一種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金及其制備方法，屬于形狀記憶合金領(lǐng)域，該合金具有室溫條件下外磁場(chǎng)控制產(chǎn)生形變的能力，是一種可在室溫條件下由外磁場(chǎng)變化驅(qū)動(dòng)馬氏體孿晶界遷移以及逆遷移產(chǎn)生可恢復(fù)應(yīng)變的一種磁控形狀記憶合金。該合金化學(xué)式為：CoxNiyAlzFej；其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，x、y、z、j表示摩爾百分比含量。本發(fā)明磁控形狀記憶合金與現(xiàn)有材料相比，其微觀組織中存在Fe?Co金屬間化合物，使合金具有較寬的磁致應(yīng)變溫度范圍，較大的磁致應(yīng)變量以及良好的力學(xué)性能，可在室溫下使用的高精度驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的巧憶合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于形狀記憶合金領(lǐng)域，具體設(shè)及一種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁控形狀記憶合金是一類(lèi)新型形狀記憶材料，不僅具有傳統(tǒng)形狀記憶合金受溫度 場(chǎng)控制的熱彈性形狀記憶效應(yīng)，還具有受磁場(chǎng)控制的磁控形狀記憶效應(yīng)，同時(shí)還具有大的 可恢復(fù)的磁感生應(yīng)變、高響應(yīng)頻率和可精確控制等綜合特性。當(dāng)前典型的鐵磁性形狀記憶 合金體系有 Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga Je 基合金(Fe-Pd Je-Ni-Co-Ti 等）和Co基合金(Co-Ni、C〇-Mn系合金等)等。
[0003] 目前在驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究方面，磁控形狀記憶合金是最常用的材 料之一。目前芬蘭的AdaptaMat公司已將NisMnGa合金作為驅(qū)動(dòng)敏感材料應(yīng)用于新型驅(qū)動(dòng)器 的制造中。如今國(guó)內(nèi)外都在積極的研究和探討磁控形狀記憶合金的性能特點(diǎn)與應(yīng)用，希望 能夠獲得更進(jìn)一步的突破，其前景難W預(yù)估，有望改變現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。然而常規(guī) 磁控形狀記憶合金存在單晶偏析嚴(yán)重，多晶初性差，可重復(fù)性能不理想和居里點(diǎn)偏低等缺 陷，極大阻礙該合金的研究和應(yīng)用，因此期望開(kāi)發(fā)出一種具有較好的力學(xué)性能、室溫馬氏體 相變溫度和較大的磁致應(yīng)變能力的新型磁控形狀記憶合金來(lái)實(shí)現(xiàn)其工業(yè)推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種能在室溫范圍內(nèi)通過(guò)外磁場(chǎng)控制產(chǎn)生變形 的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金，同時(shí)提供一種該記憶合金的制備方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的制備磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金的方法，包括W 下步驟：
[0006] 首先將摩爾百分比X%的Co、y %的Ni、Z %的Al、j %的Fe置于相蝸中真空烙煉，其 中，28 < X < 42，25 < y < 32，23 < Z < 37，0.5 < j < 10，x+y+z+j = 100，其為：a. 1 X !(T2MPa到I X ICT3MPa的低真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1300~1400°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌； d.烙煉時(shí)間為0.3~1.0小時(shí)；
[0007] 然后將上述真空烙煉得到的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度450~ 650°C ;時(shí)間：10~24小時(shí)；真空度：1 X 1〇-2~1 X l〇-3MPa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X〇5~1 X 1〇7a ? nfi;磁場(chǎng)上升速率為：800~1000 A ? nfi ? S-1;
[000引隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為：0.01~TC ? S-1;磁場(chǎng)降低速率為：1000~ 1000 OA . Hfi ? S^i;待冷卻至室溫取出即得到最終的磁控形狀記憶合金。
[0009] 本發(fā)明的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，由上述方法制備得到，化學(xué)式為： CoxNiyAlzFej;其中，28 < X < 42，25 < y < 32，23 < Z < 37，0.5 < j < 10，x+y+z+j = 100，X、y、Z、 j表示摩爾百分比含量;在記憶合金的丫相中形成了化-Co金屬間化合物。
