Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке

Рассмотрены особенности кристаллизационного рафинирования крупных монокристаллов плоской формы. На базе полученных зависимостей с использованием аналитических и численных методов проведен анализ влияния технологических режимов на поведение трудноудаляемых примесей. Peculiarities of crystallization r...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Современная электрометаллургия
Date:	2012
Main Authors:	Шаповалов, В.А., Гниздыло, А.Н., Якуша, В.В., Никитенко, Ю.А., Жиров, Д.М., Гнатушенко, А.В., Волченков, Е.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Subjects:	Плазменно-дуговая технология
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96548
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке / В.А. Шаповалов, А.Н. Гниздыло, В.В. Якуша, Ю.А. Никитенко, Д.М. Жиров, А.В. Гнатушенко, Е.А. Волченков // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 34-42. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860267326971052032
author	Шаповалов, В.А. Гниздыло, А.Н. Якуша, В.В. Никитенко, Ю.А. Жиров, Д.М. Гнатушенко, А.В. Волченков, Е.А.
author_facet	Шаповалов, В.А. Гниздыло, А.Н. Якуша, В.В. Никитенко, Ю.А. Жиров, Д.М. Гнатушенко, А.В. Волченков, Е.А.
citation_txt	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке / В.А. Шаповалов, А.Н. Гниздыло, В.В. Якуша, Ю.А. Никитенко, Д.М. Жиров, А.В. Гнатушенко, Е.А. Волченков // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 34-42. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Современная электрометаллургия
description	Рассмотрены особенности кристаллизационного рафинирования крупных монокристаллов плоской формы. На базе полученных зависимостей с использованием аналитических и численных методов проведен анализ влияния технологических режимов на поведение трудноудаляемых примесей. Peculiarities of crystallization refining of large single crystals of flat shape are considered. Basing on obtained relationships using analytical and numerical methods, the analysis of effect of technological conditions on behavior of hard-to-remove impurities was made.
first_indexed	2025-12-07T19:02:22Z
format	Article
fulltext	УДК 669.187.58 ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО РАФИНИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ ПЛОСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКЕ В. А. Шаповалов, А. Н. Гниздыло, В. В. Якуша, Ю. А. Никитенко, Д. М. Жиров, А. В. Гнатушенко, Е. А. Волченков Рассмотрены особенности кристаллизационного рафинирования крупных монокристаллов плоской формы. На базе полученных зависимостей с использованием аналитических и численных методов проведен анализ влияния техно- логических режимов на поведение трудноудаляемых примесей. Peculiarities of crystallization refining of large single crystals of flat shape are considered. Basing on obtained relationships using analytical and numerical methods, the analysis of effect of technological conditions on behavior of hard-to-remove impurities was made. Ключ е вы е с л о в а : кристаллизационное рафинирова- ние; плоские монокристаллы Создание и практическое применение качественно новых материалов с особыми физическими свойс- твами стало возможным во многом благодаря раз- витию способов очистки материалов. Достигнутые успехи способствовали прогрессу в атомной энер- гетике, радиоэлектронике, полупроводниковой и космической технике, электротехнике и многих других областях промышленности. Наряду с полупроводниковыми материалами большой интерес представляют чистые металлы в монокристаллическом состоянии из-за ряда уни- кальных свойств, проявляющихся у них при высо- кой степени очистки. Значительный интерес в последнее время вызы- вают монокристаллы тугоплавких металлов в связи с наличием у них в чистом состоянии высоких зна- чений технологической пластичности и стойкости в условиях переменных нагрузок и циклических тем- ператур, повышенных значений эрозионной стой- кости и сопротивления ползучести (особенно при температурах, близких к температуре плавления), лучшей совместимости с ядерным топливом, значи- тельной стойкости при контакте с расплавами и па- рами щелочных металлов. Наличие такого комп- лекса свойств позволяет использовать монокристал- лы тугоплавких металлов для изготовления особо ответственных деталей сопел ракетных двигателей, электронно-вакуумных и газоразрядных приборов, аппаратов для превращения тепловой энергии в электрическую, газовых турбин, гироскопов, мет- рологических и других приборов и устройств. На протяжении многих десятилетий монокрис- таллы тугоплавких металлов в основном использо- вались в качестве материалов для научно-исследо- вательских работ. Однако в