Многокапиллярный формообразователь

Предложена конструкция многокапиллярного формообразователя для выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений, например, лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната и др. по способу Степанова. Капилляры формообразователя, сечение которых подобно контурам рабочего торца формообразователя, образованы вкладышами и выходят на его рабочий торец. Согласно заявленной полезной модели торцевая поверхность каждого вкладыша скошена под углом к вертикали, составляющим не более 30°, таким образом, что ее поверхность при вершине представляет собой острую кромку. Данная конструкция обеспечивает за счет оптимизации потоков расплава на торце формообразователя получение массивных кристаллов оптического качества и предотвращает разрушение самого формообразователя. 1 н.з. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Полезная модель относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений, например, лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната и других тугоплавких соединений, по способу Степанова, которые могут быть использованы в приборостроении, машиностроении, химической промышленности.

Известно устройство для получения профилированных кристаллов в виде стержней из расплава на торце формообразователя (В.А.Бородин, Н.М.Сорокин, Т.А.Стериополо и др. «Влияние конструкции формообразователя на характер распределения пузырей в профилированных кристаллах сапфира». Материалы IX совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. Ленинград, 1982, с.244), в котором используется многокапиллярный формообразователь, представляющий собой цилиндрическую обойму, туго набитую молибденовой проволокой. Капилляры образованы каждыми тремя соприкасающимися друг с другом кусками проволоки. Такое устройство позволяет выращивать достаточно массивные стержни, однако в производимых кристаллах образовываются столбчатые скопления пор, которые мешают получать удовлетворительное оптическое качество стержней.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является многокапиллярный формообразователь, используемый в устройстве для получения профилированных кристаллов в виде массивных стержней с двумя сквозными продольными отверстиями разного диаметра (В.Б.Браиловский, В.И.Шабуркина, А.Е.Рыжков и др. «К вопросу о взаимодействии молибденовых формообразователей с расплавом Al₂O₃ при изготовлении профильных изделий по способу Степанова. Материалы IX совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. Ленинград, 1982, с.267). Известный многокапиллярный формообразователь включает корпус с вкладышами и расположенными между ними капиллярными каналами, выходящими на рабочий торец формообразователя, сечение которых подобно контурам рабочего торца формообразователя. В данной конструкции формообразователя капилляры располагаются как вблизи края формообразователя, так и вокруг двух отверстий на его торце. Это позволяет выращивать изделия нужной формы. Однако, в области пересечения 3-х потоков расплава из капилляров на торцевой рабочей поверхности формообразователя происходит активное взаимодействие расплава Аl₂O₃ с молибденом (эрозия) вплоть до разрушения части торца формообразователя, а в кристалле над разрушающимся участком торца возникают продольные дефектные участки с пузырями, инородными включениями, трещинами, окрашиванием, и поэтому в кристаллах не достигается оптическое качество.

Перед авторами стояла задача создания такого формообразователя для выращивания профилированных кристаллов, который обеспечивает за счет оптимизации потоков расплава на торце формообразователя получение массивных кристаллов оптического качества и предотвращает разрушение самого формообразователя.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в многокапиллярном формообразователе для выращивания профилированных кристаллов, включающем корпус с вкладышами и расположенными между ними капиллярными каналами, выходящими на рабочий торец формообразователя, сечение которых подобно контурам рабочего торца формообразователя, согласно полезной модели верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша скошена под углом к вертикали, составляющим не более 30°, таким образом, что ее поверхность при вершине представляет собой острую кромку.

При этом, в частном случае исполнения в формообразователе острые кромки вкладышей, выходящие на торец формообразователя, могут быть расположены по параболе, соответствующей изотерме теплового поля. Это способствует более устойчивому росту кристаллов (без «приморозок» к формообразователю и уменьшения сечения кристалла), повышению выхода годного.

В качестве одного из вариантов вкладыши могут быть выполнены в виде полых цилиндров. В этом случае вкладыши расположены в корпусе коаксиально друг другу.

В качестве другого частного варианта вкладыши могут быть выполнены в виде плоских пластин. В этом случае вкладыши расположены в корпусе параллельно друг другу.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображен в разрезе многокапиллярный формообразователь для выращивания массивного стержня.

