梁肖

摘 要：綜述了單晶鋁的獲得方法，單晶的連續(xù)鑄造工藝告別了傳統(tǒng)連鑄工藝使鋁晶體以固定的方向長，得到鋁的單晶；應(yīng)變退火法交替的使用應(yīng)變和退火的方法能夠使新的晶體不成核而得到單晶；單晶鋁的多方面性能，如單晶鋁與多晶鋁的拉伸性能及單晶鋁與變形鋁單晶的力學(xué)變化；表面劃痕對(duì)單晶鋁腐蝕孔的影響。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉тX；連續(xù)鑄造；應(yīng)變退火法；力學(xué)性能

1.前言

自然界的鋁有多種晶型的存在形式，其性能也存在著各種形式并且晶體鋁比較難以獲得，我們的目的是綜述探究鋁單晶的獲得方法及其性能。鋁單晶有不同的獲得方法，連續(xù)鑄造工藝告別傳統(tǒng)工藝是晶體鋁在定向凝固設(shè)備中以單向生長的方式形成鋁單晶，不存在補(bǔ)縮的困難。

2.單晶的概念

由原子、分子或離子等微粒在空間按一定規(guī)律、周期性重復(fù)排列所構(gòu)成的長程有序的固體物質(zhì)。整個(gè)晶體是一個(gè)完整的單一結(jié)構(gòu)，即結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈高度有規(guī)律地排列，或者說整個(gè)晶體中質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長程有序。

3.單晶鋁的獲得方法

3.1 連續(xù)鑄造工藝制備單晶鋁

高效的連續(xù)鑄造技術(shù)對(duì)單晶鋁的尺寸長度無限制，傳統(tǒng)連續(xù)鑄造方法得到的組織為由表面向中心生長的柱狀晶組織，不能得到單晶產(chǎn)品。

確定取向的單晶鋁的制備運(yùn)用了單晶的連續(xù)鑄造工藝，以多晶鋁棒為原材料在定向凝固的設(shè)備中進(jìn)行定向凝固來制備單晶鋁。然而根據(jù)透射電鏡所確定的試樣角度偏差線，切割出固定取向的5mm×20mm籽晶，隨后，由該籽晶在定向凝固爐中引晶生長出確定取向的單晶鋁棒[1]。

根據(jù)凝固過程，有利取向的晶粒不斷長大從而形成了由一個(gè)單晶控制的斷面形成單晶鑄錠，經(jīng)過了X射線確定：在Ⅰ-Ⅰ斷面上存在著（100）、（311）和（ 111）晶面的衍射峰，而在Ⅲ-Ⅲ斷面上則只有（100）晶面的衍射峰。隨著凝固過程的進(jìn)行，沿〈100〉方向生長的晶粒將淘汰偏離該方向生長的所有晶粒，從而獲得其軸線方向?yàn)椤?00〉取向的單晶線材[2]。

3.2 應(yīng)變退火法制備鋁單晶

（1）在550℃使鋁退火，以消除應(yīng)變的影響并提供大小合乎要求的晶粒。

（2）在液氮溫度附近冷輥軋，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再結(jié)晶的鋁，此時(shí)樣品還有2mm大小晶粒和強(qiáng)烈的織構(gòu)，再經(jīng)一溫度梯度，然后加熱至640℃，可以得到1mm長的晶體。

（3） 采用交替施加應(yīng)變和退火的方法，可以得到2.5cm的高能單晶鋁帶，退火溫度為650℃，使用的應(yīng)變不會(huì)促使新晶粒成核。

4.單晶鋁的性能

4.1力學(xué)性能

4.1.1單晶鋁與多晶鋁

根據(jù)連鑄單晶鋁取試樣與鋁多晶試樣進(jìn)行拉伸對(duì)比試驗(yàn)，得出單晶連鑄鋁線材的抗拉強(qiáng)度比多晶鋁棒低但屈服強(qiáng)度并未明顯降低。但其伸長率和斷面收縮率明顯升高[3]，單晶試樣的拉伸斷口收縮成針尖狀，說明單晶連鑄鋁線材的加工硬化程度很小，可以預(yù)言，其塑性加工性能很高 [3]。

