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單晶晶體定向生長的原因是為了什么

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單晶晶體定向生長的原因是為了什么

發布日期:2021-06-08 00:00 來源:http://www.doher.cn 點擊:

  晶體結晶的過程,是從高溫熔融的原液冷凝成固體的過程。這種過程導致固體材料內部的成分分布是不均勻的。例如金屬大多數是多晶狀態,在一個個有規律排列的晶粒的邊界上,在結晶過程中,雜質就會擠入晶粒之間,而且產生雜質富集,這些雜質在低溫時,會使晶體畸彎,有時對金屬整體有一定的強化作用。但在高溫下,晶界部分首先熔化。在外力作用下,這種雜質晶界首先使晶粒間相對運動,晶界上的雜質就成為一種運動的潤滑劑。這樣,人們就很容易想到,要提高金屬的強度,就要消除晶粒間的晶界,生長成單晶體,實現這種設想的技術稱為晶體的定向生長。

  晶體定向,就是在晶體中建立一個三維空間坐標系,然后我們需要選擇坐標軸(又稱為晶軸)、確定各晶軸上的單位長(軸長)及其比率(軸率)。

  單晶定向合金比普通多晶合金的工作溫度可提高80℃~100℃。在同樣高的工作溫度下,單晶合金做成的構件的工作壽命比普通多晶合金的構件要長7倍以上。

  晶軸:即坐標軸x軸、y軸和z軸,交于晶體中心三條直線,對于三方和六方晶系需要增加一個u軸(晶軸的展布和正負方向與幾何學中的規定相同);晶軸一般與對稱軸或對稱面的法線重合,或與某個晶棱方向平行。晶軸的選擇要遵循一定的結晶學規律,各晶系的選軸原則如下表。

  控制晶體定向生長,是一種很復雜的很難掌握的技術。70年代,工程技術人員想通過鑄型的水冷底板來控制高溫金屬融熔體的冷卻速度,期望能制成一種特殊的飛機葉片。這種葉片上的晶粒要沿著主要受力的方向排列(工程上稱為沿主應力方向排列),這種飛機葉片,在容易破裂的方向上消除了晶界,形成了條狀的晶柱,人們稱為柱晶合金。和原來的合金相比,柱晶合金的高溫強度及熱疲勞強度都有顯著提高。這種加工方法后來發展成生產單晶合金工藝。在柱晶生長晶路上增設一條彎的通道,只讓一條晶柱通過,并經過嚴密控制冷卻條件,就可制備一個具有完整晶粒的構件。在這種構件上,橫向、縱向均無任何界面,或者說接近于沒有缺陷。


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