Введение к работе
Актуальность темы
Одним из направлений исследований и разработок современной металлургии является создание технологий производства изделий с контролируемыми структурой, физико-химическими свойствами и формой. Способ Степанова и его модификации позволяют получать большую номенклатуру профилей кристаллов металлов и диэлектриков постоянного сечения и изделия более сложных форм, кристаллизуя их непосредственно из расплава. В середине 70-х годов способ Степанова стал успешно применяться для выращивания профилированных кристаллов сапфира с заданной формой поперечного сечения, что существенно снизило затраты на механическую обработку этого чрезвычайно твердого материала и позволило создать технологически недоступные ранее изделия из сапфира.
Дальнейшее совершенствование и развитие технологии требует увеличения производительности, снижения энергоемкости, освоения производства крупногабаритных кристаллов сапфира постоянного поперечного сечения и с изменяемой геометрией боковой поверхности, повышения качества кристаллов, разработки методов контроля и управления процессами кристаллизации в реальном режиме времени.
В связи с этим наиболее актуальными проблемами, охватывающими весь спектр технологий получения профилированных изделий из сапфира, являются:
низкое качество монокристаллических лент, выращиваемых в группе,
высокая плотность дислокаций, блоки и двойники в крупногабаритных монокристаллах сапфира;
малый размер профилированных изделий с изменяемой геометрией боковой поверхности (не более 50 мм);
недостаточное оптическое качество профилированных кристаллов сапфира;
чувствительность процесса роста и качества кристаллов к квалификации персонала;
отсутствие технологии и оборудования для выращивания крупногабаритных профилированных монокристаллов сапфира.
Решение указанных задач связано с характерным для металлургических процессов исследованием тепломассопереноса в области фазового перехода, поиском методов его контроля и управления, а также изучением закономерностей возникновения дефектов структуры монокристаллов.
Процессы тепломассопереноса слишком сложны для их изучения с помощью экспериментальных измерений, особенно в малом объеме расплава формообразующего мениска. Численное моделирование тепломассопереноса, применяемое в работе, является необходимым инструментом исследования, использование которого также позволяет достичь качественно нового уровня в понимании процессов кристаллизации.
Цель работы
Целью диссертационной работы является решение важной народнохозяйственной задачи по развитию технологии выращивания профилированных кристаллов сапфира и разработке новых технологий получения изделий из них, создание научно-обоснованных алгоритмов управления процессами кристаллизации из расплава и соответствующего программного обеспечения, повышение качества кристаллов, разработка оборудования роста кристаллов для промышленного освоения результатов исследований.
В работе решались следующие задачи.
1. Исследование температурных полей, термических напряжений, возникающих в
кристаллах, а также распределения примеси в расплаве при групповом выращивании лент в зависимости от тепловых условий процесса роста и расположения лент пакета, от толщины капиллярных каналов формообразователя. Определение совокупности технологических факторов, позволяющих выращивать в группе кристаллы высокого качества.
Исследование поля скоростей течения расплава вблизи межфазной границы в зависимости от температурного режима процесса и скорости кристаллизации с целью анализа состояния системы кристалл-расплав в ходе роста кристалла.
Изучение влияния тепловых условий в зоне кристаллизации, создаваемых с помощью активных нагревателей и радиационных экранов, на термические напряжения в крупногабаритной сапфировой пластине и разработка методов их снижения.
Исследование зависимости распределения температуры в кристалле с изменяемой геометрией боковой поверхности, выращиваемого способом динамического формообразования, от скорости его вытягивания, скорости вращения, размера формообразователя. Определение значений параметров процесса, позволяющих уменьшить неоднородность распределения температуры и термические напряжения в кристалле.
5. Исследование структуры и химического состава микровключений (центров
оптического рассеяния), плотности и распределения дефектов в виде газовых пор в
зависимости от технологических параметров процесса выращивания профилированных
кристаллов сапфира.
Экспериментальное исследование механической устойчивости мениска расплава, определение параметров процесса выращивания и изучение структуры кристаллов сложной формы, выращиваемых способом динамического формообразования. Создание методов управления размером мениска расплава с целью увеличения потока жидкой фазы к межфазной границе для выращивания крупногабаритных кристаллов сапфира с изменяемой геометрией боковой поверхности. Разработка способов выращивания крупногабаритных изделий сложной формы.
Изучение механизма и установление причин разрушения молибденовых тиглей, применяемых для выращивания из расплава монокристаллов сапфира. Разработка методик повышения высокотемпературной стойкости тиглей.
Экспериментальное исследование динамических характеристик систем кристалл-расплав с целью разработки алгоритмов автоматического управления ростом кристаллов.
Создание программного обеспечения и технологий для автоматизации процессов выращивания кристаллов в группе, в виде крупногабаритных лент и полусфер.
10. Разработка конструкторской документации автоматизированного оборудования
роста кристаллов и промышленное освоение результатов исследования и разработок.
