快淬Fe-Ga合金薄帶的顯微組織和磁致伸縮性能

劉芬霞

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050）

快淬Fe-Ga合金薄帶的顯微組織和磁致伸縮性能

劉芬霞

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050）

采用熔體快淬的方法成功制備了名義成分分別為Fe100-iGai（i=21，18，17）的合金薄帶。重點(diǎn)研究了旋轉(zhuǎn)速率分別為12 m/s、15 m/s、20 m/s條件下Fe83Ga17合金薄帶的組織、成分和磁致伸縮性能。研究發(fā)現(xiàn)：合金的組織結(jié)構(gòu)及磁致伸縮性能與快淬時(shí)的冷卻速率密切相關(guān)。對(duì)輥速分別為12 m/s、15 m/s、20m/s所制得的Fe83Ga17合金快淬薄帶的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輥速由20 m/s降低到12 m/s時(shí)，其相應(yīng)的磁致伸縮數(shù)值呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。在20 m/s ～15 m/s的變化條件下，晶格畸變?cè)黾硬]有使得磁致伸縮數(shù)值有所提高；而當(dāng)輥速下降到12 m/s時(shí)，所制備的Fe83Ga17合金薄帶的磁致伸縮系數(shù)值λ呈現(xiàn)出最高，達(dá)到了65×10-6；通過XRD分析，不同旋轉(zhuǎn)速率條件制備的合金薄帶在（110）晶面和（200）晶面上呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向，且在12 m/s輥速下制備的快淬Fe83Ga17薄帶中，該取向性最明顯。分析認(rèn)為：富Ga相的析出不利于磁致伸縮系數(shù)的提高。

Fe-Ga合金；熔體快淬；晶格畸變；磁致伸縮

引言

磁致伸縮材料是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的新型功能材料，以其磁致伸縮系數(shù)大、機(jī)械響應(yīng)高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械、醫(yī)療等領(lǐng)域。這類材料的理論基礎(chǔ)是鐵磁材料在磁場作用下發(fā)生長度或體積變化，其中長度的變化稱為線性磁致伸縮，體積的變化稱為體積磁致伸縮。磁致伸縮材料的長度在磁場作用下會(huì)發(fā)生改變，同樣可以產(chǎn)生位移從而做功；如果將其置于交變磁場中，便可發(fā)生伸長與縮短，且具有與磁場變化周期相同的反復(fù)性，這樣便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)從而產(chǎn)生聲波，因此該材料可以實(shí)現(xiàn)電磁能到機(jī)械能或聲能的轉(zhuǎn)換，也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電磁能的轉(zhuǎn)換，是一種重要的搭建信息與能量橋梁的功能材料［1］。

稀土超磁致伸縮材料（主要以Tb-Dy-Fe為代表）［2］指的是稀土-鐵系金屬間化合物，雖然這類材料的磁致伸縮數(shù)值可以達(dá)到2×10-9，但是飽和磁場高、質(zhì)地脆、原材料成本高、材料尺寸小。近幾年研究人員發(fā)現(xiàn)如果將非磁性元素Ga加入Fe中，這樣形成的Fe-Ga合金的磁致伸縮數(shù)值可以增加數(shù)十倍［2］，而且Fe-Ga合金相比稀土超磁致伸縮材料將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用，尤其適用于具有強(qiáng)沖擊、強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)腐蝕、大負(fù)荷等非常惡劣的條件。由于Fe-Ga合金的相結(jié)構(gòu)與其磁致伸縮性能的聯(lián)系極為敏感，而材料的相結(jié)構(gòu)由其熱處理歷史及制備方法所決定，因此對(duì)Fe-Ga合金的熱處理工藝及制備方法的研究具有積極意義［3-7］，如提高其磁致伸縮性能。本論文著重研究不同甩速對(duì)甩帶急冷試樣的室溫相組成、微觀結(jié)構(gòu)及對(duì)磁致伸縮性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用純度為99.9%的Fe和99.99%的Ga元素，在真空電弧熔煉爐中熔煉配制母合金錠，合金名義成分為Fe100-iGai（x=21，18，17）。利用熔體快淬設(shè)備，在氬氣保護(hù)條件下，制備出寬度0.95～2.18 mm，厚度為75～180 μm的合金薄帶。用D/MAX-RB型X射線衍射儀確定薄帶的取向及相組成。采用探針對(duì)合金進(jìn)行成分分析。利用MeF3大型金相顯微鏡對(duì)薄帶的顯微組織進(jìn)行觀察。利用磁致伸縮參數(shù)測量儀（型號(hào)為JDM-30）對(duì)樣品的磁致伸縮數(shù)值進(jìn)行測量，方向沿薄帶長度，磁場方向與帶面平行。

