FR1464381A - Dispositifs de fermeture d'enveloppes à forte teneur en alumine pour lampes à décharge électrique - Google Patents

Description

Dispositifs de fermeture d'enveloppes à forte teneur en alumine pour lampes à décharge électrique. La présente invention se rapporte aux dispo sitifs du type comprenant une enveloppe ayant une teneur élevée en alumine, c'est-à-dire en une matière d'oxyde réfractaire dont la teneur en alumine dépasse 85 % en poids, et elle concerne plus particulièrement l'établissement de ferme tures pour les ouvertures de telles enveloppes au cours de la fabrication des dispositifs de ce genre.

On a proposé, par exemple, de former des enveloppes pour lampes à décharge électrique de vapeur d'un métal alcalin, et en particulier des lampes à décharge électrique de vapeur de sodium, à partir de tubes d'une matière céra mique ayant une teneur élevée en alumine et transmettant la lumière, car une telle matière est très résistante à l'attaque par la vapeur chaude d'un métal alcalin. On peut former de tels tubes-enveloppes en comprimant, par exem ple, de l'alumine très finement divisée, éven tuellement avec addition de petites quantités d'autres oxydes réfractaires, par exemple jusqu'à 1 % de magnésie, et en frittant la poudre agglo mérée. L'invention a pour but principal de four nir un procédé de formation d'une fermeture d'extrémité pour des tubes de ce genre, laquelle fermeture est également hautement résistante à l'attaque par les vapeurs de métaux alcalins.

Selon la présente invention, le procédé d'obtu. ration d'une ouverture d'enveloppe, dans le cadre de la fabrication d'un dispositif compre nant une enveloppe formée en une matière à haute teneur d'alumine, comme défini ci-dessus, est caractérisé en ce qu'il consiste à presser contre la surface de l'enveloppe autour de l'ouverture un élément de fermeture composé de niobium ou d'un alliage réfractaire de celui-ci, avec interposition d'une couche obtu- rante consistant en un ou plusieurs métaux choi sis parmi les titane, zirconium, vanadium et hafnium entre la surface de l'enveloppe et l'élé ment de fermeture ; et à chauffer l'ensemble dans une atmosphère inerte ou sous vide à une température suffisamment élevée pour obliger le métal de la couche obturante de s'allier avec le métal de l'élément de fermeture et réaliser ainsi une liaison hermétique dudit élément à l'enveloppe sur tout le pourtour de l'ouverture.

On peut modifier le procédé selon l'invention en incorporant du niobium et/ou du béryllium dans la couche obturante, en plus du ou des métaux cités plus haut. La proportion du béryl lium incorporé ne doit pas être suffisante pour former un composé intermétallique avec tout autre métal présent dans la couche obtu- rante,- et peut représenter avantageusement jusqu'à 15 % du poids total des métaux formant la couche obturante. Si l'on utilise du béryllium, on doit évidemment prendre soin au cours du chauffage qui intervient pendant la fabrication, d'éviter tout effet toxique.

On entend par un alliage réfractaire du nio bium, comme mentionné ci-desus, un alliage du niobium avec un ou plusieurs autres métaux réfractaires, de telle façon que le coefficient de dilatation thermique de l'alliage ne soit pas très différent de celui du niobium lui-même, et par exemple un alliage du niobium avec un ou plusieurs des métaux suivants . tantale, tungstène, rhénium, titane, molybdène, zirco nium, vanadium et hafnium. Les obturations obtenues selon l'invention sont d'un intérêt par ticulier dans des dispositifs devant fonctionner à des températures élevées, par exemple, des lampes électriques dont les enveloppes sont en alumine transmettant la lumière ; l'emploi du niobium pour l'élément de fermeture est parti culièrement avantageux dans une telle applica tion puisque le coefficient de dilatation ther mique du niobium est très voisin de celui de l'alumine, et de ce fait les fermetures dont l'élé ment de fermeture est en niobium, résistent par ticulièrement à des cyclages thermiques.

L'élément de fermeture doit évidemment pré senter un coefficient de dilatation thermique qui est assez voisin de celui de la matière formant l'enveloppe, bien que des bagues de support for mées de la même matière que l'enveloppe et ayant - sensiblement le même diamètre que l'ouverture de cette enveloppe, puissent être scel lées au côté opposé de l'élément de fermeture, coaxialement à l'ouverture, afin de réduire les contraintes dans le joint, dans le cas où le coeffi- cient de dilatation de l'élément de fermeture diffère légèrement de celui de la matière de l'enveloppe.

