專利名稱：<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致伸縮材料成分及其制備方法。更具體地說，是指一種具有高磁場靈 敏度、<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料及其制備方法。 背彔技術(shù)磁致伸縮材料具有在外加磁場存在時可回復(fù)變形和在施加應(yīng)力時會改變磁性能的特性， 可是所有鐵磁性材料，只有在低場下具有大磁致伸縮的材料才適合于像致動器和傳感器之類 的用途。早期的磁致伸縮材料如鎳基合金和鐵基合金，飽和磁致伸縮系數(shù)一般在40 100xl0"6 ,由于這類材料的飽和磁致伸縮系數(shù)太小，所以適用范圍受到限制。后來發(fā)現(xiàn)的壓 電陶瓷(如鈦鋯酸鉛材料PZT)具有較大的電致伸縮系數(shù)，但由于該材料比較脆，使用中很容 易損壞。TbJ)y^合金表面出現(xiàn)很大的基面磁致伸縮(1000xl(y6),但因其有序化溫度低以致限 制了它在低溫下的應(yīng)用。RFe2(R是稀土元素)金屬間化合物，如Terfenol合金(DyxTbLx)Fez具 有很大的磁致伸縮和較髙的居里溫度(在室溫以上具有大約為2000xl(^的磁致伸縮)，目前廣 為應(yīng)用的是16遷61101-0成分為0外.771)0.3 62。但Terfenol合金使用時要求很大的飽和磁場，做 成器件時要加較大的偏置磁場，因此器件設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜由于性質(zhì)很脆，難以加工成薄板和 絲材，因而Terfenol-D只限于制成棒材用于傳感器制動子；此外，它的價格非常昂貴。因此， 人們一直在尋求力學(xué)強度高、塑性好在低飽和場下有大磁致伸縮應(yīng)變的磁致伸縮材料。最近幾年人們發(fā)現(xiàn)，非磁性元素Ga的摻入能使其磁致伸縮的數(shù)值增加十倍乃至幾十倍。 目前報道的最大Fe-Ga合金的磁致伸縮系數(shù)己達395xl(T6。Fe-Ga磁致伸縮材料常溫下的易磁化方向為<100>晶體學(xué)方向，當(dāng)晶體生長的擇優(yōu)取向與 易磁化方向一致時，即擇優(yōu)取向為<100>方向時，具有最大的磁致伸縮應(yīng)變。目前Fe-Ga單晶 己經(jīng)制備出了具有〈10O方向的Fe-Ga磁致伸縮材料，但制備單晶樣品成本髙，尺寸上也有局 限性，在器件上具有廣泛應(yīng)用價值的是多晶樣品。因此制備<100>取向的多晶合金是獲得高品 質(zhì)Fe-Ga磁致伸縮材料的關(guān)鍵技術(shù)。中國專利CN 1649183A,公開了一種Fe-Ga磁致伸縮材料及采用區(qū)熔法制備Fe-Ga磁致 伸縮材料的方法。但其<100>取向度不高，并且由于區(qū)熔法本身的限制，不適合制備大尺寸材 料。中國專利CN 1392616A,公開了一種Fe-Ga磁致伸縮材料及用商溫度梯度快速定向凝固 法或提拉法或Bridgman制備單晶或多晶Fe-Ga磁致伸縮材料的方法，其工藝合金熔煉后霈 先澆鑄成圓棒，然后去除氧化皮和雜質(zhì)，再進行定向凝固，工藝較復(fù)雜，而且造成了原材料 的浪費。
曰本專利JP2003286550.公開的一種Fe-Ga超磁致伸縮材料，采用快速凝固法制備多晶 Fe-Ga合金，雖然沿帶片厚度方向也具有極強的<100>取向，磁致伸縮系數(shù)以達400xl0"6,但 是使用中需要很高的磁場(>1000KA/m),磁場靈敏度低，限制了它的應(yīng)用。美國專利WO0155687和US2003010鄰5，公布的Fe—Ga合金，其特點為其制備的單晶 Fe-Ga合金為<100>軸向取向，具有較高的磁致伸縮性能，但其成本較高其采用DS和 DG(directional growth)工藝制備的多晶Fe-Ga合金，雖然其磁致伸縮系數(shù)超過150xl0"6，但 DS工藝不能控制溫度梯度和冷卻速度，因此晶體的結(jié)晶取向不能人為控制，很難獲得較離的 <100>取向；DG工藝可通過控制溫度梯度和冷卻速度得到^0O取向的Fe-Ga合金，但需要 先用電弧爐熔煉合金，然后將合金錠放到石英管內(nèi)加熱熔化，再定向凝固，因此工藝也較復(fù) 雜。