专利名称：一种制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法
技术领域：
本发明属于制备定向凝固TbDyFe基磁致伸缩合金技术。
背景技术：
稀土超磁致伸缩合金是一种在磁场中能产生很大应变的Rfe2化合物(R指稀土元素)，主要包括(TbDy)Fe2合金和SmFe2合金两类，最常用的是Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金(Terfenol-D)。TbDyFe合金一般用真空非自耗电弧炉熔炼母合金，在真空定向凝固设备中处理，使合金形成具有<112>取向的定向结晶的组织，然后进行热处理。
关于Terfenol-D的定向凝固处理，早期用Czochralski技术制备单晶。1981年Savage等在美国专利No.4308474中采用了Bridgeman技术用感应圈使管状坩埚中的母棒熔化，坩埚以一定的速度下降。1986年O.D.McMasters发表的美国专利No.4609402使用浮区区熔技术母棒定位于竖直的管式石英室的轴心，用感应圈使母棒形成熔区，随着感应器由下向上移动，熔区向上运动。1988年E.D.Gibson等在美国专利No.4770704中发表了改进的Bridgman技术。该技术将一些锭放入炉体上部的坩埚，用中频感应电源使炉料熔化均匀，合金液通过坩埚底部的孔注入石英模具管。在此基础上，美国ETREMA公司自1995年建立了ETREMA Crystal Growth技术，用于批量生产。
用MB法制备大直径晶体的其它技术还包括K.Murakami用电阻炉熔化炉料，然后向下移动坩埚的方法(美国专利No.5067551，1991)，Murakami用高频感应圈区熔母棒，坩埚和棒料均向下移动的方法(美国专利No.5063986,1991)，S.Okatomo向上移动石英室外的高频区熔感应圈，并用绝热元件改进定向凝固条件的方法(见Int.Symp.On GMSM and their Appl.，Tokyo，1992，175～180)，以及E.Nakamura等用离子弧溶化水冷铜坩埚中的炉料，坩埚底部开有并接水冷长模具，模具中的托架连续下拉，合金液逐渐进入模具凝固的连续法技术(见美国专利No.5114467，1992)，等等。
上述回顾表明，Terfenol-D的定向凝固处理大多采用高频感应圈作为加热器，而利用电阻加热进行区熔式定向凝固处理的尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供制备高性能TbDyFe基定向凝固合金的技术方法，它应具有较高的制备效率、较低的生产成本、适应生产规模。
1、本发明所提供的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其工序为母合金制备、定向凝固、热处理和磁场热处理，其特征在于a、母合金制备工序为在熔炼前，使塞杆头堵塞坩埚注孔；在加热过程发生架料时，上下移动塞杆头以松动炉料；在化料过程中转动和上下移动塞杆头，搅拌合金熔液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作把持头翻转合金锭，将被翻转的合金锭送回坩埚重熔，然后使合金熔液进入模具凝固成母合金棒；b、定向凝固工序为先将籽晶和母棒装入内径略大于母棒的坩埚，然后对炉体抽真空，在真空度高于10-1Pa后，迅速充入压力为-0.09～+0.2MPa的惰性气体；然后用环绕母棒的压熔式电阻加热器使籽晶的上端和母棒的下端形成熔区，再下拉并旋转熔区离开高温区向冷却器方向移动，在移动过程中使熔区自下而上凝固，使新熔区沿母棒向上移动，持续进行此过程，直到区熔一凝固过程在母棒顶部完成；在此过程中，熔区温度应控制在1260～1380℃范围内，熔区宽度应控制与母棒直径大致相同，熔区移动速度在0.5～30mm/min范围内，旋转速度取0.5～30rpm，经过此过程的合金棒具有定向结晶组织成孪生单晶组织。
