Fe_Ga磁致伸缩材料研究进展_胡权霞
Fe-Ga(Al)磁致伸缩合金薄带与涂层的制备、性能及应用基础研究
Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带与涂层的制备、性能及应用基础研究摘要：磁致伸缩合金（Magnetostrictive Alloy）是一种可以通过磁场改变形状的智能材料，广泛应用于微机电系统和磁传感器等领域。
Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金因其良好的磁致伸缩性能和良好的可加工性，受到了研究者的广泛关注。
本文通过粉末冶金法、高速扫描恒温电沉积法等方法制备了Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带和晶界涂层。
通过SEM/EDX、XRD等测试手段对其组织结构、化学成分、磁性能进行了研究。
结果表明，通过合适的制备工艺可以获得良好的组织结构和磁性能。
同时，利用磁致伸缩法、电阻法等测试手段，研究了增大外场、温度等因素对Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带的影响。
最后探讨了Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带和涂层在微机电系统、磁传感器等领域的应用前景。
关键词：磁致伸缩合金；Fe-Ga（Al）；薄带；涂层；微机电系统；磁传感器Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带与涂层的制备、性能及应用基础研究1.引言磁致伸缩材料是一类通过外界磁场作用而发生形状变化的智能材料。
近年来，随着微机电系统、磁传感器等领域的发展，磁致伸缩材料逐渐得到了广泛的应用和关注。
作为磁致伸缩材料中的重要一类，Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金因其优异的磁致伸缩性能和良好的可加工性，被广泛应用于微机电系统、磁传感器等领域。
2.实验部分2.1材料制备本研究采用粉末冶金法和高速扫描恒温电沉积法制备了Fe-Ga （Al）磁致伸缩合金薄带和晶界涂层。
具体步骤如下：2.1.1粉末冶金法（1）准备原料本研究采用高纯度的Fe、Ga（Al）粉末作为原料，按照质量比为Fe：Ga（Al）=2：1的比例混合。
（2）混合将Fe、Ga（Al）粉末混合，并利用球磨机在紫外灯照射下滚球混合2h，直至混合均匀。
（3）冶炼将混合后的粉末装入石墨舟中，进行氩气保护下的真空感应熔炼，得到熔融合金。
（4）轧制将熔融合金进行轧制，得到Fe-Ga（Al）磁致伸缩合金薄带。
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展摘要：与稀土磁致伸缩材料Tefernol-D相比，Fe-Ga合金具有饱和磁场低、磁导率高、强度高、脆性小和温度特性好等特点，其潜在的应用范围更为广泛，尤其适用于强震动、大负荷、强腐蚀等较为恶劣的工作环境。
本文重点介绍了Fe-Ga 合金磁致伸缩的变形机制、制备工艺、合金成分、微观结构及性能等方面的研究进展。
关键词：Fe-Ga合金磁致伸缩研究进展0 引言磁致伸缩材料由于具有磁一弹耦合系数大、输出应力大、机械响应快、稳定性强等优良特性，在机器人、汽车、制动器、传感器、换能器、位移控制器、高能微动力装置、声学、磁学等领域呈现出重要的使用价值及广阔的应用前景。
