金屬坩堝及其形成方法
【專(zhuān)利摘要】在各實(shí)施例中，前驅(qū)體粉末被壓制成中間物品并且通過(guò)燒結(jié)被化學(xué)還原，以形成金屬成形物品。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及制造具有一組預(yù)定的最終尺寸并且基本由鉬組成的成形物品的方法，該方法包括壓制銨基鉬前驅(qū)體粉末特別是二鉬酸銨，以及限定出四個(gè)不同溫度水平的階段式燒結(jié)工藝。在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是處理成形物品的方法。添加物施加在包括一種或多種金屬或基本由其組成的成形物品的至少一個(gè)表面上。在又一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是坩堝，該坩堝包括內(nèi)層、外層和在其間的區(qū)域或者基本由它們組成，該內(nèi)層基本由鉬鎢合金組成，該外層基本由鉬組成，該區(qū)域基本由具有呈梯度變化的含量的鉬和鎢組成。
【專(zhuān)利說(shuō)明】金屬坩堝及其形成方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年5月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/652，393以及于2013年3月13日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?3/799，796的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其每一個(gè)的全部?jī)?nèi)容被援引納入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]在各實(shí)施例中，本發(fā)明涉及坩禍及其它成形物品的形成，尤其是利用粉末冶金技術(shù)的形成。

【背景技術(shù)】
[0004]在藍(lán)寶石單晶的生產(chǎn)中廣泛使用鉬(Mo)坩禍，這是由于其包括高熔點(diǎn)在內(nèi)的有益的耐火性能。大多數(shù)Mo坩禍要么通過(guò)深拉Mo板制造要么通過(guò)使用高純Mo粉的粉末冶金技術(shù)制造。然而，這樣的技術(shù)通常是困難的且實(shí)施成本高昂。例如，Mo的粉末冶金一般需要昂貴的高純Mo粉。此外，Mo粉的粉末冶金工藝通常導(dǎo)致Mo坩禍的致密度不到100%，這會(huì)影響這種坩禍的機(jī)械性能(如韌性)。
[0005]此外，雖然Mo坩禍適合于許多藍(lán)寶石制造工藝，但純Mo常具有相對(duì)較高的蒸氣壓，這可能會(huì)導(dǎo)致從液態(tài)熔融物生長(zhǎng)藍(lán)寶石時(shí)發(fā)生污染。雖然由鎢(W)甚至均勻的Mo-W合金(例如通過(guò)混合的Mo粉和W粉的粉末冶金形成)制得的坩禍能夠減少一些因使用純Mo坩禍而產(chǎn)生的問(wèn)題，但這種坩禍往往笨重(因此難于使用)、頗為昂貴且一般韌性較低(特別是在純W的情況下)。
[0006]鑒于上述情況，需要這樣的技術(shù)，其不僅能更高效地生產(chǎn)難熔金屬(如Mo)坩禍，而且能使坩禍具備難熔金屬合金(如Mo-W合金)的有利性能而沒(méi)有上述缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，基于如Mo或Mo-W合金的坩禍或其它成形物品通過(guò)粉末冶金技術(shù)形成，且這些物品相比于傳統(tǒng)Mo坩禍具有優(yōu)異的性能(如重量、韌性、晶粒尺寸)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造的坩禍可有利地以低污染水平的方式使用在藍(lán)寶石單晶的生產(chǎn)中，這種坩禍還在機(jī)械上更堅(jiān)固且制造成本更低。本說(shuō)明書(shū)通常會(huì)以坩禍作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造的物品，但應(yīng)該理解可利用本文公開(kāi)的技術(shù)和材料制得許多不同類(lèi)型的成形物品(如線(xiàn)材、管材、無(wú)縫管、板材、片材等)。此外，雖然本發(fā)明在示例性實(shí)施例中描述了 Mo基物品和粉末，但是本文描述的技術(shù)還可有利地用于其它材料，如其它難熔金屬。本文所用術(shù)語(yǔ)“成形物品”是指具有形狀的塊體三維物體(不同于純粹的粉末顆粒)，該物品可具有簡(jiǎn)單形狀如平板，也可具有復(fù)雜形狀如坩禍或其它具有凸面和/或凹面的物品。對(duì)于復(fù)雜形狀，一般通過(guò)模制就形成最終形狀(不考慮任何有關(guān)加工的縮減)，而不是通過(guò)松散體積壓縮后再機(jī)械加工形成。
