D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.013 第27卷第1期 北京科技大学学报 Vol.27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 A-1%Si单晶制备工艺及微观组织分析 陈亚军陈琦王自东 胡汉起 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要在自制的真空熔炼、氩气保护下拉式连续定向凝固设备上成功制取了具有单晶组织 的8mmA-I%Si合金棒材，并对其组织演变过程及稳定性进行了研究.分析了定向凝固 过程中，硅颗粒在单晶组织中的分布形态，提出了使硅固溶或弥散均匀分布于铝基体中的 措施。 关键词单晶：键合线：真空熔炼：氩气保护：连续定向凝固 分类号TG249.7 在制备优质的铝基键合线过程中，获得性能 1 实验原理及设备 优良的合金棒材坯料是关键所在，它将直接影响 到拉拔得到的超细丝材的性能，单晶技术由于消 1,1单晶连铸技术原理 除了横向晶界，从而大大提高了材料单向的导电 单晶连俦技术彻采用一个加热铸型和一个与 性和塑性：加上一定的合金元素的固溶或弥散强 之分离的冷却器代替传统连铸中的水冷结晶器， 化，保证了一定的强度.传统的单晶制备技术，如 如图1所示. Czochralski Process法、Bridgeman Process法和Zone 在冷却器与加热铸型间造成轴向温度梯度， Melting法"，生产的单晶铸件长度均受到限制，不 从而形成定向凝固条件，该技术的关键在于保持 能生产近成型的、任意断面形状和无限长度的单 铸型内壁温度高于金属的熔点，避免型壁形核，保 晶线、棒和板等型材，很难满足电子和通讯业发 证晶体单向生长，同时，由于型壁温度高于金属 展的需要，20世纪80年代初，大野笃美四将传统 熔体的温度，使型内表层金属液体过热，铸锭中心 的连续铸造中的冷铸型改为加热铸型，避免在型 先于表层凝固，固液界面向液体中凸出.这样的 壁上成核，形成单向凝固的条件，从而获得单向凝 凝固条件使凝固过程与传统连铸完全不同，主要 固的柱状晶铸锭，故发明一种新的铸造技术Ohno 有以下三个特点： Continuous Casting(简称OCC技术).单晶连铸技 (1)铸锭与铸型间始终存在一层液体膜，铸锭 术是在此基础上形成并发展起来. 表层在离开铸型出口附近凝固，铸锭表面光滑. 单晶连铸产品具有优良的表面质量，其表面 (2)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出 粗造度Ra可达0.2~2.9m,属于一种近成品形状 的气体和夹杂不被卷入铸锭，而且不存在补缩的 的(Near-net-shape)生产技术；产品具有优异的塑 困难.所得到的铸锭组织致密，无气孔、缩孔、缩 性加工性能，据报导网，20mm的A-1%Si单晶棒 (a)- 一冷却水(b) r””_ 加热铸型 材无需任何中间退火即可拔成25μm的细线；产 二熔液 铸型 品显微组织中没有晶界，内部气体和夹杂含量少， 炉丝 导电性能高，本文阐述了在自制的真空熔炼、氩 冷却水喷嘴 固液界面 气保护下拉式连续定向凝固设备上制取8mm 的A-I%Si单晶棒材的稳定工艺. 铸 单向凝 0-ō气孔 0 固铸锭 收稿日期：2003-10-23修回日期：2003-12-28 图1连续铸造原理.()传统连铸；b)单晶连铸 基金项目：国家“863”计划项目(N0.2002AA336070) Fig.1 Traditional continuous costing(a)and single crystal 作者简介：陈亚军(1978一)，男，硕士研究生 continuous casting (b)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 触均月钾 七 川 期加 。 