(57)【要約】  本発明は、耐火材料からなる高密度成形品、たとえばるつぼを形成する方法を提供し、該方法は、所望の形状に近いものへと粉末を形成するように構成された型に、少なくとも約２９００℃の融点を有する耐火材料を配置するステップを含む。粉末を含有する型は、型の形状に従う形状維持成形粉末を形成するのに十分な温度および圧力にて処理され、処理ステップは焼結または等方加圧を含む。形状維持成形粉末は、所望の最終形状へ機械加工して、次いで約９０％を超える密度および非常に低い開放気孔率を有する高密度成形品を製造するのに十分な温度および時間で焼結することができる。好ましい耐火材料として、タンタル炭化物およびニオブ炭化物が挙げられる。
2008535757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火材料からなる高密度成形品を形成する方法であって、
少なくとも約２９００℃の融点を有する耐火材料粉末を用意するステップと、
前記耐火材料粉末を、この粉末が所望の形状に形成されるように構成された型内に入れるステップと、
この粉末が入った型を、その型の形状に従って自立し且つ形状維持する粉末成形体を形成するのに十分な温度および圧力で処理するステップと、
前記形状が維持された粉末成形体をさらに成形するために、この粉末成形体を機械加工する任意のステップと、
前記形状が維持された粉末成形体を、約９０％を超える密度と、約１０％以下の全気孔率と、約１％以下の全開放気孔率とを有する高密度成形品を製造するのに十分な温度および時間で焼結するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記耐火材料が、耐火金属、耐火金属または半金属のホウ化物、耐火金属または半金属の炭化物、耐火金属または半金属の窒化物、耐火金属または半金属の酸化物、耐火金属または半金属の炭窒化物、耐火金属または半金属のケイ化物、耐火金属または半金属の硫化物、およびその合金または基本成分からなる群より選択されるものである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記耐火材料が、タンタル、ニオブ、タンタル、ニオブまたはハフニウムの炭化物、タンタル、ニオブまたはハフニウムの窒化物、およびその合金または基本成分からなる群より選択されるものである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記処理ステップが、前記型内に入った粉末に、少なくとも約５０ＭＰａの一軸圧力を加えると同時に、約１０００℃〜約２０００℃の温度で焼結することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記処理ステップが、前記型内に入った粉末に、少なくとも約１００ＭＰａの一軸圧力を加えると同時に、約１５００℃〜約１７００℃の温度で焼結することを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記処理ステップが、前記型内に入った粉末を、ほぼ室温で及び約５０〜約５００ＭＰａの圧力で等方加圧することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記焼結ステップが、前記形状が維持された粉末成形体を、約２１００〜約２５００℃の温度にて、及び真空圧から約１０ａｔｍまでの圧力範囲内で焼結することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記焼結ステップが、焼結温度を１時間当たり約１００〜約４００℃上昇させる温度上昇期間を約５〜約２０時間、および焼結温度を１時間当たり約１００〜４００℃低下させる冷却期間を約５〜２０時間行うとともに、前記形状が維持された粉末成形体を、最高焼結温度で約１０〜約５０時間にわたって焼結することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記形状が維持された粉末成形体が、約６０〜約８０％の密度を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記高密度成形品が、約９５％を超える密度と、約５％以下の全気孔率と、約０．