Το ζαφείρι είναι ένα σκληρό, ανθεκτικό στη φθορά και ισχυρό υλικό με υψηλή θερμοκρασία τήξης, είναι χημικά ευρέως αδρανές και παρουσιάζει ενδιαφέρουσες οπτικές ιδιότητες. Ως εκ τούτου, το ζαφείρι χρησιμοποιείται για πολλές τεχνολογικές εφαρμογές όπου οι κύριοι κλάδοι της βιομηχανίας είναι τα οπτικά και τα ηλεκτρονικά. Σήμερα το μεγαλύτερο κλάσμα βιομηχανικού ζαφείρι χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα για την παραγωγή LED και ημιαγωγών, ακολουθούμενο από χρήση ως παράθυρα για ρολόγια, ανταλλακτικά κινητών τηλεφώνων ή σαρωτές γραμμωτού κώδικα, για να αναφέρουμε μερικά παραδείγματα [1]. Σήμερα, είναι διαθέσιμες διάφορες μέθοδοι για την καλλιέργεια μονοκρυστάλλων ζαφείρι, μια καλή επισκόπηση μπορεί να βρεθεί π.χ. στο [1, 2]. Ωστόσο, οι τρεις μέθοδοι καλλιέργειας διεργασία Kyropoulos (KY), η μέθοδος ανταλλαγής θερμότητας (HEM) και η καθορισμένη με άκρα ανάπτυξη με τροφοδοσία με φιλμ (EFG) αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 90 % της παγκόσμιας παραγωγικής ικανότητας ζαφείρι.

Η πρώτη προσπάθεια για έναν συνθετικά παραγόμενο κρύσταλλο έγινε το 1877 για μικρούς μονοκρυστάλλους ρουμπίνι [2]. Αμέσως το 1926 επινοήθηκε η διαδικασία Κυρόπουλου. Λειτουργεί σε κενό και επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων κυλινδρικών βολβών πολύ υψηλής ποιότητας. Μια άλλη ενδιαφέρουσα μέθοδος καλλιέργειας ζαφείριου είναι η ανάπτυξη που τροφοδοτείται με φιλμ που ορίζεται στην άκρη. Η τεχνική EFG βασίζεται σε ένα τριχοειδές κανάλι που είναι γεμάτο με υγρό τήγμα και επιτρέπει την ανάπτυξη διαμορφωμένων κρυστάλλων ζαφείρι όπως ράβδοι, σωλήνες ή φύλλα (ονομάζονται επίσης κορδέλες). Σε αντίθεση με αυτές τις μεθόδους, η μέθοδος ανταλλαγής θερμότητας, που γεννήθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960, επιτρέπει την ανάπτυξη μεγάλων βολβών ζαφείρι μέσα σε ένα περιστρεφόμενο χωνευτήριο με τη μορφή του χωνευτηρίου με καθορισμένη εξαγωγή θερμότητας από τον πυθμένα. Επειδή το χωνευτήριο ζαφείρι κολλάει στο χωνευτήριο στο τέλος της διαδικασίας καλλιέργειας, τα βουλιά μπορούν να σπάσουν κατά τη διαδικασία ψύξης και το χωνευτήριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία φορά.
Οποιαδήποτε από αυτές τις τεχνολογίες καλλιέργειας κρυστάλλων ζαφείρι έχει κοινό ότι τα εξαρτήματα του πυρήνα - ιδιαίτερα τα χωνευτήρια - απαιτούν πυρίμαχα μέταλλα υψηλής θερμοκρασίας. Ανάλογα με τη μέθοδο καλλιέργειας, τα χωνευτήρια κατασκευάζονται από μολυβδαίνιο ή βολφράμιο, αλλά τα μέταλλα χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως για θερμαντήρες αντίστασης, συσκευασίες μήτρας και θωράκια θερμής ζώνης [1]. Ωστόσο, σε αυτό το έγγραφο επικεντρώνουμε τη συζήτησή μας σε θέματα σχετικά με το KY και το EFG, καθώς σε αυτές τις διεργασίες χρησιμοποιούνται πεπιεσμένα-πυροσυσσωματωμένα χωνευτήρια.
