用于超高溫晶體生長(zhǎng)爐的釔鋯固溶體陶瓷

梁新星，黃小衛(wèi)，梁奇星，劉小鋼，沈遠(yuǎn)勝，牛沈軍

(鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司，鄭州 452370)

0 引 言

藍(lán)寶石具有良好的機(jī)械性能和物理性能，如硬度高，機(jī)械穩(wěn)定性好和顯著的抗熱沖擊性能等[1]，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。泡生法是目前應(yīng)用最為廣泛的人工生長(zhǎng)藍(lán)寶石的方法之一，Kympoulo在1926年首先提出來(lái)此方法，可應(yīng)用于晶體的生長(zhǎng)，而后前蘇聯(lián)的Musatov又將此方法改進(jìn)，被首次應(yīng)用到藍(lán)寶石單晶的制備中[2]。泡生法通過(guò)籽晶與熔體界面接觸并以極其緩慢的速度提拉籽晶，最后形成一個(gè)單晶晶錠。結(jié)晶過(guò)程中的微量提拉減少了溫場(chǎng)擾動(dòng)，使?fàn)t內(nèi)溫場(chǎng)更均勻[3-4]。該方法技術(shù)成熟，成本較低，適合大批量生產(chǎn)。泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石時(shí)晶體質(zhì)量好壞的關(guān)鍵在于溫場(chǎng)是否穩(wěn)定。傳統(tǒng)藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)爐的保溫系統(tǒng)通常采用多層鎢鉬隔熱屏的形式，可以滿足晶體生長(zhǎng)需要的條件，但生產(chǎn)過(guò)程中的熱量損失過(guò)多，增加了生長(zhǎng)成本；嚴(yán)重的電能損耗增加了穩(wěn)定爐內(nèi)溫場(chǎng)的難度，容易出現(xiàn)晶界氣泡、晶體應(yīng)力開(kāi)裂、粘鍋等一系列問(wèn)題，影響晶體品質(zhì)。

1 釔鋯固溶體陶瓷

1.1 制備方法

按配方的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取各種原料，所使用的原料滿足一定的純度和粒度范圍，由于在生產(chǎn)過(guò)程中人為等因素，在稱料過(guò)程中允許含有微量的雜質(zhì)；稱料完成后，將原料加入三維混煉設(shè)備中混合12～24 h，得到釔鋯勻和原料；以高純氧化鋯(99.95%)和氧化釔(99.99%)為原料，經(jīng)混料后采用高頻加熱熔殼法在2 850 ℃下進(jìn)行熔煉結(jié)晶，通過(guò)此法結(jié)晶后可得到純凈的釔鋯固溶體陶瓷；將釔鋯固溶體陶瓷材料破碎，破碎后的粉料達(dá)到一定的粒度配比，將破碎并配備好粒度的粉末狀固溶體置于不銹鋼混料機(jī)內(nèi)進(jìn)行大于6 h的混制，然后加入結(jié)合劑進(jìn)行造粒，混合均勻后，將原料放到烘干箱內(nèi)烘干至一定水分；粉料烘干后，將粉料置于成型的硬質(zhì)合金模具腔內(nèi)，加壓成型，得到所需要的具有一定形狀及尺寸的產(chǎn)品生坯；將產(chǎn)品生坯置于高溫烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干，設(shè)定適當(dāng)?shù)暮娓蓵r(shí)間；當(dāng)產(chǎn)品生坯烘干至合適水分時(shí)，可進(jìn)行燒結(jié)。本產(chǎn)品采用兩步燒結(jié)法，兩次燒結(jié)的設(shè)備以及溫度曲線等都有所不同，第一步采用電加熱封閉式窯爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為(1 750±3) ℃，燒結(jié)時(shí)間為18～24 h；降至室溫后進(jìn)行第二步燒結(jié)，采用真空燒結(jié)設(shè)備在(2 000±3) ℃燒結(jié)18～24 h。燒結(jié)完成后即可得到可以用于人工晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的高純釔鋯固溶體陶瓷制品。

1.2 釔鋯固溶體陶瓷的優(yōu)勢(shì)

釔鋯固溶體系材料是一系列技術(shù)已成熟、性能優(yōu)越的無(wú)機(jī)非金屬材料，對(duì)于人工晶體生長(zhǎng)及超高溫領(lǐng)域具有不可估量的應(yīng)用前景。

釔鋯固溶體相圖如圖1所示，分析得知，在釔的原子數(shù)占比達(dá)到16%以上時(shí)形成釔、鋯共存的固溶體相，此化學(xué)組成的固溶體出現(xiàn)液相的溫度也是相對(duì)較高的。鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司研制的高純釔鋯固溶體陶瓷材料經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，高溫沒(méi)有活性，純度極高，與金屬鉬材料相比使用溫度更高，在真空、保護(hù)氣氛中使用溫度達(dá)到2 650 ℃，還可避免金屬材料高溫時(shí)出現(xiàn)的高溫過(guò)收縮變形甚至破裂等問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)模擬人工晶體熱場(chǎng)，設(shè)計(jì)了拼砌組合式坩堝，如圖2所示。

圖1 釔鋯固溶體相圖Fig.1 Phase diagram of yttrium zirconium solid solution

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖樣Fig.2 Product structure drawing

