Рафінування танталу та дослідження деяких його властивостей
Дослідження процесів рафінування танталу фізичними методами. Одержання чистого танталу та дослідження його властивостей. Аналіз поведінки домішок при рафінуванні танталу. Вплив параметрів рафінування і чистоти вихідного металу на властивості танталу.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 18.11.2013 |
| Размер файла | 60,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР
"ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Рафінування танталу та дослідження деяких його властивостей
01.04.13 - фізика металів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Пилипенко Микола Миколайович
Харків - 1998
Дисертація є рукопис
Дисертація виконана у Національному Науковому Центрі "Харківський фізико-технічний інcтитут”
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор
Ажажа Володимир Михайлович
(заступник директора Інституту фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут”).
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Пугачов Анатолій Тарасович
(професор кафедри Харківського державного політехнічного унiверситету)
кандидат фізико-математичних наук,
Катрич Микола Петрович
(старший науковий спiвробiтник Інституту монокристалів НАН України, м. Харків).
Провідна організація: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.
Захист відбудеться " 30 " березня 1999 року о 15-00 годині
на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 у Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інcтитут” (310108, м. Харків-108, вул. Академічна, 1)
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інcтитут” (310108, м. Харків-108, вул. Академічна, 1).
Автореферат розісланий " 26 " лютого 1999 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради М.І. Айзацький
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Тантал має унікальний комплекс фізико-механічних властивостей: високу температуру плавлення, високу міцність і пластичність, а також стійкість проти корозії і розтріскування під напруженням.
Завдяки вище переліченим властивостям цей метал, а також його сплави, знаходять широке застосування в радіоелектроніці і електротехніці, металургії кольорових і рідкоземельних металів. Розширюється застосування танталу в ракетобудуванні, ядерній енергетиці і хімічному апаратобудуванні, а також для виготовлення деяких медичних інструментів та пристосувань.
Проте, тантал технічного ступеню чистоти не завжди задовольняє вимогам технологій, що швидко розвиваються та новим матеріалам. Так, для одержання конденсаторів з більш високими робочими напругами та стабільними експлуатаційними характеристиками вимагається тантал чистотою 99,99 мас. %. Нові технології, зокрема, мішені, що розпилюють, які використовуються для одержання сучасних інтегральних схем вимагають тантал ще більш високої чистоти.
Підвищення чистоти металів призводить не тільки до зміни відомих їх властивостей, але й до виявлення нових, раніше "завуальованих" домішками. Чисті метали є необхідним об'єктом дослідження природи впливу власних, домішкових та інших дефектів на структурно-чутливі властивості, що мають велике значення для розробки теорії створення металічних матеріалів із заданими властивостями.
У складній схемі отримання чистих металів фізичні методи рафінування є завершальними. Особливості рафінування танталу фізичними методами вивчені недостатньо. Також недостатньо повно досліджені фізичні властивості танталу. Вивчення фізико-механічних властивостей танталу проведено в основному на металі технічного ступеня чистоти. Тому одержання танталу в високо чистому стані значно розширить уявлення про його властивості та відкриє нові можливості його застосування в нових областях науки і техніки.
У нинішній час в Україні існують необхідні металургійні потужності та створюється сировинна база для виробництва гостродефіцитних металів, у тому числі і танталу (Протокол № 33 засідання Кабінету Міністрів України від 21 вересня 1998 р.). Активно ведуться розробки та освоєння нових перспективних родовищ руд металів, супутніми яких є і танталові руди. В перспективі це дозволить налагодити в Україні власне виробництво металевого танталу. Вивчення основних закономірностей методів рафінування танталу дозволить вирішити задачу виробництва танталу необхідної чистоти для різноманітних галузей економіки України.
Зростаючий інтерес нових областей науки і техніки до унікального комплексу фізико-механічних властивостей танталу, а також його сплавів та сполук, перспективність більш широкого його використання, розробка комплексних методів рафінування і пов'язана з цим можливість подальшого накопичення нових даних при дослідженнях його властивостей - все це і визначає актуальність роботи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень тісно пов'язаний з тематикою ННЦ ХФТІ і лабораторії фізики та технологій чистих металів, де була виконана робота, в рамках державних програм та НДР, які проводились у ННЦ ХФТІ згідно з планом науково-дослідних робіт (Програма робіт з атомної науки та техніки ННЦ ХФТІ на період 1992-2000 рр. від 23.03.1993 р., затверджена Мінмашпромом та НАН України) та згідно з планами науково-дослідних робіт ХФТІ за програмою № Х12476-86.
Мета і основнi задачі дослiдження. Метою роботи є вивчення процесів рафінування танталу фізичними методами, одержання чистого танталу та дослідження його властивостей.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:
шляхом розрахунків встановити ефективність рафінування танталу різними фізичними методами, у тому числі визначити коефіцієнти очистки металу від домішок під час електронно-променевої плавки, рівноважні і ефективні коефіцієнти розподілу домішкових елементів при зонній плавці з урахуванням випаровування домішок;
експериментально вивчити поведінку домішок при рафінуванні танталу різними фізичними методами (електронно-променевою плавкою, зонною перекристалізацією у вакуумі і у розрідженому середовищі кисню, електропереносом);
визначити ефективність методів рафінування, запропонувати комплексну схему рафінування танталу і одержати чисті монокристали танталу;
вивчити вплив параметрів рафінування і чистоти вихідного металу на властивості танталу;
створити установку для вивчення процесу газовиділення при електронно-променевій вакуумній плавці, що дозволить оптимізувати та автоматизувати процес рафінування металів електронно-променевою плавкою.
Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні цієї дисертаційної роботи було вперше:
на основі розрахункових та експериментальних досліджень встановлені основні закономірності процесів рафінування танталу електронно-променевою плавкою і зонною перекристалізацією, оцінена ефективність вилучення домішок цими методами;
встановлено, що рівноважний коефіцієнт розподілу домішок і розмірний фактор мають періодичність в залежності від атомного номеру елементу в Періодичній системі;
запропоновано схему комплексного рафінування танталу поєднанням хімічної очистки від важковилучаємих домішок на стадії одержання вихідного матеріалу та фізичних методів: переплав у розрідженому активному середовищі, зонну плавку у надвисокому вакуумі, зонну плавку в поєднанні з електропереносом;
встановлено особливості температурного ходу електроопору танталу та вивчено особливості взаємодії танталу з газами;
вперше експериментально одержано відомості про місцезнаходження атомів азоту в кристалічній решітці танталу;
розроблено і створено пристрій, що дозволяє оптимізувати та автоматизувати процес рафінування металів електронно-променевою плавкою.
Науковi результати, що виносяться на захист:
Особливості поведінки домішок при рафінуванні танталу електронно-променевою плавкою, зонною перекристалізацією та електропереносом.
Отримання монокристалів танталу із вмістом металевих домішок <10-4-10-6 мас %.
Результати досліджень фізичних властивостей танталу (місцеположення атомів азоту в кристалічній решітці танталу, електроопір, структура та ін.).
Створення установки, що дозволяє оптимізувати та автоматизувати процес електронно-променевої плавки металів
Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень рафінування танталу і його властивостей дають можливість здійснити науковий підхід до одержання танталу з низьким вмістом домішок для сучасних технологій та створення конструкційних матеріалів для атомних реакторів нового покоління та інших особливо відповідальних застосувань. Встановленні закономірності рафінування танталу та розроблений комплексний метод одержання чистого танталу можуть бути застосовані при рафінуванні хімічно активних і тугоплавких металів.
рафінування тантал метал властивість
Запропонований у роботі пристрій для аналізу залишкових газів при електронно-променевій плавці знайшов практичне застосування для оптимізації та автоматизації процесу плавки промисловими печами ЕМО-250 танталу на УМЗ (м. Усть-Каменогорськ, Казахстан) та ніобію на СХЗ (м. Сілламяе, Естонія) і тому може найти застосування на підприємствах України, що займаються виробництвом металів і сплавів для різноманітних галузей машинобудування, приладобудування та атомної енергетики.
Особистий внесок здобувача полягає у безпосереднiй участi в одержаннi наведених в роботi розрахункових та експериментальних даних по рафінуванню танталу різними фізичними методами, експериментальних даних при дослідженні його властивостей, обробцi та iнтерпретацiї одержаних даних, їх зiставленнi з результатами робiт по даній проблемi, розробці установки та методики дослідження газовиділення із металів в процесі їх плавки та їх випробуванні в промислових умовах, пiдготовцi матерiалів до публікації, формулюваннi основних положень дисертацiйної роботи. В постановці завдання, обговоренні поточних результатів, розробці підходу до рафінування танталу приймав участь науковий керівник роботи доктор фіз. - мат. наук В.М. Ажажа. Допомогу у визначенні місцеположення атомів азоту у кристалічній решітці танталу надав доктор фіз. - мат. наук М.О. Скакун, використовуючи розроблену ним методику. Допомогу в одержанні експериментальних результатів надали кандидати фіз. - мат. наук П.М. В'югов, С.Д. Лавриненко та В.А. Єленський.
Апробація результатів роботи. Матерiали дисертацiї доповiдались і були обговоренi на VIII Всесоюзній нараді "Физические методы получения металлов особой чистоты и исследование их свойств (Харків, 1988 р.); Міжнародному семінарі "Водородная обработка материалов” (Донецьк, 1995р.), Московській міжнародній телекомунікаційній конференції студентів та молодих вчених "Молодежь и наука-97” (Москва, 1997-1998рр.), 11 Міждержавній конференції по фізиці радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавству (Алушта, 1998 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 121 найменувань. Робота містить 146 сторінок, включаючи 25 ілюстрацій та 32 таблиці.
Основний зміст роботи
У Вступi обгрунтовано актуальнiсть теми дисертацiї, визначенi мета і основнi завдання роботи, показано наукову новизну одержаних результатiв, їх практичне значення, а також сформульованi основнi науковi результати і положення, що виносяться на захист.
Перший розділ дисертації є оглядовим і складається з чотирьох підрозділів. У першому підрозділі приведені фізичні властивості танталу. У другому підрозділі розглянуто фізичні процеси, методи і закономірності рафінування металів у вакуумі. У третьому підрозділі проведено аналіз літературних експериментальних даних по одержанню та рафінуванню танталу. У четвертому підрозділі розглянуто закономірності взаємодії танталу з домішками та приведено літературні дані по впливу домішок на властивості танталу. У завершенні відмічено, що фізичні процеси поведінки домішок утиснення в танталі при високих температурах в вакуумі вивчені лише частково.
На пiдставi проведеного аналiзу стану проблеми у пiдсумку роздiлу сформульованi мета і основнi завдання дисертацiйної роботи.
У другому розділі описуються вихідні матеріали та їх елементний аналіз, методи рафінування і вакуумно-металургійне обладнання, яке використовувалось для рафінування танталу. Приводиться опис методів та установок для вивчення взаємодії танталу з газами, атестації чистоти одержаного металу, методики дослідження фізико-механічних властивостей.
Описано устрій та порядок роботи розробленої та створеної установки "Разбавитель”, яка дозволяє за допомогою мас-спектрометра контролювати склад залишкових газів в камерах електронно-променевих установок в процесі плавки тугоплавких та хімічно активних металів з метою оптимізації та автоматизації процесу плавки металів як в лабораторних, так і промислових умовах.