4.1.2單晶鋁與加熱及塑性變型的單晶鋁

由于鋁單晶中基本上沒有晶界，相對(duì)來說，位錯(cuò)和雜質(zhì)也較少。當(dāng)它受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)容易發(fā)生滑移。因此，鋁單晶也象其它金屬單晶一樣具有良好的塑性[4]。在研究變形鋁性能試驗(yàn)所用鋁試樣的拉伸方向?yàn)閧110}（擇優(yōu)生長方向），而鋁的滑移面為{111}，與拉伸方向73°角，此時(shí)取向因子最大的滑移系有4個(gè)，一旦這些滑移系的切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力時(shí)，這4個(gè)滑移系便同時(shí)開動(dòng)，晶體以多系系滑移的方式發(fā)生塑性變形[5]。

4.2單晶鋁線材的導(dǎo)電性能

4.2.1單晶鋁與多晶鋁的導(dǎo)電性

以單晶鋁線材為電阻測(cè)試。試樣分別為單晶連鑄鋁線材和金屬型多晶鋁鑄棒的表面細(xì)晶區(qū)和中心粗晶。結(jié)果表明，單晶鋁線材的電阻率比金屬型多晶鑄棒表面細(xì)晶區(qū)降低的比中心粗晶區(qū)降低的多，說明晶界的消除對(duì)電阻率的降低有顯著影響[2]。

4.2.2單晶鋁變形前后的電阻

在前面顯微組織分析中我們已經(jīng)知道鋁單晶在變形后枝晶要相對(duì)的多一些，即相對(duì)的增大了隔離層，導(dǎo)致鋁單晶線材變形后電阻的增大。當(dāng)電子通過一個(gè)理想晶體點(diǎn)陣時(shí)，只有晶體點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方電子波才受到散射。因此鋁單晶原始組織中的缺陷雜質(zhì)，第二相粒子，枝晶晶界以及變形后所形成位錯(cuò)組態(tài)和增加的枝晶晶界等都破壞了晶格周期性，引起電子運(yùn)動(dòng)過程中的平均自由程的改變，增加了鋁單晶線材的電阻[4]。

4.3 表面劃痕對(duì)單晶鋁腐蝕孔的影響

選擇（100）面和（124）面分別作為這兩個(gè)單晶的表面，經(jīng)過機(jī)械拋光，均勻化退火和電解拋光后分別用#600和#1000砂紙砂紙打磨。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，打磨試樣表面的腐蝕孔密度大于未打磨試樣，而#1000砂紙打磨試樣表面的腐蝕孔密度大于#600砂紙打磨試樣，#1000 砂紙打磨試樣表面的腐蝕孔小于#600 砂紙打磨試樣。試驗(yàn)得出結(jié)論，單晶鋁（100）面和（124）面化學(xué)腐蝕的點(diǎn)蝕坑為位錯(cuò)露頭發(fā)孔腐蝕而成，但并不是所有的位錯(cuò)露頭都可以作為點(diǎn)腐蝕起源，只有畸變能或露頭附近張應(yīng)力梯度比較大的位錯(cuò)才容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

5.展望

對(duì)于鋁單晶的性質(zhì)，綜述了單晶鋁與多晶鋁及其與變型的單晶的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到單晶鋁的力學(xué)性能，單晶鋁的導(dǎo)電作用也是晶體表面的粗細(xì)晶區(qū)有關(guān)。單晶鋁在人類生活及工業(yè)的發(fā)展上起著重要的作用，單晶鋁的深入了解與更加深入的研究有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭渝麗， 楊洋， 陳建等. 確定取向鋁單晶制備工藝的研究[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 34（2）： 136-137

[2] 魏朋義， 李建國， 傅恒志. 鋁單晶線材連續(xù)鑄造工藝及其性能[J]. 材料工程 1997， （9）： 39-40

[3] 李興霞， 崔國明， 馬天鳳. 熱型連鑄單晶金屬的制備與拉伸特性研究[J]. 熱加工工藝， 2013， 42（15）： 77-78

[4] 劉海明，范新會(huì)，嚴(yán)文 單晶鋁線材在變形與加熱過程中的組織性能變化[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2000， 20（4） ： 294-295

[5] 劉春霞， 嚴(yán)文， 范新會(huì)等. 變形單晶鋁線材的組織和性能研究[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2002， 22（4）： 355-356