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種力學(xué)強度髙、塑性好具有髙磁場靈敏度的<100>軸向取向的 Fe-Ga磁致伸縮材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備具有<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料的方法。 為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明涉及一種大直徑<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料，其特征在于材料成分為 Fe"x.yGaxAly,其中x-16 21。/。或25 28 y=0 10%,所述均為原子百分比，余量為鐵。FeNx.yGaxAly, x=17 19。/。， y=0，余量為鐵。 Fei.x.yGaxAly， x=27 28.5 y=0,余量為鐵。Fe|.x.yGaxAly， x=15 17%, y=3 5%，且18 °/^x+yS20%,余量為鐵。 本發(fā)明的一種制備高磁場靈敏度Fe-Ga磁致伸縮材料的方法為改進的布里奇受(Modified Bridgman)定向凝固法，即合金熔煉后，直接澆鑄到所需直徑的保溫簡內(nèi)，進行晶體生長， 與已有的晶體生長方法相比，省去煉錠工序(所采用的設(shè)備有專利號03156926.9)。 本發(fā)明的方法包括下列步驟1) 用中頻感應(yīng)熔煉合金。先抽真空至lC^ 10"Pa，然后充入惰性氣體，用中頻將合金 熔化，待合金完全熔化后，精煉2-10分鐘，保證合金成分的均勻性。將精煉的合金澆注到直 徑為10 100毫米、加熱到1500"的保溫筒內(nèi)。2) 然后用改進的布里奇曼(ModifiedBridgman)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯 度100 200r/cm、晶體生長速度20 400mm/h。3) 熱處理條件為在1100 1200TC保溫0.5 24小時，爐冷至卯0 750"C保溫0.5 24小 時，然后淬火或風(fēng)冷至室溫或者使材料在1100 1200"保溫0.5 24小時，爐冷至500 700"保溫1 48小時，然后淬火或風(fēng)冷至室溫。本發(fā)明公開了一種<100>軸向取向的Fe"Ga磁致伸縮材料，其<100>取向度達96%;其中取向度計算公式:取向因子(取向度)F =Ij/0(200)/(110) + "200) + /(211)(110) + /。 (200) + /。 (211)其中戶是取向晶體的X射線衍射峰強度比 A是粉末的衍射峰強度比； /^幼是取向晶體的(hkl)方向衍射峰的相對強度 /t^i^是粉末的(hkl)方向衍射峰的相對強度。 本發(fā)明Fe-Ga磁致伸縮材料的優(yōu)點是<100>取向度達96%，磁場靈敏度高飽和場小 于17kA/m,飽和磁致伸縮系數(shù)達320xl0"6，在應(yīng)用需要很低甚至不需偏置磁場，因此使該材 料的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。本發(fā)明高磁場靈敏度Fe-Ga磁致伸縮材料的制備工藝優(yōu)點晶體生長方向上的晶體取向 度好，<100>取向度可達96%;工藝流程短，且不會對原材料造成浪費，生產(chǎn)成本低；產(chǎn)品 的尺寸自由度高(直徑10 100mm,長度可達300mm),材料性能穩(wěn)定，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
圖1是<100>取向度為96%的晶體軸向取向x射線衍射圖譜。 圖2是<100>取向度為60%的晶體軸向取向x射線衍射圖譜。 圖3是無取向鑄態(tài)Fe-Ga磁致伸縮材料的x射線衍射圖譜。 圖中，橫坐標為x射線衍射角2e，縱坐標為衍射峰的相對強度。
