Tb-Dy-Fe巨磁致伸縮合金在靜磁場(chǎng)誘導(dǎo)下的定向凝固.pdf

1、磁致伸縮材料的主要功能是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。具有實(shí)用價(jià)值的巨磁致伸縮材料Tb-Dy-Fe自上世紀(jì)70年代問世以來(lái),最先用于軍事方面的聲納裝置。在上世紀(jì)90年代以來(lái),在民用工業(yè)領(lǐng)域的用途不斷取得拓展,到目前已形成5億美元以上并在不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)。 巨磁致伸縮材料的磁致伸縮性能具有各向異性,對(duì)于Tb<,0.3>Dy<,0.7>7Fe<,1.9>合金,晶體沿易磁化軸<111>取向可以獲得最佳的磁致伸縮性能。但是采用傳統(tǒng)的定向

2、凝固技術(shù)只能獲得<112>和<110>擇優(yōu)取向。運(yùn)用籽晶技術(shù)在提拉法中可以獲得<111>取向,但這種方法工藝較復(fù)雜,并且成分沿棒的軸向不一致。因而尋找一種有工業(yè)價(jià)值的方法制備沿軸向<111>取向的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金是有意義的。 近20來(lái)年的研究表明,磁性材料在磁場(chǎng)中凝固可以直接制備沿易磁化軸或難磁化軸取向的晶體。在磁場(chǎng)中取向的機(jī)理與傳統(tǒng)定向凝固中晶體取向生長(zhǎng)的機(jī)理完全不同,在傳統(tǒng)的定向凝固中,熱

3、流沿著單一方向?qū)С?沿著熱流方向形核晶粒經(jīng)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)后在液固界面以最小界面能的晶面不斷向液相延伸,界面的過(guò)冷因素最終修正定向生長(zhǎng)的晶體取向。而在磁場(chǎng)中非定向傳熱的凝固,形核單晶晶粒的磁能與環(huán)境的無(wú)序擾動(dòng)能的對(duì)比決定晶體的取向,在液相占主體的固液相中環(huán)境的無(wú)序擾動(dòng)因素主要包括熱無(wú)序效應(yīng)和熔體的湍流。靜磁場(chǎng)的作用在于抑制熔體湍流的同時(shí)為形核單晶提供克服熔體粘性和熱無(wú)序效應(yīng)的平行于磁場(chǎng)方向的磁能,從而實(shí)現(xiàn)晶體在凝固過(guò)程的取向。對(duì)于有各向異性的磁

4、性材料,抗磁性材料能夠獲得沿難磁化軸取向的晶體組織,鐵磁性材料等則獲得沿易磁化軸取向的晶體組織。 由于設(shè)備方面的因素,對(duì)于高溫和遠(yuǎn)高于居里點(diǎn)的情況下,磁性材料在凝固中取向的基本條件還缺乏較為定量的研究和認(rèn)識(shí),因而該技術(shù)到目前還未能得到工業(yè)化運(yùn)用。 我們自制了簡(jiǎn)易的磁場(chǎng)裝置,該磁場(chǎng)裝置可以安置在超高溫度梯度定向凝固的真空容器中。當(dāng)熔體以較慢的冷卻速率凝固時(shí),磁場(chǎng)裝置可以提供140mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度。試驗(yàn)采用高頻加熱在140ro

5、T的靜磁場(chǎng)中,在較慢冷卻速率的樣品中,平行于磁場(chǎng)方向的織構(gòu)開始出現(xiàn)。對(duì)于巾16mm×18mm的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金,當(dāng)冷卻速率為0.8℃/min時(shí),在試樣的中部以平行于磁場(chǎng)的<111>取向的晶體組織為主,沿易軸取向的晶體組織約占70﹪.取向的晶體組織以平行于磁場(chǎng)方向的片狀的Laves相為主。晶粒粗大,粗大的晶粒有利于磁致伸縮性能。當(dāng)磁場(chǎng)為0時(shí),在同樣的冷卻速率下,晶體組織是非取向的。 在同為立方L

6、aves相ReFe系的磁致伸縮材料中,室溫狀態(tài)與Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金相比,TbFe<,2>和DyFe<,2>具有強(qiáng)的磁晶各向異性.在與Tb<,0.3>Dy><,0.7>Fe<,1.9>合金接近的凝固參數(shù)和磁場(chǎng)條件下,TbFe<,1.9>和DyFe<,1.9>合金同樣能獲得沿易磁化軸取向的晶體,其中TbFe<,1.9>以<111>為取向,DyFe<,1.9>以<100>為取向.Tb<,0.3>Dy<,0.7

7、>Fe<,1.9>和TbFe<,2>合金的磁晶各向異性常數(shù)K<,1>為負(fù),DyFe<,2>合金的磁晶各向異性常數(shù)K<,1>為正,因而他們的易磁化軸取向不同.但是在我們的試驗(yàn)中,TbFe<,2>和DyFe<,2>并未比室溫下磁晶各向異性接近軟磁的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金表現(xiàn)出更為優(yōu)異的順磁生長(zhǎng)特性,可能這與它們?cè)诟邷叵碌母飨虼呕省鱔的差別減少有關(guān)。 在試驗(yàn)中,對(duì)于影響晶體取向的其他因素也進(jìn)行了初步研究

8、.材料的成分被發(fā)現(xiàn)對(duì)晶體取向的影響較大,對(duì)于RFe<,x>合金,當(dāng)鐵含量趨于x≥2時(shí),液固相中將有過(guò)量的RFe<,3>相析出,其次,隨著鐵含量的增加,液固并存的兩相區(qū)的溫度區(qū)間大大減少,這樣在凝固時(shí)隨著溫度的降低,固相迅速增加、熔體的粘度上升很快因而不利于晶體取向。因此控制好RFe<,x>合金的材料成分有利于獲得良好的晶體取向。 在磁場(chǎng)中定向的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金在18.7MPa的壓應(yīng)力和6900

9、0e的磁場(chǎng)中的磁致伸縮系數(shù)可以達(dá)到1700ppm,這一數(shù)值要高于磁場(chǎng)預(yù)取向粉末冶金法制備的產(chǎn)品,低于籽晶法制備的單晶<111>取向的性能.可以預(yù)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用中,隨著取向度的增加和晶體質(zhì)量的改善,用這種技術(shù)可以制備更高磁致伸縮系數(shù)的Tb<,0.3>Dy<,0.7>Fe<,1.9>合金。 試驗(yàn)表明,降低熔體的冷卻速率,可以大大降低熔體的湍流程度,這意味著慢凝的熔體的湍流可以被較弱的靜磁場(chǎng)所抑制。在這里需指出的是熔體的湍流被抑制與熔體