DE68909865T2

DE68909865T2 - Abänderung der inneren Struktur von Metallen.

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Publication number: DE68909865T2
Application number: DE89308265T
Authority: DE
Inventors: Gerhard E Welsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-15
Filing date: 1989-08-15
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-08-16
Also published as: JPH0320455A; ATE95845T1; JP2930327B2; CN1020239C; CN1041009A; EP0356111A1; DE68909865D1; EP0356111B1; US4915746A

Description

Diese Anwendung bezieht sich auf die Kunst der Änderung des inneren Gefüges von Metall.
Die Erfindung ist verwendbar insbesondere zur Änderung des inneren Gefüges von Metallen, die bei hohen homologen Temperaturen kriechen, und sie wird in diesern besonderen Zusammenhang beschrieben. Die Erfindung hat jedoch breitere Verwendung und kann in anderen Umgebungen vorteilhaft verwendet werden.
Bisher waren Metalle, die bei hohen homologen Temperaturen zum Kriechen neigen, nicht in der Lage bei Aussetzung an erhöhten Temperaturen eine gewünschte Korngestalt zu liefern und instand zu halten. Solche Metalle neigen allgemein bei Temperaturerhöhung zum Rekristallisieren, und wenn diese Rekristallisation geschieht, breiten sich säulenartige Körner über die Dicke des Metalls aus und verursachen, dass das Metall schwach oder spröde wird mit einer Wahrscheinlichkeit des Brechens. Die Neigung zum Kriechen beschränkt die Nützlichkeit von vielen Metallen, und es war notwendig solche Metalle mit gewissen anderen Elementen zu dotieren um Kriechwiderstand zu fördern.
Lampendraht ist ein prominentes Beispiel eines kriechwiderstandsfähigen Metalls bei sehr hoher Temperatur. Wohingegen reines Wolfram (und einige Wolfram Legierungen) bei Temperaturen von nicht viel höher als 1000ºC rekristallisiert und unter relativ geringen Belastungen kriecht, z.B. unter seinem eigenen Gewicht, rekristallisiert der Kalium-dotierte Wolfram Lampendraht erst vollständig, wenn Temperaturen von über ungefähr 2000º erreicht sind. Weiterhin behält das dotierte Material im Lampendraht einen guten Kriechwiderstand bei hohen Temperaturen, z.B. bei Temperaturen über 2500ºC, und ist deshalb nützlich für Lampenglühfäden.
Die Gründe für diesen guten Kriechwiderstand in Lampendraht sind einigermassen gut verstanden. Die vergleichsweise grossen Kalium Atome sind im wesentlichen unlöslich in der Wolfram Matrix, und wegen seinem grossen Atomvolumen diffundiert Kalium nicht leicht durch das Metallgitter. Die Kalium Atome sind im Metall gefangen und bilden Blasen. Die Blasen bilden Ankerpunkte gegen die Bewegung von Versetzungen und Korngrenzen und wirken dadurch dem Kriechen und der Rekristallisation entgegen. Gute Verankerungswirksamkeit gibt es bei einer hohen Dichte von kleinen Blasen, das bedeutet eine grosse Anzahl von Blasen pro Flächeneinheit, über die eine Korgrenze oder eine Versetzung verankert werden kann. Es wurde berichtet, dass für Kaliumdotierten Lampendraht die Verankerungsstärke bei 2150ºC am besten bei Blasengrössen von weniger als 60 x 10&supmin;&sup9; m (600 Angström) ist.
Die Feinheit der Blasen und ihre Anordnung im Lampendraht wird durch ausgedehnte thermo-mechanische Verarbeitung erzielt. Anfänglich wird Kalium in das Material eingebracht durch Dotieren des Wofram Pulvers. Nach Pressen und Sintern findet beträchtliche mechanische Verformungsverarbeitung statt durch Walzen, Rundhämmern und Drahtziehen. Durch dieses mechanische Verarbeiten werden die Kaliumhaufen in lange und sehr feine Bänder ausgebreitet, und die gewünschte feine Veteilung wird erzielt. Wenn das Material hohen Temperaturen ausgesetzt wird, brechen die Bänder auseinander in Aneinanderreihungen von feinen Blasen, die ihre Rolle der Verankerung von Versetzungen und Korngrenzen spielen. Sehr starke Verformungen sind notwendig, um die feine Verteilung des Kalium Dotierungsmittels wirkungsvoll zu erzeugen. Solch starke Verformungen werden durch wiederholtes Drahtziehen erzielt, wo zum Beispiel die Verringerung der Querschnittsfläche und die Verlängerung so gross wie ein Faktor von 1000 bis 1.000.000 ist.
Obwohl konventionelle Lampenglühfäden Kriechwiderstand aufweisen, sind über 50 Verarbeitungssufen notwendig um deren Herstellung zustandezubringen. Das heisst, die verschiedenen Stadien der oben beschriebenen mechanischen Verarbeitung können je eine Vielzahl von Malen vorkommen. In Ergänzung, die Methode der Dotierung von Lampenglühfäden, wie sie oben beschrieben ist, funktioniert nicht für andere Geometrien wie z.B. flache Bleche, weil es nicht möglich ist derart ausgedehnte plastiche Verformung in Geometrien, die anders als jene dem Lampendraht ähnliche sind, zu erlangen.
Es ist wünschenswert eine einfachere Methode zu erfinden, um Metalle, inbesondere Lampenglühfäden, bei erhöhten Temperaturen kriechwiderstandsfähig zu machen. Demgemäss beabsichtigt die gegenwärtige Erfindung einen Prozess, der all die oben beschriebenen Probleme und weitere überwindet, um eine Methode bereitzustellen, die Metalle, insbesondere Lampenglühfäden, bei erhöhten Temperaturen kriechwiderstandsfähig macht, wobei verursacht wird, dass die Korngestalt des Metalls unversehrt bleibt. Diese Ergebnisse werden durch Schichtbildung in Verbindung mit Ionen Implantierung gewonnen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Methode bereitgestellt zur Bildung von inneren Hochtemperaturbarrieren in strukturellen Metallen, um Bewegung von Grenzen und Versetzungen zu verhindern, um besagte strukturellen Metalle bei hohen homologen Temperaturen kriechwiderstandsfähig zu machen, worin Ionen in eine erste Schicht von strukturellem Metall zur Erzeugung einer Implantierungsregion implantiert werden, wobei besagtes strukturelles Metall von einer Art ist, das bei hohen homologen Temperaturen zum Kriechen neigt und das Null oder sehr geringe Löslichkeit für Xenon, Helium, Neon, Argon, Krypton, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium hat, und besagte Ionen von den Elementen Xenon, Helium, Neon, Argon, Krypton, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium oder von Gemischen von diesen sind; und worin eine zweite Schicht von strukturellem Metall auf besagte erste ionen-implantierte Schicht gelegt ist zur Bildung eines Verbundes mit der vorerwähnten Implantationsregion begraben im Innern des Verbundes.
Die Schritte des Implantierens und der Beschaffung einer zusätzlichen Schicht kann ein beliebige Anzahl von Malen wiederholt werden. In anderen Worten, die zweite Schicht von strukturellem Metall kann dann mit einer zweiten Lage der oben erwähnten Ionen imprägniert werden, und darauf wird eine dritte Schicht von strukturellem Metall gelegt. Die Schritte des Implantierens und der Schichtbildung können wiederholt werden, um eine beliebige Anzahl von Schichten zu erzeugen um ein laminiertes Produkt zu bilden; wie auch immer, eine Beschränkung des Produkts auf zwei Schichten von strukturellem Metall mit nur einer Aufbringung von Ionen auf die erste Schicht ist für viele Zwecke ausreichend. Wolfram Glühfäden, zum Beispiel, erfordern oftmals nur, dass eine erste Wolframschicht mit Kalium Ionen implantiert wird sowie die Ablagerung von lediglich einer zweiten Wolframschicht auf die erste.
Wie offensichtlich, ein Hauptvorteil der Erfindung ist, dass die Korngrenzen im Innern von gewissen strukturellen Metallen nicht infolge von mangelndem Kriechwiderstand bei hohen homologen Temperaturen verzerrt werden.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Korngrenzen der strukturellen Metalle nicht infolge von Rekristallisation bei erhöhten Temperaturen verzerrt werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die starke Verringerung der Anzahl notwendiger Verarbeitungsschritte im Vergleich zu herkömmlicher Verarbeitung.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

