Способ выращивания монокристалла и устройство для его осуществления
METHOD OF SINGLE-CRYSTAL GROWTH AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам лазерной наплавки и может быть использовано при наплавке различных материалов лазерным излучением и при выращивании монокристаллов или осуществлении направленной кристаллизации в образцах путем лазерного спекания порошковых материалов газопорошковой смеси.
Известен способ эпитаксиального нанесения ремонтного материала на поверхность полученной направленной кристаллизацией подложки, включающий непрерывную подачу частиц ремонтного материала на всю обрабатываемую поверхность подложки, подведение энергии по всей обрабатываемой поверхности для плавления и сплавления ремонтного материала эпитаксиально на всей обрабатываемой поверхности одновременно с обеспечением процесса кристаллизации сплавляемых частиц в направлении, параллельном направлению ориентации зерен материала подложки; и осуществляют относительное перемещение источника энергии и материала подложки при непрерывной подаче частиц ремонтного материала для сохранения условий непрерывного эпитаксиального нанесения ремонтного материала в процессе кристаллизации до достижения требуемой толщины ремонтного материала (Патент RU 2599322 С2, опубликован: 10.10.2016. Бюл. №28).
Известно устройство эпитаксиального нанесения ремонтного материала на поверхность полученной направленной кристаллизацией подложки, включающее в себя средство мобилизации частиц материала поверх обрабатываемой поверхности подложки; средство подвода энергии по всей обрабатываемой поверхности,  которое эффективно для расплавления и сплавления материала эпитаксиально на всей обрабатываемой поверхности одновременно; и средство обеспечения относительного перемещения подложки и средство мобилизации частиц материала, эффективное для сохранения условий для непрерывного эпитаксиального добавления материала к подложке до тех пор, пока не будет добавлена требуемая толщина материала (Патент RU 2599322 С2, опубликован: 10.10.2016. Бюл. №28).
Недостатком указанного способа и устройства является то, что рассматривается возможность ремонта монокристаллических изделий, однако отсутствует возможность формирования самого изделия эпитаксиальным методом, а также отсутствие возможности прогнозирования направленности кристаллов в получаемых покрытиях.
Известен способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением слоев порошкового материала, включающий следующую последовательность формирования слоев за цикл: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала, слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, повторение указанных циклов до осуществления полного формирования изделия, причем в качестве первого порошкового материала используется материал, образующий при спекании оболочку формируемого изделия, а в качестве второго порошкового материала используется порошок из металла или сплава формируемого изделия, причем после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление, образуя слои толщиной от 10 до 300 мкм, а после завершения всех циклов нанесения слоев производят их газостатическое прессование. Кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации (Заявка RU 2013141733 А, дата публикации заявки: 20.03.2015. Бюл. №8).
Известна установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала, содержащая рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения формируемого изделия и формируемой оболочки в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллер очистки, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, при этом установка содержит дополнительную рабочую камеру, выполненную с возможностью создания газостатического давления и оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью перемещения формируемого изделия и формируемой оболочки в вертикальном направлении, бункер-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, причем, рабочая камера и дополнительная рабочая камера снабжены общим рабочим столом, в котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, при этом общий рабочий стол выполнен с возможностью перемещения рабочих бункеров с поршнями в процессе формирования детали из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно (Заявка RU 2013141733 А, дата публикации заявки: 20.03.2015. Бюл. №8).
Недостатком указанного способа и устройства является то, что формирование монокристаллической структуры достигается путем расплавления уже полученного изделия, что усложняет процесс.