c、热处理和磁场热处理工序为对定向凝固合金棒进行动态热处理，即处理温度在800～1100℃共晶温度附近波动，经1～5小时后缓慢冷却。然后将合金棒放入管轴与磁场方向垂直的石英管中，对石英管抽真空并充入惰性气体，启动环绕石英管的加热炉，使合金棒在380～580℃范围内加热0.5～3小时，此后当温度降至280～340℃，启动磁场，使磁场温度达到240～960KA/m，同时使石英管以0.2～10rpm转速绕轴旋转，并保持0.5～3小时后缓慢降温。
在上述过程中，由驱动装置控制的塞杆头顶部装有叶片，使之在旋转搅拌过程同时上下往复运动。电阻加热由2～3个加热段组成，最上层为预热段，中层为高温段，最好在下层设置保温段，使高温段上下形成温度梯度。熔区沿母棒移动过程可重复多次。熔区的温度最好在1280～1330℃内，熔区移动速度最好在2～15mm/min，旋转速度最好取2～15rpm。合金棒热处理温度最好在900～1000℃内波动。位于石英管中的合金棒在磁场热处理过程中，最好使合金棒在400～500℃温度范围内加热1～2个小时，然后最好将温度降至310～330℃时启动磁场强度为400～640KA/m的磁场，同时石英管以0.5～2rpm转速旋转，然后在加热1～2个小时后，在保持磁场和石英管运转条件下缓慢降温。
本发明提出了较完整的制备定向凝固TbDyFe基磁致伸缩合金的技术，适合于在生产条件下高效率制备高性能的产品，对包括细晶体和粗晶体等各种规格的晶体均提出了合理的制备工艺。
在母合金制备方面，本技术主要采用冷坩埚真空感应炉作为熔炼和铸造设备。与真空非自耗电弧炉相比，本发明的制备效率大得多，适合于生产的要求。与普通真空感应炉相比，合金可以多次重熔，能把成分调整到理想的准确性和均匀性，熔炼-铸造过程中产生的残料可以回炉，降低了制备成本。使用具有搅拌-翻锭-铸造操作系统的冷坩埚真空熔炼炉进行熔炼和铸造，进一步提高了制备效率、母棒的质量和成材率。
与感应加热器相比，用电阻加热器进行定向凝固处理具有设备成本低，温度容易测量和控制，热量穿透深度大，有利于制备粗晶体等优点。本发明所提出的方法，解决了用电阻加热器进行区熔式定向凝固的困难，减轻了坩埚材料对合金的污染；利用控制喂送母棒的技术，消除了母棒区熔时对熔池的扰动；通过在加热器设置保温段，使热流沿合金棒的径向传输被阻止，保证了热流的轴向传输；利用在一个加热器中设置几个熔区，使得在一个运行周期内可以实现几次定向凝固；利用本发明的技术，还可以实现在一个运行周期同时对多支母棒进行定向凝固处理。这些技术为提高定向凝固的效果和提高处理效率提供了保证。此外，本发明为制备细晶体设计的技术，使利用电阻加热器实现浮区区熔成为可能。
在热处理方面，本发明采用动态处理技术缩短了处理时间。在磁场热处理方面，本发明提出的技术使非孪生单晶的定向凝固晶体也能够进行这种处理，而且不需要进行金相观察，使磁场热处理能用于生产过程。
图1表示了母合金棒制备系统示意图，其中1-感应电源，2-真空熔炼炉，3-真空-惰性气体系统，4-电控系统，5-坩埚，6-注塞杆机构(6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-3-动力-传动机构，6-4-叶片)，7-翻锭机构(7-1-把持头，7-2-操作杆)，8-铸造机构(8-1-模具，8-2-模具架，8-3-模具加热-保温装置)。
图2表示了定向凝固系统示意图，其中9-母合金棒，10-炉体，11-真空-惰性气体系统，12-电源-加热器系统(12-1-电源，12-2-电阻加热器，12-3-测温探头，12-4-控温装置)，13-炉料处理系统(13-1-拉晶杆，13-2-结晶器，13-3-坩埚，13-4-冷却器，13-5-隔热垫，13-6-送料杆)，14-驱动系统，15-籽晶。
图3表示了几种区熔式电阻加热方法示意图，其中A-简单加热器(12-2-加热器)，B-多段式加热器(12-2′-1-预热段，12-2′-2-高温段，12-2′-3-保温段)，C-多熔区加热器(12-2″-1-预热段，12-2″-2-高温段，12-2″-3-保温段，12-2″-4-中间段)，D-双层加热器(12-2-1-辅助加热器，12-2-2-主加热器)。9-母合金棒，9-1-熔区。
