Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама

Рассмотрены способы послойного формирования плоских монокристаллов вольфрама при плазменно-индукционном способе их получения. Определено влияние характера перемещения плазменного источника нагрева на формирование субструктуры монокристаллов. Показано, что при способе возвратно-поступательного переме...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Шаповалов, В.А., Якуша, В.В., Гниздыло, А.Н., Смалюх, А.Р., Ботвинко, Д.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:	Современная электрометаллургия
Теми:	Плазменно-дуговая технология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96242
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, А.Р. Смалюх, Д.В. Ботвинко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 26-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96242
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-962422016-03-13T03:02:44Z Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Смалюх, А.Р. Ботвинко, Д.В. Плазменно-дуговая технология Рассмотрены способы послойного формирования плоских монокристаллов вольфрама при плазменно-индукционном способе их получения. Определено влияние характера перемещения плазменного источника нагрева на формирование субструктуры монокристаллов. Показано, что при способе возвратно-поступательного перемещения ванны жидкого металла нивелируется возможность отклонения кристаллографической оси выращивания от заданного направления. Methods of layer-by-layer formation of plane single crystals of tungsten in plasma-induction method of their producing are considered. The effect of nature of movement of plasma heat source on the formation of substructure of single crystals was defined. It is shown that using the method of reciprocal movement of molten metal pool the adjustment of deviation of crystallographic axis of growing from the preset direction is possible. 2011 Article Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, А.Р. Смалюх, Д.В. Ботвинко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 26-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96242 669.178.58.001.5 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология
spellingShingle	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Смалюх, А.Р. Ботвинко, Д.В. Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама Современная электрометаллургия
description	Рассмотрены способы послойного формирования плоских монокристаллов вольфрама при плазменно-индукционном способе их получения. Определено влияние характера перемещения плазменного источника нагрева на формирование субструктуры монокристаллов. Показано, что при способе возвратно-поступательного перемещения ванны жидкого металла нивелируется возможность отклонения кристаллографической оси выращивания от заданного направления.
format	Article
author	Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Смалюх, А.Р. Ботвинко, Д.В.
author_facet	Шаповалов, В.А. Якуша, В.В. Гниздыло, А.Н. Смалюх, А.Р. Ботвинко, Д.В.
author_sort	Шаповалов, В.А.
title	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
title_short	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
title_full	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
title_fullStr	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
title_full_unstemmed	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
title_sort	влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Плазменно-дуговая технология
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96242
citation_txt	Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама / В.А. Шаповалов, В.В. Якуша, А.Н. Гниздыло, А.Р. Смалюх, Д.В. Ботвинко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 26-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT šapovalovva vliânieperemeŝeniâplazmennogoistočnikanagrevanaformirovaniestrukturyploskihmonokristallovvolʹframa AT âkušavv vliânieperemeŝeniâplazmennogoistočnikanagrevanaformirovaniestrukturyploskihmonokristallovvolʹframa AT gnizdyloan vliânieperemeŝeniâplazmennogoistočnikanagrevanaformirovaniestrukturyploskihmonokristallovvolʹframa AT smalûhar vliânieperemeŝeniâplazmennogoistočnikanagrevanaformirovaniestrukturyploskihmonokristallovvolʹframa AT botvinkodv vliânieperemeŝeniâplazmennogoistočnikanagrevanaformirovaniestrukturyploskihmonokristallovvolʹframa
first_indexed	2025-07-07T03:26:32Z
last_indexed	2025-07-07T03:26:32Z
_version_	1836957085279977472
