DE2223804C3 - Einkristallines Rohr und Verfahren zur Herstellung desselben aus einer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein im wesentlichen einkristallines Rohr aus einem kongruent schmelzenden Material und ein Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen einkristallinen Rohres aus einem kongruent schmelzenden Material mit inneren Endflanschen oder Stirnwänden an beiden Enden, die kristallographische Verlängerungen des Kristallgitters des Rohrmaterials bilden.

Damit wird ein Verfahren verbessert, dessen Einzelheiten in der britischen Patentschrift 1 205 544 beschrieben sind.

Bei dem Verfahren nach der genannten britischen Patentschrift wird die Form eines kristallinen Körpers durch die Außenform bzw. die Kantenform der Stirnfläche eines Formgebungsteils bestimmt, das auch als Werkzeug oder Matrize bezeichnet wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß man Körper mit einer gewünschten Form, z. B. runde Rohre oder flache Bänder, erzeugen kann, indem man von der einfachsten geometrischen Form eines Kristallkeims ausgeht, nämlich von einem runden Kristallkeim mit einem kleinen Durchmesser. Bei dem genannten Verfahren wird der gewünschte Körper auf einem Kristallkeim aus einem schmelzflüssigen Film des zu verwendenden Materials gezüchtet der sich zwischen dem sich vergrößernden Körper und der Stirnfläche des Werkzeugs befindet, und hierbei wird die den Film bildende Flüssigkeit ständig aus einem die Schmelze enthaltenden Behälter über eine oder mehrere Kapillaren in dem Werkzeug ergänzt. Wenn man die Ziehgeschwindigkeit des wachsenden Körpe's und die Temperatur des Flüssigkeitsfilms regelt, kann man erreichen, daß sich der Film unter dem Einfluß der Oberflächenspannung an seinem Umfing über alle Teile der Stirnfläche des Werkzeugs ausbreitet, bis das flüssige Material den Rand bzw. die Ränder der Stirnfläche erreicht, die durch die Schnittlinie bzw. Schnittlinien zwischen der Stirnfläche und der bzw. jeder Seitenfläche des Werkzeugs gebildet werden. Der Schnittwinkel zwischen den erwähnten Flächen des Werkzeugs wird im Vergleich zu dem Berührungswinkel zwischen dem flüssigen Film und der Stirnfläche so gewählt, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verhindert, daß die Flüssigkeit über den bzw. jeden Rand der Stirnfläche des Werkzeugs hinwegfließt. Dieser Schnittwinkel ist vorzugsweise ein rechter Winkel, der sich am einfachsten und zweckmäßigsten herstellen läßt. Der wachsende Körper nimmt als Querschnittsform die Form des Films an, der sich seinerseits der Form des bzw. jedes Randes der Stirnfläche des Werzeugs anpaßt. Da der Flüssigkeitsfilm nicht die Fähigkeit hat, zwischen einem äußeren Rand und einem inneren Rand der Stirnfläche des Werkzeugs zu unterscheiden, kann man dafür sorgen, daß in dem kristallinen Körper eine durchgehende öffnung entsteht, indem man an der Stirnfläche ein Sackloch vorsieht, das die gleiche Form hat wie die öffnung, mit der der gezüchtete Körper versehen werden soll; hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß die öffnung in der Stirnfläche des Werkzeugs hinreichend groß gemacht wird, damit die Oberflächenspannung nicht bewirkt, daß der die öffnung umgebende flüssige Film sich über der

zentralen öffnung schließt Aus der vorstehenden kurzen Beschreibung dürfte ersichtlich sein, daß bei dem eingang⁵ geschilderten Verfahren die Form des wachsenden kristallinen Körpers durch die Form der bzw. jeder Kante des Werkzeugs bestimmt wird, und daß sich das Wachstum des Körpers an einem flüssigen Film abspielt, dessen Material ständig ergänzt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, von diesem Verfahren ausgehend einen im wesentlichen einkristallinen Körper zu schaffen, dessen Gestalt von air einfachen Rohrform abv/eicht und damit für einen weiteren Anwendungsbereich geeignet erscheint

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß sie ein im wesentlichen einkristallines Rohr aus einem kongruent schmelzenden Material vorschlägt, das erfindungsgemäß an beiden Enden innere Endflansche oder Stin.wände aufweist, wobei die Endflansche oder Stirnwände kristallographische Verlängerungen des Kristallgitters des Rohres bilden.

Ferner gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen einkristallinen Rohres aus einem kongruent schmelzenden Material mit inneren Endflanschen oder Stirnwänden an beiden Enden, die kristallographische Verlängerungen des Kristallgitters des Rohrmaterials bilden, an, bei dem ein Kristallkörper aus einem auf der oberen erhitzten Stirnfläche einer Form befindlichen Schmelzfilm gezogen wird, dem Schmelze zur Ergänzung während des Ziehens von einer Vorratsschmelze durch :.nindestens eine Kapillare, die in der Form zwischen der Stirnfläche und der Vorratsschmelze verläuft, zugeführt wird, bei dem erfindungsgemäß ein Ende eines einkristallinen Rohres aus dem Material mit der Stirnfläche, die in mindestens einer Richtung größer als der Querschnitt des Rohres in dieser Richtung ist, vor dem Ziehen so lange in Berührung gebracht wird, bis das Rohrende schmilzt und auf der Stirnfläche einen Film bildet und das Rohr dann von der !Stirnfläche weggezogen wird, wobei Ziehgeschwindigkeit und Temperatur des Schmelzfilms so geregelt werden, daß sich der Film auf der ganzen Stirnfläche ausbreitet und ein innerer Endflansch der gewünschten Größe oder eine Stirnwand entstanden ist, dessen bzw. deren Querschnitt dem Querschnitt der Stirnfläche entsprich* und wobei mit dem anderen Ende des Rohres danach in gleicher Weise verfahren wird.

