Кристаллизационная установка для выращивания тугоплавких эвтектических псевдомонокристаллов

Полезная модель относится к выращиванию тугоплавких монокристаллов и кристаллизационным установкам. Кристаллизационная установка для выращивания тугоплавких эвтектических псевдомонокристаллов, содержащая тигель с охлаждающей средой, основной нагреватель, дополнительный нагреватель, монокристалл, устройство перемещения монокристалла, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены второй тигель, в котором установлен тигель с охлаждающей средой и устройство перемещения монокристалла, монокристаллическая затравка Nb, размещенная в тигле с охлаждающей средой, изолятор, изолирующий дополнительный нагреватель от тигля с охлаждающей средой, поликристалл, с одной стороны соединенный с устройством перемещения монокристалла, а с другой стороны, - с монокристаллом, растущим на монокристаллической затравке. При этом поликристалл представляет собой поликристаллическую смесь Nb+Nb₃Si.

Полезная модель относится к выращиванию тугоплавких монокристаллов и кристаллизационным установкам.

Известно, что методы, связанные с созданием высокосовершенных, в том числе и крупных монокристаллов, используют аппаратуру, которая в состоянии обеспечить прецизионную стабильность температуры и строгое соблюдение химического состава кристаллизуемого вещества. Причем обеспечение указанных требований в сильной степени зависит от способа нагрева, материала контейнера и атмосферы кристаллизации.

Величина объема расплава имеет принципиальное значение. Оно определяет интенсивность физико-химических процессов высокотемпературной кристаллизации, а также процессы тепло- и массопереноса.

Известны методы Вернейля, Степанова, Чохральского /1/, позволяющие осуществить однофазную кристаллизацию при выращивании тугоплавких монокристаллов из расплава.

Наиболее близкой к описываемой полезной модели относится установка Чохральского (прототип), содержащая основной нагреватель, тигель с расплавом, дополнительный нагреватель, монокристалл, устройство вытягивания монокристалла.

Недостатком данной установки является невозможность осуществления двухфазной кристаллизации.

Цель изобретения - создание кристаллизационной установки, позволяющей осуществлять двухфазную кристаллизацию для выращивания тугоплавких эвтектических псевдомонокристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что в кристаллизационную установку, содержащую тигель с охлаждающей средой, основной нагреватель, дополнительный нагреватель, монокристалл, устройство перемещения монокристалла дополнительно введены второй тигель, в котором установлен тигель с охлаждающей средой и устройство перемещения монокристалла, монокристаллическая затравка Nb, размещенная в тигле с охлаждающей средой, изолятор, изолирующий дополнительный нагреватель от тигля с охлаждающей средой, поликристалл, с одной стороны соединенный с устройством перемещения монокристалла, а с другой стороны, - с монокристаллом, растущим на монокристаллической затравке. При этом поликристалл представляет собой поликристаллическую смесь Nb+Nb₃Si.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием новых элементов и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи двухфазной кристаллизации. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг.1 показана схема кристаллизационной установки по Чохральскому, а на фиг.2 - предлагаемая.

Установка включает: 1 - устройство перемещения псевдомонокристалла; 2 - дополнительный нагреватель; 3 - основной нагреватель; 4 -монокристалл; 5 - монокристаллическая затравка Nb; 6a - тигель с расплавом; 6b - тигель с охлаждающей средой; 7 - поликристалл; 8 -изолятор; 9 - зонная плавка.

В последнее время монокристаллы жаропрочных сплавов начали использовать в качестве конструкционного материала для изготовления лопаток газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений в агрессивных средах. Хорошие результаты при этом показывают сплавы ниобия с кремнием, в частности, Nb-18,5 ат. % Si. Температура плавления данного сплава достигает 1920°С. Получение монокристалла проводится в две фазы.

На первой фазе кристаллизации получаем, так называемую, поликристаллическую смесь (поликристалл) Nb+Nb₃Si. Однако при низких температурах поликристалл представляет собой достаточно хрупкий материал, вследствие чего не может быть использован в качестве конструкционного материала.

На второй фазе кристаллизации поликристалл с помощью устройства перемещения 1 соединяется с монокристаллической затравкой 5, помещенной в тигель с охлаждающей средой 6b. Первоначально в зоне контакта с помощью дополнительного нагревателя 2 (в данном случае используются электроды) осуществляется зонная плавка и расплавленная поликристаллическая смесь Nb+Nb ₃Si расплавляется и начинает

кристаллизоваться. В результате получаем псевдомонокристалл. Процесс зонной плавки проводится в вакууме.

В стационарном режиме направленной кристаллизации фронт роста должен быть неподвижен относительно дополнительного нагревателя 2, то есть скорость перемещения R должна быть равна по абсолютной величине скорости роста кристалла. При таком способе (двухфазная кристаллизация) выращивания псевдомонокристалла получаем новые физико-химические свойства материала, который имеет высокую температуру плавления и хорошую пластичность при низкой температуре.

Таким образом, предлагаемая кристаллизационная установка для выращивания тугоплавких псевдомонокристаллов Nb-18,5 ат. % Si позволяет получить заданные физико-химические свойства сплава.

Литература 1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М., Физматлит, 2004. - 159 с.

Кристаллизационная установка для выращивания тугоплавких (эвтектических) псевдомонокристаллов, содержащая тигель с охлаждающей средой, основной нагреватель, дополнительный нагреватель, монокристалл, устройство перемещения, отличающаяся тем, что содержит второй тигель с охлаждающей средой, изолятор, поликристалл, представляющий собой смесь Nb+Nb₃Si, с одной стороны соединенный с устройством перемещения, а с другой стороны - с монокристаллом, в качестве которого содержит монокристаллическую затравку Nb, размещенную в тигле с охлаждающей средой, а дополнительный нагреватель выполнен изолирующим от тигля с охлаждающей средой.