TWI523979B - 非整體式坩堝 - Google Patents
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Description
本發明大體上涉及藍寶石生產領域。
已通過若干不同工藝生產合成藍寶石多年。通常，藍寶石晶體通過液態Al2O3的定向凝固來生長。液態Al2O3需要在高於2025℃的溫度下容納於坩堝中。為此，鉬和鎢曾被證明是合適的坩堝材料。過去已開發出用以生長具有增加的直徑的藍寶石的技術。雖然在過去，200mm直徑和300mm直徑已是標準直徑，但現在製造商指望生長具有380mm直徑的晶體。增加直徑結合增加坩堝高度的趨勢對於坩堝的製造是個挑戰。同時，需要具有380mm直徑和430mm高度的大量坩堝。典型的壁厚度為4mm到8mm。在將來很可能需要更大的坩堝來製造藍寶石。
目前，藍寶石的製造設備的製造商以及此設備的使用者正在使用整體式坩堝，即用於此工藝的坩堝僅包含一個部分。這些坩堝僅可使用一次，當藍寶石的生產完成時，需要破壞坩堝以取出藍寶石產品。因此，根據當前實踐，在完成藍寶石生產之後就必須立刻破壞由例如鉬和鎢等貴金屬形成的坩堝的整個主體，且在下次使用時重做，從而導致大量的資本和勞動力浪費。
因此，在藍寶石生產中需要更經濟和有效地使用坩堝。
下文所描述的實施例解決了以上指出的問題和要求。
在本發明一個方面中，提供一種非整體式坩堝，其包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，其中所述底部部分包括能夠穩固地容納Al2O3液體的整體式底部坩堝；其中所述至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分安裝到所述底部部分上且彼此疊放，在所述部分之間形成接合處，以便能夠穩固地容納Al2O3粉末，而不會有大量粉末通過所述部分中的任一者或通過所述部分之間的接合處中的任一者洩漏。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝由以下製成：a)CIP-車床上加工(machine on lathe)-燒結-車床上加工，b)CIP-燒結-車床上加工，c)CIP-燒結，d)HIP-車床上加工，e)HIP，f)通過接合(焊接)由若干部分組裝坩堝-車床上加工，g)通過接合(焊接)由若干部分組裝坩堝，h)深衝壓-車床上加工，i)深衝壓，j)旋壓成形-車床上加工，k)旋壓成形，或
l)以上a)到k)操作中任一者的修改。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝由鉬和/或鎢製成。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述頂部部分是重複利用的頂部部分。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述接合處包括防黏材料以防止頂部和底部坩堝在非整體式坩堝使用期間因燒結而接合。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述防黏材料包括氧化鋯或鎢，且其中所述非整體式坩堝是由鉬製成。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述防黏材料包括粗粉末顆粒，所述粗粉末顆粒不會經歷不利的化學反應且在高溫下具有低燒結活性。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，底部部分與頂部部分之間的接觸區域減到最小。
在本發明的非整體式坩堝的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述接合處進一步包括用以鬆脫所述接觸區域的位置控制桿。
