JP5217812B2 - Method for producing half-Heusler thermoelectric material - Google Patents
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Description
本発明は、化学量論組成の金属間化合物であるハーフホイスラー合金から成る熱電材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a thermoelectric material composed of a half-Heusler alloy which is an intermetallic compound having a stoichiometric composition.
熱電材料は、2つの基本的な熱電効果であるゼーベック(Seebeck)効果及びペルチェ(Peltier)効果に基づき、熱エネルギと電気エネルギとの直接変換を行なうエネルギ材料である。 Thermoelectric materials are energy materials that perform direct conversion between thermal energy and electrical energy based on two basic thermoelectric effects, the Seebeck effect and the Peltier effect.
熱電材料を用いた熱電発電デバイスは、従来の発電技術に比べて、構造は簡単で、堅牢かつ耐久性が高く、可動部材は存在せず、マイクロ化が容易であり、メンテナンス不要で信頼性が高く、寿命が長く、騒音は発生せず、汚染も発生せず、低温の廃熱を利用可能であるといった多くの利点がある。 Thermoelectric power generation devices using thermoelectric materials are simpler in structure, more robust and more durable than conventional power generation technologies, have no moving parts, are easily micro-sized, require no maintenance, and are reliable. It has many advantages such as high life, long life, no noise, no pollution and low temperature waste heat available.
熱電材料を用いた熱電冷却デバイスも、従来の圧縮冷却技術に比べて、フロン不要で汚染は発生せず、小型化は容易で、可動部材は存在せず、騒音も発生しないなどの利点がある。 Compared to conventional compression cooling technology, thermoelectric cooling devices using thermoelectric materials also have the advantages that they do not require chlorofluorocarbon, do not cause contamination, are easy to downsize, have no moving parts, and do not generate noise. .
そのため、特に近年のエネルギ問題や環境問題の重大化に伴い、航空・宇宙、国防建設、地質及び気象観測、医療衛生、マイクロ電子などの領域や石油化工、冶金、電力工業における廃熱利用方面などの広範な用途への実用化が期待されている。 Therefore, especially in recent years, energy and environmental issues have become more serious, such as aviation / space, national defense construction, geological and meteorological observation, medical hygiene, microelectronics, etc., and utilization of waste heat in petrochemical, metallurgy, and power industries. Is expected to be put to practical use for a wide range of applications.
熱電材料の性能を評価する指数として、パワーファクターP=S2σおよび無次元性能指数ZT=(S2σ/κ)Tが用いられている。ここで、S:ゼーベック係数、σ:導電率、κ:熱伝導率、T:絶対温度である。すなわち、良好な熱電特性を得るには、ゼーベック係数Sおよび導電率σが高く、熱伝導率κが低いことが必要である。 As an index for evaluating the performance of the thermoelectric material, a power factor P = S 2 σ and a dimensionless performance index ZT = (S 2 σ / κ) T are used. Here, S: Seebeck coefficient, σ: conductivity, κ: thermal conductivity, T: absolute temperature. That is, in order to obtain good thermoelectric properties, it is necessary that the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ are high and the thermal conductivity κ is low.
この観点からハーフホイスラー合金は優れた熱電材料として注目されている。 From this point of view, half-Heusler alloys are attracting attention as excellent thermoelectric materials.
特許文献1に、中性原子構成原子がNi、陽イオン構成原子がTi、Zr、Hfのいずれか、陰イオン構成原子がSi、Ge、Sn、Pdのいずれかであるハーフホイスラー熱電材料構成原子の組み合わせ方法が提案されている。しかし、熱電効果の無い異相を含まない単相のハーフホイスラー合金を製造する方法については何ら開示がない。
異相を含まない単相のハーフホイスラー合金の製造方法としては、アーク溶解および浮遊帯状溶融が行なわれている。 As a method for producing a single-phase half-Heusler alloy that does not include a different phase, arc melting and floating zone melting are performed.
