CN100403489C - 用于蓝宝石金属卤化物灯的整体密封 - Google Patents

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Abstract

一种制造陶瓷金属卤化物放电灯的方法，该灯在蓝宝石电弧管与多晶氧化铝端盖之间具有整体的密封。该方法包括：提供完全致密的蓝宝石并提供由未烧结的压缩的掺有氧化镁和氧化钇的多晶氧化铝粉末制成的端盖。该端盖加热到相对于烧结温度的一较低温度被预烧结，以除去有机粘结剂材料。预烧结的端盖放置在电弧管端部，以在两者之间形成紧密的交接面。预烧结的端盖和电弧管随后被加热到端盖完全烧结在电弧管上并且蓝宝石管生长到端盖内。由此沿着端盖和电弧管之间的交接面形成整体的密封。氧化钇促进蓝宝石管与端盖之间晶体生长。

Description

用于蓝宝石金属卤化物灯的整体密封
技术领域
本发明涉及电灯，特别涉及陶瓷金属卤化物灯，尤其涉及一种用于蓝宝石金属卤化物灯的整体密封。
背景技术
多晶氧化铝(PCA)的灯封壳比常规的石英封壳允许有更高的运行温度，特别是在具有金属卤化物填充物的情况下，其提供了更好的灯性能，包括改进的演色性、色彩分布和更高的功效。一已知的改进是使用PCA端盖密封的蓝宝石(单晶氧化铝)管。蓝宝石不会象玻璃或石英那样熔化和受压，而所形成的端盖或端塞压靠刚性的蓝宝石。太小的压力导致泄漏。太大的压力会导致蓝宝石晶体的破裂。关于蓝宝石管的密封的技术已逐渐发展。然而，由于其膨胀各向异性及蓝宝石沿低角的晶粒边界分裂和破裂的倾向，密封一较大的蓝宝石管，例如密封一个具有3到4毫米内径和0.7毫米或更大的厚度的蓝宝石管在操作上仍然有困难。因而需要一改进的方法，使PCA端盖部件接合到蓝宝石电弧管。本发明主要涉及密封蓝宝石管的方法，其包括较大的蓝宝石管，例如典型地用于100瓦特HCI灯的蓝宝石管。
US 5,4246,09公开PCA电弧管由5个构件组成，其包括一圆柱体，一对封头，和一对密封到半球上的电极接收棒或端部PCA毛细管。欧洲专利申请EP 0827177A2中公开了3个组件，其中由电极件插入部分和位于电极件插入部分周围的环形部分构成的整体模制体做为一整体形成体被插入一模制的圆柱管状体，并且烧结整个组件以形成一最终的主体。US 6,004,503示出了2个构件，包括形成为整体单元的具有开口端和完全封闭端的空心体。该完全封闭端具有一向外延伸的端部PCA毛细管，其具有一电极接收孔。整体单元与一端盖组合，该端盖由一环形部分和一延伸的端部毛细蓝宝石管组成，以形成一用于烧结形成最终主体的组件。相似的构件公开于EP 0954010A1。而且，由一圆柱中心部和2个具有改进的等温条件的半球形端部件所组成的凸形电弧管公开于US 5,936,351。
蓝宝石已被用于高压钠(HPS)灯中的封壳。US 4,423,353描述了一包含有高压钠的电极的蓝宝石灯。其密封方法使用玻璃料，该玻璃料特意地远离存在危险裂纹的蓝宝石管端部。如果在密封期间热应力超过蓝宝石的强度，该裂纹可扩散，导致灾难性的破裂。
蓝宝石的密封可通过一边缘限定膜反馈生长技术来完成。这是用于生产单晶蓝宝石管的技术的一变体。该方法最适合形成初次密封，但由于蓝宝石熔化需要高温(2050℃)，该方法不适宜用于二次密封。
