专利名称：一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-In-Tb合金的方法
技术领域：
本发明涉及一种真空感应熔炼法制备Fe-Ga-1n-Tb合金的方法，属于材料加工工程领域的功能材料制备技术。
背景技术：
超磁致伸缩材料(GMM)是指在变化的磁场作用下，其长度变化特别大的一种功能材料。超磁致伸缩材料是继稀土永磁材料、稀土高温超导材料之后的又一种重要的功能材料，其磁致伸缩应变较传统的镍基磁致伸缩材料和铁基磁致伸缩材料提高50倍以上，比压电陶瓷的电致伸缩应变大5倍，而且承受压力大，能量转换效率高。因此GMM被视为21世纪提高一个国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，在大功率水下通讯、高精度微型马达、液压和阀门控制、精密加工和航空航天的智能结构领域具有广阔的应用前景。以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩率大，但是材料机械性能差，特别是抗拉伸能力弱，脆性大，而且材料中需要添加较多的稀土元素Tb和Dy，成本高。传统磁致伸缩材料和超磁致伸缩材料都具有其显著的优点，但同时又具有明显的缺点，从而限制了它们的应用。铁镓(Fe-Ga)系列合金具有比Terfenol-D更优良的机械性能,脆性小、可热车L，可以利用传统的金属加工方法对其进行机械加工。目前，国内关于铁镓(Fe-Ga)系列合金研究的文献较少，人们对铁镓(Fe-Ga)系列合金的研究主要集中于制备各种具有择优取向的合金，而关于添加第三元素的研究很有限。
经查阅文献，杭州应用声学研究所范进良等人研究了铟(In)，锗(Ge)添加对铁镓(Fe-Ga)合金磁致伸缩系数的影响(范进良，高芳，刘敬华.1n，Ge添加对Fe81Gal9合金磁致伸缩系数的影响.金属热处理.Vol. 36(2): 79-82)。添加In后合金中出现了沿晶界分布的富In相，导致磁致伸缩系数降低。铸态Fe81 ( GaO. 9GeO.1) 19合金的磁致伸缩系数只有1. 5X1(T5，比铸态Fe81Gal9合金小。添加Ge的铸态Fe81 ( GaO. 9GeO.1) 19合金在凝固过程中形成大量枝晶是导致磁致伸缩系数降低的原因之一。进一步检索文献发现，兰州理工大学丁雨田等人(丁雨田，刘芬霞，胡勇，张艳龙.Fe-Ga合金薄带的显微组织及磁致伸缩性能[J].特种铸造及有色合金.2008，Vol. 28
(5):341-343)选用纯度分别为99. 95%的Fe和99. 99%的Ga，按所需成分配料，在氩气保护下，采用真空电弧炉熔炼多次以制备目标成分为Fe1(l(l_xGax (x=17、18、21)的母合金。该技术的缺点是采用电弧熔炼时Ga元素的烧损严重，成分难以控制，钨极还会污染合金成分；
兰州理工大学丁雨田等人还研究了添加第三组元铝(Al)、铜(Cu)对Fe83 Gal7合金相结构和磁致伸缩性能的影响。(丁雨田，刘广柱，胡勇.第三组元(Al、Cu)添加对Fe83Gal7合金相结构和磁致伸缩性能的影响 [J]兰州理工大学学报，2010，V01. 36 (3) : 1-5)。该技术选用高纯度的Fe、Ga、Al和Cu为原材料，配制成目标成份为(Fe83Gal7) 1(l(l_xMx (x=0、
1、2、3 ;M=A1、Cu)的母合金，氩气气氛保护下在真空熔炼炉中反复熔炼后吹铸成直径为8mm的棒材。但是该文的研究结论认为，在Fe83 Gal7合金中添加少量的Al、Cu不但没有提高磁致伸缩性能，反而明显降低了材料的磁致伸缩性能。其原因是，Fe-Ga合金中存在的Ga-Ga原子团簇是产生大应变的因素。由于Fe、Al的固溶能力远小于Al、Ga，因此Al更优先存在于Ga-Ga原子团簇当中,破坏了 Ga_Ga原子团簇对Fe-Ga合金磁致伸缩的影响,极大地降低了磁致伸缩性能。因此，添加Al、Cu的方案是不合适的。综合分析已经公布的制备铁镓合金技术得知，现有的技术存在以下难以克服的缺
占-
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I 由于金属镓属于低熔点金属，熔炼合金化十分困难，熔炼成分单一的Fe-Ga合金难以提高磁致伸缩系数。I 单一添加In元素熔炼Fe-Ga-1n合金时由于析出沿晶界分布的富In相，导致磁致伸缩系数降低。I 采用电弧熔炼由于烧损严重，并且钨极烧损污染合金，合金成分难以控制；
I 采用一次加料感应熔炼，镓元素挥发严重，合金成分难以控制，合金化困难；
I 采用水冷紫铜模具设备结构复杂，真空容易破坏，容易因为接头渗漏漏水造成合
金氧化。检索已公布的技术制 备的铁镓合金超磁致伸缩性能都不足以满足器件开发的要求，而且铸造致密性较差，常有很多气孔，不够致密，难以应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种二次加料感应熔炼、惯性冲击浇铸以及大体积铜模强冷技术制备Fe-Ga-1n-Tb新型超磁致伸缩合金的方法。该方法采用了一种新型的超磁致伸缩成分体系，可以解决传统的制备方法制备的Fe-Ga合金磁致伸缩性能不高、铸造性能欠佳等缺点。本发明通过以下技术方案实现采用Fe-Ga-1n-Tb新型超磁致伸缩合金成分体系，利用带有循环冷却水系统的真空感应熔炼炉，采用二次加料的方式，借助于真空环境以及真空环境对反应元素所提供的保护，并通入惰性气体，克服铁镓二元成分体系合金熔炼非常困难的缺点，使得Fe-Ga-1n-Tb合金的化学元素成分得到精确控制。采用可靠的加料、取样及测温装置与脉冲搅拌相配合，使合金液在化学成分和温度两个方面均达到均匀，待合金熔化并熔炼一段时间后给石英坩埚特定的初速度，巧妙的利用其惯性冲击作用将合金液全部浇铸至大体积铜模具中，大大提高合金的利用率，待浇铸完之后再次利用真空系统将炉内气体抽空，并随炉冷却至室温。有效的减少了合金的氧化烧损。本发明所述Fe-Ga-1n-Tb合金制备方法包括以下工艺步骤1、采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为 Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz 的母合金，其中 x 为 4at. % 到 30 at. %，y 为 0. 01 at. %至Ij 2 at. %，z 为 0. 01 at. % 至Ij 2 at. % ；
将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IX IO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下；之后通入高纯Ar气至炉内压力小于o. 05Pa ;然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min，之后将电流大小加至1350-1450A ;由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发；所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为10_40s ;之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下；直至合金完全冷却为止，这样，有效减少合金的氧化烧损；