[0010] 本發(fā)明所制造的合金具有能在室溫范圍內(nèi)通過(guò)外磁場(chǎng)控制產(chǎn)生變形的能力，是一 種可在室溫條件下由外磁場(chǎng)變化驅(qū)動(dòng)馬氏體李晶界遷移而產(chǎn)生應(yīng)變的磁控形狀記憶合金。 本發(fā)明磁性材料微觀組織中所形成的Fe-Co金屬間化合物兼具良好的力學(xué)性能和磁性性能 的特征，促使合金能夠?qū)崿F(xiàn)兼具優(yōu)良力學(xué)性能和磁性性能的特點(diǎn)。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] 本發(fā)明提出了一種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金，該合金相對(duì)于其他磁控形狀記憶合 金在第二相中形成兼有磁性能和力學(xué)性能良好的Fe-Co金屬間化合物，在保持第二相力學(xué) 性能同時(shí)大大的提高了其磁性能，使合金具有較寬的磁致應(yīng)變溫度范圍，大大的拓寬了該 類(lèi)合金的使用范圍。
[0013] 本發(fā)明的磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，具有室溫條件下外磁場(chǎng)控制產(chǎn)生形變的 能力，是一種可在室溫條件下由外磁場(chǎng)變化驅(qū)動(dòng)馬氏體李晶界遷移產(chǎn)生應(yīng)變的一種新型磁 控形狀記憶合金。本發(fā)明形狀記憶合金與現(xiàn)有材料相比，在第二相中形成兼有磁性能和力 學(xué)性能良好的Fe-Co金屬間化合物，在保持第二相力學(xué)性能同時(shí)大大的提高了其磁性能，使 合金具有較寬的磁致應(yīng)變溫度范圍，拓展了其應(yīng)用范圍。
[0014] (1):較大的磁致應(yīng)變:Fe元素在Co-Ni-Ais元合金中的固溶度較高，尤其是在合 金中Co含量較高的丫相中，F(xiàn)e的固溶度會(huì)更高。較高的固溶度會(huì)使絕大多數(shù)Fe分布于Co-Ni-Al合金中富Co的丫相內(nèi)，過(guò)于集中的化會(huì)使丫相內(nèi)化含量過(guò)飽和并與Co元素形成化-Co 金屬間化合物，該類(lèi)金屬間化合物具有較強(qiáng)磁性，能夠大幅提高合金的磁性性能和形變驅(qū) 動(dòng)力，使合金在外磁場(chǎng)作用下更容易發(fā)生李晶界的遷移產(chǎn)生較大的磁致應(yīng)變。
[0015] (2):較高的磁致應(yīng)變溫度范圍：由于Fe會(huì)集中在丫相內(nèi)，使合金的功能相（即：0 相）中Fe含量降低，降低了0相的平均價(jià)電子濃度，而存在于丫相中的部分Fe與Co原子形成 Fe-Co金屬間化合物，也使合金丫相的平均價(jià)電子濃度進(jìn)一步降低，從而使得合金的馬氏體 相變溫度和居里溫度會(huì)逐漸上升，擴(kuò)大了鐵磁性李晶馬氏體存在的溫度范圍，在外磁場(chǎng)作 用下鐵磁性李晶馬氏體會(huì)發(fā)生李晶界的遷移產(chǎn)生磁致應(yīng)變，從而使合金擁有較高的磁致應(yīng) 變溫度范圍。
[0016] (3):提升力學(xué)性能:本發(fā)明的磁控形狀記憶合金在初性良好的丫相中形成了Fe-Co金屬間化合物。由于化-Co金屬間化合物兼具良好的強(qiáng)度和初性，其存在于合金的丫相中 對(duì)合金整體的力學(xué)性能起到了強(qiáng)化作用，大大的提高了合金的力學(xué)性能。
[0017] (4):制備方法:本發(fā)明采用真空相蝸烙煉，在烙煉過(guò)程中，由于體系呈真空狀態(tài)， 避免了合金因表面氧化而降低其力學(xué)和磁學(xué)性能。與傳統(tǒng)方法相比，該方法還具有使合金 內(nèi)部烙煉缺陷向表面聚集的效果使材料的加工性能增強(qiáng)，例如孔桐等。烙煉溫度在1300~ 1400°C之間，烙煉時(shí)間為0.3~1.0小時(shí)，既保證了純金屬有足夠的時(shí)間和溫度融化成合金 錠，又可W保證在隨后水冷過(guò)程中能夠形成Fe-Co金屬間化合物；同時(shí)避免溫度過(guò)高、時(shí)間 過(guò)長(zhǎng)發(fā)生合金成分燒損。
[0018] (5):熱處理方法：熱處理采用真空磁場(chǎng)熱處理，一方面可W有效地避免合金在高 溫?zé)崽幚磉^(guò)程中表面氧化造成其力學(xué)性能及磁學(xué)性能的降低，例如:氧化后的合金磁質(zhì)應(yīng) 變會(huì)大大降低W及馬氏體相變溫度的改變。另一方面可W通過(guò)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度IXO 5~IX IO7A ? nfi，磁場(chǎng)上升速率為800~1000 A ? Hfi ? 的磁場(chǎng)熱處理，使合金中的磁性磁疇對(duì)出 現(xiàn)方向有序，從而引起感生各向異性，提高合金的磁晶各向異性，而又不會(huì)因磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁 場(chǎng)上升速率過(guò)大而發(fā)生磁疇分散的現(xiàn)象。隨后采用隨爐冷卻并緩慢卸除磁場(chǎng)，一方面可W 通過(guò)緩慢冷卻降低合金的內(nèi)應(yīng)力，另一方面可W在冷卻過(guò)程中始終保持合金中磁疇的方向 擇優(yōu)性。
[0019] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，該合金相對(duì)于 其他磁控形狀記憶合金具有較大的磁致應(yīng)變，較高的磁致應(yīng)變溫度范圍W及良好的力學(xué)性 能等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明CoxNiyAlz化j合金在室溫下沈M圖；
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說(shuō)明。
[0022] 圖1是本發(fā)明CoxNiyAlzFej合金在室溫下SEM圖，加速電壓為2.OkV,束斑尺寸3.0， 工作距離7.9mm，成像模式:二次電子像，放大倍數(shù)8000倍；
[0023] 實(shí)施例1:
[0024] 制備組成為C〇42Ni32Al2日.日Fe日.日的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法 如下：