アーク溶解による方法は、例えば非特許文献1、2に詳述されており、アーク溶解により目的組成のインゴットを作成し、粉砕して粉末化し、加圧成形および焼結する。しかしこのままでは異相を含み所期の熱電特性が得られないので、熱処理により単相化する必要がある。この熱処理は、固相拡散による均質化過程であり、石英管に真空封入して1073Kで1週間(非特許文献1)あるいは700〜800℃で1〜6週間(非特許文献2)といった極めて長時間を要し、工業的な生産方法としては適用できない。
The method by arc melting is described in detail in, for example,
浮遊帯状溶融による方法は、例えば特許文献2、3に開示されており、浮遊帯状溶融法が元々単結晶成長のための方法であるから、単相の生成物が得られるが、成長に極めて長時間を要するばかりでなく、安定した高品質での製造には多数のパラメータを制御する複雑なノウハウを必要とし、工業的な生産方法としては適用できない。
For example,
そこで、工業生産に適用できる簡素で短時間の製造プロセスとして、液相反応焼結が考えられる。ただしハーフホイスラー合金については液相反応焼結を適用した例はなく、他の系について下記の提案がなされている。 Then, liquid phase reaction sintering can be considered as a simple and short manufacturing process applicable to industrial production. However, there is no example of applying liquid phase reaction sintering for half-Heusler alloys, and the following proposals have been made for other systems.
特許文献4に開示されたBi−Sb合金の製造方法では、Sbが液相を生成する液相反応焼結において、Bi−Sb2元系状態図に基づいて、製造条件を設定している。しかし、ハーフホイスラー合金は3元系化合物であり、2元系化合物とは相律が異なり相平衡が複雑であるため、その3元状態図および反応経路が不明であり、特許文献4の方法は適用できない。 In the method for producing a Bi—Sb alloy disclosed in Patent Document 4, production conditions are set based on a Bi—Sb binary phase diagram in liquid phase reaction sintering in which Sb generates a liquid phase. However, the half-Heusler alloy is a ternary compound, which has a different phase rule from the binary compound and has a complicated phase equilibrium. Therefore, its ternary phase diagram and reaction path are unknown, and the method of Patent Document 4 is Not applicable.
また、特許文献5に開示されたMg2(Si1−xSnx)合金の製造方法では、Mg、Si、Snを目的相と同じ割合で混合し、生成したSn液相を介して反応させることが提示されている。しかし、本発明者の実験によれば、3元合金であるハーフホイスラー合金(例えばTiNiSn)の3つの構成元素(Ti、Ni、Sn)を混合して同様に液相反応させても、所期組成(TiNiSn)の単相は、容易には得られないことが分かった。
Further, in the disclosed Mg 2 (Si 1-x Sn x) the production method of the alloy in
更に、特許文献6に開示されたCoSb3合金の製造方法では、所期組成に対して過剰量のSbを仕込み、生成したSb液相を介して反応させ、結果として所期組成を得ることが提示されている。しかし、この方法では、Sbが粒界に残り異相として合金特性に悪影響を及ぼすことが避けられない。
Furthermore, in the method for producing a CoSb 3 alloy disclosed in
本発明は、液相反応焼結を用い、工業生産に適用できる簡素で短時間の製造プロセスにより、異相を含まない単相を得ることができるハーフホイスラー熱電材料の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a half-Heusler thermoelectric material that can obtain a single phase that does not include a heterogeneous phase by a simple and short-time production process that can be applied to industrial production using liquid phase reaction sintering. And
上記の目的を達成するために、本発明によれば、a,b,c,d,e,fを0または正の数、n,mを正の整数とし、a+b+c=1、d+e=1、f+g=1、(n,m)=(1,3)、(1,1)または(2,1)として、Ti、ZrおよびHfの少なくとも1種と、NiおよびCoの少なくとも1種とから成る金属間化合物〔TiaZrbHfc〕n〔NidCoe〕mの固相と、SnおよびSbの少なくとも1種の液相とを接触させた状態で保持することにより、金属間化合物〔TiaZrbHfc〕〔NidCoe〕〔SnfSbg〕から成るハーフホイスラー合金の固相を生成させることを特徴とするハーフホイスラー熱電材料の製造方法が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a, b, c, d, e, f are 0 or a positive number, n, m are positive integers, a + b + c = 1, d + e = 1, As f + g = 1, (n, m) = (1,3), (1,1) or (2,1), it is composed of at least one of Ti, Zr and Hf and at least one of Ni and Co The intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] n [Ni d Co e ] m is held in contact with at least one liquid phase of Sn and Sb, thereby intermetallic compound [ There is provided a method for producing a half-Heusler thermoelectric material, characterized in that a solid phase of a half-Heusler alloy composed of Ti a Zr b Hf c ] [Ni d Co e ] [Sn f Sb g ] is generated.