[0008]本發(fā)明的實(shí)施例壓制和燒結(jié)出金屬前驅(qū)體粉末(如Mo前驅(qū)體粉末)而不是相應(yīng)的純金屬粉末，該前驅(qū)體粉末在燒結(jié)期間原位還原成一種或多種純金屬(如Mo和/或W)。本文所用術(shù)語(yǔ)“前驅(qū)體”是指一種或多種金屬與諸如氧、銨和/或其它元素或物質(zhì)(如非金屬元素或類(lèi)似物)的化合物，其在化學(xué)還原(如，特別是在高溫下暴露于還原氣氛如含氫氣體)時(shí)發(fā)生反應(yīng)以形成一種或多種大致純凈形式的金屬(同時(shí)產(chǎn)生副產(chǎn)品，比如水蒸氣、氧氣、氨氣等)。在該原位還原過(guò)程期間，晶粒從多個(gè)不同的位置沿成形物品的主體并在該成形物品的主體內(nèi)成核，導(dǎo)致在完成的成形物品中具有有利地較小的晶粒尺寸。例如，根據(jù)本文各實(shí)施例制造的坩禍的晶粒尺寸是通過(guò)粉末冶金形成的傳統(tǒng)坩禍(如傳統(tǒng)Mo坩禍)的四分之一以下。有利地使用在本發(fā)明實(shí)施例中的Mo-前驅(qū)體粉末的一個(gè)實(shí)例是二鉬酸銨(ADM)。其它實(shí)例包括二氧化鉬和含有氮、氫和氧的Mo-前驅(qū)體粉末比如鉬酸錢(qián)，例如仲鉬酸銨和/或正鉬酸銨。有利地使用在本發(fā)明實(shí)施例中的W-前驅(qū)體粉末實(shí)例是鎢酸銨，比如仲鶴酸錢(qián)和/或偏鶴酸錢(qián)。
[0009]在各實(shí)施例中，多種金屬(如Mo和W)的前驅(qū)體粉末在壓制和燒結(jié)(以及所導(dǎo)致的化學(xué)還原)之前混合在一起，導(dǎo)致最終成形物品包括合金或金屬混合物或者基本上由合金或金屬混合物組成。該合金或混合物內(nèi)金屬的相對(duì)含量可至少部分地由最初混合在一起的不同前驅(qū)體粉末的不同份量所決定。
[0010]另外，根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例形成的坩禍和其它成形物品具有高孔隙率，有利于在其中加入添加物(如形成合金的金屬和/或具有Mo基質(zhì)的混合物)。例如，在一實(shí)施例中，Mo坩禍在Mo-前驅(qū)體粉末原位燒結(jié)之后具有僅95%或更低的致密度，其如從約90%到約95%，甚至從約90%到約92%。在這種物品一個(gè)或多個(gè)表面上通過(guò)噴撒或熱噴涂技術(shù)(比如等離子噴涂、冷噴涂、動(dòng)力噴涂等等)可引入一種或多種添加物(通常是金屬比如W、銅(Cu)等)。經(jīng)處理的物品隨后可(如通過(guò)附加的燒結(jié))被處理以將該添加物與坩禍的金屬基體合金化和/或混合以提高該物品的一種或多種性能(如導(dǎo)電性、蒸氣壓、強(qiáng)度)。
[0011]在一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是一種制造成形物品的方法，該成形物品具有一組預(yù)定的最終尺寸并且基本由至少一種金屬組成。前驅(qū)體粉末被壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的物品。該前驅(qū)體粉末包括(i)該至少一種金屬和(ii)非金屬化學(xué)物質(zhì)，或基本由它們組成。隨后，經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末被燒結(jié)以(i)化學(xué)還原該前驅(qū)體粉末，(ii)將該具有中間尺寸的物品收縮成具有最終尺寸的成形物品，且(iii)釋放非金屬副廣品。
[0012]本發(fā)明的實(shí)施例可包括一項(xiàng)或多項(xiàng)下文所述內(nèi)容中任何的各種不同組合。非金屬物質(zhì)可包括氧和/或銨，或基本由其組成。所述至少一種金屬可包括鉬或基本由鉬組成。前驅(qū)體粉末可包括二鉬酸銨或基本由二鉬酸銨組成。從中間尺寸至最終尺寸的體積收縮可在約50%到約70%的范圍內(nèi)。前驅(qū)體粉末可通過(guò)冷等靜壓壓制。燒結(jié)該前驅(qū)體粉末可包括分別在不同的最高溫度下的多個(gè)加熱階段，或基本由這些階段組成。至少兩個(gè)(或甚至至少三個(gè))加熱階段中的每個(gè)階段都可包括將經(jīng)壓制的粉末變成一不同的中間產(chǎn)品的化學(xué)還原過(guò)程，或基本由化學(xué)還原過(guò)程組成。成形物品在燒結(jié)之后可具有約90%到約95%范圍內(nèi)的致密度。該燒結(jié)在包括氫或基本由氫組成的氣氛中完成。該成形物品包括坩禍或大致為坩禍。副產(chǎn)品可包括氨氣、氧氣和/或水蒸氣，或基本由它們組成。
[0013]燒結(jié)經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末可包括在小于約1000°C的第一溫度下燒結(jié)至少2小時(shí)，且隨后在選自約1450°C到約1800°C范圍的第二溫度下燒結(jié)至少6小時(shí)，或基本由這些階段組成。燒結(jié)經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末可包括在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在選自約500°C到約700°C范圍的第二溫度下、在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在選自約800°C到約1000°C范圍的第三溫度下、在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，且隨后在選自約1450°C到約1800°C范圍的第四溫度下、在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，或基本由這些階段組成。燒結(jié)經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末可包括在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在大于第一溫度且小于約700°C的第二溫度下、在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在大于第二溫度且小于約1000°C的第三溫度下、在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，且隨后在大于第三溫度且小于約1800°C的第四溫度下、在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，或基本由這些階段組成。