５％以下の全開放気孔率とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記高密度成形品が、約９７％を超える密度と、３％以下の全気孔率と、約０．２５％以下の全開放気孔率とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記型が、前記耐火材料をるつぼの形状に形成するように構成されている請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法により製造される高密度成形品。
【請求項１４】
高密度タンタル炭化物成形品を形成する方法であって、
タンタル炭化物粉末または粉末状のＴａおよびＣの混合物を用意するステップと、
前記粉末を、この粉末が所望の形状に形成されるように構成された型内に入れるステップと、
前記型内に入った粉末に、少なくとも約５０ＭＰａの一軸圧力を加えると同時に、不活性雰囲気中または真空下で及び少なくとも約１５００℃の温度で焼結して、約６０〜約８０％の密度を有するとともに、前記型の形状に従って自立し且つ形状維持するタンタル炭化物粉末成形体を形成するステップと、
前記形状が維持されたタンタル炭化物粉末成形体をさらに成形するために、この粉末成形体を機械加工する任意のステップと、
前記形状が維持されたタンタル炭化物粉末成形体を、不活性雰囲気中で、約２１００〜約２５００℃の温度で、真空圧から約１０ａｔｍまでの圧力にて、約９０％を超える密度と、約１０％以下の全気孔率と、約１％以下の全開放気孔率とを有する高密度成形品を製造するのに十分な時間にわたって焼結するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
耐火材料を少なくとも約９５重量％含む高密度成形品であって、少なくとも約２９００℃の融点と、少なくとも約９０％の密度と、約１０％以下の全気孔率と、約１．０％以下の全開放気孔率とを有する成形品。
【請求項１６】
前記耐火材料が、耐火金属、耐火金属または半金属のホウ化物、耐火金属または半金属の炭化物、耐火金属または半金属の窒化物、耐火金属または半金属の酸化物、耐火金属または半金属の炭窒化物、耐火金属または半金属のケイ化物、耐火金属または半金属の硫化物、およびその合金または基本成分からなる群より選択されるものである請求項１５に記載の成形品。
【請求項１７】
前記耐火材料が、タンタル、ニオブ、タンタル、ニオブまたはハフニウムの炭化物、タンタル、ニオブまたはハフニウムの窒化物、およびその合金または基本成分からなる群より選択される請求項１５に記載の成形品。
【請求項１８】
前記耐火材料がタンタル炭化物である請求項１５に記載の成形品。
【請求項１９】
少なくとも約３２００℃の融点を有する請求項１５に記載の成形品。
【請求項２０】
少なくとも約３６００℃の融点を有する請求項１５に記載の成形品。
【請求項２１】
約９５％を超える密度と、約５％以下の全気孔率と、約０．５％以下の全開放気孔率とを有する請求項１５に記載の成形品。
【請求項２２】
約９７％を超える密度と、３％以下の全気孔率と、約０．２５％以下の全開放気孔率とを有する請求項１５に記載の成形品。
【請求項２３】
物理気相輸送法による結晶成長での使用に適したるつぼである請求項１５に記載の成形品。
【請求項２４】
前記るつぼが少なくとも約２２００℃の結晶成長温度にて少なくとも２００時間の耐用寿命を有する請求項２３に記載の成形品。
【請求項２５】
前記成形品が前記耐火材料を少なくとも約９７重量％含む請求項１５に記載の成形品。
【請求項２６】
前記成形品が前記耐火材料を少なくとも約９９重量％含む請求項１５に記載の成形品。
【請求項２７】