图4表示了真空定向凝固装置驱动模式示意图，其中A-加热器向上移动(12-2-加热器)，B-不移动母棒和加热器(12-2-a，-b，-c，-d，-e加热器自下向上的各段)。9-母合金棒，13-1-拉晶杆，13-2-结晶器，13-3-坩埚，13-4-冷却器，13-5-隔热垫，13-6-送料杆，15-籽晶。
图5表示了不同类型母棒定向凝固模式示意图，其中A-中等直径较粗棒，B-中等直径较细棒，C-大直径棒，D-小直径棒，E-多棒。
9-母合金棒，12-2-加热器，13-1-拉晶杆，13-2-结晶器，13-3-坩埚，13-4-冷却器，13-5-隔热垫，13-6-送料杆，15-籽晶。
图6表示了磁场热处理技术示意图
9-母合金棒，16-石英炉管，17-电磁铁，18-可旋转真空密封，19-真空-惰性气体系统，20-加热炉。
具体实施例方式本发明特别建议采用本人在先的专利申请(01274217.1)所提出的设备制备母合金，如图1所示。这种设备设置了一套搅拌-翻锭-铸造操作系统，它包括注塞杆机构(6)、翻锭机构(7)和铸造机构(8)几部分。注塞杆机构由塞杆头(6-1)、驱动杆(6-2)和动力-传动机构(6-3)组成。塞杆头是可以插入并堵塞坩埚底部注孔(5-1)的元件，上表面可以有短叶片(6-4)，下端同驱动杆相连。驱动杆的轴线与坩埚注孔的轴线重合，它向下通过真空密封伸出炉体(2)与动力-传动机构结合。动力-传动机构通过驱动杆使塞杆头可以上下运动和绕坩埚轴线旋转。驱动杆还有将循环水接到塞杆头使它冷却的使用。翻锭机构(7)位于坩埚上方，它由把持合金锭的把持头(7-1)和操纵把持头的操作杆(7-2)组成，具有翻转合金锭的作用。铸造机构(8)在坩埚上方环绕驱动杆(6-2)，它主要由模具(8-1)和模具架(8-2)组成。模具有单管模具和多管模具两类。该机构一般还需要设置模具的加热或(和)保温装置(8-3)。
该系统有松动炉料，搅拌料液，翻锭重熔，直接铸造等多种功能。在熔炼前应使塞杆头(6-1)堵塞坩埚注孔(5-1)；在加热过程中发生架料时，通过上下移动塞杆头可松动炉料；在化料过程中，转动和上下移动塞杆头可搅拌合金液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作翻锭机构翻转合金锭，然后将被翻转的合金锭送回到坩埚接受重熔。熔炼过程完成后下拉塞杆头(6-1)，使塞杆头从坩埚注孔(5-1)向模具(8-1)移动，合金液便随之进入模具凝固。该系统使合金化、均匀化和铸造等工序集中在一个炉次完成，提高了制备效率，改善了产品质量，降低了生产成本。利用该系统的铸造机构可以一次铸造多支母合金棒，可以通过压力铸造或离心铸造技术提高母棒的致密性，减少冶金缺欠，提高成材率。
母合金棒(9)在定向凝固设备中，如图2所示。用区熔式电阻加热器进行定向凝固处理，这种设备主要由以下几部分组成(1)炉体系统(10)。一般使用竖直的金属炉体，也可以用石英炉体。它们应具有良好的真空密封性。
(2)真空-惰性气体系统(11)。作用在于为炉体提供真空条件并充入保护性的惰性气体(如Ar气)。惰性气体最好采用高纯气体。
(3)加热器-电源系统(12)。电源(12-1)向环形的电阻加热器(12-2)提供稳定的交流或直流电流。加热器一般装在炉体内部，环绕母棒(9)。当使用石英炉体时，加热器也可以装在炉体的外面，环绕炉体。该系统还包括装设在熔区附近的测温探头(12-3)和控制装置(2-4)。加热器的电热材料可以是优质NiCr系合金或优质FeCrAl系合金等普通电热合金，也可以是Pt、W、Mo、Ta、石墨、SiC或MoSi2等高熔点材料。电热材料的外面有保温层。
(4)炉料处理系统(13)。主要由水冷的金属拉晶杆(13-1)、拉晶杆头部的水冷结晶器(13-2)和装在结晶器上的管状坩埚(13-3)组成，母合金棒放在坩埚中。拉晶杆竖直向下，坩埚一般用优质耐热陶瓷材料制作，二者的轴线重合。在母棒的底端和结晶器之间最好有籽晶(15)，在加热器(12-2)下方最好装设环绕母棒和拉晶杆的冷却器(13-4)，加热器同冷却器之间最好有环绕母棒的拉晶杆的环形隔热垫(13-5)，它用耐热的陶瓷材料制作。