卜 单晶制备工艺及微观组织分析 陈亚 军 陈 琦 王 自东 胡 汉起 北 京科技大 学材料科学与工 程学 院 ， 北京 摘 要 在 自制 的真 空熔 炼 、 氢气 保护 下 拉式连 续定 向凝 固设 备 上 成 功 制 取 了具有 单 晶组织 的中 卜 合金 棒材 ， 并 对其组 织演 变过程及 稳 定性 进行 了研究 分析 了定 向凝 固 过程 中 ， 硅颗粒在 单 晶组 织 中 的分布 形态 ， 提 出 了使硅 固溶或 弥散均 匀 分布 于铝基 体 中 的 措 施 关键词 单 晶 键合线 真 空熔 炼 氢气保 护 连 续定 向凝 固 分 类号 在 制 备优质 的铝 基键 合 线过 程 中 ， 获得 性 能 优 良的合 金 棒材坯 料 是 关键所 在 ， 它将直接影 响 到拉拔 得 到 的超 细 丝 材 的性 能 单 晶技 术 由于 消 除 了横 向晶界 ， 从 而 大 大提 高 了材 料单 向的导 电 性和 塑性 加 上 一 定 的合 金元 素 的 固溶 或 弥散 强 化 ， 保证 了一 定 的强度 传 统 的单 晶制备技术 ， 如 】 法 、 法 和 法 ‘ ， 生产 的单 晶铸 件长度 均 受 到 限制 ，不 能生产 近 成 型 的 、 任 意 断 面形状 和 无 限长 度 的单 晶线 、 棒 和 板 等 型 材 ， 很 难 满足 电子 和 通 讯 业 发 展 的 需要 世 纪 年 代初 ， 大 野 笃 美 阴 将 传 统 的连 续铸 造 中 的冷铸 型 改 为加 热 铸 型 ，避 免 在 型 壁 上 成 核 ，形成 单 向凝 固 的条件 ，从而 获得单 向凝 固 的柱 状 晶铸 锭 ， 故 发 明一种 新 的铸 造技 术 简称 技 术 单 晶连 铸 技 术 是 在 此基 础 上 形 成 并 发 展起 来 单 晶连 铸 产 品具 有 优 良的表 面 质 量 ， 其 表 面 粗造 度 可达 一 脚 ，属 于 一种近 成 品形 状 的 困 一 生 产 技 术 产 品具 有 优 异 的塑 性 加 工 性 能 ， 据 报 导 “ ， 中 的 月 单 晶棒 材 无 需 任 何 中 间退 火 即可 拔 成中 林 的细 线 产 品显微 组 织 中没有 晶界 ， 内部气体和 夹杂含量 少 ， 导 电性 能高 ‘习 本 文 阐述 了在 自制 的真 空熔炼 、 氢 气 保 护 下 拉 式连 续 定 向凝 固 设 备 上 制 取 邮 的 卜 单 晶棒 材 的稳 定工 艺 实验 原 理 及 设 备 单 晶 连铸 技 术 原 理 单 晶连铸 技 术 采用 一 个加 热 铸 型 和 一 个 与 之 分 离 的冷 却 器 代 替传 统 连铸 中 的水 冷 结 晶器 ， 如 图 所 示 在 冷 却 器 与 加热铸 型 间造 成轴 向温度 梯度 ， 从 而形成 定 向凝 固条件 该技 术的关键在 于 保 持 铸 型 内壁温度 高于金属 的熔 点 ，避 免 型壁 形核 ，保 证 晶体 单 向生 长 同时 ， 由于 型 壁 温 度 高 于 金 属 熔体 的温度 ，使 型 内表 层 金属 液体 过 热 ，铸锭 中心 先 于 表 层 凝 固 ， 固液界 面 向液 体 中 凸 出 这样 的 凝 固条件使凝 固过程 与传 统连铸 完全 不 同 ， 主 要 有 以下 三 个特 点 铸 锭 与 铸 型 间始 终存 在 一 层 液 体 膜 ，铸 锭 表 层 在 离开铸型 出 口 附近 凝 固 ，铸 锭 表 面光 滑 凸 出 的 固液 界 面 有 利 于 凝 固过 程 中析 出 的气 体 和 夹 杂 不 被卷 入 铸 锭 ， 而 且 不 存 在 补 缩 的 困难 所 得 到 的铸 锭 组 织 致 密 ， 无气 孔 、 缩 孔 、 缩 冷却水伪 加热铸型 铸型 厂」「一 一 一 一 州 目 日圈 娅扁 扫丫 一 卜飞 刁 习 丫 目日 卜一 臼 二熔液二 炉丝 几尸 从屯 冷却水喷嘴 固液界面 铸 锭 单向凝 固铸锭 收稿 日期 一 于 修 回 日期 一 空 基 金项 目 国家 “ ， 计划项 目 作者简介 陈 亚 军 一 ， 男 ， 硕士 研 究 生 图 连续铸 造 原理 传 统 连铸 伪 单晶 连 铸 褚 丫 川 血 血 加 ，加 血 加 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．01．013