s
Наиболее близким к предлагаемому способу выращивания монокристалла, является способ восстановления поверхности монокристаллической или полученной направленной кристаллизацией металлической детали толщиной (W) менее 2 мм, в котором на деталь направляют лазерный луч и подают поток металлического порошка той же природы, что и металлическая деталь, для создания, по меньшей мере, одного слоя монокристаллического или полученного направленной кристаллизацией от детали металла, при этом лазерный луч направляют с мощностью «Р» и перемещают вдоль детали со скоростью «v», причем лазерный луч и поток порошка направляют на деталь соосно (Патент RU 2409708 С2, дата публикации: 10.03.2007. Бюл. №7).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству для выращивания монокристалла является устройство для осуществления способа восстановления поверхности. Устройство содержит кожух, источник лазерного излучения, сопло для подачи порошка от распределяющего устройства и соединительный сильфон фокусирующей системы, содержащей в особенности источник лазерного излучения, сопло и кожух. Далее описан способ восстановления поверхности лопатки турбины газотурбинного двигателя, изготовленной из сплава на основе никеля, монокристаллического или полученного направленной кристаллизацией, однако следует понимать, что способ может применяться к любой металлической детали, содержащей стенку, которую следует восстановить, и выполненной из монокристаллического сплава или полученную направленной кристаллизацией (Патент RU 2409708 С2, дата публикации: 10.03.2007. Бюл. №7).
Недостатком описанного выше способа восстановления монокристаллической поверхности и устройства для его реализации является невысокое качество формируемого изделия в связи с тем, что процесс формирования монокристаллической структуры и направленной кристаллизации производится послойно, что приведет к снижению свойств на границе слоев и нарушению ориентировки дендритных кристаллов за счет смещения теплового центра, образованного лазером.
Техническая проблема заключается в том, что при послойном нанесении покрытий при выращивании изделий методом прямого лазерного нанесения происходит нарушение сплошности и ориентировки кристаллов в слоях. Технический результат предлагаемого способа выращивания монокристалла и устройства для его осуществления заключается в принципиально новом способе выращивания монокристаллических изделий или изделий с направленными кристаллами в структуре без ограничения в размере монокристалла, с заданной ориентировкой и формой монокристалла. Технический результат в способе выращивания монокристалла, включающем подачу направленного потока газопорошковой смеси из сопла устройства на подложку с одновременным расплавлением порошкового материала газопорошковой смеси на подложке лазерным лучом и перемещением сопла относительно подложки, достигается тем, что в процессе наплавки сопло перемещают относительно подложки с кристаллизатором с одновременным подъемом и меняют направление угла его наклона или положение в пространстве таким образом, чтобы осуществлялись бесконечно непрерывный рост монокристалла и заданное изменение направления его роста, при этом процесс осуществляют при скорости потока газопорошковой смеси 1-50 г/мин, линейной скорости движения лазерного луча 0,1-50 мм/с, мощности лазерного излучения 0,5-10 кВт и скорости перемещения сопла относительно подложки 0,001-30 м/с. Технический результат в устройстве для осуществления способа выращивания монокристалла, содержащем лазерный блок, сопло с входным патрубком для подачи газопорошковой смеси на подложку и волоконным кабелем, соединенным с лазерным блоком для транспортировки лазерного луча, столик для размещения подложки, систему приводов для взаимного перемещения корпуса сопла относительно поверхности столика с подложкой, достигается тем, что оно снабжено кристаллизатором, расположенным ниже выходного отверстия сопла и представляющим собой водоохлаждаемый патрубок, по крайней мере, с одним ответвлением, подведенным к поверхности подложки.
Введенные признаки в предлагаемый способ: «в процессе наплавки сопло перемещают таким образом, чтобы осуществлялся бесконечно непрерывный рост монокристалла или направленных кристаллов, а также осуществлялось целенаправленное изменение направления роста монокристалла или направленных кристаллов» и введенные признаки для предлагаемого устройства для реализации способа: «устройство снабжено кристаллизатором, расположенным ниже выходного отверстия сопла», обеспечивают возможность получения высокодисперсной структуры и равномерного распределения неметаллических включений в обрабатываемых изделиях, что в итоге позволяет расширить технологические возможности по сравнению с известным способом и известным устройством по прототипу.
На чертеже схематически изображено устройство для лазерного выращивания монокристалла.
