Research Abstract


Ultra-large single crystals by abnormal grain growth

2017年8月25日 Nature Communications 8 : 354 doi: 10.1038/s41467-017-00383-0


単結晶の製造は、量産性が低いことから高コストとなる。したがって、金属材料の中には単結晶の方が優れた材料特性を示すものがあるにもかかわらず、多結晶状態で使用されていることが多い。今回我々は、単純な熱処理で誘起される異常粒成長(AGG)によって、巨大なCu-Al-Mn単結晶が高い量産性で得られることを示した。このAGGでは、サイクル熱処理(CHT)によって導入される亜粒界エネルギーが主な駆動力であり、低温CHTを繰り返すことによって亜粒界エネルギーが増大するため、粒界移動速度が加速される。我々は、こうした熱処理を行うことによって、長さ70 cmの単結晶棒材の製造を実現した。今回の結果は、形状記憶合金の応用範囲を小型デバイスから大型部材へと拡大するとともに、同様のミクロ組織的特徴を持つ他の金属材料やセラミックス材料の単結晶としての新たな応用を可能にし得るものである。

Tomoe Kusama, Toshihiro Omori, Takashi Saito, Sumio Kise, Toyonobu Tanaka, Yoshikazu Araki and Ryosuke Kainuma

Corresponding Author

大森 俊洋
東北大学大学院 工学研究科 金属フロンティア工学専攻

Producing a single crystal is expensive because of low mass productivity. Therefore, many metallic materials are being used in polycrystalline form, even though material properties are superior in a single crystal. Here we show that an extraordinarily large Cu-Al-Mn single crystal can be obtained by abnormal grain growth (AGG) induced by simple heat treatment with high mass productivity. In AGG, the sub-boundary energy introduced by cyclic heat treatment (CHT) is dominant in the driving pressure, and the grain boundary migration rate is accelerated by repeating the low-temperature CHT due to the increase of the sub-boundary energy. With such treatment, fabrication of single crystal bars 70 cm in length is achieved. This result ensures that the range of applications of shape memory alloys will spread beyond small-sized devices to large-scale components and may enable new applications of single crystals in other metallic and ceramics materials having similar microstructural features.