在本發明另一方面中，提供一種製造非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：提供至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分；提供一個底部部分；以及形成所述非整體式坩堝。
在所述方法的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝如上文所描述的實施例中任一者所述。
在本發明另一方面中，提供一種使用非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：向非整體式坩堝提供Al2O3粉末，在一定溫度下加熱Al2O3以產生Al2O3液體，控制Al2O3液體的溫度，以便允許藍寶石晶種以受控速率生長為所要尺寸的藍寶石產品，從所述底部部分移除所述頂部部分，以及從所述底部部分移出所述藍寶石產品以獲得所述藍寶石產品。
在所述方法的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝是如上文所描述的實施例中任一者所述。
1‧‧‧頂部坩堝
2‧‧‧底部坩堝
3‧‧‧接合處
o‧‧‧外部
i‧‧‧內部
圖1展示包括底部坩堝和僅一個頂部部分的非整體式坩堝的示意圖。
圖2A到2D展示用以固持本發明的非整體式坩堝的頂部部分的頂部邊緣的設計的數個實例。
圖3A到3D展示本發明的非整體式坩堝的數個實例。
圖4展示在本發明的非整體式坩堝的頂部部分與底部部分之間的實施例設計的接合處的接觸區域。
適用時，術語“安全地”應指容納高溫的Al2O3液體和藍寶石產品的條件是穩固且安全的，其在所屬領域技術人員的認知範圍
內。在一些實施例中，術語“安全(safe)”與術語“穩固(secure)”可互換使用。
適用時，術語“不會有大量粉末洩漏”應指少於約10%的粉末洩漏。在一些實施例中，粉末洩漏少於約5%，少於約2%，或少於約1%。
適用時，術語“防黏材料”應指能夠防止頂部和底部坩堝在非整體式坩堝使用期間因燒結而接合的材料。
適用時，術語“晶種藍寶石”應指原位形成或提供給製造藍寶石的坩堝的晶種，其在所屬領域技術人員的認知範圍內。在一些實施例中，必要時，所述晶種可為由除Al2O3之外的材料形成的晶體。
在本發明一個方面中，提供一種在合成供藍寶石生長或類似工藝中使用的坩堝。本發明包括一種坩堝，其包括至少兩個或兩個以上部分，即一個底部坩堝2、一個或一個以上頂部部分1，和需要時使用的輔助部分。所述底部坩堝包括適合於容納用於製造藍寶石的液態Al2O3的整體式坩堝(底部坩堝)，且所述底部坩堝2的邊緣包括適合於固持頂部部分1的設計。所述頂部部分放置於底部坩堝2的邊緣上以延長底部坩堝2的高度。或者，一個以上頂部部分1可放置於底部坩堝2上，一者在另一者之上。
底部部分2和頂部部分1的組合件適合於容納Al2O3粉末，Al2O3粉末是藍寶石製造工藝的起始材料。頂部部分2的功能是固持Al2O3粉末，在所述工藝開始時，Al2O3粉末被填充達到高於底部坩堝高度的水平。隨著粉末熔化，填充水平降到底部坩堝2的頂部邊緣以下且頂部部分1不再起作用。頂部坩堝2與底部坩堝1之間或兩個頂部部分之間的接合處經設計以防止Al2O3粉末洩
漏，但不需要防止液態Al2O3洩漏，因為提供的Al2O3粉末的量使得由Al2O3粉末產生的液體將填充接合處下方的底部坩堝2。在由液態Al2O3生長出藍寶石之後，可重新利用頂部部分1。圖1展示包括底部坩堝2和僅一個頂部部分1的非整體式坩堝的示意圖。
在一些實施例中，可通過將底板與管段接合來製造所需大小的鉬和/或鎢坩堝，其中所述管段可為無縫管、焊接管或另外由片材製成。還有可能將管段焊接到高度較小的坩堝上，從而使其延長到所需高度。請注意，當使用鉬或鎢形成底部坩堝時，由於焊接的脆性，使得與其餘結構相比，焊接可較弱。
在一些實施例中，可通過對粉末進行冷等靜壓(cold isostatic pressing，CIP)以製成所需形狀且隨後燒結，來製造所需大小的鉬和/或鎢坩堝。在這些實施例中，對於較大的坩堝，可通過在製造工藝的初始階段中製備過量的壁厚度，且隨後通過在車床上加工確切所需的輪廓來移除多餘材料，由此維持輪廓精度。
