RU2754540C1

RU2754540C1 - Electric arc method for producing ti2mnal ingots

Info

Publication number: RU2754540C1
Application number: RU2021103784A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Борисенко; Эдуард Валентинович Девятов; Варнава Денисович Есин; Николай Николаевич Колесников
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2021-09-03

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of a Heusler alloy in the form of ingots, suitable for studying the properties of the spin-polarized gapless semiconductor Ti2MnAl. A method for producing ingots of Ti2MnAl alloy from a mixture of aluminum, manganese and titanium includes preparing a mixture of aluminum, manganese and titanium and melting it. The prepared mixture is poured into a crucible and melted in a skull with arc discharge plasma with a voltage of 65 to 70 V and a current of 8 to 10 A in a helium atmosphere at a pressure of 0.8 to 1 atm for 20 minutes, followed by a decrease in power to zero.EFFECT: invention provides uniform crystallization of the ingot.1 cl, 2 dwg, 9 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению сплава Гейслера в виде слитков пригодных для изучения свойств спин-поляризованного бесщелевого полупроводника Ti₂MnAl.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of a Heusler alloy in the form of ingots suitable for studying the properties of a spin-polarized gapless semiconductor Ti ₂ MnAl.

В области разработки новых материалов в настоящее время большой интерес представляют тройные сплавы Гейслера. Занимая промежуточное положение между бинарными интерметаллидами (фазы Юм-Розери, фазы Лавеса и др.) и высокоэнтропийными сплавами, сплавы Гейслера представляют большой интерес в физике твердого тела благодаря многообразию физических свойств, связанных с особенностями электронной структуры и магнитоупругих взаимодействий, обусловленных симметрией кристаллической решетки, что, в соответствии с принципом Кюри, приводит к наблюдению многообразных физических явлений: магнитной памяти формы, обменному смещению, магнитокалорическим эффектам, магнитосопротивлению и большим эффектам Холла [Manna, K., Sun, Y., Muechler, L. et al. Heusler, Weyl and Berry. Nat Rev Mater 3, 244-256 (2018)]. Исследование этих явлений невозможно без развития технологии получения слитков высокого структурного совершенства, получение которых является нетривиальной задачей. Поэтому поиск, развитие и совершенствование способов получения слитков является важным направлением прецизионной металлургии и служит основой для понимания физики магнитных явлений этого класса соединений.In the field of developing new materials, Heusler ternary alloys are currently of great interest. Occupying an intermediate position between binary intermetallics (Hume-Rothery phases, Laves phases, etc.) and high-entropy alloys, Heusler alloys are of great interest in solid state physics due to the variety of physical properties associated with the features of the electronic structure and magnetoelastic interactions caused by the symmetry of the crystal lattice. which, in accordance with the Curie principle, leads to the observation of a variety of physical phenomena: magnetic shape memory, exchange bias, magnetocaloric effects, magnetoresistance and large Hall effects [Manna, K., Sun, Y., Muechler, L. et al. Heusler, Weyl and Berry. Nat Rev Mater 3, 244-256 (2018)]. The study of these phenomena is impossible without the development of technology for producing ingots of high structural perfection, the production of which is a non-trivial task. Therefore, the search, development and improvement of methods for producing ingots is an important area of precision metallurgy and serves as the basis for understanding the physics of magnetic phenomena of this class of compounds.

