稀土金属单晶的制备方法与流程

本发明涉及稀土金属单晶制备技术领域，特别是涉及一种稀土金属单晶的制备方法。

背景技术：

稀土元素由于其特殊的4f电子层结构，具有独特的物理和化学性质。稀土金属单晶体具有各向异性性能，同时致密度高、无气孔。目前，主要应用于金属材料研发的基准材料，镀膜材料等领域，具有极高的研究价值。

金属单晶体目前主要制备方法：气相单晶生长技术通过气相沉积法制备单晶，该单晶尺寸小，气孔多，易与坩埚壁粘结，分离时容易给单晶造成应变。液态单晶生长技术有区域熔炼法、提拉法和温度梯度法制备单晶，容易造成坩埚污染，且制备时间长，工艺条件苛刻，投资大。固态单晶生长技术中的再结晶退火法和固态电迁移法，由于基体金属微观形态的限制，单晶尺寸小，一般为1mm或更小，单晶颗粒切割困难，中国专利cn106222744a公开了一种稀土金属单晶体及其制备方法，并具体公开了采用定向凝固铸锭通过反复挤压变形以及再结晶退火制备稀土金属单晶，存在耗时长，含氧量高等问题。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种稀土金属单晶的制备方法，该方法可以制备得到的稀土金属单晶，尺寸范围可以从φ4～12mm，且制备周期短，成材率高。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，本发明提供的一种稀土金属单晶的制备方法，包括以下步骤：

将稀土金属料棒安装在三电极电弧区域熔炼炉中，其中，稀土金属为sc、lu、er、y，gd、tb、dy、ho、tm中的一种；

抽真空至1pa以下，充入氩气至5～80kpa；

对料棒进行加热，待熔区出现后，以0.01～5mm/min的区熔速度，0～20r/min的旋转速度，对料棒进行第一次区熔；

待第一次区熔完成后，停止加热，冷却，待料棒冷却后将料棒移动到初始位置，重复区熔一次或多次，得到稀土金属单晶。

进一步地，所述稀土金属料棒的纯度高于2n，直径4～12mm。

进一步地，所述稀土金属单晶的直径为4～12mm。

进一步地，区熔速度可以为0.01～0.5mm/min。旋转速度可以为1～10r/min。

进一步地，重复区熔时，熔区的移动方向与第一次区熔时的移动方向相同，移动速度可以与第一次区熔的移动速度相同，也可以在其基础上升高或降低。

进一步地，三个电极电流相同，且为5～25a。即在加热升温阶段和最后的保温时，三个电极的电流保持一致。

进一步地，本发明中，所述三电极电弧区域熔炼炉，包括：底座、安装在底座上的炉体，以及安装在炉体内用于夹持和移动料棒的夹持装置和用于加热料棒的电极加热组件，其中，所述底座上设置有抽气孔和充气孔；所述夹持装置包括：安装在炉体顶部上的第一升降杆、安装在底座上且与第一升降杆相对设置的第二升降杆、以及安装在第一升降杆和第二升降杆的相对端部处的夹头，所述第一升降杆与第二升降杆均沿纵向方向可移动；所述电极加热组件包括三个安装在炉壁上且沿横向方向可移动的电极，所述电极以料棒为中心均匀地布置在料棒外周。

进一步地，将稀土金属料棒安装在三电极电弧区域熔炼炉中的步骤，包括：将稀土金属料棒夹持在第一升降杆和第二升降杆之间的夹头处；调整电极加热组件，将三个电极的末端调至离料棒1～6mm处。

与现有技术相比，本发明稀土金属单晶的制备方法可适用于多种稀土金属单晶的制备，而且制备得到的稀土金属单晶尺寸范围可以从φ4～12mm，该方法具有制备周期短，只需要一天左右的时间，而现有技术需要几天甚至十几天的时间，成材率高的优点。

附图说明

图1是本发明所采用的三电极电弧区域熔炼炉的结构示意图；

图2是本发明所采用的三电极电弧区域熔炼炉中的电极位置示意图；

图3是本发明实施例1得到的高纯金属钪单晶棒的照片示意图。

图1-图2中，1炉体，2底座，3抽气孔，4充气孔，5第二升降杆，6第一升降杆，7移动杆，8夹具，9夹头，10钨丝，11料棒，12密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示意性地示出了本发明所采用的三电极电弧区域熔炼炉中的一种结构；图2示意性示出了三电极电弧区域熔炼炉中的电极的安装位置。如图1-2所示，所述三电极电弧区域熔炼炉，包括底座2、安装在底座2上的炉体1，以及安装在炉体1内的夹持装置和电极加热组件。

