專利名稱：陶瓷殼器件,有這種器件的燈和制造這種器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷殼器件，涉及有這種器件的燈，并且更優(yōu)先地涉及有多晶氧化鋁殼的金屬鹵化物燈，此殼的端部以陶瓷類端塞所封閉。更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明針對(duì)有起碼一個(gè)金屬陶瓷端塞的器件，此金屬陶瓷端塞有熱膨脹系數(shù)逐漸改變的多個(gè)零件或多個(gè)圈或多層。此外，它涉及這種金屬陶瓷端塞本身和制造這種金屬陶瓷端塞的方法。
打算使金屬鹵化物高強(qiáng)度放電燈(HID)在高壁溫下工作，以便改進(jìn)其效率，改變色溫，和／或提高光源的彩色再現(xiàn)指數(shù)。通常，金屬鹵化物燈包括由一種或多種金屬例如鈉(Na)的鹵化物(特別是碘化物和溴化物)的充填物。Na經(jīng)常與鈧(Sc)或錫(Sn)結(jié)合起來(lái)使用。還會(huì)加入釷(Th)，鉈(Tl)，銦(In)和鋰(Li)。其它類型的充填物包括稀土金屬，例如銩(Tm)，鈥(Ho)和鏑(Dy)。含有這種充填物的燈具備十分希望有的光譜特性功效高于1001m／W，色溫大約3700K，和彩色再現(xiàn)指數(shù)(CRI)大約85。因?yàn)槟承┙饘冫u化物添加劑的蒸汽壓低，所以，熔凝石英燈泡必須工作在高于正常的溫度。在壁溫超過(guò)900-1000℃時(shí)，燈的壽命受到金屬鹵化物與石英玻璃制成的壁之間的相互作用的限制。使用能工作在比石英玻璃更高的溫度下、并且比石英玻璃在化學(xué)上更穩(wěn)定的電弧管材料提供了增加含這些金屬鹵化物燈的壽命的有效方法。
多晶氧化鋁(PCA)是高氣壓鈉燈的抗鈉外殼。PCA能工作在比石英玻璃更高的溫度下，并且預(yù)料比石英玻璃在化學(xué)上更穩(wěn)定。PCA殼在其端部被用氧化鋁塞子封閉。用焊封玻璃實(shí)現(xiàn)氣密性密封，所述焊封玻璃經(jīng)常稱為可熔陶瓷或玻璃料?？墒牵瑢?duì)PCA殼內(nèi)的金屬鹵化物的化學(xué)性質(zhì)的研究表明，在金屬鹵化物與傳統(tǒng)的玻璃料或甚至所謂“抗鹵化物”玻璃料之間的反應(yīng)也嚴(yán)重地限制壽命。這種玻璃料的一個(gè)例子是基于成分CaO，Al2O3，BaO，MgO和B2O3。因此，十分希望能找出無(wú)玻璃料的密封方法。
通常，PCA燈使用由鈮制成的穿通線(feedthrough)，因?yàn)樗鼈兊臒崤蛎浵禂?shù)相似。特別是當(dāng)充填物含有稀土鹵化物時(shí)，一個(gè)問(wèn)題是Nb穿通線與充填物之間的反應(yīng)。這問(wèn)題通過(guò)用特殊的方案而在一定程度上得以減輕，辦法是用由導(dǎo)電的金屬陶瓷制成的端塞同時(shí)取代端塞和穿通線。這些金屬陶瓷是復(fù)合的燒結(jié)體，它們通常包括氧化鋁(電弧管材料)和鉬(Mo)或鎢(W)，這兩種材料都是抗鹵化物材料。
Hing等的美國(guó)專利No．4354964公開一種導(dǎo)電的氧化鋁-金屬(例如鎢或鉬)金屬陶瓷，后者含有4到20體積百分比金屬，用于作為金屬鹵化物HID(高強(qiáng)度放電)燈的PCA(多晶氧化鋁)外殼中的端塞件或穿通線。金屬陶瓷有難熔金屬桿(作為電極或電流引線)。它們?cè)诮饘偬沾商幵谲浀幕蝾A(yù)烘烤過(guò)的狀態(tài)下鑲嵌在金屬陶瓷體內(nèi)，然后在最后燒結(jié)金屬陶瓷期間共烘烤，以達(dá)到高密度。沒(méi)有描述這種金屬陶瓷與PCA管的接合方法。無(wú)法同時(shí)消除在金屬陶瓷與PCA之間，或在金屬陶瓷與鎢或鉬電極之間的熱膨脹失配。在燈的接通-斷開操作期間，這種不同的熱膨脹能在PCA管或金屬陶瓷之一中，或在兩者中造成破裂和漏氣。
Izurniya等的美國(guó)專利No．4 731 561顯示了以共燒結(jié)的導(dǎo)電氧化鋁-Mo或W金屬陶瓷封閉的PCA管的一個(gè)端部。PCA管的另一個(gè)端部用玻璃料密封的金屬陶瓷封閉。金屬陶瓷全都涂敷上絕緣層，以便防止逆弧。
Kajihara等的美國(guó)專利No．4 687 969除了描述導(dǎo)電的金屬陶瓷端塞外還描述帶穿通線的非導(dǎo)電金屬陶瓷，此穿通線穿過(guò)金屬陶瓷并向內(nèi)向外伸出。PCA管的一端有共燒結(jié)的金屬陶瓷，而另一端有玻璃料密封的金屬陶瓷?？墒牵荒芊乐菇饘偬沾傻钠屏?，因?yàn)槎巳某煞质枪潭ǖ模⑶遗c方向無(wú)關(guān)。
所有這些單件端塞有這樣的缺點(diǎn)，即它們的熱膨脹系數(shù)與周圍零件(例如殼子)并不真正相配。Partlow等的美國(guó)專利No．4 602 956的例子提出了解決辦法。它公開了一種金屬陶瓷端塞，后者包括芯子，所述芯子主要含有10到30體積百分比的W或Mo，余數(shù)為氧化鋁；以及一層或多層其它成分的金屬陶瓷，它們包圍著這芯子，并且基本上彼此同軸。這些層基本上含有從大約5到10體積百分?jǐn)?shù)的W或Mo，余數(shù)為氧化鋁。這樣的金屬陶瓷端塞用“抗鹵化物”玻璃料氣密地密封到弧光管的端壁。
可是，由于其微細(xì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電的金屬陶瓷端塞長(zhǎng)時(shí)間的氣密性不夠。
另一種解決辦法是有更致密結(jié)構(gòu)的非導(dǎo)電金屬陶瓷端塞。結(jié)果，需要獨(dú)立的金屬穿通線。Bunk等的美國(guó)專利No．5 404 078公開了一種帶陶瓷容器的高氣壓放電燈，陶瓷容器的兩端用含有例如氧化鋁和鎢或鉬的非導(dǎo)電金屬陶瓷端塞來(lái)封閉。在具體的實(shí)施例(圖9)中，金屬陶瓷端塞包括有不同鎢比例的各同心部分。這些部分有逐漸改變的熱膨脹系數(shù)。
Nagayama的歐洲專利申請(qǐng)No．650 184討論了一種帶由非導(dǎo)電金屬陶瓷制成的端塞的電弧管。金屬陶瓷端塞由軸向排成一直線的不同成分(軸向分層密封，見(jiàn)

圖16及其隨后的內(nèi)容)的各層構(gòu)成。端塞的第一層整體地附在容器的開口端。金屬穿通線是鎢基桿。在穿通線與端塞的最后軸向放置的層之間的密封用相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)來(lái)進(jìn)行。它使用-穿通線的穿過(guò)的部分與端塞的最后層直接接觸，-外金屬盤(“法蘭”)與最后層的外表面接觸-和例如鉑或玻璃焊料等密封劑復(fù)蓋在法蘭和最后層的外表面上。
起著穿通線作用的桿中的一根有軸向的孔，用于向放電容器裝入充填物。
Evans等人的美國(guó)專利No．4 155 758在圖14中也公開了一種軸向分層端塞?？墒牵扇龑訉?dǎo)電金屬陶瓷制成。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于高氣壓放電燈的、特別是用于有非常耐久的氣密性密封的金屬鹵化物燈的陶瓷殼器件。另一個(gè)目的是提供一種用這種器件制成的燈。再一個(gè)目的是提供一種制造這種器件的方法。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，用具有以下特征的陶瓷殼器件來(lái)達(dá)到這目的-半透明的陶瓷管，它有第一端和第二端，所述管子確定了縱軸，并且所述管子限制了放電體積；-起碼基本上非導(dǎo)電的第一金屬陶瓷端塞，所述第一端塞封閉陶瓷管的所述第一端；-起碼基本上非導(dǎo)電的第二金屬陶瓷端塞，所述第二端塞封閉陶瓷管的所述第二端；-起碼所述第二端塞有起碼三個(gè)零件的多零件結(jié)構(gòu)-分別穿過(guò)第一和第二端塞的第一和第二金屬穿通線，每個(gè)穿通線分別有內(nèi)端和外端，所述穿通線由下面這樣一組金屬中的一種金屬制成，這組金屬包括鎢、鉬和錸和這些金屬中起碼兩種所形成的合金-分別處于第一和第二穿通線內(nèi)端的兩個(gè)電極；-多零件端塞的起碼一個(gè)零件的熱膨脹系數(shù)處于電弧管和穿通線的熱膨脹系數(shù)之間；-其中所述多零件端塞包括起碼四個(gè)軸向排成一直線的、有不同熱膨脹系數(shù)的零件，這些零件包括第一和最后零件，第一零件相對(duì)于放電空間是最里面的，而最后零件相對(duì)放電空間是最外面的；-所述多零件端塞以這樣的方式直接燒結(jié)到電弧管和穿通線，即多零件端塞的最里面的零件直接燒結(jié)到電弧管上，而多零件端塞的最外面的零件直接燒結(jié)到穿通線上。
