一种可控的Al-Sc合金真空感应熔炼方法与流程

本发明涉及合金制备，尤其涉及一种可控的al-sc合金真空感应熔炼方法。

背景技术：

1、早在2009年，日本科学家akiyama发现在iiia族的化合物aln中掺杂sc元素，所形成的化合物alxsc1-xn可以极大地提高该材料的压电性能，而压电薄膜在通讯领域的射频芯片滤波器，以及mems上使用的pmut(压电微机机械感应器)有广泛的应用。因此，出现了大量针对alxsc1-xn薄膜溅射的研发。目前主流的方法是用al-sc合金制成溅射靶材，然后将该靶材在ar+n2的等离子体里面溅射成膜。该薄膜具有优异的压电效应性能，近年来在rf芯片多频谱saw/baw滤波器以及mems上使用的pmut(压电微机机械感应器)，具有广泛的应用。alxsc1-xn的压电效应与该材料的纯度有十分紧密的关系。通常是alxsc1-xn薄膜材料纯度越高，含氧量越低，其压电转换系数和效率(q数值)就越高。因此，对于形成al-sc合金的纯度，就会有很高的要求。目前形成al-sc合金的生产方式，主要是al和sc块状材料放置在坩埚里面，通过真空感应熔炼完成。采用的坩埚有各种类型，例如各种氧化物坩埚，氮化硼(bn)坩埚，bn/aln混合坩埚等等。由于sc的化学活性，在高温状态下，容易与各种金属或者石墨碳发生反应，因此为了获得高纯度的al-sc合金，通常在真空熔炼是避开各种难熔金属诸如钨(w)、钨合金类型、以及石墨(c)等坩埚。

2、如前所述，现有al-sc合金的熔炼，主要是al和sc在真空条件下，在各种具有电绝缘性能的坩埚下，通过中。低频率感应熔炼，使其形成合金。但利用这种传统的技术路径形成合金，会存在着如下的问题：sc是一个非常活跃的过渡金属元素，容易和很元素发生反应，尤其是和氧的化学亲和力很高，可以轻而易举地将一些氧化物的【o】原子“夺”走。因此在形成al-sc合金的工艺过程中，其最终合金的纯度就会相应地降低。在al-sc合金中含有大量的【o】，或者其它金属杂质，会在溅射al-sc靶材的过程中，将这些杂质转移到薄膜上，严重地影响到最终溅射形成的alxsc1-xn薄膜的压电系数和以及压电效率(q factor)；al和sc之间本身在>1000℃时，是激烈的放热化学反应，在短时间内会有巨大的热能释放出来。这个放热反应，会使得坩埚的壁面经历极速的升温，从而导致很高的热应力产生，很容易使得陶瓷材料的坩埚发生开裂。因此，能够控制al与sc之间的反应动力学条件，诸如参与反应的sc元素的量、感应升温曲线等等，是al-sc真空熔炼过程中需要有效控制的十分重要的参数。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，以解决背景技术中提出的技术问题。

2、经过的大量的实验表明，纯度≥99.9％的al2o3坩埚，在al和sc在该容器内发生感应加热至熔融状态的时候，并没有和al2o3坩埚内壁发生反应。al-sc熔液冷却后凝固所形成的锭子，没有发生粘壁的现象，可以很容易地从坩埚中取出锭子；所以，使用高纯的al2o3坩埚感应熔炼al-sc合金，是一个比较理想的方案。其它试验过的坩埚，包括但不仅限于bn，bn40％/aln60％，al2o3/sio2/cao/fe2o3等材料，都或多或少的发生冷凝后的锭子粘壁，所形成的al-sc合金内含有可观的从内壁与sc反应后所带进来的杂质。

3、为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

4、一种可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，包括以下步骤：

5、s1、将高纯度的al块放入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚中，将高纯度的sc块放入真空感应熔炼炉的辅助加料仓中，并将感应熔炼炉的腔体抽成真空，其中，熔炼坩埚为纯度≥99.9％的al2o3坩埚，所述熔炼坩埚的外部套设有石墨外套；

