專利名稱：一種陶瓷過濾深過冷制備Fe-Ga-In-Tb合金棒材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷過濾深過冷制備Fe-Ga-1n-Tb合金定向結(jié)晶棒材的方法,屬于材料加工工程領(lǐng)域的功能材料制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
Fe-Ga合金雖然表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能,但是與稀土材料Terfenol-D相比超磁致伸縮性能還有一定差距。添加元素和改進(jìn)工藝是制備高性能超磁致伸縮Fe-Ga合金的有效途徑。深過冷技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種新型快速凝固技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)有兩點(diǎn):首先是通過各種處理工藝凈化熔體，使其獲得熱力學(xué)深過冷。然后，在合金熔體的臨界過冷點(diǎn)附近，對(duì)熔體施加一定溫度梯度的激發(fā)源(冷卻源)給予激發(fā)，完成深過冷熔體激發(fā)定向凝固。因此，深過冷技術(shù)的核心有兩點(diǎn):一是提高合金熔體的純度以增大過冷度，二是減少澆鑄模具表面的異質(zhì)形核核心抑制非均勻形核過程。在深過冷條件下，一旦受到激發(fā)形核，合金熔體可以高達(dá)數(shù)米每秒的速度高速生長，通過人為控制合金晶體生長時(shí)的形核條件，可以制備出成分均勻的定向材料，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂焖俣ㄏ蚰碳夹g(shù) 。1981年Lux等人提出了過冷熔體的定向凝固問題，1989年,Kiminami利用非晶形成合金Pd77.5Cu6Si16.5研究了負(fù)溫度梯度下定向凝固的可能性。1992年，Stanescud等報(bào)道了一種所謂自激發(fā)定向凝固(ADS-autonomous directional solidification)法制備高溫合金單晶葉片的方法，但ADS技術(shù)存在著很多不足，比如需要借助于外加溫度場才能完成定向凝固過程，因此同樣需要強(qiáng)制冷卻裝置。深過冷定向凝固技術(shù)則有可能克服ADS技術(shù)上的以上缺點(diǎn)。深過冷快速凝固在普通設(shè)備上就可以實(shí)現(xiàn)，無需復(fù)雜設(shè)備提供外加溫度場，成本低，凝固時(shí)間短，可大幅度提高生產(chǎn)效率，改善凝固組織及其性能，是一種很有潛力的定向凝固方法。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，王國斌(王國斌.磁場中凝固深過冷Fe81Ga19，合金的顯微結(jié)構(gòu)和磁致伸縮性能研究.[D][碩士學(xué)位論文].蘭州，蘭州理工大學(xué)碩士論文，2012)利用熔融玻璃凈化與循環(huán)過熱相結(jié)合的方法使Fe81Ga19合金分別獲得了 198K，270K和300K的大過冷度，將深過冷Fe-Ga合金定向激發(fā)之后，顯微組織中沒有高度發(fā)達(dá)的柱狀晶，而是由底部激冷層、柱狀晶以及等軸晶三部分組成。過冷度為198K的合金其軸向擇優(yōu)取向?yàn)閇100]方向，晶體內(nèi)部存在A2相和D03相。進(jìn)一步檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，李建國(JK Zhou, J G L1.Effect of denucleatingglass composition on undercooling of Fe83Gal7 alloy melts.Journal ofAlloys and Compounds, 2009，467:179 — 181)等分別利用 B2O3, 90%NaSiCa+10% B2O3以及70% Na-S1-Ca-Al-B +30%Na2B704 二種凈化劑對(duì)Fe-Ga進(jìn)行深過冷處理，發(fā)現(xiàn)70%Na-S1-Ca-Al-B+30% Na2B7O4能夠使Fe-Ga合金穩(wěn)定獲得300K左右的過冷度，并在文獻(xiàn)(200910054907.S.Fe-Ga合金深過冷凈化劑及其制備方法.中華人民共和國.C，CN101613811A 2009年12月30日)中對(duì)該凈化劑進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述。玻璃的粘度變化有可能造成過冷度不穩(wěn)定，影響定向結(jié)晶效果。綜合分析已經(jīng)公布的深過冷制備合金棒材的方法得知，現(xiàn)有的技術(shù)存在以下難以克服的缺點(diǎn):
