可以通过一种熔合的掺杂剂来加强，前体母金属的氧化反应产物的生长提供自承陶瓷体及其制造方法。该方法通过采用向前体母金属表面上施加外部的掺杂剂进行改进，正如在共同所有美国专利申请系列号822，999(1986年1月27日提出申请)中已披露的。该专利申请是系列号776，965(1985年9月17日提出申请)的部分继续申请，而系列号为776，965的申请又是系列序747，788(1985年6月25日提出申请)的部分继续申请，系列号为747，788的申请是系列号632，636的申请(1984年7月20日提出申请)的部分继续申请。所有这些都是以Marc.S.Newkirk等人的名义，题目为“制造自承陶瓷材料的方法”。制造其中具有一个或多个空腔的陶瓷体的方法已在共同未决和共同所有的美国专利申请系列号823，542(1986年1月27日提出申请)中披露。该专利申请人是Marc.S.Newkirk等人的名义，题目为“制造陶瓷材料制品的反型复制方法和由此所得的制品”。陶瓷体中形成的空腔是阳模或母金属形状的反型复制，母金属被埋入而且完全被适当的填充物所包围。这种填充物非常合适以调节填充物和母金属不同的热膨胀加上金属的熔点体积变化;而且，填充物在一个合适的温度下能自粘合以保证由于熔融的母金属扩散进填充物形成氧化反应产物后所形成的空腔不会因为穿过由于形成空腔的扩散的演变成的空腔壁所产生的压差而塌陷。上述的共同所有专利申请的全部公开内容特意地作为参考而编入。最近几年，在以前用金属的结构应用方面使用陶瓷的兴趣日益增长。这种兴趣的动力是陶瓷在一些诸如耐腐蚀性、硬度、弹性模量和耐火能力等性能方面比金属具有优越性。当前在制造更高强、更可靠、韧性更好的陶瓷制品方面的努力主要集中在以下几个方面(1)整体陶瓷的改进工艺过程方法的发展，(2)新材料组成的发展特别是陶瓷基复合材料。复合材料结构是包含由两种或两种以上不同材料所制造的不均匀的材料，坯体或制品，这些材料的紧密结合是为了获得所需的复合材料性能。例如，两种不同的材料能通过将其中一个埋在另一个的基体中紧密结合。陶瓷基复合材料结构典型地包含一种陶瓷基体其中包入一种或多种不同种类的，诸如微粒、纤维和板条之类的填充材料。传统的制造陶瓷制品的方法包括以下普通步骤(1)陶瓷材料粉末的制备。(2)粉末的研磨或球磨以获得非常细的颗粒;(3)将粉末成型为具有所需要形状的坯体(给后续工艺过程留收缩余量)，例如，通过单轴压制、等压压制、注模成型、带式浇铸(tape casting)，粉浆浇铸或任何其它几种技术;(4)通过加热到很高温度以使各粉末颗粒熔合起来形成一个凝聚结构使坯体致密化;最好是在无压的条件下完成(即，无压烧结)，虽然，在某些情况下需要附加的驱动力，而且能通过使用外部加压来提供或者是单独向轴压(即热压)或者是等静压，即热等静压;(5)精加工，如果需要经常用金刚石研磨。目前现行的大量研究工作目的在于改进粉末加工技术，这个改进的重点有两个领域(1)采用溶胶-凝胶、等离子体和激光技术生产超细、均匀的粉末材料的改进方法。(2)致密化和压实化的改进的方法包括烧结、热压和热等静压的先进技术，这些努力的目的是打算生产致密、微晶粒、而且，事实上从陶瓷表现出来的性能说明，改进已在一些领域完成。然而，这些改进有导致生产陶瓷结构的费用急剧上升的趋势。因此，费用变成陶瓷应用商品化的主要障碍。由于现代陶瓷工艺使其变化的陶瓷工程的另一个局限是规格的通用性(Scaling versatility)。目的在于致密化(即，排除两个粉末颗粒之间的气孔)的传统工艺是与陶瓷以大片整体结构生产的可能性相矛盾的。制品体积的增加出现几个问题，包括例如延长工艺过程停留时间、对大量的工艺过程中相同工艺条件的严格要求、由于不均匀致密化或热诱导应力所制成的部件开裂，在烧结期间部件的翘曲和下陷，如果使用热压工艺还需要很高的压力和大尺寸的模具，在使用等静压情况下，由于要求的内部分体积和壁厚使得高压容器造价过高。
当这些传统的方法被用来制造陶瓷基复合材料时，还会引起另外一些困难。或许，最严重的问题与上述第(4)致密化步骤相关。如果材料不是很合适的话，通常最佳的无压烧结方法对于细粒状的复合材料是困难的或不可能的。更为重要的是，即使材料是相适应的，普通烧结在包括纤维复合材料绝大多数情况下是不可能的，因为基体颗粒的相互结合受到纤维的抑制，纤维有阻止逐渐致密化的粉状颗粒必须的位移的趋势。在某些情况下这些困难已经通过在高温下施加外压的强化致密工艺过程来部分地克服。然而，这种工艺步骤可能产生许多问题，包括由于施加的外力使增强纤维产生断裂或受到损伤、限制了生产复杂形状的可能性(特别是在单轴热压情况下)，通常高的造价来自低的工艺生产率和有时所要求的大量的精加工操作。
在进行粉料与晶须或纤维混合和坯体成型步骤中(上述第(3)步)还能引起另外的困难，这里最重要的是保持基体中的复合材料第二相的均匀分布。例如，在制备晶须增强陶瓷复合材料时，包括在混合过程中和坯体成型过程中的粉末和晶须流程，能引起增强晶须的不均匀性和所不希望的取向，带来性能特征遭受损失的后果。
这些共同所有的专利申请中描述了一个新的工艺过程，它解决了传统陶瓷技术中的某些这类问题，正如这里更全面地描述的，包括空腔的成形，它可能是很复杂的形状，是通过用预先造形的母金属前体模体的反型复制作成的。本发明用另外的新概念综合了这些工艺过程提供出形成包括复杂结构的网形近于网形的陶瓷体成型，是通过不需要利用自粘合填充物的工艺技术。在选择模型样式时，本发明还提供了很大的灵活性，包括具有空腔形式的模型，空腔也就是凹槽或型腔，该空腔具有比它们的内部分更小直径或宽度的开口。换而言之，本发明不局限于生产可能从一个冲模或铸模上取出来的模型。当制造具有这种空腔形式的陶瓷制品时，用上述步骤(3)以前的工艺方法通常是行不通的，因为在陶瓷体围绕内模形成后内模是不能取出的。
本发明提供了用一种特殊的氧化现象生产预先确定形状的陶瓷复合体的方法，这能克服伴随已知工艺过程的困难和局限性。本方法利用一种更直接、更通用并且比传统手段更便宜的工艺过程原理提供特别具有高强度和粉裂韧性的有一定形状的陶瓷体。
本发明还提供了一种可靠地生产具有对现存能获得技术来说困难的或不可能的体积和厚度的形状构造的陶瓷体方法。