fulltext	УДК 669.178.58.001.5 ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА НАГРЕВА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛОСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМА В. А. Шаповалов, В. В. Якуша, А. Н. Гниздыло, А. Р. Смалюх, Д. В. Ботвинко Рассмотрены способы послойного формирования плоских монокристаллов вольфрама при плазменно-индукционном способе их получения. Определено влияние характера перемещения плазменного источника нагрева на формирование субструктуры монокристаллов. Показано, что при способе возвратно-поступательного перемещения ванны жидкого металла нивелируется возможность отклонения кристаллографической оси выращивания от заданного направления. Methods of layer-by-layer formation of plane single crystals of tungsten in plasma-induction method of their producing are considered. The effect of nature of movement of plasma heat source on the formation of substructure of single crystals was defined. It is shown that using the method of reciprocal movement of molten metal pool the adjustment of deviation of crystallographic axis of growing from the preset direction is possible. Ключевые слова : монокристаллы тугоплавких метал- лов; вольфрам; способы выращивания кристаллов; структура Интерес к монокристаллам вольфрама как конст- рукционному материалу, способному работать в особых условиях, не ослабевает на протяжении мно- гих десятков лет. Практическое применение моно- кристаллов вольфрама зависит, с одной стороны, от глубокого изучения свойств самих кристаллов и усовершенствования способов их получения, а с другой, – от разработки нового высокотехнологи- ческого оборудования. Полученные в ИЭС им. Е. О. Патона крупные профилированные монокристаллы тугоплавких ме- таллов в определенной мере «опередили время». Потенциал их полностью еще не раскрыт. В част- ности, на конференции, посвященной физике плаз- мы и управляемому термоядерному синтезу, отме- чено, что при реализации проекта международного экспериментального термоядерного реактора весь- ма активно исследуют возможность применения в установках вольфрама с перспективой полной за- мены им всех обращенных к плазме материалов [1—4]. В последнее время интенсивно развиваются процессы получения крупных монокристаллов нитрида алюми- ния (AlN) для производства ультрафиолетовых свето- диодов (UV LEDs). Одним из возможных матери- алов тигля для выращивания данных кристаллов рассматривается вольфрам [5, 6]. Применение для этих целей монокристаллического вольфрама поз- волит устранить недостатки поликристаллического вольфрама, связанные с его пористостью, хруп- костью и коррозионной стойкостью. Эффективное использование крупных профи- лированных монокристаллов вольфрама зависит от совершенствования способа получения и повыше- ния их качества. Цель данного исследования – оп- ределить влияние характера движения локальной ванны жидкого металла на свойства субструктуры формируемого монокристалла. Профилированные монокристаллы тугоплавких металлов в виде пластин, трубных заготовок либо других требуемых форм получают путем послойно- го наращивания. Наиболее простой способ создания движущейся зоны связан с использованием подвиж- ного источника нагрева. С помощью подпитки ме- таллической ванны, движущейся по определенной траектории, осуществляют наращивание монокрис- таллической заготовки. В зависимости от профиля будущего кристалла траектория перемещения ме- таллической ванны может быть организована по од- © В. А. ШАПОВАЛОВ, В. В. ЯКУША, А. Н. ГНИЗДЫЛО, А. Р. СМАЛЮХ, Д. В. БОТВИНКО, 2011 26 ному из следующих трех ва- риантов: по спирали; воз- вратно-поступательное; последовательное. В процессе плазменно- индукционного выращива- ния плоских монокристал- лов тугоплавких металлов [7] плазменный источник нагрева сканирует по повер- хности выращиваемого кристалла, перемещая ван- ну жидкого металла из од- ного конечного положения в другое. При этом проис- ходит подпитка металли- ческой ванны прутковым материалом вследствие ка- пельного переноса. Таким образом, направление дви- жения фронта кристалли- зации предопределено нап- равлением движения плаз- мотрона. Из теории кристалли- зации следует, что достройка атомов кристалличес- кой решетки (формирование монокристалла) проис- ходит в направлении нормалей к поверхности фронта кристаллизации [8—10]. Следовательно, свойства суб- структуры монокристаллов зависят от характера дви- жения плазменного источника, т. е. от алгоритма пе- ремещения ванны жидкого металла. При плазменно-индукционном выращивании плоских монокристаллических слитков применимы как второй, так и третий варианты (рис. 1). Пре- дельная толщина наращиваемого слоя на грани за- данной ширины определяется максимальным объемом жидкой ванны, способной устойчиво (без проливов) перемещаться в конкретном тепловом и скоростном режимах. В качестве затравочного кристалла подготовили монокристалл вольфрама