монокристаллы

Монокристаллы металлов.

Промышленность всегда стремиться получить отдельные совершенные монокристаллы для их последующего применения. Обычный поликристаллический металл составлен из отдельных кристалликов — монокристаллов. Монокристаллы легкоплавких металлов: олово, цинк, алюминий, медь научились изготавливать еще в 50х годах прошлого века. Способ получения -вытягивание из расплава или рекристаллизация предварительно деформированных чистых образцов. Но с тугоплавкими металлами из-за их высокой температуры плавления и высокой химической активности такое было не возможно. Все это стало возможным только после появления новых технологий в начале 60х годов: вакуумной металлургии и мощных источников нагрева, таких как электронный пучок и плазма. Были получены монокристаллы молибдена, рения, вольфрама, тантала, ниобия, ванадия, рутения, иттрия, скандия, гадолиния посредством вакуумной дистилляции и рекристаллизации предварительно деформированных поликристаллических образцов.

К настоящему времени разработаны методы выращивания монокристаллов практически всех металлов и многих сплавов, в том числе и самого тугоплавкого металла — вольфрама (точка плавления 3380° С. «Затравка», кусочек кристалла с желаемой структурой, программирует строение растущего на ней монокристалла. С помощью «затравок» удается получать монокристаллы любых металлов с заданной кристаллографической ориентировкой. Выращены монокристаллы многих сплавов двойных систем на всем интервале концентраций (твердые растворы), металлических соединений. По мере изучения монокристаллов выяснилось, что чистые монокристаллы обладают рядом уникальных физических свойств, которые отсутствуют у металлов и сплавов в поликристаллическом состоянии при технической чистоте. Высокочистые монокристаллы железа, молибдена, вольфрама теряют хрупкость, присущую техническим поликристаллическим металлам, и приобретают высокую пластичность вплоть до гелиевых температур. Монокристаллы редких металлов — ванадия, ниобия и тантала — никаким глубоким охлаждением не удается перевести в хрупкое состояние. Монокристалл молибдена диаметром 16 мм может быть без нагрева завязан в узел либо превращен в длинную тончайшую проволоку или ленту толщиной в несколько микрон. При испытаниях на разрыв монокристаллы железа и других металлов в виде тончайших нитей микронного сечения обнаруживают теоретическую прочность выше 1000 кг/мм², что приблизительно на два порядка больше прочности обычного технического железа. Исследования механических свойств монокристаллов меди и латуни показали, что у них отсутствуют типичные для металлов технической чистоты зоны тепловой хрупкости в районе 300—700° С. У редких металлов в монокристаллическом состоянии открыт ряд не известных ранее свойств, возможности использования которых в технике еще не ясны. Например, акустический эффект (хруст) при пластической деформации (двойниковании) монокристалла рения, изменение цвета (серебристый, золотой, сиреневый) некоторых сплавов в зависимости от их состава и соединений благородных металлов с редкими.

В работах по монокристаллам с гексагональной решеткой наиболее интересные результаты были получены о механизме деформации и тонкой структуре монокристаллов рения. Выяснилось, что закономерности, установленные для легкоплавких малоупругих монокристаллов цинка, кадмия и магния, не соблюдаются у тугоплавких металлов. Например, металлы с гексагональной решеткой имеют больший коэффициент упрочнения, чем металлы с кубической структурой. Монокристаллы рения очень быстро упрочняются при пластической деформации, так как значения констант упругости рения очень высоки. Обнаружено чрезвычайно сильное влияние примесей кислорода на физические и технологические свойства рения. Это связано с воздействием кислорода на периоды кристаллической решетки, механизм деформации, тонкую структуру и микроструктуру рения. Внедрение кислорода в кристаллическую решетку рения вызывает анизотропное увеличение ее длины вдоль оси с, в то время как период а элементарной ячейки остается постоянным, за счет чего осевое отношение с/а, возрастает с 1,616 при содержании кислорода 0,002 вес.% До 1,620 при 0,009 вес.% кислорода. Увеличение содержания кислорода с 0,002 до 0,022 вес.% повышает твердость рения в два раза (с 158 до 272 кг/мм²), прочность — на 60% (с 53 до 86 кг/мм²), удельное электросопротивление —: на 30%, более чем в четыре раза снижает удлинение при растяжении (с 21 до 5%). Блокировка элементарных актов пластической деформации атомами кислорода приводит к локальному накоплению внутренних напряжений, что снижает пластичность материала и изменяет механизм пластического течения. Деформация монокристаллов рения в зависимости от начальной ориентировки происходит путем типичных для гексагональной решетки скольжений по плоскостям базиса (0001) и призмы (1010) или двойникованием. При содержании кислорода более 0,001 еес.% уже при деформации на 2% происходит «заклинивание» обычных плоскостей скольжения и появление менее выгодной при данной ориентации системы скольжения, требующей более высоких напряжений. Очень наглядна анизотропия твердости по различным плоскостям монокристалла редкоземельного металла скандия с гексагональной структурой. Среднее значение величины микротвердости монокристалла на плоскости призмы (1010) равно 102 кг/'мм² против 210 кг/мм² на плоскости базиса (0001).

Монокристаллы тугоплавких металлов устойчивы к действию плазмы цезия и других щелочных металлов (у поликристаллических металлов цезий «пропотевает» через границы зерен), а также водорода, что очень важно для работы катодов преобразователей тепловой энергии в электрическую и многих деталей электровакуумных и газоразрядных приборов. Эти монокристаллы не выделяют газов в вакууме, не изменяют свою форму и размеры при длительном воздействии (свыше десяти тысяч часов) высоких температур, ускорений, облучения и термоциклирования. Они устойчивы в некоторых жидкометаллических средах (литий, калий, натрий), совместимы с окислами и карбидами урана и плутония, не подвержены рекристаллизации и ползучести.

Применение монокристаллов вольфрама, ленты, фольги и проволоки из зонноочищенпых монокристаллов молибдена для производства катодов, анодов, подогревателей, токовводов уже позволило в десятки раз увеличить срок службы существующих электровакуумных приборов, а также создать новые приборы сверхособой чувствительности и надежности.

Монокристаллы вольфрама, его сплавы с молибденом, рением и другими металлами не выкрашиваются при обработке резанием, что дает возможность изготавливать из них ответственные изделия сложной формы. Они легко свариваются.