根据本发明，提供了一种生产自承陶瓷复合体的方法该复合体具有一个反型复制出母金属前体阳模的阴模。该陶瓷复合体包含埋有填充物的陶瓷基体，该基体是通过母金属的氧化形成一种多晶体材料而获得，此多的晶材料主要由上述母金属与一种氧化剂(例如气相氧化剂)的氧化反应产物和任意的一种或多种金属成分所组成。本方法包括以下几个步骤提供具有为反型复制用的阳模部分和非复制部分的母金属前体，在生长控制条件下将该母金属前体放在与一适合的填充料床相接触的位置，促进阳模部分氧化反应产物的生长，并且限制其在非复型部分的氧化反应产物的生长。如下所述当需要使氧化剂与熔融母金属接触时(如氧化剂是气相氧化剂的情况)填充物能使氧化剂渗透过来;而且，在任何情况下都能使氧化反应产物生长渗透过填充物。将所放置的母金属前体加热到高于母金属熔点而低于其氧化反应产物熔点温度范围，以形成熔融母金属体。在这个温度范围内，熔融母金属体与氧化剂反应形成氧化反应产物，至少有部分氧化反应产物保持在此温度范围，并且与熔融母金属体和氧化剂相接触并在二者之间，以逐渐引出熔融母金属中的熔化金属使其通过氧化反应产物并与填充物床中的氧化剂接触而发生氧化反应。与此同时，阴模开始生长，并且，由于在氧化剂和原来形成的氧化反应产物之间的界面处氧化反应产物的不断生成，阴模在填充物床中逐渐形成。这种反应在此温度范围内继续进行的时间至少足以使部分渗透或埋藏氧化反应产物内的填充物床，通过氧化反应产物的生长形成了具有上述阴模形状的复合体。将最后所得的自承陶瓷复合体从剩余的填充物和未反应的母金属(如果有的话)上分离下来。
本发明的另一个方面包括以下特点的一个或多个单一的或组合将母金属前体放入合适的填充物床中与之相接合以使母体金属前体的非复型部分不与填充物床相接触;利用包括在上述阴模部分外部施加掺杂的生长控制条件;将氧化剂施加到合适的填充物中;采用非氧化气体或真空工艺环境;母体金属前体的非复型部分采用阻挡装置或阻止生长装置这样能抑制氧化产物的渗透生长。正如此处和附加权项中采用的，“抑制生长”一词足够广泛以致能包括“阻止生长”的意义。更进一步说，这里和附加权项中关于“在上述的阴模部分外部施用掺杂剂”或类似含义的言词必须理解为意味着而且包括以下技术中两者之一或两者在母体金属前体的所选的表面上直接施用掺杂剂，和在靠近或邻近母金属前身所选择的表面对面的合适填充物的区域内施用掺杂剂。
本发明的另一个方面，合适的填充物也是自粘合的，至少在需要抵抗由于那里生长穿过氧化反应产物形成的压力差时是自粘合的。
本发明的另一个方面，提供了一种自承陶瓷复合体，该复合体具有一反型复制出母体金属模或母金属前体阳模的阴模。该母金属前体具有除包括上述阳模部分外，还具有非复制部分。该陶瓷复合体包括一种多晶基体，该多晶基体中混有填充物，它是得自一适合的填充物床，在靠近填充物床母金属前体占有最初的位置，母金属前体的阳模与填充物相配合，而其非复制部分则与填充物床不接触。当母金属前体从其最初位置迁移出来形成反型复制的阴模时，母金属前体阳模被反型复制，同时随着从其最初位置迁移出的熔融母体金属的氧化反应的进行形成多晶基体。该多晶基体主要由母金属前体与氧化剂的多晶氧化反应产物，和任意的一种或多种金属组分，或气孔或二者组成。如在别处更为详细描述的。
本发明的材料能够保证其截面性能基本均匀地生长到至今为止用常规异型陶瓷结物生产方难以达到的厚度。生产这种材料的工艺过程还避免了伴随传统陶瓷生产方法的高费用，包括细化，高纯、均匀粉末制备、生坯成型、排胶、烧结、热压和热等静压。本发明的产品可用作或生产成为商业制品，如在此所采用的，意图是包括(无限制的)工业的结构的和技术的陶瓷体，作为电子的、磨损的、热的、结构的或其它的特点和性能非常显著和有利时的这种应用，而不是想包括像在熔融金属工艺过程中生产出可能作为无用的副产品这样一类的回收废气的材料。
在本说明书和附加权项中，对下列术语定义如下“陶瓷”限制在典型观念内的陶瓷体解释是不相称的，即陶瓷完全由非金属和无机材料组成的观念。而是指，在组成或主要性能方面为陶瓷的物体，虽然，该物体可能包括少量或大量的一种或多种由母金属而来的金属组分，或者是由氧化剂或掺杂剂还原而来的金属组分，最典型地在约为1-40%体积百分数范围内，但可能还包括更多的金属。
“氧化反应产物”一般是指一种或多种处于氧化状态的金属其中一种金属将电子给予另一种金属或与其用电子化合物或它们的混合物，因此，在此定义下的“氧化反应产物”包括一种或多种金属和象在本申请中描述的那些氧化剂的反应的产物。
“氧化剂”是指在工艺过程条件下一种或多种电子受体或电子共用体，可能是固体、液体、气体(蒸汽)或它们的组合物(例如固体和气体)。
“母金属”指的是这样的金属，例如铝，它是多晶氧化反应产物的前体。并且包括相当纯的金属、含有杂质和/或合金成分的市售的金属，或者是以金属前体为主要成分的合金;当将指定的金属作为母体金属时，例如铝，该指定金属应按上述定义理解，除非在上下文中另有说明。
陶瓷复合体的“阴模”是指由母体金属前体的阳模(即几何形状)反型复制的陶瓷体模型(即几何形状)。
母金属前体的“阳模”是指能反应型复制形成陶瓷体阴模的母金属模(即几何形状)。指明以下的内容是重要的，即“阴”和“阳”两词在本文中的采用，其意义仅仅是一个词对另一个词的关系，说明一个模型的几何形状与另一个模型相对应，总之，不是用来限制在仅包括一个“阴模”或一个“阳模”的形状类型。
“反型复制”是指陶瓷复合体的阴模包含与母金属前体的阳模部分形状相对应的表面。
图1是异型母金属前体的透视图，该母金属前体作成能提供其一边是阳模，而其对应边是非复型部分;
图1A是图1中的母金属前体绕其在图1位置的纵轴旋转180°时的透视图。
图2是表示图1和1A中的异型母金属前体，在稍减小比例情况下，组装的立面横截面的示意图，母金属前体放在一个耐火容器里的合适的填充物层间的界面上填充物支承颗粒状惰性材料的叠加层。
图3是按照本发明将其粗糙表面研磨之后的陶瓷复合体的透视图，并且是用图2和填充物层的界面和在X-X平面上的阻挡装置的组装作成的。
图4是在其粗糙表面研磨之前本发明的陶瓷复合体的透视图，并且是利用图2和填充物层间的界面和在Y-Y面上的阻挡装置的组装制成的;
图5是图1和1A中的母金属前体部分截面和放大比例的局部纵剖图，并在其阳模部分上外部施用一层掺杂剂;
图6是表示异型母金属前体的组装的横截面示意图。将该母金属前体放在一阻挡装置套内并放在一个耐火容器之中。使母金属前体的阳模部分与合适的填充物相配合;
图7是根据本发明图6陶瓷复合体透视图，是利用图6的组这制成的;
图8是异型母金属前体的透视图，是这样造形的，使表面提供一阳模而从这延展出的圆柱孔的表面提供一非复型部分;
图8A是图8中的母金属前体沿其在图8中的主纵轴旋转180°的透视图。
图8B是图8和8A中的母金属前体的侧视立面图，带有圆柱形插入的阻挡件并凸出该前体的圆孔两端;
图9是表示图B中异型母金属前体的组装的立面横截面示意图，是放入耐火容器的包括合适填充和阻挡装置;