在一些實施例中，可通過熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)來製造所需大小的鉬和/或鎢坩堝。通常會需要通過在車床上加工經HIP的坩堝來完成製造。
在一些實施例中，可通過深衝壓或通過旋壓成形來製造所需大小的鉬坩堝。對於兩種製造技術，都將鉬片用作起始材料。深衝壓僅對大量零件有效，而旋壓成形對中等到少量零件有效。兩個工藝一般都局限於製造高度直徑比為2的坩堝。此外，其受到具有所需寬度以製造較大坩堝的鉬片的可用性限制。當使用深衝壓時，需要使用氫氣氛爐，其允許將待深衝壓的片材放置於其熱區中。對於目前所需的坩堝大小(380mm×430mm)，所述爐需要至少一米乘一米的有用熱區。對於更大的坩堝大小，將需要甚至更大的爐。
用於製造藍寶石的非整體式坩堝包括底部坩堝，所述底部坩堝類似於整體式坩堝，不同之處為底部坩堝的邊緣經設計以安全並穩固地固持一個或一個以上頂部部分。非整體式坩堝的底部坩堝可由作為現有技術描述的所有方法製成。圖2A到2D中展示用以固持本發明的非整體式坩堝的頂部部分的頂部邊緣的設計的數個實例。圖2中，o表示外部，i表示內部。
在一些實施例中，非整體式坩堝的頂部部分是管段，所述管段經設計以安全地放置到底部坩堝上。可以下文所描述的各種不同方式來製造所述管段：在一些實施例中，可通過製成所需大小的焊接管來製造非整體式坩堝的頂部部分。舉例來說，所述焊接可為連續的或非連續的。
在一些實施例中，可通過製成所需大小的鉚接管來製造非整體式坩堝的頂部部分。
在一些實施例中，可通過製成所需大小的CIP/燒結或HIP管來製造非整體式坩堝的頂部部分。
在一些實施例中，可通過借助深衝壓、旋壓成形等製成無縫管來製造非整體式坩堝的頂部部分。
在一些實施例中，可通過任何其它方法來製造非整體式坩堝的頂部部分，只要所得頂部部分將防止粉末漏出且可安全地放置於底部坩堝的頂部上即可。
圖3中展示本發明的坩堝的一些實例，其說明且不應被解釋為限制本發明的範圍。可預想到其它設計。本發明的根本觀點是具有可重新利用的一個或一個以上頂部部分。本發明的另一根本觀點是能夠使用較小且因此較廉價的製造設備。本發明的另一根本觀點是能夠使用比生產相同大小的整體式坩堝所需的材料廉
價的材料來生產有用的非整體式坩堝。
歸因於藍寶石製造過程期間的高溫，在打算重新利用頂部部分的情況下，需要防止頂部坩堝與底部坩堝燒結在一起。此可通過若干方法實現。
可通過接合處的適當設計來使頂部坩堝1與底部坩堝2之間的接觸區域最小。因此，燒結將僅在狹窄的接觸區域中發生。為了能夠在頂部部分1已燒結到底部坩堝2之後重新利用頂部部分1，可在不影響頂部部分1完整性的情況下，斷開狹窄的接觸區域(圖4)。底部部分與頂部部分之間的接合處3可經設計以使得粗粉末顆粒能放置於接合處中而不會掉到坩堝中。可挑選不發生不利的化學反應且在高溫下具有低燒結活性的顆粒。合適的顆粒包含(但不限於)氧化鋯和鎢。歸因於低燒結活性，可通過斷開在接合處頂部部分與底部坩堝之間的的鬆散連接來無損壞地從底部坩堝移除頂部部分1。可在接合處作預防措施，其有助於在不破壞頂部部分1的情況下斷開略微燒結的接合處(圖4)。
在本發明另一方面中，提供一種製造非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：提供至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分；提供一個底部部分；以及形成非整體式坩堝。
在所述方法的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝是如上文所描述的實施例中任一者所述。
在一些實施例中，所述製造非整體式坩堝的方法涉及以下操
作中至少一者：a)CIP-車床上加工-燒結-車床上加工，b)CIP-燒結-車床上加工，c)CIP-燒結，d)HIP-車床上加工，e)HIP，f)通過接合(焊接)由若干部分組裝坩堝-車床上加工，g)通過接合(焊接)由若干部分組裝坩堝，h)深衝壓-車床上加工，i)深衝壓，j)旋壓成形-車床上加工，k)旋壓成形，或l)以上a)到k)操作中任一者的修改。
