CN1020239C - 在结构金属中形成高温阻挡层以使该金属在高相对温度下具有抗蠕变性的方法 - Google Patents

Abstract

一种在结构金属中形成内部高温阻挡层的方法被公开。该阻挡层可防止结构金属内的位错及晶界运动，使结构金属在高相对温度下具有抗蠕变性。该方法包括提供第一层结构金属，向该层注入离子，在离子注入的第一层上施加第二层结构金属以形成层状产物。注入和加层步骤可反复进行任意多次。

Description

本申请涉及金属内部结构改性领域，尤其是涉及用离子注入方法改进金属的内部结构。

本发明特别适用于对在高相对温度下发生蠕变的金属的内部结构进行改性，本文将用专门的例证对此进行说明。无论怎样，本发明具有广泛的应用并可被有益地用于其它场合，这一点将会被了解到。

在此之前，对于高相对温度下趋向蠕变的金属，当其暴露于高温下时并不能提供及保持所需要的晶粒形状。这样的金属随温度升高一般会趋向于再结晶，如果发生这种再结晶，柱状晶粒就会扩展穿过金属的厚度，造成金属变脆而可能发生开裂。蠕变倾向限制了许多金属的用途，用某些其它元素掺入这类金属中以增强其抗蠕变性已成为十分必要。

灯丝就是极高温下抗蠕变金属的一个突出实例。纯钨（以及某些钨合金）在不高于1000℃时就会发生再结晶，并在相对较低的负荷如其自重下发生蠕变，而掺钾的钨灯丝在温度达到约2000℃以上之前并不发生再结晶。进一步讲，由于掺杂材料可在高温，如高于2500℃的条件下使灯丝保持良好的抗蠕变性，因此对灯丝来讲，其是非常有用的。

灯丝的这种优异抗蠕变性的原因已被充分了解。相对较大的钾原子实质上并不能溶于钨基体中，而且，由于钾的原子尺寸大，其不能方便地通过金属晶格扩散。钾原子陷本金属内形成泡。这些泡起到了 阻止位错和晶界运动的钉扎点的作用，由此阻止蠕变和再结晶的发生。良好的钉扎效应在于高密度的小泡，即单位面积上附有大量的小泡，其可将晶界或位错钉扎。对于掺钾灯丝，泡尺寸小于600

时于2150℃下的钉扎强度最佳，这一点已见报导。

通过大范围的热-机械加工可获得排布于灯丝中的细泡。最初，钾是通过掺于钨粉的方式被引入材料中。在压制和烧结后，还需经轧、模锻和拉拔（工序）进行高变形机加工处理。通过机加工，钾的束集团被分散成长且非常细的带，由此可获得所需要的细分布。当材料处于高温时，这种带断裂成由细泡构成的条，其起着钉扎位错和晶界的作用。为了有效地产生钾掺杂剂的精细分布，需要有非常大的形变。这种大形变是在反复拉拔期间产生的，例如，在此期间横截面积被减小，而长度可增大1000～1000000倍。

虽然常规灯丝具备抗蠕变性，但是完成其制备须经过50个以上的加工步骤，即上面描述过的各种机加工，每种都可能出现多次。此外，上述的掺杂灯丝的方法并不适用于其它几何形状（的物体），如平板，因为对那些非类似于灯丝的几何体进行如此广泛的塑性变形是不可能的。

我们希望制订一种更为简单的方法，制备在高温下有抗蠕变性的金属，特别是灯丝。据此，本发明考虑了一种工艺，该工艺克服了上述的所有问题;而且还提供了一种制造在高温下耐蠕变的金属，尤其是灯丝的方法，使所得金属的晶粒形状保持不变。所有这些结果均是用与离子注入相关的层接方法来获得。

按照本发明，在此提供了一种利用离子注入制造在高相对温度下抗蠕变的金属的方法。该方法包括提供第一层金属层，在第一层中注 入离子，并在第一层金属层上提供附加的金属层。注入及提供附加层的步骤可重复多次。

