CN101570882A - 一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属的定向凝固技术，具体就是一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚及其应用方法。现有技术不能形成确定取向且坩埚结构复杂。一种确定取向纯金属单晶的坩埚，由上组件，籽晶室，下密封件组成，所述上组件内设置有单晶体型腔、单晶体生长通道和固定上腔；所述下密封组件内上部设置有固定下腔，下端部设置有运动拉伸杆固定腔；固定上腔和固定下腔内包设有籽晶室；所述结构均为高纯石墨加工而成。使用时，将其置于LMC－1型高真空液态金属冷却定向凝固设备中。本发明引入可拆卸式籽晶室，在单晶体生长通道的作用下为布里奇曼法坩埚引入一个确定方向的初始晶核生长中心，因而可实现按确定取向制备纯金属单晶的目的。

Description

一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚及其应用方法

(一)技术领域

本发明涉及金属的定向凝固技术，主要是涉及纯金属单晶体的制备技术，具体就是一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚及其应用方法。

(二)背景技术

由于消除晶界的影响后，纯金属单晶体具有优异的电、磁、声、热、力学性能等性能，因此用单晶体做成的元件或功能器件被广泛应用于现代科学技术的许多领域，同时由于单晶体具有明显的各向异性，因此制备出的各种工程材料广泛应用于工业生产以及军事工程领域。如何按照设计制备出确定取向纯金属单晶体受到越来越多的关注。

目前，纯金属单晶制备技术主要有两种。一种是将一定量的金属材料熔化于坩埚内，采用加热铸型替代传统的冷铸型，以消除铸型内壁形核的OCC技术。通过冷却器强制冷却作用，使热流沿着拉铸方向单向传导，从而形成定向凝固的条件。美国专利4515204《Continuous Metal Casting》、日本专利昭58-97463以及文献《单晶连铸技术研究进展极其应用前景》(范新会、严文，《西安工业学院学报》1999年，第19卷第4期)均对单晶连铸技术(OCC)有详细的报道。单晶连铸技术虽然可以制备出纯金属单晶体，但《铝单晶线材连续铸造工艺及其性能》(范新会《材料工程》1997年，第9期)和《单晶铜线材在制备过程中的晶粒演化》(范新会、严文《西安工业学院学报》2006年，第26卷第1期)中均认为用OCC技术生产的纯金属单晶线材其晶粒择优生长方向在<100>附近，因此认为OCC技术不具备按设计生长纯金属单晶的功能。另外一种方法是布里奇曼法(Bridgman-Stockbarger)，该方法的特点是：1.该技术是借助一个温度梯度内进行结晶，从而在单一固---液界面上成核；2.纯金属通常放在一个有带毛细管的圆锥形端部的圆柱形坩埚内；3.把坩埚固定在一个设计的能产生近似一线性梯度的温度剖面的炉子内。采用该方法时，由于目前所使用的坩埚结构不够合理，存在着较多的问题，例如专利名称为《一种籽晶法凝固定向起始端结构及其应用》、专利号为“200510136715”中提供了这样的一种选晶装置(坩埚)，其具有常规螺旋选晶装置的结构，包括下端的圆柱状起晶器、与起晶器顶端相连的螺旋状选晶段和选晶器上端连接的单晶体型腔。但使用中发现还存在着以下不足：1.在生长过程中，最初形成的晶粒取向决定了最终单晶体的取向，这种结构并不能保证形成确定取向的单晶体；2.坩埚顶部毛细管状选晶装置结构依旧复杂，不易加工。

(三)发明内容

本发明要提供一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚及其应用方法，以克服现有技术存在的不能保证形成确定取向的单晶体和坩埚结构复杂的不足。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种确定取向纯金属单晶的坩埚，包括上组件、籽晶室和下密封组件，所述上组件包括圆柱状外壁，其中间沿轴向由上至下设置有带圆锥形端部的单晶体型腔、与单晶体型腔相连接的单晶体生长通道和固定上腔；所述下密封组件包括与上组件等径的圆柱状外壁，其中间沿轴向的上端部设置有固定下腔，该固定下腔与固定上腔等径，下端部设置有运动拉伸杆固定腔；所述固定上腔和固定下腔内包设有籽晶室，该籽晶室是圆柱状；单晶体生长通道的直径为籽晶直径的20-60％；所述结构均为高纯石墨加工而成。

上述单晶体生长通道的直径为籽晶直径的20-40％，生长的单晶质量最稳定。

一种上述坩埚的应用方法：将上述坩埚的下密封组件固定在LMC-1型高真空液态金属冷却定向凝固设备的运动拉伸杆上，下密封组件的外围直接侵入镓铟合金中，将线切割好的籽晶装入籽晶室将其固定在固定下腔上且籽晶的下端部与固定下腔的底部紧密接触，上组件中的固定上腔固定在籽晶室的上部，以纯金属为实验材料设定温度梯度进行定向凝固。