Известен способ получения Ti₂MnAl [Борисенко Д.Н., Девятое Э.В., Егоркин М.И., Есин В.Д., Колесников Н.Н., Швецов О.О. // Патент РФ №2725229 от 30.06.2020. Бюл. №19] - прототип. Задачей данного изобретения является получение Ti₂MnAl в виде слитков. Технический результат достигается за счет того, что навески марганца и алюминия помещают в капсулу из титана, закрывают крышкой из титана, и затем подвергают плавке во взвешенном состоянии с использованием высокочастотного индукционного нагрева в атмосфере инертного газа при температуре от 1700 до 1730°С в течение от 15 до 20 мин, причем кристаллизация расплава осуществляется путем закалки до комнатной температуры. Слитки объемом не более 1 см³ имеют однородный состав и однородную мелкокристаллическую структуру. Недостатком предложенного способа получения является наличие в материале больших закалочных напряжений, что затрудняет его дальнейшую обработку и приводит к выкрашиванию при подготовке образцов, и требует проведение высокотемпературного отжига в течение нескольких часов. Стоит отметить, что применение левитационной плавки ограничивает масштабируемость процесса в силу эмпирического правила: на каждый 1 см³ слитка требуется до 30 кВт подводимой мощности. Такая плотность мощности делает предложенный способ получения Ti₂MnAl очень энергозатратным и не позволяет получать слитки без закалочных напряжений, так как при небольшом снижении мощности для равномерной кристаллизации капля расплава сразу падает вниз и подвергается закалке.A known method of producing Ti ₂ MnAl [Borisenko DN, Devyatoe EV, Egorkin MI, Esin VD, Kolesnikov NN, Shvetsov OO. // RF Patent No. 2725229 dated 06/30/2020. Bul. No. 19] - a prototype. The object of this invention is to obtain Ti ₂ MnAl in the form of ingots. The technical result is achieved due to the fact that the weighed portions of manganese and aluminum are placed in a titanium capsule, closed with a titanium lid, and then subjected to suspension melting using high-frequency induction heating in an inert gas atmosphere at temperatures from 1700 to 1730 ° C for from 15 to 20 minutes, and the crystallization of the melt is carried out by quenching to room temperature. Ingots with a volume of not more than 1 cm ³ have a homogeneous composition and a homogeneous fine-crystalline structure. The disadvantage of the proposed method of obtaining is the presence in the material of high quenching stresses, which complicates its further processing and leads to chipping during the preparation of samples, and requires high-temperature annealing for several hours. It should be noted that the use of levitation smelting limits the scalability of the process due to the rule of thumb: for every 1 cm ^{3 of the} ingot, up to 30 kW of input power is required. This power density makes the proposed method for producing Ti ₂ MnAl very energy-consuming and does not allow producing ingots without quenching stresses, since with a slight decrease in power for uniform crystallization, a drop of the melt immediately falls down and is quenched.

Задачей настоящего изобретения является разработка электродугового способа получения слитков Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.The objective of the present invention is to develop an electric arc method for producing Ti ₂ MnAl ingots with uniform crystallization.

Технический результат достигается тем, что процесс получения слитков Ti₂MnAl проводят электродуговой плавкой в атмосфере гелия в гарнисаже из смеси алюминия, марганца и титана, с плавным снижением мощности до нуля для равномерной кристаллизации.The technical result is achieved by the fact that the process of obtaining Ti ₂ MnAl ingots is carried out by electric arc melting in an atmosphere of helium in a skull made of a mixture of aluminum, manganese and titanium, with a gradual decrease in power to zero for uniform crystallization.

Способ получения слитков Ti₂MnAl включает в себя подготовку смеси алюминия, марганца и титана, которую засыпают в тигель и нагревают до плавления в гарнисаже плазмой дугового разряда в атмосфере инертного газа с образованием слитков Ti₂MnAl с плавным снижением мощности до нуля для равномерной кристаллизации. Режимы получения подобраны экспериментально.The method for producing Ti ₂ MnAl ingots includes preparing a mixture of aluminum, manganese and titanium, which is poured into a crucible and heated to melting in the skull by arc discharge plasma in an inert gas atmosphere to form Ti ₂ MnAl ingots with a gradual decrease in power to zero for uniform crystallization. The production modes are selected experimentally.

Пример 1. В тигель, расположенный в герметичной камере, позволяющей вести процесс в гарнисаже, в контролируемой атмосфере, засыпают смесь из титана, марганца и алюминия. Над тиглем помещают электрод для создания электрической дуги. Плавку проводят в атмосфере аргона при давлении 0,5 атм, напряжении 50 В и токе 8 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс прерывается, плавления нет. Слиток Ti₂MnAl получить не удалось.Example 1. A mixture of titanium, manganese and aluminum is poured into a crucible located in a sealed chamber, which allows the process to be carried out in a skull, in a controlled atmosphere. An electrode is placed over the crucible to create an electric arc. Melting is carried out in an argon atmosphere at a pressure of 0.5 atm, a voltage of 50 V and a current of 8 A. The duration of the process is 20 minutes. The process is interrupted, there is no melting. The ingot of Ti ₂ MnAl could not be obtained.

Пример 2. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере аргона при давлении 1 атм, напряжении 65 В и токе 10 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс идет неустойчиво, плавления нет. Слиток Ti₂MnAl получить не удалось.Example 2. The same as in example 1, but the melting is carried out in an argon atmosphere at a pressure of 1 atm, a voltage of 65 V and a current of 10 A. The duration of the process is 20 minutes. The process is unstable, there is no melting. The ingot of Ti ₂ MnAl could not be obtained.

