铝单晶的获得方法及性能

梁肖

摘 要：综述了单晶铝的获得方法，单晶的连续铸造工艺告别了传统连铸工艺使铝晶体以固定的方向长，得到铝的单晶；应变退火法交替的使用应变和退火的方法能够使新的晶体不成核而得到单晶；单晶铝的多方面性能，如单晶铝与多晶铝的拉伸性能及单晶铝与变形铝单晶的力学变化；表面划痕对单晶铝腐蚀孔的影响。

关键词：单晶铝；连续铸造；应变退火法；力学性能

1.前言

自然界的铝有多种晶型的存在形式，其性能也存在着各种形式并且晶体铝比较难以获得，我们的目的是综述探究铝单晶的获得方法及其性能。铝单晶有不同的获得方法，连续铸造工艺告别传统工艺是晶体铝在定向凝固设备中以单向生长的方式形成铝单晶，不存在补缩的困难。

2.单晶的概念

由原子、分子或离子等微粒在空间按一定规律、周期性重复排列所构成的长程有序的固体物质。整个晶体是一个完整的单一结构，即结晶体内部的微粒在三维空间呈高度有规律地排列，或者说整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。

3.单晶铝的获得方法

3.1 连续铸造工艺制备单晶铝

高效的连续铸造技术对单晶铝的尺寸长度无限制，传统连续铸造方法得到的组织为由表面向中心生长的柱状晶组织，不能得到单晶产品。

确定取向的单晶铝的制备运用了单晶的连续铸造工艺，以多晶铝棒为原材料在定向凝固的设备中进行定向凝固来制备单晶铝。然而根据透射电镜所确定的试样角度偏差线，切割出固定取向的5mm×20mm籽晶，随后，由该籽晶在定向凝固炉中引晶生长出确定取向的单晶铝棒[1]。

根据凝固过程，有利取向的晶粒不断长大从而形成了由一个单晶控制的断面形成单晶铸锭，经过了X射线确定：在Ⅰ-Ⅰ断面上存在着（100）、（311）和（ 111）晶面的衍射峰，而在Ⅲ-Ⅲ断面上则只有（100）晶面的衍射峰。随着凝固过程的进行，沿〈100〉方向生长的晶粒将淘汰偏离该方向生长的所有晶粒，从而获得其轴线方向为〈100〉取向的单晶线材[2]。

3.2 应变退火法制备铝单晶

（1）在550℃使铝退火，以消除應变的影响并提供大小合乎要求的晶粒。

（2）在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s，并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再经一温度梯度，然后加热至640℃，可以得到1mm长的晶体。

（3） 采用交替施加应变和退火的方法，可以得到2.5cm的高能单晶铝带，退火温度为650℃，使用的应变不会促使新晶粒成核。

4.单晶铝的性能

4.1力学性能

4.1.1单晶铝与多晶铝

根据连铸单晶铝取试样与铝多晶试样进行拉伸对比试验，得出单晶连铸铝线材的抗拉强度比多晶铝棒低但屈服强度并未明显降低。但其伸长率和断面收缩率明显升高[3]，单晶试样的拉伸断口收缩成针尖状，说明单晶连铸铝线材的加工硬化程度很小，可以预言，其塑性加工性能很高 [3]。

4.1.2单晶铝与加热及塑性变型的单晶铝

由于铝单晶中基本上没有晶界，相对来说，位错和杂质也较少。当它受到外力作用时，位错容易发生滑移。因此，铝单晶也象其它金属单晶一样具有良好的塑性[4]。在研究变形铝性能试验所用铝试样的拉伸方向为{110}（择优生长方向），而铝的滑移面为{111}，与拉伸方向73°角，此时取向因子最大的滑移系有4个，一旦这些滑移系的切应力达到临界分切应力时，这4个滑移系便同时开动，晶体以多系系滑移的方式发生塑性变形[5]。

4.2单晶铝线材的导电性能

4.2.1单晶铝与多晶铝的导电性

以单晶铝线材为电阻测试。试样分别为单晶连铸铝线材和金属型多晶铝铸棒的表面细晶区和中心粗晶。结果表明，单晶铝线材的电阻率比金属型多晶铸棒表面细晶区降低的比中心粗晶区降低的多，说明晶界的消除对电阻率的降低有显著影响[2]。

4.2.2单晶铝变形前后的电阻

在前面显微组织分析中我们已经知道铝单晶在变形后枝晶要相对的多一些，即相对的增大了隔离层，导致铝单晶线材变形后电阻的增大。当电子通过一个理想晶体点阵时，只有晶体点阵完整性遭到破坏的地方电子波才受到散射。因此铝单晶原始组织中的缺陷杂质，第二相粒子，枝晶晶界以及变形后所形成位错组态和增加的枝晶晶界等都破坏了晶格周期性，引起电子运动过程中的平均自由程的改变，增加了铝单晶线材的电阻[4]。

4.3 表面划痕对单晶铝腐蚀孔的影响

选择（100）面和（124）面分别作为这两个单晶的表面，经过机械抛光，均匀化退火和电解抛光后分别用#600和#1000砂纸砂纸打磨。试验发现，打磨试样表面的腐蚀孔密度大于未打磨试样，而#1000砂纸打磨试样表面的腐蚀孔密度大于#600砂纸打磨试样，#1000 砂纸打磨试样表面的腐蚀孔小于#600 砂纸打磨试样。试验得出结论，单晶铝（100）面和（124）面化学腐蚀的点蚀坑为位错露头发孔腐蚀而成，但并不是所有的位错露头都可以作为点腐蚀起源，只有畸变能或露头附近张应力梯度比较大的位错才容易发生点腐蚀。

5.展望

对于铝单晶的性质，综述了单晶铝与多晶铝及其与变型的单晶的对比实验结果得到单晶铝的力学性能，单晶铝的导电作用也是晶体表面的粗细晶区有关。单晶铝在人类生活及工业的发展上起着重要的作用，单晶铝的深入了解与更加深入的研究有着重要意义。

参考文献：

[1] 彭渝丽， 杨洋， 陈建等. 确定取向铝单晶制备工艺的研究[J]. 西安工业大学学报， 2014， 34（2）： 136-137

[2] 魏朋义， 李建国， 傅恒志. 铝单晶线材连续铸造工艺及其性能[J]. 材料工程 1997， （9）： 39-40

[3] 李兴霞， 崔国明， 马天凤. 热型连铸单晶金属的制备与拉伸特性研究[J]. 热加工工艺， 2013， 42（15）： 77-78

[4] 刘海明，范新会，严文 单晶铝线材在变形与加热过程中的组织性能变化[J]. 西安工业学院学报， 2000， 20（4） ： 294-295

[5] 刘春霞， 严文， 范新会等. 变形单晶铝线材的组织和性能研究[J]. 西安工业学院学报， 2002， 22（4）： 355-356