用于培育单晶的压力容器的制作方法

专利名称：用于培育单晶的压力容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制备高纯度单晶的压力容器，所述单晶由氧 化锌、氮化镓等制成，并通过由水热合成法和氨一热合成法所代表的
溶剂热(solvothermal)法合成。
背景技术：
图9所示的是用于制备单晶的有关压力容器的一个实例。
将籽晶10、原料11、传送控制板9和溶剂放在圆柱形压力容器 30中。压力容器体30的一端开口。通过装配在开口外周的环状自收縮 垫圈32，封盖33由盖形螺母或者夹具34固定，以使该开口可以关闭。 在封盖33的内表面，提供衬套封盖35。在该压力容器体30的外周， 安放加热器4以使压力容器体30可以被加热。
当采用水热合成法作为例子时，合成的单晶是人造石英(二氧化硅) 或者氧化锌。将强碱水溶液用作溶剂。在使用氨热合成法的情形下， 如专利文献1所提出的，合成的单晶由氮化镓组成，液态氨被用作溶 剂。
制得的单晶应用于各种光学和电子元件。影响单晶质量的主要因
素是外来杂质在晶体生长时引起的污染。由于由碱的水溶液制成的溶 剂具有腐蚀性，压力容器体30和封盖33受到侵蚀，洗提出铁和镍的 离子。这些金属离子变成化合物，例如氧化物或者氮化物，并以外来 杂质的形式混入晶体中。因此，难以制备高纯度的单晶。
作为解决上述问题的对策，例如，专利文献2提出下列方法。如
图9所示，由高耐腐蚀性合金制成的圆柱形机械衬套31紧贴压力容器
体30的内表面提供，以便用机械衬套31覆盖压力容器的内表面。顺 便提及，专利文献3和4提出了用耐蚀材料覆盖压力容器内表面的方 法，其中用于超临界水的反应容器的内部用机械衬套覆盖。
除了上述方法以外，还提出了下列方法。如图10所示，由耐腐蚀 合金制成的内筒容器37装在压力容器体30中。这种技术公开在例如专 利文献5、 6和7中。
内筒容器37与压力容器体30是分离的。至少内筒容器37的内表 面是用高耐腐蚀性的贵金属例如Pt制成的，以防止外来杂质掺入到单 晶中。当采用这种使用内筒容器37的方法时，由于当内筒容器37的 内外部存在压力差时，内筒容器37容易破裂，因此有必要采用一种技 术使内筒容器37内外部的压力差均等。因此，在这种方法中装配了压 力调节器38。专利文献8提出一种内筒容器37，它由能够容易地塑性 形变并通过冷焊密封的材料制成。
专利文献l: JP-A-2003-277182
专利文献2: JP-A-2003-165794
专利文献3: JP-A-2001-170478
专利文献4: JP-A-2002-361069
专利文献5: JP-B-7-22692
专利文献6: JP-A-2003-63889
专利文献7: JP-A-2003-176197
专利文献8: US 2003 / 0141301 Al

发明内容
本发明要解决的问题
如上所述，在用于制备单晶的现有压力容器中，为防止外来杂质 掺入到单晶中，提出一种用耐蚀材料覆盖压力容器内表面的方法，还
提出 一种由耐蚀材料制成的内筒容器的使用方法。
然而，当采用以耐腐蚀材料覆盖压力容器内表面的方法时，在压 力容器体的覆盖方法和封盖的气密密封部分的覆盖方法中出现了问 题。在以工业规模制备单晶的压力容器的情况中，所用的气密密封部 分将反复地启闭。按照现有技术，即使当气密密封部分被覆盖时，覆 盖层也会变形或者脱落。或者，覆盖层彼此粘连。由于上述问题，被 覆盖的气密密封部分不能反复地启闭。因此，无法避免出现外来杂质 掺入到气密密封部分中的问题。
在将具有高腐蚀性的强碱水溶液、强酸水溶液或者液化氨用作溶 剂的情况中，尤其由于液化氨在高温高压下是高腐蚀性的，压力容器 不仅会被侵蚀，而且在氮化或者氢气的腐蚀下，压力容器会发生损坏， 这可能导致重大的事故，例如压力容器的毁坏。尽管向溶剂中加入矿 化剂是培育单晶所必需的，但它是高腐蚀性的。因此，为了防止压力 容器被侵蚀，必需用耐蚀材料覆盖压力容器。因此，重要的是怎样用 耐蚀材料覆盖气密密封部分。
在使用由耐蚀材料制成的内筒容器的方法中，为了避免内筒容器 受到由内筒容器内部和外部间压力差所引起的破坏，装配了一种压力 调节器。然而，对于工业规模制备所用的大容器而言，现有的压力调 节器不可能提供足够的有利效果，并且溶剂从内筒容器的外部流向内 部。因此，不能完全防止外来杂质掺入到单晶中。对于用容易发生塑 性形变和通过冷焊密封的材料制备的内筒容器而言，该内筒容器不适 合应用于工业生产单晶的中等规模或大规模的压力容器。
实现本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供一种压力容器， 在用溶剂热方法生产单晶时，通过防止杂质混入单晶，能够以工业生 产规模制备高质量的单晶。
解决问题的手段
本发明提供一种用于通过溶剂热方法培育单晶的压力容器，其中 使用的溶剂是例如强腐蚀性的碱水溶液或者氨的超临界流体，压力容 器包括用于维持超临界状态的由耐热合金制成的压力容器体，压力体 包括开口，在压力容器的内表面和开口的整个外圆周边缘上提供的耐 蚀机械衬套，和在开口的外圆周边缘形成的耐蚀机械衬套被用作气密 接合面的条件下，用于密封开口的封盖。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中压力容器体由Fe
