專利名稱：：生產(chǎn)超純金屬以及由其制造的單晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶金和鑄造工程。
背景技術(shù)：
：目前，僅通過區(qū)域精煉來生產(chǎn)超純金屬。這類精煉是基于一種物理現(xiàn)象，其中雜質(zhì)通過生長的晶體，即通過具有多晶結(jié)構(gòu)或單晶結(jié)構(gòu)的固體的凝固界面進入熔體內(nèi)。現(xiàn)有技術(shù)已知的區(qū)域熔體精煉的不同供選方案(Pfann,W.G,,ZoneMelting,Wiley,N.Y"1958;和Chalmers,B.,PrinciplesofSolidification,1968，p.144)是基于多次重復(fù)的局部熔融周期，局部區(qū)域三維移動并構(gòu)成凝固界面的同步移動。另外，從橫截面看，凝固界面具有明確的拋物線形狀。此外，由于供選的樹枝狀結(jié)晶界面明顯影響凝固界面的"精煉，，性質(zhì)，凝固界面在微觀上是不平的。樹枝狀的或(最佳情況下)細(xì)胞狀的凝固界面一定程度上保持了雜質(zhì)或吸附劑，有時它們局部化呈周期分布的三維結(jié)構(gòu)。這些位置處，需要五至七個精煉周期，來除去例如9x10%級數(shù)的雜質(zhì)。過去已知的單結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法都無一例外地基于相應(yīng)于(接近于)晶體生長的最大線速度的過冷區(qū)域(Csochralski,J.Z.，Physik.Chem.1917,Bd92,S.219;和ChalmersB.PrinciplesofSolidification,1968，p.280)。已接受現(xiàn)有技術(shù)方法作為本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)。但是，為獲得預(yù)期的結(jié)晶取向，需要使用位于合適位置的晶現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點是由于它完全不允許將精煉和單結(jié)構(gòu)的生長合并到一個單獨的金屬制造過程中。而且，明顯提高區(qū)域精煉產(chǎn)量和單結(jié)構(gòu)的生長速度完全是不可能的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要的目標(biāo)是開發(fā)一種生產(chǎn)超純金屬和來自它的單晶體的方法，其有效地將任意金屬的熔體精煉與金屬或其合金的單晶體結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)單晶體結(jié)構(gòu)的生長合并，其中熔體在三維冷卻期間凝固。本發(fā)明的技術(shù)成果在于改善了超純金屬及來自它的單晶體的生產(chǎn)效率，這是通過完全保持平的凝固界面并施加高的引力實現(xiàn)的，這導(dǎo)致兩相區(qū)域的急劇減少、生長亞穩(wěn)度范圍的急劇收縮以及相應(yīng)于單晶生長的最大線速度的最佳過冷值。該技術(shù)成果通過以下生產(chǎn)超純金屬和來自它的單晶體的方法獲得，其包括在超出生長亞穩(wěn)度范圍的熔體內(nèi)產(chǎn)生過冷區(qū)域；凝固熔體以獲得單晶體結(jié)構(gòu)，并在離心分離機力場內(nèi)以能夠在熔體內(nèi)產(chǎn)生過冷的引力因子下進行預(yù)期的精煉，該引力因子等于相應(yīng)于生長亞穩(wěn)度范圍內(nèi)最大線性晶體生長速度的最佳過冷值之間的差值，其由以下公式得到A、B、L和M是技術(shù)參數(shù)(系數(shù))，B的數(shù)值是由確定熱加工其中G)是引力因子的校正速度的模具的熱力學(xué)特性得到的，A、L和M的數(shù)值基于金屬的物理和化學(xué)特性；Kg是引力因子；T是凝固溫度；以及ATo是實驗計算出的金屬過冷值。而且，隨著單晶體生長及熔體精煉，熔體以0.020.08。C/秒的速度在體積上冷卻。這些是與足以產(chǎn)生以上技術(shù)成果的與基本特征穩(wěn)定組合相關(guān)的重要特征。要求保護的方法是基于使用本質(zhì)上新的物理現(xiàn)象，即通過將任意熔體暴露在取向的外部力場下并同時精煉它們來控制由任意熔體生長單晶體結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)單晶體結(jié)構(gòu)。按照我們的觀點，由熔體生長單結(jié)構(gòu)的任意方法的適用性最好借助于Tamman關(guān)系曲線進行分析。這些關(guān)系曲線表明核心形成比率n(AT)和線性結(jié)晶生長速度V(AT)如何隨著熔體內(nèi)引發(fā)的力場變化(AT)而改變。這些關(guān)系曲線是凸函數(shù)并在冷卻值A(chǔ)7^和A7^處具有極值。這些發(fā)明人已經(jīng)從理論上和實驗上證明例如引力場對凝固熔體的影響類似于在熔體內(nèi)形成過冷區(qū)域。因此，由此得出結(jié)論有了AT值和引力因子Kg之間確定的關(guān)系曲線。