強磁場對稀土-鐵基超磁致伸縮材料組織和磁致伸縮性能的影響.pdf

1、磁致伸縮材料的主要功能是實現(xiàn)電信號和機械信號之間的轉(zhuǎn)換。稀土巨磁致伸縮材料TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金自上世紀70年代問世以來，最先應(yīng)用于軍事方面的聲納裝置。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金在民用工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷取得拓展，這種材料在聲納系統(tǒng)、水聲換能器、電聲換能器等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金都具有典型的立方Laves相

2、MgCu2型結(jié)構(gòu)，沿不同晶體學方向的磁致伸縮性能有很大區(qū)別。它們的易磁化軸為<111>方向，當合金的磁致伸縮沒有達到飽和時，相同加載磁場條件下沿易磁化軸方向上的磁致伸縮系數(shù)要遠大于其他方向。通過定向凝固制備手段一般只能夠獲得<110>和<112>方向的取向材料，運用籽晶技術(shù)可以獲得<111>取向的棒材，但合金中出現(xiàn)大量的魏氏組織和RFe3相（R為稀土元素），使得材料的脆性大大增加從而無法使用。因此，尋求一種新的方法制備出沿晶體易磁化軸<

3、111>方向取向的R-Fe合金，是符合磁致伸縮材料的發(fā)展方向和工業(yè)需要的。
　　強磁場技術(shù)的快速發(fā)展使磁場的作用范圍擴展到整個材料領(lǐng)域，給材料科學的發(fā)展帶來了前所未有的機遇，尤其是在金屬材料的熱處理和凝固過程中通過施加強磁場旋轉(zhuǎn)磁疇從而獲得有取向的組織已經(jīng)變?yōu)榭赡堋１菊n題對TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金在不同強磁場工藝下的晶體取向變化和磁致伸縮行為進行了研究，分析了兩者之間的關(guān)系。具體的研究內(nèi)容和取得的主要結(jié)

4、果包括:
　　(1)研究了強磁場熱處理對TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金磁致伸縮性能的影響。發(fā)現(xiàn)強磁場并沒有改變合金的取向和相組成，但兩種合金沿<113>方向的取向度都有所增加。二元TbFe2合金的磁致伸縮性能在強磁場熱處理之后有一定提高，而三元Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的磁致伸縮性能經(jīng)過強磁場熱處理后沒有明顯的提高。
　　(2)研究了強磁場對TbFe2合金半固態(tài)等溫處理過程的影響。在8.8

5、 T強磁場作用下以1.5℃/min緩慢凝固時，合金在平行磁場方向沿易磁化軸<111>取向，相應(yīng)的磁致伸縮性能也有顯著提升。無壓應(yīng)力下的磁致伸縮系數(shù)較母合金提高了34％，15 MPa壓應(yīng)力下的磁致伸縮顯示了明顯的“跳躍”效應(yīng)。不同磁場強度下樣品的組織形貌差別較小，但隨著磁場強度的升高，當磁場強度達到11.5 T時，樣品在8.8 T產(chǎn)生的<111>織構(gòu)向<110>織構(gòu)轉(zhuǎn)化，樣品的磁致伸縮系數(shù)也隨之發(fā)生改變。
　　(3)在TbFe2合金

6、的凝固過程中施加了強磁場，考察了在不同凝固速率下強磁場對TbFe2合金晶體取向、相排列、磁各向異性以及磁致伸縮性能的影響。實驗表明，當凝固速率為1.5℃/min時，強磁場對樣品的晶體取向有很大影響，從0T磁場增加到4.4 T磁場，晶體的擇優(yōu)取向經(jīng)歷了<113>-<110>-<111>的轉(zhuǎn)變。重熔后TbFe3相在基體表面析出，這也是由于重熔過程中稀土元素揮發(fā)引起的。強磁場使樣品的金相中基體相TbFe2和析出相TbFe3都出現(xiàn)了明顯的組織排

7、列，并且隨著磁場強度的增強，這種組織排列現(xiàn)象更加明顯。強磁場緩慢凝固后合金的磁致伸縮系數(shù)也顯著提高，4.4 T樣品的飽和磁致伸縮系數(shù)比0T增加了24％，并且隨著凝固過程中磁場強度的增加，樣品的“跳躍效應(yīng)”愈發(fā)明顯。當強磁場以60℃/min的凝固速率快速凝固后，TbFe2樣品的擇優(yōu)取向沒有發(fā)生改變，但最強峰(113)所對應(yīng)的晶向<113>的取向度隨著凝固過程中磁場強度的增加而升高?？焖倌痰臉悠冯S著凝固過程中磁場強度的增加，磁致伸縮系數(shù)也

8、有所升高，但沒有凝固速率為1.5℃/min時的強磁場凝固效果明顯。
　　(4)在不同冷卻速率下巨磁致伸縮材料Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的凝固過程中施加了不同磁場強度的磁場。從Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的晶體取向、微觀形貌以及磁致伸縮性能等方面考察了磁場的作用效果。合金以不同冷卻速率凝固后，微觀組織中都出現(xiàn)了(Tb，Dy)Fe3相，1.5℃/min速率下緩慢凝固后在2.2 T和4.4T樣品中平行磁場方向出

9、現(xiàn)了清晰的組織排列。當凝固速率為1.5℃/min時，隨著磁場強度的升高，晶體取向經(jīng)歷了<113>-<110>-<111>的變化，并且VSM測試結(jié)果也證明了施加強磁場的樣品產(chǎn)生了明顯的磁各向異性，沿磁場方向樣品更易磁化;當凝固速率為5℃/min時，強度低于2.2 T的磁場沒有改變凝固后樣品的取向，當磁場大于4.4 T時，樣品才沿易磁化軸<111>方向取向;以60℃/min的凝固速率快速凝固后，強磁場下合金樣品的取向無變化。也就是說強磁場緩

10、慢凝固(凝固速率為1.5℃/min和5℃/min)后合金的磁致伸縮系數(shù)均顯著提高，而快速凝固(凝固速率為60℃/min)后合金的磁致伸縮性能無明顯變化。
　　(5)以上的實驗表明，強磁場可以誘導晶體在平行于磁場方向沿易磁化軸取向，并使晶粒沿磁場方向生長。沿易磁化軸<111>方向平行于磁場方向旋轉(zhuǎn)取向?qū)⒔档腕w系自由能，所以就這樣產(chǎn)生了易磁化軸<111>方向的織構(gòu)。只有促進旋轉(zhuǎn)取向的磁矩大于阻礙旋轉(zhuǎn)取向的粘性阻力矩和洛侖茲力矩，強磁場