Спосіб вирощування профільованих сапфірових виробів з внутрішньою порожниною (варіанти)

1.Спосіб вирощування профільованих сапфірових виробів з внутрішньою порожниною, який включає плавлення сировини, затравлення і витягування з означеною швидкістю, який відрізняється тим, що після формування заданого діаметра виробу збільшують швидкість витягування на величину К×DV, де К=f(Ddвн.), DV - величина зміни швидкості, мм/год., Ddвн - різниця між початковим та кінцевим внутрішніми діаметрами виробу, мм, 28715 вача на певний розмір вниз осі верхнього торцю зовнішнього елемента формостворювача й продовжують вирощування з постійною швидкістю. В мить зниження внутрішнього елемента формостворювача в системі вирощуваний кристалформостворювач виникає замкнутий об'єм, в якому по мірі збільшення довжини виробу виникає розряження за рахунок збільшення ізольованого об'єму. Різниця зовнішнього (постійного) та внутрішнього (зменшуваного) тиску зводить до неконтрольованої зміни внутрішнього перерізу виробу. Крім того, осьове зміщення внутрішнього елементу формостворювача в процесі росту виробу змінює температурні умови на межі кристалізації, що заводить до порушення форми виробу та збільшення структурних де фектів, а саме зниження якості виробу. Зміна внутрішнього перерізу вирощуємого виробу протікає неконтрольовано, тому отримати якісний вироб з внутрішньою порожниною зі змінним перерізом звісним способом неможливо. Цей спосіб забезпечує вирощування виробів типу тиглів або пробірок. Отворів малого діаметра цим способом отримати неможливо, тому що при зміні тиску отвір "схлопується". Звісний спосіб (пат. РФ № 1313027, кл. С30В15/34) вирощування профільованих виробів з внутрішньою порожниною, складаючий з плавлення сировини, затравлення й витягування з постійною швидкістю. При цьому забезпечують збіг або не збіг отворів, виконаних в зовнішньому та внутрішньому елементах формостворювача, з отворами зовнішнього перфорованого кільця, встановленого соосно формостворювача. При умові збігу вказаних отворів забезпечують рівняння тиску внутрішньої порожнини розрощуваного кристала зовнішньому. Завдяки цьому забезпечується постійність геометрії виробу й теплових умов росту, як наслідок висока якість виробу. Потім здійснюють поворіт перфорованого кільця. При цьому ізолюють внутрішню порожнину від зовнішньої атмосфери, в ній по мірі росту виробу виникає розрядження, різниця тиску змінює форму розрощуємого виробу до повного змикання порожнини. Після цього здійснюють поворот перфорованого кільця, забезпечують збіг вказаних отворів й тягнуть з постійною швидкістю. Таким чином за один цикл вирощування можна здобути кілька виробів типу тиглів й пробірок. Однак, також як і попередній аналог, даний спосіб не забезпечує можливості вирощування виробів з порожниною змінного перерізу із-за неконтрольованості (неуправління) зміною перерізу внутрішньої порожнини. Як і в попередньому випадку, неможливо цим способом одержати капілярні отвори. При повороті одного з елементів формостворювача капілярні отвори "схлопуються". До основи чинного винаходу ставиться задача розробки способу вирощування профільованих сапфірових виробів з внутрішньою прожниною, який забезпечив би можливість отримання капілярних виробів з регулюємою й з заданою геометрією внутрішньої порожнини, був би простий та економічний. Рішення задачі забезпечується тим, що в способі вирощування профільованих сапфірових виробів з внутрішньою порожниною, складаючим з плавлення сировини, затравлення й витягування з означеною швидкістю, згідно винаходу, після формування завданого діаметру виробу збільшують швидкість витягування на величину К×DV, де К= =f(Ddвн), DV - величина зміни швидкості, мм/год, Ddвн - різниця між початковим й кінцевим внутрішніми діаметрами виробу, мм, при цьому одночасно знижують величину напруги, підводимої до нагрівача, величина якої пропорційна величині зовнішнього діаметра виробу. Рішення поставленої задачі забезпечується також й іншим варіантом запропонованого способу, який складається з плавлення сировини, затравлення й витягування з означеного швидкістю з різницею в тому , що після формування завданого діаметра виробу чередують витягування з постійною швидкістю та змінною в будь який послідовності, при цьому при витягуванні виробу з змінною швидкістю одночасно змінюють величину напруги, підводимої до нагрівача, величина якої пропорційна величині зовнішнього діаметра виробу, а зміну швидкості витягування здійснюють на величину К×DV, де К=f(Ddвн), DV - величина зміни швидкості, мм/год; Ddвн - різниця між початковим та кінцевим внутрішніми діаметрами