技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的难熔金属的高温组件，并且涉及一种制备高温组件的方法。
相关背景技术
[0002] 在许多高温应用中，热传递主要通过热辐射进行。在给定温度下发射的热辐射的决定性因素是热传递中所涉及的表面的发射程度或发射率。发射率表示相对于理想的黑色物体，物体发出的辐射量。
[0003] 表面的发射率越高，物体可以通过该表面发出的热辐射越多。
[0004] 同样，热辐射输出的吸收类似地适用：由于物体的发射率和吸收率成正比，因此具有高发射率的物体也比具有低发射率的物体吸收更多的辐射。
[0005] 因此，在要热传递要通过辐射的方式经由其而发生的工艺表面的情况下，要尽力选择其尽可能高的发射率。高发射率允许在较低的组件温度下发出相同的辐射输出。
[0006] 这从Stefan-Boltzmann定律可以立即看出，该定律在灰色物体的一种改进形式中根据灰色物体的温度来指示它的热辐射输出：
[0007] P＝ε(T)·σ·T4
[0008] 其中P是辐射输出，ε(T)是所有波长的加权平均发射率，σ是Stefan-Boltzmann常数且T是开氏温度。
[0009] 较低的组件温度通常有利于组件的寿命。
[0010] 在现有技术中，存在用于提高高温组件的发射率的各种方案：
[0011] US 2014041589(A1)描述了一种加热导体，其至少部分地具有钨的多孔烧结涂层。采用淤浆法来施加涂层。与光滑的钨表面相比，多孔烧结涂层实现了发射率的增加。
[0012] 在其他应用中，还有一些提高高温组件发射率的示例：
[0013] EP 1019948(A1)描述了一种用于高压放电灯的阳极的树枝状金属或金属化合物的涂层，由此将获得大于0.8的发射率值(以发射系数表示)。铼被提及特别适合于此，因为可以由此很好地形成树枝状结构。
[0014] EP 0791950(A2)采用了类似的方法，根据该方法，将细粒钨烧结在高压放电灯的尖端周围。
[0015] 在DE 1182743(B)中，用于高压放电灯的阳极的发射系数通过冷却槽并且在一个实施例中另外通过烧结的碳化钽来增加。
[0016] 根据这些文献，与未涂覆的钨阳极相比，发射率基本上通过增加表面积而增加。
具体实施方式
[0138] 图1a示出了在氮气气氛下在1900℃下退火1小时，涂覆有TaN的表面的扫描电镜图。该涂层通过含TaN粉末的淤浆涂覆实现。
[0139] 观察方向垂直于涂覆表面。
[0140] 与在氩气(图1b)和高真空度(图1c)下退火相反，该层在氮气气氛中保持稳定，没有压痕或平滑。
[0141] 在氩气下，特别是在高真空度下，观察到通过氧化和烧结的压痕和平滑。
[0142] 为了获得高发射率，追求例如图1a中的TaN表面的多孔表面光洁度。
[0143] 在各种退火处理之后，在TaN层上的发射率ε的测定表明，尤其是对于真空退火，与在氮气下退火的样品的发射率0.90相比，其发射率大大降低至0.77。
[0144] 图2a至图2c，类似于图1a至图1c，示出了在不同退火处理之后含有36wt.％的ZrN其余为钨的涂覆表面的扫描电镜图。
[0145] 通过采用ZrN粉末和钨粉末的淤浆涂覆来实现涂层。
[0146] 图2a中的样品在N2下退火，图2b中的样品在Ar下退火，图2c中的样品在高真空度下退火。
[0147] 36wt.％ZrN、其余为钨的样品在高真空度下退火后表现出明显的压痕和氧化。为了获得高发射率，追求如图2a所示的多孔表面光洁度。
[0148] 图3a示出了垂直于含有36wt.％ZrN、其余为钨的涂层样品表面的断裂表面的扫描电镜图。通过采用ZrN粉末和钨粉末的淤浆涂覆来实现涂层。
[0149] 在图像的底部可以看到钨金属片材的基材。在上部可以看到提高发射率的涂层2。涂层2的孔隙率很容易看出。孔隙率有助于进一步提高发射率。
[0150] 图3b以更高的放大倍数示出了相同样品的断裂表面的细节。在其中可以看到ZrN基体中的钨颗粒(“W”)。因此，其是氮化锆颗粒和钨颗粒的复合层。
[0151] 具有特别优势的变型的体积分数(通过定量结构分析测量)为约80％的ZrN和20％的W。
[0152] 图4示出了基于具有不同ZrN含量的ZrN的各种涂层2的发射率(ε)的图。
[0153] 在水平轴(x轴)上绘制以wt.％计的ZrN含量，在垂直轴(y轴)上绘制所得的发射率(ε)。图中的点表示相应的测量值。0％ZrN的测量值对应于裸钨表面的发射率(ε＝0.21)，100％ZrN的测量值对应于不含钨的纯ZrN涂层的发射率(ε＝0.50)。示意性趋势线由虚线描绘。