Vol.27 No.1 陈亚军等：A-1%Si单晶制备工艺及微观组织分析 ·51· 松等铸造缺陷 高度来控制坩埚的位置，使坩埚全部及结晶器的 (3)凸出的固液界面有利于引晶段的晶体竞 一部分处在感应线圈的加热范围之内，这样既保 争生长，易于实现多晶组织向单晶组织的演化， 证加热、熔化合金的效率，又加热了结晶器的上 1.2实验设备 部，加大了结晶器上部与下部的温度差，造成较 自制的真空熔炼、氯气保护连续定向凝固装 大的温度梯度.熔化浇铸工艺为：将原材料加入 置如图2所示，该设备由加热系统、真空及保护 坩埚，盖紧真空罩，开动真空泵，使真空罩内达到 气系统、自动控温系统、冷却系统、牵引系统以及 0.66~20Pa的真空度，然后启动感应加热炉对金 附属部分组成 属进行加热、熔炼、在金属熔化后，由自动控温系 统把金属液保持在一定温度的范围，保温一段时 石墨坩埚 真空罩 间后充入氩气，使真空炉罩内部压力与外界大气 金属熔体 压平衡.等系统稳定几分钟以后，开动牵引机构， 结晶器 驱动轮便以一定的速度拉动引锭杆.由于结晶器 铸锭 耐火材料 出口不远处冷却水对引锭杆的强制冷却，使金属 感应加 隔离块 热线圈 液向下流动过程中热量沿引锭杆导出，在结晶器 引锭杯 出口附近凝固，铸锭就可从结晶器中不断引出， 这样就可以连续获得表面光滑、任意长度的定向 水冷装置 水冷室 凝固A-1%Si合金棒材. 2.2工艺参数对铸锭的影响 驱动轮 晶体生长进入稳态生长阶段后，铸锭表面质 量及组织演化过程主要受铸型温度、冷却能力和 牵引速度等工艺参数影响.多次实验表明，在熔 图2真空连续定向凝固实验装置原理示意图 炼温度T-680-710℃，牵引速度v=2.42-12.09mm/ Fig.2 Vacuum continuous unidirectional solidification ex- min,喷水量1000Lh,真空度P=6.6-20Pa等工 perimental equipment 艺参数的配合下，保持工艺稳定性，可得到表面 该设备相对于传统的单晶连铸有如下优点： 光滑、具有单晶组织的合金棒材，见图3. (1)材料的纯净度高.熔炼过程在真空状态下 完成，熔炼后在氩气保护下保温拉铸，所以金属 或合金在整个熔化、铸造过程中避免了氧化，从 而提高了材料的纯净度. (2)熔化效率高，合金成分均匀.设备采取感 应加热，具有一定的搅拌能力，可以加快脱氧、除 气速率，而且使熔化金属和合金均匀，避免产生 凝固偏析. (③)生产效率高.该装置下拉机构设计为两 图3连续定向凝固制得8mm×6mA1%Si棒材 流，在同一套牵引系统中设计两组驱动轮，在一 Fig.3 Appearance of an Al1%Si bar obtained by con- 部电机的带动下，实现了同步，从而保证了两流 tinuous directional solidification 工作时相同的工艺参数，加上牵引速度的大范围 调节，可以很大程度上提高生产效率，由于此设 3 微观组织分析 备目前用于科研，为了方便起见，只取其中一流 31凝固过程中组织演变 操作，将另一流堵住. 连续定向凝固过程分为稳定阶段和非稳定 2制备工艺 阶段，当结晶器温度稳定后，就进入晶体稳定生 长阶段，牵引速度就可保持稳定，组织也就慢慢 2.1实验过程 趋于稳定：当速度改变时，晶体生长又进入不稳 在上述装置中，通过调整耐火材料隔离块的 定状态，保持牵引速度不变，凝固过程再次进入
