鐵基、鎳基磁致伸縮材料的制備
磁致伸縮材料是指在磁場作用下可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用下可發(fā)生反復伸張與縮短從而產(chǎn)生振動或聲波的材料,這種材料可將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能或聲能,也可以將機械能轉(zhuǎn)換成電磁能,是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。磁致伸縮材料在聲納的水聲換能器技術(shù),電聲換能器技術(shù)、自動化技術(shù)等許多高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應用前景。在諸多磁致伸縮材料中,鎳基或鐵基合金的飽和磁化強度較高,力學性能好,具有可變形的特點,能拉成細絲,可軋成薄帶,故應用前景十分廣闊。
目前,鐵基、鎳基磁致伸縮材料的制備方法主要是定向凝固法。應用定向凝固法可以得到單方向生長的柱狀晶,甚至單晶,不產(chǎn)生橫向晶界或橫向晶界較少,較大地提高了材料的磁致伸縮性能。具體工藝主要包括提拉法,下拉法和浮區(qū)區(qū)熔法。
一,提拉法。其基本方法是將爐料放置于一個坩堝中,被加熱到熔點以上,坩堝上方有一根同時能旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿,桿的下端有一個夾頭,上面裝有籽晶,調(diào)整桿的高度,使籽晶和熔體接觸,然后以適當?shù)奶崂俣认蛏咸釛U,以籽晶為晶核,慢慢生長。用這種方式生產(chǎn)的材料晶體取向與籽晶的晶體取向一致,因此通過控制籽晶的晶體取向可獲得具有<100>或<110>取向的磁致伸縮材料。例如,采用提拉法制備Fe-Mn合金磁致伸縮波導絲,其磁致伸縮在外加磁場1.9T下可達873?10-6。
二,下拉法。其基本方法是將母合金置于石英或氧化鋁坩堝內(nèi)整體加熱熔化,然后向下抽拉熔化合金逐漸移出加熱區(qū),通過發(fā)生順序凝固來形成定向凝固組織,可以制備單晶體或多晶體。主要控制參數(shù)是抽拉速率和固液界面溫度梯度。如果感應線圈移動速度與臨界凝固速度控制得當,可以生產(chǎn)出性能較高的磁致伸縮棒材。采用這種方法可以制備大直徑材料。例如,用下拉法制備出了具有<110>取向的Fe83Ga17合金,其磁致伸縮系數(shù)可以達到242?10-6。該方法的缺點是:由于外套坩堝,合金容易受到污染;由于整體加熱,元素燒損較大,沿軸向成分波動較大。
三,區(qū)熔法。其基本方法是利用高頻感應加熱,由于表面張力和磁懸浮力的共同作用,使熔體不下塌。固定感應圈向一個方向移動,實現(xiàn)定向凝固。相比于下拉法,懸浮區(qū)熔法既避免了坩堝對材料的污染,又由于不需要一次性全部加熱,元素燒損少,沿軸向成分和性能都很均勻,但是受到射頻加熱和材料表面張力的限制。主要用于制備小尺寸樣品。例如,采用區(qū)熔法研制出FeCo磁致伸縮材料,達到飽和磁致伸縮系數(shù)67.5?10-6。
另外,研究還表明,鑄態(tài)合金的磁致伸縮性能很低,鍛造或熱軋后合金的磁致伸縮性能有大幅提高。鍛打或熱軋可以細化晶粒,增加材料內(nèi)晶粒的數(shù)目,磁場作用時,可轉(zhuǎn)動的磁疇數(shù)目增多,進而可以提高材料的磁致伸縮性能。