一种均匀掺杂元素的TiFe2合金单晶制备方法及TiFe2合金

本发明为金属化合物晶体生长，特别涉及一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法及tife2合金。

背景技术：

1、具有ab2结构的laves相由于其优异的结构稳定性和可设计性，被广泛应用于航天结构材料、耐热材料和储氢材料中。满足c14结构的金属间化合物tife2具有高硬度、良好的导电性、热稳定性和化学稳定性的优点。这些优异性能使其在高熵合金和储氢材料中被广泛应用。

2、由于不同浓度的fe和ti会生成不同成分的fe-ti化合物，在fe-ti合金中，元素的均匀性是至关重要的，若元素分布不均匀则会导致偏析产生杂相，影响样品质量，导致材料的物理性能以及机械性能恶化。

3、通常，tife2的合成方法主要包括高温固相反应法、熔盐法、机械合金化法等。其中，高温固相反应法是最常用的合成方法，通过在高温下降钛和铁的粉末混合并反应，得到tife2粉末，但此种方法易混入杂质。而熔盐法则生长周期较长且难以长出完整的晶体，另一方面，助熔剂的选择也是一大难题。机械合金法同样无法获得完整的晶体，且样品受到污染的概率较高。因此，以上常用的合成方法通常只能制备出tife2的多晶，即便制作出单晶也很难用肉眼看到。

4、因此，亟需一种均匀掺杂元素的tife2单晶制备工艺。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法。制得的tife2合金纯度高，单晶质量与完整度好，硬度更高，且该制备方法可以大大缩短生长周期，降低生产成本。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，包括如下步骤：

4、s1、配料：按照tife2合金的成分配置所需摩尔比的原材料并混匀，所述tife2合金的单晶元素含量为：xti-yfe-zsi，其中，x、y、z表示对应元素的摩尔比，当z＝0时，x：y＝1:2；当z≠0时，x：y：z＝n：(11-n)：1，其中，n为2.3～4；

5、s2、熔炼多晶：将步骤s1获得的混合后的所述原材料置于熔炼坩埚中，采用电弧熔炼法获得tife2多晶锭，整个熔炼过程样品采用惰性气体保护；

6、s3、提拉生长单晶：

7、(1)熔融：将步骤s2中获得的所述tife2多晶锭倒置在四电弧单晶生长炉的铜坩埚中，调整四个电弧电极与所述tife2多晶锭之间的距离相等；经过洗气和除氧后，四根钨电极同时起弧，以12.5～13.5a的电流熔炼所述tife2多晶锭；

8、(2)收颈：减小电流至10.5～11.5a，将提拉钨针尖端插入熔体，待熔体稳定后向上提拉收颈；

9、(3)匀速提拉：收颈完成后，将提拉速度设为4mm/h，同时提拉钨针与铜坩埚分别以≤2.5r/min的转速朝相反方向旋转，将凝固结晶的单晶向上提拉，保持等径生长；

10、(4)生长结束：当生长的单晶达到所需的尺寸时，将单晶提拉脱离熔融的原料表面，待样品冷却至室温后取出，即得到所述tife2合金单晶。

11、本方案所述制备方法采用四电弧熔体提拉法生长tife2合金单晶，在不使用各类熔剂或溶剂的条件下，采用熔体提拉技术为基础，合理设计晶体生长的工艺过程，高效、稳定、可重复地生长大尺寸、高质量晶体。特别地，本方案中在tife2合金单晶中掺入一定量的硅可以进一步提高晶体的硬度，增强耐磨性。

12、进一步地，所述步骤s1中的配料过程采用惰性气体保护，所述原材料的纯度质量百分数均≥99.99％。

13、进一步地，所述步骤s2中的电弧熔炼法具体包括如下步骤：

14、(a)洗气：将步骤s1获得的混合后的所述原材料置于真空电弧熔炼炉内的铜坩埚中，打开真空泵将炉腔内抽至负压，随后关闭真空泵连接炉腔的通道，向炉腔内通入惰性气体，再次打开真空泵抽真空，如此重复三次；