2、将凝固后体积有一定程度收缩的Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出，取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下，之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa，然后接通电源，电流大小为1350-1450A，当合金熔化后，维持电流5 10秒，接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度，等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在樹祸中；
3、将步骤2得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤2的条件重熔，如此反复重熔3_4次。本发明的有益效果是
本发明首次提出一种新的Fe-Ga-1n-Tb超磁致伸缩合金成分体系。铟属于稀散金属，密度7. 3，熔点156. 61°C，沸点2080°C。从常温到熔点之间，铟与空气中的氧作用缓慢，因此，加入铟可以提高铁镓合金的性能。In元素与Ga同主族，原子半径比Ga大，用In元素取代Fe-Ga合金中的Ga，可获得磁场诱发马氏体相变，得到大`磁致应变效应。向Fe-Ga合金中加入高纯In后，能降低合金的熔点，有效降低合金化所需的能量。同时，In的熔点比镓高，所以铁镓铟合金的熔炼比已经公布的铁镓合金成分体系更加容易，显著改善了合金化性能。同时，因为铟与镓之间的物理及化学性质及其相似，都属于稀散金属一组，加入铟同样可以替代铁原子，与镓原子一起提高Fe-Ga-1n-Tb合金超磁致伸缩性能。可以显著的改善合金的磁致伸缩性能。不过，单一添加In的Fe-Ga合金，由于富In相沿晶界析出，会导致磁致伸缩系数降低。因此还要加入稀土元素Tb共同作用才能提高性能
Tb是稀土元素，由于其4f电子层为空，在Fe-Ga-1n合金中添加Tb后，降低了达到饱和磁致伸缩时的磁场强度，可以提高磁致伸缩性能。
由于Tb是稀土元素，原子半径比铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化，有效的抑制富In相沿晶界析出。发挥出了 In的有益作用，避免了添加In元素的不利因素。同时，由于Tb的添加合金具有〈100 >晶向取向的晶粒数目有所增加，因此，可以明显提高了合金的磁致伸缩性能。此外，本发明在制备工艺方法方面有以下创新及有益效果
I 本发明采用二次加料方式熔炼Fe-Ga-1n-Tb超磁致伸缩合金，克服了低熔点金属镓容易挥发，造成合金成分难以控制，影响合金性能的缺点。I 首次采用惯性冲击原理将合金液浇铸入模具中，克服了一般的制备方法流动性差，合金不致密等缺点。I由于传统的铜水冷模具易漏水，造成真空设备的真空环境的破坏。本发明首次采用大体积紫铜模具强冷技术，由于金属的热传导能力比水冷降温速度快很多，这种方法制备的合金由于冷却速度快，使合金更多的保持了液态金属无序的相结构，大幅提高磁致伸缩性能。与现有技术比较，本发明所制备的Fe-Ga-1n-Tb合金烧损量小、表面光滑、成分均匀且铸造性能显著提高。通过严格控制Ga、In元素的挥发量达到较准确的控制合金成分的目的。
具体实施例方式以下结合本发明实施例进行详细说明
实施例1
(I)采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和纯度为99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz的母合金,其中X为4at. %、y为0. 01 at. %、z为 0. 01 at. %。将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min， 之后将电流加至设定值。由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发。所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为30秒。之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。这样，有效的减少的合金的氧化烧损。(2)待金属凝固后，体积有一定程度的收缩。将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出。取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0.05Pa。然后接通电源，当合金熔化后，维持电流5 10秒。接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度。等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在；fc甘祸中。(3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔，如此反复重熔3-4次。步骤(I)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0.05Pa，待Ga、In、Tb加入石英坩埚后，电流大小为1450A，加热时间为25s，之后关闭电源。待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。步骤(2)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0.05Pa，电流大小为1450A，待合金浇铸到模具中后冷却一段时间，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。熔炼过程中采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，一般为2min，之后将电流加至1450A，利用感应炉电磁感应原理将金属快速熔化。实施例2