图10是异型母金属前体断开的和截开的部分的透视图，该母金属前体与图1和图1A中的相似或完全相同并已装入阻挡装置套内。
图11是表示图10中异型母金属前体和阻挡装置放一耐火容器的组装的横截立面示意图，该结构包括合适的填充物和阻挡装置。
在本发明的实践中，母金属前体是以异型制品形式提供的，该母金属前体具有一其形状或几何形状被最终的陶瓷复合体反型复制为阴模的阳模部分和一非复型部分。通过本发明的下列实践，复杂形状的阴模在陶瓷的形成和生长期间在最终的陶瓷复合材料中可以反型复制下来，而不是通过对陶瓷体的整形或机械加工。母金属前体可通过任何合适的方法进行适宜的成型，例如将像棒形、方形、坯锭形这样一类的金属块可进行适当的机加工、浇铸、模锻、挤压成型或其它的成型方法来提供母体金属前体。该母金属前体可能在其中形成具有空槽、孔洞、凹槽、平台、凸台、凸缘、螺柱、螺孔螺纹等等以及具有装于其上轴环、套管、圆盘、棒条等等，以提供所需外型的阳模。母金属前体可能包含一个或多个经适宜成型的单一金属块，以便当将其阳模部分放入与适合的填充物床相配合时(并且非复制部分离开填充物床)，该阳模限制了直接邻近母金属块体的填充物床的异型部分。当母金属前体熔融和氧化反应产物渗入填充物床时，具有一定形状的阴模形成最终的陶瓷复合体。因此，在这方面，本发明提供了用机加工或其它成型方法加工金属来制造阴模的先进方法，而不是研磨或机加工陶瓷，加工陶瓷是更加困难而且费用更高的过程。
在实施本发明的方法时，将母金属前体连带它的阳模部分在生长控制条件下放置于合适的填充物床中并与之配合，该生长条件将促进最初的或仅有的氧化反应产物从阳模部分生长进入合适的填充物床中，同时抑制或阻制在非复型部分氧化反应产物的生长。生长控制条件可以通过建立母金属的氧化反应动力学来获得或加强，该条件在与阳模部分紧邻或附近部分比与非复制部分紧邻处更加适宜。其结果是氧化反应产物从阳模部分优先地生长或发展进入合适的填充物床中，同时抑制或限制非复型部分发生这种生长。例如将一种能加速其施用到的母金属部分生长的合适掺杂剂施在阳模部分，正如在上面所介绍的在共同未决和共同所有美国专利申请系列号为822，999中所详细解释的。这种掺杂剂可以外部施用到母金属前体的阳模部分和/或施用在正对阳模表面、最好是接近或邻近的合适填充物中。而且更进一步的是，一种固体氧化剂和/或液体氧化剂(以下要作详细解释)可以加到邻近阳模部分相邻近的部分或区域的填充物当中。因此朝氧化剂方向生长会发生或加强。
多晶氧化反应产物的生长控制可以利用适当的阻挡装置或阻止装置来完成，例如在共同未决美国申请系列号861，024(1986年5月8日提出申请)中所介绍的方案。有效的阻挡物包括在工艺发生下能被输送的熔融的母金属所湿润的材料，在这种情况下熔融金属对阻挡物基本没有亲和力因此生长停止。那些易于与输送的熔融的母金属反应而抑制其进一步生长的材料也可用作阻挡装置。特别是，有用的阻挡物包括硫酸钙，硅酸钙，波特兰水泥，金属合金如不锈钢和致密的或熔融的陶瓷，如氧化铝，它可以与作母金属的铝一起使用。这种阻挡物也可以包括作为其一个组分的在加热时消失的合适的可燃烧的或可挥发的材料或者在加热时分解的材料，以便使该阻挡物可渗透或增加该阻挡物的孔隙度和渗透性。阻挡物覆盖或叠加在母金属的非复型部分并且最好是能符合该表面的形状的材料，由此可减少或消除任何不希望的生长。可能应用一种综合技术，即阻挡物可覆盖或叠加在母金属前体的非复型部分，并且掺杂剂外部施加在阳模的表面上和/或面对阳模表面的填充物上。母金属前体的非复型部分也可以保持不与填充物床接触即使它没有覆盖以隔离剂材料或装置也如此，即当条件是这样以致在大气中的氧化反应产物的生长受到抑制或阻碍时，它也可以暴露在大气中除非对母金属前体的这些表面，对其可使用外部的掺杂剂，或固体的或液体的氧化剂。
虽然，在下面专门将铝作为最佳的母金属对本发明进行了详细描述，但能满足本发明要求的其它合适的母体金属包括，但不限于，硅、钛、锡、锆和铪。
正如以上所述，可以使用固体的、液体的或气相的氧化剂，或这些氧化剂的组合。例如，典型的氧化剂包括但不限于氧、氮、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲和它们的化合物及组合物;例如，甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯和丙烯(作为碳的来源)，Si O2(作为氧的来源)和象空气、H2/H2O、CO/CO2这样一类的混合物，后二者(即H2/H2O和CO/CO2)被用来降低环境中氧的活性。
虽然可以使用任何合适的氧化剂，下面是根据用气相氧化剂对本发明的方案进行描述如果是采用气体或蒸汽氧化剂(即气相氧化剂)，填料能为气相氧化剂透过，因此在填充物床暴露于氧化剂时则气相氧化剂就能渗透填充物床与其中的熔融的母金属相接触。“气相氧化剂”一词是指气化的或一般气体物质，它们能提供氧化气氛。例如，在铝作为母金属前体的情况下氧气或含氧气体混合物(包括空气)是最佳的气相氧化剂;由于明确显的经济原因通常更愿意选择空气作氧化剂。当确定一种含有或包括特殊气体或蒸汽的氧化剂时，这是指在所利用的氧化环境中得到的条件下，在一种氧化剂中所确定的气体或蒸汽是母金属的唯一的、主要的、或至少是显著的氧化剂。例如，虽然空气中的主要成分是氮气，但空气中的氧气含量是母金属唯一的或重要的氧化剂，因为氧气比氮气是明显更活泼的氧化剂。所以空气落在“含氧气体”氧化剂的定义之内。在此和权项中所用的“含氧气体”氧化剂的例子为“混合气体”，该气体中含有大约96%体积的氮气和大约4%体积的氢气。
当使用固体氧化剂时，它可能被分散在整个填充物床中或者，如果与气相氧化剂一起使用时，可以仅分散在与母金属相邻的填充物床部分。氧化剂可以以颗粒形式添加在填充物中和/或覆盖在填充物颗粒上。任何合适的氧化剂包括象硼或碳这样一类的元素，或者象二氧化硅(作为氧的来源)或某些比母金属硼化反应产物更低的热力学稳定性的硼化物的可还原的化合物都可以采用。如果固体氧化剂与气相氧化剂合并使用，则氧化剂的选择要使其适合本发明的目的。
如果使用液体氧化剂，整个填充物床或其与熔融金属相邻的部分，通过用氧化剂浸泡、分散或其它方法被覆盖或浸渍，以便使填充物整个或部分浸满、谈及液体氧化剂是指它在氧化反应条件下是液体，而且这些液体氧化剂也可能有固体前体;例如盐，它在氧化反应条件下熔融。另一方面液体氧化剂也可能是液体前体，即一种物质的溶液，它被用来覆盖或浸入部分或整个填充物，而且在氧化反应条件下熔化或分解以提供合适的氧化剂组成部分。在这里所定义的液体氧化剂的例子包括低熔玻璃。如果液体氧化剂与气相氧化剂共同使用，则液体氧化剂的使用方法应该是不遮掩气相氧化剂到熔融母金属的通路。
