專利名稱：制備軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土鐵系超磁致伸縮材料的制備方法，更特別地說，是指制備一種溫度在250K～300K范圍內(nèi)具有<110>軸向擇優(yōu)取向的，且具有耐腐蝕高電阻的Tb-Dy-Fe-Si超磁致伸縮材料的方法。
背景技術(shù)：
鐵磁性材料在磁場中磁化時，其形狀和尺寸會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象被稱為磁致伸縮。TbDyFe的磁致伸縮系數(shù)(應(yīng)變)可以達到1500～2000PPm，其磁致伸縮應(yīng)變比Ni基合金大50倍，比壓電陶瓷大5～25倍，因此稱為超磁致伸縮材料。Laves相RFe2，尤其是(Tb，Dy)Fe2相，由于其優(yōu)異的磁致伸縮性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大功率低頻聲納系統(tǒng)、高精度快速微位移致動器以及振動主動控制系統(tǒng)中，TbDyFe器件在不同形式磁場中工作過程中會產(chǎn)生各種形式的磁損耗，這些磁損耗不僅使得器件能量轉(zhuǎn)換效率降低，而且產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致磁致伸縮性能急劇下降，嚴(yán)重影響其工作精度。
列格研究了材料的各種磁損耗，其列格式為RμfL=2πtgδμi=ef+aBm+C---(1)]]>式中R表示鐵磁體半徑，μ表示真空磁導(dǎo)率，L表示鐵磁體長度，f表示交變磁場頻率，ef表示渦流損耗We，渦流損耗We的大小與交變磁場f的頻率成正比。
磁體材料在20Hz～200kHz工作頻率下工作時，磁損耗以渦流損耗為主，而且隨頻率升高，渦流損耗增大。由于磁致伸縮器件主要在交變磁場下進行工作，所以降低磁損耗，提高器件工作效率及精確程度受到人們的關(guān)注。為了拓展其應(yīng)用范圍，使其在較大的交變磁場下得到普遍應(yīng)用，提高其電阻率成為重要的方向之一。
磁體材料的渦流損耗系數(shù)式為e=4π2μ03×d2ρ---(2)]]>式中e表示渦流損耗系數(shù)，μ0表示材料的磁導(dǎo)率，d表示磁體材料的厚度，ρ表示材料的電阻率。
由(1)和(2)公式聯(lián)立得到渦流損耗系數(shù)e與材料厚度與電阻率之比d2/ρ成正比，故可以通過提高磁體材料的電阻率ρ來有效地減小渦流損耗。
由于稀土元素的電極電位值很低，僅次于堿金屬等少數(shù)其它元素，屬于極易腐蝕元素，稀土鐵化合物R-Fe超磁致伸縮材料同樣容易在潮濕空氣或海水中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，一旦磁致伸縮材料遭到電化學(xué)腐蝕，其磁致伸縮性能就會大幅降低甚至喪失，所以傳統(tǒng)稀土鐵系超磁致伸縮材料在應(yīng)用過程中，特別是作為水聲大功率低頻聲納系統(tǒng)、換能器等驅(qū)動元件時，其易腐蝕特性成為制約其發(fā)展的重要因素。
傳統(tǒng)超磁致伸縮材料鑄態(tài)組織由具有超磁致伸縮性能的RFe2脆性基體相以及在其相間分布的韌性富稀土相組成，富稀土相在一定程度上阻止RFe2脆性基體相的剝落。在一定的外加電勢作用下，發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，富稀土相和RFe2脆性基體相同時發(fā)生腐蝕融解，失去韌性富稀土相保護的RFe2脆性基體相發(fā)生脆性剝落，大大加速腐蝕的進行，腐蝕電流在外加電勢達到一定數(shù)值時突然加大，此電勢即為電化學(xué)腐蝕破裂電位，提高超磁致伸縮材料的破裂電位可以大大提高其耐蝕性能。
鑒于上述情形，提出一種在上述稀土超磁致伸縮材料中加入微量第四組元，形成R-Fe-M超磁致伸縮材料，通過提高材料本身的電極電位以及發(fā)生電化學(xué)腐蝕的破裂電位來達到提高磁致伸縮材料耐蝕性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，該方法制備得到的超磁致伸縮材料在保證與傳統(tǒng)超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，通過添加Si元素有效地提高了超磁致伸縮材料的室溫電阻率和耐腐蝕性能；在定向凝固制備過程中通過控制定向凝固速度和定向凝固溫度梯度，使制備得到的Tb-Dy-Fe-Si超磁致伸縮材料具有<110>軸向擇優(yōu)取向。
本發(fā)明制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，有如下步驟步驟一，熔煉、鑄棒稱取Tb、Dy、Fe和Si元素，其Tb元素的原子用量為0.27～0.36，Dy元素的原子用量為0.64～0.73，F(xiàn)e元素的原子用量為0.85～0.99，Si元素的原子用量為0.01～0.15；將上述稱取的Tb、Dy、Fe和Si元素放入真空電弧爐中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105Pa；然后在爐內(nèi)反復(fù)熔煉Tb、Dy、Fe和Si元素3～5遍使各元素成分均勻；然后采用澆鑄工藝鑄成Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料；步驟二，定向凝固將上述制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料放入高溫度梯度感應(yīng)爐的高純度剛玉管中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105Pa；然后在爐內(nèi)采用懸浮區(qū)熔法在高溫1500℃～1900℃，定向凝固速度240mm/h～900mm/h，定向凝固溫度梯度500～900℃/cm條件下，制備具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb-Dy-Fe-Si高電阻超磁致伸縮材料。