金属間化合物〔TiaZrbHfc〕n〔NidCoe〕mの固相と、SnおよびSbの少なくとも1種の液相とを接触させた状態で保持する、という極めて簡素なプロセスで、目的組成の金属間化合物〔TiaZrbHfc〕〔NidCoe〕〔SnfSbg〕の単相のハーフホイスラー合金を短時間で生成させることができる。 An extremely simple process of maintaining the solid phase of the intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] n [Ni d Co e ] m in contact with at least one liquid phase of Sn and Sb. The single-phase half-Heusler alloy of the intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] [Ni d Co e ] [Sn f Sb g ] having the target composition can be formed in a short time.
本発明の方法は、3元系の金属間化合物であるハーフホイスラー合金の3成分をそれぞれ単独で原料として用いずに、3成分のうち2成分から成る金属間化合物を固相状態で用い、残りの1成分の金属を液相状態で用いた点が特徴である。ここで「ハーフホイスラー合金」とは、ハーフホイスラー型金属間化合物の単相またはこれを主用構成相とする合金であり、化学量論組成には限定されず、構成元素に依存して決まる平衡組成を含む。また、「成分」とは、単一の元素のみを指すのではなく、相互に置換可能な一群の元素を一括して指す。すなわち、本発明において原料として用いる金属間化合物〔TiaZrbHfc〕n〔NidCoe〕mの成分は「Ti、ZrおよびHfの少なくとも1種」と「NiおよびCoの少なくとも1種」の2成分であり、残りの1成分は「SnおよびSbの少なくとも1種」である。 In the method of the present invention, the three components of the half-Heusler alloy, which is a ternary intermetallic compound, are not used alone as raw materials, but an intermetallic compound composed of two of the three components is used in a solid state, and the rest This is characterized in that the one-component metal is used in a liquid phase. Here, the “half-Heusler alloy” is a single phase of a half-Heusler intermetallic compound or an alloy having this as a main constituent phase, and is not limited to the stoichiometric composition, but is an equilibrium determined depending on the constituent elements. Includes composition. In addition, the “component” does not indicate only a single element but collectively indicates a group of elements that can be substituted with each other. That is, the components of the intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] n [Ni d Co e ] m used as a raw material in the present invention are “at least one of Ti, Zr and Hf” and “at least one of Ni and Co”. The remaining one component is “at least one of Sn and Sb”.
この意味で上記の「3元系」は、「Ti、ZrおよびHfの少なくとも1種」−「NiおよびCoの少なくとも1種」−「SnおよびSbの少なくとも1種」の3元系を指す。 In this sense, the above “ternary system” refers to a ternary system of “at least one of Ti, Zr and Hf” — “at least one of Ni and Co” — “at least one of Sn and Sb”.
図1を参照して、本発明の原理を説明する。説明を簡潔にするために、金属間化合物〔TiaZrbHfc〕n〔NidCoe〕mとしてTiNiを、金属であるSnおよびSbの少なくとも1種としてSnを原料として用い、ハーフホイスラー合金である金属間化合物〔TiaZrbHfc〕〔NidCoe〕〔SnfSbg〕としてTiNiSnを生成する場合(a=1、b=0、c=0、d=1、e=0、f=1、g=0、n=1、m=1)を説明する。 The principle of the present invention will be described with reference to FIG. In order to simplify the explanation, TiNi is used as an intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] n [Ni d Co e ] m , Sn is used as a raw material at least one of the metals Sn and Sb, and a half-Heusler When TiNiSn is produced as an alloy intermetallic compound [Ti a Zr b Hf c ] [Ni d Co e ] [Sn f Sb g ] (a = 1, b = 0, c = 0, d = 1, e = 0, f = 1, g = 0, n = 1, m = 1).