[0014]經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末可在第一溫度下燒結(jié)。在燒結(jié)該經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末之后，成形物品可冷卻至小于第一溫度且大于100°c的第二溫度。該成形物品可在第二溫度下
(i)被保持選自約I小時(shí)到約8小時(shí)范圍的第一時(shí)間段且(ii)被保持在包括氫或基本由氫組成的氣氛內(nèi)。在該成形物品在第二溫度下被保持第一時(shí)間段之后，該成形物品可在小于第一溫度且大于100° C的第三溫度下(i)被保持選自約I小時(shí)到約8小時(shí)范圍的第二時(shí)間段且(ii)被保持在包括氮或基本由氮組成的氣氛內(nèi)。第二溫度可約等于第三溫度。添加物可施加在成形物品的至少一個(gè)表面上。成形物品可退火，從而將添加物與該至少一種金屬合金化和/或混合以形成經(jīng)處理的物品。經(jīng)處理物品的該至少一個(gè)表面可包括該至少一種金屬與添加物的合金，或基本由它們組成。添加物的含量可隨經(jīng)處理物品的厚度變化(如呈梯度變化)。經(jīng)處理的物品的晶粒尺寸可約等于成形物品的晶粒尺寸。添加物可包括鎢和/或銅，或基本由其組成。添加物可以是粉末。施加添加物可包括噴撒、施漿和/或噴涂沉積(如冷噴涂)，或基本由這些組成。
[0015]在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是一種制造成形物品的方法，該成形物品具有一組預(yù)定的最終尺寸且基本由鉬組成。銨基鉬前驅(qū)體粉末被壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的體積。隨后，經(jīng)壓制的粉末被燒結(jié)以化學(xué)還原該前驅(qū)體粉末且將該具有中間尺寸的體積收縮成具有最終尺寸的成形物品。燒結(jié)經(jīng)壓制的粉末包括在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在大于第一溫度且小于約700°C的第二溫度下、在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，隨后在大于第二溫度且小于約1000°C的第三溫度下、在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，且隨后在大于第三溫度且小于約1800°C的第四溫度下、在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)，或基本由這些階段組成。該銨基鉬前驅(qū)體粉末可包括二鉬酸銨或基本由二鉬酸銨組成。
[0016]在又一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是一種制造成形物品的方法，該成形物品具有一組預(yù)定的最終尺寸且基本由鉬組成。二鉬酸銨粉末被壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的體積。隨后，該經(jīng)壓制的粉末被燒結(jié)以化學(xué)還原該前驅(qū)體粉末并且將該具有中間尺寸的體積收縮成具有最終尺寸的成形物品。燒結(jié)該經(jīng)壓制的粉末包括在第一溫度下燒結(jié)以將二鉬酸銨化學(xué)還原成三氧化鉬，隨后在第二溫度下燒結(jié)以將三氧化鉬化學(xué)還原成二氧化鉬，隨后在第三溫度下燒結(jié)以將二氧化鉬化學(xué)還原成鉬，且隨后在第四溫度下燒結(jié)以致密化鉬，從而形成成形物品，或基本由以上步驟組成。
[0017]本發(fā)明的實(shí)施例可包括一項(xiàng)或多項(xiàng)下文所述內(nèi)容中任何的各種不同組合。第四溫度可大于第三溫度。第三溫度可大于第二溫度。第二溫度可大于第一溫度。第一溫度可選自約100°C到約650°C的范圍。第一溫度可選自約450°C到約650°C的范圍。第二溫度可選自約500°C到約700°C的范圍。第三溫度可選自約800°C到約1000°C的范圍。第四溫度可選自約1450°C到約1800°C的范圍。在第一溫度下的燒結(jié)可在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段完成。在第二溫度下的燒結(jié)可在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段完成。在第三溫度下的燒結(jié)可在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段完成。在第四溫度下的燒結(jié)可在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段完成。
[0018]在另一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是一種處理成形物品的方法。添加物施加在成形物品的至少一個(gè)表面上，該成形物品包括一種或多種金屬或基本由一種或多種金屬組成。該成形物品具有小于約95%的致密度。該成形物品被退火以將添加物與金屬合金化和/或混合從而形成經(jīng)處理的物品，該經(jīng)處理的物品包括(i)內(nèi)層，該內(nèi)層包括添加物與金屬的合金或混合物或者基本由添加物與金屬的合金或混合物組成，(?)基本由金屬組成的外層，和(iii)在這些層之間的區(qū)域，該區(qū)域包括具有呈梯度變化的含量的添加物與金屬的合金或混合物，或者是基本由具有呈梯度變化的含量添加物與金屬的合金或混合物組成的區(qū)域。
