一种制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法技术

本发明专利技术提出了适合于生产要求的ＴｂＤｙＦｅ基磁致伸缩合金的制备工艺。该工艺用冷坩埚感应炉制备母合金，使制备效率和母棒质量得到了大幅度提高；设计了几种加热器结构，解决了用电阻加热器进行熔工定向凝固的困难。利用制备各种直径晶体的技术，在一个运行周期进行几次定向凝固的方法，及对多支母棒同时进行定向凝固的方法，提高了晶体的质量和制备效率；发展了高效率的磁场热处理方法，它不要求被处理的合金必须是孪生单晶。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【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(Terfenol-D)。TbDyFe合金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<112>取向的定向结晶的组织，然后进行热处理。关于Terfenol-D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No.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。1986年O.D.McMasters发表的美国专利No.4609402使用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。1988年E.D.Gibson等在美国专利No.4770704中发表了改进的Bridgman技术。该技术将一些锭放入炉体上部的坩埚，用中频感应电源使炉料熔化均匀，合金液通过坩埚底部的孔注入石英模具管。在此基础上，美国ETREMA公司自1995年建立了ETREMA Crystal Growth技术，用于批量生产。用MB法制备大直径晶体的其它技术还包括K.Murakami用电阻炉熔化炉料，然后向下移动坩埚的方法(美国专利No.5067551，1991)，Murakami用高频感应圈区熔母棒，坩埚和棒料均向下移动的方法(美国专利No.5063986,1991)，S.Okatomo向上移动石英室外的高频区熔感应圈，并用绝热元件改进定向凝固条件的方法(见Int.Symp.On GMSM and their Appl.，Tokyo，1992，175～180)，以及E.Nakamura等用离子弧溶化水冷铜坩埚中的炉料，坩埚底部开有并接水冷长模具，模具中的托架连续下拉，合金液逐渐进入模具凝固的连续法技术(见美国专利No.5114467，1992)，等等。上述回顾表明，Terfenol-D的定向凝固处理大多采用高频感应圈作为加热器，而利用电阻加热进行区熔式定向凝固处理的尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供制备高性能TbDyFe基定向凝固合金的技术方法，它应具有较高的制备效率、较低的生产成本、适应生产规模。1、本专利技术所提供的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其工序为母合金制备、定向凝固、热处理和磁场热处理，其特征在于a、母合金制备工序为在熔炼前，使塞杆头堵塞坩埚注孔；在加热过程发生架料时，上下移动塞杆头以松动炉料；在化料过程中转动和上下移动塞杆头，搅拌合金熔液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作把持头翻转合金锭，将被翻转的合金锭送回坩埚重熔，然后使合金熔液进入模具凝固成母合金棒；b、定向凝固工序为先将籽晶和母棒装入内径略大于母棒的坩埚，然后对炉体抽真空，在真空度高于10-1Pa后，迅速充入压力为-0.09～+0.2MPa的惰性气体；然后用环绕母棒的压熔式电阻加热器使籽晶的上端和母棒的下端形成熔区，再下拉并旋转熔区离开高温区向冷却器方向移动，在移动过程中使熔区自下而上凝固，使新熔区沿母棒向上移动，持续进行此过程，直到区熔一凝固过程在母棒顶部完成；在此过程中，熔区温度应控制在1260～1380℃范围内，熔区宽度应控制与母棒直径大致相同，熔区移动速度在0.5～30mm/min范围内，旋转速度取0.5～30rpm，经过此过程的合金棒具有定向结晶组织成孪生单晶组织。c、热处理和磁场热处理工序为对定向凝固合金棒进行动态热处理，即处理温度在800～1100℃共晶温度附近波动，经1～5小时后缓慢冷却。然后将合金棒放入管轴与磁场方向垂直的石英管中，对石英管抽真空并充入惰性气体，启动环绕石英管的加热炉，使合金棒在380～580℃范围内加热0.5～3小时，此后当温度降至280～340℃，启动磁场，使磁场温度达到240～960KA/m，同时使石英管以0.2～10rpm转速绕轴旋转，并保持0.5～3小时后缓慢降温。在上述过程中，由驱动装置控制的塞杆头顶部装有叶片，使之在旋转搅拌过程同时上下往复运动。电阻加热由2～3个加热段组成，最上层为预热段，中层为高温段，最好在下层设置保温段，使高温段上下形成温度梯度。熔区沿母棒移动过程可重复多次。熔区的温度最好在1280～1330℃内，熔区移动速度最好在2～15mm/min，旋转速度最好取2～15rpm。合金棒热处理温度最好在900～1000℃内波动。位于石英管中的合金棒在磁场热处理过程中，最好使合金棒在400～500℃温度范围内加热1～2个小时，然后最好将温度降至310～330℃时启动磁场强度为400～640KA/m的磁场，同时石英管以0.5～2rpm转速旋转，然后在加热1～2个小时后，在保持磁场和石英管运转条件下缓慢降温。本专利技术提出了较完整的制备定向凝固TbDyFe基磁致伸缩合金的技术，适合于在生产条件下高效率制备高性能的产品，对包括细晶体和粗晶体等各种规格的晶体均提出了合理的制备工艺。在母合金制备方面，本技术主要采用冷坩埚真空感应炉作为熔炼和铸造设备。与真空非自耗电弧炉相比，本专利技术的制备效率大得多，适合于生产的要求。与普通真空感应炉相比，合金可以多次重熔，能把成分调整到理想的准确性和均匀性，熔炼-铸造过程中产生的残料可以回炉，降低了制备成本。使用具有搅拌-翻锭-铸造操作系统的冷坩埚真空熔炼炉进行熔炼和铸造，进一步提高了制备效率、母棒的质量和成材率。与感应加热器相比，用电阻加热器进行定向凝固处理具有设备成本低，温度容易测量和控制，热量穿透深度大，有利于制备粗晶体等优点。本专利技术所提出的方法，解决了用电阻加热器进行区熔式定向凝固的困难，减轻了坩埚材料对合金的污染；利用控制喂送母棒的技术，消除了母棒区熔时对熔池的扰动；通过在加热器设置保温段，使热流沿合金棒的径向传输被阻止，保证了热流的轴向传输；利用在一个加热器中设置几个熔区，使得在一个运行周期内可以实现几次定向凝固；利用本专利技术的技术，还可以实现在一个运行周期同时对多支母棒进行定向凝固处理。这些技术为提高定向凝固的效果和提高处理效率提供了保证。此外，本专利技术为制备细晶体设计的技术，使利用电阻加热器实现浮区区熔成为可能。在热处理方面，本专利技术采用动态处理技术缩短了处理时间。在磁场热处理方面，本专利技术提出的技术使非孪生单晶的定向凝固晶体也能够进行这种处理，而且不需要进行金相观察，使磁场热处理能用于生产过程。附图说明图1表示了母合金棒制备系统示意图，其中1-感应电源，2-真空熔炼炉，3-真空-惰性气体系统，4-电控系统，5-坩埚，6-注塞杆机构(6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-3-动力-传动机构，6-4-叶片)，7-翻锭机构(7-1-把持头，7-2-操作杆)，8-铸造机构(8-1-模具，8-2-模具架，8-3-模具加热-保温装置)。图2表示了定向凝固系统示意图，其中9-母合金棒，10-炉体，11-真空-惰性气体系统，12-电源-加热器系统(12-1-电源，12-2-电阻加热器，12-3-测温探头，12-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备ＴｂＤｙＦｅ基合金定向凝固晶体的方法，其工序为母合金制备、定向凝固、热处理和磁场热处理，其特征在于： ａ、母合金制备工序为：在熔炼前，使塞杆头（６－１）堵塞坩埚注孔（５－１）；在加热过程发生架料时，上下移动塞杆头以松动炉料；在化料过程中转动和上下移动塞杆头，搅拌合金熔液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作把持头（７－１）翻转合金锭，将被翻转的合金锭送回坩埚重熔，然后使合金熔液进入模具（８－１）凝固成母合金棒（９）； ｂ、定向凝固工序为：先将籽晶（１５）和母棒（９）装入内径略大于母棒的坩埚（１３－３），然后对炉体（１０）抽真空，在真空度高于１０↑［－１］Ｐａ后，迅速充入压力为－０．０９～＋０．２ＭＰａ的惰性气体；然后用环绕母棒的压熔式电阻加热器（１２－２）使籽晶的上端和母棒的下端形成熔区，然后再下拉并旋转熔区离开高温区向冷却器（１３－４）方向移动，在过程中使熔区自下而上凝固，使新熔区沿母棒向上移动，持续进行此过程，直到区熔－凝固过程在母棒顶部完成；在此过程中，熔区温度应控制在１２６０～１３８０℃范围内，熔区宽度应控制与母棒直径大致相同，熔区移动速度在０．５～３０ｍｍ／ｍｉｕ范围内，旋转速度取０．５～３０ｒｐｍ，经过此过程的合金棒具有定向结晶组织成孪生单晶组织； ｃ、热处理和磁场热处理 对定向凝固合金棒进行动态热处理，即处理温度在８００～１１００℃共晶温度附近波动，经１～５小时后缓慢冷却。然后将合金棒（９）放入管轴与磁场方向垂直的石英管（１６）中，对石英管抽真空并充入惰性气体，启动环绕石英管的加热炉（２０），使合金棒在３８０～５８０℃范围内加热０．５～３小时，此后当温度降至２８０～３４０℃，启动磁场，使磁场温度达到２４０～９６０ＫＡ／ｍ，同时使石英管以０．２～１０ｒｐｍ转速绕轴旋转，并保持０．５～３小时后缓慢降温。...

