金属坩埚及其形成方法技术

在各实施例中，前驱体粉末被压制成中间物品并且通过烧结被化学还原，以形成金属成形物品。在另一个实施例中，本发明专利技术涉及制造具有一组预定的最终尺寸并且基本由钼组成的成形物品的方法，该方法包括压制铵基钼前驱体粉末特别是二钼酸铵，以及限定出四个不同温度水平的阶段式烧结工艺。在另一方面中，本发明专利技术的实施例是处理成形物品的方法。添加物施加在包括一种或多种金属或基本由其组成的成形物品的至少一个表面上。在又一方面中，本发明专利技术的实施例是坩埚，该坩埚包括内层、外层和在其间的区域或者基本由它们组成，该内层基本由钼钨合金组成，该外层基本由钼组成，该区域基本由具有呈梯度变化的含量的钼和钨组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于2012年5月29日提交的美国临时专利申请号61/652，393以及于2013年3月13日提交的美国专利申请号13/799，796的权益和优先权，其每一个的全部内容被援引纳入本文。
在各实施例中，本专利技术涉及坩祸及其它成形物品的形成，尤其是利用粉末冶金技术的形成。
技术介绍
在蓝宝石单晶的生产中广泛使用钼(Mo)坩祸，这是由于其包括高熔点在内的有益的耐火性能。大多数Mo坩祸要么通过深拉Mo板制造要么通过使用高纯Mo粉的粉末冶金技术制造。然而，这样的技术通常是困难的且实施成本高昂。例如，Mo的粉末冶金一般需要昂贵的高纯Mo粉。此外，Mo粉的粉末冶金工艺通常导致Mo坩祸的致密度不到100%，这会影响这种坩祸的机械性能(如韧性)。 此外，虽然Mo坩祸适合于许多蓝宝石制造工艺，但纯Mo常具有相对较高的蒸气压，这可能会导致从液态熔融物生长蓝宝石时发生污染。虽然由钨(W)甚至均匀的Mo-W合金(例如通过混合的Mo粉和W粉的粉末冶金形成)制得的坩祸能够减少一些因使用纯Mo坩祸而产生的问题，但这种坩祸往往笨重(因此难于使用)、颇为昂贵且一般韧性较低(特别是在纯W的情况下)。 鉴于上述情况，需要这样的技术，其不仅能更高效地生产难熔金属(如Mo)坩祸，而且能使坩祸具备难熔金属合金(如Mo-W合金)的有利性能而没有上述缺点。
技术实现思路
根据本专利技术的各实施例，基于如Mo或Mo-W合金的坩祸或其它成形物品通过粉末冶金技术形成，且这些物品相比于传统Mo坩祸具有优异的性能(如重量、韧性、晶粒尺寸)。根据本专利技术实施例制造的坩祸可有利地以低污染水平的方式使用在蓝宝石单晶的生产中，这种坩祸还在机械上更坚固且制造成本更低。本说明书通常会以坩祸作为根据本专利技术实施例制造的物品，但应该理解可利用本文公开的技术和材料制得许多不同类型的成形物品(如线材、管材、无缝管、板材、片材等)。此外，虽然本专利技术在示例性实施例中描述了 Mo基物品和粉末，但是本文描述的技术还可有利地用于其它材料，如其它难熔金属。本文所用术语“成形物品”是指具有形状的块体三维物体(不同于纯粹的粉末颗粒)，该物品可具有简单形状如平板，也可具有复杂形状如坩祸或其它具有凸面和/或凹面的物品。对于复杂形状，一般通过模制就形成最终形状(不考虑任何有关加工的缩减)，而不是通过松散体积压缩后再机械加工形成。 本专利技术的实施例压制和烧结出金属前驱体粉末(如Mo前驱体粉末)而不是相应的纯金属粉末，该前驱体粉末在烧结期间原位还原成一种或多种纯金属(如Mo和/或W)。本文所用术语“前驱体”是指一种或多种金属与诸如氧、铵和/或其它元素或物质(如非金属元素或类似物)的化合物，其在化学还原(如，特别是在高温下暴露于还原气氛如含氢气体)时发生反应以形成一种或多种大致纯净形式的金属(同时产生副产品，比如水蒸气、氧气、氨气等)。在该原位还原过程期间，晶粒从多个不同的位置沿成形物品的主体并在该成形物品的主体内成核，导致在完成的成形物品中具有有利地较小的晶粒尺寸。例如，根据本文各实施例制造的坩祸的晶粒尺寸是通过粉末冶金形成的传统坩祸(如传统Mo坩祸)的四分之一以下。有利地使用在本专利技术实施例中的Mo-前驱体粉末的一个实例是二钼酸铵(ADM)。其它实例包括二氧化钼和含有氮、氢和氧的Mo-前驱体粉末比如钼酸钱，例如仲钼酸铵和/或正钼酸铵。有利地使用在本专利技术实施例中的W-前驱体粉末实例是钨酸铵，比如仲鹤酸钱和/或偏鹤酸钱。 在各实施例中，多种金属(如Mo和W)的前驱体粉末在压制和烧结(以及所导致的化学还原)之前混合在一起，导致最终成形物品包括合金或金属混合物或者基本上由合金或金属混合物组成。该合金或混合物内金属的相对含量可至少部分地由最初混合在一起的不同前驱体粉末的不同份量所决定。 