一种立方金属材料单晶体的制备方法

本发明涉及材料领域，尤其是具有面心立方和体心立方结构的金属材料的一种单晶体的制备方法。

背景技术：

1、单晶，其晶体内部的微观粒子（原子、离子、分子等）在三维空间呈规则的周期性排列，晶体整体在三维方向上由同一空间格子——晶格构成，排列方式为长程有序。晶格在三维空间呈现严格的平移对称和n重旋转对称（n=2，3，4，6）。这里，n重旋转对称是指晶格转动角时，与未转动时的晶格完全重合。

2、在单晶体中引入孪晶界可以增强其力学或功能特性[chen g, peng y, zheng g.et al . polysynthetic twinned tial single crystals for high-temperatureapplications.  nature materials, 2016,15(8): 876-881; ladislav s, natalyia l,kari u, et al. twin microstructure dependent mechanical response in ni–mn–gasingle crystals.  applied physics letters, 2010, 96(13): 131903]。孪晶界两边的晶格结构呈镜面对称，孪晶界两边的原子之间也像其他没有界面的区域的原子一样完美结合。与含随机大角度晶界的多晶体相比，孪晶界对晶体对称性的改变很小，有时孪晶的对称要素甚至与晶体的对称要素重合，衍射图也分辨不出差别[simonov v, tamazyan r,malinovsky y. structural investigation of twinned crystals.  butll. soc. cat.  herp. 1991; ma y y, jiang z y, kuang q, et al. twin-crystal nature of thesingle-crystal-like branched cu2o particles.  the journal of physical  chemistry c, 2008, 112(35): 13405-13409]。因此仅含有孪晶界的晶体也称为单晶体。

3、虽然很多材料的单晶比多晶具有更优异的性能，但由于制备技术和成本的原因，单晶的应用仍然很受局限[kusama t, omori t, saito t, et al. ultra-large singlecrystals by abnormal grain growth.  nature communications, 2017, 8(1): 354.]。单晶通常在凝固过程中通过晶体生长方法制造，如bridgman法和czochralski法。但对于有些金属材料，晶体生长的凝固过程残留的枝晶偏析等缺陷无法通过后续的加工过程中消除[pistor j, körner c. a novel mechanism to generate metallic single crystals. scientific reports, 2021, 11(1): 24482]；还有，金属材料中有些合金相不能在固-液相变中形成、而其对应成分的合金凝固形成的单晶前驱体相在后续的温度变化过程中经过相变又变成了多晶[lashley j c, stout m g, pereyra r a, et al. the criticalrecrystallization strain of δ-plutonium.  scripta materialia, 2001, 44(12):2815-2820]。通过金属材料固体中晶界的长程迁移制备大晶粒和单晶的技术可以克服这类技术缺陷。有两个重要的参数控制晶界迁移：晶界迁移驱动力和晶界迁移率。这两个参数的变化可以在金属材料中引发异常晶粒长大，生长出单晶或大晶粒的组织。

4、（1）控制晶界迁移驱动力制备单晶的方法

5、对多晶金属材料施加一个稍大于该材料再结晶临界变形量的塑性变形，使其在后续退火过程中只形成一个或少数几个再结晶晶核。变形基体中的晶界两侧的畸变能(塑性变形储存能)相当，不能提供足够高的驱动力来驱动基体中这些晶界的迁移。而新形成的一个或少数几个再结晶晶核(畸变能已释放)与含畸变能的基体之间的畸变能的差异，能够作为驱动力驱动该晶核与基体之间晶界的长程迁移。再结晶晶核吞并变形基体，制备出单晶/大晶粒金属材料。这种方法称为临界变形-退火再结晶法。该过程中再结晶退火升温速度要控制的很慢（每天20-50 k），以诱导形成最初的一个或少数再结晶晶核在整个样品中生长，同时避免快速加热诱发更多晶核的形成。整个退火过程可能需要数天时间。而且这种方法不能控制所制备出的晶体的取向，需要制备多个样品来增加制备出某个特定取向单晶的概率。[sauveur a. note on the crystalline growth of ferrite below its thermalcritical range.  proceedings of the international association for testing  materials london, 1912, 2(11); schmid e, boas w. plasticity of crystals.1950; lashley j c, stout m g, pereyra r a, et al. the criticalrecrystallization strain of δ-plutonium.  scripta materialia, 2001, 44(12):2815-2820]