[0154] 可以看出，如虚线“εth”所示，ZrN和钨的混合物的涂层的发射率意外地没有沿着纯钨和纯ZrN的值之间的直线延伸。而是ZrN和钨的混合物的涂层在约36wt.％的ZrN范围处表现出最大值。在这种情况下，发射率对甚至更低的ZrN含量不是很灵敏，即使含量低至例如5wt.％，仍可获得相当高的发射率值。相反，当ZrN的含量超过40wt.％时，发射率大大降低。
从该图可以看出，ZrN和钨的组合物含有2wt.％至75wt.％之间的ZrN，优选为3wt.％至
60wt.％之间的ZrN，最重要的是更优选为5wt.％至45wt.％之间的ZrN。
[0155] 图5示意性地示出了高压放电灯5。在操作期间，在电极(阴极4和阳极3)之间形成放电电弧。在本示例性实施例中，阳极3是高温组件1，并且设置有根据本发明的提高发射率的涂层2。
[0156] 涂层2允许阳极3发出更高的热辐射输出，从而延长寿命。
[0157] 同样地，阴极4或阳极3和阴极4两者都可以设置有涂层2。
[0158] 在此示例性地示出在高压放电灯5上，提高发射率的涂层2也可以用于其他类型的灯。
[0159] 图6示出了作为高温炉的基础加热器的示例性布置的难熔金属的加热导体6。通过使电流直接流过其中而加热加热导体6，并且通过散发辐射热来温热高温炉的内部。
[0160] 在本示例性实施例中，加热导体6是高温组件1并且设置有根据本发明的提高发射率的涂层2。当在加热导体6上使用时，涂层2允许所述加热导体6在较低温度下产生给定的加热输出。这减少了加热导体6的蠕变并延长了寿命。
[0161] 图7示例性地示出了难熔金属的坩埚7。难熔金属的坩埚例如用于在单晶蓝宝石的生产中熔融氧化铝。为此，将坩埚放置在高温炉中，并通过来自加热导体的辐射热而加热。热传递主要通过坩埚的侧面进行，该侧面吸收辐射热并将其传递给要熔融的产品。在本示例性实施例中，坩埚7是高温组件1，并设置有根据本发明的提高发射率的涂层2。
[0162] 当在坩埚7上使用时，涂层2带来的效果是，由加热导体散发的大部分热量被结合到坩埚7中。因此坩埚7对来自加热导体的热量输入反应更快。
[0163] 涂层2的使用绝对不限于在此示出的示例。涂层2通常对于高温组件是有利的，在高温组件上将通过辐射进行热传递。
[0164] 图8a-c示意性地示出了根据本发明的方法的示例性实施例的过程。
[0165] 图8a示出了方法变型i)的过程。
[0166] 图像的左半部分示出了高温组件1的主体，通过进行处理而增加了该高温组件1的表面积。增加表面积的措施用于增加发射率。
[0167] 根据顶部图像，通过施加淤浆层可以增加表面积。在该实例中，使用钨粉(“W”)来施加淤浆层。也可以使用与基材相容的其他浆料组合物代替钨浆料。在涂覆淤浆之后，对粉末涂敷进行烧结(未具体示出)。
[0168] 根据底部图像，通过机械、化学或热学结构化增加了表面积。
[0169] 在示例性实施例的两种情况下，基材，即高温组件1的主体都是钨。
[0170] 然后通过物理气相沉积将钨以及ZrN和/或TaN涂覆在高温组件1的主体上。溅射过程由溅射靶8示例性地指示在图像的中心。靶8可以由该层的组分组成，或者也可以在该过程中形成氮化物。
[0171] 结果，在图像的右半部分示出了具有提高发射率的涂层2的高温组件1。PVD层的组成可以通过选择溅射靶组成来确定。PVD层通常具有仅几nm或几μm的厚度。
[0172] 图8b示出了方法变型ii)的过程。
[0173] 图像的左半部分示出了通过粉末冶金方法将具有含Zr和/或含Ta的粉末以及可选的钨的涂层施加到高温组件1的主体上。一个粉末冶金涂覆方法的例子是淤浆法。
[0174] 在图像中部示出了在含氮气氛中对高温组件1的涂覆主体的后续热处理。在所示的热处理装置9中，字母“N”表示含氮气氛。热处理将锆和/或钽转变为相应的氮化物并固结涂层。
[0175] 如图像的右半部分所示，获得具有提高发射率的涂层2的高温组件1。
[0176] 图8c示出了方法变型iii)的过程。
[0177] 左侧示出了高温组件1的主体，其包括通过粉末冶金法施加的具有ZrN和/或TaN以及可选的钨的层。
[0178] 图像中部示出了在含氮和/或含氩的气氛中对高温组件1的涂覆主体的后续热处理。在所示的热处理装置9中，字母“N”表示含氮气氛，“Ar”表示含氩气氛。通过热处理使涂层固结。
[0179] 如图像的右半部分所示，获得具有提高发射率的涂层2的高温组件1。
[0180] 使用的名称列表：
[0181] 1 高温组件
[0182] 2 提高发射率的涂层
[0183] 3 阳极
[0184] 4 阴极
[0185] 5 高压放电灯
[0186] 6 加热导体
[0187] 7 坩埚
[0188] 8 溅射靶
[0189] 9 热处理装置
