ریخته‌گری قطعات تک کریستال

خطای اسکریپتی: پودمان «AfC submission catcheck» وجود ندارد.

قطعه‌ی تک کریستال چیست ؟[ویرایش]

قطعات تک کریستالی موادی هستند که کل نمونه دارای شبکه کریستالی پیوسته و یک‌تکه است و مرزی بین دانه‌ها وجود ندارد. عدم وجود عیوب مربوط به مرز دانه می‌تواند خواص ویژهٔ نوری، الکتریکی یا مکانیکی به همراه داشته باشد، یکی از این خواص مهم مقاومت قطعات تک کریستال در مقابل پدیدهٔ خزش می‌باشد، خزش به تغییر شکل قطعه در دمای بالا و بر اثر تنش کم و ثابت می‌گویند، اولین جایی که شروع به لغزش و ترک می‌کند مرزهای دانه هستند زیرا مرزهای دانه دارای بیشترین بی‌نظمی در دمای بالا هستند و در واقع محل تمرکز تنش می‌باشند ولی در قطعات تک کریستال این مشکل وجود ندارد زیرا اساساً مرز دانهای در کار نیست؛ این مقاومت بر مقابل خزش می‌تواند در جاهایی مثل سیم های تنگستنی درون لامپ مورد استفاده قرار گیرد.

کاربردهای قطعات تک کریستال[ویرایش]

نیمه رساناها[ویرایش]

سیلیکون تک کریستالی برای ساخت نیمه رساناها استفاده می‌شود. در مقیاس بسیار کوچک میکرو چیپ‌ها؛ وجود مرز، بین دانه‌ها می‌تواند تأثیر عمده‌ای بر عملکرد ترانزیستورها با تغییر خواص الکتریکی داشته باشد. در نتیجه سازندگان میکرو‌ چیپ‌ها سرمایه‌گذاری سنگینی در زمینهٔ ساخت سیلیکون تک کریستالی کرده‌اند. سیلیکون تک کریستالی متشکل از سیلیکونی است که شبکه کریستالی کل ماده‌ی جامد به صورت پیوسته و بدون شکستگی و بدون مرز دانه است. به دلیل خواص نیمه رسانایی، سیلیکون تک کریستالی می‌تواند جزء کاندیدای مهمترین ماده تکنولوژیکی در دهه‌های اخیر باشد، زیرا که قابل دسترس بودن با هزینه معقول برای توسعه تجهیزات الکترونیکی حیاتی است.

تجهیزات نوری[ویرایش]

در آزمایشگاه‌ها، کلسیم فلوراید تک کریستالی به صورت رایج به عنوان شیشه برای طول موج‌های مادون‌قرمز و فرابنفش استفاده می‌شود؛ چرا که در این نواحی این ماده شفاف بوده و کمترین تغییرات شاخص شکستگی با طول موج را دارد. کریستال‌های سنتزی کلسیم فلوئورید در تولید لنزها برای طراحی آکروماتیک و کاهش توزیع و پخش شدن نور استفاده می‌شوند. به عنوان ماده‌ای برای عبور موج‌های مادون قرمز، کلسیم فلوئورید کاربرد زیادی دارد. در تلسکوپ‌ها عناصر آن منجر به تصاویر با کیفیت، از اشیا کهکشانی با بزرگ‌نمایی زیاد می‌شوند.

پره‌های توربین[ویرایش]

جدیدترین فصل داستان مواد تک کریستالی مربوط به استفاده از آنها در توربین‌های گازی بزرگ در واحدهای تولید الکتریسیته است؛ این واحدها بعضاً تا ۵۰۰ مگاوات الکتریسیته تولید می‌کنند که برای چند صد هزار خانه کافی است، همچنین در این واحدها از پره‌های خیلی بزرگ تک کریستالی که در برابر خوردگی و دمای بالا مقاوم هستند استفاده می‌شود که منجر به افزایش کارایی می‌گردد.

اولین استفاده از پره‌های تک کریستالی؛ برای توربین گازی ۱۶۳ مگاواتی شرکت زیمنس بود؛ که در سال ۱۹۹۵ وارد بازار شد، همچنین در سال‌های اخیر برای افزایش بازده گرمایی از دمای بسیار بالا برای ورودی توربین‌های گازی تولید برق استفاده شده‌است، بنابراین مواد تک کریستالی با ظرفیت دمایی زیاد با طول عمر طولانی مورد نیاز هستند.

توربین H9 جنرال الکتریک یک توربین سیکل ترکیبی ۵۰ هرتزی است (یعنی از گرمای خروجی برای تولید توان بیشتر در چرخهٔ بخار استفاده می‌کند) که یکی از بزرگترین توربین‌های جهان است؛ اولین مدل این توربین‌ها در سال ۲۰۰۳ به بازار آمد که در ساحل جنوبی ولز نصب گردید؛ که همچنان ۵۳۰ مگاوات الکتریسیته را به شبکه برق بریتانیا با بازده گرمایی ترکیبی حدود ۶۰ درصد تزریق می‌کند. این مدل که ۳۶۷۹۰۰ کیلوگرم وزن دارد از پره‌های تک کریستالی بهره برده‌است؛ که طول پره‌ها ۳۰ تا ۴۵ سانتی‌متر هستند؛ هرکدام ازآن‌ها ۱۵ کیلوگرم وزن داشته و هر کدام یک تک کریستال هستند.