以上(a)到(l)的操作在先前有所描述，或在金屬製造領域中技術人員的認知範圍內。
在本發明另一方面中，提供一種使用非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：向非整體式坩堝提供Al2O3粉末，在一定溫度下加熱Al2O3以產生Al2O3液體，控制Al2O3液體的溫度，以便允許藍寶石晶種以受控速率生長為所要尺寸的藍寶石產品，從所述底部部分移除所述頂部部分，以及從所述底部部分移出所述藍寶石產品以獲得所述藍寶石產品。
在所述方法的一些實施例中，結合以上實施例中的任一者，所述非整體式坩堝是如上文所描述的實施例中任一者所述。
下文概括地描述本發明的應用。細節可依據藍寶石製造設備的具體設計而變化。
將Al2O3粉末填充到鉬坩堝中。將裝有粉末的坩堝放置於爐中並加熱以熔化粉末。隨著粉末熔化，填充水平顯著降低，因為粉末的沉積表觀密度(settled apparent density)顯著低於液體的密度。隨後通過對液體施加溫度梯度來定向凝固液體。以使得晶種將生長並確定完成的藍寶石的晶體取向的方式控制所述工藝。一旦所有液態Al2O3都已凝固，就達到了藍寶石的最大大小且所述工藝結束。
在粉末熔化期間降低的填充水平允許使用本發明。在需要坩堝能夠在無任何粉末洩漏的情況下容納高填充水平的粉末的同時，需要坩堝能夠在無任何洩漏的情況下容納較低填充水平的液體。此情形允許使用所提出的本發明。非整體式坩堝由非常類似於標準整體式坩堝的底部坩堝組成。僅底部坩堝的設計允許將頂部部分安全地放置到底部坩堝的邊緣上，其增加了坩堝的總高度。底部部分與頂部部分之間接合處須以使得填充超過接合處高度的粉末將不會洩漏的方式設計。底部部分與頂部部分之間接合處須以使得在生產出藍寶石之後可容易地分離頂部坩堝與底部坩堝的方式設計。底部坩堝的高度須使得液體的最大水平將在接合處下方。底部部分與頂部部分之間接合處可以使其與製造設備相容的方式設計。如果非整體式坩堝的設計滿足這些條件，那麼非整體式坩堝可以與標準整體式坩堝相同的方式使用，並具有下文所描述的優點。
本發明允許一種用以生產藍寶石生長所需的坩堝的成本有效的方式。本發明可應用於所有上文所提及的坩堝製造方法。
當通過CIP/燒結或通過HIP技術製造坩堝時，非整體式坩堝中相比整體式坩堝的大小較小的個別部分允許使用較小的(即較廉價的)設備，且其允許在製造過程期間實行更好的形狀控制。形狀控制是個問題，因為在燒結期間粉末的收縮是不均勻的，從而導致所述部分在燒結期間變形。對於較小的部分來說，所述效應較小。
與通過CIP/燒結或通過HIP或通過接合(焊接)製成的坩堝相比，由片材通過深衝壓或通過旋壓成形製成的坩堝一般脆性較低且較為耐用。因此，通過深衝壓或通過旋壓成形製成的坩堝優於通過其它方法製成的坩堝。
可通過深衝壓或通過旋壓成形製成直徑為380mm且高度為430mm的整體式坩堝。這些工藝需要將寬度為約950mm的鉬片作為起始材料。世界上很少有製造商能使用軋製機製造出具有所需寬度的鉬片。因此，與具有較小寬度的起始材料相比，此起始材料的市場價格更高。此外，深衝壓或旋壓成形所需的工具和機器很大，從而導致與針對軋製所描述的市場形勢相同的市場形勢。對於非整體式坩堝的製造來說，可使用較廉價的起始材料，因為與具有相同大小的普通設計的整體式坩堝相比，需要具有較小寬度的非整體式坩堝片材。此外，可使用較小的設備分別用於深衝壓工藝或旋壓成形工藝，其進一步增加了成本優勢。
通常，用於製造藍寶石的整體式坩堝僅使用一次。在藍寶石製造過程期間，坩堝損壞而不能修復，且必須扔棄，這是很大的成本。非整體式坩堝的使用允許多次重新利用坩堝的頂部部分。僅需扔棄坩堝的底部坩堝。對坩堝的較大部分的重新利用允許額
外的成本節約。
此外，非整體式設計允許頂部部分使用與底部坩堝相比的較薄的壁厚度，而不會在製造坩堝中有任何額外困難。此設計自由允許使用較少的材料，即進一步的成本節約。
