專利名稱：：具有端結(jié)構(gòu)的電弧管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有端結(jié)構(gòu)的電弧管以及制造這種電弧管的方法。
背景技術(shù)：
：歐洲專利申請No.EP371315描述了使用氮化鋁(AlN)作為用于金屬鹵化物燈的電弧管的材料。其建議利用Mo管作為引線(feedthrough)。國際專利申請No.WO2003/060952中描述了類似技術(shù)。其中AlN電弧管用Mo或W制成的塞子并且通過由Mo-Al型化合物例如Al8Mo3和AlMo3制成的熔接頭來封閉。德國專利申請No.DE-Az102006052761.5(尚未公開)公開了一種通過反應(yīng)性過程形成的金屬_陶瓷接頭，其中Mo管的表面區(qū)域被鋁化以形成Mo3Al相，并且鋁化Mo管與氧化鋁-Mo陶瓷和PCA(半透明多晶氧化鋁)的分級環(huán)(gradedring)進(jìn)行共燒。但是這種技術(shù)可能遇到Mo、陶瓷和PCA之間的熱膨脹和彈性模量的內(nèi)在不匹配的難題。例如，由美國專利No.6，762，496已知將Mo接合到已燒結(jié)的AlN上的金屬化方案。該金屬化利用Mo顆?；旌螦lN粉末加上燒結(jié)助劑如CaO或氧化釔的漿料，將該漿料施用于AlN-Mo的空隙中，然后進(jìn)行熱處理。Mo-AlN-CaCVY2O3漿料已經(jīng)用于AlN基材很多年了。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是在電弧管的端結(jié)構(gòu)與難熔金屬引線系統(tǒng)之間實現(xiàn)持久密封，所述引線由選自Mo或W的難熔金屬(RM)制成。這個目的通過提供具有RM-Al層的引線和使用AlN制成的端結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)。在共燒結(jié)之后，在鋁化RM和AlN端結(jié)構(gòu)之間提供直接接合。另一個目的是給出一種用于提供這種直接接合的方法。這種方法通過以下步驟實現(xiàn)(a)提供具有開口并由AlN制成的預(yù)燒制的端結(jié)構(gòu)，以及提供由Mo或W制成的引線.一入，(b)使所述引線的外表面鋁化；(C)將所述引線放入所述端結(jié)構(gòu)的開口內(nèi)；和(d)在1800°C1950°C下將AlN端結(jié)構(gòu)與鋁化引線共燒結(jié)30分鐘到20小時，以實現(xiàn)真空氣密的直接密封。用于形成該密封的AlN端結(jié)構(gòu)通常是具有容納引線的開口的AlN栓。電弧管也可以由AlN制成，但是這不是必需特征。一個優(yōu)選實施方案是由AlN制成的具有一體化形成的毛細(xì)管作為端結(jié)構(gòu)的電弧管。金屬鹵化物燈使用填充有金屬鹵化物的這種AlN電弧管，所述金屬鹵化物公知為例如碘化鈉、碘化鈧、稀土鹵化物、碘化鈣和碘化鉈。相對于玻璃料密封而言，共燒的無玻璃料部件具有以下優(yōu)點(1)端結(jié)構(gòu)溫度的靈活性，這是因為常規(guī)的Dy2O3-SiO2-Al2O3玻璃料密封由于稀土鹵化物填充而被限制在800°C以下，和(2)與玻璃料的熔融/凝固方案不同的是，可以實施“冷”密封(焊接)方案。當(dāng)引線由鉬構(gòu)成時，得到特別有利的方案。這種方案的優(yōu)點包括(1)與AlN-純Mo相比，共燒的AlN-鋁化Mo界面具有明顯改善的接合和密封性；(2)AlN作為管體和共燒鋁化Mo的無玻璃料構(gòu)造使燈具有更好的耐久性，并且與目前PCA燈相比，可以具有更高溫度下的新且更強(qiáng)的填充物；(3)共燒結(jié)鋁化Mo管將消除玻璃料密封的上限溫度的限制；和(4)共燒的AlN管-鋁化Mo管的密封方案，涉及“冷”過程(即Mo管的焊接)，而不是用于目前PCA燈的高溫玻璃料熔融/凝固過程。