Fe-Ga合金的研究

磁致伸缩材料Fe-Ga合金的研究摘要：采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法制备了过冷度分别为100K、147K和276K的Fe83Ga17合金，对不同过冷度的Fe83Ga17合金进行定向激发以获得具有轴向择优取向的棒材。利用金相显微镜和X射线衍射分析技术研究了定向激发Fe83Ga17合金在不同过冷度条件下的显微组织和择优取向。结果发现：过冷度为100K的合金其凝固组织为细小的粒状晶或准球状晶，过冷度为276K的合金，晶粒尺寸增大，形态上表现为等轴晶，晶粒内部存在大量亚晶界，过冷度增加至300K的合金经定向激发后晶粒进一步粗化，晶粒呈一定的取向沿轴向方向排列。X射线衍射分析表明深过冷Fe83Ga17合金经过定向激发后其凝固组织具有明显的〈110〉择优取向，其中过冷度为147K的合金定向激发后出现有利于磁致伸缩性能的〈100〉取向。关键字：Fe-Ga合金磁致伸缩材料深过冷定向凝固Abstract:ByusingglassfluxingcombinedwithsuperheatingcyclingmethodtoprepareFe83Ga17alloywiththeundercoolingof100K,147Kand276Krespectively.Makeeachkindofalloydirectionalsolidificationinordertogettheaxialpreferredorientation.ThemicrostructureandpreferredorientationofFe83Ga17alloyswithdifferentundercoolingarestudiedbyopticalmicroscopeandX-Raydiffractionanalysistechnology.TheresultsfoundthatthesolidificationorganizationofFe83Ga17alloywithundercoolingof100Kistinygranularcrystaiorquasiballcrystal.Forundercoolingof276K,grainsizeincreased,therearemoresubgrainboundaryinthegrain.Whentheundercoolingincreaseto300K,thegrainsizemoreincreasingandthegraindistributesalongtheaxialwithcertainorientation.X-raydiffractionanalysisshowsthatthesolidificationorganizationofdeepsupercoolingFe83Ga17alloyafterdirectionalsolidificationhasobvious110preferredorientation.Thealloywiththeundercoolingof147Khas100orientationinwhichthemagneticiseasyobtained.Keywords:Fe83Ga17alloy;magnetostrictivematerial;undercooling;rapiddirectionalsolidification;1、研究磁致伸缩材料的背景：磁致伸缩材料是一种具备磁致伸缩特性的材料，通常是可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等磁性材料的统称。工程上利用这一特性将电能转换成机械能或将机械能转换成电能。传统的磁致伸缩材料如Fe和Ni其力学性能较好，但磁致伸缩系数较低，稀土磁致伸缩材料如Terfenol-D提供了较大的磁致伸缩应变，但力学性能较差，限制了其应用领域。而Fe-Ga合金由于其优良的力学性能和磁致伸缩性能，引起了人们极大地关注[1]。