Научная новизна
С целью совершенствования и оптимизации технологии группового выращивания сапфировых пластин исследовано влияние температурных условий процесса роста, конструкции формообразователя, длины выращенного пакета на распределение температуры в менисках расплава и кристаллах, формы и положения межфазных границ, термические напряжения в кристаллах и концентрацию примеси в расплаве. Установлено, что увеличение температуры нагревателя на уровне кромок формообразователя при постоянном осевом температурном градиенте тепловой зоны совместно с уменьшением расстояния между отдельными формообразователями позволяет обеспечить равномерность высот положения межфазных границ лент пакета, снизить в них уровень термических напряжений и уменьшить значения концентрации примеси в менисках расплава.
Установлено, что уменьшение высоты мениска расплава, вызываемое изменением температурных условий в зоне кристаллизации, приводит к резкому росту скорости течения расплава, которая более чем на 2 порядка превосходит скорость кристаллизации. Влияние
скорости вытягивания кристалла и размера капиллярного канала формообразователя на скорость течения намного менее существенно.
Показано, что движущей силой массопереноса расплава из тигля через капиллярный канал формообразователя и далее, вдоль формообразующей поверхности вплоть до межфазной границы, является сила вытягивания кристалла. Проведено исследование поля гидродинамического давления в мениске. Установлено, что изменение гидродинамической компоненты силы, действующей на межфазную границу и кристалл, превосходит изменение статических сил (веса кристалла и жидкого мениска, силы поверхностного натяжения и гидростатического давления). На основе модели гидродинамического приближения получено уравнение наблюдения датчика веса кристалла, применяемого для контроля состояния системы кристалл-расплав и автоматизации управления процессом кристаллизации.
Изучено влияние тепловых условий, создаваемых с помощью активных нагревателей и радиационных экранов, на термоупругие напряжения в крупногабаритной сапфировой пластине. Установлено, что наиболее эффективным методом управления распределением температуры и величиной термических напряжений в кристалле является изменение положения плоских радиационных экранов относительно боковых поверхностей пластины, определено оптимальное положение экранов относительно пластины, обеспечивающее минимальные напряжения.
5. Установлены закономерности формирования температурных полей в кристалле,
выращиваемого из расплава способом динамического формообразования, при изменении
скорости его вращения, скорости вытягивания и размера мениска расплава. Определено,
что основным параметром, позволяющим управлять температурным полем вблизи
кристаллизуемого слоя, является скорость вращения кристалла. Увеличение скорости
вращения позволяет локализовать температурные искажения в кристалле, вносимые
формообразующим устройством, и снизить термоупругие напряжения.
7. Для процесса роста кристаллов способом динамического формообразования
исследована механическая устойчивость менисков расплава, для части контура контакта
которых с поверхностью формообразователя выполняется лишь условие смачивания.
Реализованы условия контролируемого увеличения продольного размера мениска и потока
расплава к межфазной границе в ходе процесса выращивания. Разработан метод
выращивания крупногабаритных кристаллов сапфира в виде полых фигур вращения из
мениска расплава, свободно перемещающегося по поверхности формообразователя - способ
динамического формообразования из свободного мениска (ДФСМ). Метод позволяет
выращивать кристаллы необходимого качества диаметром до 130 мм, достичь вчетверо
более высокой массовой скорости кристаллизации и вдвое сократить время процесса по
сравнению со способом локального динамического формообразования.
8. Разработаны алгоритмы автоматизированного формирования профиля кристалла в
виде произвольной фигуры вращения, выращиваемой из расплава способом динамического
формообразования, и стабилизации технологически важных параметров кристаллизации.
10. На основании результатов электронно-микроскопического исследования и
рентгеновского микроанализа установлено, что оптические микродефекты структуры
профилированных кристаллов (центры оптического рассеяния) с характерным размером 0,1
- 5 мкм представляют собой включения аморфного алюминия.
11. Изучены динамические характеристики системы кристалл-расплав для способов
Чохральского, Степанова, динамического формообразования и разработаны научно-
обоснованные алгоритмы автоматического управления этими процессами кристаллизации,
включая адаптивные.
Практическая значимость
1. На основе результатов исследования тепломассопереноса и термических
напряжений в монокристаллических лентах, выращиваемых из расплава одновременно,
проведена оптимизация конструкции теплового узла, включающая изменение конструкции
формообразователя и тигля, экранировки зоны кристаллизации, замену материалов
теплоизоляции, коррекцию положения формообразователя в нагревателе. Разработан
тепловой узел следующего поколения, позволяющий на том же оборудовании на 40-50%
увеличить производительность процесса роста.
Разработана и изготовлена опытная установка роста кристаллов и тепловой узел для получения крупногабаритных профилированных кристаллов сапфира в виде лент и получены опытные образцы сапфировых пластин шириной 250-300 мм и длиной прямоугольной части до 400 мм.