6、（2）晶界取向差的不均匀分布引起的异常晶粒长大

7、在再结晶后的多晶体中，储存能对晶界迁移驱动力的贡献非常有限。这时晶界迁移的驱动力与晶界能成正比。不同取向差的晶界具有不同的晶界能，这不仅导致其晶粒长大(晶界迁移)的驱动力不同，更重要的是其晶界迁移率会随晶界取向差的变化产生几个数量级的差别。通常，取相差为25~40°的晶界能量较高，晶界迁移率高，称之为高可动晶界[rajmohan n, szpunar j a, hayakawa y. a role of fractions of mobile grainboundaries in secondary recrystallization of fe–si steels.  acta materialia,1999, 47(10): 2999-3008; bulatov v v, reed b w, kumar m. grain boundaryenergy function for fcc metals.  acta materialia, 2014, 65: 161-175]。实践中发现，金属材料经塑性变形后会引入变形织构，同一织构组份的晶粒由于晶体学取向相近，其间的晶界取向差小。小角度取向差晶界的低迁移率和低驱动力对相应的晶粒长大起到了显著抑制作用，这也反映在了强织构组织通常具有较高热稳定性。与织构组份取向差较大的晶粒通常有大角度晶界，退火时可以在其高的迁移率和晶界能的驱动下发生异常长大，吞并小角度晶界晶粒，生长出大晶粒的组织。已有大量文献报道了这种强织构组织中异常晶粒长大的现象，其异常长大晶粒与强织构晶粒的取向差角为35~55°[hayakawa y.mechanism of secondary recrystallization of goss grains in grain-orientedelectrical steel.  science and technology of advanced materials, 2017, 18(1):480-497; zhu y z, li x h, li j c, et al. abnormal grain growth on the surfaceof cold-rolled aa1235 aluminum plate during the annealing process.  materials  science forum, 2017, 898: 1123-1133; barrios a, zhang y, maeder x, et al.abnormal grain growth in ultrafine grained ni under high-cycle loading. scripta materialia, 2022, 209: 114372; khorrami m s, saito n, miyashita y.texture and strain-induced abnormal grain growth in cryogenic friction stirprocessing of severely deformed aluminum alloy.  materials characterization,2019, 151: 378-389; zhu y z, peng h, huang h, et al. abnormal grain growthmechanism in the twin-roller cast al-fe-si alloy in the annealing process. advances in materials science and engineering, 2020, 2020: 1056274.]。最具代表性的例子是取向硅钢制备过程中goss晶粒的异常长大：轧制后形成的<110>//轧制方向的强织构细晶组织，在后续退火过程中发生goss{110}<001>取向晶粒异常长大。这种通过单组份强织构诱发的异常晶粒长大的方法有两个技术缺陷：1）异常长大晶粒的取向通常是一个范围，无法实现一种确定取向晶粒的异常长大，如取向硅钢的生产中不同批次制备的goss取向硅钢总是存在取向差异；2）通常变形织构中总是会有多于一种的织构组份。与一种织构组份形成大角度取向差而在退火中生产异常长大的晶粒，会在长大过程遇到与其取向差没有那么大的另一种组份的织构，使其长大受阻。所以这种异常长大过程常常用于解释多晶体中的混晶组织(大晶粒与小晶粒混合的组织)，而未见用于制备单晶的报道。

8、立方金属剪切变形过程中的织构演变规律受堆垛层错能影响明显，层错能较低的立方金属变形过程中孪生变形占主导地位，随着剪切应变量增大，更容易形成或者强织构。实验研究结果证明了在低于64.2 mj/m2的立方金属中施加大应变量剪切变形能够获得或者强织构组组份，并观察到、 (面心立方材料)，及、(体心立方材料)[hughes d a, lebensohn r a, wenk h r, et al. stacking faultenergy and microstructure effects on torsion texture evolution.  proceedings  of the royal society of london series a: mathematical, physical and  engineering sciences, 2000, 456(1996): 921-953; azzeddine h, baudin t,helbert a l, et al. a stored energy analysis of grains with shear textureorientations in cu-ni-si and fe-ni alloys processed by high-pressure torsion. journal of alloys and compounds, 2021, 864: 158142; skrotzki w, pukenas a,joni b, et al. microstructure and texture evolution during severe plasticdeformation of crmnfeconi high-entropy alloy.  iop conference series:  materials science and engineering, 2017, 194(1): 012028]。

