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；表面劃痕對單晶鋁腐蝕孔的影響。

關(guān)鍵詞：單晶鋁；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)。整個晶體是一個完整的單一結(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為〈100〉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)行拉伸對比試驗，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，相對來說，位錯和雜質(zhì)也較少。當(dāng)它受到外力作用時，位錯容易發(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所用鋁試樣的拉伸方向為{110}（擇優(yōu)生長方向），而鋁的滑移面為{111}，與拉伸方向73°角，此時取向因子最大的滑移系有4個，一旦這些滑移系的切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力時，這4個滑移系便同時開動，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的多一些，即相對的增大了隔離層，導(dǎo)致鋁單晶線材變形后電阻的增大。當(dāng)電子通過一個理想晶體點(diǎn)陣時，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 表面劃痕對單晶鋁腐蝕孔的影響

選擇（100）面和（124）面分別作為這兩個單晶的表面，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)蝕坑為位錯露頭發(fā)孔腐蝕而成，但并不是所有的位錯露頭都可以作為點(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才容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

5.展望

對于鋁單晶的性質(zhì)，綜述了單晶鋁與多晶鋁及其與變型的單晶的對比實驗結(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， 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，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， 2000， 20（4） ： 294-295

[5] 劉春霞， 嚴(yán)文， 范新會等. 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， 2002， 22（4）： 355-356