Пример 3. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере аргона при давлении 1,5 атм, напряжении 70 В и токе 10 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс не идет. Слиток Ti₂MnAl получить не удалось.Example 3. The same as in example 1, but the melting is carried out in an argon atmosphere at a pressure of 1.5 atm, a voltage of 70 V and a current of 10 A. The duration of the process is 20 minutes. The process is not going on. The ingot of Ti ₂ MnAl could not be obtained.

Пример 4. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 1,5 атм, напряжении 70 В и токе 10 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс прерывается, нет плавления. Слиток Ti₂MnAl получить не удалось.Example 4. The same as in example 1, but the melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 1.5 atm, voltage 70 V and current 10 A. The duration of the process is 20 minutes. The process is interrupted, there is no melting. The ingot of Ti ₂ MnAl could not be obtained.

Пример 5. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 0,9 атм, напряжении 68 В и токе 9 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс плавления идет устойчиво. Плавным снижением мощности до нуля удается получить слиток Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.Example 5. The same as in example 1, but the melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 0.9 atm, a voltage of 68 V and a current of 9 A. The duration of the process is 20 minutes. The melting process is stable. By smoothly reducing the power to zero, it is possible to obtain a Ti ₂ MnAl ingot with uniform crystallization.

Пример 6. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 0,8 атм, напряжении 65 В и токе 9 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс плавления идет устойчиво. Плавным снижением мощности до нуля удается получить слиток Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.Example 6. The same as in example 1, but the melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 0.8 atm, a voltage of 65 V and a current of 9 A. The duration of the process is 20 minutes. The melting process is stable. By smoothly reducing the power to zero, it is possible to obtain a Ti ₂ MnAl ingot with uniform crystallization.

Пример 7. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 1 атм, напряжении 65 В и токе 8 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс плавления идет устойчиво. Плавным снижением мощности до нуля удается получить слиток Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.Example 7. The same as in example 1, but the melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 1 atm, a voltage of 65 V and a current of 8 A. The duration of the process is 20 minutes. The melting process is stable. By smoothly reducing the power to zero, it is possible to obtain a Ti ₂ MnAl ingot with uniform crystallization.

Пример 8. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 1 атм, напряжении 70 В и токе 10 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс плавления идет устойчиво. Плавным снижением мощности до нуля удается получить слиток Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.Example 8. The same as in example 1, but the melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 1 atm, a voltage of 70 V and a current of 10 A. The duration of the process is 20 minutes. The melting process is stable. By smoothly reducing the power to zero, it is possible to obtain a Ti ₂ MnAl ingot with uniform crystallization.

Пример 9. То же по примеру 1, но плавку проводят в атмосфере гелия при давлении 0,8 атм, напряжении 55 В и токе 8 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс не идет. Слиток Ti₂MnAl получить не удалось.Example 9. The same as in example 1, but melting is carried out in a helium atmosphere at a pressure of 0.8 atm, a voltage of 55 V and a current of 8 A. The duration of the process is 20 minutes. The process is not going on. A Ti ₂ MnAl ingot could not be obtained.

Таким образом, предложенный способ получения слитков Ti₂MnAl по примерам 5, 6, 7 и 8 является перспективным направлением прецизионной металлургии для создания сплавов Гейслера. На фиг. 1 представлен тигель (1) с гарнисажем (2) и слитки Ti₂MnAl (3). На фиг. 2 представлены результаты рентгено-спектрального микроанализа (ат.%) в 5 точках, полученного слитка Ti₂MnAl.Thus, the proposed method for producing Ti ₂ MnAl ingots according to examples 5, 6, 7 and 8 is a promising direction of precision metallurgy for the creation of Heusler alloys. FIG. 1 shows a crucible (1) with a skull (2) and Ti ₂ MnAl ingots (3). FIG. 2 shows the results of X-ray spectral microanalysis (at.%) At 5 points of the obtained Ti ₂ MnAl ingot.

Claims

A method of producing ingots of Ti ₂ MnAl alloy from a mixture of aluminum, manganese and titanium, including the preparation of a mixture of aluminum, manganese and titanium and its melting, characterized in that the prepared mixture is poured into a crucible and melted in a skull with arc discharge plasma with a voltage of 65 to 70 V and a current from 8 to 10 A in a helium atmosphere at a pressure of 0.8 to 1 atm for 20 minutes, followed by a decrease in power to zero.