ABBILDUNG 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von kriechwiderstandsfähigen Metallen.
ABBILDUNG 2(a) ist ein schematischer Querschnitt durch ein mehrlagiges Metallblech mit ionen-implantierten Regionen.
ABBILDUNG 2(b) zeigt das Metallblech von ABBILDUNG 2(a) nach Rekristallisation.
ABBILDUNG 3 ist ein TEM (Transmissions Elektronen Mikroskopie) Querschnitt einer implantierten Grenzregion mit einer Serie von Blasen, die gebildet wurden, um Kornwachstum zu verhindern.
ABBILDUNG 4 zeigt Kaliumblasen entlang Versetzungen in der Oberflächenschicht von Wolfram.
ABBILDUNG 5(a) ist eine auseinandergenommene schematische Perspektivansicht eines geometrischen Musters, das während Ionenimplantierung benutzt werden kann.
ABBILDUNG 5(b) zeigt eine Querschnittsansicht der schematischen Ansicht von Abbildung 5(a) nach Rekristallisation.
ABBILDUNG 6(a) ist ein Bruchquerschnitt einer Rhenium Doppelschicht angefertigt ohne Ionenimplantierung.
ABBILDUNG 6(b) zeigt die Rhenium Doppelschicht von Abbildung 6(a) nach vierstündiger Glühung bei 200ºK.
ABBILDUNG 6(c) ist ein Bruchquerschnitt einer Rhenium Doppelschicht angefertigt mit Kalium-Ionenimplantierung .
ABBILDUNG 6(d) zeigt die Rhenium Doppelschicht von Abbildung 6(c) nach vierstündiger Glühung bei 200ºK.
ABBILDUNG 7 zeigt eine mit Kalium ionen-implantierte Rhenium Doppelschicht im bei 1750ºC für zwei Stunden rekristallisierten Zustand.