図1(1)において、金属間化合物TiNiの固相10と、金属Snの液相12とを接触させた状態で保持する。これは、金属間化合物TiNiの固相と、金属Snの固相とを隣接配置して、原料である金属間化合物TiNiの融点および生成物である金属間化合物TiNiSnの融点より低く、かつ、原料である金属Snの融点より高い温度に保持することにより行なうことができる。
In FIG. 1A, the
図1(2)において、金属間化合物TiNiの固相10と金属Snの液相12との反応により、両者の間に金属間化合物TiNiSnの固相14が生成する。
In FIG. 1 (2), the
図1(3)において、保持時間の経過により原料であるTiNi固相10とSn液相12が占めていた体積全体が生成物であるTiNiSn固相14となる。
In FIG. 1 (3), the entire volume occupied by the TiNi
この反応は、反応させる2種の原料の一方を固相とし、他方を液相としたことで、固相内での拡散による反応に比べて遥かに高速で進行する。また、反応する原料を2種に限定したことにより、TiNiとSnの2者間の反応のみに限定することができる。3元系であるTiNiSnハーフホイスラー合金の3成分Ti、Ni、Snをそれぞれ単独で原料として用いると、3種の原料のうちいずれか2種の原料間の反応が局所的に優先されるため、所期のハーフホイスラー型化合物相以外の2元系の異相が生成する。 This reaction proceeds at a much higher speed than the reaction by diffusion in the solid phase because one of the two raw materials to be reacted is a solid phase and the other is a liquid phase. Moreover, by limiting the raw material to react to 2 types, it can be limited only to reaction between two of TiNi and Sn. When the ternary TiNiSn half-Heusler alloy ternary Ti, Ni, and Sn are used individually as raw materials, the reaction between any two of the three raw materials is locally prioritized, A binary heterogeneous phase other than the desired half-Heusler type compound phase is generated.
たとえば、原料として固相のTi、Ni、Snをそれぞれ単独で用いると、NiとSnとの反応が優先的に進行してNi3Sn4(固相)が生成し、これとTi(固相)との反応によりTiNiSn(固相)が生成する反応は、固相拡散を介した反応過程となり長時間を経ても完了しない。 For example, when solid phase Ti, Ni, and Sn are used alone as raw materials, the reaction between Ni and Sn preferentially proceeds to produce Ni 3 Sn 4 (solid phase), which is combined with Ti (solid phase). The reaction with which TiNiSn (solid phase) is generated by the reaction with) becomes a reaction process via solid phase diffusion and is not completed even after a long time.
3種の原料Ti、Ni、Snをアーク溶解して合金化することも考えられるが、Ti、Niに比べて著しく融点の低いSnの存在により液相面が急峻となり、かつ包晶反応が関与するため、液相の組成がSn側に大きくずれてしまい、非平衡的な凝固過程を経て4相が共存する組織となり、単相組織を得ることができない。 It is conceivable that the three raw materials Ti, Ni, and Sn are alloyed by arc melting, but the presence of Sn, which has a significantly lower melting point than Ti and Ni, makes the liquid phase surface steep and involves the peritectic reaction. Therefore, the composition of the liquid phase is greatly shifted to the Sn side, and a structure in which the four phases coexist through a non-equilibrium solidification process cannot be obtained.
〔実施例1〕
原料として金属間化合物であるTinNim合金と金属であるSnを用いて、金属間化合物であるTiNiSnハーフホイスラー合金を製造した。ここで、(n,m)=(1,1)、(1,3)、(2,1)すなわち金属間化合物としてTiNi、TiNi3、Ti2Niの3種類を用いた。
[Example 1]
Using Sn is Ti n Ni m alloy and metal is an intermetallic compound as a starting material was prepared TiNiSn half-Heusler alloy is an intermetallic compound. Here, (n, m) = (1,1), (1,3), (2,1), that is, three types of TiNi, TiNi 3 and Ti 2 Ni were used as intermetallic compounds.
TinNim合金は、Ti、Niをそれぞれ所定量秤量し、アーク溶解にて合成した後、900〜1000℃、72hrの均質化熱処理を行って作成した。 The Ti n Ni m alloy was prepared by weighing a predetermined amount of Ti and Ni and synthesizing them by arc melting, followed by homogenization heat treatment at 900 to 1000 ° C. for 72 hours.
融液内の滞留をできるだけ抑えるために、TinNim合金で作成した図2のような密閉容器内にSnを封じ込めた。すなわちTinNim合金製リングの下面をTinNim合金製ディスクで封じた容器内にSnを装入してから、リングの上面をTinNim合金製ディスクで封じた。この状態でArガス雰囲気中にて500〜1000℃で1hrの熱処理を行った。 In order to suppress as much as possible the retention of the melt and containment Sn in a sealed container, such as in Figure 2 created by Ti n Ni m alloy. That is, the lower surface of the Ti n Ni m alloy ring after charging the Sn into a container sealed with Ti n Ni m alloy discs were sealed to the upper surface of the ring Ti n Ni m alloy disk. In this state, heat treatment was performed at 500 to 1000 ° C. for 1 hr in an Ar gas atmosphere.
