一種FeGaYB薄片狀磁致伸縮材料的製備方法

2023-07-22 23:26:16 1

專利名稱：一種FeGaYB薄片狀磁致伸縮材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於磁性材料領域，涉及一種高性能多晶織構磁致伸縮薄片材料及其製備方法。
背景技術：
鐵磁體在外磁場中被磁化時，其長度及體積均發生變化，這個現象被稱為磁致伸縮。磁致伸縮可分為線磁致伸縮和體積磁致伸縮。實用的磁致伸縮材料即是指具有線磁致伸縮特性的材料。材料的線磁致伸縮性能通常用(3/2) λ s表示，它表徵了一種材料本徵的磁致伸縮應變值，可認為是材料理論上可達到的最大磁致伸縮應變值。實際應用中，線磁致伸縮係數通常用λ表示，λ =AL/L(L為材料原始長度，AL為磁化狀態改變時樣品發生的變化)。對於片狀材料，(3/2) λ3=λ 〃-λ-，其中λ 〃是指薄片軋向平行於磁場方向所測得的飽和磁致伸縮係數；λ -是指薄片軋向垂直於磁場方向所測得的飽和磁致伸縮係數。λ >0 時，為正磁致伸縮，鐵磁體沿磁場方向伸長，而垂直磁場方向縮短；當λ <0時，為負磁致伸縮，鐵磁體沿磁場方向縮短，而垂直磁場方向伸長。材料在被磁化時所產生的最大磁致伸縮係數，稱為飽和磁致伸縮係數K。傳統的磁致伸縮材料雖然具有居裡溫度高和機械性能好的特點，但是其磁致伸縮係數較低；而以Tb-Dy-Fe為代表的超磁致伸縮材料雖然具有磁致伸縮應變大等優良的性能，但由於其質地較脆，塑性很差，加工性差，原材料成本較高等，限制了該材料的應用。2000年，美國的Guruswamy S等人發現!^e-Ga 二元合金具有比i^e-Al合金高得多的磁致伸縮值，強度與磁導率比超磁致伸縮材料高很多，是一種新型的具有廣闊應用前景的磁致伸縮材料，稱為Galfenol，引起了各國研究者極大的關注。 (Guruswamy S, Srisukhumbowornchai N, Clark A E, et al. Strong, ductile, and low-field-magntostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta. Mater. ,2000, 43 :239 244 ；Srisukhumbowornchai N, Guruswamya S. Large magnetostriction in directionally solidified FeGa and FeGaAl alloys. J. App1. Phys. ,2001,90(11) 5680^5688)。雖然該材料具有較好的磁致伸縮性能和力學性能，但由於該材料的電阻率較低，在高頻下使用會產生較大渦流損耗，限制了該材料的應用。因此，人們希望能將其軋製成薄片狀，以降低高頻使用條件下的渦流損耗，改善其高頻特性。2003年，美國Kellogg R A等人對!^e83Ga17合金進行了熱軋、溫軋、回復再結晶熱處理，得到了含有{001}和{111}織構的薄片，其飽和磁致伸縮係數(3/2) λ s 約為 170X ICT60 (Kellogg R A,Flatau A B, Clark A E. Texture and grain morphology dependencies of saturation magnetostriction in rolled polycrystalline Fe83Ga17. J. App1. Phys.，2003，93 (10) :8495 8497)
2006年，美國Na S M和Flatau A B等人報導了在!^e81.3Ga18.7合金中添加硼和硫，通過熱軋、溫軋、冷軋及後續熱處理的工藝，獲得具有近似立方織構或近似高斯織構的薄片材料，最高磁致伸縮值(3/2) λ s 可達 220X 1(T6。(Na S M, Flatau A B. Magnetostriction
3and crystallographic texture in rolled and annealed Fe-Ga based alloys. Mater. Res. Soc. Symp. Proc，2006，888 :335)