所有相鄰零件(包括電弧管和相關(guān)的穿通線)的熱膨脹系數(shù)之間的差最好小于1．0×10-6／K。這把熱應(yīng)力和破裂減到最小程度。
第二穿通線通常是管子，所述第二穿通線與多零件結(jié)構(gòu)接觸。可是第二穿通線的另一實(shí)施例是桿，這時(shí)最好使用獨(dú)立的充填孔。
第一穿通線可以是與單零件端塞結(jié)合的桿(如眾所周知的那樣)，或者它可以與第二穿通線相似。因此，第一端塞可以是單零件體或多零件結(jié)構(gòu)。
上述的特點(diǎn)歸納如下分層的金屬陶瓷端塞包括有稍微不同熱膨脹系數(shù)的多個(gè)零件或多個(gè)圈或多層。所述系數(shù)從端塞的最外面的零件向端塞的最里面的零件減小。最外面的零件的意思是在軸向上離放電空間最遠(yuǎn)的零件。最里面的零件的意思是在軸向上最接近放電空間的零件。
最里面的圈有一外表面(在徑向方向所見(jiàn))，它或者與氧化鋁電弧管的端部的內(nèi)壁接觸，或與獨(dú)立的氧化鋁插入零件接觸。它的熱膨脹分別與氧化鋁電弧管或插入零件的熱膨脹很好地匹配。另一方面，最外面的圈的熱膨脹特性與穿通線很好地匹配。最外面的圈的內(nèi)表面(在徑向方向)與穿通線接觸。端塞的中間零件起著逐漸渡過(guò)最里面的和最外面的圈或零件的熱膨脹系數(shù)差別的過(guò)渡區(qū)的作用。
最好不是所有的中間零件都與穿通線接觸。這可以用兩種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一種方法是，中間零件的內(nèi)徑大于最外面的零件的內(nèi)徑。一種更聰明的更容易制造的辦法是，所有零件有相同的內(nèi)徑(甚至相同的外徑)。可是，穿通線只穿入某些外零件(最多三個(gè))。它必須不穿入不熱匹配的內(nèi)零件。
另一個(gè)重要的特征是，多零件結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度要盡可能地短(最好小于5mm)，因?yàn)橹挥羞@樣，才能得到勻質(zhì)的均勻的結(jié)構(gòu)密度。
可以在開始制備金屬陶瓷時(shí)，通過(guò)把不同量的金屬粉末(最好是鎢或鉬)混合到氧化鋁粉末中來(lái)獲得不同圈的不同性質(zhì)。令人驚奇的是，含鎢的端塞與鉬穿通線是最有希望的。
提供有不同熱膨脹系數(shù)的所述端塞的各零件有幾種可能性一種方法是，不同零件的成分包括作為第一成分的氧化鋁和作為第二成分的金屬，最好是鎢或鉬。這些零件的成分在加到氧化鋁的金屬比例上不同。
另一個(gè)達(dá)到這目的的方法是，不同零件的成分使用不同的構(gòu)分，例如氮化鋁和氧氮化鋁。而氮化鋁的熱膨脹系數(shù)有已知的值(見(jiàn)例如美國(guó)專利No．5 075 587)，氧氮化鋁的系數(shù)取決于其構(gòu)分即氧化鋁和氮化鋁之間的比例。這種情況與由構(gòu)分氧化鋁和鎢或鉬中的一種金屬制成的金屬陶瓷的情況相似。
在最佳實(shí)施例中，端塞制成象園柱盤，并由同心的、有相同外徑(可能除最里面的零件外)、和有軸向上分層的熱膨脹系數(shù)的零件制成。
有可能使端塞的熱膨脹系數(shù)在軸向上平滑地變化，來(lái)取代端塞的各零件的熱性能的階梯狀變化。這實(shí)施例的另一設(shè)想是零件的數(shù)目是無(wú)限的。
在另一最佳實(shí)施例中，端塞是有中心孔的層狀的圓柱形結(jié)構(gòu)。孔可以有恒定的或改變的直徑。只有與穿通線相鄰的最外面的層與穿通線氣密性接觸。其它層與穿通線脫離。從徑向看到的最里面的層的外表面與容器端部接觸。
為了避免在這實(shí)施例中的毛細(xì)效應(yīng)，穿通線與端塞的(除與穿通線接觸的最外面的層之外)各層之間的距離起碼要1mm是有好處的。對(duì)所有層，這距離可以是相同的。
在端塞的最里面的層與穿通線之間的距離特別重要。最好是起碼為3mm。這考慮到把電極放進(jìn)放電空間內(nèi)。
一種有益的結(jié)構(gòu)是望遠(yuǎn)鏡形多零件端塞，其中各零件或各層與穿通線之間的距離從最里面的到最外面的層階梯狀減小。
在特別最佳實(shí)施例中，多零件端塞是層狀的、有恒定的內(nèi)徑和外徑的圓柱形結(jié)構(gòu)。它包括四個(gè)或五個(gè)圈。穿通線是伸到最外面的零件和有可能伸到相鄰的中間零件但不伸到鄰接放電區(qū)的內(nèi)零件的管子。最里面的零件或與容器端部接觸或與陶瓷插入零件相接觸，這插入零件通常是一個(gè)環(huán)，并有相似于或等同于容器的成分。使所述多零件結(jié)構(gòu)凹進(jìn)插入零件的里面是有好處的。典型值為0．5mm。
軸向上分層的密封概念的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)只有端塞的小部分，最好是最里面的層處在電弧管的端部時(shí)，密封的溫度負(fù)荷被減到最小，并且氣密性最優(yōu)。按需要，最里面的層或者全部地封閉在電弧管的端部，或只是部分地封閉在電弧管的端部。
最里面的層與容器端部之間的“密封”長(zhǎng)度起碼為0．8mm。典型值在1和2mm之間。最外面的層與穿通線之間最好有類似的密封長(zhǎng)度。
本發(fā)明的金屬陶瓷包括嵌入了金屬顆粒(最好是鉬或鎢)的氧化鋁基質(zhì)。這些顆粒起碼接近球形。已證明是氧化鋁基質(zhì)與金屬顆粒的不同熱性能是關(guān)鍵的性質(zhì)。
已經(jīng)知道氧化鋁-鎢金屬陶瓷的、作為鎢含量的函數(shù)的平均熱膨脹，例如見(jiàn)K．J．de Vries編輯的Science of Ceramics(陶瓷科學(xué))Vol．9，Nederlandse Keramische Verenigung(1977)pp．135-142 P．Hing的“致密的燒結(jié)過(guò)的金屬陶瓷材料的物理性質(zhì)與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系”。因此，可以決定對(duì)于給定的熱膨脹所要求的鎢的比例。
已經(jīng)清楚，在氧化鋁基質(zhì)中向著鎢顆粒的介面上產(chǎn)生顯微應(yīng)力。所述應(yīng)力隨著少數(shù)一方(minority partner)的尺寸減小而減小。所述少數(shù)一方通常稱為彌散體或分散相。對(duì)于某些圈(zone)，這少數(shù)一方是氧化鋁，對(duì)于別的圈(zone)，這少數(shù)一方是金屬(鎢)。
因此，最好使用非常細(xì)粒度的鎢粉末，起碼對(duì)含有小于50體積百分比W的氧化鋁-鎢金屬陶瓷是這樣。平均粒度的典型值是0．6到0．9μm。
在實(shí)際中，溶于水的鎢產(chǎn)物母體例如鎢酸氨能夠用來(lái)在氧化鋁基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生非常細(xì)的鎢顆粒。鎢產(chǎn)物母體能被溶于混合了氧化鋁粉末的水中，并被煅燒而轉(zhuǎn)換成細(xì)鎢顆粒。在制造毫微相WC-Co復(fù)合粉末時(shí)用到類似的技術(shù)，見(jiàn)S．Das，C．Ballard，and F．Marikar編輯的TMS，Warrendale，PA，1991的1990年的高性能復(fù)合物(HighPerformance Composites for the 1990s)中p．227-237的L．E．McCandlish，B．K．Kim，和B．H．Kear的“化學(xué)處理過(guò)的毫微相WC-Co復(fù)合物的特征和性質(zhì)”。