、 】 陈亚 军 等 卜 单 晶 制备工艺 及 微观组织分 析 松 等铸造 缺 陷 凸 出 的固液 界 面 有 利 于 引 晶段 的 晶体竞 争生 长 ， 易于 实现 多 晶组 织 向单 晶组 织 的演 化 实验 设 备 自制 的真空熔炼 、 氢 气 保 护 连 续 定 向凝 固装 置 如 图 所 示 该设 备 由加 热 系 统 、 真 空及 保护 气 系统 、 自动控温 系统 、 冷 却 系统 、 牵 引系统 以及 附属 部 分 组成 图 真 空 连 续定 向凝 固实验 装置 原理 示 意 图 啥 物 恤 城 面 该 设 备 相对 于传 统 的单 晶连铸 有 如 下 优 点 材料 的纯 净度 高 熔炼 过程在 真 空状态 下 完 成 ， 熔 炼 后 在 氢气 保 护 下 保 温 拉铸 ， 所 以金 属 或 合 金 在整 个熔 化 、 铸 造 过程 中避 免 了氧 化 ， 从 而 提 高 了材 料 的纯 净度 熔 化 效 率 高 ， 合 金 成 分 均 匀 设 备采 取 感 应 加 热 ， 具 有一定 的搅 拌 能力 ， 可 以加 快脱 氧 、 除 气速 率 ， 而 且 使熔化 金 属 和 合 金均 匀 ， 避 免产 生 凝 固偏 析 生 产 效 率 高 该装 置 下 拉 机 构 设 计 为 两 流 ， 在 同一 套牵 引系统 中 设 计 两 组 驱 动 轮 ， 在 一 部 电机 的带 动 下 ， 实现 了 同步 ， 从 而保 证 了两 流 工 作 时相 同的工 艺参 数 ， 加 上牵 引速 度 的大 范 围 调 节 ， 可 以很 大程度 上 提 高生 产 效 率 由于 此 设 备 目前用 于 科研 ， 为 了方 便起 见 ， 只 取 其 中一 流 操 作 ， 将 另 一 流 堵 住 高度 来控制 柑 锅 的位 置 ， 使柑 锅 全 部及 结 晶器 的 一 部分 处在感 应 线 圈的加 热 范 围之 内 ， 这 样 既保 证 加 热 、 熔化 合 金 的效率 ， 又 加 热 了结 晶器 的上 部 ， 加 大 了 结 晶器 上 部 与 下 部 的温 度 差 ， 造 成 较 大 的温 度 梯 度 熔化 浇 铸 工 艺 为 将 原材 料 加 入 柑祸 ， 盖 紧真 空罩 ， 开 动 真 空泵 ， 使真 空 罩 内达 到 一 的真 空度 ， 然 后 启 动 感 应 加 热 炉 对 金 属进 行 加热 、 熔炼 、 在 金属熔化 后 ， 由 自动控温 系 统把 金 属液保 持 在 一 定温度 的范 围 ， 保温 一段 时 间后 充入 氢 气 ， 使真 空炉 罩 内部 压 力 与外 界大气 压 平 衡 ， 等 系统 稳 定几 分钟 以后 ， 开动牵 引机构 ， 驱 动轮 便 以一定 的速 度 拉 动 引锭 杆 ， 由于 结 晶器 出 口 不远 处 冷 却水对 引锭杆 的强 制冷 却 ， 使 金属 液 向下 流 动 过程 中热 量沿 引锭杆 导 出 ， 在 结 晶器 出 口 附近 凝 固 ， 铸 锭 就 可 从 结 晶器 中不 断 引 出 ， 这样 就 可 以连 续 获得 表 面 光滑 、 任 意 长度 的定 向 凝 固 卜 合 金 棒材 工 艺 参数 对 铸锭 的影 响 晶体 生 长 进 入 稳 态 生 长 阶段 后 ， 铸锭 表 面质 量 及 组织 演化过程 主要 受铸 型温度 、 冷 却 能力和 牵 引速 度 等 工 艺 参数 影 响 多 次 实验 表 明 ， 在 熔 炼 温 度 卜 一 ℃ ， 牵 引速 度二 一 叮 ， 喷 水 量 全 ， 真 空度 一 等 工 艺 参 数 的配 合 下 ， 保 持 工 艺 稳 定 性 ， 可 得 到 表 面 光 滑 、 具 有 单 晶组 织 的合 金 棒材 ， 见 图 图 连续定 向凝 固 制 得帕 ‘ 卜 棒材 卜 灯 自柱。 制 备 工 艺 实验 过 程 在 上述装 置 中 ， 通 过 调 整 耐 火材料 隔 离块 的 微观 组 织 分 析 凝 固 过程 中组 织 演 变 连 续 定 向凝 固过 程 分 为 稳 定 阶 段 和 非 稳 定 阶 段 当结 晶器温 度 稳 定后 ， 就 进 入 晶体稳 定 生 长 阶段 ， 牵 引速度 就 可 保 持稳 定 ， 组 织 也就 慢慢 趋 于稳 定 当速度 改变 时 ， 晶体 生 长 又 进 入 不 稳 定 状 态 ， 保 持牵 引速 度 不变 ， 凝 固过 程 再 次进 入