плазменно-индукцион- ной зонной плавки размером 5 20 50 мм. Процесс выращивания осуществляли в установке УП-122. Расходуемым материалом служили прутки тех- нически чистого вольфрама марки ВЧ диаметром 8 мм. В качестве плазмообразующего газа выбрана смесь, состоящая из 70 % гелия и 30 % аргона. В процессе выращивания скорость плазменного ис- точника составляла 14 мм/мин. Ток плазмотрона изменялся в диапазоне 380…400 А, напряжение на дуге – 38…40 В. Мощность дополнительного ин- дукционного нагрева поддерживали на 0,4 номи- нального значения. Технологический процесс выращивания состоял в выполнении следующих операций. После предва- рительного нагрева затравки в индукторе до 1700 °С и наведения с помощью плазмотрона ванны жидко- го металла в одном из крайних положений в зону плазменной дуги подавали расходуемый пруток и сообщали движение плазмотрону. По достижению ванной жидкого металла проти- воположного края монокристалла плазменный ис- точник нагрева отключали и осуществляли его пе- ремещение в исходное положение. Затем снова генерировали дугу, наводили ванну и подавали пруток в зону плавления. Далее процесс повторяли. Таким образом, вырастили монокрис- талл вольфрама размером 95 20 50 мм, из кото- рого подготовили шлифы для металлографического и рентгеноструктурного анализов. Рис. 1. Алгоритм движения ванны жидкого металла: а – возвратно-поступательное; б – в одну сторону Рис. 2. Макроструктура поперечного сечения монокристалла вольфрама (110) 27 В практике плазменно-индукционного выращи- вания плоских монокристаллов толщина наращива- емого слоя определяется диаметром расходуемых прутков, что вытекает из организации технологи- ческой операции послойного наращивания, при ко- торой расходуемый пруток при перемещении плаз- мотрона из одного конечного положения в другое остается неподвижным. Масса наращиваемого металла за один проход плазмотрона приблизительно равна массе сплавлен- ного прутка длиной, равной длине монокристалла. При использовании прутков диаметром 8 мм толщина наращиваемого слоя на грань шириной 20…22 мм составляет 2…3 мм. Отчетливо границы между слоями видны при выращивании монокрис- таллов по схеме поочередного сплавления прутков с одной и другой стороны. При этом вытравленная структура роста попе- речного разреза проявляется в виде чередующихся матовых и блестящих слоев. В грубом приближении граница между слоями показывает контур фронта кристаллизации, попавшего в данное сечение (рис. 2). В работе [11] отмечено, что чередующиеся слои имеют незначительную (менее 1 мин) разориенти- ровку друг с другом, проявляющуюся в различной травимости слоев, наращиваемых в разные сторо- ны. Структура роста матовых слоев более рельефна, состоит из многогранных выступов, а блестящих – из продолговатых выступов овальной формы (рис. 3). В структуре роста монокристаллов, полученных наращиванием в одну сторону, не выявляются че- редующиеся матовые и блестящие полосы (рис. 4.). Форма контура фронта кристаллизации также просматривается и имеет аналогичный первому ва- рианту вид. Макроструктура рассматриваемого монокрис- талла в поперечном сечении состоит из двух круп- ных блоков, имеющих четкую границу раздела. Грубая граница появляется на горизонте 17 мм, под- тверждая предположение о существовании некото- рого инкубационного периода в развитии полосча- той структуры. Граница делит тело кристалла на две равные части и простирается вдоль оси выра- щивания. Эволюция структуры роста по сечению кристал- ла дает объективную информацию о большем угле разориентации смежных субзерен (рис. 5). Абсо- лютно различная картина структуры роста в верх- ней части слитка свидетельствует о формировании бикристалла. Определяющим фактором получения совершен- ных кристаллов являются тепловые условия их кристаллизации, которые оказывают значительное влияние не только на плотность дислокаций в крис- таллах, но и на концентрацию других дефектов кристаллической структуры, являющихся след- ствием пластической деформации кристаллов в по- ле термических напряжений. Дислокационная структура кристалла (рис. 6.) состоит из рядов дислокаций, образующих границы Рис. 3. Структура ( 250) роста плоского монокристалла воль- фрама: а – матовый; б – блестящий слой Рис. 4. Макроструктура поперечного сечения монокристалла вольфрама (110) 28 субзерен второго порядка, внутри которых имеются как отдельные дислокации, так и их группы, обра- зующие субструктуру более низкого порядка. В результате включения и выключения плазмен- ной дуги на обоих концах слитка кристалл испы- тывает циклические тепловые удары, повторяющи- еся от слоя к слою. В процессе роста и охлаждения кристалла разность температур на поверхности