Ausführliche Beschreibung der Bevorzugten Verkörperung

Abbildung 1 zeigt eine Methode zur Fertigung eines Metalls oder einer Metallegierung mit einer feinen Dispersion von ionen- implantierten Atomen oder Dotierung, mehr spezifisch, eine Methode zur Bildung von inneren Hochtemperatur Barrieren in strukturellen Metallen zur Verhindrung der Bewegung von Grenzen und Versetzungen um besagte strukturellen Metalle bei hoher homologer Temperatur kriechwiderstandsfähig zu machen. Die Methode besteht in der Bereitstellung einer ersten Schicht von strukturellem oder Gastgeber Metall, wobei dieses Metall von einem Typ ist, der bei hohen homologen Temperaturen zum Kriechen neigt und der Null oder sehr geringe Löslichkeit für Elemente Xenon, Argon, Neon, Helium, Krypton, Kalium, Rubidium, Caesium, Francium und Gemische von diesen hat. Die Metalle, die hier gebraucht werden können, sind unten in Tafel I aufgelistet.
Weiterhin im Bezug auf ABB. 1, ist eine erste Schicht von Metall 10 implantiert mit Ionen 12 zur Bildung einer Implantierungszone 14, worin die Ionen aus edlen Elementen Xenon, Helium, Argon, Krypton, Neon, oder aus Alkali Elementen Kalium, Rubidium, Caesium, Francium, oder aus Mischungen davon sind.
Eine zweite Schicht 16 von strukturellem Metall ist auf die ionen-implantierte erste Metallschicht gelegt oder geschichtet, um ein laminiertes Produkt oder Verbund zu bilden. Lagenbildung oder Beschaffung einer zweiten Schicht von strukturellem Metall wird durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung, Platierung, thermische Sprühbeschichtung, elektrolytische Abscheidung, Sputter-Beschichtung, Druckverbindung, oder durch andere Methoden erzielt.
Die Stufen des Implantierens und der Ablagerung einer zweiten Schicht kann beliebig viele Male wiederholt werden, um eine Mehrzahl von Schichten zu bilden. Auch wenn die Aufbringung der zweiten Metallschicht oft der letzte Schritt in der Herstellung eines laminierten Produkts ist, kann eine beliebige Anzahl von Schichten verwendet werden. ABBILDUNG 1, beispielsweise, zeigt insgesamt zwei ionen-implantierte Regionen innerhalb von drei Metallschichten. Legierungen aus in Tafel I aufgelisteten Metallen können durch Mischung der Dämpfe der verschiedenen Elemente oder durch Abwechslung der Schichtung oder Ablagerung von individuellen Lagen, die durch spätere Wärmebehandlung homogenisiert würden, hergestellt werden.
Nachdem genügend Schichten aufgestapelt oder aufgehäuft worden sind, verbleibt ein im Innern dotiertes oder ionen- implantiertes Metallblech 18. Die ionen-implantierten Elemente sind im wesentlichen unlöslich in den strukturellen Metallen und diffundieren selbst bei hohen Temperaturen nicht leicht durch das strukturelle Metallblech. Demgemäss kann dieses Blech dann benutzt werden zur Bildung von Lampenglühfaden Mustern, Hitzeschildern, Druckrohre für Resisto-Strahltriebwerke, Turbinen, oder für andere Zwecke.
Die oben (und in Tafel III) aufgelisteten edlen Elemente haben kleinere atomare Volumen als diejenigen der oben (und in Tafel II) aufgelisteten Alkali Elemente, und sind nicht gross im Vergleich zu strukturellen Metallen. Die Hochtemperatur Stabilität von Edelgasblasen ist möglicherweise nicht so gross wie die Stabilität der aufgeführten Alkali Elemente bei hohen Temperaturen. Jedoch tun die Edelgasblasen, die im Metall gebildet werden, ihre Wirkung des Verankerns von Versetzungen.
ABBILDUNG 2(a) zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein vielschichtiges Metallblech. Jede Schicht ist relativ feinkörnig (säulenartige Körner) und ist mit feinen Regionen 14 von Elementen aus der in Tafeln II und III aufgelisteten Gruppe ionen-implantiert worden. Die säulenartigen Körner 30 im Metall sind sichtbar in dieser Abbildung.
Nachdem die Metallschichten wärmebehandelt sind, sind sie rekristallisiert. Die Korngrenzen 30 vergröbern, wie in Abb. 2(b) gezeigt und sind an den ionen-implantierten Regionen 14 festgehalten, und ein lagenartiges Korngefüge ist geliefert. Das heisst, dass Korngrenzen, die infolge erhöhter Temperatur wachsen, von den ionen-implantierten Regionen 14 von der vollständigen Wanderung durch die gesamte Dicke der Metallschichten abgehalten werden.
ABBILDUNG 3 ist ein Querschnittsmikrobild einer Kalium- implantierten Grenzregion in einer Rhenium Doppelschicht. Das implantierte Metall wurde bei 2000 K vier Stunden lang geglüht, und es sind Blasen gezeigt, die infolge der erhöhten Temperatur entstanden sind. ABBILDUNG 4 ist eine ähnliche Darstellung, um zu zeigen, dass sich nach Glühung von Kalium-implantiertem Wolfram für eine Stunde bei 2200ºC und für 30 Minuten bei 2300ºC feine Kalium Blasen bilden. Das Wachstum der Blasen erscheint verstärkt zu sein entlang einer offensichtlichen Versetzung und durch die Nähe einer freien Oberfläche. Blasenwachstum ist zum Teil das Ergebnis von Einstrom und Absorption von Leerstellen. Die Blasen neigen dazu Korngrenzen und Versetzungen festzuhalten und sie von der Bewegung durch das Metall hindurch abzuhalten.
