Выращивание монокристаллов тугоплавких металлов

Исходной заготовкой для получения монокристаллов вольфрама плазменно-дуговой плавкой служат штабики. Выращивание монокристаллов производится на описанных выше плазменно-дуговых установках, работающих на постоянном токе в атмосфере аргона или гелия. Обычно применяются следующие режимы и условия получения монокристаллов: рабочее напряжение 30—40 В, максимальная сила тока 600—1000 А в зависимости от диаметра монокристалла; давление плазмообразующего газа составляет 131,7— 152,0 кПа; скорость вытягивания—1,5—4 мм/мин [127].

Указанным способом можно получать монокристаллы вольфрама диаметром до 50 мм и длиной до 300 мм. По существу это уже крупные слитки чистого вольфрама с монокристаллической структурой, которые могут быть использованы не только для изготовления монокристаллических деталей приборов и установок, но и как исходная заготовка для переработки путем пластической деформации на ленту, проволоку, плющинку и другие полуфабрикаты.

В процессе плавки происходит значительная очистка металла от примесей как за счет дегазации и через газовую фазу в результате химического взаимодействия примесей, так и путем прямого испарения примесей в результате сильного перегрева жидкого металла. Как уже указывалось, рафинирование металла происходит как в жидкой ванне, так и во время падения капель в плазменной струе.

Содержание примесей в исходном сырье и в монокристаллах вольфрама, полученных плазменно-дуговой капельной плавкой, по данным работы [122], показано в табл. 34, где для сравнения приведены соответствующие данные для монокристаллов, полученных зонной плавкой. Эти данные показывают, что в монокристаллах вольфрама, полученных плазменно-дуговой плавкой, содержание азота, кислорода и водорода находится на уровне, а содержание углерода значительно ниже, чем в монокристаллах, полученных электроннолучевой зонной плавкой. Более сильное обезуглероживание при плазменно-дуговой плавке происходит, по-видимому, в основном за счет взаимодействия углерода с кислородом, содержащимся в металле и плазмообразующем газе.

Степень обезуглероживания зависит от ряда факторов: величины поверхности расплава (диаметра монокристалла), скорости плавки, интенсивности перемешивания, температуры и др. Некоторые из этих зависимостей, по данным работы [127, с. 5], показаны на рис. 76.

Таблица 34

Содержание примесей, % (по массе)

Примесь	штабики марки Вч	монокристаллы, полученные зонной плавкой в 2 Прохода	монокристаллы, полученные плазмеиио-дуговой плавкой
Углерод ….	0,015—0,025	0,01—0,015	0,004—0,007
Кислород ….	0,01	0,001	0,002
Азот…..	0,001	0,001	0,001
Водород ….	0,001	0,001	0,001
Молибден . . .	0,1—0,2	0,01	0,01—0,02
Хром…..	ыо-4	1-10—4	1-ю-4
Железо ….	2-10-2	1-10-2	5-10-3
Кремний ….	6-10-*	3-10-4	3-10-4
Алюминий . . .	l-10-з	1-10—4	3-10-4
Олово…..	5-10-4	1- ю-4	1-Ю-4
Медь…..	3- Ю-з	1-10-3	ЫО-3

На высокую чистоту монокристаллов, полученных плазменно-дуговой капельной плавкой, указывают также результаты измерения остаточного электросопротивления при 300 К и 4,2 К, микротвердости и температуры хрупко-вязкого перехода и др. Так, для указанных монокристаллов Рзооц/р4 2К =2000, для зонно-плавленных— 1500—4000.

Крупные монокристаллы вольфрама, полученные плазменно-дуговой плавкой, имеют временное сопротивление 882 МПа, монокристаллы зонной плавки 882—998 МПа, микротвердость 3332— 3430 мПа против 3136 МПа для зонноплавленных монокристаллов. Относительное удлинение монокристаллов сильно зависит от кристаллографического направления и лежит в пределах 2—15%; температура перехода из хрупкого в пластичное состояние несколько выше комнатной. При испытаниях на сжатие при комнатной температуре монокристаллы вольфрама выдерживают 35%-ную деформацию без разрушения. Крупные монокристаллы вольфрама допускают ковку при 300—400° С с суммарной степенью деформации 85%. Для сравнения укажем, что деформация металлокерамического вольфрама производится при 1500—1700° С.

Более полно свойства монокристаллов вольфрама, полученных плазменно-дуговой капельной плавкой, в зависимости от кристаллографического напряжения приведены в табл. 35*.

Некоторое дальнейшее улучшение свойств монокристаллов вольфрама плазменно-дуговой плавки наблюдается после отжига для снятия напряжений при 1800—2000° С в течение 3 ч. При таком высокотемпературном отжиге микротвердость снижается с 3500 до 3100—3200 МПа, удельное электросопротивление при 20° С — с 5,8Х ХЮ-® до 5,2-10-^в Ом-см, Рзоок^Р-1,2к увеличивается с 2000 до 2500—3000.

В работе [123, с. 5] приведены результаты исследований по выплавке крупных монокристаллов молибдена плазменно-дуговым методом, а также их структуры и свойств. В качестве исходного материала использовали технический спеченный молибден марки Мч. В атмосфере аргона и гелия указанным методом плавки получали монокристаллы диаметром до 35 мм и длиной до 250 мм по режимам, близким к режимам выплавки вольфрамовых монокристаллов.

Как и для вольфрама, плазменно-дуговой переплав способствует значительной очистке молибдена, особенно от примесей внедрения. Иллюстрацией этому могут служить данные, приведенные в табл. 36, полученные на монокристаллах молибдена диаметром 20— 30 мм после двойного плазменно дугового переплава.

Таблица 36

Содержание примесей в монокристаллах молибдена [123]

Примесь	Содержание примесей, % (по массе)
	исходный молибден марки Мч	монокристаллы плазменно-дуговой плавки	монокристаллы электроннолучевой плавки
Углерод ….	0,014	0,004	0,005
Кислород . .	0,011	0,001	0,001
Водород ….	0,0014	0,0007	0,0005
Марганец . . .	0,0020	0,0020	0,0015
Кремний ….	0,0027	0,0020	0,0020
Хром…..	0,0015	0,0015	0,0015
Никель ….	0,0015	0,0015	0,0015
Вольфрам . . .	0,043	0,040	0,040
Железо ….	0,040	0,020	0,015
Медь…..	0,025	0,0015	0,015
Алюминий . . .	0.0015	0,0010	0,0010

В этой таблице для сравнения приведены соответствующие данные для монокристаллов молибдена диаметром 18 мм, полученных зонной плавкой после двух проходов со скоростью перемещения зоны 4 мм/мин.

Таким образом, как и для монокристаллов вольфрама, метод плазменно-дуговой плавки позволяет получать крупные монокристаллы молибдена, не уступающие по чистоте и свойствам монокристаллам электроннолучевой зонной плавки.