所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，經(jīng)步驟一制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料在溫度250K～300K的鑄態(tài)電阻率為99～126μΩcm。
所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，經(jīng)步驟二制備得到的Tb-Dy-Fe-Si高電阻超磁致伸縮材料在溫度250K～300K的<110>軸向擇優(yōu)取向的電阻率為92～100μΩcm。
所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其制備得到的材料在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下磁致伸縮性能達到1100～1700ppm。
本發(fā)明耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的優(yōu)點在于(1)制備得到的超磁致伸縮材料的鑄態(tài)電阻率比未添加Si元素的電阻率提高了56～97％；取向電阻率比未添加Si元素的電阻率提高了87～100％；(2)在制備方法中通過調(diào)節(jié)定向凝固速度和定向凝固溫度梯度能夠得到具有<110>軸向擇優(yōu)取向的材料；(3)所制備的<110>軸向擇優(yōu)取向材料在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下磁致伸縮性能達到1100～1700ppm；(4)制備得到的耐蝕超磁致伸縮材料電極電位比未添加Si元素提高2～8％；(5)在3.5％NaCl水溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，新型耐腐蝕超磁致伸縮材料的破裂電位與傳統(tǒng)超磁致伸縮材料相比得到提高；新型耐腐蝕超磁致伸縮材料在3.5％NaCl水溶液中具有良好的耐蝕性能；(6)作為超磁致伸縮材料，第四組元的加入沒有改變超磁致伸縮材料的晶體結(jié)構(gòu)，且沒有雜質(zhì)相的生成，新型耐腐蝕超磁致伸縮材料仍然具有良好的磁致伸縮性能，在400mT外加磁場條件下，鑄態(tài)新型超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能達到607～984ppm。


圖1是Tb0.3Dy0.7Fe1.95超磁致伸縮材料與本發(fā)明超磁致伸縮材料在鑄態(tài)和擇優(yōu)取向中的電阻率比較。
圖2是具有<110>軸向擇優(yōu)取向Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95超磁致伸縮材料的XRD圖。
圖3是具有<110>軸向擇優(yōu)取向Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能圖。
圖4是具有<110>軸向擇優(yōu)取向Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能圖。
圖5是Tb0.3Dy0.7Fe1.95超磁致伸縮材料與本發(fā)明超磁致伸縮材料在3.5％NaCl水溶液中的陽極極化曲線圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，有如下步驟步驟一，熔煉、鑄棒稱取Tb、Dy、Fe和Si元素，其Tb元素的原子用量為0.27～0.36，Dy元素的原子用量為0.64～0.73，F(xiàn)e元素的原子用量為0.85～0.99，Si元素的原子用量為0.01～0.15；將上述稱取的Tb、Dy、Fe和Si元素放入真空電弧爐中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105Pa；然后在爐內(nèi)反復(fù)熔煉Tb、Dy、Fe和Si元素3～5遍使各元素成分均勻；然后采用澆鑄工藝鑄成Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料；將上述制得的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料經(jīng)研磨成粉末進行XRD測試，其測試結(jié)果表明第四組元Si的加入沒有改變超磁致伸縮材料的晶體結(jié)構(gòu)，也沒有雜質(zhì)相的生成。
采用線切割方式切取Φ7.2mm×25mm的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料進行磁致伸縮性能測試，其磁致伸縮性能在400mT磁場下為607～984ppm；應(yīng)變片的型號B×120-3AA；應(yīng)變儀型號為YJK4500型數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變測量范圍0～±19999uε；分辨度1uε。
步驟二，定向凝固將上述制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料放入高溫度梯度感應(yīng)爐的高純度剛玉管中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105pa；然后在爐內(nèi)采用懸浮區(qū)熔法在高溫1500℃～1900℃，定向凝固速度240mm/h～900mm/h，定向凝固溫度梯度500～900℃/cm條件下，制備具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb-Dy-Fe-Si高電阻超磁致伸縮材料。