美國專利WO 2006/094251公布了在!^e-Ga基合金中添加NbC或Be或Al或複合添加， 在合金的外面包殼以防止氧化及防止軋制時合金表面的熱量損失，通過熱軋、兩段400°C 溫軋以及後續的熱處理，獲得了具有混合織構或近似立方織構的i^e-Ga基磁致伸縮薄片材料。2007年，美國的Suok-Min Na等人報導了在Fe81^i19添加適量B、Mo、Nb、 NbC，成功軋制出厚度為0. 18到0.35 mm的薄板，通過隨後的退火，其磁致伸縮應變均超過 IOOXlCr60 (Suok-Min Na, Alison B. Flatau. Deformation behavior and magnetostriction of polycrystalline Fe - Ga - X (X=B, C, Mn, Mo, Nb, NbC) alloys. J. App1. Phys. , (2008), 103, 07D304)
上述關於i^e-fe基薄片材料的研究中，共同的不足在於製造工藝都過於複雜，其中包括需對母合金進行包殼，熱軋，溫軋及冷軋總道次均在100道次以上，軋制過程中的反覆去應力退火以及所得薄片的單方向的飽和磁致伸縮係數值較小。針對上述缺點，本研究小組通過優化合金成分，採用相對簡單的軋制工藝製備出 !^-( 基薄片材料，並通過隨後的特殊熱處理工藝(磁場退火、高真空高溫二次再結晶退火等)獲得了較好的性能；但其熱處理過程過於複雜、磁致伸縮性能仍有待提高、合金的成品率不高等缺點影響了其工業應用。相關研究結果已成功申報中國發明專利(專利號ZL 200910076722. 4，公開號CN101654759)。

發明內容
本發明目的是為了簡化熱處理工藝，提高材料的磁致伸縮性能，本發明採用更為優化的合金成分和更為簡單的軋制及熱處理工藝，從而獲得具有良好織構、高磁致伸縮性能、高電阻率，能滿足較高頻率使用條件及可大規模生產的薄片狀磁致伸縮合金材料。本發明的目的通過以下方面實現
材料成分為=FemzGiixYyBz,其中(按原子比計)x=13 24，y=0.廣2，ζ=(Γθ.5，餘量為 Fe。優選成分為χ=16 23，y=0. 2 1. 5，z=0 0. 3。其中加入Y(釔)的作用原理是Y在!^e-Ga合金中的固溶度很小，具有較強的析出能力，它的析出可以顯著地降低鑄態合金的晶粒度；它在合金中的存在方式主要為晶界富集並伴有晶內析出，Y的析出可增強晶界結合力。因此，Y的加入可顯著地提高合金的塑性，使得其在軋制過程中不發生開裂。Y作為吸氧元素，其比Fe、( 更易氧化，它的加入可以有效阻止軋制過程中基體的氧化，同時，由於Y的氧化脫落，對合金的磁致伸縮性能影響很小；在薄片材料的退火過程中，Y作為易氧化元素將被優先氧化，其氧化物在晶界處分布可成倍地提高材料的電阻。渦流損耗與材料的電阻成反比，提高電阻可降低材料的渦流損耗。此外，Y的加入對合金薄片形成立方織構{100}和高斯織構{110}具有有 作用。B作為輔助添加元素，其主要作用在於提高晶界強度，細化晶粒，從而提高合金的軋制性能。本發明提供了一種製備高性能多晶織構!^ltltlHzGiixYyBz磁致伸縮薄片材料的方法。首先對經過熔煉、熱鍛、軋制後的合金薄片進行表面處理，然後選擇下列一種方法進行熱處理
方法一，以氬氣或混有0. 001% 0. 008% (體積比)硫化氫的氬氣作為保護氣氛，在 750°C 1000°C的溫度下保溫3 15小時，水冷至室溫。 方法二，以氬氣或混有0. 001% 0. 008% (體積比)硫化氫的氬氣作為保護氣氛，在 1100°C 1300°C保溫0. 5 8小時，爐冷至850°C 650°C保溫1 5小時，然後水冷至室通過熱處理，得到高性能多晶織構FeltltlHzGiixYyBz磁致伸縮薄片材料。所述熔煉是按所設計成分進行配料並加入適量燒損；用真空感應爐冶煉母合金， 抽真空度至2 X Io^2Pa 4 X 10_2Pa，通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa後加熱，使原材料熔化形成合金，熔化後精煉3飛分鐘，以保證合金成分的均勻，將精煉後的合金澆注成合金錠。