一新颖的用于PCA管的直接密封技术公开于US 4,427,924，其没有涉及玻璃料。该技术使用预烧的一PCA端盖，其掺有2.0％重量百分比的Y2O3，并且包含一安装在完全烧结的PCA端盖的开口端上的铌电极。最终的焙烧使该端盖收缩，以形成PCA管的无玻璃料的密封。US 4,427,924涉及一使用掺有2％重量百分比的Y2O3的PCA端盖和PCA管的液相烧结机构。
US 5,621,275公开一用于无电极电弧放电灯的蓝宝石电弧管，其中PCA端盖通过PCA端盖与蓝宝石管的过盈配合(烧结收缩)被封闭。PCA电弧管用PCA端盖通过直接接合的方法被封闭，也公开于同一专利中。
国际专利申请WO 99/41761公开了一用于蓝宝石金属卤化物灯的整体密封。除了电极穿通件密封到端部毛细管之外，该整体密封使用US 5,621,275中的PCA端盖的方法。
发明内容
本发明提供了一种制造用于陶瓷金属卤化物放电灯的陶瓷电弧管灯组件的方法。该方法包括如下步骤，提供由蓝宝石(单晶氧化铝)制成的管，和提供由未烧结的掺有氧化镁(MgO)与氧化钇(Y2O3)的多晶氧化铝(PCA)制成的端盖。该PCA端盖被加热，直到其被预烧结，以除去粘合剂材料。然后，预烧结的端盖被装配在蓝宝石管上以形成一交接面。随后，预烧结的并含掺杂剂的PCA端盖和蓝宝石管被加热，直到含掺杂剂的PCA端盖烧结到蓝宝石管上，且蓝宝石管的蓝宝石晶体生长入含掺杂剂的PCA端盖，以在前述的PCA端盖和蓝宝石管间的交接面上形成整体密封。
依据本发明的优选实施形式，该蓝宝石管包括一进入到端盖内的大于40.0微米的生长区域。在本发明另一方面中，该蓝宝石管与多晶氧化铝端盖之间的交接面展现出大于10.0微米的峰部对峰部的粗糙度。
附图说明
图1为一横截面示意图，其示出了本发明的在预烧结之后但在密封之前的具有蓝宝石电弧管和陶瓷端盖的灯组件；
图2为一横截面示意图，其示出了本发明的在烧结之后的具有蓝宝石电弧管和陶瓷端盖的灯组件；
图3为一横截面示意图，其示出了本发明的在填充及密封之后的具有蓝宝石电弧管和陶瓷端盖的灯组件；
图4为一蓝宝石与PCA的交接面的横截面照相视图，其应用灯密封的现有技术，仅使用掺有MgO的PCA(现有技术)；和
图5为一横截面照相视图，其示出了灯密封的蓝宝石与PCA的交接面，其使用了掺有氧化镁和氧化钇的PCA。
具体实施方式
图1是根据本发明的具有蓝宝石电弧管12和陶瓷端盖18的灯组件在预烧结之后但在烧结与密封之前的横截面示意图。本技术领域所知的形成端盖的方法有很多种。例如，在US 6,274,982中示出了几种方法，在这里引入该专利以供参考。端盖可包括一内部槽，以与蓝宝石管的大致环形端部紧密配合，或不与蓝宝石管的环形端部紧密配合。端盖可包括一端部毛细管，以支撑或密封电极，或不对电极进行支撑或密封。端盖的这种结构变化被认为是这里所考虑的基本端盖的等效变化。灯的两个端部可相似或相同地形成。根据本发明，仅相关的是，蓝宝石管的至少一个端部被烧结及密封。
灯的密封最初包括一蓝宝石(单晶氧化铝)管12和一外部端面16，蓝宝石管限定一封闭的内部容积14。优选的蓝宝石电弧管12为具有环形端面和通常是圆柱形内外表面的管形形状。壁厚度22可以是任何适当的尺寸。透明的电弧管12由完全致密的蓝宝石形成。该蓝宝石管可用任何适当的方法制造。所使用的蓝宝石管带有与管长度方向平行的C轴。蓝宝石管12被多晶氧化铝(PCA)端盖18封闭，该端盖具有与外部表面16邻接的内部表面20。
