一種磁致伸縮材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁性材料，特別是涉及一種磁致伸縮材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁致伸縮材料作為一類重要的鐵磁功能材料，其幾何尺寸會隨磁化狀態(tài)的改變在各個方向發(fā)生可逆變化，這種磁場誘發(fā)的可逆形變被稱作磁致伸縮。自1842年焦耳提出磁致伸縮效應(yīng)以來，磁致伸縮材料就被廣泛應(yīng)用到航空、航海、機(jī)器人、新能源、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。FeGa合金作為最新一代的磁致伸縮材料，以飽和磁場低、力學(xué)性能好、磁致伸縮大等良好的綜合使用性能而被廣泛關(guān)注，成為二十一世紀(jì)的戰(zhàn)略新材料。
[0003]盡管FeGa合金的綜合使用性能良好，然而傳統(tǒng)的FeGa 二元合金飽和磁致伸縮系數(shù)僅為Terfenol-D合金的1/5，因此優(yōu)化工藝制備〈100〉取向的單晶材料以及設(shè)計合金成分使FeGa基體具有更大的磁致伸縮系數(shù)，成為進(jìn)一步提高FeGa基體磁致伸縮性能的必然選擇。目前，國內(nèi)外針對FeGa合金的研宄也主要集中在提高磁致伸縮性能和優(yōu)化材料制備工藝上。
[0004]公開號為CN101086912A的中國專利公開了一種FeGa-RE系磁致伸縮材料及其制造工藝，該磁致伸縮材料為多晶體。其主要成分為Fe、Ga和RE，其中加入了 La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy中的一種或一種以上，含量為0.01-20at%。該磁致伸縮材料的制造工藝包括將原料精煉后的合金澆注成所需要的圓棒、對合金棒用高溫度梯度快速凝固法或提拉法或Bridgman法，進(jìn)行晶體定向生長，最終得到〈100〉和〈110〉取向的磁致伸縮材料。然而，該材料的磁致伸縮系數(shù)僅為300ppm左右，使用此方法制備的材料磁致伸縮性能未得到明顯提升，其原因可能在于稀土原子是以第二相形式析出釘扎在晶界處而并未固溶到FeGa基體中。
[0005]公開號為CN103556045A的中國專利公開了一種基于FeGa-RFeJIt晶各向異性補(bǔ)償原理設(shè)計的新型磁致伸縮材料及其制備方法，該磁致伸縮多晶材料的成分為(Fe1QQ_xGax) Y(RFe2)z，其中10彡X彡40，Y與Z調(diào)節(jié)贗二元系中補(bǔ)償成分的比例Y: Z = I?20,RFe2為TbFe2、SmFe2> DyFe2> HoFe2> ErFe2> TmFe2中的一種或者幾種。該專利通過在FeGa合金中添加Tb、Sm等稀土元素，并使用真空甩帶工藝制備出〈100〉取向的單相均勻多晶條帶。然而，真空甩帶工藝制備的多晶條帶厚度僅為幾十微米，而且條帶樣品由于特殊的形狀各向異性導(dǎo)致低場(< 5000e)磁致伸縮性能極差(< 50ppm)，不能滿足大功率換能器等磁致伸縮器件對于低場高性能三維晶體材料的使用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種磁致伸縮材料，其為〈100〉取向的單晶材料，并且材料中稀土元素完全固溶到FeGa基體中，不僅磁致伸縮系數(shù)明顯提高，此外飽和磁場相對較低，綜合使用性好。
[0007]本發(fā)明還提供一種磁致伸縮材料的制備方法，其操作簡單、工藝易于控制，并且能夠制得磁致伸縮性能和綜合使用性良好的磁致伸縮材料。
[0008]本發(fā)明提供一種磁致伸縮材料，其成分為(Fei_xGax) 1C)C)_yREy，其中0.17彡x彡0.19，0.01 彡 y 彡 0.2，RE 選自 Tb、La、Sm、Dy、Lu、Ho、Er 和 Tm 中的一種或多種。
[0009]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料的成分為(Fea83Gaai7)99.95TbaC)5、(Fea83Gaai7)99.95