本发明的原理为：通过改进布里奇曼法坩埚引入可拆卸式籽晶室，便于控制籽晶上端发生部分熔化，并以籽晶为形核中心进行定向生长，在单晶体生长通道的作用下为布里奇曼法坩埚引入一个确定方向的初始晶核生长中心，因而可实现按确定取向制备纯金属单晶的目的。

本发明的优点主要有以下几方面：

1)采用带籽晶室的坩埚进行定向凝固，籽晶室下部的高导热石墨密封套直接侵入镓铟合金，保证整个定向凝固过程中的高的温度梯度。籽晶室上部为单晶体生长通道，该结构尺寸的优化设计保证了籽晶不易受到铸件型腔温度的影响避免籽晶的全部融化。从而提高了籽晶法生长确定取向纯金属单晶的成功率。

2)采用高纯石墨制备的坩埚在高真空下进行定向凝固，可以有效的减少籽晶和晶锭的氧化，因而不但可以促进籽晶与熔体的融合而且可以减少氧化物形成杂晶核心的几率。

3)采用这种可拆卸结构的石墨坩埚，各个部件易于加工且成本低廉，可以有效改变坩埚难加工的现状，为大规模使用打下基础。

4)采用其他形状的选晶器时，由于整个选晶段改变了熔体的运动方向，这这个过程中容易发生异质形核，同时会产生氧化物增加杂晶形核几率引起取向偏离。采用单晶体生长通道在严格控制温度场和在高真空条件下，可以显著减少选晶段的异质形核和氧化物的产生，即使在籽晶边缘有少量杂晶生成，但在晶体生长通道的选择下也只有在中心沿籽晶取向生长的晶粒通过，从而以籽晶为晶核进行生长。因此能够有效提高籽晶法生长确定取向纯金属单晶的成功率。

5)理论研究认为，其它物质例如半导体材料采用本发明所提供的坩埚和制备方法亦可起到积极的效果。

(四)附图说明

图1是本发明坩埚的分解结构示意图。

图2是本发明坩埚的组装结构示意图。

图3是坩埚在高真空定向凝固设备中的安装示意图。

图4～图6是实施例1中一个规格的单晶成功生长后的实物图、金相显微照片(10、20、50、100倍)以及XRD衍射图谱。

图7～图9是实施例1中另一个规格的单晶成功生长后的实物图、金相显微照片(10、20、50、100倍)以及XRD衍射图谱。

图10～图12是实施例2中一个规格的单晶成功生长后的实物图、籽晶端部以及单晶锭端部的XRD衍射图谱。

附图标记说明如下：

1-上组件，2-单晶体型腔，3-单晶体生长通道，4-固定上腔，5-籽晶室，6-下密封组件，7-固定下腔，8-运动拉伸杆固定腔。

(五)具体实施方式：

下面将结合附图对本发明做详细地描述。

参见图1和图2，本发明所提供的坩埚具有如下的结构。

一种确定取向纯金属单晶的坩埚，包括上组件1、籽晶室5和下密封组件6，所述上组件1包括圆柱状外壁，其中间沿轴向由上至下设置有带圆锥形端部的单晶体型腔2、与单晶体型腔2相连接的单晶体生长通道3和固定上腔4；所述下密封组件6包括与上组件1等径的圆柱状外壁，其中间沿轴向的上端部设置有固定下腔7，该固定下腔7与固定上腔4等径，下端部设置有运动拉伸杆固定腔8；所述固定上腔4和固定下腔7内包设有籽晶室5，该籽晶室5是圆柱状；单晶体生长通道的直径为籽晶直径的20-60％；所述结构均为高纯石墨加工而成。

参见图3，一种确定取向纯金属单晶的简易制备方法：将上述坩埚的下密封组件6固定在LMC-1型高真空液态金属冷却定向凝固设备的运动拉伸杆上，下密封组件6的外围直接侵入镓铟合金中，将线切割好的籽晶装入籽晶室将其固定在固定下腔7上且籽晶的下端部与固定下腔7的底部紧密接触，上组件1中的固定上腔4固定在籽晶室的上部，以纯金属为实验材料设定温度梯度进行定向凝固。

本发明为一种确定取向纯金属单晶的简易制备方法。采用籽晶室下部密封石墨套密封结构和单晶体生长通道相结合的坩埚，也就是将布里奇曼法进行改进引入籽晶法定向凝固。

布里奇曼法中的坩埚端部是以运动出高温场的形式获得温度梯度，这种设计的不足导致不能获得足够大的温度梯度。本发明籽晶室的一端与高导热石墨密封套连接，石墨密封套直接侵入镓铟合金，可以显著提高温度梯度。