Σε αυτή την έκθεση παρουσιάζουμε μελέτες χαρακτηρισμού υλικών και έρευνες για την προετοιμασία της επιφάνειας συμπιεσμένων-πυροσυσσωματωμένων υλικών όπως το μολυβδαίνιο (Mo), το βολφράμιο (W) και τα κράματά του (MoW). Στο πρώτο μέρος η εστίασή μας έγκειται στα μηχανικά δεδομένα υψηλής θερμοκρασίας και στη θερμοκρασία μετάπτωσης από όλκιμο έως εύθραυστο. Συμπληρωματικά προς τις μηχανικές ιδιότητες μελετήσαμε τις θερμοφυσικές ιδιότητες, δηλαδή τον συντελεστή θερμικής διαστολής και θερμικής αγωγιμότητας. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζουμε μελέτες σχετικά με μια τεχνική προετοιμασίας επιφανειών ειδικά για τη βελτίωση της αντοχής των χωνευτηρίων γεμισμένων με τήγμα αλουμίνας. Στο τρίτο μέρος αναφέρουμε μετρήσεις γωνιών διαβροχής υγρής αλουμίνας σε πυρίμαχα μέταλλα στους 2100 °C. Πραγματοποιήσαμε πειράματα με σταγόνες τήξης σε κράμα Mo, W και MoW25 (75 wt.% μολυβδαίνιο, 25 wt.% βολφράμιο) και μελετήσαμε τις εξαρτήσεις από διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ως αποτέλεσμα των ερευνών μας, προτείνουμε το MoW ως ένα ενδιαφέρον υλικό στις τεχνολογίες ανάπτυξης ζαφείρι και ως πιθανή εναλλακτική λύση στο καθαρό μολυβδαίνιο και το βολφράμιο.
Μηχανικές και θερμοφυσικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας
Οι μέθοδοι ανάπτυξης κρυστάλλων ζαφείρι KY και EFG εξυπηρετούν εύκολα περισσότερο από το 85% του παγκόσμιου μεριδίου ποσότητας ζαφείρι. Και στις δύο μεθόδους, η υγρή αλουμίνα τοποθετείται σε χωνευτήρια συμπιεσμένης πυροσυσσωμάτωσης, συνήθως κατασκευασμένα από βολφράμιο για τη διαδικασία KY και κατασκευασμένα από μολυβδαίνιο για τη διαδικασία EFG. Τα χωνευτήρια είναι κρίσιμα μέρη του συστήματος για αυτές τις διαδικασίες ανάπτυξης. Με στόχο την πιθανή μείωση του κόστους των χωνευτηρίων βολφραμίου στη διαδικασία KY καθώς και την αύξηση της διάρκειας ζωής των χωνευτηρίων μολυβδαινίου στη διαδικασία EFG, κατασκευάσαμε και δοκιμάσαμε επιπλέον δύο κράματα MoW, δηλαδή MoW30 που περιέχει 70 wt.% Mo και 30 wt. % W και MoW50 που περιέχουν 50 wt.% Mo και W το καθένα.
Για όλες τις μελέτες χαρακτηρισμού υλικών, παράγαμε συμπιεσμένα πλινθώματα Mo, MoW30, MoW50 και W. Ο Πίνακας I δείχνει τις πυκνότητες και τα μέσα μεγέθη κόκκων που αντιστοιχούν στις αρχικές καταστάσεις υλικού.

Πίνακας I: Σύνοψη των πεπιεσμένων-συντηγμένων υλικών που χρησιμοποιούνται για τις μετρήσεις των μηχανικών και θερμοφυσικών ιδιοτήτων. Ο πίνακας δείχνει την πυκνότητα και το μέσο μέγεθος κόκκων των αρχικών καταστάσεων των υλικών

Επειδή τα χωνευτήρια εκτίθενται για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλές θερμοκρασίες, πραγματοποιήσαμε περίπλοκες δοκιμές εφελκυσμού, ιδιαίτερα στο εύρος υψηλών θερμοκρασιών μεταξύ 1000 °C και 2100 °C. Το Σχήμα 1 συνοψίζει αυτά τα αποτελέσματα για τα Mo, MoW30 και MoW50 όπου φαίνεται η ισχύς διαρροής 0,2 % (Rp0,2) και η επιμήκυνση σε θραύση (Α). Για σύγκριση, ένα σημείο δεδομένων συμπιεσμένου-πυροσυσσωματωμένου W υποδεικνύεται στους 2100 °C.