合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金的耐热合金中的一种制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中耐腐蚀机械衬套 由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成 的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，将 Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金，或其组合 物制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中耐热合金和耐腐 蚀机械衬套的线膨胀系数在室温到55(TC的温度范围内为5x 10—6到11 xl(^，并且其中耐热合金和耐腐蚀机械衬套的线膨胀系数在室温到550 'C的温度范围内基本上彼此一样。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中，具有高耐蚀性 能和高耐氮化性能的中间覆盖层在压力容器体的内表面上形成，作为 耐腐蚀机械衬套的内层，其膜壁厚度为1到30mm。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中中间涂覆层由Fe 合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金中之一的耐腐蚀合金制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中通过将在开口的
外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和在压力容器体的内表面形成的 耐腐蚀机械衬套连接在一起形成耐腐蚀机械衬套。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中，耐腐蚀机械衬 套由连接在一起的在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和在 压力容器体的内表面形成的耐腐蚀机械衬套组成。其中，在开口的外
圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套由Pt或者Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和 Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或者将Pt、 Au、 Ir、 Ru和 Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成，和其中，在压力容器 的内表面形成的耐腐蚀机械衬套由Pt或者Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re 和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re 中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或者将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re 中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中在开口的外圆周 边缘上形成的耐腐蚀机械衬套的膜壁厚度比在压力容器体的内表面形 成的耐腐蚀机械衬套的膜壁厚度厚，并且在开口的外圆周边缘上形成 的耐腐蚀机械衬套和压力容器体的内表面形成的耐腐蚀机械衬套的接 合部分中，或者在接合部分底侧的外周，提供膜壁厚度变化的锥形部 分。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，进一步包括插入气密 接合面和封盖之间的垫圈部件，其中构成气密接合面的耐腐蚀机械衬 套由比垫圈部件更硬的材料制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，进一步包括插入气密 接合面和封盖之间的自收缩垫圈部件，其中自收縮垫圈部件由Pt或者 Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入Pt中形成的合 金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入Ir中形成的合金，或者将
Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成，其 中自收縮垫圈部件由与构成气密接合面的材料不同的材料制成。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中气密接合面以及 垫圈部件的一个或者两个表面都用材料层涂覆，该材料层具有高耐腐 蚀性和在55(TC的温度下0.2%试验应力不低于150 MPa，厚度为0.01 至U 100 u m。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中涂覆材料是Pt合 金、Ir、 Ir合金、Rh、 Rh合金、Au合金、Ru、 Ru合金、Re、 Ta、 Ta 合金、Zr和Zr合金中的一种。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中压力容器体包括 用于排放压力容器体和耐腐蚀机械衬套之间残留的气体的小孔，和其 中压力容器进一步包括装配在压力容器体和耐腐蚀衬套之间的防贯穿 件。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中压力容器体的一 个或者两个内壁和耐腐蚀机械衬套的外壁用高延性材料涂覆，涂覆的 高延性材料是高温高压下彼此相对部件间的包覆层。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中高延性材料由Pt、 Au、 Ag、 Cu或者Ta帝i城。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中压力容器体包括 在压力容器体中提供的能够启闭的小孔，并且其中小孔包括用于检测 在压力容器体和耐腐蚀机械衬套间的空隙里残留的气体的组成的检测器。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中压力容器包括内 部容器，其中将加入有强腐蚀性矿化剂的、包括碱水溶液或者氨液体
的溶剂充填到该内部容器，其中将包括不含矿化剂的水、碱的水溶液 或者纯氨的溶剂充填到在内部容器外侧和耐腐蚀机械衬套间形成的空 隙中，并且其中在通过加热平衡内部容器内的压力和内部容器外的压 力的条件下，在该内部容器中保持超临界状态。
本发明提供一种用于培育单晶的压力容器，其中内部容器由Pt或
Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的 合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，将 Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金，或其组 合物制成。
依照本发明，压力容器体的内表面用高耐腐蚀性的机械衬套覆盖， 以防止反应液体引起的对压力容器体的侵蚀。由于在压力容器体的整 个外圆周边缘上提供耐腐蚀机械衬套，可以密封压力容器和封盖之间 的气密接合面。而且，可以防止气密部分被侵蚀。而且，即使当气密 部分反复地启闭时，也不会引发问题。可以在封盖的内表面上提供具 有高耐蚀性能的衬套封盖。
在上述结构中，压力容器不可能接触到例如强腐蚀性氨这样的溶 剂。因此，可以极大地提高单晶的纯度。而且，可以有效地防止侵蚀、 阻挡氮化和氢气侵入与超临界流体接触的压力容器的内壁和气密部 分。
上述压力容器体在通过溶剂热方法培育单晶的时候足够耐热。例 如，Fe合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金被应用于该压力 容器体。
耐腐蚀机械衬套在高温高压下形成，与压力容器体紧密地接触。 机械衬套应当是耐腐蚀的，从而不会被反应液体侵蚀。优选的是，耐 腐蚀机械衬套由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加
入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成 的合金，将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金， 或由上述合金的组合物制成。
优选的是，构成压力容器体的耐热材料和构成耐腐蚀机械衬套的 耐腐蚀材料的线膨胀系数在室温到55(TC的温度范围内为5x 10—6到11 x l(T6，并且线膨胀系数在上述温度范围内彼此基本上相同。因此在高温 高压下使用时，可以防止出现由它们之间热膨胀的差异所引起的损伤。 顺便提及，优选的是它们之间的热膨胀差异尽可能小。具体地说，优 选地，该差异不超过3x10—6。
在压力容器体的内表面上，可以在压力容器体和耐腐蚀机械衬套 之间提供中间覆盖层。该中间覆盖层可以由填料金属制成。在耐腐蚀 机械衬套受到损伤并且强腐蚀性溶剂流到机械衬套外面的情况下，中 间覆盖层可以防止压力容器被侵蚀和损伤。当装备中间覆盖层时，可 使用在高温下具有高机械强度的耐热合金，而不必考虑该合金的耐腐 蚀性能。中间覆盖层的膜壁厚度是1到30mm。当膜壁厚度小于lmm 时，将难以充分获得上述作用。相反，当膜壁厚度超过,.30mm时，内 部残余应力升高，成本的经济性降低。因此，确定膜壁厚度的上限为 30 mm。
上述中间覆盖层由高耐腐蚀和耐氮化的材料制成。例如，使用Fe 合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金。
耐腐蚀机械衬套可按如下方式构成，将在压力容器体的内表面上 形成的耐腐蚀机械衬套和在压力容器开口部分的外圆周边缘上形成的 耐腐蚀机械衬套通过焊接彼此接合。在这种情况下，在压力容器体的 内表面形成的耐腐蚀机械衬套可由高耐蚀性和延展性的材料制成。在 压力容器的开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套可以由高耐蚀 性和表面抗压强度的材料制成。