[0019]在又一方面中，本發(fā)明的實(shí)施例是一種坩鍋，該坩鍋包括內(nèi)層、外層和在其間的區(qū)域或基本由它們組成。該內(nèi)層基本由鉬鎢合金組成；該外層基本由鉬組成；所說(shuō)區(qū)域基本由具有呈梯度變化的含量的鉬和鎢組成。
[0020]這些和其它物體連同本文公開(kāi)的本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和特征通過(guò)參考下面的說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求書(shū)將會(huì)變得更加明顯。此外，應(yīng)該理解本文描述的各實(shí)施例的特征不是互相排斥的并且可以以各種組合和排列形式存在。本文所用術(shù)語(yǔ)“冷噴涂”是指一種或多種粉末在噴涂期間被噴涂沉積而沒(méi)有熔融的技術(shù)，比如冷噴涂、動(dòng)力噴涂等。該經(jīng)噴涂的粉末可在沉積之前或在沉積期間被加熱，但只加熱至低于其熔點(diǎn)的溫度。本文所用術(shù)語(yǔ)“約”和“大體”是指±10%，且在一些實(shí)施例中是指±5%。術(shù)語(yǔ)“基本由……組成”是指排除對(duì)功能作出貢獻(xiàn)的其它材料，除非本文另有規(guī)定。然而，所述其它材料可以共同或單獨(dú)地微量存在。本文所述“基本由至少一種金屬組成”是指一種金屬或者兩種或兩種以上金屬的混合物，而不是金屬與非金屬元素或化學(xué)物質(zhì)比如氧或氮之間的化合物(如金屬氮化物或金屬氧化物)；所述非金屬元素或化學(xué)物質(zhì)可共同或單獨(dú)地微量存在，比如作為雜質(zhì)存在。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]在附圖中，同樣的參考標(biāo)記一般標(biāo)示不同視圖中的相同部件。同時(shí)，該附圖不一定是成比例的，而是一般為強(qiáng)調(diào)，以示出本發(fā)明的原理。在下面的描述中，本發(fā)明的各實(shí)施例參考以下附圖描述，其中:
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的壓入模具的成形前驅(qū)體粉末的示意性橫截面；
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的經(jīng)燒結(jié)的成形物品的示意性橫截面；
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的其上施加有添加物的成形物品的示意性橫截面；
[0025]圖4是根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的熱處理后的圖3成形物品的示意性橫截面；和
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的包含添加物的成形物品的示意性橫截面。

【具體實(shí)施方式】
[0027]參考圖1所示的橫截面，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，一種或多種金屬前驅(qū)體粉末100的顆粒被收集且被壓制成期望的形狀(如坩禍的杯狀形狀)。例如，前驅(qū)體粉末100可冷等靜壓地壓入模具110內(nèi)。在冷等靜壓壓制期間，模具110—般是柔性的，流體壓力(如在15000psi到40000psi的水平)在大約室溫下被施加至模具以將前驅(qū)體粉末100壓制成模制形狀。前驅(qū)體粉末100 —般包括比如一種或多種金屬(例如難熔金屬，比如Mo和/或W)、氧和/或其它元素的化合物，或基本由它們化合物組成。前驅(qū)體粉末100形成的形狀一般符合由模具110限定的內(nèi)部形狀，該形狀的尺寸一般大于成品物品的期望尺寸，這是由于本發(fā)明的實(shí)施例考慮到了在下文中更詳細(xì)描述的燒結(jié)和原位還原過(guò)程中經(jīng)壓制粉末的收縮。所述收縮相比將已還原的金屬粉末成形為成形物品的傳統(tǒng)工藝會(huì)更大，因?yàn)樵谠撨^(guò)程期間原位還原通常包含非固體副產(chǎn)品(如水蒸氣、氨氣)的產(chǎn)生和消除。例如，當(dāng)前驅(qū)體粉末100包括ADM(和/或一種或多種其它鉬前驅(qū)體)或基本由它們組成時(shí)，所述收縮可以在約50% (甚至60% )到約70%之間的范圍內(nèi)，例如為約67%。在許多情況下，人們認(rèn)為所述收縮將通過(guò)例如引入缺陷或裂縫而損害最終物品的完整性和/或機(jī)械性能；但意外地，本發(fā)明的實(shí)施例使得最終燒結(jié)物品收縮成期望的形狀而不存在機(jī)械不穩(wěn)定性。
