Способ получения монокристаллических тел Советский патент 1993 года по МПК B23K15/00 

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

Предлагаемый способ позволяет получать монокристаллические заготовки с моногранной поверхностью заданной кристаллографической ориентации, применяемые, в частности, при производстве ТЭ- Пов.

Цель изобретения - разработка такого способа получения монокристаллического тела с моногранной поверхностью который позволил бы получать монокристаллы с моногранной поверхностью, стабильной

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 однородной монокристаллической структуры заданной кристаллографической ориентации улучшить качество и повысить физико-механические характеристики изделий, увеличить длительность их работы по сравнению с изделиями полученными известным способом.

На фиг. 1 показана схема осуществлен ния способа; на фиг. 2 - вид по стрелке А.

Поставленная цель достигается путем последовательного и непрерывного локаль00

00

о

Ю

W

него переплава высококонцентрированным источником нагрева исходного поликристаллического тела вращения диаметром D и толщиной стенки И, при этом заданная траектория движения ванны расплавленного металла, является результирующей векторов скоростей ее движения по двум взаимно перпендикулярным направлениям, модули которых соотносятся как:

Vo/Vn - t/(pi) D,

из которых меньший Л/0 направлен вдоль продольной оси тела, а величину смещения t шва шириной В задают в пределах значений

t- (0,1-1,0) В/4;

где VojVr, - скорость относительного перемещения электронного пучка и обрабатываемого тела, мм/с;

D - диаметр обрабатываемого тела, мм;

В - ширина шва, мм;

t - величина смещения шва, мм; s pi-коэффициент(pi 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 П9М, 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 съемки .по Лзуэ. Результаты рентгенографических исследований подтверждают преимущества полученных монокристаллических 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 высокими 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 электронного пучка и поверхности обрабатываемого тела - Vn, и одновременно перемещать ее вдоль оси так же с заданной скоростью Vo, и осуществлять заданное смещение t Величину умещения t (оси шва) фиксируют как расстояние между одноименными (т.е. расположенными слева, если V0 направлена впра

во, в противоположную сторону, по оси

тела) линиями сплавления осесимметрично- го шва шириной -В на поверхности переплавляемого тела в направлении перпендикулярном (оси шва) линии сплавления. Ширину шва и величину смещения определяют экспериментально, а параметры режимов ЭЛС задают из условия получения сквозного проплавления материала толщиной Н, Величину смещения выбирают

из условия t (0,1-1,0) В/4, где В -ширина шва. Практически, при ЭЛС на постоянных (неизменных) параметрах режима сварки остается неизменной, то величина t также в процессе не изменяется, как и величина пе

рекрытия шва его последующим продолжением Р В-(0,1-1,0) В/4, мм. Такой интервал перекрытия или смещения обусловлен условиями формирования монокристаллической структуры заготовки, найден экспериментально. Если смещение t больше В/4 и Р меньше B-(B/4)J монокристал- личеекая структура не образуется. Если смещение t меньше 0,1 В/4 и перекрытие Р больше ,1 В/4, очень низкая произ- водительность процесса и с этой точки зрения вести процесс не рационально,

Рассмотрим три случая для значений интервала смещения:

(1.0; 0,5; 0,1).

Пример параметров режимов переплава цилиндрических заготовок из ниобия: Диаметр D 18 мм Толщина стенки Н 1 мм а) Ускоряющее напряжениеКуск, 25 кВ Ток пучка In. 67 мА

Скорость линейного перемещения Vn 5 мм/с

Ширина шва В 3,6 мм Величина смещения t 1,0 В/4 3,6/4 -0,9) t 0,9 мм

Г/

Vo/Vn t/(pi) D,

следовательно V0 t Vn/(pt) D 0.9 5/3,14159 18;

5 скорость линейного перемещения вдоль оси V0 0,08 мм/с.

б) величина смещения t 0,5 В /4 0.5 3.6/4-0,45 мм

следовательно V0 0,45 5/3..14159 18- -0,04 мм/с

в) Величина смещения t 0.1 В/4 0,1 3,6/4 0,09 мм.

Следовательно V0 0.09 5/3,14159 18 0,008 мм/с

и уменьшать значение t 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, из 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 прликристаллического материала. Вся поверхность заготовки после обработки по предлагаемому способу имеет, в приведенном примере, кристаллографическую ориентацию 110. что позволяет получить высокие служебные характеристики изделия.

Отжиг полученных по предлагаемому способу заготовок при температурах до 1500°С не приводит к заметным изменениям их структуры. Результаты испытаний на

высокотемпературную ползучесть при температурах 0,57 Тпл. и напряжениях 5 МП а показали снижение скорости ползучести в 3-10 раз по сравнению с изделиями,выполненными из исходного материала, при длительности испытаний 50 ч и на 15%-18% по сравнению с изделиями, выполненными по второму варианту, а значение скорости высокотемпературной ползучести для данного примера, случай б) составляет 2 10 7 см 1,

при длительности испытаний выше 100 ч, и при напряжениях 6 МПа значение скорости высокотемпературной ползучести составляет2,5 10 7 см 1.

Формула изобретения

Способ получения монокристаллических тел, при котором используют концентрированный источник нагрева, отличающийся тем, что, с целью получения монокристаллических тел вращения из поликристаллических тел вращения, исходное поликристаллическое тело вращения последовательно и непрерывно переплавляют, сообщая ванне расплавленного металла перемещение по траектории, являющейся результирующей векторов скоростей по двум взаимно перпендикулярным направлениям, модули которых связаны соотношением vo/vn t-Tf D, причем v0 Vn и направлен вдоль продольной оси тела, где УО, vn - скорости относительного перемещения концентрированного источника нагрева и обрабатываемого тела, мм/с, t - величина смещения ванны расплавленного металла. мм, D - диаметр обрабатываемого тела, мм,

а величину t задают в соответствии с выражением t-(0.1-1,0)iB/4. где В -ширина ванны расплавленного металла, мм.

г

ВидА Л

Фиг.1

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.

Фиг. 2