CN106222744B - 一种稀土金属单晶体及其制备方法 - Google Patents

一种稀土金属单晶体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种稀土金属单晶体及其制备方法,制备方法包括:A、将稀土金属熔炼为铸锭,并冷却铸锭,控制冷却速度,形成等轴晶;B、将铸锭按晶粒轴向方向挤压;C、将挤压后的铸锭装入带辅助线圈的真空感应炉中,按设定加热制度加热并变换辅助线圈位置,设定每2~10小时变换辅助线圈位置一次;D、生长5~10小时后,关闭加热,冷却样品,将样品再次按晶粒轴向方向挤压,然后重复步骤C的操作,直至生长时间总计10~100小时;E、将生长完成的铸锭,按可见晶界切割,得到稀土金属单晶体。本发明工艺简单,产物纯度高,晶粒尺寸大,采用本发明的制备方法所制备的产品可用于金属材料研发的基准材料,定向转换材料,镀膜材料等。

Description

一种稀土金属单晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域,尤其涉及一种稀土金属单晶体及其制备方法。
背景技术
金属单晶体具有各向异性性能,同时不存在晶界处缺陷,所以应用较为广泛。目前主要应用于金属材料研发的基准材料,定向转换材料,镀膜材料等领域,对国民经济的发展至关重要。
金属单晶体目前的主要制备方法包括:
1、气相单晶生长技术:气相沉积法;
2、固态单晶生长技术:再结晶退火法、固态电迁移法;
3、液态单晶生长技术:区域熔炼法、提拉法和温度梯度法。
但上述方法存在各种不足之处:例如,气相沉积技术单晶一般尺寸较小,气孔较多,同时与坩埚壁严重粘接,分离时容易给单晶造成应变;固态单晶生长技术中的再结晶退火法和固态电迁移法,由于基体金属微观形态的限制(晶粒无贯穿),使得制备的单晶颗粒切割困难,而且尺寸较小;液态单晶生长技术容易造成坩埚污染,且制备时间长,工艺条件苛刻,投资大。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种稀土金属单晶体及其制备方法,旨在解决现有技术中尺寸较小、品质较差、制备时间长、工艺条件苛刻等问题。
本发明的技术方案如下:
一种稀土金属单晶体的制备方法,其中,包括:
步骤A、将稀土金属熔炼为铸锭,并冷却铸锭,控制冷却速度,形成等轴晶;
步骤B、将铸锭按晶粒轴向方向挤压;
步骤C、将挤压后的铸锭装入带辅助线圈的真空感应炉中,按设定加热制度加热并变换辅助线圈位置,设定每2~10小时变换辅助线圈位置一次;
步骤D、生长5~10小时后,关闭加热,冷却样品,将样品再次按晶粒轴向方向挤压,然后重复步骤C的操作,直至生长时间总计10~100小时;
步骤E、将生长完成的铸锭,按可见晶界切割,得到稀土金属单晶体。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述步骤B中,控制塑性变形量1~10%。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述步骤C中,控制塑性变形量0.5~5%。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,真空感应炉中充满惰性气体,气压为500~1000Pa。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述步骤A中,铸锭的主体为柱状,铸锭的底部为半球状。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述步骤B中,在挤压之前,先将铸锭的底部切除。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述步骤A中的稀土金属采用蒸馏法或固态电迁移法或电解精炼法制备。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种或几种。
所述的稀土金属单晶体的制备方法,其中,稀土金属为Tb、Dy、Ho、Lu、Sc或Y。
一种稀土金属单晶体,其中,采用如上任一项所述的制备方法制成。
有益效果:本发明的制备方法,工艺简单,产物纯度高,晶粒尺寸大,采用本发明的制备方法所制备的产品可用于金属材料研发的基准材料,定向转换材料,镀膜材料等。
附图说明
图1为本发明一种稀土金属单晶体的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明中稀土金属Sc的定向凝固等轴晶金相组织示意图。
具体实施方式
