磁致伸縮材料及其制備工藝的制作方法
【專利說(shuō)明】一種高性能宏觀泡沬態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料及其制備工
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技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于磁致伸縮材料領(lǐng)域，涉及一種高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]Fe-Ga是一種由Ga原子和Fe原子形成的固溶體材料，其飽和磁致伸縮系數(shù)(單晶材料AS~400 ppm)是傳統(tǒng)鐵基和鎳基磁致伸縮材料的十幾倍，并且驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)很低(~100Oe)，僅為鋱鏑鐵超磁致伸縮材料的1/10。與傳統(tǒng)的稀土超磁致伸縮材料相比，鐵鎵合金還具有很好的力學(xué)性能和磁致伸縮溫度穩(wěn)定性(拉伸強(qiáng)度高達(dá)500 MPa,約為鋱鏑鐵合金的23倍；居里溫度?675°C，比鋱鏑鐵合金高300°C，磁致伸縮性能可保持在-20?80°C較寬溫域)，而且不含稀土，材料成本相對(duì)更低。
[0003]近幾年，人們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上對(duì)Fe-Ga磁致伸縮材料做了大量的研宄工作，但是對(duì)于Fe-Ga合金產(chǎn)生大磁致伸縮的機(jī)制尚不清楚，限制了磁致伸縮性能的進(jìn)一步提高。
[0004]研宄發(fā)現(xiàn)，Ga對(duì)Fe磁矩的影響不是簡(jiǎn)單的稀釋作用，F(xiàn)e的原子磁矩隨Ga含量的不同而變化，磁矩的增大使合金能量密度增加，由此導(dǎo)致合金的磁致伸縮應(yīng)變?cè)龃??；诖?，?duì)于Fe-Ga合金產(chǎn)生大磁致伸縮原因的研宄主要分為內(nèi)稟和外稟兩方面。內(nèi)稟模型主要是基于對(duì)Fe-Ga合金中Ga-Ga原子對(duì)晶格失配現(xiàn)象進(jìn)行理論研宄，表明了 Fe-Ga合金中的磁致伸縮應(yīng)變來(lái)源于Ga原子第二電子配位殼層處具有Ga - Ga原子對(duì)的Fe-Ga原子對(duì)的變化。外稟模型認(rèn)為Fe-Ga中出現(xiàn)的納米四方相非均質(zhì)性使材料出現(xiàn)不均勻磁化現(xiàn)象，在基體周圍產(chǎn)生有效的雜散場(chǎng)，在外磁場(chǎng)作用下強(qiáng)迫磁矩從易磁化方向轉(zhuǎn)變產(chǎn)生應(yīng)變，避免了需要更大能量的先移動(dòng)磁疇壁的磁化過程，從而增強(qiáng)磁致伸縮性能。
[0005]目前的相關(guān)工作已經(jīng)證明Fe-Ga合金中納米四方相的存在，認(rèn)為這些納米磁疇在磁場(chǎng)中的再取向并長(zhǎng)大是導(dǎo)致Fe-Ga合金大磁致伸縮性能的機(jī)制。
[0006]NiMnGa材料的磁致應(yīng)變機(jī)制與Fe-Ga類似，人們已經(jīng)通過制備宏觀泡沫NiMnGa引入孔隙減少了馬氏體變體孿晶界移動(dòng)的阻礙作用，使多晶NiMnGa材料的磁致應(yīng)變從20ppm提高到20000ppm以上。因此，制備宏觀泡沫NiMnGa引入孔隙的方法能夠引入到Fe-Ga合金中，可以減少納米磁疇運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，從而提高Fe-Ga多晶材料的磁致伸縮性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料及其制備工藝，該方法通過熔煉、切割、燒結(jié)、噴鑄具有大磁致伸縮性能、低驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、較高的力學(xué)性能、低成本的宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga2Ji致伸縮材料。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下方式實(shí)現(xiàn):