Die geometrische Gestalt der verschiedenen Schichten von strukturellem Metall kann wechseln. Diese Schichten können eben, gekrümmt, stabartig, oktagonal, usw. sein. Die einzige Beschränkung, was Gestalt betrifft, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Methode des Implantierens eine direkte Sichtlinie erfordert zwischen dem Mechanismus, von dem die Ionen ausgesendet werden, und der Oberfläche, durch welche sie implantiert werden sollen.
Nicht nur kann die Gestalt der verschiedenen Schichten von strukturellem Metall wechseln, sondern das beim Ionenimplantieren benutzte geometrische Muster kann ebenfalls wechseln. ABBILDUNG 5(a) zeigt ein Beispiel eines Musters, das beim Ionenimplantieren benutzt werden kann. Die gepunkteten Flächen 50 zeigen hier Regionen von ionen-implantierten Elementen in einem viel-lagigen Metallblech an. ABBILDUNG 5(b) zeigt das Gefüge von ABBILDUNG 5(a) nach Rekristallisationswärmebehandlung. Die Metallkörner 52 haben sich vergröbert und bilden ein ineinandergreifendes Korngrenzengefüge, oder bilden Schichten von Körnern mit Verzapfungen 54 in die Nachbarschichten hinein an Stellen, wo die implantierte Barrierenlage unterbrochen war 56, und dies ist im Gegensatz zu ABBILDUNG 2(b), in der sich die implantierten Regionen über die gesamte Oberfläche jeder Metallschicht erstrecken.
Die Methode der Ionenimplantierung der Elemente in Tafeln II und III (unten) gewährleistet ihre Einbettung in das Metallgitter in einer atomar feinen Verteilung innerhalb der dotierten Lagen. Sind die Ionen einmal implantiert, gewinnen sie ihre Elektronen zurück und werden somit wieder zu stabilen Elementen. Die Breite der Lagen und die Dotierungsdosen können durch Variation der Ionenimplantierungs oder Mischungs Parameter eingestellt werden. Die dotierten Lagen sind tuchartige Regionen im Innern des Materials. Sie repräsentieren hohe Hindernisdichten gegen Versetzungs oder Korngrenzenbewegung. Aufgrund der Unbeweglichkeit der grossen Alkali Atome kann man erwarten, dass diese Hindernisse ziemlich stabil gegen Vergröberung bei erhöhten Temperaturen sind. Wenn gewisser beschränkter Alkali Atomtransport bei erhöhter Temperatur stattfindent, bilden sich kleine Blasen des Dotierungsmittels, wie in ABBILDUNGEN 3 und 4 für Kalium-implantiertes Rhenium und für Kalium-implantiertes Wolfram gezeigt ist. Solche Blasen bilden sich bekanntlich in Wolfram Lampendraht. Solange solche Blasen sich nicht vergröbern, bleibt die Hindernisrolle des Dotierungsmittels für sehr lange Zeiträme erhalten; das Ergebnis daraus ist die Bereitstellung von Kriechwiderstand für sehr lange Zeiträme.
Die folgende Tafel listet die Elemente auf, welche die meisten der technologisch wichtigen Metalle und Legierungen repräsentieren und bilden. Ihre Atomvolumen oder Grössen sind zusammen mit ihren Schmelztemperaturen und ihren Löslichkeiten für die Dotierungselemente Kalium, Caesium, Rubidium und Francium angegeben. TAFEL I Strukturelle Metalle, ihre Atom Volumen, Schmelztemperaturen, und ihre Festkörper Löslichkeiten für die Alkali Elemente K, Rb, Cs und Fr. Feste Löslichkeit für die Alkali Elemente Element Atom Volumen¹ cm³/Grammatom Schmelz Temp.² ºC jedoch Verbindung K Be&sub2; existert (4) Null sehr gering (3) sehr* gering very small TAFEL I fortgesetzt Seltene Erden Elemente Atom Volumen Null(4) aber es existieren mehrere Verbindungen sehr gering(6) * Bekannt aus Lampenindustrie Praxis - Keine Löslichkeit ist in der Literatur angezeigt ¹ N.F. Mott and H. Jones: The Theory of the Properties of Metals and Alloys, Dover Publications 1958, pp. 318-319. ² W.G. Moffatt, G.W. Pearsall adn J. Wulff: The Structure and Properties of Materials, John Wiley and Sons, vol. 1 (1967) 206, 207. ³ M. Hansen and K. Anderko: Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill (1958) &sup4; R.P. Elliott: Constitution of Binary Alloys, First Supplement, McGraw-Hill (1965) &sup5; F.A. Shunk: Constitution of Binary Alloys, Second Supplement, McGraw-Hill (1969) &sup6; W.G. Moffatt: The Hndbook of Binary Phase Diagrams, General Electric Co., Schenctady, N.Y. (1978)
Untenstehende Tafel II ist gegen Tafel I kontrastiert. Tafel II enthält die Atomvolumen der Elemente Kalium, Caesium, Rubidium und Francium. Die meisten Metallatomgrössen sind relativ klein, z.B. pro Grammatom (ein Grammatom ist das Gleiche wie 6,02 x 10²³ Atome), und sie nehmen weniger als 15 Kubikcentimeter ein. Nur Yttrium und die seltenen Erden Elemente, Lanthan bis Lutetium, sind mit grösseren Abmessungen von bis zu 24 Kubikcentimetern pro Grammatom angegeben. Aber selbst sie sind klein im Vergleich zu den Elementen in Tafel II. Tafel II Alkali Elemente mit grossen Abmessungen zum Dotieren Elemente für Ionenimplantierung Element Atem Volumen¹ cm³/Grammatom Schmelztemperatur ºC Alkali Elemente (> 70 geschätzt) ¹ N.F. Mott and H. Jones: The Theory of the Properties of Metals and Alloys, Dover Publications 1958, pp. 318-319. ² W.G. Moffatt, G.W. Pearsall adn J. Wulff: The Structure and Properties of Materials, John Wiley and Sons, vol. 1 (1967) 206, 207.
Die grösseren Abmessungen der in Tafel II enthaltenen Atome im Vergleich zu den Atomen in Tafel I verbürgt ihre Diffusionsunbeweglichkeit in Metallen bei hohen homologen Temperaturen. Homologe Temperatur ist definiert als eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt, die zur Schmelztemperatur normalisiert ist.