端盖18由掺有氧化镁和氧化钇的多晶氧化铝(PCA)制成。该PCA可被掺以150到1000ppm的MgO，和100到700ppm的Y2O3。优选的掺杂是500ppm的MgO和350ppm的Y2O3。下面的程序被用来制作PCA端盖和端部毛细管组件。氧化铝粉末(CR6，Baikowski)通过喷雾干燥被掺以作为烧结助剂的500ppm的氧化镁(MgO)和350ppm的氧化钇(Y2O3)。含掺杂剂的PCA成形为可被装配到蓝宝石电弧管上的端盖。端盖18最初仅用MgO(500ppm)作为掺杂剂制成。在这些灯内的PCA端盖与蓝宝石管之间的接合部位不是可靠密封的。具有更高的表面面积的粉末(CR30，Baikowski)随后被试用。但在氦泄漏试验中接合部位仍不是密封的。于是，Y2O3掺杂剂被加到PCA，以在烧结期间形成一PCA端盖18与蓝宝石管12之间的液相。该液相被发现可帮助使端盖的形状与所生成的蓝宝石管的略微有棱的表面完全相配。因此，PCA、MgO和Y2O3的组合导致了PCA与蓝宝石管之间的不漏氦的密封。
为了制成PCA端盖，掺以MgO和Y2O3的带有有机粘结剂的氧化铝粉末在12.5kpsi下被等压地压制成圆材。该圆材在空气中被焙烧到1200℃，以去掉有机粘结剂。然后，该预烧结的圆材被加工成其最终的形状，其尺寸为烧结后可与蓝宝石管形成6.0％的过盈密封(1.0％到7.0％被认为是有效范围)。换句话说，单独地烧结端盖通常可导致其内径比蓝宝石管的外径小6.0％。在随后的烧结期间，在结合的组件中所产生的约6.0％的过盈配合足以使得含掺杂剂的PCA与蓝宝石管之间形成良好的机械接触，从而在烧结期间促进蓝宝石生长入PCA内。
端部PCA毛细管24通过挤压氧化铝粉末(CR6，Baikowski，掺有500ppm的MgO)制成。然后，该挤压成形的PCA毛细管24被切削为一定长度，并被插入加工成形的PCA端盖18。随后，PCA端盖和端部毛细管组件在1325℃的空气内被焙烧，以使两个件固定在一起。
然后，通过在1325℃的空气内垂直地焙烧，端盖18和端部毛细管24的组件被固定在蓝宝石管12的两个端部上。该电弧管组件被垂直安置，以保持PCA端盖和端部毛细管组件的直线对齐。装配有端盖的蓝宝石电弧管在流动的湿氢气(露点等于0℃)中以1880℃的温度被烧结四个小时，其加热率为每分钟15℃。该加热周期具有在1400℃保持30分钟的过程。在此1400℃的保持过程的开始时，湿气随着氢气被引入。烧结过程在一冷壁的、钼钢防护的钨元素炉中进行。3克的掺有10.0％MgO的氧化铝被用于炉腔内，以在烧结期间产生镁蒸汽物质，从而避免了在PCA内的过大的晶粒生长，其是由于PCA中的MgO掺杂剂在烧结期间的过度损失而产生的。以每分钟30℃的速率进行冷却。最终的烧结过的PCA体内的平均晶粒尺寸在20到30微米的范围内，这是具有高机械强度的同时具有高透光性所需的。
