專利名稱：一種磁致伸縮材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致伸縮材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鐵磁性及亞鐵磁性物質(zhì)在磁化狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其自身的長(zhǎng)度及體 積發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象叫做磁致伸縮。其中體積的變化稱為體積
磁致伸縮；長(zhǎng)度的變化稱為線磁致伸縮。實(shí)用的磁致伸縮材料即是指具 有線磁致伸縮特性的材料。磁致伸縮的大小用磁致伸縮系數(shù)X表示， X=AL/L ( L為材料原始長(zhǎng)度，AL為磁化狀態(tài)改變時(shí)材料長(zhǎng)度所發(fā)生的變 化)。材料在被磁化時(shí)所產(chǎn)生的最大磁致伸縮系數(shù)，稱為飽和磁致伸縮 系數(shù)Xs。通常，用(3/2)^作為材料的磁致伸縮的性能表征參數(shù)。(3/2)人s 的數(shù)值可由公式(3/2)、^^〃-Xi計(jì)算得來，其中X〃是指沿磁場(chǎng)平行于測(cè)量方 向所測(cè)得的飽和磁致伸縮系數(shù)；M是指沿/f茲場(chǎng)垂直于測(cè)量方向所測(cè)得的 飽和/磁致伸縮系數(shù)。
磁致伸縮材料作為一類換能材料，自20世紀(jì)40-50年代開始應(yīng)用于 換能技術(shù)領(lǐng)域，因?yàn)榘l(fā)生磁致伸縮時(shí)，磁致伸縮材料可以產(chǎn)生很大的力， 響應(yīng)時(shí)間也很短。后來，磁致伸縮材料也應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)、傳感等技術(shù)領(lǐng)域。 由于磁致伸縮材料在作為換能材料使用時(shí)，其能量的轉(zhuǎn)換與磁致伸縮系 數(shù)的平方成比例關(guān)系，研究者很關(guān)心如何提高材料的磁致伸縮系數(shù)，并 研究開發(fā)新的、具有大的磁致伸縮系數(shù)的材料。
傳統(tǒng)的磁致伸縮材料是純Ni、 Ni基合金、Fe基合金以及鐵氧體材料。 多晶純Ni的磁致伸縮系數(shù)在35卯m 40ppm ( 1卯01=10_6);實(shí)用的Ni 基合金和Fe基合金的磁致伸縮系數(shù)均低于100ppm;鐵氧體的磁致伸縮 系數(shù)通常在10卯m ~ 50ppm之間。20世紀(jì)80年代，美國(guó)Clark等人發(fā)明了 一種以稀土金屬和Fe為主 要成份的磁致伸縮材料，稱為稀土超磁致伸縮材料(giant magnetostrictive materials)。稀土超磁致伸縮材料具有很高的磁致伸縮系數(shù)。單晶稀土超 磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)高達(dá)2000ppm;在80kA/m的磁場(chǎng)及一定的 預(yù)壓應(yīng)力下，多晶稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)可以達(dá)到 1000-1500ppm。因?yàn)槎嗑⊥脸胖律炜s材料所具有的大應(yīng)變量、低楊 氏模量的特性，該材料在水聲換能領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。但多晶稀土 超磁致伸縮材料的主相是Laves相金屬間化合物，具有本征脆性，其環(huán) 境適應(yīng)性較差，因而限制了它在很多場(chǎng)合下的使用；并且該材料的電導(dǎo) 率很高，在較高頻率下使用時(shí)，會(huì)因渦流損耗而嚴(yán)重影響其能量輸出或 位移l俞出。
2000年美國(guó)的S. Gumswamy等人報(bào)道了一種由Fe和Ga組成的二元 合金(S. Guruswamy， et atl. Strong, dutile, and low-field-magnetostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta Mater. 2000， 43: p239-244 ),即Fe-Ga合金。 Fe-Ga合金的X值比傳統(tǒng)的磁致伸縮材料高至少一倍以上，強(qiáng)度與磁導(dǎo)率 比超磁致伸縮材料高很多，是一種新型的磁致伸縮材料。