ریخته‌گری قطعات تک کریستال[ویرایش]

ریخته‌گری قطعات تک کریستال که به کاربردهای گسترده آن در صنایع گوناگون اشاره شد، عمدتاً به دو روش انجام می‌شود؛ اولین روش انجماد جهت دار و روش دوم، SCG است که در ادامه هر یک از این روش‌ها توضیح داده می‌شد.

روش انجماد جهت دار یا Directional Solidification[ویرایش]

این روش برای ساخت قطعات تک‌کریستالی مانند پرهٔ توربین و … کاربرد دارد؛ همچنین از این روش برای ساخت قطعاتی با تعداد دانه‌ی مشخص هم استفاده می‌شود.

قطعه‌ی ساخته شده به وسیله‌ی ریخته‌گری دقیق

انجماد جهت دار و ریخته‌گری دقیق[ویرایش]

روش انجماد جهت دار شباهت بسیار زیادی به ریخته‌گری دقیق یا همان Investment Casting دارد، در ریخته‌گری دقیق، ابتدا مدل مومی قطعه ساخته می‌شود سپس آن را با پوشش‌های سرامیکی می‌پوشانند، و در مرحلهٔ بعد مدل مومی پوشیده شده با سرامیک درون کوره قرار می‌گیرد، مدل مومی در این مرحله ذوب شده و از قالب خارج می‌گردد، بعد از خروج قالب سرامیکی از کوره، مذاب فلز را درون قالب می‌ریزند و بعد از گذشت مدتی، مذاب منجمد می‌شود و با شکستن قالب، قطعهٔ فلزی را خارج می‌کنند. ولی در انجماد جهت دار بعد از ذوب موم، قالب همچنان درون کوره می‌ماند و مذاب به قالب درون کوره تزریق می‌شود، در این هنگام انجماد از صفحه‌ای خنک‌کننده که زیر قالب قرار داده شده‌است آغاز می‌گردد.

روش انجماد جهت دار چیست؟[ویرایش]

در دهه ۱۹۶۰ کریستال‌های جامد به صورت مستقیم ریخته‌گری می‌شدند که کیفیت مناسبی نداشتند؛ ولی دانشمندان به این نتیجه رسیدند که اگر یک خم با زاویه مناسب با فاصله کوتاهی بالای صفحه خنک‌کننده (که به آن محفظهٔ آغازگر هم گفته می‌شود) در قالب ایجاد شود، تعداد کریستال‌هایی که از خم خارج می‌شوند کاهش خواهد یافت. با داشتن دوتا از این خم‌ها تعداد کریستال‌ها بیشتر هم کاهش میابد؛ بعداً، حین ارزیابی خواص فنرهای تک کریستالی، یافت شد که کانال مارپیچ با خم پیوسته یک فیلتر طبیعی بوده که کریستال‌ها را از درون قالب گرفته و یک تک کریستال را تولید می‌کند؛ مانند ساختار تک بلور پرهٔ توربین که به همین روش ساخته می‌شود.

این تجهیز تولید تک کریستال‌ها pigtail نامیده می‌شود؛ که کنترل آن چالش‌برانگیز می‌باشد؛ چراکه حین تشکیل ساختار تک کریستالی، زمانی که قطعه از محفظهٔ تحت کنترل دما خارج می‌شود؛ انتقال حرارت رسانشی تک بعدی باید کنترل شود. هرگونه حرارت رسانش شده به دیواره‌های جانبی قطعه می‌تواند منجر به کریستالیزاسیون محلی شود که ساختار تک کریستال را در نتیجهٔ تشکیل دانه‌های ثانویه به هم می‌ریزد.

اولین قطعات ریخته‌گری شده از جنس آلیاژهای فعلی، پلی کریستالی بودند؛ این آلیاژها همگی حاوی کربن، برم و زیرکونیوم بودند، یعنی ۳ عنصری که تمایل به جدا شدن از هم تا مرز دانه‌ها را دارند که منجر به استحکام بالای مرز بین دانه‌ها و مقاومت پذیری در برابر خزش می‌شود. اما در قطعات ریخته‌گری شده تک کریستالی، که زمان انجماد بیشتری نیاز دارند و مرز بین دانه وجود ندارد، این ۳ عنصر ترکیباتی با کربن تشکیل داده که منجر به خواص فرسودگی نامطلوب می‌شود. در دهه ۱۹۷۰ آلیاژهای خاصی برای مواد تک کریستالی توسعه داده شدند که با حذف ۳ عنصر مذکور منجر به دمای ذوب بالا، مقاومت در مقابل خزش بیشتر و مقاومت به فرسودگی بهتر در قطعات و تیغه‌های نهایی می‌شود.

