DE1941968A1

DE1941968A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen

Info

Publication number: DE1941968A1
Application number: DE19691941968
Authority: DE
Inventors: Francis Busquet; Francis Forrat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-08-23
Filing date: 1969-08-18
Publication date: 1970-03-05
Also published as: NL166284B; DE1941968C3; ES369458A1; BE735422A; US3584676A; NL6911943A; GB1246556A; DE1941968B2; CH511635A; LU59280A1; NL166284C; FR1584406A

Description

8 MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSE la TELEFON C0811} B9 3β 8»

B.2907.3 JP HUnchen, 1$« August 1969

Dr.M./

CP 3P5/706

Commissariat 4 l¹Energie Atoraique in Paris / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu» Herstellen von einkristallen, insbesondere von Metallen und Legierungen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Von den gegenwärtig bekannten Verfahren zur Herstellung von > Metall-Einkristallen wird wegen seiner Einfachheitam meisten das Verfahren nach Bridgman benutzt» Man schmilst das Metall in einem Tiegel mit konischem Boden, stellt die Tatperataur im ' ä Tiegel auf einen Vert in der Nähe des Schmelzpunktes eis (einem Wert, der entsprechend dem Unterkühlungsfaktor korrigiert ist) und verschiebt von der Konusspitze ausgehend längs des Tiegels mit einer geringen Geschvindiglceit einen negativen Wäreegradienten von einigen Grad pro Zentimeter* Bei einer geeigneten Vtrschiebungsgeschwindigkeit bildet sich an der Xonusspits« ein keim und wächst nur im Maße der Verschiebung des unter Ausschaltung oberflächlicher Zvillingskristalle, welche Susi Band ä@s Tiegels Mn abgegeben werden* mindestens wenn be-

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, stimm% Bedingungen erfüllt sind. Insbesondere ist erforderlich, daß dieWaehstumsfront des Einkristalls konvex ist, vas bedingt« daß der Hauptteil der Wärmeverluste durch Wärmeleitung durch den bereits gebildeten Kristall und nicht durch die Wand auf einer Höhe, wo der Mittelteil des Körpers noch nicht kristallisiert ist,

; erfolgt. Es sind verschiedene empirische Formeln bekannt, velche die dabei zn beachtenden Werte angeben, in Abhängigkeit von insbesondere den Wärmeleitfähigkeiten des Kristalls und der Schmelze·

"' Dieses bekannte Verfahren liefert zwar im allgemeinen befriedigende Ergebnisse, hat jedoch seine Grenzen. Insbesondere eignet es sich sehr schlecht zur gleichzeitigen Herstellung einer Gruppe identischer Einkristalle in einer Traube von in einem Block angeordneten Tiegeln. Versuche mit einer Traube iron Tiegeln, die aus unten spitz zulaufenden Blindbohrungen in einem durch Induktion erhitzten Graphit- oder Keramikblock bestanden* lieferten sehr enttäuschende Ergebnisse. Einer der Gründe dafür ist die geringe Wärmeleitfähigkeit der zur Herstellung des Blocks verwendbaren Materialien. Es ist sehr schwierig, eine im wesentlichen ebene

und waagerechte Isotherme und damit eine Kristallisation auf gleicher Höhe in allen Bohrungen und eine befriedigende Homogenität der Kristalle zu erhalten.

] Die Erfindung bezweckt ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche den praktischen Anforderungen besser als die bisher bekannten entsprechen und insbesondere die gleichzeitige Herstellung von im wesentlichen identischen Einkristallen ermöglichen.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen eines Stoff durch senkrechte Verschiebung einer Erstarrungsfront längs einer Masse des zuvor geschmolzenen Stoffs, das. sich insbesondere dadurch muszeichnet, daß man den geschmolzenen Stoff in einer gut wärmeleitenden For», die in ein bei einer Temperatur etwas oberhalb des Schmelzpunkts oder Liquidus des Stoffs gehaltenes Bad eines geschmolzenen Materials eingetaucht ist, unter einem hydrostatischen Druck gehalten und die an ihrem oberen Ende spitz zulaufende Form allmählich aus dem Bad nerausgezogen wird.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung geschaffen, welche insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens dient und sich auszeichnet durch eine Formtraube zur Aufnahme des geschmolzenen Stoffs, bestehend aus einer Mehrzahl von an ihrem oberen Ende geschlossenen Formen und einem mit dem unteren Teil der Formen in Verbindung stehenden Fülltrichter, ein Bad mit Heizvorrichtungen, durch welche ein im Bad enthaltenes flüssiges Material auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Stoffs gebracht werden kann, und eine Hebevorrichtung, welche das Anheben der Formentraube aus einer unteren Stellung, in der die Formen in dem das Bad einnehmenden Material vollständig untergetaucht sind, ermöglicht.