52 北京科技大学学报 2005年第1期 稳定阶段.如此循环进行，可直至实验完成 逐渐吞食其他的柱状晶，最终得到单晶组织，如 图4为定向凝固开始的组织图.由图可知：连 图5所示. 铸过程开始时，由于引棒的激冷作用和冷却水的 系统稳定之后，提高拉速，相当于给系统加 作用，使结晶器温度急剧下降，牵引速度必须很 上一个随机扰动.在一定时间内，这个扰动的振 慢，晶粒才有时间长大，造成初始晶粒比较粗大. 幅变得较大，从而使固液界面失去稳定性，重新 此时由于结晶潜热的放出，在固液界面前沿形成 产生新晶粒.新的晶粒继续向前延伸，生长成新 负的温度梯度，界面不稳定相当于加上一个扰 的柱状晶继续向一种新的有序结构发展.在拉速 动，在一定时间内会逐渐长大，使胞晶固液界面 的增加没有将凸形的固液界面变成水平形状时， 发生破坏，如图4b)中1处所示的地方，产生与前 柱状晶向前生长过程中仍然要相互作用，经过晶 胞晶间距不同的新的有序结构胞晶， 粒淘汰过程和柱状晶合并过程，最终仍能得到稳 由于单向导热的作用，新生晶粒1生长方向 定的单晶组织.保持工艺参数不变，可以使实验 接近热流方向，其生长速度非常快，很快就阻碍 过程稳定进行，直至结束 了原晶粒2,3的生长，同时和晶粒4一同以柱状 32组织稳定性分析 晶向前延伸.由于金属表面张力和加热铸型的作 单晶稳定生长过程中有时会在棒材边部出 用，固液界面凸出向熔体，而晶体生长方向垂直 现个别晶粒，这些小晶粒出现之后来不及长大就 于固液界面，所以柱状晶在向前生长过程中有横 被迅速向前延伸的胞晶组织吞食，如图6所示， 向扩张趋势.这样，柱状晶之间就会发生相互排 新晶粒的出现虽然没有隔断单晶组织生长， 挤，排挤过程中，占沿热流方向生长的柱状晶将 但横向晶界的出现会对材料的导电性和延伸率 品体生长方向 1.0mm 图4连续定向凝固开始阶段组织图，()横截面：(b)纵截面 Fig.4 Structures at the beginning of continuous unidirectional solidification:(a)transverse:(b)longitudinal 10m9 1.0m四 图5稳定生长单晶组织.(a)横截面：b)纵截面 Fig.5 Stable single crystal structures:(a)transverse;(b)longitudinal
北 京 科 技 大 学 学 报 加 年 第 期 稳 定 阶段 如 此 循 环 进 行 ， 可 直至 实验 完成 图 为定 向凝 固开始 的组 织 图 由图可 知 连 铸过程 开始 时 ， 由于 引棒 的激冷作用 和 冷 却水 的 作 用 ， 使 结 晶器温 度 急剧 下 降 ， 牵 引速度 必 须 很 慢 ， 晶粒 才有 时 间长 大 ， 造成 初 始 晶粒 比较 粗 大 此 时 由于 结 晶潜热 的放 出 ， 在 固液界面 前沿形成 负 的温 度梯 度 ， 界 面 不 稳 定 相 当于 加 上 一 个扰 动 ， 在 一 定 时 间 内会 逐渐 长 大 ， 使胞 晶 固液 界 面 发生破坏 ， 如 图 价 中 处所示 的地 方 ， 产 生与前 胞 晶 间距 不 同 的新 的有 序 结 构胞 晶 由于 单 向导热 的作 用 ， 新 生 晶粒 生 长 方 向 接近 热流 方 向 ， 其 生 长 速 度 非 常快 ， 很快就 阻碍 了原 晶粒 ， 的生 长 ， 同 时和 晶粒 一 同 以柱 状 晶 向前延 伸 由于金 属 表面 张 力和 加 热铸型 的作 用 ， 固液 界 面 凸 出 向熔 体 ， 而 晶体 生长 方 向垂 直 于 固液 界面 ， 所 以柱 状 晶在 向前 生长过程 中有横 向扩 张 趋 势 这样 ， 柱状 晶之 间就会 发 生 相 互排 挤 ， 排 挤 过 程 中 ， 占沿 热 流 方 向生 长 的柱状 晶将 逐渐 吞 食 其他 的柱 状 晶 ， 最 终 得 到单 晶组 织 ， 如 图 所 示 系统稳 定之 后 ， 提 高拉速 ， 相 当于给 系 统加 上 一 个 随机扰 动 在 一 定 时 间 内 ， 这 个 扰 动 的振 幅变 得较 大 ， 从 而 使 固液 界 面 失 去 稳 定 性 ， 重 新 产 生 新 晶粒 新 的 晶粒 继 续 向前 延 伸 ， 生 长 成 新 的柱状 晶继 续 向一种新 的有 序结 构发展 在 拉速 的增 加 没 有将 