专利名称：<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸缩材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种磁致伸縮材料成分及其制备方法。更具体地说，是指一种具有高磁场灵 敏度、<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸缩材料及其制备方法。 背彔技术磁致伸缩材料具有在外加磁场存在时可回复变形和在施加应力时会改变磁性能的特性， 可是所有铁磁性材料，只有在低场下具有大磁致伸縮的材料才适合于像致动器和传感器之类 的用途。早期的磁致伸縮材料如镍基合金和铁基合金，饱和磁致伸縮系数一般在40 100xl0"6 ,由于这类材料的饱和磁致伸縮系数太小，所以适用范围受到限制。后来发现的压 电陶瓷(如钛锆酸铅材料PZT)具有较大的电致伸縮系数，但由于该材料比较脆，使用中很容 易损坏。TbJ)y^合金表面出现很大的基面磁致伸縮(1000xl(y6),但因其有序化温度低以致限 制了它在低温下的应用。RFe2(R是稀土元素)金属间化合物，如Terfenol合金(DyxTbLx)Fez具 有很大的磁致伸縮和较髙的居里温度(在室温以上具有大约为2000xl(^的磁致伸縮)，目前广 为应用的是16迁61101-0成分为0外.771)0.3 62。但Terfenol合金使用时要求很大的饱和磁场，做 成器件时要加较大的偏置磁场，因此器件设计结构复杂由于性质很脆，难以加工成薄板和 丝材，因而Terfenol-D只限于制成棒材用于传感器制动子；此外，它的价格非常昂贵。因此， 人们一直在寻求力学强度高、塑性好在低饱和场下有大磁致伸縮应变的磁致伸縮材料。最近几年人们发现，非磁性元素Ga的掺入能使其磁致伸縮的数值增加十倍乃至几十倍。 目前报道的最大Fe-Ga合金的磁致伸縮系数己达395xl(T6。Fe-Ga磁致伸縮材料常温下的易磁化方向为<100>晶体学方向，当晶体生长的择优取向与 易磁化方向一致时，即择优取向为<100>方向时，具有最大的磁致伸缩应变。目前Fe-Ga单晶 己经制备出了具有〈10O方向的Fe-Ga磁致伸縮材料，但制备单晶样品成本髙，尺寸上也有局 限性，在器件上具有广泛应用价值的是多晶样品。因此制备<100>取向的多晶合金是获得高品 质Fe-Ga磁致伸缩材料的关键技术。中国专利CN 1649183A,公开了一种Fe-Ga磁致伸縮材料及采用区熔法制备Fe-Ga磁致 伸縮材料的方法。但其<100>取向度不高，并且由于区熔法本身的限制，不适合制备大尺寸材 料。中国专利CN 1392616A,公开了一种Fe-Ga磁致伸縮材料及用商温度梯度快速定向凝固 法或提拉法或Bridgman制备单晶或多晶Fe-Ga磁致伸縮材料的方法，其工艺合金熔炼后霈 先浇铸成圆棒，然后去除氧化皮和杂质，再进行定向凝固，工艺较复杂，而且造成了原材料 的浪费。
曰本专利JP2003286550.公开的一种Fe-Ga超磁致伸缩材料，采用快速凝固法制备多晶 Fe-Ga合金，虽然沿带片厚度方向也具有极强的<100>取向，磁致伸缩系数以达400xl0"6,但 是使用中需要很高的磁场(>1000KA/m),磁场灵敏度低，限制了它的应用。美国专利WO0155687和US2003010邻5，公布的Fe—Ga合金，其特点为其制备的单晶 Fe-Ga合金为<100>轴向取向，具有较高的磁致伸縮性能，但其成本较高其采用DS和 DG(directional growth)工艺制备的多晶Fe-Ga合金，虽然其磁致伸縮系数超过150xl0"6，但 DS工艺不能控制温度梯度和冷却速度，因此晶体的结晶取向不能人为控制，很难获得较离的 <100>取向；DG工艺可通过控制温度梯度和冷却速度得到^0O取向的Fe-Ga合金，但需要 先用电弧炉熔炼合金，然后将合金锭放到石英管内加热熔化，再定向凝固，因此工艺也较复 杂。发明内容本发明的目的是提出一种力学强度髙、塑性好具有髙磁场灵敏度的<100>轴向取向的 Fe-Ga磁致伸缩材料。本发明的另一目的是提供一种制备具有<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料的方法。 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案本发明涉及一种大直径<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料，其特征在于材料成分为 Fe"x.yGaxAly,其中x-16 21。/。或25 28 y=0 10%,所述均为原子百分比，余量为铁。FeNx.yGaxAly, x=17 19。/。， y=0，余量为铁。 Fei.x.yGaxAly， x=27 28.5 y=0,余量为铁。Fe|.x.yGaxAly， x=15 17%, y=3 5%，且18 °/^x+yS20%,余量为铁。 本发明的一种制备高磁场灵敏度Fe-Ga磁致伸缩材料的方法为改进的布里奇受(Modified Bridgman)定向凝固法，即合金熔炼后，直接浇铸到所需直径的保温简内，进行晶体生长， 与已有的晶体生长方法相比，省去炼锭工序(所采用的设备有专利号03156926.9)。 本发明的方法包括下列步骤1) 用中频感应熔炼合金。