Третій розділ дисертації присвячено фізичному обгрунтуванню процесів глибокої очистки танталу.
У підрозділі 3.1 проведено розрахунок зміни концентрації домішок в танталі під час електронно-променевої плавки (ЕПП) при різній втраті маси основи. Ступінь очистки основного металу від домішок, випаровуванням у вакуумі при електронно-променевій плавці, характеризується коефіцієнтом очистки
(1)
де - коефіцієнт активності;
P01 і P02 - тиск насиченої пари чистих компонентів;
М1 і М2 - молекулярні маси компонентів 1-го і 2-го.
Рівняння, яке безпосередньо зв'язує ступінь очистки металу від домішки з втратою маси основного компонента, має вигляд:
(2)
де N2 і N20 - вміст домішки до і після випаровування;
W1 і W10 - маса основного компонента до і після випаровування.
Проведено аналіз ефективності очистки танталу від домішок в залежності від величини коефіцієнту очистки . Аналіз можливості очистки танталу ЕПП показав, що для одержання чистого матеріалу необхідно на стадії отримання танталу у металічному стані вилучати домішки з <1, а також зменшувати вихідний вміст домішок з ~ 1-30, вилучення яких може відбуватися лише при значних втратах матеріалу основи. Зниження їх вмісту у вихідному металі дозволить одержати необхідний ступінь чистоти з меншими втратами матеріалу основи, а зниження парціального тиску залишкових пар за рахунок покращання вакуумних умов або створення контрольованих вакуумних середовищ дозволить підвищити ефективність очистки від газоподібних домішок (O2, N2, H2) та сполук вуглецю. Узагальнені результати по ефективності очистки танталу електронно-променевою плавкою приведені в табл.1.
Таблиця 1
Ефективність очистки танталу від домішок при ЕПП
|
Значення |
Ефективність очистки при ЕПП |
Домішкові елементи |
||
|
< |
1 |
немає очистки |
W, Re |
|
|
1 - |
30 |
не значна |
Os, Nb |
|
|
30 - |
100 |
суттєва очистка при втраті маси основи 10-15% |
Mo, Ir |
|
|
> |
100 |
суттєва очистка при втраті маси основи <5% |
Ru, Rh, V, Zr, Pt,Cr, Ti, Pd, Si, Fe, Ni,Cu, Al, Co |
У підрозділі 3.2 із діаграм стану та термодинамічним розрахунком визначено рівноважні коефіцієнти розподілу К0 домішок у танталі. Проведено порівняння значень для К0, розрахованих рівняннями і методом дотичних. Виявлено, що практично всі домішки мають рівноважний коефіцієнт розподілу менше одиниці, за винятком W.
На рис.1 представлена залежність рівноважних коефіцієнтів розподілу домішок в танталі, та величини розмірного фактору від порядкового номеру в Періодичній системі елементів (rосн, ri - атомний радіус основи і домішки відповідно).
Рис. 1. Змінювання рівноважних коефіцієнтів розподілу Ко (1) і розмірного фактору |r| (2) для домішок у танталі в залежності від атомного номеру елемента в Періодичній системі.
Виявлено періодичність змінювання К0 від порядкового номеру. Для всіх періодів коефіцієнт розподілу К0 проходить через максимум: для другого періоду максимальне значення К0 приходиться на В, С, у третьому періоді на Nа, у четвертому - Ti, V, Сr, Fe, у п'ятому - переважно на Nb, Мо, Ru, у шостому на W, Re, Оs. Для великих періодів максимальне значення К0 приходяться на елементи, які мають, як правило, мінімальне значення розмірного фактору |r|. Таким чином, максимальні значення К0 приходяться на елементи, які мають мінімальний розмірний фактор, тобто на елементи зі значною розчинністю в основі.
Для оцінки поведінки домішкових елементів в процесі зонної перекристалізації (ЗП), було проведено розрахунок основних параметрів, що характеризують цей процес: ефективний К та рівноважний К0 коефіцієнти розподілу, зведений коефіцієнт випаровування gi і відносну концентрацію домішки Cngi/C0 з урахуванням її випаровування при числі проходів зони n по співвідношенням:
(3)
(4)
(5)
де f - швидкість росту кристалу (переміщення зони), см2/хв;
D - коефіцієнт дифузії домішки в розплаві, см2/с;
- товщина дифузійного шару в розплаві, см;
Н - теплота плавлення розчиненого елементу, Дж/моль;
R - універсальна газова постійна, Дж/моль К;
Тосн - температура плавлення основи, К;
Тi - умовна температура плавлення домішкового елементу, значення якої вибиралось в залежності від типу діаграми стану основа-домішка, К;
C0 - початкова концентрація i-ої домішки в танталі;
Cngi - гранична концентрація i-ої домішки в залежності від числа проходів зони n з урахуванням випаровування для квазістационарної області;
gi - зведений коефіцієнт випаровування (безрозмірна величина), який залежить від властивостей самої домішки (активності, мольного часу випаровування), основного компоненту (мольного об'єму) і від умов проведення експерименту (швидкості переміщення зони та відношення довжини зони до її радіусу).
Аналіз розрахованих значень ефективного коефіцієнту розподілу К, фактору випаровування gi і значень відносної зміни концентрації домішок від числа проходів зони Сng/С0 при швидкості руху зони 2 мм/хв і 4 мм/хв показав, що для домішок в танталі, що мають gi в інтервалі 110-5-110-1, значної зміни концентрацій домішок не буде навіть при більше ніж 20 проходах зони. Це W, Оs, Nb, С, Re, Mo, Ir, Ru, Rh, V, Zr, Pt в танталі. Для домішок, що мають gi ~ (1-3,5) 10-1 незначні зміни вмісту домішок будуть спостерігатися лише після більше ніж 10 проходів зони (Сr, Ti, Pd). При зміні gi від 3,5 10-1 до 2 значні зміни концентрації домішок можна очікувати в інтервалі від 5 до 10 проходів зони (Fe, Ni). При значеннях gi від 2 до 8 спостерігається значна зміна концентрацій домішок після 1 - 5 проходів зони (Сu, Al, Сo).
