Implementación de un sistema semiautomático, de monitoreo y control para el crecimiento de monocristales mediante el método de Bridgman

Abstract

RESUMEN: En el presente documento se describe el análisis, diseño, construcción e implementación de un sistema semiautomático de solidificación unidireccional para la obtención de monocristales en aleaciones principalmente de aluminio, zinc y magnesio por el método de Bridgman, el cual, está constituido de tres sistemas principales para el desarrollo del proceso: calentamiento, enfriamiento y movimiento. El sistema de calentamiento consta de un horno resistivo en el cual se realiza la fundición de la muestra, con una temperatura controlada y regulable a un máximo de 800 °C; el sistema de enfriamiento hidráulico permite regular un flujo laminar, mismo que propicia la solidificación del material y el sistema de movimiento, que desplaza el crisol de forma lineal a través de los sistemas anteriores con una velocidad regulable mínima de hasta 496 nm/s. Por otro lado, a través de una interfaz hombre-máquina (HMI, por su acrónimo en inglés Human-Machine Interface), y un sistema de control electrónico, se manipulan los parámetros de velocidad desplazamiento del crisol, así como el ajuste del flujo del líquido, y temperatura del horno. También es posible realizar el monitoreo de la temperatura dentro del crisol durante el periodo de solidificación de la muestra, con lo que se obtiene finalmente el registro de estos datos en un archivo para su posterior estudio. La implementación de este dispositivo tiene como propósito principal su aplicación en el área de metalurgia física y desarrollo de ciencia básica dentro de la UPIIZ-IPN. ABSTRACT: This work presents the analysis, design, construction and implementation of a semi-automatic unidirectional solidification system for the growth of single crystals by the Bridgman method in aluminum, zinc and magnesium alloys. It is composed by three main systems: heating, cooling and movement. The heating system consist of a resistive furnace, where the melting of the sample takes place, and it provides a maximum adjustable temperature of 800 °C, the hydraulic cooling system allows an adjustable laminar flow, allowing the solidification of the material, and the movement system allows the linear displacement of the crucible with a minimum adjustable speed of 496 nm/s. On the other hand, the movement velocity of the crucible, the adjustment of the flow of the liquid and temperature of the furnace parameters will be manipulated by a human-machine interface (HMI) and by an electronic control system. In addition, a temperature monitoring will be carried out inside the crucible during the solidification period of the sample and its registration will be obtained in an archive for further study. The main purpose of the construction of this device is the application in the physical metallurgical area and development of basic science within the UPIIZ-IPN.