一种空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料及其制备方法与流程

1.本发明属于金属材料领域，具体地说是一种空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料及其制备方法。


背景技术：

2.爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年2月，美国激光干涉引力波天文台宣布，ligo(激光干涉仪)探测器观测到了引力波发出的撞击声，人类由此第一次听到了来自外太空的问候——双黑洞并合产生的引力波。近年来，空间引力波探测研究发展迅速。我国科学家预言：引力波的发现使得人类可探测到基于电磁波无法观测的宇观尺度和新的天体现象。
3.惯性传感器是空间引力波探测器的核心部件，尤其是敏感探头中的检验质量(testing mass)是决定空间引力波探测成败核心部件中的核心。在纯引力轨道设计中，检验质量受到的非引力加速度噪声的影响程度，直接决定了引力波探测器的测量精度。检验质量在轨过程中受到的非引力加速度噪声干扰主要来源于宇宙射线、太阳光压、杂散电场、空间电磁场、热冲击等。经分析表明，检验质量的材料属性是抑制检验质量加速度噪声的关键，其密度越大，总体加速度噪声越小。空间电磁场对检验质量的干扰最大。据此，降低检验质量磁化率是减小其加速度噪声干扰的主要途径。另外，检验质量与电容极板框架的垂直度/平行度度误差，决定了测控误差抑制水平；检验质量表面的面形精度和表面粗糙度决定杂散力抑制水平。由此可见，空间引力波探测惯性传感器用检验质量对材料的综合性能提出了前所未有的要求。
4.中国专利(申请号201510315537.1，公布号cn104898174a)，《新型纯引力轨道验证质量及其制备方法》公布了采用金铱(au-ir)合金作为纯引力轨道检验质量的材料，并且其发明人的学术期刊论文(题目《low magnetic disturbance analysis and testing of a novel proof mass type for gravitational reference sensor system》，期刊advances in mechanical engineering，第11卷(2期)，2019年)公布了金粉和铱粉经过“球磨—混粉—高温烧结”粉末冶金技术路线制备金铱合金。金属元素金与铱的熔点、密度和弹性模量差距较大(金的熔点、密度和弹性模量分别为1063℃、19.30g/cm3和78.7gpa，铱的熔点、密度和弹性模量分别为2454℃和22.56g/cm3和527.6gpa)，且金铱合金是组元难混溶合金(即金与铱两组元在液态和固态下互不混溶)，导致粉末冶金技术制备的金铱合金的显微组织中存在较多的孔洞以及组元金与铱分布不均匀，无法实现组元间的固溶，进而导致金铱合金检验质量很难达到超低磁化率和剩磁矩，很难实现材料表面后续超精加工，以及形心/质心重合度低等难点问题。虽然，国际上第一个空间引力波探测项目lisa报道采用了金铂合金，但是对合金详细具体的成分以及制备方法未明确公开。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料及其制备方法，解决我国空间引力波探测用检验质量在材料设计和制备方面的技术瓶颈问题。
6.本发明的技术方案是：
7.一种空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料，该材料由抗磁性贵金属金au、顺磁性贵金属铂pt，以及改性元素硼b、稀土元素镧la和钕nd中的一种或两种组成，其中元素铂的质量百分含量为5～35wt.％，改性元素质量百分含量小于1％，余量元素为金，原材料金au和铂pt中的杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均不高于0.001wt.％。
8.所述的空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的制备方法，按以下步骤进行：
9.步骤1：对纯度不低于99.99wt.％的金和铂原材料在超声波作用下先后用丙酮溶液和去离子水各清洗2～4次，吹干后在300～500℃烘箱中加热烘干；
10.步骤2：将烘干后的金与铂原材料置于感应熔炼炉的坩埚中进行真空感应熔炼，当真空感应熔炼舱体中的真空度优于1
×
10-2