按照本发明进一步的限定，在此提供了一种用离子注入制备在高相对温度下抗蠕变的结构金属、及其它命名为“耐热金属”类型的金属的方法。提供第一结构金属层，这类金属在高相对温度下趋于蠕变，而且对下组中的离子所具有的溶解度为零或相当低，所说的离子包括氙、氩、氪、氖、氦、钾、铷、铯、钫。然后在第一金属层上注入离子，所说的离子包括氙、氩、氪、氖、氦、钾、铷、铯、钫或其混合物。在第一离子注入层上层叠或形成第二结构金属层。然后，用第二层上述离子充注第二结构金属层，随后于其上施加第三结构金属层。注入和施加步骤可连续重复若干层以形成迭层制品。然而，对于大多数的应用来说，由两层结构金属及单层处于第一层上的离子沉积（层）构成的产品已可满足要求。例如，对于钨灯丝通常仅需要向第一钨层注入钾离子，并在第一钨层上施加第二层钨。

显然，本发明的主要优点是处于一定的结构金属内的晶粒间界不会由于在高相对温度下缺乏抗蠕变性而发生畸变。

本发明的另一优点是结构金属的晶粒间界不会由于高温下的再结晶而发生畸变。

本发明还有一个优点是，与常规加工相比，大大地减少了所需要的加工步骤。

对本领域一般技术人员来讲，经阅读和了解了下面的详述后，本发明的其它优点和有利之处将是显而易见的。

图1显示了制备抗蠕变金属的工艺。

图2（a）是带有离子注入区的多层金属板的的截面示意图。

图2（b）是再结晶后的图2（a）的示意图。

图3是经注入处理后的晶界区截面的TEM（照片），在该区域中已形成一系列小泡，阻止晶界的生长。

图4显示了在钨的表面层中沿位错生长的钾泡。

图5（a）展示了离子注入期间可以使用的几何图形的分解透视图。

图5（b）显示的是再结晶后图5（a）的正视图。

图6（a）是未经离子注入制备的双层铷截面图。

图6（b）是经2000°K四小时退火后图6（a）的截面图。

图6（c）是用钾离子注入制备的双层铷的截面图。

图6（d）是经2000°K四小时退火后图6（c）的截面图。

图7是在1750℃再结晶两小时的用钾离子注入的铷双层（结构）。

现参照图1，在此公开了一种形成带有弥散分布的离子注入原子或掺杂剂的金属或合金的方法。尤其是公开了一种在结构金属中形成内部高温阻挡层以防止晶界和位错运动，从而使所说的结构金属于高相对温度下具有耐蠕变性的方法。该方法包括提供由结构金属或载体金属构成的第一层，该类金属在高相对温度下趋于蠕变，并对下列元素的溶解度为零或非常低，这些元素是氙、氩、氖、氦、氪、钾、铷、铯、钫或其混合物。可用的金属列于表1中。

仍参照图1，由金属10构成的第一层被掺杂，注入或充入离子12形成注入区14，其中，该离子包括惰性（稀有）元素氙、氦、氩、氪、氖、或碱金属元素钾、铷、铯、钫，或其混合物。通过直接或间接的方法将这些离子插入第一层中，所说的方法包括离子注入、 反冲注入、或离子束混合等。

在经离子注入的第一金属层上沉积或叠加第二结构金属层16以形成叠层制品或组合物18。可用化学或物理气相沉积、镀、热喷涂沉积、电沉积、溅射沉积、压结或其它方法来进行层叠操作或提供第二结构金属层。

注入及叠加第二层的步骤可任意地重复多次以形成多层结构。虽然在形成层状制品过程中施加第二金属层通常是最后的步骤，但也可施加任意多个层。作为例子，图1显示了三个金属层夹带两个离子注入区的整体情况。表Ⅰ所公开的金属的合金可通过将各元素之蒸汽相混合的方法来形成，或者通过交替进行加层或沉积单层（其可由后序热处理而均匀化）的操作来制备。

在堆叠或排列了足够数目的层之后便得到经内掺杂或离子注入处理的金属片18。经离子注入的元素基本上不溶于结构金属中，而且也不容易扩散穿过结构金属片，即便是在高温下。因此，这种片可被用来制作灯丝样品、热屏蔽罩、电阻加热电离式发动机的推进管、涡轮，或用作其它用途。

上面（和表Ⅲ）所列的惰性元素具有比上述（和表Ⅱ）的碱金属元素更小的原子体积，而且与结构金属相比并不大。惰性气体泡的高温稳定性并不同所列碱金属的高温稳定性一样大。然而，在金属内形成的惰性气体泡确实能起到钉扎位错的作用。