从应用的角度看，具有良好工业应用前景的磁致伸缩材料一般应具有以下几个方面的特征：磁致伸缩系数大，能将更多的磁能转化为机械能；驱动磁场较小，能在较低的磁场下实现较大的磁致伸缩应变；居里温度较高，能广泛应用于各种高温环境；材料成本较低，制备工艺简单。
目前被广泛应用的磁致伸缩材料是以Terfenl-D为代表的稀土金属间化合物，它们的磁致伸缩值一般在(1000～2000)×10−6之间，但是由于在一般应用中需要较高的磁场，而且本身比较脆，另外由于重稀土Tb、Dy价格昂贵，生产成本较高，限制了Terfenl-D的应用。
以Heusler合金Ni2MnGa为代表的铁磁形状记忆合金由于兼有热弹性马氏体相变应变和磁控形状记忆效应，其磁控形状记忆效应兼具输出应变大、响应频率快等特点，因而在磁致伸缩材料方面也有较广阔的应用前景。
但该合金居里温度较低、所需驱动磁场大、材料脆性高等，不能很好地满足实际应用需要，国内外许多研究小组正在采取替代、掺杂、改进制备工艺等方法来积极改进该材料的性能，但仍不太理想。
近几年研究人员发现，在Fe中加入非磁性元素Ga能使其磁致伸缩系数增加十倍乃至几十倍，纯铁的磁致伸缩系数仅20×10−6左右，而加入Ga之后，其单晶体沿〈100〉晶向的饱和磁致伸缩系数达到400×10−6。
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展摘要：与稀土磁致伸缩材料Tefernol-D相比，Fe-Ga合金具有饱和磁场低、磁导率高、强度高、脆性小和温度特性好等特点，其潜在的应用范围更为广泛，尤其适用于强震动、大负荷、强腐蚀等较为恶劣的工作环境。
本文重点介绍了Fe-Ga 合金磁致伸缩的变形机制、制备工艺、合金成分、微观结构及性能等方面的研究进展。
关键词：Fe-Ga合金磁致伸缩研究进展0 引言磁致伸缩材料由于具有磁一弹耦合系数大、输出应力大、机械响应快、稳定性强等优良特性，在机器人、汽车、制动器、传感器、换能器、位移控制器、高能微动力装置、声学、磁学等领域呈现出重要的使用价值及广阔的应用前景。
从应用的角度看，具有良好工业应用前景的磁致伸缩材料一般应具有以下几个方面的特征：磁致伸缩系数大，能将更多的磁能转化为机械能；驱动磁场较小，能在较低的磁场下实现较大的磁致伸缩应变；居里温度较高，能广泛应用于各种高温环境；材料成本较低，制备工艺简单。
目前被广泛应用的磁致伸缩材料是以Terfenl-D为代表的稀土金属间化合物，它们的磁致伸缩值一般在(1000～2000)×10−6之间，但是由于在一般应用中需要较高的磁场，而且本身比较脆，另外由于重稀土Tb、Dy价格昂贵，生产成本较高，限制了Terfenl-D的应用。
以Heusler合金Ni2MnGa为代表的铁磁形状记忆合金由于兼有热弹性马氏体相变应变和磁控形状记忆效应，其磁控形状记忆效应兼具输出应变大、响应频率快等特点，因而在磁致伸缩材料方面也有较广阔的应用前景。
但该合金居里温度较低、所需驱动磁场大、材料脆性高等，不能很好地满足实际应用需要，国内外许多研究小组正在采取替代、掺杂、改进制备工艺等方法来积极改进该材料的性能，但仍不太理想。
近几年研究人员发现，在Fe中加入非磁性元素Ga能使其磁致伸缩系数增加十倍乃至几十倍，纯铁的磁致伸缩系数仅20×10−6左右，而加入Ga之后，其单晶体沿〈100〉晶向的饱和磁致伸缩系数达到400×10−6。
Fe-Ga合金磁致伸缩性能的研究进展
