利用电子束区域炼熔法制备Mo合金单晶
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TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能页数:6
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区域熔炼制备高纯金属的理论及过程分析
关键词：区域熔炼 杂质 高纯金属 固溶体 迁移 提纯
引言
当金属中其他元素含量极低时，即为纯金属或高纯金属。纯金属在强度、硬度、韧性、 塑性、软磁性、导电性、导热性、耐腐蚀性方都有其独特性能[7]。近年来，随着科学技术的 发展，在原子能，电子，半导体等工业方面，对高纯金属的需求越来越大，对其纯度要求也 越来越高。所以提纯金属的方法近年来发展很快。金属提纯方法主要有区域熔炼RM(regional melting) 又 叫 浮 区 熔 炼 FRM(floating regional melting) 、 电 磁 悬 浮 熔 炼 ELM(electromagnetic levitation melting)、冷坩埚熔炼CCM(cole crucible melting)、 固态电迁移SSE(solid state electromigration)等，其中区域熔炼为制备纯金属提供了一 个有效易行的方法，通过区域熔炼提纯，目前 1/3 多的元素和数百种无机和有机化合物均可 获得其最高纯度[3]。
uiα ：组元 i 在 α 相中的化学势； uiβ ：组元 i 在 β 相中的化学势； dniα ：组元 i 在 α 相中的化学势的改变量；
dniβ ：组元 i 在 β 相中的化学势的改变量，
由于物质在两相间迁移，
所以有
dniα =- dniβ
所以
dG = (uiβ − uiα )dniβ
杂质组元的存在，会使主组元熔点发生改变，熔点降低或升高，降低或升高的数值由杂 质含量决定。熔点降低会使固溶体由熔融态到凝固态变化过程中，杂质由固相向液相迁移， 熔点升高则正好相反，杂质由液相向固相迁移。令 A 为主组元， i 为杂质组元，α 为液相， β 为固相，设在某一时刻达平衡状态，则有：
引言
当金属中其他元素含量极低时，即为纯金属或高纯金属。纯金属在强度、硬度、韧性、 塑性、软磁性、导电性、导热性、耐腐蚀性方都有其独特性能[7]。近年来，随着科学技术的 发展，在原子能，电子，半导体等工业方面，对高纯金属的需求越来越大，对其纯度要求也 越来越高。所以提纯金属的方法近年来发展很快。金属提纯方法主要有区域熔炼RM(regional melting) 又 叫 浮 区 熔 炼 FRM(floating regional melting) 、 电 磁 悬 浮 熔 炼 ELM(electromagnetic levitation melting)、冷坩埚熔炼CCM(cole crucible melting)、 固态电迁移SSE(solid state electromigration)等，其中区域熔炼为制备纯金属提供了一 个有效易行的方法，通过区域熔炼提纯，目前 1/3 多的元素和数百种无机和有机化合物均可 获得其最高纯度[3]。
uiα ：组元 i 在 α 相中的化学势； uiβ ：组元 i 在 β 相中的化学势； dniα ：组元 i 在 α 相中的化学势的改变量；
dniβ ：组元 i 在 β 相中的化学势的改变量，
由于物质在两相间迁移，
所以有
dniα =- dniβ
所以
dG = (uiβ − uiα )dniβ
杂质组元的存在，会使主组元熔点发生改变，熔点降低或升高，降低或升高的数值由杂 质含量决定。熔点降低会使固溶体由熔融态到凝固态变化过程中，杂质由固相向液相迁移， 熔点升高则正好相反，杂质由液相向固相迁移。令 A 为主组元， i 为杂质组元，α 为液相， β 为固相，设在某一时刻达平衡状态，则有：
区熔法制备单晶硅
集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#姓名：赵剑指导老师：张喜凤日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
