[发明专利]一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法

摘要

一种制备Si基半导体二元共晶自生复合材料的方法，将从共晶合金母材上切取的试样棒置于激光悬浮区熔定向凝固炉内，保持其与抽拉机构同轴。利用激光悬浮定向凝固装置使两束等质量的激光对称的对试样进行区熔熔化，获得稳定的熔区后，通过抽拉实现材料的连续定向凝固。激光悬浮区熔定向凝固过程中，激光功率为400～1200W，抽拉速率为1～500μm/s，熔区长度为5～9mm，激光光斑2～4mm。本发明实现了Si基共晶合金5000～7000K/cm温度梯度、1～500μm/s的无坩埚约束快速定向凝固，完全消除了传统定向凝固坩埚引起的污染和裂纹，获得了组织超细化，纤维分布均匀，取向精度高的Si基半导体二元共晶自生复合材料。

主权项

一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法，其特征在于，其过程是：步骤一，制备Si基共晶合金铸锭母材：以纯度为99.996％的Si分别与纯度为99.999％的过渡金属为原材料，按共晶成分配制出共晶母材原料；所述的纯度为99.999％的过渡金属包括Ta、W、Ti、Co、Y、Nb和Cr；将配制好的共晶母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至低于2×10‑4Pa并保持，将熔炼炉加热至共晶母材原料的熔点使原料完全熔化；保温30min；关闭电源并用水冷却90～138min，得到Si基二元共晶合金铸锭；所述的Si基二元共晶合金铸锭母材为Si‑TaSi2二元共晶，Si‑WSi2二元共晶，Si‑TiSi2二元共晶，Si‑CoSi2二元共晶，Si‑YSi2二元共晶，Si‑NbSi2二元共晶和Si‑CrSi2二元共晶；步骤二，装夹试棒：将得到的Si基二元共晶合金铸锭切割成试样棒；将得到的试样棒打磨后置于丙酮溶液中进行超声波反复清洗3次；将试样棒的两端分别装夹在位于激光悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使试样棒与抽拉系统同轴；通过激光器的分光镜使激光束分为两束，并调整凸透镜的聚焦系统使所述两束对称的辐照在试样同一高度的表面上；激光束的光斑为2～4mm；步骤三，Si基二元共晶合金铸锭的定向凝固：采用激光悬浮区熔对Si基二元共晶合金试样棒进行定向凝固；将激光悬浮炉腔抽真空至真空度为2×10‑2Pa，充入Ar气；打开激光器，使两束激光束对试样进行加热；逐步增加激光功率使试样棒的熔区完全熔化并保持该激光功率恒定；启动抽拉机构，使试样棒以1～500μm/s速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固；所述激光功率以50W/min的速率增加，并且该激光功率为400～1200W；所述定向凝固的温度梯度为5000～7000K/cm，熔区长度为5～9mm。