当延展性提高时，可以防止出现由机械衬套和压力容器体之间线 膨胀系数的差异所引起的破裂。当机械衬套表面强度提高和机械衬套 由难以塑性形变的材料制成时，可以防止支座面变形。因此，气密部 分可以反复使用。
在接合压力容器体和机械衬套的情况下，为了确保焊接接合部分 的机械强度，理想的是要考虑焊接接合部分的形状和焊接位置。因此， 可以防止应力集中和由侵蚀和疲劳引起的焊接接合部分的破裂。
从选择材料的角度来看，优选的是，压力容器的在开口部分的外
圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套由Pt或Ir，或者替代地由将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或将Pt、 Au、 Ir、 Ru和 Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成。优选的是，在压力容器 体的内表面形成的耐腐蚀机械衬套由Pt或Ir制成，或者替代地该耐腐蚀 机械衬套由将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形 成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或 将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成。
在压力容器的开口部分的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和 封盖之间，可以装配垫圈部件，用于提高密封性能。在这种情况下， 当耐腐蚀机械衬套的硬度大于垫圈部件的硬度时，可以防止气密接合 面变形。因此，可以反复地使用气密接合面，从而耐用性得到提高。 当定期更换垫圈部件时，可以反复地启闭压力容器的开口部分。
可以在压力容器的开口部分的外圆周边缘上的耐腐蚀机械衬套和 封盖之间装配一种自收縮垫圈部件。自收縮垫圈部件构成为，在压力 容器体中被施加高温高压的时候，自收缩垫圈部件能强烈地压配合 (press-fitted)进入空隙中。例如，自收縮垫圈部件可以形成一种内部
圆周侧的膜壁厚度厚的锥形形状。
自收縮垫圈部件由Pt或Ir制成，或者替代地，自收縮垫圈部件由 将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金， 将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成。其中该 材料与构成气密接合面的材料不同。因此，可以防止气密接合面和垫 圈部件在高温高压下使用时被压力彼此粘住。
气密接合面以及垫圈部件的一个或者两个表面可以用高耐腐蚀性 和在550'C的温度下难以塑性形变的材料涂覆，厚度为0.01到100um。 例如，可以使用0.2%的试验应力不小于150MPa的材料。通过这种涂 覆，可以防止气密接合面和垫圈部件彼此热粘合。涂层可由Pt合金、 Ir、 Ir合金、Rh、 Rh合金、Au合金、Ru、 Ru合金、Re、 Ta、 Ta合金、 Zr或者Zr合金制成。当涂层的厚度小于O..Olixm时，将不可能以充分 获得上述作用。另一方面，涂层的厚度超过100nm，内应力会引起损 伤。因此，确定厚度为0.01到100lim。
在压力容器体中，例如，在压力容器体的底部形成小孔，用于排 放气体，例如，残留在压力容器体和耐腐蚀衬套间的空隙里的空气。 关于该用于排放气体的小孔，在排放气体后，耐腐蚀机械衬套与压力 容器紧密地接触，并且陀螺状的防贯穿件被装配在压力容器体和耐腐 蚀衬套之间，结果在气密试验期间和高温高压下使用期间可以防止机 械衬套的损伤。当使用在压力容器体中提供的用于排放气体的小孔时， 可以有效地除去残留在机械衬套和压力容器体之间的空隙中的气体。 因此，机械衬套可以平滑地、紧密地与压力容器体接触。可以避免机 械衬套与压力容器体紧密接触不良。因此，当进行液压测试或者运转
测试时，可以防止引起机械衬套某个部分在机械衬套与压力容器体紧 密接触不良时产生损伤。
当将防贯穿件插入形成小孔的压力容器体和机械衬套之间时，可 以防止机械衬套穿透小孔并由贯穿造成破裂。
在培育压力容器的过程中，在将内筒形机械衬套插入压力容器体 中之前，在压力容器体的内壁和机械衬套的外壁之一或者两者上涂覆
延展性很好的Pt、 Au、 Ag、 Cu或者Ta。因此，在高温高压的条件下
进行相互扩散，结果可以一体化整体(包覆)。因此，压力容器体和 机械衬套可以极好地彼此粘在一起。
为了检测高压液体泄漏到在压力容器体和机械衬套之间形成的空 隙里，在压力容器体的底部提供了能够启闭的小孔。在该小孔中，可 以装配传感器以检测在运转或者停止时的气体成分。
在本发明的压力容器中，可以在压力容器中装配内部容器。除由 耐腐蚀合金制成的机械衬套之外，使用了由耐腐蚀合金制成的内部容 器。因此，可以双重防止杂质掺入到单晶中。而且，可以稳定地制备 高质量的单晶。
在装配有内部容器的结构中，可以将腐蚀性能低的溶剂以预定的 体积比充填到在压力容器体和内部容器之间形成的空隙里。因此，可 以防止压力容器被侵蚀。
内部容器可以由Pt或Ir，或者替代地，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和 Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至 少一种加入到Ir中形成的合金，或将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种 加入到Rh中形成的合金制成。
