RU2630811C1

RU2630811C1 - Method of forming hollow single-crystal cylindrical tubes

Info

Publication number: RU2630811C1
Application number: RU2017108161A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Новокрещенов; Регина Владимировна Родякина; Вячеслав Николаевич Ластовиря; Мырзамамат Арзиевич Каримбеков
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2017-09-13

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method of forming hollow single-crystal cylindrical tubes includes growing melt-cylindrical single crystals by pulling up with a single-crystal seed of the required orientation, separating two blanks of the required length from the single crystal, their mechanical and electrochemical machining, resulting in two hollow polyhedron cylinders with a predetermined geometry, determining the location of the desired crystallographic directions on the surfaces of the said cylinders, spark cutting and removing portions of cylinders with an intermediate crystallographic orientation, after which the remaining cylinders are rotated relative to each other about the longitudinal axis, joined, the cylinders are matched by electron beam welding, then the technological areas are separated by spark cutting from the workpiece, and electrochemical processing of welded mono-faceted single-crystal cylinder is performed.

EFFECT: invention allows to obtain tubes with a homogeneous mono-faceted crystallographic orientation of the working surface and isotropic physico-mechanical properties.

10 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к способам формирования монокристаллических моногранных тонкостенных цилиндрических трубок диаметром 5-20 мм с постоянной толщиной стенки 1-3 мм, высоким совершенством структуры, однородной кристаллографической ориентацией боковой поверхности цилиндра для изготовления аксиальных цилиндрических изделий различных элементов силовых электрических приборов.The invention relates to the field of electronic engineering, in particular, to methods for forming single-crystal monohedral thin-walled cylindrical tubes with a diameter of 5-20 mm with a constant wall thickness of 1-3 mm, high structural perfection, uniform crystallographic orientation of the side surface of the cylinder for the manufacture of axial cylindrical products of various electric power elements appliances.

Известен способ выращивания полых монокристаллов по способу Чохральского, заключающийся в том, что для формирования полого сечения монокристалла создают неравномерное осесимметричное распределение температуры в центральной области расплава в тигле при помощи дополнительного нагревателя, размещенного по оси тигля (патент JP 37-6103, опубл. 1962 г.).A known method of growing hollow single crystals by the Czochralski method, which consists in the fact that to form a hollow section of the single crystal create an uneven axisymmetric temperature distribution in the Central region of the melt in the crucible using an additional heater placed along the axis of the crucible (patent JP 37-6103, publ. 1962 g .).

Недостатком такого способа является образование неравномерной формы по мере роста монокристалла в виде трубки постоянного сечения.The disadvantage of this method is the formation of an uneven shape as the single crystal grows in the form of a tube of constant cross section.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ формирования полых цилиндрических монокристаллических трубок, заключающийся в выращивании цилиндрических монокристаллов вытягиванием вверх с помощью монокристаллической затравки требуемой ориентации из ванны с расплавом (патент RU 2355831, МПК С30В 15/00, опубл. 20.05.2009 г.).Closest to the claimed technical solution is a method of forming a hollow cylindrical single crystal tube, which consists in growing cylindrical single crystals by pulling up using a single crystal seed of the desired orientation from a bath with a melt (patent RU 2355831, IPC С30В 15/00, published on 05/20/2009) .

Недостатком такого способа является то, что полые цилиндрические монокристаллические трубки получают с неоднородной полигранной кристаллографической ориентацией рабочей поверхности, что не обеспечивает изотропности ее физических и механических свойств.The disadvantage of this method is that hollow cylindrical single crystal tubes are obtained with an inhomogeneous polygonal crystallographic orientation of the working surface, which does not ensure the isotropy of its physical and mechanical properties.

Технической задачей способа формирование полых монокристаллических цилиндрических трубок является получение этих трубок с однородной моногранной кристаллографической ориентацией рабочей поверхности и изотропными физико-механическими свойствами.The technical task of the method of forming hollow single-crystal cylindrical tubes is to obtain these tubes with a uniform monohedral crystallographic orientation of the working surface and isotropic physical and mechanical properties.

Технический результат способа заключается в обеспечении однородного распределения электрофизических, механических и структурных характеристик (эмиссионные свойства, теплопроводность, пластичность, твердость, прочность и др.) используемого материала изделия.The technical result of the method is to ensure a uniform distribution of electrophysical, mechanical and structural characteristics (emission properties, thermal conductivity, ductility, hardness, strength, etc.) of the product material used.