Таким чином, для одержання високочистих монокристалів з вмістом кожного із домішкових елементів ~ (10-5-10-6) %, необхідно, щоб вміст домішок з gi < 3,5 10-1 у вихідному стані був 10-5 - 10-6 %, домішок з gi = (3,510-1 - 2) повинно бути < (10-3 - 10-4) %, а домішок з gi від 2 до 8 - 10-2 %.
Аналіз вихідного вмісту домішок у танталі свідчить про те, що для ефективного його рафінування зонною плавкою необхідно проводити від 5 до 10 проходів зони при швидкості руху зони 4 мм/хв. Необхідно також відзначити, що на зміну вмісту домішок в процесі зонної плавки може чинити вплив процес випаровування металу основи, який при розрахунках не враховувався, особливо це відчується на домішках, фактор випаровування яких менше 8.
Узагальнені результати по ефективності очистки танталу зонною перекристалізацією приведені в табл.2.
Таблиця 2.
Ефективність очистки танталу в залежності від коефіцієнта випаровування.
|
Інтервал значень gi |
Число проходів зони |
Домішкові елементи |
||
|
W, Re, Os, Nb, Mo, Ir, |
||||
|
1,010-5 - |
1,010-1 |
>> 20 |
Ru, Rh, C, V, Zr, Pt |
|
|
1,010-1 - |
3,510-1 |
> 10 |
Cr, Ti, Pd, Si |
|
|
3,5.10-1 - |
2 |
5 - 10 |
Fe, Ni |
|
|
2 - |
8 |
1 - 5 |
Cu, Al, Co |
У четвертому розділі приведені експериментальні дані по рафінуванню танталу електронно-променевою плавкою, зонною перекристалізацією та електропереносом.
У підрозділі 4.1 представлені дані проведених систематичних досліджень процесу ЕПП танталу із порошків та прутків промислового виробництва. Виявлено що, вміст деяких домішок у танталі знижується. Основними домішками, що залишаються в танталі після ЕПП, були W, C2, O2. Порівняння з розрахованими концентраціями домішок, проведеними у підрозділі 3.1 при зміні маси основного матеріалу ~5% показує, що концентрація Re, Os, Mo в танталі добре збігається з розрахованими значеннями. Проте вміст других металічних домішок перевищує розрахункові значення, особливо це стосується Zr, Fe.
З метою з'ясування характеру зміни парціальних тисків компонентів залишкового газу в вакуумній камері, в роботі було проведено вивчення газовиділення із танталу в процесі ЕПП. Для цього застосовувався мас-спектрометр МХ-7304, з'єднаний з установкою для ЕПП за допомогою установки "Разбавитель”, яка забезпечувала роботу мас-спектрометра навіть в умовах низького вакууму в камері установки ЕПП. Виявлено, що основними газами, що виділяються із танталу при плавці у вакуумі є: водень, азот і оксид вуглецю, і в меншому ступені виділяється двооксид вуглецю. Встановлення закономірності між парціальним тиском газів, що виділяються із металу в процесі ЕПП та їх вмістом у металі, одержаному після плавки дозволяє оптимізувати цей процес і одержувати метал із заданим вмістом цих домішок, а використання цих закономірностей комп'ютером - автоматизувати процес одержання металу із заданим вмістом цих домішок.
Показано, що ЕПП являється ефективним методом для видалення випаровуванням легколетучих домішок з i >> 100, малоефективна для домішок з i від 1 до 30 та не ефективна для домішок з i < 1. Застосування ЕПП не забезпечує глибокої очистки від домішкових елементів W, Nb, C, O.
У підрозділі 4.2 виходячи із аналізу розрахованих значень Ко, К, gi, Сngi, а також аналізу вмісту домішок у вихідних прутках та порошках, зроблено припущення, що при зонній плавці (ЗП) із металу в першу чергу будуть видалятися в результаті випаровування легколетучі домішки. Щоб в металі не могли нагромаджуватися домішки, що важко видаляються під час значного випаровування метала основи, швидкість переміщення зони повинна бути достатньо великою. В зв'язку з цим для очистки танталу ЗП були вибрані швидкості руху зони 12 мм/хв і 4 мм/хв.
Були одержані монокристали танталу різної чистоти, довжина зразків складала 150 - 180 мм, діаметр зразків 7 - 10 мм. Ступінь очистки та характер розподілу домішок в монокристалах танталу контролювався вимірюваннями відносного залишкового електроопору Rзал = R (300K) /R (4,5K) на трьох ділянках кристалу.
Очистка танталу від домішок відбувається як за рахунок випаровування, так і за рахунок їх розподілу по злитку (див. табл.3). Експерименти показали, що оптимальними параметрами очистки пруткового танталу даної вихідної чистоти є такі величини: швидкість руху зони в інтервалі від 2,5 до 4 мм/хв, число проходів 5 (подальше збільшення числа проходів не приводить до підвищення чистоти танталу). Для рафінування порошкового танталу найбільш ефективні такі процедури: початкова зонна плавка з підвищеною швидкістю руху зони, а потім проведення 1-2 проходів із швидкістю 2 - 4 мм/хв.
