CN111850420A - 一种具有室温零热膨胀效应的合金材料 - Google Patents

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岑冬煜
燕丽娜
龚元元
徐锋
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    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
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Abstract

本发明公开了一种具有室温零热膨胀效应的合金材料，由Hf、Ta和Fe三种金属元素组成，分子式为Hf0.80Ta0.20Fe2.5，该合金材料包含C14相和富铁相两相，该合金材料具有如下特征：1）发生零热膨胀的温区为234K‑373K；2）热膨胀系数为0.848×10‑6K‑1。本发明无需退火，节省了实验成本，提高了效率，扩大了相变温区，并且在室温附近实现零热膨胀，更有利于实际应用，大大提高材料力学性能。

Description

一种具有室温零热膨胀效应的合金材料
技术领域
本发明涉及一种具有室温零热膨胀效应的合金材料Hf0.80Ta0.20Fe2.5，属于零热膨胀材料技术领域。
背景技术
零热膨胀材料应用十分广泛，例如航天材料、发动机部件、集成线路板和光学器件等许多领域，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MgZn2型(Hf,Ta)Fe2合金中，随着温度降低会出现一个反铁磁到铁磁转变的结构相变，并伴随着较大的体积膨胀，是一个负热膨胀行为。该合金材料存在许多问题，例如：相变温区不在室温附近；相变温区较窄；表面具有很多裂纹，力学性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有室温零热膨胀效应的合金材料。
实现本发明目的的技术方案为：一种具有室温零热膨胀效应的合金材料，由铪（Hf），钽（Ta）,铁（Fe）三种金属组成，分子式为Hf0.80Ta0.20Fe2.5。
较佳的，该合金材料包含C14相和富铁相两相。
较佳的，该合金材料具有如下特征：
1）温度以及磁场诱导的磁膨胀相变发生在室温（234K-373K）。
2）热膨胀系数为0.848×10-6K-1。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1）无需退火，节省实验成本，效率得到提高。
2）扩大了相变温区，并且在室温附近实现零热膨胀，更有利于实际应用。
3）大大提高材料力学性能。
附图说明
图1是Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的室温合金XRD衍射数据。
图2是Hf0.80Ta0.20Fe2.5合金中Hf, Ta, Fe元素的分布图。
图3是Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的磁性温度曲线。
图4是Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的热膨胀系数随温度变化曲线。
具体实施方式
本发明通过改变合金的成分，来扩大相变温区获得合金材料的零热膨胀。本发明所述合金的具体制备方法为：所用的合金元素Hf、Ta、Fe纯度为99.9%，按照对应合金分子式中的比分进行精确配比称量，利用电子天平称取得到10克合金样品。称量完毕后，迅速将原料放入电弧熔炼炉中，密封炉体并用高纯氩气氛围保护。在电弧熔炼炉操作过程中，首先开启机械泵，对熔炼炉内的气体粗抽，并将炉体内的气压降低至20 Pa以下；然后再开启分子泵在低压状态下持续抽真空，当炉体内的气压达到5×10-3 Pa左右时关闭分子泵。随后打开保护气开关，向炉体内通入高纯氩气，当炉体内的气压达到0.5个大气压时关闭保护气开关。熔炼开始前，调节钨电极的位置，使电极的尖端位于用来引弧的单质原料上方约1cm处，然后打开熔炼电源并点击引弧开关，开始熔炼样品。在熔炼的过程中，适当增大电弧电流使原料中各单质元素能充分融化形成熔融态的铸锭；同时开启磁力搅拌功能让熔融态的铸锭快速旋转，从而使得元素分布更加均匀。每个样品每次熔炼的时间约为2-3分钟，熔炼结束后应关闭熔炼电源，等待10分钟左右，使样品能够充分冷却，然后使用机械手将铸锭翻转，再进行第二次熔炼。为了尽可能保证铸锭的成分均匀性，我们对每个铸锭都反复熔炼3-4遍。
实施例1
将熔炼好的样品取一小块磨成粉末状，对粉末状样品进行XRD测试。
利用X射线衍射仪（X-ray Diffraction：XRD）测了合金的物相结构。
图1是Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的室温合金XRD衍射数据，可以看出随着Fe掺杂量增加，Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)不改变六角MgZn2型晶胞结构，因此表明多掺Fe不会产生杂质。
实施例2
利用线切割机从样品中切下一片2毫米厚的薄片，对薄片进行粗磨-精磨-抛光操作，然后将抛光完的表面进行腐蚀，腐蚀液由氢氟酸、硝酸和去离子水混合组成，配比为2:5:20，腐蚀时间为10秒，然后对腐蚀完的样品进行SEM测试。
利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope）测量了Hf0.80Ta0.20Fe2.5合金中元素的分布。
图2是Hf0.80Ta0.20Fe2.5合金中Hf, Ta, Fe元素的分布图，可以看出晶界处富Fe元素，缺少Hf和Ta元素，表明晶界处为富Fe相，即出现了相分离。
实施例3
从熔炼完的样品中取20毫克左右的小颗粒，进行VSM测试。
利用振动样品磁强计(Vibrating sample magnetometer)测量了0.1T磁场下Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的室温磁性温度曲线。
图3是Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)在0.1T磁场下测量得到的室温磁性温度曲线，可以看出随着Fe元素含量的增加，Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的相变温度逐渐增加，并趋于室温。
实施例4
利用线切割机将样品切成5mm*5mm*5mm的立方体，进行TMA测试。
利用热机械分析仪(thermomechanical analyzer）测量了Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的热膨胀系数温度曲线。
图4为Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的热膨胀系数随温度变化曲线,从图中可以看出,随着Fe元素含量的增加, Hf0.80Ta0.20Fe2+y合金(y=0.1,0.3,0.5,0.7)的相变温度逐渐增加,并趋于室温,相变温区逐渐变宽。其中,优选合金Hf0.80Ta0.20Fe2.5在234K-373K温区内,平均线膨胀系数为0.848×10-6K-1,达到了零热膨胀的标准。

Claims (4)

1.一种具有室温零热膨胀效应的合金材料，其特征是，由Hf、Ta和Fe三种金属元素组成，分子式为Hf0.80Ta0.20Fe2.5。
2.根据权利要求1所述的具有室温零热膨胀效应的合金材料，其特征是，该合金材料包含C14相和富铁相两相。
3.根据权利要求1所述的具有室温零热膨胀效应的合金材料，其特征是，该合金材料发生零热膨胀的温区为234K-373K。
4.根据权利要求1所述的具有室温零热膨胀效应的合金材料，其特征是，该合金材料的热膨胀系数为0.848×10-6K-1。
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