последние годы благо- даря совершенствованию способов их получения монокристаллы тугоплавких металлов находят все большее применение в качестве конструкционных и функциональных материалов. Возможность изготовления крупногабаритных изделий в виде пластин позволяет в значительной мере расширить номенклатуру монокристалличес- кой продукции. В настоящее время разрабатывается оборудование для производства крупных монокрис- © В. А. ШАПОВАЛОВ, А. Н. ГНИЗДЫЛО, В. В. ЯКУША, Ю. А. НИКИТЕНКО, Д. М. ЖИРОВ, А. В. ГНАТУШЕНКО, Е. А. ВОЛЧЕНКОВ, 2012 34 таллов тугоплавких металлов большого диаметра в виде круга, труб, тиглей, потребность в которых испытывает ряд областей промышленности, в час- тности полу-проводниковая, а также новые техно- логии получения монокристаллов полупроводнико- вых материалов из многокомпонентных расплавов с использованием щелочных металлов. Несмотря на большое количество способов по- лучения монокристаллов тугоплавких металлов особо востребованными оказались способы с при- менением высококонцентрированных источников нагрева – электронно-лучевая зонная плавка (ЭЛЗП), электронно-лучевая плавка (ЭЛП), вакуумно-дуго- вая плавка (ВДП), плазменно-дуговая плавка (ПДП), которые обеспечивают высокие значения производительности, а также плотности монокристал- лических слитков, близкой к теоретической. Рафинирования металла указанными способами достигают путем комплексного воздействия различ- ных физико-химических процессов. При этом каж- дый из них отличается индивидуальным набором технологических особенностей, позволяющих воз- действовать на удаление определенного вида при- месей. Общей чертой приведенных способов явля- ется наличие стадии кристаллизационного рафини- рования. Некоторые из них позволяют производить многократную зонную очистку, в результате чего достигается высокая степень чистоты металла. Именно благодаря зонной очистке удалось впервые получить крупные высокочистые монокристаллы тугоплавких металлов. Кристаллизационному рафинированию посвя- щено большое количество печатных работ, что сви- детельствует о значительном интересе к данному вопросу. Однако использование указанных спосо- бов для изготовления крупных монокристаллов в связи со сложностью процесса их получения огра- ничено масштабным фактором. В работах [1—3] описан процесс производства наиболее крупных ци- линдрических монокристаллов тугоплавких метал- лов молибдена и вольфрама диаметром соответс- твенно 60 и 50 мм. Основная проблема при увели- чении габаритных размеров монокристаллов заклю- чается в ухудшении условий теплового состояния, что приводит к снижению качества монокристалли- ческой структуры. Существующее ограничение для большинства способов можно преодолеть в результате использо- вания дополнительных источников нагрева (индук- ционного, радиационного, светового и др.), что поз- волит управлять тепловым состоянием слитка и обеспечить благоприятные тепловые условия для формирования монокристаллической структуры. С учетом особенностей указанных способов наиболее рационально использовать плазменно-дуговой ис- точник в комбинации с индукционным нагревом с целью упрощения реализации предлагаемой схемы. Комбинация плазменно-дугового и индукцион- ного источников нагрева позволяет расширить воз- можности существующего способа ПДП при полу- чении крупных монокристаллов, однако такая схе- ма также имеет ограничение по габаритным разме- рам. Хотя увеличение линейных размеров монок- ристаллов возможно путем повышения мощности концентрированного источника нагрева, однако не всегда с технологической точки зрения можно (при сохранении нормальных условий формирования монокристаллической структуры) достичь необхо- димого результата. Особенностью плазменно-дуго- вого источника является наличие высокого темпе- ратурного градиента, что в сочетании с большой теплопроводностью тугоплавких металлов приво- дит к снижению интенсивности увеличения диамет- ра жидкой металлической ванны с повышением мощности нагрева. При этом отмечено возрастание интенсивности динамического воздействия плаз- менной дуги на поверхность расплава. Поэтому уве- личение мощности источника нагрева не всегда мо- жет обеспечить достижение необходимого диаметра ванны. Также нужно отметить, что с повышением мощности источника нагрева снижается ресурс ка- тода, увеличивается глубина ванны и кривизна фронта кристаллизации, что вызывает ухудшение качества полученных монокристаллов [4]. Решить данную задачу можно без увеличения мощности основного источника нагрева за счет фор- мирования монокристалла путем наведения локаль- ной металлической ванны и перемещения ее по фор- мируемой поверхности с подпиткой расплавом при- садочного материала. Реализация такой схемы