本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種原位制備梯度磁致伸縮材料的方法。

背景技術(shù)：
1987年日本科學(xué)家平井敏熊等人首先提出梯度功能材料的概念，旨在采用連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面，目前梯度功能材料主要分為兩類：一類是組成結(jié)構(gòu)和性能在材料厚度或長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的非均質(zhì)復(fù)合材料，另一類是材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位(一維、二維或三維)向另一方位連續(xù)地變化，使材料的性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型功能材料；上述梯度功能材料多為金屬/合金，金屬/非金屬，金屬/陶瓷，非金屬/陶瓷等多種組合方式的復(fù)合材料，然而復(fù)合材料中任意兩種組合的界面是無法完全消除的。原位法制備梯度功能材料則指的是通過某種手段控制成分在材料內(nèi)部的分布制備出自身成分或性能呈梯度分布的梯度功能材料。和之前介紹的復(fù)合梯度材料相比，原位法制得的梯度功能材料是一個整體，內(nèi)部沒有界面存在，不需要考慮界面帶來的任何影響，因此原位法制備梯度功能材料作為一種新型的制備梯度功能材料的方法成為目前研究的熱點。磁致伸縮材料是一種可以實現(xiàn)電磁能與機械能或聲能完美轉(zhuǎn)換的理想材料之一，其中具有代表性的磁致伸縮材料Tb-Fe和Tb-Dy-Fe，憑借其飽和磁致伸縮系數(shù)高、機電耦合系數(shù)高、輸出能量大、響應(yīng)速度快、能量密度高及非接觸驅(qū)動等特點，被廣泛應(yīng)用于聲納、致動器、精密機械、磁力傳感器、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)器件的制造，在國防和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。Tb-Fe和Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料中的功能相TbFe2和(Tb,Dy)Fe2均屬于C15型立方Laves相結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，且沿易磁化軸<111>方向擇優(yōu)取向的材料具有更大的磁致伸縮系數(shù)，因此材料工作制備者致力于研發(fā)出沿<111>方向上取向的材料；迄今為止，Tb-Fe和Tb-Dy-Fe的制備方法主要有定向凝固法、燒結(jié)法和粘結(jié)法，然而這些方法工藝復(fù)雜、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有梯度材料及Tb-Fe和Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料在制備技術(shù)上存在的上述問題，本發(fā)明提供一種原位制備梯度磁致伸縮材料的方法，通過使母合金處于液態(tài)，在液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中利用磁力矩控制晶體取向，磁化力控制成分分布，形成具有高<111>取向且性能沿磁場梯度方向呈梯度分布的Tb-Fe或Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料。本發(fā)明的原位制備梯度磁致伸縮材料的方法按以下步驟進行：1、熔煉制備Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金，其中Tb-Dy-Fe母合金的原子比為Tb:Dy:Fe=x:(1-x):y，x=0.27~0.35，y=1.90~2；Tb-Fe母合金的原子比為Tb:Fe=(0.64~0.73):1；2、將Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合置于加熱爐內(nèi)的坩堝中，對加熱爐抽真空后通入惰性氣體，對Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金施加梯度為100~600T2/m梯度強磁場，在梯度強磁場和惰性氣體條件下將Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金加熱至液態(tài)，其中當(dāng)采用Tb-Dy-Fe母合金時，加熱至1350~1400℃保溫至少8min，采用Tb-Fe母合金時，加熱至1320~1380℃保溫至少8min；3、保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金以1~5℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至室溫，獲得Tb-Dy-Fe或Tb-Fe梯度磁致伸縮材料。上述的坩堝材質(zhì)為氧化鋁、氧化鎂或氮化硼。上述方法中，對加熱爐抽真空后通入惰性氣體是將加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，然后通入惰性氣體至0.015~0.03MPa，選用的惰性氣體為氬氣。上述的加熱爐中采用的加熱方式為電阻加熱或感應(yīng)加熱。上述方法中，獲得的Tb-Fe或Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料的功能相的晶體取向呈高<111>取向，并且材料的磁致伸縮性能沿施加磁場梯度的方向呈梯度分布。本發(fā)明的原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置包括強磁體、加熱爐、坩堝、支撐桿和支撐架，加熱爐設(shè)置在強磁體內(nèi)部的空腔內(nèi)，加熱爐還包括加熱體、冷卻水套、保溫絕緣層和隔熱絕緣層；坩堝設(shè)置于加熱體腔內(nèi)與帶有測溫?zé)犭娕嫉闹螚U相連接。上述裝置中，測溫?zé)犭娕疾迦脎釄宓撞?，測溫?zé)犭娕嫉牧硪欢伺c溫度采集系統(tǒng)連接。上述裝置中，控溫?zé)犭娕疾迦霠t體內(nèi)部貼靠于保溫絕緣層的中部，控溫?zé)犭娕嫉牧硪欢伺c控溫系統(tǒng)連接。上述裝置中，加熱爐底部和頂部均設(shè)有通氣孔，頂部通氣孔與惰性氣體氣瓶相連，底部通氣孔與真空泵相連。