Για το ιδανικό στερεό διαλυμένο βολφράμιο σε μολυβδαίνιο, το Rp0.2 αναμένεται να αυξηθεί σε σύγκριση με το καθαρό υλικό Mo. Για θερμοκρασίες έως 1800 °C και τα δύο κράματα MoW δείχνουν τουλάχιστον 2 φορές υψηλότερα Rp0,2 από ό,τι για το Mo, βλέπε Εικόνα 1(α). Για υψηλότερες θερμοκρασίες μόνο το MoW50 παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένο Rp0,2. Το συμπιεσμένο-πυροσυσσωματωμένο W δείχνει την υψηλότερη Rp0,2 στους 2100 °C. Οι δοκιμές εφελκυσμού αποκαλύπτουν επίσης το Α όπως φαίνεται στο Σχήμα 1(β). Και τα δύο κράματα MoW παρουσιάζουν πολύ παρόμοια επιμήκυνση με τις τιμές θραύσης που είναι συνήθως οι μισές τιμές του Mo. Το σχετικά υψηλό Α του βολφραμίου στους 2100 °C θα πρέπει να προκαλείται από την πιο λεπτόκοκκη δομή του σε σύγκριση με το Mo.
Για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας μετάπτωσης από όλκιμο προς εύθραυστο (DBTT) των κραμάτων βολφραμίου μολυβδαινίου με συμπίεση, διεξήχθησαν επίσης μετρήσεις στη γωνία κάμψης σε διάφορες θερμοκρασίες δοκιμής. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 2. Το DBTT αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε βολφράμιο. Ενώ το DBTT του Mo είναι σχετικά χαμηλό στους 250 °C περίπου, τα κράματα MoW30 και MoW50 εμφανίζουν DBTT περίπου 450 °C και 550 °C, αντίστοιχα.

Συμπληρωματικά με τον μηχανικό χαρακτηρισμό μελετήσαμε και τις θερμοφυσικές ιδιότητες. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE) μετρήθηκε σε διαστολόμετρο ωστικής ράβδου [3] σε εύρος θερμοκρασίας έως 1600 °C χρησιμοποιώντας δείγμα με μήκος Ø5 mm και 25 mm. Οι μετρήσεις CTE απεικονίζονται στο Σχήμα 3. Όλα τα υλικά δείχνουν μια πολύ παρόμοια εξάρτηση του CTE με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι τιμές CTE για τα κράματα MoW30 και MoW50 είναι μεταξύ των τιμών Mo και W. Επειδή το υπολειμματικό πορώδες των πεπιεσμένων-συντηγμένων υλικών είναι ασυνεχές και με μικρούς μεμονωμένους πόρους, το λαμβανόμενο CTE είναι παρόμοιο με υλικά υψηλής πυκνότητας, όπως φύλλα και ράβδοι [4].
