Tb-Dy-Fe巨磁致伸縮合金在靜磁場誘導(dǎo)下的定向凝固.pdf

1、磁致伸縮材料的主要功能是實現(xiàn)電信號和機械信號之間的轉(zhuǎn)換。具有實用價值的巨磁致伸縮材料Tb-Dy-Fe自上世紀70年代問世以來,最先用于軍事方面的聲納裝置。在上世紀90年代以來,在民用工業(yè)領(lǐng)域的用途不斷取得拓展,到目前已形成5億美元以上并在不斷增長的市場。 巨磁致伸縮材料的磁致伸縮性能具有各向異性,對于Tb<,0.3>Dy<,0.7>7Fe<,1.9>合金,晶體沿易磁化軸<111>取向可以獲得最佳的磁致伸縮性能。但是采用傳統(tǒng)的定向

2、凝固技術(shù)只能獲得<112>和<110>擇優(yōu)取向。運用籽晶技術(shù)在提拉法中可以獲得<111>取向,但這種方法工藝較復(fù)雜,并且成分沿棒的軸向不一致。因而尋找一種有工業(yè)價值的方法制備沿軸向<111>取向的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金是有意義的。 近20來年的研究表明,磁性材料在磁場中凝固可以直接制備沿易磁化軸或難磁化軸取向的晶體。在磁場中取向的機理與傳統(tǒng)定向凝固中晶體取向生長的機理完全不同,在傳統(tǒng)的定向凝固中,熱

3、流沿著單一方向?qū)С?沿著熱流方向形核晶粒經(jīng)競爭生長后在液固界面以最小界面能的晶面不斷向液相延伸,界面的過冷因素最終修正定向生長的晶體取向。而在磁場中非定向傳熱的凝固,形核單晶晶粒的磁能與環(huán)境的無序擾動能的對比決定晶體的取向,在液相占主體的固液相中環(huán)境的無序擾動因素主要包括熱無序效應(yīng)和熔體的湍流。靜磁場的作用在于抑制熔體湍流的同時為形核單晶提供克服熔體粘性和熱無序效應(yīng)的平行于磁場方向的磁能,從而實現(xiàn)晶體在凝固過程的取向。對于有各向異性的磁

4、性材料,抗磁性材料能夠獲得沿難磁化軸取向的晶體組織,鐵磁性材料等則獲得沿易磁化軸取向的晶體組織。 由于設(shè)備方面的因素,對于高溫和遠高于居里點的情況下,磁性材料在凝固中取向的基本條件還缺乏較為定量的研究和認識,因而該技術(shù)到目前還未能得到工業(yè)化運用。 我們自制了簡易的磁場裝置,該磁場裝置可以安置在超高溫度梯度定向凝固的真空容器中。當熔體以較慢的冷卻速率凝固時,磁場裝置可以提供140mT的磁場強度。試驗采用高頻加熱在140ro

5、T的靜磁場中,在較慢冷卻速率的樣品中,平行于磁場方向的織構(gòu)開始出現(xiàn)。對于巾16mm×18mm的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金,當冷卻速率為0.8℃/min時,在試樣的中部以平行于磁場的<111>取向的晶體組織為主,沿易軸取向的晶體組織約占70﹪.取向的晶體組織以平行于磁場方向的片狀的Laves相為主。晶粒粗大,粗大的晶粒有利于磁致伸縮性能。當磁場為0時,在同樣的冷卻速率下,晶體組織是非取向的。 在同為立方L

6、aves相ReFe系的磁致伸縮材料中,室溫狀態(tài)與Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金相比,TbFe<,2>和DyFe<,2>具有強的磁晶各向異性.在與Tb<,0.3>Dy><,0.7>Fe<,1.9>合金接近的凝固參數(shù)和磁場條件下,TbFe<,1.9>和DyFe<,1.9>合金同樣能獲得沿易磁化軸取向的晶體,其中TbFe<,1.9>以<111>為取向,DyFe<,1.9>以<100>為取向.Tb<,0.3>Dy<,0.7

7、>Fe<,1.9>和TbFe<,2>合金的磁晶各向異性常數(shù)K<,1>為負,DyFe<,2>合金的磁晶各向異性常數(shù)K<,1>為正,因而他們的易磁化軸取向不同.但是在我們的試驗中,TbFe<,2>和DyFe<,2>并未比室溫下磁晶各向異性接近軟磁的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金表現(xiàn)出更為優(yōu)異的順磁生長特性,可能這與它們在高溫下的各向磁化率△X的差別減少有關(guān)。 在試驗中,對于影響晶體取向的其他因素也進行了初步研究

8、.材料的成分被發(fā)現(xiàn)對晶體取向的影響較大,對于RFe<,x>合金,當鐵含量趨于x≥2時,液固相中將有過量的RFe<,3>相析出,其次,隨著鐵含量的增加,液固并存的兩相區(qū)的溫度區(qū)間大大減少,這樣在凝固時隨著溫度的降低,固相迅速增加、熔體的粘度上升很快因而不利于晶體取向。因此控制好RFe<,x>合金的材料成分有利于獲得良好的晶體取向。 在磁場中定向的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金在18.7MPa的壓應(yīng)力和6900

9、0e的磁場中的磁致伸縮系數(shù)可以達到1700ppm,這一數(shù)值要高于磁場預(yù)取向粉末冶金法制備的產(chǎn)品,低于籽晶法制備的單晶<111>取向的性能.可以預(yù)計在實際運用中,隨著取向度的增加和晶體質(zhì)量的改善,用這種技術(shù)可以制備更高磁致伸縮系數(shù)的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金。 試驗表明,降低熔體的冷卻速率,可以大大降低熔體的湍流程度,這意味著慢凝的熔體的湍流可以被較弱的靜磁場所抑制。在這里需指出的是熔體的湍流被抑制與熔體