相反地，起碼對(duì)含有大于50體積百分比W的氧化鋁-鎢金屬陶瓷，氧化鋁的產(chǎn)物母體(可溶于水)例如硝酸鋁能夠用來(lái)產(chǎn)生非常細(xì)粒度的氧化鋁。平均粒度的典型值是0．4到0．9μm。
重要的是為制造金屬陶瓷選擇適當(dāng)?shù)钠鹗疾牧?，以達(dá)到(1)分散相的均勻分布，(2)分散相的細(xì)粒度，(3)生材密度和烘烤收縮與相鄰層兼容，以便產(chǎn)生無(wú)裂縫和無(wú)變形的分層金屬陶瓷，(4)生材密度和烘烤收縮特性，以便分別在金屬穿通線與金屬陶瓷端塞之間以及金屬陶瓷端塞與PCA電弧管之間形成直接接合。
這種金屬陶瓷端塞的典型尺寸范圍是-外徑3．0到4．0mm(以可能第一部分有較大直徑為條件)-軸向上分層端塞的總長(zhǎng)度最多10mm，最好是小于5mm，最里面的圈的軸向厚度最好是在1．0到3．0mm之間。包括最外面的圈的每個(gè)中間圈的軸向厚度最好是在0．3到1．5mm之間。
穿通線最好是管狀。它們是有下面典型范圍尺寸的管子-外徑在0．9到1．6mm之間-內(nèi)徑在0．6到1．2mm之間-總長(zhǎng)度在10到15mm之間-壁厚最大為0．25，最好是大約0．1mm。
最外面的零件或圈或?qū)雍卸嘤?0體積百分比金屬是有好處的。這一高金屬含量使得除了能把這零件與相關(guān)的穿通線燒結(jié)外，還能把這零件焊接到相關(guān)的穿通線上。這樣通過(guò)使用附加的焊接作為在直接燒結(jié)部分變得漏氣的情況下的一個(gè)安全措施，來(lái)改進(jìn)兩物體之間的接合。
在特別最佳的減小溫度負(fù)荷的實(shí)施例中，多零件結(jié)構(gòu)被放置在離熱放電空間某一距離處，而附加的空心圓柱形零件(最好是一根氧化鋁毛細(xì)管)被放置在容器端部與多零件結(jié)構(gòu)之間。這配置能減小多零件結(jié)構(gòu)的工作溫度大約200℃。在空心零件(毛細(xì)管)與多零件結(jié)構(gòu)之間的氣密性連接最好是用包圍這兩個(gè)零件的接觸區(qū)的套管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在最佳實(shí)施例中，軸向分層端塞的概念考慮到使用在第二多零件端塞上的、用于對(duì)放電容器抽真空和充填的獨(dú)立的充填孔的特殊填充技術(shù)。在這實(shí)施例中，充填孔的直徑不受管狀穿通線的限制?？自谳S向上排成一直線但相對(duì)軸線偏心放置。這孔在充填之后用相配的桿(今后稱為塞子)來(lái)封閉。這樣，這放電容器能抗腐蝕和抗溫度變化。帶這種端塞的燈有非常好的長(zhǎng)時(shí)間氣密性和極好的保存性能。原因不只是端塞對(duì)放電容器的端部和對(duì)穿通線的接合沒(méi)有使用任何玻璃料或陶瓷密封材料，而且所述塞子不用這些材料中的任一種而能封閉充填孔。有可能采用非常巧妙的安排重要的特性是，端塞的最外面的金屬陶瓷層或零件具有可以焊接的成分。為了滿足這要求，對(duì)最外面的層要求有大于50體積百分比的金屬比例。這層能夠?qū)щ?，但不是必須能?dǎo)電。
在制造電弧管器件期間，端塞的第一零件如上所述那樣用共烘烤的方法連接到電弧管。一旦金屬陶瓷端塞被共烘烤到弧光管的端部，就通過(guò)充填孔對(duì)放電空間抽氣、沖洗和充填。然后把塞子插入充填孔，然后在最外面的零件的外表面處把塞子焊接到金屬陶瓷端塞。這樣就完成了氣密性接合。
可以用金屬(最好是鉬或鎢)或金屬陶瓷材料制造桿或塞子。桿或塞子最好用與端塞最外層的相同的材料制成。
可以采用任何標(biāo)準(zhǔn)的焊接技術(shù)，例如電阻焊、激光焊、電子束焊或鎢惰性氣體(TIG)焊。
這樣，所研究的端塞很經(jīng)常是嚴(yán)格地不導(dǎo)電的。在一個(gè)有促進(jìn)作用的特殊實(shí)施例中，可以應(yīng)用端塞的高金屬比例的最外面的層?？砂葱枰@層可以由導(dǎo)電的金屬陶瓷制成。最多其相鄰的層(最后的中間層)也是導(dǎo)電的，與此相比，所有接近放電空間的其它層是非導(dǎo)電的。這樣一種配置在此稱為“本質(zhì)上非導(dǎo)電的端塞”。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)，即密封技術(shù)的突破如下·在密封中絕對(duì)沒(méi)有玻璃料，可是可以采用十分完善的和非?？煽康拿芊饧夹g(shù)，即直接燒結(jié)。
·充填孔可以大到足以容易地抽氣和充填。
·這類密封對(duì)所有瓦數(shù)的燈和任何尺寸的放電容器都有效。
值得一提的是，最佳的放電容器的成分是用氧化鎂和可能還有氧化釔和氧化鋯摻雜的PCA。這種成分對(duì)于上面提到的空心和套管零件也是最佳的。與此相比，多零件結(jié)構(gòu)的氧化鋁粉末的最佳成分或者是純氧化鋁(對(duì)于具有高鎢比例的外圈來(lái)說(shuō)這是最佳的)或以氧化鎂摻雜的氧化鋁(對(duì)于具有低鎢比例的內(nèi)圈來(lái)說(shuō)這是最佳的)。
用例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
圖1是部分剖開的有陶瓷電弧管的燈的高度示意性視圖；圖2是說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施例的電弧管的第一端的細(xì)部視圖；圖3是表示不同金屬陶瓷零件的膨脹與溫度關(guān)系的曲線圖；圖4是表示不同比例的鎢的金屬陶瓷零件中，在不同溫度下膨脹值的曲線圖；圖5是說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施例的電弧管的第二端的細(xì)部視圖；圖6是說(shuō)明本發(fā)明的第三實(shí)施例的電弧管的第二端的細(xì)部視圖；圖7是說(shuō)明本發(fā)明的第四實(shí)施例的電弧管的第二端的細(xì)部視圖；圖8是說(shuō)明本發(fā)明的第五實(shí)施例的電弧管的第二端的細(xì)部視圖；圖9是利用壓制工藝的軸向分層金屬陶瓷的制造步驟圖；圖10是說(shuō)明本發(fā)明的第六實(shí)施例的電弧管的第二端的細(xì)部視圖；圖11是說(shuō)明本發(fā)明的第七實(shí)施例的視圖；圖12是說(shuō)明本發(fā)明的第八實(shí)施例的視圖；圖13是表示以K-1表示的熱膨脹系數(shù)(CTE)與以攝氏度表示的溫度的關(guān)系的曲線圖。
為了說(shuō)明，首先參考圖1，它表示有額定功率為150W的金屬鹵化物放電燈1的高度示意性的視圖。這燈有一個(gè)由石英玻璃制成的基本上是園柱形的外殼2，在它的端部3被壓緊密封，并有底部(base)4。陶瓷外殼器件5起著放電容器或電弧管的作用，它被封在外殼2內(nèi)。陶瓷電弧管器件5由氧化鋁制成，它決定了中心縱軸A，并有兩個(gè)末端。例如，它做成園柱形管(未示出)或它在中心處向外凸起，如圖所示。它在兩端形成園柱形的端部6a和6b。兩個(gè)電流穿通線7a，7b各與陶瓷類(金屬陶瓷)端塞8a，8b相配，此端塞8a，8b處于端部6a和6b處。
第一電流穿通線7a是鉬桿，它直接燒結(jié)到處于第一端部6a的第一端塞8a內(nèi)。端塞是一個(gè)單件的陶瓷類的含有復(fù)合材料(氧化鋁和鎢)的實(shí)體，如從EP-A609477的例子中已經(jīng)知道的那樣。
第二電流穿通線7b是鉬管，它直接燒結(jié)到處于第二端部6b的第二端塞8b內(nèi)，后者是由多個(gè)零件構(gòu)成的端塞。電極9裝在穿通線7a，7b的內(nèi)末端處。