Оскільки вихідні зразки танталу вміщують велику кількість вуглецю, то для більш повного його видалення використовувалась ЗП в контрольованому середовищі кисню (Po = 5.10-4 мм рт. ст.). Така операція приводить до зниження вмісту вуглецю в танталі за рахунок взаємодії хемосорбованого на поверхні металу кисню з вуглецем, утворюючи оксид вуглецю який виділяється з танталу, що призводить до збільшення величини Rзал одержаних зразків. Найбільш чисті ділянки зразків, одержаних ЗП в розрідженому середовищі кисню, мали чистоту 99,999 мас. %.
Вміст домішкових елементів у монокристалах танталу, одержаних із порошкового матеріалу після ЗП в розрідженому середовищі кисню, знаходиться нижче чутливості методів аналізу: для легколетучих домішок <10-5 %, для важколетучих <10-3 - 10-4 %. Порівняння з розрахунковими даними показує, що в добрій згоді знаходяться домішки Nb, Mo, Os, гірше для W, Re, Ru, V, для домішок Со, Сu спостерігається розбіжність між експериментальними та розрахунковими значеннями.
Таблиця 3
Результати рафінування танталу.
|
Метал |
R зал. |
Параметри |
||||
|
початок |
середина |
кінець |
вихідний |
очистки |
||
|
Ta |
100 |
98 |
70 |
9 |
ЗП 5 проходів, V =12 мм/хв |
|
|
пруток |
160 |
154 |
140 |
9 |
ЗП 5 проходів, V = 4 мм/хв |
|
|
Ta |
109 |
115 |
110 |
- |
ЗП 5 проходів, V =12 мм/хв |
|
|
порошок |
173 |
154 |
114 |
- |
ЗП 5 проходів, V =12 мм/хв + 1 прохід, V =4 мм/хв |
У підрозділі 4.3 представлені дані проведених досліджень процесу рафінування танталу методом електропереносу у надвисокому вакуумі. Показано, що при застосуванні електропереносу досягається розділення домішок (Nb, C і в меншій мірі О), які обмежують чистоту танталу при рафінуванні його зонною перекристалізацією.
У підрозділі 4.4 на основі аналізу процесів рафінування танталу фізичними методами показано, що подальше підвищення чистоти танталу можливе лише при комплексному підходу до процесу очистки. Для одержання танталу особливої чистоти рекомендована схема очистки, що поєднує хімічні методи на стадії отримання вихідного матеріалу та комплексу фізичних методів: електронно-променева плавка, зонна плавка в розрідженому середовищі кисню, на заключній стадії очистки використання зонної плавки у надвисокому вакуумі в поєднанні з електропереносом.
П'ятий розділ присвячено дослідженню властивостей танталу та його взаємодії з газовими домішками у вакуумі при високих температурах.
У підрозділі 5.1 було проведено дослідження взаємодії залишкових газів з танталом при його нагріві у високому вакуумі. Характер взаємодії танталу з залишковими газами при різних температурах нагріву був досліджений методом вимірювання залишкового електроопору. Залежність відносного залишкового електроопору Rзал= R (300К) /R (4,5К) від температури відпалювання танталу представлена на рис.2. Відпалювання при 1875 К спричиняє зниження значення Rзал, що свідчить про максимальне поглинання газів танталом у зазначеному температурному режимі. Висновок, зроблений відносно поглинання газів танталом при зазначеній температурі, був підтверджений вимірюваннями мікротвердості.
Рис.2. Залежність Rзал від температури відпалювання танталу у вакуумі.
Дослідження взаємодії танталу з азотом та киснем було проведено при його нагріві у контрольованому середовищі азоту та кисню, відповідно. Встановлено, що при нагріві танталу у температурному інтервалі 1825-1875 К відбувається максимальне поглинання танталом газів. Причому, початок зазначеного інтервалу відповідає максимальному поглинанню азоту, а його закінчення характерне тим, що при цій температурі відбувається максимальне поглинання кисню і значне видалення азоту. При температурі вище 1875 К відбувається переважно дегазація: адсорбція стає дуже малою, в результаті чого гранична концентрація атомів стає менше концентрації газових атомів в металі, внаслідок цього дифузійний потік направлений до поверхні.
У підрозділі 5.2 на основі результатів досліджень зміни парціального тиску азоту з часом при нагріві танталу у вакуумі, розраховані коефіцієнти масопереносу азоту у танталі та встановлена температурна залежність коефіцієнту масопереносу азоту для промислових зразків танталу.
У підрозділі 5.3 проведено дослідження температурної залежності електроопору танталу різної чистоти в інтервалі 4,2 - 300 К. Відмінність електроопору зразків танталу різної чистоти найбільш значна в області температур нижче 0,5 D (D=238 К, температура Дебая). Можна відмітити такі особливості температурного ходу електроопору: при Т< 50К температурна залежність задовільно описується виразом (Т) = аТ2 + bТ5; при температурах Т> 70 К електроопір танталу лінійно залежить від температури.
Для електроопору танталу при температурах нижче 50 К знайдено значення параметрів 0, a і b для зразків різного ступеня чистоти. В області температур вище 70 К електроопір досліджуваних зразків задовільно описується прямою з тангенсом кута нахилу 4,43.10-10 Ом. м/К. Тільки в інтервалі 140-210 К спостерігається незначне відхилення від лінійної залежності. Ця аномалія виражається зміною температурного коефіцієнту опору в зазначеній області температур.
У підрозділі 5.4 представлені результати дослідження мікроструктури монокристалів танталу. Дослідження показали, що самодовільний ріст кристалів в основному відбувався в напрямку <110>. Для монокристалів танталу характерно поєднання ячеїстої та ступінчастої структури росту. Для меж ячейок характерне випадіння домішок. Фігури травлення відображають кристалографічну симетрію площин і, напевно, являються місцем виходу дислокацій на площину кристалу. Підвищення ступеня чистоти монокристалів танталу призводить до зменшення значень мікротвердості.