图2为一横截面示意图，其示出了本发明的在烧结之后的具有蓝宝石电弧管12和陶瓷端盖18的灯组件。烧结之后外部表面16的蓝宝石材料与含掺杂剂的PCA材料的内部表面20相结合，以形成蓝宝石管12与PCA端盖18之间的整体密封。结合的材料区则围绕蓝宝石管12延伸，以提供蓝宝石管12与PCA端盖18间的气密的整体密封。MgO掺杂剂可以以三种方式存在于最终的PCA中：1)解散于原子晶格中，2)分离于晶粒边界中，和3)做为MgO-Al2O3尖晶石第二相的构成物。Y2O3同样地可以三种方式存在于PCA中：1)溶解于原子晶格中，2)分离于晶粒间界中，和3)做为3Y2O3-5Al2O3(YAG)第二相的构成物。对于一具有掺以Y2O3的PCA完成的灯则意味PAC中掺有的Y2O3以这些产生形式中的一种或多种存在。
因PCA掺杂剂而产生的液相显著地促进了蓝宝石与PCA的结合的形成。MgO的含量可在100到1000ppm的范围内。Y2O3的含量可在100到700ppm的范围内。优选值为500ppm的MgO和350ppm的Y2O3。在掺有500ppm的MgO加上350ppm的Y2O3的PCA中，Al2O3-Y2O3-MgO系统中的液相于1761℃以上的温度下形成。该液相促进了PCA中的双峰式晶粒尺寸分布。相反地，单独掺有MgO的PCA通过固态扩散机制达到了完全致密化，并且具有单轴晶粒尺寸分布。该液相有利于蓝宝石与PCA以多种方式直接结合。其运用毛细作用力来吸引PCA使其更靠近蓝宝石。液相材料也充满于蓝宝石与PCA初始的边界的间隙或空隙中(若有的话)。该液相也允许PCA晶粒高度地重新排列，其加强了蓝宝石与PCA间的结合。
在直接结合的形成期间，蓝宝石与PCA初始的边界向PCA迁移。该边界的迁移主要是蓝宝石生长入PCA内的结果。迁移的驱动力被认为是边界能，同时边界生长的动力与边界扩散有关。通常发现：对于蓝宝石与PCA的边界迁移进PCA的深度，掺有MgO和Y2O3的PCA要高于仅掺有MgO的PCA。
图3为一横截面示意图，其示出了本发明的在电极组件30密封之后的具有蓝宝石电弧管12和陶瓷端盖18的灯组件。电极组件30可根据多种形式制成。优选的电极组件30包括一直的支撑件，其具有连接到钼制内侧端部34的铌制外侧端部32，以支撑钨制末端部36或线圈38。该支撑件与末端部或线圈滑动穿过毛细管24，直到适当地被定位。毛细管24与铌制外侧端部32之间的间隙用玻璃料40填充并密封。腔体的内部容积14包括填充物42，其包括多种已知的金属卤化物盐和诸如氩、氪、氙这样的惰性填充气，优选的灯的填充物包括11.5毫克的汞和14毫克的金属卤化物盐。用于100瓦蓝宝石灯的缓冲气体为150毫巴的氩气。用于100瓦灯的蓝宝石管的尺寸为：外径8.4毫米、内径6.8毫米、长10毫米。带有蓝宝石管的电弧管尺寸为：外径3.1毫米、内径1.5毫米、长8毫米，其也要使用与100瓦灯相似形状的注塑模制的PCA端盖进行试验。100瓦的灯具有的优选的电弧间隙为5.0毫米。根据该方法制成的100瓦的灯在60Hz的H桥镇流器上运行，该镇流器提供方波输入功率。两个电极随后被通以阳极与阴极周波。两个灯被时效处理一个小时。在梢部区域内的电极温度在底部电极处达到了3200°K，在顶部电极处为约3400°K。灯的数据随后被测量。每瓦的流明(LPW)约为85，色彩再现指数(CRI)约为90，以及红色测量(R9)约为25。色彩较正温度(CCT)为3100°K。