Это достигается тем, что способ формирования полых монокристаллических цилиндрических трубок, заключающийся в выращивании цилиндрических монокристаллов вытягиванием вверх с помощью монокристаллической затравки требуемой ориентации из ванны с расплавом, из монокристалла отделяют две заготовки требуемой длины, затем осуществляют их механическую и электрохимическую обработку, получают два полых полигранных цилиндра с заданной геометрией, определяют расположение на боковой поверхности указанных цилиндров требуемых кристаллографических направлений, вырезают электроискровой резкой и удаляют участки цилиндров с промежуточной кристаллографической ориентацией; после этого оставшиеся цилиндры поворачивают относительно друг друга вокруг продольной оси, стыкуют, сопрягают цилиндры электронно-лучевой сваркой, затем электроискровой резкой от заготовки отделяют технологические участки и проводят электрохимическую обработку сварного моногранного монокристаллического цилиндра.This is achieved by the fact that the method of forming hollow single-crystal cylindrical tubes, which consists in growing cylindrical single crystals by pulling up with a single crystal seed of the desired orientation from a bath with a melt, two blanks of the required length are separated from the single crystal, then they are subjected to mechanical and electrochemical processing, and two hollow polyhedral cylinder with a given geometry, determine the location on the side surface of these cylinders required crystallographic Sgiach directions excised spark cutting and removing portions of the intermediate cylinder crystallographic orientation; after that, the remaining cylinders are rotated relative to each other around the longitudinal axis, joined, the cylinders are joined by electron beam welding, then the technological sections are separated from the workpiece by spark cutting and the electrochemical processing of the welded monohedral single-crystal cylinder is carried out.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически представлен монокристаллический слиток; на фиг. 2 приведена лауэграмма (стереографическая проекция) с торца монокристаллического слитка; на фиг. 3 приведена разметка слитка со стороны его торца; на фиг. 4 показана предполагаемая конфигурация заготовки вырезанных из слитка элементов с последующей их механической обработкой по требуемой геометрии; на фиг. 5 показана схема вырезки (удаления) в соответствии с ранее проведенной разметкой (см. фиг. 3) элементов заготовки с кристаллографической ориентацией, не соответствующей требованиям решаемой задачи; на фиг. 6 представлена схема сопряжения трубок-заготовок с разворотом относительно друг друга вокруг продольной оси на 30° (в данном случае) и последующей их сборкой; на фиг. 7 представлена схема сборки подготовленных трубок-заготовок под сварку; на фиг. 8 показана схема собранных трубок-заготовок для электронно-лучевой сварки продольных стыков сопряженных трубок; на фиг. 9 представлена схема наложения сварных швов по стыкам сопряженных деталей и резка трубок-заготовок; на фиг. 10 показана сварная полая цилиндрическая трубка с требуемой однородной кристаллографической ориентацией рабочей поверхности.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a schematic representation of a single crystal ingot; in FIG. 2 shows a lauegram (stereographic projection) from the end face of a single-crystal ingot; in FIG. 3 shows the marking of the ingot from the side of its end; in FIG. 4 shows the proposed configuration of the blank cut from the ingot of elements with their subsequent machining according to the required geometry; in FIG. 5 shows a cut-out (removal) diagram in accordance with the previously performed marking (see Fig. 3) of the workpiece elements with a crystallographic orientation that does not meet the requirements of the problem being solved; in FIG. 6 is a diagram of the coupling of the workpiece tubes with a rotation of 30 ° relative to each other around the longitudinal axis (in this case) and their subsequent assembly; in FIG. 7 is a diagram of the assembly of prepared tubes of blanks for welding; in FIG. 8 shows a diagram of assembled workpiece tubes for electron beam welding of the longitudinal joints of paired tubes; in FIG. 9 is a diagram of the weld overlay at the joints of mating parts and cutting of workpieces; in FIG. 10 shows a welded hollow cylindrical tube with the desired uniform crystallographic orientation of the working surface.

Способ формирования полых монокристаллических цилиндрических трубок осуществляют следующим образом.The method of forming a hollow single-crystal cylindrical tubes is as follows.