Eine zweite Bedingung dafür, dass die Tafel II Elemente stabile Blasen kleiner Grösse bilden und dadurch den Kriechwiderstand erhöhen, ist dass sie im Metallgitter unlöslich sind. Aus Tafel I ist ersichtlich, dass Daten über Löslichkeiten sehr spärlich sind. Vermutlich gibt es wegen den grossen Unterschieden zwischen den Atomgrössen geringe oder keine Löslichkeit der erwähnten Elemente in irgeneinem der aufgelisteten Metalle. Wo experimentelle Daten existieren, sind die Löslichkeiten entweder Null oder sehr gering.
Die höchste Wahrscheinlichkeit zur Verbesserung von Kriechwiderstand wird in den Metallen mit den grössten Grössenunterschieden im Vergleich zu den Elementen der aus Kalium, Rubidium, Caesium und Francium bestehenden Gruppe erwartet.
Beispiele von Kalium-dotiertem Wofram und Molybdän, im Gebrauch in der Lampenindustrie, zeigen, dass Kriechwiderstandsverbesserung in Metallen erwartet werden kann, deren Atomvolumen weniger als 10 Kubikcentimeter pro Grammatom ist. Für sie ist der Grössenunterschied zu den Alkaliatomen K, Rb, Cs und Fr sehr gross. Der Grössenunterschied verringert sich mit den grösser bemessenen Metallen, z.B. Mg, Zr, Hf und den seltenen Erden Metallen. Jedoch kann Dotierung auch für sie wirksam sein, insbesondere, wenn mit ziernlich grossen Rb, Cs, oder Fr Atomen dotiert wird.
Die Edelgas Elemente in Tafel III sind nicht so gross wie die Alkali Elemente in Tafel II. Jedoch sind auch sie in strukturellen Metallen im wesentlichen unlöslich und können stabile, kleine Blasen bilden, die wiederum Korngrenzen und Versetzungen verankern. Solange diese Blasen bei hohen Temperaturen nicht beträchtlich vergröbert werden, liefern sie mikrostrukturelle Barrieren gegen die Bewegung von Korngrenzen und Versetzungen und sorgen somit für Kriechwiderstand. Tafel III Elemente der Edelgas Gruppe Element Löslichkeit im Festen Zustand von Strukturellen Metallen Alle sind im wesentlichen in strukturellen Metallen unlöslich.
Dotierung kann mit einem oder mehreren der in Tafeln II und III aufgelisteten Elemente ausgeführt werden. Der Wiederholabstand zwischen dotierten Lagen, die Dotierungskonzentration in den Lagen, die Ionenimplantierungs oder Ionenmischungs-Tiefe sind all Parameter, die optimiert werden können. Zudem können die ionen-implantierten Lagen in einer Vielfalt geometrischer Muster angeordnet werden, um ineinandergreifende Kornbildung während späterer Rekristallisation zu fördern. Korngrenzen-Gleiten, eine Erscheinungsform des Kriechens, wird mit ineinandergreifendem Korngefüge möglichst gering gemacht. Viele Impantierungs-Muster sind ausführbar, und ABBILDUNG 5(a) illustriert ein Beispiel, das sich von Implantierung des ganzen Bleches unterscheidet. Es wird hier jedoch nicht versucht eine optimale Anordnung vorherzusagen.
Nun, die Aufmerksamkeit auf ABBILDUNGEN 6(a)-(d) lenkend, sind SEM Mikrobilder von Bruchquerschnitten durch Rheniumdoppelschichten gezeigt. ABBILDUNGEN 6(a) und 6(b) sind ohne Dotierung angefertigt worden, und ABBILDUNGEN 6(c) und 6(d) schliessen eine Kaliumionen-implantierte Lage ein.
In den Abbildungen ist ein Substrat gezeigt. Das Substrat ist nicht immer eine notwendige Basis zur Lagenbildung von strukturellem Metall, aber es ist hier bereitgestellt, weil darauf eine erste Schicht von Rhenium durch chemische Dampfabscheidung abgelagert wurde. Kaliumionen wurden daraufhin in die erste Schicht implantiert, und eine zweite Rheniumschicht wurde auf die erste ionen-implantierte abgelagert. ABBILDUNGEN 6(a) und 6(b) zeigen das Rhenium ohne Kalium Dotierung, und 6(c) und 6(d) zeigen das Rhenium zubereitet mit Dotierung.
Weiterhin, 6(a) und 6(c) zeigen die Elemente im abelagerten Zustand, während 6(b) und 6(d) die gleichen Elemente zeigen, nachdem sie der Rekristallisation und Glühung bei 200ºK unterzogen waren. Die Barrierenwirkung der ionen-implantierten Lage ist offensichtlich in 6(d) . Nach Rekristallisation durchwanderten die in 6(b) gezeigten Korngrenzen die ganze Höhe der Doppel Rheniumschicht. Im Gegensatz dazu wanderten die Körner von ABBILDUNG 6(d) lediglich bis zur Kalium Barrierenlage.
Weil die Korngrenzen infolge der Kaliumlage nur einen Prozentsatz der Höhe durch das Rhenium wanderten, ist offensichtlich, dass die Dotierung mit Kalium die Stabilisierung eines kriechwiderstandsfähigen Korngefüges verursachte.
In Bezug auf ABBILDUNG 7 wurden Rhenium Schichten, abgelagert durch chemische Dampfabscheidung (CVD), mit Kalium ionen-implantiert mit Dosen von 1 x 10¹&sup6;, 1 x 10¹&sup7;, und 3 x 10¹&sup7; Ionen/cm² bei 150keV, und eine zusätzliche Rheniumschicht wurde auf die ionen-implantierte Lage aus Dampf abgeschieden. Nach zweistündiger Rekristallisation bei 1750ºC wuchsen die Rhenium Körner von weniger als 20 Mikrometern zu über 100 Mikrometer in Abmessung. Korngrenzen verblieben jedoch an der Örtlichkeit der ionen-implantierten Kalium Lage, und verhinderten dadurch, dass die Korngrenzen Dicke des Rhenium Blechs überquerten. Im Gegensatz dazu, wenn eine Doppel-CVD- Rheniumschicht ohne die Kalium-Implantierung rekristallisiert, überqueren die Grenzen der rekristallisierten Körner die gesamte Dicke der Rheniumschicht und bilden eine säulenartige Mikrostruktur ohne überlappende Körner, welche dafür bekannt ist, dass sie bei hohen Temperaturen einen schlechten Kriechwiderstand hinterlässt.