Устройство для выращивания монокристалла, схематически изображенное на чертеже, содержит сопло 1, соединенное с лазерным блоком посредством волоконного кабеля. Лазерный блок и волоконный кабель на чертеже не показаны. Ниже выходного отверстия сопла 1 распложен кристаллизатор 2, задающий центр кристаллизации и начало роста монокристалла. Там же расположен рабочий столик 3, на котором располагается подложка 4, на которой выращивается монокристалл 5. Столик 3 установлен с возможностью изменения своего положения в пяти координатах. Устройство для лазерной обработки изделия содержит также систему приводов для взаимного перемещения корпуса сопла 1 относительно поверхности подложки 4, размещенной на столике 3, система приводов на чертеже не показана. Из сопла 1 подается газопорошковая смесь 6 и лазерный луч 7 на поверхность подложки 4.
Для предлагаемого устройства система приводов для взаимного перемещения корпуса сопла 1 относительно поверхности подложки 4, размещенной на столике 3, может быть выполнена в виде робота, аналог которого описан в патенте (US 20110072930 А1, 31.03.2011). Сопло может быть выполнено, как указано в заявке RU 2015132566 А, 09.02.2017. Бюл. №4.
Кристаллизатор 2 представляет собой водоохлаждаемый патрубок с одним, для выращивания монокристалла, или несколькими, для выращивания монокристаллов, ответвлениями, подведенными к поверхности подложки, на которую осуществляют лазерное нанесение металла.
Рассмотрим осуществление способа выращивания монокристалла и работу устройства для его осуществления.
Перед началом осуществления предлагаемого способа включают подачу газопорошковой смеси, включают лазерный блок, включают кристаллизатор 2, лазерный луч 7 и газопорошковую смесь направляют в центр кристаллизатора 2. Лазерное выращивание монокристалла 5 осуществляется по схеме: перемещаемое сопло 1 - перемещаемая подложка 4. Одновременно с включением лазерного излучения включают кристаллизатор 2. Газопорошковая смесь - это смесь подаваемого порошка и инертного газа для защиты обрабатываемой зоны на подложке от воздействия среды и транспортировки порошкового материалов.
Столик 3 одновременно с подложкой 4 перемещают относительно лазерного луча за счет системы приводов, которая на чертеже не показана. Зона выращивания монокристалла 5 на подложке 4 - это место пересечения лазерного луча и подаваемой газопорошковой смеси на поверхности подложки 4.
На металлическом столике 3 через выходное отверстие сопла 1 выращивают монокристалл, при этом поток частиц газопорошковой смеси подают непосредственно в зону воздействия лазерного луча. Процесс происходит с использованием инертного защитного газа, что обеспечивает защиту 5 от окисления. В примере конкретной реализации возможность отслеживания за непрерывностью роста монокристалла может осуществляться с помощью рентгеновской томографии или химическим травлением путем предварительной порезки и полировки монокристалла. При этом газопорошковую смесь подают к обрабатываемому изделию 4 под различными направлениями к лазерному лучу. Частицы порошка газопорошковой смеси, доставляемые к подложке 4, имеют высокую температуру вследствие взаимодействия с лазерным лучом 7. Под воздействием лазерного излучения происходит расплавление порошкового материала газопорошковой смеси и выращивание монокристалла 5. Одновременно в процессе выращивания монокристалла сопло 1 начинают поднимать над кристаллизатором 2. При помощи системы приводов или робота, не показанных на чертеже, меняют направление угла наклона сопла 1 или его положение в пространстве таким образом, чтобы зародившийся монокристалл 5 продолжал свой непрерывный рост.
В примере конкретной реализации режимы получения монокристаллов могут находиться в интервале: мощность лазерного излучения находится в интервале от 0.5 до 10 кВт, линейная скорость движения лазерного луча от 0.1 до 50 мм/с и скорость подачи газопорошковой смеси от 1 до 50 г/мин, скорость перемещения сопла относительно подложки относительно подложки от 0.001 м/с до 30 м/с. Данные режимы взаимосвязаны между собой и зависят друг от друга.
После окончания процесса выращивания изделия с монокристаллической структурой последовательно отключают лазерный блок, далее отключают подачу газопорошковой смеси и кристаллизатор 2.
Применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления, по сравнению с прототипом, позволит получать изделия с монокристаллической структурой без ограничения размеров монокристалла и обеспечить нужную ориентировку и форму выращиваемого монокристалла.