將上述制得的超磁致伸縮材料采用線切割方式切取Φb7.2mm×2.5mm的試樣進行磁致伸縮性能測試，其<110>軸向擇優(yōu)取向的磁致伸縮性能在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下達到1100～1700ppm。應(yīng)變片的型號B×120-3AA；應(yīng)變儀型號為YJK4500型數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變測量范圍0～±19999uε；分辨度1uε。
實施例1制Tb0.3Dy0.7Fe1.95鑄態(tài)超磁致伸縮材料制50g Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材，稱取純度為99.9％的10.6g Tb、19.3g Dy和20.2g Fe元素放入鈕扣爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa，通入高純氬氣后爐內(nèi)氣壓升為0.7×105Pa，在熔煉溫度1700℃條件下熔煉4遍使各元素均勻后吸鑄成Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材。
將上述制得的Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材采用線切割方式切取1mm×0.5mm×25mm的試樣進行電阻率測試，其溫度在298K時的電阻率為64μΩcm(如圖1所示)。
將上述制得的Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材采用線切割方式切取Φ7mm×5mm的試樣進行電化學(xué)陽極極化實驗，溫度為室溫25℃，腐蝕介質(zhì)為3.5％NaCl水溶液，得到相應(yīng)的極化曲線(如圖5所示)。
將上述制得的Tb0.3Dy0.7Fe1.95棒材放入高溫度梯度感應(yīng)晶體生長爐的高純度剛玉管中，爐內(nèi)先抽真空度到2×10-3Pa，再充入高純氬氣，此時爐內(nèi)氣壓升到0.7×105Pa，然后采用懸浮區(qū)熔法在溫度1800℃進行定向凝固制備Tb0.3Dy0.7Fe1.95超磁致伸縮材料。定向凝固中的速度480mm/h，溫度梯度800℃/cm，制得擇優(yōu)取向為<110>的Tb0.3Dy0.7Fe1.95超磁致伸縮材料。
將上述制得的<110>取向Tb0.3Dy0.7Fe1.95超磁致伸縮材料采用線切割方式切取1mm×0.5mm×25mm的試樣進行電阻率測試，其溫度在298K時的電阻率為53μΩcm(如圖1所示)。
實施例2制50g具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95高電阻超磁致伸縮材料稱取純度為99.9％的8.9g Tb、21.1g Dy、19.7g Fe和0.3g Si元素放入真空電弧爐中，爐內(nèi)先抽真空度到2×10-3Pa后，再充入高純氬氣，此時爐內(nèi)氣壓升到0.7×105Pa，熔煉合金開始；反復(fù)熔煉合金4遍使合金成分均勻后澆鑄成為Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95棒狀材料。
對鑄態(tài)Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95棒材，采用線切割1mm×0.5mm×25mm的試樣進行電阻率測試，其298K電阻率為99μΩcm。(如圖1所示)將上述制得Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95棒材放入高溫度梯度感應(yīng)晶體生長爐的高純度剛玉管中，爐內(nèi)先抽真空度到2×10-3Pa后，再充入高純氬氣，此時爐內(nèi)氣壓升到0.7×105Pa，然后采用懸浮區(qū)熔法在溫度1800℃進行定向凝固制備高電阻超磁致伸縮材料。定向凝固中的速度480mm/h，溫度梯度800℃/cm，制得軸向擇優(yōu)取向為<110>的高電阻超磁致伸縮材料，其取向XRD如圖2所示。
測磁致伸縮性能對具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95材料，采用線切割得到Φ7.2mm×2.5mm的試樣，其在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下磁致伸縮性能達到1655ppm(如圖3所示)。
測電阻率對制備具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95材料，采用線切割1mm×0.5mm×25mm的試樣進行電阻率測試，在298K溫度時其電阻率為106μΩcm(如圖1所示)。
實施例3制50g具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95高電阻超磁致伸縮材料稱取純度為99.9％的9g Tb、21.5g Dy、18.5g Fe和1g Si元素放入真空電弧爐中，爐內(nèi)先抽真空度到2×10-3Pa后，再充入高純氬氣，此時爐內(nèi)氣壓升到0.7×105Pa，熔煉合金開始；反復(fù)熔煉合金4遍使合金成分均勻后澆鑄成為Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95棒狀材料。
測電阻率對鑄態(tài)Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95棒材，采用線切割1mm×0.5mm×25mm的試樣進行電阻率測試，其298K室溫電阻率為126μΩcm(如圖1所示)。