У підрозділі 5.5 представлені експериментальні дані по визначенню місцезнаходження атомів азоту в танталі. Для визначення місцезнаходження атомів азоту в танталі із отриманих монокристалів були підготовані зразки, поверхні яких відповідали площинам {100} і {110}. Ці зразки насичували азотом, збагаченим до 98% ізотопом 15N. Для ідентифікації ізотопу 15N використовували ядерну реакцію 15N (p, ) 12C, збуджену протонами з енергією 730 кеВ.
Щоб визначити положення атомів азоту в танталі знімали залежність виходів зворотнорозсіяних протонів на ядрах танталу та -часток реакції 15N (p, ) 12C від кута між напрямком пучка та одним із вибраних кристалографічних напрямків.
Кутове сканування показало значне підвищення виходу -часток при сполученні напрямку пучка протонів з кристалографічними осями <100> і <110> та площиною {110}, що свідчить про розміщення атомів азоту у одному із регулярних міжвузлій. Нормований вихід -часток для осі <110> під кутом 0,6° складає 0,7, що указує на розміщення 1/3 атомів вздовж атомних ланцюжків танталу <110>, а 2/3 атомів азоту розміщуються в центрі каналу. Подібність залежності виходу -часток і розсіяних протонів для площини {100} свідчать про розміщення азоту в окта-міжвузловинах. Таким чином, дані кутового сканування навколо напрямків кристалу Ta15N свідчать про розміщення атомів азоту в окта-міжвузловинах.
Метод, що використовувався, на відміну від інших відомих, є прямим методом визначення місцезнаходження домішкових атомів в кристалі. Відзначимо, що надійні відомості про місцезнаходження атомів азоту в танталі одержані вперше.
Висновки
1. На основі розрахункових та експериментальних досліджень встановлені основні закономірності рафінування танталу електронно-променевою плавкою в вакуумі і зонною перекристалізацією. Показано, що експериментальні дані по видаленню і розподілу домішок при електронно-променевій плавці та зонній перекристалізації добре узгоджуються для більшості аналізуємих та важковидаляємих домішок з розрахунковими даними коефіцієнтів очистки і коефіцієнтів розподілу виконаних для ідеальних розчинів. Установлено, що рівноважний коефіцієнт розподілу домішок (Ко) і розмірний фактор мають періодичність в залежності від атомного номеру елементу в Періодичній системі Менделеєва.
2. Одержано монокристали танталу з вмістом металічних домішок <10-4-10-6 мас. % Визначені оптимальні параметри зонної перекристалізації танталу і основні домішки, які обмежують чистоту металу. Запропонована схема комплексного рафінування танталу поєднанням хімічної очистки від важковидаляємих домішок на стадії одержання вихідного матеріалу та фізичних методів: переплав у розрідженому активному середовищі, зонна плавка у надвисокому вакуумі в поєднанні з електропереносом.
3. Дослідженням процесу взаємодії танталу з залишковими газами у вакуумі установлено, що у температурному інтервалі 1825-1875 К відбувається максимальне поглинання танталом азоту і кисню. Визначена температурна залежність коефіцієнту масопереносу азоту в танталі. Досліджена температурна залежність електроопору танталу різної чистоти в інтервалі 4,2-300 К. Виявлені особливості температурного ходу електроопору. Вивчена мікроструктура отриманих монокристалів танталу. Вперше експериментально визначено місцезнаходження атомів азоту в кристалічній решітці танталу. Виявлено, що атоми азоту розміщені в октаедричних міжвузловинах кристалічної решітки танталу.
4. Розроблена і створена установка для аналізу залишкових газів в камері плавки та дослідження газовиділення із тугоплавких і хімічно активних металів в процесі електронно-променевої плавки для оптимізації і автоматизації процесу рафінування металів електронно-променевою плавкою.
Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації
1. Ажажа В.М., Вьюгов П.Н., Пилипенко Н.Н. Тантал и его свойства // Тантал и ниобий, их свойства. М.: ВНИИ химической технологии. - 1992. - Вып.1. - С.5-50.
2. Ажажа В.М., Афанасьев В.И., Вьюгов П.Н., Гуменюк В.С., Зинченко Н.С., Лавриненко С.Д., Пилипенко Н.Н. Применение высокопервеансной электронной пушки для переплава металлов // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). Серия: Общая и ядерная физика.-1987. - Вып.1 (7).-С.53-55.
3. Вьюгов П.Н., Гончаров К.С., Кузьменко В.А., Лавриненко С.Д., Пилипенко Н.Н., Ремаев В.В. Многоэлементный активационный анализ с помощью (p,n) - реакций // Харьков: ХФТИ АН УССР. - 1987. - 10 С.
4. Ажажа В.М., Вьюгов П.Н., Еленский В.А., Пилипенко Н.Н., Скакун Н.А., Карлина З.Г. Получение монокристаллов тантала зонной перекристаллизацией // ВАНТ. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - Вып.1 (2). - С.63-71.
5. Ажажа В.М., Вьюгов П.Н., Еленский В.А., Лавриненко С.Д., Пилипенко Н.Н. Получение высокочистых металлов: титана, циркония, ванадия, ниобия и тантала // ВАНТ. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - Вып.1 (2). - С.72-76.
6. Ажажа В.М., Бобров Ю.П., Вьюгов П.Н., Карлина З.Г., Пилипенко Н.Н. Взаимодействие тантала с остаточными газами при нагреве в вакууме // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). - 1994. - Вып.1 (27). - С.3-6.