所述熱鍛是將合金錠在900°C 1000°C的溫度下進行鍛造，破壞鑄態組織，提供適宜於熱軋的原料形狀。所述軋制是將鍛造後的合金分別進行900°C 1000°C熱軋及常溫下的冷軋，總道次不大於65，總變形量為90% 99. 5%。熱處理時的合金薄片厚度為0. 02 0. 25mm。本發明製備FemzGiixYyBz磁致伸縮薄片晶體具有較強的取向，從而薄片材料具有良好的立方織構{100}或高斯織構{110}。採用本發明方法所獲得的i^1(l(l_x_y_zGaxYyBz磁致伸縮薄片，沿軋向具有較高的磁致伸縮性能，磁致伸縮係數λ//—般在140Χ10—6以上。 本發明的優點在於(1)開發出的Fei(l(l_x_y_zGaxYyBz磁致伸縮薄片，織構類型理想， 低場磁致伸縮性能優良，電阻率較高；(2)製造工藝簡單，成本低，成品率高，有利於推廣應用。本發明的多晶織構FemzGaxYyBz薄片磁致伸縮性能好，作為換能器的工作元件，可以成倍地提高功率，且具有較好的強度和耐蝕性能，可以在惡劣環境下使用。


圖1為具有取向的Fe82.5Gii17 Ya2Ba3磁致伸縮薄片的X射線衍射圖譜；
圖2為熱處理後F .SGa17Y(}.2Β(,.3薄片沿軋向的磁致伸縮曲線λ〃；圖3為熱處理後F .45Ga17Y0"從.15薄片沿軋向的磁致伸縮曲線λ〃圖4為熱處理後狗82.45Ga17γ 1(1. 5薄片沿軋向的磁致伸縮曲線λ〃；圖5為熱處理後F .SGa17Y(}.2Β(,.3磁致伸縮薄片的00 (」2=45°)圖；圖6為熱處理後狗82.45Ga17Y0"Λ15磁致伸縮薄片的ODF (j2=45°)圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的高性能磁致伸縮薄片的成分為
Fe100-χ-y-zGaxYyBz，實施例1 製備高性能多晶織構i^82.5Gai7 Ya2Ba3磁致伸縮薄片用電子天平稱取設計所需的原料，其中使用純度大於99. 9%的 ^、99. 99%的fei、B和Y， 並多加4%的( 燒損量，採用真空感應熔煉煉製母合金，抽真空度至3 X 10 ,通入氬氣保持真空度至5X 104! 後加熱，原料熔化後精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻，將精煉後的合金澆注成合金錠；
將合金錠在950°C進行鍛造成厚度約為IOmm的近似長方體坯料，破壞鑄態組織，提供適宜於熱軋的原料形狀；
將鍛造後的合金分別進行950°C熱軋、冷軋，總變形量為98%，總道次為50，軋至 0. 2mm ；
對冷軋後的合金薄片進行表面清理，然後抽真空至4Pa，以氬氣作為保護氣氛，在 1200°C保溫6小時，爐冷至730°C保溫3小時，水淬至室溫。圖1為Fe82.5Gii17 Ya2Ba3磁致伸縮薄片的X射線衍射圖，圖2為熱處理後 F^5Ga17Ya2Ba3磁致伸縮薄片的磁致伸縮性能曲線，薄片沿軋向的最大磁致伸縮應變 λ //為145Χ 10_6，其電阻是相同形狀和成分三元!^e-Ga-B合金的2. 8倍。圖5為熱處理後!^m5Ga17Ya2Ba3磁致伸縮薄片的ODF(j2=45°)圖，可以看出，薄片具有明顯的立方織構 {100} ，並開始出現高斯織構{110} 。實施例2 製備高性能多晶織構狗82.456 7 Y0. Ai5磁致伸縮薄片
用電子天平稱取設計所需的原料，其中使用純度大於99. 9%的 ^、99. 99%的fei、B和Y， 並多加4%的( 燒損量，採用真空感應熔煉煉製母合金，抽真空度至3 X IO-2Pa,通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa後加熱，原料熔化後精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻性，將精煉後的合金澆注成合金錠；
將合金錠在1000°C進行鍛造成厚度約為8mm的近似長方體坯料，破壞鑄態組織，提供適宜於熱軋的原料形狀；
將鍛造後的合金分別進行1000°C熱軋、冷軋，總變形量為99%，總道次為59，軋至 0. 08mm ；