图4为一蓝宝石与PCA的交接面的横截面照相视图，其应用灯密封的现有技术，使用仅掺有MgO的PCA。现有技术中密封的蓝宝石材料50看上去是近似无特征的，而PCA材料52看上去为具有约8.0微米平均直径的大量密集的多边形微粒。蓝宝石材料50与PCA材料52之间的交接面近似地为一直线，其以大致小于PCA晶粒直径平均值的五分之一的偏差沿PCA交接面线54变化。容易看到的是分离可能沿该交接面线54蔓延。一邻近PCA材料52的交接面材料56的窄带在蓝宝石50侧上。一残留的填隙孔58的直线限定该交接面材料56的窄带的宽度。交接面材料56是从蓝宝石材料50进入PCA材料52内的晶体生长。通过测量机构可看到该蓝宝石生长的宽度约为20微米。图4因而示出了蓝宝石(交接面材料56)进入掺有MgO的PCA内的有限的生长。
图5为一横截面照相视图，其示出了灯密封的蓝宝石与PCA的交接面，其使用掺有MgO和氧化钇的PCA。在密封中，蓝宝石材料60看上去也是近似无特征的，而PCA材料62看上去也是具有约25.0微米平均直径的大量密集的多边形微粒。蓝宝石材料60与PCA材料62之间的交接面线64是不规则的，其部分地具有直的部分，也具有不平或参差的部分。沿PCA交接面线64的尺寸偏差约为PCA晶粒直径平均值的一半或甚至一倍，其晶粒也实质上地增大。容易看到的是沿该交接面线64分离的可能性小于现有技术中的实例。一邻近PCA材料62的交接面材料66的窄带在蓝宝石60侧上。一残留的填隙孔68的直线限定该交接面材料66的该窄带的宽度。交接面材料66是从蓝宝石材料60进入PCA材料62内的晶体生长。通过测量机构可看到该蓝宝石生长的宽度约为120微米，近似为现有技术中例子的六倍。该测量可通过使用已知的金相侵蚀和摄影方法获得。图5因而示出了蓝宝石进入掺有MgO和Y2O3的PCA内的增加的生长。
增加的蓝宝石生长被认为与由液相引起的溶液的再析出过程有关。而且，当PCA掺有MgO和Y2O3时，该改进的蓝宝石与PCA的交接面与当PCA仅掺有MgO时较直的交接面相比较更粗糙。通过沿交接面测量最大的峰部到谷部的距离可进行交接面的粗糙度的比较。蓝宝石与掺有MgO和Y2O3的PCA的交接面的粗糙度约为40微米，而蓝宝石与只掺有MgO的PCA的交接面的粗糙度仅约为2或3微米。简而言之，做为PCA掺杂剂的氧化钇的加入1)增大了生长区的深度，和2)通过更凹凸不平的交接面将两表面固定在一起。
由于Y2O3被认为与稀土金属卤化物灯的填充物的兼容性很弱，其被认为不能用于陶瓷金属卤化物灯。氧化钇会与金属卤化物材料不利地发生反应，导致内部灯的化学成分及灯的密封破坏。然而，申请人已发现蓝宝石密封到掺有MgO和Y2O3的PCA中不会发生兼容性问题。由该方法构造成的金属卤化物灯显示出对灯的填充物没有明显的化学破坏，并且在填充材料与封壳材料之间没有明显的化学上的相互作用。这被认为是如下部分原因所导致(1)Y2O3掺杂剂成为PCA中的YAG(铝酸钇石榴石，3Y2O3-5Al2O3)相，和(2)该YAG相以离散的微粒的形式保持，其隐藏于氧化铝微观结构中，并因此没有或不直接金属卤化物灯的填充物暴露。
虽然本发明的特别实施例已被详细描述，可以理解的是，本发明并不相应地局限于该范围内，而是包括在所附的权利要求的精神及条款所限定的所有变化及变型的。

Claims (14)

1.一种高压放电灯，其包括：
一蓝宝石管，其具有限定内部容积的内部表面和限定外直径的外部表面；