Die Erfindung läßt sich anwenden, um im wesentlichen monokristalline Körper, die aus kongruent schmelzenden Stoffen, d. h. Verbindungen, die beim Schmelzen bei einer gleichbleibenden Temperatur eine Flüssigkeit mit der gleichen Zusammensetzung bilden, bestehen, welche in Form identifizierbarer Kristallgitter erstarren, mit damit zusammenhängenden monokristallinen Verlängerungen zu versehen. Bei dem verwendeten Stoff kann es sich z. B. um Bariumtitanat, Lithiumniobat und Yttriumaluminiumgranat handeln.

Das vorstehend geschilderte Verfahren kann auch angewendet werden, um im wesentlichen monokristalline Rohre aus bestimmten keramischen Stoffen, z. B. Aluminiumoxid, zu züchten und sie als Umschließungen oder Kolben für Dampflampen zum Erzeugen von Licht von hoher Intensität zu verwenden. Beim Herstellen solcher Lampen ist es üblich, die Elektroden in an den Enden angeordnete Kappen einzubauen, die mit den Enden der Umschließung HuroTi Hartlöten oder mit Hilfe eines anderen Verfahrens verbunden werden. Es liegt auf der Hand, daß es möglich ist, das Einbauen der Elektroden dadurch zu erleichtern, daß man die Rohre mit Stirnwänden versieht, von denen jede eine öffnung aufweist, in die eine Elektrode unmittelbar eingebaut werden kann, ohne daß man ein Kappenteil am betreffenden Ende des Rohrs benötigt. Alternativ können die Rohre an ihren Enden mit inneren oder äußeren Flanschen versehen werdrn, um das Anbringen von Abschlußkappen zu erleichtern. In anderen Anwendungsfällen ist es ferner erwünscht, Rohre aus keramischem Werkstoff herzustellen, die an einem Ende eine geschlossene Stirnwand aufweisen. Bis jetzt ist es jedoch nicht möglich, monokristalline Rohre herzustellen, die damit zusammenhängende Stirnwände oder Flansche aus dem gleichen Werkstoff und mit dem gleichen kristallinen Aufbau aufweisen; dies gilt insbesondere für an den Enden angeordnete Flansche, bei denen die bezüglich des Durchmessers und der Dicke vorgeschriebenen Abmessungen genau eingehalten werden sollen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schetnatischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in einer Seitenansicht und teilweise in einem verkürzten senkrechten Schnitt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung mit einem Ofen, einem Tiegel und einer Werkzeugbaugruppe,

F i g. 2 in einem vergrößerten senkrechten Schnitt einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei der anfängliche Arbeitsschritt zum Züchten einer geschlossenen Stirnwand an einem Rohr dargestellt ist,

F i g. 3 bit» 5 in F i g. 2 ähnelnden Darstellungen den Ablauf des Kristallwachstums beim Erzeugen einer Stirnwand an einem Rohr,

F i g. 6 bis 9 das Züchten eines nach innen ragenden Flansches an einem Ende eines Rohrs 1 und

Fig. 10 und 11 das Züchten einer Stirnwand an einem Ende eines Rohrs unter Benutzung einer abgeänderten Ausführungsform der Werkzeugbaugruppe nach F i g. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ofen, mittels dessen sich das Verfahren nach der Erfindung durchführen läßt. Zu diesem Ofen gehört ein senkrecht bewegbares, waagerecht angeordnetes Bett 2, das mit einer ortsfesten Ofenumschließung zusammenarbeitet, die sich aus zwei konzentrischen, durch einen radialen Abstand getrennten Quarzrohren 4 und 6 zusammensetzt. An seinem unteren Ende ist das innere Rohr 4 in einer in das Bett 2 eingebauten Dichtung 5 angeordnet. Das Rohr 4 ist von einer Buchse 8 umschlossen, die in eine Überwurfmutter 16 eingeschraubt ist. Zwischen der Buchse 8 und der Überwurfmutter 16 sind ein O-Ring 14 und ein Abstandhalter 15 angeordnet. Der O-Ring wird gegen die /Außenfläche des Rohrs 4 gedrückt, um eine Abdichtung zu bewirken. Das obere Ende der Buchse 8 weist eine Bohrungserweiterung auf, die das untere Ende des Rohrs 6 aufnimmt. Das untere Ende des Rohrs 6 wird durch einen O-Ring 12 und einen Abstandhalter 13 festgehalten, die durch eine auf die Buchse 8 aufgeschraubte Überwurfmutter 10 einem Druck ausgesetzt werden. Die Buchse 8 weist eine Einlaßöffnung auf, in die eine flexible Rohrleitung 20 eingebaut ist. Die oberen Enden der Rohre 4 und 6 sind fest in einen Kopf 22 eingebaut, so daß sie ihre Lage nicht verändern,

wenn das Bett 2 gesenkt wird. Der Kopf 22 ist mit nicht dargestellten Bauteilen versehen, die der Buchse 8, den O-Ringen 12 und 14 sowie den Überwurfmuttern 10 und 16 ähneln und dazu dienen, die beiden Rohre in ihrer konzentrischen Lage zu halten und sie an ihrer Außenseite abzudichten. Der Kopf 22 ist mit einer Auslaßöffnung versehen, in die eine flexible Rohrleitung eingebaut ist. Die Rohrleitungen 20 und 24 sind an eine nicht dargestellte Pumpe angeschlossen, mittels welcher ständig Kühlwasser durch den Ringraum zwischen den beiden aus Quarz hergestellten Rohren gefördert wird. Der Innenraum der Umschließung des Ofens ist durch eine Rohrleitung 28 mit einer Vakuumpumpe oder einer geregelten Quelle für ein chemisch neutrales Gas wie Argon oder Helium verbunden. Die Ofenumschließung ist von einer Hochfrequenzheizspule 30 umgeben, die an eine nicht dargestellte regelbare, mit einer Frequenz von 500 kHz arbeitende Energiequelle bekannter Art angeschlossen ist. Die Heizspule kann längs der Ofenumschließung nach oben oder unten bewegt werden, und es ist eine nicht dargestellte Einrichtung vorhanden, durch welche die Heizspule in jeder gewählten Höhe unterstützt werden kann. Das durch den erwähnten Ringraum zirkulierende Wasser dient nicht nur dazu, das innere Quarzrohr 4 auf einer gefahrlosen Temperatur zu halten, sondern es absorbiert auch den größten Teil der infraroten Energie, so daß die Bedienungsperson das Kristallwachstum auf bequemere Weise beobachten kann.