电子束单晶炉放电问题分析及解决办法
收 稿 日期 ：０ ２ ０— ０ ２ １— ７ １
程 中被释放出来 ， 导致炼室 内真空度偏低 ， 另外 ， 熔 炼室 内杂质 元素 挥 发物 吸 附在 炉 壁上 也 会 引起 熔 炼 室内的真空度低 ，真空度低就会使炉壁与高压直流 电源导 线之 间形 成 回路 出现 隔空 直接 放 电 。 （ ） 助 导 电放 电指 的是 电子 枪 与炉 体 之 间放 ２ 借 电 ，其主要是借助涂 附在耐高压电瓷管上的挥 发物 进行放电 ， 由于难熔金属单 晶在熔化状态时易挥发 ， 挥发 物涂 附到耐 高 压 电瓷 管上 ，当涂 附 的挥 发 物 达 到一 定厚 度 时 ，耐 高压 电瓷管 的绝缘 性 能 就 大 幅 降 低， 在高温 、 高压电的作用下借助涂附在耐高压电瓷 管上 的难熔金属挥发物为导体发生放 电现象 ，使电 子枪与电子枪支架导通 ，而电子枪支架是与炉体直 接连 接 ，也 就形 成 了 电子枪 与 炉 体导 通 从 而 出 现 短 路引 起放 电 。
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ １ ２ １ ｎ ｆ ｃｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ．０， ０ ２ ｉ
电子束单 晶炉放 电问题分析及解决办法
殷 涛 ， 中奎 ， 李 胡忠武 ， 郭林江 ， 王 峰 ， 顺 崔
（ 西北有色金属研究院 ， 陕西 西安 ７０ １ ） １０ ６
熔金属的过程中采用的是电子束悬浮区域熔炼法 ， 这 种方式是近距离环形枪熔炼的方式 ， 由于难熔金属的 蒸汽压 比较高易挥发 ， 所以在熔炼过程 中很容易产生 高压放 电现象 ， 电现象的发生不但对单晶的生长过 放 程产生影响， 还会对设备电源部件造成严重损坏［ ３ ］ 。 本 文 主要 对 难 熔金 属 单 晶在 生 长 的过 程 中 出现 的放 电问题 ， 分析了其原 因， 并针对不 同的放电现象 采 取 了相应 的改进措 施 。其 中 ， 高压 灯丝 电源 系统 对 增 加 的保 护 措 施 防止 了放 电现象 对 设备 电源部 件 造
程 中被释放出来 ， 导致炼室 内真空度偏低 ， 另外 ， 熔 炼室 内杂质 元素 挥 发物 吸 附在 炉 壁上 也 会 引起 熔 炼 室内的真空度低 ，真空度低就会使炉壁与高压直流 电源导 线之 间形 成 回路 出现 隔空 直接 放 电 。 （ ） 助 导 电放 电指 的是 电子 枪 与炉 体 之 间放 ２ 借 电 ，其主要是借助涂 附在耐高压电瓷管上的挥 发物 进行放电 ， 由于难熔金属单 晶在熔化状态时易挥发 ， 挥发 物涂 附到耐 高 压 电瓷 管上 ，当涂 附 的挥 发 物 达 到一 定厚 度 时 ，耐 高压 电瓷管 的绝缘 性 能 就 大 幅 降 低， 在高温 、 高压电的作用下借助涂附在耐高压电瓷 管上 的难熔金属挥发物为导体发生放 电现象 ，使电 子枪与电子枪支架导通 ，而电子枪支架是与炉体直 接连 接 ，也 就形 成 了 电子枪 与 炉 体导 通 从 而 出 现 短 路引 起放 电 。
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ １ ２ １ ｎ ｆ ｃｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ．０， ０ ２ ｉ
电子束单 晶炉放 电问题分析及解决办法
殷 涛 ， 中奎 ， 李 胡忠武 ， 郭林江 ， 王 峰 ， 顺 崔
（ 西北有色金属研究院 ， 陕西 西安 ７０ １ ） １０ ６
熔金属的过程中采用的是电子束悬浮区域熔炼法 ， 这 种方式是近距离环形枪熔炼的方式 ， 由于难熔金属的 蒸汽压 比较高易挥发 ， 所以在熔炼过程 中很容易产生 高压放 电现象 ， 电现象的发生不但对单晶的生长过 放 程产生影响， 还会对设备电源部件造成严重损坏［ ３ ］ 。 本 文 主要 对 难 熔金 属 单 晶在 生 长 的过 程 中 出现 的放 电问题 ， 分析了其原 因， 并针对不 同的放电现象 采 取 了相应 的改进措 施 。其 中 ， 高压 灯丝 电源 系统 对 增 加 的保 护 措 施 防止 了放 电现象 对 设备 电源部 件 造