[0025] (1)分別稱量純度為 99.9% 的Co、Ni、A1、Fe;
[0026] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a. I X ICT2MPa的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1300°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為1小時(shí)。
[0027] (3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度450°C;時(shí)間： 24小時(shí);真空度：1 X IQ-3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X O5A ? nfi。
[0028] (4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.〇rC/秒;磁場(chǎng)降低速率為：1000A ? nfi ? S ^;待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0029] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。
[0030] 實(shí)施例2:
[0031] 制備組成為Co"Ni32Al24Fe3的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法如 下：
[0032] (1)分別稱量純度為 99.9% 的Co、Ni、A1、Fe;
[0033] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a.9X ICT3M化的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1350°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為0.75小時(shí)。
[0034] (3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度500°C;時(shí)間： 18小時(shí);真空度:8 X ICT3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X IO6A ? Hfi。
[0(X3日](4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.rC/秒;磁場(chǎng)降低速率為：3000A ? nfi ? S ^;待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0036] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。
[0037] 實(shí)施例3:
[0038] 制備組成為C〇4〇Ni3()Al24Fe6的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法如 下：
[0039] (I)分別稱量純度為 99.9% 的Co、Ni、A1、Fe;
[0040] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a.7X ICT3MPa的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1400°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為0.6小時(shí)。
[0041] (3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度530°C;時(shí)間： 15小時(shí);真空度:6 X ICT3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X IO6A ? Hfi。
[0042] (4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.3°C/秒;磁場(chǎng)降低速率為：5000A ? nfi ? S ^;待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0043] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。
[0044] 實(shí)施例4:
[0045] 制備組成為C〇3sNi28Al29Fe8的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法如 下：
[0046] (1)分別稱量純度為 99.9% 的Co、Ni、A1、Fe;
[0047] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a.5X ICT3MPa的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1400°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為0.4小時(shí)。
[004引（3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度550°C;時(shí)間： 13小時(shí);真空度:4 X ICT3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X IO6A ? Hf 1。
[0049] (4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.5°C/秒;磁場(chǎng)降低速率為：7000A ? nfi ? S ^;待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0050] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。