Для формирования полых монокристаллических цилиндрических трубок с однородной кристаллографической ориентацией боковой поверхности осуществляют выращивание цилиндрических монокристаллов вытягиванием вверх с помощью монокристаллической затравки требуемой ориентации из ванны с расплавом. Из цилиндрического монокристалла, продольная ось которого совпадает с кристаллографическим направлением <111>, диаметром D и длиной L механической и последующей электрохимической обработкой изготавливают две цилиндрические заготовки с заданной геометрией длиной l₀, наружным диаметром d₀, с внутренним диаметром d₁ и длиной l₁, толщиной стенки δ=d₀-d₁. В соответствии с лауэграммой (рентгенограмма, содержащая дифракционное изображение монокристалла, полученная методом Лауэ) у такого слитка на боковой поверхности имеются шесть зон, ориентация которых совпадает с кристаллографической плоскостью (110). Они располагаются симметрично относительно друг друга с интервалом в 60 градусов. У полученных заготовок по предварительной разметке электроискровой резкой удаляются участки с промежуточной кристаллографической ориентацией. Ширина удаляемых участков определяется из соотношения πd₀/12, а длина их равна l₁. После этого заготовки поворачивают относительно друг друга на 30° вокруг продольной оси и сопрягают. Предварительно в технологическом участке одной из заготовок выполняется отверстие диаметром d_в для вакуумирования внутреннего объема собранных под сварку заготовок. У такой заготовки получается 12 стыков сопряженных участков, кристаллографическая ориентация которых однородна. В данном случае она совпадает с кристаллографической плоскостью (110). Таким образом, получается заготовка с практически однородной моногранной кристаллографией поверхности. Сварку стыков осуществляют электронным лучом в вакууме. При электронно-лучевой сварке монокристаллов обеспечиваются условия для эпитаксиальной кристаллизации металла шва, в результате чего его кристаллография соответствует кристаллографии свариваемых монокристаллов. После сварки стыков электроискровой резкой от заготовки отделяют технологические участки и проводят электрохимическую обработку сварного моногранного монокристаллического цилиндра.To form hollow single-crystal cylindrical tubes with a uniform crystallographic orientation of the side surface, cylindrical single crystals are grown by pulling up with a single crystal seed of the desired orientation from the molten bath. From a cylindrical single crystal, the longitudinal axis of which coincides with the crystallographic direction <111>, diameter D and length L, two cylindrical billets with a given geometry of length l ₀ , outer diameter d ₀ , with inner diameter d ₁ and length l ₁ are made by mechanical and subsequent electrochemical processing , wall thickness δ = d ₀ -d ₁ . In accordance with the lauegram (X-ray diffraction pattern containing a single crystal obtained by the Laue method), such an ingot has six zones on the side surface whose orientation coincides with the crystallographic plane (110). They are located symmetrically relative to each other with an interval of 60 degrees. The obtained blanks for preliminary marking by electrospark cutting remove sections with an intermediate crystallographic orientation. The width of the removed portions is determined from the relation ₀ πd / 12, and their length is equal to ₁ l. After this, the workpieces are rotated relative to each other by 30 ° around the longitudinal axis and mate. Previously, a hole of diameter d _in is made in the technological section of one of the workpieces to evacuate the internal volume of the workpieces assembled for welding. Such a preform produces 12 joints of the conjugate sections, the crystallographic orientation of which is uniform. In this case, it coincides with the crystallographic plane (110). Thus, a preform with an almost uniform monohedral crystallography of the surface is obtained. The joints are welded with an electron beam in a vacuum. In electron beam welding of single crystals, the conditions for epitaxial crystallization of the weld metal are ensured, as a result of which its crystallography corresponds to the crystallography of the welded single crystals. After welding the joints with electric spark cutting, the technological sections are separated from the workpiece and the electrochemical processing of the welded single-faceted single-crystal cylinder is carried out.

Использование способа позволяет получать полые цилиндрические моногранные монокристаллические трубки (из вольфрама, молибдена, ниобия и др. металлов) с требуемой кристаллографической ориентацией их наружной поверхности, которые могут быть использованы для изготовления катодов термоэмиссионных преобразователей.Using the method allows to obtain hollow cylindrical monohedral single crystal tubes (from tungsten, molybdenum, niobium and other metals) with the required crystallographic orientation of their outer surface, which can be used for the manufacture of cathodes of thermionic converters.

Claims

A method of forming hollow single crystal cylindrical tubes, which consists in growing cylindrical single crystals by pulling up using a single crystal seed of the desired orientation from a bath with a melt, characterized in that two blanks of the required length are separated from the single crystal, then they are mechanically and electrochemically processed, and two hollow polyhedral cylinders are obtained with a given geometry, determine the location on the side surface of these cylinders required crystallographic of their directions, cut by spark cutting and removing sections of cylinders with an intermediate crystallographic orientation, after which the remaining cylinders are rotated relative to each other around the longitudinal axis, joined, the cylinders are joined by electron beam welding, then the technological sections are separated by spark cutting from the workpiece and electrochemical processing of the welded monohedral single crystal cylinder.