專利名稱：：綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及合金的制備方法，尤其涉及一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法。
背景技術(shù)：
：磁致伸縮材料具有電磁能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換功能，是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，廣泛應(yīng)用在聲納的水聲換能器技術(shù)、電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)等領(lǐng)域。Fe-Ga合金是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型的磁致伸縮材料，它的飽和磁場很低，僅為目前市場上常見的稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D合金的1/10，磁場靈敏度較高；其次該合金脆性小，抗拉強(qiáng)度高，加工性能好，可以制成板材、帶材以及絲材等，適用于多種器件結(jié)構(gòu)；除此以外，該合金還有高的磁導(dǎo)率，很好的溫度特性，能在很寬的溫度范圍內(nèi)使用。因此，F(xiàn)e-Ga合金在超聲領(lǐng)域和微位移器等方面有巨大的潛在應(yīng)用價值，引起了人們的廣泛關(guān)注，但其磁致伸縮性能還相對較低。同時為了降低Fe-Ga合金在高頻段使用所產(chǎn)生的渦流損耗，提高合金的電阻率也是急需解決的問題之一。前期研究結(jié)果表明在低Ga原子含量的FekGax合金中(x<25),室溫可能存在的相有體心立方結(jié)構(gòu)的A2、D03和B2相，面心立方的Lh相。無序的A2相具有最大的磁致伸縮值，其中Ga原子以原子對的形式存在于體心立方晶格中，形成一種類D03結(jié)構(gòu)，這種特殊的相結(jié)構(gòu)可以降低合金的剪切彈性模量，從而提高磁致伸縮。Fe-Ga合金的磁致伸縮與Ga原子在晶格中的排列方式密切相關(guān)。由于熱處理工藝參數(shù)包括熱處理溫度、保溫時間及冷卻速率都可以影響到Ga原子在晶格中的遷移和擴(kuò)散，因此Fe-Ga的磁致伸縮對熱處理制度比較敏感，特別是當(dāng)Ga原子在晶格中的固溶度達(dá)到過飽和時(x>17)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為Fe-Ga合金通過從高溫(》600°C)水淬到室溫可以獲得無序體心立方A2相，其中Ga原子以團(tuán)簇的形式存在，具有最大的磁致伸縮。Fe-Ga合金的平衡相圖和亞穩(wěn)相圖都只確定的給出了合金在30(TC以上的相組成，當(dāng)溫度低于30(TC，相組成隨熱處理制度不同而不同。我們的研究工作發(fā)現(xiàn)，如果把Fe-Ga合金從高溫A2單相區(qū)以低于1°C/min的冷卻速率爐冷至低溫(100300°C)，中間會伴隨著Lh相先從A2單相中析出之后再溶解的過程，低溫時Ll2相完全溶解，獲得另外一種單一的體心立方結(jié)構(gòu)相，通過水淬處理，這種體心立方結(jié)構(gòu)相可以保存到室溫。由于Ll2相的析出溶解過程優(yōu)化了合金中Ga原子的排列，使得此方法獲得的體心立方結(jié)構(gòu)相與高溫水淬獲得的A2相相比，不僅具有更大的磁致伸縮，電阻率也有明顯的提高，更適合在高頻段使用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法。包括如下步驟1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt。/。的Fe和Ga為原料，按用量比例稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5x10—22xl0—3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fe-Ga合金鑄錠。Fe-Ga合金鑄錠的成分及原子百分比為Fe:85-75%;Ga:15-25%;2)成分均勻化，將熔煉好的Fe-Ga合金鑄錠在1000120(TC進(jìn)行24168h長時間保溫使其成分均勻化，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻化后的Fe-Ga合金鑄錠真空封裝后加熱到6001000。C并保溫0.55h后，以0.10.9'C/min的爐冷速率下冷卻到100300°C，保溫O.l-lOh后再水淬到室溫。所述的進(jìn)行多級熱處理是先把均勻化后的Fe-Ga合金鑄錠加熱到6001000t:并保溫0.5-5h后，以0.10.9°C/min的爐冷速率冷卻到100300°C，再次保溫0.110h后水淬到室溫。綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮Fe-Ga合金在室溫下為單一的體心立方結(jié)構(gòu)相。本發(fā)明均勻化后的Fe-Ga合金鑄錠在多級熱處理爐冷降溫過程中經(jīng)歷了Ll2相從A2單相中析出再溶解的過程，在10030(TC重新得到一種單一的體心立方結(jié)構(gòu)相，通過水淬，這種單一的體心立方結(jié)構(gòu)相可保存到室溫。