在某些条件下，将固体氧化剂和/或液体氧化剂与气相氧化剂共同使用，可能是很有利的。这种附加氧化剂的组合在增强母金属的氧化优先在填充物床中形成氧化反应产物特别有用，尤其是在邻近阳模而不是远离其表面或在非复型表面上。即在邻近阳模部分的填充物床的那部分或区域中产生一种对母金属氧化动力学比填充物床那部分和或区域以外地方的环境更适宜。该强化环境对促进氧化反应产物基体在床内到其界面的生长并且消除或减少过分长大，即在填充物床界面以外的生长，是有益的。
在本发明实践中使用的合适填充物可以是一种或多种适合于此目的大量的材料。正如这里和权项中所采用的，用于填充物“合适的”一词是指该填充物可以围绕异型母金属前体捣实、对着母金属前体堆积、围绕母金属前体包裹并且填充料适合使母金属前体部分的模型或形状能放置得和填充料相配合。例如，如果填充物含有像耐火金属氧化物这样一类的细晶的颗粒状材料，母金属前体的阳模放置成与填充物相配合，以便阳模能在填充物床中确定一个与其相对应的阴模。然而，填充物具有微颗粒形式是不必要的。例如，填充物可能包含金属丝、纤维或晶须，或象金属绒这样的材料。填充物也可能包括两种或多种这类组份或几何形状的非均匀或均匀的组合，例如小颗粒晶粒与晶须的组合。唯一必要的是填充物的物理形状须是使母金属前体的阳模放置与相对的填充物块体相配合，以便在陶瓷复合体中最终形成的阴模是母金属前体阳模的阴模。后者这样开始形成合适的填充物床的具有一定的形状的部分。
本发明的实践中有用的合适填充物，在以下所描述的本发明的氧化反应条件下，当氧化剂是气相氧化剂时，是可使氧化剂经此透过的。在任何情况下，填充物对氧化反应产物的生长或发展也是可渗透的。在氧化反应期间，看来好象是熔融母金属迁移穿过已形成的氧化反应产物去继续反应。氧化反应产物带植物气氛一般是不可渗透的，因此窑炉气氛例如空气，不能通过。正如在以前提到的共同所有专利申请系列号823，542(1986年1月27日提出申请)所解释的，生长着的氧化反应产物对窑炉气氛的不可渗透性，当氧化反应产物包括一个由熔融金属所形成的空腔时，引起了压力差问题。这个问题在以前所说的共同所有专利申请中通过采用自粘合的合适填充物得到解决，正如这里要说明的，它是一种填充物，它在高于母金属熔点并接近但低于氧化反应温度的温度下，部分烧结或自身粘合并与生长着的氧化反应产物层粘合，从生长空腔外层充分提供结构强度，保证生长中的空腔模型的复制几何形状，至少直到生长着的氧化反应产物结构达到足够能自支承压差的厚度，压差是经过生长着的氧化反应产物的壁产生的，该氧化反应产物限制了形成的空腔。然而，在过于低的温度下自粘合填充物不能产生烧结或自粘合，因为，如果这样，由于热膨胀和当母金属被加热到操作温度时因母金属熔化时的体积变化，自粘合填充物将破裂。换而言之，自粘合填充物应保持其整体性以适应它和母金属间的体积变的差别，当后者被加热并熔融时于是自粘合对氧化反应进行而形成的空腔提供了机械强度。然而，本发明的技术在任何情况下避免了压力差问题，因为母金属前体具有一(非复型)部分，因此氧化反应产物不从这生长，至少没有到任何显著程度，因此，没有形成完全由氧化反应产物所包络的空腔。然而，不透大气的阻挡装置可以采用并且在某些情况扩散开，以致阻塞窑炉气氛到形成空腔的通道，造成了生长着的氧化反应产物隔层两边的压力差的产生。在这种情况下采用自粘合填充物，至少在生长初期可提供机械强度如上所描述的。
为表示合适的填充物的特征，在这里和权项中采用的“自粘合”一词是指放置在与母金属阳模一致接触的这种填充物，它能维持足够的整体性以适应母金属的熔点体积变化和母金属和填充物间的差热膨胀，并且至少在其直接相邻阳模的支承区，是实质地自粘合，但仅仅在高于母金属熔点而低于并且充分接近氧化反应温度的温度下，才使上述所说的适应成为可能。填充物的这种自粘合赋予它充分的粘聚强度以维持反型复制阴模抵抗由于母体金属运动到填充物中穿过它产生的压力差。
如上所述，一般来说填充物可能在任何情况下是自粘合的，虽然在此所有情况下它不是必须这样。整个填充物块体或床包含合适的填充物或者，当需要时，包含自粘合填充物不是必要的，虽然这种方案在本发明的
填充物仅仅在与母金属阳模相邻和要由母金属阳模成型的填充物床那部分需要是合适的和/或能自粘合的。换而言之，填充物需要是合适的和/或能自粘合的仅仅到一个足够的深度，关于一致性就是使其与母金属前体的阳模一致，以及关于自粘合性，就是在特殊位置提供足够的机械强度。填充物床的其余部分不需要是一致的和/或能自粘合的。
在任何情况下，填充物不应产生烧结、熔融或不能有这种反应，就是形成不能渗透的基体堵塞氧化反应产物从这里的渗透或者，当采用气相氧化剂时，堵塞了气相氧化剂经过这里的通路。更进一步说，填充物应该是充分一致的，以适应当组装体加热时母金属和填充物间的热膨胀差别和在其熔化时金属的体积变化，以保持与母金属前体阳模的准确一致。
在本发明实践过程中，将由母金属、填充物床和如果采用时，阻挡装置或生长阻止装置的组装加热到高于金属熔点但低于氧化反应产物熔点的温度，在氧化环境下提供熔融金属体或液池(pool)。通过与氧化剂相接触，熔融金属将反应形成一层氧化反应产物。因为继续暴露于氧化环境下，在一个适宜的温度范围内，下余的熔融金属沿氧化剂方向逐渐进入并透过氧化反应产物，而且与氧化剂接触，形成另外的氧化反应产物。至少一部分氧化反应产物保持与熔融母金属和氧化剂相接触并位于其中，以便使多晶氧化反应产物在填充物床中继续生长，因而将填充物埋置在多晶氧化反应产物中。主要维持合适的氧化反应条件多晶体基体材料就可继续生长。
此过程不断进行直到氧化反应产物已经渗透而且掩埋了所需数量的填充物。最终所得陶瓷复合产品包括被含有多晶氧化反应产物的陶瓷基体埋置的填充物，而且包括任意的一种或多种金属的未氧化的金属组分，或者气孔、或两者兼向有之。典型的是，在这些多晶陶瓷基体中，氧化反应产物细晶体以多于一维的形式相互联结，最好是三维互连的;而且金属类杂物或气孔可能部分相互联结。当工艺过程不是进行到超出母金属耗尽的程度，则所得到的陶瓷复合材料是密实的，而且基本上是无气孔的。当工艺过程进行完毕，即在工艺过程条件下当尽可能多的金属已被氧化时，气孔取代了相互联结的金属会在陶瓷复合材料中形成。本发明最终得到的陶瓷复合体产品实际上具有母金属前体阳模部分的原始尺寸和(阴的)几何外型，就复合体的形成和冷却而言，在母金属前体工艺过程期间调整了熔点和热膨胀差体积变化。
