【引言】
 
大部分金屬、陶瓷和半導體材料都是由多晶構成。相比之下，單晶盡管性能往往更加優異，但目前由于受成本限制，其應用范圍仍十分有限，無法實現大規模生產。傳統的單晶制備技術包括Bridgeman法和Czochralski法在內的定向凝固法，此外，也可以通過誘導晶粒異常長大的方法合成單晶。多晶材料晶粒長大通常以大晶粒“吞噬”小晶粒的方式進行，以降低高能晶界的百分比。如果晶粒以正常方式長大，則粒徑分布相對均勻；特定情況下，只有部分晶粒“吞噬”周圍晶粒而快速長大，這種情況便是異常晶粒長大。截止目前，單晶材料的應用包括形狀記憶合金和耐熱合金等若干方面，而形狀記憶合金中，銅-鋁-錳合金尤其具有突出的冷加工性。此外這種合金的超塑性隨著晶粒尺寸增大顯著提高。因此，如果能利用傳統熱處理實現銅-鋁-錳合金單晶的大批量制備，那么無疑會大大提高該形狀記憶合金的應用前景。
 
【成果簡介】
 
近日來，日本東北大學的Omori教授(通訊作者)研究團隊在Nature Communications上發表題為“Ultra-large single crystals by abnormal grain growth”的文章。該文章指出，可以通過傳統熱處理工藝，誘導晶粒異常長大，進而實現銅-鋁-錳合金單晶的大批量制備。其中，循環熱處理提供了作為晶粒異常長大主要驅動力的亞晶界能；而進一步的循環低溫熱處理提高了亞晶界能，從而提高晶界遷移速率。通過這樣的熱處理，能夠實現70厘米長單晶棒的制備。這一研究成果使其它具有相似結構的金屬或陶瓷材料的單晶化成為可能。此外，由于目前單晶材料的主要應用之一是形狀記憶合金，這種大批量制備單晶的方法也將大大擴展現有形狀記憶合金的應用范圍。
 
【圖文導讀】
 
圖一：銅-鋁-錳單晶棒及熱處理工藝
 

 

 
a.循環熱處理工藝（高溫循環結合低溫循環）
 
b.循環熱處理工藝制備的銅-鋁-錳單晶棒
 
c.僅高溫循環熱處理工藝
 
d.僅高溫循環熱處理工藝制備的銅-鋁-錳單晶棒
 
圖二：通過反常晶粒長大制得的銅-鋁-錳合金的微觀形貌
 
 

a.銅-鋁-錳合金自900℃到500℃循環結束，淬火后的光學顯微鏡照片
 
b.反極圖投影
 
c.各晶粒的參考取向偏差
 
圖三：晶粒異常長大現象
 

 

 
a.高溫循環熱處理（900/500℃）過程中，亞晶粒結構形成，部分相在500℃形成沉淀。循環熱處理后，部分晶粒在亞晶界能的驅動下異常長大
 
b.多次低溫循環熱處理（740/500℃）后，由于亞晶粒之間取向差增大，因此亞晶界能升高，晶界遷移速率增大，為超大晶粒的實現提供可能
 
圖四：晶界遷移距離和亞晶粒結構
 

 

 
a.合金在800-500-800℃中溫循環后，在800℃分別保溫一定時間（0min, 5min,10min）并淬火形成的顯微組織
 
b.合金在740-500-740℃中溫循環五次，在800℃分別保溫一定時間（0min, 2min,10min）并淬火形成的顯微組織
 
c.異常晶粒的晶界遷移距離
 
d.晶粒參考取向偏差
 
e.與一次和五次低溫循環后的取向偏差
 
圖五:單晶棒的超塑性測試
 

 

 
直徑15.4mm, 長682mm銅-鋁-錳單晶棒的超塑性測試
 
【小結】
 
本文通過合理設計合金的熱處理工藝，實現了銅-鋁-錳合金的超大單晶制備。首先通過五次900-500℃高溫循環，在合金中形成類竹節結構，之后通過四次740-500℃低溫循環，獲得晶界遷移驅動力，實現類竹節的異常長大。這一工藝制得的長700mm，直徑為15mm的單晶棒具有良好的超塑性。此外，該實驗思路為實現單晶的大批量生產提供了可能，拓寬了形狀記憶合金的應用前景。除銅-鋁-錳合金外，同樣具有晶粒異常長大現象的銅-鋅，鐵-鉻-鈷-鉬和鐵-錳-鋁-鎳合金也有望通過此工藝實現單晶的大批量生產。

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