区熔法制备单晶硅
集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#*名：**指导老师：***日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
电子束选区熔化成形技术研究进展
一、电子束选区熔化增材制造技 术简介
电子束选区熔化增材制造技术是一种基于电子束熔化技术的增材制造方法。 在制造过程中，高能电子束扫描特定区域，使其达到熔点并形成熔池。通过控制 电子束的扫描轨迹和能量，可以将金属粉末逐层熔化并快速冷却凝固，从而实现 金属构件的增材制造。
二、电子束选区熔化增材制造技 术的优势和不足
1、成形过程控制：电子束选区熔化成形过程中，电子束的能量、扫描速度、 扫描策略等因素对构件的质量和性能具有重要影响。研究者们通过数值模拟和实 验研究，对成形过程进行优化，以提高构件的精度和稳定性。
2、合金材料制备：电子束选区熔化成形技术可用于多种合金材料的制备， 如不锈钢、铝合金、钛合金等。近年来，研究者们致力于开发新型合金材料及其 制备工艺，以拓展其应用领域。
3、实现多功能制造：通过多电子束同时扫描、添加合金元素等方式，实现 金属构件的多功能制造，满足多样化的应用需求。
4、结合其他增材制造技术：结合光固化、粉末烧结等其他增材制造技术， 发展复合制造方法，提高制造效率和灵活性。
5、智能化和自动化：利用机器学习、人工智能等技术，实现电子束选区熔 化增材制造技术的智能化和自动化。
一、电子束选区熔化成形技术原 理与特点
电子束选区熔化成形技术采用电子枪产生的电子束作为热源，通过控制电子 束的移动轨迹和能量大小，对金属粉末进行逐层扫描并熔化。熔化的金属液体在 表面张力作用下形成预设的三维形状。其主要特点包括高能量密度、快速加热与 冷却、粉末材料广泛等。
二、电子束选区熔化成形技术研 究现状
3、生产效率高：由于采用快速 熔化和凝固技术，使得制造过程 具有较高的生产效率。
1、设备成本高：该技术所需的设备复杂、昂贵，初始投资成本较高。 2、技术难度大：对操作人员的技能和经验要求较高，技术门槛较高。
电子束选区熔化增材制造技术研究现状分析
电子束选区熔化增材制造技术研究现状分析1. 本文概述随着现代制造业的快速发展，增材制造技术作为一种创新制造方法，在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域展现出了巨大的应用潜力。
电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）作为增材制造技术的一种，以其高精度、高效率和优异的机械性能等特点受到广泛关注。
本文旨在对电子束选区熔化增材制造技术的研究现状进行全面分析，包括其工作原理、关键工艺参数、材料适用性、优势与挑战以及在不同领域的应用情况。
通过对现有文献的综述和案例分析，本文将深入探讨EBSM技术的发展趋势，为其未来的研究和应用提供理论指导和实践参考。
2. 电子束选区熔化增材制造技术基本原理EBSM系统首先通过电子枪产生高能电子束。
电子枪通常采用场发射或热发射的方式，产生高速电子流。
这些电子流在高压电场的作用下被加速，形成高能电子束。
电子束的能量密度通常在107至109Wcm范围内，足以熔化大多数金属和合金。
电子束在计算机控制下精确地扫描金属粉末层。
当电子束照射到粉末上时，其能量被粉末吸收并转化为热能，导致粉末局部熔化。
电子束的扫描路径和功率密度可以精确控制，以确保只有预定区域的粉末被熔化。
熔化的粉末在重力和表面张力的作用下保持形状，并与下层已固化的材料相结合。
随着电子束的连续扫描，熔化区域逐渐扩展，逐层构建出所需的三维结构。
这一过程中，熔化与凝固快速交替进行，要求精确控制温度，以防止热应力和变形。
