Nature 子刊：晶粒异常长大制备超大单晶

【引言】

大部分金属、陶瓷和半导体材料都是由多晶构成。相比之下，单晶尽管性能往往更加优异，但目前由于受成本限制，其应用范围仍十分有限，无法实现大规模生产。传统的单晶制备技术包括Bridgeman法和Czochralski法在内的定向凝固法，此外，也可以通过诱导晶粒异常长大的方法合成单晶。多晶材料晶粒长大通常以大晶粒“吞噬”小晶粒的方式进行，以降低高能晶界的百分比。如果晶粒以正常方式长大，则粒径分布相对均匀；特定情况下，只有部分晶粒“吞噬”周围晶粒而快速长大，这种情况便是异常晶粒长大。截止目前，单晶材料的应用包括形状记忆合金和耐热合金等若干方面，而形状记忆合金中，铜-铝-锰合金尤其具有突出的冷加工性。此外这种合金的超塑性随着晶粒尺寸增大显著提高。因此，如果能利用传统热处理实现铜-铝-锰合金单晶的大批量制备，那么无疑会大大提高该形状记忆合金的应用前景。

【成果简介】

近日来，日本东北大学的Omori教授(通讯作者)研究团队在Nature Communications上发表题为“Ultra-large single crystals by abnormal grain growth”的文章。该文章指出，可以通过传统热处理工艺，诱导晶粒异常长大，进而实现铜-铝-锰合金单晶的大批量制备。其中，循环热处理提供了作为晶粒异常长大主要驱动力的亚晶界能；而进一步的循环低温热处理提高了亚晶界能，从而提高晶界迁移速率。通过这样的热处理，能够实现70厘米长单晶棒的制备。这一研究成果使其它具有相似结构的金属或陶瓷材料的单晶化成为可能。此外，由于目前单晶材料的主要应用之一是形状记忆合金，这种大批量制备单晶的方法也将大大扩展现有形状记忆合金的应用范围。

【图文导读】

图一：铜-铝-锰单晶棒及热处理工艺

a.循环热处理工艺（高温循环结合低温循环）

b.循环热处理工艺制备的铜-铝-锰单晶棒

c.仅高温循环热处理工艺

d.仅高温循环热处理工艺制备的铜-铝-锰单晶棒

图二：通过反常晶粒长大制得的铜-铝-锰合金的微观形貌

a.铜-铝-锰合金自900℃到500℃循环结束，淬火后的光学显微镜照片

b.反极图投影

c.各晶粒的参考取向偏差

图三：晶粒异常长大现象

a.高温循环热处理（900/500℃）过程中，亚晶粒结构形成，部分相在500℃形成沉淀。循环热处理后，部分晶粒在亚晶界能的驱动下异常长大

b.多次低温循环热处理（740/500℃）后，由于亚晶粒之间取向差增大，因此亚晶界能升高，晶界迁移速率增大，为超大晶粒的实现提供可能

图四：晶界迁移距离和亚晶粒结构

a.合金在800-500-800℃中温循环后，在800℃分别保温一定时间（0min, 5min,10min）并淬火形成的显微组织

b.合金在740-500-740℃中温循环五次，在800℃分别保温一定时间（0min, 2min,10min）并淬火形成的显微组织

c.异常晶粒的晶界迁移距离

d.晶粒参考取向偏差

e.与一次和五次低温循环后的取向偏差

图五:单晶棒的超塑性测试

直径15.4mm, 长682mm铜-铝-锰单晶棒的超塑性测试

【小结】

本文通过合理设计合金的热处理工艺，实现了铜-铝-锰合金的超大单晶制备。首先通过五次900-500℃高温循环，在合金中形成类竹节结构，之后通过四次740-500℃低温循环，获得晶界迁移驱动力，实现类竹节的异常长大。这一工艺制得的长700mm，直径为15mm的单晶棒具有良好的超塑性。此外，该实验思路为实现单晶的大批量生产提供了可能，拓宽了形状记忆合金的应用前景。除铜-铝-锰合金外，同样具有晶粒异常长大现象的铜-锌，铁-铬-钴-钼和铁-锰-铝-镍合金也有望通过此工艺实现单晶的大批量生产。

文献链接：Ultra-large single crystals by abnormal grain growth （Nat. Commun. 2017,8,354, doi: 10.1038/s41467-017-00383-0）

本文由材料人编辑部黄子芸编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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