Sm0.05、(Fe0.83Ga0.17) 99.95〇Υθ.05、(Ρθ0.83^?.17) 99.95^00.05'' ^θ0.83^?.17) 99.95^^0.05 ^ (Fe0 83Ga017)99 95ΤΙ?0.05'' (Fe0.81Ga0.19) 99.95Tb0.05、(Fe0_ 81^?.19) 99.95SIT10.05'' ^θ0.81^^0.19) 99.95^Υθ.05'' (Fe0 8lGa019)99.95Η00.05'' (Fe0.81Ga0.19) 99.95Εγ0.05、(Fe0.81Ga0.19) 99.95^11?.05、(Fe0.83^?.17) 99.97LU0.(Fe0.81Ga0.19) 99.θθΟΥο.04'' (Fe0.S2Ga0.18) 99.^Sm0.02、(Fe0.81Ga019)99.9Tm01、(Fe0 81Ga0.19) 99.8La0.2、(Fe0.82Ga018)99.8(HoEr) 02、(Fe0 83Ga0 17) gg.84 (SmTm) 0 16、(Fe0 82Ga0 18) 99 85 (HoErTm) 0 15或(Fe
0.81^?.19
)99.85 (TbDy
H。) 0.15。
[0010]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料為〈100〉取向的單晶材料。特別是，所述磁致伸縮材料在2Θ為27°?28。之間具有(200)衍射峰，并且在2 Θ為56°?57°之間具有(400)衍射峰；此外，該磁致伸縮材料不同晶面族衍射斑點(diǎn)四重對稱。
[0011]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料中，RE在FeGa基體中完全固溶。本發(fā)明對所述完全固溶并不嚴(yán)格限制，其中也可以包括基本完全固溶的情形。具體地，可以通過BSE圖像上沒有或基本沒有RE元素析出相的形貌證明RE在FeGa基體中完全固溶。
[0012]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料存在多條位錯線。特別是，多條位錯線中的至少兩條位錯線形成交叉；尤其是，多條位錯線相互交叉于一處而形成從該處向四周輻射的放射線狀。該位錯線的長度可以為30?150nmo
[0013]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料的飽和磁場為100?5000e，例如為300?5000e，優(yōu)選為300?4000e，進(jìn)一步優(yōu)選為300?3500e。
[0014]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮系數(shù)為300?1500ppm，優(yōu)選為450?1500ppm，進(jìn)一步優(yōu)選為650?1500ppm，更進(jìn)一步優(yōu)選為1000?1500ppm。
[0015]進(jìn)一步地，所述磁致伸縮材料為棒狀材料，其直徑為I?10mm，長度為I?20mm，優(yōu)選為直徑5?10_，長度10?20_。
[0016]本發(fā)明還提供一種上述任一所述的磁致伸縮材料的制備方法，包括如下步驟:
[0017]I)按照磁致伸縮材料的成分要求配備Fe、Ga和RE原料；
[0018]2)將配備的Fe、Ga和RE原料熔煉成母合金鑄錠；
[0019]3)將所述母合金鑄錠熔化，并通過真空吸鑄制成母合金棒；
[0020]4)將所述母合金棒和〈100〉取向的FeGa單晶籽晶置于定向凝固設(shè)備中，并使FeGa單晶籽晶下部浸入冷卻液，對定向凝固設(shè)備抽真空并充入保護(hù)氣體后，加熱使母合金棒完全熔融并且FeGa單晶籽晶上部熔融，將熔融的材料沿著FeGa單晶籽晶下部抽拉到冷卻液中進(jìn)行定向凝固，并且控制所述定向凝固的溫度梯度為I X 15?9 X 10 5K/m，生長速度為1000?20000mm/h，制得所述磁致伸縮材料。
[0021]在本發(fā)明中，定向凝固指的是在凝固金屬(即未熔融金屬)和未凝固金屬熔融體中建立特定方向的溫度梯度(G)，使熔融體沿著與熱流相反的方向凝固的一種鑄造工藝；生長速度指的是將熔融體向冷卻液中抽拉的速度。本發(fā)明所選擇的特定稀土元素具有大尺寸和大磁晶各向異性，同時在上述特定的溫度梯度和生長速度下進(jìn)行定向凝固有利于實(shí)現(xiàn)稀土元素在FeGa基體中的完全固溶以及磁致伸縮材料的單晶取向。進(jìn)一步地，溫度梯度優(yōu)選為I X 15?5X105K/m ;生長速度(V)優(yōu)選為1000?10000mm/h，進(jìn)一步優(yōu)選為2000?