采用玻璃凈化劑凈化合金時(shí)，玻璃的粘度變化、成分波動(dòng)有可能造成合金凈化效果不佳，過冷度不穩(wěn)定，影響定向結(jié)晶效果；
采用玻璃凈化劑結(jié)合循環(huán)過熱凈化合金時(shí)，如果真空度不夠高，金屬熔體隨過熱度的增加，其氧化程度也增加，而氧化物將導(dǎo)致合金熔體的異質(zhì)形核。從而難以達(dá)到預(yù)期的過冷度。熔體過熱保溫時(shí)間如果過長也可能導(dǎo)致已經(jīng)被玻璃吸附的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)重新在電磁攪拌作用下裹入金屬熔體中，因而使凈化效果分散性增加。已公布的陶瓷過濾片只是簡單的網(wǎng)狀孔洞陶瓷片，過濾合金熔體時(shí)，容易堵塞，造成合金熔體流動(dòng)性差，流量小，過濾速率低，如果用于制備深過冷合金則過濾凈化的效果不佳。已公布的陶瓷過濾片一般為兩片過濾片單一機(jī)制完成過濾作用，過濾效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新型陶瓷過濾深過冷制備超磁致伸縮材料Fe-Ga-1n-Tb合金棒材的方法。該方法采用了一種新型的納米晶多孔陶瓷過濾器來過濾金屬熔體，可以更進(jìn)一步的提高熔體的純度，并抑制異質(zhì)形核結(jié)晶過程，從而進(jìn)一步提高過冷度；利用移動(dòng)坩堝加`熱方式結(jié)合液態(tài)金屬過冷激發(fā)定向結(jié)晶制備有取向生長Fe-Ga-1n-Tb合金棒材,解決傳統(tǒng)的制備方法制備的Fe-Ga合金磁致伸縮性能不高、定向結(jié)晶效果欠佳等缺點(diǎn)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
采用Fe-Ga-1n-Tb新型超磁致伸縮合金成分體系；
納米多孔陶瓷過濾器可以自制，過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層圓片狀，采取網(wǎng)絡(luò)通孔和直通孔相結(jié)合的方式過濾Fe-Ga-1n-Tb新型超磁致伸縮合金熔體，使得熔體的純度得到很大提高，達(dá)到深過冷的目的；
將熔體澆鑄到內(nèi)壁光滑的冷卻模具中，一方面阻礙合金的異質(zhì)形核，另一方面可以大大降低合金的欠鑄率。所述的冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra小于0.2 μ m。采用自制的可移動(dòng)加熱式結(jié)晶爐完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固。最終獲得表面光滑、定向程度高、成分精確且均勻的超磁致伸縮合金棒材。
本發(fā)明所述陶瓷過濾深過冷制備Fe-Ga-1n-Tb合金棒材的方法包括以下工藝步驟:
1、裝料
將小塊狀的Fe-Ga系合金置于加厚石英i甘堝中，此Fe-Ga系合金可以為Fe-Ga-1n-Tb成分系列或其他任何成分系列Fe-Ga系合金，然后將整個(gè)坩堝置于真空爐中的感應(yīng)圈內(nèi)；
2、安裝模具將冷卻銅模置于石英坩堝的正下方，使石英坩堝小孔對(duì)準(zhǔn)模具型腔中心，并將冷卻銅模置于大底座銅模的內(nèi)圈中，與之形成緊密配合；冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra小于0.2μπι ;將多孔陶瓷過濾器置于冷卻銅模上方，內(nèi)鑲于大底座銅模，以防止合金液的滲出；
3、深過冷合金真空熔煉及凈化
(O通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下；之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力0.03MPa^0.08 MPa ；
(2)然后接通電源，采用400Α左右的電流將石英坩堝與合金預(yù)熱一段時(shí)間；一方面，排除原料在空氣中吸收的水氣；另一方面防止石英坩堝產(chǎn)生熱裂紋；之后將電流大小加至1350-1450Α ;待Fe-Ga-1n-Tb合金熔化后，從石英坩堝底部小孔中流下來，經(jīng)納米多孔陶瓷器過濾，最終流進(jìn)型腔內(nèi)壁光滑的冷卻銅模中，抑制異質(zhì)核心的非均質(zhì)形核，最大限度的實(shí)現(xiàn)金屬熔體的凈化；
上述納米多孔陶瓷過濾器用下列方法制造；
將過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，最上層的過濾片直通孔孔徑為3飛mm，中間的孔徑為2 3_，最下面的孔徑為0.5 2_，各層直通孔互相錯(cuò)開；