(I)采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和纯度为99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz的母合金，其中x为26 at. %、y为2 at. %，z为 2 at. %。将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min，之后将电流加至设定值。由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发。所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为30秒。之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。这样，有效的减少的合金的氧化烧损。(2)待金属凝固后，体积有一定程度的收缩。将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出。取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，当合金熔化后，维持电流5 10秒。接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度。等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在樹祸中。(3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔，如此反复重熔3-4次。步骤(I)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0. 05Pa，待Ga、In加入石英坩埚后，电流大小为1420A，加热时间为22s，之后关闭电源。待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。步骤(2)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0.05Pa，电流大小为1420A。待合金浇铸大模具中后冷却一段时间，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。熔炼过程中采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，一般为2min，之后将电流加至1420A，利用感应炉电磁感应原理将金属快速熔化。实施例3(I)采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和纯度为99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为Feltltl (x+y+z)GaxInyTbJ^母合金，其中X为18 at. %、y为0. 5 at. %，z 为 0. 5 at. %。将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min，之后将电流加至设定值。由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发。所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为30秒。之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。这样，有效的减少的合金的氧化烧损。(2)待金属凝固后，体积有一定程度的收缩。将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出。取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于放入真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IX IO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，当合金熔化后，维持电流5 10秒。接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度。等坩埚运动速度达到60-80mm·/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在坩埚中。(3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔，如此反复重熔3-4次。步骤(I)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0. 05Pa，待Ga、In加入石英坩埚后，电流大小为1400A，加热时间为20s，之后关闭电源。待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。步骤(2)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0. 05Pa，电流大小为1400A。待合金浇铸大模具中后冷却一段时间，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。熔炼过程中采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，一般为2min，之后将电流加至1400A，利用感应炉电磁感应原理将金属快速熔化。实施例4
(I)采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和纯度为99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz的母合金，其中x为17. 5 at. %、y为0. 5 at.%, z 为 I at. %。将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min，之后将电流加至设定值。由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发。所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为30秒。之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。这样，有效的减少的合金的氧化烧损。(2)待金属凝固后，体积有一定程度的收缩。将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出。取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，当合金熔化后，维持电流5 10秒。接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度。等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在樹祸中。(3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔,如此反复重熔3-4次。步骤(I)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0. 05Pa，待Ga、In加入石英坩埚后，电流大小为1380A，加热时间为18s，之后关闭电源。待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。步骤(2)中抽完真空 后，通入Ar气至炉内压力为0.05Pa，电流小为1380A。待合金浇铸大模具中后冷却一段时间，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。熔炼过程中采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，一般为2min，之后将电流加至1380A，利用感应炉电磁感应原理将金属快速熔化。实施例5
