粉末合成法制备钽、铌及其合金单晶的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金领域，特别是涉及一种难熔金属及其合金单晶制备方法。
【背景技术】
[0002]与传统多晶结构材料相比，难熔金属单晶材料具有塑性一脆性转变温度低、不存在高温和低温晶界破坏、与核材料有良好的相容性、高温结构性能稳定等优点，可以显著提高零件稳定性、可靠性和工作寿命，因此被广泛用于电子、电气、机械、仪表制造、核动力工业和各种高技术研究领域。近年来，随着科学技术的快速发展，难熔金属及其合金单晶的应用领域不断扩大。Nb及其合金单晶广泛应用于超导、航天、核动力工业等。在航天、核动力工业，俄罗斯、美国均将Nb单晶替代Mo，W，Ta及其合金的多晶材料用作热离子燃料元件的接收极材料。如:铌单晶已成为超导领域成加速器腔体不可取代的材料。目前Ta及其合金单晶的研究主要集中于单晶动态力学性能研究，TaTi合金单晶在医学方面得到重要应用。
[0003]难熔金属单晶的制备方法主要有电子束悬浮区域熔炼法、区熔堆积法、感应加热悬浮区域熔炼法、熔滴等离子弧熔炼法、等离子堆熔法、电子束滴熔法以及应变退火法，其中最常用的是电子束悬浮区域熔炼法及区熔堆积法。
[0004]电子束悬浮区域熔炼法是制备难熔金属及其合金单晶的经典方法。电子束悬浮区域熔炼是一个复杂的物理化学过程，包括杂质的区域分离、气体的析出和杂质的蒸发等，因此在区域熔炼过程中单晶的制备取决于熔区的温度梯度和液态金属化学成分的均匀性，具体表现为熔炼室真空度、原料棒的品质、熔炼速度、搅拌速度、籽晶的品质等。区熔堆积法基本原理与电子束悬浮区域熔炼法相同，不同之处是其采用电子束高真空大单晶炉，可以培育出大尺寸难熔金属单晶。这些方法制备工艺复杂、难度大，单晶生长速度慢、设备要求高，能耗大。
[0005]中国专利(申请号:CN201110401587.3)提供了一种射频超导腔用单晶粒铌材制造方法，该方法采用真空电子束对金属铌进行多次熔炼提纯制备出大尺寸铸锭，从铸锭中切割出大颗粒作为单晶。该方法不仅工艺复杂，而且多次熔炼能耗高，原料利用率低等问题突出。
[0006]中国期刊《中国钼业》2007年第31卷第2期文章《钼和钼铌单晶的制备及工艺参数的影响》介绍了一种钼铌合金单晶的制备方法，其过程为钼粉+铌粉一混合一压制一烧结一二次电子束熔炼一挤压一锻造一外圆磨一电子束区熔法拉制单晶一性能检测等。该过程流程长、工艺复杂、能耗大等。。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对现有制备钽铌及其合金单晶方法存在的不足之处，提供一种工艺简单、流程短、可以快速制备单晶的方法。
[0008]为了解决上述技术瓶颈，本发明的技术方案是:将钽铌及其合金粉末装入模具中；将模具装入电火花烧结炉中施加一定的压力，对粉末进行电火花烧结；烧结完后，炉温降至100°C以下出炉，取出烧结块去除表皮即为钽铌及其合金单晶。电火花烧结炉中施加压力为20-50MPa，烧结过程中真空度优于8.0xl0_3Pa，烧结温度1300_1700°C，高温烧结时间为3-10min ;该方法制备的钽银及其合金单晶尺寸为直径Φ90-Φ10ι?πι ;所述的钽银及其合金粉末要求钽、铌粉末纯度大于99.95% ;合金粉末杂质元素小于10ppm ;所用粉末平均粒度小于5 μπι。烧结钽铌及其合金具体工艺根据原料不同而不同。
[0009]本发明具有如下效果:
1、与电子束悬浮区域熔炼法相比，本发明大大减少了工艺流程，工艺简单易行，操作性强。
[0010]2、采用本发明方法避免了多次熔炼，能耗大大降低。
[0011]3、采用本发明方法对设备要求不高，投入低，从而使生产成本大大降低。
[0012]4、采用本发明方法晶体生长速度快，生产效率高。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的工艺流程图；