EBSM过程通常在真空或保护气氛中进行，以防止熔化金属与空气中的氧气、氮气等发生反应，避免氧化和污染。
气氛控制对于保持零件质量至关重要，特别是在处理易氧化或对气氛敏感的合金时。
制造完成后，零件通常需要去除支撑结构并进行后续的热处理、机加工等，以达到最终的设计要求和使用性能。
电子束选区熔化增材制造技术因其高能量密度、高精度和良好的材料适应性，在航空航天、生物医疗、高端制造等领域展现出巨大的应用潜力。
区熔法生长单晶
区熔法生长单晶区熔法生长单晶是一种常用的单晶生长方法，主要应用于半导体材料与光电器件的生产制造中。
下面对区熔法生长单晶的过程和特点进行介绍。
一、准备工作在进行区熔法生长单晶之前，需要对材料进行加工和精细处理。
通常情况下，采用高纯度材料，同时需要对原料进行化学反应或物理淀积。
材料加工完毕后，需要进行预热处理，以消除内部应力并使晶体材料达到最佳结晶状态。
二、区熔炉的搭建区熔炉是进行区熔法生长单晶不可缺少的设备，通常由两个石英坩埚组成，内部放置材料。
其中一个坩埚内加热电流，达到融化材料的目的，另一个坩埚则保持常温，起到控制融化区域的作用。
此外，区熔炉内置有温度计和电子控制器，用于确保温度稳定并控制材料的融化过程。
三、区熔法生长单晶的过程1. 慢速降温: 将石英坩埚内的材料加热至高温状态，然后慢慢降温，达到凝固晶体熔体的状态。
这时可以看到石英坩埚中部的熔体区域，其形态呈现出“臭皮囊”状。
2. 发生反应: 当熔体区域达到臭皮囊状时，需要注入气体以促进组分反应。
在坩埚中注入氧气，并使用抽真空的方法，将熔体区域和固体材料区域之间形成巨大的温度梯度，促使进行物种转移的发生反应。
同时通过恒定的气流混合，确保反应的可靠性和稳定性。
3. 单晶生长: 当反应条件得到满足后，即可开始进行单晶生长，此时将上一个坩埚中的熔体区域向下移动，使其覆盖到下一个坩埚中的固体材料上面，并保持温度恒定，促进单晶的纯度和长大。
如此重复进行，在相应的时间内制作出所需要的单晶。
四、区熔法生长单晶的特点1. 单晶品质高：区熔法生长单晶方法可以获得高品质的单晶体，具有优良的物理性质和化学性质，具有良好的应用前景。
2. 适用范围广：区熔法生长单晶方法不仅适用于半导体行业，也适用于其他光学及电子器件的制造。
3. 技术难度高：区熔法生长单晶方法对于设备与技术要求较高，工艺难度大。
总之，区熔法生长单晶是一种先进的单晶生长方法，具有广泛的应用前景。
但是，随着技术的不断提高，还有很多问题需要解决，例如获得高质量的单晶和提高单晶的产量等。
电子束冷床炉熔炼技术
电子束冷床炉熔炼技术电子束冷床炉熔炼（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＣｏｌｄＨｅａｒｔｈＭｅｌｔｉｎｇ—ＥＢＣＨＭ）技术，是２０世纪七八十年代发展起来的新型熔炼方法。
ＥＢＣＨＭ技术是一种把电子束和冷炉床结合，在高真空下进行熔炼的冶金技术。
与真空自耗重熔不同，其主要特征是用一个可以进行精炼的冷炉床把原料或电极的熔化和铸锭浇铸分开。
以电子枪的强流电子束作为熔炼热源，使金属熔化，熔融的金属液在特殊设计的冷炉床（即一种比较浅的狭长水冷铜质坩埚）里流动，进行精炼、净化后流入铸模（即配置拉锭机构的水冷结晶器）顺序凝固结晶形成铸锭。
电子束冷床炉熔炼技术经过近四十年的发展，已经超出了传统的冶金操作技术的范畴，成为当代战略金属钛冶金科学技术的一个重要发展前沿，是活性金属以及高熔点金属的提纯和净化能以经济的方式进行工业化大规模生产的主要技术手段，是国民经济和国防建设中一种新兴的，具有重要战略意义的高科技材料产业。
该项技术在钛冶金领域所蕴含的独特的技术经济优势主要有：（１）能够单独调控钛合金处于熔融状态的时间，而不影响铸锭中凝固的那一部分金属液，从而创造更好的精炼条件，使富Ｎ、富Ｏ的夹杂物通过分解的方式得以去除使得合金净化，又不致造成像真空自耗重熔铸锭那样深的熔池，有效避免熔质元素偏析。
（２）能够很方便地利用重力分离的机制，使采用返回料可能夹带的ＷＣ刀具碎块和电极焊接Ｗ夹杂等高比重夹杂物下沉，落入冷炉床凝壳的糊状区而得以去除，不致流入铸锭。