Puisque les éléments de fermeture en niobium ou en un alliage réfractaire de ce métal (tel que défini plus haut) sont hautement résistants à L'attaque par les vapeurs des métaux alcalins, le procédé selon l'invention convient particulière ment pour boucher les extrémités des tubes d'alu mine transmettant la lumière et devant former les enveloppes de décharge des lampes électri- ques à décharge de vapeur d'un métal alcalin.

L'élément de fermeture est avantageusement un disque et peut lui-même s'étendre sur toute l'ouverture et fermer cette ouverture de l'enve loppe après avoir été scelllé à cette dernière. En variante, lorsqu'il s'agit d'une enveloppe tubu laire, l'élément de fermeture pour l'extrémité ouverte du tube peut avoir la forme d'un capu chon s'emboîtant sur cette extrémité et scellé sur celle-ci conformément à l'invention. Dans tous les cas, -l'élément de fermeture peut être perforé et peut porter un autre élément, par exemple, un élément de support d'électrode, qui bouche l'ouverture de l'élément de fermeture, cet autre élément étant scellé à l'élément de fer meture avant ou après le scellement de l'élément de fermeture de l'enveloppe. Quand il s'agit d'une lampe électrique à décharge ayant une enveloppe tubulaire en une matière à teneur élevée en alumine, on obture de préférence les deux extrémités de l'enveloppe par le procédé de l'invention, et une électrode disposée suivant l'axe du tube est supportée par chacun des élé ments de fermeture.

Le présent procédé convient spécialement pour fermer une ouverture dans une enveloppe en alumine polyeristalline frittée, avec ou sans addition de petits quantités d'autres oxydes réfractaires comme la magnésie. Toutefois, l'enveloppe peut être composée d'autres formes de l'alumine, par exemple, en un monocristal de l'alumine, ou elle peut consister en alumine cristalline déposée à partir de la phase vapeur.

La couche obturante peut être formée par une rondelle mince en titane, zirconium, vanadium ou hafnium, qu'on introduit entre l'enveloppe et l'élément de fermeture, de façon à entourer l'ouverture- de l'enveloppe, l'ensemble étant ensuite comprimé et chauffé à une température convenable. Toutefois, ces métaux ont tous des points de fusion élevés, de sorte qu'on péüt avoir à mettre en jeu une température élevée et peu commode à atteindre pour effectuer le scelle- ment avec un seul métal ; par exemple, quand on utilise une couche obturante en titane; on doit chauffer l'ensemble à une température de<B>1800</B> à 1850<B>'C.</B> Il est donc préférable d'employer un alliage convenable de deux ou plusieurs des métaux cités, c'est-à-dire un alliage capable de se lier de façon satisfaisante à la matière de l'enveloppe, car on peut effectuer le scellement à une température plas faible avec les alliages qu'avec des métaux simples. On peut utiliser une seule rondelle mince composée d'un alliage approprié, ou de préférence, on forme cet alliage <I>in</I> situ en plaçant deux ou plusieurs rondelles minces, chacune formée d'un métal différent choisi parmi le titane, le zirconium, le vanadium, l'hafnium et facultativement le niobium et/ou le -béryllium, entre l'enveloppe et l'élément de fermeture, puis en comprimant l'ensemble et en le chauffant à une température suffisamment élevée pour obliger les rondelles à former un alliage, et de cette façon la formation de l'alliage des métaux- et la formation du joint sont réali sées en une seule et même opération. On conduit de préférence le chauffage dans une atmosphère d'argon ou dans le vide.

Pour permettre un scellement satisfaisant à une température commodément peu élevée, la composition de la couche obturante est de pré férence de nature à former un -alliage capable de fondre à une température ne dépassant pas 1500<B>'C.</B> Pour cette raison, la couche obtu rante contient de préférence du zirconium et du vanadium, avantageusement avec du titanium en supplément pour contribuer à l'amorçage de la réaction avec les couches superficielles de l'alu mine de l'enveloppe. Le procédé qui est donc préféré pour la mise en aeuvre -de l'invention consiste à introduire trois rondelles formées res pectivement de titane, de vanadium et de zirco- nium entre l'enveloppe et -l'élément de ferme ture, en disposant la rondelle de titane à côté de la surface de l'alumine et la rondelle de zir conium à côté de l'élément de fermeture.