[0化1] 實(shí)施例5:
[(K)對(duì)制備組成為C028Ni2日Al37FeiD的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法如 下：
[0化3] (1)分別稱量純度為99.9%的Co、Ni、A1、Fe;
[0054] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a.3X ICT3MPa的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1400°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為0.3小時(shí)。
[0055] (3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度600°C;時(shí)間： 10小時(shí);真空度:2 X ICT3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X IO5A ? Hfi。
[0056] (4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.8°C/秒;磁場(chǎng)降低速率為：8500A ? nfi ? S ^;待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0057] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。
[0化引實(shí)施例6:
[0059] 制備組成為C〇3〇Ni3iAl29Fei()的具有磁場(chǎng)可控變形的形狀記憶合金，其制備方法如 下：
[0060] (1)分別稱量純度為 99.9% 的Co、Ni、A1、Fe;
[0061 ] (2)將稱量好的原料盛放在相蝸中，采用真空烙煉，其烙煉條件為:a. I X ICT3MPa的 真空狀態(tài);b.烙煉溫度為1400°C ; C.烙煉過(guò)程采用磁攬拌;d.烙煉時(shí)間為0.3小時(shí)。
[0062] (3)將上述烙煉好的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為:溫度650°C;時(shí)間：8 小時(shí);真空度：1 X 10-3Mpa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X IO5A ? m-i。
[0063] (4)隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為：rc/秒;磁場(chǎng)降低速率為：1000 OA ? nfi ? S^; 待冷卻至室溫取出即得到最終的形狀記憶合金。
[0064] 將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進(jìn)行檢測(cè)各種特性曲 線。上述實(shí)施例1-6的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
[0065] 表1不同成分的CoxNiyAlzFe淋料的馬氏體相變溫度、居里溫度、最大磁致應(yīng)變
[0066]
[0067] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和等同形式的替換，運(yùn)些改進(jìn) 和等同替換得到的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制備磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:首先 將摩爾百分比X%的Co、y%的Ni、z%的Al、j%的Fe置于坩堝中真空熔煉，其中，28 < X < 42,25 < y < 32,23 < z < 37,0.5 < j < 10，x+y+z+j=100,其恪煉條件為：a. 1 X 10-2MPa至Ijl X 10-3MPa 的低真空狀態(tài);b.熔煉溫度為1300~1400°C;c.熔煉過(guò)程采用磁攪拌;d.熔煉時(shí)間為0.3~ 1.0小時(shí)； 然后將上述真空熔煉得到的合金錠進(jìn)行真空磁場(chǎng)熱處理，處理?xiàng)l件為：溫度450~650 °C ;時(shí)間：10~24小時(shí)；真空度：1 X 10-2~1 X 10-3MPa;施加磁場(chǎng)強(qiáng)度：1 X 105~1 X 107A · m-1;磁 場(chǎng)上升速率為:800~1000A · m-1 · s-S 隨后隨爐冷卻，冷卻速度范圍為:0.01~1°C · s_S磁場(chǎng)降低速率為：1000~10000A · nf1 · 待冷卻至室溫取出即得到最終的磁控形狀記憶合金。2. -種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金，其特征在于，該記憶合金的化學(xué)式為:C〇xNi yAlzFej; 其中，28<x<42,25 <y < 32,23 <z <37,0·5< j < 10，x+y+z+j=100，x、y、z、j 表示摩爾百分 比含量;在記憶合金的γ相中形成了Fe-Co金屬間化合物。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形變的記憶合金，其特征在于，所述的記憶合金 由權(quán)利要求1所述的方法制得。
【文檔編號(hào)】C22C1/02GK105861861SQ201610204769
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】巨佳, 巴志新, 郝帥, 黃成戈, 胡師東, 閆良玉, 楊柳, 毛麒童
【申請(qǐng)人】南京工程學(xué)院