另外，根据本专利技术各实施例形成的坩祸和其它成形物品具有高孔隙率，有利于在其中加入添加物(如形成合金的金属和/或具有Mo基质的混合物)。例如，在一实施例中，Mo坩祸在Mo-前驱体粉末原位烧结之后具有仅95%或更低的致密度，其如从约90%到约95%，甚至从约90%到约92%。在这种物品一个或多个表面上通过喷撒或热喷涂技术(比如等离子喷涂、冷喷涂、动力喷涂等等)可引入一种或多种添加物(通常是金属比如W、铜(Cu)等)。经处理的物品随后可(如通过附加的烧结)被处理以将该添加物与坩祸的金属基体合金化和/或混合以提高该物品的一种或多种性能(如导电性、蒸气压、强度)。 在一方面中，本专利技术的实施例是一种制造成形物品的方法，该成形物品具有一组预定的最终尺寸并且基本由至少一种金属组成。前驱体粉末被压制成具有沿至少一个方向大于最终尺寸的中间尺寸的物品。该前驱体粉末包括(i)该至少一种金属和(ii)非金属化学物质，或基本由它们组成。随后，经压制的前驱体粉末被烧结以(i)化学还原该前驱体粉末，(ii)将该具有中间尺寸的物品收缩成具有最终尺寸的成形物品，且(iii)释放非金属副广品。 本专利技术的实施例可包括一项或多项下文所述内容中任何的各种不同组合。非金属物质可包括氧和/或铵，或基本由其组成。所述至少一种金属可包括钼或基本由钼组成。前驱体粉末可包括二钼酸铵或基本由二钼酸铵组成。从中间尺寸至最终尺寸的体积收缩可在约50%到约70%的范围内。前驱体粉末可通过冷等静压压制。烧结该前驱体粉末可包括分别在不同的最高温度下的多个加热阶段，或基本由这些阶段组成。至少两个(或甚至至少三个)加热阶段中的每个阶段都可包括将经压制的粉末变成一不同的中间产品的化学还原过程，或基本由化学还原过程组成。成形物品在烧结之后可具有约90%到约95%范围内的致密度。该烧结在包括氢或基本由氢组成的气氛中完成。该成形物品包括坩祸或大致为坩祸。副产品可包括氨气、氧气和/或水蒸气，或基本由它们组成。 烧结经压制的前驱体粉末可包括在小于约1000°C的第一温度下烧结至少2小时，且随后在选自约1450°C到约1800°C范围的第二温度下烧结至少6小时，或基本由这些阶段组成。烧结经压制的前驱体粉末可包括在选自约450°C到约650°C范围的第一温度下、在选自约4小时到约6小时范围的第一时间段进行烧结，随后在选自约500°C到约700°C范围的第二温度下、在选自约5小时到约7小时范围的第二时间段进行烧结，随后在选自约800°C到约1000°C范围的第三温度下、在选自约I小时到约5小时范围的第三时间段进行烧结，且随后在选自约1450°C到约1800°C范围的第四温度下、在选自约6小时到约25小时范围的第四时间段进行烧结，或基本由这些阶段组成。烧结经压制的前驱体粉末可包括在选自约450°C到约650°C范围的第一温度下、在选自约4小时到约6小时范围的第一时间段进行烧结，随后在大于第一温度且小于约700°C的第二温度下、在选自约5小时到约7小时范围的第二时间段进行烧结，随后在大于第二温度且小于约1000°C的第三温度下、在选自约I小时到约5小时范围的第三时间段进行烧结，且随后在大于第三温度且小于约1800°C的第四温度下、在选自约6小时到约25小时范围的第四时间段进行烧结，或基本由这些阶段组成。 经压制的前驱体粉末可在第一温度下烧结。在烧结该经压制的前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造具有一组预定的最终尺寸且基本由至少一种金属组成的成形物品的方法，该方法包括：将前驱体粉末压制成具有沿至少一个方向大于最终尺寸的中间尺寸的体积，所述前驱体粉末包括化合物，该化合物包括(i)所述至少一种金属和(ii)非金属化学物质；且随后，烧结经压制的所述前驱体粉末以(i)化学还原所述前驱体粉末，(ii)将所述具有中间尺寸的体积收缩成具有最终尺寸的成形物品，且(iii)释放非金属副产品。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.29 US 61/652393;2013.03.13 US 13/7997961.一种制造具有一组预定的最终尺寸且基本由至少一种金属组成的成形物品的方法，该方法包括: 将前驱体粉末压制成具有沿至少一个方向大于最终尺寸的中间尺寸的体积，所述前驱体粉末包括化合物，该化合物包括(i)所述至少一种金属和(ii)非金属化学物质；且 随后，烧结经压制的所述前驱体粉末以(i)化学还原所述前驱体粉末，(ii)将所述具有中间尺寸的体积收缩成具有最终尺寸的成形物品，且(iii)释放非金属副产品。2.