[發明專利]低徑向溫度梯度的冷坩堝真空感應熔煉定向凝固裝置

有效

• 申請號: 201611205715.6
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN106807907B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 李蔚晶
• 申請（專利權）人: 李蔚晶
• 主分類號: B22D11/11
• 分類號: B22D11/11;B22D11/059;B22D11/04
• 代理公司: 包頭市專利事務所 15101
• 代理人: 張少華

本發明涉及一種低徑向溫度梯度的冷坩堝真空感應熔煉定向凝固裝置，包括真空熔煉室、與真空熔煉室連通的定向凝固室、連續拉錠機構、感應電源、真空機組、冷卻系統、控制系統，其特征是：在真空熔煉室中裝備有水冷銅坩堝、環繞水冷銅坩堝的感應圈，以及連續加料機構；在定向凝固室中配備有結晶器、結晶單元、牽引結晶器并提供水路的拉桿，以及在結晶器下方的冷卻器；連續拉錠機構裝在定向凝固室的下面，向拉桿提供移動和轉動的動力。其優點是：能夠減小凝固過程中固/液界面區的徑向溫度梯度、具有良好定向凝固效果的低徑向溫度梯度，排除了雜質元素進入處理材料的渠道，對于保證定向凝固處理的效果具有重要作用。

技術領域

本發明涉及一種低徑向溫度梯度的冷坩堝真空感應熔煉定向凝固裝置，是一種在冷坩堝真空感應熔煉裝置中使金屬、合金和半導體材料實現定向凝固的技術，屬于金屬熔煉定向凝固處理的技術領域。

背景技術

定向凝固處理是指在液態材料的凝固過程中，使固/液界面按照預定的方向一致移動的技術。利用這種處理，位于固/液界面區分配系數小于1的雜質元素將被排除到界面前的液相區，從而使界面后面的凝固區得到了提純。隨著固/液界面持續向液相區移動，在界面的后面就獲得了經過提純的棒狀材料。超純鋁、超純鍺、光伏級多晶硅和高純鈦的制備過程都采用了這種技術。

定向凝固處理的第二個作用是形成定向結晶的組織——在凝固過程，晶體是按照垂直于固/液界面的方向生長的，所以，如果固/液界面保持著平直的狀態一致地向著垂直于界面的方向移動，在移動速度合適的條件下，在界面后面就形成了生長方向平行于凝固方向的定向結晶組織。這種技術在單晶硅、定向凝固的鈦產品、稀土超磁致伸縮晶體等高技術材料的生產過程得到了應用。

雜質污染是實現定向凝固上述兩個目標的嚴重障礙——在提純過程中，雜質污染抵消了提純的效果；在定向結晶過程中，雜質元素成為晶體非自發形核的核心，促進形成新晶粒，破壞晶體的持續生長。

在定向凝固過程中，雜質元素來源于三個渠道：一是原料本身的雜質——這個問題可以通過對原料的純度水平提出要求來解決；二是高溫下氣體分子與材料反應引起污染——使過程在真空條件下或惰性氣體保護下進行可以大幅度減少這類雜質；三是高溫下坩堝材料與爐料反應引起污染——用冷坩堝感應熔煉裝置熔化材料則是排除這種雜質來源的最可靠的手段。這種技術不使用能夠引起污染的陶瓷坩堝，而且熔池與冷態的金屬坩堝壁不發生密切的接觸。

上述分析表明，以冷坩堝真空感應熔煉技術熔化材料，配備適當的裝置實現定向凝固，由此組成冷坩堝真空感應熔煉-定向凝固裝置(以下簡稱“冷坩堝定向凝固裝置”)是一種科學的組合。

冷坩堝真空感應熔煉技術(以下簡稱“感應冷坩堝技術”)是懸浮熔煉技術中的成熟技術，它是“將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場內，在真空條件下或惰性氣體保護下，利用感應渦流加熱坩堝中的材料使其熔化，依靠電磁懸浮力使熔融材料與坩堝壁不產生密切接觸”。此處所說的懸浮力，是方向與坩堝的軸線垂直，指向坩堝軸線的力。為了保證在熔煉溫度下紫銅坩堝不發生熔化和燒損，坩堝的每一瓣都必須得到強力的冷卻。

感應冷坩堝技術雖然已經比較成熟，但是，研制冷坩堝定向凝固裝置尚有一些關鍵的環節需要解決。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠減小凝固過程中固/液界面區的徑向溫度梯度、具有良好定向凝固效果的低徑向溫度梯度的冷坩堝真空感應熔煉定向凝固裝置。

本發明的技術方案如下：

在本發明中，軸向是指水冷銅坩堝的坩堝軸線方向，它也是結晶器的移動方向；徑向則是指坩堝半徑的方向，它與軸向垂直。

在本發明中，接受熔化和定向凝固的材料包括金屬、合金和半導體材料，并簡稱這些材料為“定向處理材料”，或“處理材料”。