生产大直径TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法技术

本发明专利技术属于制备定向凝固ＴｂＤｙＦｅ基磁致伸缩合金的技术，特别是一种生产大直径ＴｂＤｙＦｅ基定向凝固晶体的方法，主要包括：在真空感应悬浮熔炼炉的炉体中用水冷铜坩埚熔炼母合金；模具外套装上下层叠设置的相对于炉体静止的环形加热器组，每个加热器构成一个环形加热层，每层加热温度可以独立测量和控制，启动加热器组，使各段加热层均加热到高于合金熔点的温度；将已熔融的合金液注入管状模具后自下而上逐步降低各段加热层的温度至合金熔点之下，使合金液自下而上定向凝固，然后使晶体在降温过程接受热处理。本发明专利技术成材率高，连续化运行使制备效率显著提高，生产成本显著降低，可实现晶体棒的工厂化大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于制备定向凝固TbDyFe基磁致伸缩合金的技术。
技术介绍
稀土超磁致伸缩合金是一种在磁场中能产生很大应变的RFe2化合物(R指稀土元素)，主要包括(TbDy)Fe2合金和SmFe2合金两类，最常用的是Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金(以下简称RE-GMM)。RE-GMM一般用真空非自耗电弧炉熔炼母合金，在真空定向凝固设备中处理，使合金形成具有轴向取向的定向结晶的组织，然后进行热处理。关于RE-GMM的定向凝固处理，早期用Czochralski技术制备单晶。1981年Savage等在美国专利4308474中采用了Bridgeman技术用感应圈使管状坩埚中的母棒熔化，坩埚以一定的速度下降。美国专利4609402介绍了浮区区熔技术母棒定位于竖直的管式石英室的轴心，用感应圈使母棒形成熔区，随着感应器由下向上移动，熔区向上运动。美国专利4770704中发表了改进的Bridgman技术将母合金棒的制备和定向凝固工序结合到一个设备中完成。上述方法在被称作“一步法”技术，具体方法是用真空非自耗电弧炉熔炼得到小块的母合金锭，在另一个比较大的真空感应炉中将许多小锭重熔，成分均匀后，合金液通过坩埚底部的小孔注入处于同一真空系统中的管状模具，环绕模具管的高频感应圈使模具中的合金保持液态；模具向下缓慢移动，使模具中的合金液从底部开始向上逐渐冷却凝固，形成定向结晶的组织，用这种技术可制备出直径最大为65mm的高性能晶体。中国专利03156926中采用类似的“一步法”技术，可制备最大直径为75mm的RE-GMM。日本专利JP6238425中讲述的制备工艺包括用真空高频感应炉熔炼，用温度场控制的方法进行定向凝固，但是它采用的是一种最原始的温度场控制，一端冷，一端热，形成一个固定的不可调节的温度梯度。因此这种技术无法用于长度大于5cm的材料的定向凝固，因为晶体还没有生长到中部，中部就已经凝固了。本申请人在中国专利ZL01276500.7中也提出了一步法制备RE-GMM晶体的方法。现有技术RE-GMM的熔炼主要有两种方法采用普通真空感应熔炼技术的耐火材料(Al2O3、MgO等)坩埚，由于稀土金属会同坩埚材料发生反应，所以合金液中的杂质含量较高，经过坩埚的污染，实际纯度无法保证，合金的性能较低。另外一种是使用真空非自耗电弧炉，用水冷铜坩埚代替耐火材料坩埚。这虽然解决了污染问题，但非自耗电弧炉的规格很小(一般小于1kg)，无法在生产条件下应用，而且由于使用钨电极的电弧加热炉料，难于使材质均匀。现有技术制备RE-GMM晶体的定向凝固工序大多采用改进的Bridgeman技术，通过感应加热在母棒中形成熔区，同时缓慢向下移动母棒，使母棒从底部开始向上逐渐冷却凝固，从而在母棒中实现自下而上的熔化-凝固-结晶过程的。这种技术对于制备大直径晶体有以下困难，不能适应较大规模的生产1、在液/固界面，晶体的生长方向是平行于该界面处的温度梯度的方向的，为了使晶体沿母棒的轴线方向生长，就必须加强沿轴线方向的温度梯度，尽量减小在界面内的径向温差。但是，母棒的直径越大，熔区径向温差就越难于通过热传导得到平衡，晶体生长方向的偏差就越大。引起径向温差的原因包括感应加热的趋肤效应使表面温度高于芯部的温差；感应圈对材料的不均匀加热引起的沿截面圆周方向上不同位置的温差；表面散热造成的表面温度低于芯部的温差等。2、在用感应圈加热的条件下，当定向凝固过程接近结束，加热到母棒端部时，由于负载过小，母棒同感应圈的耦合会失去匹配。所以靠近端部的整个熔区总是一致降温，同时凝固，定向凝固过程无法一直发展到端部。母棒直径越大，非定向凝固的端部区所占的比例就越大，棒体就越短，成材率就越低。3、母棒直径越大，晶体生长过程遭遇振动和扰动的可能性就越突出。这是由于母棒在提拉过程中的机械颤动更加强烈；加热电磁场的功率升高，感应圈的电磁场对熔区的扰动加剧；熔区上方的棒体开裂形成掉落块和不均匀熔化使熔区上方的棒体坍塌，从而对熔区产生机械冲击的作用增强，这些都会破坏晶体生长的连续性和稳定性。4、凝固过程产生的内应力会引起材料开裂。由于母棒直径越大，径向温差就越大，形成径向裂纹的倾向也就越严重。利用MB技术生长RE-GMM定向凝固晶体时，在φ30mm的晶体中就经常会出现裂纹，而φ50mm或更粗的晶体在定向结晶之后，会沿纵向开裂成三瓣截面呈扇形的柱形体。5、效率低，能耗大。在以前的工艺中，每一道工序完成后都要将半成品冷却，在下一道工序再重新加热。6、熔炼铸造、定向凝固、热处理等每一道工序之后都需要研磨表面，切除两端后，总成材率一般低于55％。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了传统技术在制备大直径RE-GMM时所遇到的困难，提供一种生产大直径TbDyFe基定向凝固晶体的方法，能制备出高性能、优良材质的大直径RE-GMM，而且制备效率高，生产成本低，适合于产业化的要求。本专利技术是在最适合于产业化要求的一步法技术的基础上发展出来的，对于其中的定向凝固操作，选择最适合于制备大直径RE-GMM晶体的技术——温度场控制技术，这种一步法技术称之为“新一步法”技术，这是因为它所包含的各个操作步骤所采用的技术都与原一步法技术均有所不同将悬浮熔炼-温度场控制定向凝固-热处理三位一体，熔炼操作采用了真空感应冷坩埚悬浮熔炼技术，定向凝固则采用了温度场控制技术，将热处理工序也结合到了同一设备中一并完成，在冷却过程实现了热处理，还设计了批处理技术和连续化运行的生产技术。本专利技术的技术方案是一种生产大直径TbDyFe基定向凝固晶体的方法，其特征在于主要包括在真空感应悬浮熔炼炉的炉体中用水冷铜坩埚熔炼母合金；模具外套装上下层叠设置的环形加热器组，每个加热器构成一个环形加热层，每层加热温度可以独立测量和控制，管状模具相对于炉体静止，启动加热器组，使各段加热层均加热到高于合金熔点的温度；将铜坩埚内已熔融的合金液注入管状模具；自下而上逐步降低各段加热层的温度至合金熔点之下，使合金液自下而上定向凝固；然后使各层的母合金液在凝固后缓慢降温，使晶体在降温过程接受热处理。对于坩埚中装入原料Tb、Dy和Fe进行母合金真空感应悬浮熔炼的情况，在注入合金液之前，加热器组先将模具管自上而下加热至1290～1500℃，最好为1300～1350℃。注入合金液之后，自下而上逐步将各段加热层的温度降至低于1260℃，最好降至1220℃±5℃。加热器组内腔中的温度以等于或小于固/液转变温度的等温面匀速地向上移动。定向凝固后的晶体棒的热处理工序在同一个设备中完成。将定向凝固后的晶体棒通过自行缓慢降温完成热处理过程。将定向凝固后的晶体棒移入同一炉体中的热处理炉中进行热处理，然后缓冷降温。为提高生产效率，可在每一个炉次中依次进行制备若干支晶体的批处理。将第一炉炉料加入坩埚并完成熔炼，当合金液注入模具之后，在不开炉的情况下，将第二炉炉料加入坩埚进行第二炉的熔炼，模具中的合金液同时进行定向凝固，形成第一支晶体棒后送入热处理炉；而第二炉的炉料注入模具开始定向凝固，坩埚加入第三炉炉料，依此类推完成各炉的加料、熔炼、定向凝固和热处理操作，各支被依次送入热处理炉的晶体棒依次经过处理段、缓冷段，最后进入贮存段。为进一步提高生产效率，将熔炼、定向凝固、热处理工序循环进行。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产大直径ＴｂＤｙＦｅ基定向凝固晶体的方法，其特征在于主要包括：在真空感应悬浮熔炼炉的炉体（１）中用水冷铜坩埚（２）熔炼母合金；模具（４）外套装上下层叠设置的环形加热器组，每个加热器（３）构成一个环形加热层，每层加热温度 可以独立测量和控制，管状模具（４）相对于炉体（１）静止，启动加热器组，使各段加热层均加热到高于合金熔点的温度；将铜坩埚（２）内已熔融的合金液注入管状模具（４）；自下而上逐步降低各段加热层的温度至合金熔点之下，使合金液（５）自 下而上定向凝固；然后使各层的母合金液在凝固后缓慢降温，使晶体在降温过程接受热处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李碚，
申请(专利权)人：李碚，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]