上述裝置的使用方法為：將Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金置于坩堝中，將坩堝放入加熱爐均溫區(qū)，調(diào)節(jié)試樣、加熱爐均溫區(qū)及強磁體中心三者的相對位置關(guān)系，使得試樣的中心位于加熱爐均溫區(qū)的同時也位于確定的磁場梯度位置；通過加熱體加熱母合金至液態(tài)，加熱保溫完成后，通過控溫系統(tǒng)降溫至1000±5℃，然后直接關(guān)閉加熱爐電源，使坩堝中試樣隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明的方法與已有的技術(shù)相比，其優(yōu)點在于利用梯度強磁場對具有磁晶各向異性的TbFe2或(Tb,Dy)Fe2相產(chǎn)生的增強磁力矩作用及磁化力作用，控制合金凝固組織，使合金自身的磁致伸縮性能沿梯度磁場方向呈梯度分布；與公開號為CN102952386A的專利申請相比，具有制備工藝簡單，可制備出純的稀土-鐵基磁致伸縮材料；材料的磁致伸縮性能及梯度磁致伸縮性能更大等優(yōu)點；磁力矩作用及磁化力作用是以非接觸的方式施加在功能相上，因而制備過程簡單且不會對材料造成污染；材料制備過程中溫度梯度小，稀土元素?fù)]發(fā)少。本發(fā)明的方法能夠適用于批量制備高梯度磁致伸縮材料，操作簡便，控制精確，產(chǎn)品純度高，性能優(yōu)良，容易實現(xiàn)工業(yè)化。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例中采用的制備原位梯度磁致伸縮材料的方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1、強磁體，2、支撐架，3、冷卻水套，4、頂部通氣孔，5、控溫?zé)犭娕迹?、保溫絕緣層，7、坩堝，8、控溫系統(tǒng)，9、合金，10、加熱體，11、隔熱絕緣層，12、惰性氣體氣瓶，13、真空泵，14、支撐桿，15、測溫?zé)犭娕迹?6、固定套，17、溫度采集系統(tǒng)，18、底部通氣孔；圖2為本發(fā)明中在磁體中心磁感應(yīng)強度為12T時，磁體中各位置的梯度分布曲線圖；圖3為本發(fā)明實施例1的梯度磁致伸縮材料試樣XRD衍射圖；圖4為本發(fā)明實施例1的梯度磁致伸縮材料試樣沿磁場梯度方向無壓應(yīng)力下不同位置的磁致伸縮系數(shù)值的曲線圖。具體實施方式本發(fā)明實施例中采用的強磁體為市購低溫超導(dǎo)強磁體，磁體體腔與地面垂直，磁體中心的位置的磁場強度可在0~12T范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，梯度強磁場的產(chǎn)生與物質(zhì)在體腔中的位置有關(guān)，圖2說明了當(dāng)磁體中心磁場強度為12T時，磁體體腔內(nèi)不同位置對應(yīng)的磁場梯度值（本文中涉及的磁場梯度值實際上是該位置的磁場梯度值與磁體中心磁感應(yīng)強度值的乘積，表示為BdB/dz，單位為T2/m），在距離磁體中心0~250mm的位置范圍內(nèi)可以產(chǎn)生數(shù)值為0~600T2/m的梯度強磁場。本發(fā)明實施例中采用的控溫系統(tǒng)的型號為PF-171346，感應(yīng)加熱方式，最高加熱溫度1800℃，控溫精度為±1℃。本發(fā)明實施例中采用的溫度采集系統(tǒng)為帶有451B-A-EO型數(shù)據(jù)采集卡的電腦。本發(fā)明實施例中采用的坩堝材質(zhì)為氧化鋁、氧化鎂或氮化硼。本發(fā)明實施例中制備母合金采用的Fe、Tb和Dy的質(zhì)量純度為99.99%。實施例1原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括強磁體1、加熱爐、坩堝7，加熱爐的加熱體10部分通過支撐架2固定于強磁體內(nèi)部的空腔內(nèi)，加熱爐還包括冷卻水套3、保溫絕緣層6和隔熱絕緣層11；試樣放置于坩堝7中；測溫?zé)犭娕?5插入中空的支撐桿14連接到坩堝底部，測溫?zé)犭娕?5的另一端與溫度采集系統(tǒng)17連接；控溫?zé)犭娕?插入加熱爐貼靠于保溫絕緣層6的中部，控溫?zé)犭娕?的另一端與控溫系統(tǒng)8連接；坩堝7底部固定在支撐桿14上；支撐桿14通過固定套16固定于加熱爐腔體中；支撐架2包括一個伸縮桿，伸縮桿頂端與加熱爐的冷卻水套3固定在一起，通過伸縮桿的上下移動，調(diào)節(jié)坩堝7與強磁體1中心的位置關(guān)系；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Dy-Fe母合金，原子比為Tb:Dy:Fe=x:(1-x):y，x=0.3，y=2；將Tb-Dy-Fe母合金置于氧化鋁坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.015MPa；對Tb-Dy-Fe母合金施加梯度為600T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Dy-Fe母合金加熱至液態(tài)(1400℃)，保溫8min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Dy-Fe母合金以5℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至常溫，獲得Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮性能沿梯度磁場作用方向呈梯度分布；利用帶能譜的JEM-2000X掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀組織觀察和合金相的鑒別；利用D/MAX2400X型X-射線衍射儀（XRD）（CuKα）對合金相的取向情況進行檢測；利用YJZ-8智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對試樣沿施加梯度磁場方向的不同位置進行了無壓應(yīng)力下的磁致伸縮性能進行了檢測；分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過梯度磁場處理的材料的(Tb,Dy)Fe2相發(fā)生了明顯的晶體取向，同時合金的磁致伸縮性能沿施加梯度磁場的方向呈梯度分布；XRD衍射結(jié)果如圖3所示；無壓應(yīng)力下Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮性能與材料沿施加梯度磁場的方向的位置關(guān)系如圖4所示，Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在960~1623ppm范圍內(nèi)梯度變化，其中上部的磁致伸縮性能較下部提高了近70%，梯度分布明顯。