含有這種單一的體心立方結(jié)構(gòu)相的Fe-Ga合金沿磁場方向的飽和磁致伸縮大于100ppm，電阻率在70100uQcm之間。本發(fā)明制備的Fe-Ga合金鑄錠為Fe-Ga多晶合金，與傳統(tǒng)的通過高溫(》60(TC)水淬方法制備Fe-Ga多晶合金相比具有的有益效果通過多級熱處理獲得的Fe-Ga多晶合金的室溫磁致伸縮比高溫水淬方法制備的Fe-Ga多晶合金的磁致伸縮提高了至少1/3，并且沒有影響飽和磁化場、相對磁導(dǎo)率和使用溫度區(qū)間；電阻率有所上升，這對降低Fe-Ga合金在高頻段使用時產(chǎn)生的渦流損耗有重要意義。其次，多級熱處理如果應(yīng)用在相同成分的Fe-Ga合金單晶或取向多晶合金中，將使目前在Fe-Ga合金中獲得的最大磁致伸縮400ppm提高到至少530ppm，這將大大拓展磁致伸縮材料的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明中Fe-Ga合金鑄錠的多級熱處理制度同樣適用于相同成分范圍內(nèi)的Fe-Ga單晶或取向多晶合金。圖l(a)是Fe-Ga合金的平衡相圖；圖l(b)是Fe-Ga合金的亞穩(wěn)相圖2是FewGa^合金以0.45°C/min的冷卻速度從100(TC爐冷到300°C，在不同溫度下把樣品取出水淬的XRD圖譜，目的是觀察Fe81Ga19的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從中可以清楚看到Lh相從A2單相中析出再溶解的過程，在30(TC獲得一種單一的體心立方結(jié)構(gòu)相；圖3是Fe^Ga!9合金以0.45°C/min的冷卻速度從IOO(TC爐冷到300°C，保溫O.lh后水淬，F(xiàn)ewGa^合金在室溫下的磁致伸縮曲線。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例1:1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt。/。的Fe和Ga為原料，按原子百分比75:25稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5xl0_22xl0—3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fe75Ga25合金鑄錠。；2)成分均勻化，將熔煉好的Fe7sGa25合金鑄錠在IOO(TC進(jìn)行168h長時間保溫，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻化后的Fe75Ga25合金鑄錠真空封裝后加熱到IOO(TC，保溫3h，以0.9-C/min的爐冷速率冷卻到20(TC保溫3h，再水淬到室溫。表1:本方法制備的Fe75Ga25多晶合金與傳統(tǒng)方法(80(TC水淬)制備的Fe^Ga25多晶合金飽和磁致伸縮、相對磁導(dǎo)率，電阻率的測試結(jié)果對比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表可以看出，用本發(fā)明要求的方法制備的Fe75Ga25多晶合金與傳統(tǒng)方法相比，相對磁導(dǎo)率和使用溫度區(qū)間變化不大，但飽和磁致伸縮達(dá)到108ppm，是傳統(tǒng)方法的1.96倍，電阻率則提高了8.3%。因此，相比于傳統(tǒng)方法，該方法制備的Fe75Ga25多晶合金更能滿足使用要求。實(shí)施例2:1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt。/。的Fe和Ga為原料，按原子百分比81:19稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5x10—22xlO_3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fe^Ga^合金鑄錠；2)成分均勻化，將熔煉好的Fe^Gaw合金鑄錠在100(TC進(jìn)行24h長時間保溫，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻化后的Fe^Gaw合金鑄錠真空封裝后加熱到IOO(TC，保溫0.5h，以0.45'C/min的爐冷速率冷卻到30(TC保溫0.1h，再水淬到室溫。表2:本方法制備的FewGaw多晶合金與傳統(tǒng)方法(80(TC水淬)制備的Fe81Ga19多晶合金飽和磁致伸縮、相對磁導(dǎo)率，電阻率的測試結(jié)果對比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由表可以看出，用本發(fā)明要求的方法制備的FewG&9多晶合金與傳統(tǒng)方法相比，相對磁導(dǎo)率和使用溫度區(qū)間變化不大，但飽和磁致伸縮和電阻率分別提高47%和11.7%。因此，相比于傳統(tǒng)方法，該方法制備的Fe^Ga^多晶合金更能滿足使用要求。實(shí)施例3:1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt。/。