一種高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料為宏觀泡沫態(tài)形狀，其孔隙大小為20-100 μ m，孔隙率為 30%-50%。
[0009]所述的高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料的制備工藝是:
O按所述成分加燒損量進(jìn)行配料:用真空非自耗電弧爐冶煉母合金，對(duì)真空非自耗電弧熔煉爐抽真空至4*10_3~5*10_3Pa，沖入1kPa氬氣洗爐后，再抽真空度至2*1-3~3*10_3Pa ;氬氣的體積百分比純度為99.99%。然后充入氬氣熔煉至真空度為40kPa~50kPa，在熔煉電流100A~150A下將配料進(jìn)行熔化，熔煉時(shí)間為3min~5min，反復(fù)熔煉4~5次，制得合金錠，
2)將步驟I熔煉出的合金錠用鉬絲線切割機(jī)切割成的塊狀，用砂紙將合金塊表面磨掉以保證無(wú)氧化皮，用乙醇將合金塊表面清洗干凈，保持干燥狀態(tài)；
3)將偏鋁酸鈉與尿素、研缽移至手套箱，以保證制備時(shí)的偏鋁酸鈉不吸水，稱量20g偏鋁酸鈉與尿素的混合物，混合物中尿素所占質(zhì)量百分比為40%~60%，尿素與偏鋁酸鈉混合后用研缽研磨30min直至充分研細(xì)且混合均勻，移出手套箱；
4)選用0.25英寸內(nèi)徑的壓片機(jī)模具，將不同尿素含量的樣品分別在30MPa壓成圓片;
5)將壓制的圓片樣品分別放入氧化鋁坩禍內(nèi)，放入馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)出直徑為0.25英寸的柱狀偏鋁酸鈉胚；
6)將塊狀合金錠放入噴鑄容器中，噴鑄容器為一個(gè)底端開孔的石英管；然后用單輥旋淬爐進(jìn)行銅模噴鑄，將燒結(jié)出的柱狀偏鋁酸鈉胚放入銅模的孔中，將銅模放置在石英管下方，使放有偏鋁酸鈉胚的孔對(duì)準(zhǔn)石英管底端開口，抽真空至2*10-2Pa~2*10_3Pa，通入50kPa氬氣做保護(hù)氣氛，向石英管內(nèi)通入氬氣后加熱，達(dá)到1300°C ~1400°C后保溫30s~60s，噴射到銅模中的偏鋁酸鈉胚中，獲得含有偏鋁酸鈉的Fe73Ga27合金棒；
7)將含有偏鋁酸鈉的Fe73Ga27合金棒放入裝有體積濃度為3%的鹽酸溶液的容器中，將容器放入超聲波發(fā)生器，在超聲頻率為40kHz的條件下超聲浸泡處理，超聲浸泡時(shí)間按每Imm合金棒1min計(jì)算；超聲浸泡后將合金棒取出放入蒸飽水中在40kHz超聲頻率下超聲清洗3次，每次清洗時(shí)間按每Imm合金棒的長(zhǎng)度清洗5min計(jì)算；最后將材料在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/min條件下離心；最終得到高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga2JM致伸縮材料。
[0010]所述的步驟5)中的燒結(jié)工藝為:先從20°C用20min升到220°C，保溫180min，使尿素充分蒸發(fā)在偏鋁酸鈉胚中形成孔隙，然后經(jīng)150min升到1500°C保溫ISOminJi多孔的偏鋁酸鈉胚充分燒結(jié)，最后從1500°C用180min降到200°C。
[0011 ] 所述石英管底部孔直徑為0.7mm
所述銅?？字睆綖?_，得到直徑為7_的合金棒。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:開發(fā)出的宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27.致伸縮材料具有優(yōu)良的磁致伸縮性能；開發(fā)出的宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料只需要低的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，可以在低的外加磁場(chǎng)下使用；開發(fā)出的宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料具有較好的力學(xué)性能和耐腐蝕性，可在惡劣環(huán)境下使用；采用本發(fā)明的方法制得的泡沫態(tài)Fe73Ga27.致伸縮材料孔隙均勻，磁致伸縮系數(shù)高，可達(dá)300ppm，且工藝簡(jiǎn)便、成品率高、有利于推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為孔隙率33.65%的泡沫Fe74Ga27.致伸縮材料及Fe 74Ga27塊體材料的磁致伸縮性能曲線。