（３）可以直接浇铸成如扁锭、棒条等非轴对称铸锭，比大型圆锭更适合轧制成平面产品（如厚板、薄板和条带），使产品更具竞争力。
（４）能够很有效地利用各种形式的返回料，有利于资源的保护和可持续利用。
（５）便于使用各种在线传感器，对熔化精炼过程进行实时的监测和控制，使这种复杂的高技术装置运行的稳定性与重复性有了可靠保证，并有利于工艺的优化。
电子束冷床炉熔炼设备的关键器件是电子枪，电子束具有很高的能量密度（103~106Ｗ／ｃｍ２），可以达到很高的温度，能够熔化一切金属，并且在真空条件下（＜１０－３Ｐａ）运行，能够充分地去除各种有害杂质和气体，特别适合于熔炼活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｈｆ）和难熔的高熔点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ）及合金。
电子束冷床炉熔炼技术
电子束冷床炉熔炼技术电子束冷床炉熔炼（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＣｏｌｄＨｅａｒｔｈＭｅｌｔｉｎｇ—ＥＢＣＨＭ）技术，是２０世纪七八十年代发展起来的新型熔炼方法。
ＥＢＣＨＭ技术是一种把电子束和冷炉床结合，在高真空下进行熔炼的冶金技术。
与真空自耗重熔不同，其主要特征是用一个可以进行精炼的冷炉床把原料或电极的熔化和铸锭浇铸分开。
以电子枪的强流电子束作为熔炼热源，使金属熔化，熔融的金属液在特殊设计的冷炉床（即一种比较浅的狭长水冷铜质坩埚）里流动，进行精炼、净化后流入铸模（即配置拉锭机构的水冷结晶器）顺序凝固结晶形成铸锭。
电子束冷床炉熔炼技术经过近四十年的发展，已经超出了传统的冶金操作技术的范畴，成为当代战略金属钛冶金科学技术的一个重要发展前沿，是活性金属以及高熔点金属的提纯和净化能以经济的方式进行工业化大规模生产的主要技术手段，是国民经济和国防建设中一种新兴的，具有重要战略意义的高科技材料产业。
该项技术在钛冶金领域所蕴含的独特的技术经济优势主要有：（１）能够单独调控钛合金处于熔融状态的时间，而不影响铸锭中凝固的那一部分金属液，从而创造更好的精炼条件，使富Ｎ、富Ｏ的夹杂物通过分解的方式得以去除使得合金净化，又不致造成像真空自耗重熔铸锭那样深的熔池，有效避免熔质元素偏析。
（２）能够很方便地利用重力分离的机制，使采用返回料可能夹带的ＷＣ刀具碎块和电极焊接Ｗ夹杂等高比重夹杂物下沉，落入冷炉床凝壳的糊状区而得以去除，不致流入铸锭。
（３）可以直接浇铸成如扁锭、棒条等非轴对称铸锭，比大型圆锭更适合轧制成平面产品（如厚板、薄板和条带），使产品更具竞争力。
（４）能够很有效地利用各种形式的返回料，有利于资源的保护和可持续利用。
（５）便于使用各种在线传感器，对熔化精炼过程进行实时的监测和控制，使这种复杂的高技术装置运行的稳定性与重复性有了可靠保证，并有利于工艺的优化。
电子束冷床炉熔炼设备的关键器件是电子枪，电子束具有很高的能量密度（103~106Ｗ／ｃｍ２），可以达到很高的温度，能够熔化一切金属，并且在真空条件下（＜１０－３Ｐａ）运行，能够充分地去除各种有害杂质和气体，特别适合于熔炼活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｈｆ）和难熔的高熔点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ）及合金。
单晶材料的制备方法介绍
单晶材料的制备方法介绍1. Czochralski法（CZ法）：CZ法是制备单晶材料最常用的方法之一、该方法适用于硅、锗等半导体材料的制备。
首先，将纯度较高的多晶材料放入石英坩埚中，加热至熔融状态。
然后，悬挂一根称为“种子”的单晶材料，在熔融液与种子的接触面上形成一层新的单晶材料。
接着，将种子缓慢提升，使新生长的单晶材料通过熔液与种子的接触面向上生长。
最终，可以获得一颗完整的单晶材料。
2.化学气相输送法（CVD法）：CVD法适用于制备金属、氧化物、氮化物等材料的单晶。
该方法需要使用金属有机化合物或氯化物等作为前体物质，以气体状态输送到反应室中。