その後、空冷した試料を取り出し、図2中に破線で囲った部位を切り出し、SEMの背面反射電子線像による界面の組織観察およびEPMAによる定量化学分析を行なった。結果を図3A、図3B、図4に示す。 Then, the air-cooled sample was taken out, the part enclosed with the broken line in FIG. 2 was cut out, and the structure | tissue observation of the interface by the back-scattered electron beam image of SEM and the quantitative chemical analysis by EPMA were performed. The results are shown in FIGS. 3A, 3B, and 4.
図3A、図3Bは、原料の金属間化合物としてTiNi合金(TinNimでn=1、m=1)を用い、保持温度を図3Aは(1)1000℃、(2)900℃、図3Bは(1)800℃、(2)700℃、(3)500℃とした場合であり、原料のTiNi固相とSn液相との接触界面(固相−液相反応界面)を横断するように走査してEPMA分析した結果である。 3A and 3B use a TiNi alloy (Ti n Ni m , n = 1, m = 1) as a raw intermetallic compound, and FIG. 3A shows holding temperatures of (1) 1000 ° C., (2) 900 ° C. FIG. 3B shows the case of (1) 800 ° C., (2) 700 ° C., and (3) 500 ° C., crossing the contact interface (solid phase-liquid phase reaction interface) between the raw material TiNi solid phase and the Sn liquid phase. This is the result of scanning and EPMA analysis.
図3A(1)に示した1000℃で1時間保持の場合には、TiNi相とSn相との間にTiNiSnハーフホイスラー相が厚さ22μm程度に生成しているが、TiNi2Sn(フル)ホイスラー相も厚さ数μmに生成している。 In the case of holding at 1000 ° C. for 1 hour as shown in FIG. 3A (1), a TiNiSn half-Heusler phase is formed to a thickness of about 22 μm between the TiNi phase and the Sn phase, but TiNi 2 Sn (full) The Heusler phase is also formed to a thickness of several μm.
図3A(2)に示した900℃保持の場合には、TiNi相とSn相との間にTiNiSnハーフホイスラー相が厚さ2.5μm程度に生成している。 In the case of holding at 900 ° C. shown in FIG. 3A (2), a TiNiSn half-Heusler phase is formed to a thickness of about 2.5 μm between the TiNi phase and the Sn phase.
図3B(1)に示した800℃保持の場合には、TiNi相とSn相との間にTiNiSnハーフホイスラー相が厚さ20μm程度に生成している。 In the case of holding at 800 ° C. shown in FIG. 3B (1), a TiNiSn half-Heusler phase is formed to a thickness of about 20 μm between the TiNi phase and the Sn phase.
図3B(2)に示した700℃保持の場合には、同様にTiNi相とSn相との間にTiNiSnハーフホイスラー相が厚さ15μm程度に生成している。 In the case of holding at 700 ° C. shown in FIG. 3B (2), similarly, a TiNiSn half-Heusler phase is formed to a thickness of about 15 μm between the TiNi phase and the Sn phase.
図3B(3)に示した500℃で1時間保持の場合には、TiNiSnハーフホイスラー相の生成は認められない。 In the case of holding at 500 ° C. for 1 hour as shown in FIG. 3B (3), formation of a TiNiSn half-Heusler phase is not recognized.
この結果から、原料として粉末粒径2.5μm×2=5μm程度以上のTiNi粉末とSn粉末とを用い、混合・成形して900℃で1hr保持する熱処理を行えば、接触した両粉末粒子の合計距離10μmに亘ってTiNiSnが生成し、それにより粉末成形体全体として単相のハーフホイスラー合金ができることが分かる。 From this result, using a TiNi powder having a particle diameter of 2.5 μm × 2 = 5 μm or more as a raw material and Sn powder, mixing and forming, and performing a heat treatment of holding at 900 ° C. for 1 hour, both of the contacted powder particles It can be seen that TiNiSn is produced over a total distance of 10 μm, thereby forming a single-phase half-Heusler alloy as the entire powder compact.