pa后，以5℃～15℃/min升温速率感应加热，直至金铂合金熔体的温度达到1450～1650℃，并保温10～20min，使金铂合金熔体化学成分充分均匀化；
11.步骤3：将步骤2中成分均匀化后坩埚中的金铂合金熔体降温至1420～1550℃，然后将金铂合金熔体浇铸到模具中制成金铂合金棒材；
12.步骤4：采用浮区晶体生长炉将步骤3制备的金铂合金棒材实施快速加热重熔和冷却结晶，合金晶体生长速度和棒材旋转速度分别控制在1～15mm/h和5～50rpm，获得致密度大于99％和显微组织结构均匀的金铂合金棒材。
13.所述的空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的制备方法，步骤2进行真空感应熔炼时，采用高纯石英材质坩埚。
14.所述的空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的制备方法，步骤3进行金铂合金熔体浇铸时，使用的模具为带浇冒口的水冷铜模。
15.所述的空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的制备方法，步骤4浮区晶体生长炉制备的金铂合金检验质量材料具有超低磁化率和剩磁矩的性能特征，磁化率为5
×
10-5
～1
×
10-6
，剩磁矩为10～200na
·
m2。
16.所述的空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的制备方法，金铂合金检验质量材料的实际密度大于其理论密度的99％。
17.本发明的优点及有益效果是：
18.1、本发明基于抗磁性的金au(磁化率-1.5
×
10-5
)和顺磁性铂pt(磁化率9.7
×
10-5
)和改性元素硼b、稀土元素镧la和钕nd中的一种或两种按一定配比组成。当铂原子占位金晶格中的金原子时，形成以金元素为基体的固溶体时其晶格常数基本不变，由此在抗磁性金中配比一定顺磁性铂可以金基合金满足超低磁化率要求。改性元素硼和稀土镧钕分别是抗磁性和顺磁性，添加到金铂合金一方面可微调磁化率，另一方面有助对金铂合材料显微组织起到细化晶粒、净化熔体和第二相变质作用。采用浮区晶体生长炉制备金铂合金可以通过快速冷却降低成分偏析、减少材料中缩松缩孔的产生，而且避免了熔体与坩埚的接触
与污染，由材料组织结构特征如致密度高、化学成分分布均匀，进而达到金铂合金检验质量的形心/质心重合度高、超低磁化率与剩磁矩的目的。这为我国空间引力波探测惯性传感器用优质金铂合金检验质量材料及其制备提供了关键技术。
19.2、爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。近年来，空间引力波探测研究发展迅速。空间引力波的发现使得人类可探测到基于电磁波无法观测的宇观尺度和新的天体现象，推动空间物理学等学科的发展。空间引力波的探测不仅能促进航天技术的飞跃，还会加速现代物理理论的发展，极具有益效果和重大科学意义。然而，要测到空间微弱的引力波信号，主要取决于检验质量抑制加速度噪声的能力。在材料属性、内部组织结构与性能及其表征等方面提出了前所未有挑战。本发明金铂合金检验质量材料及其制备方法为解决这一技术难题提供了关键技术参考，有助为我国空间引力波的成功探测贡献力量。
20.3、本发明制备金铂合金检验质量材料的显微组织中缩松缩孔和气孔等凝固缺陷少(获得金铂合金检验质量材料的实际密度大于其理论密度的99％)、晶粒细小(晶粒尺寸范围为5～50微米)，以及具有化学成分均匀(残余偏析指数小于0.1)、磁化率和剩磁矩低等性能特征。
附图说明
21.图1为本发明实施例1采用真空感应熔炼后浇铸制备的金铂合金棒料的轴向截面宏观照片，在样品的中上部存在较多的缩松缩孔和裂纹等凝固缺陷。
22.图2为本发明实施例1棒状样品下端的显微组织，在棒料下端缩松缩孔较少，富铂相以粗大树枝晶形式分布于基体金中。
23.图3为本发明实施例2采用稀土镧作改性元素时熔炼浇铸制备的金铂合金棒料的轴向截面宏观照片，只在样品的上端存在明显的缩松凝固缺陷。
24.图4为本发明实施例2样品的下端的显微组织，棒料下端中缩松缩孔较少，和实施例1相比，富铂的树枝晶相得到了变质和细化。
25.图5为本发明实施例4采用浮区晶体生长设备制备的金铂合金棒料的轴向截面宏观照片，只在样品的上端存在少量的缩松凝固缺陷。
26.图6为本发明实施例4样品的中下端的显微组织，棒料中下端的缩松缩孔显著减少，和实施例2相比，富铂的树枝晶相得到了更进一步细化，分布更为均匀。
