一种铱坩埚的内保护层及其制备方法与流程
一种铱坩埚的内保护层及其制备方法与流程
在晶体生长技术领域，铱坩埚因其高熔点而被广泛应用于生长蓝宝石、氧化镓等高温晶体材料。然而，铱在高温下容易氧化和挥发，这不仅影响晶体质量，还增加了生产成本。为了解决这一问题，研究人员提出了一种新型的铱坩埚内保护层及其制备方法，通过在铱坩埚内壁涂覆iral合金层和陶瓷涂层，有效减少了熔体挥发和坩埚腐蚀，提高了晶体生长的质量和效率。
背景技术
在熔体法生长晶体的工艺中，能够抵抗晶体材料熔化的高温以及高温下熔体侵蚀的坩埚对晶体质量控制至关重要。铱的熔点达到2450℃，因此，铱坩埚常被用于熔点在1800~2100℃范围内的蓝宝石晶体、氧化镓晶体、钇铝石榴石（yag）晶体等晶体材料的熔体法生长。然而，在实际使用铱坩埚的过程中，铱在氧氛围下容易氧化和挥发，导致熔体漂浮、铱掺杂晶体以及坩埚腐蚀等问题，因此，需要研究有效的保护措施以减少铱金属的损失并提高晶体生长的质量。
中国专利申请公开文本cn114086249a中公开了一种抑制铱金坩埚氧化的方法，是通过将氧化镓的生长温度划分成至少两个温度区间，对每一个温度区间设置不同的生长气氛来实现。其中生长气氛为氩气或/和氮气构成的惰性保护气氛，或者由氧气或/和二氧化碳构成的氧化气氛，或者是两类气氛的混合。该方案能在一定程度上抑制铱氧化并提高晶体的生长质量，但是无法完全避免铱被氧化，而且在晶体熔融过程中持续通入气体会带走大量的能量和加速熔体挥发，增加工艺成本。
中国专利公告文本cn206872982u中公开了一种表面镀保护层的铱坩埚，通过在坩埚外表面涂覆0.1~3mm厚的涂层来提高铱坩埚的使用寿命，该涂层的材料为y2o3或zro2或y2o3与zro2按质量比4:6混合的复合材料。该方案能有效地减少铱坩埚外表面铱金的挥发，显著降低铱坩埚的变形程度，有利于温场的稳定和降低晶体生长成本。但是，该方案中无法避免熔体对坩埚内壁的腐蚀，也无法降低熔体的温度梯度并抑制熔体挥发，因而也无法改善晶体的生长质量。
中国专利公告文本cn113774484b中公开了一种生长氧化镓晶体的组合坩埚，通过在铱坩埚内嵌入一种陶瓷坩埚来从根本上避免氧化物熔体对铱坩埚的腐蚀，该方案适用于氧化物直拉法和铸造法两种方法的晶体生长。但是该方案中由于陶瓷内嵌坩埚与铱坩埚独立存在，二者之间存在一定间距，因此需要陶瓷坩埚具有较厚的厚度，增加了坩埚的成本；另外，陶瓷坩埚较差的热导率和较厚的厚度需要铱坩埚承受更高的加热温度来制备熔体，导致加剧了铱坩埚的挥发，降低了坩埚的加热效率，造成能源的浪费同时也降低了熔体温场的稳定性。而且，由于熔体不直接与铱坩埚接触，因此无法实现直接测试铱坩埚的温度达到调整熔体温度的目的，增加了工艺难度。此外，该方案同样无法降低熔体的温度梯度并抑制熔体挥发以改善晶体的生长质量。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供一种铱坩埚的内保护层。该内保护层能减少熔体上下的温度梯度，从而抑制熔体挥发以改善晶体的生长质量，还可以减少熔体和氧气对铱坩埚的腐蚀。
具体地，本发明采用如下技术方案来实现上述目的：
一种铱坩埚的内保护层，所述内保护层由iral合金层和陶瓷涂层组成，所述iral合金层位于所述陶瓷涂层和所述铱坩埚的内壁之间并布满所述铱坩埚的内壁；所述内保护层在所述铱坩埚的侧壁的厚度从所述铱坩埚的开口处沿内壁向所述铱坩埚的底部由300500μm增加至7001100μm；所述陶瓷涂层自内向外分为三层，三层所述陶瓷涂层在所述铱坩埚的内壁上的高度沿所述铱坩埚的开口处向所述铱坩埚的侧壁底部的方向逐渐减小，第一层陶瓷涂层布满所述iral合金层的整个表面。
