СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОВЕРШЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF RECEIVING OF PERFECT CRYSTALS OF REFRACTORY METAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к вакуумной металлургии высокочистых тугоплавких металлов, может быть использовано при выращивании совершенных по структуре кристаллов металлов с объемно-центрированной кубической решеткой.
Монокристаллы тугоплавких металлов с ОЦК решеткой, в частности вольфрама, тантала, молибдена, ниобия и др., представляют серьезный и постоянно нарастающий интерес для новых технологий. Они позволяют с наибольшей эффективностью использовать неординарные физические и химические свойства этих металлов в сочетании с высокой чистотой по примесям и с отсутствием структурных дефектов: межзеренных границ, сегрегации, газовых пор, неметаллических включений и пр. Наиболее характерным представителем тугоплавких металлов является вольфрам. Монокристаллический вольфрам обладает уникальной комбинацией свойств, таких как высокая прочность, высокая пластичность, высокий модуль Юнга, износостойкость, низкий коэффициент линейного расширения, высокий атомный номер, высокая радиационная стойкость, что в совокупности делает монокристаллический вольфрам отличным материалом для целого ряда приложений в науке и технике. В частности, ориентированные монокристаллы вольфрама хорошо подходят для изготовления дефлекторов пучков заряженных частиц в линейных ускорителях, коллайдерах и мишенях-конвертерах для источников пучков позитронов, монокристаллических игл для СТМ и др.
6
-2
Из уровня техники [RU 2287023 С1, 10.11.2006] известны способ и устройство получения монокристаллов электронно-лучевой зонной плавкой в вакууме от затравочных кристаллов заданной ориентации, в соответствии с которым получают монокристаллы с воспроизводимым кристаллографическим качеством практически всех металлов, не имеющих фазовых превращений. Основным достоинством способа является высокая эффективность всего ростового процесса, что обусловлено стабильностью температурного поля в зоне роста. В случае выращивания монокристаллов затравочный кристалл является исходным монокристаллом, на который наращивается новый кристалл той же кристаллографической ориентировки. Однако то обстоятельство, что монокристаллы вольфрама, выращенные из расплава, как правило, имеют высокую плотность дислокации на уровне 10 см и фрагментированы на множество мелких блоков размером 100-500 мкм, разделенных малоугловыми границами, ограничивает возможности их использования для упомянутых выше целей. В указанном патенте нет получения совершенных кристаллов тугоплавких металлов путем пластической деформации и отжига. Поэтому в последние годы были приложены значительные усилия, направленные на повышение совершенства структуры монокристаллов вольфрама. Аналогичные исследования были проведены и по другим тугоплавким металлам - молибдену, танталу, ниобию и др. Пластическая деформация монокристаллов тугоплавких металлов с ОЦК решеткой с последующим высокотемпературным отжигом позволяет получать сравнительно крупные зерна с относительно высоким структурным качеством, пониженной плотностью дислокации и без малоугловых границ. Недостатком этого способа является непредсказуемость результата и очень низкий выход годных образцов, в силу чего способ рекристаллизации малопригоден для практических целей.
Техническая задача - получение совершенных кристаллов тугоплавких металлов с ОЦК решеткой с высоким структурно-кристаллографическим качеством при высоком выходе годных образцов.
Это достигается тем, что используется способ получения совершенных кристаллов тугоплавких металлов, заключающийся в том, что образец тугоплавкого металла в виде монокристалла с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой с ориентировкой роста <111> подвергают пластической деформации за один проход в плоскости прокатки <112> со степенью обжатия 5-6% в вакуумном прокатном стане при температуре 900°С до получения наклепанного монокристалла, который подвергают безградиентному высокотемпературному отжигу при температуре 2500°С путем помещения в цилиндрический контейнер, установки его с помощью держателей коаксиально электронной пушке и разогрева в вакуумной камере расфокусированным электронным пучком до получения образца с несколькими зернами размером более 25 мм без радиационного повреждения поверхности образца. В этом способе для фиксации кристаллографических параметров прокатку ведут при механической обработке до получения плоскопараллельных кантов с верхней и нижней сторон прокатываемого образца.
Это достигается тем, что используется устройство для высокотемпературного отжига наклепанного монокристалла при получении совершенных кристаллов тугоплавких металлов, содержащее вакуумную охлаждаемую камеру, электронно-лучевую пушку, держатели, опоры, обрабатываемый материал в виде наклепанного монокристалла тугоплавкого металла и контейнер, который выполнен с возможностью, при помощи держателей, установки коаксиально с электронной пушкой и разогрева расфокусированным электронным пучком. В этом устройстве цилиндрический контейнер с крышкой и опорами для образца в виде наклепанного монокристалла тугоплавкого металла выполнен из материала, аналогичного обрабатываемому материалу, подвергнутого механической обработке, причем в качестве материала используются монокристаллы соответствующего тугоплавкого металла.
На фиг.1 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где 1 - отжигаемый образец; 2 - контейнер; 3 - электронный луч; 4 - крышка контейнера; 5 - катод; 6 - верхний фокусирующий электрод; 7 - верхний держатель; 8 - нижний фокусирующий электрод; 9 - водяное охлаждение электродов; 10 - нижний держатель; 11 - опоры. На фиг.2 представлена схема фиксации кристаллографии образца с осью роста <111> с помощью верхнего и нижнего кантов при деформации Р в направлении <112>.
