·1304 工程科学学报，第40卷，第11期 能获得超低氧含量的高纯稀土样品.反之，在提纯 而热处理过程中表面包覆的钙层与金属表面直接接 过程中不必担心氧化层的阻碍作用，将稀土金属与 触，有利于迁移到表面的氧杂质的最终脱出.最终 活性更强的活泼金属接触就可以获得更好的效果. 把样品表面的钙层打磨掉，就可以得到超低氧含量 因此，在活泼金属除气法中，稀土金属内部的氧杂质 的高纯稀土金属 可以顺利迁移到金属表面，并透过疏松的氧化层. (a) 氧化层 0.8 香 0.6 4 0.2 扩散 0.03 0 23.456 2四 深度m 1.0 一氧化层 08 0.6 0 相互扩散： 0.2 扩散 0.03 2四 0 23456 深度/m (c) 80 1.0 0.8 氧化层 0.6 0.4 0.2 0.03 345 2四 深度m 图6不同的氧化时间处理后的180分布图像和相应的80信号显示的金属Tb中的氧化物宽度[2).(a)12h:(b)48h:(c)72h Fig.60images and corresponding signals after different oxidation time indicating the widths of oxides in Th(]:(a)12h;(b)48h;(c)72h 2.2等离子体熔炼法 下面以稀土金属Tb为例进行阐明.利用光谱分别 2.2.1方法简介与提纯效果 表征了氩气等离子体和氢等离子体电弧熔炼技术在 等离子体电弧熔炼是一种被广泛应用于非挥发 熔炼稀土金属过程中的气氛中离子种类，图8的结 性金属及合金的熔炼、纯化及冶金技术.一般情况 果表明，高活性的氢等离子体作为驱动因素在提纯 下，此种技术中采用氩气作为唯一等离子体源 过程中扮演了关键角色，可以与稀土金属中的气态 (PAM),等离子体电弧产生的高温对于挥发性杂质 杂质结合，达到提纯效果.图9表征了不同氢气体 如Mg、Ca的去除有着优异的效果.然而由于氧杂 积分数的等离子体气氛中稀土样品中氧含量随熔炼 质与稀土金属的结合力极强，即使在高温熔融状态 时间的变化曲线.氢等离子体电弧熔炼技术的提纯 下仍能稳定的以固溶体形式存在，等离子体电弧熔 效果要远远优于等离子体电弧熔炼技术.当混合气 炼技术对于稀土除氧并没有表现出明显效果)]. 体氢的体积分数达到10%，金属Tb中的氧质量分 因此，必须考虑引入驱动机制加强气态杂质去除. 数可降低到1×10-以下，表现出优越的除气纯化 研究发现在氩气氛围中通入适量氢气，可以在熔炼 能力.等离子体电弧中存在的氢等离子体具有极强 电弧中产生活性极强的氢等离子体.利用氢等离子 还原性，可以作为驱动机制有效的脱除金属基体内 体电弧熔炼技术(HPAM,实验装置示意图如图7所 的氧杂质，高温导致的熔融状态破坏了表层氧化膜， 示)熔炼稀土金属可以产生优异的纯化除气效果. 同时大大加快了氧杂质的迁移速度，因此具有极高工程科学学报,第 40 卷,第 11 期 能获得超低氧含量的高纯稀土样品. 反之,在提纯 过程中不必担心氧化层的阻碍作用,将稀土金属与 活性更强的活泼金属接触就可以获得更好的效果. 因此,在活泼金属除气法中,稀土金属内部的氧杂质 可以顺利迁移到金属表面,并透过疏松的氧化层. 而热处理过程中表面包覆的钙层与金属表面直接接 触,有利于迁移到表面的氧杂质的最终脱出. 最终 把样品表面的钙层打磨掉,就可以得到超低氧含量 的高纯稀土金属. 图 6 不同的氧化时间处理后的18O 分布图像和相应的18O 信号显示的金属 Tb 中的氧化物宽度[23] . (a) 12 h; (b) 48 h; (c) 72 h Fig. 6 18O images and corresponding 18O signals after different oxidation time indicating the widths of oxides in Tb [23] : (a) 12 h; (b) 48 h; (c) 72 h 2郾 2 等离子体熔炼法 2郾 2郾 1 方法简介与提纯效果 等离子体电弧熔炼是一种被广泛应用于非挥发 性金属及合金的熔炼、纯化及冶金技术. 一般情况 下,此种技术中采用氩气作为唯一等离子体源 (PAM),等离子体电弧产生的高温对于挥发性杂质 如 Mg、Ca 的去除有着优异的效果. 然而由于氧杂 质与稀土金属的结合力极强,即使在高温熔融状态 下仍能稳定的以固溶体形式存在,等离子体电弧熔 炼技术对于稀土除氧并没有表现出明显效果[27] . 因此,必须考虑引入驱动机制加强气态杂质去除. 研究发现在氩气氛围中通入适量氢气,可以在熔炼 电弧中产生活性极强的氢等离子体. 利用氢等离子 体电弧熔炼技术(HPAM,实验装置示意图如图 7 所 示)熔炼稀土金属可以产生优异的纯化除气效果. 下面以稀土金属 Tb 为例进行阐明. 利用光谱分别 表征了氩气等离子体和氢等离子体电弧熔炼技术在 熔炼稀土金属过程中的气氛中离子种类,图 8 的结 果表明,高活性的氢等离子体作为驱动因素在提纯 过程中扮演了关键角色,可以与稀土金属中的气态 杂质结合,达到提纯效果. 图 9 表征了不同氢气体 积分数的等离子体气氛中稀土样品中氧含量随熔炼 时间的变化曲线. 氢等离子体电弧熔炼技术的提纯 效果要远远优于等离子体电弧熔炼技术. 当混合气 体氢的体积分数达到 10% ,金属 Tb 中的氧质量分 数可降低到 1 伊 10 - 5 以下,表现出优越的除气纯化 能力. 等离子体电弧中存在的氢等离子体具有极强 还原性,可以作为驱动机制有效的脱除金属基体内 的氧杂质,高温导致的熔融状态破坏了表层氧化膜, 同时大大加快了氧杂质的迁移速度,因此具有极高 ·1304·