图2（a）是多层金属片的截面示意图。每片均是相对的细晶组织（柱晶），而且均经离子注入，具有微细的元素区14，该元素来自表Ⅱ和表Ⅲ所列的组中。金属内的柱状晶粒30在该图中可明显见到。

金属层经热处理后，其发生再结晶。正如图2（b）所示，晶界30粗化，并在离子注入区14被阻滞。而且层状的晶粒结构被产生，亦即，因温度升高而产生长的晶界被离子注入区14阻止，使之不能完全地扩展穿过金属层的整个厚度。

图3是铷双层（片）的钾注入晶界区的截面显微照片。经注入处理的金属在2000°K下退火四小时，可见到由于高温所造成的众多泡。图4亦类似地显示出钾注入的钨在2200℃退火一小时及在2300℃退火30分钟后有细小钾泡形成。泡的生长表现为沿明显位错增长，并接近自由表面。泡生长的部分原因是空位的流入和吸收。泡趋于钉扎或阻止晶界及位错运动穿过整个金属。

结构金属各个层的几何形状可以变化。这些层可是平板状的、弯曲的、杆状的、八边形状的等等。对于形状的唯一限制是来自这样一个事实，即注入方法要求在离子发射机构与被注入表面之间存在有一条直接的光路。

不仅结构金属的各层形状可以改变，注入期间所用的几何图形也可以改变。图5（a）显示一个可在离子注入时使用的图形实例。其中，斑点区50指明多层金属片中的离子注入元素区。图5（b）显示了再结晶热处理后的图5（a）的结构。金属晶粒52已粗化，并形成一种交连的晶界结构，或者形成带有钉栓54的晶粒层，钉栓54由注入障碍层断开处56插入相邻层。这是为了与图2（b）作对比，在图2（b）中，每个金属层的注入区都是完整的表面。

表Ⅱ及Ⅲ（见下）中的元素的离子注入或离子束混合方法确保了在掺杂层内其是以原子态精细分布的方式结合于金属晶格中。离子一但被注入，它们便再次获得电子，并再次变成稳定元素。改变离子注 入或混合的参数可调节层宽度及掺杂剂量。在材料内，掺杂层是片状区。它们代表着高密度的阻止位错或晶界移动的障碍物。由于碱金属原子大而不易移动，人们可以推测这些障碍物在高温下是相当稳定的，不易粗化。若有限的一些碱金属原子在高温下发生传输，则会形成掺杂小泡，正如图3及图4（钾注入铷和钾注入钨）所示的那样。在钨灯丝中已知有这样的泡形成。只要这些泡不粗化，掺杂剂的障碍作用就可保持很长时间，由此，抗蠕变性也可被维持很长时间。