обес- печивается сканированием высококонцентрирован- ного потока энергии в результате движения источника нагрева в горизонтальной плоскости с последующим дискретным перемещением механизма вытягивания. При этом схемы могут быть разнообразны в зависи- мости от требований к профилю монокристалла. Указанная схема отличается от принятых для выращивания тугоплавких металлических монок- ристаллов, получаемых бестигельными способами в условиях принудительной направленной кристал- лизации (метод Вернейля) и зонной перекристал- лизации (метод Пфанна), где фронт кристалли- зации перемещается относительно нижней части по мере роста монокристалла, а расплавленная зона занимает весь торец растущей поверхности и про- гоняется вдоль выращиваемого слитка. Внедрение этой схемы в Институте электросвар- ки им. Е. О. Патона позволило разработать способ плазменно-индукционной плавки (ПИП) и создать оборудование для получения крупных профилиро- ванных монокристаллов в виде пластин (рис. 1). Особенностью данного оборудования является то, что толщина слитка зависит от диаметра наведенной локальной ванны, а длина – от хода плазменной дуги вдоль наращиваемой поверхности. При этом ха- рактеристики оборудования позволяют производить многократную очистку на каждом формируемом слое. В предложенном способе формирование слитка происходит в результате наращивания слоя на слой, в процессе формирования нового слоя – частичное 35 проплавление нижележащего слоя, что накладыва- ет особенности на картину концентрационной зави- симости примеси в слитке при кристаллизационной очистке. При выращивании тугоплавких монокристаллов одной из основных задач является исследование возможности очистки от трудноудаляемых приме- сей при переходе в газовую фазу. К ним можно отнести некоторые примеси внедрения, а также при- меси тугоплавких металлов. Важность данного воп- роса обусловлена существенным влиянием некото- рых примесей на свойства и характеристики монок- ристаллов из-за низкой их растворимости, что вы- зывает понижение температуры хрупкого перехода, искажение однородности структуры, увеличение разориентации субзерен и т. п. Удаление таких при- месей в результате кристаллизационной очистки за- частую оказывается единственно рациональным способом. Поэтому актуальным является изучение влияния процесса кристаллизации на поведение при- месей такого типа при плазменно-индукционной плавке. Характер поведения примеси в кристалле при кристаллизационной очистке можно установить ис- ходя из теории кристаллизационных процессов. Изучение данного вопроса подробно освещено в работах [5—8]. Согласно классической теории о балансе приме- си в жидкой фазе при кристаллизационном процес- се решим задачу нахождения концентрационной за- висимости примесей по сечению слитка при плаз- менно-индукционном выращивании плоских тугоп- лавких монокристаллов с учетом отличительных особенностей предложенной схемы. Прежде чем перейти к аналитическому пред- ставлению, необходимо отметить, что в условиях ПИП происходит интенсивное перемешивание жид- кого металла. С учетом особенностей процесса сформулируем исходные положения и примем не- которые допущения. Принимаем пфанновскую систему допущений со следующими пояснениями: объем ванны жидкого металла и ее геометрия постоянны (допущение выполнимо при условии, что объем жидкой капли, поступающей от приса- дочного материала, намного меньше объема ванны жидкого металла при достаточно малом промежутке между каплями); фронт кристаллизации плоский и расположен в вертикальной плоскости, что позволяет пренебречь неравномерным распределением примеси по высоте слоя, обусловленным кривизной фронта кристал- лизации (такое допущение позволяет приравнять скорости плазмотрона и движения фронта кристал- лизации). С учетом наклона фронта кристалли- зации к горизонтали, что более приближено к дейс- твительности, в такой модели необходимо учиты- вать вертикальное изменение концентрации приме- си в слое, где скорости фронта кристаллизации и плазмотрона будут соотноситься как vf.c = vp.ssin α; vf.c – скорость фронта кристаллизации; vp.s – ско- рость плазмотрона; α – угол между плоскостью фронта кристаллизации и горизонталью). Рассмотрим задачу нахождения концентрацион- ной зависимости примеси в слитке в результате зон- ной очистки (рис. 2). Для этого составим уравнение баланса примеси в ванне для процесса выращивания плоского монокристалла с учетом принятых допу- щений. В данном случае в режиме зонной плавки при смещении жидкой металлической ванны на ве- личину dx изменение концентрации в объеме ванны VbathΔCbath будет зависеть от баланса примеси, поступившей с объемом жидкого металла в виде капли при плавлении пруткового материала Vimp- Cimp, и