具體實施例方式以下用實例對本發(fā)明作進一歩說明。本發(fā)明保護范圍不受這些實施例的限制，本發(fā)明保 護范圍由權(quán)利要求書決定。 第1實施例元素Fe重量為0.860 kg, Ga重量為0.273kg，用中頻感應(yīng)熔煉，先抽真空至10"Pa,然 后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉2分鐘，保證合金成分的均勻性。 將精煉的合金澆注到直徑為10毫米、加熱到15001C的保溫筒內(nèi)。然后用改進的布里奇受 (Modified Bridgman)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯度100"/cm、晶體生長速度 20mm/h，獲得軸向方向<100>擇優(yōu)取向的高磁場靈敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最終成分為 Fe8lGa19 在1200"保溫0.5小時，然后降溫到750'C保溫24小時，然后風(fēng)冷。樣品<100>取向度為70%,飽和磁場為16.810/111，飽和磁致伸縮系數(shù)為200xl0"6。第2實施例元素Fe重量為0.860 kg, Ga重量為0.252kg, Al重量為0.015kg,用中頻感應(yīng)熔煉，先 抽真空至10'2Pa,然后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉6分鐘，保
證合金成分的均勻性。將精煉的合金錄注到直徑為100毫米、加熱到15001C的保溫簡內(nèi).然 后用改進的布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法進行晶體生長,控制溫度梯度200"/cm、 晶體生長速度400mm/h,獲得軸向方向<100>擇優(yōu)取向的高磁場靈敏度的Fe>Ga磁致伸縮材 料，條終成分為Fe8。Gal7Al3。在IIOO"保溫24小時，然后降溫到卯O^C保溫0.5小時，然后 淬冷。樣品<100>取向度為80%,飽和磁場為16.8kA/m，飽和磁致伸縮系數(shù)為260xl(T6。 第3實施例元素Fe重量為0.860 kg, Ga重量為0.230kg, Al重量為0.025kg,用中頻感應(yīng)熔煉，先 抽真空至10'3Pa，然后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉4分鐘，保 證合金成分的均勻性。將精煉的合金澆注到直徑為30毫米、加熱到15001C的保溫筒內(nèi)。然 后用布里奇曼(ModifiedBridgm助)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯度150*C/cm、晶 體生長速度200mm/h,獲得軸向方向<100>擇優(yōu)取向的高磁場靈敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料, 最終成分為Fe81GalsAl4。在600"C保溫48小時然后淬火。樣品<100>取向度為96%,飽和磁場為16.1 kA/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為330xl(T6。第4實施例元素Fe重量為0.860 kg, Ga重量為0.330kg，用中頻感應(yīng)熔煉，先抽真空至l(T3Pa,然 后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉3分鐘，保證合金成分的均勻性。 將精煉的合金澆注到直徑為30毫米、加熱到1500^C的保溫筒內(nèi)。然后用布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯度150'C/cm、晶體生長速度200mm/h,獲 得軸向方向<100>擇優(yōu)取向的髙磁場靈敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最終成分為Fe72.5Ga27.5。 在70(TC保溫1小時，然后風(fēng)冷。樣品<100>取向度為95%,飽和磁場為16.1 kA/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為320xl(T6。第5實施例元素Fe重量為0.860 kg, Ga重量為0.264kg，用中頻感應(yīng)熔煉，先抽真空至l(T2Pa,然 后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉4分鐘，保證合金成分的均勻性。 將精煉的合金澆注到直徑為55毫米、加熱到1500X:的保溫筒內(nèi)。