對冷軋後的合金薄片進行表面清理，然後然後抽真空至10Pa，在氬氣保護氣氛下，在 1200°C保溫5小時，爐冷至730°C保溫3小時，水冷至室溫。圖3為熱處理後!^e82.45Ga17 Ya4Bai5磁致伸縮薄片的磁致伸縮性能曲線，薄片沿軋向的最大磁致伸縮應變λ 〃為186X10—6，其電阻是相同形狀和成分三元狗-Ga-B產品的 3. 4倍；圖6為熱處理後!^e82.45Ga17 Y0.4B0.15磁致伸縮薄片的ODF (j2=45°)圖，可以看出，薄片具有明顯的立方織構{100}。實施例3 製備高性能多晶織構Fe82.5Gii17 Ya5磁致伸縮薄片
用電子天平稱取設計所需的原料，其中使用純度大於99. 9%的狗、99. 99%的Ga、Y，並多加4%的( 燒損量，採用真空感應熔煉煉製母合金，抽真空度至3 X IO-2Pa,通入氬氣保持真空度至5X 104! 後加熱，原料熔化後精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻，將精煉後的合金澆注成合金錠；
將合金錠在1000°C進行鍛造成厚度約為4mm的近似長方體坯料，破壞鑄態組織，提供適宜於熱軋的原料形狀；
將鍛造後的合金分別進行1000°C熱軋、冷軋，總變形量為99. 5%，總道次為65，軋至0. 02mm;對冷軋後的合金薄片進行表面清理，然後然後抽真空至15Pa，以氬氣作為保護氣氛，再通入0. 003% (體積比)的硫化氫氣體，在750°C保溫10小時，水冷至室溫；最終所獲得的薄片材料的電阻是相同形狀和成分二元i^e-fei產品的5. 1倍，磁致伸縮應變λ//為 171Χ10Λ 表1合金電阻率對比表
合金成分電阻率(Χ1(Γ5Ω ·αη)Fe83Ga176. 573(Fe83Ga17) 0.99B0.018. 069Fe82.5G317Y0.2 . 322.755Fe82. 45^17^0. 4 . 1527. 453Fe82. 45^17^0. 533. 65權利要求
1.一種!^eGaYB薄片狀磁致伸縮材料的製備方法，其特徵在於，所述方法使用的原料成分的通式為FeIOO-χ-y-zGaxYyBz，其中，按原子比計χ=13 24，y=0.廣2，ζ=0 0· 5，餘量為Fe,按照所述原料成分的比例並加入適當燒損配料，將該配料進行冶煉鑄錠；將合金錠進行鍛造、熱軋、冷軋，其中軋制總道次不大於65，總變形量為90% 99. 5% ；隨後採取如下熱處理工藝根據合金成分的不同，在IPalOOI3a條件下，以氬氣或混有0. 001% 0. 008%(體積比)硫化氫的氬氣作為保護氣氛將冷軋後的合金在1100°C 1300°C的溫度下保溫0. 5 8小時，然後爐冷至850°C 650°C保溫1 5小時後水淬至室溫；或在750°C 1000°C保溫 3^15小時後水淬至室溫。
2.根據權利要求1所述的薄片狀磁致伸縮材料的製備方法，其特徵在於，x=16 23，y=0. 2 1. 5，z=0 0. 3。
3.根據權利要求1或2中所述的薄片狀磁致伸縮材料的製備方法，其特徵在於，獲得的 FeGaYB薄片狀磁致伸縮材料厚度為0. 02mm 0. 25mm,磁致伸縮應變λ ,,在140Χ 10_6以上。
全文摘要
本發明屬於磁性材料領域，涉及到一種FeGaYB薄片狀磁致伸縮材料的製備方法。用此法所製得的FeGaYB薄片狀磁致伸縮材料厚度可達0.02mm，其沿軋向的磁致伸縮應變λ//值一般在140ppm以上，其電阻率較高，是同成分Fe-Ga合金的數倍，且成品率很高。所使用的Fe100-x-y-zGaxYyBz原料成分範圍為(原子分數)x=13~24，y=0.01~2，z=0~0.5，餘量為Fe。本發明開發出的Fe100-x-y-zGaxYyBz磁致伸縮薄片，織構類型理想，低場磁致伸縮性能優良，電阻率較高；製造工藝簡單，成本低，成品率高，有利於推廣應用。
文檔編號H01L41/22GK102176507SQ20111006252
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者張茂才, 李紀恆, 肖錫銘, 高學緒 申請人:北京科技大學