實施例2原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置同實施例1；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Dy-Fe母合金，其中Tb-Dy-Fe母合金的原子比為Tb:Dy:Fe=x:(1-x):y，x=0.27，y=1.90；將Tb-Dy-Fe母合金置于氧化鎂坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.02MPa；對Tb-Dy-Fe母合金施加梯度為400T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Dy-Fe母合金加熱至液態(tài)(1350℃)，保溫10min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Dy-Fe母合金以2℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至室溫，獲得Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料的磁致伸縮性能沿施加磁場的梯度方向呈梯度分布，Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在978~1423ppm范圍內(nèi)梯度變化。實施例3原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置同實施例1；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Dy-Fe母合金，其中Tb-Dy-Fe母合金的原子比為Tb:Dy:Fe=x:(1-x):y，x=0.35，y=1.94；將Tb-Dy-Fe母合金置于氮化硼坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.03MPa；對Tb-Dy-Fe母合金施加梯度為100T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Dy-Fe母合金加熱至液態(tài)(1380℃)，保溫9min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Dy-Fe母合金以1℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至常溫，獲得Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Dy-Fe梯度磁致伸縮材料的磁致伸縮性能沿施加磁場的梯度方向呈梯度分布，Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在960~1052ppm范圍內(nèi)梯度變化。實施例4原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置同實施例1；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Fe母合金，原子比為Tb:Fe=0.64:1；將Tb-Fe母合金置于氧化鋁坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.015MPa；對Tb-Fe母合金施加梯度為500T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Fe母合金加熱至液態(tài)(1380℃)，保溫8min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Fe母合金以5℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至常溫，獲得Tb-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Fe梯度磁致伸縮材料的磁致伸縮性能沿施加磁場的梯度方向呈梯度分布，Tb-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在1118~1780ppm范圍內(nèi)梯度變化。實施例5原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置同實施例1；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Fe母合金，原子比為Tb:Fe=0.69:1；將Tb-Fe母合金置于氧化鋁坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.02MPa；對Tb-Fe母合金施加梯度為200T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Fe母合金加熱至液態(tài)(1350℃)，保溫9min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Fe母合金以3℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至常溫，獲得Tb-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Fe梯度磁致伸縮材料中的磁致伸縮性能沿施加磁場的梯度方向呈梯度分布，Tb-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在1062~1363ppm范圍內(nèi)梯度變化。實施例6原位制備梯度磁致伸縮材料的裝置同實施例1；采用上述裝置，制備方法按以下步驟進行：熔煉制備Tb-Fe母合金，原子比為Tb:Fe=0.73:1；將Tb-Fe母合金置于氧化鋁坩堝中，對加熱爐抽真空至真空度≤10-3Pa，通入氬氣至壓力為0.03MPa；對Tb-Fe母合金施加梯度為300T2/m梯度強磁場，在氬氣保護條件和梯度強磁場條件下將Tb-Fe母合金加熱至液態(tài)(1320℃)，保溫10min；保溫結(jié)束后，將液態(tài)的Tb-Fe母合金以1.5℃/min的速度降溫至1000±5℃，再隨爐冷卻至常溫，獲得Tb-Fe梯度磁致伸縮材料；獲得的Tb-Fe梯度磁致伸縮材料的磁致伸縮性能沿施加磁場的梯度方向呈梯度分布，Tb-Fe磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)沿梯度強磁場方向在1089~1420ppm范圍內(nèi)梯度變化。針對現(xiàn)有梯度材料及Tb-Fe和Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料在制備技術(shù)上存在的上述問題，本發(fā)明提供一種原位制備梯度磁致伸縮材料的方法，通過使母合金處于液態(tài)，在液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中利用磁力矩控制晶體取向，磁化力控制成分分布，形成具有高<111>取向且性能沿磁場梯度方向呈梯度分布的Tb-Fe或Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料。