виробу, мм. Експериментально встановлено, що якщо збільшувати (на різницю від звісних засобів, де витягування здійснюють з постійною швидкістю) швидкість витягування на величину К×DV, то можливо отримати рівномірно змінюючий внутрішній переріз виробу, зокрема конусообразний (фіг. а ). При цьому, як показали експерименти, чим більше початковий внутрішній діаметр виробу, тим з більшою зміною швидкості необхідне витягування. Ця залежність відзначається коефіцієнтом К, який є таким чином функцією різниці внутрішніх діаметрів напочатку ( d n ) та наприкінці ( d k ) витягування. вн вн Коефіцієнт К знайдено експериментально, бо точність теплофізичних розрахунків систем роблячих при температурі 2100°С недостатня і теоретично встановити коефіцієнт з завданою точністю неможливо. Зміна величин швидкості DV також підібрано експериментально й для всього діапазону існуючих капілярних трубок (капілярів), а саме з внутрішнім початковим ( d n ) та кінцевим ( d k ) дівн вн аметрами відповідно 0,7-1,2 мм та 0,9-1,4 мм, на довжині 100 мм, складає 5 мм/год. Однак, при збільшенні швидкості витягування та, відповідно, збільшення внутрішнього діаметра зменшується зовнішній діаметр виробу, тому що температура в середині капіляру завжди більша ніж зовні через перевипромінювання світлового потоку в середині капіляра. Тепло розсіюється в навколишнє середовище, здебільшого, боковою поверхнею, що й зводить до зменшення зовнішнього діаметра (D) виробу. Для запобігання зменшення зовнішнього діаметра виробу одночасно із збільшенням швидкості витягування, необхідно знизити величину напруги, підводимої до нагрівача тигля з розплавом. Через те що вимірювання температури розплава неможливе, то визначають величину підводимої напруги до нагрівача, яка корелює з температурою розплава. Величина зовнішнього діаметру виробу залежить від величини зміни підводимої напруги під час формування кристалу. За вказаних величинах вн утрішніх діаметрів величина зовнішнього ді 2 28715 аметра капіляра може бути в межах 2-10 мм в залежності від тієї або іншої галузі техніки. Зміна в будь якій послідовності витягування з постійною або змінною швидкістю забезпечує можливість отримання внутрішнього змінного перерізу; циліндричний внутрішній переріз, поволі переходячи в конусний (фіг. б) циліндричний переходячий в конусний та далі знову в циліндричне (фіг. в); циліндричне переходячий в конусний із збільшенням внутрішнього перерізу, далі з зменшенням внутрішнього перерізу та далі в циліндричний (фіг. г). Для запобігання зміни зовнішнього діаметру виробу змінюють величину напруги підводимої до нагрівача: при збільшенні швидкості витягування знижають напруги, при зменьшенні - збільшують напругу на величину пропорційну зовнішнього діаметра (табл. 2). В табл. 1 зведені значення коефіцієнта k відповідно з величинами початкового та кінцевого внутрішніх діаметрів виробів; в табл. 2 зведена залежність зміни напруги підводимої до нагрівача від величини зовнішнього діаметра виробу; На фігурі зведені профілі отриманих виробів при умові: а - збільшення швидкості витягування зразу після формування завданого зовнішнього діаметра; б, в, г - чергування постійної та змінної швидкості витягування після формування завданого зовнішнього діаметру. Спосіб може бути реалізований на промисловій установці "Кристал-606". Приклад 1. Вирощування капілярної трубки довжиною 100 мм з зовнішнім діаметром 4 мм та з початковим та кінцевим діаметром 0,7 мм та 0,9 мм (фіг. а). Після відкачки та заповнення ростової камери інертним газом, температуру тигля піднімають до розплавлення сировини в тиглі (Т=2100°С), подаючи напругу у 44,6 В до нагрівача. До вер хнього торцю формостворювача підводять затравочний кристал у вигляді циліндра діаметром 3 мм й починають формування завданого діаметру 4 мм звісним способом витягування з постійною швидкістю (20 мм/год). Після сформування зовнішнього діаметру, рівного 4 мм та внутрішнього початкового діаметра рівного 0,7 мм збільшують швидкість витягування на величину K×DV=1,0×5 мм/г=5 мм/год. (табл. 1). Таким чином за першу годину було вирощено 25 мм виробу, за другу годину 30 мм, за третю годину ще 35 мм, та за 0,25 год. ще 10 мм. Таким чином за 3,25 години була вирощена капілярна трубка з конусним внутрішнім перерізом з кінцевим діаметром рівним 0,9 мм (фіг. а). При цьому для запобігання зміни зовнішнього діаметру одночасно плавно (за допомогою програмного регулювача) знижують величину напруги підводимої до нагрівача за ці ж 3,25 години на один вольт (табл. 2). В результаті отримана капілярна трубка з зовнішнім постійним діаметром 4 мм, довжиною 100 мм та