8000mm/ho
[0022]本發(fā)明在定向凝固時采用〈100〉取向FeGa單晶籽晶作為籽晶，并且在使用該籽晶時使其成為部分熔融狀態(tài)；具體地，通過控制加熱和冷卻的方式使籽晶上部熔融、下部凝固，從而在定向凝固時使固液相變過程中固液界面沿著籽晶下部推進(jìn)，使籽晶的優(yōu)勢取向被保留，從而新形成的晶體沿著籽晶的晶格堆垛，更易于單晶生長；此外，通過較快的生長速度(1000mm/h以上)使固液界面由凹變平，同時較高的溫度梯度(lX105K/m以上)抑制形核，最終導(dǎo)致單晶長大，從而實(shí)現(xiàn)稀土元素在FeGa基體中的完全固溶以及磁致伸縮材料的〈100〉單晶取向。
[0023]本發(fā)明選用的原料Fe、Ga和RE的純度均大于99.99wt%。
[0024]在本發(fā)明的步驟4)中，對定向凝固設(shè)備抽真空并充入保護(hù)氣體包括實(shí)施以下操作至少一次:
[0025]對定向凝固設(shè)備抽真空至1.0X 10_3?5.0X10 _3Pa后充入保護(hù)氣體，待定向凝固設(shè)備內(nèi)的真空度上升至1.0X KT1?5X10 -1Pa后停止充氣。
[0026]優(yōu)選地，實(shí)施上述操作三至四次。
[0027]進(jìn)一步地，本發(fā)明步驟4)中，將所述母合金棒和FeGa單晶籽晶上部置于中空石墨加熱體的內(nèi)部，通過感應(yīng)線圈加熱所述石墨加熱體，以使母合金棒完全熔融并且FeGa單晶籽晶上部熔融。
[0028]上述加熱方式通過設(shè)置在石墨加熱體外側(cè)的感應(yīng)線圈將石墨加熱體加熱到指定溫度之后，通過石墨加熱體的熱輻射對設(shè)置在其內(nèi)部的材料進(jìn)行放熱，從而實(shí)現(xiàn)對材料的加熱。該加熱方式易于使材料受熱均勻，并且可實(shí)現(xiàn)較大的熱度、較小的徑向溫度梯度等，有利于材料的單晶取向。
[0029]進(jìn)一步地，本發(fā)明步驟4)中，所述加熱包括實(shí)施以下操作至少一次:
[0030]以30?40°C /min的升溫速度將石墨加熱體加熱至1550?1700°C，待母合金棒和FeGa單晶籽晶上部熔融后保溫5?15min，然后以20?30°C /min的降溫速度將石墨加熱體降溫至1450?1550°C并保溫3?8min，再以30?40°C /min的升溫速度將石墨加熱體加熱至1550?1700°C并保溫5?15min。
[0031]在本發(fā)明中，通過加熱使材料的溫度超過其熔點(diǎn)溫度50?200°C以上，并且采用上述特定方式進(jìn)行加熱不僅有利于材料充分熔融，還有利于熔融體中異質(zhì)形核的鈍化和失效，從而減少熔融體中的異質(zhì)形核，并有利于材料的單晶取向。優(yōu)選地，實(shí)施上述操