制造工藝為:將化學(xué)純的粒徑小于0.2 μ m的ZrO2粉、Al2O3粉和MgO粉按照ZrO2占70°/Γ90%，Al2O3粉占9°/Γ25%，MgO粉占Ρ/Γ5 %的比例混合，然后在高能球磨機(jī)中將原料粉球磨成20 100納米的納米晶顆粒，然后用粘結(jié)劑PVB即聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇即酒精調(diào)制成陶瓷顆粒漿料；以有機(jī)泡沫聚氨脂海綿體，作為多孔載體，將陶瓷漿料均勻涂覆其上，干燥后在高溫下燃盡載體材料而形成多孔陶瓷過濾器；
4、通過深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)使合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶
將已經(jīng)獲得大過冷度的凈 化后的Fe-Ga-1n-Tb合金樣品再次置于底部無孔的石英坩堝中，然后置于真空感應(yīng)熔煉爐線圈中，感應(yīng)線圈底部置有大體積銅模，模內(nèi)裝有Ga-1n-Sn液態(tài)金屬；在模具的上方放置一隔熱擋板和石棉保護(hù)層；
再次接通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下，之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力為0.03MPa 0.08 MPa，然后接通電源，電流大小為1350-1450A，加熱熔化后接著利用伺服電機(jī)帶動(dòng)升降裝置，運(yùn)動(dòng)速度為:30-80 mm/min ;從而帶動(dòng)石英i甘禍逐漸移動(dòng)進(jìn)入Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源，即在其臨界過冷度之上的某個(gè)溫度點(diǎn)，采用可以提供一定溫度梯度的Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源對(duì)過冷熔體進(jìn)行激發(fā)，為過冷熔體提供適當(dāng)?shù)木植窟^冷度，完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固；
上述深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)通過以下方法制作:
在只包括感應(yīng)線圈、坩堝、電源、真空腔室、真空泵結(jié)構(gòu)的熔煉爐基礎(chǔ)上，按照超磁致伸縮材料定向結(jié)晶要求增添坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)及合金深過冷定向結(jié)晶澆鑄冷卻系統(tǒng)；
坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、絲杠、支架，其上下運(yùn)動(dòng)原理如下:伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)支架上下移動(dòng)，支架帶動(dòng)石英坩堝上下移動(dòng)；所述的坩堝移動(dòng)速度為30 80 mm ；
定向移動(dòng)坩堝是加厚石英坩堝，上端卡在一個(gè)固定支架上；
合金深過冷澆鑄冷卻系統(tǒng)由納米晶陶瓷過濾器、澆鑄漏斗、過濾器支架、澆鑄模具、大底座銅模構(gòu)成。本發(fā)明的有益效果:
陶瓷過濾片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互通孔和直通孔結(jié)合的方式，可以大大提高過濾速率，提高流動(dòng)性；
直通孔采取上層與下層錯(cuò)開形式，避免了合金液體直接流出造成的過濾效果降低現(xiàn)
象；
三個(gè)納米晶多孔陶瓷過濾片通孔孔徑不一樣，采用組合尺寸。最上層的多孔陶瓷過濾片直通孔孔徑較大，中間次之，最下面的孔徑較小。這種組合尺寸可以很好地起到過濾作用。制備陶瓷過濾片的陶瓷原料顆粒由于經(jīng)過了高能球磨成為納米晶晶粒并保留下來。由于晶粒非常細(xì)小，晶界面積很大，大幅提高了物理吸附效果，提高了合金純度，加大過冷度，有望獲得定向結(jié)晶生長較好的大體積Fe-Ga-1n-Tb合金棒材。多孔陶瓷過濾器孔隙率高，氣孔率最高達(dá)90%，孔徑均勻且易于控制。過濾精度高，不與鉄鎵合金發(fā)生反應(yīng)，適用于鉄鎵合金 精密過濾；