На фиг.2 схематично изображен в разрезе многокапиллярный формообразователь для выращивания массивной пластины.

Вкладыши формообразователей выполнены таким образом, что верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша скошена под углом к вертикали, составляющим не более 30°, а ее поверхность при вершине представляет собой острую кромку.

Устройство для выращивания профилированных кристаллов, в котором используется полезная модель, включает ростовую камеру 1, в которой размещен тигель 2 с расплавом 3. В тигле установлен многокапиллярный формообразователь 4 с вкладышами в виде полых цилиндров (или плоских пластин) 5 с питающими капиллярами 6 между ними. На штоке 7 закреплена монокристаллическая затравка 8, на которую выращивают массивный кристалл 9. Рост осуществляется из столбика расплава 10 на верхнем торце формообразователя.

Устройство работает следующим образом.

Камеру роста наполняют инертным газом. Расплавление загрузки в тигле 2 проводят в его нижнем положении без контакта расплава 3 с нижним торцом формообразователя 4. Затем тигель 2 поднимают и погружают нижний торец формообразователя в расплав 3, и расплав за счет капиллярных сил поднимается к верхнему рабочему торцу формообразователя 4. Далее опускают затравку 8, закрепленную на штоке 7, до касания с верхним торцом формообразователя 4, производят затравление и включают перемещение вверх штока 7 с затравкой 8. Начинается рост из столбика расплава 10 массивного стержня (или пластины) 9, поперечное сечение которых практически равны соответствующему верхнему торцу формообразователя 4.

При такой многокапиллярной конструкции формообразователя не имеется вытекающих из капилляров потоков расплава, которые встречались бы в столбике расплава над торцевой поверхностью формообразователя, потоки расплава являются ламинарными, и не происходит эрозии торца формообразователя. Благодаря этому получаемые кристаллы вырастают оптически прозрачными, а также увеличивается срок службы формообразователя.

Как показали практические эксперименты, если верхняя торцевая поверхность вкладышей скошена под углом к вертикали, составляющим более 30°, то возникает эрозия их верхней торцевой поверхности, и оптически прозрачные кристаллы получить невозможно, срок службы формообразователя сокращается.

При выращивании массивных стержней или труб вкладыши должны быть выполнены в виде полых цилиндров, которые располагаются в корпусе коаксиально друг другу (см. фиг.1).

При выращивании массивных лент вкладыши должны быть выполнены в виде плоских пластин, которые располагаются в корпусе параллельно друг другу (см. фиг.2).

Для повышения устойчивости роста массивных кристаллов (без «приморозок» к формообразователю и без утяжек) в формообразователе острые кромки вкладышей, выходящие на торец формообразователя, располагают по параболе, соответствующей изотерме теплового поля. Необходимую параболу находят экспериментально - при достаточном опыте работы это не требует больших затрат времени.

Пример конкретной реализации полезной модели.

Эксперименты проводили на установке для выращивания кристаллов типа СЗВН-20.800/22-И1 с графитовой тепловой зоной. Формообразователь и тигель изготовили из молибдена. Диаметр тигля составлял 80 мм, глубина 65 мм. Формообразователь для выращивания трубы с внешним диаметром 19 мм и внутренним диаметром 6 мм имел верхний торец диаметром 19,3 мм с центральным отверстием 6,0 мм. В корпусе формообразователя располагали три вкладыша, причем верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша была скошена под углом к вертикали, составляющим 29,5°, таким образом, что ее поверхность при вершине представляла собой острую кромку. Высота формообразователя составляла 50 мм.

Загрузка тигля составляла 400 г оксида алюминия (бой кристаллов, полученных методом Вернейля). Расплавление исходного сырья вели в нижнем положении тигля. Выращивание кристаллов осуществляли со скоростью 0,5 мм/мин в среде инертного газа (аргона) с избыточным давлением 0,05 кгс/см².

В результате выращивали трубу с внешним диаметром 19_-0,3 мм, внутренним диаметром 6_+0,2 мм и длиной до 200 мм.

Было проведено 4 серии экспериментов, всего 25 циклов выращивания.

