欢迎访问沈阳真空杂志社 Email Alert    RSS服务

真空 ›› 2021, Vol. 58 ›› Issue (4): 81-86.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2021.04.15

• 真空应用 • 上一篇    下一篇

微米级裂纹对水冷无氧铜坩埚的影响*

杨光1, 刘欢1, 王丁丁1, 罗立平1, 吕绪明1, 祁阳2   

  1. 1.核工业理化工程研究院 激光技术研究所,天津 300180;
    2.东北大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110819
  • 收稿日期:2020-07-07 出版日期:2021-07-25 发布日期:2021-08-05
  • 通讯作者: 祁阳,教授,博导。
  • 作者简介:杨光(1989-),男,河南周口人,博士,助理研究员。
  • 基金资助:
    * 国家自然科学基金面上项目(61971116)

Effect of Crack in Micrometer Scale on the Water-cooled Oxygen-free Copper Crucible

YANG Guang1, LIU Huan1, WANG Ding-ding1, LUO Li-ping1, LV Xu-ming1, QI Yang2   

  1. 1. Laser Technology Institute, Research Institute of Physics and Chemical Engineering of Nuclear Industry, Tianjin 300180, China;
    2. School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
  • Received:2020-07-07 Online:2021-07-25 Published:2021-08-05

摘要: 本文主要使用了电子束物理气相沉积、扫描电子显微术、X射线衍射和有限元模拟等技术手段研究了微米级微裂纹对水冷无氧铜坩埚失效的影响。有限元模拟显示在使用过程中水冷铜坩埚的温度分布范围是33℃~183℃,温度最高的区域对应于出水口附近的水道过盈配合处。在薄的坩埚内壁上侧截面温差大、热应力大。导致水冷无氧铜坩埚失效原因是在热应力作用下产生的宏观裂纹,而不是熔融金属铈腐蚀和杂质有害相的形成。宏观裂纹起源于在制备铜坩埚时水道过盈配合过程中引入的几十微米的微裂纹。在热应力的作用下,这些微米级裂纹会逐渐扩展,形成由延伸方向近似平行的裂纹组成的裂纹带,之后该裂纹带演化成贯穿内壁连通水道的宏观裂纹,最后导致水冷铜坩埚失效。坩埚内壁正面区域的裂纹扩展情况并不严重,在坩埚内壁外的其它区域几乎没有明显的变化。

关键词: 微米级微裂纹, 水冷无氧铜坩埚, 电子束物理气相沉积, 材料失效

Abstract: Electron beam-physical vapor deposition, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and finite element simulation were used to study the effect of crack in micrometer scale on the failure of water-cooled oxygen-free copper crucible. The temperature distribution of the water-cooled copper crucible ranged from 33 to 183 ℃, and the highest temperature region was referred to the interference fit at the water channel near the water outlet. The cross section of the upper part of the inner wall had a large temperature gradient, which induced large thermal stress. The reason of the failure of the water-cooled copper crucible was the macrocrack induced by the thermal stress, rather than the corrosion of molten metal cerium and the formation of harmful impurity phase. The macrocrack was rooted in the microcrack in tens of micron induced by the interference fit at the water channel during the manufacturing processes of copper crucible. Under the effect of thermal stress, the microcrack grew into the approximately straight crack band. The crack band was composed of cracks with approximately parallel extension direction. Then the growing crack penetrated through the inner wall of the water-cooled copper crucible, which made the copper crucible failure. The frontal area of the inner wall varied a little in the crack growth. No obvious change happened at the regions other than the inner wall of copper crucible.

Key words: microcrack in micrometer scale, water-cooled oxygen-free copper crucible, electron beam-physical vapor deposition, material failure

中图分类号: 