本发明提供一种稀土金属单晶体及其制备方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,图1为本发明一种稀土金属单晶体的制备方法较佳实施例的流程图,如图所示,其包括:
步骤S1、将稀土金属熔炼为铸锭,并冷却铸锭,控制冷却速度,形成等轴晶;
步骤S2、将铸锭按晶粒轴向方向挤压;
步骤S3、将挤压后的铸锭装入带辅助线圈的真空感应炉中,按设定加热制度加热并变换辅助线圈位置,设定每2~10小时变换辅助线圈位置一次;
步骤S4、生长5~10小时后,关闭加热,冷却样品,将样品再次按晶粒轴向方向挤压,然后重复步骤C的操作,直至生长时间总计10~100小时;
步骤S5、将生长完成的铸锭,按可见晶界切割,得到稀土金属单晶体。
具体来说,在所述步骤S1中,将高纯的稀土金属用真空电弧熔炼炉或真空磁悬浮熔炼炉,熔炼为铸锭,并冷却铸锭(采用冷却器冷却),控制冷却速度(冷却器的冷却水出口温度为30~50℃,如40℃),形成等轴晶(即等轴晶锭),一个具体的实例如图2所示,其为稀土金属Sc的定向凝固等轴晶金相组织示意图),铸锭的主体为柱状,铸锭的底部为半球状,等轴晶轴向法线垂直于冷却器切线。稀土金属优选为Tb、Dy、Ho、Lu、Sc或Y。选用的稀土金属,纯度大于99.99%,杂质含量小于0.01%。
在所述步骤S2中,将铸锭按晶粒轴向方向挤压,在挤压过程中控制塑性变形量1~10%。挤压位置为铸锭表面,对称均匀取10~20个区域进行挤压。
在所述步骤S2挤压之前,先将铸锭的底部切除,即切掉半球状底部,保证等轴晶同向。
进一步,所述步骤S3中,将挤压后的铸锭,装入带辅助线圈的真空感应炉中,然后保持真空度低于2×10-3Pa后,再充惰性气体至压力为500~1000Pa,所述惰性气体为氩气、氮气及氦气中的一种或几种。所述真空感应炉为石英罩真空感应炉。
按设定加热制度加热并移动辅助线圈位置,以变换辅助线圈磁场位置,在铸锭上生长单晶体(加热制度如表一所示),设定每2~10小时变换辅助线圈位置一次。
表一
阶段 温度确定 停留时间(h) 线圈位置
1 M×(0.6~0.85) 2~10 试样中部
2 M×(0.5~0.75) 2~10 试样顶端
3 M×(0.5~0.75) 2~10 试样底端
4 M×(0.6~0.85) 2~10 试样中部
…… …… …… ……
省略号为按照1~4的阶段循环,即执行完阶段4之后再返回执行阶段1。
注:M表示对应金属的熔点,例如Tb的熔点为1356℃,Lu的熔点为 1656.0 ℃,Y的熔点为1522℃。也就是说,对于不同的稀土金属,在加热过程中采用不同的温度。括号中的内容为温度系数的范围,例如(0.6~0.85)*1356表示在该阶段采用上述温度进行加热。其中的试样表示对应金属(柱状),例如试样中部表示辅助线圈位于对应金属的中部(柱状的1/2高度处),试样顶端表示辅助线圈位于对应金属的顶端,试样底端表示辅助线圈位于对应金属的底端。
辅助线圈的作用是产生定向磁场,加热过程采用加热线圈完成,辅助线圈的电流电压和加热线圈同步。
在所述步骤S4中,设定生长5~10小时后,关闭加热,样品(铸锭)完全冷却后,取出样品,再次按晶粒轴向方向挤压,控制塑性变形量0.5~5%,挤压位置为铸锭表面,按照对称均匀取10~20个区域的方式进行挤压,随后重复步骤C的操作;直至生长时间总计10~100小时,铸锭上晶粒长大,生成可见的大晶粒,一般每个铸锭生长1~4个单晶晶粒。
最后在所述步骤S5中,将生长完成的铸锭,按可见晶界切割(精确定向切割),得到单个单晶体。
进一步,所述步骤S1中的稀土金属采用蒸馏法或固态电迁移法或电解精炼法制备,优选蒸馏法制备稀土金属。
本发明还提供一种稀土金属单晶体,其采用如上所述的制备方法制成。
实施例1
1、取稀土金属Sc用真空悬浮熔炼炉重熔,待其充分熔化,熔炼为铸锭,关闭加热电源,控制冷却水出口温度40℃左右,水冷铸锭,形成等轴晶锭;
2、将铸锭切去底部半球,按等轴晶方向,即铸锭圆周面方向等距离选择16个点,挤压铸锭,控制塑性变形量2%左右;
3、将挤压处理的铸锭,置于石英罩真空感应炉中,抽真空至2×10-3Pa,后充Ar气至800Pa;
4、开启真空感应炉进行加热,将辅助线圈移动至试样高度1/2位置处,控制温度1200℃,保持3h,移动辅助线圈至试样顶端位置,控制温度850℃,保持2h,再次移动辅助线圈至试样底端位置,控温850℃,保持2h;
5、关闭加热,待试样冷却后,取出试样,再次在试样圆周面等距选取16个点,挤压试样,控制塑性变形量1%左右;
6、重复第4、第5的动作3次,停止生长,待试样完全冷却后,取出试样,按可见晶界切割试样,得到尺寸为8.5×11×17mm的单晶体颗粒。