至少一个端盖，其封闭所述蓝宝石管的端部并且邻接围绕该蓝宝石管的外部表面，该端盖包括掺有氧化镁和氧化钇的致密的多晶氧化铝，该蓝宝石管展现出进入所述端盖内的晶体生长，以环绕蓝宝石管提供密封；
一导电电极，其密封地穿过所述端盖，在灯外部与封闭的内部容积之间延伸；和
封闭于蓝宝石管的所述内部容积内的填充材料，该填充材料通过施加电能可以被激励以发射光。
2.如权利要求1所述的灯，其特征在于，该蓝宝石管具有等于或大于1.0毫米的外部表面直径。
3.如权利要求1所述的灯，其特征在于，该蓝宝石管包括一进入到端盖内的大于40.0微米的生长区域。
4.如权利要求1所述的灯，其特征在于，该蓝宝石管与多晶氧化铝端盖之间的交接面展现出大于10.0微米的峰部对峰部的粗糙度。
5.如权利要求1所述的灯，其特征在于，多晶氧化铝端盖包括100到700ppm的氧化钇。
6.如权利要求5所述的灯，其特征在于，多晶氧化铝端盖包括350ppm的氧化钇。
7.如权利要求1所述的灯，其特征在于，该填充材料为金属卤化物。
8.如权利要求1所述的灯，其特征在于，
该蓝宝石管的外部表面直径大于1毫米；
该端盖包括掺有氧化镁和100到700ppm的氧化钇的致密的多晶氧化铝，该蓝宝石管展现出进入所述端盖内的大于100微米的晶体生长，以环绕蓝宝石管提供密封；和
金属卤化物填充材料封闭于蓝宝石管的所述内部容积内，该金属卤化物填充材料通过施加电能可以被激励以发射光。
9.一种制造用于高压放电灯的密封的方法，其包括如下步骤：
提供一带有外部表面的由蓝宝石制成的管；
在预烧结状态中，提供由未烧结的掺杂有氧化镁和氧化钇的多晶氧化铝制成的端盖，该端盖成形为具有一与所述外部表面大致相配的内部表面，
邻接所述蓝宝石管放置预烧结的端盖，
加热蓝宝石管和端盖以烧结端盖，以使端盖收缩成与蓝宝石紧密的结合，并且促使端盖内的液相至少接近蓝宝石管；
将蓝宝石管和端盖保持在加热状态足够长的时间，以促使蓝宝石管生长进入端盖；和
冷却蓝宝石管和端盖，以保持从蓝宝石管进入端盖的晶体生长。
10.如权利要求9所述的制造密封的方法，其特征在于，所掺杂的氧化镁具有0.0150-0.1000％的重量百分比。
11.如权利要求9所述的制造密封的方法，其特征在于，所掺杂的氧化钇具有0.0100-0.0700％的重量百分比。
12.一种由蓝宝石管形成陶瓷灯封壳的方法，其包括如下步骤：
a)提供一大致圆形的蓝宝石管，其限定一内部容积并且具有一大于2.0毫米的外直径A；
b)提供一端盖，其包括部分地致密的多晶氧化铝，该多晶氧化铝掺有氧化镁和氧化钇以促使端盖在烧结期间大致完全致密并且在致密期间提供在部分的端盖材料内的液相，端盖具有大致圆形的内部凹槽，其内直径B大于蓝宝石管外直径A；
c)将蓝宝石管的端部放置在端盖内；和
d)在足够高的温度下烧结蓝宝石管和端盖足够长的时间，以促使端盖内部壁抵靠蓝宝石管外部壁收缩，同时在部分的端盖材料内展示出液相，由此使端盖内部壁与蓝宝石管外部壁机械地相配，并且促使蓝宝石管与端盖之间的晶粒生长，以提供密封。
13.如权利要求12所述的形成密封的方法，其特征在于，所掺杂的氧化镁具有0.0150-0.1000％的重量百分比。
14.如权利要求12所述的形成密封的方法，其特征在于，所掺杂的氧化钇具有0.0100-0.0700％的重量百分比。
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