タンタル炭化物を少なくとも約９５重量％含み、物理気相輸送法による結晶成長での使用に適した高密度成形るつぼであって、少なくとも約９５％の密度と、約５％以下の全気孔率と、約０．５％以下の全開放気孔率とを有するるつぼ。
【請求項２８】
円筒形状を有する請求項２７に記載のるつぼ。
【請求項２９】
約９７％を超える密度と、３％以下の全気孔率と、約０．２５％以下の全開放気孔率とを有する請求項２７に記載のるつぼ。
【請求項３０】
少なくとも約２２００℃の結晶成長温度にて少なくとも２００時間の耐用寿命を有する請求項２７に記載のるつぼ。
【請求項３１】
約１〜約１０インチの高さと、約１／１６〜約５／８インチの壁厚と、約０．５〜約５インチの外径を有する請求項２７に記載のるつぼ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発）
本発明の基礎を成す研究は、海軍研究事務所（ＯＮＲ）認可番号Ｎ０００１４−０１−１−０７１６から一部資金援助を受けた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、耐火材料からなる高密度成形品、たとえば物理的気相輸送によるバルク結晶成長での使用に適したるつぼに関するものである。本発明は、焼結ステップを使用して高密度成形品を製造する方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）バルク結晶のＡｌＮ源の昇華による成長は、通例１８００℃〜２３００℃の範囲の高温を必要とし、該範囲の上端は、０．１から１ｍｍ／時を超える商業的に実用可能な成長速度をもたらす。リアクタの圧力は通例１気圧付近またはそれ未満であり、リアクタヘッドスペースガスは、純窒素または窒素／水素混合物からなる。高温要件は、Ａｌ蒸気の化学的に攻撃的な性質と相まって、リアクタの高温ゾーン材料の選択を、そして最も顕著には反応るつぼの選択を厳格に制限する。
【０００４】
ＡｌＮバルク結晶の物理気相輸送（ＰＶＴ）成長のためのるつぼの選択は、複数の制限的な要件によって決定される。理想的には、るつぼは（１）耐火性で、上述の成長温度と適合性であり、（２）化学的に攻撃的なＡｌ蒸気に対して不活性であり、（３）成長プロセスに対して無視できる汚染源であり、（４）複数の成長作業で再使用可能であり、（５）比較的安価であり、そして（６）各種の形状および寸法で製造可能であるべきである。
【０００５】
プラズマ溶射プロセスは、結晶成長用のるつぼを形成するために使用されている。プラズマ溶射プロセスはコーティングを供給するために、蒸発物質を表面に溶射するステップを含む。粉末の形の耐火材料は、非常に高温のプラズマ炎に噴射されて、そこで急速に加熱されて、高速へと加速される。高温材料は基材表面に激突して、急速に冷え、コーティングを形成する。
【０００６】
しかしながらプラズマ溶射プロセスは、複数の欠点を有する。たとえばプラズマ溶射プロセスは、形状が高密度化され、従来の金属機械加工ツールにとって堅くなりすぎる前に、形状の精密な機械加工を許容しない。さらにプラズマ溶射プロセスは比較的低い収率によって特徴付けられ、そのことは大半の耐火材料の高いコストのために問題があり、形成され得る厚さおよび形状が制限される。
【０００７】
従来技術の欠点を克服する新しい高密度成形品およびそのような物品を作製する方法に対する要求が、当該技術分野に残存している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、耐火材料からなる高密度のニアネットシェイプの製造のための２段階プロセスを提供する。本発明のある実施形態の好都合な特徴は、（１）形状が高密度化され、極めて堅くなる前に形状の精密な機械加工を可能にすることと、（２）高価な開始材料の高い利用収率（所望の形状に応じて、１００％に近い）を与えることと、（３）最終製品の形状または厚さに対して実際上、何の制約も課さないことと、（４）形状全体にわたって均一な材料特性を与えることと、が挙げられる。