Tb-Dy-Fe巨磁致伸缩合金在静磁场诱导下的定向凝固

论文摘要

磁致伸缩材料的主要功能是实现电信号和机械信号之间的转换。具有实用价值的巨磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe自上世纪70年代问世以来,最先用于军事方面的声纳装置。在上世纪90年代以来,在民用工业领域的用途不断取得拓展,到目前已形成5亿美元以上并在不断增长的市场。巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能具有各向异性,对于Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金,晶体沿易磁化轴<111>取向可以获得最佳的磁致伸缩性能。但是采用传统的定向凝固技术只能获得<112>和<110>择优取向。运用籽晶技术在提拉法中可以获得<111>取向,但这种方法工艺较复杂,并且成分沿棒的轴向不一致。因而寻找一种有工业价值的方法制备沿轴向<111>取向的Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金是有意义的。近20来年的研究表明,磁性材料在磁场中凝固可以直接制备沿易磁化轴或难磁化轴取向的晶体。在磁场中取向的机理与传统定向凝固中晶体取向生长的机理完全不同,在传统的定向凝固中,热流沿着单一方向导出,沿着热流方向形核晶粒经竞争生长后在液固界面以最小界面能的晶面不断向液相延伸,界面的过冷因素最终修正定向生长的晶体取向。而在磁场中非定向传热的凝固,形核单晶晶粒的磁能与环境的无序扰动能的对比决定晶体的取向,在液相占主体的固液相中环境的无序扰动因素主要包括热无序效应和熔体的湍流。静磁场的作用在于抑制熔体湍流的同时为形核单晶提供克服熔体粘性和热无序效应的平行于磁场方向的磁能,从而实现晶体在凝固过程的取向。对于有各向异性的磁性材料,抗磁性材料能够获得沿难磁化轴取向的晶体组织,铁磁性材料等则获得沿易磁化轴取向的晶体组织。由于设备方面的因素,对于高温和远高于居里点的情况下,磁性材料在凝固中取向的基本条件还缺乏较为定量的研究和认识,因而该技术到目前还未能得到工业化运用。我们自制了简易的磁场装置,该磁场装置可以安置在超高温度梯度定向凝固的真空容器中。当熔体以较慢的冷却速率凝固时,磁场装置可以提供140mT的磁场强度。试验采用高频加热。在140mT的静磁场中,在较慢冷却速率的样品中,平行于磁场方向的织构开始出现。对于φ16mm×18mm的Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金,当冷却速率为0.8℃/min时,在试样的中部以平行于磁场的<111>取向的晶体组织为主,沿易轴取向的晶体组织约占70%。取向的晶体组织以平行于磁场方向的片状的Laves相为主。晶粒粗大,粗大的晶粒有利于磁致伸缩性能。当磁场为0时,在同样的冷却速率下,晶体组织是非取向的。在同为立方Laves相ReFe系的磁致伸缩材料中,室温状态与Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金相比,TbFe2和DyFe2具有强的磁晶各向异性。在与Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金接近的凝固参数和磁场条件下,TbFe1.9和DyFe1.9合金同样能获得沿易磁化轴取向的晶体,其中TbFe1.9以<111>为取向,DyFe1.9以<100>为取向。Tb0.3Dy0.7Fe1.9和TbFe2合金的磁晶各向异性常数K1为负,DyFe2合金的磁晶各向异性常数K1为正,因而他们的易磁化轴取向不同。但是在我们的试验中,TbFe2和DyFe2并未比室温下磁晶各向异性接近软磁的Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金表现出更为优异的顺磁生长特性,可能这与它们在高温下的各向磁化率Δχ的差别减少有关。在试验中,对于影响晶体取向的其他因素也进行了初步研究。材料的成分被发现对晶体取向的影响较大,对于RFex合金,当铁含量趋于x≥2时,液固相中将有过量的RFe3相析出,其次,随着铁含量的增加,液固并存的两相区的温度区间大大减少,这样在凝固时随着温度的降低,固相迅速增加、熔体的粘度上升很快因而不利于晶体取向。因此控制好RFex合金的材料成分有利于获得良好的晶体取向。在磁场中定向的Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金在18.7MPa的压应力和6900Oe的磁场中的磁致伸缩系数可以达到1700ppm,这一数值要高于磁场预取向粉末冶金法制备的产品,低于籽晶法制备的单晶<111>取向的性能。可以预计在实际运用中,随着取向度的增加和晶体质量的改善,用这种技术可以制备更高磁致伸缩系数的Tb0.3Dy0.7Fe1.9合金。试验表明,降低熔体的冷却速率,可以大大降低熔体的湍流程度,这意味着慢凝的熔体的湍流可以被较弱的静磁场所抑制。在这里需指出的是熔体的湍流被抑制与熔体内部的运动被抑制是有区别的,前者指湍流向层流转变,熔体内部的运动仍是存在的,熔体内部的运动被抑制需要很强的磁场。湍流被抑制就已经可满足晶体取向所需要的较均匀的温度场的要求。综合这些内容,文中给出了磁场中凝固取向控制的参考模型。许多铁磁性材料由于在高温熔点附近具有相对较高的残余磁晶各向异性,因而在磁场中凝固时应当有着优良的顺磁生长特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 参考文献