(I)采用纯度为99. 99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和纯度为99. 99% Tb做原材料，配制成目标成分为Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz的母合金,其中X为19 at. %、y为I at. %, z为 0. 5 at. %。将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中，通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，可以为2min，之后将电流加至设定值。由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发。所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入坩埚中，再将纯Tb加入坩埚中，最后将纯Ga加入坩埚中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为30秒。之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。这样，有效的减少的合金的氧化烧损。(2)待金属凝固后，体积有一定程度的收缩。将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出。取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXio2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下。之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa。然后接通电源，当合金熔化后，维持电流5 10秒。接着利用伺服电机带动升降装置，再带动石英坩埚，给石英坩埚一个向下运动的加速度。等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在樹祸中。(3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔,如此反复重熔3-4次。步骤(I)中 抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0. 05Pa，待Ga、In加入石英坩埚后，电流大小为1350A，加热时间为15s，之后关闭电源。待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。步骤(2)中抽完真空后，通入Ar气至炉内压力为0.05Pa，电流大小为1350A。待合金浇铸大模具中后冷却一段时间，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下。直至合金完全冷却为止。熔炼过程中采用500A的电流将石英坩埚与合金预热一段时间，一般为2min，之后将电流加至1350A，利用感应炉电磁感应原理将金属快速熔化。
权利要求
1.一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-1n-Tb合金的方法，其特征是 (1)采用纯度为99.99%的Fe、Ga和纯度为99. 99% In和Tb做原材料，配制成目标成分为 Feltltl (x+y+z)GaxInyTbz 的母合金，其中 x 为 4at. % 到 30 at. % , y 从 0. 01 at. % 至Ij 2at. %，z从0.01 at. %到2 at. % ;由于Ga在高温时容易挥发，因此在配料时考虑Ga的挥发量，每50克合金多加I 2%的Ga ; 将高纯Fe置于底部无孔的石英坩埚内，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，并将高纯Tb、Ga、In置于加料仓中； 通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下；之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa ； 然后接通电源，采用500A的电流将石英坩埚与合金预热，之后将电流大小加至1350-1450A ;由于Ga的熔点比In的熔点低，且Ga易挥发；所以，待纯Fe熔化之后，旋转料撮先将纯In加入纟甘祸中，再将纯Tb加入纟甘祸中，最后将纯Ga加入纟甘祸中，使得Fe和Ga、In、Tb充分混合，电源加热时间约为10-40S ;之后关闭电源，待合金冷却一定时间后，再次开启真空泵将炉内气体抽空至KT2Pa以下；直至合金完全冷却为止，这样，有效减少合金的氧化烧损； (2)将凝固后体积有一定程度收缩的Fe-Ga-1n-Tb合金母锭从底部无孔的石英坩埚中取出，取出之后再将Fe-Ga-1n-Tb合金母锭放入底部有孔的石英坩埚中，然后将坩埚置于真空炉中的感应圈内，再次通循环冷却水，关闭炉门，先利用真空机械泵、罗茨泵将真空炉抽空至IXlO2 Pa以下，再用扩散泵将真空炉抽空至10_2 Pa以下，之后通入高纯Ar气至炉内压力小于0. 05Pa，然后接通电源，电流大小为1350-1450A，当合金熔化后，维持电流5 10秒，接着利用伺服电机带动升降装置，同时带动石英坩埚移动，给石英坩埚一个向下运动的加速度，等坩埚运动速度达到60-80mm/min后立即关闭升降装置，此时，由于惯性作用，合金液将以一定的速度从石英坩埚底部的小孔中极快的流进大体积铜模具中，而不会迅速凝固将小孔堵住，残留在坩埚中； (3)将步骤(2)得到的凝固Fe-Ga-1n-Tb合金按照步骤(2)的条件重熔，如此反复重熔3-4 次。
2.根据权利要求1所述的一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-1n-Tb合金的方法，其特征是所述采用500A的电流将石英坩埚与合金预热时间为2min。
全文摘要
本发明涉及一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-In-Tb合金的方法。该方法选用高纯度Fe、Ga、In、Tb为原材料，配制成目标成分为Fe100-(x+y+Z)GaxInyTbZ的母合金，首先将高纯铁置于底部无孔的石英坩埚中，利用真空感应熔炼炉进行感应熔炼。等铁熔化后，采用二次加料的方式加入In、Tb、Ga，继续加电熔炼。之后取出，置于底部有孔的石英坩埚中用真空感应熔炼炉进行重熔、浇铸。浇铸时，利用升降加速装置使合金液获得一定的惯性，进而将合金液完全浇铸到大体积紫铜模具之中强冷。反复重熔3～4次，使熔炼出的合金的成分更加均匀。本发明所制备的合金烧损量小、表明光滑、成分均匀且铸造性能显著提高。
文档编号C22C38/00GK103060660SQ20131003924
公开日2013年4月24日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者晏建武 申请人:南昌工程学院