由于Kg是易于控制的參數(shù)并對熔體的任意部分都具有同樣的作用，可以得出結(jié)論其中用Kg代替AT的任意方法都擁有生長單結(jié)構(gòu)的高潛力。本發(fā)明將由以下附圖變得更清楚，其中圖1是M^各化Tamman關(guān)系曲線的簡圖；以及圖2說明了與引力因子Kg相關(guān)的過冷關(guān)系曲線。具體實施例方式依據(jù)本發(fā)明，要求保護的生產(chǎn)超純金屬和來自它的單晶體的方法在旋轉(zhuǎn)模具內(nèi)在以下條件下進行-為生產(chǎn)單晶體結(jié)構(gòu)并同時進行精煉，熔體在離心分離機力場內(nèi)在允許在熔體內(nèi)造成過冷區(qū)域的引力因子下凝固，而且該引力因子等于相應(yīng)于生長亞穩(wěn)度范圍內(nèi)的最大晶體生長線速度的最佳過冷值之間的差值，其由以下公式得到A、B、L和M是技術(shù)參數(shù)(系數(shù))，用于基于確定熱加工速度的模具的熱力學(xué)特性來計算B的數(shù)值，A、L和M的數(shù)值是由金屬的物理和化學(xué)特性確定的；Kg是引力因子；T是凝固溫度；ATo是實驗計算出的熔體過冷值?！?dāng)單晶體生長且熔體精煉時，熔體以0.020.08。C/秒的速度在體積上冷卻。參考附圖1為解釋要求保護的方法的主旨來檢驗Tamman曲其中:第一條曲線V(AT)描述了依賴于熔體內(nèi)產(chǎn)生的過冷值A(chǔ)T的結(jié)晶生長線速度的變化。第二條曲線n(AT)描述了依賴于AT的晶核形成比率的變化。在過冷值A(chǔ)7^和A7;"處對比兩條關(guān)系曲線的不同水平Z,被稱為生長亞穩(wěn)度和晶核形成范圍。最佳過冷值△r;和△;,是最大值的坐標(biāo)。正常的是假定通過單結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法獲得最大效率，其在生長期間形成等同于熔體內(nèi)Ar;的過冷區(qū)域。原則上，該目的不能借助于由任何方法產(chǎn)生的不均勻熱區(qū)域獲得，因為潛在的凝固熱釋放，生長單晶體熱阻抗的不停變化，還因為不可能精確知道凝固界面的坐標(biāo)。據(jù)此，發(fā)明人在分析和實驗研究期間測量了AT對Kg的確定的關(guān)系曲線A、B、L和M是技術(shù)參數(shù)(系數(shù))，B的數(shù)值是由影響熱加工速率的模具的熱力學(xué)特性確定的，A、L和M的數(shù)值是由金屬的物理和化學(xué)特性確定的；Kg是引力因子；T是凝固溫度；以及其中:ATo是實驗計算出的熔體過冷值。不同金屬的技術(shù)參數(shù)或因子A、L和M有以下數(shù)值:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>省略了最后公式的計算。參考公式(l),Tamman關(guān)系曲線中AT坐標(biāo)可用Kg替代(圖1)。接著由此得出結(jié)論，一旦Kg的值等于Kopt，單晶體結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)單晶體結(jié)構(gòu)將以理論上可能的速度從熔體生長出任意數(shù)量的核心和群。特別是，發(fā)明人在幾次實驗中以1015cm/秒的速度生長了砷化鎵單晶體。幾何術(shù)語中，關(guān)系曲線(l)對于所有金屬是上升雙曲線，Kg也隨著漸增。這可以由計算建立的兩個圖表解釋(圖2),它們表明對不同值A(chǔ)T()與Kg相關(guān)的過冷的關(guān)系曲線。這些曲線由以下公式計算其中AT如公式(1)所述；以及ATo.5是熔體等于0.5。C的自然過冷值。這些圖表表明不管初始過冷，這種方法的最大效果在Kg=300處達(dá)到。將得出以下觀點。salol型金屬凝固模型的實驗研究表明導(dǎo)數(shù)5V(AT)/ST不能低于10~102。如以下將表明的，該事實是非常重要的。假定離心分離機內(nèi)給定值&=《；-《的熔體緩慢冷卻直到達(dá)到AT()-ATV的自然過冷，即足以在熔體內(nèi)由任何基體生成結(jié)晶的線性生長的條件。由于引力因子^-《p,-^:足以過冷^;-A;-7;,因此可能建立單晶體線性生長速度在這些條件下增長的程度?！鱪x=(△。一Ar;)io(4)即使允許通過不均勻的力場在離心分離機內(nèi)產(chǎn)生i'c的適當(dāng)過冷，由(4)顯而易見的是單晶體的線性生長速度完全以AValOmm/秒增力口。使用其中力場影響凝固熔體的以上物理機制，可能以非常高的速度生長單晶體。而且，該方法由于以下三個原因是有利的首先，引力因子在熔體與旋轉(zhuǎn)軸等距的任意點都是同一的，產(chǎn)生了非常平的凝固界面。第二，高引力的效果導(dǎo)致兩相區(qū)域的快速收縮，因此，允許熔體更有效地純化(精煉)。第三，高引力導(dǎo)致生長亞穩(wěn)度范圍A7;的急劇減少和相應(yīng)于單晶體線性生長速度的最大值的最佳過冷值△。。已經(jīng)將以上因素進行分析計算并實驗上證實，它們?yōu)樵摲椒ū绕渌魏尉珶捄蜕L單晶體的方法有效平均520倍的論點給出依據(jù)。該方法的實驗研究包括由鋁、銅、砷化鎵和鎳含量達(dá)到72%的高熔點鎳合金生長單晶體。