Спосіб термообробки заготівок активних лазерних елементів з монокристалів сапфіра, що активовані титаном

Спосіб термообробки виробів з монокристалів сапфіра, що активовані титаном, який включає послідовний відпал в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію, а потім в атмосфері аргону з вмістом метану у кількості 10 - 30% об. при температурі 1750 – 2030 °С і відновному потенціалі e -100...-170 кДж/моль, який відрізняє ться тим, що відпал монокристалів в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію проводять під дією осьового навантаження 7,8•105...60•105Н/м 2 уздовж кристалографічного напряму [ 1 1 02 ] при температурі 1900 – 2010 °С протягом 40-80 годин. (19) (21) a200606455 (22) 09.06.2006 (24) 25.12.2007 (72) ВИШНЕВСЬКИЙ СЕРГІЙ ДМИТРОВИЧ, UA, КРИВОНОСОВ ЄВГЕНІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ЛИТВИНОВ ЛЕОНІД АРКАДІЙОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ НАН УКРАЇНИ, UA (56) UA 53469, 15.01.2003, C2 GB 595445, 04.12.1947, B EP 0328073, 16.08.1989, A1 US 4587035, 06.05.1986, A JP 4295094, 20.10.1992, C JP 63274694, 11.11.1988, C JP 57191299, 25.11.1982 , C 3 81385 сапфіру, оскільки відпал у факелі природного газу спричиняє формування у кристалах, що відпалені, включань чужорідної фази рутилу. Ці включання істотно збільшують оптичні втрати і зменшують лазерну міцність. Також спосіб не дозволяє усун ути субмікронні включання в заготівках. Відомий спосіб термообробки виробів з монокристалів сапфіру, що активовані титаном [Пат Укр. №53469 А, МПК7 С30 В33/00, 29/20], що включає послідовний відпал в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію протягом 8...10 годин при температурі 2010... 2040°С, а потім в атмосфері аргону із змістом метану в кількості 10...30% об. при температурі 1750...2030°С і відновному потенціалі e = -100...170кДж/моль. Даний спосіб підвищує лазерну міцність активних лазерних елементів, в яких відсутні субмікронні включання, але параметри способу не забезпечують руйн ування включань при їх наявності у монокристалі. Як прототип був вибраний останній з аналогів, тому що він найбільш близький по способу реалізації. В основі винаходу поставлена задача створення способу термообробки заготівок активних лазерних елементів з Ті-сапфіру, який дозволяє збільшити вихід годних заготівок, що не поступаються по своїм експлуатаційним характеристикам заготівкам, що одержані по прототипу, шляхом усунення субмікронних включань у заготівках, що відпалені. Також задачею винаходу було зменшення енерговитрат при відпалі. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в способі термообробки виробів з Тісапфіру, що включає послідовний відпал в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію, а потім в атмосфері аргону із змістом метану в кількості 10...30 % об. при температурі 1750...2030°С і відновному потенціалі e = -100...170 кДж/моль, згідно винаходу, відпал заготівок в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію проводять під дією осьового навантаження 7,8•105...60•105 Н/м 2 уздовж кристалографічного напряму [ 1 1 02 ] при температурі 1900...2010°С протягом 40-80 годин. Авторами встановлено, що субмікронні включання в Ті-сапфірі, що вирощено у вуглецевому середовищі, формуються в наслідку коагуляції аніонних вакансій в кристалічних ґратах і є субмікропорами, що містять металевий алюміній і його субоксиди. На початковій стадії високотемпературного відпалу в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію, субмікронні включання перетворюються в пори, що містять насичені пари оксиду алюмінію. Потім