【技术特征摘要】
1.一种制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其工序为母合金制备、定向凝固、热处理和磁场热处理，其特征在于a、母合金制备工序为在熔炼前，使塞杆头(6-1)堵塞坩埚注孔(5-1)；在加热过程发生架料时，上下移动塞杆头以松动炉料；在化料过程中转动和上下移动塞杆头，搅拌合金熔液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作把持头(7-1)翻转合金锭，将被翻转的合金锭送回坩埚重熔，然后使合金熔液进入模具(8-1)凝固成母合金棒(9)；b、定向凝固工序为先将籽晶(15)和母棒(9)装入内径略大于母棒的坩埚(13-3)，然后对炉体(10)抽真空，在真空度高于10-1Pa后，迅速充入压力为-0.09～+0.2MPa的惰性气体；然后用环绕母棒的压熔式电阻加热器(12-2)使籽晶的上端和母棒的下端形成熔区，然后再下拉并旋转熔区离开高温区向冷却器(13-4)方向移动，在过程中使熔区自下而上凝固，使新熔区沿母棒向上移动，持续进行此过程，直到区熔—凝固过程在母棒顶部完成；在此过程中，熔区温度应控制在1260～1380℃范围内，熔区宽度应控制与母棒直径大致相同，熔区移动速度在0.5～30mm/miu范围内，旋转速度取0.5～30rpm，经过此过程的合金棒具有定向结晶组织成孪生单晶组织；c、热处理和磁场热处理对定向凝固合金棒进行动态热处理，即处理温度在800～1100℃共晶温度附近波动，经1～5小时后缓慢冷却。然后将合金棒(9)放入管轴与磁场方向垂直的石英管(16)中，对石英管抽真空并充入惰性气体，启动环绕石英管的加热炉(20)，使合金棒在...

【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]