強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(shí)現(xiàn)電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)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(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，最先應(yīng)用于軍事方面的聲納裝置。經(jīng)過(guò)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(xué)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(dāng)合金的磁致伸縮沒(méi)有達(dá)到飽和時(shí)，相同加載磁場(chǎng)條件下沿易磁化軸方向上的磁致伸縮系數(shù)要遠(yuǎn)大于其他方向。通過(guò)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(yùn)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(wú)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(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)的快速發(fā)展使磁場(chǎng)的作用范圍擴(kuò)展到整個(gè)材料領(lǐng)域，給材料科學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，尤其是在金屬材料的熱處理和凝固過(guò)程中通過(guò)施加強(qiáng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁疇從而獲得有取向的組織已經(jīng)變?yōu)榭赡?。本課題對(duì)TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金在不同強(qiáng)磁場(chǎng)工藝下的晶體取向變化和磁致伸縮行為進(jìn)行了研究，分析了兩者之間的關(guān)系。具體的研究?jī)?nèi)容和取得的主要結(jié)

4、果包括:
　　(1)研究了強(qiáng)磁場(chǎng)熱處理對(duì)TbFe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金磁致伸縮性能的影響。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)并沒(méi)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(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)熱處理后沒(méi)有明顯的提高。
　　(2)研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)TbFe2合金半固態(tài)等溫處理過(guò)程的影響。在8.8

5、 T強(qiáng)磁場(chǎng)作用下以1.5℃/min緩慢凝固時(shí)，合金在平行磁場(chǎng)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(wú)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(chǎng)強(qiáng)度下樣品的組織形貌差別較小，但隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的升高，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到11.5 T時(shí)，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(guò)程中施加了強(qiáng)磁場(chǎng)，考察了在不同凝固速率下強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)凝固速率為1.5℃/min時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)樣品的晶體取向有很大影響，從0T磁場(chǎng)增加到4.4 T磁場(chǎng)，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(guò)程中稀土元素?fù)]發(fā)引起的。強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，這種組織排列現(xiàn)象更加明顯。強(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，樣品的“跳躍效應(yīng)”愈發(fā)明顯。當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)以60℃/min的凝固速率快速凝固后，TbFe2樣品的擇優(yōu)取向沒(méi)有發(fā)生改變，但最強(qiáng)峰(113)所對(duì)應(yīng)的晶向<113>的取向度隨著凝固過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而升高?？焖倌痰臉悠冯S著凝固過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁致伸縮系數(shù)也

8、有所升高，但沒(méi)有凝固速率為1.5℃/min時(shí)的強(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)程中施加了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)。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(chǎng)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(chǎng)方向出

9、現(xiàn)了清晰的組織排列。當(dāng)凝固速率為1.5℃/min時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的升高，晶體取向經(jīng)歷了<113>-<110>-<111>的變化，并且VSM測(cè)試結(jié)果也證明了施加強(qiáng)磁場(chǎng)的樣品產(chǎn)生了明顯的磁各向異性，沿磁場(chǎng)方向樣品更易磁化;當(dāng)凝固速率為5℃/min時(shí)，強(qiáng)度低于2.2 T的磁場(chǎng)沒(méi)有改變凝固后樣品的取向，當(dāng)磁場(chǎng)大于4.4 T時(shí)，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(qiáng)磁場(chǎng)下合金樣品的取向無(wú)變化。也就是說(shuō)強(qiáng)磁場(chǎng)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(wú)明顯變化。
　　(5)以上的實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)磁場(chǎng)可以誘導(dǎo)晶體在平行于磁場(chǎng)方向沿易磁化軸取向，并使晶粒沿磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)。沿易磁化軸<111>方向平行于磁場(chǎng)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(jìn)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(qiáng)磁場(chǎng)