Изучение температурного поля профилированных монокристаллов вольфрама, получаемых плазменно-индукционным способом

Abstract

Рассмотрен вопрос экспериментального исследования температурного поля в профилированном монокристалле вольфрама при плазменно-индукционном способе выращивания. На основании данных прямых измерений температур в кристалле с помощью термопар ВР 5/20 выполнен анализ температурных градиентов в его объеме. Показано, что при данном способе выращивание монокристалла проходит в условиях практически плоского фронта кристаллизации, и термонапряженное состояние профилированного кристалла в основном определяется значением градиентов температур вдоль его ширины и высоты. Установлено, что максимальное значение температурных градиентов составляет соответственно 36 и 90 °С/мм, а зона их максимума сосредоточена вблизи фронта кристаллизации. Выявлено, что индукционный нагрев боковой поверхности монокристалла способствует уменьшению уровня температурных градиентов в его объеме. На расстоянии двух толщин кристалла от его верхнего торца формирование структуры монокристалла в твердой фазе происходит при постоянном градиенте температур. Выполнен сравнительный анализ пространственного распределения градиентов температур монокристаллов плазменно-дугового и плазменно-индукционного способов плавки. Экспериментально подтверждено, что плазменно-индукционный процесс формирования крупного профилированного монокристалла сопровождается меньшими (на 10...15 °С/мм) значениями градиентов температур в большей части его объема по сравнению с плазменно-дуговым процессом формирования цилиндрического кристалла диаметром 30 мм.

The paper deals with experimental study of temperature field in a profiled tungsten single-crystal at plasma-induction growth method. Analysis of temperature gradients in the crystal volume was performed proceeding from the data of direct measurements of temperatures in the crystal with BP 5/20 thermocouples. It is shown that with this method single-crystal growing proceeds under the conditions of practically plane solidification front, and thermostressed state of profiled single-crystal is mainly determined by the value of temperature gradients along its width and height. It is established that the maximum value of temperature gradients is equal to 36 and 90 °C/mm, respectively, and the zone of their maximum is concentrated near the solidification front. It is found that induction heating of single-crystal side surface promotes lowering of the level of temperature gradients in its volume. At the distance of two crystal thicknesses from its upper face formation of single-crystal structure in the solid phase proceeds at a constant temperature gradient. Comparative analysis of spatial distribution of temperature gradients in single-crystals of plasma-arc and plasma-induction melting processes was performed. It is experimentally confirmed that plasma-induction process of forming a large profiled single-crystal is accompanied by smaller (by 10...15 °C/mm) values of temperature gradients in the greater part of its volume, compared to plasma-arc process of formation of a cylindrical crystal of 30 mm diameter.