单晶制备及加工课件.ppt
Preface,单晶(single crystal)晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体，晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。所谓单晶，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。一个零件由一个晶粒组成。单晶体在力学强度上要比同物质的多晶体高出许多倍，单晶还应用于大规模集成电路。对单晶的研究，使人们发现了许多金属新的性质，如铁、钛、铬都是软金属。研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要完整的单晶体。,我们主要介绍当中常用到的Cu、镍基及Si单晶。,1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引入籽晶或自发形核，尽量地减少杂质的含量，避免非均质形核。2、固液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出，即确保单向凝固方式。3、固液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，以避免固液界面不稳定而长出胞状晶或柱状晶。,获得单晶的条件,单晶制备加工与材型专业,单晶硅的制备及加工方法,AGENDA,单晶镍基合金的制备及加工方法,单晶铜的制备及加工方法,常见单晶材料及应用场合,1.常见单晶材料及应用场合,1.1 单晶铜（Single crystal copper）1.2 单晶镍基合金（Single-crystal nickel-based alloys）1.3 单晶硅（Monocrystalline）,1.1单晶铜（Single crystal copper）,用于音响线材、硬盘、超细线的制作，导电、信号传输性能好。（“晶界”会对通过的信号产生反射和折射，造成信号失真和衰减），因而具有极高的信号传输性能。,COPPER COLOUR紫铜电源插头尾 MOTA家装及工程用音箱线 IST-126紫铜高级入墙式接线柱,1.2单晶镍基合金（Single-crystal nickel-based alloys）,镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。,1.2单晶镍基合金（Single-crystal nickel-based alloys）,1.3单晶硅（Monocrystalline）,硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%（6个9），甚至达到99.9999999%（9个9）以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。,2.单晶铜的制备及加工方法,3.单晶镍基合金的制备及加工方法,3.1 籽晶法（Seed law）首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模壳的最底部,然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度,金属熔液就会从未被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽晶相同的单晶。,在籽晶法生长单晶过程中,籽晶和熔融高温合金液相之间的相互作用即固液相界面演变机制对能否成功生长单晶体有着决定性的作用。因此,研究籽晶法生长单晶凝固界面的变化规律具有十分重要的意义。这类方法的主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，因此在生产高完整性的单晶时要严格控制。,固液相界面演变机制,在单晶起始生长过程中，凝固系统在材料的结晶内禀特性驱动下，经特定的非稳态自组织过程达到稳态生长，材料的凝固界面经历了由平界面胞状界面枝晶界面的转化。胞晶和枝晶将根据凝固参数及初始形态自行调整一次枝晶间距,调整模式主要有竞争淘汰、尖端开裂和高次分枝三种。籽晶的生长过程中,在生长起始端存在着籽晶与合金熔液的融合区，融合区的成分取决于籽晶成分和所生长单晶合金的成分。（研究单晶高温合金的各向异性，对充分发挥单晶合金性能潜力非常重要）,平界面胞状界面枝晶界面的转化,初始形态自行调整一次枝晶间距,直至达到稳态生长时凝固参数所对应的值。,在平界面失稳后,形成了大量的胞晶,随着凝固的进行,这些胞晶相互竞争淘汰;如图2a,当胞晶向枝晶转变时,为了调整枝晶间距,有的胞晶尖端分裂;如图2b,以枝晶凝固时,随着凝固速率的增加,枝晶主要采用高次分枝的方法来调整枝晶间距。,3.2 选晶法(Choice Crystal Method)选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法。Higginbotham把常用的单晶选晶器结构归纳为四种类型：螺旋型、倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型)随着单晶高温合金研究的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其他三种选晶器，成为目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型。选晶法的原理就是利用选晶器的这种狭窄界面,只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体。,其晶体竞争生长机制是:螺旋结构总的攀升走向正好与散热方向相反,致使螺旋体内散热均匀,因此在整个螺旋形生长过程中,位向最适合生长的那个晶粒将其他众多的初生晶粒一一淘汰,不断长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶铸件.至于镍基单晶合金，在镍的Gamma固溶态中，有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态，只要将这种结晶单晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本态，提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的，DD3可能是第一代。,单晶制备加工与材型专业,单晶硅的制备及加工方法,AGENDA,单晶镍基合金的制备及加工方法,单晶铜的制备及加工方法,常见单晶材料及应用场合,5.单晶制备加工与材型专业,2014/4/22,Thank You for your attention!,Do you have any questions?,
