在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法
2023-10-18 14:44:39
專利名稱：在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法
技術領域：
本發明涉及的是一種金屬材料技術領域的方法，具體是一種在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法。
背景技術：
磁晶各向異性是與溫度的變化有關係，一般定義，在溫度超過居裡點以後，磁性材料的磁晶各向異性隨磁性的消失而消失，而在近來的實際觀測中，即使在遠高於居裡點的熔點附近，殘餘的磁晶各向異性仍是存在的。因此在磁場作用的熔體中，如果ΔE＝u0ΔxVHA2/2＞kT得到滿足，u0為真空磁導率，Δx＝x1-x⊥為順磁磁化率的各向異性，V是熔體中晶粒的體積，HA是磁場強度，k是波爾茲曼常量，T是絕對溫度，ΔE代表磁晶各向異性能，kT代表熱擾動因素，凝固過程中晶體的易軸取向可以獲得。使用強的磁場，可在快的凝固速率下獲得平行於磁場的沿易軸取向的多晶織構。
經對現有技術的文獻檢索發現，B.A.Legrand等人在《Journal of Magnetismand Magnetic Materials》(磁性及磁性材料)，173(1997)20-28上發表有「Orientation by solidification in a magnetic field---A new process totexture SmCo compounds used as permanent magnets」(《在磁場中的凝固取向——一種新的釤鈷永磁化合物的織構生長方法》。在實驗中B.A.Legrand對凝固中的SmCo合金施加大於2.5特斯拉的靜磁場，凝固在數秒鐘內完成，獲得了平行於磁場方向的沿易軸取向的織構。但這種沿易軸取向的織構控制新技術目前還主要針對普通凝固領域，尚未體現在定向凝固技術中。這是因為在普通凝固中，如果磁場強度足夠大，在凝固的初始階段，熔體中的形核晶粒將受到足夠大的磁矩作用旋向易軸取向；而在定向凝固技術中，凝固的初始部分是一薄層激冷層，缺乏在普通凝固中能讓形核晶粒自由取向的熔體空間，形核晶粒難以按磁場取向；而在初始凝固以後，形核晶粒通過原子擴散不斷向熔體中延伸，界面能以及過冷等因素將決定最終的晶體取向，和這些因素相比，至少普通的強磁場(＜10特斯拉)對定向生長過程中晶體取向的影響是微弱的，因此在一般的定向凝固技術中，磁場難以對取向產生直接影響。
定向凝固技術和非定向凝固技術在晶體組織方面的主要區別在於定向凝固技術可以使晶體沿某一方向(以下稱縱向)連續生長得到整個產品的單晶組織或胞晶組織等。定向凝固技術通過減少晶界使晶體沿某一方向有序堆垛可以使某一方向的物理或機械性能得以強化，在半導體、磁性、高溫合金等材料的加工領域有著不可替代的價值。而沿易軸方向定向生長的材料往往能取得最佳的物理或機械性能，但某些材料如(TbDy)Fe2和AlTi等在普通的定向凝固技術中不能獲得沿易軸方向的取向。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法。使其結合強磁場下普通凝固技術，在定向凝固初始階段快速下拉一段，同時施加強磁場，獲得沿磁化方向取向的籽晶，將磁場對凝固過程中取向的控制運用到定向凝固技術中以獲得晶體生長沿易軸取向。
本發明通過以下技術方案實現的，具體步驟如下(1)先加熱產品至熔點以上，以保證雜相充分溶解，°如使用的是區熔技術，區熔長度應大於3.5cm，以確保有一較長的完全熔化的熔體區域；(2)施加平行於定向凝固方向的軸向強磁場，磁場強度≥3特斯拉；(3)在上述磁場中，以大於3mm/s的速度下拉定向凝固件1.0-2cm(4)停止下拉，在熔體充分凝固後，可在凝固部分獲得軸向的沿易軸取向的凝固組織；(5)然後在30k/cm-800k/cm的溫度梯度(較低的溫度梯度指Bridgeman法，較高的溫度梯度指區溶法和區溶液態金屬冷卻法)以2-20μm/s的速率進行定向凝固。
在定向凝固時磁場強度可以下降，強度保持在0.2-1.5特斯拉，這樣的磁場強度足以抑制液固界面的溫度波動和紊流，並能壓縮液固界面的過冷區，有利於保持平的液固界面，使溶質原子有序向固相擴散，以實現晶體的有序生長。
本發明在定向凝固初始階段快速下拉一段，同時施加強磁場，使形核晶粒在凝固過程中沿易軸取向，從而在定向凝固件的開始部位獲得多晶的沿易軸取向的凝固組織；這沿易軸取向的端頭可以起到籽晶的作用，然後在較低的磁場以適當的速率進行定向凝固，從而實現沿著籽晶的易軸取向生長。
與現有技術相比，本發明有如下優越性(1)在整個方法中，不用單獨另外製備籽晶，各步驟連續完成。(2)可以有效地確保在多種定向凝固技術中晶體沿籽晶的易軸取向生長。由於磁場可以抑制溫度波動和熔體紊流，並能壓縮液固界面的過冷區，使凝固趨於平衡凝固，從而有助於晶體生長按籽晶的取向進行，這一點在籽晶的取向不是晶體的擇優生長方向時更有意義。因為晶體生長有按擇優生長方向生長的趨勢。在沒有施加靜磁場的區熔法中，運用籽晶技術時，(TbDy)Fe2等不能獲得籽晶的易軸取向而只能獲得普通定向凝固的擇優取向。(3)同樣由於熔體的紊流被抑制，該方法的生產效率和成品率均要高於沒有靜磁場作用的運用籽晶的生產工藝。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供具體實施例實施例1在Bridgeman定向凝固裝置附加一軸向的超導磁場。定向凝固的液固界面控制在磁場的中心區域。定向凝固方向和磁場方向平行，將預先製備的多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材安裝好。然後抽真空至＜5×10-2Pa，充氬氣至0.1MPa。