可移動(dòng)加熱坩堝的定向結(jié)晶爐，可以使熔體獲得較大且的穩(wěn)定過冷度，可較好的實(shí)現(xiàn)深過冷熔體激發(fā)定向結(jié)晶，適用于Fe-Ga-1n-Tb合金自身的特點(diǎn)，獲得大體積應(yīng)用尺度棒材。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明所制備的Fe-Ga-1n-Tb合金，其熔體純度高、燒損量小、成分均勻且定向結(jié)晶生長較好。通過嚴(yán)格控制Ga、In元素的揮發(fā)量達(dá)到較準(zhǔn)確的控制合金成分的目的。
具體實(shí)施例方式 采用自制的納米晶多孔陶瓷過濾器和可以完成深過冷定向結(jié)晶的真空感應(yīng)熔煉爐。實(shí)施例1
1、熔煉前的準(zhǔn)備
(1)自制納米多孔陶瓷過濾器
將過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，最上層的過濾片直通孔孔徑為5mm，中間的孔徑為3mm，最下面的孔徑為2_，各層直通孔互相錯(cuò)開；
制備納米晶多孔陶瓷過濾器具體制造工藝為:將化學(xué)純的粒徑為0.2μπι的ZrO2粉、Al2O3粉和MgO粉按照ZrO2占90%, Al2O3粉占9%，MgO粉占I %的比例混合，然后在高能球磨機(jī)中將原料粉球磨成100納米的納米晶顆粒，然后用粘結(jié)劑PVB即聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇即酒精調(diào)制成陶瓷顆粒漿料。以有機(jī)泡沫聚氨脂海綿體，作為多孔載體，將陶瓷漿料均勻涂覆其上，干燥后在高溫下燃盡載體材料而形成多孔陶瓷過濾器；
(2)自制深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)
在原購買的熔煉爐(只包括感應(yīng)線圈、坩堝、電源、真空腔室、真空泵結(jié)構(gòu))基礎(chǔ)上，按照超磁致伸縮材料定向結(jié)晶要求進(jìn)行部分改造，增添坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)及合金深過冷定向結(jié)晶澆鑄冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)制作坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、絲杠、支架，其上下運(yùn)動(dòng)原理如下:伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)支架上下移動(dòng)，支架帶動(dòng)石英坩堝上下移動(dòng)；
定做定向移動(dòng)坩堝，該坩堝是一個(gè)足夠長的加厚石英坩堝，上端卡在一個(gè)固定支架上。
設(shè)計(jì)加工合金深過冷澆鑄冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由納米晶陶瓷過濾器、澆鑄漏斗、過濾器支架、澆鑄模具、大底座銅模等幾部分構(gòu)成。(3)裝料
將小塊狀的Fe-Ga系合金置于加厚石英i甘堝中，此Fe-Ga系合金可以為Fe-Ga-1n-Tb成分系列或其他任何成分系列Fe-Ga系合金，然后將整個(gè)坩堝置于真空爐中的感應(yīng)圈內(nèi)；
(5)安裝模具
將冷卻銅模置于石英坩堝的正下方，使石英坩堝小孔對(duì)準(zhǔn)模具型腔中心，并將冷卻銅模置于大底座銅模的內(nèi)圈中，與之形成緊密配合；冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra為0.2 μ m ;將多孔陶瓷過濾器置于冷卻銅模上方，內(nèi)鑲于大底座銅模，以防止合金液的滲出；
2、深過冷合金真空熔煉及凈化
(1)通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下；之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力0.08 MPa ；
(2)然后接通電源，采用400A左右的電流將石英坩堝與合金預(yù)熱一段時(shí)間；一方面，排除原料在空氣中吸收的水氣；另一方面防止石英坩堝產(chǎn)生熱裂紋；之后將電流大小加至1450A ;待Fe-Ga-1n-Tb合金熔化后，從石英坩堝底部小孔中流下來，經(jīng)納米多孔陶瓷過濾，最終流進(jìn)型腔內(nèi)壁光滑的冷卻銅模中，抑制異質(zhì)核心的非均質(zhì)形核。最大限度的實(shí)現(xiàn)金屬熔體的凈化；
3、深過冷合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶
將已經(jīng)獲得大過冷度的凈化后的Fe-Ga-1n-Tb合金樣品再次置于定做的底部無孔的長石英坩堝中，然后置于真空感應(yīng)熔煉爐線圈中，感應(yīng)線圈底部置有大體積銅模，模內(nèi)裝有Ga-1n-Sn液態(tài)金屬；在模具的上方放置一隔熱擋板和石棉保護(hù)層。再次接通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2 Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下，之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力為
0.08 MPa，然后接通電源，電流大小為1450A，加熱熔化后接著利用伺服電機(jī)帶動(dòng)升降裝置，運(yùn)動(dòng)速度為:80 mm/min ;從而帶動(dòng)石英相■禍逐漸移動(dòng)進(jìn)入Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源，即在其臨界過冷度之上的某個(gè)溫度點(diǎn)，采用可以提供一定溫度梯度的Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源對(duì)過冷熔體進(jìn)行激發(fā),為過冷熔體提供適當(dāng)?shù)木植窟^冷度,完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固；
實(shí)施例2
1、熔煉前的準(zhǔn)備
(1)自制納米多孔陶瓷過濾器
將過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，最上層的過濾片直通孔孔徑為4mm，中間的孔徑為2.5mm,最下面的孔徑為1.5_，各層直通孔互相錯(cuò)開；
制備納米晶多孔陶瓷過濾器具體制造工藝為:將化學(xué)純的粒徑為0.15μπι的ZrO2粉、Al2O3粉和MgO粉按照ZrO2占80%，Al2O3粉占16%，MgO粉占4 %的比例混合，然后在高能球磨機(jī)中將原料粉球磨成80納米的納米晶顆粒，然后用粘結(jié)劑PVB即聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇即酒精調(diào)制成陶瓷顆粒漿料。以有機(jī)泡沫聚氨脂海綿體，作為多孔載體，將陶瓷漿料均勻涂覆其上，干燥后在高溫下燃盡載體材料而形成多孔陶瓷過濾器；
(2)自制深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)所述的可以完成深過冷定向結(jié)晶的真空感應(yīng)熔煉爐通過以下具體方法制作:
在原購買的熔煉爐(只包括感應(yīng)線圈、坩堝、電源、真空腔室、真空泵結(jié)構(gòu))基礎(chǔ)上，按照超磁致伸縮材料定向結(jié)晶要求進(jìn)行部分改造，增添坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)及合金深過冷定向結(jié)晶澆鑄冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)制作坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、絲杠、支架，其上下運(yùn)動(dòng)原理如下:伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)支架上下移動(dòng)，支架帶動(dòng)石英坩堝上下移動(dòng)；
定做定向移動(dòng)坩堝，該坩堝是一個(gè)足夠長的加厚石英坩堝，上端卡在一個(gè)固定支架上。設(shè)計(jì)加工合金深過冷澆鑄冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由納米晶陶瓷過濾器、澆鑄漏斗、過濾器支架、澆鑄模具、大底座銅模等幾部分構(gòu)成。(3)裝料
將小塊狀的Fe-Ga系合金置于加厚石英i甘堝中，此Fe-Ga系合金可以為Fe-Ga-1n-Tb成分系列或其他任何成分系列Fe-Ga系合金，然后將整個(gè)坩堝置于真空爐中的感應(yīng)圈內(nèi)；
(5)安裝模具
將冷卻銅模置于石英坩堝的正下方，使石英坩堝小孔對(duì)準(zhǔn)模具型腔中心，并將冷卻銅模置于大底座銅模的內(nèi)圈中，與之形成緊密配合；冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra為0.15 μ m;將多孔陶瓷過濾器置于冷卻銅模上方，內(nèi)鑲于大底座銅模，以防止合金液的滲出；
2、深過冷合金真空熔煉及凈化