Beispiel I

BAND-LAMPENGLÜHFÄDEN

Das Verfahren, sowie es beschrieben ist, kann zur Produktion von Lampenglühfäden mit Draht, Band, oder Rohr angewendet werden.
Ein geeignetes Substrat, zum Beispiel Molybdan, wird bereitgestellt, auf dem eine Wolframschicht mit einer Dicke der Grössenordnung mehrerer Mikrometer durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung abgelagert wird. Die Wolframschicht wird dann mit Ionen zu einer Tiefe der Grössenordnung von 0.1 Mikrometer implantiert. Dies erzeugt die Ionenimplantierungs-Barrierenlage Eine zweite Wolframschicht wird dann durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung wiederum mit einer Dicke der Grössenordnung mehrerer Mikrometer abgelagert. Weitere Lagen der Ionenimplantierung und der Wolframablagerung können eine beliebige Anzahl von Malen wiederholt werden, oder der Prozess kann nach der Ablagerung der zweiten Wolframschicht beendet werden.
Der Glühfaden wird dann durch Pressen, Walzen oder Stanzen gestaltet. Der Gestaltungsprozess sollte bei einer Temperatur von oberhalb 600ºC stattfinden um Sprödbruch zu vermeiden. Eine gewisse plastische Verformung ist wünschenswert, weil sie während dem Glühen oder Brennen des Glühfadens eine treibende Kraft für das Kornwachstum bereitstellt in einer Richtung, die parallel zu den Barrieren lagen ist. Durch diesen Prozess wird ein längliches, überlappendes Korngefüge erzielt, das den Kriechwiderstand des Glühfadenmaterials steigert. Die Hochtemperaturstabilität der inneren Barrierenlagen bürgt für die Stabilität des überlappenden Korngefüges während der Lebensdauer des Glühfadens.
Der Glühfaden wird dann in einer Weise geglüht, die ähnlich der für Standard Wendelfäden bekannten ist. Glühbehandlung fixiert die Gestalt des Glühfadens und verhindert übermässige Rückfederung während der anschliessenden Entfernung des Substrats.
Das Molybdän Substrat wird weggeätzt in einer Weise, die ähnlich der für das Verarbeiten von Standard Wendelfäden bekannten ist. Die Enden des Bandglühfadens werden zur Stromführung festgeklemmt in Übereinstimmung mit dem bekannten Standard Verfahren. Der Glühfaden wird dann in einer Lampenhülle montiert in Übereinstimmung mit bekannten Standard Verfahren.

Beispiel II

HEIZBÄNDER FÜR SCHNELLE THERMISCHE ANLASS-EINHEITEN

Schnelle Anlass-Einheiten werden benutzt um Siliziumscheiben kurzzeitig anzulassen (wenige Sekunden) um Kristalldefekte ausheilen zu lassen, während diffusionsbedingte Umverteilung von Dotierungsmittlen so gering wie möglich gehalten werden muss. Die Züchtung von dünnen Oxidfilmen auf Silizium kann ein weiterer Zweck von schnellem Anlassen sein. Ausgzeichnete Temperaturkonstanz wird verlangt über die Fläche einer Siliziumscheibe. Anordnungen von Wolfram-Drahtglühfäden werden oft benutzt um Wärme über die Arbeitsfläche zu strahlen. Bandglühfäden können vorteilhafter sein für die Bereitstellung gleichmässiger Beheizung über relativ grosse Flächen der Grössenordnung von 254 mm x 254 mm (10" x 10").
Das Verfahren zur Herstellung von Heizbändern ist ähnlich dem in Beispiel I beschriebenen zur Herstellung von Band-Lampenglühfäden. Eine kurze Zusammenfassung zur Herstellung von Molybdänband ist gegeben:
1. Man nimmt eine dünne Molybdänfolie, z.B. gewalzt oder Dampf-abgeschleden, und ihre Oberfläche sollte sauber sein, d.h. frei von Schuppen oder Verschmutzung.
2. Eine Barrierenlage wird in die Molybdänoberfläche ionen- implantiert. Die implantierte Lage besteht aus einem Element der Gruppe K, Rb, Cs, Fr, oder der Edelelementgruppe He, Ne, Ar, Kr, Xe. Die Implantierungstiefe kann ungefähr von 1 bis 1000 nm reichen, und die Implantierungsdosis kann ungefähr von 10¹³ bis 10¹&sup7; pro cm² reichen, wobei die optimale Dosis von der gewählten Implantierungstiefe abhängt. Mit zunehmender Tiefe sollte auch die Dosis zunehmen. Die niedrigeren Dosen, das sind jene von ungefähr 10¹³, werden für seichte Implantierungen verwendet, das bedeutet, wo die Implantierungstiefe etwa 10 nm ist. Die höheren Dosen treffen auf tiefere Implantierungen zu, das sind solche, die ungefähr 1 Mikrometer tief sind. Die typische Spitzenkonzentration in einer Implantierungslage (die Tiefe bei der die Ionenimplantierungskonzentration am höchsten ist) reicht von 0.01% bis 5% (Atomprozent) von implantierten Atomen im Vergleich zu den umgebenden Atomen.
3. Eine zweite Molybdänschicht wird auf das ionen- implantierte Molybdän abgelagert, um die Barrierenlage im Innern einer laminierten Bandstruktur zu begraben. Schritte 2 und 3 können wiederholt werden.
4. Das Bandlaminat wird daraufhin verformt, z.B. durch Walzen, um es zu einer gewünschten Dicke zu reduzieren, oder indem es durch Stanzen, Schneiden, oder Biegen in die gewünschte Gestalt eines Heizbandes gebracht wird.

