一種摻雜微量不固溶大原子引起畸變增強(qiáng)的巨磁致伸縮材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特種功能磁性材料領(lǐng)域，涉及一種基于摻雜微量不固溶大原子引起畸變增強(qiáng)的新型低成本高性能巨磁致伸縮材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵磁材料和亞鐵磁材料在外磁場作用下，由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積會隨著發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。磁致伸縮材料實現(xiàn)電磁能和機(jī)械能之間的快速高效轉(zhuǎn)化，已經(jīng)廣泛的運用于機(jī)器人、計算機(jī)、汽車、致動器、控制器、換能器、傳感器、微位移器，防震裝置、超聲波等領(lǐng)域，是在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用前景的重要智能材料，被列為二十一世紀(jì)戰(zhàn)略新材料。
[0003]目前以TbDyFe為代表的超磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮系數(shù)雖然達(dá)到2000ppm左右，但是該材料具有較高的飽和磁化場，價格昂貴的重稀土元素占60%，使得成本偏高，且質(zhì)地較脆，不利于機(jī)械加工從而限制了材料的廣泛應(yīng)用。
[0004]FeGa 二元合金驅(qū)動磁場低，成本低，材料韌性好，可機(jī)械加工，同時具有低驅(qū)動磁場的優(yōu)異特性，有廣泛的應(yīng)用前景。但是其飽和磁致伸縮系數(shù)僅為300ppm，亟待提高應(yīng)變量以獲得大量應(yīng)用。
[0005]在FeGa中摻雜第三元素是嘗試進(jìn)一步提高磁致伸縮的方法。目前報道的FeGa合金摻雜第三元素的方法主要是摻雜在Fe里面有較大固溶度和Fe原子半徑相近的過渡族元素，如Cr，Ni，Mo，Rh，Mn，以及小尺寸間隙原子C，B和N。但是未能顯著提高基體材料磁致伸縮性能或使磁致伸縮減小。
[0006]中國專利CN 101086912 A公布了“一種FeGa —R系磁致伸縮材料及其制造工藝”。該文獻(xiàn)公開了在Fe-Ga合金中添加La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy等元素細(xì)化晶粒來提高Fe-Ga合金的力學(xué)性能，同時獲得的磁致伸縮值在300ppm左右。
[0007]中國專利CN 103320682 A公布了一種高性能快淬Fe-Ga基磁致伸縮薄帶材料及其制備工藝，材料成分為:Fe1(l(l_x_yGaxMy，M為Tb、Dy、La、Ce、Y、Al、Mn中的一種或多種，其中X = 5?25，y = 0.05?15。經(jīng)過后續(xù)熱處理，大量摻雜元素將富集于晶界處，以第二相的形式析出，進(jìn)一步改善了力學(xué)性能，從而制備出磁致伸縮薄帶材料。
[0008]中國專利CN 103556045 A公開了一種基于FeGa-RFeJl^6Ii各向異性補償原理設(shè)計的新型磁致伸縮材料及其制備方法，該磁致伸縮材料成分為(Feltltl_xGax)Y(RFe2)z，其中10彡X彡40，Y與Z調(diào)節(jié)贗二元系中補償成分的比例Y:Z = I?20，RFe2^ TbFe 2、SmFe2、DyFe2、HoFe2> ErFe2> TmFe2中的一種或者幾種。該專利希望通過添加稀土元素Tb、Dy、Sm、Ho、Er、Tm，通過稀土元素本身4f電子對磁晶各向異性能的補償作用來提高磁致伸縮。
[0009]基于FeGa合金具有較大四方度而產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的機(jī)理，我們設(shè)計了一系列比Fe和Ga尺寸(Fe的原子半徑為126pm，Ga的原子半徑為130pm)大的原子通過非平衡快速凝固的方法摻雜進(jìn)FeGa基體中，會對Fe-Ga基體造成巨大的晶格四方畸變，從而影響磁晶各向異性能，即通過引起四方畸變的程度四方度的進(jìn)一步畸變增強(qiáng)從而有效提高磁致伸縮性能。
[0010]由于大尺寸的元素在Fe-Ga里面的固溶度過低，摻雜原子很難進(jìn)入Fe-Ga基體中產(chǎn)生作用，需要通過非平衡快速定向凝固的方法增加固溶度。甩帶是目前凝固速度最快的方式，冷卻速度大于106K/s，但是大尺寸原子在Fe-Ga薄帶中的固溶度仍然小于0.25%，所以需要對已有甩帶設(shè)備及工藝改進(jìn)，從而提高固溶度，得到盡可能多摻雜原子固溶于基體的單相材料。
[0011]目前國內(nèi)外沒有關(guān)于摻雜其他不固溶大原子的Fe-Ga磁致伸縮材料的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種摻雜微量不固溶大原子引起的畸變增強(qiáng)的巨磁致伸縮材料，進(jìn)一步提高磁晶各向異性能，從而增大磁致伸縮性能，使本發(fā)明的巨磁致伸縮材料可以達(dá)到2000ppm的飽和磁致伸縮性能。
[0013]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種摻雜微量不固溶大原子引起的畸變增強(qiáng)的巨磁致伸縮材料，材料的成分是:(Fei_yGay)1QQ_xMx，其中 X = 0.01 ?1，y = 0.05 ?0.35，M 為 Ti，Zr，Hf，Sn，Pb，In，Tl，Bi，R(共生稀土元素)以及U其中的一種或多種。