Ｆ— ｅＧａ合 金 磁 致 伸 缩 性 能 的 研 究 进 展 ＊
张光 睿 ，江 丽 萍 ，吴双 霞 ，郝 宏 波
（ 头 稀 土 研 究 院 ，内 蒙古 包 头 包 摘 ０ ４ １） １０ ０
要 ： 绍 了 Ｆ — 合 金 磁 致 伸 缩应 变 的 机 制 ， 重 阐述 了 Ｆ－ ａ磁 致 伸 缩 材 料 的 成 分 、 备 工 艺 、 介当 ａ的电子 填充 到 Ｆ ｅ的 ３ 上 ｄ 后 ， 大 了与 ３ 一的差值 ， 成 Ｆ 原 子磁 矩 的增 加 ． 增 ｄ 造 ｅ
Ｓ ｉ ｋ ｕ ｏ ｒｃ ａ 等人 认 为 ， ｒ ｕ ｈ ｍｂ ｗｏ ｎ ｈ ｉ ｓ ｄ层全 满或 全 空 的非 磁性 元 素 影 响 Ｆ ｅ原 子 的 自旋一 道 耦 合 ， 而 轨 从
用 的有 Ｔ ｒｅ ｌ ｅｆｎ— Ｄ等 稀 土 超 磁 致 伸 缩 材 料 ， 磁 致 其 伸缩值 一般 为 ｌ ０ ～ ２ ０ ‘金 属 Ｆ ×１ ×１ ＿ ； ｅ的磁 致
原子后 ， 原 子取 代 Ｆ Ｇａ ｅ原 子形 成 Ｆ — ｅＧａ固溶体 ． 在 过 渡金 属 的 ３ ｄ能带 中 ， 由于 电 子 的交 换作 用 ， ｄ能 ３ 带 劈裂 为 ３ 和 ３ 两 个 次 能带 ． ｄ ｄ 由于 Ｆ — ｅＧａ合 金
第 ４卷
第 ｌ 期
材
料
研
究
与
应
用
Ｖｏ１． Ｎ Ｏ ４， ．１ Ｍ ａｒ．２Ｏ ｌＯ
２ ０ 年 ３ 月 ｌ０
Ｍ ＡＴ ＥＲＩ ＬＳ ＥＳＥＡ ＲＣＨ Ｎ Ｄ ＰＰＬＩ Ａ Ｒ Ａ Ａ ＣＡＴ Ｉ ＯＮ
文章 编 号 ： ６ ３ ９ ８ （ ０１ ） １０ ０ － ４ １ ７ － ９ １ ２ ０ ０ — ０ ５０
Fe_Ga合金磁致伸缩性能的研究进展
收稿日期:2009 07 24*基金项目:国家自然科学基金项目(50561001);国家 863 项目(2008AA042207)作者简介:张光睿(1982 ),甘肃古浪人,助工,本科.第4卷 第1期材 料 研 究 与 应 用V o1.4,N o.12010年3月M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP PL ICAT IONM ar .2010文章编号:1673 9981(2010)01 0005 04Fe Ga 合金磁致伸缩性能的研究进展*张光睿,江丽萍,吴双霞,郝宏波(包头稀土研究院,内蒙古包头 014010)摘 要:介绍了F e Ga 合金磁致伸缩应变的机制,着重阐述了F e Ga 磁致伸缩材料的成分、制备工艺、微观结构及热处理等方面的研究进展.关键词:Fe G a 合金;磁致伸缩;进展中图分类号:T G 132 2文献标识码:A磁致伸缩材料是一种磁性功能材料,其应用领域广泛,特别是在航空航天、军事等领域中.目前应用的有Terfenl D 等稀土超磁致伸缩材料,其磁致伸缩值一般为1 10-3~2 10-3;金属Fe 的磁致伸缩值约为2 10-5,但加入非磁性元素Ga 后,其磁致伸缩值增加十倍乃至几十倍[1].目前,报道的Fe Ga 单晶体沿<100>晶向的饱和磁致伸缩系数达4 10-4左右[2],与T er fenl D 等稀土超磁致伸缩材料相比,其饱和磁场小、磁场灵敏度高.Fe Ga 合金具有良好的延展性、可热轧、抗拉强度较高、很好的温度特性及能够在较宽的温度范围内使用,所以Fe Ga 合金在各领域中有着广阔的应用前景[3 4].1 Fe Ga 合金的磁致伸缩应变机制Fe Ga 合金的磁致伸缩应变主要是在磁化过程中非180 畴壁位移或磁矩的转动造成的,磁畴的畴壁位移及磁矩的转动与合金的取向和磁矩有密切关系,Fe Ga 合金的易磁化方向为<100>方向,对于<110>轴向取向的多晶合金,当在磁矩取向[110]方向施加一磁场时,为了减小静磁能,<100>轴向取向合金的磁矩会向[110]方向旋转,各个晶粒的磁致伸缩应变都沿[110]方向做有序排列,因而Fe Ga 合金表现出大的磁致伸缩应变.