CN107779748B - 具有室温零膨胀效应的合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室温零膨胀的合金材料及其制备方法，其原子百分比表达式为LaFe18.2Co1.2Si1.6。本发明采用电弧真空熔炼的方法，在5×10‑3 Pa以下的真空度通入高纯氩气，将按合金比分配比好的单质金属反复翻面熔炼三次，在0.2 Pa以下的真空环境中1030℃至1050℃退火500小时至550小时，并在5℃以下冰水中快速淬火从而制得样品。所得到的LaFe18.2Co1.2Si1.6合金由LaFeSi‑1:13相和α‑Fe相组成，在264K‑284K间热膨胀系数为‑6.35×10‑7K‑1，实现零膨胀效应，且具有优异的力学性能（抗压强度约970MPa）和良好的导电性能（电导率约1.35×10‑6Ω·m）。

Description

具有室温零膨胀效应的合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有室温零膨胀效应的合金材料及其制备方法，属于负膨胀合金制备领域。
背景技术
零膨胀材料可以被用作电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域，因此具有很高的应用价值。零膨胀材料通常由在负膨胀材料中掺入或复合正膨胀材料来得到。在六角MMX（M=Mn,Ni,Co;X=Ge,Si）负膨胀合金中，伴随着剧烈的一级磁结构相变，膨胀系数可以达到-51.5×10-6K-1。但是由于剧烈的一级相变，常常导致材料的力学性能变差甚至成粉末状，循环性差，无法实际应用。相比于一级相变，二级相变由于不发生结构相变，相变过程比较平缓，通常具有更长的循环周期和良好的力学性能。但是具有二级相变的负膨胀材料通常存在相变温度不在室温，导电性能较差的缺陷。因此寻找一种具有室温零膨胀，高抗压强度和导电性能的材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有室温零膨胀效应的合金材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：所述具有室温零膨胀效应的合金材料，其合金的原子百分比表达式记为LaFe18.2Co1.2Si1.6 。
上述合金材料的制备方法，包括如下步骤：
（一）使用纯度为99.99%以上的La、Fe、Co和Si单质按照合金比分进行配比；
（二）采用电弧真空熔炼炉，在5×10-3 Pa以下的真空度通入高纯氩气，在1700℃至1800℃高温下熔炼1分钟以上且反复翻面熔炼三次；
（三）在0.2 Pa以下的真空环境，1030℃至1050℃温度范围内退火500小时至550小时，并在温度为5℃以下的冰水中快速淬火。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)合金由LaFeSi-1:13相和α-Fe相组成。
2)零膨胀效应发生在室温（264K-284K）。
3)热膨胀系数为-6.35×10-7K-1。
4)材料的力学性能（抗压强度约970MPa）和导电性能优异（电导率约1.35×10-6Ω·m）。
附图说明
图1是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温合金XRD衍射数据。
图2是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温磁化曲线。
图3是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的磁性温度曲线。
图4是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的热膨胀系数随温度变化曲线。
图5是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温应力应变曲线。
图6是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温电阻率曲线。
具体实施方式
本发明所述的合金按如下步骤制备：
（一）使用纯度为99.99%以上的La、Fe、Co和Si单质按照合金比分进行配比。
（二）采用电弧真空熔炼的方法，在5×10-3 Pa以下的真空度通入高纯氩气，在1700℃至1800℃高温下熔炼1分钟以上且每个样品反复翻面熔炼三次。
（三）在0.2 Pa以下的真空环境，1030℃至1050℃温度范围内退火500小时至550小时，并在温度为5℃以下的冰水中淬火。
实施例1
利用X射线衍射仪（X-ray Diffraction：XRD）测了合金的物相结构。图1是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温合金XRD衍射数据，可以看出随着Fe掺杂量增加，LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金中的α-Fe相含量越来越多。
实施例2
利用综合物性测量系统（physical property measurement system：ppms）测量了LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)室温磁化曲线和磁性温度曲线。
图2是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温磁化曲线，合金在室温没有变磁性特征，且几乎没有磁滞存在，所以该相变是二级相变。
图3是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的磁性温度曲线，可以看出随着掺Fe量的增加，LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的居里温度也随之增加。其中当x=4,6,8时，LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金的居里温度在室温范围。
实施例3
利用热机械分析仪(thermomechanical analyzer）测量了LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的热膨胀系数温度曲线。
图4是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的热膨胀系数随温度变化曲线，可以看出随掺Fe量增加，热膨胀系数逐渐由负变正。其中优选合金LaFe18.2Co1.2Si1.6， 264-284K间热膨胀系数为-6.35×10-7K-1，达到零膨胀标准。
实施例4
利用电子万能材料试验机(universal material testing machine)测量了LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温应力应变曲线。
图5是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温应力应变曲线，可以看出，随着掺Fe量的增加，LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的抗压强度显著增加，其中优选合金LaFe18.2Co1.2Si1.6抗压强度达到970MPa。
实施例5
利用电阻测试系统(LSR-3 manufactured by LINSEIS)测量了LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温电阻率曲线。
图6是LaFe10.2+xCo1.2Si1.6合金(x=0,4,6,8,10)的室温电阻率曲线，合金电阻率随掺Fe量增加逐渐减少。其中优选合金LaFe18.2Co1.2Si1.6电阻率为1.35×10-6Ω·m。

Claims (6)

1.具有室温零膨胀效应的合金材料，其特征是，其原子百分比表达式为LaFe18.2Co1.2Si1.6。
2.如权利要求1所述的合金材料，其特征是，合金材料由LaFeSi-1:13相和α-Fe相组成。
3.如权利要求1所述的合金材料，其特征是，合金材料的零膨胀效应发生在264K-284K内。
4.如权利要求1所述的合金材料，其特征是，合金材料的热膨胀系数为-6.35×10-7K-1。
5.如权利要求1所述的合金材料，其特征是，合金材料的抗压强度为970MPa，电导率为1.35×10-6Ω·m。
6.如权利要求1-5任一所述的合金材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（一）使用纯度为99.99%以上的La、Fe、Co和Si单质按照合金比分进行配比；
（二）采用电弧真空熔炼炉，在5×10-3 Pa以下的真空度通入高纯氩气，在1700℃至1800℃高温下熔炼1分钟以上且反复翻面熔炼三次；
（三）在0.2 Pa以下的真空环境，1030℃至1050℃温度范围内退火500小时至550小时，并在温度为5℃以下的冰水中快速淬火。
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