专利名称：：生产超纯金属以及由其制造的单晶体的方法
技术领域：
：本发明涉及冶金和铸造工程。
背景技术：
：目前，仅通过区域精炼来生产超纯金属。这类精炼是基于一种物理现象，其中杂质通过生长的晶体，即通过具有多晶结构或单晶结构的固体的凝固界面进入熔体内。现有技术已知的区域熔体精炼的不同供选方案(Pfann,W.G,,ZoneMelting,Wiley,N.Y"1958;和Chalmers,B.,PrinciplesofSolidification,1968，p.144)是基于多次重复的局部熔融周期，局部区域三维移动并构成凝固界面的同步移动。另外，从横截面看，凝固界面具有明确的抛物线形状。此外，由于供选的树枝状结晶界面明显影响凝固界面的"精炼，，性质，凝固界面在微观上是不平的。树枝状的或(最佳情况下)细胞状的凝固界面一定程度上保持了杂质或吸附剂，有时它们局部化呈周期分布的三维结构。这些位置处，需要五至七个精炼周期，来除去例如9x10%级数的杂质。过去已知的单结构生产方法都无一例外地基于相应于(接近于)晶体生长的最大线速度的过冷区域(Csochralski,J.Z.，Physik.Chem.1917,Bd92,S.219;和ChalmersB.PrinciplesofSolidification,1968，p.280)。已接受现有技术方法作为本发明最接近的现有技术。但是，为获得预期的结晶取向，需要使用位于合适位置的晶现有技术方法的缺点是由于它完全不允许将精炼和单结构的生长合并到一个单独的金属制造过程中。而且，明显提高区域精炼产量和单结构的生长速度完全是不可能的。
发明内容本发明主要的目标是开发一种生产超纯金属和来自它的单晶体的方法，其有效地将任意金属的熔体精炼与金属或其合金的单晶体结构或准单晶体结构的生长合并，其中熔体在三维冷却期间凝固。本发明的技术成果在于改善了超纯金属及来自它的单晶体的生产效率，这是通过完全保持平的凝固界面并施加高的引力实现的，这导致两相区域的急剧减少、生长亚稳度范围的急剧收缩以及相应于单晶生长的最大线速度的最佳过冷值。该技术成果通过以下生产超纯金属和来自它的单晶体的方法获得，其包括在超出生长亚稳度范围的熔体内产生过冷区域；凝固熔体以获得单晶体结构，并在离心分离机力场内以能够在熔体内产生过冷的引力因子下进行预期的精炼，该引力因子等于相应于生长亚稳度范围内最大线性晶体生长速度的最佳过冷值之间的差值，其由以下公式得到A、B、L和M是技术参数(系数)，B的数值是由确定热加工其中G)是引力因子的校正速度的模具的热力学特性得到的，A、L和M的数值基于金属的物理和化学特性；Kg是引力因子；T是凝固温度；以及ATo是实验计算出的金属过冷值。而且，随着单晶体生长及熔体精炼，熔体以0.020.08。C/秒的速度在体积上冷却。这些是与足以产生以上技术成果的与基本特征稳定组合相关的重要特征。要求保护的方法是基于使用本质上新的物理现象，即通过将任意熔体暴露在取向的外部力场下并同时精炼它们来控制由任意熔体生长单晶体结构或准单晶体结构。按照我们的观点，由熔体生长单结构的任意方法的适用性最好借助于Tamman关系曲线进行分析。这些关系曲线表明核心形成比率n(AT)和线性结晶生长速度V(AT)如何随着熔体内引发的力场变化(AT)而改变。这些关系曲线是凸函数并在冷却值A7^和A7^处具有极值。这些发明人已经从理论上和实验上证明例如引力场对凝固熔体的影响类似于在熔体内形成过冷区域。因此，由此得出结论有了AT值和引力因子Kg之间确定的关系曲线。由于Kg是易于控制的参数并对熔体的任意部分都具有同样的作用，可以得出结论其中用Kg代替AT的任意方法都拥有生长单结构的高潜力。本发明将由以下附图变得更清楚，其中图1是M^各化Tamman关系曲线的简图；以及图2说明了与引力因子Kg相关的过冷关系曲线。