27.图7为本发明实施例5对浮区晶体生长设备制备的金铂合金棒料实施后续致密化和均匀化加工处理后制备的样品的轴向截面宏观照片，金铂合金检验质量材料中几乎无缩松缩孔等凝固缺陷。
28.图8为本发明实施例5样品的显微组织，富金与富铂两相分离的组织结构消失，组元金与铂形成固溶体合金，棒料中没有观察到缩松缩孔和气孔等凝固缺陷。
29.图9为本发明实施例5样品的显微组织的金与铂元素的面分布，表明材料中组元金与铂分布均匀。
具体实施方式
30.在具体实施过程中，本发明提供空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料及其制备方法，该材料主要包括抗磁性贵金属金au和顺磁性贵金属铂pt，以及改性元
素硼b、稀土元素镧la和钕nd中的一种或两种。在制备金铂合金检验质量材料时，购置抗磁性贵金属金au和顺磁性贵金属铂pt，以及改性元素硼b、稀土元素镧la和钕nd，具体过程如下：
31.首先，对纯度不低于99.99wt.％高纯的金和铂原材料在超声波作用下进行超声清洗和加热烘干，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗3次，吹干后在300～500℃烘箱中加热烘干备用。
32.按照设计元素配比配置合金成分，其中元素铂的质量百分含量为5～35wt.％，改性元素质量百分含量小于1％，余量元素为金，尤其注重原材料中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均不能高于0.001wt.％。
33.然后，采用真空感应加热技术，金和铂原料及改性元素在坩埚中加热到1450～1650℃熔炼成合金液体，保温一段时间后浇铸到预制模具中，制成预定尺寸的合金棒料；将各金属原材料置于感应熔炼炉的耐高温坩埚中，当真空感应熔炼舱体中的真空度优于1
×
10-2
pa后，以5℃～15℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1450～1650℃，并保温10～20min，使合金熔体化学成分充分均匀化。随后，将成分均匀化后坩埚中的金铂合金熔体降温至1420～1550℃，并将合金熔体浇铸到模具中制成金铂合金棒材；
34.最后，采用先进凝固制备技术，选择浮区晶体生长炉，调控晶体生长速度1～15mm/h和棒材旋转速度5～50rpm，将制备的金铂合金棒料实施快速加热重熔和冷却凝固结晶，制备获得优质的金铂合金检验质量材料。
35.下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。
36.实施例1(普通浇铸)
37.在本实施例中，首先购置纯度为99.99wt.％的金和铂作为原材料，其中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均低于0.001wt.％。在超声波辅助作用下，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗金和铂块体原材料3次，吹干后在400℃烘箱中加热烘干。按照设计成分配置合金，其中元素铂的质量百分含量为26.5wt.％，余量元素为金。将真空感应熔炼炉加热烘烤直至炉温达到约300℃。然后，将配置好的金和铂原材料置于高纯耐高温石英坩埚(坩埚原材料采用ⅱ级石英砂，sio2的纯度≥99.98wt％)中，关闭炉门抽真空，当真空感应熔炼舱体中的真空度5
×
10-3
pa后，以10℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1600℃，并且采用机械搅拌使合金熔体成分进一步均匀，搅拌完成后在1600℃下保温15min，使合金熔体中化学成分充分均匀化。随后，减小加热功率使坩埚中的金铂合金熔体温度降至约1500℃，将合金熔体浇铸到带浇冒口的水冷无氧铜模中，制成金铂合金棒材。
38.对金铂合金棒料进行密度测试，然后将金铂合金棒材沿轴向切开，研磨并抛光后，截面的宏观组织如图1所示。对抛光截面采用光学显微镜(om)和扫描电子显微镜(sem)进行显微观察，表征和评估凝固显微组织结构。结果表明，实施例1制备的金铂合金棒料的密度约为19.47g/cm3，由图1可见，在棒状样品的中上端均存在较多的缩松缩孔和裂纹。在棒料下端缩松缩孔较少，而且浅色的富铂相以粗大树枝晶形式分布于基体金中，如图2所示。
39.实施例2(普通浇铸 稀土镧la)
