零热膨胀La(Fe,Al)13合金的凝固偏析及改善

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零热膨胀或负热膨胀材料在集成电路、精密仪器等领域有重要应用。Na Zn13型La(Fe,Al)13磁相变合金是最有应用前景的反常热膨胀材料之一。目前,已报道的La(Fe,Al)13合金主要通过电弧熔炼法制备,但在关于La(Fe,Si)13合金的研究中该方法被证实易造成凝固偏析现象,即合金不同位置具有不同微结构。考虑到La(Fe,Si)13合金与La(Fe,Al)13合金的相似性,本文猜想电弧熔炼法制备的La(Fe,Al)13合金也存在凝固偏析现象。如果该现象存在,制备的La(Fe,Al)13合金将存在样品不同位置具有不同热膨胀效应的缺点。这无疑不利于实际应用。基于上述问题,本论文先证实了凝固偏析现象在电弧熔炼铸锭中的存在,再利用铜模喷铸法解决了该问题。具体研究内容和结果如下:1、本文以电弧熔炼法制备的La Fe10.3Al2.7为研究对象,观测铸锭在退火前后的微结构。铸态锭由1:13相、α-Fe(Al)相以及非晶态富La相组成,其中1:13相主要分布在铸锭底部。铸态样品的中心区域存在一个富α-Fe(Al)相、贫富La相的“核”。这种凝固偏析导致的组织与成分的不均匀现象的主要源于铸锭在冷却凝固过程中冷却速率的不一致。在退火过程中,α-Fe(Al)相与富La相发生固态反应,生成1:13相,但该反应不充分,仍会有α-Fe(Al)相残余。退火并不能消除偏析现象,退火样品的不同区域具有不同的α-Fe(Al)相含量。这导致合金不同位置具有不同的热膨胀效应。2、鉴于凝固偏析现象源于冷却速率的不均一,本文采用了铜模喷铸工艺提升熔体的冷却速率,以消除凝固偏析现象。本文制备了直径为4mm的圆棒和厚度为1.5mm的薄板La(Fe,Al)13合金,并研究了它们的微结构及热膨胀性能。由于冷却速率的提高,两种样品中都没有电弧熔炼铸锭中的“核”,表明铜模喷铸法可以有效消除凝固偏析现象。相比于圆棒样品,退火后的薄板具有更细小且分布更均匀的α-Fe(Al)相。圆棒和薄板样品在Al含量为2.7和1.5时均展现出零热膨胀效应。
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