(5)驱动系统(14)。作用于驱动拉晶杆沿母棒的轴向移动。该系统最好能同时驱动拉晶杆绕母棒的轴线旋转，使母棒在同一截面上的温度均匀。
先将籽晶(15)和母棒(9)装入内径略大于母棒直径的坩埚(13-3)，然后对炉体(10)抽真空，在真空度高于10-1Pa(是好高于10-2Pa)后，迅速充入压力为-0.09～+0.2Mpa(最好为-0.06～+0.1MPa)的惰性气体。为保证气氛洁净，抽真空-充气的操作可运行数次。如果不具备完善的真空系统，也可以不抽真空或只抽初级真空，然后用惰性气体冲洗炉体，直至炉体内气氛洁净。
在定向凝固过程中，先用加热器(12-2)使籽晶(15)的上端和母棒(9)的下端熔化形成熔区(9-1)，然后下拉拉晶杆(13-1)(最好同时旋转)，使已经形成的熔区在离开加热器的高温区向冷却器(13-4)移动的过程中自下向上凝固，使新熔区沿母棒向上移动。此过程持续进行，直至区熔、凝固过程在母棒顶部完成。为保证效果，定向凝固过程可重复1次或数次。在此过程中，熔区温度应控制在1260～1380℃，最好控制在1280～1330℃，熔区宽度应控制得与母棒的直径大体相同；拉晶杆的移动速度可取0.5～30mm/min，最好取2～15mm/min；旋转速度取0.5～.0rpm，最好取2～15rpm。经过定向凝固处理的合金棒具有定向结晶的组织或孪生单晶的组织。
为了缩短合金液同坩埚壁(13-3)的接触时间，使用产生区熔加热效果的电阻加热器(12-2)。为了避免母棒在区熔时对熔池(9-1)产生冲击和扰动，最好在母棒(9)的上方装设送料杆(13-6)，夹持母棒的上端，其轴线应与拉晶杆(13-1)的轴线重合。使用另一驱动系统(14′)向下移动送料杆，在熔区沿母棒向上移动的过程中，及时将母棒喂入熔区(13-3)，保证熔区的稳定性。使用送料杆的技术也适用于感应加热器进行定向凝固的处理过程。
送料杆(13-6)的移动速度(V2)应与拉晶杆(3-1)的移动速度(V1)匹配若坩埚(13-3)的内径为D1，母棒(9)的直径为D2，则V1×D＝＝V2×D2，即V2＝V1×D1/D2。送料杆在向下移动的过程中，最好同时绕母棒的曲线旋转，转动方向最好与拉晶杆的转动方向相反，旋转速度相近。
为了实现区熔式的定向凝固，本发明对电阻加热器(12-2)提出了以下几种设计方案(图3)(1)简单加热器(12-2)(图3-A)这种加热器的高度较小，通过加热器本身的高度限制熔区(9-1)宽度。用小加热器在母棒中产生局部熔区的难度较大，所以这种加热器最好用高熔点材料制作。
(2)多段式加热器(12-2′)(图3-B)这种加热器的高度较大，它由几个加热段组成，各段的温度分别检测和控制。最简单的情况是两段式加热器，其上面的一段较宽(12-2′-1)，设置温度低于合金的凝固点，用于预热母棒(9)；下面的一段(12-2′-2)较窄，设置温度高于合金的熔点，它使母棒产生熔区(9-1)。由于高温段是对已经预热的母棒局部加热，所以较容易形成熔区，其作用在于阻止合金液在凝固过程的径向热流，促使热流通过拉晶杆(13-1)和冷却器(13-4)集中沿晶体(9)的轴向向下传输，保证定向凝固的效果。此外，预热段和保温段分别还可以包含几段，使靠近高温段的温度较高，远离高温段的温度较低，减缓母棒的加热和冷却速度，防止母棒开裂。
加热器各段的电热材料可以相同，也可以不同，但高温段最好用高熔点材料制作。
(3)多熔区加热器(12-2″)(图3-C)这也是一种多段式加热器，但设有数个高温段(12-2″-2)，在一次运行过程中可以对母棒进行数次区熔定向凝固处理。加热器最上面有预热段(12-2″-1)，最下面最好有保温段(12-2″-3)，高温段之间有中间段(12-2″-4)。最常用的是双熔区加热器。高温段的设置温度高于合金的熔点，预热段、保温段和中间段的设置温度低于合金的凝固点。与前面的多段式加热器相似，预热段、保温段和中间段分别也可以包括几个加热段。加热器各段的材料选择原则与多段式加热器相同。