[0014]該材料具有大的四方度(指四方晶格常數(shù)a和c之間的關(guān)系:(c-a)/a)，最大可以達(dá)到2250ppm。四方晶格具有大的磁晶各向異性能，最大可達(dá)到330kjm_3，因此具有優(yōu)異的磁致伸縮性能。同時由于4f電子的晶體場作用，使材料基體產(chǎn)生彈性模量軟化，可以進(jìn)一步提尚磁晶各向異性能，從而進(jìn)一步提尚磁致伸縮性能。飽和磁致伸縮值最大可以達(dá)到2000ppm。
[0015]上述材料還可以為x = 0.01?0.1 ;或乂 = 0.1?0.2，或X = 0.2?0.3，或X =0.3 ?0.6，或 X = 0.6 ?I。y = 0.05 ?0.15;或 y = 0.15 ?0.17，或 y = 0.17 ?0.19，或 y = 0.19 ?0.2，或 y = 0.2 ?0.275，或 y = 0.275 ?0.35。
[0016]所述磁致伸縮材料的具體成分為:(Fea83Ga0.17)99.8Ti0.2，(Fe0.83Ga0.17)99.8Zr0.2，
(Fe0.83^3-0.17) 99.eHf 0.2，(Fe0.83^3-0.19) 99.7SI10 3, (Fe0 83^3-0.19) 99.zPb0.3? (Fe0.8(|Ga0.20) 99.4工110.6，
(Fe0.80Ga0.20) 99.4T 10.6? (Fe0.725Ga0.275) 99.1 0.2? (Fe0.81Ga0.19) 99.sZr0 iHf 0(Fe0.65Ga_0.35) 99.2Zr0.4Hf0.4，(Fe0 81Ga0 19) 99.7§η0.15Pb0.15，(Fe0 soGa0.2o) 99.4ln0.3Tl0.3，(Fe0.725Ga0.275) 99.8Pb0.jB1.p (Fe0.85Ga0.15)99.8R0.2，(Fe0.83Ga0.17) 99.8R0.2，(Fe0.81Ga0.19)99.8R0.2，(Fe
0.725^?.275) 99.99^0.01 ? (Fe0.725Ga_0.275) 99.8I?0.2，(Fe0, 725^a0.275^ 99.5^0.5 ? (Fe0.725^?.275) 99^1? (Fe0.725^?.275) 99.5?.5，(Fe0.8iGa0 19) 99.5U0.5，(Fe0.95Ga0.05) 99.7Sn0 0sPb0.05R0.!U0.l，(Fe0.83Ga0.17) 99.6R0.Jb0.!Hf0.lB1.1。
[0017]本發(fā)明和磁致伸縮材料制備過程如圖1所示，實現(xiàn)步驟如下:
[0018]步驟一:按目標(biāo)成分加燒損進(jìn)行配料:(FepyGay) 1(I(I_XMX，其中x = 0.01?1，y =0.05?0.35，M為Ti，Zr，Hf，Sn，Pb，In，Tl，Bi，R(稀土元素)以及U其中的一種或多種。
[0019]步驟二:用真空非自耗電弧熔煉爐冶煉母合金。將步驟一得到的配料放入真空非自耗電弧熔煉爐的爐內(nèi)，抽真空度至4X10_3Pa，然后充入400Pa氬氣再抽真空度至4 X 10?進(jìn)行洗氣。洗氣3次后充入IPa氬氣，在熔煉電流100A?150A下將配料進(jìn)行熔化，熔煉時間為3?5min，反復(fù)熔煉4?5次，制得母合金鑄錠。
[0020]步驟三:單輥制甩帶將步驟二熔煉出的合金錠切割成塊狀，并將合金塊表面清洗干凈，保持干燥狀態(tài)。
[0021]步驟四:將干凈試樣置于真空甩帶機(jī)的石英管中，先抽真空度至4.0X 10_3?5.0X KT3Pa后，沖入氬氣洗爐，再抽真空度至2.0X 10_3?3.0X10 _3Pa，充入氬氣至真空度為2Pa?I X KT1Pa,且使?fàn)t體與儲氣罐的壓力差為0.04?0.08MPa ;在熔煉溫度1600?1800°C，熔煉時間10?30s下，待干凈試樣完全熔化后噴射到旋轉(zhuǎn)的銅輥表面冷卻，銅輥冷卻后得到的薄帶落入Ga-1n合金罐中進(jìn)一步冷卻，制得磁致伸縮晶體薄帶樣品。甩帶過程中，石英管下端與銅棍表面相距Imm?2mm ;銅棍線速度為1m/s?30m/s，體噴射壓力為0.04Mpa?0.08Mpa。銅輥為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部盛放有液氮，表面溫度為_190°C?_120°C。Ga-1n合金罐內(nèi)液態(tài)合金的溫度為25 °C。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0023](I)本發(fā)明通過上述各材料的配比及制備出來的Fe-Ga基新型磁致伸縮材料具有大的四方度，最高可達(dá)2250ppm ;大的四方畸變導(dǎo)致大的磁晶各向異性能，最高可達(dá)330kjm_3;大的磁晶各向異性能導(dǎo)致大的磁致伸縮性能。進(jìn)一步地，由于微量摻雜的不固溶大原子具有強(qiáng)晶體場作用，可以進(jìn)一步提高磁晶各向異性能，從而增大磁致伸縮性能。最終導(dǎo)致本發(fā)明的新型巨磁致伸縮材料可以達(dá)到2000ppm的飽和磁致伸縮性能，本發(fā)明材料以成本低、性能高的突出優(yōu)勢在國防和民用領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。
[0024](2)在本發(fā)明的設(shè)計材料體系一熔煉制錠一單輥制甩帶制備