Создана установка «Кристаллизационный центр» и программное обеспечение для выращивания кристаллов сапфира в виде фигур вращения с диаметром основания до 130 мм. Установка обеспечивает 5 степеней свободы перемещения кристалла и формообразующего устройства.
4. С помощью метода ДФСМ выращена серия сапфировых заготовок
полусферической формы с диаметром основания до 130 мм для обтекателей тепловых
головок самонаведения ракет класса «воздух-воздух». Создана технологическая цепочка
(выращивание, термическая обработка, шлифовка и полировка) изготовления готового
изделия в виде обтекателей с различным диаметром основания и кривизны поверхности.
Сапфировый обтекатель полусферической формы с диаметром основания 100 мм и
радиальной толщиной стенки 1,5 мм прошел успешное испытание на стендах разработчика
ГСН (Азовский оптико-механический завод) и признан перспективным изделием для
применения в составе ГСН ракет класса «воздух-воздух».
Создан унифицированный программно-технический комплекс (ЛТК) установки роста кристаллов для автоматического управления технологическими процессами выращивания кристаллов способами Степанова и Чохральского, динамического формообразования. ПТК внедрен на установках роста кристаллов «Ника-С», «Ника-3», «Ника-Профиль», выпускаемых Экспериментальным заводом научного приборостроения РАН.
Определены режимы термической обработки тиглей, позволяющие значительно повысить их срок эксплуатации. Установлено, что причиной разрушения молибденовых тиглей является образование на их поверхности легкоплавкой эвтектики a+MojC.
7. На основании статистического анализа влияния технологических факторов
процесса выращивания на качество выращиваемых в группе сапфировых лент определены
параметры технологии и их значения, обеспечивающее низкую дефектность, определяемую
незначительным количеством газовых включений в кристаллах пакета.
8. Разработаны установки роста кристаллов следующего поколения «Ника-Профиль»
и «Ника-3» для выращивания кристаллов способами Степанова, Чохральского,
динамического формообразования. Освоено промышленное производство сапфировых
крупногабаритных изделий в виде пластин и полусфер.
Основные положения, представленные к защите
1. Результаты исследования тепломассопереноса процесса кристаллизации профилированных лент, выращиваемых в группе, одиночных крупногабаритных пластин, кристаллов в виде фигур вращения, получаемых способом динамического формообразования, и оптимизация технологий выращивания профилированных кристаллов сапфира.
2. Результаты исследований массопереноса в мениске расплава, динамических
характеристик систем расплав-кристалл и разработка научно-обоснованных алгоритмов
автоматического управления процессами кристаллизации.
3. Методы формирования и условия механической устойчивости жидкого мениска
расплава при выращивании кристаллов способом динамического формообразования.
Создание методов управления продольным размером мениска расплава для кристаллизации
из него крупногабаритных полых тел вращения. Выращивание кристаллов в виде полых
фигур вращения методом динамического формообразования из свободного мениска
расплава (ДФСМ).
Результаты электронно-микроскопического исследования и рентгеновского микроанализа структуры и химического состава микровключений в кристаллах профилированного сапфира. Закономерности влияния технологических параметров процесса выращивания на газовые включения в кристаллах. Механизм и причины разрушения молибденовых тиглей, используемых для выращивания профилированных кристаллов сапфира. '
Создание унифицированного программного обеспечения управления установкой роста кристаллов и автоматического управления процессами выращивания способами Чохральского, Степанова, динамического формообразования. Результаты выращивания кристаллов в автоматическом режиме.
Новые автоматизированные технологические процессы получения монокристаллов сапфира в виде крупногабаритных сапфировых пластин и изделий сложной формы.
Разработка установок роста кристаллов следующего поколения «Ника-Профиль» и «Ника-3» для способов Степанова, динамического формообразования, Чохральского.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований докладывались на XIV и XV совещаниях по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве (Санкт-Петербург, 1998 и 2003 г.), конференции по проблемам роста кристаллов, пластичности и прочности к 100-летию рождения А. В. Степанова (Санкт-Петербург, 2008 г. ), XII (ICCG-12, 1998 г., Иерусалим, Израиль), XIII (ICCG-13, 2001 г., Киото, Япония), XIV (ICCG-14, 2004 г., Гренобль, Франция), XV (ICCG-15, 2007 г., Солт-Лейк Сити, США), XVI (ICCG-16, 2010 г., Пекин) международных конференциях по росту кристаллов, X (НКРК-2002), XI (НКРК-2004), XII (НКРК-2006) национальных конференциях по росту кристаллов, международных конференциях корейской ассоциации по росту кристаллов в 1999 и 2002 г в Сеуле, Южная Корея, IV международном симпозиуме по технологии роста кристаллов (IWCGT-4,2008 г., Битенберг, Швейцария).
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе в 19 в рецензируемых журналах по перечню ВАК, 7 - в тезисах и трудах конференций и семинаров, 1 свидетельстве на изобретение.
Структура и объем диссертации