把絕緣涂層10例如純氧化鋁涂敷在金屬陶瓷端塞8a和8b的內(nèi)表面，以便防止在弧放電的等離子體柱與金屬陶瓷端塞8a和8b之間的電弧作用是有好處的，因?yàn)檫@種電弧作用能使端塞變黑和漏電。
電弧管5裝著充填物，后者包括一種惰性點(diǎn)火氣體例如氬氣，以及汞和金屬鹵化物的添加劑，例如稀土碘化物。
在燈的制造期間，第二穿通線，即管狀穿通線7b起著抽氣和充氣口的作用，以便對(duì)電弧管5抽真空，然后充氣。這技術(shù)是眾所周知的(見(jiàn)上述的引文)。然后，唯一要做的是把穿通線7b閉合。
圖2是電弧管5的第二端6b的細(xì)部視圖。它說(shuō)明，金屬陶瓷端塞8b包含七個(gè)環(huán)形零件或環(huán)形圈11a-11g，它們一個(gè)接著一個(gè)地在軸向上排成一直線。首先，最里面的圈11a以它的內(nèi)表面12對(duì)著放電區(qū)。它的外表面13對(duì)著并與相鄰的第一中間圈11b的內(nèi)表面接觸。最里面的圈11a由純氧化鋁制成。相鄰的第一中間圈11b由15體積百分比鎢和余數(shù)為氧化鋁的材料制成。順次的圈的成分遵循上述的原則。鎢(W)的比例向最外面圈方向增加。圈11c有22％鎢，圈11d有27％鎢，圈11e有32％鎢，圈11f有37％鎢，圈11g有40％鎢。
一般地說(shuō)，在七圈的情況下，各圈的最佳的成分范圍如下-最里面的圈11a(第一層)100體積百分比氧化鋁-相鄰的中間圈11b10到20％的W，余數(shù)為氧化鋁-第二中間圈11c20到25％的W，余數(shù)為氧化鋁-第三中間圈11d25到30％的W，余數(shù)為氧化鋁-第四中間圈11e30到35％的W，余數(shù)為氧化鋁-第五中間圈11f35到40％的W，余數(shù)為氧化鋁-最外面的圈11g(最后一層)40到43％的W，余數(shù)為氧化鋁最外面的圈11g的熱性能與起著穿通線作用的鉬管7b的相匹配。環(huán)形圈11g直接燒結(jié)到鉬管7b上。與此相反，其它圈11a-11f不與鉬管7b相接觸。在管7b與各塞圈11a-11f之間留有大約50μm的寬度。
圖3表示管狀穿通線7b(鉬，曲線A)、最外面的穿通線圈11g(氧化鋁；曲線B)、和兩個(gè)中間層(氧化鋁與30％的W；曲線C；和氧化鋁與20％的W；曲線D)的熱膨脹的絕對(duì)比例(與0℃時(shí)的比較，以百分?jǐn)?shù)表示)與溫度的關(guān)系。結(jié)合鉬制的穿通線，使用含有作為金屬成分的鎢的金屬陶瓷是一訣竅。鎢有比鉬明顯低的熱膨脹系數(shù)。因此通過(guò)把鎢加進(jìn)氧化鋁中能較容易地得到環(huán)形圈所希望的特性適應(yīng)性，因?yàn)榕c鉬相比，較小量的鎢就足以達(dá)到特定圈的所希望的熱系數(shù)。
圖4說(shuō)明在不同的溫度T下的熱膨脹的絕對(duì)比例(與0℃時(shí)的比較，以百分?jǐn)?shù)表示)與不同的金屬陶瓷端塞圈的鎢比例的關(guān)系。它表示，大約40％鎢的比例(余數(shù)為氧化鋁)在高溫下有與純鉬穿通線(箭頭)相似的熱性能。相鄰環(huán)形圈之間的絕對(duì)膨脹的差非常小。六個(gè)圈11a-11g以箭頭指出。
軸向分層封接的實(shí)施例的第二個(gè)例子示于圖5。端塞或端部封閉零件包括六個(gè)零件25a-25f。還有，端塞25的最外面的零件25f直接與鉬制管狀穿通線26接合，而最里面的零件25a直接與多晶氧化鋁(PCA)電弧管的端部6b燒結(jié)。最里面的零件25a有頂帽結(jié)構(gòu)。這意味著，它插進(jìn)放電容器的端部6b，但徑向繼續(xù)延伸的邊緣27坐在端部6b的外表面。零件25a的面向穿通線26的內(nèi)徑表面24與穿通線26本身之間的距離大約是5mm。在第一塞圈內(nèi)的環(huán)形空間28包圍著電極29。中間零件25b-25e到穿通線26只留下100μm的小環(huán)形毛細(xì)管或間隙。
用于最里面的環(huán)形圈25a的“頂帽(top hat)”結(jié)構(gòu)的封接如下首先，金屬陶瓷端塞25與穿通線26在一起預(yù)烘烤，從而形成一個(gè)組件。然后把它安裝在PCA管(預(yù)烘烤或已經(jīng)燒結(jié)到半透明)的第二開口端6b上，并把整個(gè)組件升到高溫，以便在最外面的環(huán)形層25f與金屬穿通線26(鎢或鉬)之間，以及在最里面的環(huán)形層25a與PCA管的端部6b之間同時(shí)形成接合。
一般說(shuō)來(lái)，金屬陶瓷端塞或端部封閉零件25是層狀的園柱形結(jié)構(gòu)，它有中心孔以容納Mo或W管(或在另一實(shí)施例中為桿狀)穿通線26，隨后，這穿通線在軸向上連接到軸向放置的Mo或W電極29(在電弧管內(nèi))以及電流引線(在電弧管外)。所述金屬陶瓷空心園柱包括多層金屬陶瓷，在這多層的金屬陶瓷中，氧化鋁對(duì)金屬的體積比在軸向的向內(nèi)的方向上增加。金屬相的濃度從在第一層，即最里面的(底)層25a(與放電區(qū)相鄰)的低含量到在最后層，即最外面的(頂)層25f(離放電區(qū)最遠(yuǎn))的幾乎100％含量。金屬陶瓷的頂層(含有高金屬相含量)直接焊接(用直接燒結(jié)焊接)到穿通線26，而基本上是氧化鋁(含有非常低含量的金屬相)的金屬陶瓷的第一層，即底層25a直接焊接到PCA電弧管，此PCA電弧管最好是橢圓形或是直的園柱形。這兩燒結(jié)連接(直接焊接)達(dá)到氣密性并且達(dá)到與金屬穿通線以及PCA管的幾乎完全熱膨脹匹配。
圖5的具體例子有六層結(jié)構(gòu)。各金屬陶瓷零件或各層25f-25a(從頂?shù)降?的熱膨脹系數(shù)指定為5．0，5．5，6．0，6．5，7．0，7．5×10-6／℃。頂層25f近乎嚴(yán)格地與純鎢穿通線26熱膨脹(4．8×10-6／℃)匹配，而底層25a相當(dāng)接近PCA管的端部6b的熱膨脹(8×10-6／℃)。如果利用逐層疊加技術(shù)，則在燒結(jié)態(tài)時(shí)，每一零件或?qū)?5b-25e的軸向厚度能薄到0．2mm。利用噴涂技術(shù)，層厚能減到0．01mm，見(jiàn)A．T．DiBenedetto，L．Nicloais和R．Watanabe等編輯的復(fù)合(composite)材料，Elsevier Science，1992的pp197-208的R．Watanabe和A．Kawasaki的“功能上緩變的材料在航天飛機(jī)的特殊應(yīng)用的新進(jìn)展。
頂層和底層25f，25a的軸向厚度應(yīng)該大約為電弧管5的壁厚(0．5-0．8mm)，以便分別對(duì)端部和穿通線提供足夠長(zhǎng)接觸區(qū)。這對(duì)于生成耐用的無(wú)玻璃料的接合是有好處的。所設(shè)計(jì)的各層的熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)于下面的含W的體積百分?jǐn)?shù)(從頂?shù)降讓?70，52，38，24，15和6體積百分比。各W的重量百分?jǐn)?shù)據(jù)為92，84，75，60，45和25重量百分比。
在另一實(shí)施例中，端塞被細(xì)分成多于七個(gè)零件、圈或?qū)?。這樣，相鄰零件的熱膨脹特性的差別變得更小。零件的數(shù)目可以增加到十、十二或甚至更多層。
在下一個(gè)最佳實(shí)施例(圖6)中，端塞18的各層或圈布置成望遠(yuǎn)鏡的樣子。這意味著，每個(gè)圈與穿通線26之間的距離從最里面的圈18a到最后的中間圈18d以階梯狀減小。最外面的圈還是直接地?zé)Y(jié)到穿通線26上。
