CN1255556A - 单晶转变控制 - Google Patents
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Abstract
多晶态物品在固态工艺被转变成单晶。加热物品的一端达到预定的空间温度曲线,该曲线的最高温度接近物品的熔点温度。保持温度曲线,在物品的第一端引发晶态转变。热量沿物品传向与其相对的另一端,因此可在沿着物品的方向上传播晶态转变。
Description
本发明涉及将多晶态物品转变为单晶体，尤其涉及其控制方法。
美国专利5427051(Maxwell等人)公开了一种将多晶态氧化铝固态转变为单晶态蓝宝石的设备和方法。在该方法中，使用一局部能量源，如二氧化碳激光器，加热氧化铝管的一端，使其温度接近氧化铝的熔点，沿着氧化铝管的长度方向，引发并自动传播固态单晶的转变。为防止热震，旋转氧化铝管，在管的周围沿环形方向实施激光加热，并且在一试验时，将氧化铝管轻微移动。
物品的形状和热源的使用方式会影响是否得到单晶转化物而不产生不希望的热震。
因此，为将多晶态物品转变成单晶，需要改进的转变方法和控制方法。
发明概述
多晶态物品在固态工艺被转变成单晶。加热物品的一端达到预定的空间温度曲线，该曲线的最高温度接近物品的熔点温度。保持温度曲线，在物品的第一端引发晶态转变。热量沿物品传向与其相对的另一端，因此可在沿着物品的方向上传播晶态转变。
附图说明
图1是根据本发明的代表性实施方案将多晶态物品固态转变为单晶的代表性实验装置示意图。
图2是根据本发明的代表性实施方案，将图1所示的将多晶态物品转变为单晶的代表性实验控制方法流程图；
图3是根据本发明的代表性实施方案，应用于图1所示的多晶态物品的一组空间温度曲线。
图4是根据本发明的代表性实施方案，加热图1所示的物品12的时间温度曲线(temporal temperature profile)。
发明详述
图1所示是根据本发明的代表性实施方案，用于实施将多晶态物品12转变为单晶的实验装置10。多晶态物品12可以具有任意适宜的形状，如长型管，例如，其形状可以是长约100mm，外径约5.5mm，壁厚约0.5mm。图示的多晶态物品12的中间为扩大或突出的部分以此说明多晶态物品12内部结构的不同。
物品12可由，例如，在固态转变过程中转变为单晶材料的多晶材料形成。例如，物品12可以是多晶态氧化铝的原始状态，如可购自General ElectricCompanyTM的商品名为LucaloxTM，其通常被预处理以除去其中的氧化镁以达到镁含量优选低于70wppm。
多晶态氧化铝可在固态转变为单晶态氧化铝或蓝宝石。美国专利5427051公开了这种转变的一个实例，将其引入本文作为参考。本发明是对上述专利的固态晶体转变方法的改进，从而提高了批量管子的晶态转变的再现性，并将这种方法扩大到用于更大或更长的物品及具有不同形状的物品上。
物品12优选安装在由电机16驱动的卡盘14上，以使物品12具有适宜的转速。卡盘14和电机16通常安装在移动平台(translation carriage)或桌面18上，当物品12由电机16驱动旋转时，沿轴向或中心线方向移动所负载的物品12。
二氧化碳激光器20和相关的光学设备是代表性的加热器，提供一加热器用以在物品12第一端的表面发热或发出激光束22，而物品12的相对端或第二端固定于卡盘14上。
在操作过程中，物品12被旋转，以便激光器20可在开始时在适宜的保护气中(如氩气)以均匀的环型方式加热物品12的第一端。由于并不了解导致固态晶体转变开始的工艺条件和这种转变发生时的速度，本发明提供了估计转变的反应进行阶段的判断方法，这种方法使用了控制的温度曲线。由此，预定的温度曲线是用来产生空间选择性的和时间可控制的稠化及物品12的转变。
正如原来在图1中所示，装置10的构形应为在图2所示的代表性流程中控制多晶态物品12进行固态晶体转变。该方法是从使用激光器20加热物品12的第一端以达到预定的空间温度分布或曲线开始，曲线的最高温度接近物品12的熔点，优选不超过其熔点。
图3是一组紧低于激光器的物品12的表面的空间温度曲线。在入射激光束22处，温度最高，入射激光束的位置对应于零的Z轴尺寸。激光束22集中于物品12的一个轴向平面，所以，由于与特定物品12有关的热传递机理，温度曲线在其另一端下降。对于代表性的多晶态氧化铝物品12来说，最高温度通常低于熔点2050℃，而且通常高于约1800℃。
使用适当时间曲线，通过控制激光器20逐渐升高位于激光束22下的物品12的局部温度，直到达到所需要的最高温度而不对物品12产生所不希望的热震，来完成空间温度曲线。将所得的空间温度曲线保持一段适宜的时间，从而在入射激光束22正下方的物品12的第一端开始其固态晶体转变。激光束22所产生的热量可沿着物品12的长轴传向相对的一端，从而在其长度方向传播固态晶体转变。
优选移动入射的热量，使空间温度曲线沿着物品12移动一预定的照射时间，从而在其长度方向传播晶体转变。平台18是整个物品12沿轴向移向激光器20，激光器20通常是固定的，以便使所需的空间温度曲线沿着物品12移动，当物品12平移时，促进其单晶转变。或者，激光器20移向被固定的物品。
