强磁场下纯铜板再结晶晶体取向的形成过程和演变机理

研究强磁场作用下抗磁性材料再结晶晶体取向形成过程和演变机理，可以丰富强磁场材料学理论，并且为利用强磁场热处理调控材料织构从而改善其性能奠定理论基础。本项目全面系统地研究了强磁场作用下纯铜板再结晶微观组织和晶体取向的形成和演变规律，研究了磁场强度和方向对纯铜板再结晶过程中晶体取向演化和晶界迁移行为的作用效果，并对相应的影响机制进行了详细的阐述。研究结果表明，与非磁场退火样品相比较，在再结晶初期，磁场阻碍了冷轧纯铜板的回复和再结晶进程，随着磁场强度的增加，这种阻碍作用增强。这是由于施加磁场作用所附加在系统上的磁自由能阻碍了冷轧纯铜板再结晶初期形变储能的释放。并且这种阻碍作用与磁场强度成正比关系。当磁场施加方向与冷轧纯铜板的轧制方向在轧面内夹角为60°时，纯铜板内再结晶立方织构组分强度最大。这是由于磁场施加方向不同所引起的磁驱动力不同而导致的晶界选择性迁移所致。

本项目拟采用实验研究与理论分析相结合的方法，借助于电子背散射（EBSD）测试分析手段，全面系统地观察和测试强磁场作用下纯铜板再结晶晶核的形成和长大过程，探讨和分析强磁场下纯铜板再结晶晶体取向的形成和演变规律，研究磁场强度和方向对纯铜板再结晶过程中晶体取向演化和晶界迁移行为的作用效果，从微观层次对强磁场作用下纯铜板的再结晶行为进行理论解析，阐明强磁场作用下纯铜板再结晶晶体取向的形成过程和演变机理，结合强磁场对抗磁性材料晶体取向的作用特点，揭示其物理本质，并构建相应的物理模型。.该研究取得的成果将从一个全新的角度解析强磁场作用下抗磁性材料再结晶晶体取向形成过程和演变机理，为强磁场下金属材料的再结晶织构研究增添新的内涵，丰富强磁场材料学理论，并且为利用强磁场热处理这一极端条件，调控材料织构从而改善其性能奠定理论基础，另外还能为强磁场环境中纯铜板的制备与服役提供有价值的参考。

晶体 是在物相转变的情况下形成的.物相有三种,即气相、液相和固相.只有晶体才是真正的固体.由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变.

晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大.一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；②生长阶段.

在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶.体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子.这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上.这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用.

介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用.

在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用.

均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几宰相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核.

非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核.因之在过冷却度很小时亦能局部地成核.

在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度.它决定于物质的过饱和度或过冷却度.过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大.成核速度还与介质的粘度有关粘度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度. 晶核形成后,将进一步成长.下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论.

随着单晶高温合金的发展，更多的难熔元素如Re，Ru 等添加进了单晶高温合金，进一步提高了其高温力学性能，但同时也带来一系列问题，如杂晶形成，晶体取向的控制更加困难等等。同时单晶叶片复杂的几何形状，造成模壳的几何形状也需不断变化，致使定向凝固时辐射挡板与模壳的间隙不断变化，导致凝固时固液界面的波动，因此不太可能在铸件任何部位都保持完整的 001 > 晶体学取向。因此，单晶叶片取向偏离在某种程度上是难以防止的。这就需要获得晶体取向偏离轴向不同角度时其对高温力学的影响规律，以制定合格铸件对于取向偏离的容忍度。由于晶体的取向和凝固组织密切相关，获得晶体取向与凝固组织和析出相的关系，有助于进一步从原理上澄清晶体取向和力学性能的关系。

对高温合金晶体取向的研究及控制已经取得很多成果，总结起来，主要有以下几点:

( 1) 镍基单晶高温合金晶体取向具有显著的各向异性。不同取向单晶的高温拉伸性能、抗蠕变、低周疲劳等性能均有明显不同， 001 > 取向单晶具有较高的综合力学性能。

( 2) 晶体取向与镍基单晶高温合金凝固组织密切相关。不同取向的枝晶生长规律不同，造成各异的枝晶组织形态和枝晶间距，溶质元素在不同取向的偏析程度不同。

( 3) 螺旋选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向，以便获得取向良好的 001 > 取向的晶粒。螺旋段的主要作用是确保一个晶粒进入铸件，其几何参数对最终单晶取向没有明显影响。螺旋选晶器引晶段顶端最后保留的晶粒取向将直接决定最终单晶铸件的晶体取向。

(4) 籽晶法制备单晶过程中，在枝晶界面条件下晶体的取向和生长状态，主要由籽晶的取向决定。在胞晶界面状态下，胞晶的生长方向仍由热流方向决定。籽晶法能获得取向度较高的单晶。

(5) 较高的温度梯度和合适的拉晶速率，保持平整的凝固界面，有助于获得取向偏离较小的单晶。

对晶体取向的研究，应注意以下几个方面:

(1) 进一步研究晶体取向与凝固组织的关系，弄清楚晶体界面演化过程中晶体取向的转变特点。

(2) 研究工艺参数对单晶高温合金晶体生长取向的影响。进一步探索螺旋选晶器结构参数优化对晶体取向控制的作用规律。

在较大范围内改变凝固界面前沿的温度梯度，系统研究温度梯度对晶体取向控制的作用。探索变截面造成的温度场和溶质场变化等因素对晶体取向的作用，建立相关模型，采用计算机模拟与实验对比实现精确控制取向的目的。

(3) 研究晶体取向在晶粒生长中的作用。单晶制备中不可避免产生小角度晶界、杂晶等，研究晶体取向在螺旋选晶和晶粒淘汰中的作用机制，对控制凝固缺陷形成具有重要意义 。

随着飞机、舰船等对发动机推力和效率需求的不断提高，发动机涡轮进口温度急剧上升，推重比10 以上航空发动机涡轮前进口温度已达1600 ～ 1650 ℃。为满足不断增长的涡轮进口温度，各种高温材料如镍基高温合金、金属间化合物、陶瓷、C /C 复合材料等不断获得发展和应用。镍基单晶高温合金具有优良的拉伸、持久、抗氧化和抗腐蚀性能，近年来新型高代次的镍基单晶高温合金通过添加Re 大大提高了合金的蠕变强度，同时添加Ru 等难熔元素，进一步提高了合金的高温性能和组织稳定性。结合气冷结构和涂层技术，在1100 ℃左右温度和高应力下镍基单晶高温合金仍可长时间服役。因此镍基高温合金在涡轮发动机中仍将有广阔的应用前景。

镍基单晶高温合金是具有面心立方结构的固溶体，具有 001 > 方向的择优取向，其主要特点是去除了易产生裂纹源的晶界，因此其高温力学性能明显提高。由于定向凝固和单晶叶片外形复杂，内部为复杂空心气冷结构，制造过程中频繁出现偏晶、杂晶、雀斑、小角晶界等缺陷，晶界的出现割裂了晶体的完整性，显著降低了单晶合金的力学性能，导致叶片合格率降低。随着单晶高温合金的发展，不断加入更多的难熔元素，第三代、第四代单晶高温合金中难熔元素的总含量达到20% 以上。由于难熔元素具有低扩散系数，加剧了杂晶、雀斑等凝固缺陷的形成，同时使单晶叶片晶体取向的控制更加困难。而叶片结构的进一步复杂化及尺寸大型化等因素，使晶体取向的偏离已成为单晶叶片的一个重要缺陷 。