更に、原料として粉末粒径20μm×2=40μm程度以上のTiNi粉末とSn粉末とを用い、混合・成形して800℃で1hr保持する熱処理を行えば、接触した両粉末粒子の合計距離80μmに亘ってTiNiSnが生成し、それにより粉末成形体全体として単相のハーフホイスラー合金を合成できることが分かる。 Furthermore, if a TiNi powder having a particle diameter of 20 μm × 2 = 40 μm or more as a raw material and Sn powder are mixed and molded and heat-treated at 800 ° C. and held for 1 hr, the total distance between both contacted powder particles becomes 80 μm. It can be seen that TiNiSn is formed, and that a single-phase half-Heusler alloy can be synthesized as the whole powder compact.
これは従来技術の熱処理時間が少なくとも1週間を要したのに比べて、驚異的な短時間化であり、工業的な生産プロセスとして高い実用性がある。 This is a tremendous shortening of time compared to the conventional heat treatment time of at least one week, and is highly practical as an industrial production process.
また、本実施例から保持温度は800℃が最も好ましく、1000℃未満まで高くすることが可能であることが分かる。原料のTiNiの融点が1310℃、生成するハーフホイスラー相TiNiSnの固相線が1180℃程度である点からも、保持温度の上限を1000℃未満とすることが望ましい。 Further, it can be seen from this example that the holding temperature is most preferably 800 ° C. and can be increased to less than 1000 ° C. The upper limit of the holding temperature is desirably less than 1000 ° C. from the viewpoint that the melting point of the raw material TiNi is 1310 ° C. and the solidus line of the generated half-Heusler phase TiNiSn is about 1180 ° C.
図4(1)は、原料の金属間化合物としてTiNi3合金(TinNimでn=1、m=3)を用い、図4(2)は、原料の金属間化合物としてTi2Ni合金(TinNimでn=2、m=1)を用い、いずれも保持温度を800℃とした場合の同様なEPMA分析結果である。 4 (1) uses a TiNi 3 alloy (Ti n Ni m, where n = 1, m = 3) as a raw material intermetallic compound, and FIG. 4 (2) shows a Ti 2 Ni alloy as a raw material intermetallic compound. (Ti n Ni m , n = 2, m = 1), and both are similar EPMA analysis results when the holding temperature is 800 ° C.
TiNi3相あるいはTi2Ni層とSn相との間にTiNiSnハーフホイスラー相が生成しているが、他の相も生成しているので、単相化するためにより長時間の熱処理を行なっても相平衡は変わらないため、単相化することは難しい。 A TiNiSn half-Heusler phase is formed between the TiNi 3 phase or Ti 2 Ni layer and the Sn phase, but other phases are also formed, so even if heat treatment is performed for a long time to make a single phase. Since the phase equilibrium does not change, it is difficult to make a single phase.
〔実施例2〕
原料として金属間化合物である(Ti0。5Zr0.5)Ni合金と金属であるSnを用いて、金属間化合物である(Ti0。5Zr0.5)NiSnハーフホイスラー合金を製造した。
[Example 2]
Using a (Ti 0.5 Zr 0.5 ) Ni alloy as a raw material and Sn as a metal, a (Ti 0.5 Zr 0.5 ) NiSn half-Heusler alloy as an intermetallic compound was produced. .
実施例1と同様に、(Ti0。5Zr0.5)Ni合金で作製した図2のような密閉容器内にSnを封じ込め。この状態でArガス雰囲気中にて800℃で1hrの熱処理を行った。
その後、空冷した試料を取り出し、図2中に破線で囲った部位を切り出し、SEMの背面反射電子線像による界面の組織観察およびEPMAによる定量化学分析を行なった。結果を図5に示す。図中の各領域は下記の組成であった。
(A)Zrリッチハーフホイスラー(11at%Ti−22at%Zr)*
(B1)Tiリッチハーフホイスラー(26at%Ti−7at%Zr)*
(B2)Tiリッチハーフホイスラー(29at%Ti−4at%Zr)*
*:残部はNi+Snで合計100at%
なお、Zrリッチハーフホイスラー、Tiリッチハーフホイスラーは以下の意味である。
Zrリッチハーフホイスラー:ハーフホイスラーZrNiSnが記述濃度のTiを固溶した状態
Tiリッチハーフホイスラー:ハーフホイスラーTiNiSnが記述濃度のZrを固溶した状態
上記のとおり、TiリッチハーフホイスラーとZrリッチハーフホイスラーに分離して生成する。
As in Example 1, Sn is contained in a sealed container as shown in FIG. 2 made of a (Ti 0.5 Zr 0.5 ) Ni alloy. In this state, heat treatment was performed at 800 ° C. for 1 hr in an Ar gas atmosphere.