雖然Fe-Ga合金比超磁致伸縮材料的磁致伸縮低很多，但比傳統(tǒng)磁 致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)高很多，并且克服了超磁致伸縮材料在強(qiáng)度、 導(dǎo)磁率等方面的缺點(diǎn)，在換能、驅(qū)動(dòng)、傳感等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前 景。但由于該材料的電阻率很低，在高頻下使用會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。
因此，人們探索將其制作成薄片材料，以降低使用狀態(tài)下的渦流損耗。
2003年，美國(guó)R. A. Kellogg等對(duì)Fe幻Gan合金進(jìn)行了熱軋+溫軋+回 復(fù)再結(jié)晶熱處理，獲得了(3/2)^約170ppm的飽和磁致伸縮系數(shù)(R. A. Kellogg, A. B. Flatau, et al. Texure and grain morphology dependedcies of saturation magnetostriction in rolled polycrystalline Fe83Ga17. J. Applied Physics. 2003, Vol. 93, No.10: p8495-8497)。
2004年，美國(guó)N. Srisukhumbowomchai等人報(bào)導(dǎo)了 Fes5Gaw合金中 添加lmolpct的NbC，通過熱軋、兩^:400。C溫軋以及后續(xù)的熱處理，
5獲得了 Fe-Ga基薄片材料(N. Srisukhumbowornchai, S. Guruswamy. Crystallographic textures in rolled and annealed Fe-Ga and Fe國(guó)Al alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2004, Vol. 35A: p2963-2970 )。 2005年，美國(guó)的Suok-Min Na和Alison B. Flatau等人報(bào)導(dǎo)了在 Fe8L3Ga^7合金中添加0.5 at %的B,通過熱軋、溫軋以及通過硫化(表 面能誘導(dǎo)織構(gòu))的方法，獲得了具有》茲致伸縮性能的薄片材料(Suok-Min Na, Alison B. Flatau. Magnetostriction and surface-energy-induced selective grain growth in rolled Galfenol doped with sulfor. Proceedings of SPIE. 2005, Vol. 5761: pl92-199)。用這種方法所獲得的薄片材料的磁致伸縮系數(shù)可 達(dá)到約(3/2)Xs:220ppm ( Suok-Min Na, Alison B. Flatau. Magnetostricton and crystallographic texture in rolled and annealed Fe-Ga based alloys. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.888, V06-10, 2006 Materials Research Society, p335-340)。
2006年，美國(guó)的Mungsantisuk等人在Fe-Ga基合金中添加了 NbC 或Be或Al或復(fù)合添加，在合金的外面包鞘以防止氧化及防止軋制時(shí)合 金表面的熱量損失，通過熱軋、兩段400°C溫軋以及后續(xù)的熱處理，獲 得了 Fe-Ga基磁致伸縮薄片材料(WO 2006/094251 A2 )。
上述關(guān)于Fe-Ga基薄片材料的研究中，共同的不足在于它們的合 金材料塑性不好，抗氧化性差，制造工藝都過于復(fù)雜，其中包括需對(duì)母 合金進(jìn)行包鞘，熱軋，溫軋及冷軋，總道次均在100道次以上，以及軋 制過程的反復(fù)去應(yīng)力退火。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲得一種磁致伸縮系數(shù)高，力學(xué)性能好，能滿足在 較高頻率下使用的磁致伸縮材料,及其制備方法。 本發(fā)明的目的是通過以下方面實(shí)現(xiàn)的。
一方面，本發(fā)明提供一種制備Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮材料的方 法，所述方法使用的原料成分(原子分?jǐn)?shù))的通式為:Feix-y-zGaxAlyMz,