7. Ажажа В.М., Воеводин В.Н., Зеленский В.Ф., Еленский В.А., Лавриненко С.Д., Неклюдов И.М., Пилипенко Н.Н. Анализ применимости тугоплавких металлов и сплавов в качестве конструкционных материалов подземного реактора // ВАНТ. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 1998. - Вып.3 (69), 4 (70). - С.106-108.
Анотації
Пилипенко М.М. Рафінування танталу та дослідження деяких його властивостей. - Pукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металiв. Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут”. Харків. 1998.
Дисертацію присвячено вивченню основних закономірностей рафінування танталу фізичними методами (електронно-променевою плавкою, зонною перекристалізацією, електропереносом). Отримано монокристали танталу із вмістом металічних домішок <10-4 - 10-6 мас. %. Визначено оптимальні параметри зонної перекристалізації танталу і основні домішкові елементи, що обмежують чистоту металу. Запропоновано комплексну схему одержання чистого танталу. Установлено особливості температурного ходу електроопору танталу та вивчено особливості взаємодії танталу з газами. Вперше отримано експериментальні відомості про місцезнаходження атомів азоту у монокристалах танталу. Запропонований в роботі пристрій для аналізу залишкових газів знайшов практичне застосування для оптимізації і автоматизації процесу електронно-променевої плавки металів.
Ключові слова: тантал, рафінування, зонна перекристалізація, домішки, електронно-променева плавка, монокристали, чистота, гази.
Пилипенко Н.Н. Рафинирование тантала и исследование некоторых его свойств. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 физика металлов. Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт”. Харьков. 1998.
Диссертация посвящена изучению основных закономерностей рафинирования тантала физическими методами и исследованию свойств тантала различной степени чистоты. Для оценки поведения примесных элементов в процессе рафинирования тантала физическими методами был проведен расчет основных параметров характеризующих эти процессы: коэффициенты очистки металла от примесей в процессе электронно-лучевой плавки (ЭЛП), эффективные и равновесные коэффициенты распределения, приведенные коэффициенты испарения и относительные концентрации примесного элемента с учетом его испарения при зонной перекристаллизации (ЗП). Анализ рассчитанных значений, а также анализ содержания примесей в исходном тантале позволил оценить эффективность удаления примесей этими методами и определить параметры эффективного рафинирования тантала.
Экспериментально изучен процесс рафинирования тантала методом электронно-лучевой плавки и зонной перекристаллизации. Определены оптимальные параметры ЭЛП и ЗП тантала и основные примеси ограничивающие чистоту металла. Получены монокристаллы тантала с содержанием металлических примесей <10-4 - 10-6 мас. %. Монокристаллы тантала, полученные ЗП в контролируемой среде кислорода, имели чистоту 99,999 мас. %. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных содержания примесных элементов в тантале после ЭЛП и ЗП.
Для выяснения характера изменения парциальных давлений компонентов остаточных газов в камерах электронно-лучевых установок в процессе плавки была разработана и создана установка "Разбавитель" и с ее помощью определены основные газы, выделяющиеся из тантала при его плавке. Установление закономерности между парциальным давлением газов и их содержанием в металле, полученном после плавки позволяет оптимизировать процесс ЭЛП и получать металл с заданным содержанием этих примесей, а использование этих закономерностей компьютером - автоматизировать процесс получения металла с заданным содержанием газовых примесей.
На основе исследований процессов очистки тантала предложена комплексная схема глубокого рафинирования тантала, включающая в себя химические методы на стадии получения исходного материала и комплекса физических методов на заключительных стадиях: переплав в разреженной активной среде, зонную плавку в сверхвысоком вакууме, зонную плавку в сочетании с электропереносом.
Изучен процесс взаимодействия тантала с остаточными газами в вакууме. Установлено, что в температурном интервале 1825 - 1875 К происходит максимальное поглощение танталом азота и кислорода. Установлена температурная зависимость коэффициента массопереноса азота в тантале и определено уравнение для расчета остаточного содержания азота при вакуумной дегазации тантала. Определено местоположение атомов азота в монокристаллах тантала. Обнаружено, что атомы азота размещены в октаэдрических междоузлиях кристаллической решетки тантала. Исследована температурная зависимость электросопротивления тантала различной чистоты в интервале 4,2-300 К. Выявлены особенности температурного хода электросопротивления. Изучена микроструктура полученных монокристаллов тантала. Выявлено, что для монокристаллов тантала характерно сочетание ячеистой и ступенчатой структуры роста. Обнаружено, что монокристаллы тантала обладают анизотропией микротвердости.
Результаты исследований рафинирования тантала и его свойств дают возможность осуществить научный подход к получению тантала с низким содержанием примесей для современных технологий и созданию конструкционных материалов для атомных реакторов нового поколения и других особо ответственных применений. Установленные закономерности рафинирования тантала и разработанный комплексный метод получения чистого тантала могут быть применены при рафинировании химически активных и тугоплавких металлов. Предложенное в работе устройство для анализа остаточных газов нашло практическое применение для оптимизации и автоматизации процесса электроннолучевой плавки металлов.
Ключевые слова: тантал, рафинирование, зонная перекристаллизация, примеси, электронно-лучевая плавка, монокристаллы, чистота, газы.
Pilipenko N.N. Refining of tantalum and research of its some properties. - Manuscript.
Thesis applied for Ph. D. in Physics and mathematics on specialty 01.04.13 physics of metals. - Science National Center "Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, 1998.