Η θερμική αγωγιμότητα των πεπιεσμένων-συντηγμένων υλικών λήφθηκε μετρώντας τόσο τη θερμική διάχυση όσο και την ειδική θερμότητα του δείγματος με πάχος Ø12,7 mm και 3,5 mm χρησιμοποιώντας τη μέθοδο λάμψης λέιζερ [5, 6]. Για ισοτροπικά υλικά, όπως πεπιεσμένα-συντηγμένα υλικά, η ειδική θερμότητα μπορεί να μετρηθεί με την ίδια μέθοδο. Οι μετρήσεις έχουν ληφθεί στο εύρος θερμοκρασίας μεταξύ 25 °C και 1000 °C. Για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας χρησιμοποιήσαμε επιπλέον τις πυκνότητες των υλικών όπως φαίνεται στον Πίνακα I και υποθέτουμε πυκνότητες ανεξάρτητες από τη θερμοκρασία. Το σχήμα 4 δείχνει την προκύπτουσα θερμική αγωγιμότητα για πεπιεσμένο πυροσυσσωματωμένο Mo, MoW30, MoW50 και W. Η θερμική αγωγιμότητα

των κραμάτων MoW είναι χαμηλότερο από 100 W/mK για όλες τις θερμοκρασίες που ερευνήθηκαν και πολύ μικρότερο σε σύγκριση με το καθαρό μολυβδαίνιο και το βολφράμιο. Επιπλέον, οι αγωγιμότητα του Mo και του W μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας ενώ η αγωγιμότητα του κράματος MoW υποδηλώνει αυξανόμενες τιμές με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Ο λόγος αυτής της διαφοράς δεν έχει διερευνηθεί σε αυτήν την εργασία και θα αποτελέσει μέρος μελλοντικών ερευνών. Είναι γνωστό ότι για τα μέταλλα το κυρίαρχο μέρος της θερμικής αγωγιμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι η συμβολή των φωνονίων ενώ σε υψηλές θερμοκρασίες το αέριο ηλεκτρονίων κυριαρχεί στη θερμική αγωγιμότητα [7]. Τα φωνόνια επηρεάζονται από ατέλειες και ελαττώματα υλικού. Ωστόσο, η αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας στο εύρος χαμηλής θερμοκρασίας παρατηρείται όχι μόνο για κράματα MoW αλλά και για άλλα υλικά στερεών διαλυμάτων όπως π.χ. βολφράμιο-ρρήνιο [8], όπου η συμβολή των ηλεκτρονίων παίζει σημαντικό ρόλο.
Η σύγκριση των μηχανικών και θερμοφυσικών ιδιοτήτων δείχνει ότι το MoW είναι ένα ενδιαφέρον υλικό για εφαρμογές ζαφείρι. Για υψηλές θερμοκρασίες > 2000 °C η αντοχή διαρροής είναι υψηλότερη από ό,τι για το μολυβδαίνιο και θα πρέπει να είναι εφικτή μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των χωνευτηρίων. Ωστόσο, το υλικό γίνεται πιο εύθραυστο και η μηχανική κατεργασία και ο χειρισμός πρέπει να προσαρμοστούν. Η σημαντικά μειωμένη θερμική αγωγιμότητα του συμπιεσμένου-συντετηγμένου MoW όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 υποδεικνύει ότι ενδέχεται να είναι απαραίτητες προσαρμοσμένες παράμετροι θέρμανσης και ψύξης του κλιβάνου καλλιέργειας. Ιδιαίτερα στη φάση θέρμανσης, όπου η αλουμίνα πρέπει να λιώσει στο χωνευτήριο, η θερμότητα μεταφέρεται μόνο από το χωνευτήριο στο ακατέργαστο υλικό πλήρωσής του. Η μειωμένη θερμική αγωγιμότητα του MoW θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για την αποφυγή υψηλής θερμικής καταπόνησης στο χωνευτήριο. Το εύρος των τιμών CTE των κραμάτων MoW είναι ενδιαφέρον στο πλαίσιο της μεθόδου καλλιέργειας κρυστάλλων HEM. Όπως συζητήθηκε στην αναφορά [9] το CTE του Mo προκαλεί τη σύσφιξη του ζαφείρι στη φάση ψύξης. Επομένως, το μειωμένο CTE του κράματος MoW μπορεί να είναι το κλειδί για την υλοποίηση επαναχρησιμοποιήσιμων περιστρεφόμενων χωνευτηρίων για τη διαδικασία HEM.
Κλιματισμός επιφανειών πυρίμαχων μετάλλων συμπιεσμένων-πυρηνώσεων
Όπως συζητήθηκε στην εισαγωγή, τα πεπιεσμένα-πυροσυσσωματωμένα χωνευτήρια χρησιμοποιούνται συχνά σε διαδικασίες ανάπτυξης κρυστάλλων ζαφείρι για τη θέρμανση και τη διατήρηση της τήξης της αλουμίνας ελαφρώς πάνω από τους 2050 °C. Μια σημαντική απαίτηση για την τελική ποιότητα κρυστάλλου ζαφείρι είναι να διατηρείτε τις ακαθαρσίες και τις φυσαλίδες αερίου στο τήγμα όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Τα πεπιεσμένα-συντηγμένα μέρη έχουν υπολειπόμενο πορώδες και παρουσιάζουν λεπτόκοκκη δομή. Αυτή η λεπτόκοκκη δομή με κλειστό πορώδες είναι εύθραυστη σε ενισχυμένη διάβρωση του μετάλλου, ιδιαίτερα από οξειδωτικά τήγματα. Ένα άλλο πρόβλημα για τους κρυστάλλους ζαφείρι είναι οι μικρές φυσαλίδες αερίου μέσα στο τήγμα. Ο σχηματισμός φυσαλίδων αερίου ενισχύεται από την αυξημένη τραχύτητα της επιφάνειας του πυρίμαχου τμήματος που έρχεται σε επαφή με το τήγμα.