其中，
x=0.10~0.30, y=0.01~0.10, z=0.001 ~ 0.05, ^L選x=0.15 ~ 0.25,
y-0.01 ~ 0.015, z=0.01 ~0.03;
M選自V、 Cr、 Zr、 Sb、 Sn、 Ti、 SiC中的一種或多種。 所述方法，包括以下步驟
(1) 按照所述原料成分的比例配料并加入lat%~ 5at。/o的Ga燒損量；
(2) 將該配料進(jìn)行冶煉，并澆鑄成合金錠；
(3) 將鑄態(tài)合金錠在850°C ~ 1100°C、優(yōu)選在900°C ~ 1000。C的溫度下 進(jìn)行鍛造,鍛造的變形量為10%~90%，優(yōu)選為60%~80%;
(4) 將鍛造后的合金在900°C ~ IIO(TC、優(yōu)選在950°C ~ IOO(TC的溫度 下進(jìn)行熱軋，熱軋的變形量為50%~90%,優(yōu)選為60%~80%;
(5) 將熱軋后的合金在室溫下進(jìn)行冷軋，冷軋變形量為60%~90%, 優(yōu)選為70%~85%,進(jìn)行道次凄t為10~30,優(yōu)選為15~20;
(6) 將冷軋后的合金在1000°C ~ 1300°C、優(yōu)選在1100°C ~ U00。C的溫 度下保溫1 24小時(shí)，優(yōu)選為4 6小時(shí)，可采用常規(guī)的冷卻的方式，優(yōu) 選為水淬。
另 一方面，本發(fā)明提供按上述方法所獲得的Fe-Ga-Al基薄片狀磁致 伸縮材料，它具有高的磁致伸縮性能。優(yōu)選地該材料的厚度在0.03 ~ 0.95mm之間。
與Fe-Ga二元合金及相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的添加了孩t量合金元素的Fe-Ga 基合金相比，本發(fā)明的Fe-Ga-Al基合金材料中其它元素的添加，使它具 有更加良好的塑性，提高了延展率，還改善了抗氧化性。例如有以下益 處
(1) 具有良好的塑性，使得在制備過程中可以使用熱鍛，以打碎鑄 態(tài)組織、調(diào)整鑄錠尺寸，以適應(yīng)后續(xù)的熱軋及冷軋；
(2) 良好的塑性使得在制備過程中可以使用冷軋，省去了約400。C 左右的中溫溫軋的步驟；(3 )良好的塑性使得在軋制過程中可以省去反復(fù)退火的步驟； (4)具有良好的抗氧化性，使得在軋制過程中可以省去包鞘的步驟。 以上這些益處都使得本發(fā)明所采用的軋制方法高效、節(jié)能、簡(jiǎn)便，
操作性強(qiáng)，所獲得的材料的一致性好，大大降低了生產(chǎn)成本，有利于推
廣應(yīng)用。
采用本發(fā)明所述的方法得到的合金薄板板形規(guī)整，薄片具有良好的韌性。
采用本發(fā)明方法所獲得的軋制薄板材料，沿軋向具有高的磁致伸縮 性能。磁致伸縮系數(shù)(3/2)、可達(dá)到200ppm以上。
采用本發(fā)明軋制方法所獲得的薄片狀磁致伸縮材料能滿足器件對(duì)合 金材料形狀的特殊要求，有利于器件的開發(fā)設(shè)計(jì)；因其薄片狀而有效地 抑制了渦流損耗，可以在中、高頻換能器及超聲換能器中使用，提高換 能器的換能效率。本發(fā)明所獲得的材料也可以在驅(qū)動(dòng)、傳感等領(lǐng)域使用。


圖1為由本發(fā)明方法制備的兩種鑄態(tài)合金與現(xiàn)有的鑄態(tài)合金材料在 室溫下的拉伸力學(xué)性能的對(duì)比，其中1#代表現(xiàn)有的Fes3Gan鑄態(tài)合金， 2#和3#分別代表本發(fā)明的FesoGamAlLsCr^p Fe^Ga^AluZragSno.s兩種 鑄態(tài)合金材料，4#和5#代表的是文獻(xiàn)中提到的Fe84.15Ga14.85NbC和 Fe,Ga18.6B。.5兩種鑄態(tài)合金；
圖2 (a)和2 (b)分別是表征了本發(fā)明實(shí)施例的薄片狀磁致伸縮材 ^F的^f茲致伸縮性能的在軋制方向上的X〃-H和、-H函lt曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一 步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮合金材料具有較高的磁致伸縮 性能，其成分(原子分?jǐn)?shù))的化學(xué)式為 Fe^國(guó)y-zGaxAlyMz，其中x=0.10~0.30, y=0.01~0.10, z=0.001 ~ 0.05,優(yōu)選x=0.15 ~ 0.25, y=0.01 ~ 0.015, z=0.01 ~0.03;
M選自V、 Cr、 Zr、 Sb、 Sn、 Ti、 SiC等中的一種或多種， 其中添加Al和M所代表的元素的目的在于使得合金具有良好的力學(xué) 性能，使得合金可以進(jìn)行鍛造；使得合金在室溫下具有良好的延展性以 保證冷軋時(shí)不會(huì)開裂；使得合金在軋制時(shí)能夠獲得晶體學(xué)取向；使得合 金具有良好的抗氧化性從而在軋制時(shí)可以省去包鞘的步驟；使得合金在 熱處理后具有高的磁致伸縮性能。
在配料過程中，加入燒損量的目的是為了保證經(jīng)過高溫處理后達(dá)到 預(yù)定的配比成分；冶煉的目的是為了獲得成分均勻的合金；冶煉時(shí)充入 保護(hù)氣體的目的是為了保證合金不被氧化、以及防止合金元素?fù)]發(fā)；鍛
造的目的是為了減少軋制過程的加工量及調(diào)整材料的尺寸，以適應(yīng)軋制 的要求；軋制的目的是為了獲取薄片材料；熱處理的目的是為了獲得良 好磁致伸縮性能。
實(shí)施例1:用軋制法制備Fe8。Ga^AlL5Cr2薄片狀磁致伸縮合金材料
用電子天平稱取設(shè)計(jì)所需的原料，其中使用純度大于99.5%的鐵源，
并多加3。/。的Ga燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真
空到5xl0-spa后充氬氣到0.5MPa,以保護(hù)原料不被氧化，開始冶煉，待
完全熔化后可精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成合金錠；
將鑄態(tài)合金錠在900。C鍛造成厚度為6.5mm的長(zhǎng)方形坯料，變形量
約為70%;
將鍛坯在950。C熱軋，變形量約為80%?？刂菩巫兯俾屎偷来伍g隔時(shí) 間，軋制至厚度為1.3mm;
將熱軋坯在室溫下20道次的冷軋，變形量約為80%，最后軋至 0.26mm。
將軋態(tài)合金在1200 °C保溫4小時(shí)，水冷到室溫。 最終所獲得的薄片材料沿軋向的最大磁致伸縮系數(shù)(3/2)Xs達(dá)到 241ppm。如圖2(a)和圖2 (b)所示分別為Fe8oGa^AlL5Cr2薄片狀磁致伸縮 材料的X〃和？ii函數(shù)曲線圖，其中顯示出，當(dāng)磁場(chǎng)方向平行于軋向時(shí)，磁 場(chǎng)約為300Oe，磁致伸縮就達(dá)到了約184ppm;當(dāng)磁場(chǎng)方向垂直軋向時(shí)， 飽和磁場(chǎng)約為600Oe，飽和;茲致伸縮值約為-57ppm。
實(shí)施例2:用軋制法制備Fe^Ga^5AluZra9Sn。.5薄片狀磁致伸縮合金材料 稱取所需的原料，其中使用純度大于99.5%的鐵源，并多力口 2%的
Ga燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真空到5xl(T3Pa
后充氬氣到0.5MPa以保護(hù)原料不被氧化，進(jìn)行冶煉并澆鑄成合金錠； 將鑄態(tài)合金錠在950。C鍛造成厚度為6.2mm的長(zhǎng)方形坯料，變形量
約為65%;
將鍛坯在950。C熱軋，變形量約為75%?？刂菩巫兯俾屎偷来伍g隔時(shí) 間，軋制至厚度為1.6mm;
將熱軋坯在室溫下15道次的冷軋，變形量約為70%,最后軋至 0.48匪；
將軋態(tài)合金在120(TC保溫4小時(shí)，水冷到室溫。 最終所獲得的材料的磁致伸縮系數(shù)(3/2)Xs達(dá)到223ppm 。 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2所得的兩種鑄態(tài)合金 Fe80Gai6.5Ah.5Cr2和Fe^Ga^.sAluZroASno.s與現(xiàn)有的鑄態(tài)合金Fe83Ga17、 Fe84.15Ga14.85NbC和Fe,Ga^.6Bo.5在室溫下的拉伸力學(xué)性能的對(duì)比，圖中 顯示出，本發(fā)明的這兩種合金的塑性有了較大的提高，為后續(xù)的軋制打 下了良好的基礎(chǔ)。
實(shí)施例3:用軋制法制備Fe79.8GanAlL2VL5Sbo,5薄片狀磁致伸縮合金材料 稱取所需的原料，其中使用純度大于99.5%的鐵源，并多加4%的
Ga燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真空到5xlO—3Pa
后充氬氣到0.5MPa以保護(hù)原料不被氧化，進(jìn)行冶煉并澆鑄成合金錠； 將鑄態(tài)合金錠在1000。C鍛造成厚度為5.6mm的長(zhǎng)方形坯料，變形量