Von den durch die Erfindung gebrachten Votteilen seien insbesondere die folgenden erwähnt: Das erfindungsgemSße Verfahren erfüllt voll- ■ *.-3mmen die theoretischen Bedingungen der gleichzeitigen - Krj.sta3.li-ΐ in mehreren Formen, die gleichzeitig aus dem Bad des gev >lzeneii Materials herausgezogen werden, da die Isotherme für formen von des« in seiner ganzen Masse eine gleichmäßige Tempe-

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ratur besitzenden Bad festgelegt ist. Die Verwendung von sog» ¹¹ Schild"-Formen (Carapaces) ermöglicht die Herstellung von unregelmäßig geformten Einkristallen unmittelbar mit den Benutzungsseiten, da die Aufrechterhaltung eines hydrostatischen Drucks gewährleistet, daß der Einkristall bei seinem Wachstum in der richtigen Stellung und in enger Berührung mit der Form gehalten vird.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform der Vorrichtung. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Figur, welche die Vorrichtung im Aufriß und teilweise im Schnitt längs einer durch ihre Achse gehenden senkrechten Ebene zeigt.

Die in der Figur gezeigte Vorrichtung besitzt einen Metallkessel 10 mit einem dichtschließenden Deckel 12. Der Deckel 12 kann mittels einer oder mehrerer Hebevorrichtungen (z.B. Hubzylinder) 14 gehoben oder gesenkt werden. Zwischen dem Deckel und dem oberen Rand des Kessels sind nicht gezeigte Dichtungen vorgesehen.

Da der Innenraum des Kessels im Betrieb auf eine hohe Temperatur gebracht wird, sind die Wand des Kessels und gegebenenfalls der Deckel mit einem Innenmantel 16 versehen, der mit der Außenwand des Kessels einen ringförmigen Zwischenraum 18 bildet, in dem ein Kühlmittel (im allgemeinen Wasser) strömt. Mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung kann im Inneren des Kessels ein Vakuum Von mindestens 1O~ Torr, erzeugt werden, um die Oxydation des zur Gewinnung der Einkristalle dienenden Materials zu verhindern*

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Der Kessel 10 enthält einen Schmelzofen 20, der durch Induktion mittels Hoch- oder Mittelfrequenzstrom geheizt vird und zum Schmelzen des Stoffs dient, aus dem die Einkristalle bestehen sollen, sowie einen Kristallisationsofen 22, der ebenfalls mit einer Hochfrequenzheizvorrichtung ausgestattet ist.

Der Schmelzofen 20 besteht aus einem Tiegel 24, der von an der Wand des Kessels gelagerten nicht gezeigten Zapfen getragen vird und so aus der in der Figur ausgezogen gezeigten Stellung in die strichpunktiert gezeigte Stellung gekippt werden kann. Das Kippen erfolgt mittels eines in der Figur nicht sichtbaren Handrads, das an einem der Zapfen befestigt und außerhalb des Kessels angeordnet ist. Der Tiegel 24 trägt eine Hochfrequenzheizvickiurig 26,die mit einem Generator von genügender Leistung ve bunden ist, um eine in den Tiegel gegebene Charge des zu behandelnden Stoffs zum Schmelzen zu bringen.

Der Kristallisationsofen 22 besitzt einen Trog 28 aus feuerfestem Material, der mit einem Bad 30 aus einem Material gefüllt ist,das so gewählt ist, daß sein Schmelzpunkt unterhalb des Schraelzpunts des zu behandelnden Stoffs liegt und das als Flüssigkeit und ohne zu hohe Verdampfungsverluste auf eine Temperatur oberhalb des letztgenannten Schmelzpunkts gebracht werden kann. Man kann insbesondere Zinn ohne besondere Vorkehrungen bis zu einer Temperatur von 1400 bis 1500° C benutzen. Oberhalb davon muß man entveder ein anderes Metall benutzen oder oberhalb des Bades einen Rückflußkühler vorsehen, der das in ihm abgeschiedene Zinn in das Bad zurückführt. Der Kessel 2ß kann dabei aus Aluminiumoxid bestehen, das mit zinn bis 1500° C verträglich ist, was für zahlreiche Her-

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stellungsverfahren ausreicht, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Flügeln aus rostfreiem Stahl für Reaktor-Turbinen oder rohen Einkristallen, aus denen durch Bearbeitung Gegenstände solcher Form hergestellt werden sollen, welche sich durch unmittelbaren GuO nicht gewinnen lassen.