如图1所示，一个成像高温计24(imaging pyrometer)瞄准或指向在施加激光光束区域的物品12上，用来测量物品12被加热的区域的表面温度。高温计24在操作中连接到控制器26上，该控制器反过来连接到激光器20上以调节热源。控制器26可以有任何常规的形式，如数字式程序计算机，优选控制器26在反馈回路中操作，这样对测得的温度作出响应，从而控制位于入射激光束22处的物品12的空间温度曲线。可调节激光20的电源，从而控制所施加的热源的热通量，这反过来会产生空间温度曲线。
固态晶体转变过程可由位于激光束22处的物品12的局部温度、该处相应的局部温度梯度以应及照射时间控制。图3表示一组预定的空间温度曲线，在加热点具有共同的最高温度，但在温度曲线的上升段和下降段会有不同。这些空间温度曲线的中部为最高点，在入射光束的前后空间延伸会有不同，且局部温度梯度也变化。
图4是一组与图3空间曲线相关的预定的时间温度曲线图。如上所述，开始以较低的能量加热物品12，并逐渐上升以相应地增加物品12的最高温度，但没有引起不希望的热震。到达最高温度后，热通量在一预定时间保持恒定，以引发和传播固态晶体转变。在转变进，物品12的物理性质包括导热系数会改变，且输入的热量会相应减少，以再防止物品12产生不希望的恶化，如热震。
由于空间温度曲线中间为最高点，在转变过程持续进行时，沿物品12移动热源，会沿物品12长度方向的剩余部分得到相应的空间和时间曲线。通过加热物品12转变过程可得到优化，从物品12的第一端开始，至其中部，最后至其相对的一端或第二端，沿着物品12的不同位置得到一条对应的空间温度曲线。
当物品12的形状是均匀的，空间温度曲线优选沿物品12不同的轴向位置相同或相等。当物品12的形状沿其轴向改变时，空间温度曲线优选在物品12的不同轴向位置而不同，由此促进晶体转变。
因此，对于物品12的均匀部分，最高温度的照射时间优选沿物品12的不同的轴向部位相等。对于物品12的形状变化，在最高温度的照射时间优选沿物品12不同的轴向部位而不同。
图3和图4的空间温度曲线和时间温度曲线只是相应的曲线族的一个实例，对于物品12的特定形状和及其特定材料组成，局部温度、局部温度梯度和照射时间可被优化。如图1所示的一个热模型28通常用于特定的物品12和激光器20热源。模型28可用来分析测定激光器20所需要的能量和热通量及产生所需要的温度曲线的物品12轴向移动的相应扫描速率，如图3和图4所示。
通过在系统发展程序加热一组物品12，可得到一组温度曲线，来确定单晶转变的开始和单晶传播速率。使用不同的时间曲线与照射时间结合物品12表面温度分布的辐射监视，可确定与稠化和转变反应的不同阶段相关联的工艺条件。从与固态转变和传播相对应的多条温度曲线，由保持在控制器26的相应程序中的预定温度曲线来控制物品12空间选择性和时间可控的稠化和转变反应。为优化物品12的单晶转变反应而不会在物品12的长度方向引起热震，在控制器26中产生转变反应的开路或闭路控制。
本发明对多晶态氧化铝的固态转变十分有效，其空间曲线的最高温度高于约1800C，沿着物品12的长度方向转变成单晶蓝宝石，而不考虑物品12的具体形状。为提高物品12长度方向上的固态转变过程，通过实施多组空间温度曲线和时间温度曲线，由控制器26完成最佳温度的控制。
尽管本文描述了本发明的优选和代表性的实施方案，但很清楚，本领域的技术人员根据本发明的教导可对本发明加以改变。因此，所有这些改变均在本发明的宗旨和范围之内，均应包括在所附的权利要求书中。
Claims (10)
1、一种控制多晶态物品转变为固态单晶的方法，包括：
加热所述物品的第一端以达到预定的空间温度曲线，该曲线的最高温度接近其熔点；
保持所述温度曲线在物品所述的第一端引发所述晶态转变；和
沿所述物品移动将热量移到相对的第一端，以相应地传播所述晶态转变。
2、根据权利要求1的方法，其中移动所述热量，以沿着所述物品相应地移动所述的温度曲线一段预定的照射时间，从而传播所述晶态转变。
3、根据权利要求2的方法，还包括：测量与所述加热部分相邻的所述物品的温度；和控制所述热通量以产生所述的空间温度曲线。
4、根据权利要求3的方法，还包括：提供以一组所述预定的空间温度曲线；和加热所述物品以沿着所述物品的不同位置产生一相应的曲线。
5、根据权利要求4的方法，其中所述曲线在沿着物品的不同位置是不同的。
6、根据权利要求4的方法，其中所述曲线沿着物品的不同位置是相同的。
7、根据权利要求4的方法，其中沿着物品的不同位置，照射时间不同。
8、根据权利要求4的方法，其中沿着物品的不同位置，照射时间相同。
9、根据权利要求4的方法，其中相应地加热一组物品12来确定单晶转变的开始和传播速率，可得到一组温度曲线。
10、根据权利要求4的方法，其中所述的物品是多晶态氧化铝，所述的最高温度高于约1800C，并且沿着物品12的整个长度方向固态转形成蓝宝石。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |