大體積Fe-Ga磁致伸縮合金的深過(guò)冷定向凝固.pdf

1、磁致伸縮合金是重要的傳感和微驅(qū)動(dòng)材料,在聲納換能器、武器系統(tǒng)和機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前較為常用的以Tb-Dy-Fe為代表的超磁致伸縮材料雖然具有應(yīng)變大、居里溫度高等優(yōu)良的性能,但同時(shí)具有脆性大、原材料成本高等一些缺點(diǎn)。而近年來(lái)出現(xiàn)的Fe-Ga系磁致伸縮合金具有高強(qiáng)度、良好韌性和低成本,并且在單晶材料的[100]方向獲得了近400 ppm的大磁致伸縮等優(yōu)異性能,從而使之具有廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
　　 關(guān)于Fe-Ga系磁致

2、伸縮合金的大量研究成果表明:適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞?、快速凝固和取向生長(zhǎng)是制備高性能Fe-Ga材料的先決條件。因此,尋求一種可生長(zhǎng)大體積、可良好取向和可得到快速凝固亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的凝固控制技術(shù)就成為制備高性能Fe-Ga類(lèi)磁致伸縮材料的關(guān)鍵問(wèn)題之一。深過(guò)冷快速定向凝固無(wú)疑在這些方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。深過(guò)冷技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型快速凝固技術(shù),在深過(guò)冷條件下,一旦受到激發(fā)形核,合金熔體可以高達(dá)數(shù)米每秒的速度高速生長(zhǎng),通過(guò)人為控制合金晶體生長(zhǎng)時(shí)的形核

3、條件,可以制備出成分均勻的定向材料,被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂焖俣ㄏ蚰碳夹g(shù)。因此,本文使用熔融玻璃凈化結(jié)合循環(huán)過(guò)熱的方法首先開(kāi)展了凈化劑玻璃成分及其它因素對(duì)Fe81Ga19合金凈化效果的影響的研究；為有效應(yīng)用深過(guò)冷快速定向凝固技術(shù),又開(kāi)展了深過(guò)冷凝固條件下Fe81Ga19合金組織演變規(guī)律及其磁力顯微鏡的研究工作；并在此基礎(chǔ)上將該技術(shù)引入Fe-Ga合金的定向材料制備中。此外,還對(duì)所制備的Fe81Ga19合金棒材晶體生長(zhǎng)中的擇優(yōu)取向、微

4、觀結(jié)構(gòu)以及磁性能進(jìn)行了分析;最后,對(duì)不同過(guò)冷度下激發(fā)過(guò)冷熔體獲得的Fe81Ga19合金棒材的織構(gòu)和磁致伸縮性能進(jìn)行了探討。主要得到以下幾方面研究成果:
　　 通過(guò)熔融玻璃凈化結(jié)合循環(huán)過(guò)熱的方法對(duì)B2O3、NaSiCa+B2O3(簡(jiǎn)稱(chēng)Na-Si-Ca-Al-B)和Na-Si-Ca-Al-B+Na2B4O7玻璃作為凈化劑對(duì)Fe81Ga19合金熔體過(guò)冷的效果分別作了分析。發(fā)現(xiàn)B2O3玻璃凈化機(jī)制只是物理吸附,只能獲得較小過(guò)冷;Na-S

5、i-Ca-Al-B玻璃為物理化學(xué)綜合凈化,獲得過(guò)冷度大,但其粘度過(guò)大,造成獲得過(guò)冷度不穩(wěn)定；Na-Si-Ca-Al-B+Na2B4O7玻璃保留了物理化學(xué)綜合凈化機(jī)制,同時(shí)有效降低了Na-Si-Ca-Al-B玻璃的粘度。并分析了樣品重量、過(guò)熱度、保溫時(shí)間等其它影響因素對(duì)過(guò)冷度的影響,確定了過(guò)冷實(shí)驗(yàn)的具體工藝:采用70％Na-Si-Ca-Al-10B+30％Na2B4O7玻璃作為凈化劑,加熱過(guò)程中應(yīng)先在400℃以下低溫充分排氣兩分鐘,在過(guò)熱

6、度為200 K左右,保溫1.5 min,進(jìn)行過(guò)熱循環(huán),使Fe81Ga19合金熔體成功獲得最高300 K以上的過(guò)冷度。
　　 通過(guò)對(duì)過(guò)冷Fe81Ga19合金的凝固組織演化過(guò)程及其磁疇結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn):在0～315 K寬的過(guò)冷度范圍內(nèi),Fe81Ga19合金的凝固組織可被分為三大類(lèi):即在低過(guò)冷度下(ΔT≤50 K)的熔斷枝晶、中間過(guò)冷度范圍內(nèi)(50 K<ΔT<200 K)的細(xì)小等軸晶以及大過(guò)冷度下(ΔT>200 K)時(shí)的再結(jié)晶組織；并對(duì)

7、其各自的形成機(jī)制進(jìn)行了探討。值得注意的是,在過(guò)冷度為150～200 K的范圍內(nèi),凝固組織中細(xì)小粒狀晶粒的生長(zhǎng)具有一定方向性,由此選定該過(guò)冷區(qū)域作為深過(guò)冷定向凝固的激發(fā)過(guò)冷度區(qū)間。另外,對(duì)過(guò)冷樣品的磁力顯微鏡研究顯示,Fe81Ga19合金的表面磁疇結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)冷度的變化也非常敏感。
　　 基于以上兩方面研究,利用過(guò)冷度的遺傳性,在200 K過(guò)冷度下通過(guò)點(diǎn)激發(fā)和面激發(fā)過(guò)冷熔體方式,成功實(shí)現(xiàn)了Fe81Ga19合金的深過(guò)冷快速定向凝固。通過(guò)

8、對(duì)200 K過(guò)冷度下點(diǎn)激發(fā)制備Fe81Ga19合金定向凝固棒材的取向分析發(fā)現(xiàn),樣品柱狀晶部分具有很強(qiáng)的[100]織構(gòu),該棒材的[100]擇優(yōu)取向與試樣軸向的夾角為10°左右,這個(gè)結(jié)果優(yōu)于以往文獻(xiàn)中報(bào)道的最優(yōu)結(jié)果；通過(guò)XRD、DSC、TEM等手段對(duì)該棒材樣品的微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),深過(guò)冷快速定向凝固的Fe81Ga19合金內(nèi)部不是均勻的完全無(wú)序的A2結(jié)構(gòu),而是在微觀上彌散著許多由Ga的原子團(tuán)簇構(gòu)成的發(fā)生晶格畸變的DO3結(jié)構(gòu)以及一些納米尺度的具有

9、[111]取向的嵌入疇的結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)該樣品磁性能研究發(fā)現(xiàn),在該樣品的軸向方向上獲得了超過(guò)800ppm的大磁致伸縮性能,這幾乎是以往報(bào)道中塊體Fe-Ga材料中獲得最大磁致伸縮性能的兩倍,我們認(rèn)為激發(fā)過(guò)冷熔體制備的Fe81Ga19多晶棒材沿軸向方向高度的[100]織構(gòu)以及快速凝固過(guò)程中出現(xiàn)的Ga的原子團(tuán)簇構(gòu)成晶格畸變DO3結(jié)構(gòu)以及不均勻的微觀結(jié)構(gòu)是磁致伸縮性能大大提高的主要因素。
　　 最后,還對(duì)激發(fā)過(guò)冷度對(duì)定向凝固Fe81Ga19