下文中，利用多個示例性實施方案更詳細(xì)地說明本發(fā)明。在附圖中圖1示意性示出金屬鹵化物燈；圖2示出容器端部的一個實施方案；圖3詳細(xì)示出容器端部的另一個實施方案；圖4詳細(xì)示出容器端部的又一個實施方案。具體實施例方式本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案利用鋁化Mo管并與AlN共燒，AlN與基體Mo金屬具有有利的膨脹匹配。結(jié)果顯示相對于純Mo和AlN而言，鋁化Mo和AlN壁之間在無玻璃料的直接接合方面具有明顯改善，并伴隨高透射率。該部件及制造該部件的方法與半透明AlN和純Mo的共燒相比具有相當(dāng)大的前景和優(yōu)勢。純Mo管與AlN毛細(xì)管的共燒導(dǎo)致在純Mo和AlN之間的介入接合處存在空隙。這可能是由于AlN的蒸發(fā)和純Mo與AlN中的燒結(jié)助劑CaO和/或Y2O3的反應(yīng)所致。因此通過直接共燒接合來形成氣密密封是不行的。為了克服這個問題，在預(yù)處理Mo管以在Mo表面建立鋁化層之后，將Mo管與AlN毛細(xì)管共燒。首先，所述層由鋁化Mo管表面上的Mo3Al形成。然后在共燒結(jié)后，所述層變成AlN-Mo(Al)復(fù)合物構(gòu)成的兩相致密結(jié)構(gòu)。這可能是因為在高溫(1800°C1950°C)下Mo3Al失去Al變成含較小量Al的Mo所致。當(dāng)與AlN共燒結(jié)時，從Mo3Al中釋放的Al與氮燒結(jié)氣氛反應(yīng)，在與Mo鄰接的層中原位形成AlN相。在共燒結(jié)過程中，AlN朝向鋁化Mo管收縮，形成約630%(優(yōu)選1724%)的共燒介入過程。國際專利申請No.WO2007/065827描述了一種用于形成鋁化Mo引線的方法，其通過引用并入本文。通過“Alitierimg”工藝(又稱為“Alumetierimg”工藝)，將反應(yīng)性的鋁經(jīng)氣相引入鉬制引線的表面。該工藝從產(chǎn)生外部的Mo3Al8層開始。這在取決于時間和溫度的擴(kuò)散過程中進(jìn)行。為此，將Mo管放入含鋁的粉末床混合物中。然后在保護(hù)性氣體氣氛中于800°C1200°C的溫度下退火。由此形成梯度結(jié)構(gòu)，其中Mo基材的表面由富鋁的Mo3Al8相構(gòu)成，相鄰的內(nèi)層包括具有較低鋁含量的相并優(yōu)選由Mo3Al構(gòu)成，然后是管的純Mo部分。圖1示出金屬鹵化物燈1的圖示。其包括管狀陶瓷放電容器，其中插入有兩個電極14。電極14由軸15和線圈16構(gòu)成。放電容器包括中央隆起部4和兩個端部6。優(yōu)選地，該容器由AlN制成。引線9將電極14及其軸15與外導(dǎo)線7連接。引線是AlN栓11中的Mo管內(nèi)所包含的Mo棒。引線9和電極14一起構(gòu)成電極系統(tǒng)。用具有封閉的箔8的夾持密封件將容器封閉在外部燈泡2中。外部燈泡設(shè)置有基座3。圖2更詳細(xì)地示出容器的端部6。在一個優(yōu)選實施方案中，引線是直接燒結(jié)到栓11上的Mo管30。為了在處理過程中使Mo管30與AlN栓11的連接處斷裂的幾率最小，可以在栓的外表面上施加玻璃料密封體19作為填料以形成平滑彎曲的接頭，而不是近乎垂直的接頭。這種類型的玻璃料密封體填料在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。圖3更詳細(xì)地示出Mo管30在其表面上具有鋁化層以改善與AlN制栓的粘合。