40.在本实施例中，首先购置纯度为99.99wt.％的金和铂作为原材料，其中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均低于0.001wt.％。在超声波辅助作用下，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗金和铂块体原材料3次，吹干后在400℃烘箱中加热烘干。按照设计成分配置合
金，其中元素铂的质量百分含量为26.5wt.％，改性稀土元素镧la质量百分含量0.5％，余量元素为金。将真空感应熔炼炉加热烘烤直至炉温达到约300℃。然后，将配置好的金和铂原材料置于高纯耐高温石英坩埚中，关闭炉门抽真空，当真空感应熔炼舱体中的真空度2
×
10-3
pa后，以10℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1600℃，然后通过加料仓将事先用金箔包裹的改性元素稀土镧la添加进入金铂合金熔体中，并且采用机械搅拌是合金熔体成分进一步均匀，搅拌完成后开始在1600℃下保温15min，使合金熔体中化学成分充分均匀化。随后，减小加热功率是坩埚中的金铂合金熔体温度降至1500℃，并将合金熔体浇铸到带浇冒口的水冷无氧铜模中，制成金铂合金棒材。
41.对金铂合金棒料进行密度测试，然后将金铂合金棒材沿轴向切开，研磨并抛光后，截面的宏观组织如图3所示。对抛光截面采用光学显微镜(om)和扫描电子显微镜(sem)进行显微观察，表征和评估凝固显微组织结构。结果表明，实施例2制备的金铂合金棒料的密度约为19.56g/cm3，由图3可见，在棒状样品中的缩松缩孔和裂纹主要集中上端，和实施例1结果比较，添加改性稀土元素镧la可以明显减小缩松缩孔的形成，增加材料的致密度。在图3棒料中下端缩松缩孔较少，与实施例1比较，实施例2中富铂树枝晶相明显细化，如图4所示。
42.实施例3(普通浇铸 硼元素)
43.在本实施例中，首先购置纯度为99.99wt.％的金和铂作为原材料，其中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均低于0.001wt.％。在超声波辅助作用下，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗金和铂块体原材料3次，吹干后在400℃烘箱中加热烘干。按照设计成分配置合金，其中元素铂的质量百分含量为26.5wt.％，改性元素硼b质量百分含量0.05％，余量元素为金。将真空感应熔炼炉加热烘烤直至炉温达到约300℃。然后，将配置好的金和铂原材料置于高纯耐高温石英坩埚中，关闭炉门抽真空，当真空感应熔炼舱体中的真空度2
×
10-3
pa后，以10℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1600℃，然后通过加料仓将事先用金箔包裹的改性元素硼b添加进入金铂合金熔体中，并且采用机械搅拌是合金熔体成分进一步均匀，搅拌完成后开始在1600℃下保温15min，使合金熔体中化学成分充分均匀化。随后，减小加热功率是坩埚中的金铂合金熔体温度降至1500℃，并将合金熔体浇铸到带浇冒口的水冷无氧铜模中，制成金铂合金棒材。然后，采用浮区晶体生长炉，在晶体生长速率10mm/h和旋转速率10rpm，将制备的金铂合金棒料实施快速加热重熔和冷却结晶，进而制备获得金铂合金检验质量材料。
44.对金铂合金棒料进行密度测试，然后将金铂合金棒材沿轴向切开，研磨并抛光后，截面的宏观组织与图3相似。对抛光截面采用光学显微镜(om)和扫描电子显微镜(sem)进行显微观察，表征和评估凝固显微组织结构。结果表明，实施例3制备的金铂合金棒料的密度约为19.53g/cm3，观察表明，在棒状样品中的缩松缩孔和裂纹主要集中上端，和实施例1、2结果比较，添加改性稀土元素镧la或者硼b都可以明显减小缩松缩孔的形成，增加材料的致密度。
45.实施例4(普通浇铸 稀土元素镧la 浮区晶体生长速率10mm/h)
46.在本实施例中，首先购置纯度为99.99wt.％的金和铂作为原材料，其中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均低于0.001wt.％。在超声波辅助作用下，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗金和铂块体原材料3次，吹干后在400℃烘箱中加热烘干。按照设计成分配置合金，其中元素铂的质量百分含量为26.5wt.％，改性稀土元素la质量百分含量0.5％，余量元
