C - Chemistry – Metallurgy – 30 – B
Patent
C - Chemistry, Metallurgy
30
B
C30B 31/06 (2006.01) C04B 41/50 (2006.01) C04B 41/87 (2006.01) C30B 31/00 (2006.01)
Patent
CA 2213387
Single crystal sapphire (34) is conventionally employed for mid-wave IR windows and domes exposed to high aerodynamic heating environments. Single crystal sapphire (34), however, suffers a loss of compressive strength in the c-axis of 95% on heating from ambient to 800°C. This loss of compressive on heating results in poor thermal shock resistance. Poor thermal shock resistance jeopardizes the reliability of the windows (32) and domes. The process of the present invention strengthens sapphire (34) and improves its resistance to thermal shock by introducing magnesium (Mg) ions into the crystal lattice of sapphire (34) to form a solid solution. The solid solution increases the strength of the sapphire (34). Additionally, a larger increase in strength results from converting the Mg into second phase precipitates (40) comprising magnesium aluminate spinel. The formation of the second phase particulates (40) results in precipitation-hardening or precipitation-strengthening due to the volume change on forming the magnesium aluminate spinel. The second phase particulates (40) comprising magnesium aluminate spinel are held to such a small size that the second phase particulates (40) impart increased fracture strength while not significantly degrading the IR transmission when compared with untreated sapphire (34). Consequently, precipitation-hardening with magnesium aluminate spinel improves the compressive strength of sapphire (34) while retaining high thermal conductivity and IR transmission.
Le saphir monocristallin (34) est couramment utilisé dans les fenêtres et dômes de transmission dans l'infrarouge moyen soumis à un environnement d'échauffement aérodynamique intense. Cependant, ce matériau (34) subit une perte de résistance à la compression dans l'axe c de 95 % lorsqu'il passe de la température ambiante à 800 degrés Celsius. Cet affaiblissement par échauffement s'accompagne d'une perte de résistance aux chocs thermiques, préjudiciable à la fiabilité des fenêtres et dômes IR (32). Le procédé objet de la présente invention permet de renforcer le saphir (34) et d'améliorer sa résistance aux chocs thermiques par incorporation d'ions de magnésium dans le réseau cristallin dudit saphir (34) pour constituer une solution solide. La solution solide augmente la résistance du saphir (34). De plus, on obtient une plus grande augmentation de la résistance en convertissant le magnésium en précipités de seconde phase (40) comprenant un spinelle d'aluminate de magnésium. La formation de particules de seconde phase (40) entraîne un durcissement ou un renforcement par précipitation attribuable au changement de volume à la formation du spinelle d'aluminate de magnésium. Les particules de second phase (40) renfermant des spinelles d'aluminate de magnésium demeurent à une si petite taille qu'elles favorisent une ténacité accrue sans perte significative de capacité de transmission en infrarouge par rapport à un saphir non traité (34). Par conséquent, le durcissement par précipitation de spinelle d'aluminate de magnésium améliore la résistance à la compression du saphir (34) tout en conservant intactes ses propriétés de conductivité thermique et de transmission IR.
Chen William W.
Harris Norman H.
He Holdings Inc.
Raytheon Company
Sim & Mcburney
LandOfFree
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