现在参考一下附图，应该说明其中所有元素没有必要按比例绘制。例如，在图9-11中插图纸或薄纸板元件的厚度被夸大以便改进插图的明性。图1展示了一个被成型为由其形成模型的母金属前体2作为阳模，它本身包括一个矩形槽4和一个圆筒形空腔6，它可以是如图解表明的光滑孔或是一个螺纹孔，是在表面8和从表面8向上突出的矩形平台9形成的(如图1所示)。槽4、空腔6和平台9都在母金属前体2的表面8上形成的，它们一起构成阳模，它可以被反型复制出来，如下面所述的与图3的陶瓷制品有联系的。母金属前体2还具有一台肩凸缘11，是从其侧面7a伸出的，台肩凸缘11的一个边和表面8齐并且构成了表面8的延伸。母金属前体2的其余部分包括表面10(图1A)，它是表面8的对立面和四个侧面7a，7b，(图1)7c和7d(图1A和2)。如下所述，当粒状的惰性材料16和填充物14之间的界面在平面X-X(图2)上时，表面10、侧面7a-7b和台肩凸缘11的部分但不包括平面8的部分构成母金属前体2的非复型部分。正如这里和附加权项中所采用的，“惰性材料”一词是指一种特殊的材料，在工艺过程条件，即熔化和氧化反应条件下，它对熔融母金属是惰性的而且不能被其湿润的。
图2表明母金属前体2被放在一个包含有两层特殊材料床的耐火容器12中，例如氧化铝容器，容器12的下部用合适填充物14填充，容器12的上部(一般在平面X-X以上)用合适的惰性材料16填充。母金属前体2的非复型部分是其被惰性材料16覆盖的那部分，因而不与填充物床14相接触，母金属前体2可以包括任何合适的母金属，例如铝母金属。母金属前体2放置的位置要使其阳模4、6、8、9与合适的填充物床14相配合，以便合适的填充物填满槽4和园筒形空腔6并且邻近表面8和平台9的表面，以适应阳模相应的变化。因此，合适的填充物14只在槽4和圆筒空腔6中延伸超过平面X-X以上。而母金属前体2的非复型部分则埋置在惰性材料16中。合适的填充物14没有延伸超出对应的槽4开口端以外，因而在槽4的对应端存在一个在合适的填充物14与惰性材料16的界面。假若必须或需要的话，像薄纸、硬纸板、塑料薄膜、金属板(最好是一个带孔的金属板)或隔板这样一类的合适的阻挡装置可以放置在槽4的每个对应端上，以便在组装期间阻止合适的填充物14的渗漏和/或惰性材料16与合适的填充物14的混杂。
当将图2的组装加热到一个足够高的温度使用母金属前体2熔化时，气相氧化剂通过透过阻挡材料和合适填充物床，因此与熔融金属接触，与熔融金属进行氧化，而且由此得到的氧化反应产物生长透过合适填充物床14。生长着的氧化反应产物不会透过惰性材料16，这有效地起了阻挡熔融金属的氧化反应产物从中生长。例如，当母金属是铝母金属而且空气是氧化剂时，氧化反应温度可能是从大约850℃到大约1450℃，最好是从大约900℃到大约1350℃，并且氧化反应产物是氧化铝，特别是α-氧化铝。熔融金属迁移穿过从先前为母金属前身2所占据的体积处形成氧化反应产物皮层，而且随着反应的继续，通过熔融母金属穿过氧化反应产物向其它外表面的迁移，先前被母金属前体2占据的惰性材料床16中的空间部分地或实质上全部地被抽空，在那里它在合适填充物14的床中的气相氧化剂接触，而且被氧化形成附加的氧化反应产物。惰性材料16的颗粒向被熔融母金属抽成的空间的移动，即向母金属前体2的初始位置的移动，是容许的，因为它对陶瓷体的生长无不利影响。然而，假若由于采用的阳模的几何形状需要或必要时，可采用一坚固的挡板来阻止这种移动。例如将一个合适的坚固挡板安放在母金属前体2的表面10上，以便当熔融母金属渗透填充物14的床时，来保持颗粒状的惰性材料16在原位不动。
最终得到的氧化反应产物包括一多晶体陶瓷材料其中可能含有熔融母金属的未氧化组分。当所需数量的陶瓷基体的生长已完成时，使组装冷却，将最后得到的陶瓷复合材料图2中虚线18所示为其尺寸，从容器12中剩下的惰性材料16和剩余适合的填充物以及未反应的母金属(如有的话)上分离出来。未反应的母金属，如有的话，和任何在与惰性材料16的界面上所形成的氧化薄层能很容易地从陶瓷复合材料上分离下来。由此形成的陶瓷复合结构将是阳模形状的反型复制，并且陶瓷体的其余部分可以按需要用机加工或研磨或将其作成所需的外形。例如图3所示，最终成形的陶瓷复合体20具有一个复型的表面，即一个阴模，它是由母金属前体2的槽4、空腔6、表面8和凸缘9确定的阳模复制的。陶瓷复合体20的复型阴模包括一个槽21，它是凸缘9的复型阴模，和一个圆柱形突台22，它是空腔6的复型阴模。槽21的尺寸与凸缘9的尺寸是一致的，并且突台22的尺寸与空腔6尺寸是一致的。与此类似，矩形平台24与槽4一致而且它包含槽4的反型复制阴模。复合体20的表面26同样是母金属前体2表面8的反型复制阴模。复合体20的其余部分，例如侧面28a和28b，加上与侧面28a和28b各自相反的两个侧面(在图3中看不见)和表面26的对应表面(图3中看不见)，都是通过机加工、研磨或其它方法加工成在X-X平面以下生长的陶瓷体，通常块状外表部分，其形状在图2中通常用虚线18来说明。因为台肩凸缘11被埋置在惰性材料16中(当惰性材料16与填充物14的界面位于平面X-X上时)，只包含表面8与填充物14接触延伸的台肩凸缘的一部分，台肩凸缘11在陶瓷体20中不是复型的。在此方案中台肩缘11的作用是增加陶瓷体20的长度(沿其主纵轴测量)，因为填充物14与前身2(在表面8上)相互配合的面积由于台肩凸缘11的宽度而增加。例如，忽略任何发生的透视收缩，通过研磨陶瓷体20来提供其最终的表面28，28a等等，在平台24到其侧表面28a之间的陶瓷体20的长度以尺寸L′表示于图3中，L′实际上与图1中的尺寸L相同。如果以母金属前体2中省略台肩凸缘11，陶瓷体20的长度L′(图3)实际上与图1中的尺寸S相同。
通过选择一种合适的材料作为填充物而且保持氧化反应条件经过充分的时间，使得基本上所有的熔融母金属从由所说明的方案中床16构成的阻挡装置中抽出。母金属前体2的阳模的逼真的反型复制品通过陶瓷体20的表面26，平台24，突台22和槽21而得到。如果有大量未反应的母金属剩余在陶瓷体上时，可以很容易地从最终的陶瓷体上除掉而露出逼真的反型复制品。然而所说明的母体金属前体2的形状(和其复制的形状21，22，26，24)是相当简单的，利用本发明的技术更加复杂的几何形状的阳模能在母金属前体2中形成并可精确地反型复制为复合陶瓷体阴模。