布里奇曼法是要将要结晶的材料放在一个有圆锥形端部的圆柱形坩埚内，该坩埚下降通过一个温度梯度，产生端部的形核在温度梯度的作用下生长成为一个单晶体。本设计的端部单晶体生长通道和籽晶室在定向凝固开始后以整个单晶体籽晶为核心以柱状晶体形式向上生长，在这个过程中即使在边缘有杂晶生成，但在晶体生长通道的选择下也只有在中心沿籽晶取向生长的晶粒通过，从而实现以籽晶室内籽晶取向为生长方向，达到制备定取向纯金属单晶的目的。

籽晶室上部与单晶体生长通道连接。若单晶体生长通道的长度太短，容易使籽晶受到熔体温度的影响，发生全部熔化。若垂直定向凝固结构的长度太长，容易发生取向偏离，因此单晶体生长通道的长度最好控制在籽晶直径的80-100％之间。

实施例1：

该实施例所使用坩埚中，籽晶室的直径5mm，高度为20mm，籽晶长度为籽晶室的95％，单晶体生长通道的直径为籽晶直径的1mm，单晶体生长通道的高度为籽晶直径的80％。

取纯度为99.99％的纯铜锭，对其表面进行打磨并用稀盐酸清洗除去表面氧化物和杂质，使用酒精冲洗并使用吹风机吹干。将铜锭放入单晶体型腔2中(型腔规格Φ21×100mm)，再将整个坩埚按照图2所示放置入高真空定向凝固设备中，采用机械泵结合真空泵抽真空至10^-4Pa关闭真空系统，反冲氩气至5×10^-2Pa。开始加热至预定温度，保温2h，按照预定速度进行定向凝固。制备出Φ21×80mm的单晶体，采用EBSD技术和透射电镜对其进行取向标定，通过精密线切割技术制备出规格为Φ5×20mm的<111>和<110>两种取向籽晶。

1.将制备好的<111>方向的籽晶直接安装到籽晶室5中，将坩埚按照图2放置入高真空定向凝固设备中，采用机械泵结合真空泵抽真空至10^-4Pa关闭真空系统，反冲氩气至5×10^-2Pa。开始加热至1723K，在1723±5K下保温2h，然后按照8um/s进行定向凝固。制备出Φ8×80mm的单晶体并对其进行分析。参见图4～图6。

2.将制备好的<110>方向的籽晶直接安装到籽晶室5中，将坩埚按照图2放置入高真空定向凝固设备中，采用机械泵结合真空泵抽真空至10^-4Pa关闭真空系统，反冲氩气至5×10^-2Pa。开始加热至1723K，在1723±5K下保温2h，然后按照8um/s进行定向凝固。制备出Φ8×80mm的单晶体并对其进行分析。参见图7～图9。

实施例2：

该实施例所使用坩埚中，籽晶室的直径5mm，高度为20mm，籽晶长度为籽晶室的90％，单晶体生长通道的直径为籽晶直径的2mm，单晶体生长通道的高度为籽晶直径的95％。

取纯度为99.99％的纯铝锭，对其表面进行打磨清洗除去表面氧化物和杂质，使用酒精冲洗并使用吹风机吹干。将铝锭放入单晶体型腔2中(型腔规格Φ8×100mm)，再将整个坩埚按照图2所示放置入高真空定向凝固设备中，采用机械泵结合真空泵抽真空至10^-4Pa关闭真空系统，反冲氩气至5×10^-2Pa。开始加热至1073K，在1023±5K下保温2h，然后按照8um/s进行定向凝固。制备出Φ8×80mm的单晶体并对其进行分析。参见图10～图12。

Claims (3)

1、一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚，包括上组件(1)、籽晶室(5)和下密封组件(6)，所述上组件(1)包括圆柱状外壁，其中间沿轴向由上至下设置有带圆锥形端部的单晶体型腔(2)、与单晶体型腔(2)相连接的单晶体生长通道(3)和固定上腔(4)；所述下密封组件(6)包括与上组件(1)等径的圆柱状外壁，其中间沿轴向的上端部设置有固定下腔(7)，该固定下腔(7)与固定上腔(4)等径，下端部设置有运动拉伸杆固定腔(8)；所述固定上腔(4)和固定下腔(7)内包设有籽晶室(5)，该籽晶室(5)是圆柱状；单晶体生长通道(3)的直径为籽晶直径的20-60％；所述结构均为高纯石墨加工而成。

2、根据权利要求1所述的一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚，其特征在于：所述的单晶体生长通道(3)的直径为籽晶直径的20-40％。

3、根据权利要求1所述的一种制备确定取向纯金属单晶的坩埚的应用方法，其特征在于：将所述坩埚的下密封组件(6)固定在LMC-1型高真空液态金属冷却定向凝固设备的运动拉伸杆上，下密封组件(6)的外围直接侵入镓铟合金中，将线切割好的籽晶装入籽晶室(5)将其固定在固定下腔(7)上且籽晶的下端部与固定下腔(7)的底部紧密接触，上组件(1)中的固定上腔(4)固定在籽晶室(5)的上部，以纯金属为实验材料设定温度梯度进行定向凝固。

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