[发明专利]一种陶瓷过滤深过冷制备Fe-Ga-In-Tb合金棒材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷过滤深过冷制备Fe-Ga-In-Tb合金定向结晶棒材的方法，属于材料加工工程领域的功能材料制备技术。

背景技术

Fe-Ga合金虽然表现出优异的综合性能，但是与稀土材料Terfenol-D相比超磁致伸缩性能还有一定差距。添加元素和改进工艺是制备高性能超磁致伸缩Fe-Ga合金的有效途径。

深过冷技术是近年来发展迅速的一种新型快速凝固技术。其关键技术有两点：首先是通过各种处理工艺净化熔体，使其获得热力学深过冷。然后，在合金熔体的临界过冷点附近，对熔体施加一定温度梯度的激发源（冷却源）给予激发，完成深过冷熔体激发定向凝固。

因此，深过冷技术的核心有两点：一是提高合金熔体的纯度以增大过冷度，二是减少浇铸模具表面的异质形核核心抑制非均匀形核过程。

在深过冷条件下，一旦受到激发形核，合金熔体可以高达数米每秒的速度高速生长，通过人为控制合金晶体生长时的形核条件，可以制备出成分均匀的定向材料，被认为是极具发展潜力的新型快速定向凝固技术。

1981年Lux等人提出了过冷熔体的定向凝固问题，1989年，Kiminami利用非晶形成合金 Pd_77.5Cu₆Si_16.5研究了负温度梯度下定向凝固的可能性。1992 年，Stanescud 等报道了一种所谓自激发定向凝固(ADS-autonomous directional solidification)法制备高温合金单晶叶片的方法，但 ADS 技术存在着很多不足，比如需要借助于外加温度场才能完成定向凝固过程，因此同样需要强制冷却装置。

深过冷定向凝固技术则有可能克服 ADS 技术上的以上缺点。深过冷快速凝固在普通设备上就可以实现，无需复杂设备提供外加温度场，成本低，凝固时间短，可大幅度提高生产效率，改善凝固组织及其性能，是一种很有潜力的定向凝固方法。

    经查阅文献，王国斌（王国斌.磁场中凝固深过冷Fe₈₁Ga₁₉，合金的显微结构和磁致伸缩性能研究. [D] [硕士学位论文].兰州，兰州理工大学硕士论文，2012）利用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法使Fe₈₁Ga₁₉合金分别获得了198K, 270K和300K的大过冷度，将深过冷Fe-Ga合金定向激发之后，显微组织中没有高度发达的柱状晶，而是由底部激冷层、柱状晶以及等轴晶三部分组成。过冷度为198K的合金其轴向择优取向为[100]方向，晶体内部存在A2相和DO3相。

进一步检索文献发现，李建国 （J K Zhou, J G Li.Effect of denucleating glass composition on undercooling of Fe83Ga17 alloy melts. Journal of Alloys and Compounds, 2009,467:179一181）等分别利用B₂0₃,90%NaSiCa+10% B₂0₃以及70% Na-Si-Ca-Al-B +30%Na₂B₇0₄二种净化剂对Fe-Ga进行深过冷处理，发现70%Na-Si-Ca-Al-B+30% Na₂B₇0₄能够使Fe-Ga合金稳定获得300K左右的过冷度，并在文献（200910054907.S.Fe-Ga合金深过冷净化剂及其制备方法.中华人民共和国.C,CN 101613811A 2009年12月30日）中对该净化剂进行了系统地阐述。玻璃的粘度变化有可能造成过冷度不稳定，影响定向结晶效果。

综合分析已经公布的深过冷制备合金棒材的方法得知，现有的技术存在以下难以克服的缺点：

采用玻璃净化剂净化合金时，玻璃的粘度变化、成分波动有可能造成合金净化效果不佳，过冷度不稳定，影响定向结晶效果；

采用玻璃净化剂结合循环过热净化合金时，如果真空度不够高，金属熔体随过热度的增加，其氧化程度也增加，而氧化物将导致合金熔体的异质形核。从而难以达到预期的过冷度。

熔体过热保温时间如果过长也可能导致已经被玻璃吸附的异质形核质点重新在电磁搅拌作用下裹入金属熔体中，因而使净化效果分散性增加。