これらのすべての利点は、競合するプラズマ溶射プロセスの主な欠点と見なされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、その一態様として、耐火材料からなる高密度成形品を形成する方法を提供する。耐火材料を含む粉末が提供され、耐火材料は少なくとも約２９００℃の融点を有する。耐火材料粉末は、所望の形状の近似へと粉末を形成するように構成された型に入れられる。その後、粉末を含有する型は、型の形状に従う自立および形状維持成形粉末を形成するのに十分な温度および圧力にて処理される。形状維持成形粉末は、約６０％〜約８０％、好ましくは約７０％以上の密度を有するべきである。場合により、形状維持成形粉末は次に、従来の金属ツールおよび公知の機械加工プロセスを使用して、所望の最終形状を形成するために機械加工できる。機械加工の後に、形状維持成形粉末は、約９０％を超える密度と、約１０％を超えない全気孔率と、約１％を超えない全開放気孔率とを有する高密度成形品を製造するのに十分な温度および時間で焼結される。
【００１０】
本発明で使用する耐火材料は様々であり得る。ある実施形態において、耐火材料は耐火金属またはその誘導体、たとえば耐火金属のホウ化物、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、ケイ化物、および硫化物である。耐火材料は、上述の耐火材料のいずれかの合金または上述の耐火材料のいずれかの元素成分の混合物でもあり得る。好ましい実施形態において、耐火材料は耐火金属の炭化物または窒化物、たとえばタンタル炭化物、ニオブ炭化物、ハフニウム炭化物、タンタル窒化物、ニオブ窒化物、およびハフニウム窒化物、またはその合金である。
【００１１】
初期処理ステップは、型に含有された粉末を、同時に少なくとも約５０ＭＰａの一軸圧力を印加しながら、約１０００℃〜約２０００℃の温度で焼結することを含み得る。あるいは初期処理ステップは、型に含有された粉末を少なくとも約１００ＭＰａの圧力および室温またはその付近で等方加圧することを含み得る。最終焼結ステップは、成形された粉末を約２２００℃の温度および準大気圧またはほぼ大気圧にて焼結することを含み得る。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、高密度成形タンタル炭化物品を形成する方法が提供され、該方法は、タンタル炭化物粉末または粉末形のＴａおよびＣの混合物を提供するステップと、所望の形状に形成するように構成された型に粉末を入れるステップと、型の形状に従う自立および形状維持成形タンタル炭化物粉末であって、約６０〜約８０％の密度を有する成形粉末を形成するために、型内に含有された粉末を不活性雰囲気中または真空下および少なくとも約１５００℃の温度にて、同時に少なくとも約５０ＭＰａの一軸圧力を印加しながら焼結するステップと、場合により、成形粉末をさらに成形するために、形状維持成形タンタル炭化物粉末を機械加工するステップと、形状維持成形タンタル炭化物粉末を不活性雰囲気中で、約２１００〜約２５００℃の温度および真空から約１０ａｔｍに及ぶ圧力にて、約９５％を超える密度と、約５％を超えない全気孔率と、約０．５％を超えない全開放気孔率とを有する高密度成形タンタル炭化物品を製造するのに十分な時間で焼結するステップとを含む。
【００１３】
別の態様において、本発明は、上述の方法に従って作製した高密度成形品を提供する。ある実施形態において、高密度成形品は、約９５％を超える密度と、約５％を超えない全気孔率、および約０．５％を超えない全開放気孔率を有する。他の実施形態において、高密度成形品は、約９７％を超える密度と、約３％を超えない全気孔率と、約０．２５％を超えない全開放気孔率とを有する。高密度成形品は好ましくは、少なくとも約９５重量％の耐火材料を含む。
【００１４】
本発明に従って形成された物品は、各種の形状およびサイズを有することができる。ある好ましい実施形態において、高密度成形品は、物理的気相輸送によるバルク結晶の成長での使用に適したるつぼである。１つの実施形態において、本発明のるつぼは、少なくとも約２２００℃の結晶成長温度にて少なくとも２００時間の耐用寿命を有する。