的Fe和Ga為原料，按原子百分比81:19稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5x10—22"0—3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fe^Gai9合金鑄錠；2)成分均勻化，將熔煉好的FewGaw合金鑄錠在IIO(TC進(jìn)行72h長時間保溫，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻化后的F^Gaw合金鑄錠真空封裝后加熱到80(TC，保溫5h，以0.17"C/min的爐冷速率冷卻到10(TC保溫6h，再水淬到室溫。表3:本方法制備的Fe81Ga19多晶合金與傳統(tǒng)方法(80(TC水淬)制備的FewGaw多晶合金飽和磁致伸縮、相對磁導(dǎo)率，電阻率的測試結(jié)果對比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表可以看出，用本發(fā)明要求的方法制備的F^Ga,9多晶合金與傳統(tǒng)方法相比，在相對磁導(dǎo)率和使用溫度區(qū)間變化不大的基礎(chǔ)上，飽和磁致伸縮和電阻率分別達(dá)到108ppm和卯)uQcm。因此，相比于傳統(tǒng)方法，該方法制備的Fe81Ga19多晶合金更能滿足使用要求。實(shí)施例4:1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt。/。的Fe和Ga為原料，按原子百分比85:15稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5x10—22xl0—3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fes5Ga,5合金鑄錠；2)成分均勻化，將熔煉好的Fe85Gai5合金鑄錠在1200'C進(jìn)行72h長時間保溫，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻化后的Fe85G^合金鑄錠真空封裝后加熱到60(TC，保溫3h，以0.rC/min的爐冷速率冷卻到20(TC保溫10h，再水淬到室溫。表4:本方法制備的Fe85Ga15多晶合金與傳統(tǒng)方法(80(TC水淬)制備的<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表可以看出，用本發(fā)明要求的方法制備的Fes5Gau多晶合金與傳統(tǒng)方法相比，相對磁導(dǎo)率和使用溫度區(qū)間變化不大，飽和磁致伸縮和電阻率分別達(dá)到105ppm和86iuQcm，分別增加了54.4°/。和9.3°/。。因此，相比于傳統(tǒng)方法，該方法制備的Fe85Ga15多晶合金更能滿足使用要求。權(quán)利要求1.一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)熔煉鑄棒，采用純度大于99.9wt％的Fe和Ga為原料，按用量比例稱量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5×10-2～2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，中頻感應(yīng)加熱熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑為12mm的棒狀Fe-Ga合金鑄錠，F(xiàn)e-Ga合金鑄錠的成分及原子百分比為Fe85-75％；Ga15-25％；2)成分均勻化，將熔煉好的Fe-Ga合金鑄錠在高溫1000～1200℃進(jìn)行24～168h保溫，隨爐冷；3)多級熱處理，將均勻后的Fe-Ga合金鑄錠真空封裝后進(jìn)行多級熱處理獲得綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮Fe-Ga合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法，其特征在于所述的進(jìn)行多級熱處理是先把均勻化后的Fe-Ga合金鑄錠加熱到6001000。C并保溫0.5-5h后，以0.10.9°C/min的爐冷速率冷卻到100300°C，再次保溫0.110h后水淬到室溫。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法，其特征在于所述的綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮Fe-Ga合金在室溫下為單一的體心立方結(jié)構(gòu)相。全文摘要本發(fā)明公開了一種綜合性能優(yōu)異的磁致伸縮合金的制備方法。其步驟為1)采用純度大于99.9wt％的Fe和Ga為原料通過高真空感應(yīng)熔煉獲得棒狀Fe-Ga合金鑄錠；2)為保證合金成分的均勻性，對Fe-Ga合金鑄錠進(jìn)行長時間高溫時效處理；3)把均勻化后的Fe-Ga合金鑄錠真空封裝后進(jìn)行多級熱處理。本發(fā)明工藝簡單，僅通過調(diào)整熱處理工藝，就可以在Fe-Ga合金的其他使用性能不受影響的基礎(chǔ)上，使磁致伸縮大幅度提高，電阻率也有所上升，且降低了制備成本，從而拓展了磁致伸縮材料的應(yīng)用領(lǐng)域。文檔編號C22C33/04GK101481767SQ20091009635公開日2009年7月15日申請日期2009年2月23日優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日發(fā)明者密嚴(yán),何愛娜,張晶晶,馬天宇申請人:浙江大學(xué)