6、s2、启动真空感应熔炼炉，在加热的过程中，将sc块状材料逐步放入熔融的al熔液中，直至sc材料完全加入坩埚之中，得到al-sc熔液；

7、s3、关掉电源，使得真空感应熔炼炉自然降温至室温，待al-sc熔液冷凝成型，即可制得al-sc合金。

8、本发明通过将大部分的感应加热转移到外壁的石墨外套上，石墨外套被感应加热后，通过al2o3坩埚，以热能导热的形式，传输到内壁内的al和sc材料上，通过这种方式，坩埚内材料的升温就显著放缓，使得al-sc放热的速率得到了控制，而不至于产生热应力而导致坩埚的开裂，并采用将sc材料逐步地在反应过程中加入坩埚的方法，可以有效地控制参与反应的sc数量，从而达到了放热反应的热能，逐步被释放出来的目的，也可以有效地控制坩埚内壁的升温速率，从而避免热应力导致坩埚开裂；利用本发明方法制得的al-sc合金纯度高，含氧量低。

9、优选地，步骤s1中，所述al块的纯度≥4n。

10、优选地，步骤s1中，所述sc块的纯度≥4n。

11、优选地，步骤s1中，将感应熔炼炉的腔体抽成真空至真空度达到≤10-3pa。

12、因为sc对【o】的高度亲和力，而且【o】对alxsc1-xn薄膜的压电系数和压电效率会产生不利的影响，而【n】是要在反应溅射al-sc过程中掺杂进去的元素，因此在高纯的al2o3坩埚内壁表面，利用等离子喷涂一层0.5-1.0mm厚的alnx薄膜，能够有效地避免al-sc与内壁氧化物所含的【o】直接接触的机会，感应熔炼形成的al-sc合金质量会有明显地提高，且避免了al和sc在熔融状态下，与坩埚内壁发生反应的可能性，从而提高所形成合金的纯度，以及降低所形成的al-sc合金材料的含氧量，且采用间接感应加热的方法，控制al和sc反应的速率，从而避免了因al和sc的发热反应释放出来的热，导致坩埚开裂。

13、优选地，所述熔炼坩埚的内壁喷涂厚度为0.5-1.0mm的alnx薄膜。

14、优选地，所述石墨外套外面安装有感应线圈。

15、优选地，步骤s2中，真空感应熔炼炉的感应功率设置为10-15kw，熔炼时间为55min。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、由于al-sc在≥1000℃以上，会发生激烈的放热反应，从而使得坩埚的管壁激烈升温，并产生热应力，从而使得坩埚出现过了开裂，为了避免这种现象的发生，必须从动力学的角度，控制al与sc反应的速率和反应量，本发明通过将大部分的感应加热转移到外壁的石墨外套上，石墨外套被感应加热后，通过al2o3坩埚，以热能导热的形式，传输到内壁内的al和sc材料上，通过这种方式，坩埚内材料的升温就显著放缓，使得al-sc放热的速率得到了控制，而不至于产生热应力而导致坩埚的开裂，并采用将sc材料逐步地在反应过程中加入坩埚的方法，可以有效地控制参与反应的sc数量，从而达到了放热反应的热能，逐步被释放出来的目的，也可以有效地控制坩埚内壁的升温速率，从而避免热应力导致坩埚开裂；利用本发明方法制得的al-sc合金纯度高，含氧量低。

技术特征：

1.一种可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤s1中，所述al块的纯度≥4n。

3.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤s1中，所述sc块的纯度≥4n。

4.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤s1中，将感应熔炼炉的腔体抽成真空至真空度达到≤10-3pa。

5.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：所述熔炼坩埚(1)的内壁喷涂厚度为0.5-1.0mm的alnx薄膜(3)。

6.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：所述石墨外套(2)外面安装有感应线圈。

7.根据权利要求1所述的可控的al-sc合金真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤s2中，真空感应熔炼炉的感应功率设置为10-15kw，熔炼时间为55min。

技术总结本发明涉及一种可控的Al‑Sc合金真空感应熔炼方法，包括以下步骤：S1、将高纯度的Al块和Sc块分别放入真空感应熔炼炉的纯度≥99.9％的Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;熔炼坩埚及辅助加料仓中，熔炼坩埚的外部套设有石墨外套；S2、启动真空感应熔炼炉，将Sc块状材料逐步放入熔融的Al熔液中；S3、冷凝成型。石墨外套被感应加热后，通过Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;坩埚，以热能导热的形式，传输到内壁内的Al和Sc材料上，通过这种方式，坩埚内材料的升温就显著放缓，使得Al‑Sc放热的速率得到了控制，并采用将Sc材料逐步地在反应过程中加入坩埚的方法，可以有效地控制参与反应的Sc数量，从而达到了放热反应的热能，逐步被释放出来的目的，也可以有效地控制坩埚内壁的升温速率，从而避免热应力导致坩埚开裂。技术研发人员：丘立安,李宗雨,梁放,韩正飞,鲁波,冯雪,李淳受保护的技术使用者：南京先锋材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5