此結(jié)構(gòu)能夠大幅度減弱資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本，并且一定程度上也提高了人工合成藍(lán)寶石的優(yōu)質(zhì)率。有研究表明，氧化鋯陶瓷材料的熱導(dǎo)率和輻射率都比常用的鎢鉬等保溫材料更低[5]。這都有益于超高溫爐內(nèi)溫場(chǎng)的保溫，可顯著減輕人工合成藍(lán)寶石過(guò)程中的電能過(guò)度損耗問(wèn)題。另外可對(duì)使用3年后的陶瓷溫場(chǎng)進(jìn)行回收，通過(guò)技術(shù)處理后可用來(lái)制作冶金控流用高溫陶瓷制品，形成資源可循環(huán)利用的產(chǎn)業(yè)體系，有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。

2 產(chǎn)品實(shí)際使用效果

釔鋯固溶體溫場(chǎng)使用后的爐內(nèi)揮發(fā)物檢測(cè)報(bào)告如表1所示，從表中可以看出，釔鋯固溶體陶瓷產(chǎn)品使用后，爐內(nèi)配件上附著物的主要元素為碳、鋁、硅、鐵等，其中碳、硅、鐵元素出現(xiàn)是爐內(nèi)真空泵的微量機(jī)油返回爐內(nèi)造成的，鋁元素為在氧化鋁加溫融化過(guò)程中的揮發(fā)導(dǎo)致。在檢測(cè)結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)釔及鋯元素，證明產(chǎn)品在高溫使用過(guò)程中無(wú)揮發(fā)。

表1 釔鋯固溶體溫場(chǎng)使用后的爐內(nèi)揮發(fā)物檢測(cè)結(jié)果Table 1 Volatile matter detection results of yttrium zirconium solid solution after using in temperature field /%

圖3是所研制釔鋯固溶體陶瓷材料在2 300 ℃真空環(huán)境下24 h脫氧后實(shí)驗(yàn)照片，整體溫場(chǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)變化，無(wú)任何膨脹與收縮，無(wú)結(jié)塊熔融和變形開(kāi)裂，材料所含的氧已經(jīng)全部釋放并且常溫空氣中及真空加熱中不再有氧的吸收現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試，在空氣氣氛下，藍(lán)寶石晶體片放置固溶體材料中，在1 750 ℃經(jīng)18 h燒結(jié)后晶體無(wú)任何反應(yīng)現(xiàn)象。

圖3 使用后的釔鋯固溶體陶瓷Fig.3 Yttrium zirconium solid solution ceramics after used

圖4是采用所研制釔鋯固溶體陶瓷溫場(chǎng)泡生法生長(zhǎng)的120 kg級(jí)藍(lán)寶石，引晶功率低至59 kW，節(jié)省能耗達(dá)40%左右，同時(shí)保障成品率100%。金屬鎢鉬溫場(chǎng)每顆藍(lán)寶石晶錠需要耗電約為50 000 kW·h，使用所研制釔鋯固溶體陶瓷溫場(chǎng)耗電約為30 000 kW·h，以工業(yè)用電0.85元人民幣計(jì)算，每顆藍(lán)寶石晶錠節(jié)省耗電金額約為1.7萬(wàn)元人民幣。

圖4 藍(lán)寶石成品Fig.4 Sapphire product

圖5為15爐次后溫場(chǎng)內(nèi)部照片，銀色附著物為金屬氧化物的附著，整體溫場(chǎng)無(wú)任何開(kāi)裂和粘連現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)良好，性能無(wú)任何衰減，引晶功率繼續(xù)維持在59 kW，爐內(nèi)加熱器及其他金屬器件的衰減與全金屬溫場(chǎng)無(wú)差異，理論壽命在45個(gè)周期之后，較金屬溫場(chǎng)有大幅度的提升。

圖5 使用15爐次的溫場(chǎng)Fig.5 Temperature field of 15 heats used

3 結(jié) 論

隨著科技社會(huì)的快速發(fā)展，藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷擴(kuò)展，對(duì)藍(lán)寶石的質(zhì)量以及尺寸的要求也越來(lái)越高。這也就意味著對(duì)生產(chǎn)藍(lán)寶石的設(shè)備提出了更為嚴(yán)苛的條件，可以達(dá)到批量生產(chǎn)，產(chǎn)品要求精度高且性能優(yōu)異。傳統(tǒng)的金屬保溫材料散熱嚴(yán)重而且還存在高溫變形的危險(xiǎn)，不利于生產(chǎn)高品質(zhì)的人工合成晶體。鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司研制的高純釔鋯固溶體陶瓷既能有效防止生產(chǎn)過(guò)程中的能量過(guò)度浪費(fèi)，節(jié)省能耗達(dá)40%左右，又大幅度增加了人工晶體生長(zhǎng)爐的整體使用壽命，反復(fù)升降溫周期使用壽命達(dá)到3年，陶瓷溫場(chǎng)較金屬溫場(chǎng)提升6倍壽命，提高了生產(chǎn)效率，突破了大尺寸晶體生長(zhǎng)溫場(chǎng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)晶體大尺寸量產(chǎn)化，促進(jìn)了人工合成晶體領(lǐng)域的進(jìn)步。并且使用3年后的陶瓷溫場(chǎng)還可進(jìn)行回收，通過(guò)技術(shù)處理后制作冶金控流用高溫陶瓷制品，形成綠色環(huán)保、循環(huán)利用，既經(jīng)濟(jì)友好又環(huán)境友好的現(xiàn)代化生產(chǎn)體系。