AlN基栓的組成可以與AlN容器的組成相同，或者可以是由摻雜CaO和/或Y2O3燒結(jié)助劑的AlN-Mo(或W)構(gòu)成的陶瓷。含鋁層35直接施用于Mo管，并且在其上建立第二層36。所述層36在鋁化Mo管的表面上由Mo3Al制成。其在共燒結(jié)后變?yōu)锳lN和Mo(Al)復(fù)合物的兩相致密結(jié)構(gòu)。在共燒介入過程中，AlN朝向鋁化Mo收縮。第三層37是到栓11的分界層。圖4示出由可具有不同組成的幾個部件38、39構(gòu)成的栓。AlN基栓的組成可以是單一的或者是由摻雜CaO和/或Y2O3燒結(jié)助劑的AlN-Mo(或W)構(gòu)成的梯度陶瓷，其中有或沒有Mo或W的梯度含量，以使得與組成等同于容器組成的單一組成的情況相比，相互之間的熱膨脹甚至更加相容。在另一個實施方案中，使用不同的端結(jié)構(gòu)。其使用Mo管和構(gòu)成帽形狀并且套在放電容器的毛細(xì)管端部上的栓。該帽也由AlN制成。優(yōu)點是AlN帽-Mo管可以預(yù)收縮以配合高透射率的已燒結(jié)AlN容器的毛細(xì)管，然后整個組合件經(jīng)過二次燒結(jié)產(chǎn)生最終燒結(jié)部件。這些實施方案基于熱膨脹匹配相容的考慮。A1N、Mo和W的平均熱膨脹系數(shù)分別為5.1、5.6和4.6X10_7°C。已知Mo3Al的熱膨脹系數(shù)介于5.7X10_7°C6.6X10_7°C之間。表1中列出相關(guān)材料的熱膨脹系數(shù)。2000K的數(shù)據(jù)涉及要求共燒溫度高至20732223K的直接接合的AlN-鋁化Mo管結(jié)構(gòu)的制造。1000K的數(shù)據(jù)涉及容器溫度達(dá)到1300K和毛細(xì)管端溫度達(dá)到1000K的燈開關(guān)操作期間。列于表1中的Mo3Al的1000K膨脹數(shù)據(jù)是測量值，而同一表中的Mo3Al的2000K數(shù)據(jù)是推測值。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2示出幾個實施方案的結(jié)果。AlN容器的壁厚為0.85mm。第一列給出樣品編號。第二和第三列是指鋁化Mo管并且給出了外直徑OD和內(nèi)直徑ID(以mm為單位)。第4列給出密封性。樣品1的密封性為<5X10_9atmcm7s，樣品25的密封性為<9XliTatmcm3/s。第5列示出總透射率(％)。第6列示出端結(jié)構(gòu)類型(有或沒有額外的玻璃料密封體)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>所有樣品的燒結(jié)條件是相同的。燒結(jié)在N2-IO%H2下在W元素-Mo屏蔽爐中進(jìn)行。典型燒結(jié)溫度為1850°C2000°C，持續(xù)數(shù)個小時，其中升溫時間也為數(shù)個小時。將Mo管(0D0.91.Omm,內(nèi)徑ID0.7mm,長1216mm)的外徑(OD)表面鋁化。表面上的Mo3Al層的厚度為0.10.6mm,優(yōu)選約0.20.4mm(或200400μm)。具有這種厚度時，鋁化Mo的實際膨脹估計為約5.9X10_6/°C，只略高于純Mo(5.6X10_7°C)。鎢管也可被鋁化并用作AlN容器。預(yù)燒AlN管的制造從摻雜13重量％的CaO的AlN粉末的燒結(jié)開始。該粉末與蠟混合，并塑型形成70WPCA隆起尺寸陶瓷管的隆起管，其燒結(jié)壁厚為0.60.85mm。在燒結(jié)前，將部件去連接并在空氣中預(yù)燒。在預(yù)燒AlN管兩端將鋁化Mo管垂直放入預(yù)燒毛細(xì)管中(例如70W尺寸，燒結(jié)為0.76mm的ID)的預(yù)定位置處(例如約68mm的共燒接合)。