(1)通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下；之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力0.07 MPa ；` (2)然后接通電源，采用400A左右的電流將石英坩堝與合金預(yù)熱一段時(shí)間；一方面，排除原料在空氣中吸收的水氣；另一方面防止石英坩堝產(chǎn)生熱裂紋；之后將電流大小加至1400A ;待Fe-Ga-1n-Tb合金熔化后，從石英坩堝底部小孔中流下來，經(jīng)納米多孔陶瓷過濾，最終流進(jìn)型腔內(nèi)壁光滑的冷卻銅模中，抑制異質(zhì)核心的非均質(zhì)形核。最大限度的實(shí)現(xiàn)金屬熔體的凈化；
3、深過冷合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶
將已經(jīng)獲得大過冷度的凈化后的Fe-Ga-1n-Tb合金樣品再次置于定做的底部無孔的長石英坩堝中，然后置于真空感應(yīng)熔煉爐線圈中，感應(yīng)線圈底部置有大體積銅模，模內(nèi)裝有Ga-1n-Sn液態(tài)金屬；在模具的上方放置一隔熱擋板和石棉保護(hù)層。再次接通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2 Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下，之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力為0.07 MPa，然后接通電源，電流大小為1400A，加熱熔化后接著利用伺服電機(jī)帶動(dòng)升降裝置，運(yùn)動(dòng)速度為:60 mm/min ;從而帶動(dòng)石英相■禍逐漸移動(dòng)進(jìn)入Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源，即在其臨界過冷度之上的某個(gè)溫度點(diǎn)，采用可以提供一定溫度梯度的Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源對(duì)過冷熔體進(jìn)行激發(fā),為過冷熔體提供適當(dāng)?shù)木植窟^冷度,完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固；
實(shí)施例3
1、熔煉前的準(zhǔn)備
(I)自制納米多孔陶瓷過濾器
將過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，每層過濾片中除了具有互通網(wǎng)絡(luò)狀孔洞外，還有直通孔。最上層的過濾片直通孔孔徑為3mm，中間的孔徑為2mm，最下面的孔徑為0.5mm，直通孔互相錯(cuò)開；
制備納米晶多孔陶瓷過濾器具體制造工藝為:將化學(xué)純的粒徑為0.15 μ m的ZrO2粉、Al2O3粉和MgO粉按照ZrO2占70%，Al2O3粉占25%，MgO粉占5%的比例混合，然后在高能球磨機(jī)中將原料粉球磨成70納米的納米晶顆粒，然后用粘結(jié)劑PVB即聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇即酒精調(diào)制成陶瓷顆粒漿料。以有機(jī)泡沫聚氨脂海綿體，作為多孔載體，將陶瓷漿料均勻涂覆其上，干燥后在高溫下燃盡載體材料而形成多孔陶瓷過濾器；
(2)自制深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)
所述的可以完成深過冷定向結(jié)晶的真空感應(yīng)熔煉爐通過以下具體方法制作:
在原購買的熔煉爐(只包括感應(yīng)線圈、坩堝、電源、真空腔室、真空泵結(jié)構(gòu))基礎(chǔ)上，按照超磁致伸縮材料定向結(jié)晶要求進(jìn)行部分改造，增添坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)及合金深過冷定向結(jié)晶澆鑄冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)制作坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、絲杠、支架，其上下運(yùn)動(dòng)原理如下:伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)支架上下移動(dòng)，支架帶動(dòng)石英坩堝上下移動(dòng)；