在反应室中，前体物质被加热分解，产生含有金属元素或其化合物的气体。
随后，这些气体在合适的温度和压力下与基底反应，形成单晶生长。
3. 溶剂热法（Solvothermal法）：溶剂热法适用于制备氧化物、硫化物、硒化物等材料的单晶。
首先，在一个封闭的反应容器中，将反应物溶解在有机溶剂或水溶液中。
然后，将反应容器加热到合适的温度和压力，通过溶剂的溶解度变化促进物质的结晶。
最终，在反应容器中可以得到单晶材料。
4. 浸渍法（Dip Coating法）：浸渍法适用于制备薄膜的单晶材料。
首先，将基底材料浸入含有单晶前体物质的溶液中。
然后，缓慢提取基底材料，使溶液中的单晶前体物质逐渐沉积在基底上形成薄膜。
这个过程可以重复进行多次，以增加薄膜的厚度。
最后，通过热处理等方法使薄膜结晶，形成单晶材料。
5. 悬浮法（Floating Zone法）：悬浮法适用于制备高熔点材料的单晶。
首先，将反应材料加热至熔融状态。
然后，使用高温电子束或激光束加热材料，在熔液中形成一个高温区域。
在高温区域内，材料逐渐凝固并形成单晶。
通过慢慢移动高温区域，可以得到一颗完整的单晶材料。
以上是几种常用的单晶材料制备方法的简要介绍。
在实际制备过程中，需要结合具体的材料和要求来选择适合的方法，并对工艺参数进行优化，以获得高质量的单晶材料。
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第41卷第3期2017年6月中国钼业CHINA MOLYBDENUM INDUSTRYVol.41 No.3Jun2017利用电子束区域炼熔法制备Mo合金单晶殷涛，胡忠武，郭林江，高选桥，任广鹏，李来平(西北有色金属研究院，陕西西安710016)摘要:主要介绍了电子束区域炼熔制备Mo合金单晶的方法及其过程，重点分析和讨论了 Mo合金单晶制备过程 中影响熔区稳定的主要因素。
结果表明，通过电子束区域熔炼法去除M o合金棒材的杂质，可获得表面质量、组织 内部结构较好的Mo合金单晶棒，其中单晶棒中的杂质含量小于50 mg/kg。
关键词：电子束区域炼溶法;Mo合金;单晶D O I：10. 13384/j. cnki. cmi. 1006 -2602. 2017. 03. 008中图分类号:TG146.4 + 12 文献标识码:A 文章编号:1006 -2602(2017)03 -0037 -03PREPARATION OF Mo ALLOY SINGLE CRYSTAL BY ELECTRONBEAM FLOATING ZONE MELTINGYIN Tao,HU Zhong-wu,GUO Lin-jiang,GAO Xuan-qiao,REN Guang-peng LI Lai-ping(Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research,Xiran710016, Shaanxi,China) Abstract：Preparation of Mo alloy single crystal by electron beam floating zone melting (EBFZM)was introduced, the discussion and analysis of factors influencing the stability of melting zone were focused on .It’s indicated that EBFZM can purify alloys efficiently,and prepare Mo alloy single crystal rods with smooth surface,homogeneous microstructure and impurity content of less than50 mg/kg.Key words：electron beam floating zone melting；Mo alloy；single crystal〇引言电子束熔炼提纯难熔金属早在50年代已有报 道[1]。