(4)双层加热器(12-2)(图3-C)这种加热器包括两层，各层的温度分别检测和控制。外层使用高度较大的辅助加热器(12-2-1)，设置温度低于合金的凝固点，产生预热和保温的作用，可以用普通电热材料制作；内层使用较窄的主加热器(12-2-2)，设置温度高于合金的熔点，用于产生熔区，最好用高熔点材料制作。在辅助加热器内，主加热器最好位于它的中部偏下的位置，最好设置两个或多个沿母棒(9)轴和排列并相互有一定间隔的主加热器。设置两个主加热器时，可以在一次运行过程实现两次区熔定向处理。辅助加热器可以是一段式的，也可以是多段式的。
4、定向凝固的驱动模式前面均按照向下移动母棒的驱动模式设计定向凝固技术。除这种方式外，还可以使用以下驱动模式(1)驱动加热器向上移动(图4-A)使用驱动系统(14″)驱动加热器(12-2)向上移动，隔热垫(13-5)和冷却器(13-4)应跟随移动，拉晶杆(13-1)不移动。如果用送料杆(13-6)喂送母棒(9)，送料杆向下移动的速度应同加热器的移动速度匹配。这种模式的加热器和设备其它部分的结构与向下移动母棒模式的相同，区熔和定向凝固的过程也相似，包括拉晶杆和送料杆最好能绕轴旋转。
(2)不移动母棒和加热器(图4-B)采用这种驱动模式时，区熔和定向凝固过程依靠调节加热器(12-2)温度沿母棒(9)轴线方向的变化实现。拉晶杆(13-1)和加热器(12-2)均不移动。加热器的结构与多段式加热器(12-2′)相似，但高度应大于母棒的长度，应使整个母棒位于加热器的高度内。调节各段温度的方式为先使母棒在加热器的底部段(12-2-a)形成熔区(9-1)；然后使熔区移至向上的一段(12-2-b)，使底部段的合金凝固；再后，使熔区移至再上的一段(12-2-c)，使其下面一段(12-2-b)的合金凝固。这样依次调节，直至最上面一段的母棒区熔和凝固。在区熔段以上，各段的设定温度应低于合金的凝固点。它们可以相同，也可以设定成向着区熔段逐段升高；在区熔段以下，各段的设定温度也应低于合金的凝固点，它们可以相同，也可以设定成离开区熔段逐段降低。加热器的段数越多，定向凝固的效果越好。如果用送料杆(13-6)喂送母棒，送料杆向下移动的速度应同加热器的温度调节过程匹配，拉晶杆和送料杆最好能绕轴旋转。
5、定向凝固技术模式的选择原则上前面第2至4项的设备结构和技术对于各种母棒(9)条件(直径、长度和数量)均可适用，但根据实际条件选择不同的技术模式能获得更好的定向凝固效果和更高的制备效率。例如(1)中等直径单母棒制备当母棒(9)的直径较大时以使用多段式加热器(12-2′)特别是多熔区加热器(12-2″)较好(图5-A)；由于单层电阻加热器较难实现窄熔区，所以当母棒的直径较小时，以使用双层加热器(12-2)较好，最了装设两个主加热器(12-2-2)，以便提高定向凝固的效果(图5B)。
虽然使用送料杆(13-6)会产生更好的定向凝固效果，但由于母棒直径不大时对熔化对熔池的冲击较小，送料杆的控制难度较大，所以在这种条件下可以不使用送料杆。
(2)大直径单母棒制备(图5-C)当处理大直径母棒(9)时，区熔时母棒对熔池(9-1)会产生较大的冲击，所以最好送料杆(13-6)夹持和喂送母棒。操作时，将籽晶(15)装入坩埚(13-3)底部，移动母棒或坩埚使母棒同籽晶接触，利用加热器(12-2)使母棒和籽晶的接触区形成熔区。然后，送料杆同拉晶杆(13-1)或加热器以精确匹配的速度同步移动，使熔区向上移动。
大直径母棒要求宽熔区，所以可采用多段式加热器加热(12-2′)。虽然简单加热器可以使用，但它对于熔区下方的合金无保温效果，不能阻止径向热流，凝固的合金易于开裂；虽然双层加热器(12-2)也可以使用，但其结构较复杂，控制难度较大。
(3)小直径单母棒制备(图5-D)小直径母棒(9)虽然可以采用与中等直径母棒相同的定向凝固技术，但由于细坩埚的比表面积很大，产生表面反应和表面缺欠的倾向严重，所以最好用浮区区熔技术进行定向凝固。这时必须装设送料杆(13-6)，但不使用坩埚(13-3)，母棒的上、下两端分别被拉晶杆(13-1)和送料杆(13-6)夹持。加热器(12-2)先在母棒的下部产生熔区(9-1)，熔区依靠合金液的表面张力保持稳定。然后，拉晶杆和送料杆以相同的速度向下移动，或只移动加热器，使熔区向上移动。拉晶杆和送料杆最好还以相同的速度和方向绕轴旋转。