具体实施例方式依据本发明，要求保护的生产超纯金属和来自它的单晶体的方法在旋转模具内在以下条件下进行-为生产单晶体结构并同时进行精炼，熔体在离心分离机力场内在允许在熔体内造成过冷区域的引力因子下凝固，而且该引力因子等于相应于生长亚稳度范围内的最大晶体生长线速度的最佳过冷值之间的差值，其由以下公式得到A、B、L和M是技术参数(系数)，用于基于确定热加工速度的模具的热力学特性来计算B的数值，A、L和M的数值是由金属的物理和化学特性确定的；Kg是引力因子；T是凝固温度；ATo是实验计算出的熔体过冷值。—当单晶体生长且熔体精炼时，熔体以0.020.08。C/秒的速度在体积上冷却。参考附图1为解释要求保护的方法的主旨来检验Tamman曲其中:第一条曲线V(AT)描述了依赖于熔体内产生的过冷值AT的结晶生长线速度的变化。第二条曲线n(AT)描述了依赖于AT的晶核形成比率的变化。在过冷值A7^和A7;"处对比两条关系曲线的不同水平Z,被称为生长亚稳度和晶核形成范围。最佳过冷值△r;和△;,是最大值的坐标。正常的是假定通过单结构的生产方法获得最大效率，其在生长期间形成等同于熔体内Ar;的过冷区域。原则上，该目的不能借助于由任何方法产生的不均匀热区域获得，因为潜在的凝固热释放，生长单晶体热阻抗的不停变化，还因为不可能精确知道凝固界面的坐标。据此，发明人在分析和实验研究期间测量了AT对Kg的确定的关系曲线A、B、L和M是技术参数(系数)，B的数值是由影响热加工速率的模具的热力学特性确定的，A、L和M的数值是由金属的物理和化学特性确定的；Kg是引力因子；T是凝固温度；以及其中:ATo是实验计算出的熔体过冷值。不同金属的技术参数或因子A、L和M有以下数值:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>省略了最后公式的计算。参考公式(l),Tamman关系曲线中AT坐标可用Kg替代(图1)。接着由此得出结论，一旦Kg的值等于Kopt，单晶体结构或准单晶体结构将以理论上可能的速度从熔体生长出任意数量的核心和群。特别是，发明人在几次实验中以1015cm/秒的速度生长了砷化镓单晶体。几何术语中，关系曲线(l)对于所有金属是上升双曲线，Kg也随着渐增。这可以由计算建立的两个图表解释(图2),它们表明对不同值AT()与Kg相关的过冷的关系曲线。这些曲线由以下公式计算其中AT如公式(1)所述；以及ATo.5是熔体等于0.5。C的自然过冷值。这些图表表明不管初始过冷，这种方法的最大效果在Kg=300处达到。将得出以下观点。salol型金属凝固模型的实验研究表明导数5V(AT)/ST不能低于10~102。如以下将表明的，该事实是非常重要的。假定离心分离机内给定值&=《；-《的熔体緩慢冷却直到达到AT()-ATV的自然过冷，即足以在熔体内由任何基体生成结晶的线性生长的条件。由于引力因子^-《p,-^:足以过冷^;-A;-7;,因此可能建立单晶体线性生长速度在这些条件下增长的程度。△nx=(△。一Ar;)io(4)即使允许通过不均匀的力场在离心分离机内产生i'c的适当过冷，由(4)显而易见的是单晶体的线性生长速度完全以AValOmm/秒增力口。使用其中力场影响凝固熔体的以上物理机制，可能以非常高的速度生长单晶体。而且，该方法由于以下三个原因是有利的首先，引力因子在熔体与旋转轴等距的任意点都是同一的，产生了非常平的凝固界面。第二，高引力的效果导致两相区域的快速收缩，因此，允许熔体更有效地纯化(精炼)。第三，高引力导致生长亚稳度范围A7;的急剧减少和相应于单晶体线性生长速度的最大值的最佳过冷值△。。已经将以上因素进行分析计算并实验上证实，它们为该方法比其它任何精炼和生长单晶体的方法有效平均520倍的论点给出依据。该方法的实验研究包括由铝、铜、砷化镓和镍含量达到72%的高熔点镍合金生长单晶体。单晶体以达到180mm长和达到100mm直径的圆柱体的形式生长。例如铝的单结构最小(已记录的)生长速度为0.20.3mm/秒。当给料纯度为99.995%时记录铝的最小精炼效率，产出99.9991%的纯铝。当每个精炼周期由99.995%纯度给料生产99.99997%的纯铝时记录最大效率。