电子束熔炼技术的实质是热阴极发射的电 子通过专用聚焦系统，聚焦成电子束，当其经过高压 电场时电子被加速从阴极向阳极运动和阳极发生碰 撞而将其动能转化为热，使阳极发热并使其熔化[2]。
电子束区域熔炼是利用杂质元素在金属的 凝固态和熔融态中溶解度的差别，使杂质析出或改 变其分布的一种方法，在金属中的杂质多数是另一 种金属，且在固相中以固溶体的形式存在[3]。
1956 年英国 Calverley、Davis、Lever首先提出了 电子束区熔技术[4]，美国于上世纪90年代开始研制 用于热离子反应堆系统的大尺寸钼、钨及其合金单 晶。
美国奥本大学利用电子束区熔技术制备出一系列钼基和钨基合金的单晶[5]。
单晶品质取决于原 料的化学成分、气体杂质含量、区熔次数及区熔速率 等。
为去除原材料中夹杂的气体、保持熔区的稳定收稿日期=2017 -04 -19;修订日期:2017 -05 -06作者简介:殷涛（1982—），男，工程师，研究方向：难熔金属高纯及单晶材料。
E-mail:273950751@ 性以制备出单晶，一般采用低速多次区熔，而且较低 的区熔速率有利于减少甚至消除小角度亚晶界。
材 料的挥发损失受区熔速度及次数的影响也比较大。
1实验过程1.1实验原理实验中Mo合金采用多次电子束熔炼和电子束 区熔法来进行，熔炼过程如图1所示。
Mo合金由于 固液两相区的完全固溶合金，而且在电子束的作用 下晶粒更容易长大，易于形成单晶，最终得到Mo合 金单晶材料。
本实验采用了有籽晶电子束悬浮区域 熔炼法进行单晶生长。
图1电子束区域熔炼工作原理示意图1 -多晶原料棒；2 -电子枪；3-阴极;4 -懷区；5-好晶1.2多晶原料棒的制备多晶原料棒的制备选用高纯Mo粉与合金粉末 经压制、烧结等工序制成Mo合金烧结条，经电子束• 38•中国钼业2017年6月熔炼制成熔炼锭，再经锻造等热加工方法，制成电子束区域熔炼所必须的多晶原料棒[6_7]。
1.3电子束区熔实验实验用籽晶采用和多晶原料棒合金成分相同的 Mo合金单晶棒加工而成[8]，籽晶晶轴方向为< 111 >晶向偏角接近于〇°。
为消除区熔时由原料中气体杂质挥发引起电流波动对区熔过程的不利影响，电子束区熔实验开始时采用比较小的发射电流，使多晶原料棒仅熔化一薄层，逐次增加发射电流，使多晶原料棒的熔化厚度渐次增加，以使在完全熔化时试样中的多数气体杂质全部排除。
当炉内真空度不低于2.0 X 10 _2P a时，准备 区熔开始区熔，将多晶原料棒与籽晶固定到一定位 置，再移动电子枪至两者之间。
区域开始逐渐增加 发射电流，使该区域的金属全部熔化成液体，但是又 使它在表面张力的作用下又不会溢流，然后使电子 枪慢速向上移动，熔区也随之向上移动，下端已熔化 的金属渐渐再凝固，此时所析出的固相金属中杂质 含量比原来的金属中少。
在凝固区与熔化区的界面 上，杂质分配在液相的浓度较固相中大，所以随着熔区向上段移动，杂质也向上端移动，当电子枪移动到 最上端时，电子枪停止移动原料向上移动，同时缓慢 降低电子枪的发射电流，使熔区上端与下端断开，再 Xt熔区下端进行烘烤并缓慢降低发射电流使下端面 慢慢凝固，下端为新生长出的单晶。
上述区熔过程 需要在真空条件下自然冷却。
2分析与讨论多晶原料棒的加工主要为了去除多晶原料棒中 的杂质元素，同时可以获得直径尺寸和内部组织均 勻的多晶原料棒。
通过对各个工序中Mo合金内部 杂质元素含量进行分析，分析结果如表1所示。
从 表1可知，钼合金粉经高温真空烧结制成的烧结条 中C、0含量分别为200mg/kg和1000mg/kg,经过电子束熔炼后制成的多晶原料中c、0含量分别降 至100 mg/kg和50 mg/kg,最后经过电子束悬浮区 域熔炼后C、0含量仅为0. 14 mg/kg和1. 1mg/kg。
其余杂质元素含量在熔炼过程中均有明显降低。
辉 光放电质谱的结果表明，电子束区熔后的单晶材料 内部全部杂质元素总含量不大于50 mg/kg。