  • TG146.1
[1] 高镇同, 熊峻江. 疲劳/断裂可靠性研究现状与展望[J]. 机械强度, 1995, 17(3): 61-82.
[2] 陈吉刚. 大型机件金属事故分析举例[J]. 热力发电, 1980, 8: 41-52.
[3] HESS P A, DAUSKARDT R H.Mechanisms of elevated temperature fatigue crack growth in Zr-Ti-Cu-Ni-Be bulk metallic glass[J]. 2004, 52(12): 3525-3533.
[4] YANG C, LUAN Y, LI D, et al.Very high cycle fatigue behavior of bearing steel with rare earth addition[J]. International Journal of Fatigue, 2020, 131: 105263.
[5] SURESH S.Fatigue of materials[M]. Cambridge University Press, 1998.
[6] 王中光. 材料疲劳断裂研究的现状和发展[J]. 中国科学院院刊, 1993, 3: 204-208.
[7] 沈功田, 张万岭. 压力容器无损检测技术综述[J]. 无损检测, 2004, 26(1): 39-42.
[8] 冉启芳. 无损检测方法的分类及其特征简介[J]. 无损检测, 1999, 21(2): 30-35.
[9] 郑中兴. 第二专题超声检测中的灵敏度和分辨力[J]. 无损检测, 1993, 15(12): 353-355, 360.
[10] YANG G, DU K, XU D S, et al.High speed dynamic deformation of polysynthetic twinned titanium aluminide intermetallic compound[J]. Acta Materialia, 2018, 152: 269-277.
[11] NINO A, HIRABARA T, SUGIYAMA S, et al.Preparation and characterization of tantalum carbide(TaC) ceramics[J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2015, 52: 203-208.
[12] YANG G, MA S, DU K, et al.Interactions between dislocations and twins in deformed titanium aluminide crystals[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2019, 35(3): 402-408.
[13] 衣林, 陈跃良, 徐丽, 等. 金属材料疲劳微裂纹的萌生与扩展研究[J]. 飞机设计, 2012, 32(2): 63-67.
[14] 孙明月, 李殿中, 李依依, 等. 大型船用曲轴曲拐的弯锻过程模拟与实验研究[J]. 金属学报, 2005, 41(12): 27-32.
[15] ALSAYED A M, ISLAM M F, ZHANG J, et al.Premelting at defects within bulk colloidal crystals[J]. Science, 2005, 309(5738): 1207-1210.
[16] 黄礼琳. 金属材料微观缺陷结构演化的机理研究[D]. 南宁: 广西大学, 2017.
[17] 吴德振, 杨为良, 徐恒雷, 等. 高强高导铜合金的应用与制备方法[J], 热加工工艺, 2019, 48(4): 19-25.
[18] 张天雄, 王元清, 王综轶, 等. TU1无氧铜轴心受压圆管柱整体稳定性能试验研究[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2017, 50(S1): 115-122.
[19] 李军仁. 铜制坩埚在钛及钛合金铸锭生产中的应用[J]. 钛工业进展, 2003, 1: 33-35.
[20] 陈引茹. 紫铜坩埚及坩埚底垫失效形式分析与处理[J]. 冶金自动化, 2016, S2: 69-71.
[21] 寇生中, 岳武, 丁雨田, 等. 在水冷铜坩埚中用吸铸法制备Cu47Ti34Zr11Ni8块状非晶合金[J]. 科学技术与工程, 2006, 6(3): 302-303.
[22] 陈瑞润, 丁宏升, 毕维生, 等. 电磁冷坩埚技术及其应用[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34(4): 510-514.
[23] 朱志云, 温嵘生. 影响无氧铜生产质量的因素与控制措施[J]. 江西有色金属, 2003, 17(4): 28-31.
[24] 徐前岗, 唐建新, 陆峰, 等. EB-PVD热障涂层TGO中氧化物混合区的形成及其影响[J]. 材料工程, 2004, (7): 10-13, 17.
[25] 单英春. EB-PVD Ni-Cr薄板沉积的多尺度模拟[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006.
[26] 沈文雁, 霍晓, 张建苏, 等. EB-PVD热障涂层的失效行为研究[J]. 材料工程, 1998, (6): 35-37.
[27] 李国浩, 巴德纯, 王栋, 等. EB-PVD制备YSZ涂层的热震性研究[J]. 真空, 2020, 57(3): 1-4.
[28] 孟彬. EB-PVD工艺制备YSZ及Ni-YSZ功能涂层的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.
[29] 杨宗伦. 钢中稀土铈与低熔点金属元素锡相互作用规律研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2006.
[30] 田荣璋, 王祝堂. 铜合金及其加工手册[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2002.
[31] HIRTH J P, LOTHE J.Theory of dislocations[M]. New York: John Wiley & Sons, 1982.
[32] ANDERSON T L.Fracture mechanics: fundamentals and applications[M]. CRC Press, 2005.
[33] 郭青蔚, 王桂生, 郭贵庚. 常见有色金属二元合金相图集[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.
[1] 李国浩, 巴德纯, 王栋, 陈红斌, 张洪琦, 杜广煜. EB-PVD制备YSZ涂层的热震性研究*[J]. 真空, 2020, 57(3): 1-4.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 李得天, 成永军, 张虎忠, 孙雯君, 王永军, 孙 健, 李 刚, 裴晓强. 碳纳米管场发射阴极制备及其应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 1 -9 .
[2] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10 -14 .
[3] 李志胜. 空间环境下超大型红外定标用辐射屏蔽门的研制[J]. 真空, 2018, 55(5): 66 -70 .
[4] 郑 列, 李 宏. 200kV/2mA 连续可调直流高压发生器的设计[J]. 真空, 2018, 55(6): 10 -13 .
[5] 柴晓彤, 汪 亮, 王永庆, 刘明昆, 刘星洲, 干蜀毅. 基于 STM32F103 单片机的单泵运行参数数据采集系统[J]. 真空, 2018, 55(5): 15 -18 .
[6] 孙立志, 闫荣鑫, 李天野, 贾瑞金, 李 征, 孙立臣, 王 勇, 王 健, 张 强. 放样氙气在大型收集室内分布规律研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 38 -41 .
[7] 黄 思 , 王学谦 , 莫宇石 , 张展发 , 应 冰 . 液环压缩机性能相似定律的实验研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 42 -45 .
[8] 纪 明, 孙 亮, 杨敏勃. 一种用于对月球样品自动密封锁紧的设计[J]. 真空, 2018, 55(6): 24 -27 .
[9] 李民久, 熊 涛, 姜亚南, 贺岩斌, 陈庆川. 基于双管正激式变换器的金属表面去毛刺 20kV 高压脉冲电源[J]. 真空, 2018, 55(5): 19 -24 .
[10] 刘燕文, 孟宪展, 田 宏, 李 芬, 石文奇, 朱 虹, 谷 兵, 王小霞 . 空间行波管极高真空的获得与测量[J]. 真空, 2018, 55(5): 25 -28 .