一种零膨胀稀土合金材料及其制备方法

本发明属于相变合金制备，具体涉及一种零膨胀稀土合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、热胀冷缩是物质的基本属性，绝大多数材料都具有热胀冷缩的性质。材料的这种固有属性会降低结构的稳定性，削弱甚至破坏材料的功能特性。随着航空航天、精密加工、集成电路、光学仪器、极端条件等领域的快速发展，对材料热膨胀系数调控提出了更高的要求。

2、在目前已制备的具有零膨胀效应的合金主要基于以下两种方案：

3、1.用负热膨胀材料与正热膨胀材料互相复合，通过调整体积比例和界面匹配，获得零膨胀的复合材料。这种方案要考虑不同材料间的界面和相容性问题，导致制造工艺复杂，对制备样品的设备要求高，所以成本比较高。

4、2.通过先进的晶体生长技术和控制手段来调控材料晶体结构的取向来实现零膨胀效果。这种方法得到的是沿某一特定轴向表现出的零膨胀效应。

技术实现思路

1、针对通过现有技术中的制备工艺得到的材料零热膨胀工作温度过低、且仅为单轴零膨胀等问题，本发明提供了一种零膨胀稀土合金材料及其制备方法，该方法利用稀土金属间化合物中强磁弹性耦合效应的存在，通过元素替代，调控其热膨胀系数，最终获得高温区、且体膨胀为零(或近零)的材料。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种零膨胀稀土合金材料，其表达式为(nd1-xgdx)3fe27.91ti1.89，其中，0.1≤x≤0.5；当x＝0.1时，稀土合金材料的近似零膨胀效应在300k～440k,相应的体膨胀系数为αv＝3.24×10-6k-1；当x＝0.3时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300k～467k，相应的体膨胀系数为αv＝5.74×10-6k-1；当x＝0.5时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300k～489k，相应的体膨胀系数为αv＝5.98×10-6k-1。

4、另一方面，本发明还提供了一种可控热膨胀材料的制备方法，具体包括如下步骤：

5、步骤一：按照化学式的比例称量(nd1-xgdx)3fe27.91ti1.89稀土合金材料所需的金属单质原材料nd、gd、fe和ti；

6、步骤二：将步骤一称量的金属单质原材料混合后进行反复熔炼，得到成分均匀的合金锭子；

7、步骤三：将熔炼好的合金锭子在高纯氩气气氛内退火；

8、步骤四：合金锭子退后完成后得到零膨胀稀土合金材料。

9、进一步地，步骤一中，所述的金属单质原材料nd、gd、fe和ti的纯度均大于99.9％。

10、进一步地，步骤二中，将配置好的金属单质原材料放置于电弧炉的铜质坩埚中，在高纯氩气氛围内反复对材料熔炼4～6次，得到成分均匀的合金锭子。

11、进一步地，步骤三中，将熔炼好的合金锭子采用钽片包裹并在高纯氩气保护下于800～1100℃退火3～7d。

12、与现有技术相比，本发明的优点如下：

13、本发明的一种零膨胀稀土合金材料及其制备方法，通过稀土合金在在一定的温度范围内存在零膨胀效应，研究发现这一系列样品由于强磁弹性耦合效应的存在，通过元素替代，可调控材料的热膨胀系数，最终获得了体膨胀为零的材料，并且这种材料制备工艺简单，成本较低。这种体膨胀为零的材料在热机械工程领域、纳米制造领域和航空航天领域有着广泛的应用价值。

技术特征：

1.一种零膨胀稀土合金材料，其特征在于，其表达式为(nd1-xgdx)3fe27.91ti1.89，其中，0.1≤x≤0.5；当x＝0.1时，稀土合金材料的近似零膨胀效应在300k-440k,相应的体膨胀系数为αv＝3.24×10-6k-1；当x＝0.3时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300k-467k，相应的体膨胀系数为αv＝5.74×10-6k-1；当x＝0.5时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300k-489k，相应的体膨胀系数为αv＝5.98×10-6k-1。

2.如权利要求1所述的一种零膨胀稀土合金材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的一种零膨胀稀土合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述的金属单质原材料nd、gd、fe和ti的纯度均大于99.9％。

4.如权利要求2所述的一种零膨胀稀土合金材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，将配置好的金属单质原材料放置于电弧炉的铜质坩埚中，在高纯氩气氛围内反复对材料熔炼4～6次，得到成分均匀的合金锭子。

5.如权利要求2所述的一种零膨胀稀土合金材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，将熔炼好的合金锭子采用钽片包裹并在高纯氩气保护下于800-1100℃退火3-7d。

技术总结本发明公开了一种零膨胀稀土合金材料及其制备方法,属于相变合金制备技术领域，其表达式为(Nd<subgt;1‑x</subgt;Gd<subgt;x</subgt;)<subgt;3</subgt;Fe<subgt;27.91</subgt;Ti<subgt;1.89</subgt;，其中，0.1≤x≤0.5；当x＝0.1时，稀土合金材料的近似零膨胀效应在300K～440K,相应的体膨胀系数为α<subgt;V</subgt;＝3.24×10<supgt;‑6</supgt;K<supgt;‑1</supgt;；当x＝0.3时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300K～467K，相应的体膨胀系数为α<subgt;V</subgt;＝5.74×10<supgt;‑6</supgt;K<supgt;‑1</supgt;；当x＝0.5时，稀土合金材料的近似零膨胀效应发生在300K～489K，相应的体膨胀系数为α<subgt;V</subgt;＝5.98×10<supgt;‑6</supgt;K<supgt;‑1</supgt;。该方法利用稀土金属间化合物中强磁弹性耦合效应的存在，通过元素替代，调控其热膨胀系数，最终获得高温区、且体膨胀为零(或近零)的材料。技术研发人员：胡长城,孙超,曲辰飞,王文全,王建立受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12