примеси, попавшей в ванну с объемом рас- Рис. 2. Графическое представление математической модели: 1 – расходный материал; 2 – наращенный слой; 3 – нижний слой; l – длина; b – ширина ванны; h1 и h2 –высота соответственно проплавленного и наплавленного слоев Рис. 1. Схема ПИП: 1 – плазмотрон; 2 – индуктор; 3 – монокристалл; 4 – затравочный кристалл; 5 – переплавляемый пруток 36 плавленного нижнего слоя Vn-1Cn-1, за исключением примеси, которая перешла из ванны в закристалли- зовавшийся объем VnCn. Таким образом, Cn = kCbath, где k – коэффициент распределения; Vn-1 = h1bΔx; Vimp = h2bΔx; Vn = (h1 + h2)bΔx; Vbath = (h1 + h2)bl. Перейдя от конечных приращений к дифферен- циалам получаем уравнение баланса (h1 + h2)ldCbath = h1Cn-1dx + h2Cimpdx - k(h1 + h2)Cbathdx. После интегрирования и определения постоян- ной интегрирования уравнение примет вид ln h1Cn—1 + h2Cimp h1 + h2 — kCbath e h1Cn—1 + h2Cimp h1 + h2 — kCbath b = — k l x, где Cbath e , Cbath b – соответственно конечная и началь- ная концентрации примеси в ванне. Теперь установим концентрационную зависи- мость примеси в закристаллизовавшейся части слоя и после преобразования с учетом Cn = kCbath найдем Cn e = h1Cn—1 + h2Cimp h1 + h2 (1 — e— k l x) + Cn b e— k l x, где высоту наплавляемого слоя лучше выразить че- рез скорость подачи прутка в зону плавления vrod, его поперечное сечение Srod и скорость движения плазмотрона vplasm h2 = Srod b ( vrod vplasm + 1). Полученное уравнение описывает концентра- ционную зависимость примеси в формируемом слое при послойном выращивании монокристалла, одна- ко сам характер поведения примеси в кристалле будет зависеть от организации схемы движения жидкой металлической ванны в каждом слое. При выращивании плоских монокристаллов це- лесообразно организовать работу движения плаз- мотрона при следующих возвратно-поступательных схемах: 1) формирование слоя происходит как при пря- мом, так и при обратном ходе; 2) с холостым холодным обратным ходом – слой формируется только при прямом ходе, обрат- ный ход служит для возврата плазмотрона в исход- ное положение; 3) с горячим обратным ходом – формирование слоя осуществляется только при прямом ходе, при обратном происходит проплавление слоя на высоту сформированного перед этим слоя и проход до воз- врата плазмотрона в исходное положение. В качестве исходных данных в дальнейших рас- четах приняли, что начальное распределение при- меси в затравочном кристалле, обычно получаемое ЭЛЗП, постоянно по длине и значительно меньше содержания примеси в присадочном материале. Отметим, что концентрация примеси в расплав- ленном слое затравочного кристалла может зада- ваться в соответствии с законом распределения сог- ласно технологическому процессу получения затра- вочного кристалла способом зонной плавки. Содер- жание примеси в присадочном материале в расчетах принимали постоянным и равным единичному, как и высоту наплавленного и проплавленного слоев. Для получения картин концентрационной зави- симости в кристалле выбрали систему вольфрам— углерод и приняли значение коэффициента распре- деления k равным 0,2, рассчитанным при средних значениях диффузии примеси в жидком металле, и толщины диффузионной зоны в условиях плаз- менного нагрева при скорости движения фронта кристаллизации 5…10 мм/мин. Длиной слитка служила длина реально получаемых кристаллов, которая равнялась 8,5 длины локальной металли- ческой ванны. Все исходные параметры были оди- наковыми для всех расчетных схем. Наращивание первого слоя во всех схемах про- исходило слева направо (рис. 3, 4). Для графичес- кого представления массива данных использовали метод nearest neighbor (по соседним элементам). При расчете концентрационной зависимости приме- си слитка твердой фазы, согласно схемам 1-3, ис- пользовали приведенные ниже формулы. При этом приняли направление координат совпадающим с движением плазменного источника при каждом проходе. Зависимость концентрации примеси по длине первого слоя во всех схемах вычисляли по формуле C1 = h1Cn—1 + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 + (k — 1) e— kx l ⎞ ⎟ ⎠. (1) Далее с целью повышения степени отчистки от примесей в слитке рассмотрим для каждой схемы случай с отбором обогащенного жидкого металла на краях слитка. На рис. 3, а—в представлены зависимости относительной максимальной концентрации примеси в слое по высоте слитка соответственно для схем 1-3, а также приведены зависимости с отбором обогащен- ного примесями расплава с левой стороны для схем 1 (рис. 3, г), 3 (рис. 3, ж), а также с правой стороны для схемы 3 (рис. 3, е) и с двух сторон для схем 1 (рис. 3, д), 3 (рис. 3, з) при разных значениях коэффициента распределения и без учета участка с нормальной направленной