Για να ξεπεράσουμε αυτά τα ζητήματα των πεπιεσμένων-συντηγμένων υλικών εκμεταλλευόμαστε μια μηχανική επεξεργασία επιφάνειας. Δοκιμάσαμε τη μέθοδο με ένα εργαλείο συμπίεσης όπου μια κεραμική συσκευή επεξεργάζεται την επιφάνεια υπό μια καθορισμένη πίεση ενός συμπιεσμένου-πυροσυσσωματωμένου τμήματος [10]. Η αποτελεσματική πίεση πίεσης στην επιφάνεια εξαρτάται αντιστρόφως από την επιφάνεια επαφής του κεραμικού εργαλείου κατά τη διάρκεια αυτής της προετοιμασίας της επιφάνειας. Με αυτή την επεξεργασία μπορεί να εφαρμοστεί τοπικά υψηλή πίεση συμπίεσης στην επιφάνεια των πεπιεσμένων-συντηγμένων υλικών και η επιφάνεια του υλικού παραμορφώνεται πλαστικά. Το Σχήμα 5 δείχνει ένα παράδειγμα δείγματος μολυβδαινίου με συμπίεση που έχει υποστεί επεξεργασία με αυτή την τεχνική.
Το σχήμα 6 δείχνει ποιοτικά την εξάρτηση της αποτελεσματικής πίεσης πίεσης από την πίεση του εργαλείου. Τα δεδομένα προήλθαν από μετρήσεις στατικών αποτυπωμάτων του εργαλείου σε συμπιεσμένο-συντηγμένο μολυβδαίνιο. Η γραμμή αντιπροσωπεύει την προσαρμογή στα δεδομένα σύμφωνα με το μοντέλο μας.

Το Σχήμα 7 δείχνει τα αποτελέσματα της ανάλυσης που συνοψίζονται για τις μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας και σκληρότητας επιφάνειας ως συνάρτηση της πίεσης του εργαλείου για διάφορα πεπιεσμένα-συντηγμένα υλικά που παρασκευάζονται ως δίσκοι. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 7(α) η επεξεργασία οδηγεί σε σκλήρυνση της επιφάνειας. Η σκληρότητα και των δύο ελεγμένων υλικών Mo και MoW30 αυξάνεται κατά περίπου 150 %. Για υψηλές πιέσεις εργαλείου η σκληρότητα δεν αυξάνεται περαιτέρω. Το Σχήμα 7(β) δείχνει ότι είναι δυνατές πολύ λείες επιφάνειες με Ra τόσο χαμηλό όσο 0,1 μm για το Mo. Για την αύξηση της πίεσης του εργαλείου, η τραχύτητα του Mo αυξάνεται ξανά. Επειδή τα MoW30 (και W) είναι σκληρότερα υλικά από το Mo, οι επιτυγχανόμενες τιμές Ra των MoW30 και W είναι γενικά 2-3 φορές υψηλότερες από του Mo. Σε αντίθεση με το Mo, η τραχύτητα επιφάνειας του W μειώνεται με την εφαρμογή υψηλότερων πιέσεων του εργαλείου εντός του ελεγμένο εύρος παραμέτρων.