Puisque le niobium de l'élément de fermeture est pris dans la couche de scellement au cours du stade de chauffage, il est évident que le niobium peut être éventuellement inclus initia lement dans la couche obturante. Cependant, la proportion du niobium qu'on incorpore ini tialement dans la couche de scellement ne doit pas être suffisamment importante pour élever le point de fusion de l'alliage résultant à une valeur indésirable.

Si l'on incorpore du béryllium dans la couche de scellement, on forme de préférence une cou che de béryllium sur une rondelle de l'un des autres métaux nécessaires dans la couche de scel lement, par exemple, par la technique de dépôt de vapeur, et on utilise cette rondelle ensuite pour former la couche de scellement, éventuelle ment ensemble avec une ou plusieurs rondelles supplémentaires formées de l'un ou de plusieurs des autres métaux.

Si l'enveloppe est tubulaire et que les deux extrémités de l'enveloppe doivent recevoir des éléments de fermeture par le procédé de l'inven tion, le scellement des deux éléments à ce tube peut se faire simultanément et éventuellement en une seule opération.

L'invention a également pour objet de four nir des dispositifs comprenant une enveloppe formée en une matière à teneur élevée en alu mine comportant un élément de fermeture en niobium ou en un alliage réfractaire de celui-ci, scellé à au moins une ouverture de l'enveloppe à l'aide d'une couche obturante composée d'un ou plusieurs des métaux choisis parmi les titane, zirconium, vanadium, hafnium et facultative ment, le niobium et/ou le béryllium, comme il a été décrit ci-dessus.

Un mode de réalisation de l'invention est représenté schématiquement sur le dessin annexé et sera maintenant décrit en se référant à la figure unique de ce dessin.

Cette figure représente en élévation, avec coupe partielle, une lampe électrique à décharge de vapeur de sodium comprenant une enveloppe tubulaire de décharge en alumine transmettant la lumière, laquelle enveloppe est obturée à cha que bout par le procédé selon l'invention, en utilisant une couche obturante composée de zir conium, de vanadium et de titane.

Sur ce dessin, l'enveloppe à décharge 1 est un tube droit ayant 120 mm de longueur, un diamètre intérieur de 7 mm et une épaisseur de paroi de 0,8 mm, et il est formé en comprimant de l'alumine finement divisée avec un maxi mum de 1 '% de magnésie, par une technique connue. Des capuchons terminaux en niobium 2 et 3, ayant chacun une épaisseur de 178 sont scellés avec emboîtement sur les extrémités du tube 1, par le procédé selon l'invention qui sera décrit en détail dans ce qui suit. Sur le dessin, les capuchons sont représentés en posi tion, prêts pour le scellement mais non encore scellés aux extrémités du tube en alumine, ceci afin que le stade de scellement puisse être expli qué clairement en s'appuyant sur le dessin.

Une électrode 4 sous forme d'une baguette en tungstène silicié ayant 15 mm de longueur et 1,2 mm de diamètre, sur laquelle est bobiné un fil de tungstène 5 retenant une certaine quan tité d'une matière d'activation 6, est brasée au capuchon terminal 2 en niobium à l'aide de titane 7, de façon à être supportée coaxialement dans l'enveloppe 1. Une languette en niobium 8 est brasée à l'extérieur du capuchon de nio bium 2, également avec du titane 9.

La seconde électrode 10 est supportée par l'autre capuchon terminal 3 ; cette électrode consiste en une baguette similaire en tungstène silicié ayant 12 mm de longueur et portant un bobinage de fil en tungstène 11, et elle est brasée avec du titane à une baguette de molyb- dène 12 dont un tronçon de 3 mm est à l'inté rieur de l'enveloppe et qui traverse une ouver ture dans le centre du capuchon 3, en s'élargissant pour former un épaulement 13 qui est brasé à l'extérieur du capuchon 3 avec du titane 14 ; un tube de mise sous vide ou queu- sot 15 en titane ou en niobium, s'ajuste sur l'extrémité extérieure de la baguette en molyb dène 12, et il est brasé en position comme on le voit en 16 en utilisant du titane quand le tube est en niobium ou des rondelles de zirconium et de vanadium si le tube est en titane. La baguette de molybdène 12 est traversée par un canal étroit 17 prenant naissance à son extré mité extérieure et se terminant sur le côté de la baguette qui est à l'intérieur de l'enveloppe, comme on le voit en 18 ; ce canal sert de tige de pompage pour faire le vide dans l'enveloppe et introduire le contenu de l'enveloppe au cours de la fabrication de la lampe.