【００１５】
このようにして本発明を一般的な用語で説明した。ここで必ずしも実際の縮尺で描かれていない添付図面への参照を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、本発明のすべての実施形態ではないが、１つの実施形態が示されている添付図面を参照して、以下でさらに十分に説明される。実際にこれらの発明は、多くの異なる形で具現され、本明細書で述べる実施形態に限定されると解釈すべきではない、むしろこれらの実施形態が提供されるので、本開示は適用可能な法律要件を満足する。同じ数字は全体を通じて同じ要素を指す。本明細書において、および添付の特許請求の範囲において、単数形の名詞は、文脈により明らかに別途言及しない限り、複数の対象を含む。
【００１７】
本発明は、耐火材料からなる高密度成形品を形成する方法を提供する。物品を構成するのに使用される耐火材料は好ましくは、少なくとも約２９００℃の、さらに好ましくは少なくとも約３２００℃の、そして最も好ましくは少なくとも約３６００℃の融点を有する。ある実施形態において、耐火材料の融点、したがってそれから構成された物品の融点は、少なくとも約３９００℃となる。
【００１８】
耐火材料は好ましくは、耐火金属またはその誘導体である。耐火金属は当該技術分野では、熱、摩耗、および腐食に対して著しい耐性を示す金属のクラスを指すと理解されている。例示的な耐火金属としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、オスミウム（Ｏｓ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）が挙げられる。耐火金属の例示的な誘導体としては、ホウ化物、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、ケイ化物、および硫化物が挙げられる。耐火金属の好ましい誘導体としては、窒化物および炭化物が挙げられる。高密度成形品を形成する耐火材料は、２つ以上の耐火金属またはその誘導体の合金でもよい。ある実施形態において、耐火材料は耐火金属の代わりに半金属（たとえばホウ素）、たとえば半金属の窒化物を含む。なお別の代わりの実施形態において、耐火材料は炭素である。
【００１９】
成形品は好ましくは、成形品の総重量に基づいて、少なくとも約９５重量％の、さらに好ましくは少なくとも約９７重量％の、最も好ましくは少なくとも約９９％の上述の耐火材料を含む。しかしながら耐火材料は本発明から逸脱することなく、微量で存在する他の材料、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム窒化物と合金にすることができる。
【００２０】
好ましい実施形態において、耐火材料はタンタル、ニオブ、ハフニウム、タンタル窒化物（ＴａＮ）、タンタル炭化物（ＴａＣ）、ニオブ窒化物（ＮｂＮ）、ニオブ炭化物（ＮｂＣ）、ハフニウム窒化物（ＨｆＮ）、ハフニウム炭化物（ＨｆＣ）、またはその合金である。タンタル炭化物、ニオブ炭化物、またはその合金は、そのような材料からなるるつぼが優れた耐久性および結晶成長材料（たとえばＡｌ蒸気）との適合性を示し、最小限の不純物を含む高品質の結晶を生成するために、高密度成形品がＰＶＴプロセスによるバルク結晶の成長で使用するためのるつぼである場合に特に好ましい。
【００２１】