Οι μελέτες μας με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) των ρυθμισμένων επιφανειών επιβεβαιώνουν τα δεδομένα της τραχύτητας της επιφάνειας, βλέπε Εικόνα 7(β). Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 8(α), ιδιαίτερα υψηλές πιέσεις εργαλείου μπορεί να οδηγήσουν σε ζημιές στην επιφάνεια των κόκκων και μικρορωγμές. Η προετοιμασία σε πολύ υψηλή επιφανειακή τάση μπορεί να προκαλέσει ομοιόμορφη αφαίρεση κόκκων από την επιφάνεια, βλέπε Εικόνα 8(β). Παρόμοια αποτελέσματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν για τα MoW και W σε ορισμένες παραμέτρους μηχανικής κατεργασίας.
Για να μελετήσουμε την επίδραση της τεχνικής προετοιμασίας της επιφάνειας σε σχέση με τη δομή των επιφανειακών κόκκων και τη θερμοκρασιακή συμπεριφορά της, ετοιμάσαμε δείγματα ανόπτησης από τους τρεις δοκιμαστικούς δίσκους των Mo, MoW30 και W.

Τα δείγματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για 2 ώρες σε διαφορετικές θερμοκρασίες δοκιμής στην περιοχή από 800 °C έως 2000 °C και παρασκευάστηκαν μικροτομές για ανάλυση μικροσκοπίας φωτός.
Το Σχήμα 9 δείχνει παραδείγματα μικροτομής συμπιεσμένου-συντηγμένου μολυβδαινίου. Η αρχική κατάσταση της επεξεργασμένης επιφάνειας παρουσιάζεται στο Σχήμα 9(α). Η επιφάνεια παρουσιάζει ένα σχεδόν πυκνό στρώμα σε μια περιοχή περίπου 200 μm. Κάτω από αυτό το στρώμα είναι ορατή μια τυπική δομή υλικού με πόρους πυροσυσσωμάτωσης, το υπολειπόμενο πορώδες είναι περίπου 5%. Το μετρούμενο υπολειμματικό πορώδες εντός του επιφανειακού στρώματος είναι πολύ κάτω από 1 %. Το Σχήμα 9(β) δείχνει τη δομή των κόκκων μετά από ανόπτηση για 2 ώρες στους 1700 °C. Το πάχος του πυκνού επιφανειακού στρώματος έχει αυξηθεί και οι κόκκοι είναι ουσιαστικά μεγαλύτεροι από τους κόκκους στον όγκο που δεν έχουν τροποποιηθεί από την προετοιμασία της επιφάνειας. Αυτό το χονδρόκοκκο πολύ πυκνό στρώμα θα είναι αποτελεσματικό για τη βελτίωση της αντίστασης ερπυσμού του υλικού.
Μελετήσαμε την εξάρτηση από τη θερμοκρασία του επιφανειακού στρώματος σε σχέση με το πάχος και το μέγεθος κόκκων για διάφορες πιέσεις εργαλείου. Το Σχήμα 10 δείχνει αντιπροσωπευτικά παραδείγματα για το πάχος του επιφανειακού στρώματος για Mo και MoW30. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10(α) το αρχικό πάχος του επιφανειακού στρώματος εξαρτάται από τη διάταξη του εργαλείου κατεργασίας. Σε θερμοκρασία ανόπτησης πάνω από 800 °C το πάχος του επιφανειακού στρώματος του Mo αρχίζει να αυξάνεται. Στους 2000 °C το πάχος του στρώματος φτάνει τις τιμές από 0,3 έως 0,7 mm. Για το MoW30 μια αύξηση του πάχους του επιφανειακού στρώματος μπορεί να παρατηρηθεί μόνο για θερμοκρασίες πάνω από 1500 °C όπως φαίνεται στο Σχήμα 10(β). Ωστόσο, στους 2000 °C το πάχος του στρώματος του MoW30 είναι πολύ παρόμοιο με το Mo.