然后用布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯度120匸/cm、晶體生長速度160mm/h,獲 得軸向方向〈10O擇優(yōu)取向的髙磁場靈敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最終成分為FeS2Ga,8。在 1150"C保溫1小時，然后降溫到800"保溫4小時，然后風(fēng)冷。樣品<100、取向度為85%,飽和磁場為16.1 kA/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為283xl0'6。第6實施例元素Fe重i為0.860 kg， Ga重量為0.264kg，用中頻感應(yīng)熔煉，先抽真空至10"Pa，然 后充入氬氣，用中頻將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉3分鐘，保證合金成分的均勻性。 將精煉的合金澆注到直徑為30毫米、加熱到15001C的保溫筒內(nèi)。然后用布里奇叟(Modified Bridgman)定向凝固法進行晶體生長，控制溫度梯度150匸/cm、晶體生長速度230mm/h，獲
得軸向方向^0O擇優(yōu)取向的髙磁場靈敏度的Fe"Ga磁致伸縮材料，最終成分為FeKGalg。在5(KTC保溫1小時，然后風(fēng)冷。樣品<100>取向度為93%,飽和磁場為16.1 kA/m,飽和磁致伸縮系數(shù)為310xl0"6。
權(quán)利要求
1、一種<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料，其特征在于晶體生長方向為<100>取向，其取向度大于70％；材料成分為Fe1-x-yGaxAly，其中x＝15～21％或25～28％，y＝0～10％，所述均為原子百分比，余量為鐵。
2、 如權(quán)利要求書1所述的磁致伸縮材料，其特征在于所述的x-17 19。/c, y=0,余量 為鐵。
3、 如權(quán)利要求書1所述的磁致伸縮材料，其特征在于所述的x=27~28.5 %, y=0，余 量為鐵。
4、 如權(quán)利要求書1所述的磁致伸縮材料，其特征在于所述的x-15 17外，y=3 5%， 且18Sx+yS20，余量為鐵。
5、 一種制備權(quán)利要求l所述的^0O軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料的方法，其特征在 于它包括下列步驟1) 中頻感應(yīng)熔煉合金先抽真空至1(^ 10"Pa,然后充入惰性氣體，再將合金熔化，待合金完全熔化后，精煉2-10分鐘，保證合金成分的均勻性;將精煉的合金澆注到直徑為10 100毫米、加熱到150(TC的保溫筒內(nèi)；2) 然后用改進的布里奇曼定向凝固法進行晶體生長控制溫度梯度100 200"/cm、晶 體生長速度20 400mm/h;3) 熱處理條件為在U00 1200"保溫0.5 24小時，爐冷至卯0 750"保溫0.5 24小 時，然后淬火或風(fēng)冷至室溫；或者使材料在1100 1200"C保溫0.5 24小時，爐冷至500 70(TC保溫1 48小時，然后淬火或風(fēng)冷至室溫。
6、 一種傳感器、換能器或致動器，包含如權(quán)利要求l所述的Fe—Ga磁致伸縮材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種<100>軸向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料及其制備方法，材料成分為Fe<sub>1-x-y</sub>Ga<sub>x</sub>Al<sub>y</sub>，其中x＝16～21％或25～28％，y＝0～10％，余量為鐵；其制備方法為先將原材料在惰性氣體保護下熔煉，然后用改進的布里奇曼法定向凝固制備Fe-Ga磁致伸縮材料；熱處理條件為在1100～1200℃保溫0.5～24小時，爐冷至900～750℃保溫0.5～24小時，然后淬火或風(fēng)冷至室溫；或者使材料在1100～1200℃保溫0.5～24小時，爐冷至500～700℃保
文檔編號C21D1/18GK101109057SQ20061008978
公開日2008年1月23日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者于敦波, 張世榮, 李勇勝, 李擴社, 李紅衛(wèi), 楊紅川, 王鵬飛 申請人:北京有色金屬研究總院;有研稀土新材料股份有限公司