روش SCG[ویرایش]

S.C.G یا Single Crystal Growing به معنی رشد تک بلور می‌باشد؛ این روش برای ساخت استوانه‌های بزرگ تک کریستال سیلیکون که یک‌نیمه رسانا است به کار می‌رود و کاربرد گسترده‌ای در صنعت لوازم الکتریکی دارد؛ این روش خود شامل دو شیوهٔ مختلف می‌باشد، اولین شیوه، Crystal Pulling Method است و شیوهٔ دوم، Floating Zone Method است؛ که در ادامه هر یک از این شیوه‌ها توضیح داده خواهد شد.

شمش سیلیکون[ویرایش]

زمان مورد نیاز برای رشد دادن شمش سیلیکون بسته به عوامل متعددی تغییر می‌کند. بیشتر از ۷۵ درصد از همهٔ صفحات تک کریستالی سیلیکون با روش S.C.G تولید می‌شوند. پیش نیاز تولید شمش تک کریستال با روش S.C.G، قطعات سیلیکون پلی‌کریستالی است. این قطعات در خرد کن کوارتز همراه با مقدار کمی از عناصر گروه ۳ و ۵ جدول تناوبی که به آنها افزودنی گفته می‌شود قرار می‌گیرند. این عناصر خواص الکتریکی لازم برای شمش را ایجاد می‌کنند. رایج‌ترین این عناصر برم، فسفر، آرسنیک و آنتیموان هستند. بسته به نوع عنصر افزودنی، شمش نوع N، که حاوی فسفر و آنتیموان است و نوع P که حاوی برم هست؛ ساخته می‌شود، برای تولید شمش، اولین مرحله گرم کردن سیلیکون تا ۱۴۲۰ درجه سانتیگراد است، که بالاتر از دمای ذوب سیلیکون است.

Floating Zone Method[ویرایش]

هنگامیکه که پلی‌کریستال و مواد افزودنی کاملاً مذاب شدند؛ یک دانهٔ جامد کریستال سیلیکون، که هسته نامیده می‌شود، بر روی سطح؛ بالای مذاب قرار می‌گیرد ولی تماس زیادی با آن ندارد. این هسته جهت‌گیری کریستالی دلخواه شمش را دارد.

برای یک دست شدن مواد افزودنی، کریستال هسته و ظرف حاوی سیلیکون مذاب در جهت مخالف یکدیگر می‌چرخند؛ این چرخش همزمان مانع تشکیل دانه‌های جدید بر روی دیواره‌های ظرف می‌شود؛ زمانی که سیستم به شرایط مطلوب برسد، کریستال هسته به آرامی به بالا برده می‌شود. رشد کریستال زمانی شروع می‌شود که هسته به سرعت از سطح مذاب فاصله بگیرد. این کار منجر به کمینه شدن تعداد نقص کریستالی درون هسته در ابتدای فرایند می‌شود.

بعد از این مرحله، سرعت فاصله گرفتن هسته کاهش یافته تا امکان افزایش قطر کریستال فراهم شود. زمانی که قطر مطلوب حاصل شد؛ شرایط رشد پایدار شده تا قطر حفظ شود. در حالی که هسته به آرامی از سطح مذاب فاصله می‌گیرد؛ تنش سطحی بین هسته و مذاب منجر می‌شود که لایه نازکی از سیلیکون به هسته بچسبد و سپس خنک شود. حین خنک شدن، اتم‌ها در سیلیکون مذاب هم راستا با ساختار کریستالی هسته می‌شوند.

زمانی که شمش کاملاً رشد کرد، دارای قطری بیشتر از مقدار مورد نظر صفحه سیلیکون نهایی است؛ شمش دارای برش کوتاهی است تا جهت‌گیری آن مشخص شود. بعد از بازرسی و ارزیابی، شمش تحت برشکاری قرار می‌گیرد؛ به دلیل سختی سیلیکون از اره با جنس الماس استفاده می‌شود به حدی که ضخامت قدری بیشتر از حد مورد نیاز باشد؛ این اره الماس به کمینه کردن آسیب به صفحه‌ها، تغییرات ضخامت و نقوص احتمالی کمک می‌کند.

Crystal Pulling Method[ویرایش]

اساس این شیوه مانند شیوهٔ قبلی است و در این‌جا هم در ابتدا یک شمش پلی‌کریستال ساخته می‌شود؛ ولیکن در این شیوه شمش پلی کریستال به یکباره ذوب نمی‌شود و توسط میدانی مغناطیسی به صورت خیلی آرام؛ قطره قطره ذوب می‌شود و این قطرات سیلسکون در شرایطی کنترل شده روی دانهٔ جامد کریستال سیلیکون ریخته و منجمد می‌شوند؛ تا آرام آرام قطعه استوانه‌ای تک‌کریستال سیلیکون با قطر مورد نظر ساخته شود.