при подальшій ізотермічній витримці починається процес заліку пір в кристалі. Тривалість цього процесу визначається механізмами масоперенесення в кристалі (вакансійний або дислокаційний). Дислокаційний механізм є переважним, оскільки він істотно зменшує час відпалу, що потрібен для повного заліку пір. 4 Експериментальне встановлено, що процес руйнування субмікронних включань в кристалах Тісапфіру, стає ефективним при одноосних стискуючих напруга х 7,8•105 Н/м 2 уздовж кристалографічного напряму [ 1 1 02 ] і температурі вище 1900°С, оскільки в цьому випадку субмікронні пори заліковуються по дислокаційному механізму. При стискуючих напругах менше 7,8•105 Н/м 2 субмікронні пори заліковуються шляхом повакансійного розчинення, що на порядок збільшує час відпалу. Верхня межа одноосних стискуючих напруг обмежена значенням 60•105 Н/м 2, оскільки великі навантаження спричиняють деформацію заготівок, що відпалюються. Кристали слід відпалювати в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію при температурі 1900...2010°С, оскільки при нижчих температурах знижується ефективність дифузійних процесів і збільшується тривалість заліку субмікронних пор. Крім того, зі зменшенням температури збільшуються порогові значення стискуючих напруг, що необхідні для ефективного руйнування субмікронних включань. Збільшува ти температуру ізотермічної витримки вище 2010°С недоцільно, оскільки час відпалу зменшується трохи, але істотно зростають енерговитрати. Експериментальне встановлено, що час, який потрібен для руйнування субмікронних включань при відпалі в насичених парах термічної дисоціації оксиду алюмінію знаходиться в інтервалі 40... 80 годин. У таблиці приведені параметри заготівок з Тісапфіру, які одержані при різних те хнологічних режимах і по способу-прототипу. Таблиця Технологічні режими Відносна відпалу в насичених промене парах термічної ва дисоціації оксиду міцність y алюмінію W/W0 Результ № , Кристалогра ат фічний t, % l= s, ч Т,° напрямок l 2 532 =80 С прикладу Н/м а нм 0нм навантажен с ь 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Субмікр 19 7,8• 8 1, онних 2.9 1 1,44 [ 1 1 02 ] 00 105 0 5 включан 4 ь не має Висока концент рація 19 7,8• 2 2 0,7 2 0,43 [ 1 1 02 ] 00 105 0 3 субмікро 2 нних включан ь 5 81385 3 19 00 [ 1 1 02 ] 3•10 6 5 0 8 2 4 19 00 [ 1 1 02 ] 60•1 4 0, 05 0 8 5 17 00 [ 1 1 02 ] 7.8• 6 105 0 20 6 30 [ 1 1 02 ] 7,8• 4 1, 105 5 9 7 20 30 [ 1 1 02 ] 60•1 4 0, 05 0 4 8 20 40 [ 1 1 02 ] 7,8• 6 105 0 6 0 9 19 70 [ 1 1 02 ] 90•1 4 05 0 4 0 1 19 0 00 [0001] 7,8• 6 105 0 9 7 1 19 1 00 [ 11 2 0 ] 7,8• 6 105 0 9 5 9 1 Прототип (термообробка 1 Ті-сапфірової заготівки 1 0 2 8х8х50мм, що містить 0 субмікронні включання) Прототип (термообробка 1 Ті-сапфірової заготівки 8х8х50 мм, що не 3 містить субмікронні включання) Висока концент рація субмікро нних включан ь Субмікр онних включан ь не має Висока концент рація субмікро нних включан ь Субмікр онних включан ь не має Субмікр онних включан ь не має Заготівк а розплав илася Заготівк а деформ ована Висока концент рація субмікро нних включан ь Висока концент рація субмікро нних включан ь Висока концент рація субмікро нних включан ь 0,3 0,09 5 2,9 1,43 5 0,2 0,06 7 2,9 4 1,42 2.9 1.41 3 0,2 0,06 6 0,2 0,05 6 0,2 5 0,06 2,9 1,42 4 y - відносна концентрація субмікронних включань в Ті-сапфірі, W0, W - променева міцність Ті-сапфіру до і після термообробки відповідно, що 6 виміряна як на довжині хвилі когерентного накачування (532нм) так і на довжині хвилі власної генерації (800нм). Вимірювання променевої міцності заготівок, що