在另外一个方案中，母金属前体2能被更深地埋置在合适填充物14的床中，或床14的高度增加到Y-Y平面所示的水平;或者增加到X-X和Y-Y平面间的任一中间水平。合适的填充物14能均匀地延伸到Y-Y平面水平以上，并且覆盖母金属前体2的表面10的一部分，只要其一部剩下不与填充物接触，以避免形成完全被氧化反应产物包络的空腔。阳模部分的尺寸随填充物床14高度的增加而增加，包括被合适填充物14埋置的母金属前体的侧面7a，7b，7c和7d。然后，氧化反应产物的生长的发生不仅仅经过表面8和槽4、空腔6和凸缘9的表面，而且还经过母金属前体2的侧面7a-7d的部分，母金属前体2被填充物14包围并与其接触。在这种情况下，母金属前体2的非复型部分应是与填充物14分离那部分例如，当合适填充物延伸到Y-Y平面时，仅仅是母金属前体2的表面10。
图4以截面透视图表示陶瓷体30，陶瓷体30是从本发明图4的组装的实践中所得到，图4中在填充物14与惰性材料16中间的界面在Y-Y平面上，以便除表面10以外填充物14与金属前体2的每一表面相配合。在此方案中，表面10构成了母金属前体2的整个非复型部分，前体的阳模由表面8和侧面7a、7b、7c和7d，以及包括另外的槽4、空腔6和凸缘9、台肩凸缘11所组成。在实施本发明中以填充物14延伸到Y-Y平面水平的工艺过程，导致氧化反应产物的生成，形成了陶瓷复合体一般如图2中虚线19所示。在与剩余的填充物14和惰性材料16分离之后，最终所得到陶瓷体30示于图4中，在沿着图3的陶瓷体20和侧表面28a、28b和邻接侧面以及底表面(图3中看不见)相似的表面进行研磨或机加工(如果需要)以前。在从容器12中移出的条件下，陶瓷体30如图4所示，而且具有外侧表面32，底表面34(如图4所示)和内壁表面36a、36b及36c，它们分别包括母金属前体2的反型复制侧表面7a，7b和7c的阴模。(母金属前体2反型复制侧面7d的内壁表面从图4截面图中省略掉了，图4是沿着平行于反型复制侧面7d省略的但向内壁内侧画出的)氧化反应产物的生长经过填充物14与图2中侧面7a-7d相配合的那些部分，导致了正对的内壁36a，36b，36c和第四个内壁(没有表示出，它反型复制出表面7d)的形成，并提供一个由前述内壁和表面26′所确定的一般长方形状凹座38。表面26′包含一个前体2的反型复制表面8的阴模，而且一般相当于图3方案的表面26。表面26′中具有一槽21′，突台22′和平台24′一般相当于图3方案中的槽21，突台22和平台24。此外，陶瓷体30在内壁36的最下部有-槽或沟道40，它是前体2的反型复制台肩凸缘11的阴模。陶瓷体30可以任意地完成，通过例如，研磨或机加工提供图4中虚线(未被标数字)所一般建议的平表面。
根据考虑前面不同异型陶瓷体的描述，该陶瓷体是通过改变前述2与填充物14和惰性材料16间的界面的相对位置获得的，这会意识到由前身2提供的熔融母金属会迁移和以氧化反应产物生长进入填充物14的床内，经过前体2的一些区域，这些区域与前体2的一个表面相接触或相配合。假设材料的存在并能保证氧化反应产物经过前体2的所有表面的条件，这些表面没有因为与隔离剂接触而被阻塞，这可以意识到熔融母金属会抽空最初被前体2所占据的体积，而且作为氧化反应产物生长进填充物14，在最终所得自承陶瓷复合体中如实地反型复制出界面的外形，该界面是在母体金属前体2的阳模与放置在与之相配合的可渗透的填充物14之间。例如，假如在填充物14与惰性材料16间的界面是位于X-X平面和Y-Y平面之间，内壁36a，36b，36c和复型表面7d的内壁的高度，以及槽38的深度会相应地减小。例如，假如在填充物14和惰性材料16之间的界面是在Z-Z平面上，上述的内壁高度会低于突台22′或平台24′。
当然，如上所述的可渗透的和合适的填充物性能是填充物所有组成的性能，而填充物的单一组份不需要具有任一个或全部的这些特性。因此，填充物可能由或者是一种材料，同一种材料但不同粒度的颗粒的混合物，或者是两种或多种材料的混合物所组成。在后一种情况下，填充物的某些组份可以不是足够合适或可渗透的，但是由于其它材料的存在，作为填充物的组成部分会具有所需的合适性和可渗透特性。大量的可组成陶瓷复合体的有用的填充物的材料赋予该复合体所需的性能也会具有上述的可渗透的和合适的性质。
就填充物的单个组分而论，一种适宜的填充物组份的类别包括那些在工艺过程的温度和氧化条件下不挥发，热力学稳定并且不与熔融母金属反应或过分地溶解的化学物质。在使用铝母金属和以空气或氧气作为氧化剂情况下，有大量为熟练技术者所知的材料能满足这种要求。这种材料包括单一金属氧化物铝，Al2O3;铈，Ce O2;铪，Hf O2;镧，La2O3;钕，Nd2O3;镨，镨的各种氧化物;钐，Sm2O3;钪，Sc2O3;钍，ThO2;铀，UO2;钇，Y2O3;和锆，Zr O2。此外，大量二元的，三元的和更高阶的金属化合物，诸如镁铝尖晶石，Mg O·Al2O3，都包含在稳定的耐火化合物的类别之中。
第二类适宜的填加物组分是那些在优选方案的氧化和高温环境下本身质上是不稳定的，但是由于相当慢的渐衰动力学，它可以混合成为生长着的陶瓷体中的填充物相。碳化硅就是一个例子。这种材料在必要氧化的条件下会完全氧化，例如，铝和氧气或者空气按照本发明如果没有氧化硅保护层形成并覆盖在碳化硅颗粒上限制了碳化硅的进一步氧化。在铝作为母体金属，空气或氧气作为氧化剂的工艺过程的氧化反应条件下，氧化硅保护层也能使碳化硅颗粒烧结或自身间以及和填充物的其它成分轻微粘合。
第三类适宜填充物组分是那些象碳纤之类的，根据热力学或动力学的原理，不能期望碳纤维能经受住氧化环境或暴露于涉及最佳方案的熔融铝中，但是，可以使它适应于下列工艺过程，1)使环境的活性变低，例如，通过采用CO/CO2作为氧化气体，或2)通过向其上面施加涂层，例如氧化铝，它能使物质在氧化环境中或暴露于熔融金属中在动力学上是不起反应的。
作为本发明的另一实施方案和正如在共同所有专利申请中所说明的，往金属中加入掺杂剂材料可能对氧化反应过程产生有利的影响。掺杂剂材料的一种或多种作用可能取决于许多因素除了掺杂剂本身之外。这些因素包括，例如，特定的母金属，所需的最终产物，当使用两种或多种掺杂剂时掺杂剂的特定组合，与合金掺杂剂相结合外部掺杂剂的使用，掺杂剂的浓度，氧化环境和工艺条件。