先抽真空至lC^ 10"Pa，然后充入惰性气体，用中频将合金 熔化，待合金完全熔化后，精炼2-10分钟，保证合金成分的均匀性。将精炼的合金浇注到直 径为10 100毫米、加热到1500"的保温筒内。2) 然后用改进的布里奇曼(ModifiedBridgman)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯 度100 200r/cm、晶体生长速度20 400mm/h。3) 热处理条件为在1100 1200TC保温0.5 24小时，炉冷至卯0 750"C保温0.5 24小 时，然后淬火或风冷至室温或者使材料在1100 1200"保温0.5 24小时，炉冷至500 700"保温1 48小时，然后淬火或风冷至室温。本发明公开了一种<100>轴向取向的Fe"Ga磁致伸縮材料，其<100>取向度达96%;其中取向度计算公式:取向因子(取向度)F =Ij/0(200)/(110) + "200) + /(211)(110) + /。 (200) + /。 (211)其中户是取向晶体的X射线衍射峰强度比 A是粉末的衍射峰强度比； /^幼是取向晶体的(hkl)方向衍射峰的相对强度 /t^i^是粉末的(hkl)方向衍射峰的相对强度。 本发明Fe-Ga磁致伸縮材料的优点是<100>取向度达96%，磁场灵敏度高饱和场小 于17kA/m,饱和磁致伸縮系数达320xl0"6，在应用需要很低甚至不需偏置磁场，因此使该材 料的器件结构设计简单。本发明高磁场灵敏度Fe-Ga磁致伸縮材料的制备工艺优点晶体生长方向上的晶体取向 度好，<100>取向度可达96%;工艺流程短，且不会对原材料造成浪费，生产成本低；产品 的尺寸自由度高(直径10 100mm,长度可达300mm),材料性能稳定，适合工业化生产。
图1是<100>取向度为96%的晶体轴向取向x射线衍射图谱。 图2是<100>取向度为60%的晶体轴向取向x射线衍射图谱。 图3是无取向铸态Fe-Ga磁致伸縮材料的x射线衍射图谱。 图中，横坐标为x射线衍射角2e，纵坐标为衍射峰的相对强度。
具体实施例方式以下用实例对本发明作进一歩说明。本发明保护范围不受这些实施例的限制，本发明保 护范围由权利要求书决定。 第1实施例元素Fe重量为0.860 kg, Ga重量为0.273kg，用中频感应熔炼，先抽真空至10"Pa,然 后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼2分钟，保证合金成分的均匀性。 将精炼的合金浇注到直径为10毫米、加热到15001C的保温筒内。然后用改进的布里奇受 (Modified Bridgman)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯度100"/cm、晶体生长速度 20mm/h，获得轴向方向<100>择优取向的高磁场灵敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最终成分为 Fe8lGa19 在1200"保温0.5小时，然后降温到750'C保温24小时，然后风冷。样品<100>取向度为70%,饱和磁场为16.810/111，饱和磁致伸縮系数为200xl0"6。第2实施例元素Fe重量为0.860 kg, Ga重量为0.252kg, Al重量为0.015kg,用中频感应熔炼，先 抽真空至10'2Pa,然后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼6分钟，保
证合金成分的均匀性。将精炼的合金錄注到直径为100毫米、加热到15001C的保温简内.然 后用改进的布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法进行晶体生长,控制温度梯度200"/cm、 晶体生长速度400mm/h,获得轴向方向<100>择优取向的高磁场灵敏度的Fe>Ga磁致伸縮材 料，条终成分为Fe8。Gal7Al3。在IIOO"保温24小时，然后降温到卯O^C保温0.5小时，然后 淬冷。样品<100>取向度为80%,饱和磁场为16.8kA/m，饱和磁致伸縮系数为260xl(T6。 第3实施例元素Fe重量为0.860 kg, Ga重量为0.230kg, Al重量为0.025kg,用中频感应熔炼，先 抽真空至10'3Pa，然后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼4分钟，保 证合金成分的均匀性。将精炼的合金浇注到直径为30毫米、加热到15001C的保温筒内。然 后用布里奇曼(ModifiedBridgm助)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯度150*C/cm、晶 体生长速度200mm/h,获得轴向方向<100>择优取向的高磁场灵敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料, 最终成分为Fe81GalsAl4。在600"C保温48小时然后淬火。样品<100>取向度为96%,饱和磁场为16.1 kA/m,饱和磁致伸縮系数为330xl(T6。