Способ получения монокристаллических тел

 

Использование: при изготовлении деталей и узлов различных конструкций в приборостроении , в энергомашиностроении и др. Сущность изобретения: исходное поликристаллическое тело вращения последовательно и непрерывно переплавляют электронным лучом. При этом ванне расплавленного металла сообщают перемещение по траектории, являющейся результирующей векторов скоростей по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Модули этих скоростей связаны соотношением Vo/Vn t ,rcD, причем V0 по величине меньше Vn и направлен вдоль продольной оси тела, где V0, Vn - скорости относительного перемещения концентрированного источника нагрева и обрабатываемого тела, мм/с; t - величина смещения ванны наплавленного металла, мм; D - диаметр обрабатываемого тела, мм. Величину t задают в соответствии с выражением t(0,1 -1,0) В /4, где В - ширина ванны расплавленного металла , мм. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК. Ы „1836201 АЗ (я)з В 23 К 15/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ,1

К ПАТЕНТУ (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ (57) Использование: при изготовлении деталей и узлов различных конструкций в приборостроении, в энергомашиностроении и др.

Сущность изобретения: исходное поликри(21) 4925058/08 (22) 03.04,91 (46) 23.08.93, Бюл. ¹ 31 (71) Институт электросварки им. E. О. Патона (72) О. M. Барабаш. Б. А. Задерий, С. С,Котенко, О. П, Карасевская, М. Ю. Максимов, М. M. Нероденко, С, П. Ошкадеров, И. Д.Понимаш, Г. Н. Шабалин и С. П. Ефименко (73) Институт электросварки им. Е. О. Патона (56) Шиллер 3. и др. Электронно-лучевая технология. M. Энергия, 1980, с. 245, 248.

Изобретение относится к технике получения монокристаллических заготовок с моногранной поверхностью иэ поликристаллических материалов и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов различных конструкций в приборост.роении, в энергомашиностроении и др.

Предлагаемый способ позволяет- получать монокристаллические заготовки с моногранной поверхностью заданной кристаллографической ориентации, применяемые, в частности, при производстве ТЭПов, Цель изобретения — разработка такого способа получения монокристаллического тела с моногранной поверхностью который позволил бы получать монокристаллы с моногранной поверхностью, стабильной

C сталлическое тело вращения последовательно и непрерывно переплавляют электрон н ым лучом. При этом ванне расплавленного металла сообщают перемещение по траектории, являющейся результирующей векторов скоростей по двум взаимно перпендикулярным направления@., Модули этих скоростей связаны соотйошением Чо/Ч = t л0, причем Vo по величине меньше V> и направлен вдоль продольной оси тела. где Vo, Vr — скорости относительного перемещения концентрированного источника нагрева и обрабатываемого тела, мм/с; t — величина смещения ванны наплавленного металла, мм; Π— диаметр обрабатываемого тела, мм. Величину t задают в соответствии с выражением t = (0,1-1,0) В/4; где  — ширина ванны расплавленного ме- ( талла, мм. 2 ил. структурой поверхности одной и той же кристаллографической ориентации из поликристаллических материалов, — упростить и удешевить технологию получения монокристаллических заготовок с моногранной поверхностью, снизить трудозатраты на изготовление, а за счет получения однород= ной монокристаллической структуры заданной кристаллографической ориентации улучшить качество и повысить физико-механические характеристики изделий, увеличить длительность их работы по сравнению с иэделиями полученными известным способом.

На фиг. 1 показана схема осуществле-. ния способа; на фиг. 2 — вид по стрелке А, Поставленная цель достигается путем последовательного и непрерывного локаль1836201 ного переплава высококонцентрированным источником нагрева исходного поликрис галличеcкого тела вращения диаметром Р и толщиной стенки Н, при этом заданная траектория движения ванны расплавленного металла, является результирующей векторов скоростей ее движения по двум взаимно перпендикулярным нап равлениям, модули которых соотносятся как:

Чо/Ч - t/(ði) * D; из которых меньший Vo направлен вдоль продольной оси тела, а величину смещения

t шва шириной В задают в пределах значений

t =(0,1 — 1„0) * В/4; где VorVr; — скорость относительного перемещейия электронного пучка и обрабатываемого тела, мм/с;

Π— диаметр обрабатываемого тела, мм;

 — ширина шва, мм, t — величина смещения шва, мм; р — кеэФФициент (pr = 3,14159.„).

Предложенный способ прост в осуществлении и предполагает использование стандартного оборудования для ЭЛС, в частности, монокристаллические заготовки с моногранной поверхностью получены из поликристаллического ниобия на серийном оборудовании для электронно-лучевой сварки, — установка У212М, укомплектованная .высоковольтным источником питания (14 кВт) и сварочной пушкой аксиального типа УЛ 119М, При сварке разрежение в сварочной камере составляло 6,7 мПа. Основным критерием качества являлось состояние структуры исходного и получаемого материалов, которое определялось рентгенографическим методом обратной сьемки по Лауэ, Результаты рентгенографических исследований подтверждают преимущества полученных менокристаллических заготовок с моногранной поверхностью.

Поставленная цель достигается тем, что производят последовательный и непрерывный переплав заготовки сфокусированным электронным пучком от начала до конца.