在這實(shí)施例中，穿通線26用鉬制成。最外面的層18e由氮化鋁(AlN)層(它的熱膨脹系數(shù)為5．7×10-6／℃，接近鉬的熱膨脹系數(shù)5．0×10-6／℃)形成，這一層與鉬穿通線26相鄰。最里面的層18a和處在AlN層18e與PCA管的端部6b之間的中間或過(guò)渡層18b-18d由氧氮化鋁與各種比例的氧化鋁和氮化鋁形成。氧氮化鋁的熱膨脹取決于氮的含量，并且已經(jīng)知道，例如5AlN ·9Al2O3的熱膨脹系數(shù)為7．8×10-6／℃。
一個(gè)更有希望的實(shí)施例利用下面的事實(shí)，即已經(jīng)知道AlN與鉬兼容，并且已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了AlN-Mo金屬陶瓷(“SiC-AlN-Mo功能上緩變的復(fù)合物的熱機(jī)械性質(zhì)”M．Tanaka，A．Kawasaki和R．Watanabe，F(xiàn)untai OyobiFunmatsu Yakin，Vol．39 No．4，309-313，1992)。因此，與穿通線接觸的最外面的層用AlN-Mo金屬陶瓷制成，而不用純AlN。與最外面的層相鄰的第一中間層由純AlN或由有AlN對(duì)鉬的不同比例的金屬陶瓷制成。
在另外的實(shí)施例中，金屬陶瓷圈包括氧化鋁和非金屬成分，例如金屬的碳化物和金屬的硼化物。這種成分的例子是鎢的碳化物和鎢的硼化物，見(jiàn)Izumiya等的美國(guó)專利No．4825126。
在35W燈(圖7)的另一最佳實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)與圖2相似。第二端塞32包括四個(gè)不導(dǎo)電的圈32a-d，一個(gè)接一個(gè)地軸向排布。因?yàn)樵谧钔饷娴膶?2d的鎢量(60體積百分比)高到足以能夠焊接，所以，焊縫33安排在與鉬管34連接的最后層32d的外表面上。
關(guān)于35W金屬鹵化物燈的軸向分層封接的典型尺寸如下電弧管長(zhǎng)度為14mm。每端以總長(zhǎng)為5mm的端塞密封。端塞包括四個(gè)有70重量百分比鎢，50重量百分比鎢，30重量百分比鎢，和10重量百分比鎢的軸向排成一直線的圈。底圈或零件部分地插進(jìn)電弧管端部2mm。第一端有作為穿通線的鉬桿，其直徑為0．3mm總長(zhǎng)為16mm，第二端有作為穿通線的鉬管，其外徑為1．0mm內(nèi)徑為0．8mm。只有第二端有分層封接端塞，而第一端使用勻質(zhì)的端塞，它的成分與分層封接端塞的底零件相同。這底零件有10重量百分比的鎢，余數(shù)為氧化鋁。金屬-金屬陶瓷連接的氣密性基于形成固溶層。
在一個(gè)特殊的最佳實(shí)施例(圖8a和8b)中，第二端塞35包括四個(gè)軸向分層層。最里面的層35a含有10體積百分比(和更普遍地說(shuō)為5-15體積百分比)的鉬，余數(shù)為氧化鋁。這第一層35a插進(jìn)放電容器的第二端6a并直接燒結(jié)到它上面。第一中間層35b含有30體積百分比(和更普遍地說(shuō)為25-35體積百分比)的鉬，余數(shù)為氧化鋁。第二中間層35c含有45體積百分比(和更普遍地說(shuō)為40-50體積百分比)的鉬，余數(shù)為氧化鋁。最外面的層35d含有65體積百分比(和更普遍地說(shuō)為大于60體積百分比)的鉬(或鎢)，余數(shù)為氧化鋁。軸向放置的穿通線36是直徑300μm的鉬桿。在端塞35中靠旁邊設(shè)置的填充孔37平行于穿通線36。填充孔有650μm直徑。
圖8a說(shuō)明放電容器抽真空和充入充填配料后的狀況。其長(zhǎng)度大約是端塞35的整個(gè)軸向長(zhǎng)度的桿狀塞子38已經(jīng)準(zhǔn)備好插進(jìn)孔37。塞子38最好用鉬或用含有高含鉬或鎢量的金屬陶瓷制成。塞子最好有與最外面的端塞層35d相同的成分。
在把塞子38插進(jìn)孔37后(圖8)，進(jìn)行塞子外端與最外面的端塞層35d的外表面40之間的焊接連接39a。此外，在穿通線36的外端與最外面的端塞層35d的外表面40之間進(jìn)行類似的焊接連接39b。
端塞的制造以制備每一層用的粉末混合物開始。例如，鎢的產(chǎn)物母體如鎢酸氨或鉬酸氨可溶在水里，并以預(yù)先確定的的比率與氧化鋁粉(例如各種平均粒度的粉末Baikowski CR 30，15，6，1)以及粘合劑混合，此粘合劑例如是聚乙烯醇和／或聚乙烯乙二醇?？梢园ㄑ趸X的燒結(jié)添加劑例如MgO(從可溶于水的硝酸鎂產(chǎn)生)。另一種辦法是，細(xì)W或Mo粉[例如M-10W型號(hào)的有0．8μm平均粒度的粉末或其它型號(hào)的例如從在Towanda，PA的OSRAM SYLVANIA獲得的M-20(1．3μm)，M-37(3μm)，M-55(5．2μm)，和M-65(12μm)]可以與分散在水中的氧化鋁粉末混合，并球磨(用例如氧化鋁球)以產(chǎn)生均勻的混合物。所得到的混合物可噴干或盤干(pan-dried)。用例如振動(dòng)磨這研磨方法把軟的團(tuán)打碎的辦法來(lái)粉碎干燥后的混合物。在用金屬產(chǎn)物母體的情況下，混合物被加熱到能使產(chǎn)物母體分解成金屬顆粒的溫度(例如在氫，或真空，或惰性氣體中的1000℃)。
然后，把混合粉末裝入有芯桿(設(shè)計(jì)成與W或Mo管或桿的直徑相配)的硬模內(nèi)，并壓縮(例如以40千國(guó)際單位(Ksi))到指定的生材密度。制備出相繼各層的粉末并一次一種粉末地放入硬模中，然后再壓縮，直到放入含有高含W量的最后一層。整個(gè)組件以10到45千國(guó)際單位(Ksi)壓縮，并脫模。(可以把芯桿設(shè)計(jì)成與各層有關(guān)的階梯形的，以便所有層尺寸收縮與形成頂層-W管的直接接合以及形成底層-PCA管的直接接合的下游工藝兼容。)然后在氫，或真空，或惰性氣體中預(yù)燒空心園柱生材體，以便去掉粘結(jié)劑而又基本上沒(méi)有尺寸收縮，并使其具有處理所需的一定強(qiáng)度。
圖10表示與圖7相似的另一個(gè)實(shí)施例。它再次表示35W金屬鹵化物燈的第二容器端部。第二端多零件端塞32’也包括四個(gè)軸向排成一直線的圈32’a到32’d，它們有相同于圖7已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的組分?？墒?，起著第二穿通線作用的鉬管34’后退并只伸到外三層32’b到32’d。它直接燒結(jié)到這三層上。這實(shí)施例的尺寸如下。四層的燒結(jié)厚度大約分別對(duì)最里面的圈32’a為1．7mm，對(duì)相鄰中間層32’b為0．5mm，對(duì)第二中間層32’c為0．4mm和對(duì)最外面的圈32’d為0．7mm。
圖11表示有PCA放電容器41的實(shí)施例，此PCA放電容器的兩端部用也由PCA制成的盤狀插入另件42封閉。在插入另件42的中心孔處設(shè)置多零件結(jié)構(gòu)43，后者包括五個(gè)不同成分的圈，金屬陶瓷粉提供下面的燒結(jié)厚度的分層金屬陶瓷對(duì)于含有10重量百分比W的、余數(shù)為純氧化鋁的、并有800百萬(wàn)分比(ppm)氧化鎂的中間圈43a大約為1．5 mm厚，對(duì)于含有30重量百分比W的余數(shù)為純氧化鋁的并有800ppm氧化鎂的相鄰中間圈43b大約為0．6mm厚，對(duì)于含有50重量百分比W的余數(shù)為純氧化鋁的并有800ppm氧化鎂的第二中間圈43c大約為0．5mm厚，對(duì)于含有70重量百分比W的余數(shù)為純氧化鋁的第三中間圈43d大約為0．8mm厚，對(duì)于含有90重量百分比W的余數(shù)為純氧化鋁的最外面的圈43e大約為0．7mm厚。組裝這種分層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)42，并把它與起著穿通線44作用的鉬管在干燥H2中在1500到1600℃下烘烤約1到2小時(shí)來(lái)接合起來(lái)。穿通線44伸到三層外層43c-e，但不與兩內(nèi)層43a和43b接觸。