15、(b)起弧+除氧：将炉腔通入惰性气体直至炉内压力略高于一个标准大气压，操纵电弧电极靠近钛金属锭，将电极调到起弧模式，电流30a，当钨电极与钛金属锭之间产生电弧后转换到工作模式，增加电流至170～180a，熔炼钛时长≥5min；

16、(c)熔炼：减小电流至55～60a并移开电弧，摆动电极靠近原材料，引导电弧至原材料表面，待电弧稳定后逐渐增大电流直至原材料完全融化，继续增加电流10～20a熔炼1～2min后，减小电流至55～60a并移开电弧，待样品冷却凝固后，翻转样品再次熔炼，重复3～4次，即得到所述tife2多晶锭。

17、进一步地，所述步骤s2和所述步骤s3中的所述洗气环境为＜1.0×10-2pa的真空。

18、进一步地，所述步骤s3的步骤(1)中，在熔炼过程中铜坩埚始终朝同一方向旋转，转速≤5r/min。

19、本发明还提供由上述制备方法制得的tife2合金单晶，单晶元素含量为4ti-7fe-si。

20、掺杂一定量的硅可以进一步提高tife2合金单晶的硬度，从而增强其耐磨性。

21、本发明所述的tife2合金单晶制备方法相较现有技术至少包括如下有益效果：

22、1、整个晶体生长过程中不引入助熔剂，一方面简化了原料配比设计，另一方面避免了助熔剂对样品和容器的污染，更易于得到高纯度的单晶。且原料在晶体生长结束后可以重复利用，降低了生产成本；

23、2、提拉法操作简单，与常用的高温固相反应法、熔盐法、机械合金化法等tife2合成方法相比，提拉法更能保证单晶质量与完整度，能够提高单晶元素的均匀性，同时大大缩短生长周期，降低了生产成本；

24、3、晶体生长过程中的坩埚和提拉钨针均能旋转，确保了溶质原子均匀分布不发生偏析，提高了单晶制备的成功率。熔融态的钛和铁化学性质活泼，整个制备过程在惰性气体保护环境下，能够保护其不与氧气反应。

技术特征：

1.一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的配料过程采用惰性气体保护，所述原材料的纯度质量百分数均≥99.99％。

3.根据权利要求1所述的一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的电弧熔炼法具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，其特征在于，所述步骤s2和所述步骤s3中的所述洗气环境为＜1.0×10-2pa的真空。

5.根据权利要求3所述的一种均匀掺杂元素的tife2合金单晶制备方法，其特征在于，所述步骤s3的步骤(1)中，在熔炼过程中铜坩埚始终朝同一方向旋转，转速≤5r/min。

6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法所制备的tife2合金单晶，其特征在于，单晶元素含量为4ti-7fe-si。

技术总结本发明提供一种均匀掺杂元素的TiFe<subgt;2</subgt;合金单晶制备方法，其包括步骤：按照原料的摩尔比称重，充分混匀后放入电弧炉中，在氩气保护下熔炼出多晶锭，再将多晶锭放入四电弧单晶提拉炉中，在氩气保护下用电弧完全融化，恒温过热后降温至晶体熔点；然后下放提拉钨针，经过匀速提拉过程生长出单晶棒；当单晶棒生长到需要的长度后将其提离液面，降至室温后取出，得到TiFe<subgt;2</subgt;合金单晶。本发明所述方案无需使用熔剂，以熔体提拉技术为基础，合理设计晶体生长的工艺过程，相较常规TiFe<subgt;2</subgt;合金单晶的合成技术，能够获得更加稳定、高质量、成分均匀的单晶，且可重复生长，能够实现降本增效的目的。技术研发人员：侯廷平,谭昕暘,胡亮,石友国,吴开明受保护的技术使用者：武汉科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26