下表列出的元素代表并构成了大多数重要的技术结构金属及合金，同时表中指出了它们的原子体积或尺寸、熔化温度及对掺杂元素钾、铯、铷和钫的溶解度

表Ⅰ

结构金属，其原子体积、熔化温度和对碱金属元素K、Rb、Cs、Fr的溶解度

原子体    熔化温

积〈1〉cm³对碱金属元素的溶解度

元素/克原子    度〈2〉℃    K    Rb    Cs    Fr

Be    4.9    1277    一，但存在

有化合物

KBe₂〈4〉

Mg    14.0    650    0〈6〉    0〈6〉    0〈6〉

0〈3〉

Al    10.0    660    0〈3〉    0〈3〉    非常小

〈3）

Ti    10.7    1688    非常小

〈3〉

续表Ⅰ

K    Rb    Cs    Fr

V    8.9    1900

Cr    7.3    1875

Mn    7.5    1245

Fe    7.1    1537    0<3>    0<3>    0<3>

Co    6.7    1495    -<3>

Ni    6.7    1453    -<5>

Cu    7.1    1083

Zn 9.2 420 KZ_r13<3>

Y    19.5    1509

Zr    14.0    1852    非常小<6>

Nb    11.0    2415    0<5>

Mo 9.4 2610 非常小^＊-<5>

Tc    -    2200

Ru    8.3    2500

Rh    8.4    1966

Pd    9.3    1552

Ag    10.3    961

Hf    14.0    2222    0<6>

Ta    11.2    2996    -<6>

W 9.6 3410 非常小^＊

Re    8.8    3180

Os    8.5    2700

续表Ⅰ

K    Rb    Cs    Fr

Ir    8.6    2454

Rt    9.1    1769    -<3>

Au    10.2    1063    0<4>    0<4>    0<4>

但存在几    但存在几    但存在

种化合物    种化合物    AuCs化合物

稀土元素    原子体积

La    22～24    920

Ce    21    804

Pr    21    919    非常小<6>

Nd    21    1019

Pm    -    1027

Sm    20    1072

Eu    20    826

Gd    20    1312

Tb    19    1356

Dy    19    1407

Ho    -    1461

Er    -    1497

Tm    -    1545

Yb    -    824

Lu    -    1650

^＊.由制灯工业实践得知

一.文献中未指出溶解度

1.N.F.Mott和H.Jones：“金属与合金的性能原理”Dover出版，（1958），318～319页。

2.W.G.Moffatt，G.W.Pearsall及J.Wulff：“材料的性能及结构”，John    Wiley    and    Sons，（1967），Vol.1，206、207页。

3.M.Hansen和K，Anderko：“二元合金的构造”，McGraw-Hill（1958），

4.R.P.Elliott：“二元合金的构造”第一增刊，McGraw-Hill，（1965）

5.F.A.Shunk：“二元合金的构造”第二增刊，McGraw-Hill，（1969）

6.W.G.Moffatt：“二元相图手册”，通用电子公司，Schenectady，N.Y.（1978）。

下面的表Ⅱ是与表Ⅰ作对比。表Ⅱ包括元素钾、铯、铷和钫的原子体积。大多数金属原子的尺寸是比较小的，例如每克原子（一克原子等于6.02×10²³个原子）所占具的体积小于15立方厘米。所列出的只有钇和稀土元素，从镧到镥，具有达到每克原子24立方厘米这样的较大尺寸。既便如此，它们与表Ⅱ元素相比仍是小的。

表Ⅱ

用于掺杂的大尺寸碱金属元素

用于离子注入的元素

元素 原子体积¹熔化温度²

碱金属元素 cm³/克原子 ℃

K    45.5    64

Rb    56.2    39

Cs    71.0    29

Fr    （＞70，估算值）    27

1.N.F.Mott和H.Jones：“金属及合金的性能原理”Dover出版，（1958），318～319页。

2.W.G.Moffatt，G.W.Pearsall    and    J.Wulff：“材料的性能及结构”，John    Wiley    and    Sons第1卷（1967），206、207页。

和表Ⅰ的金属原子相比较，表Ⅱ原子的较大尺寸保证了它们于高相对温度下在金属中固定不扩散性。相对温度定义为低于熔化温度并经其熔化温度校正后的温度。

表Ⅱ元素形成稳定的小尺寸泡并由此改进抗蠕变性，（这一过程）所需要的第二个先决条件但它们不应溶于金属晶格中。从表Ⅰ可明显看到，有关溶解度的数据非常稀少。估计可能是由于原子尺寸差异大，所述元素在所列出的任何金属中仅有很小或没有溶解度。有实验数据之处，溶解度不是零就是非常小。

可以推测，改进抗蠕变性的最大可能性将会发生在具有最大原子尺寸差（与包括钾、铷、铯和钫这样的一组元素相比）的金属中。

制灯工业中所用的掺钾钨及钼的例子表明，抗蠕变性的改进可希望发生于其原子体积小于10立方厘米/克原子的金属中。对它们来说，与碱金属原子K，Rb，Cs和Fr的尺寸差异非常大。对较大尺寸的金属如Mg、Zr、Hf和稀土金属来说，这种尺寸差异变小。然而对其也可进行掺杂处理，特别是用相当大的Rb、Cs或Fr原子掺杂。

表Ⅲ中的惰性气体元素不象表Ⅱ中的碱金属元素那么大。然而，它们实质上也是不溶于结构金属中的，而且能够形成稳定的小泡，小泡又反过来钉扎晶界和位错。只要这些泡在高温下不发生明显的粗化，它们便可提供微结构阻挡层来阻止晶界和位错的移动，从而提供抗蠕变性。

