[發明專利]金屬坩堝及其形成方法

在審

• 申請號: 201380028611.0
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN104470658A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 瑪麗亞·波在娜·溫尼卡;蓋理·A·洛扎克
• 申請（專利權）人: H·C·施塔克公司;瑪麗亞·波在娜·溫尼卡;蓋理·A·洛扎克
• 主分類號: B22F3/00
• 分類號: B22F3/00;B22F3/04;B22F3/10;B22F5/00;C30B11/00;C30B35/00;B22F7/06
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 蔡民軍

相關申請

本申請要求于2012年5月29日提交的美國臨時專利申請號61/652,393以及于2013年3月13日提交的美國專利申請號13/799,796的權益和優先權，其每一個的全部內容被援引納入本文。

技術領域

在各實施例中，本發明涉及坩堝及其它成形物品的形成，尤其是利用粉末冶金技術的形成。

背景技術

在藍寶石單晶的生產中廣泛使用鉬(Mo)坩堝，這是由于其包括高熔點在內的有益的耐火性能。大多數Mo坩堝要么通過深拉Mo板制造要么通過使用高純Mo粉的粉末冶金技術制造。然而，這樣的技術通常是困難的且實施成本高昂。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致Mo坩堝的致密度不到100％，這會影響這種坩堝的機械性能(如韌性)。

此外，雖然Mo坩堝適合于許多藍寶石制造工藝，但純Mo常具有相對較高的蒸氣壓，這可能會導致從液態熔融物生長藍寶石時發生污染。雖然由鎢(W)甚至均勻的Mo-W合金(例如通過混合的Mo粉和W粉的粉末冶金形成)制得的坩堝能夠減少一些因使用純Mo坩堝而產生的問題，但這種坩堝往往笨重(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)。

鑒于上述情況，需要這樣的技術，其不僅能更高效地生產難熔金屬(如Mo)坩堝，而且能使坩堝具備難熔金屬合金(如Mo-W合金)的有利性能而沒有上述缺點。

發明內容

根據本發明的各實施例，基于如Mo或Mo-W合金的坩堝或其它成形物品通過粉末冶金技術形成，且這些物品相比于傳統Mo坩堝具有優異的性能(如重量、韌性、晶粒尺寸)。根據本發明實施例制造的坩堝可有利地以低污染水平的方式使用在藍寶石單晶的生產中，這種坩堝還在機械上更堅固且制造成本更低。本說明書通常會以坩堝作為根據本發明實施例制造的物品，但應該理解可利用本文公開的技術和材料制得許多不同類型的成形物品(如線材、管材、無縫管、板材、片材等)。此外，雖然本發明在示例性實施例中描述了Mo基物品和粉末，但是本文描述的技術還可有利地用于其它材料，如其它難熔金屬。本文所用術語“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)，該物品可具有簡單形狀如平板，也可具有復雜形狀如坩堝或其它具有凸面和/或凹面的物品。對于復雜形狀，一般通過模制就形成最終形狀(不考慮任何有關加工的縮減)，而不是通過松散體積壓縮后再機械加工形成。

本發明的實施例壓制和燒結出金屬前驅體粉末(如Mo前驅體粉末)而不是相應的純金屬粉末，該前驅體粉末在燒結期間原位還原成一種或多種純金屬(如Mo和/或W)。本文所用術語“前驅體”是指一種或多種金屬與諸如氧、銨和/或其它元素或物質(如非金屬元素或類似物)的化合物，其在化學還原(如，特別是在高溫下暴露于還原氣氛如含氫氣體)時發生反應以形成一種或多種大致純凈形式的金屬(同時產生副產品，比如水蒸氣、氧氣、氨氣等)。在該原位還原過程期間，晶粒從多個不同的位置沿成形物品的主體并在該成形物品的主體內成核，導致在完成的成形物品中具有有利地較小的晶粒尺寸。例如，根據本文各實施例制造的坩堝的晶粒尺寸是通過粉末冶金形成的傳統坩堝(如傳統Mo坩堝)的四分之一以下。有利地使用在本發明實施例中的Mo-前驅體粉末的一個實例是二鉬酸銨(ADM)。其它實例包括二氧化鉬和含有氮、氫和氧的Mo-前驅體粉末比如鉬酸銨，例如仲鉬酸銨和/或正鉬酸銨。有利地使用在本發明實施例中的W-前驅體粉末實例是鎢酸銨，比如仲鎢酸銨和/或偏鎢酸銨。

在各實施例中，多種金屬(如Mo和W)的前驅體粉末在壓制和燒結(以及所導致的化學還原)之前混合在一起，導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。該合金或混合物內金屬的相對含量可至少部分地由最初混合在一起的不同前驅體粉末的不同份量所決定。

另外，根據本發明各實施例形成的坩堝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基質的混合物)。例如，在一實施例中，Mo坩堝在Mo-前驅體粉末原位燒結之后具有僅95％或更低的致密度，其如從約90％到約95％，甚至從約90％到約92％。在這種物品一個或多個表面上通過噴撒或熱噴涂技術(比如等離子噴涂、冷噴涂、動力噴涂等等)可引入一種或多種添加物(通常是金屬比如W、銅(Cu)等)。經處理的物品隨后可(如通過附加的燒結)被處理以將該添加物與坩堝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(如導電性、蒸氣壓、強度)。