第一次鎖定(lock-in)包括把第一分層金屬陶瓷穿通線系統(tǒng)與放電容器41以及插入零件42(它有6．5mm外徑，2．5mm內(nèi)徑，2．5mm長(zhǎng)度)一起共烘烤。后兩零件是通過(guò)在濕H2中在1300到1400℃下烘烤約1小時(shí)形成的。多零件結(jié)構(gòu)與插入零件之間的密封長(zhǎng)度大約是1到1．3mm。多零件結(jié)構(gòu)在插入零件內(nèi)凹進(jìn)約0．8mm。這第一次鎖定(lock-in)烘烤形成一端封閉結(jié)構(gòu)。通過(guò)把第二穿通線-金屬陶瓷系統(tǒng)插入另一端，并進(jìn)行第二次鎖定(lock-in)來(lái)封閉這一端。然后，整個(gè)組件在濕H2中在大約1900℃下最后燒結(jié)幾小時(shí)。
圖13中示出多零件結(jié)構(gòu)的不同零件的熱膨脹系數(shù)，還示出插入另件和放電容器的PCA的以及鉬管的熱膨脹系數(shù)。假定多零件金屬陶瓷結(jié)構(gòu)的典型工作溫度為700℃，就可以看到，相鄰零件的熱膨脹系數(shù)的差大約是1．0×10-6／K。
圖12表示較小溫度負(fù)荷的另一最佳實(shí)施例。容器41在它的兩端也有盤形的插入另件42。兩者都是PCA制成的。穿通線系統(tǒng)包括三個(gè)零件。勻質(zhì)的毛細(xì)管45被插入插入另件42的中心孔。毛細(xì)管45被與它對(duì)接的多零件結(jié)構(gòu)46加長(zhǎng)。它們之間的接觸區(qū)被PCA套管零件47包圍著。穿通線48是鉬管。
結(jié)構(gòu)46是包括五(或四)層的多零件金屬陶瓷。最里面的層46a含有10重量百分比的鎢并有1．7mm長(zhǎng)度。第一相鄰中間層46b含有30重量百分比的鎢并有0．7mm長(zhǎng)度。第二中間層46c含有50重量百分比的鎢并有0．5mm長(zhǎng)度。在每一種情況的余數(shù)均為有800ppm氧化鎂的氧化鋁。第三中間層46d含有70重量百分比的鎢并有0．8mm長(zhǎng)度。最外面的層46e含有90重量百分比的鎢并有0．7mm長(zhǎng)度。
穿通線管48只伸到三個(gè)外層46c-e，而沒(méi)有與兩內(nèi)層46a和46b接觸。電極系統(tǒng)(未示出)安裝在穿通線48的內(nèi)端部。穿通線以熟悉的技術(shù)密閉。這些性質(zhì)已在上面引述的現(xiàn)有技術(shù)公開了。
本實(shí)施例的制造程序如下。第一次鎖定(lock-in)烘烤包括把分層金屬陶瓷與穿通線以及預(yù)烘烤過(guò)的套管共烘烤。套管有5．3mm外徑和3mm內(nèi)徑。它的長(zhǎng)度大約5mm。套管在800到900℃下預(yù)烘烤幾小時(shí)。
鎖定(lock-in)烘烤在溫度大約1100到1200℃下在濕H2中最多進(jìn)行一小時(shí)。分層金屬陶瓷與套管之間的密封長(zhǎng)度(在燒結(jié)狀態(tài)下)大約是1．5mm。分層金屬陶瓷在套管內(nèi)凹進(jìn)約2．5mm。第一次鎖定(lock-in)烘烤形成一端結(jié)構(gòu)。
鎖定烘烤分層金屬陶瓷與套管的溫度這樣來(lái)選擇，以便在共烘烤之后，套管的內(nèi)徑會(huì)與2．8mm的毛細(xì)管外徑相配。毛細(xì)管和容器以及插入另件已經(jīng)最后燒結(jié)成一個(gè)組件。然后，兩個(gè)已經(jīng)第一次鎖定的部分與毛細(xì)管在容器的兩端組裝起來(lái)。整個(gè)單元在高溫(大約1800到1950℃)的濕H2中最后燒結(jié)最多30分鐘，以便利用套管在毛細(xì)管與金屬陶瓷之間形成氣密性的接合。
圖9中示出制造軸向分層金屬陶瓷的壓制技術(shù)。
在第一步(圖9a)，以與如“聚乙烯醇”(“PVA”)這樣的有機(jī)粘結(jié)劑一起制成的純氧化鋁懸膠液21a充入園柱形壓模20中。在把活塞22拉下某一距離后，把含有例如90％氧化鋁和10％鎢的下一懸膠液21b充入壓模20中(圖9b)。重復(fù)這操作程序幾次，直到充入最后的懸膠液(在圖9c的第六層21g)。后面的一層含有例如60％氧化鋁和40％鎢，并且它的熱性能與管子的相配。在充填期間，活塞一步步地向下移動(dòng)。
然后，(圖9d)用另一個(gè)活塞(箭頭)將金屬陶瓷端塞壓縮。此后，在“未燒結(jié)的”金屬陶瓷上鉆出孔23，它有適當(dāng)?shù)闹睆?，按照此直徑?lái)達(dá)到金屬陶瓷對(duì)鉬管(插進(jìn)孔23內(nèi))的最佳收縮率(圖9e)。然后，把端塞預(yù)烘烤。
另一種辦法是，按70Wgt．％W，50wgt．％W，30wgt．％W，20wgt．％W和10Wgt．％W的順序把金屬陶瓷粉末裝入有芯桿的模子內(nèi)。每一種粉末相繼裝入模子并大致裝平。在裝入所有的層之后，加上上下凸模沖頭。加上單軸向壓力40千國(guó)際單位(Ksi)。然后去掉沖頭，并把壓縮后的金屬陶瓷從芯桿上取出?？梢赃M(jìn)一步鉆出金屬陶瓷盤的內(nèi)徑(ID)，以便內(nèi)層21a-f比外層21g的ID稍大一些。
對(duì)于穿通線伸到分層金屬陶瓷的所有圈的實(shí)施例，需要有一附加的步驟為防止鉬管與多零件結(jié)構(gòu)的圈21a-f之間的緊接觸或端塞與金屬管(相對(duì)于圈21g)的熱性能不匹配，用一個(gè)其直徑比第一次鉆的鉆頭直徑稍大一些的鉆頭對(duì)這五個(gè)圈鉆第二次(圖9f)。所得到的加大了的孔24在插入穿通線后有一間隙，它必須盡可能小(典型為50μm)以便防止充填物(filling)凝結(jié)在間隙內(nèi)。然后對(duì)所述端塞進(jìn)行預(yù)烘燒。
W或Mo管或桿被插入預(yù)烘烤后的、多層的、空心的園柱形的金屬陶瓷的孔內(nèi)?？梢詮睦鐖D2看到加工好的有間隙14的端塞／穿通線單元。
穿通線／端塞組件在氫氣中進(jìn)行預(yù)烘烤(1200-1500℃)或在相當(dāng)高溫(例如1800-2000℃)下預(yù)烘烤和燒結(jié)，以便在頂層(它有高含量的W或Mo)與金屬穿通線之間產(chǎn)生預(yù)先確定的過(guò)盈(interference)接合(例如4到18％)。在烘烤期間，頂層分別對(duì)W管或Mo桿收縮，從而形成無(wú)玻璃料的氣密的接合。重要的是，這樣設(shè)計(jì)所有層對(duì)于W／Mo零件與未燒結(jié)的或預(yù)烘烤后的多層金屬陶瓷之間的間隙(clearance)的尺寸收縮(通過(guò)優(yōu)化金屬和氧化鋁相的粒度和壓縮的壓力)，使得在頂層與W／Mo零件之間的過(guò)盈(interference)接合的形成不會(huì)被其它層所妨礙。
預(yù)烘烤過(guò)和燒結(jié)過(guò)的金屬陶瓷-穿通線組件可以按需要在高溫下(例如1800℃)進(jìn)行HIP處理(熱等壓壓縮)，以便產(chǎn)生充分致密的物體。然后把燒結(jié)或HIP處理過(guò)的W／Mo穿通線-分層金屬陶瓷端塞零件放置在預(yù)烘烤過(guò)的PCA管內(nèi)，或在預(yù)烘烤過(guò)的橢圓形的PCA管的柄部?jī)?nèi)。
可以用預(yù)烘烤(1000-1500℃)摻雜了助燒結(jié)劑例如MgO，MgO加氧化鋯，或MgO加氧化鉺的氧化鋁粉末的未燒結(jié)體的辦法來(lái)制成PCA。預(yù)烘烤后的PCA殼的兩端有致密了的穿通線-分層金屬陶瓷體，它們放置在預(yù)先確定的距離處。在氫氣或氮-氫中在1800-2000℃下整個(gè)組件的燒結(jié)期間，PCA管致密到成為半透明，并且尺寸上收縮以完成(1)在多零件端塞(有低含量金屬相)的底層與PCA管之間的過(guò)盈接合，和(2)在相對(duì)的兩電極的尖之間的指定空腔長(zhǎng)度。如果在PCA的一端，W／Mo穿通線是桿，那么，這燒結(jié)過(guò)程產(chǎn)生一端封閉的準(zhǔn)備充入一定劑量充填劑的外殼。在共烘烤期間，在金屬陶瓷的底層與PCA之間的直接接合的過(guò)盈程度由它們之間的間隙、所用的預(yù)烘烤溫度、和燒結(jié)收縮來(lái)決定。