конусним поперечним перерізом з початковим та кінцевим діаметрами відповідно 0,7 мм та 0,9 мм. Такий виріб потім розрізають на частини та використовують як фил'єри для зміни розміру протягуємих через них металевих дротинок (золотих, срібних, мідних та ін.). Приклад 2. Вирощування капілярної трубки довжиною 100 мм, та з зовнішнім діаметром циліндричної частини рівним 0,7 мм, переходячим в конусну частину з кінцевим внутрішнім діаметром рівним 0,9 мм (фіг. б). З аналогією прикладу 1 з тією різницею що після формування завданого зовнішнього діаметру рівного 4 мм й величиною початкового внутрішнього діаметру рівного 0,7 мм з постійною швидкістю 20 мм/год витягують завданий час - в цьому випадку 1 годину. Одержують циліндричний внутрішній переріз довжиною 20 мм. Далі збільшують швидкість витягування на величину K×DV=1 ,0×5 мм/год= =5 мм/год (табл. 1). При цьому одночасно знижують величину підвідної напруги до нагрівача на 0,8 В за в 2,25 години за який витягують залишившихся 80 мм капілярної трубки з конусною частиною з початковим внутрішнім діаметром 0,7 мм та кінцевим внутрішнім діаметром 0,9 мм. Такі вироби використовуються для гідравлічного розрізання металевих конструкцій (наприклад, балістичних ракет). Приклад 3. Вирощування капілярної трубки довжиною 100 мм, зовнішнім діаметром 8 мм, з внутрішньою циліндричною частиною 1,0 мм, переходячу в конусну частину з кінцевим внутрішнім діаметром 1,2 мм, переходячим в циліндричну частину з діаметром 1,2 мм (фіг. б). За аналогією прикладу 1 з тією різницею що після формування зовнішнього діаметру 8 мм, та внутрішнім діаметром 1,0 мм витягують з постійною швидкістю 20 мм/год. на протязі 1 години. При цьому одержують циліндричну частину довжиною 20 мм. Потім збільшують швидкість витягування на величину K×DV=1,4×5 мм/ч=7,0 мм/год. (табл. 1). При цьому для збереження зовнішнього діаметра постійним одночасно знижують величину напруги підводної до нагрівача на 0,43 В (табл. 2) на протязі однієї години, при цьому одержують конусний внутрішній переріз довжиною 27 мм з кінцевим діаметром 1,2 мм. За ці дві години одержують капілярну тр убку довжиною 47 мм. Потім залишившихся 53 мм витягують виріб з постійною швидкістю 20 мм/год (табл. 2), при цьому одержують циліндричний внутрішній отвір діаметром 1,2 мм. Такі вироби потрібні для зниження турбулентності гідравлічного потоку на виході з сопла. Приклад 4. Вирощування сапфірової капілярної трубки з зовнішнім діаметром 6 мм та змінними циліндричними та конічними частинами внутрішнього перерізу (фіг. г). Згідно прикладу 1, після отримання циліндричної частини внутрішнього отвору діаметром 1,2 мм та довжиною 20 мм при постійній швидкості витягування 20 мм/год, збільшують швидкість витягування на величину K×DV=1,5×5 мм/год=7,5 мм/ч (табл. 1). Одночасно знижують напругу, підведену до нагрівача на 0,24 В (табл. 2) на протязі 0,23 години (»13,75 хвилини). При цьому одержують конусний отвір довжиною 30 мм з кінцевим внутрішнім діаметром 1,4 мм. Потім знижують швидкість витягування на 7,5 мм/год, й одночасно збільшують напругу, підводиму до нагрівача на 0,42 В також на протязі 0,23 години. При цьому одержують конусний внутрішній отвір в якому початковий діа 3 28715 метр 1,4 мм, а кінцевий діаметр -1,2 мм і довжиною 30 мм. Після цього знову витягування здійснюють з постійною швидкістю 20 мм/год, при цьому одержують циліндричний внутрішній переріз довжиною 20 мм та діаметром 1,2 мм. Після переходу на постійну швидкість витягування величину напруги, підводимої до нагрівача, не змінюють. Такі вироби використовують для ініціювання та індикації теплових ефектів в протікаючих потоках. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує можливість отримання капілярних виробів з завданою та регулюємою геометрію внутрішньої порожнини. Спосіб простий та економічний в експлуатації, не потребує додаткового обладнання. Зведені в табл/ 1 та 2 значення величин внутрішніх та зовнішніх діаметрів охоплюють всі розміри існуючих капілярних трубок. Змінювати швидкість витягування, а також значення величин внутрішніх та зовнішніх діаметрів можна в будь якій послідовності. Таблиця 1 К 1,00 1,10 1,25 1,40 1,45 1,50 d n , мм вн 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 d k , мм вн 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 В табл. 1 прийняті слідуючи означення: К=f(DdВН) ( d n і d k - вн утрішній та кінцевий діавн вн метри виробу Таблиця 2 Величина зовнішнього діаметра, D, mm 2 4 6 8 10 Величина зміни напруги на нагрівачі на 100 мм довжини кристала 0,7 1,0 1,4 1,6 1,8 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4