表1Mo- N b合金杂质元素分析ng/kg 材料杂质含量分析C N0H Fe Si Ca Cu A1V Sb烧结条200301 0002040201020202020多晶原料棒10010509201021010105区熔单晶棒0. 140.031. 150.0050.020.030.010.0070.0010.008电子束区域熔炼时，由于杂质元素在固态和液 态中的溶解度不同，大部分杂质元素将通过原料内 部向熔体表面扩散，并以气体的形式蒸发或去除，C、0元素由于在固液中的分配系数K值接近于1，在电子束悬浮区域熔炼时与H、0反应生成CH X、COx的形式被去除，因此C、0元素在电子束区域熔炼时被更好地去除[9]。
生长出的M〇合金单晶宏观照片和内部组织照 片。
由图片可以看出，经过2次电子束熔炼后杂质 元素含量较低的多晶原料棒，再进行电子束区域熔 炼，由于原料棒中的杂质已经降至很低，电子束悬浮 区域熔炼时熔区稳定，所生长出在电子束区熔过程 中，多晶原料棒中杂质元素含量超标就会影响熔区 的稳定性，导致单晶不能稳定生长，如图2所示。
图2a为熔区不稳定状态下生长的Mo合金单晶宏观照片，可以看出外形不均勻，直径变化也比较大;图2b 为熔区不稳定状态下生长的Mo合金双晶照片。
这 是在熔炼过程中由于熔区的不稳定，导致熔区的温 度变化也比较大，进而形成的双晶组织；图2中的 C、d图片为熔区稳定的状态下的Mo合金单晶直径 及内部组织都比较均勻。
实验对Mo合金单晶棒的两端头分别取片，在 X衍射仪上采用旋转定向法测定单晶晶向偏离角[1°]。
图3为对单晶棒两端头样品的XRD摇摆曲 线图。
图中（a)、（b)分别为初始生长单晶端和结束 末端的样品经衍射后的衍射峰。
衍射峰的峰型尖 锐，峰强度高，两对峰基本重合，偏离角小，分别为 0°和1.05°,半峰宽亦小，仅为1°左右。
这说明该样 品为具有[111]晶向的单晶体，且单晶样品的晶向 品质优异。
所以原料的杂质含量控制对单晶的稳定 生长具有至关重要的作用。
第41卷第3期殷涛等:利用电子束区域炼熔法制备Mo合金单晶• 39•10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100(° )WL= 1.54060(58.06。
-58.06。
）/2=0。
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100f)WL= 1.54060(58.08° -56.98° )/2=1.05®图3 M o合金单晶样品的XRD衍射图结论(1)通过电子束溶炼后的Mo合金原料，米用Mo单晶合金籽晶，并通过电子束区域熔炼法可生长出杂质含量低、表面质量和组织内部结构优异的Mo合金单晶。
(2)电子束区域熔炼对Mo合金中的杂质元素 有很好的去除效果，特别是C、0杂质元素的去除效果更为明显0(3) 经过电子束熔炼和电子束区域熔炼后得到的M o合金棒材内部全部杂质总含量不大于50 mg/kg。
参考文献[1]殷涛，李中奎，胡忠武，等.电子束熔炼M o合金提纯效果分析[J].装备制造技术，2013，（1) :10 - 11.[2]稀有金属材料加工手册编写组编.稀有金肩材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社，1982.[3]吴洪，区熔熔炼法制备高纯度金属[J].化学工程，2001,(3) ：16 -17.[4] Glebovsky V G,Semonov V N.Electron - beam floatingzone melting of refractory metals and alloys：art and science[J].International Journals of Refractory Metals&Hard Materials,1994,12(5) ：295 -301.[5] J.Bohm,Ankeludge,Winfriend Schroder.Handbook ofCrystal Growth[M].Elsevier Science B.V.，1994[6]郭林江，胡忠武，殷涛，等.钼合金电子束区域熔炼过程失稳分析及对策[J].中国钼业，2015,39(6) :51-54.[7]殷涛，胡忠武，郭林江，等.M。