表Ⅲ

惰性气体族元素

元素    在固态结构金属中的溶解度

He    实

质

Ne    上

都

不

Ar    溶

于

Kr    结

构

Xe    金

属

可用表Ⅱ和表Ⅲ所列出的一种或几种元素进行掺杂。掺杂层的重复距离、层内掺杂浓度、离子注入或离子混合深度都是应被最佳选择的参数。而且，离子注入层可以多重几何图形排布，以促使在以后的再结晶期间形成交连晶粒。交连晶粒结构可将晶界的滑动（蠕变的一 种形式）减至最小。许多注入几何图形都是适用的，图5（a）给出了一个不同于整板注入的实例。然而，这里并未打算预示最佳的排布图形。

现在来看图6（a）～图6（d），其给出了铷双层结构的切面断口SEM显微照片。图6（a）和6（b）为不掺杂制备的，图6（c）和6（d）则包括一层钾离子注入层。

图中显示的是一基片。这种基片对于层叠结构金属来说并不总是必要的基础，但在这里需被提供，因为需要用化学气相沉积的方法在其上沉积第一层铷。随后将钾离子注入第一层，在该离子注入的第一层上沉积第二层铷。图6（a）和6（b）表现了未用钾离子注入而制备的铷，图6（c）和6（d）表现的是掺杂制备的铷。

进一步讲，6（a）和6（c）表现了沉积态的元素，而6（b）和6（d）表示了同样的元素在2000K再结晶及退火后的情况。离子注入层的阻挡层效应在图6（d）中清晰可见。再结晶后，图6（b）显示的晶界移动穿过了铷双层的整个高度。与此相反，图6（d）中的晶粒仅仅走到钾阻挡层。

因为晶粒间界仅移动了整个铷层距离的一个百分数（这是由于钾层造成的结果），因此不难得知，钾掺杂造成了抗蠕变的稳定性，使晶粒结构呈交迭状。

参照图7，将钾离子注入化学气相沉积（CVD）形成的铷层内，剂量为1×10¹⁶，1×10¹⁷和3×10¹⁷离子/cm²，150eV，在注入层上面再气相沉积附加铷层。于1750℃再结晶两小时后，铷晶粒尺寸由小于20微米长大到超过100微米。然而，晶粒间界维持在离子注入钾层的地方，因而防止了晶粒间界穿移过铷片 的整个宽度。与之相反，无钾注入的CVD双层铷经再结晶时，再结晶晶粒间界移动穿过铷层的整个宽度，形成无交迭晶粒的柱状微结构，这一结构被认为会在高温下产生低劣的抗蠕变性。

实施例1    带状灯丝

所描述的工艺可被用来制备线状、带状或管状灯丝。提供一合适的基体，例如钼，用化学气相沉积或物理气相沉积方法于其上沉积几微米数量级厚的钨层。然后用离子注入钨层，注入深度达0.1微米的数量级。这就制成了离子注入阻挡层。然后用化学气相沉积或物理气相沉积方法沉积第二层钨，厚度仍为几微米数量级。附加的离子注入层及钨沉积可以被重复多次，也可在沉积第二层钨层后结束该工艺。

然后用压制、轧制或冲压的方法将灯丝成形。成形加工应于高于600℃的温度下进行，以防止脆性断裂。一定程度的塑性变形是需要的，因为在灯丝退火或烧制期间其能够提供使晶粒沿平行于阻挡层方向生长的驱动力。按照这种方法可得到一种拉长的交迭晶粒结构，它可提高灯丝材料的抗蠕变性。内部阻挡层的高温稳定性保证了在灯丝寿命期间这种晶粒交迭结构的稳定性。

然后，以类似于公知的标准缠绕状灯丝的方法将灯丝退火。退火处理固定了灯丝形状，并防止在后序基体去除时产生过度的后弹。

用类似于缠绕状灯丝加工中的已知方法将钼基底侵蚀去除。根据公知的标准方法将带状灯丝的尾端夹紧，以便传导电流。随后，用公知的标准方法将灯丝安置在灯外壳中。

实施例2    用于快速热退火装置的加热带

快速退火装置是被用来对硅片进行短期退火（几秒钟）处理，以使晶体缺陷得到愈合（消除），同时又必须使掺杂剂的扩散再分布保 持最小。硅上的氧化物薄膜的生长也可算是快速退火的另一个目的。在整个硅片面积上需要有优异的温度稳恒性，通常要用钨线灯丝的排布来对整个工作面辐射加热。对于在相对较大区域上（10¹¹×10¹¹的数量级）进行均匀加热来说，带状灯丝则更为有利。