通過水平連接到鋁化Mo管外側(cè)的Mo線協(xié)助定位。將組裝部件放入在帶有Mo蓋的Mo杯中的Mo固定裝置中。共燒結(jié)在N2-H2下于1850°C1950°C在W元素-Mo屏蔽爐中進(jìn)行14小時，直至真空氣密直接密封。這表明經(jīng)由共燒結(jié)得到AlN管-鋁化Mo管直接連接的可行性。在燒結(jié)期間，樣品可以埋入摻雜有燒結(jié)助劑的AlN顆粒的接合(setter)粉末中，以使得不利于致密化的AlN蒸發(fā)最小化。在共燒介入過程中，AlN向鋁化Mo管收縮(毛細(xì)管ID由1.05mm縮至0.76mm從而擠壓OD0.9-1.Omm的鋁化Mo)。相對于純Mo管，鋁化Mo有助于在共燒AlN和Mo之間形成更好的接合。據(jù)信，當(dāng)Mo3Al稍微分解時，從Mo3Al釋放的Al蒸氣有助于減小與Mo3Al-Mo直接相鄰的AlN的蒸發(fā)和分解，并且與N2-H2燒結(jié)氣氛中的氮反應(yīng)以原位形成A1N，由此得到比單獨的AlN-Mo情況更好的接合。在一些情況下，Mo3Al的厚度(0.4μm)可能過大以至于在鋁化Mo管的端部的AlN中形成微裂縫。AlN毛細(xì)管內(nèi)的鋁化Mo管的插入深度也影響這種微裂縫的發(fā)展趨勢；較短的重疊實現(xiàn)無裂縫和密封的幾率更大。微裂縫涉及(1)共燒接合的深度、(2)鋁化層的厚度、(3)鋁化層、Mo和AlN之間的熱膨脹匹配和(4)加熱速率。Mo3Al的熱膨脹比Mo的大20%或比AlN的大10%；較小厚度的鋁化層會更好。升溫時間設(shè)為4小時，以便可以在一天之內(nèi)(8小時)進(jìn)行一次全運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢赃M(jìn)一步降低加熱速率以允許相比致密化速率更高的蠕變速率，這將有助于阻止微裂縫的形成?？偼干渎蕼y量涉及將光纖光源放入燒結(jié)的PCA管內(nèi)并且測量在球形范圍內(nèi)傳輸和整合的散射光的總量。表2示出在壁厚為0.85mm的部件中獲得高達(dá)86%的透射率。幾何上等同的是，現(xiàn)有技術(shù)的PCA部件具有約95%的總透射率。AlN容器的壁厚越薄則透射率越高。這證明在N2-H2中燒結(jié)可以產(chǎn)生>92%透射率的AlN管。共燒也可以在碳元素爐中在流動氮氣下進(jìn)行。在幾種情況下，共燒結(jié)構(gòu)的底部AlN毛細(xì)管-鋁化Mo管的接合是密封的，但是頂部AlN毛細(xì)管-鋁化Mo管的接合是滲漏的。這被認(rèn)為是由于在燒結(jié)過程中，頂部毛細(xì)管比底部毛細(xì)管具有更高的重量損失所致。更高的重量損失會增加得不到期望介入的可能性，并由此引起滲漏。防止頂部AlN段的分解的方法包括使用AlN穹罩和Mo管罩，這被發(fā)現(xiàn)是有益的。作為替代方案，滲漏的頂部毛細(xì)管-Mo管接合可以通過在界面處熔融和凝固HCl玻璃料(Dy2O3-SiO2-Al2O3)來修補(bǔ)。表2示出樣品13如現(xiàn)有技術(shù)那樣共燒和在兩端密封，而樣品4和5則是共燒后再在頂段進(jìn)行玻璃料密封(在Mo管和AlN毛細(xì)管之間)。共燒鋁化Mo管到AlN毛細(xì)管的拋光橫截面的掃描電子顯微鏡顯示在鋁化Mo管的表面上的Mo3Al層在共燒結(jié)后變?yōu)锳lN-Mo(Al)復(fù)合物的兩相致密結(jié)構(gòu)。通過電子微探針定量分析確定Mo(1%Al)相不是原來的Mo3Al。鋁化Mo和AlN的界面處的接合涉及AlN相和Mo(Al)相的直接混合裝配。Mo上的原Mo3Al層表現(xiàn)為失去Al或與AlN反應(yīng)形成含Al的Mo，與AlN網(wǎng)絡(luò)相互分散，該AlN網(wǎng)絡(luò)可由Al蒸氣與共燒氣氛中的N2的氮化反應(yīng)原位形成。