本发明中铱坩埚的内保护层中的iral合金层能够阻止氧原子扩散并缓冲陶瓷涂层与铱坩埚之间的热应力；陶瓷涂层能够减小熔体上表面和底部的纵向温度差；并能够阻止熔体对铱坩埚内表面的侵蚀。因此，坩埚内部侧壁保护层多层的材料设计可以使涂层更稳定，能够耐受单晶生长所需的1800℃以上的高温。侧壁保护层的厚度在沿坩埚开口处至侧壁底部的方向上逐渐增加，既能减少熔体纵向的温度梯度，提高晶体生长的稳定性和结晶质量，又能解决熔体和氧气对铱坩埚内部的腐蚀问题。
在优选的方案中，所述iral合金层为厚度均匀的涂层，其厚度为100200μm；每层所述陶瓷涂层的厚度相同，均为200300μm。
在优选的方案中，所述iral合金层中al的含量为：0＜al≤15wt%。
在优选的方案中，所述陶瓷涂层为稀土元素钽酸盐陶瓷热障层，其主要材料成分为retao4、re3tao7或reta3o9，其中re为稀土元素。
在进一步优选的方案中，所述稀土元素为y、nd、sm、eu、gd、dy、ho、er、yb或lu中的至少一种。
本发明进一步提供包含所述铱坩埚的内保护层的铱坩埚。
本发明还提供上述任一项方案所述的铱坩埚的内保护层的制备方法，包括以下步骤：
s1、对铱坩埚内表面进行清洗和喷涂处理，以获得清洁粗糙的内表面；
s2、在2小时内，采用大气等离子喷涂方法在所述铱坩埚的侧壁内表面均匀喷涂第一iral合金层，使所述第一iral合金层布满所述铱坩埚的整个侧壁内表面；
s3、采用大气等离子喷涂方法进行喷涂，在所述第一iral合金层的表面喷涂第一层第一陶瓷涂层，使所述第一层第一陶瓷涂层覆盖整个所述第一iral合金层的表面；在所述第一层第一陶瓷涂层距离第一iral合金层顶端第一距离的表面，喷涂第二层第一陶瓷涂层；在所述第二层第一陶瓷涂层距离所述第一层第一陶瓷涂层顶端第二距离的表面，喷涂第三层第一陶瓷涂层；
s4、采用大气等离子喷涂方法在所述铱坩埚的底部内侧喷涂第二iral合金层，在所述第二iral合金层表面喷涂第二陶瓷涂层；所述第一iral合金层和所述第二iral合金层构成iral合金层；所述第一陶瓷涂层和所述第二陶瓷涂层构成陶瓷涂层；
s5、对所述铱坩埚退火，抛光，得到稳定的内保护层。
在一些实施方案中，步骤s1中的喷涂条件为：喷涂压力为0.2-1mpa，喷嘴相对于与所述铱坩埚内壁上被喷涂处垂直的方向的角度为60°-85°，喷嘴离所述被喷涂处的距离为100-200mm。
在一些实施方案中，步骤s2中的大气等离子喷涂方法的喷涂条件为：喷嘴离所述铱坩埚内壁上被喷涂处的距离为200-300mm，气体流量为150-320scfh。
在一些实施方案中，步骤s3中的大气等离子喷涂方法的喷涂条件为：喷嘴离所述铱坩埚内壁上被喷涂处的距离为100-180mm，气体流量为100-230scfh。
在一些实施方案中，所述第一距离和所述第二距离相等，根据所述铱坩埚的大小不同，所述第一距离和所述第二距离均为5mm-15mm。
在一些实施方案中，步骤s4中的大气等离子喷涂方法的喷涂条件为：喷嘴离所述铱坩埚内壁上被喷涂处的距离为100-180mm，气体流量为100-230scfh。
在一些实施方案中，步骤s5中的退火条件为：1200-1600℃，保温2-5h。
本发明的技术方案具有以下有益效果：（1）本发明中通过形成具有坡度厚度的热障材料层，使铱坩埚与热障材料层间形成纵向温度梯度，能够减小晶体生长过程中熔体的纵向温场差异，提高晶体生长的稳定性和结晶质量。（2）本发明通过在铱坩埚内部涂覆保护层，能够减少熔体和氧气对铱坩埚的腐蚀，减少了晶体生长过程中铱金属的损失，延长了铱坩埚的使用寿命，降低了晶体生长的成本。