一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法，属于超低膨胀合金材料技术领域，所述超低热膨胀因瓦合金材料以Fe

【技术实现步骤摘要】
一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于超低膨胀合金材料
，特别涉及一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]自然界中大多数材料都具有正热膨胀，即热胀冷缩的特性，然而在一些特殊的场合，传统的正热膨胀材料由于其热胀冷缩的性质，往往在工作或服役过程中产生不良影响。诸如航空发动机、航天器外壳以及一些大型机械设备，在工作过程中需要承受极高的温度变化，或产生巨大的温度梯度分布，此时由于热膨胀或热膨胀系数不匹配产生的内应力很可能造成材料的破坏；一些精密仪器、测量设备和光学器件等则因为温度变化导致的体积改变而失去精度或性能降低。因此，开发能够在一定温度范围内保持体积或长度不随温度变化的零热膨胀材料，具有重要的实用意义。
[0003]目前常用的零热膨胀材料绝大多数为含镍量36％附近的Fe
‑
Ni系因瓦合金，其在室温附近热膨胀系数介于1.0ppm/℃～2.0ppm/℃之间，强度较高且塑韧性极佳，可以满足大多数应用场景对于热膨胀性能与机械性能的实际要求，被广泛应用于微波技术、电子封装、精密仪器、光学器件、显示器荫罩、高压输电线缆、液化天然气运输船舶等领域。但在一些对材料的尺寸热稳定性有严格要求的应用场景，传统因瓦合金的低热膨胀性能依然无法满足应用需求，尤其是因瓦合金在
‑
50℃以下的低温区域热膨胀系数达到2ppm/℃以上，甚至不如在室温附近时理想，因此在一些需要低温冷却的特种设备或工作于低温环境的设备中，因瓦合金的应用受到极大限制。此外，因瓦合金塑性较大，切削时不易断屑，切削阻力大，使加工因瓦合金难度增加。
[0004]一些新型的或尚在开发中的低热膨胀和零热膨胀材料，虽能在较宽温度范围内保持较低的热膨胀系数，部分甚至低于因瓦合金，但多为脆性合金、陶瓷复合材料等，质地较脆，机械性能较差，难以满足机械加工和承受载荷需求。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供了一种超低膨胀因瓦合金材料及其制备方法，通过析出负热膨胀相，对因瓦合金基体进行改性。一方面提高其强度，改善其断屑能力，提高切削加工性能，同时保留优异的塑韧性，提高其塑性加工性能；另一方面，析出一定比例的负热膨胀相作为析出相，可以降低因瓦合金的膨胀系数，使其满足在较宽温区保持稳定零热膨胀性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一方面，本专利技术提供一种超低热膨胀因瓦合金材料，所述超低热膨胀因瓦合金材料以Fe
‑
Ni、Fe
‑
Ni
‑
Co或Fe
‑
Co
‑
Cr基因瓦合金中的一种为基体，一种负热膨胀相作为析出相。
[0008]进一步地，超低热膨胀因瓦合金材料中所添加的负热膨胀相摩尔数不超过所述超
低热膨胀因瓦合金材料总摩尔数的10％。
[0009]进一步地，所述超低热膨胀因瓦合金材料中的析出相的摩尔数与所添加的负热膨胀相摩尔数之比大于50％。
[0010]进一步地，所述负热膨胀相为金属间化合物。
[0011]进一步地，所述金属间化合物为(Zr,Nb)Fe2、(Hf,Nb)Fe2、(Hf,Ta)Fe2、(Sc,Ti)Fe2、La(Fe,Si)
13
、La(Fe,Al)
13
、Mn3Ge、MnCoGe、Fe
‑
Mn
‑
Ga、Ni
‑
Mn
‑
Ga、RCo2、R2Fe
17
或R2Fe
14
B中的一种，其中R为稀土元素。
[0012]另一方面，本专利技术公开了一种上述超低热膨胀因瓦合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S101按照相应质量分数分别称取超低热膨胀因瓦合金材料中的因瓦合金元素及上述负热膨胀相所需元素原料，加热熔化形成熔液；
[0014]S102充分搅拌所述熔液使其均匀；