本发明，如图1所示，所述底座2上设有抽气孔3，用于对炉体1的内部进行抽真空使得炉体1内部形成真空室；底座2上还设有充气孔4，用于向炉体1内充入惰性气体作为保护气体，例如可以为纯度99.99％的高纯氩气等。其中，所述底座2的尺寸优选大于炉体1的尺寸。

所述夹持装置用于夹持和移动料棒11。如图1所示，所述夹持装置可以包括：位于上方的第一升降杆6、位于下方的第二升降杆5，以及两个夹头9。所述第一升降杆6与第二升降杆5均沿纵向方向可移动，以完成料棒11区熔过程中的上下移动。具体地，可以通过设置在所述炉体1外部的且分别与所述第一升降杆6和第二升降杆5连接的第一驱动装置来驱动两升降杆的上下移动，完成料棒11的夹持以及实现区熔阶段的料棒11在垂直方向的上下移动。进一步地，所述第一升降杆6安装在炉体1顶部上，所述第二升降杆5安装在底座2上，两升降杆具体安装方式不做限定。例如可以采用在炉体1顶部和底座2上分别设置孔，然后将第一升降杆6和第二升降杆5分别上下可移动安装在孔中等安装方式进行安装。所述第一升降杆6与第二升降杆5上下对应安装以更好的夹持料棒11。所述第一升降杆6和第二升降杆5优选安装在炉体1的中心轴线上。所述夹头9安装在相对的第一升降杆6和第二升降杆5的端部，即升降杆夹持料棒11的一端。优选地，在第一升降杆6与炉体1顶部的安装位置处、以及第二升降杆5与底座2的安装位置处均设置有密封圈12，以保证炉内的密封性。所述夹头9的结构不做具体限定，可以夹住料棒11实现固定料棒11的功能即可。

在一可选实施例中，本发明中的第一升降杆6与第二升降杆5还可以旋转，即第一升降杆6和第二升降杆5分别上下可移动且可转动地安装在炉体1的顶部和底座2上。例如，可以采用设置在所述炉体1外部的分别与所述第一升降杆6和第二升降杆5连接的第三驱动装置来驱动其旋转，以带动所夹持的料棒11进行旋转。所述第三驱动装置例如可以为电机等，只要可以驱动两升降杆转动即可。

所述电极加热组件用于对料棒11进行加热。所述电极加热组件包括三个均匀安装在炉壁上且沿横向方向可移动的电极，所述电极以料棒11为中心均匀地环向布置在料棒11外周，即相邻电极之间夹角为120°，以保证区熔均匀性。如图1和图2所示，所述电极可以包括：安装在炉体1壁上的移动杆7、连接在移动杆7一端的夹具8、以及安装在夹具8上的钨丝10(当然不限于钨丝，可以为本领域其他材质)；所述夹具8的结构不做具体限定，例如可与夹头9的结构相同，起到夹持固定作用，使得钨丝10圆心与夹头9中心对中即可。本发明中，所述电极优选采用如图1所示的水平布置方式布置，但不限于此，也可以向下或向上倾斜一角度布置，保证用于加热的各电极末端处于同一水平面上即可。优选地，可以在移动杆7与炉体1壁的安装位置处设置密封圈12，以进一步保证炉内的密封性。具体地，所述电极加热组件可以采用设置在炉体1外部的与其连接的第二驱动装置来驱动其横向移动。进一步地，所述第二驱动装置与移动杆7的另一端连接，以通过驱动移动杆7带动整体电极在横向方向上移动，从而来调整电极与料棒11之间距离。

需要说明的是，所述第一驱动装置和第二驱动装置可以为液压缸、电机等设备，具体不做限制，可以完成两升降杆上下移动和电极横向移动即可。另外，第一驱动装置和第三驱动装置也可以为同一个装置，该装置既可以控制升降杆的上下移动，也可以完成升降杆的旋转功能，具体原理不做赘述，均为现有技术，可实现上述多种功能即可。本发明中各驱动装置均可以由同一个操控器来操控，甚至，本发明中所有驱动装置均可由一个一体化多功能装置来完成上述所有驱动装置的各功能。