プロセスの第１のステップでは、粉末形の耐火材料を、物品の所望の最終形状にほぼ等しい形状に粉末材料が従うように寸法決定された型に配置する。処理中の粉末材料の収縮のために、型は通例、収縮後に成形粉末が所望の形状およびサイズにほぼ等しい形状およびサイズを有するような方法で必要以上に大きいサイズに作製される。ある実施形態において、処理された物品の形状は所望の最終形状にきわめて近いので、それ以上の機械加工は不要である。粉末耐火材料は、上記の耐火材料または上記の耐火材料の元素成分の混合物のいずれでもよい。たとえば型に配置した粉末材料は、ＴａＣからなる物品を形成するためには、粉末ＴａＣまたはＴａおよびＣの混合物であり得る。同様にＮｂＣ物品を製造するためには、粉末ＮｂＣまたはＮｂおよびＣの混合物を型に配置できる。本発明の常法では、追加の添加剤またはバインダは不要である。１つの好ましい実施形態では粒径は変化し得るが、粉末材料の粒径は約０．１〜約５０μｍ、さらに好ましくは約１〜約５μｍの範囲内である。型は、本発明で使用する温度および圧力に耐え得るいずれかの材料、たとえばグラファイトまたは耐火金属、たとえばモリブデンからなり得る。
【００２２】
粉末を含有している型は、自己支持および形状維持形で粉末を共に融合させるのに十分な温度および圧力にて処理され、処理後に型の形状を粉末が保持することを意味する。形状保持粉末、すなわち「未焼結物（ｇｒｅｅｎ）」は通例、理論密度の約６０％〜約８０％の最終密度を有する。１つの実施形態において、未焼結物の密度は約７０％以上である。
【００２３】
初期処理ステップは好ましくは、型内に含有された粉末を約１０００〜約２０００℃、好ましくは約１５００〜約１７００℃で焼結することを含む。好ましくは焼結ステップの間に、少なくとも約５０ＭＰａの、好ましくは少なくとも約１００ＭＰａの一軸圧力を粉末に印加する。たとえば所望の物品形状が円筒形るつぼである場合、中空円筒形状を有する第１の型片に耐火材料粉末を配置する。耐火材料粉末を円筒形るつぼの所望の形状に従わせるのを補助するために、追加の型片、たとえば円筒形および環形型片を型の中空円筒内に下方へ加圧して、同時に第１の型片を上方に加圧することによって、焼結中に粉末に圧力が印加される。上記の所望の圧力を達成することができるいずれの適切な器具、たとえば各種の空気圧または液圧プレスも、型片に圧力を印加するために使用できる。
【００２４】
プロセスにおける本ステップの概略図は、中空円筒形状を有する第１の型片２４、環形型片２６、および中実円筒型片２８の断面図を描いた図２ａに与える。３個の型片は、粉末を円筒形るつぼの所望の形状に従わせるために、耐火材料粉末３０に対して一軸加圧される。粉末３０を含有する型は、上述のように熱が印加されるように、炉３４内に配置される。
【００２５】
焼結は通例、プロセスに対して不活性である雰囲気（たとえば窒素雰囲気）中で、または真空下で行われる。初期焼結ステップの時間の長さは、所望の物品のサイズおよび形状ならびにプロセスで利用される温度および圧力によって変化し得る。通例、焼結ステップは１〜約５０時間、好ましくは約５〜約１０時間かかる。
【００２６】
焼結技法は粉末冶金の分野で周知であり、本明細書で詳細に説明する必要はない。本発明では、炉がプロセスに対して不活性である雰囲気中で必要な焼結温度まで加熱することが可能である限り、いずれの焼結炉も使用できる。
【００２７】
別の実施形態において、初期処理ステップは、型内に含有された粉末を約５０〜約５００ＭＰａ、好ましくは約４００ＭＰａの圧力で平衡に加圧することを含む。等方加圧プロセスおよび装置は当該技術分野で公知であり、本明細書で詳細に議論する必要はない。等方加圧プロセスでは、粉末は、粉末と加圧媒体との間に物理的障壁を与える容器内に配置される。室温または冷間等方加圧（ＣＩＰ）では、容器は通例、ゴムまたはエラストマー材料であり、加圧媒体は液体、たとえば水または油である。高温または熱間等方加圧（ＨＩＰ）では、密封容器は金属またはガラスであり、加圧媒体は気体である。この液体または気体加圧システムの使用は、粉末塊全体での均一な圧密圧力および最終製品での均等な密度分布を確保する。等方加圧で利用される圧力は、少なくとも約１５，０００ｐｓｉ、そして一部の場合では６０，０００ｐｓｉ以上もの高さである。
【００２８】