單晶體以達(dá)到180mm長和達(dá)到100mm直徑的圓柱體的形式生長。例如鋁的單結(jié)構(gòu)最小(已記錄的)生長速度為0.20.3mm/秒。當(dāng)給料純度為99.995%時記錄鋁的最小精煉效率，產(chǎn)出99.9991%的純鋁。當(dāng)每個精煉周期由99.995%純度給料生產(chǎn)99.99997%的純鋁時記錄最大效率。本發(fā)明可用于生產(chǎn)任意單晶體或單晶體結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)單晶體結(jié)構(gòu)的鑄塊。還有利的是使用本發(fā)明有效地精煉任意金屬及其熔體。本發(fā)明可用于工業(yè)規(guī)模，因為參考現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)超純金屬和單晶體的方法，通過將熔體暴露于在給定引力因子下的離心分離機力場獲得了技術(shù)成果。權(quán)利要求1.一種生產(chǎn)超純金屬和來自該超純金屬的單晶體的方法，其包括在超出生長亞穩(wěn)度范圍的熔體內(nèi)形成過冷區(qū)域，其中生產(chǎn)單晶體結(jié)構(gòu)，并進行精煉的同時在離心分離機力場內(nèi)以允許在熔體內(nèi)產(chǎn)生過冷的引力因子下凝固熔體，該引力因子等于對應(yīng)于晶體的最大線性生長速度的最佳過冷值和生長亞穩(wěn)度范圍之間的差值，所述差值由以下公式確定<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ΔT</mi><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mi>A</mi><mrow><mi>T</mi><mi>ln</mi><mi>Θ</mi></mrow></mfrac></msqrt><mo>,</mo></mrow>]]></math></maths>其中<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>Θ</mi><mo>=</mo><mfrac><msup><mn>10</mn><mn>23</mn></msup><mrow><msub><mi>BK</mi><mi>g</mi></msub><mo>+</mo><msup><mn>10</mn><mn>23</mn></msup><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>LK</mi><mi>g</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mrow></mrow><mrow><mi>T</mi><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ΔT</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>MK</mi><mi>g</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>}</mo></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths>Θ是引力因子校正；A、B、L和M是系數(shù)，B的值是由基于確定熱加工速度的模具的熱力學(xué)特性確定的，A、L和M的數(shù)值是由金屬的物理和化學(xué)特性確定的；Kg是引力因子；T是凝固溫度；以及ΔT0是實驗計算出的熔體過冷值。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中單晶體生長且熔體精煉是通過以0.02-0.08。C/秒的速度在體積上冷卻熔體進行的。全文摘要本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)超純金屬以及由其制造的單晶體的方法。本發(fā)明涉及冶金和鑄造工程，具體涉及生產(chǎn)單晶結(jié)構(gòu)以及與其相關(guān)的金屬精煉。本發(fā)明生產(chǎn)超純金屬和由其制造的單晶體的方法包括當(dāng)熔體中過冷值大于亞穩(wěn)度生長范圍時在離心壓力場中結(jié)晶，其中以在熔體中能形成足夠的過冷值的方式對引力因子進行選擇，所述引力因子等于對應(yīng)于晶體的線性生長速度的最佳過冷值和生長亞穩(wěn)度范圍之間的差值，其由以右公式確定其中參數(shù)A、B、L和M，引力因子Kg，凝固溫度T和熔體過冷值ΔT<sub>0</sub>是實驗獲得的，為了實施晶體生長和熔體精煉工藝，熔體的體積以0.02～0.08℃/秒的速度冷卻。文檔編號C30B30/00GK101583746SQ200680056690公開日2009年11月18日申請日期2006年12月19日優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日發(fā)明者奧列格·弗拉基米羅維奇·阿尼西莫夫,尼古拉·尼古拉耶維奇·斯卡爾金,謝爾蓋·謝苗諾維奇·特卡喬夫,阿納托利·弗拉基米羅維奇·波波夫申請人:先進合金有限公司