約為70%;將鍛坯在100(TC熱軋，變形量約為70%?？刂菩巫兯俾屎偷来伍g隔 時(shí)間，軋制至厚度為1.7mm;
將熱軋坯在室溫下18道次的冷軋，變形量約為80%,最后軋至0.34
mm;
將軋態(tài)合金在1150。C保溫6小時(shí)，水冷到室溫。 最終所獲得的材料的磁致伸縮系數(shù)(3/2)人s達(dá)到215ppm。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要軋制出所需厚度的薄 片狀磁致伸縮合金材料。
權(quán)利要求
1、一種制備Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮材料的方法，其特征在于，所述方法使用的原料成分(原子分?jǐn)?shù))的通式為Fe1-x-y-zGaxAlyMz，其中，x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.10，z＝0.001～0.05；M選自V、Cr、Zr、Sb、Sn、Ti、SiC中的一種或多種。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， x=0.15~0.25, y=0.01 ~ 0.015, z=0.01~0.03。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)按照所述原料成分的比例配料并加入lat% ~ 5at。/。的Ga燒損量；(2 )將該配料進(jìn)行冶煉，并澆鑄成合金錠；(3 )將鑄態(tài)合金錠在850°C ~ 1100。C的溫度下進(jìn)行鍛造，鍛造的變 形量為10%~90%;(4) 將鍛造后的合金在900°C ~ IIO(TC的溫度下進(jìn)行熱軋，熱軋的 變形量為50%~90%;(5) 將熱軋后的合金在室溫下進(jìn)行冷軋，冷軋變形量為60%~90%, 進(jìn)行道次數(shù)為10-30;(6 )將冷軋后的合金在1000°C ~ 1300。C的溫度下保溫1 ~ 24小時(shí)， 然后冷卻到室溫。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在所述鍛造步驟中， 進(jìn)行鍛造的溫度為900°C ~ 1000°C,鍛造的變形量為60%~ 80%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于進(jìn)行熱軋的溫度為 950°C ~ 1000°C,熱軋的變形量為60%~80%;在所述冷軋步驟中，進(jìn)行 道次數(shù)為15~20,變形量為70%~85%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于進(jìn)行熱軋的溫度為 950°C~ 1000°C,熱軋的變形量為60%~80%;在所述冷軋步驟中，進(jìn)行 道次數(shù)為15 ~ 20,變形量為70% ~ 85%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述保溫溫度為 1100°C ~ 1200°C，保溫的時(shí)間為4 6小時(shí)，冷卻的方式為水淬。
8、 利用權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法獲得的Fe-Ga-Al基薄片狀 》茲致伸縮材津牛。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮材料，其特征 在于其厚度為0.03mm ~ 0.95mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種制備Fe-Ga-Al基原料制備Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮材料的方法，以及由該方法所制得的Fe-Ga-Al基薄片狀磁致伸縮材料。所使用的Fe-Ga-Al基原料成分(原子分?jǐn)?shù))為Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.10，z＝0.001～0.05，M選自V、Cr、Zr、Sb、Sn、Ti、SiC等中的一種或多種。
文檔編號(hào)C22C38/06GK101654759SQ20081013551
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者張茂才, 潔 朱, 李紀(jì)恒, 董麗娜, 高學(xué)緒 申請(qǐng)人:北京麥格東方材料技術(shù)有限公司