临界应变再结晶法单晶制备中合金元素与晶粒尺寸的影响

Compared with conventional melt crystallization, solid-state process is more suitable to prepare the single crystals with a number of allotropes and with severe solidification segregation. Static recrystallization under critical strain is an effective approach to obtain single crystals by solid-state process. But the understanding of static recrystallization under critical strain (i.e. under conditions of small strain) is still not systematic. And the factors which affect the preparation of the single crystals by static recrystallization under critical strain are yet to explore. In this study, static recrystallization behavior of pure aluminum and aluminum alloy with small strain is investigated, aiming to reveal the nucleation mechanism and nucleation kinetics of recrystallization. In addition, the influence of substitutional atoms and initial grain size on kinetics of recrystallization with small strain will be explored, in order to provide technical support for the preparation of single crystals.

多固态同素异形体且凝固偏析严重材料的单晶体不适于通过传统熔体结晶方式进行制备，而应基于固态过程进行制备。临界应变再结晶是行之有效的固态过程单晶制备技术途径。然而，临界应变再结晶过程（即小变形程度下的再结晶过程）尚缺乏系统研究，影响其应用于单晶制备过程的合金成分及组织结构等因素尚待进一步探索。本研究通过纯铝与铝镓合金在小变形程度下的再结晶行为研究，旨在明确小变形程度下的再结晶形核机制及其动力学过程，并从合金系单晶体制备需求角度出发，探索并建立起置换型合金元素、初始晶粒尺寸对小变形程度再结晶形核动力学与再结晶晶粒长大动力学的影响规律，从而明晰其对临界应变再结晶法单晶制备的影响，以为固态过程单晶制备手段提供技术与理论支撑。

为开展晶体材料基本物理性质的研究，深入材料属性及特性的认识，其单晶体的获得是必要前提。多固态同素异形体且凝固偏析严重材料的单晶体不适于通过传统熔体结晶方式进行制备，而需基于固态过程进行制备。理论上讲，临界应变再结晶是行之有效的固态过程单晶制备技术途径。然而，临界应变再结晶过程（即小变形程度下的再结晶过程）尚缺乏系统研究，影响其应用于单晶制备过程的合金成分及组织结构等因素尚待进一步探索。.本研究中，采用具有不同初始晶粒尺寸的纯铝与Al-1.8at%Ga合金样品，对其进行0~10%范围内的单轴压缩，而后在623 K~823 K温度范围内进行不同时间的等温退火处理，通过常规金相、电解层抛以及EBSD等手段，研究不同小变形程度纯铝在不同退火温度下的再结晶行为，以确定再结晶临界应变量与退火温度间的关系，认识小变形程度下的再结晶形核特征，探索小变形程度下再结晶的形核动力学与形变量、退火温度间的联系；并通过Al-1.8at%Ga合金及细晶纯铝样品在同样小变形条件下的再结晶行为对比，以明晰置换型合金元素镓及初始晶粒尺寸对再结晶临界应变量的影响，探明置换型合金元素镓及初始晶粒尺寸对小变形程度再结晶动力学的影响。.研究结果证实临界应变条件下的再结晶退火处理可制备出粗化晶粒样品，而再结晶临界应变量随退火温度的升高而降低。已有研究结果表明，小变形条件下纯铝的再结晶形核呈现出典型的应变诱发晶界迁移形核现象。镓元素的添加提高了铝的晶界迁移速率，使得Al-1.8at%Ga合金的再结晶临界应变量小于纯铝，并使得在相同退火温度下的临界应变再结晶处理中，Al-1.8at.%Ga合金的晶粒粗大化效果明显弱于纯铝试样。此外，纯铝再结晶临界应变量随初始晶粒尺寸的减小而降低，粗大初始晶粒组织更适于临界应变再结晶法单晶制备。.本研究中，通过纯铝及铝镓合金的研究工作，掌握了临界应变再结晶法单晶（粗晶）制备技术途径，为开展特种材料固态过程单晶制备研究工作提供了技术与理论支撑。