Beispiel III

HITZESCHILDER

Hitzeschilder sind nützlich in Vakuumöfen, Raketen und Flugzeugmotoren, Umfassungen von Hochtemperatur Plasma, Kernreaktoren, und anderen Gebieten.
Hitzeschilder sind oft aus refraktären Metall- oder Legierungs-Blechen, konturiert für die spezifische Anwendung. Unten ist eine Beschreibung zur Herstellung von solchem Blech mit einer inneren Hochtemperatur Barrierenlage.
1. Platten oder Bleche der gewünschten Legierung, z.B. die Legierung Mo-0,5%Ti-0,1%Zr, werden bereitgestellt. Die Oberflächen sollten sauber sein (Oxid oder anderer Belag muss entfernt werden)
2. Eine Barrierenlage wird in die Oberfläche ionen- implantiert, wobei die Barrierenlage ein Element der Gruppe K, Rb, Cs, Fr oder der Edelelementgruppe He, Ne, Ar, Kr, Xe enthält. Die Implantierungstiefe kann ungefähr von 1 bis 1000 nm reichen. Die Implantierungsdosis kann ungefähr von 10¹³ bis 10¹&sup7; pro cm² reichen, wobei die optimale Dosis von der gewählten Implantierungstiefe abhängt. Die Implantierung kann durchgehend über die Oberfläche gemacht werden, oder sie kann in einem Muster gemacht werden, sodass nach einer Rekristallisationsbehandlung des Endprodukts sich eine Mikrostruktur von überlappenden Körnern entwickelt, mit gelegentlicher Festpflöckung in den Gebieten, wo die Abwesenheit der Barriere Kornwachstum in die Nachbarschicht erlaubt.
3. Zwei oder mehr implantierte Platten werden aufeinander gelegt, so dass sie eine laminierte Struktur bilden. Die laminierte Struktur wird dann in einer evakuierten Büchse eingekapselt (das Büchsenmaterial wird später entfernt).
4. Die laminierte Struktur wird bei erhöhter Temperatur und unter aufgebrachtem Druck, z.B. durch heiss isostatisches Pressen, diffusions-zusammen-geschweisst.
5. Die Struktur wird zu der gewünschten Dicke und Gestalt heiss gewalzt oder geschmiedet, und das Büchsenmaterial wird durch Ätzen entfernt.

Beispiel IV

DRUCKROHR FÜR RESISTO-STRAHLTRIEBWERK

Resisto-Strahltriebwerke sind Vorrichtungen, die zur Positionierung oder Rotation von Satelliten oder Raumstrukturen benutzt werden. Die Vorrichtungen sind gewöhnlich klein und entwickeln Schubkräfte, die in der Grössenordnung von wenigen Gramm sein mögen. Die Schubkraft rührt von dem Ausstoss gasförmigem Stoffes her, z.B. von Wasserstoff oder NH&sub3; Gas. Der Druck zum Ausstoss wird durch Erwärmung in einer widerstandsbeheizten Kammer und Druckrohr entwickelt. Hohe Temperatur ist erwünscht für guten Schubwirkungsgrad. Hochtemperatur-Kriechwiderstand und Temperaturschock-Widerstand der strukturellen Metalle sind erforderlich. Rhenium oder Wofram-Rhenium Legierung sind gute Kandidaten für diesen Zweck. Unten ist eine Beschreibung darüber, wie die Methode begrabener, ionen-implantierter Barrierenlage zur Fabrikation eines kriechwiderstandsfähigen Schubrohres benutzt werden kann.
1. Eine Rheniumschicht von mehreren Mikrometern Dicke wird auf den Umfang eines zylindrischen Substrats gelagert, z.B. einen Molybdän Dorn, der später entfernt wird. Chemische Dampfabscheidung ist eine geignete Methode zur Bildung dieser Schicht.
2. Eine Barrierenlage eines Elementes der Gruppe K, Rb, Cs, Fr oder der Edelelementgruppe He, Ne, Ar, Kr, Xe wird in die Re Oberfläche ionen-implantiert. Der Zylinder sollte im Ionenstrahl rotiert werden, damit Implantierung über den gesamten Umfang gestattet wird. Die Implantierungstiefe kann ungefähr von 1 bis 1000 nm reichen. Die Implantierungsdosis kann ungefähr von 10¹³ bis 10¹&sup7; pro cm² reichen, wobei die optimale Dosis von der gewählten Implantierungstiefe abhängt. Die Implantierung kann durchgehend über die Oberfläche gemacht werden, oder kann in einem Muster gemacht werden, sodass während Rekristallisationsbehandlung des Endprodukts eine Mikrostruktur von überlappenden Körnern entwickelt wird mit gelegentlicher Festpflöckung in denjenigen Gebieten, wo die Abwesenheit von Barriere das Kornwachstum in die Nachbarschicht gestattet.
3. Eine zweite Rheniumschicht wird abgelagert, wie in Schritt 1, um die Barrierenlage zu begraben. Schritte 2 und 3 können wiederholt werden.
4. Der Verbundzylinder wird zu einem gewünschten Durchmesser rundgehämmert, gezogen oder geschmiedet.
5. Der Mo Dorn wird durch selektives Ätzen entfernt. Das verbleibende Rhenium Rohr weist innere ringförmige Barrieren auf, die das Kornwachstum während Hochtemperatur Rekristallisation lenken, um ein kriechwiderstandsfähiges überlappendes Korngefüge zu bilden. Dieses Gefüge sollte höhere Gebrauchstemperaturen in Resisto-Strahltriebwerken ermöglichen.