[0028]在壓制之后，經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末100被燒結(jié)以便既將前驅(qū)體粉末100還原成大體純凈金屬(如Mo)或者大體純凈金屬(如Mo-W)的合金或混合物，又將所產(chǎn)生的金屬顆粒熔合成固實(shí)物品。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在如氫氣的還原氣氛中以多級(jí)工藝燒結(jié)經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末100。例如，在包括ADM或基本由ADM組成的前驅(qū)體粉末100的實(shí)施例中，可在爐中并在氫氣氛中實(shí)施以下多級(jí)燒結(jié)工藝。經(jīng)壓制粉末100首先(例如)經(jīng)30分鐘升溫至約550°C，然后在約550°C保持(例如)5小時(shí)，在這期間ADM被還原成三氧化鉬。在這一步驟中，作為副產(chǎn)品形成的水蒸氣和氨氣通過(guò)如燃燒煙囪隨氫氣從爐內(nèi)排出。然后溫度經(jīng)過(guò)(例如)30分鐘升高到約600°C，然后在約600°C保持(例如)6小時(shí)。在該周期的這部分中，三氧化鉬被還原成二氧化鉬，且作為副產(chǎn)品形成的水蒸氣同樣被排出。然后溫度經(jīng)過(guò)(例如)3小時(shí)升高到約900°C，然后在約900°C保持(例如)2小時(shí)，在這期間，二氧化鉬被還原成大體純凈的Mo且副產(chǎn)品水蒸氣從爐內(nèi)排出。隨后爐內(nèi)溫度經(jīng)過(guò)(例如)12-15小時(shí)升高至約1450°C到約1800°C范圍內(nèi)的溫度，此后大體純凈的Mo在選定的溫度下燒結(jié)(例如)10小時(shí)。如圖2的橫截面視圖所示，經(jīng)壓制的前驅(qū)體粉末100已轉(zhuǎn)化成大體純凈Mo物品200，其尺寸已在原位還原期間收縮(如上所述)。此外，物品200的晶粒尺寸一般很小(例如，范圍在5微米到20微米，比如在10微米到15微米之間，這是與傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生的40-50微米的晶粒尺寸相比)，這是由于在原位還原過(guò)程中鉬具有大量成核位置。
[0029]在最終高溫下燒結(jié)之后，物品200可進(jìn)行受控冷卻循環(huán)。例如，爐內(nèi)溫度經(jīng)過(guò)(例如)30分鐘降回到約500°C，并在約500°C下保持(例如)5小時(shí)。此后，在附加的保壓(停留)時(shí)間(如在約500°C下保壓約4小時(shí))內(nèi)爐內(nèi)氣氛可從氫變成一種包括氮或基本由氮組成的氣氛，并最終冷卻至室溫。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，冷卻后該物品200其本身被用作坩禍，用于多種用途中的任何一種，如生產(chǎn)藍(lán)寶石單晶。如上所述，在這個(gè)階段物品200可能是相當(dāng)多孔的。例如，物品200的致密度可在約90%到約95%之間。如需要，所述致密度可通過(guò)在上述工藝中使物品200經(jīng)受更強(qiáng)效(如溫度更高和/或時(shí)間更長(zhǎng))的燒結(jié)和/或通過(guò)隨后的燒結(jié)過(guò)程(利用如熱等靜壓)來(lái)提高。在所述附加的處理之后，經(jīng)處理的物品200的致密度可在約97%到約99%之間。
[0030]在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，物品200僅僅是“初級(jí)坩禍”或“初級(jí)物品”，其經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工以提高其各種性能。例如，如圖3的橫截面視圖所示，添加物300可施加在物品200的一個(gè)或多個(gè)表面上(如內(nèi)表面和/或外表面)O添加物300優(yōu)選包括一種或多種金屬材料(比如W或Cu)，或基本由它們組成。添加物300可通過(guò)例如噴撒機(jī)械性地放置在物品200上，和/或可通過(guò)例如熱噴涂技術(shù)比如等離子噴涂、冷噴涂或動(dòng)力噴涂而噴涂在其上。添加物300可以是粉末形式并且可具有(例如)5微米或更小的粒度。當(dāng)將整個(gè)物品200作為整體考慮時(shí)，可引入按重量計(jì)約5%到約20%之間的水平的添加物300。所述粉末可與液體混合從而形成漿體以便于將這些粉末引入到物品200上。對(duì)于粉末形式的添加物300，可利用振動(dòng)階段以促使添加物完全且均勻地覆蓋在物品200上。物品200相對(duì)高的孔隙率有利地使添加物300能夠引入(和/或合金化和/或混合)到物品200的金屬(如Mo)基體上，如上所述。在引入添加物300之后，優(yōu)選燒結(jié)經(jīng)處理的物品200以使添加物300與物品200的金屬基體反應(yīng)和/或使添加物300擴(kuò)散至物品200的基體中。例如，特別是對(duì)于難熔添加物，比如W，可在氫氣氛中在(例如)約2000°C下燒結(jié)經(jīng)處理的物品200 (其一個(gè)或多個(gè)表面上具有添加物300)如約2小時(shí)。在一些實(shí)施例中，其中添加物300是具有較低熔點(diǎn)的材料例如Cu，可在例如約700°C到約900°C之間的溫度下燒結(jié)該經(jīng)處理的物品200。在一些實(shí)施例中，經(jīng)處理的物品200被熱等靜壓壓制以在其中加入添加物300。在燒結(jié)之后，所產(chǎn)生的物品可大體保持住物品200這些有利的小晶粒尺寸。在一些實(shí)施例中，在較低的第一溫度(如約800°C到約1200°C之間的溫度)下燒結(jié)經(jīng)處理的物品200，以使添加物300至少先擴(kuò)散進(jìn)物品200內(nèi)，然后在所述擴(kuò)散之后，在較高的第二溫度(如約2000°C或更高的溫度，例如在約2000°C到約2600°C之間的溫度)下燒結(jié)，以使添加物300與物品200的基體反應(yīng)(如合金化)。