Όπως και η ανάλυση πάχους του επιφανειακού στρώματος, το Σχήμα 11 δείχνει δεδομένα μέσου μεγέθους κόκκων για Mo και MoW30 που μετρήθηκαν στο επιφανειακό στρώμα ως συνάρτηση των θερμοκρασιών ανόπτησης. Όπως μπορεί να συναχθεί από τα σχήματα, το μέγεθος των κόκκων είναι – εντός της αβεβαιότητας μέτρησης – ανεξάρτητο από την εφαρμοζόμενη ρύθμιση παραμέτρου. Η αύξηση του μεγέθους των κόκκων υποδηλώνει μια ανώμαλη ανάπτυξη κόκκων του επιφανειακού στρώματος που προκαλείται από την παραμόρφωση της επιφάνειας. Οι κόκκοι μολυβδαινίου αναπτύσσονται σε θερμοκρασίες δοκιμής πάνω από 1100 °C και το μέγεθος των κόκκων είναι σχεδόν 3 φορές μεγαλύτερο στους 2000 °C σε σύγκριση με το αρχικό μέγεθος κόκκου. Οι κόκκοι MoW30 του επιφανειακού ρυθμισμένου στρώματος αρχίζουν να αναπτύσσονται πάνω από θερμοκρασίες 1500 °C. Σε θερμοκρασία δοκιμής 2000 °C το μέσο μέγεθος κόκκου είναι περίπου 2 φορές το αρχικό μέγεθος κόκκων.
Συνοπτικά, οι έρευνές μας σχετικά με την τεχνική προετοιμασίας επιφανειών δείχνουν ότι είναι καλά εφαρμόσιμη για κράματα βολφραμίου μολυβδαινίου με συμπίεση-πυροσυσσωμάτωση. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, μπορούν να ληφθούν επιφάνειες με αυξημένη σκληρότητα καθώς και λείες επιφάνειες με Ra πολύ κάτω από 0,5 μm. Η τελευταία ιδιότητα είναι ιδιαίτερα ευεργετική για τη μείωση των φυσαλίδων αερίου. Το υπολειπόμενο πορώδες στο επιφανειακό στρώμα είναι κοντά στο μηδέν. Μελέτες ανόπτησης και μικροτομής δείχνουν ότι μπορεί να ληφθεί ένα εξαιρετικά πυκνό επιφανειακό στρώμα με τυπικό πάχος 500 μm. Έτσι, η παράμετρος μηχανικής κατεργασίας μπορεί να ελέγξει το πάχος του στρώματος. Όταν το ρυθμισμένο υλικό εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως συνήθως χρησιμοποιείται στις μεθόδους καλλιέργειας ζαφείρι, το επιφανειακό στρώμα γίνεται χονδρόκοκκο με μέγεθος κόκκου 2-3 ​​φορές μεγαλύτερο από ό,τι χωρίς επιφανειακή μηχανική κατεργασία. Το μέγεθος των κόκκων στο επιφανειακό στρώμα είναι ανεξάρτητο από τις παραμέτρους μηχανικής κατεργασίας. Ο αριθμός των ορίων των κόκκων στην επιφάνεια μειώνεται αποτελεσματικά. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερη αντίσταση κατά της διάχυσης των στοιχείων κατά μήκος των ορίων των κόκκων και η προσβολή τήγματος είναι χαμηλότερη. Επιπλέον, η αντίσταση ερπυσμού σε υψηλές θερμοκρασίες των κραμάτων βολφραμίου μολυβδαινίου με συμπίεση-πυροσυσσωμάτωση βελτιώνεται.

Μελέτες διαβροχής υγρής αλουμίνας σε πυρίμαχα μέταλλα
Η διαβροχή της υγρής αλουμίνας σε μολυβδαίνιο ή βολφράμιο είναι θεμελιώδους ενδιαφέροντος στη βιομηχανία ζαφείρι. Ιδιαίτερα για τη διαδικασία EFG, η συμπεριφορά διαβροχής αλουμίνας στα τριχοειδή συσκευασίες μήτρας καθορίζει τον ρυθμό ανάπτυξης των ράβδων ή των κορδελών από ζαφείρι. Για να κατανοήσουμε τον αντίκτυπο του επιλεγμένου υλικού, την τραχύτητα της επιφάνειας ή την ατμόσφαιρα διεργασίας, πραγματοποιήσαμε λεπτομερείς μετρήσεις γωνίας διαβροχής [11].