кристаллизацией, при- сутствующей в схеме 2. Поэтому максимально дос- тижимая концентрация Cmax во всех схемах соот- ветствовала содержанию примеси в прутке. Из рис. 3 видно, что переходная зона, в которой изменяется максимальная концентрация в слоях по высоте, составляет для большинства схем 3…6 сло- ев, при этом для всех схем переходная зона увели- 37 Рис. 3. Зависимости относительной концентрации примеси в слое Ci / Cmax от высоты слитка n в слоях при разных значениях коэффициента распределения; коэффициенты распределения, обозначенные символами , , Δ, , x, +, соответственно равны 0,01; 0,05; 0,10; 0,20; 0,40; 0,80 38 чивается при повышении коэффициента распреде- ления, кроме представленных на рис. 3, а, в, где отмечена обратная зависимость. Несмотря на удоб- ство представления данных о максимальной концен- трации по высоте, такие зависимости не дают общего представления о характере поведения примеси в слитке при кристаллизационной очистке и могут быть использованы лишь для предварительного анализа влияния коэффициента распределения примеси. Более полную картину поведения примеси при зонной очистке дает анализ зависимостей концент- рации в продольном сечении монокристалла, при- веденных на рис. 4. При формировании слитка согласно схеме 1 на- копившаяся примесь в жидкой металлической ванне на предыдущем слое переходит к новому, в каждом последующем зависимость концентрации примеси по длине закристаллизовавшейся части слоя вычис- ляли с использованием уравнения Сn = i+1 i = 1,2,3… = Cn—1 xn—1 = Le— kx l + h1Cn—1 x n—1 = L—x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠. Для слоев n = i+1 при i = 1, 2, 3, где Cn—1 x n—1 = L – концентрация примеси в ванне на слое n-1 при коор- динате на нижнем слое xn-1= L; L – длина слитка. Концентрационная зависимость примеси при та- кой схеме характеризуется выравниванием в твер- дой фазе по высоте слитка до концентрации в рас- ходуемом материале (рис. 4, а). Использование схе- мы 1 способствует равномерному распределению концентрации примеси вдоль всего слоя после пе- реходной зоны. При формировании слитка в соответствии со схемой 2 расчет концентрационной зависимости примеси осуществляется согласно формуле Сn = i+1 i = 1,2,3… = h1Cn—1 x n—1 = x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 + (k — 1) e— kx l ⎞ ⎟ ⎠, где Cn—1 x n—1 = xn – концентрация примеси, перешед- шая с нижнего слоя при его проплавлении. При такой схеме примеси в результате зонного рафинирования оттесняются фронтом кристалли- зации в одном направлении и, как видно из рис. 4, б, скапливаются у одного края слитка. С точки зрения кристаллизации при такой схеме можно выделить два этапа кристаллизационной очистки – зонную плавку в течение всего периода наращивания слоя, за исключением конечного участка, и нормальную направленную кристаллизацию на конечном участ- ке слоя в результате снижения мощности плазмен- ного источника нагрева до момента исчезновения жидкой фазы. Распределение примеси на конечном участке не показано для удобства сравнительного анализа концентрационной зависимости в кристал- ле приведенных схем. Такой расчет можно провести по стандартным формулам для нормальной направ- ленной кристаллизации [5, 7]. В действительности реализация схем 1 и 2 на практике сопряжена с некоторыми трудностями, что связано с влиянием капельного переноса на нес- табильность движения фронта кристаллизации и объема жидкой металлической ванны. Поэтому для создания условий зонной плавки необходимо соб- людение указанных допущений, что вызывает не- обходимость в использовании такого способа пода- чи присадочного материала в жидкую ванну, кото- рый вносит минимальное возмущение в процесс зон- ной плавки. К таким способам относится подача порошкового материала и тонкой проволоки в зону плазменного нагрева, что приближает условия ка- пельного переноса к «ручейковому». Однако их ис- пользование связано с рядом недостатков, к кото- рым относят возможность захвата нерасплавленно- го порошкового материала фронтом кристаллизации, низкую производительность и высокую стоимость ма- териалов. На практике широко распространена схема по- дачи пруткового материала, при этом зачастую кап- ля соизмерима с объемом ванны, падение такой кап- ли в жидкую металлическую ванну вызывает изме- нение ее объема и нарушение диффузионного слоя, что приводит к колебанию значений концентрации примеси по слою. Формирование слитка согласно схеме 3 (рис. 4, в) позволяет за счет бескапельного обратного хода сгладить пиковые концентрации примеси. Согласно данному режиму расчет концен- трационной зависимости примеси осуществляется по формулам Сn = 2i i = 1,2,3… = Cn—1 x n—1 = Le— kx l + Cn—1 x n—1 = L—xn ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠, Сn = 2i+1 i = 1,2,3… = Cn—1 x n—1 = Le— kx l + h1Cn—1 x n—1 = L—xn + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠. При этом картина распределения примеси в сравнении со схемой 1 характеризуется большей пе- реходной областью выравнивания концентрации примеси в слитке по высоте с более плавными пе- реходами от слоя к слою. Такое распределение бла- гоприятнее с точки зрения снижения плотности де- фектов, связанных с неоднородностью распределе- ния примеси. Как видно из картин концентрационной зависи- мости в слитке, представленных на рис. 4, а—в, в соответствии со схемами 1-3 в процессе наращива- ния каждого слоя в ванне происходит накопление примеси. Поэтому с целью повышения степени ра- финирования целесообразно производить отбор 39 расплавленного металла, обогащенного примесью, в зонах с максимальной концентрацией или прово- дить этап рафинирующего воздействия с примене- нием обработки расплава активными газами или компонентами. Последующие расчеты будут выпол- нены с учетом отбора жидкой фазы в момент, когда ванна достигает краев слитка. При расчете концентрационной зависимости примеси на новом слое после отбора расплава, обо- гащенного примесью, начальная концентрация в ванне будет соответствовать концентрации примеси в присадочном материале, поскольку восполнение отобранной жидкости осуществляется в результате подпитки присадочного материала. В этом случае Рис. 4. Распределение примеси в монокристалле для приведенных схем организации движения локальной металлической ванны по торцу наращиваемой поверхности кристалла; Ci – значение локальной концентрации; N – длина слитков в зонах 40 интерес вызывают схемы 1 и 3, при которых нако- пившаяся примесь переходит в новый слой. Рассмотрим сначала схему 1, когда отбор расп- лава, обогащенного примесью, проводится в начале каждого слоя (рис. 4, г), Сn = 2i i = 1,2,3… = Cn—1 x n—1 = le— kx l + h1Cn—1 x n—1 = l—xn + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠ и с двух сторон (рис. 4, д) Сn = 2i+1 i = 1,2,3… = Cimpe — kx l + h1Cn—1 xn—1= l—xn + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠; Сn = i+1 i = 1,2,3… = Cimpe — kx l + h1Cn—1 xn—1= l—x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠ согласно расчетным формулам. Обе эти схемы характеризуются скважностью по примеси между Cmax и Cmin на краях кристалла, отношение которых может достигать величины 1/k для k<1 и k при k>1. Как следует из картины кон- центрационной зависимости (рис. 4, г, д), проведе- ние процесса в таком режиме позволяет снизить максимальную концентрацию примеси в слитке на 20…25 и 35…40 % в сравнении со схемой без отбора примеси. Недостатком такой схемы являются вы- сокие значения примеси на краях слитка, а посколь- ку эта область характеризуется значительными цик- лическими перепадами температур, то сочетание указанных факторов может приводить к ухудше- нию монокристаллической структуры по сравнению со средней частью слитка. Схема 3 характеризуется тем, что благодаря го- рячему обратному ходу без наплавления происхо- дит более равномерное распределение примеси в слое, что способствует снижению концентрации на краях кристалла. Рассмотрим третий случай с отбором расплава, обогащенного примесью, с правой (рис. 4, е) и ле- вой сторон (рис. 4, ж) Сn = 2i+1 i = 1,2,3… = Cimp e — kx l + h1Cn—1 xn—1 = L—x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠, с двух сторон одновременно (рис. 4, з) Сn = 2i i = 1,2,3… = Cimp e — kx l + Cn—1 x n—1=L—x n ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠; Сn = 2i+1 i = 1,2,3… = Cimp e — kx l + h1Cn—1 xn—1 = L—x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠ согласно расчетным формулам. Анализ картины концентрационной зависимос- ти, приведенной на рис. 4, ж, показывает, что при реализации данной схемы возможно снижение мак- симальной концентрации примеси на 30…40 %, в сравнении со схемой без отбора жидкости (рис. 4, в). Отбор примеси с правой стороны (рис. 4, е) способствует лучшим результатам, при этом макси- мальная концентрация снижается в 3-4 раза. Раз- личия концентрационных картин, приведенных на рис. 4, е, ж, состоят в том, что в первом случае отбор обогащенного расплава осуществляется при достижении в ванне большей концентрации в отли- чие от второго, где концентрация снижается в жид- кой ванне по мере приближения ее к краю за счет более чистых от примеси нижних слоев. Отбор с двух сторон (рис. 4, з) не дает значительных ре- зультатов в сравнении со схемой, показанной на рис. 4, е, что свидетельствует о сравнительно боль- шом отличии содержания примеси между отбирае- мыми порциями расплава в предыдущих случаях. Зафиксированная ступенька примеси с левой сто- роны (рис. 