[发明专利]用于生长单晶金属的方法和装置

说明书

相关专利申请

本专利申请要求2005年5月12日提交的共同待审的美国临时申请序号60/680,273的优先权。

发明背景

1、技术领域

本发明总体涉及晶体生长，特别是涉及用于生长金属单晶的方法和装置。还更尤其是，本发明涉及通过塑性应变生长大单晶金属的方法和装置。

2、相关领域的描述

由于晶界的存在，多晶的金属经常具有有限的高温抗蠕变性和低温脆性。相反，由于不存在晶界，单晶金属经常具有良好的机械特性。因此，对于许多应用，相对于多晶的金属优选单晶金属。

当前用于制备单晶金属的技术主要基于以下五种基本方法之一：

(a)通过各种沉淀处理，缓慢生长薄膜单晶(目前在半导体工业中使用)；

(b)使用晶种，从熔化金属缓慢生长大量的单晶(即Czochralski方法、Bridgman方法或改良的Czochralski方法和Bridgman方法)；

(c)通过区域熔化缓慢产生大量的单晶(又称浮区法，在固化之后使用移动的加热区，以进行多晶金属的局部熔化)；

(d)通过区域退火产生大量的单晶，其中加热区域沿多晶的金属传递以局部地产生单晶晶粒的再结晶、晶粒长大和晶界迁移；和

(e)通过掺杂(alloying)形成氧化物的元素，然后在低温下变形，和然后在超过1800℃的温度下退火，产生难熔金属的大量单晶。

在制备期间，所有的上述方法一般具有很慢的生成速率，和对于可以产生大单晶的那些方法，例如方法(b)-(e)，通常需要很高的温度。因此，期望提供用于产生大单晶金属的改进方法，该方法具有更快的生成速率和比上述那些方法更低的温度。

发明概述

依照本发明优选的实施方案，最初在非氧化性环境中将多晶态的金属样品加热。然后将最小塑性应变施加于加热的金属样品，以引发加热的金属样品内选择的晶粒生长。随后将另外的塑性应变施加于加热的金属样品，以使选择的晶粒蔓延生长，变成大单晶金属。

在下面的详述中，本发明的全部特征和优点将变得显而易见。

附图简述

当结合附图阅读时，通过参考以下示例性的实施方案的详述，会很好地理解发明本身和优选的使用方式、进一步的目的及其优势，其中：

图1为依照本发明优选的实施方案，用于生长大单晶金属的装置简图；

图2为依照本发明优选的实施方案，使用图1的装置来生长大单晶金属的方法的高水平逻辑流程图。

图3为依照本发明优选的实施方案，用于生长单晶金属样品的微结构处理图；和

图4为依照本发明优选的实施方案产生的钼片样品的微结构照片。

优选的实施方案详述

现在参考附图，特别是参考图1，其中描绘了依照本发明优选的实施方案，用于生长大单晶金属的装置的简图。如所示，金属样品11位于热源12a和12b之间。另外，金属样品11的两个远端固定到能够向金属样品11施加塑性应变的机械装置(未显示)上。金属样品11优选为再结晶或处理条件下的多晶样品。金属样品11可为各种形式，例如片、棒、板、线、管等。金属样品11可为高纯度或工业纯度或可含有合金添加剂(alloying additions)。

现在参考图2，其中阐述了依照本发明优选的实施方案，使用图1的装置来生长大单晶金属的方法的高水平逻辑流程图。最初，通过热源12a-12b将金属样品11加热至金属样品11的熔融温度的约60％(即同系温度(homologous temperature)为0.6)或更高，如方框21所示。可以通过许多加热方法实现金属样品11的加热。例如，可由热源12a-12b通过辐射传热、传导传热或对流传热，来加热金属样品11。也可以通过辐射加热(例如用红外线灯)、感应加热或直接电阻加热(将电流穿过金属样品11)来将金属样品11加热。可在各种非氧化性环境，例如真空、惰性气体或还原性气氛中进行金属样品11的加热。

然后，通过机械装置将最小的初始塑性应变施加于加热的金属样品11，如方框22所描述。需要最小的初始塑性应变以引发金属样品11内的选择的晶粒生长。最小的初始塑性应变量为金属样品11的温度、微结构和合金组成的函数。最小初始塑性应变的范围优选在约4％至40％之间。