Der Trog 28 ist mit einer Hochfrequenz-Induktionsheizwicklung versehen. Diese Wicklung wird von einem nicht gezeigten Generator gespeist, der mit einem Abgabeleistungsregler versehen ist, um das Bad bei einer bis auf einige Grade Celsius gleichbleibenden Temperatur zu halten.

Eine insges-ju₄,t mit 34 bezeichnete Traube von Formen nimmt den geschmolzenen Stoff auf, aus dem die Einkristalle hergestellt werden sollen. Die Traube 34 setzt sich zusammen aus einem mittleren Einfülltrichter 36 und rings darum verteilten Formen 38, die an ihrem unteren Teil mit dem unteren Ende des Einfülltrichters in Verbindung stehen. Diese Formen enden oben spitz, damit nur ein einziger wesentlicher Kristallkeim erscheint, der sich allmählich zu einem einzigen Einkristall entwickelt.

wie in dem in der Figur gezeigten Fall, die herzustellenden Einkristalle eine solche Form besitzen, daß sie nur unter Zerstörung der Formen aus diesen entnommen werden können, ist die Traube vorteilhafterweise durch Formen nach dem sog. Verfahren "mit verlorenem Wachs" hergestellt. Die Form und der Einfülltrichter bestehen beispielsweise aus «Inem feuerfesten Zement, der mit den geschmolzenen Zinn und dem rostfreien Stahl bei den in Betracht kommenden Temperaturen verträglich ist.

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Die Traube ist aus dem Bad heraus und in dieses hinein senkrecht verschiebbar. Die Verschiebung erfolgt durch einen Mechanismus! der einen Bügel 40 zum Erfassen des oberen Teils des Einfülltrichters und einen vom Deckel, getragenen Hubmotor 42 besitzt. Dieser Motor ist von üblicher Bauweise und so ausgebildet, daß er den Bügel 40 mit einer gleichmäßigen Bewegung ohne Erschütterung und vorteilhafterweise mit regelbarer Geschwindigkeit anhebt. Die tief-ßte Stellung des Bügels 40 ist offensichtlich so gewählt,daß dabei die Traube 34 im Bad 30 vollständig untergetaucht gehalten wird und durch Kippen des Schmelzofens 20 der in ihm enthaltene flüssige Stoff in den Einfülltrichter 36 gegossen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Einkristallen beispielsweise in Form von Flügeln aus rostfreiem Stahl, ergibt -sich aus der obigen Beschreibung. Man füllt den Schmelzofen 20, schließt dann den Kessel und setzt ihn unter ein Vakuum in der Größenordnung Von 10 Torr. Die Wicklungen 26 und 32 werden eingeschaltet, um den Stahl im Tiegel und das Zinn im Trog 28 zu schmelzen und letzteres auf eine etwas oberhalb des Liquidus des Stahls liegende Temperatur zu bringen. Man gießt dann den geschmolzenen Stahl in den Einfülltrichter, der in seiner unteren Stellung gehalten ist» so daß die Formen ganz im Zinn untergetaucht .sind. Während dieses Arbeitsganges wird das Vakuum aufrechterhalten, um die Bildung von Blasen durch Einschluß von Gas und später die Oxydation des Stahls und Zinns zu verhindern. Das Volumen des abgegossenen Stahls muß so sein, daß die Füllhöhe im Einfülltrichter 36 oberhalb der Spitze der Formen 38 liegt, damit ein hydrostatischer Druck auf das in den Formen befindliche Metall einwirkt. Die Heizung 22 des Trogs wird so eingestellt und

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geregelt* daß die Temperatur des Sinns etwa 10° C über dem Liquidus des Stahls liegt, vorauf der Hubmotor 42 mit eines? Geschwindigkeit von beispielsweise 0,5 mm/Mine» die jedoch praktisch zwischen 1O""2 und 1 mm/Min, liegen kann, in Gang gesetzt wird* Die Hubgeschwindigkeit ist im wesentlichen dadurch begrenzt, daß die Kristallisationsisotherme auf einer nur wenig über der freien Oberfläche des Bades liegenden Höhe gehalten werden muß, damit die Isotherme eben ist.