制备加热带的工艺类似于实施例1所述的制备带状灯丝的工艺。制备钼带的简要要领为：

1.先得到薄的钼箔，例如经轧或气相沉积制成的，其表面应是干净的，即无锈皮或污垢。

2.向钼表面离子注入阻挡层，注入层包括K、Rb、Cs、Fr组中或惰性元素He、Ne、Ar、Xe、Kr组中的一种元素。注入深度范围为大约1～1000nm，注入剂量的范围为大约10¹³×10¹⁷/cm²，最佳剂量取决于所选择的注入深度。随所要求的深度增大，剂量也应增大。较低的剂量即10¹³数量级左右，是被用在浅薄注入，即注入深度大约为10nm。较高的剂量是用于较深的注入，亦即大约1微米的深度。注入层的典型峰值浓度（即在该深度离子注入浓度最高）以周围原子为对比为0.01%～5%的注入原子（原子百分数）。

3.第二层钼被沉积在离子注入的钼层上，将阻挡层掩盖在叠层带结构中。步骤2和步骤3可以被重复进行。

4.然后使叠层带变形，例如用轧的方法，将其减薄到所要求的厚度，或通过冲压、切削、或弯曲的方法使其成为所要求的加热带形状。

实施例3    热屏蔽罩

热屏蔽罩是用于真空炉、火箭和飞机引擎、高温等离子体约束器、 核反应器及其它领域。

热屏蔽罩通常是由耐热金属或合金板制成，并呈围护状态以作特殊应用。下面描述的是具有内高温阻挡层的热屏蔽板的制备方法。

1.提供所需要的合金片或板，例如Mo-0.5%Ti-0.1%Zr合金片或板。表面须清洁（氧化物或其它锈皮必须除掉）。

2.向表面离子注入阻挡层，阻挡层包括K、Rb、Cs、Fr组中或惰性元素He、Ne、Ar、Kr、Xe组中的一种元素。注入深度的范围为大约1～1000nm。注入剂量的范围为大约10¹³～10¹⁷/cm²，最佳剂量取决于所选择的注入深度。可在整个表面上连续地注入，或者以图形的方式进行注入，以使在终产物的再结晶处理时产生交迭晶粒微结构。并偶有钉栓现象，即在缺少阻挡层的地方，晶粒生长进入相邻的层。

3.将两个或多个注入片彼此叠在一起以形成层叠结构。然后将该层叠结构封装在抽成真空的包套中（包套材料将在以后去除）。

4.将层叠结构于高温及加压的条件下，如热等静压，经扩散结合在一起。

5.将该结构体热轧或锻造成所要求的厚度及形状。用蚀刻的方法除去包套材料。

实施例4    电阻加热电离式发动机的推进管

电阻加热电离式发动机是用于人造卫星或太空设备的定位或旋转的装置。这种装置通常较小并且产生几克数量级的推力。推力是由气体物质的喷射而产生，例如氢气或氨气的喷射。通过在电阻加热室和推力管中进行加热来产生喷射所需的压力。要得到良好的推力效率，高温是必需的。这对结构金属来说，就要求有抗高温蠕变及抗热冲击 性能。对于这一目的，铼或钨铼合金是良好的入选对象。下面描述的是如何使用掩埋离子注入阻挡层的方法来构成抗蠕变推力（进）管。

1.将几微米厚的铼层沉积在园柱形基体例如钼芯杆的园周面上，该芯杆以后将被除去。适于形成该层的方法为化学气相沉积法。

2.将由K、Rb、Cs、Fr组中或惰性元素He、Ne、Ar、Kr、Xe组中的一种元素所形成的阻挡层离子注入到铼表面中。园柱体应在离子束中旋转，以使注入在整个园周面上进行。注入深度范围为大约1～1000nm。注入剂量范围为大约10¹³～10¹⁷/cm²，最佳剂量取决于所选择的注入深度。注入可在整个表面上连续进行，或者以一种图形的方式进行，以使终产品在再结晶处理时会产生交迭晶粒微结构，并偶有钉栓现象，即在缺乏阻挡层的区域，晶粒生长进入相邻层中。

3.如第一步那样沉积第二层铼，将阻挡层掩盖。第二和第三步骤可重复进行。

4.将合成的园柱体经模压、拉拔或锻造制成所要求的直径。

5.用选择蚀刻法除去钼芯杆，留下的铼管具有内环状阻挡层，该层在高温再结晶时将引导晶粒生长，使之形成抗蠕变的交迭晶粒结构。这种结构使在电阻加热电离式发动机中的使用温度提高成为可能。