一种或多种掺杂剂(1)可以作为母金属的合金成分提供，(2)可施加在至少一部分母金属的表面上，或者(3)可以施加到填充物或者填充物床的一部分中，例如施加于填充物的深度须适合于母金属前体的阳模，或者采用方法(1)、(2)和(3)中两种或多种方法的任何组合方式。例如某种合金掺杂剂可以和外部分施加工的掺杂剂一起使用。在方式(3)的情况下，将一种或多种掺杂剂施加在填充物中，其施加方法可以通过任何适宜的方式来实现，例如可以通过把掺杂剂以涂层或散粒的形式分散在部分或整个填充物块体中，最好包括至少接近母金属的填充物床的一部分。将任何掺杂剂往填充物中的施加还可以通过把一层一种或多种掺杂剂材料施加到的床上和里边来实现，包括任何内部通道、孔隙、通路，中间空隙等等，这使填充物床具有可渗透性。施用任何一种掺杂剂的便利方法就是只把整个床浸泡在掺杂剂材料的液体(例如一种溶液)中。掺杂剂的来源也可以这样提供，方法是通过将一块掺杂剂固体放在至少与一部分母金属表面及填充物床接触并处于它们之间。例如，可将一薄层的含硅玻璃作为铝母金属的氧化用的掺杂剂非常有用，置于母金属的表面上。当涂有含硅材料的铝母金属(可以内部用Mg掺杂)在氧化环境(例如，在铝在空气中的情况约在850℃至约1450℃，最好从约900℃至约1350℃)中加热时，就会发生多晶陶瓷材料生长进入可渗透的填充物床。当掺杂剂从外部向至少一部分母金属表面上施加时，多晶体氧化产物结构通常生长在可渗透的填充物内部，大体在掺杂剂层以外(即在施加的掺杂剂层深度的以外)。总之，一种或多种掺杂剂可以从外部加到母金属表面上和/或加到可渗透的床中。另外，掺进母金属内部的和/或外部施加到母金属的掺杂剂，可以通过向填充物床上施加掺杂剂来增加。因而，任何掺进母金属内部和/或外部施加到母金属的掺杂剂在浓度上的任何不足都可以通过向床中相应的掺杂剂的外加浓度来增补，反之亦然。
对铝母金属有用的掺杂剂，特别是当以空气作为氧化剂时，包括，例如，金属镁和金属锆，两者在组合或与其它掺杂剂组合如下所述。这些金属，或者这些金属的适当来源，可以根据得到掺杂金属的总重量，以每种掺入0.1-10%(重量)的浓度，熔合到铝基母体金属中。在这个范围内的浓度似乎能使陶瓷开始生长，促进金属传递和对生成的氧化反应产物的生长形态产生有利的影响。任何一种掺杂剂的浓度将取决于象各种掺杂剂的组合和工艺温度这样的因素。
能有效促进多晶体氧化反应生长的其它掺杂剂，对铝基母金属系统而言有，例如，硅、锗、锡和铅，特别是当它们和镁或锆一起使用时。将一种或多种这些其它掺杂剂，或它们的适当来源，掺杂到铝母金属系统中，每一种的浓度约0.5%至约15%按总合金的重量计;然而，当掺杂剂浓度在母金属合金总重量的1-10%范围内时，可得到更理想的生长动力学和生长形态。考虑到其在铝中的低溶解度作为掺杂剂，铅通常在至少1000℃的温度下熔合进铝基母体金属;然而其它熔合组分(例如锡)的加入，通常会增大铅的溶解度，并使合金材料能在较低的温度下加入到母金属中。
如上面的解释，采用一种或多种掺杂剂这取决于环境情况。例如，在铝母金属，并以空气作氧化剂的情况，特别有用的掺杂剂的组合包括(a)镁和硅，或(b)镁、锌和硅。在这些例子中，镁较好的浓度范围从约0.1～3%(重量)锌的范围从约1～6%(重量)，以及硅的范围从约1～10%(重量)。
在母金属是内掺杂了镁的铝和氧化介质为空气或氧气的场合，观察到在从约820℃到950℃的温度范围内，镁至少部分被氧化跑出合金体。在掺镁系统的情况下，镁在熔融铝合金表面上形成氧化镁和/或镁铝尖晶石相，生长过程期间这种镁的化合物主要保留在生长的陶瓷结构中母金属合金的起始氧化表面上(即“初始表面”)。因而，在这种掺镁系统中，产生的氧化铝基结构离开相应的初始表面上的镁铝尖晶石薄层。需要的话，可以通过磨、切、抛光或喷砂处理很容易地将这一初始表面去掉。另外，在外表面上观察到极薄的氧化镁层(例如，小于2μm左右)，如需要，能很容易地用喷砂方法将其去掉。
对母金属有用的掺杂剂的另外一些例子包括钠、锂、钙、硼、磷和钇，根据氧化剂和工艺条件，它可以单独使用或和一种或多种掺杂剂一起使用。钠和锂可以以ppm范围内的很小的数量采用，特别是约为100～200ppm，并且各自可以单独或一起使用，或和其它掺杂剂一起使用。像铈、镧、镨、钕、和钐这样一类的稀土金属也是很有用的掺杂剂，这里同样特别是当和别的掺杂剂一起使用。
如上所指出的，不必把任何一种掺杂剂材料都熔合进母金属内。例如有选择地把一种或多种掺杂剂材料以薄层的形式施加到整个或部分母金属表面上，使从母金属表面或其部分能够出现局部陶瓷生长，并且有助于多晶陶瓷材料在选择的面积上向可渗透的填充剂中生长。因而，多晶陶瓷材料向可渗透的填充物床内的生长可以通过在母金属表面局部涂上掺杂剂材料来进行控制。施加的覆盖层或掺杂剂层相对于母金属体的厚度而言是很薄的，氧化反应产物的生长或形成进入床中，延伸到实际上超出掺杂剂层即延伸到超过所施加掺杂剂层的深度。这种掺杂剂材料层可以通过喷涂、浸泡、丝网印制法、蒸发来施加或者以液体或膏状的形式加入，或者通过溅射，或者在母金属表面上简单地沉积一层固体颗粒掺杂剂或掺杂剂的固体片或薄膜。掺杂剂材料可以，但不一定需要，包括有机的或无机的粘结剂、载体、溶剂和/或增稠剂。掺杂剂材料最好以粉末形式加到母金属的表面或者分散经过至少一部分填充物。一种把掺杂剂加到母金属表面的特别好的方法就是使用一种掺杂剂在水/有机粘合剂的混合物中的液体悬浮液，将其喷到母金属表面上为得到一个粘附的涂层便于在工艺过程之前进行已经掺杂的母金属的搬运。
当外部使用时，掺杂剂材料通常施加到母金属表面的一部分上成为一均匀覆盖层。掺杂剂的量在相对于它要施加的母金属的量而言在很宽的范围内是有影响的，对铝而言，实验还未能确定出实用的上限或下限。例如当采用以二氧化硅形式的硅作为铝基母金属外部施加用的掺杂剂，并且以空气或氧气作为氧化剂时，外部掺杂过的母金属表面的每平方厘米上低达0.0001克的硅量，或每克要氧化的母金属约0.00003克的硅量可以采用来产生多晶体陶瓷生长现象。一种或多种其它掺杂剂也可以使用，例如硅掺杂剂材料可以附加一种包含镁和/或锌的来源。另外还发现，通过使用MgO和Mg Al2O4中的一种或两种作为掺杂剂，且含量大于每平方厘米外部分掺杂的母金属表面约0.003克Mg或每克要氧化的母金属约0.008克Mg时，从使用空气或氧气作为氧化剂的铝基母金属中可以得到陶瓷结构。
上述掺杂剂的施用技术(2)和(3)，即外加掺杂到至少一部分母金属表面上或到填充物床上或填充物床的一部分上，可以在本发明的方案中使用，通过这种外部分施加的掺杂剂，可达到对氧化反应产物生长的控制，材料和条件可以这样选择，使得不会从母金属前体中缺乏外加的掺杂剂的以及母体金属前体未掺杂进足够的掺杂剂来促进氧化反应的部分出现氧化反应产物的大量生长，当一种外加的掺杂剂仅仅与母金属前体的阳模部分一同使用时，可以从非复型部分省去阻挡装置。然而，已经知道掺杂剂的外部施加也可以和阻挡材料一起采用。