Clark等人[2]发现Fe-Ga合金的磁致伸缩性能具有强烈的晶体各向异性，不同取向的磁致伸缩性能相差很大，其中沿〈001〉方向磁致伸缩性能最好，其单晶的磁致伸缩应变是纯铁的10倍以上，可以达到300ppm。然而单晶的制备方法较为复杂，生产成本较高，一些学者利用取向多晶代替单晶材料。韩志勇[3]等人采用定向凝固的方法制备了〈110〉轴向取向的Fe-Ga合金，在20MPa预压力下，其磁致伸缩达到280ppm。可见，良好的取向是Fe-Ga合金获得大磁致伸缩的必要条件。常用的快速凝固方法如单辊法和甩带法虽然使Fe-Ga合金获得了良好的取向，但是所得到的Fe-Ga合金薄带的厚度一般都在1mm以下，极大地限制了Fe-Ga合金的实际应用范围。因此就有必要寻找一种方法来制备具有良好取向的大体积Fe-Ga合金。深过冷定向激发Fe-Ga合金很好地解决了这个问题，它是深过冷快速凝固技术与定向凝固技术的有机结合，凝固过程中将动力学过冷与热力学过冷相结合，在非平衡凝固条件下获得良好的取向。周建坤[4]等人对200K过冷度的Fe81Ga19合金做定向激发，制备了具有大磁致伸缩应变的Fe-Ga合金棒材。然而，对于不同过冷度下定向激发Fe-Ga合金的研究还尚未见报道，因此，本文采用深过冷定向激发Fe-Ga合金熔体的方法，对三种不同过冷度的Fe83Ga17合金定向激发使其生长，研究其快速凝固组织的演变过程。2、磁致伸缩的基本原理：磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动，或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。3、实验方法：3.1目的：提高磁致伸缩系数。3.2影响Fe-Ga合金磁致伸缩性能的因素：合金的成分配比；择优取向。3.3Fe83Ga17合金的深过冷处理：利用SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2CO3、K2CO3以及硼酸钠和B2O3按不同的比例制成a、b、c三种玻璃净化剂(见表1)。表1不同玻璃净化剂的成分组成（单位：g）Table1.Thecompositionofdifferentdenucleatingglasses玻璃剂编号SiO2Al2O3CaOMgONa2CO3K2CO3B2O3Na2BO3a10.61.24.40.43.82.22.02.8b15.20.61.60.62.01.06.611.4c18.60.40.40.41.21.29.612.83.4玻璃剂的制备方法：方案一：制备得到的Fe-Ga深过冷净化剂的重量百分比:二氧化硅40%,氧化铝4%,氧化钙16%，氧化镁1%，氧化硼7%，硼酸钠10%，Na2CO314%和K2CO38%。制备过程:步骤一，取10.6g二氧化硅，1.2g氧化铝，4.4g氧化钙，0.4g氧化镁，2.2gK2CO3和3.8Na2CO3粉末，搅拌均匀，在800K下熔融8小时，然后将产物研磨成粉末;将粉末在450K下保温4小时除水。步骤二，取2.0g氧化硼和2.8g硼酸钠与步骤一最后得到的粉末混合，得净化剂。使用前，在450K下保温2小时除水;使用时，将若干Fe-Ga合金金属小块共计15.0g，放入石英坩埚中，并用玻璃净化剂完全包覆进行熔炼;在合金熔点以上进行过热保温2分钟，然后降温凝固，如此进行“凝固一重熔一过热”循环。该净化剂可使熔体在每次降温过程中稳定获得超过200K的深过冷;在降温过程中可以在200K以下的过冷度下实施快速凝固，获得表面光亮的块体Fe-Ga合金。方案二：制备得到的Fe-Ga深过冷净化剂的重量百分比:二氧化硅40%，氧化铝1%,氧化钙4%，氧化镁1%，氧化硼17%，硼酸钠30%，Na2CO35%和K2CO32%。制备过程:步骤一，取15.2g二氧化硅，0.6g氧化铝，1.6g氧化钙，0.6g氧化镁，1.0gK2CO3和2.0Na2CO3粉末，搅拌均匀，在800K下熔融8小时，然后将产物研磨成粉末;将粉末在450K下保温4小时除水;步骤二，取6.6g氧化硼和11.4g硼酸钠与步骤一最后得到的粉末混合，得净化剂。