凸形 的 固液 界面变 成 水 平 形 状 时 ， 柱状 晶 向前生长过程 中仍 然 要 相互 作用 ， 经 过 晶 粒 淘汰 过程和 柱 状 晶合 并 过程 ， 最终 仍 能得 到稳 定 的单 晶组 织 保 持 工 艺 参 数 不 变 ， 可 以使 实验 过 程 稳 定进 行 ， 直 至 结 束 组 织稳 定 性 分 析 单 晶稳 定 生 长 过 程 中有 时会 在 棒 材 边 部 出 现 个别 晶粒 ， 这 些 小 晶粒 出现之 后 来 不 及 长大 就 被 迅速 向前 延 伸 的胞 晶组织 吞 食 ， 如 图 所 示 新晶粒 的 出现 虽然 没有 隔 断 单 晶组 织 生长 ， 但 横 向 晶 界 的 出现会 对 材 料 的 导 电性 和 延 伸 率 啥 加 ，加 ， 妇， 加 佃 ， 帅 助 】。 梦加 恤
Vol.27 No.1 陈亚军等：A1%Si单晶制备工艺及微观组织分析 ·53· (a) 晶体生长方向 1.0mm 1.0 mm 图6单晶生长过程中型壁生核图.()横截面；)纵截面 Fig.6 Edge nucleation of single crystal growth:(a)transverse;(b)longitudinal 等有影响，所以应当尽量避免其出现.新晶粒出 形核创造了条件.或者固液界面前沿的外来核 现的原因及避免措施如下： 心，创造了非自发形核的条件.要得到理想的单 (1)由于工艺参数特别是拉速的不稳定，而造 晶组织，必须尽量控制液态合金的形核能力，除 成了随机扰动，扰动在一定时间内会逐渐变大， 了保证单向散热，避免侧面型壁生核以外，提高 使固液界面前沿出现不均匀的温度起伏，造成有 液态金属的纯净度，减少氧化、吸气形成的杂质 的地方过冷度较大，给新晶体的形核创造了条 的污染是用来控制形核能力的有效措施.所以在 件，所以在实验过程中应保持工艺参数和实验过 熔炼金属的过程中，应尽量提高真空度，达到净 程尽可能稳定， 化金属，控制形核能力的目的. (2)在安装引锭杆时，其轴心可能和结晶器轴 另外，保证足够高的温度梯度，从而避免在 心不重合，冷却水对引锭杆的冷却可能造成结晶 固液界面前沿出现成分过冷和外来核心形核，也 器周围温度小范围的不均匀，温度比较低的地方 是保持柱状晶稳定生长的有效措施 为型壁生核创造了条件，这一问题应该在设备安 3.3硅在铝基体中的分布形态 装过程中解决. 对所得单晶制品取样，在扫描电镜下观察， (3)在晶体生长过程中，固液界面前沿要发生 析出硅在铝基体当中的分布形态，如图7所示. 溶质再分配，从而造成一定程度的成分过冷，为 由于在熔炼过程中，没有熔化完全的硅颗粒 图7硅在铝单晶基体中的分布形态 Fig.7 Distribution of Si particles in Al single crystal matrix
一 陈 亚 军等 卜 单 晶 制 备 工 艺 及 微观组织 分 析 体生长方向晶 图 单 晶生 长 过 程 中型壁 生 核 图 横截面 纵截面 馆 伪 恤 等 有 影 响 ， 所 以应 当尽 量 避 免其 出现 新 晶粒 出 现 的原 因及 避 免措 施 如 下 由于 工 艺参数 特 别 是 拉速 的不稳 定 ， 而 造 成 了随机 扰 动 ， 扰 动 在 一 定 时 间 内会 逐 渐 变 大 ， 使 固液 界面 前 沿 出现 不均 匀 的温度起 伏 ， 造 成 有 的地 方 过 冷 度 较 大 ， 给 新 晶体 的形 核 创 造 了条 件 所 以在 实验 过程 中应 保 持 工 艺参数和 实验 过 程 尽 可 能稳 定 在 安装 引锭 杆 时 ， 其轴 心 可 能和 结 晶器轴 心 不重 合 ， 冷 却 水对 引锭 杆 的冷 却 可 能造 成 结 晶 器 周 围温度 小范 围 的不均 匀 ， 温 度 比较低 的地 方 为型壁 生核 创 造 了条件 这 一 问题 应 该 在 设 备安 装 过 程 中解 决 在 晶体 生 长 过程 中 ， 固液 界面 前 沿 要 发 生 溶 质 再 分 配 ， 从 而 造 成 一 定 程 度 的成 分 过 冷 ， 为 形 核 