加入非磁性的Ga原子后,Ga 原子取代Fe 原子形成Fe Ga 固溶体.在过渡金属的3d 能带中,由于电子的交换作用,3d 能带劈裂为3d +和3d -两个次能带.由于Fe Ga 合金中3d 和4s 是混合带,Ga 原子的外层电子可以补充或减少各能带中的电子,Fe 和Ga 的原子序数相差5,Ga 的4s 和4p 能带上的电子不能全部填充到Fe 原子的3d 能带上,当Ga 的电子填充到Fe 的3d +上后,增大了与3d -的差值,造成Fe 原子磁矩的增加.Sr isukhumbo w ornchai 等人[5]认为,d 层全满或全空的非磁性元素影响Fe 原子的自旋 轨道耦合,从而提高了材料的磁致伸缩性能.Si,Ge 及B 等元素具有与Ga 相似的电子结构,同Ga 元素一样可以提高Fe 的磁致伸缩性能.2 磁致伸缩性能研究的进展2.1 合金成分及制备方法合金成分及相结构对Fe Ga 合金的磁致伸缩性能有较大的影响.在室温下Ga 元素在Fe 中的平衡固溶度为11%,当温度为1037 时其固溶度为36%,在亚稳态过饱和固溶体中可以达到30%以上.文献[6 7]的研究结果表明:当单晶<100>取向、4%<w (Ga)<19%时,Fe Ga 合金的饱和磁致伸缩应变随Ga 含量的增加而增加,并在Ga 含量为19%时达到极大值;当19%<w(Ga)<24%时,合金的磁致伸缩系数随Ga含量的增加而减小,并在Ga含量为24%处时降到极小值;随Ga含量的继续增加,磁致伸缩系数也增加,在27%附近处又达到极大值.添加元素对Fe Ga合金的磁致伸缩性能有影响,Sr isukhumboeornchai,Borm io,Dai及Restor ff 等人[8 11]均发现,在多晶体合金中用少量的A l取代Ga或者用Co取代Fe,都能使合金的磁致伸缩性能增加,但在室温下往单晶合金中加入少量的Ni或Al,反而使单晶<100>取向合金的磁致伸缩系数下降.Clark等人[12]研究发现,在Fe Ga合金中Ga 含量低于21%时, (111)为负值;Bozorth[13]在研究用少量的Ni取代Fe以降低 (111)值的试验中发现,在降低 (111)值的同时也降低了 (100)值.龚彦等人[14]研究B添加对Fe Ga合金相结构及磁致伸缩性能的影响时发现,在铸态的(Fe0.81Ga0.19)100-x B x 中主要有A2相、Fe2B相和L12相,淬火后出现DO3相,铸态合金(Fe0.81Ga0.19)100-x B x的磁致伸缩性能比Fe81Ga19的差,当x<10%时,经油淬处理后合金(Fe0.81Ga0.19)100-x B x的磁致伸缩值比Fe81Ga19的大,但当x>10%时其性能有所下降.高芳等人[15]研究了添加Si和Ge对Fe Ga合金的磁致伸缩性能的影响时发现,当添加少量的Si或Ge不会明显降低合金的饱和磁致伸缩值;当Si或Ge含量超过1 9%时,饱和磁致伸缩值明显减小.总的来说,A l 取代Ga有利于合金的磁致伸缩性能增加,但B,Si 和Ge的添加对合金的磁致伸缩性能影响不大.