[0031]如圖4和圖5的橫截面視圖所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可制造具有性能(如機(jī)械性能、熱學(xué)性能和/或電學(xué)性能)改進(jìn)了的坩禍和其它物品。圖4示出的坩禍400具有多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域具有不同的材料含量和/或機(jī)械性能。坩禍400可通過(guò)在Mo初級(jí)坩禍的內(nèi)表面上沉積W粉(作為添加物300)、然后如上所述在高溫(如約200(TC或更高溫度)下燒結(jié)而形成。如圖所示，坩禍400具有內(nèi)層410，該內(nèi)層包括通過(guò)Mo初級(jí)坩禍與W粉反應(yīng)形成的Mo-W合金，或基本由其組成。坩禍400還具有外層420，該外層420 —般包括大體純凈的Mo或基本由大體純凈的Mo組成，因?yàn)槿缡筗遍布整個(gè)坩禍400可能會(huì)增加重量或具有其它有害影響。在層410和420之間是區(qū)域430，該區(qū)域430同時(shí)包括Mo初級(jí)坩禍和W添加物或基本由它們組成(兩者可按組成元素的含量范圍內(nèi)的任何含量被合金化和/或混合在一起)。在一個(gè)實(shí)施例中，W(或其它添加物300)的含量在區(qū)域430的厚度上從與層410的交界面處的較大值(如約層410內(nèi)的W含量)梯度變化至與層420的交界面處的較小值(如約零)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，W(或其它添加物300)的含量在區(qū)域430內(nèi)是呈線(xiàn)性梯度的。在其它實(shí)施例中，添加物300的含量按照指數(shù)規(guī)律或依照互補(bǔ)誤差函數(shù)隨著(從物品400的表面)進(jìn)入?yún)^(qū)域430的距離而減小。在一些實(shí)施例中，基本不存在層420，區(qū)域430從層410延伸至坩禍400的外表面，在此處W的含量約為零或?yàn)樾∮趨^(qū)域410內(nèi)含量的某一有限值。
[0032]可利用本發(fā)明的實(shí)施例形成除了坩禍以外的物品。如圖5所示，以上述方法用包括Cu或基本由Cu組成的添加物300處理過(guò)的電觸頭(如導(dǎo)線(xiàn))500，可具有至少部分地圍繞芯520的層或護(hù)皮510，該層或護(hù)皮510包括Mo和Cu的混合物或基本由它們組成，該芯520包括Mo或基本由Mo組成。層510內(nèi)的Cu可給予觸頭500更高的導(dǎo)電性。如針對(duì)圖4所描述的，觸頭500內(nèi)的Cu在穿入觸頭500厚度的至少一部分上可具有大體呈梯度的含量，因此芯520可包含有限量的Cu (或其它添加物300)。
[0033]雖然圖4和圖5的物品已被描述為利用上文關(guān)于圖1和圖2描述的初級(jí)坩禍的加工而來(lái)，但是所述物品可利用任何合適的未經(jīng)前驅(qū)體粉末的原位還原制成的起始(仍?xún)?yōu)選是相當(dāng)多孔的)初級(jí)樹(shù)禍制造。
[0034]本文采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)是用于描述而非限制的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)，并且不打算在使用所述術(shù)語(yǔ)和表達(dá)時(shí)排除任何已示出和描述的特征及其部分的等同形式。另外，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的某些特定實(shí)施例，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下使用包含本文公開(kāi)的概念的其它實(shí)施例。因此，已描述的實(shí)施例在任何方面均被認(rèn)為是示例性而非限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種制造具有一組預(yù)定的最終尺寸且基本由至少一種金屬組成的成形物品的方法，該方法包括: 將前驅(qū)體粉末壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的體積，所述前驅(qū)體粉末包括化合物，該化合物包括(i)所述至少一種金屬和(ii)非金屬化學(xué)物質(zhì)；且 隨后，燒結(jié)經(jīng)壓制的所述前驅(qū)體粉末以(i)化學(xué)還原所述前驅(qū)體粉末，(ii)將所述具有中間尺寸的體積收縮成具有最終尺寸的成形物品，且(iii)釋放非金屬副產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，非金屬物質(zhì)包括氧或銨中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一種金屬包括鉬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述前驅(qū)體粉末包括二鉬酸銨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從中間尺寸到最終尺寸的體積收縮在約50%到70%的范圍之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述前驅(qū)體粉末