本发明可用于生产任意单晶体或单晶体结构或准单晶体结构的铸块。还有利的是使用本发明有效地精炼任意金属及其熔体。本发明可用于工业规模，因为参考现有技术生产超纯金属和单晶体的方法，通过将熔体暴露于在给定引力因子下的离心分离机力场获得了技术成果。权利要求1.一种生产超纯金属和来自该超纯金属的单晶体的方法，其包括在超出生长亚稳度范围的熔体内形成过冷区域，其中生产单晶体结构，并进行精炼的同时在离心分离机力场内以允许在熔体内产生过冷的引力因子下凝固熔体，该引力因子等于对应于晶体的最大线性生长速度的最佳过冷值和生长亚稳度范围之间的差值，所述差值由以下公式确定<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ΔT</mi><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mi>A</mi><mrow><mi>T</mi><mi>ln</mi><mi>Θ</mi></mrow></mfrac></msqrt><mo>,</mo></mrow>]]></math></maths>其中<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>Θ</mi><mo>=</mo><mfrac><msup><mn>10</mn><mn>23</mn></msup><mrow><msub><mi>BK</mi><mi>g</mi></msub><mo>+</mo><msup><mn>10</mn><mn>23</mn></msup><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>LK</mi><mi>g</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mrow></mrow><mrow><mi>T</mi><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ΔT</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>MK</mi><mi>g</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>}</mo></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths>Θ是引力因子校正；A、B、L和M是系数，B的值是由基于确定热加工速度的模具的热力学特性确定的，A、L和M的数值是由金属的物理和化学特性确定的；Kg是引力因子；T是凝固温度；以及ΔT0是实验计算出的熔体过冷值。2.如权利要求1所述的方法，其中单晶体生长且熔体精炼是通过以0.02-0.08。C/秒的速度在体积上冷却熔体进行的。全文摘要本发明涉及一种生产超纯金属以及由其制造的单晶体的方法。本发明涉及冶金和铸造工程，具体涉及生产单晶结构以及与其相关的金属精炼。本发明生产超纯金属和由其制造的单晶体的方法包括当熔体中过冷值大于亚稳度生长范围时在离心压力场中结晶，其中以在熔体中能形成足够的过冷值的方式对引力因子进行选择，所述引力因子等于对应于晶体的线性生长速度的最佳过冷值和生长亚稳度范围之间的差值，其由以右公式确定其中参数A、B、L和M，引力因子Kg，凝固温度T和熔体过冷值ΔT<sub>0</sub>是实验获得的，为了实施晶体生长和熔体精炼工艺，熔体的体积以0.02～0.08℃/秒的速度冷却。文档编号C30B30/00GK101583746SQ200680056690公开日2009年11月18日申请日期2006年12月19日优先权日2006年12月19日发明者奥列格·弗拉基米罗维奇·阿尼西莫夫,尼古拉·尼古拉耶维奇·斯卡尔金,谢尔盖·谢苗诺维奇·特卡乔夫,阿纳托利·弗拉基米罗维奇·波波夫申请人:先进合金有限公司