Xn dem Maße, wie die Formen 38 aus dem Bad hervortreten, bilden sich Kristalle am oberen Ende der Formen und wachsen. Die Oberfläche der Flüssigkeit stellt praktisch die KristalHsationsisotherme dar, und unter diesen Bedingungen sind der Wärmegradient und die Wachstumsparameter in allen Formen die gleichen« Der infolge der im Einfülltrichter stehenden Flüssigkeit an der Grenzfläche Kristall-geschmolzener Stoff vorhandene hydrostatische Druck verhindert jede Ablösung des Kristalls und gewährleistet genaue Seiten. Offensichtlich ist dazu erforderlich, daß der Einfülltrichter 36 so ausgebildet ist, daß die Erstarrungsfront in ihm auf einem höheren Niveau als in den Formen 38 liegt« Die unter solchen Bedingungen erhaltenen Einkristalle sind frei von Korngrenzen und Spaltrissen und zeigen weder Kavitation noch Diffusion oder intergranulare Zerbrechlichkeit.

Die Erfindung kann selbstverständlich in verschiedener tfeise abgewandelt werden. Insbesondere kann das Zinn durch andere Materialien ersetzt werden, die entsprechend dem Schmelzpunkt des Stoffs gewählt sind, aus dem die Einkristalle gezogen werden sollen. Es ist jedoch zweckmäßig, daß das Material, wie Zinn,

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eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, welche einerseits eine gute Ebenheit der Erstarrungsisotherme (und damit ein gleichzeitiges Wachstum der Einkristalle in allen Formen) gewährleistet» und andererseits einen erheblichen Wärmegradienten vpn der freien Oberfläche des Materials nach oben besitzt. Man kann einen einzigen Ofen benutzen, in dem nacheinander das Schmelzen und Kristallisieren vorgenommen wird, jedoch ist eine solche Lösung im allgemeinen weniger vorteilhaft als die oben beschriebene.

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Claims

- 10 Patentansprüche

1.) Verfahren zum Herstellen von Einkristallen eines Stoffs« insbesondere eines Metalls oder einer Legierung, vobei eine Erstarrungsfront senkrecht Icings des zuvor geschmolzenen Stoffs verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff in einer gut wärmeleitenden, an ihrem oberen Ende geschlossenen Form (38) gehalten und die zunächst in einem bei einer bestimmten, oberhalb des Schmelzpunkts des" Stoffs liegenden Temperatur gehaltenen Bad (30) aus geschmolzenem Material untergetauchte Form allmählich aus dem Bad herausgezogen wird, so daß ein Einkristall vom oberen Ende der Form her wächst.

2.) Verfahren nach Anspruch 1 zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Einkristalle, dadurch gekennzeichnet, daß der geschmolzene Stoff in eine Traube von Formen gegeben wird, deren unteres Ende mit einem Einfülltrichter verbunden⁽ist, in welchem das Niveau der freien Oberfläche des Stoffs höher als die Spitze der Formen liegt.

3.) Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen eines Stoffs, gekennzeichnet durch eine Traube mehrerer, an ihrem oberen Ende geschlossener Formen (38) und einen mit dem unteren Teil der Formen in Verbindung stehenden Einfülltrichter (36) zur Aufnahme des geschmolzenen Stoffs, einen Trog (28) mit einer Heizvorrichtung (32), welche ein im Trog enthaltenes flüssiges Material (30) auf eine über dem Schmelzpunkt des Stoffs liegende Temperatur bringen kann, sowie eine Hebevorrichtung, welche die Traube von Formen aus einer unteren Stellung, in der die Formen in dein den

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Trog füllenden Material vollkommen untergetaucht sind, /!anhebt«

4·) Vorrichtung nach Anspruch 3· dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Material ein geschmolzenes Metall ist und die Heizvorrichtung (32) des Trogs eine Hochfrequenz-Induktionsheitvorrichtung ist.

5«) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4« dadurch gekennzeichnet, daß sie einen dicht verschließbaren und evakuierbaren Sessel besitzt, in welchem der. Trog (28) nebst Formen und Heizvorrichtung angeordnet sind.

6«) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel einen Schneizofen enthält, in welchen der Stoff in festem Zustand eingefüllt und vor dem Einbringen in die Traube der Formen geschmolzen vird.

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