Таким образом возможно получить трубчатые монокристаллы с моногранной поверхностью, кристаллографическая ориентация поверхности которых может быть близка к

100 или 110, обладающей BbicoKNMM свойствами и стабильностью структуры при высоких температурах, Например, получение монокристаллических образцов цилиндрической формы из цилиндрических заготовок поликристаллического ниобия с толщиной стенки один миллиметр осуществляли с помощью оснастки, помещенной в сварочную камеру, Разработанная оснастка позволяет вращать заготовку с заданной скоростью вокруг ее оси, обеспечивая заданную скорость относительного перемещения злектроннога пучка и поверхности обрабатываемого тела — Vr, и одновременно перемещать ее вдоль оси так же с заданной скоростью V0, и осуществлять заданное смещение t. Величину смещения t (оси шва) фиксируют как расстояние между одноименными (т.е, расположенными слева, если V< направлена вправо, в противоположную сторону, по оси тела} линиями сплавления осесимметричного шва шириной -В на поверхности переплавляемого тела в направлении перпендикулярном (оси шва) линии сплав15 ления. Ширину шва и величину смещения определяют экспериментально, а параметры режимов ЭЛС задают из условия получения сквозного проплавления материале толщиной Н, Величину смещения выбирают

20 из условия t = (0,1-1,0) * В/4, где  — ширина шва. Практически, при ЭЛС на постоянных (неизменных) параметрах режима сварки остается неизменной, то величина также в процессе не изменяется, как и величина перекрытия шва его последующим продолжением P = В-f(0,1-1,0) * В/4), мм. Такой интервал перекрытия или смещения обусловлен условиями формирования монокристаллической структуры заготовки, найден

30 экспериментально, Если смещение t больше В/4 и Р меньше (В-(В/4)) монокристаллическая.структура не образуется. Если смещение t меньше 0,1 * В/4 и перекрытие

P больше В-(0,1 * В/4), очень низкая произ35 водительность процесса и с этой точки зрения вести процесс не рационально.

Рассмотрим три случая для значений интервала смещения: ....,...... „....,.....,.......(1,0; 0,5; 0,1), 40 Пример параметров режимов переплава цилиндрических заготовок из ниобия;

Диаметр D 18 мм

Толщина стенки Н 1 мм а) Ускоряющее напряжениеОу, =25 кВ

45 Ток пучка irr, 67 мА

Скорость линейного перемещения V> 5 мм/с

Ширина шва В 3,6 мм

Величина смещения t = 1,0 * В/4 = 3,6/4=

50 - 0,9) 1 0,9 мм

Чо/Чп = t/{pr) * О, следовательно Ч„=- t * Vn/(ði) * О = 0,9 * )

5/3,14159 * 18: скорость линейного перемещения вдоль оси

Vo = 0,08 мм/с. б} величина смещения t -0,5 * В/4 = 0,5

* 3.6/4 =- 0;45 мм следовательно Vo = 0,45 * 5/3.14199 * 18=

=- 0,04 мм/с

1836201 в) Величина смещения с = 0.1 * В/4 = 0.1

* 3,6/4 = 0,09 мм.

Следовательно Vp - 0.09 * 5/3,14159 *

18 = 0,008 мм/с и уменьшать значение 4 менее 0 45 мм в данном случае нерационально с точки зрения производительности (скорости ведения) процесса.

Рентгенографический анализ показывает, что исходная структура поликристаллическая, а структура заготовки полученной по предлагаемому способу монокристаллическая с моногранной поверхностью (110).

Для случаев а), в) также получена монокристаллическая структура, подтвержденная рентгенографическим анализом по Лауэ.

Использование предлагаемого способа получения монокристаллических заготовок из тугоплавких металлов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: возможность получения из поликристаллических заготовок монокристаллических заготовок с моногранной поверхностью с заданной кристаллографической ориентацией, например 110, иэ поликристаллических заготовок; повышение физико-механических характеристик изделий, снижение трудозатрат на изготовление, экономия исходного дорогостоящего материала, увеличение длительности работы изделий.

Предложенный способ обладает значительной экономической эффективностью.

В предлагаемом способе используют заготовку из поликристаллического материала. Вся поверхность заготовки после обработки по предлагаемому способу имеет, в приведенном примере, кристаллографическую ориентацию 110, что позволяет получить высокие служебные характеристики иэделия.

Отжиг полученных по предлагаемому способу заготовок при температурах до

1500 С не приводит к заметным изменвниям их структуры. Результаты испытаний на

5 высокотемпературную полэучесть при температурах 0,57 Тп . и напряжениях 5 Mllà показали снижение скорости ползучести в

3-10 раэ по сравнению с иэделиями,выполненными иэ исходного материала, при дли10 тельности испытаний 50ч и на 15=,ь-187 по сравнению с изделиями, выполненными по второму варианту, а значение скорости высокотемпературной ползучести для данного примера, случай б) составляет 2 *10 см, 15 при длительности испытаний выше 100 ч, и при напряжениях 6 МПа значение скорости высокотемпературной полэучести составляет 2,5 * 10 см .

Формула изобретения

20 Способ получения монокристаллических тел, при котором используют концентрированный источник нагрева, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения монокристаллических тел вращения из поликри25 сталлических тел вращения, исходное поликристаллическое тело вращения последовательно и непрерывно переплавляют, сообщая ванне расплавленного металла перемещение по траектории, являющейся ре30 зультирующей векторов скоростей по двум взаимно перпендикулярным направлениям, модули которых связаны соотношением

vo/чл = t-R О, причем vp < чл и направлен вдоль продольной оси тела, где vo, v> — ско35 рости относительного перемещения концентрированного источника нагрева и обрабатываемого тела, мм/с, t — величина смещения ванны расплавленного металла, мм, D — диаметр обрабатываемого тела, мм, 40 а величину t задают в соответствии с выражением т - (0,1-1,0) В/4, где  — ширина ванны расплавленного металла, мм.

1836201

Составитель О. Барабаш

Редактор Г. Мельникова Текред M. Моргентал Корректор Л. Филь

Заказ 2997 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101