实施例2
1、取稀土金属Y用真空悬浮熔炼炉重熔,待其充分熔化,熔炼为铸锭,关闭加热电源,控制冷却水出口温度50℃左右,水冷铸锭,形成等轴晶锭;
2、将铸锭切去底部半球,按等轴晶方向,即铸锭圆周面方向等距离选择16个点,挤压铸锭,控制塑性变形量3%左右;
3、将挤压处理的铸锭,置于石英罩真空感应炉中,抽真空至2×10-3Pa,后充Ar气至800Pa;
4、开启真空感应炉进行加热,将辅助线圈移动至试样高度1/2位置处,控制温度1200℃,保持3h,移动辅助线圈至试样顶端位置,控制温度850℃,保持2h,再次移动辅助线圈至试样底端位置,控温850℃,保持2h;
5、关闭加热,待试样冷却后,取出试样,再次在试样圆周面等距选取16个点,挤压试样,控制塑性变形量1%左右;
6、重复第4、第5的动作3次,停止生长,待试样完全冷却后,取出试样,按可见晶界切割试样,得到尺寸为7×12×12mm的单晶体颗粒。
实施例3
1、取稀土金属Ho用真空悬浮熔炼炉重熔,待其充分熔化,熔炼为铸锭,关闭加热电源,控制冷却水出口温度35℃左右,水冷铸锭,形成等轴晶锭;
2、将铸锭切去底部半球,按等轴晶方向,即铸锭圆周面方向等距离选择16个点,挤压铸锭,控制塑性变形量2.5%左右;
3、将挤压处理的铸锭,置于石英罩真空感应炉中,抽真空至2×10-3Pa,后充Ar气至1000Pa;
4、开启真空感应炉进行加热,将辅助线圈移动至试样高度1/2位置处,控制温度1000℃,保持2h,移动辅助线圈至试样顶端位置,控制温度700℃,保持2h,再次移动辅助线圈至试样底端位置,控温700℃,保持2h;
5、关闭加热,待试样冷却后,取出试样,再次在试样圆周面等距选取16个点,挤压试样,控制塑性变形量1%左右;
6、重复第4、第5的动作4次,停止生长,待试样完全冷却后,取出试样,按可见晶界切割试样,得到尺寸为11×12×18mm的单晶体颗粒。
综上所述,本发明首先通过定向凝固铸锭技术,制备出等轴晶系合金锭;然后经过定向、定点挤压,对铸锭中的微观晶粒施加应力;创造性的提出了通过控制磁场方向和定点、交替加热并移动线圈位置变换线圈磁场位置生长单晶体的方法。此方法的优势是,形成的单晶体尺寸大,结构稳定,单晶晶粒贯穿铸锭,易于剥离加工,整个单晶体生长过程金属呈固态存在,避免了坩埚污染。
本发明的制备方法,工艺简单,产物纯度高,晶粒尺寸大,采用本发明的制备方法所制备的产品可用于金属材料研发的基准材料,定向转换材料,镀膜材料等。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,包括:
步骤A、将稀土金属熔炼为铸锭,并冷却铸锭,控制冷却速度,形成等轴晶;
步骤B、将铸锭按晶粒轴向方向挤压;
步骤C、将挤压后的铸锭装入带辅助线圈的真空感应炉中,按设定加热制度加热并变换辅助线圈位置,设定每2~10小时变换辅助线圈位置一次;
步骤D、生长5~10小时后,关闭加热,冷却样品,将样品再次按晶粒轴向方向挤压,然后重复步骤C的操作,直至生长时间总计10~100小时;
步骤E、将生长完成的铸锭,按可见晶界切割,得到稀土金属单晶体。
2.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述步骤B中,控制塑性变形量1~10%。
3.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述步骤D中,控制塑性变形量0.5~5%。
4.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,真空感应炉中充满惰性气体,气压为500~1000Pa。
5.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述步骤A中,铸锭的主体为柱状,铸锭的底部为半球状。
6.根据权利要求5所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述步骤B中,在挤压之前,先将铸锭的底部切除。
7.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述步骤A中的稀土金属采用蒸馏法或固态电迁移法或电解精炼法制备。
8.根据权利要求4所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的稀土金属单晶体的制备方法,其特征在于,稀土金属为Tb、Dy、Ho、Lu、Sc或Y。
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