Au cours de la fabrication de la lampe, on commence par terminer les ensembles des capu chons terminaux et des électrodes, comme il a été dit ci-dessus, y compris la fixation du tube 15, toutes les opérations de brasage se fai sant sous vide ou dans une atmosphère d'un gaz inerte. On place alors trois rondelles dans cha cun des capuchons en niobium, comme il est représenté sur le dessin, les rondelles 19, 19' étant en zirconium, 20, 20' étant en vanadium et 21, 21' étant en titane ; les épaisseurs préfé rées des rondelles sont : 100 [, pour la rondelle de zirconium, 38 [, pour la rondelle de vanadium et 50 [, pour la rondelle en titane ; toutes les rondelles ont des diamètres intérieur et exté rieur d'environ 6 mm et 9 mm respectivement. Les ensembles des capuchons terminaux, aux quels les rondelles ont été soudées par points, sont alors supportés en position sur les extré mités du tube en alumine 1, comme il est repré senté, et on chauffe le tout sous vide pendant qu'on applique de la pression aux deux capu chons en supportant l'ensemble verticalement et en plaçant un poids de 3,5 kg sur le capuchon du dessus, l'ensemble étant porté de la tempéra ture ambiante à une température de 1400 C 50 C en dix minutes environ, après quoi on laisse l'ensemble se refroidir. Au cours du chauffage, les rondelles forment un alliage de titane, vanadium et zirconium et lorsque les rondelles ont les épaisseurs respectives indiquées plus haut, la composition pondérale de cet alliage est environ 68 % de zirconium, 14 % de vanadium et 18 % de titane. Cet alliage s'allie en outre avec le niobium des capuchons, de sorte que ces capuchons sont solidement liés aux extrémités du tube d'alumine 1.

On introduit un remplissage de sodium et de gaz rare, par exemple, de l'argon, sous une pression d'environ 20 mm de mercure, dans l'enveloppe par le tube 15 et le canal 17, et ensuite, on scelle le tube 15 par pincement et soudage à l'arc sous argon. On monte l'enve loppe à décharge coaxialement dans une chemise cylindrique extérieure en verre étudiée pour maintenir l'enveloppe à une température de fonctionnement convenablement élevée quand la lampe est en service, et des conducteurs d'ali mentation électrique sont connectés aux élec trodes par attachement à la languette en nio bium 8 et au tube métallique 15 respectivement; les conducteurs et la chemise extérieure ne sont pas représentés sur le dessin pour ne pas le compliquer inutilement, et d'ailleurs ces deux éléments sont bien connus dans la spécialité.

Les scellements obtenus aux extrémités de l'enveloppe à décharge, par exemple, dans une lampe, possèdent une résistance élevée à l'atta que par la vapeur chaude de sodium lors du fonctionnement de la lampe, et en outre, ils ne sont pas affectés par le cyelage thermique se produisant au cours du service normal de la lampe.

La lampe qui a été décrite dans l'exemple ci-dessus peut être modifiée, en ce sens que les extrémités de l'enveloppe à décharge peuvent être obturées par des disques en niobium por tant les ensembles d'électrodes comme il a été décrit, au lieu d'une obturation par des capu chons en niobium. En outre, les couches obtu- rantes qu'on introduit entre les capuchons ou disques en niobium et les extrémités du tube en alumine peuvent être constituées chacune par une seule rondelle formée d'un ou plusieurs des métaux titane, vanadium, zirconium ou haf nium, éventuellement avec un, revêtement de béryllium. Si l'on utilise une seule rondelle composée d'un seul des métaux indiqués à cha que bout, la température nécessaire pour le chauffage sera un peu plus élevée que la tempé rature indiquée dans l'exemple, et elle pourrait être de 1800 à<B>1850</B> `C pour des rondelles en titane, par exemple.

Il va de soi que le remplissage de la lampe peut contenir certains composés appropriés, par exemple, certaines iodures métalliques, en plus du sodium, ou encore le sodium peut être rem placé par tout autre métal désiré ou par un mélange de métaux convenant pour les lampes à décharge, à la condition que les composés supplémentaires ou les métaux de remplacement ne puissent réagir avec les matières formant le tube, les capuchons terminaux et les rondelles obturantes.