通過(guò)冷等靜壓壓制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，燒結(jié)所述前驅(qū)體粉末包括多個(gè)加熱階段，各階段具有不同的最高溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，至少兩個(gè)所述加熱階段中的每一個(gè)均包括將經(jīng)壓制的粉末化學(xué)還原成一不同的中間產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述成形物品在燒結(jié)之后具有在約90%到約95%范圍內(nèi)的致密度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述燒結(jié)在包括氫的氣氛中實(shí)施。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述成形物品包括坩禍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述副產(chǎn)品包括氨氣、氧氣或水蒸氣中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，燒結(jié)經(jīng)壓制的所述前驅(qū)體粉末包括: 在小于約1000°C的第一溫度下燒結(jié)至少2小時(shí)；且 隨后，在選自約1450°C到約1800°C范圍的第二溫度下燒結(jié)至少6小時(shí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，燒結(jié)經(jīng)壓制的所述前驅(qū)體粉末包括: 在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在選自約500°C到約700°C范圍的第二溫度下、在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在選自約800°C到約1000°C范圍的第三溫度下、在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)；且 隨后，在選自約1450°C到約1800°C范圍的第四溫度下、在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，燒結(jié)所述前驅(qū)體粉末包括: 在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在大于第一溫度且小于約700°C的第二溫度下、在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在大于第二溫度且小于約1000°c的第三溫度下、在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)；且 隨后，在大于第三溫度且小于約1800°C的第四溫度下、在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)壓制的所述前驅(qū)體粉末在第一溫度下燒結(jié)，在燒結(jié)經(jīng)壓制的所述前驅(qū)體粉末之后，進(jìn)一步包括: 冷卻所述成形物品至小于第一溫度且大于100°c的第二溫度；和 在第二溫度下將所述成形物品(i)保持在選自約I小時(shí)到約8小時(shí)范圍的第一時(shí)間段且(ii)保持在包括氫的氣氛內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括，在第二溫度下將所述成形物品保持第一時(shí)間段之后，在小于第一溫度且大于100°C的第三溫度下將所述成形物品(i)保持在選自約I小時(shí)到約8小時(shí)范圍的第二時(shí)間段且(ii)保持在包括氮的氣氛內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第二溫度約等于所述第三溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述成形物品的至少一個(gè)表面上施加添加物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括退火所述成形物品，從而將所述添加物與所述至少一種金屬中的至少一種合金化或混合以形成經(jīng)處理的物品。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述經(jīng)處理的物品的至少一個(gè)表面包括所述至少一種金屬和所述添加物的合金。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述添加物的含量隨所述經(jīng)處理的物品的厚度變化而變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述添加物的含量是呈梯度變化的。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述經(jīng)處理的物品的厚度的一部分基本沒(méi)有添加物。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述經(jīng)處理的物品的晶粒尺寸約等于成形物品的晶粒尺寸。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述添加物包括鎢或銅中的至少一種。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述添加物是粉末。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，施加所述添加物包括噴撒、施漿或噴涂沉積中的至少一種。
