定向生长的晶体

定向生长的晶体

晶体结晶的过程，是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态，在一个个有规律排列的晶粒的边界上，在结晶过程中，杂质就会挤入晶粒之间，而且产生杂质富集，这些杂质在低温时，会使晶体畸弯，有时对金属整体有一定的强化作用。但在高温下，晶界部分首先熔化。在外力作用下，这种杂质晶界首先使晶粒间相对运动，晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这样，人们就很容易想到，要提高金属的强度，就要消除晶粒间的晶界，生长成单晶体，实现这种设想的技术称为晶体的定向生长。

控制晶体定向生长，是一种极其复杂的很难掌握的技术。20世纪70年代，工程技术人员想通过铸铁的水冷底板来控制高温金属融熔体的冷却速度，期望能制成一种特殊的飞机叶片。这种叶片上的晶粒要沿着主要受力的方向排列（工程上称为沿主应力方向排列），这种飞机叶片，在最容易破裂的方向上消除了晶界，形成了条状的晶柱，人们称为柱晶合金。和原来的合金相比，柱晶合金的耐高温度及热疲劳强度都有显著提高。这种加工方法后来发展成生产单晶合金工艺。在柱晶生长晶路上增设一条弯的通道，只让一条晶柱通过，并经过严密控制冷却条件，就可制备一个具有完整晶粒的构件。在这种构件上，横向、纵向均无任何界面，或者说接近于没有缺陷。

定向单晶合金比普通多晶合金的工作温度可提高80℃～100℃。在同样高的工作温度下，单晶合金做成的构件的工作寿命比普通多晶合金的构件要长7倍以上。

目前，已有近百种单晶合金被开发出来了，成为各种工程构件。美国的波音系统客机、欧洲的空中公共汽车系列客机、美国的战斗机、预警机和轰炸机都使用了单晶合金。美国航天飞机的主发动机，由于选用单晶合金而赢得“安全”之美名。我国的单晶合金生产工艺已在国内开花结果，进入了高技术的各个领域。