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难熔金属及其合金单晶制备方法

2015-11-6 8:48:52

     难熔金属一般指熔点在1650℃以上并有一定储量的金属(Ti、Zr、Hf、Ta、Mo、W、Re 等),也有将熔点高于Zr 熔点(1852℃)的金属称为难熔金属。难熔金属及其合金单晶具有独特的性能,具有重要的工业应用,广泛应用于航空航天、高能物理、电子电器、武器装备、医学等许多高科技领域,制备方法众多:
1、电子束悬浮区域熔炼法
     该方法的实质是通过局部加热原料棒形成一个狭窄的熔区,并移动加热器使熔区按一定方向沿原料棒轴向缓慢移动,利用杂质在固相与液相间平衡浓度的差异,在反复熔化和凝固过程中杂质便偏析到固相或液相中而得以除去或重新分布。
这种方法最显著的优点是采用了无坩埚技术,避免了坩埚对所制备单晶材料的污染,其能量密度高,材料容易熔化,而且固液相界面前沿温度梯度高,可通过调节电子束强度和状态以控制凝固过程,操作简单易行,精度高。
2、光束悬浮区域熔炼法
     该方法利用4个椭圆球面镜将大功率卤化灯发出的光线聚焦成非常细的光束,对原料棒和籽晶进行加热,同时旋转籽晶并缓慢沿轴向移动供料杆实现单晶的生长。
     此方法的优势在于没有电子束悬浮区域熔炼设备中的高压电源系统,熔区在单晶生长过程中非常稳定,不会因为液态金属的蒸发产生电离现象而导致温度梯度过大。
3、等离子弧熔炼法
     该法是将难熔金属原料棒置于沿着垂直移动的水冷铜杆上,作为阴极的等离子发生器与作为阳极的难熔金属籽晶之间激起电弧,利用等离子弧喷枪产生3000~4000℃的高温来熔化籽晶,在其端面产生熔池。原料棒从侧面进入到等离子弧中熔化,液体金属以熔滴的形式流到熔池中,不断补偿熔池,同时在保证结晶面水平不变的情况下缓慢向下移动籽晶。 
     该方法的优点是熔池内液态金属的化学成分更为均匀,而且籽晶的尺寸可大大小于所制备的单晶尺寸。
4、应变退火法
     原理是通过对难熔金属及其合金进行长时间的高温退火,多晶材料内部的晶粒发生相互吞并,逐渐转变为单晶组织,同时位错密度也会降低。
     采用该方法可制备出位错密度很低,而且亚晶粒间位向差很小的难熔金属单晶材料。但该方法的缺点是制备周期长,效率低,成本较高。
     以上四种方法,方法一由于其操作简便,精度高,成本低的优势成为目前制备难熔金属合金单晶材料最为普遍的方法。目前,虽然难熔金属及其合金单晶由于其独特的性能已在许多高科技领域获得了广泛应用,但国内目前的研究,尚处于起步阶段,任重道远,仍有许多研究工作要做。(成王摘编自《热加工工艺》2015.16)




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