需要说明的是，本发明中当然还包括电控等其他装置，例如，控制电极加热组件的开启、各电极的电流、区熔温度、正负极连接方式等均可为本领域常用技术，在此不进行具体描述。

本发明稀土金属单晶是采用上述介绍的三电极电弧区域熔炼炉通过电弧区域熔炼来制备的，下面对本发明稀土金属单晶的制备方法进行详细描述：

步骤s1、将稀土金属料棒安装在三电极电弧区域熔炼炉中。具体地，先将稀土金属料棒装到第一升降杆6和第二升降杆5之间的夹头9处并夹持固定；然后调整电极加热组件中的三个电极的末端调至离料棒11为1～6mm处。其中，稀土金属为sc、lu、er、y，gd、tb、dy、ho、tm中的一种。所述稀土金属料棒的纯度高于2n，直径4～12mm。

步骤s2、从底座2的抽气孔3处将三电极电弧区域熔炼炉抽真空至1pa以下，并从底座3的充气孔4充入氩气至5～80kpa；

步骤s3、对料棒11进行加热，待熔区出现后，以0.01～5mm/min的区熔速度(即上下移动速度)，0～20r/min的旋转速度，对料棒11进行第一次区熔。其中，三个电极在整个升温加热和最后保温时，始终保持电流大小一致，且均可以为5～25a。进一步地，区熔速度可以为0.3～0.5mm/min，旋转速度可以为1～10r/min。

步骤s4、待第一次区熔完成后，停止加热，冷却料棒11，待料棒11冷却后将料棒11移动到初始位置，重复区熔一次或多次，得到稀土金属单晶。其中，所述稀土金属单晶的直径为4～12mm。重复区熔时，熔区移动方向不变，移动速度大于、小于、或等于第一次区熔的移动速度。

下面以具体实施例对本发明进行详细描述：

实施例1

选取纯度为3n、直径8mm的金属钪料棒作为原料。

将金属钪料棒11固定在上、下两升降杆之间的夹头9处，然后调整三个电极的末端与料棒11间距离为4mm。

抽真空到1pa以下，然后充入高纯氩气至50kpa。

启动加热，三个电极分别启动并保证电流一致，保温时电流大小为12a。

待熔区稳定后，开启电机，以0.5mm/min的(向上)区熔速度，4r/min的旋转速度进行第一次区熔。

区熔结束后，关闭加热，冷却料棒11。

待料棒11冷却后，将料棒11移动到初始位置，仅更改上、下两升降杆移动速度为向上0.3mm/min，重复以上区熔过程一次，即可得到φ8mm的金属钪单晶。

实施例2

选取纯度为3n、直径8mm的金属镥料棒作为原料。

将金属镥料棒11固定在上、下两升降杆之间的夹头9处，然后调整三个电极的末端与料棒11间距离为3.5mm。

抽真空到1pa以下，然后充入高纯氩气至30kpa。

启动加热，三个电极分别启动并保证电流一致，保温时电流大小为13a。

待熔区稳定后，开启电机，以0.3mm/min的区熔速度，6r/min的旋转速度进行第一次区熔。

区熔结束后，关闭加热，冷却料棒11。

待料棒11冷却后，将料棒11移动到初始位置，重复以上区熔过程一次，熔区移动方向不变，速度与第一次区熔速度相同，即可得到φ8mm的金属镥单晶。

实施例3

选取纯度为3n、直径6mm的金属镝料棒作为原料。

将金属镝料棒11固定在上、下两升降杆之间的夹头9处，然后调整三个电极的末端与料棒11间距离为3mm。

抽真空到1pa以下，然后充入高纯氩气至30kpa。

启动加热，三个电极分别启动并保证电流一致，保温时电流大小为7.5a。

待熔区稳定后，开启电机，以0.4mm/min的区熔速度，8r/min的旋转速度进行第一次区熔。

区熔结束后，关闭加热，冷却料棒11。

待料棒11冷却后，将料棒11移动到初始位置，仅更改上、下两升降杆移动速度为向上0.3mm/min，重复以上区熔过程一次，即可得到φ6mm的金属镝单晶。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

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