9、目前没有具体的方法或理论可以准确的控制异常长大晶粒的取向。

技术实现思路

1、本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种立方金属材料单晶体制备方法。该制备方法是先用剧烈剪切变形的塑性加工方法对立方金属进行等效真应变超过100的超高应变量简单剪切变形，进而得到强剪切织构的多晶组织，在这种强剪切织构多晶组织基础上进行退火使特定取向的晶粒发生异常长大，最终得到立方金属材料单晶体。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种立方金属材料单晶体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、1）剧烈剪切变形加工：对所述多晶立方金属材料在温度0.2-0.8 tm进行等效应变量大于100的剧烈剪切变形加工，tm为材料熔点的绝对温度，在材料中引入一强一弱两种织构组份。

5、其中，多晶立方金属材料是面心立方或体心立方晶体结构的金属或单相合金，堆垛层错能≤64.2 mjm-2；

6、一强一弱两种织构组份具体为具有两种组份剪切织构的多晶面心立方金属材料或具有两种组份剪切织构的多晶体心立方金属材料，所制备的多晶组织以和或和为主，同时存在少量和或和取向的晶粒；

7、四种剪切织构均为滑移面平行于剪切面，滑移方向平行于剪切方向。

8、原理：

9、立方金属在剪切变形过程中的织构演变规律受堆垛层错能作用明显，层错能较低的立方金属随着剪切应变量增大，面心立方材料容易形成和强剪切织构，同时组织中含有少量和剪切织构组份的晶粒；体心立方材料容易形成和强剪切织构，同时组织中含有少量织构组份的晶粒。

10、2）对多晶体进行最终退火处理：将步骤1）中获得的多晶材料在温度0.2-0.8 tm下进行0.1~48小时的退火处理得到所述单晶体。

11、对步骤（2）所得多晶立方金属材料进行最终退火处理，在0.2~0.8 tm环境下保温0.1~48 小时后冷却，使面心立方金属材料中和晶粒或体心立方金属材料中和晶粒发生异常长大，吞并所有其他织构组份的晶粒，形成单晶。

12、所述的单晶体内部包含孪晶界，其微观组织具有确定的取向。

13、进一步的，所述步骤1）剧烈剪切变形加工之前还包括对立方金属原材料进行加热至0.2~0.8 tm，保温0.1~48小时，对原材料进行退火预处理步骤。

14、进一步的，所述步骤1）中强织构组份是指用取向分布较随机分布的倍数mud表示要达到≥5，mud是织构强度单位，等于织构取向晶粒与取向均匀分布晶粒之比；两种织构取向±15°范围内的晶粒体积占比要达到≥30%。

15、进一步的，所述步骤1）中强织构组份、、，织构强度达到≥5 mud，或者在该材料的二维组织图中，该强织构组份理想取向±15°范围内的晶粒体积占比≥30%。

16、进一步的，所述步骤1）中弱的织构组份为、，织构强度< 5 mud，在背散射电子衍射组织分布图中，能观察到该取向±15°范围内的晶粒存在。

17、进一步的，所述步骤2）中退火处理后得到单晶体是含有且仅含有、(面心立方材料)或、(体心立方材料)两种取向组份互为孪晶的单晶体。

18、进一步的，剧烈剪切变形加工在材料中引入一强一弱两种织构组份后，材料中的晶界取向差呈双峰分布。

19、有益效果

20、本发明通过对金属材料进行剧烈剪切变形进而产生了由强织构组成的多晶组织，并在此基础上控制退火制度实现了具有特定取向的晶粒群体发生异常长大。特定取向的晶粒在异常长大过程中遇到强织构取向的晶粒均形成的是接近30°取向差的高可动晶界，因此该异常长大过程不会受低可动界面钉扎效应影响而终止，直至吞并所有其他织构组份的晶粒，生长出单晶。