使用外部掺杂剂的方法示于图5，其中母金属前体2埋置于合适填充物14的床中，母金属前身2的所有表面包括其非复型部分与合适填充物14相配合。这种埋置的型式可以实现，例如，通过用合适的填充物取代图2中的惰性材料16的床，使得耐火容器12完全用合适填充物14的床填满，填充物14中已埋置有母体金属前身2。在图5的方案中，掺杂剂的外部分施加是用来得到在图2中的方案达到的同样效果，如果在合适填充物床14和颗粒状惰性材料床16之间的界面在X-X平面的水平位置时。为了达到这一效果，掺杂剂材料层40被用来覆盖整个阳模部分，该阳模部分包括表面8，它具有正如上面有关图1-4的方案所描述的，槽4，空腔6和在其中形成的凸缘与由其形成延伸部的台肩凸缘11。表面10，7a，7b，7c和7d以及凸缘的未涂掺杂剂40的表面都包括有在图5中所示的方案中母金属前体2的非复制部分(表面7b在图5中看不见)。与图5方案一起采用的氧化反应条件是这样的以致于需要掺杂剂层40来促进氧化反应产物的生长，在没有掺杂剂层40的情况下，氧化反应产物生长受到足够的限制或阻止，以避免在包含非复型部分的母金属前体2的表面上大量形成氧化反应产物。因此，在此方案中，在所获得的条件下，母金属前体2应不包含或不充分包含合金化的掺杂剂以促进氧化反应产物的生长。像母金属的组成，氧化剂的组成和含量以及工作温度这样一类的因素，将确定特定的母金属是否需要有掺杂剂存在，为了在某个可观的速率下形成氧化反应产物。随着图5所示的安排和在必需掺杂剂层40来促进氧化反应产物的显著生长的条件下，在非复制部分将不会出现显著的生长，即使它与合适填充物14的床相配合而填充物14对氧化反应产物生长是可渗透的。掺杂剂材料层40的取代或除外，一种合适的掺杂剂可以用在合适填充物床的这些部分或区域，即正对、邻接和/或与母金属前体2的阳模部分相接触的部分。更进一步，还可以在填充物床这样的区域中使用固体或液体的氧化剂，以便在阳模部分上建立有利的生长动力学，从在图5中部分表示的组装中得到的产物，应类似或相同于图3中所示的陶瓷复合体。
图6表示了本发明的另一个实施方案，其中母金属前体2′埋置在合适的填充物床14中，这些填充物本身保持在一个一般长方形的由含有多孔的阻挡材料做成的盒子42中。盒子42主要是装合适填充物14和埋在其中的母体金属前体2′的。用来做盒子42的微孔阻挡材料可能包含，例如，不锈钢网。盒子42具有一个在其上表面42a，和下表面42b上形成的圆孔(见图6)。和一对圆筒形管子、44a，44b插进这些孔中并伸向母金属前体2′各自相对表面46，48。管子44a和4b各自填满一种惰性材料16，并且管子本身可以由多孔的阻挡材料或相同或类似盒子42的丝网构成。在这一方案中，母金属前体2′具有一个从其表面48上伸出的凸台50。在图6中可看到的是母金属前体2′的侧表面52a，52c和正表面52d。(在前句中采用的“侧”和“正”是从图6看)母金属前体2′的背面(从图6看)在图6中是看不见的。很清楚所有描述过的母金属前体2′的表面都与填充物14相配合，填充物14包含在盒子42中，除了对应面46和48的圆形部分，分别被装在管子44a和44b中的惰性材料16的颗粒覆盖的面积以外。因而，母金属前体2′的整个表面，包括其阳模截面，被惰性材料16覆盖的两块分割部分除外。两块分割部分分别包含母金属前体2′的非复型截面。由于盒子42提供了氧化反应产物生长的阻挡装置，颗粒材料的床15既不必是合适的填充物，也不必是惰性材料。的确，由盒子42和管44a，44b组成的组装可以在耐火容器42中以任何方法支撑。然而，把这个组装支撑在颗粒状材料15的床中是很方便的，其中颗粒状材料15可以是，但不一定是，惰性材料。如果盒子本身不是氧化反应产物生长的阻挡装置的话，那么床15或者至少其邻接和埋置盒子42的部分应该含有惰性材料。
当将图6组装加热至足以使母金属熔化的高温和当将熔融母金属与合适的液体、固体和/或气相氧化剂接触时，熔融金属会发生氧化并从母金属前体2′的阳模部分上出现氧化反应产物生长。当使反应进行能达到所需的陶瓷体的生长时(任意地，从原来被母金属前体2′占据的体积中消耗掉母体金属)，氧化反应产物会生长到由盒子42的内表面所限制的边界上。相对于母金属前体2′而言，盒子42的体积是容易选择的，因此就会产生氧化反应产物的体积，它会充满包含在盒子42内的合适填充物14的体积的空隙。
图7所示为采用图6的组装最终所得到的陶瓷复合体54。在图7中可以看到陶瓷复合体54有一个一般的平面的顶面56和侧面58、60。这些表面通常与盒子42相应的内表面是一致的。圆筒形孔62a伸到了顶表面56并且通常相当于包在盒子42中的管子44a的体积。相应的圆筒孔62b伸到陶瓷复合体54的底表面(未编号的)并且相应于包在盒子42中的管子44b的体积。由母金属前体2′开始占据的体积在母金属氧化过程期间抽空了，并在陶瓷复合体54中形成如图7虚线所示的一般矩形空腔。空腔64的下表面(在图7中看到的)包含有一个在其中形成的槽66，它是母金属前体2′的凸缘50的反型复制。管子44a，44b装满了在图6的组装中的惰性材料16的颗粒。因为惰性材料是可渗透过的，它通过在反应过程期间形成的空腔64经过管子44a、44b提供通向周围大气的通路，因而空腔64从不由于氧化反应产物的生长与周围大气完全封闭和隔离。如上所解释的那样，这就避免了压力差的问题，这是作用正在生长的氧化反应产物的空心体上的压力差，由氧化反应产物不能为周围空气或大气渗透的原因。
现在参看图8，8A和8B，它们显示了母金属前体68的另一个方案，例如铝金属前体，它具有一般矩形外型并且有表面70，74和侧面72a，72b，72c和72d。母金属前体68具有一矩形台阶76是从其表面74上凸出来的。台阶76与侧面72a和72b同时延伸并实际上与它们平行。一个圆筒形孔78延伸通过母金属前体68，从表面70到表面74。
图9表示放在耐火容器80内的母金属前体68，在该耐火容器放有合适填充物和阻挡或生长阻止装置与母金属前体68的组装。在这个方案中，抑制或阻止生长的圆柱状阻挡装置82都注以尺寸和限定形状，以便可以滑动地插入圆筒状孔78内并与其所有圆柱表面相配合，如图8B和9所示，圆柱状阻挡装置82比孔78要长，而且，其一部分在其任一端向外伸出。图9的截面图表示圆柱状阻挡装置82的结构，在图解说明的方案中它包括一个中心核82b，可用熟石灰膏制作，该核装在一个厚纸筒或膜硬板纸筒82a内用来建立阻挡装置初始形状。通过加热，厚纸或硬板纸就烧掉或挥发掉不再参与进一步的工艺过程。上下端开口的矩形阻挡装置88(如图9中所见)示于图9的横截面中，它由4个壁组成，4个壁延伸出分别平行于并离开母金属前体68的侧面72a、72b、72c和72d。因而阻挡装置88具有矩形槽形的短截面的形状。在图9中只能看见装置88的三个壁，即壁88b及截面图中的壁88a和88c。如对后两个壁所示，各自的内表面含有一熟石膏层，它在壁88a和88c上，