[0015]S103将搅拌后的熔液制备成坯料并冷却；
[0016]S104将所述坯料在惰性气体保护气氛下均匀化退火，即得所述超低热膨胀因瓦合金材料。
[0017]进一步地，所述步骤S101中，所述因瓦合金元素及负膨胀相所需元素等金属原料的纯度都应不低于99％；采用真空电弧炉或真空感应炉熔炼设备加热熔化形成熔液，其抽真空度绝对压力应不高于2
×
10
‑3Pa。
[0018]进一步地，所述熔炼过程，全程提供低压惰性气体保护氛围，惰性气体为高纯氩气，压力范围为4
×
102Pa～6
×
102Pa。
[0019]进一步地，采用电磁力充分搅拌所述熔液，搅拌时间不少于1min。
[0020]进一步地，所述步骤S104中，所述均匀化退火温度为Tc
‑
100～Tc+100，Tc为负热膨胀相的热力学析出温度，退火时间不少于1天，退火需要在氩气保护气氛中完成，应当在抽真空且绝对压力不高于2
×
10
‑3Pa之后充入高纯氩气，压力范围为2
×
104Pa～4
×
104Pa。
[0021]与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案带来如下有益效果：
[0022]本专利技术提供一种超低热膨胀因瓦合金材料及其制备方法，其在较宽温区保持稳定零热膨胀性，且具有优良强度和可加工性。该种材料由因瓦合金原位析出一相NTE合金而成，即实际由因瓦合金主相与NTE相组成，由于因瓦合金磁性结构未被破坏并保留其零热膨胀性，而NTE相固有的负热膨胀性则进一步降低材料在相应温区的热膨胀系数，且一般NTE合金表现负热膨胀的温度区间多为室温以下较宽范围低温区，因此所述材料在室温附近，尤其是室温以下较宽温区具有较低的热膨胀系数，其热膨胀性能优于现有的商业因瓦合金等产品；同时因瓦合金相与NTE相紧密接合，不存在空隙等加速裂纹产生和扩展的因素，因此该材料不会出现明显脆性，而强度与因瓦合金相近，其机械性能优于一般零热膨胀复合材料与脆性合金材料；再次负热膨胀相未析出的剩余固溶元素对因瓦合金基体进行改性，改善了其断屑能力，提高了切削性能。综上，本专利技术所提供材料针对现有材料热膨胀系数不够低、低温区热膨胀系数较高、强度或塑韧性不足等问题进行了改进。另外，该材料原料易得，制备工艺简单，在成本上具有一定优势。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0024]图1为本专利技术实施例1所述超低热膨胀因瓦合金材料及传统因瓦合金线膨胀曲线图；
[0025]图2为本专利技术实施例1所述超低热膨胀因瓦合金材料微观形貌电子探针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低热膨胀因瓦合金材料，其特征在于，所述超低热膨胀因瓦合金材料以Fe
‑
Ni、Fe
‑
Ni
‑
Co或Fe
‑
Co
‑
Cr基因瓦合金中的一种为基体，一种负热膨胀相作为析出相。2.根据权利要求1所述的超低热膨胀因瓦合金材料，其特征在于，超低热膨胀因瓦合金材料中所添加的负热膨胀相摩尔数不超过所述超低热膨胀因瓦合金材料总摩尔数的10％。3.根据权利要求2所述的超低热膨胀因瓦合金材料，其特征在于，所述超低热膨胀因瓦合金材料中的析出相的摩尔数与所添加的负热膨胀相摩尔数之比大于50％。4.根据权利要求1
‑
2任一所述的超低热膨胀因瓦合金材料，其特征在于，所述负热膨胀相为金属间化合物。5.根据权利要求3所述的超低热膨胀因瓦合金材料，其特征在于，所述金属间化合物为(Zr,Nb)Fe2、(Hf,Nb)Fe2、(Hf,Ta)Fe2、(Sc,Ti)Fe2、La(Fe,Si)
13
、La(Fe,Al)
13
、Mn3Ge、MnCoGe、Fe
‑
Mn
‑
Ga、Ni
‑
Mn
‑
Ga、RCo2、R2Fe
17
或R2Fe
14
B中的一种，其中R为稀土元素。6.一种如权利要求1
‑
5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈骏，艾民君，宋玉柱，周畅，施耐克，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：