创 造 了条 件 或 者 固液 界 面 前 沿 的外 来 核 心 ， 创 造 了非 自发 形 核 的条件 要 得 到 理 想 的单 晶组 织 ， 必 须 尽 量 控 制 液 态 合 金 的形 核 能 力 除 了保 证 单 向散 热 ， 避 免侧 面 型壁 生 核 以外 ， 提 高 液 态 金 属 的纯 净 度 ， 减 少氧 化 、 吸气 形 成 的杂质 的污 染 是用 来控 制 形 核 能力 的有 效措 施 所 以在 熔 炼 金 属 的过 程 中 ， 应 尽 量提 高真 空度 ， 达 到 净 化 金 属 ， 控 制 形 核 能 力 的 目的 另 外 ， 保 证 足 够 高 的温度 梯 度 ， 从 而避 免 在 固液界面 前 沿 出现 成 分 过 冷 和 外 来 核 心 形核 ， 也 是保 持 柱 状 晶稳 定 生长 的有 效措 施 硅 在 铝 基 体 中的 分 布 形 态 对 所 得 单 晶制 品取 样 ， 在 扫 描 电镜 下 观 察 ， 析 出硅 在 铝基 体 当 中 的分 布 形 态 ， 如 图 所 示 由于 在熔 炼 过 程 中 ， 没 有熔 化 完全 的硅 颗 粒 图 硅在 铝 单 晶 基体 中的分 布形 态 币 血
54 北京科技大学学报 2005年第1期 在凝固以后保存下来，形成了比较大的硅颗粒， 4结论 如图7(a)所示.熔液中熔炼比较好的部分硅分布 比较均匀，凝固以后形成均匀弥散分布的小颗 ()真空连续定向凝固技术是一种近成品生 粒，如图7b).在晶体凝固过程中，在固液界面要 产技术，在合理的工艺参数下，可以制取具有单 析出溶质原子，使得溶质浓度在沿固液界面前沿 晶组织、性能优异的合金棒材，为制备超细丝键 呈现波动分布，硅原子比较密集的地方，当固液 合线提供坯料， 界面向前推移的速度超过溶质的扩散速度时，形 (2)在单晶线材制备过程中，应尽量保持实验 成细小硅颗粒在小范围内规则有序分布，如图7 过程稳定、增加真空度、提高熔炼质量、增加温度 (©)所示；同样，‘在硅原子密集程度进一步增加 梯度避免新晶粒再生，从而保持组织的稳定性， 时，析出的硅原子会聚集起来，在固液界面向前 (3)为了实现硅颗粒在铝基体中固溶或均匀 推移的过程中来不及向前扩散，从而在凝固过程 弥散分布，必须提高熔炼质量的同时，改善工艺， 中保留下来，最终形成了如图7()所示的条带 增加温度梯度拉速以提高冷却能力. 状，由于对键合线单向性能均匀性的要求，必须 参考文献 让硅颗粒固溶或以微小的颗粒弥散分布在铝基 [】胡汉起金属凝固原理.北京：机械工业出版杜社，1991 体中.要实现这一目的，首先要求提高熔炼质量， [2]大野笃美，金属凝固—理论实验及应用.邢建东译，北 加强电磁搅拌功能或改善熔炼工艺，增长保温时 京：机械工业出版杜，1980 间，以保证硅在铝液中均匀分布：另外，应该调整 [3]Ohno A.Omting of necr shape produets.Metall Soc,1988(9):77 [4范新会，魏朋义，李建国，等.铝单晶线材连续铸造工艺 工艺，通过尽量增加温度梯度或在一定范围内提 及其性能.材料工程，1997,9：39 高拉速来提高冷却能力，实现快速凝固，让均匀 [们陈亚军，王自东，陈琦，等，A-Si合金挤压棒材再结晶组 溶解的硅在凝固过程中来不及附集，最终使细小 织演变.北京科技大学学报，2004,26(3)：297 的颗粒均匀弥散分布在铝基体中， Preparation and microstructure analysis of Al-1%Si single crystal CHEN Yajun,CHEN Qi,WANG Zidong,HU Hanqi Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT An Al-1%Si bar with 8 mm in diameter and single crystal was made with self-made vacuum vertical continuous unidirectional casting