Der Kopf 22 ist so ausgebildet, daß sich in die Ofenumschließung eine langgestreckte Zugstange 32 einführen läßt, die mit einer in F i g. 1 schematisch angedeuteten, insgesamt mit 34 bezeichneten Kristallzieheinrichtung verbunden ist und einen Bestandteil dieser Einrichtung bildet. Die Konstruktion der Kristallzieheinrichtung 34 ist für die Erfindung ohne Bedeutung, und sie kann daher in der verschiedensten Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise wird jedoch eine hydraulisch gesteuerte Kristallzieheinrichtung benutzt, da sie den Vorteil bietet, daß sie schwingungsfrei und mit einer gleichmäßigen Ziehgeschwindigkeit arbeitet. Zwar dürfte sich eine nähere Beschreibung der Zieheinrichtung erübrigen, doch sei bemerkt, daß es diese Einrichtung ermöglicht, die Ziehstange 32 in axialer Richtung mit einer geregelten Geschwindigkeit zu bewegen. Die Ziehstange 32 ist gleichachsig mit den Quarzrohren 4 and 6 angeordnet, und ihr unteres Ende ist mit einer Verlängerung in Form eines aus Metall hergestellten Halters 36 versehen, in dem ein monokristallines Rohr 38 lösbar befestigt werden kann, auf dem auf eine noch zu beschreibende Weise eine damit zusammenhängende monokristalline Verlängerung bzw. ein Ansatz gezüchtet werden soll.

In der Ofenumschließung ist ein aus Kohlenstoff bestehender zylindrischer Wärmeaufnehmer 40 angeordnet, dessen oberes Ende offen ist, während sein unteres Ende durch eine Stirnwand abgeschlossen ist. Dieser WSnaeaufiiehmer wird durch eine in das Bett 2 eingebaute Stange 42 aus Wolfram unterstützt. Innerhalb des Wärmeaufnehmers 40 ist durch eine kurze Stange 44 aus Wolfram ein Tiegel 46 unterstützt, der eine Schmelze 48 aus dem Material aufnimmt, mittels dessen auf dem Rohr 38 eine monokristalline Verlängerung gezüchtet werden soll. Der Tiegel besteht aus einem Werkstoff, der den Betriebstemperaturen standhält, nicht mit der Schmelze reagiert und in der Schmelze nicht löslich ist. Besteht die Schmelze aus Aluminiumoxid, wird ein Tiegel aus Molybdän benutzt, doch kann der Tiegel auch aus Wolfram, Iridium oder einem anderen Werkstoff hergestellt sein, der in Beziehung zu geschmolzenem Aluminiumoxid ähnliche Eigenschaften besitzt. Besteht der Tiegel aus Molybdän, muß er von dem Wärmeaufnehmer 40 durch einen Abstand getrennt sein, denn bei etwa 2200° C findet eine eutektische Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Molybdän statt. Der Innenraum des Tiegels ist von geeigneter Größe und Form und hat vorzugsweise einen konstanten Durchmesser. Um dazu beizutragen, daß die für das Verfahren erforderlichen hohen Betriebstemperaturen erreicht werden, kann man eine zylindrische Strahlungsabschirmung 50 aus Kohlenstoffgewebe um den Wärmeaufnehmer 40 aus Kohlenstoff herumwickeln. Dieses Kohlenstoffgewebe führt zu einer erheblichen Verringerung des Wärmeverlustes des Wärmeaufnehmers 40.

Gemäß F i g. 1 und 2 befindet sich in dem Tiegel 46 eine Werkzeugbaugruppe 56 mit einer zylindrischen Stange 58, die z. B. durch Verschweißen oder mit Hilfe eines Preßsitzes mit einer Tragscheibe 60 verbunden ist, welche sich an einer am oberen Ende des Tiegels an dessen Seitenwand ausgebildeten Schulter 62 abstützt. Die Stange 58 weist mehrere axiale Bohrungen 64 und eine oder mehrere radiale öffnungen 66 auf, welch letztere dem unteren Ende der Stange benachbart sind und es der Schmelze 48 ermöglichen, aus dem Tiegel in die verschiedenen Bohrungen 64 einzutreten, die so bemessen sind, daß sie bei geschmolzenem Aluminiumoxid als Kapillarrohre zur Wirkung kommen. Am oberen Ende der Stange 58 ist eine ebene waagerechte Fläche 68 vorhanden, welche die äußere Umfangsfläche der Stange im rechten Winkel schneidet. Die Stange 58 ragt nach oben über die Tragscheibe 60 hinaus, so daß ihr oberes Ende für die Bedienungsperson sichtbar ist. Die Länge der Stange 58 und der Durchmesser der Kapillarbohrungen 64 sind so gewählt, daß das geschmolzene Aluminiumoxid infolge der Kapillarwirkung in den Bohrungen 64 nach oben steigen kann, solange die Oberfläche der Schmelze 48 in dem Tiegel so hoch liegt, daß die Schmelze die radialen öffnungen 66 gefüllt hält. Die Höhe, bis zu der eine durch die Schmelze gebildete Säule ansteigen kann, ist durch die Gleichung h — 2 T cos θ/drg gegeben hierin ist h die in Zentimetern gemessene Strecke längs welcher die Säule nach oben steigt, T dit Oberflächenspannung der Schmelze in Dyn/cm, θ dei Berührungswinkel, 3 das spezifische Gewicht dei flüssigen Schmelze, r der innere Radius der Kapillar bohrung in cm und g die Gravitationskonstante ii cm/sec². In einer Kapillarbohrung mit einem Durch messer von 0,75 mm in einem Bauteil aus Molybdäi ist z. B. zu erwarten, daß eine Säule aus geschmol zenem Aluminiumoxid durch die Kapillarwirkun veranlaßt wird, längs einer Strecke von über 11 er hochzusteigen.