雖然已展示並描述了本發明的特定實施例，但所屬領域技術人員將明白，在不脫離本發明的情況下，可在其較廣方面中作出改變和修改。因此，所附申請專利範圍將在其範圍內涵蓋落入本發明的真實精神和範圍內的所有此類改變和修改。
1‧‧‧頂部坩堝
2‧‧‧底部坩堝
Claims (14)
- 一種非整體式坩堝，其包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，其中所述底部部分包括能夠穩固地容納Al2O3液體的整體式底部坩堝；其中所述至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分安裝到所述底部部分上且彼此疊放，在所述部分之間以最小接觸面積形成接合處，以便能夠穩固地容納Al2O3粉末，而不會有大量粉末通過所述部分中任一者或通過所述部分之間的所述接合處中的任一者洩漏。
- 根據如申請專利範圍第1項所述的非整體式坩堝，其是通過以下製成：a)CIP-車床上加工-燒結-車床上加工，b)CIP-燒結-車床上加工，c)CIP-燒結，d)HIP-車床上加工，e)HIP，f)通過接合(焊接)由若干部分組裝所述坩堝-車床上加工，g)通過接合(焊接)由若干部分組裝所述坩堝，h)深衝壓-車床上加工，i)深衝壓，j)旋壓成形-車床上加工，k)旋壓成形，或 l)以上a)到k)操作中任一者的修改。
- 根據申請專利範圍第1項所述的非整體式坩堝，其是由鉬和/或鎢製成。
- 根據申請專利範圍第2項所述的非整體式坩堝，其是由鉬和/或鎢製成。
- 根據申請專利範圍第1到4項中任一申請專利範圍所述的非整體式坩堝，其中所述頂部部分是重複利用的頂部部分。
- 根據申請專利範圍第1項所述的非整體式坩堝，其中所述接合處包括防黏材料以防止頂部和底部坩堝在所述非整體式坩堝使用期間因燒結而接合。
- 根據申請專利範圍第6項所述的非整體式坩堝，其中所述防黏材料包括氧化鋯或鎢，且其中所述非整體式坩堝是由鉬製成。
- 根據申請專利範圍第6項所述的非整體式坩堝，其中所述防黏材料包括粗粉末顆粒，所述粗粉末顆粒不會經歷不利的化學反應且在高溫下具有低燒結活性。
- 根據申請專利範圍第1項所述的非整體式坩堝，其中在底部部分與所述頂部部分之間的接觸區域減到最小。
- 根據申請專利範圍第9項所述的非整體式坩堝，其中所述接合處進一步包括用以鬆脫所述接觸區域的位置控制桿。
- 一種製造非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：提供至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分；提供一個底部部分；以及 形成所述非整體式坩堝，其中所述至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分安裝到所述底部部分上且彼此疊放，在所述部分之間以最小接觸面積形成接合處。
- 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中所述非整體式坩堝是如申請專利範圍第1到4及6到10項中任一申請專利範圍所述的非整體式坩堝。
- 一種使用非整體式坩堝的方法，所述非整體式坩堝包括底部部分、至少一個頂部部分，和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分，所述方法包括：向非整體式坩堝提供Al2O3粉末，在一定溫度下加熱所述Al2O3以產生Al2O3液體，控制所述Al2O3液體的溫度，以便允許藍寶石晶種以受控速率生長為所要尺寸的藍寶石產品，從所述底部部分移除所述頂部部分，以及從所述底部部分移出所述藍寶石產品以獲得所述藍寶石產品，其中所述至少一個頂部部分和一個或一個以上任選存在的額外頂部部分安裝到所述底部部分上且彼此疊放，在所述部分之間以最小接觸面積形成接合處。
- 根據申請專利範圍第13項所述的方法，其中所述非整體式坩堝是如申請專利範圍第1到4及6到10項中任一申請專利範圍所述的非整體式坩堝。
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