відпалені, проводять по методиці, висловленій в галузевому стандарті ОСТУ І 070.802-30 «Матеріали оптичні і електронні твердотільних лазерів. Метод визначення лазерної міцності». Метод полягає у визначенні величини потужності лазерного випромінювання на довжині хвилі когерентного накачування Ті-сапфіру, - 532нм і на довжині хвилі генерації Ті-сапфіру, - 800нм, при якому наступає руйнування матеріалу, що досліджується. Інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна концентрації центрів розсіяння інофазних включань в кристалі [Шифрин К. С. "Рассеяние света в мутной среде". Государственное издательство техникотеоретической литературы., М.1951, 288 стр.]. У Ті-сапфірі, відсутнє оптичне поглинання на довжині хвилі 632нм (випромінювання He-Ne лазера). Тому зменшення концентрації включань в кристалі при відпалі за способом, що заявляється, можна оцінити по відношенню інтенсивностей 90° розсіяння світла на довжині хвилі 632нм кристалом до і після відпалу. Величина y в межах 0,1...2% не пов'язана з наявністю субмікронних включань і обумовлена залишковим розсіянням світла в кристалі Ті-сапфіра на локальних оптичних неоднорідностях кристалічних ґрат, що викликані наявністю іонів титана. Запропонований спосіб реалізують таким чином. Орієнтовану заготівку з сапфіру, що активована титаном, 8х8х50 мм 2, у якої кристалографічній напрям [1 1 02 ] співпадає з довгою (50мм) стороною, завантажують в замкнутий корундовий контейнер і встановлюють вертикально. Бічна оболонка корундового контейнеру виконана із спеченого оксиду алюмінію пористістю не менше 60%. Корундовий контейнер із заготівкою поміщають в молібденовий контейнер, на дні якого знаходиться шар (10...15мм ) корундових гранул діаметром 2...4ММ - джерело пара оксиду алюмінію. Зверху на торець заготівки встановлюють молібденовий вантаж вагою 5кг (еквівалент 7,8•105 Н/м 2). Молібденовий контейнер із заготівкою поміщають у вакуумну піч СШВЛ 1.2,5/25, робочий простір якої відкачують до залишкового тиску (1,3...2)•10-3 Па. Піч нагрівають із швидкістю 400°С/час до температури 1970°С і протягом 65 годин заготівку відпалюють при цій температурі. Після ізотермічної витримки температуру в печі знижують із швидкістю 250°С/час до 1200°С, потім вимикають нагрів, і піч інерційно остигає до кімнатної температури. Після охолодження заготівку витягують з вакуумної печі, поміщають у відкритий молібденовий контейнер і завантажують в піч з графітовим нагрівачем. Робочий простір печі відкачують до залишкового тиску 10...20 Па, а потім заповнюють його сумішшюаргону і метану до тиску 7•104 Па при об'ємному змісті метану 20 % об. Заготівки в печі нагрівають із швидкістю 350°С/час до температури 7 81385 1800°С. В процесі підйому температури тиск газу в печі збільшується і досягши значення 2•105 Па його стабілізують підбурюванням надмірного газу в атмосферу. Заготі вки відпалюють при температурі 1800°С протягом 8 годин, після чого температуру в печі знижують із швидкістю 250°С/час до повного охолодження печі. Приклади реалізації способу при інших технологічних параметрах приведені в таблиці. Як видно з таблиці, оптимальними є режими, що описані в прикладах 1, 4, 6, 7. Таким чином, режими, обмежені межами, параметрів, що заявляються, забезпечують виключення браку, що обумовлюється наявністю субмікронних включань, збільшують ви хід годних виробів на 10-30%, і забезпечують значення променевої міцності виробів з Ті-сапфіру не менше ніж у способупрототипу. Використовування способу, що заявляється, дозволяє зменшити енерговитрати, за рахунок зниження температури відпалу. 8