Beispiel V

SCHICHTVERBUND FÜR TURBINENSCHAUFEL

Die Hauptspannungsrichtung ist dank zentrifugaler Kräfte entlang der Längsachse einer Turbinenschaufel. Korngrenzen, die senkrecht zu dieser Spannungsachse stehen, sind unerwünscht, weil sie im Hochtemperaturbetrieb zu Ansatzstellen des Versagens werden können. Korngrenzen, die parallel zu der Spannungsachse stehen, werden nicht nachteilig angegriffen. Um diese mikrostrukturelle Bedingung zu erfüllen, wird gerichtete Erstarrung an Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis Superlegierungen praktiziert.
Einkristallschaufeln können gezüchtet werden, in denen Korngrenzen vollständig eliminiert sind. Die Züchtung eines wohl-verhaltenen säulenartigen Korngefüges entland der Schaufelachse oder die Züchtung einer fehlerfreien Einkristallschaufel wird mit zunehmender Schaufeldicke zunehmend schwierig. Dünne Platten können mit grösserer Perfektion gezüchtet werden.
Begrabene, ionen-implantierte Barrierenlagen können genutzt werden um ein laminiertes, rekristallisiertes Korngefüge zu produzieren, in welchem die Korngrenzen ziemlich perfekt entlang der Schaufelachse orientiert sind mit keiner oder nur wenigen Querkorngrenzen, wie folgt:
1. Es werden Superlegierungsplatten benutzt mit Dicken, die einen Bruchteil der Dicke der beabsichtigten Turbinenschaufel darstellen. Polykristalline oder Einkristall Platten können benutzt werden. Die Oberflächen müssen sauber sein.
2. Eine Barrieren-Lage eines Elementes der Gruppe K, Rb, Cs, Fr oder der Edelelementgruppe He, Ne, Ar, Kr, Xe wird in die Oberfläche der Superlegierung ionen-implantiert. Die Implantierungstiefe kann von ungefähr 1 bis 1000 nm reichen. Die Implantierungsdosis kann ungefähr von 10¹³ bis 10¹&sup7; Ionen pro cm² reichen, wobei die optimale Dosis von der gewählten Implantierungstiefe abhängt. Die Implantierung kann durchgehend über die Oberfläche gemacht werden, oder kann in einem Muster gemacht werden, sodass sich bei Rekristallisationsbehandlung des Endprodukts eine Mikrostruktur von überlappenden Körnern entwickelt, mit gelegentlicher Festpflöckung in denjenigen Gebieten wo die Abwesenheit von Barriere das Wachsen eines Korns in die Nachbarschicht gestattet.
3. Zwei oder mehr implantierte Platten werden aufeinander gelegt, so dass sie eine laminierte Struktur bilden. Die äusseren Konturen der Platten sollten so umrissen sein, dass das Laminat die ungefähre Gestalt der beabsichtigten Turbinenschaufel hat.
4. Das Laminat wird in einer evakuierten Büchse eingekapselt (das Büchsenmaterial wird später entfernt), und das Laminat wird bei erhöhter Temperatur und unter angelegtem Druck, z.B. durch heiss isostatisches Pressen, diffusional zusammen geschweisst.
5. Das Büchsenmaterial wird entfernt, z.B. durch Ätzen.
6. Die Schaufel wird auf die angemessenen Dimensionen bearbeitet.
7. Die Schaufel wird einer Rekristallisationsbehandlung unterworfen, vorzugsweise durch einen Temperaturgradienten entlang ihrer Achse. Kornwachstum wird durch die begrabenen Barrierenlagen gelenkt um ein Laminat-Korngefüge entlang der Schaufelachse zu erzeugen. Nur in Gebieten, wo die Barriere absichtlich unterbrochen war, kann Korn-Verpflöckung in die Nachbarschichten mit Querkorngrenzen an solchen Orten auftreten.

Claims

1. Eine Methode zur Bildung von inneren Hochtemperatur Barrieren in strukturellen Metallen zur Verhinderung der Bewegung von Grenzen und Versetzungen um besagte strukturellen Metalle bei hohen homologen Temperaturen kriech-widerstandsfähig zu machen, worin Ionen in eine erste Schicht von strukturellem Metall implantiert sind zur Bildung einer Implantationsregion, das genannte strukturelle Metall von einer Art ist, das bei hohen homologen Temperaturen zum Kriechen neigt und Null oder sehr niedrige Löslichkeit für Xenon, Helium, Neon, Argon, Krypton, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium oder Gemische davon hat; und worin eine zweite Schicht von strukturellem Metall auf besagte erste ionen-implantierte Schicht gelegt ist zur Bildung eines Verbundes mit der vorerwähnten Implantationsregion begraben im Innern des Verbundes.

2. Eine Methode nach Anspruch 1, worin das Atomvolumen des ionen- implantierten Elements grösser als das Atomvolumen des strukturellen Metalles ist.

3. Eine Methode nach den Ansprüchen 1 oder 2, worin die erste Schicht in einer Mannigfaltigkeit von Geometrien beschaffen ist, so wie in einem flachen Blech oder auf einem gekrümmten Teil, wobei die Ionen entlang einem unbehinderten Pfad implantiert sind.

4. Eine Methode nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, worin die zweite Schicht von strukturellem Metall durch Dampfabscheidung, Platierung, thermische Sprühbeschichtung, elektrolytischen Niederschlag, Sputterbeschichtung oder durch Druckverbindung gelegt ist.

5. Eine Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das strukturelle Metall, das bei hohen homologen Temperaturen zum Kriechen neigt, Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, oder Yb oder eine Legierung von diesen ist.

6. Eine Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Atomvolumen des implantierten Elements bedeutend grösser ist als das des strukturellen Metalles und die implantierten Elemente bei hoher homologer Temperatur nicht leicht durch das strukturelle Metall diffundieren können.

7. Eine Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die ionen-implantierten Atome in der ersten strukturellen Metall Schicht in flächenartigen Regionen fein verteilt sind und in diesen Regionen feine Blasen bilden zum Festhalten gegen die Bewegung von Versetzungen und Korngrenzen, um dadurch dem Kriechen und der Rekristallisation in unerwünschten Richtungen entgegen zu wirken.

8. Eine Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Schritte der Implantierung und der Schichtenbildung wiederholt sind.

9. Ein hergestellter Artikel bestehend aus dem Verbund gebildet nach der Methode in einem der Ansprüche 1 bis 8.