Thereafter, an air-cooled sample was taken out, and a part surrounded by a broken line in FIG. The results are shown in FIG. Each region in the figure had the following composition.
(A) Zr rich half-Heusler (11 at% Ti-22 at% Zr) *
(B1) Ti rich half-Heusler (26 at% Ti-7 at% Zr) *
(B2) Ti rich half-Heusler (29 at% Ti-4 at% Zr) *
*: The balance is Ni + Sn with a total of 100at%
In addition, Zr rich half-Heusler and Ti rich half-Heusler mean the following.
Zr-rich half-Heusler: Half-Heusler ZrNiSn has a solid solution of Ti at the stated concentration Ti-Rich Half-Heusler: Half-Heusler TiNiSn has a solid solution of Zr at the stated concentration As described above, the Ti-rich half-Heusler and Zr-rich half-Heusler Generate separately.
次に、図6(1)に示すように、(Ti0。5Zr0.5)Ni合金インゴット60の一部に孔62をあけ、参照番号64で示すようにSnの粒を詰めたものを真空中900℃、40hrの熱処理を施した。熱処理後の(Ti0。5Zr0.5)Ni合金とSnとの界面には、図6(2)に示すように厚さ70μm程度の反応層66が形成されていた。図6(2)に破線枠68で示すように、原料の(Ti0。5Zr0.5)Ni固相とSn液相との接触界面(固相−液相反応界面)70を横断するよう線72に沿って走査してEPMA分析した。図6(3)に示すように、界面から数μmSn側に入った点P1と、界面P2と、界面から(Ti0。5Zr0.5)Ni側に数μm入った点P3とについて、組成は下記のとおりであった。
P1:ハーフホイスラー(19at%Ti−17at%Zr)*
P2:Zrリッチハーフホイスラー(6at%Ti−41at%Zr)*
P3:(Ti0。5Zr0.5)Ni
*:残部はNi+Snで合計100at%
Next, as shown in FIG. 6 (1), a
P1: Half-Heusler (19 at% Ti-17 at% Zr) *
P2: Zr rich half-Heusler (6 at% Ti-41 at% Zr) *
P3: (Ti 0.5 Zr 0.5 ) Ni
*: The balance is Ni + Sn with a total of 100at%
別途、(Ti0。5Zr0.5)Ni合金をアーク溶解により合成し、WC製工具により旋盤加工することで、チップ状とした。これにSn粒を混合し、圧粉したものを真空中にて900℃〜1200℃で熱処理した。熱処理後、試料の粉末XRDについて、ハーフホイスラー(Ti0。5Zr0.5)NiSnとSnとのピーク強度比を求めた。結果を表1に示す。
以上の結果から、(Ti0。5Zr0.5)NiSn系では900℃以上、1200℃未満の熱処理によって、単相ハーフホイスラーが生成可能であると考えられる。
Separately, a (Ti 0.5 Zr 0.5 ) Ni alloy was synthesized by arc melting and turned into a chip shape by lathing with a WC tool. This was mixed with Sn grains and compacted, and heat treated at 900 ° C. to 1200 ° C. in a vacuum. After the heat treatment, the peak intensity ratio of half-Heusler (Ti 0.5 Zr 0.5 ) NiSn and Sn was determined for the powder XRD of the sample. The results are shown in Table 1.
From the above results, it is considered that in the (Ti 0.5 Zr 0.5 ) NiSn system, a single-phase half-Heusler can be generated by heat treatment at 900 ° C. or more and less than 1200 ° C.