2 磁致伸縮性能分析

采用標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變法測量Fe83Ga17合金薄帶的磁致伸縮應(yīng)變值結(jié)果如圖1所示，給出了不同輥速下的Fe83Ga17合金薄帶其磁致伸縮應(yīng)變值與磁場的關(guān)系曲線。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著磁場強(qiáng)度的增加，薄帶在沿長度方向上發(fā)生了伸縮。當(dāng)外加磁場為75 kA/m時(shí)，bd-17-12，bd-17-15，bd-17-20分別達(dá)到了（65，30.5， 14）×10-6。很明顯，bd-17-12的磁致伸縮數(shù)值最大，接著是bd-17-20，最后是bd-17-15。它們這種變化趨勢與晶體的結(jié)構(gòu)和微觀組織形貌是有必然聯(lián)系的。

圖1　不同輥速下薄帶的磁致伸縮值與磁場的關(guān)系曲線圖

通過對(duì)XRD的分析可知，對(duì)于Fe83Ga17合金薄帶，隨著冷卻速度的降低晶格畸變逐漸增大。結(jié)合不同輥速下的Fe83Ga17合金薄帶磁致伸縮應(yīng)變值的變化趨勢來看，當(dāng)輥速由20 m/s降到12 m/s時(shí)，其相應(yīng)的磁致伸縮數(shù)值呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。在20 m/s ～ 15 m/s的變化條件下，晶格畸變?cè)黾硬]有使得磁致伸縮數(shù)值呈現(xiàn)出提高的變化趨勢；而當(dāng)輥速降到12 m/s時(shí)，所制備的Fe83Ga17合金薄帶的磁致伸縮系數(shù)值λ呈現(xiàn)出最高?？梢姡诔煞忠欢ǖ那闆r下，當(dāng)冷卻速度不同時(shí)，其對(duì)Fe-Ga合金薄帶磁致伸縮的影響也不同，這種現(xiàn)象可能與其內(nèi)部的組織有關(guān)系，且可能有以下三點(diǎn)影響：一是Ga原子固溶在α-Fe中的占位不同；二是Clark等人提出在Fe-Ga合金中存在的Do3相具有一定的有序度；三是這種Do3相含量的多少。這些問題都有待進(jìn)一步研究。

另外，結(jié)合前述分析，認(rèn)為富Ga相的大量析出不利于磁致伸縮系數(shù)的提高，但富Ga相含量為多少時(shí)磁致伸縮性能有待進(jìn)一步研究。在12 m/s輥速下制備的快淬Fe83Ga17薄帶的磁致伸縮系數(shù)值λ最大，推測是與其沿薄帶厚度方向存在各向異性以及（110）晶面的取向性最為明顯，具有一定的相關(guān)性。

