大體積Fe-Ga磁致伸縮合金的深過冷定向凝固.pdf

1、磁致伸縮合金是重要的傳感和微驅(qū)動材料,在聲納換能器、武器系統(tǒng)和機器人領域具有廣泛應用。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變大、居里溫度高等優(yōu)良的性能,但同時具有脆性大、原材料成本高等一些缺點。而近年來出現(xiàn)的Fe-Ga系磁致伸縮合金具有高強度、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用前景和商業(yè)價值。
　　 關于Fe-Ga系磁致

2、伸縮合金的大量研究成果表明:適當?shù)暮辖鸪煞帧⒖焖倌毯腿∠蛏L是制備高性能Fe-Ga材料的先決條件。因此,尋求一種可生長大體積、可良好取向和可得到快速凝固亞穩(wěn)結構的凝固控制技術就成為制備高性能Fe-Ga類磁致伸縮材料的關鍵問題之一。深過冷快速定向凝固無疑在這些方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。深過冷技術是近年來發(fā)展迅速的一種新型快速凝固技術,在深過冷條件下,一旦受到激發(fā)形核,合金熔體可以高達數(shù)米每秒的速度高速生長,通過人為控制合金晶體生長時的形核

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

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

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

6、度為200 K左右,保溫1.5 min,進行過熱循環(huán),使Fe81Ga19合金熔體成功獲得最高300 K以上的過冷度。
　　 通過對過冷Fe81Ga19合金的凝固組織演化過程及其磁疇結構的研究發(fā)現(xiàn):在0～315 K寬的過冷度范圍內(nèi),Fe81Ga19合金的凝固組織可被分為三大類:即在低過冷度下(ΔT≤50 K)的熔斷枝晶、中間過冷度范圍內(nèi)(50 K<ΔT<200 K)的細小等軸晶以及大過冷度下(ΔT>200 K)時的再結晶組織；并對

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

8、對200 K過冷度下點激發(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的[100]織構,該棒材的[100]擇優(yōu)取向與試樣軸向的夾角為10°左右,這個結果優(yōu)于以往文獻中報道的最優(yōu)結果；通過XRD、DSC、TEM等手段對該棒材樣品的微觀結構研究發(fā)現(xiàn),深過冷快速定向凝固的Fe81Ga19合金內(nèi)部不是均勻的完全無序的A2結構,而是在微觀上彌散著許多由Ga的原子團簇構成的發(fā)生晶格畸變的DO3結構以及一些納米尺度的具有

9、[111]取向的嵌入疇的結構；通過對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800ppm的大磁致伸縮性能,這幾乎是以往報道中塊體Fe-Ga材料中獲得最大磁致伸縮性能的兩倍,我們認為激發(fā)過冷熔體制備的Fe81Ga19多晶棒材沿軸向方向高度的[100]織構以及快速凝固過程中出現(xiàn)的Ga的原子團簇構成晶格畸變DO3結構以及不均勻的微觀結構是磁致伸縮性能大大提高的主要因素。
　　 最后,還對激發(fā)過冷度對定向凝固Fe81Ga19