初期処理ステップの後に、粉末材料は型の形状を保持している。次に、未仕上げの形状または未焼結物を冷却させて、型から取り外す。本段階では成形粉末の密度は、所望ならば一般の硬化鋼ツールおよび確立された機械加工プロセスを使用して成形粉末を最終精密形状へ容易に機械加工するのに十分な低さである（たとえば約８０％未満）。
【００２９】
任意の最終機械加工ステップの後に、成形粉末は好ましくは焼結炉に装填されて、ほぼ大気圧または準大気圧にて、たとえば約２２００℃の温度まで低速で（数時間にわたって）加熱される。焼結温度および圧力は一部は、焼結されている物品の耐火材料によって変わる。本ステップの適切な焼結温度範囲は、約２１００〜約２５００℃であり、適切な圧力は真空から約１０ａｔｍに及ぶ。１つの好ましい実施形態において、物品の耐火材料はＴａＣであり、焼結温度は約２３００℃であり、焼結圧力は約１ａｔｍである。炉内の適切な雰囲気は、プロセスに対して不活性である気体、たとえばアルゴン、または窒素、または真空を含み、あるいは雰囲気は、ある炭素含有種、たとえば炭化水素含有雰囲気（たとえばメタン）またはグラファイト、たとえば固体グラファイト、グラファイトフォーム、またはグラファイト粉末を含有できる。成形粉末はこの高温において、作用温度、成形粉末のサイズ、および所望の最終高密度化によって変わるある時間にわたって保持され、次に低速で（数時間にわたって）冷却される。加熱プロセスは、抵抗性または誘導性のどちらかであり得る、しかしながら最終製品の寿命に有害であり得る内部応力の蓄積を回避するために、形状全体で均一な温度を達成することが重要である。通例、成形粉末は最高焼結温度に、焼結温度が１時間当たり約１００〜約４００℃上昇する約５〜約２０時間の温度上昇期間を伴う約１０〜約５０時間の期間にわたって暴露される。代表的な冷却期間は約５〜約２０時間であり、ここで成形品の温度は１時間当たり約１００〜約４００℃冷却される。この最終焼結ステップは、「未焼結物」成形粉末３８が炉３４内で加熱される図２ｂに図式的に描かれている。
【００３０】
最終焼結ステップの完了後に、成形品は、少なくとも約９０％の高密度である（理論的最高密度と比較して）、さらに好ましくは少なくとも約９５％の高密度である、そしてある実施形態では少なくとも約９７％の高密度である、均一な構造を有するニアネットシェイプである。したがって成形品は極めて硬質であり、従来の金属ツールを用いる任意の機械加工は非実用的となる。
【００３１】
成形品は、約１０％を超えない、さらに好ましくは約５％を超えない、そしてある実施形態においては約３％を超えない開放気孔率（すなわち外面に暴露された孔）および密閉気孔率（すなわち外面まで延伸していない孔）を含む全気孔率を有する。本発明の主要な好都合の特徴は、著しく低い開放気孔率を有する成形品を製造する能力であり、物品の外側露出面に孔がないために、成形品が液体および気体に対してほぼ不浸透性であることを意味している。通例、本発明によって作製された成形品は、約１．０％を超えない、さらに好ましくは約０．５％を超えない、そして最も好ましくは約０．２５％を超えない全開放気孔率を有する。ある実施形態において、本発明によって作製された成形品は、測定可能な開放気孔率を有さない。
【００３２】
したがって本発明は、初期段階が形状維持および機械加工可能な粉末を生成して、最終焼結段階が最終高密度化を引き起こす２段階プロセスを使用して、従来の金属ツールを使用して機械加工できない材料からなる高密度のニアネットシェイプ品を提供する。最終焼結ステップは、成形品を耐酸化性にするのはもちろんのこと、極めて堅く、耐高温性にもする。本発明のプロセスは、競合するプラズマ溶射技術よりもはるかに費用効率的であり、はるかに多くの均質材料特性を提供し、製造可能な製品の厚さまたは形状に対する制限を有さない。
【００３３】
本発明によって作製された高密度成形品、たとえばＴａＣおよびＮｂＣからなる物品の可用性は、多くの高温用途、たとえば結晶成長、ジェットおよびロケット推進、機械加工、および穿孔に有用性を見出す。本発明の成形品の詳細な例示的用途としては、高温および酸化雰囲気での用途のための加熱要素および熱シールド、ジェットおよびロケットエンジンノズル、ならびに超硬質材料の切断ビットが挙げられる。