当使用籽晶(15)时，籽晶的下端分别被拉晶杆(13-1)夹持，母棒的上端被送料杆(13-6)夹持，移动拉晶杆或送料杆，使籽晶的上端同母棒的下端接触。然后，利用加热器(12-2)使在母棒和籽晶的接触区形成熔区融合，其它操作同上。
在此模式要求熔区必须很窄，所以最好用双层加热器(12-2)加热。
(4)中等直径/多母棒制备(图5-E)这种模式用于一次运行过程对多支母棒进行定向凝固处理，以便提高制备效率，减少能源消耗。这种模式的结构和技术与中等直径/单棒模式的基本相同，只是加热器(12-2)、冷却器(12-4)、隔热垫(12-5)和结晶器(12-2)均应具有较大的直径。结晶器上应竖直的装上多支管状坩埚(13-3)各坩埚装入籽晶(15)和母棒(9)。然后，按照中等直径/单棒模式的技术进行定向凝固操作。此模式可以使用各种结构的加热器，但以双层加热器(12-2)为最好。采用双层加热器时，在每一支坩埚外，均应环绕一个主加热器(12-2-2)，或环绕两个沿母棒方向有一定间隔的主加热器，辅助加热器(12-2-1)和各主加热器的温度最好测量和控制。冷却器采用液态金属(如In-Ga合金等)作为冷却介质(13-4-1)较好，这样，各支坩埚在进入冷却器后能获得相似的冷却条件。
在这种模式下，使用送料杆会也会生更好的定向凝固效果，但对于多棒处理，其控制难度较大。
6、热处理和磁场热处理在定向凝固晶体中，除了主相Rfe2之外，还存在在凝固过程形成Rfe3和R(R指Tb和Dy)等非平衡相。通过在共晶温度附近进行热处理，合金中的Rfe3相同R相反应形成Rfe2，可以使非平衡相消失，性能提高。
热处理在抽真空后充惰性气体(如Ar气)的条件下进行，惰性气体应具有较高的纯度，温度应控制在800～1100℃(最好在900～1000℃)。由于的反应较缓慢，热处理一般需要较长时间，如10小时或更长。本发明提出的动态处理技术，使处理温度在要求的温度范围内波动，这样能加速反应过程，缩短处理时间。利用这种技术，只需要进行1～5小时热处理就能反应完成，获得理想的性能。处理结束后需要缓慢冷却，防止合金形成裂纹。
在棒状(TbDy)Fe2孪生单晶中，一组平行的{111}孪晶面平行于棒轴，<112>方向也平行与棒轴。在居里温度(约350℃)以下，沿垂直于孪晶面的<111>方向(易磁化方向)施加磁场，可以使磁畴沿垂直于棒轴的方向排列。经过这种磁场热处理的晶体，其磁致伸缩性能可以得到大幅度提高。磁场热处理的困难在于需要对每一支晶体进行金相观察，确定其垂直棒轴的<111>方向，而且只有孪生单晶才有可能进行这种观察。在一般的定向凝固(TbDy)Fe2合金棒中，虽然<112>方向也接近于平行棒轴，但垂直棒轴的<111>方向是随机分布的。
被处理的合金可以是孪生单晶，也可以不是孪生单晶，而且不需要进行金相观察，处理效率较高。这种处理的依据是在定向凝固质量较好的合金棒中，大多数晶粒的<112>方向是平行于棒轴的，在这些晶粒中就会有<111>方向与棒轴垂直。所以，若使定向凝固的合金棒垂直于磁场，并绕着棒轴方向缓慢旋转，这些晶粒就有机会使它的<111>方向平行于磁场方向，使它的磁畴沿垂直于棒轴的方向取向。经过处理后，合金棒中的大多数磁畴便沿着垂直于棒轴的方向取向。
处理过程包括将经过定向凝固和热处理的(TbDy)Fe2合金棒(9)放在石英管(16)中，并使棒轴与管轴平行。石英管放入直流磁场(17)，轴向与磁场方向垂直，并且通过一个可以转动的真空密封接口(18)与真空-充惰性气体系统(19)连接，加热炉(20)环绕石英管放置。经过抽真空和充入惰性气体(如Ar气)后，将合金棒在380～580℃(最好400～500℃)加热0.5～3小时(最好1～2小时)。然后，将温度降至280～340℃(最好310～330℃)，并启动磁场。使磁场强度达到240～960kA/m(最好400～640kA/m)，同时，使石英管绕轴旋转，转速取0。2～10rpm(最好0.5～2rpm)。当合金棒长时，应该使石英管沿管轴方向移动，使棒的各部分能均匀的接受磁场的作用。加热0.5～3小时(最好1～2小时)后，在保持磁场和驱动石英管的条件下，缓慢降温。图6表示了磁场热处理的示意图。