на- ращиваемой грани и поверхности зародышевого кристалла играет существенную роль в возникно- вении термических напряжений в нем. При этом происходит их накопление, а релаксация термичес- ких напряжений приводит к формированию грубой структуры. В ходе экспериментов установлено, что термо- циклирование, происходящее при выращивании по Рис. 5. Эволюция структуры ( 250) роста на горизонте 50 (а), 30 (б) и 17 (в) мм Рис. 6. Дислокационная структура ( 250) плоского монокрис- талла вольфрама (100) Рис. 7. Рентгеновская топограмма продольного сечения плоского монокристалла вольфрама (110) Рис. 8. Рентгеновская топограмма поперечного сечения плоского монокристалла вольфрама 29 схеме возвратно-поступательного перемещения плазмотрона, не вносит ощутимых возмущений в формирование структуры (рис. 7). Рентгеновская топограмма продольного сечения представляет собой характерную линейчатую структуру с незначительными наклонными преры- вистыми границами. Полосы вытянуты вдоль оси выращивания. Структуру затравки наследует мо- нокристалл, наклонные границы которого в процес- се выращивания спрямляются. Дифракционная картина элемента структуры в сечении, перпендикулярном направлению выращи- вания (рис. 8), показывает присутствие фрагмен- тированного участка в центре с границей, делящей рассматриваемую плоскость на две приблизительно равные части. Вероятнее всего, это связано с данной симметрией нагрева в поле индуктора. Обнаружи- вается более фрагментированная структура в по- верхностном боковом слое. Разориентация в преде- лах образца не превышает 5°. Таким образом, использование выбранной схе- мы возвратно-поступательного наращивания позво- ляет получать монокристаллы с более совершенной структурой, по сравнению с наращиванием в одном направлении. Тепловые условия выращивания яв- ляются одними из определяющих для получения совершенных монокристаллов. Неудовлетворительный тепловой режим при поступательной схеме наращивания не позволяет сформировать более качественные монокристаллы, по сравнению с возвратно-поступательной схемой. Периодическое изменение направления достройки нивелирует возможные отклонения заданной крис- таллографической оси роста кристалла и способ- ствует выращиванию качественных монокристаллов. 1. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVIII/R/ru/ QM-Kurnaev.doc. 2. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVIII/E/ru/P F_Khimchenko.doc. 3. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVIII/Mu/ru /BF-Khripunov.doc. 4. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVIII/R/ru/ QL-Khimchenko.doc. 5. http://www.crystal-is.com/products.cfm 6. Comparison of different crucible materials for the growth of AlN сrystals / Li Juan, Hu Xiao-Bo, Wang Ying-Min et al. // Chinese J. Struct. Chem. – 2007. – 26, № 10. – P. 1203—1207. 7. Исследование технологических параметров плазменно-ин- дукционной выплавки монокристаллов тугоплавких метал- лов / М. Л. Жадкевич, В. А. Шаповалов, И. В. Шейко, и др. // Пробл. спец. металлургии. – 2001. – № 4. – С. 27—31. 8. Бреннер С. С. Металлы // Теория и практика выращи- вания монокристаллов. – М.: Металлургия, 1968. – С. 471—485. 9. Процесcы роста и выращивания монокристаллов / Под ред. Н. Н. Шефталя. – М.: Иностр. лит-ра. – 1963. – 530 с. 10. Рост кристаллов. Теория роста и методы выращивания кристаллов / Под ред. К. Гудмана. – М.: Мир, 1977. – 368 с. 11. Исследование структуры монокристаллов вольфрама и молибдена плоской формы / А. А. Коваленко, В. Ю. Ла- таш, В. А. Шаповалов и др. // Пробл. спец. электроме- таллургии. – 1994. – № 1. – С. 65—70. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила 28.04.2011 ТИТАН: технологии, оборудование, производство: Сб. ст. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАНУ, 2011. – 324 с. В сборнике представлены статьи , опубликованные в журналах «Со- временная электрометаллургия» и «Автоматическая сварка» за период 2005–2010 гг . по электрометаллургии, а также сварке титана и его сплавов. Авторами статей являются известные в Украине и за рубежом ученые и специалисты в области титана. Сборник предназначен для широкого круга читателей, занимающихся проблемами производства, обработки и использования титана. Заказы на приобретение сборника просьба направлять в редакцию журнала: тел./факс: (38044) 200-82-77, 200-54-84, e-mail: journal@paton.kiev.ua Сборник реализуется в печатном виде (доставка заказной бандеролью) и в электронном виде в *.pdf формате (отправка по злектронной почте с закрытием оплаты по акту выполненных работ). НОВАЯ КНИГА 30

Влияние перемещения плазменного источника нагрева на формирование структуры плоских монокристаллов вольфрама

Репозитарії

Схожі ресурси