[發明專利]一種微合金化重稀土基非晶合金及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011088724.8
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112342475A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 沈寶龍;邵里良;薛琳;李俊;王倩倩
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C22C45/00
• 分類號: C22C45/00;B22D18/04;H01F1/01
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 吳飛

本發明公開一種微合金化重稀土基非晶合金及其制備方法和應用。以各組分原子百分含量計，該非晶合金的化學分子式為R₅₅Co₂₀Al_25?xM_x或(Gd_0.2Dy_0.2Er_0.2Co_0.2Al_0.2)_100?xM_x，其中，R為重稀土元素，選自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm中的一種；M為類金屬元素，選自B、C、N、Si中的一種，且0＜x≤1。其制備方法包括：根據重稀土基非晶合金的化學分子式稱取相應原料；將稱取的原料放入電弧熔煉爐中熔煉，冷卻后得到成分均勻的母合金鑄錠；將母合金鑄錠熔融成合金熔液，吸入水冷銅模中，得到重稀土基塊體非晶合金棒材。本發明的微合金化重稀土基非晶合金臨界直徑可達厘米級，過冷液相區寬度在64～80K，兼具良好磁熱性能，可用作低溫磁制冷領域的制冷工質。

技術領域

本發明涉及一種非晶合金及其制備方法和應用，特別涉及一種兼具高非晶形成能力與良好磁熱性能的微合金化重稀土基非晶合金及其制備方法和應用，屬于非晶合金與磁制冷技術領域。

背景技術

當今社會，制冷技術與人們的生活息息相關，小到家用空調、冰箱等，大到高能物理、工業生產、交通運輸、航天航空等領域均離不開制冷技術。目前使用最普遍的制冷技術是氣體壓縮制冷，使用氟利昂作為制冷劑，這種制冷方式會引起臭氧層破壞、環境污染和溫室效應等問題，同時制冷效率低、能耗較大，不符合可持續發展要求。

基于磁熱效應的磁制冷技術表現出高效節能、綠色環保無污染、振動噪聲小等優點，在冰箱、空調、精密儀器、航空航天等制冷領域具有廣闊應用前景。磁制冷技術的核心是磁制冷工質，經過數十年研究，科學家探索制備了眾多磁制冷材料，如GdSiGe、MnFePAs(Ga)、NiMnGa和LaFeSi等系列合金，這些合金系均顯示巨磁熱效應，居里溫度附近表現出大磁熵變。然而這些合金系均為一級磁相變材料，相變溫區較窄、磁滯損耗較大，制冷能力較低。此外，制備得到單相化合物的晶體結構需經過最長達30天的熱處理過程，大大增加了生產成本，限制了其產業化發展應用。

相比于晶體材料，具有二級磁相變特征的非晶磁制冷材料，由于其無序原子結構而具有較寬的磁轉變溫區，磁滯和熱滯基本為零，同時磁熵變值相對較大，制冷效率高。此外，非晶磁制冷材料還具有電阻率高、渦流小、相變溫度可調、機械性能良好和高耐磨耐蝕等優點，能夠很好地滿足磁制冷工質的應用要求。近年來，科研工作者探索制備了RETMAl(RE代表重稀土元素，TM代表過度族金屬元素)合金體系，如GdCoAl、GdNiAl、DyCoAl等。此外，高熵非晶概念的提出，拓寬了稀土基非晶合金成分設計，典型的如GdTbDyCoAl、GdDyErCoAl五元高熵非晶合金。然而大部分重稀土基非晶合金形成能力有限，甚至只能制備條帶樣品，且熱穩定性較差，不利于大規模生產使用。

中科院物理所的科研人員于2008年制備出一系列RE₅₅Co₂₀Al₂₅(RE為Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho和Er中的一種)，后續研究表明，其中的重稀土非晶合金均表現良好磁熱性能。但是，上述合金體系非晶形成能力有限，臨界直徑只有2～3mm(J.Non-Cryst.Solids2008(354):1080-1088)。

中國專利申請CN105296893A公開了一種高熵非晶合金、其制備方法及應用。合金的化學成分為A₂₀B₂₀C₂₀T₂₀Al₂₀，其中A、B、C彼此不相同，分別選自Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm中的一種重稀土元素，T選自Fe、Co、Ni中的一種元素。該高熵合金具有良好磁熱效應，但非晶形成能力較低，僅能制備直徑1mm的非晶棒材甚至薄帶。