提供真空或惰性气体条件的另一种方法是将合金棒(9)放入一关封口的石英管(16)，在抽真空的条件下或抽真空后充惰性气体的条件下，封信石英管的另一端。然后，将石英管放入磁场(17)，用与前面相似的方法进行磁场热处理。
实施例
按Tb0.29Dy0.71Fe1.95的配比配制炉料，共3.5kg。装料后抽真空和充入压力为-0.02Mpa高纯氩，然后启动电源加热炉料。炉料熔清后，转动塞杆头(6-1)搅拌料液，2～3分钟后关闭熔炼电源。合金凝固后升高塞杆头举升合金锭。然后用翻锭机构(7)将锭翻转，再降低塞杆头，把锭送加坩埚。按此方法将合金重熔两次。最好一次重熔1分钟后，在不停止加热的条件下，以80mm/分钟的速度下拉塞杆头，直至全部液态合金进入模具管(8-1)。
出炉后，得到了1支φ20mm、10支φ10mm及8支φ8mm的铸棒，长度均约200mm，总重量约2.9kg，质量良好。从三种规格的棒分别取样分析成分，结果表明，合金的成分均匀、正确(表1)，杂质含量很低(表2)。铸棒经表面研磨后用作定向结晶的母棒。
表1，实施例1合金的合金元素分析结果，％
表2，实施例1合金的杂质分析结果，％
实施例2使用图2所示的定向凝固装置，对实施例1制备的φ20mm长195mm的母棒(9)，按大直径单棒模式进行处理，棒的上端用送料杆(13-6)夹持(图5-3)。内径21mm，长250mm的石英坩埚(13-3)夹持在结晶器(13-2)上面，高度为15mm的φ18mm籽晶(15)放在坩埚中。坩埚被3段式加热器(12-2)环绕，内径30mm，总功率20kw。加热器上段(12-2′-1)高100mm，下段(12-2-3)高50mm，均用高温FeCrAl合金制备，设定温度为1000℃。加热器的中段(12-2′-2)用Pt丝制作，高30mm，设定温度为1290℃。加热器座在厚度为20mm的环状刚玉隔热垫(13-5)上，其下方固定紫铜的水冷环形冷却器(13-4)，内径30mm，高50mm。
升高拉晶杆(13-1)，使籽晶的上端面位于加热器中段的中心后，降低送料杆(13-6)，使母棒(9)进入坩埚(13-3)，下端与籽晶(15)刚好接触。定向炉(10)抽真空至5×10-3Pa后充入压力为0.01Mpa的高纯Ar，然后启动加热器电源(12-1)。当中段的温度达到设定温度并保温2分钟后，同时启动上下驱动系统(14，14′)，使拉晶杆以6mm/min的速度下降，以3rpm的速度顺时针转动，使送料杆以6.3mm/min的速度下降，以3rpm的速度逆时针转动。至母棒的上端移出加热器下端，接近进入冷却器(13-4)时，停止加热和驱动过程。
出炉后得到直径约20.5mm，长度约200mm的成品棒，无裂纹和孔洞。检测表明，在40kAm-1的轴向磁场下，棒的轴向应变为520×10-6。实施例3将实施例2得到的合金棒(9)放入真空热处理炉，抽真空至5×10-3Pa后充入压力为0.01Mpa的高纯Ar。处理过程的温度在850～950℃波动，波动周期为20min，处理累计2小时后降温，合金随炉冷却。对出炉的合金棒进行检测的结果表明，在40kAm-1的轴向磁场下，棒的轴向应变为610×10-6；在6Mpa的轴向压应力和40kAm-1的磁场下，应变达到1230×10-6。
将经过热处理的棒(9)放入长250mm，内径30mm一端封口的石英管(16)，连接石英管和真空系统(19)，真空抽至2×10-1Pa时，用石英烧灯加热和封住石英管的未封口端。将此石英管家装入长400mm，内径40mm的加热炉(20)，再将加热炉放入电磁铁(17)的极头之间，使管轴与极头面平行(参见图6)。加热石英管，至温度升至480℃后保温1小时。然后，降温至320℃，启动磁场，使磁场强度达到480kA/m。同时，以1rpm的转动速度和50mm/min的往复移动速度驱动石英管，使磁场作用到200mm长的合金棒的各部分。保温0.5小时后，在保持磁场和驱动石英管的条件下缓慢降温。出炉后，对合金棒的检测结果表明，在40kAm-1轴向磁场下的应变为880×10-6；在2Mpa的轴身压应力和40kAm-1的磁场下，应变达到1260×10-6。
权利要求