equipment.The microstructure evolution and stability during continuous unidirec- tional solidification were studied.The Si distribution of particles in Al matrix was analyzed and a method was pro- posed that can make Si diffuse in Al homogeneously. KEY WORDS single crystal;key set wire;vacuum melting;argon protecting;continuous unidirectional solidi- fication;microstructure
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 在凝 固 以后 保 存 下 来 ， 形 成 了 比较 大 的硅颗粒 ， 如 图 所 示 熔液 中熔 炼 比较 好 的部 分硅 分 布 比较 均 匀 ， 凝 固 以后 形 成 均 匀 弥 散 分 布 的 小颗 粒 ， 如 图 伪 在 晶体凝 固过程 中 ， 在 固液 界 面要 析 出溶质 原 子 ， 使得溶质 浓 度在沿 固液 界面 前沿 呈 现 波 动 分 布 硅 原 子 比较 密 集 的地 方 ， 当 固液 界 面 向前推 移 的速度超 过 溶质 的扩散速 度 时 ， 形 成 细 小硅 颗粒 在 小 范 围 内规 则 有序 分 布 ， 如 图 所 示 同样 ， ‘ 在 硅 原 子密 集程度进一 步增 加 时 ， 析 出 的硅 原 子 会 聚 集起 来 ， 在 固液 界 面 向前 推 移 的过程 中来 不 及 向前扩 散 ， 从 而 在凝 固过程 中保 留下 来 ， 最 终 形 成 了如 图 所 示 的条 带 状 由于 对 键 合 线单 向性 能均 匀性 的要 求 ， 必 须 让 硅 颗 粒 固溶 或 以微 小 的颗 粒 弥散 分 布 在 铝 基 体 中 要 实现 这 一 目的 ， 首先 要 求提 高熔 炼质 量 ， 加 强 电磁搅 拌 功 能或 改善熔炼 工 艺 ， 增 长保温 时 间 ， 以保 证 硅 在 铝 液 中均 匀 分 布 另外 ， 应 该调 整 工 艺 ， 通 过尽 量 增 加温度 梯度 或在 一 定 范 围 内提 高拉 速 来提 高冷 却 能力 ， 实现 快 速 凝 固 ， 让 均 匀 溶 解 的硅 在 凝 固过程 中来不 及 附集 ， 最 终 使细 小 的颗 粒 均 匀 弥 散 分 布 在 铝 基 体 中 结论 真 空连 续 定 向凝 固技术是 一 种近 成 品生 产 技术 ， 在 合 理 的工 艺参 数下 ， 可 以制 取 具 有 单 晶组 织 、 性 能优异 的合 金棒材 ， 为制 备超 细 丝 键 合 线提 供坯 料 在 单 晶线材制备过程 中 ， 应尽 量保 持 实验 过程稳 定 、 增加真 空度 、 提 高熔炼质量 、 增 加温度 梯 度避 免新 晶粒 再 生 ， 从 而 保 持 组 织 的稳 定 性 为 了实现硅颗 粒 在 铝 基体 中固溶 或 均 匀 弥散分布 ， 必 须提 高熔炼质量 的同时 ， 改善 工 艺 ， 增 加 温度 梯度 拉 速 以提 高冷却 能 力 参 考 文 献 【 胡汉 起 金属 凝 固原理 北 京 机械工 业 出版社 ， 大野笃美 金属凝 固－ 理 论实验及应用 邢建东译 北 京 机械工 业 出版社 ， 腼。 言 朋 ， 范新 会 ， 魏朋 义 ， 李建 国 ， 等 铝 单 晶线材连续铸造 工 艺 及 其性能 材料工程 ， ， 陈亚 军 ， 王 自东 ， 陈琦 ， 等 合金 挤 压棒材再 结 晶组 织演 变 北京 科技大 学学报 ， ， 权 权 一 厅 厅 坷 “ ， 月五万 ，环乞 ， 比 刀 ， 川 ’ ， 加 ， 一 侧 山叮 画 山 面 权 奴叮 加 侧 画 、 颐 侧 叨 、 月为 回 分 山叮 田名皿 云川 吮