Способ выращивания совершенных монокристаллов осуществляется следующим образом. Обрабатываемый материал в виде монокристалла с ориентировкой роста <111> подвергают пластической деформации в плоскости прокатки <112> со степенью обжатия 5-6% в вакуумном прокатном стане при температуре 900°С за один проход для создания движущей силы при рекристаллизации, обрабатываемый материал в виде наклепанного монокристалла помещают на опоры в закрытый вольфрамовый контейнер (высота 40 мм, диаметр 30 мм и толщина стенки 3 мм), фиксируемый верхним и нижним держателями коаксиально с электронной пушкой в вакуумной камере установки для электронно-лучевой зонной плавки, и подвергают безградиентному высокотемпературному отжигу при температуре 2500°С с помощью расфокусированного кольцевого электронного пучка, создаваемого источником электронов, до получения образца с несколькими зернами размером более 25 мм без радиационного повреждения поверхности образца.
Пример.
4
-2
Для получения совершенных кристаллов вольфрама и определения оптимальных условий рекристаллизации при высокотемпературном отжиге образцов, подвергнутых пластической деформации, при помощи электронно-лучевого зонного нагрева была выращена серия из восьми монокристаллов вольфрама диаметром 16 мм с ориентациями роста <110> и <111>, а направлениями деформации были <010>, 011>, <110>, <111> и <112>. Обрабатываемый материал подвергали механической обработке для фиксации основных кристаллографических параметров монокристалла при прокатке (ось роста и направление деформации), обрабатываемый материал в виде монокристалла с плоскопараллельными кантами (верхним и нижним) помещали в вакуумный прокатный стан, разогревали до 900°С и производили прокатку за один проход со степенью обжатия 5-6%. После прокатки обрабатываемый материал в виде наклепанного монокристалла размером 30×20×20 мм помещали в контейнере на опоры, закрывали крышкой, а собранный таким образом контейнер с отжигаемым образцом помещали в вакуумную камеру установки для электронно-лучевой зонной плавки и закрепляли в верхнем и нижнем держателях коаксиально с электронной пушкой. С помощью расфокусированного электронного пучка, создаваемого катодной нитью при напряжении 8 кВ и токе 1,2 А, разогревали контейнер с образцом до 2500°С, причем без градиентов температуры, и выдерживали контейнер с образцом до 2 часов. В таблице приведены основные данные по этим монокристаллам. После рекристаллизации на образцах были отчетливо видны несколько крупных зерен. В нескольких случаях отжиг прокатанных образцов проводили без использования контейнера, что приводило к формированию на поверхности поврежденного слоя толщиной до 500 мкм, что было выявлено с помощью рентгеновских топограмм углового сканирования. Оказалось, что средняя часть таких образцов практически свободна от малоугловых границ и имеет достаточно совершенную структуру, хотя на периферии образцов видно множество мелких блоков. Проведение высокотемпературного отжига в контейнере из вольфрама позволило не только избежать радиационного повреждения поверхностного слоя образцов в процессе отжига, но и снизить градиент температуры. Оптимальной кристаллографией деформационной обработки являются: направление роста <111>, а направление деформации <112>. Именно при таких условиях удается получить образцы с рекордным уровнем структурного совершенства кристаллов вольфрама. Ширина кривых качания, снятых с таких образцов, составляет примерно 50 угловых секунд, что соответствует плотности дислокации на уровне 10 см и является серьезным аргументом в пользу высокого кристаллографического совершенства полученных образцов.
Основные данные по выращенным кристаллам вольфрама
Образец
Ось роста
Направление деформации (плоскость прокатки)
Степень деформации, %
Комментарий
1
<100>
<010>
13,4
Зерна до 8 мм
2
<100>
<011>
11,6
Зерна до 8 мм
3
<100>
<010>
12,3
Зерна до 8 мм
4
<100>
<011>
11,6
Зерна до 8 мм
5
<110>
<110>
7,9
Зерна до 15 мм
6
<110>
<111>
7,5
Зерна до 15 мм
7
<111>
<110>
7,5
Зерна до 15 мм
8
<111>
<112>
6,6
Зерна до 25 мм
Таким образом, проведение процесса предлагаемым способом позволяет повысить эффективность процесса получения совершенных кристаллов высокочистых тугоплавких металлов с ОЦК-решеткой. Полученные с помощью предлагаемого способа образцы совершенных кристаллов Мо, Nb, W, Та и др. имели высокое кристаллографическое качество и хорошо воспроизводимые структурные параметры, что позволило впервые получить, в частности, кристаллы вольфрама с рекордно низкой плотностью дислокации и изготовить новые кристаллические дефлекторы для управления пучками релятивистских заряженных частиц. С помощью полученных совершенных кристаллов вольфрама также впервые были изготовлены высокоэффективные кристаллические мишени для источников квазимонохроматического рентгеновского излучения на релятивистских сильноточных ускорителях и ориентированные электрон-позитронные конвертеры для получения пучков позитронов высоких энергий.