Claims (1)

1. RÉSUMÉ A. Procédé d'obturation d'une ouverture d'enveloppe au cours de la fabrication d'un dis positif comprenant- une enveloppe formée en une matière dont la teneur en alumine dépasse 85 % en poids, procédé caractérisé par les points suivants, séparément ou en combinai sons 1 II consiste à presser contre la surface de l'enveloppe autour de l'ouverture un élément de fermeture composé de niobium ou d'un alliage réfractaire de celui-ci, avec interposition d'une couche obturante consistant en un ou plusieurs métaux choisis parmi les titane, zirconium, vanadium et hafnium entre la surface de l'enve loppe et l'élément de fermeture ; et à chauffer l'ensemble dans une atmosphère inerte ou sous vide à une température suffisamment élevée pour obliger le métal de la couche obturante de s'allier avec le métal de l'élément de ferme ture et réaliser ainsi une liaison hermétique dudit élément à l'enveloppe sur tout le pourtour de l'ouverture ; 2' L'enveloppe est un tube et on scelle l'élé ment de fermeture à la surface terminale de l'extrémité ouverte du tube 3 6 L'élément de fermeture est un disque ; 46 L'élément de fermeture est un capuchon qui s'emboîte sur le tube autour de l'ouverture et est scellé à la surface entourant l'ouverture ; 5 L'élément de fermeture est perforé et porte un autre élément qui ferme hermétiquement cette ouverture dans l'élément de fermeture ; 6' L'enveloppe est composée d'alumine poly- cristalline frittée, avec ou sans petites additions d'autres oxydes réfractaires ; 7 La couche obturante est formée d'une seule rondelle mince composée de l'un des métaux précités ou d'un alliage de deux ou plusieurs de ces métaux, ladite rondelle étant introduite entre l'enveloppe et l'élément de fermeture avant les stades de compression et de chauffage ; 8 La couche obturante comprend au moins deux rondelles minces dont chacune est compo sée d'un métal différent parmi les métaux cités, ces rondelles étant introduites entre l'enveloppe et l'élément de fermeture, et on comprime et on chauffe l'ensemble de l'enveloppe, de rondelles et l'élément de fermeture afin d'obliger les métaux des rondelles à former un alliage et à lier l'élé ment de fermeture à l'enveloppe ; 96 On introduit trois rondelles consistant res pectivement en titane, vanadium et zirconium, entre l'enveloppe et l'élément de fermeture, la rondelle en titane étant placée à côté de la sur face de l'enveloppe et la rondelle de zirconium étant placée à côté de l'élément de fermeture ; 106 La couche obturante contient initialement du niobium en plus du ou des métaux du groupe cité ; 116 La couche obturante contient du béryl lium en plus d'un ou plusieurs des métaux cités, la proportion incorporée du béryllium étant insuffisante pour former un composé intermétal- lique avec l'un des autres métaux de la couche obturante ; 12' La proportion du béryllium qu'on incor pore dans la couche obturante ne dépasse pas 15 % du poids total des métaux formant la couche obturante ; <B>13'</B> On incorpore le béryllium sous forme d'un enduit sur au moins l'une des rondelles minces servant à former la couche obturante ; 14 L'enveloppe est un tube ouvert aux deux bouts, et on obture simultanément les deux bouts en une seule opération de chauffage en utilisant pour chaque bout un élément de fer meture scellé au tube par une couche obturante telle que définie. B. A titre de produit industriel nouveau, un dispositif comprenant une enveloppe formée d'une matière dont la teneur pondérale en alu mine est supérieure à 85 %, caractérisé en ce qu'au moins l'une des ouvertures de cette enve loppe est obturée par le procédé selon le para graphe A ou un procédé permettant d'atteindre un résultat équivalent. C. Lampe électrique à décharge à la vapeur d'un métal alcalin, par exemple du sodium, comprenant une enveloppe tubulaire de décharge formée en alumine transmettant la lumière, cette lampe étant caractérisée par les points suivants pris ensemble ou séparément 1 Les deux extrémités de l'enveloppe ont été obturées par le procédé selon le paragraphe ou un procédé permettant d'obtenir un résultat équivalent ; 2 L'enveloppe a été obturée à chaque bout par un disque ou capuchon de niobium scellé à l'extrémité correspondante de l'enveloppe par une couche obturante formée de trois rondelles minces, respectivement en zirconium, en vana dium et en titane, la rondelle de zirconium étant placée à côté de la surface de niobium, et la rondelle en titane étant adjacente à la surface en alumine.