Fig.2 bis 5 zeigen, auf welche Weise auf einer Rohr 38 aus keramischem Werkstoff eine Stirnwan aus keramischem Werkstoff gezüchtet werden kam Zunächst wird das Rohr senkrecht in die Vorrichtun eingeführt und gleichachsig mit der Werkzeugbaugrui pe 56 angeordnet Nachdem sich die Kapillarbohrui gen 64 infolge der Kapillarwirkung mit der Schrneh

gefüllt haben und die Energiezufuhr zu der Heizspule 30 so eingestellt worden ist, daß die Temperatur der oberen Stirnfläche 68 der Stange 58 vorzugsweise um mindestens etwa 10 bis 4O⁰C höher ist als der Schmelzpunkt des Werkstoffs des Rohrs 38. wird das Rohr nach unten bewegt, in Berührung mit der Stirnfläche 68 gebracht und so lange in dieser Stellung gehalten, bis ein Teil des unteren Endes des Rohrs schmilzt, so daß ein flüssiger Film 70 entsteht, der sich genügend weil in seitlicher Richtung erstreckt, damit er in Verbindung mit der von den Kapillarbohrungen aufgenommenen Schmelze kommt. In F i g. 2 bis 5 wie auch in F i g. 6 bis 11 sind die Kapillarbohrungen im nicht gefüllten Zustand dargestellt, um sie deutlicher erkennbar zu machen, doch sind sie beim Betrieb der Vorrichtung natürlieh mit einem Teil der Schmelze gefüllt. Bevor das untere Ende des Rohrs 38 gemäß F i g. 2 schmilzt und den Film 70 bildet, weist natürlich die Schmelze in jeder Kapillarbohrung einen konkaven Meniscus auf, und der Rand dieses Meniscus steht im wesentlichen in Fluch- ao tung mit der Stirnfläche 68. Der Temperaturgradient längs des Rohrs und die Temperatur der Stirnfläche 68 sind Faktoren, welche die Menge des zum Schmelzen gebrachten Werkstoffs des Rohrs und die Dicke des Films 70 beeinflussen. Das Rohr wirkt als Wärmesenke, »5 und die Temperatur, die das Rohr an aufeinanderfolgenden, schrittweise höher liegenden Punkten aufweist, wird durch die Höhe der Heizspule 30 und des Wärmeaufnehmers 40 sowie durch die Energieaufnahme der Heizspule beeinflußt. In der Praxis werden diese Parameter so eingestellt, daß der Film 70 anfänglich eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 mm annimmt.

Sobald sich der Film 70 mit der Schmelze in den Kapillarbohrungen verbunden hat, wird die Zieheinrichtung 34 betätigt, um das Rohr 38 von der Stirnfläche 68 weg nach oben zu bewegen. Die Ziehgeschwindigkeit wird so eingestellt, daß der infolge der Oberflächenspannung an dem Rohr haftende Film infolge eines Temperaturabfalls an der Trennfläche zwischen dem festen Rohr und dem flüssigen Film, die sich bei der Ziehbewegung ausbildet, kristallisiert. Die Ziehgeschwindigkeit muß ferner so gewählt sein, daß die Oberflächenspannung den Film veranlaßt, sich gemäß F i g. 3 nach innen in Richtung auf den Mittelpunkt der Stirnfläche 68 auszubreiten. Während dieser Ausbreitung des Films nach innen findet ein Kristallwachstum an allen Punkten des waagerecht liegenden Films statt, was zur Folge hat. daß an dem Rohr eine rohrförmige monokristalline Verlängerung entsteht, die einen konstanten Außendurchmesser hat, deren lnnendurchmes- ser sich jedoch fortschreitend verkleinert. Der durch das Kristallwachstum verbrauchte Film wird durch weitere Teile der Schmelze ersetzt, die durch die Kapillarbohrungen 64 zugeführt werden. Anfänglich führt das Kristallwachstum auf dem Rohr gemäß F i g. 3 dazu, daß sich an dem Rohr ein konischer nach innen vorspringender Flansch 72 ausbildet Im weiteren Verlauf des Kristallwachstum breitet sich der Film weiter aus, bis er die Stirnfläche 68 vollständig überdeckt. Gleichzeitig wächst der Flansch 72 weiter nach innen, bis er gemäß F i g. 4 das Rohr vollständig verschließt und eine Stirnwand 72A bildet Der Züchtungsvorgang wird fortgesetzt bis die Stirnwand 72Λ die gewünschte Dikke erreicht hat, woraufhin die Ziehgeschwindigkeit schnell in einem solchen Ausmaß erhöht wird, daß das Rohr gemäß F i g. 5 nach oben von dem Film weggezogen wird. Alternativ kann man den Züchtungsvorgang fortsetzen, um zu bewirken, daß sich die Stirnwand 72Λ weiter verlängert und eine massive Stange bildet, die den gleichen Außendurchmesser hat wie das Rohr 38. Zwar kann man die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur des Films während des Kristallzüchtungsvorgangs variieren, doch darf man die Ziegeschwindigkeit bzw. die Temperatur nicht so weit erhöhen, daß das Rohr außer Berührung mit dem durch die Schmelze gebildeten Film kommt. Bei der Verwendung von Alphaaluminiumoxid ist es zweckmäßig, mit einer anfänglichen Ziehgeschwindigkeit von etwa 2,5 mm/min zu arbeiten und die Ziehgeschwindigkeit auf etwa 5,0 mm/min zu steigern, nachdem sich der Film so weit ausgebreitet hat, daß er die Stirnfläche 68 der in der beschriebenen Weise beheizten Werkzeugbaugruppe vollständig überdeckt. Die Ziehgeschwindigkeit, die dem Rohr 38 erteilt wird, und die Temperatur des Films bestimmen die Dicke des Films, von der wiederum die Geschwindigkeit abhängt, mit der sich der Film ausbreitet. Eine Erhöhung der Temperatur der Stirnfläche 68 und damit auch der Temperatur des Films und eine Steigerung der Ziehgeschwindigkeit bewirken beide, daß sich die Dicke des Films vergrößert.