定做定向移動(dòng)坩堝，該坩堝是一個(gè)足夠長的加厚石英坩堝，上端卡在一個(gè)固定支架上。設(shè)計(jì)加工合金深過冷澆鑄冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由納米晶陶瓷過濾器、澆鑄漏斗、過濾器支架、澆鑄模具、大底座銅模等幾部分構(gòu)成。(3)裝料
將小塊狀的Fe-Ga系 合金置于加厚石英i甘堝中，此Fe-Ga系合金可以為Fe-Ga-1n-Tb成分系列或其他任何成分系列Fe-Ga系合金，然后將整個(gè)坩堝置于真空爐中的感應(yīng)圈內(nèi)；
(5)安裝模具
將冷卻銅模置于石英坩堝的正下方，使石英坩堝小孔對(duì)準(zhǔn)模具型腔中心，并將冷卻銅模置于大底座銅模的內(nèi)圈中，與之形成緊密配合；冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra為0.1 μ m ;將多孔陶瓷過濾器置于冷卻銅模上方，內(nèi)鑲于大底座銅模，以防止合金液的滲出；
2、深過冷合金真空熔煉及凈化
(1)通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下；之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力0.03 MPa ；
(2)然后接通電源，采用400A左右的電流將石英坩堝與合金預(yù)熱一段時(shí)間；一方面，排除原料在空氣中吸收的水氣；另一方面防止石英坩堝產(chǎn)生熱裂紋；之后將電流大小加至1350A ;待Fe-Ga-1n-Tb合金熔化后，從石英坩堝底部小孔中流下來，經(jīng)納米多孔陶瓷過濾，最終流進(jìn)型腔內(nèi)壁光滑的冷卻銅模中，抑制異質(zhì)核心的非均質(zhì)形核。最大限度的實(shí)現(xiàn)金屬熔體的凈化；
3、深過冷合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶
將已經(jīng)獲得大過冷度的凈化后的Fe-Ga-1n-Tb合金樣品再次置于定做的底部無孔的長石英坩堝中，然后置于真空感應(yīng)熔煉爐線圈中，感應(yīng)線圈底部置有大體積銅模，模內(nèi)裝有Ga-1n-Sn液態(tài)金屬；在模具的上方放置一隔熱擋板和石棉保護(hù)層。再次接通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2 Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下，之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力為
0.03 MPa，然后接通電源，電流大小為1350A，加熱熔化后接著利用伺服電機(jī)帶動(dòng)升降裝置，運(yùn)動(dòng)速度為:30 mm/min ;從而帶動(dòng)石英相禍逐漸移動(dòng)進(jìn)入Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源，即在其臨界過冷度之上的某個(gè)溫度點(diǎn)，采用可以提供一定溫度梯度的Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源對(duì)過冷熔體進(jìn)行激發(fā),為過冷熔體提供適當(dāng)?shù)木植窟^冷度,完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷過濾深過冷制備Fe-Ga-1n-Tb合金棒材的方法,其特征是: (1)裝料 將小塊狀的Fe-Ga系合金置于加厚石英i甘堝中，此Fe-Ga系合金可以為Fe-Ga-1n-Tb成分系列或其他任何成分系列Fe-Ga系合金，然后將整個(gè)坩堝置于真空爐中的感應(yīng)圈內(nèi)； (2)安裝模具 將冷卻銅模置于石英坩堝的正下方，使石英坩堝小孔對(duì)準(zhǔn)模具型腔中心，并將冷卻銅模置于大底座銅模的內(nèi)圈中，與之形成緊密配合；冷卻銅模內(nèi)壁粗糙度Ra小于0.2 μ m ;將多孔陶瓷過濾器置于冷卻銅模上方，內(nèi)鑲于大底座銅模，以防止合金液的滲出； (3)深過冷 合金真空熔煉及凈化 (A)通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下；之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力0.03MPa^0.08 MPa ； (B)然后接通電源，采用400A左右的電流將石英坩堝與合金預(yù)熱一段時(shí)間；一方面，排除原料在空氣中吸收的水氣；另一方面防止石英坩堝產(chǎn)生熱裂紋；之后將電流大小加至1350-1450A ;待Fe-Ga-1n-Tb合金熔化后，從石英坩堝底部小孔中流下來，經(jīng)納米多孔陶瓷器過濾，最終流進(jìn)型腔內(nèi)壁光滑的冷卻銅模中，抑制異質(zhì)核心的非均質(zhì)形核，最大限度的實(shí)現(xiàn)金屬熔體的凈化； 所述納米多孔陶瓷過濾器用下列方法制造； 將過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，最上層的過濾片直通孔孔徑為:T5mm，中間的孔徑為2 3_，最下面的孔徑為0.5 2_，各層直通孔互相錯(cuò)開； 制造工藝為:將化學(xué)純的粒徑小于0.2 μ m的ZrO2粉、Al2O3粉和MgO粉按照ZrO2占70°/Γ90%，Al2O3粉占9°/Γ25%，MgO粉占Ρ/Γ5 %的比例混合，然后在高能球磨機(jī)中將原料粉球磨成20 100納米的納米晶顆粒，然后用粘結(jié)劑PVB即聚乙烯醇縮丁醛、無水乙醇即酒精調(diào)制成陶瓷顆粒漿料；以有機(jī)泡沫聚氨脂海綿體，作為多孔載體，將陶瓷漿料均勻涂覆其上，干燥后在高溫下燃盡載體材料而形成多孔陶瓷過濾器； (4)通過深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)使合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶； 將已經(jīng)獲得大過冷度的凈化后的Fe-Ga-1n-Tb合金樣品再次置于底部無孔的石英坩堝中，然后置于真空感應(yīng)熔煉爐線圈中，感應(yīng)線圈底部置有大體積銅模，模內(nèi)裝有Ga-1n-Sn液態(tài)金屬；在模具的上方放置一隔熱擋板和石棉保護(hù)層； 再次接通循環(huán)冷卻水，關(guān)閉爐門，先利用真空機(jī)械泵、羅茨泵將真空爐抽空至IXlO2Pa以下，再用擴(kuò)散泵將真空爐抽空至10_2 Pa以下，之后通入高純Ar氣至爐內(nèi)壓力為0.03MPa 0.08 MPa，然后接通電源，電流大小為1350-1450A，加熱熔化后接著利用伺服電機(jī)帶動(dòng)升降裝置，運(yùn)動(dòng)速度為:30-80 mm/min ;從而帶動(dòng)石英i甘禍逐漸移動(dòng)進(jìn)入Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源，即在其臨界過冷度之上的某個(gè)溫度點(diǎn)，采用可以提供一定溫度梯度的Ga-1n-Sn液態(tài)金屬激發(fā)源對(duì)過冷熔體進(jìn)行激發(fā)，為過冷熔體提供適當(dāng)?shù)木植窟^冷度，完成深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固； 所述深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)通過以下方法制作: 在只包括感應(yīng)線圈、坩堝、電源、真空腔室、真空泵結(jié)構(gòu)的熔煉爐基礎(chǔ)上，按照超磁致伸縮材料定向結(jié)晶要求增添坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)及合金深過冷定向結(jié)晶澆鑄冷卻系統(tǒng)；坩堝定向移動(dòng)系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、絲杠、支架，其上下運(yùn)動(dòng)原理如下:伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠再帶動(dòng)支架上下移動(dòng)，支架帶動(dòng)石英坩堝上下移動(dòng)；所述的坩堝移動(dòng)速度為30 80 mm ； 定向移動(dòng)坩堝是加厚石英坩堝，上端卡在一個(gè)固定支架上； 合金深過冷澆鑄冷卻系 統(tǒng)由納米晶陶瓷過濾器、澆鑄漏斗、過濾器支架、澆鑄模具、大底座銅模構(gòu)成。
全文摘要
一種陶瓷過濾深過冷制備Fe-Ga-In-Tb合金棒材的方法，采用Fe-Ga-In-Tb新型超磁致伸縮合金成分體系，克服鐵鎵二元成分體系合金熔煉非常困難的缺點(diǎn)，首次采用納米多孔陶瓷過濾器過濾合金熔體，提高Fe-Ga-In-Tb熔體的純度，使合金熔體深過冷，而后再次加熱合金，通過深過冷定向結(jié)晶系統(tǒng)使合金液態(tài)金屬激發(fā)定向結(jié)晶生長。本發(fā)明所制備的合金棒材表面光滑、定向程度高、成分精確且均勻，具有較好的綜合性能。
文檔編號(hào)C22C33/04GK103146982SQ20131010212
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者晏建武, 羅亮, 彭阿芳, 張晨曙 申請(qǐng)人:南昌工程學(xué)院