4, ж, з), отсутствующая на рис. 4, е, показывает, что в отобранном расплаве содержание примеси меньше, чем в прутковом, которым воспол- няется отобранный объем. Таким образом, схема на рис. 4, е является более рациональной с позиции максимально достижимой чистоты по примесям и благоприятного распределения концентрационной зависимости, при этом она более экономична по зат- ратам материалов. При анализе схем не рассмотрены случаи с мно- гократной зонной очисткой в каждом слое, прове- дение которой позволит достичь более высокой сте- пени чистоты по примесям и снизить их максималь- ную концентрацию в слитке. Наиболее рациональ- ная схема для многократной зонной очистки на каж- дом слое соответствует схеме 2 с периодическим отбором обогащенного расплава в конце прохода с целью предотвращения эффекта обратного отраже- ния примеси. Выводы 1. Получено аналитическое решение кристаллиза- ционной очистки в слое при послойном выращи- Сn = 2i i = 1,2,3… = Cimp e — kx l + Cn—1 x n—1= L—x n ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠; Сn = 2i+1 i = 1,2,3… = Cn—1 x n—1 = Le— kx l + h1Cn—1 x n—1 = L—x n + h2Cimp h1 + h2 ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠ Сn = 2i i = 1,2,3… = Cn—1 xn—1 = Le— kx l + Cn—1 x n—1 = L—xn ⎛ ⎜ ⎝1 — e— kx l ⎞ ⎟ ⎠; 41 вании плоских тугоплавких монокристаллов спосо- бом ПИП. 2. На основе численного метода получены дан- ные кристаллизационной очистки в плоских тугоп- лавких монокристаллах при послойном выращи- вании для разных схем организации движения жид- кой ванны по торцу наращиваемой поверхности. 3. Проведен сравнительный анализ предложен- ных схем, показаны их преимущества и недостатки на основании картин концентрационной зависимос- ти и эффективности очистки от примесей в продоль- ном сечении слитка. 1. Применение плазменного процесса для выращивания мо- нокристаллов тугоплавких металлов / Е. М. Савицкий, Г. С. Бурханов, Н. Н. Раскатов и др. // Металлические монокристаллы. Получение и исследование свойств. – М.: Наука, 1976. – С. 5—10. 2. Михайлов С. М., Чеченцев В. Н., Шмаков А. М. Опыт получения беспористых монокристаллов молибдена увели- ченного диаметра // Выращивание монокристаллов ту- гоплавких и редких металлов / Под ред. Е. М. Савицко- го. – М.: Наука, 1973. – С. 65—68. 3. Бурханов Г. С., Девятых Г. Г. Высокочистые тугоплав- кие и редкие металлы. – М.: Наука, 1993. – 223 с. 4. Есин В. О., Белова Н. В. Особенности субструктуры мо- нокристаллов ниобия, обусловленные неоднородностью кривизны поверхности фронта кристаллизации // Ме- таллические монокристаллы. Получение и исследование свойств. – М.: Наука, 1976. – С. 45—51. 5. Тихинский Г. Ф., Ковтун Г. П., Ажажа В. М. Получе- ние сверхчистых редких металлов. – М:. Металлургия, 1986. – 160 с. 6. Лакомский В. И. Плазменно-дуговой переплав. – Киев: Техніка, 1974. – 336 с. 7. Вигдорович В. Н. Очистка металлов и полупроводников кристаллизацией. – М:. Металлургия, 1969. – 296 с. 8. Емельянов В. С., Евстюхин А. И., Шулов В. А. Теория процессов получения чистых металлов, сплавов и интер- металидов: Учеб. пособ. для вузов. – М. Энергоатомиз- дат, 1983. – 144 с. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев НТУУ «Киевский политехнический институт» Поступила 17.04.2012 www.metalinfo.ru/ru/news/55458 09.04.2012 ВСМПО и Boeing расширяют долгосрочное соглашение Корпорация ВСМПО — АВИСМА (ВСМПО) объявила, что договорилась с компанией «Боинг» (Boeing) на изменение существующего долгосрочного контракта на поставку титановой продукции завода, обеспечивающего трех- летнее продление срока контракта до конца декабря 2018 года. В соответствии с измененным договором, ВСМПО будет продолжать снабжать ежегодно компанию «Боинг» и ее поставщиков согласованным минимальным количеством титановой продукции завода, необходимым ком- пании «Боинг» для производства гражданских самолетов. Кроме того, в рамках согласованного ранее отдельного контракта, действие которого исте- кает в конце декабря 2015 г., ВСМПО будет продолжать поставлять штамповки, изготовленные в закрытом штампе, компании «Боинг» и ее партнерам для всех гражданских программ компании «Боинг», за исключением 747. Ural Boeing Manufacturing, совместное предприятие ВСМПО и «Боинг», займется механической обработкой значительного количества этих поковок для проекта 787 на своей производ- ственной площадке, расположенной в г. Верхняя Салда. По словам Михаила Воеводина, генерального директора ВСМПО, «Продление контракта является отражением долгосрочных отношений ВСМПО и «Боинг» – «Наша компания третье десятилетие тесно сотрудничает с «Боинг» по оказанию улучшающегося уровня поддержки, технологий и услуг для подразделения «Боинг», производящего гражданские самолеты, и