然后，可把包括各種金屬鹵化物的充填物和充填氣體在穿通線-金屬陶瓷端塞的一端通過(guò)Mo／W管狀穿通線充入所述外殼內(nèi)。最后用激光(Nd-YAG或CO2)焊接技術(shù)把Mo／W管密封，以便完成帶有抗鹵化物Mo／W穿通線的、PCA制成的整個(gè)電弧外殼(以分層金屬陶瓷封閉)。
一個(gè)最佳實(shí)施例是底層的帽型結(jié)構(gòu)。那么，可把預(yù)烘烤過(guò)的金屬陶瓷-穿通線裝在PCA管的一開口端(已經(jīng)預(yù)烘烤或燒結(jié)到半透明)，并把整個(gè)組件加到高溫，以便在頂層與W／Mo，以及底層與PCA之間同時(shí)形成收縮-焊接。
顯然，可以把絕緣涂層例如純氧化鋁涂敷到金屬陶瓷密封端的內(nèi)表面，以便防止在等離子體柱與金屬陶瓷之間的能引起變黑和漏電的電弧作用。
為了進(jìn)一步改進(jìn)這種密封的氣密性，可以把玻璃料分別涂到頂層(在軸向分層密封的情況下)或最外面的層(在徑向分層密封的情況下)的外表面(遠(yuǎn)離放電)。
一種基本上最佳的PCA電弧管由摻雜了大約500ppm MgO和，可能，摻雜大約350ppm Y2O3的氧化鋁制成。最好的情況是，這種陶瓷的粒度越小越好(低于1μm)，以便改善機(jī)械強(qiáng)度。
穿通線，特別是如果是管狀的，則穿通線應(yīng)與端塞的內(nèi)表面(面對(duì)著放電區(qū))齊平，或最好是從內(nèi)表面凹進(jìn)。
盡可能地縮短最里面的／底層與PCA電弧管之間的接合長(zhǎng)度是有好處的。一種好的估計(jì)是把接合介面的長(zhǎng)度選擇小到等于PCA電弧管的壁厚。
當(dāng)然，本發(fā)明的原則可以用于其它使用具有別種類型陶瓷(例如Y2O3)以及其它金屬陶瓷材料的電弧管的工作方案。
當(dāng)然，可以利用獨(dú)立的陶瓷環(huán)狀端部構(gòu)件來(lái)取代利用整體的電弧管的端部。
最好只有多零件端塞的最里面的底圈插進(jìn)電弧管的端部。這要求足夠長(zhǎng)的底圈軸向長(zhǎng)度。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)有效地產(chǎn)生橋接PCA電弧管與金屬穿通線的平滑的金屬陶瓷熱膨脹梯度。這是為把熱應(yīng)力減到最小所要求的，在端塞-穿通線組件的制造周期的冷卻期間以及在燈接通和斷開周期期間都會(huì)引起這熱應(yīng)力。
可以用幾種技術(shù)來(lái)制造徑向分層金屬陶瓷端塞，包括壓制法和噴涂法。
壓制法能形成徑向的多層結(jié)構(gòu)。氧化鋁-金屬(Mo／W)粉末混合物可用球磨氧化鋁和金屬粉末以及例如聚乙烯醇和／或聚乙烯乙二醇這樣的有機(jī)粘結(jié)劑的懸浮液來(lái)制成。例如鎢酸氨這樣的金屬產(chǎn)物母體可以溶解在加有氧化鋁粉末的水中。球磨得到的漿可以盤干或噴干。如果使用金屬產(chǎn)物母體，混合物需要在高溫(例如1000℃)下熱解，以便形成金屬顆粒。如果使用金屬粉末，干燥后的最里面的層的混合物可裝入有芯桿的模子內(nèi)。然后移走芯桿，并用較小的芯桿取代。把為下一層而設(shè)計(jì)的粉末混合物裝入模子與芯桿之間的腔內(nèi)。以相繼的粉末混合物重復(fù)上述的裝入操作，最后進(jìn)行壓縮，從而得到在徑向上壓緊的包括多層的最后未燒結(jié)體。然后，取出未燒結(jié)體，并在相當(dāng)?shù)偷臏囟?1000-1500℃)下在真空、氫氣、或氬氣中預(yù)烘烤，以去掉粘結(jié)劑。在預(yù)烘烤期間，金屬陶瓷的內(nèi)徑會(huì)收縮0-10％，這取決于預(yù)烘烤溫度。重要的是選擇有適當(dāng)粒度的起始氧化鋁和金屬粉末，以及在漿中的固體載量，從而令多層收縮均勻。
噴涂是形成徑向多層結(jié)構(gòu)的另一種方法。氧化鋁-金屬(Mo／W)粉末混合物可用球磨氧化鋁和金屬粉末以及例如聚乙烯醇、聚乙烯乙二醇、或polyox這樣的有機(jī)粘結(jié)劑的懸浮液來(lái)制成。例如鎢酸氨這樣的金屬產(chǎn)物母體可以溶解在有氧化鋁粉末的水中。球磨得到的漿可以噴到旋轉(zhuǎn)的、多孔的、尺度稍大的、被加熱的聚合物芯軸上。可以用雙噴頭、超聲波、或靜電噴霧器來(lái)完成噴涂。這樣來(lái)選擇粘結(jié)劑的含量和漿的固體載量，以使得水混合物粘附到或淀積在W／Mo的管／桿上的情形，與把熒光粉懸浮液噴涂在熒光燈玻管內(nèi)的情形很相似。在噴涂的過(guò)程中稍微加熱芯軸對(duì)于粉末混合物對(duì)金屬的更強(qiáng)的附著力和粉末混合物本身的內(nèi)聚力是有好處的。以逐漸減少金屬含量(當(dāng)芯軸在軸向橫移時(shí))的漿來(lái)噴涂和淀積相繼的層，從而形成徑向梯度。根據(jù)上面引述的Watanabe和Kawasaki的結(jié)果，各層的厚度可以薄到0．01mm。
可以對(duì)未燒結(jié)體進(jìn)行冷等壓壓縮，然后在相當(dāng)?shù)偷臏囟认略跉錃?、?氫或真空中預(yù)烘烤，以燒去芯軸，并去掉粘結(jié)劑，從而獲得徑向分層金屬陶瓷。在預(yù)烘烤期間，金屬陶瓷的ID會(huì)收縮0-10％，這取決于預(yù)烘烤溫度。重要的是選擇有適當(dāng)粒度的起始氧化鋁和金屬粉末、在漿中的固體載量(loading)、以及冷等壓壓縮步驟中的壓力，從而令多層一致地收縮。
然后，把W／Mo的管／桿放在預(yù)烘烤過(guò)的徑向分層金屬陶瓷的中心孔內(nèi)。把整個(gè)組件在氫氣或氮-氫中加熱到高溫(1800到2000℃)，以便(1)引起金屬陶瓷燒結(jié)，和(2)在金屬穿通線與金屬陶瓷之間形成過(guò)盈接合。過(guò)盈程度典型的是4-10％，這取決于在燒結(jié)期間的尺寸收縮和預(yù)烘烤金屬陶瓷的ID和金屬穿通線的外徑(OD)的間隙?？砂葱枰獙?duì)燒結(jié)過(guò)的金屬陶瓷-穿通線組件在高溫下進(jìn)行HIP處理，以便進(jìn)一步減少殘余氣孔。
把燒結(jié)過(guò)的金屬陶瓷-穿通線組件放在預(yù)烘烤過(guò)的PCA直管內(nèi)或放在預(yù)烘烤過(guò)的PCA橢圓形的泡的平直段內(nèi)。PCA包括氧化鋁，最好是摻雜MgO，或MgO加氧化鋯。整個(gè)組件在氫氣或氮-氫中燒結(jié)，使之致密到半透明。在燒結(jié)期間，PCA相對(duì)于金屬陶瓷的OD收縮，從而形成過(guò)盈接合。在直接接合中的過(guò)盈程度取決于PCA的收縮和金屬陶瓷與預(yù)烘烤過(guò)的PCA的ID之間的間隙。預(yù)烘烤過(guò)的PCA的兩端應(yīng)有燒結(jié)過(guò)的金屬陶瓷-穿通線，從而在燒結(jié)PCA時(shí)，電極尖端之間的間隔收縮到燈的指定的具體空腔長(zhǎng)度。如果處在PCA的一端的燒結(jié)過(guò)的端結(jié)構(gòu)的穿通線是桿，則PCA燒結(jié)步驟產(chǎn)生出一端封閉的殼，它有氣密性密封的穿通線，已準(zhǔn)備好充入一定劑量的充填劑。
有可能在單步驟燒結(jié)步驟中同時(shí)地完成在最外面的層與W／Mo管，以及最里面的層與PCA之間的過(guò)盈接合，在這步驟中，預(yù)烘烤過(guò)的分層金屬陶瓷結(jié)合成近于成品密度(full density)，并且PCA燒結(jié)成半透明。
然后，把包括各種金屬鹵化物、汞的燈充填物和充填氣體在穿通線-金屬陶瓷端塞的一端通過(guò)Mo／W管穿通線充入殼內(nèi)。最后用激光(Nd-YAG或CO2)焊接技術(shù)把Mo／W管密封，以便完成帶有抗鹵化物Mo／W穿通線的、PCA制成的整個(gè)電弧殼(以分層金屬陶瓷封閉)，見(jiàn)圖1。這技術(shù)是眾所周知的。