[0014]圖2為孔隙率47.88%的泡沫Fe74Ga2Ji致伸縮材料及Fe 74Ga27塊體材料的磁致伸縮性能曲線。
[0015]圖3是為實(shí)施例1、實(shí)施例2及塊體材料磁致伸縮性能曲線的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]一種高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料為宏觀泡沫態(tài)形狀，其孔隙大小為20-100 μ m，孔隙率為 30%-50%。
[0018]所述的高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga27磁致伸縮材料的制備工藝是:
O按所述成分加燒損量進(jìn)行配料:用真空非自耗電弧爐冶煉母合金，對(duì)真空非自耗電弧熔煉爐抽真空至4*10_3~5*10_3Pa，沖入1kPa氬氣洗爐后，再抽真空度至2*1-3~3*10_3Pa ;氬氣的體積百分比純度為99.99%。然后充入氬氣熔煉至真空度為40kPa~50kPa，在熔煉電流100A~150A下將配料進(jìn)行熔化，熔煉時(shí)間為3min~5min，反復(fù)熔煉4~5次，制得合金錠，
2)將步驟I熔煉出的合金錠用鉬絲線切割機(jī)切割成的塊狀，用砂紙將合金塊表面磨掉以保證無(wú)氧化皮，用乙醇將合金塊表面清洗干凈，保持干燥狀態(tài)；
3)將偏鋁酸鈉與尿素、研缽移至手套箱，以保證制備時(shí)的偏鋁酸鈉不吸水，稱量20g偏鋁酸鈉與尿素的混合物，混合物中尿素所占質(zhì)量百分比為40%~60%，尿素與偏鋁酸鈉混合后用研缽研磨30min直至充分研細(xì)且混合均勻，移出手套箱；
4)選用0.25英寸內(nèi)徑的壓片機(jī)模具，將不同尿素含量的樣品分別在30MPa壓成圓片;
5)將壓制的圓片樣品分別放入氧化鋁坩禍內(nèi)，放入馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)出直徑為0.25英寸的柱狀偏鋁酸鈉胚；
6)將塊狀合金錠放入噴鑄容器中，噴鑄容器為一個(gè)底端開孔的石英管；然后用單輥旋淬爐進(jìn)行銅模噴鑄，將燒結(jié)出的柱狀偏鋁酸鈉胚放入銅模的孔中，將銅模放置在石英管下方，使放有偏鋁酸鈉胚的孔對(duì)準(zhǔn)石英管底端開口，抽真空至2*10-2Pa~2*10_3Pa，通入50kPa氬氣做保護(hù)氣氛，向石英管內(nèi)通入氬氣后加熱，達(dá)到1300°C ~1400°C后保溫30s~60s，噴射到銅模中的偏鋁酸鈉胚中，獲得含有偏鋁酸鈉的Fe73Ga27合金棒；
7)將含有偏鋁酸鈉的Fe73Ga27合金棒放入裝有體積濃度為3%的鹽酸溶液的容器中，將容器放入超聲波發(fā)生器，在超聲頻率為40kHz的條件下超聲浸泡處理，超聲浸泡時(shí)間按每Imm合金棒1min計(jì)算；超聲浸泡后將合金棒取出放入蒸飽水中在40kHz超聲頻率下超聲清洗3次，每次清洗時(shí)間按每Imm合金棒的長(zhǎng)度清洗5min計(jì)算；最后將材料在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/min條件下離心；最終得到高性能宏觀泡沫態(tài)Fe73Ga2JM致伸縮材料。
[0019]所述的步驟5)中的燒結(jié)工藝為:先從20°C用20min升到220°C，保溫180min，使尿素充分蒸發(fā)在偏鋁酸鈉胚中形成孔隙，然后經(jīng)150min升到1500°C保溫ISOminJi多孔的偏鋁酸鈉胚充分燒結(jié)，最后從1500°C用180min降到200°C。
[0020]所述石英管底部孔直徑為0.7mm
所述銅?？字睆綖?_，得到直徑為7_的合金棒。