雖然已經(jīng)示出和描述了目前認(rèn)為的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行多種變化和修改，而不違背所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求一種具有由AlN制成的端結(jié)構(gòu)的陶瓷電弧管，所述陶瓷電弧管具有電極系統(tǒng)和可電離填充物，所述電極系統(tǒng)具有設(shè)置在所述端結(jié)構(gòu)中的引線，所述引線由選自Mo或W的難熔金屬RM構(gòu)成，其中所述引線具有RM-Al層并且在所述RM-Al層與所述端結(jié)構(gòu)之間提供直接接合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電弧管，其中所述端結(jié)構(gòu)是毛細(xì)管。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電弧管，其中所述引線是Mo管。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電弧管，其中所述引線由Mo構(gòu)成，并且所述RM-Al層是初始含有MO3Al的鋁化層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電弧管，其中所述引線在所述端結(jié)構(gòu)中的插入深度為38mmο6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電弧管，其中所述RM-Al層的厚度為0.20.4mm。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陶瓷電弧管，其中所述RM-Al層是初始含有Mo3Al的鋁化層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陶瓷電弧管，其中所述RM-Al層的厚度為0.20.4mm。9.一種在陶瓷電弧管中提供氣密密封的方法，所述方法包括(a)提供具有開口并且由AlN制成的預(yù)燒端結(jié)構(gòu)，和提供由Mo或W制成的引線；(b)鋁化所述引線的外表面；(c)將所述引線放入所述端結(jié)構(gòu)的開口內(nèi)；和(d)將AlN端結(jié)構(gòu)與鋁化引線在1800°C1950°C下共燒結(jié)30分鐘到20小時，以實現(xiàn)真空氣密的直接密封。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述共燒結(jié)是在N2-H2氣氛中完成的。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述共燒結(jié)進(jìn)行14個小時。全文摘要一種具有氮化鋁(AlN)端結(jié)構(gòu)(36)的陶瓷材料電弧管，其中引線(30)通過直接接合進(jìn)行密封。所述引線由難熔金屬W或Mo構(gòu)成，其外表面被鋁化。優(yōu)選地，所述引線是在直接接合之前已經(jīng)具有Mo3Al層(36)的Mo管，該鋁化層在AlN陶瓷和難熔金屬引線之間提供接合界面。文檔編號H01J61/36GK101802955SQ200880107690公開日2010年8月11日申請日期2008年9月18日優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日發(fā)明者慶·范·嘉,斯特芬·沃爾特,羅蘭·許廷格,魏家清申請人:奧斯蘭姆有限公司