根据权利要求1所述的方法，其中，非金属物质包括氧或铵中的至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种金属包括钼。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前驱体粉末包括二钼酸铵。5.根据权利要求1所述的方法，其中，从中间尺寸到最终尺寸的体积收缩在约50%到70%的范围之内。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前驱体粉末通过冷等静压压制。7.根据权利要求1所述的方法，其中，烧结所述前驱体粉末包括多个加热阶段，各阶段具有不同的最高温度。8.根据权利要求7所述的方法，其中，至少两个所述加热阶段中的每一个均包括将经压制的粉末化学还原成一不同的中间产品。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形物品在烧结之后具有在约90%到约95%范围内的致密度。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述烧结在包括氢的气氛中实施。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形物品包括坩祸。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述副产品包括氨气、氧气或水蒸气中的至少一种。13.根据权利要求1所述的方法，其中，烧结经压制的所述前驱体粉末包括: 在小于约1000°C的第一温度下烧结至少2小时；且 随后，在选自约1450°C到约1800°C范围的第二温度下烧结至少6小时。14.根据权利要求1所述的方法，其中，烧结经压制的所述前驱体粉末包括: 在选自约450°C到约650°C范围的第一温度下、在选自约4小时到约6小时范围的第一时间段进行烧结； 随后，在选自约500°C到约700°C范围的第二温度下、在选自约5小时到约7小时范围的第二时间段进行烧结； 随后，在选自约800°C到约1000°C范围的第三温度下、在选自约I小时到约5小时范围的第三时间段进行烧结；且 随后，在选自约1450°C到约1800°C范围的第四温度下、在选自约6小时到约25小时范围的第四时间段进行烧结。15.根据权利要求1所述的方法，其中，烧结所述前驱体粉末包括: 在选自约450°C到约650°C范围的第一温度下、在选自约4小时到约6小时范围的第一时间段进行烧结； 随后，在大于第一温度且小于约700°C的第二温度下、在选自约5小时到约7小时范围的第二时间段进行烧结； 随后，在大于第二温度且小于约1000°c的第三温度下、在选自约I小时到约5小时范围的第三时间段进行烧结；且 随后，在大于第三温度且小于约1800°C的第四温度下、在选自约6小时到约25小时范围的第四时间段进行烧结。16.根据权利要求1所述的方法，其中，经压制的所述前驱体粉末在第一温度下烧结，在烧结经压制的所述前驱体粉末之后，进一步包括: 冷却所述成形物品至小于第一温度且大于100°c的第二温度；和 在第二温度下将所述成形物品(i)保持在选自约I小时到约8小时范围的第一时间段且(ii)保持在包括氢的气氛内。17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括，在第二温度下将所述成形物品保持第一时间段之后，在小于第一温度且大于100°C的第三温度下将所述成形物品(i)保持在选自约I小时到约8小时范围的第二时间段且(ii)保持在包括氮的气氛内。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二温度约等于所述第三温度。19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述成形物品的至少一个表面上施加添加物。20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括退火所述成形物品，从而将所述添加物与所述至少一种金属中的至少一种合金化或混合以形成经处理的物品。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述经处理的物品的至少一个表面包括所述至少一种金属和所述添加物...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛丽亚·波在娜·温尼卡，盖理·A·洛扎克，
申请(专利权)人：H·C·施塔克公司，玛丽亚·波在娜·温尼卡，盖理·A·洛扎克，
类型：发明
国别省市：美国;US