图2为本发明的钽单晶XRD图谱。
[0014]如图2所示:XRD为X射线衍射，从图中可知晓烧结后的钽只有一个衍射峰，说明钽块为单一晶体，衍射峰表明单一晶体的取向。
【具体实施方式】
[0015]本发明的【具体实施方式】结合实施例加以说明。
[0016]实施例1:取20(^化学纯度99.99%钽粉末，Ta平均粒度3 μ m，装入直径Φ40πιπι模具中，移入电火花烧结炉中，施加50MPa压力，抽真空至7x10 3后送电烧结，烧结温度1700°C，保温10分钟后停电冷却，至60°C后出炉、脱模，清除表面后，获得直径Φ33πιπι钽单晶。
[0017]实施例2:将300g化学纯度99.98%，平均粒度I μ m的Nb粉，装入Φ 10mm模具中，移入电火花烧结炉中，施加40MPa压力，抽真空至6.5x10 3后送电烧结，烧结温度1400°C，保温8分钟后停电冷却，至100°C后出炉、脱模，清除表面后，获得Φ90πιπι铌单晶。
[0018]实施例3:将80g化学纯度99.96%，平均粒度5 μ m的Ta30Nb合金粉，装入Φ 20mm模具中，移入电火花烧结炉中，施加40MPa压力，抽真空至5.6x10 3后送电烧结，烧结温度1700°C，保温6分钟后停电冷却，至50°C后出炉、脱模，清除表面后，获得ΦΙΟπιπι钽铌合金单晶。
[0019]实施例4:称取化学纯度99.95%以上，平均粒度3 μ m的MollNb合金粉450g，装入Φ 60mm模具中，移入电火花烧结炉中，施加25MPa压力，抽真空至5.6x10 3后送电烧结，烧结温度1650 °C，保温7分钟后停电冷却，至70°C后出炉、脱模，清除表面后，获得Φ45πιπι钼铌合金单晶。
【主权项】
1.粉末合成法制备钽、铌及其合金单晶的方法，其特征在于:将钽铌及其合金粉末装入模具中；将模具装入电火花烧结炉中施加一定的压力，对粉末进行电火花烧结；烧结完后，炉温降至100°c以下出炉，取出烧结块去除表皮即为钽铌及其合金单晶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于电火花烧结炉中施加压力为20-50MPa。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于烧结过程中真空度优于8.0xl0-3Pa，烧结温度1300-1700°C，高温烧结时间为3-10min。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法制备的钽铌及其合金单晶尺寸直径为 Φ90-Φ 10mm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的钽铌及其合金粉末要求钽、铌粉末纯度大于99.95% ;合金粉末杂质元素小于10ppm ;所用粉末平均粒度小于5 μπι。
【专利摘要】一种粉末合成法制备钽、铌及其合金单晶的方法，制备过程主要包括：将钽铌及其合金粉末装入模具中；将模具装入电火花烧结炉中施加一定的压力，对粉末进行电火花烧结；烧结完后，炉温降至100℃以下出炉，取出烧结块去除表皮即为钽铌及其合金单晶。该方法具有工艺流程短、操作简单、单晶制备速度快等优点。
【IPC分类】C30B29/52, C30B1/00, C30B29/02, B22F3/16
【公开号】CN105133020
【申请号】CN201510512843
【发明人】李军义, 罗文 , 杨国启, 郭顺, 孙本双, 郑爱国, 侯俊峰, 扈百直, 郑金凤, 刘创红
【申请人】宁夏东方钽业股份有限公司, 国家钽铌特种金属材料工程技术研究中心
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月20日