〔実施例3〕
原料として金属間化合物である(Ti0。5Hf0.5)Ni合金と金属であるSnを用いて、金属間化合物である(Ti0。5Hf0.5)NiSnハーフホイスラー合金を製造した。
実施例1と同様にして試料を準備した。800℃、1hrの熱処理後、(Ti0。5Hf0.5)Ni原料とSn原料との界面を実施例1と同様にEPMA分析した。結果を図7に示す。図中の各領域は下記の組成であった。
(A1)Tiリッチハーフホイスラー(22at%Ti−11at%Hf〜18at%Ti−15at%Hf)
(A2)Tiリッチのハーフホイスラー(ほぼTiNiSn。Hfなし)
(A3)Tiリッチのハーフホイスラー(31at%Ti−2at%Hf)
このように、Tiの一部をHfで置換しても、熱処理によって単相のハーフホイスラー合金を合成することが可能であることが分かる。
Example 3
Using an intermetallic compound (Ti 0.5 Hf 0.5 ) Ni alloy and a metal Sn as raw materials, an intermetallic compound (Ti 0.5 Hf 0.5 ) NiSn half-Heusler alloy was produced. .
A sample was prepared in the same manner as in Example 1. After the heat treatment at 800 ° C. for 1 hour, the interface between the (Ti 0.5 Hf 0.5 ) Ni raw material and the Sn raw material was analyzed in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. Each region in the figure had the following composition.
(A1) Ti rich half-Heusler (22 at% Ti-11 at% Hf to 18 at% Ti-15 at% Hf)
(A2) Ti-rich half-Heusler (almost TiNiSn, no Hf)
(A3) Ti-rich half-Heusler (31 at% Ti-2 at% Hf)
Thus, it can be seen that a single-phase half-Heusler alloy can be synthesized by heat treatment even if a part of Ti is replaced with Hf.
〔実施例4〕
原料として金属間化合物であるTi(Ni0.8Co0.2)合金と金属であるSnを用いて、金属間化合物であるTi(Ni0.8Co0.2)Snハーフホイスラー合金を製造した。
実施例1と同様にして試料を準備した。800℃、1hrの熱処理後、Ti(Ni0.8Co0.2)原料とSn原料との界面を実施例1と同様にEPMA分析した。結果を図8に示す。図示したように、ハーフホイスラーTi(Ni0.8Co0.2)Snハーフホイスラーが生成している。このハーフホイスラー相は、図8に示すようにCo濃度が0at%〜2at%の範囲で変動している。
このように、Niの一部をCoで置換しても熱処理によって単相のハーフホイスラー合金を合成することが可能であることが分かる。
Example 4
Using Ti (Ni 0.8 Co 0.2 ) alloy, which is an intermetallic compound, and Sn, which is a metal, as raw materials, manufacture a Ti (Ni 0.8 Co 0.2 ) Sn half-Heusler alloy, which is an intermetallic compound. did.
A sample was prepared in the same manner as in Example 1. After the heat treatment at 800 ° C. for 1 hr, EPMA analysis was performed on the interface between the Ti (Ni 0.8 Co 0.2 ) material and the Sn material in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. As shown, a half-Heusler Ti (Ni 0.8 Co 0.2 ) Sn half-Heusler is produced. In the half-Heusler phase, the Co concentration fluctuates in the range of 0 at% to 2 at% as shown in FIG.
Thus, it can be seen that a single-phase half-Heusler alloy can be synthesized by heat treatment even if a part of Ni is replaced by Co.
なお、本発明のハーフホイスラー熱電材料は、微量のドーピング元素を添加してもよい。具体的には、Ti、Zr、Hfの各サイトに対してNd、V、Taを当該サイトの2%(全体に対する約6.7at%)を上限として添加してもよい。
また、実施例では原料として粉末を用いたが、これに限定する必要はなく、薄板やワイヤ状のものを用いてもよい。
The half-Heusler thermoelectric material of the present invention may contain a small amount of doping element. Specifically, Nd, V, and Ta may be added to each site of Ti, Zr, and Hf with an upper limit of 2% of the site (about 6.7 at%).
Moreover, although powder was used as a raw material in the Example, it is not necessary to limit to this and you may use a thin plate and a wire form.
本発明により、液相反応焼結を用い、工業生産に適用できる簡素で短時間の製造プロセスにより、異相を含まない単相を得ることができるハーフホイスラー熱電材料の製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for producing a half-Heusler thermoelectric material capable of obtaining a single phase that does not include a different phase by a simple and short-time production process applicable to industrial production using liquid phase reaction sintering.
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