Για τις δοκιμαστικές μετρήσεις διαβροχής κατασκευάστηκαν υποστρώματα με μέγεθος 1 x 5 x 40 mm³ από φύλλα Mo, MoW25 και W. Με την αποστολή υψηλού ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του υποστρώματος μεταλλικού φύλλου, η θερμοκρασία τήξης της αλουμίνας των 2050 °C μπορεί να επιτευχθεί μέσα σε μισό λεπτό. Για τις μετρήσεις γωνίας τοποθετήθηκαν μικρά σωματίδια αλουμίνας πάνω από τα δείγματα του φύλλου και στη συνέχεια

λιωμένο σε σταγονίδια. Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα απεικόνισης κατέγραψε το σταγονίδιο τήγματος όπως απεικονίζεται για παράδειγμα στο Σχήμα 12. Κάθε πείραμα σταγόνας τήξης επιτρέπει τη μέτρηση της γωνίας διαβροχής αναλύοντας το περίγραμμα των σταγονιδίων, βλέπε Εικόνα 12(α) και τη γραμμή βάσης του υποστρώματος συνήθως λίγο μετά την απενεργοποίηση του ρεύμα θέρμανσης, βλέπε Εικόνα 12(β).
Πραγματοποιήσαμε μετρήσεις γωνίας διαβροχής για δύο διαφορετικές συνθήκες ατμόσφαιρας, το κενό στα 10-5mbar και το αργό στα 900 mbar πίεση. Επιπλέον, δοκιμάστηκαν δύο τύποι επιφανειών, δηλαδή τραχιές επιφάνειες με Ra ~ 1 μm και λείες επιφάνειες με Ra ~ 0,1 μm.
Ο Πίνακας II συνοψίζει τα αποτελέσματα όλων των μετρήσεων στις γωνίες διαβροχής για Mo, MoW25 και W για λείες επιφάνειες. Γενικά, η γωνία διαβροχής του Mo είναι μικρότερη σε σύγκριση με τα άλλα υλικά. Αυτό σημαίνει ότι το τήγμα αλουμίνας διαβρέχει καλύτερα το Mo, κάτι που είναι ευεργετικό στην τεχνική καλλιέργειας EFG. Οι γωνίες διαβροχής που λαμβάνονται για το αργό είναι σημαντικά χαμηλότερες από τις γωνίες για το κενό. Για τραχιές επιφάνειες υποστρώματος βρίσκουμε συστηματικά κάπως χαμηλότερες γωνίες διαβροχής. Αυτές οι τιμές είναι συνήθως περίπου 2° χαμηλότερες από τις γωνίες που δίνονται στον Πίνακα II. Ωστόσο, λόγω της αβεβαιότητας των μετρήσεων, δεν μπορεί να αναφερθεί σημαντική διαφορά γωνίας μεταξύ λείων και τραχιών επιφανειών.

Μετρήσαμε τις γωνίες διαβροχής και για άλλες πιέσεις της ατμόσφαιρας, δηλαδή τιμές μεταξύ 10-5 mbar και 900 mbar. Η προκαταρκτική ανάλυση δείχνει ότι για πιέσεις μεταξύ 10-5 mbar και 1 mbar ο άγγελος διαβροχής δεν αλλάζει. Μόνο πάνω από 1 mbar η γωνία διαβροχής γίνεται χαμηλότερη από αυτή που παρατηρείται στα 900 mbar αργού (Πίνακας II). Εκτός από την ατμοσφαιρική κατάσταση, ένας άλλος σημαντικός παράγοντας για τη συμπεριφορά διαβροχής του τήγματος αλουμίνας είναι η μερική πίεση του οξυγόνου. Οι δοκιμές μας υποδηλώνουν ότι οι χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του τήγματος και των μεταλλικών υποστρωμάτων συμβαίνουν εντός της πλήρους διάρκειας μέτρησης (συνήθως 1 λεπτό). Υποπτευόμαστε διεργασίες διάλυσης των μορίων Al2O3 σε άλλα συστατικά οξυγόνου που αλληλεπιδρούν με το υλικό του υποστρώματος κοντά στο σταγονίδιο τήγματος. Περαιτέρω μελέτες βρίσκονται επί του παρόντος σε εξέλιξη για να διερευνήσουν λεπτομερέστερα τόσο την εξάρτηση από την πίεση της γωνίας διαβροχής όσο και τις χημικές αλληλεπιδράσεις του τήγματος με τα πυρίμαχα μέταλλα.