使用前，在450K下保温2小时除水;使用时，将若干Fe-Ga合金金属小块共计15.0g，放入石英坩埚中，并用玻璃净化剂完全包覆进行熔炼;在合金熔点以上200K进行过热保温2分钟，然后降温凝固，如此进行“凝固一重熔一过热”循环。该净化剂可使熔体在每次降温过程中稳定获得超过200K的深过冷;在降温过程中可以在200K以下的过冷度下实施快速凝固，获得表面光亮的块体Fe-Ga合金。方案三：制备得到的Fe-Ga深过冷净化剂的重量百分比:二氧化硅40%，氧化铝1%,氧化钙1%，氧化镁1%,氧化硼20%，硼酸钠27%，Na2CO35%和K2CO35%。制备过程:步骤一，取18.6g二氧化硅，o.4g氧化铝，o.4g氧化钙，0.4g氧化镁，，1.2gK2CO3和1.2Na2CO3粉末搅拌均匀，在800K下熔融8小时，然后将产物研磨成粉末;将粉末在450K下保温4小时除水。步骤二，取9.6g氧化硼和12.8g硼酸钠与步骤一最后得到的粉末混合，得净化剂。使用前，在450K下保温2小时除水;使用时，将若干Fe-Ga合金金属小块共计15.0g，放入石英坩埚中，并用玻璃净化剂完全包覆进行熔炼;在合金熔点以上200K进行过热保温2分钟，然后降温凝固，如此进行“凝固一重熔一过热”循环。该净化剂可使熔体在每次降温过程中稳定获得超过200K的深过冷;在降温过程中可以在200K以下的过冷度下实施快速凝固，获得表面光亮的块体Fe-Ga合金。3.5Fe-Ga合金锭的制作：将高纯度的Fe和Ga原材料按Fe83Ga17的成分配比配料，考虑到Ga的挥发，按5%的烧损量加入。为了使合金的净化彻底，母合金的质量为15g（Fe：11.94gGa:3.06g）。在氩气保护下采用真空电弧熔炼将配好的料反复熔炼3次，制得Fe83Ga17母合金。图1.1深过冷Fe83Ga17合金锭的外观照片李建国等分别利用B2O3、90%NaSiCa+10%B2O3以及70%Na-Si-Ca-Al-B+30%Na2B7O4三种净化剂对Fe-Ga进行深过冷处理，发现70%Na-Si-Ca-Al-B+30%Na2B7O4能够使Fe-Ga合金稳定获得200K左右的过冷度，并且在文献中对该净化剂进行了系统地阐述。本课题借鉴文献中的玻璃净化剂方案，将其中的Na2O和K2O分别用Na2CO3以及K2CO3代替之，按照表1.1所示的配比均匀混合后用箱式电阻炉在800K下保温8小时后研磨成粉末，然后分别与一定成分的B2O3以及Na2B7O4混合均匀后使用。将此玻璃剂覆盖于母合金的表面，在氧化铝坩埚中经过真空感应熔炼，对母合金进行净化处理。熔炼过程中经过三次过热—冷却循环，过热度为200K。净化以后得到的合金锭外观如图1.1所示。由图可见净化处理后，合金锭表面具有明亮的金属光泽，无玻璃粘结现象。3.6Fe83Ga17合金在深过冷处理过程中的温度变化：图1.2深过冷Fe83Ga17合金的典型冷却曲线表1.1不同玻璃剂净化时所得到的TL、TR、TN、ΔT以及ΔTsh（单位：K）试样编号TLTNTRΔTΔTsh115031403148310020021503135614081472003150312271321276200利用红外测温仪监测并记录Fe83Ga17合金在深过冷处理过程中的温度变化，绘制出其冷却曲线，如图1.2所示。图中，TL、TR以及TN分别为合金的熔点、再辉温度以及实际形核温度，ΔT为过冷度，而ΔTsh为合金的过热度。从图中我们可以看到在净化过程中发生了再辉现象。再辉是过冷熔体在凝固过程中，由于潜热的急剧释放使系统的温度急剧上升并伴随亮度增加的现象。利用三种不同的玻璃净化剂对合金做净化处理时，监测到的TL、TR、TN、ΔT以及ΔTsh的值如表1.1所示。由表1.1可以看出，三种不同成分的玻璃剂使Fe83Ga17合金分别获得了100K、147K和276K的过冷度。4、深过冷熔体定向激发快速凝固将获得