实施例5    用于涡轮叶片的层组合物

由于离心力而产生的主应力方向是沿着涡轮叶片的长轴方向，垂直于该应力轴的晶粒间界是不希望有的，因为它们在高温运行过程中会成为断裂萌发的位置。而平行于应力轴的晶粒间界不起有害作用。为得到这种微结构状态，对镍基高温合金涡轮叶片进行定向凝固操作。

晶界全部被消除的单晶叶片可以被生长。沿叶片轴方向并具有良 好习性的柱晶结构的生长或无缺陷单晶叶片的生长均由于叶片厚度的增加而变得更为困难。但薄片可以生长得更完美。

在此描述了一种怎样使用掩埋离子注入阻挡层来产生晶界基本是沿叶片轴向并没有或少有横向晶界的交迭晶粒再结晶结构的方法。

1.使用一种具有一定厚度的高温合金片该厚度是所需要的涡轮叶片厚度的一部分。多晶或单晶片均可使用。表面须洁净。

2.将由下组中的一种元素构成的阻挡层离子注入进高温合金片的表面，所说的组包括K、Rb、Cs、Fr或惰性元素He、Ne、Ar、Kr、Xe。注入深度范围为大约1～1000nm。注入剂量范围为大约10¹³～10¹⁷/cm²，最佳剂量取决于所选择的注入深度。可在整个表面上连续地进行注入，也可以一种图形的方式进行注入，以使终产物在再结晶时产生交迭晶粒微结构，并偶有钉栓现象，即在缺少阻挡层处，晶粒生长进相邻层中。

3.将两个或多个注入片相互叠放在一起，形成叠层结构。这些片的外形应被处置得接近所需要的涡轮叶片的形状。

4.将该叠层制品封装于抽成真空的包套中（包套材料将在以后去除），并于高温及加压条件下，如热等静压，将该制品扩散连接在一起。

5.除去包套材料，例如用蚀刻的方法。

6.将叶片用机加工制成合适的尺寸。

7.对叶片进行再结晶处理，最好通过一沿叶片轴向的温度梯度场。掩埋的阻挡层将引导晶粒生长，以产生沿叶片轴向的叠层晶粒结构。仅在阻挡层被有意地断开的地方，由于晶粒钉栓插入相邻层，故而会产生横向晶界。

借助优选实例已对本发明作了说明。显然，对那些阅读和了解了上述说明书后的其他人来讲，改进及变换都会出现。我们希望，本发明应被解释成包括所有这些变换和修改，因为它们是处于所提权利要求或其等效物的范围之内。

Claims (7)

1、在结构金属内形成内部高温阻挡层以防止晶界和位错移动从而使所说的结构金属在高相对温度下产生抗蠕变性的方法，该方法包括下述步骤：

提供第一层结构金属，所说的结构金属类型为在高相对温度下趋于蠕变，且对由氙、氦、氖、氩、氪、钾、铷、铯和钫所构成的元素组具有零或低的溶解度；

向所说的第一层金属中注入离子形成注入区，所说的离子是由元素氙、氦、氖、氩、氪、钾、铷、铯、钫及其混合物所构成的组中的成员；且

在第一离子注入层上加第二结构金属层形成复合物，注入区掩盖于复合物中。

2、根据权利要求1的方法，其中，可以以多种几何形状提供所说的第一层，例如平面状或在曲面元件上，借此沿无阻碍路线完成离子注入步骤。

3、根据权利要求1的方法，其中，施加第二结构金属层的步骤可用下述方法完成：气相沉积、镀覆、热喷涂沉积、电沉积、溅射沉积或压力结合。

4、根据权利要求1的方法，其中在高相对温度下趋于蠕变的结构金属为下述组中的一员：Be、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Ln、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及其合金。

5、根据权利要求1的方法，其中离子注入的原子可以片状区的形式弥散地分布于第一结构金属层中，并在这些区内形成细泡以钉扎位错和晶界的移动，由此来阻止蠕变及在不希望方向上的再结晶。

6、根据权利要求1的方法，其中注入和加层步骤重复进行。

7、按照权利要求1的方法所形成的复合物。

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