強磁場下純銅板再結晶晶體取向的形成過程和演變機理

研究強磁場作用下抗磁性材料再結晶晶體取向形成過程和演變機理，可以豐富強磁場材料學理論，并且為利用強磁場熱處理調控材料織構從而改善其性能奠定理論基礎。本項目全面系統(tǒng)地研究了強磁場作用下純銅板再結晶微觀組織和晶體取向的形成和演變規(guī)律，研究了磁場強度和方向對純銅板再結晶過程中晶體取向演化和晶界遷移行為的作用效果，并對相應的影響機制進行了詳細的闡述。研究結果表明，與非磁場退火樣品相比較，在再結晶初期，磁場阻礙了冷軋純銅板的回復和再結晶進程，隨著磁場強度的增加，這種阻礙作用增強。這是由于施加磁場作用所附加在系統(tǒng)上的磁自由能阻礙了冷軋純銅板再結晶初期形變儲能的釋放。并且這種阻礙作用與磁場強度成正比關系。當磁場施加方向與冷軋純銅板的軋制方向在軋面內夾角為60°時，純銅板內再結晶立方織構組分強度最大。這是由于磁場施加方向不同所引起的磁驅動力不同而導致的晶界選擇性遷移所致。

本項目擬采用實驗研究與理論分析相結合的方法，借助于電子背散射（EBSD）測試分析手段，全面系統(tǒng)地觀察和測試強磁場作用下純銅板再結晶晶核的形成和長大過程，探討和分析強磁場下純銅板再結晶晶體取向的形成和演變規(guī)律，研究磁場強度和方向對純銅板再結晶過程中晶體取向演化和晶界遷移行為的作用效果，從微觀層次對強磁場作用下純銅板的再結晶行為進行理論解析，闡明強磁場作用下純銅板再結晶晶體取向的形成過程和演變機理，結合強磁場對抗磁性材料晶體取向的作用特點，揭示其物理本質，并構建相應的物理模型。.該研究取得的成果將從一個全新的角度解析強磁場作用下抗磁性材料再結晶晶體取向形成過程和演變機理，為強磁場下金屬材料的再結晶織構研究增添新的內涵，豐富強磁場材料學理論，并且為利用強磁場熱處理這一極端條件，調控材料織構從而改善其性能奠定理論基礎，另外還能為強磁場環(huán)境中純銅板的制備與服役提供有價值的參考。

晶體 是在物相轉變的情況下形成的.物相有三種,即氣相、液相和固相.只有晶體才是真正的固體.由氣相、液相轉變成固相時形成晶體,固相之間也可以直接產生轉變.

晶體生成的一般過程是先生成晶核,而后再逐漸長大.一般認為晶體從液相或氣相中的生長有三個階段：①介質達到過飽和、過冷卻階段；②成核階段；②生長階段.

在某種介質體系中,過飽和、過冷卻狀態(tài)的出現(xiàn),并不意味著整個體系的同時結晶.體系內各處首先出現(xiàn)瞬時的微細結晶粒子.這時由于溫度或濃度的局部變化,外部撞擊,或一些雜質粒子的影響,都會導致體系中出現(xiàn)局部過飽和度、過冷卻度較高的區(qū)域,使結晶粒子的大小達到臨界值以上.這種形成結晶微粒子的作用稱之為成核作用.

介質體系內的質點同時進入不穩(wěn)定狀態(tài)形成新相,稱為均勻成核作用.

在體系內的某些局部小區(qū)首先形成新相的核,稱為不均勻成核作用.

均勻成核是指在一個體系內,各處的成核幾宰相等,這要克服相當大的表面能位壘,即需要相當大的過冷卻度才能成核.

非均勻成核過程是由于體系中已經存在某種不均勻性,例如懸浮的雜質微粒,容器壁上凹凸不平等,它們都有效地降低了表面能成核時的位壘,優(yōu)先在這些具有不均勻性的地點形成晶核.因之在過冷卻度很小時亦能局部地成核.

在單位時間內,單位體積中所形成的核的數(shù)目稱成核速度.它決定于物質的過飽和度或過冷卻度.過飽和度和過冷卻度越高,成核速度越大.成核速度還與介質的粘度有關粘度大會阻礙物質的擴散,降低成核速度. 晶核形成后,將進一步成長.下面介紹關于晶體生長的兩種主要的理論.