29.—種制造具有一組預(yù)定的最終尺寸且基本由鉬組成的成形物品的方法，該方法包括: 將銨基鉬前驅(qū)體粉末壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的體積；且 隨后，燒結(jié)經(jīng)壓制的粉末以化學(xué)還原前驅(qū)體粉末且并將具有中間尺寸的體積收縮成具有最終尺寸的成形物品， 其中，燒結(jié)所述經(jīng)壓制的粉末包括: 在選自約450°C到約650°C范圍的第一溫度下、在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在大于第一溫度且小于約700°C的第二溫度下，在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)； 隨后，在大于第二溫度且小于約1000°c的第三溫度下，在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)；且 隨后，在大于第三溫度且小于約1800°C的第四溫度下，在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段進(jìn)行燒結(jié)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述銨基鉬前驅(qū)體粉末包括二鉬酸銨。
31.—種制造具有一組預(yù)定最終尺寸的且基本由鉬組成的成形物品的方法，該方法包括: 將二鉬酸銨粉末壓制成具有沿至少一個(gè)方向大于最終尺寸的中間尺寸的體積；且隨后，燒結(jié)經(jīng)壓制的粉末以化學(xué)還原前驅(qū)體粉末且并將具有中間尺寸的體積收縮成具有最終尺寸的成形物品， 其中，燒結(jié)所述經(jīng)壓制的粉末包括: 在第一溫度下燒結(jié)以將二鉬酸銨化學(xué)還原成三氧化鉬； 隨后，在第二溫度下燒結(jié)以將三氧化鉬化學(xué)還原成二氧化鉬； 隨后，在第三溫度下燒結(jié)以將二氧化鉬化學(xué)還原成鉬；且 隨后，在第四溫度下燒結(jié)以致密化鉬，從而形成所述成形物品。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，(i)所述第四溫度大于所述第三溫度，(ii)所述第三溫度大于所述第二溫度，(iii)所述第二溫度大于所述第一溫度，且(iv)所述第一溫度選自約100°C到約650°C的范圍。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，(i)所述第一溫度選自約450°C到約650°C的范圍，(?)所述第二溫度選自約500°C到約700°C的范圍，(iii)所述第三溫度選自約800°C到約1000°C的范圍，且(iv)所述第四溫度選自約1450°C到約1800°C的范圍。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，⑴在所述第一溫度下的燒結(jié)在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段完成，(ii)在所述第二溫度下的燒結(jié)在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段完成，(iii)在所述第三溫度下的燒結(jié)在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段完成，且(iv)在所述第四溫度下的燒結(jié)在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段完成。
35.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，(i)在所述第一溫度下的燒結(jié)在選自約4小時(shí)到約6小時(shí)范圍的第一時(shí)間段完成，(ii)在所述第二溫度下的燒結(jié)在選自約5小時(shí)到約7小時(shí)范圍的第二時(shí)間段完成，(iii)在所述第三溫度下的燒結(jié)在選自約I小時(shí)到約5小時(shí)范圍的第三時(shí)間段完成，且(iv)在所述第四溫度下的燒結(jié)在選自約6小時(shí)到約25小時(shí)范圍的第四時(shí)間段完成。
36.一種處理成形物品的方法，該方法包括: 將添加物施加在包括金屬的成形物品的至少一個(gè)表面上，所述成形物品具有小于約95%的致密度，和 退火所述成形物品，從而進(jìn)行所述添加物與所述金屬的合金化或混合中的至少一種以形成經(jīng)處理的物品，所述經(jīng)處理的物品包括(i)包含所述添加物與所述金屬的合金或混合物的內(nèi)層，(ii)基本由所述金屬組成的外層，和(iii)在其間的包括具有梯度含量的所述添加物與所述金屬的合金或混合物的區(qū)域。
37.一種樹(shù)禍，包括:基本由鉬鎢合金組成的內(nèi)層；基本由鉬組成的外層；和在兩層之間的基本由具有呈梯度變化的含量的鉬和鎢組成的區(qū)域。
【文檔編號(hào)】B22F3/10GK104470658SQ201380028611
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月29日
【發(fā)明者】瑪麗亞·波在娜·溫尼卡, 蓋理·A·洛扎克 申請(qǐng)人:H·C·施塔克公司, 瑪麗亞·波在娜·溫尼卡, 蓋理·A·洛扎克