以预定体积比向内部容器中充填已经添加强腐蚀性矿化剂的溶 剂，例如碱的水溶液或者氨水，并将例如不含矿化剂的水、碱的水溶 液或者纯氨的溶剂，以预定体积比充填到在已经形成衬套的压力容器
体和内部容器之间形成的空隙中。用装配在压力容器外面的加热器加 热，使内部容器的内部压力和内部容器的外部压力平衡，在此条件下 维持内部容器中的超临界状态。
发明的效果
本发明提供一种用于通过溶剂热法培育单晶的压力容器，其中保 持超临界状态的压力容器体由耐热合金制成，压力容器体的一部分是 开口的，在压力容器的内表面上和开口的整个外圆周边缘上提供耐腐 蚀机械衬套，在将在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套用作 气密接合面的条件下，通过封盖密封该开口。因此，本发明用于培育 单晶的压力容器具有能够反复地启闭的气密机构，并且能够以工业规 模制备很高质量的单晶。


图1显示的是本发明具体实施方案中，具有内筒容器和带有凸缘 的机械衬套的压力容器的剖视图。
图2显示的是本发明具体实施方案中，具有中间覆盖层和带有凸 缘的机械衬套的压力容器的剖视图。
图3显示的是本发明具体实施方案中，具有机械衬套的压力容器 的剖视图，其中凸缘部分机械衬套体彼此相连。
图4显示的是本发明具体实施方案中，凸缘部分和机械衬套体彼 此相连的接合位置变化的局部放大视图。
图5显示的是本发明具体实施方案中，凸缘部分和机械衬套体彼
此相连的接合部分形状变化的局部放大视图。
图6是用于解释本发明具体实施方案中，具有凸缘的机械衬套和
压力容器体彼此紧密接触的紧密接触方法。
图7显示的是本发明具体实施方案中一种压力容器的剖视图，其 中，在具有凸缘的机械衬套和压力容器体之间装配了高延性部件。
图8显示的是具有凸缘的机械衬套和可以检测气体的压力容器的 实例的剖视图。
图9显示的是用于培育单晶的现有压力容器实例的剖视图。 图10显示的是用于培育单晶的现有压力容器的另一个实例的剖 视图。
参考数字和符号的说明 1压力容器体 2封盖
3盖形螺母或夹具 4加热器
5具有凸缘的机械衬套
5a凸缘部分
50机械衬套体
51凸缘部分
52接合部分
6衬套封盖
7垫圈
8内筒容器
9对流控制板
10籽晶
11原料
12a中间覆盖层 12b中间覆盖层 17小孔 18连接管 19 0形环 20防贯穿件 21涂层 22启闭阀 23气体检测器
具体实施例方式
本发明的具体实施方案解释如下。
如图1所示，通过盖形螺母或者夹具3，将具有底部的圆柱形压 力容器体1和封盖2固定到一起。这些部件是由耐热合金例如低合金
钢或者Ni-Cr合金制备的。通过装配在压力容器体1外圆周部分的加热 器4加热压力容器体1。
压力容器体1的内部用具有凸缘的圆柱形机械衬套5覆盖。具有 凸缘的机械衬套5包括凸缘部分5a，其中形成了气密接合面，所述凸 缘部分5a覆盖压力容器1开口部分的外圆周边缘。在封盖2的内表面， 提供衬套封盖6。机械衬套5和衬套封盖6由上述耐蚀材料制成。在机 械衬套5和衬套封盖6之间，提供上述由适当材料制成的环形自收縮 垫圈7。自收縮垫圈7形成一种膜壁厚度向内圆周侧升高而向外圆周侧 降低的锥形形状。适合的是，机械衬套5和衬套封盖6由硬度比垫圈7 的材料高的材料制成。
凸缘部分5a、垫圈7和衬套封盖6组成能够反复启闭的气密部分。
具有凸缘的机械衬套5、垫圈7和衬套封盖6由耐腐蚀合金例如 Pt制成。因此，所有接触液体的部分，包括气密部分，都由高耐腐蚀 合金制成。因此，压力容器不可能接触例如强腐蚀性碱的水溶液、酸 的水溶液或者液化氨水这样的溶剂。因此，压力容器不会被侵蚀。因 此，不会产生降低单晶质量的外来杂质。
而且，在压力容器体1内部提供内筒容器8，作为内部容器。内 筒容器8由高耐腐蚀性的合金例如Pt制成。在内筒容器8中培育单晶。 内筒容器含有溶剂、对流控制板9、籽晶9和原料11。在压力容器体l 和内筒容器8之间，充填预定数量的溶剂。将加入强腐蚀性矿化剂的 碱的水溶液、酸的水溶液或者氨水以预定体积比充填到内筒容器8中。
以预定体积比将溶剂充填到在压力容器体1和内筒容器8之间形成的 空隙部分中。然而，可以充填腐蚀性能较低的水、碱的水溶液或者纯 氨，而不添加强腐蚀性矿化剂。这有效地防止了压力容器体l被侵蚀。
在该具体实施方案中，除由耐蚀合金制成的具有凸缘的机械衬套 5之外，还使用了内筒容器8。因此，可以双重防止杂质掺入到单晶中。 而且，可以稳定地制备高质量的单晶。顺便提及，在本发明中，可以 在装配机械衬套5的压力容器体1中直接培育单晶，而不使用内筒容 器8。
如图1所示，装配在压力容器体1中具有凸缘的机械衬套5与压 力容器体1紧密地接触。当通过加热器4加热压力容器体1时，压力 容器体1和具有凸缘的机械衬套5分别膨胀。它们主要是沿着压力容 器的轴向膨胀。这时，如果压力容器体1的线膨胀系数比具有凸缘的 机械衬套5的系数高出很多，压力容器体1的延展率不能跟随具有凸 缘的机械衬套5的延展率，具有凸缘的机械衬套5可能会受到损伤。 因此，压力容器体1由耐热材料制成，其线膨胀系数与组成具有凸缘 的机械衬套5的耐腐蚀合金例如Pt的线膨胀系数基本相同。具体地说， 合适的耐热材料的线膨胀系数在室温到55(TC的温度范围内限定为5