隨著單晶高溫合金的發(fā)展，更多的難熔元素如Re，Ru 等添加進了單晶高溫合金，進一步提高了其高溫力學性能，但同時也帶來一系列問題，如雜晶形成，晶體取向的控制更加困難等等。同時單晶葉片復雜的幾何形狀，造成模殼的幾何形狀也需不斷變化，致使定向凝固時輻射擋板與模殼的間隙不斷變化，導致凝固時固液界面的波動，因此不太可能在鑄件任何部位都保持完整的 001 > 晶體學取向。因此，單晶葉片取向偏離在某種程度上是難以防止的。這就需要獲得晶體取向偏離軸向不同角度時其對高溫力學的影響規(guī)律，以制定合格鑄件對于取向偏離的容忍度。由于晶體的取向和凝固組織密切相關，獲得晶體取向與凝固組織和析出相的關系，有助于進一步從原理上澄清晶體取向和力學性能的關系。

對高溫合金晶體取向的研究及控制已經取得很多成果，總結起來，主要有以下幾點:

( 1) 鎳基單晶高溫合金晶體取向具有顯著的各向異性。不同取向單晶的高溫拉伸性能、抗蠕變、低周疲勞等性能均有明顯不同， 001 > 取向單晶具有較高的綜合力學性能。

( 2) 晶體取向與鎳基單晶高溫合金凝固組織密切相關。不同取向的枝晶生長規(guī)律不同，造成各異的枝晶組織形態(tài)和枝晶間距，溶質元素在不同取向的偏析程度不同。

( 3) 螺旋選晶器引晶段的主要作用是優(yōu)化晶粒取向，以便獲得取向良好的 001 > 取向的晶粒。螺旋段的主要作用是確保一個晶粒進入鑄件，其幾何參數(shù)對最終單晶取向沒有明顯影響。螺旋選晶器引晶段頂端最后保留的晶粒取向將直接決定最終單晶鑄件的晶體取向。

(4) 籽晶法制備單晶過程中，在枝晶界面條件下晶體的取向和生長狀態(tài)，主要由籽晶的取向決定。在胞晶界面狀態(tài)下，胞晶的生長方向仍由熱流方向決定。籽晶法能獲得取向度較高的單晶。

(5) 較高的溫度梯度和合適的拉晶速率，保持平整的凝固界面，有助于獲得取向偏離較小的單晶。

對晶體取向的研究，應注意以下幾個方面:

(1) 進一步研究晶體取向與凝固組織的關系，弄清楚晶體界面演化過程中晶體取向的轉變特點。

(2) 研究工藝參數(shù)對單晶高溫合金晶體生長取向的影響。進一步探索螺旋選晶器結構參數(shù)優(yōu)化對晶體取向控制的作用規(guī)律。

在較大范圍內改變凝固界面前沿的溫度梯度，系統(tǒng)研究溫度梯度對晶體取向控制的作用。探索變截面造成的溫度場和溶質場變化等因素對晶體取向的作用，建立相關模型，采用計算機模擬與實驗對比實現(xiàn)精確控制取向的目的。

(3) 研究晶體取向在晶粒生長中的作用。單晶制備中不可避免產生小角度晶界、雜晶等，研究晶體取向在螺旋選晶和晶粒淘汰中的作用機制，對控制凝固缺陷形成具有重要意義 。

隨著飛機、艦船等對發(fā)動機推力和效率需求的不斷提高，發(fā)動機渦輪進口溫度急劇上升，推重比10 以上航空發(fā)動機渦輪前進口溫度已達1600 ～ 1650 ℃。為滿足不斷增長的渦輪進口溫度，各種高溫材料如鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷、C /C 復合材料等不斷獲得發(fā)展和應用。鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的拉伸、持久、抗氧化和抗腐蝕性能，近年來新型高代次的鎳基單晶高溫合金通過添加Re 大大提高了合金的蠕變強度，同時添加Ru 等難熔元素，進一步提高了合金的高溫性能和組織穩(wěn)定性。結合氣冷結構和涂層技術，在1100 ℃左右溫度和高應力下鎳基單晶高溫合金仍可長時間服役。因此鎳基高溫合金在渦輪發(fā)動機中仍將有廣闊的應用前景。

鎳基單晶高溫合金是具有面心立方結構的固溶體，具有 001 > 方向的擇優(yōu)取向，其主要特點是去除了易產生裂紋源的晶界，因此其高溫力學性能明顯提高。由于定向凝固和單晶葉片外形復雜，內部為復雜空心氣冷結構，制造過程中頻繁出現(xiàn)偏晶、雜晶、雀斑、小角晶界等缺陷，晶界的出現(xiàn)割裂了晶體的完整性，顯著降低了單晶合金的力學性能，導致葉片合格率降低。隨著單晶高溫合金的發(fā)展，不斷加入更多的難熔元素，第三代、第四代單晶高溫合金中難熔元素的總含量達到20% 以上。由于難熔元素具有低擴散系數(shù)，加劇了雜晶、雀斑等凝固缺陷的形成，同時使單晶葉片晶體取向的控制更加困難。而葉片結構的進一步復雜化及尺寸大型化等因素，使晶體取向的偏離已成為單晶葉片的一個重要缺陷 。