F i g. 6 bis 9 veranschaulichen das Züchten eines nach innen ragenden Flansches am unteren Ende eines Rohrs aus keramischen Werkstoff. In diesem Fall wird als Werkzeugbaugruppe 56Λ die Stange 58 durch eine runde Buchse 58Λ ersetzt, in der gleichachsig mit ihr eine runde Stange 74 angeordnet ist, die so bemessen ist, daß sie zusammen mit der Buchse 58A ein ringförmiges Kapillarrohr 64Λ abgrenzt, das in der gleichen Weise zur Wirkung kommt, wie die Kapillarbohrungen 64 nach F i g. 2. Die Buchse 58Λ und die Stange 74 sind durch einen Querstift 75 miteinander verbunden und weisen ebene Stirnflächen 68A und 68B auf, die insgesamt auf ähnliche Weise zur Wirkung kommen, wie die Stirnfläche 68 der Stange 58 nach F i g. 2. In der Stirnfläche 68ß ist gleichachsig mit ihr eine zylindrische Vertiefung ausgebildet, deren Durchmesser dem gewünschten Innendurchmesser des zu züchtenden Flansches entspricht, wobei der Durchmesser der Vertiefung so groß sein muß, daß die Oberflächenspannung der Schmelze nicht ausreicht, um den Film zu veranlassen, die Vertiefung zu überdecken. Auch in diesem Fall hat das vorgeformte Rohr 38 den gleichen Außendurchmesser wie die Stirnfläche 68/4, doch ist der Innendurchmesser des Rohrs größer als der Durchmesser der Vertiefung 76. Der Züchtungsvorgang spielt sich im wesentlichen in der an Hand von F i g. 2 bis 5 beschriebenen Weise ab. Anfänglich hat der beim Anschmelzen des Rohrs 38 entstehende Film 78 im wesentlichen den gleichen Innen- und Außendurchmesser wie das Rohr 38. Gemäß F i g. 7 und 8 breitet sich der Film allmählich nach innen aus. doch wird dieser Vorgang beendet, sobald der Film den Rand der Vertiefung 76 erreicht Während sich das Kristallwachstum in axialer Richtung abspielt wächst das Material in der gleichen Weise wi< der Film auch nach innen, so daß gemäß F i g. 7 eii konischer Flansch 80 entsteht. Sobald sich jedoch dei Film am Rand der Vertiefung 76 stabilisiert hat, win das Kristallwachstum in Richtung auf das Innere de Rohrs unterbrochen, und das Kristallwachstum setz sich senkrecht nach unten innerhalb der gesamt« waagerechten Fläche des Films fort, so daß gemäl F i g. 8 und 9 der Flansch 80 eine zylindrische Innenflä ehe 82 erhält. Man kann den Züchtungsvorgang beet! den, sobald der Flansch gemäß F i g. 9 die gewünscht Dicke erreicht hat, oder man kann den Vorgang fön setzen, so daß der gezüchtete Kristall ein Rohr bilde

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das den gleichen Außendurchmesser hat wie das Rohr 38, jedoch einen kleineren Innendurchmesser als das Rohr. Das Verfahren nach F i g. 6 bis 9 läßt sich mit Hilfe der Werkzeugbaugruppe nach Fig. 2 durchführen, vorausgesetzt, daß das obere Ende der Stange 58 mit einer Vertiefung ähnlich der Vertiefung 76 versehen ist.

Fig. 10 und 11 veranschaulichen eine Abwandlung des Verfahrens nach F i g. 2 bis 5. In diesem Fall hat die obere Stirnfläche 68 der Stange 58 eine konkave Form, wobei die Stirnfläche kreisrund und durch die Kapillarbohrungen 64 abgegrenzt sein kann, oder wobei sich die konkave Fläche nach außen bis zum Umfang der Stange erstrecken kann. Wenn ein Film 84 in der beschriebenen Weise so erzeugt wird, daß er sich über die ganze Stirnfläche 68 erstreckt, füllt er in beiden Fällen die konkave Vertiefung am oberen Ende der Stange aus, doch weist er eine relativ ebene Oberseite auf. Mit anderen Worten, der Film neigt dazu, über dem tiefsten Punkt der konkaven Vertiefung eine größere Dicke anzunehmen. Wegen der konkaven Form der Stirnfläche 68 fließt der anfänglich durch das Anschmelzen des Rohrs 38 erzeugte Film schnell zur Mitte der Stirnfläche, so daß dann, wenn das Rohr nach oben gezogen wird, das anfängliche Kristallwachstum nicht auf die ringförmige Zone des Films beschränkt wird, die in unmittelbarer Fluchtung mit dem unteren Ende des Rohrs steht; vielmehr dehnt sich das Kristallwachstum nach innen aus, so daß der gesamte Film schnell an dem Kristallwachstum teilnimmt. Infolgedessen nimmt die Innenfläche 86 der entstehenden Stirnwand 88, die auf dem unteren Ende des Rohrs gezüchtet wird, nicht so sehr die in F i g. 4 gezeigte konische Form, sondern in einem stärkeren Ausmaß die Form eines Tellers von geringer Tiefe an. Wird das Rohr 38 nach oben gezogen, bis es sich von dem Film trennt, neigt die Außenfläche der Stirnwand 88 dazu, im Längsschnitt eine Form anzunehmen, die in einem gewissen Ausmaß der Form der Stirnfläche 68 entspricht. Jedoch entspricht die Umfangsform der Stirnwand nahezu genau derjenigen der Stirnfläche 68.

Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren nach der Erfindung hat die obere Stirnfläche der Werkzeugbaugruppe 56 bzw. 56Λ im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie das Rohr 38, so daß der monokristalline Flansch bzw. die Stirnwand und das Rohr, auf dem der Flansch bzw. die Wand gezüchtet worden ist, im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser haben. Es ist jedoch auch möglich, einen Flansch oder eine Stirnwand zu züchten, der bzw. die einen kleineren oder größeren Außendurchmesser hat. Beispielsweise kann man eine Stirnwand mit einem kleineren Außendurchmesser züchten, indem man eine Werkzeugbaugruppe der beschriebenen Art benutzt, bei der die Stirnfläche 68 (Fig.2) einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Rohrs 38, jedoch nicht kleiner als der Innendurchmesser des Rohrs; entsprechend kann man eine Stirnwand mit einem größeren Durchmesser züchten, wenn man eine Werkzeugbaugruppe benutzt, bei der die Stirnfläche 68 einen größeren Außendurchmesser hat als das Rohr. Zum Züchten einer Verlängerung, deren Außendurv.hmesser größer ist als derjenige des Rohrs, und deren Innendurchmesser kleiner ist als derjenige des Rohrs, d h. eines Ansatzes, der an dem Rohr sowohl einen äußeren als auch einen inneren Flansch bildet kann man eine Werkzeugbaugruppe ähnlich derjenigen nach F i g. 6 benutzen, bei der der Außendurchmesser der Stirnfläche 68Λ und der Durchmesser der Vertiefung 76 größer bzw. kleiner ist als der Außendurchmesser bzw. der Innendurchmesser des Rohrs.

Das folgende Beispiel veranschaulicht eine bevorzugte Arbeitsweise zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Tiegel aus Molybdän mit einem Innendurchmesser von etwa 32 mm, einer Wandstärke von etwa 4,8 mm und einer inneren Tiefe von etwa 14,3 mm wird in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise in

ίο dem Ofen angeordnet. In dem Tiegel befindet sich eine Werkzeugbaugruppe, die allgemein in der in F i g. 2 gezeigten Weise ausgebildet ist. Die Stange 58 besitzt vier in gleichmäßigen Umfangsabständen um ihre Achse verteilte Kapillarbohrungen 64. Die Stange 58

»5 hat einen Durchmesser von etwa 9,5 mm, und ihre Länge ist s'j gewählt, daß ihr oberes Ende längs einer Strecke von etwa 1,6 mm nach oben aus dem Tiegel herausragt. Die vier Kapillarbohrungen haben jeweils einen Durchmesser von etwa 0,75 mm. Der Tiegel wird mit im wesentlichen reinem polykristallinem Alphaaluminiumoxid gefüllt, und ein nach dem eingangs beschriebenen Verfahren gezüchtetes Rohr 38 aus monokristallinem Alphaaluminiumoxid wird in den Halter 36 eingebaut. Das Rohr 38 hat eine zylindrische Form und

*5 wurde so gezüchtet, daß die c-Achse seines Kristallgitters parallel zu seiner geometrischen Achse verläuft. Der Außendurchmesser des Rohrs 38 ist gleich dem Außendurchmesser der Stange 58, und es hat eine Wandstärke von etwa 0,75 mm. Das Rohr wird so in den Halter 36 eingebaut, daß es gleichachsig mit der Stange 58 angeordnet ist. Um den Halter 36 für den Kristallkeim und den Wärmeaufnehmer 40 zugänglich zu machen, wird das Bett 2 gegenüber der Ofenumschließung nach unten bewegt, und der Halter wird bis

unterhalb des unteren Endes des Ofenrohrs 4 abgesenkt. Nachdem das Bett wieder in seine obere Stellung nach F i g. 1 gebracht worden ist wird Kühlwasser in dem Raum zw^:schen den beiden Quarzrohren 4 und 6 eingeleitet, die Ofenumschließung wird evakuiert, und

dann wird die Umschließung mit Argon gefüllt, das unter einem Druck von etwa 1 atü steht, der während der Kristallzüchtungsperiode aufrechterhalten wird. Dann wird die Hochfrequenzheizspule 30 eingeschaltet und so betrieben, daß das Aluminiumoxid in dem Tiegel auf seine Schmelztemperatur gebracht wird, die in der Nähe von 2050⁰C liegt, und daß die Stirnfläche 68 eine Temperatur von etwa 2070⁰C erreicht. Sobald das feste Aluminiumoxid in die Schmelze 48 verwandelt worden ist, steigen in den Kapillarbohrungen 64 aus der

Schmelze gebildete Säulen nach oben, so daß sich die Bohrungen füllen. Jede dieser Säulen steigt an. bis ihr Meniscus im wesentlichen in Fluchtung mit dem oberen Ende der Stange 58 steht. Sobald sich ein Temperaturgleichgewicht ausgebildet hat wird die Zieheinrichtung

34 betätigt um das Rohr 38 in Berührung mit der Stirnfläche 68 der Werkzeugbaugruppe zu bringen; in diesel Stellung wird das Rohr zunächst festgehalten, damii das untere Ende des Rohrs zum Schmelzen gebracht wird, so daß der Film 70 entsteht. Nach etwa 60 see

wird das Rohr mit einer Geschwindigkeit von etwa 2J bis 5.0 mm/min senkrecht nach oben gezogen. Hierbei spielt sich an dem Kristallkeim ein Kristallwachstun· ab. und der durch die Schmelze gebildete Film beginnt sich auf der Stirnfläche 68 auszubreiten; dies ist auf sei

⁶S ne Affinität zu dem auf dem Rohr neu gezüchteten Ma terial und die Oberflächenspannung des Films zurück zuführen. Die Oberflächenspannung bewirkt hierbei daß weitere Teile der Schmelze aus den Kapillarboh

rungen austreten und das Gesamtvolumen des Films vergrößern.