XIOU 11 X l(T6。
其次，在图2所示的压力容器中，在压力容器体1的内表面和封 盖2上通过填充的方法形成中间覆盖层12a、 12b。在中间覆盖层12a 上提供具有凸缘的机械衬套5。在中间覆盖层12b上提供衬套封盖6。 因此，压力容器体1由三层结构组成。中间覆盖层12a, 12b分别由具 有优良的耐蚀性能和耐氮化性能的Ni-Cr合金或者Ni- Cr-Mo合金制 成。主要通过填充的方法形成中间层12a， 12b。中间层12a，12b覆盖压 力容器体1和封盖2的内表面，厚度为1到30 mm。覆盖的方法不局 限于填充法。然而，从金属学的观点来看，中间覆盖层12a与压力容器 体l完全连接到一起，以免形成缺口并且在中间覆盖层12a上出现裂缝。
在具有凸缘的机械衬套5受到损伤的情形下，强腐蚀性溶剂流到衬套 外部，中间覆盖层12a防止压力容器体1被溶剂侵蚀。在装配中间覆盖 层12a， 12b的情形下，压力容器体1和封盖2没有必要由高耐腐蚀性 的材料制成。在很多情况下，耐热合金不是高度耐蚀性的。然而，当 提供中间覆盖层12a， 12b时，可以使用在高温下具有高机械强度的耐 热合金，而不必考虑其耐蚀性能。因此，可以提供一种能够获得适于 制备单晶的高温高压工作条件的压力容器。
其次，如图3所示，具有凸缘的机械衬套5以机械衬套体50和具 有气密结构的凸缘部分51通过接合部分52彼此相连的方式组成。凸 缘部分51由具有高表面压力强度并且难以发生塑性形变的材料例如Ir 制成，因此可以防止支座面在使用期间变形并且凸缘部分51可以反复 地使用。另一方面，机械衬套体50由具有高延性的材料例如Pt制成， 以防止出现由机械衬套体50和压力容器体1之间线膨胀系数的差异所 引起的损伤。凸缘部分51和机械衬套体50通过焊接的方法彼此相连。 使用焊接法是合适的。然而，只要可以获得理想的金属接合，可以采 用任何接合方法。
机械衬套体50和凸缘部分51彼此相连的接合部分52位于一个位 置上，并形成一种不会引起成为侵蚀和老化起点的应力集中的形状。
图4显示的是接合位置实例的视图，其中凸缘部分和机械衬套体 彼此相连。
如图4(a)所示，适当的是凸缘部分51a组成如下。凸缘部分51a 形成为整体，其横截面是L形，包括机械衬套体50a的圆柱形部分， 并且圆柱形部分是对接的，并在接合部分52a彼此联接在一起。图4 ( b) 和4(c)中所示的结构是不适于使用的结构。在图4(b)和4(c)中，凸 缘部分51b, 51c的环形部件和机械衬套体50b， 50c互相直接连接到一 起。在该结构中，接合部分52b, 52c位于应力集中易于产生的拐角部
分。而且，在接合部分52b, 52c紧靠环形部件的结构中，在后加热的
过程中，环形部件受到加热的影响并变形。因此，最好是接合部分位 于与拐角部分略微有些距离的位置。而且，接合部分所处的位置最好 是环形部件不受后加热处理的加热影响的位置。
而且，在图5中显示了接合部分的形状，其中凸缘部分和机械衬
套体互相连接到一起。
由于机械衬套体的线膨胀系数比压力容器的线膨胀系数低，可能
在接合部分中产生反复应力并且机械衬套体受到损伤。因此，如图5(d) 和5(e)所示，凸缘部分51d， 51e的筒状部分的膜壁厚度增加，比机械 衬套体50d, 50e的膜壁厚度厚，并且提供一种锥形梯状部分。如图5 ( d) 所示，接合部分52d、 52e的位置位于锥形部分53d的厚侧，或者如图 5 ( e)所示，位于锥形部分53e的厚侧。按照上述结构，可以确保接合 部分的机械强度。而且，在压力容器体1中形成相同的锥形部分。使 用时发生的伸縮主要由机械衬套体引起。由于提供了锥形部分，只能 在锥形部分下面的机械衬套体侧引起伸縮。因此，可以在装配接合部 分的凸缘侧消除伸縮。
另一方面，如图5(f)所示，在不具有锥形部分的结构中，尽管凸 缘部分51f的膜壁厚度厚，但接合部分52f处的机械衬套体50f的伸缩 还是引起了应力集中。因此，这种结构不合适。如图5(g)和5(h)所示， 即使提供了锥形部分53g， 53h,当将接合部分52g, 52h装配在机械衬套 体50g，50h侧上时，由于在接合部分52g， 52h中产生了应力集中，这 种结构不合适。
论及压力容器的密封结构部分，具有凸缘和衬套封盖6的机械衬 套5的气密支座面由硬度高于垫圈7的材料制成。原因是，当防止气 密支座面变形并且定期更换垫圈部件7时，可以反复地使用各个部件。
为了防止垫圈部件7在高温高压下的使用期间，在支座面上热粘 着，垫圈部件7由与支座面合金不同的合金制成。由于在不少于100
MPa的超高压力的条件下培育单晶，自收縮型垫圈结构适用于密封部 分。当垫圈7的支座面和正面用具有高耐蚀性能并难以塑性形变的材 料涂覆时，防止了支座面和垫圈7互相热粘合。因此，可以反复地使 用支座面和垫圈7。关于涂敷法，使用的是蒸镀。然而，涂敷法不局限 于蒸镀。可以使用任何方法。
在具有凸缘的机械衬套5包括在压力容器体1中的情况下，重要 的是使机械衬套5与压力容器体1完全接触。如果机械衬套5与压力 容器体1接触不完全，则由于引起了应力集中，机械衬套5易于在不 完全接触的部分受到损伤。为了使机械衬套5与压力容器体1完全地 接触，重要的是除去残留在两个部件之间的气体。