當(dāng)可以焊接時(shí)，第二端塞的最后一層可以是導(dǎo)電的或非導(dǎo)電的。
權(quán)利要求
1．一種高氣壓放電燈的陶瓷殼器件，其特征在于包括半透明的陶瓷管，它有第一端和第二端，所述管子限制了放電體積并且確定了縱軸，起碼基本上非導(dǎo)電的第一金屬陶瓷端塞，所述第一端塞封閉陶瓷管的所述第一端，起碼基本上非導(dǎo)電的第二金屬陶瓷端塞，所述第二端塞封閉陶瓷管的所述第二端，起碼所述第二端塞有起碼三個(gè)零件的多零件結(jié)構(gòu)，分別穿過(guò)所述第一和第二端塞第一和第二金屬穿通線，每個(gè)穿通線分別有內(nèi)端和外端，所述穿通線由下面這樣一組金屬中的一種金屬制成，這組金屬包括鎢、鉬和錸和這些金屬中起碼兩種所形成的合金，分別處于所述第一和第二穿通線的內(nèi)端的兩個(gè)電極，多零件端塞的起碼一個(gè)零件的熱膨脹系數(shù)處于電弧管和穿通線的熱膨脹系數(shù)之間，其中所述多零件端塞包括起碼四個(gè)軸向排成一直線的、有不同熱膨脹系數(shù)的零件，這些零件包括第一和最后零件，第一零件相對(duì)于放電空間是最里面的，而最后零件相對(duì)于放電空間是最外面的。所述多零件端塞以這樣的方式直接燒結(jié)到電弧管和穿通線，即多零件端塞的第一零件直接燒結(jié)到電弧管，而多零件端塞的最后零件直燒結(jié)到相關(guān)的穿通線。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于不同零件的成分在金屬的比例方面不同。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于不同零件的成分使用不同的構(gòu)分。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述端塞是層狀的、有中心孔的園柱形結(jié)構(gòu)，起碼最外面的、鄰接著第二穿通線的最后層是與所述穿通線處在氣密接觸下的。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的陶瓷殼器件，其特征在于只有最外面的層是與所述穿通線處在氣密接觸下，并且所述穿通線與第二端塞的各層(除了最后一層)之間的距離起碼有1mm。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的陶瓷殼器件，其特征在于所述穿通線凹進(jìn)端塞內(nèi)，并且，所述穿通線僅僅穿過(guò)從最外面的層開始的幾個(gè)而不是所有的圈或?qū)印?br> 7．根據(jù)權(quán)利要求5的陶瓷殼器件，其特征在于所述各層與所述第二穿通線之間的距離隨著離放電容積的距離的增加而象望遠(yuǎn)鏡樣地減小、或成曲線形地平滑地變化。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于只有所述最里面的層起碼部分地處在所述電弧管的端部?jī)?nèi)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二端塞包括起碼五個(gè)在軸向上放置的零件。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二端塞的所述第一最里面的零件有“頂帽”結(jié)構(gòu)。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二穿通線是管狀的。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于容器的端部借助于有用于所述多零件結(jié)構(gòu)的中心孔的盤形插入件封閉，并且所述多零件結(jié)構(gòu)最好凹進(jìn)所述插入另件的里面。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二端塞的所述最后的、最外面的零件有起碼50體積百分比的金屬含量。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二端塞的所述最后的、最外面的零件是可焊接的。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的陶瓷殼器件，其特征在于所述第二穿通線被焊接到所述第二端塞的最后的、最外面的零件上。
16．根據(jù)權(quán)利要求12的陶瓷殼器件，其特征在于在所述第二端塞中設(shè)置獨(dú)立的充填孔。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的陶瓷殼器件，其特征在于用可焊接的材料制成的塞子與所述充填孔相配。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的陶瓷殼器件，其特征在于所述塞子被焊接到所述第二端塞的所述最后零件的外表面。
19．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述電弧管的陶瓷材料包括用氧化鎂并且可能還用氧化釔摻雜的氧化鋁。
20．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于對(duì)于起碼所述最外面的圈來(lái)說(shuō)所述多層金屬陶瓷體的材料由純氧化鋁制成，而對(duì)于起碼所述最里面的圈來(lái)說(shuō)所述多層金屬陶瓷體由用氧化鎂摻雜的氧化鋁制成。
21．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述多零件結(jié)構(gòu)在其面對(duì)放電空間的一側(cè)被連接到空心構(gòu)件，并且所述連接區(qū)被套管包圍。
22．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述第一端塞是單零件體或類似于所述多零件端塞的多零件體。
23．根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼器件，其特征在于所述多零件結(jié)構(gòu)的相鄰零件(包括所述電弧管和所述相關(guān)的穿通線)的熱膨脹系數(shù)之間的差別大約是1．0×10-6／K。
24．一種有根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷殼的燈。
25．一種制造金屬陶瓷端塞的方法，其特征在于所述端塞用逐層疊加的技術(shù)或用噴涂技術(shù)制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及新型的穿通線－端塞組件,它用于使用多晶氧化鋁(PCA)殼的金屬鹵化物高強(qiáng)度放電燈中。這燈殼體的結(jié)構(gòu)包括PCA殼和特殊設(shè)計(jì)的軸向分層的氧化鋁－金屬金屬陶瓷多層結(jié)構(gòu),以便消除由于熱膨脹失配引起的熱應(yīng)力造成的金屬陶瓷或PCA的破裂。充填物是金屬鹵化物,例如Na－Sc－I、稀土鹵化物、Hg、Sn和惰性氣體。PCA殼和直接密封的金屬陶瓷－穿通線組件使得金屬鹵化物燈能以更好的流明輸出、色溫和彩色再現(xiàn)指數(shù)工作在高壁溫下。
文檔編號(hào)H01J61/36GK1204139SQ98115658
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1998年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月27日
發(fā)明者S·朱恩斯特, G·C·維, R·蒂波德奧, J·瑟維里安 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司