然後按如下步驟實施(1)將Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材加熱溶化。固液界面的溫度梯度保持在30℃/cm(在施加磁場以後，實際的溫度梯度會將會增加25-50％)。
(2)將棒材加熱後，啟動超導靜磁場，磁場強度為4T。
(3)以5mm/s的速度凝固1.5cm，然後停止移動或下拉，靜置約20秒，使定向凝固件端頭凝固。
(4)然後將磁場強度緩慢調降至200mT。
(5)再繼續進行定向凝固，定向凝固下拉速度為2μm/s，直至整個棒材定向凝固結束。
實施例2在區溶定向凝固裝置附加一軸向的超導磁場。區熔長度為4cm，定向凝固的液固界面控制在磁場的中心區域。定向凝固方向和磁場方向平行，將預先製備的多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材安裝好。然後抽真空至＜5×10-2Pa，充氬氣至0.1MPa。
然後按如下步驟實施(1)將Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材加熱溶化。固液界面的溫度梯度保持在250℃/cm(在施加磁場以後，實際的溫度梯度會將會增加25-50％)。
(2)將棒材加熱後，啟動超導靜磁場，磁場強度為4T。
(3)以5mm/s的速度凝固2cm，然後停止移動，靜置約20秒，使定向凝固件端頭凝固。
(4)然後將磁場強度緩慢調降至800mT。
(5)再繼續進行定向凝固，定向凝固速度為10μm/s，直至整個棒材定向凝固結束。
實施例3在液態金屬冷卻區溶定向凝固裝置附加一軸向的超導磁場。區熔長度為4cm，定向凝固的液固界面控制在磁場的中心區域。定向凝固方向和磁場方向平行，將預先製備的多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材安裝好。然後抽真空至＜5×10-2Pa，充氬氣至0.1MPa。
然後按如下步驟實施(1)將Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材加熱溶化。固液界面的溫度梯度保持在800℃/cm(在施加磁場以後，實際的溫度梯度會將會增加25-50％)。
(2)將棒材加熱後，啟動超導靜磁場，磁場強度為4T。
(3)以5mm/s的下拉速度快速下拉1.0cm，然後停止下拉，靜置約20秒，使定向凝固件端頭凝固。
(4)然後將磁場強度緩慢調降至1.5T。
(5)再繼續進行定向凝固，定向凝固下拉速度為20μm/s，直至整個棒材定向凝固結束。
實施例1-3中均可獲得整個棒材軸向為[111]取向的Tb0.3Dy0.7Fe2定向生長的棒材，除端頭籽晶部位，整個棒材為連續生長的柱晶組織，具有優異的磁致伸縮性能和磁性能。其中實施例1中，在定向凝固中需要的磁場強度最低，但生產效率也低，在實施例3中，在定向凝固中需要的磁場強度較高(因為溫度梯度高，液固界面熔體對流較強烈，需要較強的磁場強度抑制)，但效率也較高。
權利要求
1.一種在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵在於，具體步驟如下(1)先加熱產品至熔點以上，保證雜相充分溶解；(2)施加平行於定向凝固方向的軸向強磁場；(3)在上述磁場中，以大於3mm/s的速度下拉定向凝固件；(4)停止下拉，在熔體充分凝固後，在凝固部分獲得軸向的沿易軸取向的凝固組織；(5)然後進行定向凝固。
2.根據權利要求1所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(1)，當使用區熔技術時，區熔長度大於3.5cm，以確保有一較長的完全熔化的熔體區域。
3.根據權利要求1所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(2)，磁場強度≥3特斯拉。
4.根據權利要求1所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(3)，下拉定向凝固件1.0-2cm。
5.根據權利要求1所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(5)，在30k/cm-800k/cm的溫度梯度下進行定向凝固。
6.根據權利要求1或者5所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(5)，在30k/cm-800k/cm的溫度梯度下以2-20μm/s的速率進行定向凝固。
7.根據權利要求1或者5所述的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，其特徵是，所述的步驟(5)，或者在定向凝固時下調磁場強度，強度保持在0.2-1.5特斯拉。
全文摘要
一種金屬材料技術領域的在磁場中沿易軸取向的定向凝固方法，具體步驟如下(1)先加熱產品至熔點以上，保證雜相充分溶解；(2)施加平行於定向凝固方向的軸向強磁場；(3)在上述磁場中，以大於3mm/s的速度下拉定向凝固件；(4)停止下拉，在熔體充分凝固後，在凝固部分獲得軸向的沿易軸取向的凝固組織；(5)然後進行定向凝固。本發明不用單獨另外製備籽晶，可以有效地確保在多種定向凝固技術中晶體沿籽晶的易軸取向生長，生產效率和成品率均要高於沒有靜磁場作用的運用籽晶的生產工藝。
文檔編號C22F3/00GK1740370SQ20051002930
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月1日 優先權日2005年9月1日
發明者鄧沛然, 李建國 申請人:上海交通大學