图6显示的是使压力容器体1与具有凸缘的机械衬套5紧密接触 的方法。在具有凸缘的机械衬套5的凸缘部分5a与压力容器体1的接 触部分中装配O形环。并且在压力容器体1的底部中形成小孔17。将 连接管18插入小孔17中，并连接到未示出的真空排气装置中。下面 描述使压力容器体1与具有凸缘的机械衬套5紧密接触的过程。首先， 通过真空排气装置除去在压力容器体1和具有凸缘的机械衬套5间形 成的空隙里残留的气体。然后，关闭封盖2，压力容器体l内部维持气 密状态。然后，在通过装配在外部的增压器增加压力容器体1中的压 力并且具有凸缘的机械衬套5发生塑性形变的同时，使具有凸缘的机 械衬套5与压力容器体1紧密地接触。在具有凸缘的机械衬套5已经 与压力容器体1紧密地接触之后，附着于小孔17的连接管18分离， 并降密封插头附着于小孔17。
如图6 (a)所示，具有凸缘的机械衬套5有可能穿透在压力容器 体1底部形成的小孔17，并在使用期间由贯穿造成损伤。因此，如图 6 ( b)所示， 一种陀螺状的防贯穿件20预先装配在形成小孔17的压力
容器体l的底部。通过装配的防贯穿件20，可以防止机械衬套5的贯
穿破坏。不特别限制防贯穿件20的形状和尺寸，只要没有形成锐角并 且具有凸缘的机械衬套5的内表面形成连续形状。
为了使压力容器体1与具有凸缘的机械衬套5更紧密地接触，如 图7所示，用高延性材料涂层21，例如具有优良延展率的Pt，来覆盖 接触面。用这种方法，两者互相紧密地接触并可以防止机械衬套的损 伤。分别在压力容器体1和具有凸缘的机械衬套5上提供的涂层21, 21 是包覆层，并在高温高压的状态下互相结合。顺便提及，可以仅仅在 压力容器体1和具有凸缘的机械衬套5的一面形成涂层21。然而，为 了平滑地进行包覆，理想的是在压力容器体1和具有凸缘的机械衬套5 的两面形成涂层21。
顺便提及，当内部液体由于具有凸缘的机械衬套5引起的损伤发 生泄漏时，必须迅速地发现液体的渗漏和采取对策以确保安全。因此， 如图8所示，小孔17提供于压力容器体1的底部，通过启闭阀22安 装用于检测气体组成的检测器23。不仅在高压状态下使用装置时，而 且当装置操作停止并且没有压力施加给该装置时，检测器23都可以检 测气体的渗漏。顺便提及，关于检测器23，压力检测器可以和气体检 测器一起使用。
上面参考具体实施方案己经详细说明了本发明。然而，本领域的 熟练技术人员显然可以作出各种变化而不背离本发明的精神和范围。
本申请基于申请日为2005年1月12日的日本专利申请(No. 2005-004998)。该申请的内容在这里引用作为参考。
工业实用性
本发明通过溶剂热方法提供一种用于培育单晶的压力容器，其中 保持超临界状态的压力容器体由耐热合金制成，压力容器体的一部分
是开口的，在压力容器的内表面上和开口的整个外圆周边缘上提供耐 蚀机械衬套，在将在开口的外圆周边缘上形成的耐蚀机械衬套用作气 密接合面的条件下，通过封盖密封该开口。因此，用于培育单晶的压 力容器包括能够反复启闭的气密机构，并且用于以工业规模制备纯度 很高的单晶。
权利要求
1.一种用于通过溶剂热法培育单晶的压力容器，该压力容器包括用于保持超临界状态的、由耐热合金制成的压力容器体，压力体包括开口；在压力容器内表面和开口的整个外圆周边缘上提供的耐腐蚀机械衬套；和在将在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套用作气密配合面的条件下，用于密封开口的封盖。
2. 如权利要求l所述的培育单晶的压力容器，其中，压力容器体由Fe合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金 的耐热合金中的一种制成。
3. 如权利要求1或2所述的培育单晶的压力容器，其中，耐腐蚀机械衬套由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02 中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一 种加入到Ir中形成的合金，将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到 Rh中形成的合金，或其组合物制成。
4. 如权利要求1一3之一所述的培育单晶的压力容器，其中，耐热合金和耐腐蚀机械衬套的线膨胀系数在室温到55(TC的 温度范围内为5xl0-6到llx10—6，和其中，耐热合金和耐腐蚀机械衬套的线膨胀系数在室温到55(TC的 温度范围内彼此基本相同。
5. 如权利要求1一4之一所述的培育单晶的压力容器，其中，在压力容器体的内表面上形成作为耐腐蚀机械衬套内层的 具有高耐蚀性能和高耐氮化性能的中间覆盖层，其膜壁厚度为l到 30mm。
6. 如权利要求5所述的培育单晶的压力容器，其中，中间涂覆层由Fe合金、Ni合金、Cr合金、Mo合金和Co合金 中之一的耐腐蚀合金制成。
7. 如权利要求l一6之一所述的培育单晶的压力容器，其中，通过将在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和在 压力容器体的内表面形成的耐腐蚀衬套连接起来，组成耐腐蚀机械衬 套。