素为金。将真空感应熔炼炉加热烘烤直至炉温达到约300℃。然后，将配置好的金和铂原材料置于高纯耐高温石英坩埚中，关闭炉门抽真空，当真空感应熔炼舱体中的真空度优于2
×
10-3
pa后，以10℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1600℃，然后通过加料仓将事先用金箔包裹的改性元素稀土镧添加进入金铂合金熔体中，并且采用机械搅拌是合金熔体成分进一步均匀，搅拌完成后开始在1600℃下保温15min，使合金熔体中化学成分充分均匀化。随后，减小加热功率是坩埚中的金铂合金熔体温度降至1500℃，并将合金熔体浇铸到带浇冒口的水冷无氧铜模中，制成金铂合金棒材。然后，采用浮区晶体生长炉，在晶体生长速率10mm/h和旋转速率10rpm，将制备的金铂合金棒料实施快速加热重熔和冷却结晶，进而制备获得金铂合金材料。
47.对金铂合金棒料进行密度测试，然后将金铂合金棒材沿轴向切开，研磨并抛光后，截面的宏观组织如图5所示。对抛光截面采用光学显微镜(om)和扫描电子显微镜(sem)进行显微观察，表征和评估凝固显微组织结构。结果表明，实施例4制备的金铂合金检验质量材料的密度约为19.64g/cm3，由图5可见在棒状样品中的缩松缩孔和裂纹主要集中上端，和实施例2结果比较，采用浮区晶体生长炉制备金铂合金可以进一步明显减小缩松缩孔的形成。在图5的棒料中缩松缩孔较少，金铂合金检验质量材料致密性进一步加大，与实施例2比较，实施例4中富铂树枝晶相明显细化且再基体金中的分布更为均匀，如图6所示。
48.实施例5(普通浇铸 稀土元素镧la 浮区晶体生长速率15mm/h 后续处理)
49.在本实施例中，首先购置纯度为99.99wt.％的金和铂作为原材料，其中杂质元素铁fe、镍ni、钴co的含量均低于0.001wt.％。在超声波辅助作用下，先后用丙酮溶液和去离子水各清洗金和铂块体原材料3次，吹干后在400℃烘箱中加热烘干。按照设计成分配置合金，其中元素铂的质量百分含量为26.5wt.％，改性稀土元素la质量百分含量0.5％，余量元素为金。将真空感应熔炼炉加热烘烤直至炉温达到约300℃。然后，将配置好的金和铂原材料置于高纯耐高温石英坩埚中，关闭炉门抽真空，当真空感应熔炼舱体中的真空度优于2
×
10-3
pa后，以10℃/min升温速率感应加热，直至合金熔体的温度达到1600℃，然后通过加料仓将事先用金箔包裹的改性元素稀土镧添加进入金铂合金熔体中，并且采用机械搅拌是合金熔体成分进一步均匀，搅拌完成后开始在1600℃下保温15min，使合金熔体中化学成分充分均匀化。随后，减小加热功率是坩埚中的金铂合金熔体温度降至1500℃，并将合金熔体浇铸到带浇冒口的水冷无氧铜模中，制成金铂合金棒材。然后，采用浮区晶体生长炉，在晶体生长速率15mm/h和旋转速率10rpm，将制备的金铂合金棒料实施快速加热重熔和冷却结晶，进而制备获得金铂合金检验质量材料。对浮区晶体生长设备制备的金铂合金检验质量材料，开展后续处理。
50.对金铂合金棒料进行密度和磁化率测试，然后将金铂合金棒材沿轴向切开，研磨并抛光后，截面的宏观组织如图7所示。对抛光截面采用光学显微镜(om)和扫描电子显微镜(sem)进行显微观察，表征和评估凝固显微组织结构。结果表明，实施例5制备的金铂合金检验质量材料的密度约为19.73g/cm3，由图8可见在棒状样品中几乎无缩松缩孔、气孔、裂纹，和实施例4结果比较，调控浮区晶体生长速率和对样品采取后续加工处理可以进一步提升材料的致密度。与实施例4比较，实施例5中富铂树枝晶相经均匀化处理后，基体金相与树枝晶富铂相发生了固溶，金铂合金检验质量材料中组元残余偏析指数小于0.1，组元金与铂分布均匀(如图9所示)，金铂合金材料磁化率测试结果为5
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10-6
，剩磁矩为50na
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51.实施例结果表明，由抗磁性贵金属金au和顺磁性贵金属铂pt，以及改性元素硼b、稀土元素镧la和钕nd中的一种或两种设计金铂合金检验质量材料，采用浮区晶体生长炉制备优质金铂合金检验质量材料，而且可以通过改性元素、控制生长速率和后续加工处理等途径进一步优化组织结构，减少缩松缩孔、气孔和裂纹等凝固缺陷，实现金铂合金检验质量材料中组元金与铂的高度均匀化分布，进而最终达到空间引力波探测惯性传感器用金铂合金检验质量材料的性能指标要求。