第4实施例元素Fe重量为0.860 kg, Ga重量为0.330kg，用中频感应熔炼，先抽真空至l(T3Pa,然 后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼3分钟，保证合金成分的均匀性。 将精炼的合金浇注到直径为30毫米、加热到1500^C的保温筒内。然后用布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯度150'C/cm、晶体生长速度200mm/h,获 得轴向方向<100>择优取向的髙磁场灵敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最终成分为Fe72.5Ga27.5。 在70(TC保温1小时，然后风冷。样品<100>取向度为95%,饱和磁场为16.1 kA/m,饱和磁致伸缩系数为320xl(T6。第5实施例元素Fe重量为0.860 kg, Ga重量为0.264kg，用中频感应熔炼，先抽真空至l(T2Pa,然 后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼4分钟，保证合金成分的均匀性。 将精炼的合金浇注到直径为55毫米、加热到1500X:的保温筒内。然后用布里奇曼(Modified Bridgman)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯度120匸/cm、晶体生长速度160mm/h,获 得轴向方向〈10O择优取向的髙磁场灵敏度的Fe-Ga磁致伸縮材料，最终成分为FeS2Ga,8。在 1150"C保温1小时，然后降温到800"保温4小时，然后风冷。样品<100、取向度为85%,饱和磁场为16.1 kA/m,饱和磁致伸缩系数为283xl0'6。第6实施例元素Fe重i为0.860 kg， Ga重量为0.264kg，用中频感应熔炼，先抽真空至10"Pa，然 后充入氩气，用中频将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼3分钟，保证合金成分的均匀性。 将精炼的合金浇注到直径为30毫米、加热到15001C的保温筒内。然后用布里奇叟(Modified Bridgman)定向凝固法进行晶体生长，控制温度梯度150匸/cm、晶体生长速度230mm/h，获
得轴向方向^0O择优取向的髙磁场灵敏度的Fe"Ga磁致伸縮材料，最终成分为FeKGalg。在5(KTC保温1小时，然后风冷。样品<100>取向度为93%,饱和磁场为16.1 kA/m,饱和磁致伸縮系数为310xl0"6。
权利要求
1、一种<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸缩材料，其特征在于晶体生长方向为<100>取向，其取向度大于70％；材料成分为Fe1-x-yGaxAly，其中x＝15～21％或25～28％，y＝0～10％，所述均为原子百分比，余量为铁。
2、 如权利要求书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 为铁。
3、 如权利要求书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 量为铁。
4、 如权利要求书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，余量为铁。
5、 一种制备权利要求l所述的^0O轴向取向的Fe-Ga磁致伸縮材料的方法，其特征在 于它包括下列步骤1) 中频感应熔炼合金先抽真空至1(^ 10"Pa,然后充入惰性气体，再将合金熔化，待合金完全熔化后，精炼2-10分钟，保证合金成分的均匀性;将精炼的合金浇注到直径为10 100毫米、加热到150(TC的保温筒内；2) 然后用改进的布里奇曼定向凝固法进行晶体生长控制温度梯度100 200"/cm、晶 体生长速度20 400mm/h;3) 热处理条件为在U00 1200"保温0.5 24小时，炉冷至卯0 750"保温0.5 24小 时，然后淬火或风冷至室温；或者使材料在1100 1200"C保温0.5 24小时，炉冷至500 70(TC保温1 48小时，然后淬火或风冷至室温。
6、 一种传感器、换能器或致动器，包含如权利要求l所述的Fe—Ga磁致伸縮材料。
全文摘要
本发明公开了一种<100>轴向取向的Fe-Ga磁致伸缩材料及其制备方法，材料成分为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％，余量为铁；其制备方法为先将原材料在惰性气体保护下熔炼，然后用改进的布里奇曼法定向凝固制备Fe-Ga磁致伸缩材料；热处理条件为在1100～1200℃保温0.5～24小时，炉冷至900～750℃保温0.5～24小时，然后淬火或风冷至室温；或者使材料在1100～1200℃保温0.5～24小时，炉冷至500～700℃保
文档编号C21D1/18GK101109057SQ20061008978
公开日2008年1月23日 申请日期2006年7月17日 优先权日2006年7月17日
发明者于敦波, 张世荣, 李勇胜, 李扩社, 李红卫, 杨红川, 王鹏飞 申请人:北京有色金属研究总院;有研稀土新材料股份有限公司