3 結(jié)論

采用熔體快淬的方法，在輥速分別為12 m/s、15 m/s、20 m/s下制備Fe83Ga17合金薄帶，研究發(fā)現(xiàn)：

（1） 合金組織結(jié)構(gòu)及磁致伸縮性能與快淬時(shí)的冷卻速率密切相關(guān)。隨著冷卻速率的降低，固溶到α-Fe相中的Ga元素所造成的晶格畸變不斷增加；輥速由20 m/s降低到12 m/s時(shí)，其相應(yīng)的磁致伸縮數(shù)值呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。在20 m/s ～ 15 m/s的變化條件下，晶格畸變?cè)黾硬]有使得磁致伸縮數(shù)值有所提高；而當(dāng)輥速下降到12 m/s時(shí)，所制備的Fe83Ga17合金薄帶的磁致伸縮系數(shù)值λ呈現(xiàn)出最高，在外加磁場為75 kA/m時(shí)，達(dá)到了65×10-6。

（2） 富Ga相的析出對(duì)提高磁致伸縮數(shù)值不利。

（3） 由不同轉(zhuǎn)速制備的合金薄帶在（110）晶面和（200）晶面上呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向，且在12 m/s輥速下制備的快淬Fe83Ga17薄帶中，該取向性最明顯，這種各向異性對(duì)磁致伸縮有所貢獻(xiàn)。

［1］周壽增， 董清飛. 超強(qiáng)永磁體—稀土鐵系永磁材料［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社， 1999.

［2］徐翔， 蔣成保， 徐惠彬. Fe72.5Ga27.5合金的相結(jié)構(gòu)和磁致伸縮性能［J］. 金屬學(xué)報(bào)， 2005， 41（5）: 483-486.

［3］韓志勇， 張茂才， 高學(xué)緒， 等. 〈110〉軸向取向Fe83Ga17合金中原子間作用與磁致伸縮的關(guān)系［J］. 功能材料， 2004， 35（5）: 548-549.

［4］劉國棟， 李養(yǎng)賢， 胡海寧， 等. 甩帶Fe85Ga15合金的巨磁致伸縮研究［J］. 物理學(xué)報(bào)， 2004， 53（9）: 3191-3195.

［5］劉國棟， 李養(yǎng)賢， 曲靜萍， 等. 團(tuán)簇對(duì)甩帶Fe-Ga合金磁致伸縮的貢獻(xiàn)［C］// 全國磁性薄膜與納米磁學(xué)會(huì)議， 2004.

［6］江洪林. Fe-Ga合金組織結(jié)構(gòu)和磁致伸縮性能的研究［D］. 北京:北京科技大學(xué)， 2006.

［7］張艷龍. 磁致伸縮材料Fe-Ga合金的研究［D］. 甘肅: 蘭州理工大學(xué)， 2009.

劉芬霞（1972-），女，甘肅，漢，講師。研究方向：材料物理與化學(xué)。

Microstructure of Quenched Fe-Ga Alloy Strip and Magnetostrictive Properties

Fenxia Liu（College of Technology and Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu， 730050， China）

The Fe100-iGai（i=21， 18， 17） alloy ribbons are prepared by the melt-spun. The correlative relationship between the form， composition and the magnetostriction of the Fe83Ga17alloy ribbons are investigated emphatically in this paper while the turning speed of the roller is 12， 15， 20 m/s， respectively. It shows that the form structure and magnetostriction of the alloy ribbons are related to the colling rate of the melt-spun. While the speed falls to 12 m/s， the magnetostriction of the alloy ribbons falls then rises；while the speed falls to 15 m/s， the increasing lattice distortion does not improve. The max-value 65×10-6of λ has been obtained in the Fe83Ga17ribbon with the roller speed of 12 m/s. The XRD analysis shows that the alloy ribbons prepared in different roller speed are preferred to growth in the （110） and （200）crystal faces， especially the Fe83Ga17alloy ribbon prepares in the speed of 12m/s， and the rich Ga phase precipitation is to the disadvantage of improving the magnetostriction coefficient.

Fe-Ga Alloy； Melt-spun； Lattice Distortion； Magnetostriction

TG113

A

2095-8412 （2016） 04-676-03

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.025