Во время первой серии, состоящей из 5 циклов выращивания, выращивались кристаллы по методике прототипа. Использовали формообразователь для выращивания трубы с внешним диаметром 19 мм и внутренним диаметром 6 мм. Формообразователь содержал один вкладыш, капилляры располагались как вблизи края формообразователя, так и вокруг центрального отверстия на его торце. Полученные трубы содержали включения и пузыри в середине сечения между внешним и внутренним диаметрами и поэтому не были прозрачными. Выход годного был очень низким. На торцевой поверхности формообразователя после первого же процесса выращивания на вкладыше образовался кольцевой участок с эрозией. После пятого процесса формообразователь вышел из строя.

Во время второй серии было проведено 10 циклов, в каждом из которых использовались условия по п.1 заявляемого изобретения. Использовался формообразователь, как в вышеприведенном примере. Это позволило получить трубы оптического качества с высоким выходом годного. Формообразователь не претерпел никаких изменений и сохранил работоспособность.

Во время третьей серии из 5 циклов сохранялись условия второй серии, но при росте кристаллов использовался формообразователь, в котором верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша скошена под углом к вертикали, составлявшим 32°. В этом случае на торцах вкладышей появились следы эрозии, в кристаллах ухудшилась прозрачность из-за включений. В результате снизился выход годных кристаллов, а срок службы формообразователя, исходя из опыта нашей работы, составил бы не более 15 процессов.

Во время четвертой серии из 5 циклов сохранялись условия второй серии, но при росте кристаллов использовался формообразователь, в котором острые кромки вкладышей, выходящие на торец формообразователя, располагали по параболе, соответствующей изотерме теплового поля (определяли опытным путем). Центр торца формообразователя был ниже внешнего края на 0,8 мм. За счет этого повысилась стабильность процесса выращивания и возрос выход годного.

В таблице представлены сравнительные результаты выращивания кристаллов в виде труб с внешним диаметром 19 мм, внутренним диаметром 6 мм длиной 200 мм в отношении выхода годного по заявляемой полезной модели и по техническом решению, принятому за прототип. Выход годного определялся как отношение среднего выхода годного при заявляемых параметрах к среднему выходу годного по прототипу, принятому за единицу.

Таблица
серии	Характеристика	Значение параметра	Относительный выход годных кристаллов по прозрачности	Срок службы формообразователя, процессов
1	Изобретение - прототип		1,0	менее 3-х
2	Условия по п.1 ф-лы		5,0	не менее 20
3	Угол к вертикали, под которым скошена верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша	29	5,0	не менее 20
		32	1,5	не более 7
4	Расположение острых кромок вкладышей, выходящих на торец формообразователя	горизонтально	5,0	не менее 20
		по параболе	6,0	не менее 20

Из вышеприведенных примеров следует, что заявляемая полезная модель позволяет получать оптически прозрачные кристаллы с высоким выходом годного, а также увеличить срок службы формообразователя. Выход годного по сравнению с прототипом повысился на 500%. Аналогичные результаты были получены и при выращивании массивной ленты сечением 10×80 мм при использовании формообразователя, в корпусе которого размещали 5 вкладышей, выполненных из пластин и расположенных параллельно друг другу.

Заявляемое полезная модель найдет применение при выращивании кристаллов, используемых в приборостроении, часовой промышленности, химической промышленности.

1. Многокапиллярный формообразователь, включающий корпус с вкладышами и расположенными между ними капиллярными каналами, выходящими на рабочий торец формообразователя, сечение которых подобно контурам рабочего торца формообразователя, отличающийся тем, что верхняя торцевая поверхность каждого вкладыша скошена под углом к вертикали, составляющим не более 30°, таким образом, что ее поверхность при вершине представляет собой острую кромку.

2. Формообразователь по п.1, отличающийся тем, что острые кромки вкладышей, выходящие на торец формообразователя, расположены по параболе, соответствующей изотерме теплового поля.

3. Формообразователь по п.1, отличающийся тем, что вкладыши выполнены в виде полых цилиндров.

4. Формообразователь по п.3, отличающийся тем, что вкладыши расположены в корпусе коаксиально друг другу.

5. Формообразователь по п.1, отличающийся тем, что вкладыши выполнены в виде плоских пластин.

6. Формообразователь по п.5, отличающийся тем, что вкладыши расположены в корпусе параллельно друг другу.