мы надеемся на поддержку и сот- рудничество с ними при значительном увеличении темпов производства в ближайшие годы». ВСМПО будет обеспечивать сервисное обслуживание этих контрактов, в том числе логистику, резку на краты, доставку точно в срок посредством своей сети торговых представительств, распо- ложенных в Соединенных Штатах, Великобритании, Германии и Китае. ОАО Корпорация ВСМПО-АВИСМА, штаб-квартира в г. Верхняя Салда, Свердловская область, Россия, является круп- нейшим в мире производителем продукции из титановых сплавов. Корпорация глубоко интегрирована в мировую аэро- космическую промышленность, и для многих компаний является основным стратегическим поставщиком продукции из титана. Титановая губка, очищенная на АВИСМА, используется на ВСМПО в производстве продукции с высокой добавочной стоимостью, такой как биллеты, прутки, плиты и листы и далее по производственной цепочке – штамповки и механически обработанные получистовые детали. 42
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96548
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7681
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T19:02:22Z
publishDate	2012
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Шаповалов, В.А. Гниздыло, А.Н. Якуша, В.В. Никитенко, Ю.А. Жиров, Д.М. Гнатушенко, А.В. Волченков, Е.А. 2016-03-18T10:35:55Z 2016-03-18T10:35:55Z 2012 Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке / В.А. Шаповалов, А.Н. Гниздыло, В.В. Якуша, Ю.А. Никитенко, Д.М. Жиров, А.В. Гнатушенко, Е.А. Волченков // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 34-42. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96548 669.187.58 Рассмотрены особенности кристаллизационного рафинирования крупных монокристаллов плоской формы. На базе полученных зависимостей с использованием аналитических и численных методов проведен анализ влияния технологических режимов на поведение трудноудаляемых примесей. Peculiarities of crystallization refining of large single crystals of flat shape are considered. Basing on obtained relationships using analytical and numerical methods, the analysis of effect of technological conditions on behavior of hard-to-remove impurities was made. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Плазменно-дуговая технология Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке Specifics of crystallization refining in the process of growing flat single crystals of refractory metals in plasma- induction melting Article published earlier
spellingShingle	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке Шаповалов, В.А. Гниздыло, А.Н. Якуша, В.В. Никитенко, Ю.А. Жиров, Д.М. Гнатушенко, А.В. Волченков, Е.А. Плазменно-дуговая технология
title	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
title_alt	Specifics of crystallization refining in the process of growing flat single crystals of refractory metals in plasma- induction melting
title_full	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
title_fullStr	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
title_full_unstemmed	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
title_short	Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
title_sort	особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке
topic	Плазменно-дуговая технология
topic_facet	Плазменно-дуговая технология
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96548
work_keys_str_mv	AT šapovalovva osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT gnizdyloan osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT âkušavv osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT nikitenkoûa osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT žirovdm osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT gnatušenkoav osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT volčenkovea osobennostikritallizacionnogorafinirovaniâvprocessevyraŝivaniâploskihmonokristallovtugoplavkihmetallovpriplazmennoindukcionnoiplavke AT šapovalovva specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT gnizdyloan specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT âkušavv specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT nikitenkoûa specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT žirovdm specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT gnatušenkoav specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting AT volčenkovea specificsofcrystallizationrefiningintheprocessofgrowingflatsinglecrystalsofrefractorymetalsinplasmainductionmelting

Особенности криталлизационного рафинирования в процессе выращивания плоских монокристаллов тугоплавких металлов при плазменно-индукционной плавке

Institution

Similar Items