论文摘要
磁致伸缩材料是一种新型功能材料,在外磁场作用下会发生长度或者体积的宏观变化,是重要的传感和微驱动材料。目前磁致伸缩材料的研究和工程应用,主要以Tefenol-D和新型Fe-Ga合金为主。而Tefenol-D尽管磁致应变巨大,但由于脆性大和成本高的原因限制了其应用范围。而新型Fe-Ga合金具有优异力学性能和成本低廉等优点,同时实验获得了最高达1300ppm的大磁致伸缩性能,使其具有较高的工程应用价值。本文采用熔融玻璃结合循环过热的方法,使Fe-27.5 at.% Ga合金获得了0370 K的过冷度,并通过激发过冷合金熔体获得了80 K过冷度下的定向凝固棒材。文章系统地研究了不同过冷度下的相结构和凝固组织演化,并开展了对定向凝固试样的凝固组织和磁致伸缩性能的研究。首先通过熔融玻璃结合循环过热的方法,对Na2B4O7,90% Na-Si-Ca+10% B2O3（记作Na-Si-Ca-B玻璃）和9.4% SiO2+84.6% Na2B4O7+6% CaO（记作Na-B-Si玻璃）对Fe72.5Ga27.5合金的过冷效果分别做了分析。发现经过Na-Si-Ca-B玻璃净化后,Fe72.5Ga27.5合金出现了严重的Ga元素损耗,而Na2B4O7的过冷效果十分不稳定。采用Na-B-Si玻璃作为净化剂,Fe72.5Ga27.5合金获得了最高达300 K以上的深过冷,并可有效避免Ga元素损失的发生。此外,还讨论了其他实验因素对于获得过冷度的影响,然后研究了过冷Fe72.5Ga27.5合金的相结构特征与凝固组织的演化。低过冷度下（ΔT≤200K ）,合金组织以亚稳相D03为主,L12、B2和A2等相同时存在;中等过冷度下（ 200K≤ΔT≤300K ）,相结构完全是亚稳相D03,而L12,A2等相结构在此过冷度范围内急剧减少;大过冷度下（ 300K≤ΔT ）,相结构仍是以亚稳相D03为主,同时出现了新相。由XRD图谱和DSC曲线判断,有可能是在之前报道中提到的变形D03相（ Modified-D03）。Fe72.5Ga27.5合金的凝固组织演化随合金过冷度呈现出一定的规律性。在低过冷度下（ΔT≤200K ）,凝固组织为破碎的树枝晶和少量的粒状晶;在中等过冷度下（ 200K≤ΔT≤300K ）,凝固组织呈现为等轴晶和残余的细小破碎枝晶;当合金在350 K过冷度以上凝固时,凝固组织则转变为一种非正常的粗大晶粒最后,还对深过冷快速定向凝固试样的凝固组织和磁致伸缩性能进行了研究。发现沿定向凝固生长方向微观组织依次呈现细等轴晶区—柱状晶区—粗等轴晶区的演化规律。沿合金棒生长方向XRD的（200）晶面衍射峰逐渐增强,并在棒材顶部位置强度超过[110]衍射峰,这一现象与凝固过冷度随凝固界面位置推进而下降有关。在柱状晶去区磁致伸缩应变达到最大值296ppm。根据之前的分析,我们认为凝固组织沿轴向方向高度的[100]织构以及快速凝固过程中出现的变形D03结构是磁致伸缩性能大大提高的主要因素。