8. 如权利要求7所述的培育单晶的压力容器，其中，通过将在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和在 压力容器体的内表面形成的耐腐蚀衬套连接起来，组成耐腐蚀机械衬套，其中，在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套由Pt或Ir，将 Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和ZrO;s中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将 Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成，和其中，在压力容器体的内表面形成的耐腐蚀衬套由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种加入到Ir中形成的合金，或将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入到Rh中形成的合金制成。
9. 如权利要求7或8所述的培育单晶的压力容器，其中，在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套的膜壁厚度 比在压力容器体的内表面形成的耐腐蚀机械衬套的膜壁厚度厚，和其中，在开口的外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套和压力容器 体的内表面形成的耐腐蚀机械衬套的接合部分中，或者在接合部分的 底侧的外周，提供膜壁厚度变化的锥形部分。
10. 如权利要求1一9之一所述的培育单晶的压力容器，进一步包 括插入气密接合面和封盖之间的垫圈部件，其中构成气密接合面的耐腐蚀机械衬套由比垫圈部件更硬的材料 制成。
11. 如权利要求1一10之一所述的培育单晶的压力容器，进一步包 括插入气密接合面和封盖之间的自收縮垫圈部件，其中，自收縮垫圈部件由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02 中的至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一 种加入到Ir中形成的合金，或者将Pt、 Ir、 Au、 Ru和Re中的至少一种加 入到Rh中形成的合金制成，和其中自收縮垫圈部件由与构成气密接合面的材料不同的材料制成。
12. 如权利要求1 —IO之一所述的培育单晶的压力容器，其中，气密接合面以及垫圈部件的一个或者两个表面都用材料层涂覆，该材料层具有高耐腐蚀性，并且在55or的温度下其o.2y。的试验应力不低于150MPa，厚度为0.01到100u m。
13. 如权利要求12所述的培育单晶的压力容器，其中，涂覆材料是Pt合金、Ir、 Ir合金、Rh、 Rh合金、Au合金、 Ru、 Ru合金、Re、 Ta、 Ta合金、Zr和Zr合金中的一种。
14. 如权利要求1一13之一所述的培育单晶的压力容器，其中，压力容器体包括用于排放压力容器体和耐腐蚀机械衬套之 间残留的气体的小孔，和其中，压力容器进一步包括安装在压力容器体和耐腐蚀衬套之间 的防贯穿件。
15. 如权利要求1一13之一所述的培育单晶的压力容器，其中，压力容器体的一个或者两个内壁和耐腐蚀机械衬套的外壁 用高延性材料涂覆，和其中，涂覆的高延性材料是高温高压下彼此相对部件间的包覆层。
16. 如权利要求15所述的培育单晶的压力容器， 其中，高延性材料由Pt、 Au、 Ag、 Cu或者Ta制成。
17. 如权利要求1 —16之一所述的培育单晶的压力容器，其中，压力容器体包括在压力容器体中提供的、能够启闭的小孔，和其中，小孔包括用于检测在压力容器体和耐腐蚀机械衬套间的空 隙里残留的气体的组成的检测器。
18. 如权利要求1一17之一所述的培育单晶的压力容器， 其中，压力容器体包括内部容器，其中，将加入有强腐蚀性矿化剂的、包括碱的水溶液或者氨水的 溶剂充填到内部容器中，其中，将包括不含矿化剂的水，碱的水溶液或者纯氨的溶剂充填 到在内部容器的外侧和耐腐蚀机械衬套间形成的空隙中，和其中，在通过加热平衡内部容器内的压力和内部容器外的压力的 条件下，在该内部容器中保持超临界状态。
19. 如权利要求18所述的培育单晶的压力容器，其中，内部容器由Pt或Ir，将Ir、 Rh、 Au、 Ru、 Re和Zr02中的 至少一种加入到Pt中形成的合金，将Pt、 Rh、 Ru和Re中的至少一种 加入到Ir中形成的合金，将Pt、 Au、 Ir、 Ru和Re中的至少一种加入 到Rh中形成的合金，或其组合物制成。
全文摘要
通过溶剂热方法在生产单晶的时候防止单晶与杂质混合，并且以工业生产规模生产高质量的单晶。一种用于维持内部超临界状态的压力容器本体(1)由耐热合金组成，容器本体的一部分是开口的，并且在压力容器的内表面和开口的整个外圆周边缘上提供耐腐蚀机械衬套(5)。通过耐腐蚀的垫圈，由在开口外圆周边缘上形成的耐腐蚀机械衬套组成的气密配合面，和在封盖(2)的内表面上的耐腐蚀机械衬套封盖(6)的气密配合面密封开口。压力容器本体和封盖的内表面用耐腐蚀机械衬套覆盖，防止侵蚀。耐腐蚀机械衬套保证气密配合面和封盖的密封性能，并有效地防止气密部分的侵蚀，因而允许反复打开/关闭气密部分。
文档编号C30B7/00GK101103143SQ20068000223
公开日2008年1月9日 申请日期2006年1月11日 优先权日2005年1月12日
发明者山村美彦, 松下桂一郎, 笹川雄二, 若尾收, 赤塚重治 申请人:溶剂热结晶成长技术研究组合