1.一种制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其工序为母合金制备、定向凝固、热处理和磁场热处理，其特征在于a、母合金制备工序为在熔炼前，使塞杆头(6-1)堵塞坩埚注孔(5-1)；在加热过程发生架料时，上下移动塞杆头以松动炉料；在化料过程中转动和上下移动塞杆头，搅拌合金熔液；熔炼后升高塞杆头，抬高在坩埚中凝固的合金锭，操作把持头(7-1)翻转合金锭，将被翻转的合金锭送回坩埚重熔，然后使合金熔液进入模具(8-1)凝固成母合金棒(9)；b、定向凝固工序为先将籽晶(15)和母棒(9)装入内径略大于母棒的坩埚(13-3)，然后对炉体(10)抽真空，在真空度高于10-1Pa后，迅速充入压力为-0.09～+0.2MPa的惰性气体；然后用环绕母棒的压熔式电阻加热器(12-2)使籽晶的上端和母棒的下端形成熔区，然后再下拉并旋转熔区离开高温区向冷却器(13-4)方向移动，在过程中使熔区自下而上凝固，使新熔区沿母棒向上移动，持续进行此过程，直到区熔—凝固过程在母棒顶部完成；在此过程中，熔区温度应控制在1260～1380℃范围内，熔区宽度应控制与母棒直径大致相同，熔区移动速度在0.5～30mm/miu范围内，旋转速度取0.5～30rpm，经过此过程的合金棒具有定向结晶组织成孪生单晶组织；c、热处理和磁场热处理对定向凝固合金棒进行动态热处理，即处理温度在800～1100℃共晶温度附近波动，经1～5小时后缓慢冷却。然后将合金棒(9)放入管轴与磁场方向垂直的石英管(16)中，对石英管抽真空并充入惰性气体，启动环绕石英管的加热炉(20)，使合金棒在380～580℃范围内加热0.5～3小时，此后当温度降至280～340℃，启动磁场，使磁场温度达到240～960KA/m，同时使石英管以0.2～10rpm转速绕轴旋转，并保持0.5～3小时后缓慢降温。
2.根据权利要求1所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于由驱动装置控制的塞杆头(6-1)顶部装有叶片(6-4)，使之在旋转搅拌过程同时上下往复运动。
3.根据权利要求1所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于电阻加热由2～3个加热段组成，最上层为预热段，中层为高温段，最好在下层设置保温段，使高温段上下形成温度梯度。
4.根据权利要求1所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于熔区沿母棒(9)移动过程可重复多次。
5.根据权利要求4所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于熔区的温度最好在1280～1330℃内，熔区移动速度最好在2～15mm/min，旋转速度最好取2～15rpm。
6.根据权利要求1所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于合金棒热处理温度最好在900～1000℃内波动。
7.根据权利要求1所述的制备TbDyFe基合金定向凝固晶体的方法，其特征在于位于石英管(16)中的合金棒(9)在磁场热处理过程中，最好使合金棒在400～500℃温度范围内加热1～2个小时，然后最好将温度降至310～330℃时启动磁场强度为400～640KA/m的磁场，同时石英管以0.5～2rpm转速旋转，然后在加热1～2个小时后，在保持磁场和石英管运转条件下缓慢降温。
全文摘要
本发明提出了适合于生产要求的TbDyFe基磁致伸缩合金的制备工艺。该工艺用冷坩埚感应炉制备母合金，使制备效率和母棒质量得到了大幅度提高；设计了几种加热器结构，解决了用电阻加热器进行熔工定向凝固的困难。利用制备各种直径晶体的技术，在一个运行周期进行几次定向凝固的方法，及对多支母棒同时进行定向凝固的方法，提高了晶体的质量和制备效率；发展了高效率的磁场热处理方法，它不要求被处理的合金必须是孪生单晶。
文档编号C30B1/08GK1440848SQ0211094
公开日2003年9月10日 申请日期2002年2月28日 优先权日2002年2月28日
发明者李碚 申请人:李碚