The dissertation is devoted to study of the basic laws of refining of tantalum by physical methods (electron-beam melting, zone recrystallization, electrotransport) and research of properties of tantalum of a various degree of purity. The monocrystals of a tantalum with the contents of metal impurities < 10-4 - 10-6 mas. % are obtained. The optimal parameters of refining of tantalum are determined and the base impurities which limit purity of metal are found. The complex scheme of producing of a pure tantalum is offered. The features of temperature course of electroresistance of tantalum are established and the peculiarities of interaction of tantalum with gases are investigated. The experimental information about position of atoms of nitrogen in monocrystals of tantalum for the first time are received. The device, offered in work, for the analysis of residual gases has found practical application for optimization and automation of process of electron-beam melting of metals.
Key words: tantalum, refining, zone recrystallization, impurities, electron-beam melting, monocrystals, purity, gases.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Дослідження теоретичних методів когерентності і когерентності другого порядку. Вживання даних методів і алгоритмів для дослідження поширення частково когерентного випромінювання. Залежність енергетичних і когерентних властивостей вихідного випромінювання.
курсовая работа [900,7 K], добавлен 09.09.2010Отримання швидкісних і механічних характеристик двигуна в руховому та гальмівних режимах, вивчення його властивостей. Аналіз експериментальних та розрахункових даних. Дослідження рухового, гальмівного режимів двигуна. Особливості режиму проти вмикання.
лабораторная работа [165,5 K], добавлен 28.08.2015Дослідження електричних властивостей діелектриків. Поляризація та діелектричні втрати. Показники електропровідності, фізико-хімічні та теплові властивості діелектриків. Оцінка експлуатаційних властивостей діелектриків та можливих областей їх застосування.
контрольная работа [77,0 K], добавлен 11.03.2013Теплофізичні методи дослідження полімерів: калориметрія, дилатометрія. Методи дослідження теплопровідності й температуропровідності полімерів. Дослідження електричних властивостей полімерів: електретно-термічний аналіз, статичні та динамічні методи.
курсовая работа [91,3 K], добавлен 12.12.2010Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Основні властивості неупорядкованих систем (кристалічних бінарних напівпровідникових сполук). Характер взаємодії компонентів, її вплив на зонні параметри та кристалічну структуру сплавів. Електропровідність і ефект Холла. Аналіз механізмів розсіювання.
реферат [558,1 K], добавлен 07.02.2014Дослідження властивостей електричних розрядів в аерозольному середовищі. Експериментальні вимірювання радіусу краплин аерозолю, струму, напруги. Схема подачі напруги на розрядну камеру та вимірювання параметрів напруги та струму на розрядному проміжку.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 26.08.2014Вивчення будови та значення деревини в народному господарстві. Опис фізичних та хімічних властивостей деревини. Аналіз термогравіметричного методу вимірювання вологості. Дослідження на міцність при стиску. Інфрачервона та термомеханічна спектроскопія.
курсовая работа [927,3 K], добавлен 22.12.2015Вивчення закономірностей тліючого розряду, термоелектронної емісії. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту, впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів.
учебное пособие [452,1 K], добавлен 30.03.2009Комбінаційне і мандельштам-бріллюенівське розсіювання світла. Властивості складних фосфорвмісних халькогенідів. Кристалічна будова, фазові діаграми, пружні властивості. Фазові переходи, пружні властивості, елементи акустики в діелектричних кристалах.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.10.2011Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Дослідження особливостей будови рідких кристалів – рідин, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. Способи одержання та сфери застосування.
курсовая работа [63,6 K], добавлен 07.05.2011Акумуляція енергії в осередку. Анізотропія електропровідності МР, наведена зовнішнім впливом. Дія електричних і магнітних полів на структурні елементи МР. Дослідження ВАХ МР при різних темпах нагружения осередку. Математична теорія провідності МР.
дипломная работа [252,7 K], добавлен 17.02.2011Характеристика основних властивостей рідких кристалів. Опис фізичних властивостей, методів вивчення структури рідких кристалів. Дослідження структури ліотропних рідких кристалів та видів термотропних.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.06.2010Поверхневий натяг рідини та його коефіцієнт. Дослідження впливу на поверхневий натяг води розчинення в ній деяких речовин. В чому полягає явище змочування та незмочування, капілярні явища. Як залежить коефіцієнт поверхневого натягу від домішок.
лабораторная работа [261,2 K], добавлен 20.09.2008Експериментальне отримання швидкісних, механічних характеристик двигуна у руховому і гальмівних режимах роботи. Вивчення його електромеханічних властивостей. Механічні та швидкісні характеристики при регулюванні напруги якоря, магнітного потоку збудження.
лабораторная работа [91,8 K], добавлен 28.08.2015Дослідження засобами комп’ютерного моделювання процесів в лінійних інерційних електричних колах. Залежність характеру і тривалості перехідних процесів від параметрів електричного кола. Методики вимірювання параметрів електричного кола за осцилограмами.
лабораторная работа [1,0 M], добавлен 10.05.2013Експериментальне дослідження й оцінка термо- і тензорезистивних властивостей двошарових плівкових систем на основі Co і Cu, Ag або Au та Fe і Cr та апробація теоретичних моделей. Феноменологічна модель проміжного шару твердого розчину біля інтерфейсу.
научная работа [914,9 K], добавлен 19.04.2016Суть процесу формування верхнього шару металу в умовах пружної і пластичної деформації. Дослідження структурних змін і зарядового рельєфу поверхні при втомі металевих матеріалів. Закономірності формування енергетичного рельєфу металевої поверхні.
курсовая работа [61,1 K], добавлен 30.06.2010Поведінка системи ГД перехідних режимів. Експериментальне дослідження процесів при пуску, реверсі та гальмуванні електричних генераторів. Алгоритм побудування розрахункових графіків ПП при різних станах роботи машини. Методика проведення розрахунку ПП.
лабораторная работа [88,2 K], добавлен 28.08.2015