Wenn zwar ein Kristallwachstum auf dem Rohr einsetzt, sich jedoch der Film nicht sofort auszubreiten beginnt, werden Maßnahmen getroffen, um den aus der Schmelze gebildeten Film zu zwingen, sich in der gewünschten Weise auszubreiten. Zu diesem Zweck kann man die Temperatur des Films oder Jie Ziehgeschwindigkeit anders einstellen. Vorzugsweise wird die Temperatur der Stirnfläche 68 konstant gehalten, während die Ziehgeschwindigkeit variiert wird, bis zu erkennen ist, daß sich der Film ausbreitet. Da der Film eine Pfütze bildet, in der sich das Kristallwachstum abspielt, breitet sich der Wachstumsvorgang auch in waagerechter Richtung aus, wenn sich der Film auf der Stirnfläche 68 ausbreitet. Bei der erwähnten Ziehgeschwindigkeit pflanzt sich das Kristallwachstum in senkrechter Richtung innerhalb der gesamten waagerechten Filmfläche fort, so daß der wachsende Kristall auch beginnt, in der aus F i g. 3 und 4 ersichtlichen Weise radial nach innen zu wachsen, bis nach etwa 3 min der Kristall die gleiche Querschnittsfläche und Form angenommen hat wie die Stirnfläche 68. Während sich das Kristallwachstum fortsetzt, zeigt es sich, daß die entstehende Stirnwand 72A achsensymmetrisch ist und daß ihr Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Stirnfläche 68 der Werkzeugbaugruppe ist. Nachdem das Rohr etwa 5 min lang nach oben gezogen worden ist, wird die Ziehgeschwindigkeit sofort auf etwa 25 mm/min gesteigert, um das Rohr 38 von dem Film 70 zu trennen. Dann wird der Ofen abgekühlt, und das Rohr 38 wird aus dem Halter 36 ausgebaut. Es zeigt sich, daß die auf dem Rohr gezüchtete Verlängerung eine hinreichend ebene untere Stirnfläche aufweist, während die Innenfläche gemäß F i g. 5 eine konische Form hat. Die Dicke der Stirnwand 72/1 beträgt an ihrem Mittelpunkt etwa 10 mm. Es zeigt sich, daß der gezüchtete Kristall im wesentlichen monokristallin ist und eine kristallographische Verlängerung des Kristallgitters des Rohres 38 bildet.

Nachdem sich der Film 70 auf der ganzen Stirnfläche 68 ausgebreitet hat, und wenn die sich nach der mittleren Temperatur des Films richtende Betriebstempera- tür konstant, jedoch etwas über dem Schmelzpunkt des zu züchtenden Materials gehalten wird, kann man die Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur innerhalb bestimmter Grenzen variieren, ohne daß eine wesentliche Änderung des Querschnitts des gezüchteten Kristalls eintritt Wird die Ziehgeschwindigkeit konstant gehalten, kann man entsprechend die Betriebstemperatur in einem erheblichen Ausmaß, d. h. gegenüber dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid um 15 bis 30⁰C variieren, ohne daß sich eine erhebliche Änderung des Querschnitts des gezüchteten Kristalls ergibt.

Die Tatsache, daß die gezüchtete kristalline Verlängerung im wesentlichen die gleiche Form und Größe hat wie die Stirnfläche 68. bestätigt, daß der Film 70 eine Wachstumszone bildet die parallel zu der Stirnfläche 68 im wesentlichen isothermisch ist. Die Dicke des Films liegt in der Größenordnung von etwa 0.1 mm, wenn die üblichen Züchtungsbedingungen bestehen, und in dem Film ist ein senkrechter Temperaturgradient vorhanden. Die Stirnfläche 68 kommt im wesentlichen als isothermische Heizvorrichtung zur Wirkung. Wenn das Rohr 38 einen relativ großen Außendurchmesser und eine große Wandstärke hat, kann es erforderlich sein, die Zufuhr von Wärme etwas zu steigern, so daß die Temperatur der Stirnfläche 68 der Werkzeugbaugruppe vor dem Zeitpunkt, in dem sie in Berührung mit dem Rohr gebracht wird, höher ist, als es normalerweise erforderlich ist, um ein einwandfreies Kristallwachstum zu erzielen. Durch diese höhere Temperatur wird die Wärmesenkewirkung des Rohrs ausgeglichen, die bewirken kann, daß die mittlere Temperatur der Pfütze bzw. des durch die Schmelze gebildeten Films unter dem erwarteten Wert liegt. Wird diese Wärmesenkewirkung nicht durch eine Steigerung der Wärmezufuhr ausgeglichen, kann es vorkommen, daß der Werkstoff am unteren Ende des Rohrs nicht zum Schmelzen gebracht wird, oder daß sich der Film nicht schnell auf der Stirnfläche 68 ausbreitet.

Natürlich kann man das Verfahren nach der Erfindung anwenden, um an beiden Enden eines Rohrs einen inneren Flansch zu züchten. Beispielsweise kann man die Vorrichtung nach F i g. 6 benutzen, um beide Enden des Rohrs 38 mit einem inneren Flansch zu versehen. Zu diesem Zweck züchtet man zunächst am einen Ende des Rohrs mit Hilfe des an Hand von F i g. 6 bis 9 beschriebenen Verfahrens einen inneren Flansch 80; dann wird das Rohr 38 in umgekehrter Lage in den Halter 36 eingebaut, woraufhin am anderen Ende des Rohrs ein ähnlicher innerer Flansch unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie bei dem ersten Flansch gezüchtet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch angewendet werden, um Verlängerungen oder Ansätze mit anderen Querschniltsformen, z. B. rechteckige, quadratische oder anders geformte Ansätze, auf Rohren zu züchten, welche die gleiche oder eine andere Querschnittsform haben. Beispielsweise ist es unter Benutzung einer Werkzeugbaugruppe mit einer quadratischen Fläche zum Aufnehmen eines Films möglich, auf einem runden oder quadratischen Rohr eine Verlängerung oder einen Abschlußabschnitt von quadratischer Querschnittsform zu züchten.

Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Rohren aus Aluminiumoxid beschränkt, sondern eignet sich auch bei anderen kongruent schmelzenden kristallinen Stoffen, unter Anpassung der Betriebstemperaturen an die anderen Schmelzpunkte und Wahl entsprechender Tiegelwerkstoffe, um eine Reaktion zwischen der Schmelze und dem Werkstoff des Tiegels zu verhindern.

Lauesche Röntgenstrahl-Reflexphotographien von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezüchteten Kristallen aus Alphaaluminiumoxid zeigen, daß der gezüchtete Kristall gewöhnlich einen oder zwei und in manchen Fällen drei oder vier Kristalle umfaßt, die gemeinsam gewachsen und in der Längsrichtung durch eine Korngrenze getrennt sind, die unter einem kleiner Winkel von gewöhnlich weniger als 4° zur c-Richtung verläuft. Um jede Andeutung zu vermeiden, daß da: gezüchtete Material polykristallin ist, wird es hier vor gezogen, von einem im wesentlichen einkristallinet Material zu sprechen; dieser Ausdruck bezeichnet hier bei einen kristallinen Körper, der aus einem einzigei Kristall oder zwei oder mehr Kristallen besteht, d. r einen Doppclkristall oder einen Dreifachkristall, wöbe diese Kristalle gemeinsam in der Längsrichtung ge wachsen, jedoch durch eine Korngrenze getrennt sine die unter einem relativ kleinen Winkel von weniger al etwa 4° verläuft. Der gleiche Ausdruck bezeichnet fei ner den kristallographischen Aufbau des als Kristal

keim verwendeten Rohrs.

Ferner wurde festgestellt, daß sich optimale Ergebnisse erzielen lassen, wenn dve c-Achse des Kristallgitters des Rohrs parallel zur Längsachse des Rohrs verläuft, so daß die eint η Flansch oder eine Stirnwand bildende Verlängerung ebenfalls in senkrechter Richtung längs der c-Achse wächst Ein solches Wachstum in der c-Richtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung glatte Oberflächen und eine hervorragende Festigkeit aufweist

Bezüglich der Werkzeugbaugruppe sei bemerkt, daß in den Ansprüchen der Ausdruck »Stirnfläche« die praktisch zur Wirkung kommende Filmunterstützungsfläche des Werkzeugs ohne Rücksicht darauf bezeichnet, ob es sich entsprechend der Fläche 68 nsch F i g. 2 und 10 um eine einzige Fläche oder entsprechend den Flächen 68-4 und 68B nach F i g. 6 um zwei getrennte Flächen handelt; der Ausdruck »Kapillare« bezeichnet einen Kanal, der auf verschiedene Weise ausgebildet sein kann, z. B. in Form der getrennten Bohrungen 64 oder in Form des Ringspaltes 64A Der Ausdruck »wirksame Filmtragfläche« bezeichnet die Stirnfläche des Werkzeugs, d.h. die Fläche 68 bzw. die Flächen 68Λ und 68ß, wie sie erscheinen würden, wenn die Kapillaröffnungen 64 oder 64Λ nicht vorhanden wären, denn wenn ein Film die Stirnfläche vollständig überdeckt, erstreckt er sich gemäß F i g. 4 und 8 auch über die Kapillaröffnungen hinweg.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Im wesentlichen einkristallines Rohr aus einem kongruent schmelzenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß es an beiden Enden innere Endflansche (72, 80) oder Stirnwände (72a. 86) autweist und daß die Endflansche oder Stirnwände kristallographische Verlängerungen des Kristallgitters des Rohres (38) bilden.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Endflansch (72, 80) eine zylindrische innere Kante aufweist

3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Aluminiumoxid Desteht

4. Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen einkristallinen Rohres aus einem kongruent schmelzenden Material mit inneren Endflanschen pder Stirnwänden an beiden Enden, die kristallographische Verlängerungen des Kristallgitters des Rohrmaterials bilden, nach Anspruch 1, bei dem ein Kristallkörper aus einem auf der oberen erhitzten Stirnfläche einer Form befindlichen Schmelzfilm gezogen wird, dem Schmelze zur Ergänzung während des Ziehens von einer Vorratsschmelze durch mindestens eine Kapillare, die in jeder Form zwischen der Stirnfläche und der Vorratsschmelze verläuft, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende eines einkristallinen Rohres aus dem Material mit der Stirnfläche, die in mindestens einer !Richtung größer als der Querschnitt des Rohres in dieser Richtung ist, vor dem Ziehen solange in Berührung gebracht wird, bis das Rohrende schmilzt und auf der Stirnfläche einen Film bildet, daß das Rohr dann von der Stirnfläche weggezogen wird, wobei Ziehgeschwindigkeit und Temperatur des Schmelzfilms so geregelt werden, daß sich der Film auf der ganzen Stirnfläche ausbreitet und ein innerer Endflansch der gewünschten Größe oder eine Stirnwand entstanden ist, dessen bzw. deren Querschnitt dem Querschnitt der Stirnfläche entspricht und daß mit dem anderen Ende des Rohres danach in gleicher Weise verfahren wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Stirnfläche ringförmig ist, daß das erwähnte eine Ende des Rohres im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser hat wie die Stirnfläche, und daß das Ende des Rohres einen größeren Innendurchmesser hat als die Stirnfläche.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Stirnfläche ringförmig ist, daß das erwähnte eine Ende des Rohres einen kleineren Außendurchmesser hat als die Stirnfläche, und daß der Innendurchmesser des Endes des Rohres größer ist als derjenige der Stirnfläche.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche eine konkave Form hat.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Stirnfläche einen einzigen Umfang aufweist, dessen Form der Form des äußeren Umfangs des Endes des Rohres entspricht, so daß das Kristallwachstum bewirkt, daß am Ende des Rohres eine geschlossene Stirnwand entsteht.

9. Verwendung eines im wesentlichen einkristallinen Rohres aus einem kongruent schmelzenden Material nach Anspruch 1 als Umschließung für eine Licht von hoher Intensität erzeugende Dampflampe.