將制備得到的鑄棒放入高溫度梯度感應(yīng)晶體生長爐的高純度剛玉管中，爐內(nèi)先抽真空度到2×10-3Pa后，再充入高純氬氣，此時爐內(nèi)氣壓升到0.7×105Pa，然后采用懸浮區(qū)熔法在溫度1800℃進行定向凝固制備高電阻超磁致伸縮材料。定向凝固中的速度480mm/h，溫度梯度800℃/cm，制得軸向擇優(yōu)取向為<110>的高電阻超磁致伸縮材料。
測磁致伸縮性能具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95材料，采用線切割得到Φb7.2mm×2.5mm的試樣，在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下磁致伸縮性能達到1132ppm(如圖4所示)。
在本發(fā)明中，超磁致伸縮材料的電極電位與破裂電位的比較如下表所示

本發(fā)明所制備的Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95和Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95具有耐腐蝕高電阻特性，超磁致伸縮材料TbDyFe在添加了少量第四組Si后，<110>軸向擇優(yōu)取向Tb-Dy-Fe-Si材料與<110>軸向擇優(yōu)取向Tb·Dy-Fe超磁致伸縮材料相比，其磁伸縮性能未發(fā)生較大改變。
權(quán)利要求
1.制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于有如下步驟步驟一，熔煉、鑄棒稱取Tb、Dy、Fe和Si元素，其Tb元素的原子用量為0.27～0.36，Dy元素的原子用量為0.64～0.73，F(xiàn)e元素的原子用量為0.85～0.99，Si元素的原子用量為0.01～0.15；將上述稱取的Tb、Dy、Fe和Si元素放入真空電弧爐中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105Pa；然后在爐內(nèi)反復(fù)熔煉Tb、Dy、Fe和Si元素3～5遍使各元素成分均勻；然后采用澆鑄工藝鑄成Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料；步驟二，定向凝固將上述制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料放入高溫度梯度感應(yīng)爐的高純度剛玉管中；先抽爐內(nèi)真空度至1.5～2.5×10-3Pa后，再充入保護氣體-高純氬氣，此時爐內(nèi)真空度至0.3～0.7×105Pa；然后在爐內(nèi)采用懸浮區(qū)熔法在高溫1500℃～1900℃，定向凝固速度240mm/h～900mm/h，定向凝固溫度梯度500～900℃/cm條件下，制備具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb-Dy-Fe-Si高電阻超磁致伸縮材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于經(jīng)步驟一制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料在溫度250K～300K的鑄態(tài)電阻率為99～126μΩcm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于經(jīng)步驟一制備得到的Tb-Dy-Fe-Si棒狀材料在濃度3.5％的NaCl水溶液中的耐蝕性能提高了2～8％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于經(jīng)步驟二制備得到的Tb-Dy-Fe-Si高電阻超磁致伸縮材料在溫度250K～300K的<110>軸向擇優(yōu)取向的電阻率為92～100μΩcm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于制備得到的材料在400mT磁場，10Mpa預(yù)應(yīng)力條件下磁致伸縮性能達到1100～1700ppm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于制備得到的材料的化學(xué)成分是Tb0.3Dy0.7(Fe0.975Si0.025)1.95。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，其特征在于制備得到的材料的化學(xué)成分是Tb0.3Dy0.7(Fe0.9Si0.1)1.95。
全文摘要
本發(fā)明公開了制備一種具有軸向擇優(yōu)取向的耐腐蝕高電阻超磁致伸縮材料的方法，通過在Tb－Dy－Fe超磁致伸縮材料中添加Si有效地提高了其在室溫的電阻率和耐腐蝕性能，在定向凝固制備過程中采用懸浮區(qū)熔法在高溫1500℃～1900℃，定向凝固速度240mm/h～900mm/h，定向凝固溫度梯度500～900℃/cm條件下制備具有<110>軸向擇優(yōu)取向的Tb－Dy－Fe－Si超磁致伸縮材料。本發(fā)明Tb－Dy－Fe－Si超磁致伸縮材料在400mT外加磁場，10MPa預(yù)應(yīng)力條件下，其磁致伸縮性能達到1100～1700ppm，在濃度3.5％的NaCl水溶液中的耐蝕性能提高了2～8％。
文檔編號B22D11/16GK1804085SQ20061000102
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者蔣成保, 徐惠彬, 徐立紅 申請人:北京航空航天大學(xué)