【００３４】
本明細書で使用するある耐火材料（たとえばＴａＣおよびＮｂＣ）は導電性であるため、それらは誘導加熱リアクタでの結晶成長用のるつぼ／サセプタ材料として使用できる。本発明を使用していずれの所望の壁圧のるつぼも製造できるため、本発明によるるつぼは、１０ｋＨｚもの低い周波数においてさえ、追加のＲＦサセプタを必要とせずに、ＲＦ場のるつぼ内への効率的な結合を可能にするのに十分な厚さ（たとえば約６ｍｍを超える）で作製できる。
【００３５】
図１を参照すると、本発明のプロセスを使用して作製できる例示的な円筒形るつぼ１０が示されている。るつぼ１０は、るつぼが結晶成長プロセス（たとえば物理的気相輸送プロセス）で使用されるときに粉末源材料１６を配置できる開放端チャンバ１４を画定する、るつぼ本体１２を含む。図示するように、チャンバ１４は、るつぼ本体１２の壁面および底面によって画定されている。るつぼ１０は、着脱式キャップ１８をさらに含む。図示するように、結晶成長プロセスの間にシード材料２０をキャップ１８に融着できる。図１には円筒形状を示しているが、本発明から逸脱せずに他のるつぼ形状も使用できる。通例、本発明の方法で使用するるつぼは、約１〜約１０インチ（たとえば約１〜約５インチ）の高さと、約１／１６〜約５／８インチ（たとえば約１／８〜約１／２インチ）の壁厚と、約０．５〜約５インチ（たとえば約１〜約５インチ）の幅または外径を有する。再び上記のように、本発明は、誘導加熱リアクタを使用するときに特に有用であり得る比較的厚い壁を有するるつぼを製造するために使用できる。プラズマ溶射技術を使用して作製したるつぼとは異なり、本発明のるつぼは耐火材料の比較的薄いコーティングを含まない。代わりに、本発明はその厚さにわたって均等な壁構造によって特徴付けられるるつぼを形成する。
【００３６】
ＡｌＮおよびＳｉＣ単結晶の成長に使用される高温昇華／再凝結プロセスは、本技術の可用性から著しくおよび直ちに恩恵を受ける。これらの結晶成長プロセスは極めて高温（＞２２００℃）を必要とするので、汚染は深刻な問題である。本明細書で使用する耐火材料の多くの例外的に低い蒸気圧および安定性のために、それらは清浄な高温結晶成長用途に理想的に適しており、したがって本発明は、次世代の広バンドギャップ材料の高純度昇華成長のための実現可能な技術革新と見なすことができる。たとえば本発明によって作製したＴａＣるつぼ内で成長させたＡｌＮ結晶の元素分析は、１重量ｐｐｍの分析検出限界以下の極めて低いＴａ汚染、ならびに５０重量ｐｐｍもの低いＣおよびＯ汚染レベルを明らかにした。本発明によって作製したＴａＣるつぼは、複数の連続する成長作業で再使用され、平均のるつぼ寿命は２２００℃を超える成長温度にて２００時間を超えた。Ａｌ蒸気に暴露された分析したＴａＣるつぼの壁は、連続した結晶粒の成長および高密度化を示したが、Ａｌまたは窒素との合金は示さなかった。
【００３７】
上述の説明で示された教示の利点を有する本発明が関係する本明細書で述べた本発明の多くの修正形態および他の実施形態が、当業者に思い浮かぶ。したがって、本発明は開示した具体的な実施形態に限定されないことと、他の実施形態が本発明の範囲内に含まれるものであることが理解されるべきである。本明細書では具体的な用語を利用したが、それらは限定する目的ではなく、一般的および説明的な意味のみで使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の方法を使用して製造される円筒形るつぼの一例を示す図である。
【図２ａ】本発明の方法の一実施形態における第１の焼結ステップの概略図である。
【図２ｂ】本発明の方法の一実施形態における第２の焼結ステップの概略図である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【国際調査報告】
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