• 第一章 文献综述
• 1.1 磁致伸缩及磁致伸缩材料
• 1.1.1 磁性及磁性材料
• 1.1.2 磁晶各向异性和磁致伸缩效应
• 1.1.3 磁致伸缩材料和稀土巨磁致伸缩材料
• 1.1.4 巨磁致伸缩材料的应用
• 1.2 Tb-Dy-Fe 合金及其制备
• 1.2.1 Tb-Dy-Fe 材料的研究
• 1.2.2 Tb-Dy-Fe 合金的制备
• 1.2.2.1 传统的定向凝固技术
• 1.2.2.2 定向凝固技术在Tb-Dy-Fe 合金制备中应用
• 1.2.2.3 Tb-Dy-Fe 的生长取向和组织
• 1.2.2.4 单一方向传热的定向凝固中的晶体择优取向
• 取向的Tb-Dy-Fe 单晶的研究'>1.2.2.5 制备<111>取向的Tb-Dy-Fe 单晶的研究
• 1.3 磁场作用与晶体取向
• 1.3.1 粉末冶金法中的磁场预取向
• 1.3.2 磁场热处理和材料微观结构的变化
• 1.3.3 磁场中的凝固
• 参考文献
• 第二章 实验装置与实验方法
• 2.1 静磁场装置
• 2.2 实验布局图
• 2.3 实验材料及分析方法
• 2.3.1 实验用原材料
• 2.3.2 成分控制和分析
• 2.3.3 取向测定
• 2.3.4 金相分析
• 2.3.5 磁致伸缩性能测定
• 参考文献
• 0.3Dy_0.7Fe_1.9合金在磁场中的凝固'>第三章 Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.9合金在磁场中的凝固
• 3.1 实验方法
• 3.2 磁场中凝固的组织形态演变
• 3.3 材料的成分
• 3.4 不同冷却速率的试样取向的变化
• 3.4.1 试样在不同冷却速率的X 射线图
• 3.4.2 极图的演变
• 3.5 定向试样内部的织构变化
• 3.5.1 定向试样的宏观组织
• 3.5.2 定向试样内部的织构
• 3.5.3 加热方式对晶体取向的影响
• 3.6 磁致伸缩性能
• 3.7 本章结论
• 参考文献
• 1.9和DyFe_1.9合金在磁场中凝固的取向'>第四章 TbFe_1.9和DyFe_1.9合金在磁场中凝固的取向
• 1.9 合金在磁场中的凝固'>4.1 TbFe_1.9合金在磁场中的凝固
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 试验结果
• 1.9 合金的成分变化'>4.1.2.1 TbFe_1.9合金的成分变化
• 4.1.2.2 在磁场中不同冷却速率凝固的晶体取向
• 1.9 合金定向样品的磁致伸缩性能'>4.1.3 TbFe_1.9合金定向样品的磁致伸缩性能
• 1.9 合金在磁场中的凝固'>4.2 DyFe_1.9合金在磁场中的凝固
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 试验结果
• 1.9 合金定向样品的磁致伸缩性能'>4.2.3 DyFe_1.9合金定向样品的磁致伸缩性能
• 4.3 本章结论
• 参考文献
• 第五章 影响在磁场中凝固的晶体取向的其他因素
• 5.1 磁场强度对凝固中晶体取向的影响
• 5.1.1 试验方法
• 5.1.2 试验结果
• 5.2 熔体温度对晶体取向的影响
• 5.3 材料成分与凝固过程中晶体取向
• 5.4 本章结论
• 参考文献
• 第六章 磁性材料在磁场中凝固取向的机理与控制模型
• 6.1 磁性材料在磁场中凝固取向的热力学关系
• 6.1.1 磁性体的热力学关系
• 6.1.2 磁化功和磁晶各向异性
• 6.1.3 热力学平衡条件下自由单晶的晶体取向
• 6.2 磁性材料在磁场中凝固的动力学机制
• 6.2.1 磁晶各向异性能和晶粒临界体积
• 6.2.2 磁力矩和液相阻力矩
• 6.3 湍流及静磁场对熔体的作用
• 6.3.1 湍流的产生
• 6.3.2 静磁场对熔体的作用
• 6.4 磁性材料在磁场中凝固取向的临界条件
• 6.4.1 晶体取向条件与材料的Δχ
• 6.4.2 磁场对熔体中湍流的抑制
• 6.4.3 凝固过程中熔体湍流的抑制
• 6.4.4 磁性材料在磁场中凝固的有效取向
• 6.5 本章结论
• 参考文献
• 第七章 结论和创新性总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的专业论文与专利
• 获奖情况
• 上海交通大学学位论文答辩决议书