由于取向对Fe Ga合金的性能有很大的影响,所以多晶合金的性能大多低于单晶合金,Kumagai 等人[16]利用浮区法分别制备出了A2,B2和DO3相的单晶合金Fe1-x Ga x(x=0.24~0.25)并发现,在平行于磁场方向,A2相单晶合金的磁致伸缩系数最大,B2相单晶合金次之,DO3相单晶合金的磁致伸缩系数最小.Clark等人[17]采用布里吉曼法,通过严格控制熔炼气氛及工艺参数,解决了向下抽拉速度慢导致Ga严重挥发的问题,制备出了具有<100>取向的单晶Fe Ga合金,其饱和磁致伸缩系数约为4 10-4.韩志勇等人[18]制备的Fe83Ga17合金的磁致伸缩系数为2 10-4左右.刘国栋等人[19]采用甩带急冷的方法制备了Fe85Ga15合金并发现:当磁场的方向始终垂直于甩带面时,在沿带面方向上的磁致伸缩系数非常大,达到-13 10-4;在厚度方向上的磁致伸缩系数也达到11 10-4(误差小于10%);通过甩带合金样品自由生长面的XRD图谱,可以清楚地看到(110), (200)和(211)立方相的三个主峰,说明合金基本保持了 Fe相的bcc结构.甩带的磁致伸缩系数增大的原因,一是薄带样品造成的形状各向异性,二是大量Ga原子团簇的出现和择优取向的产生.江洪林等人[20]采用熔体快淬方法制备出不同厚度的Fe83Ga17合金薄带,其磁致伸缩系数达到-21 10-4,并且发现磁致伸缩系数与薄带的厚度有密切关系,通过XRD图谱发现存在DO3相.所以,采用甩带等快淬方法制备出来的合金,其磁致伸缩性能得到很大地提高.2.2 合金相结构韩志勇等人[18]研究棒状Fe83Ga17合金发现:在热处理过程中从高温缓慢冷却到室温,合金进入bcc+L12两相区后,亚稳的长程有序的DO3相析出;而合金从高温水淬快冷到室温,长程有序的DO3相则被抑制,合金保持无序的bcc结构.炉冷样品的磁致伸缩系数为217 10-6,快淬样品的磁致伸缩系数为232 10-6,说明棒状样品中的DO3相对磁致伸缩性能不利.由于熔体快淬制备的合金薄带保持了无序的bcc结构且产生了DO3相,因此薄带合金样品的磁致伸缩系数远大于棒状样品,这是由于两种样品中DO3相晶格的参数不同.江洪林等人[20]认为,薄带中的DO3相是对称性有缺陷的DO3相,不对称的Ga Ga原子对可造成局部的应变及削弱剪切模量,从而提高薄带的磁致伸缩能量密度,使薄带的磁致伸缩性能得到提高.Fe Ga磁致伸缩材料为体心立方结构,它具有高的磁致伸缩各向异性.Kumagai等人[16]研究发现, <100>方向的磁致伸缩系数最大,偏离<100>方向的<110>和<111>晶系的磁致伸缩系数较低.所以,通过材料的轴向织构可以有效地改善其磁致伸缩性能.Clark等人[17]制备的具有<100>取向的单晶Fe81Ga19合金的磁致伸缩系数接近4 10-4.Na 等人[21]将(Fe81.3Ga18.7)+0.5%B合金通过控制退火条件及在合金表面掺杂S,轧制后得到了立方织构{100}取向的薄片,在1200 下退火2h后淬冷,得到的最大磁致伸缩系数为2 10-4.对于有序度对合金性能的影响,Wuttig[22]和Clark[12]认为,磁6材 料 研 究 与 应 用2010致伸缩是由在无序的Fe结构中沿特定晶体取向方向上的Ga原子短程有序引起的,并且认为在Ga含量较低的条件下,随着Ga含量的增加,合金中的原子短程有序相的数量会增加.Bai[23]等人通过磁力显微镜发现,随着Ga含量的增加,磁畴尺寸变小,形态越来越不规则.2.3 热处理工艺根据Fe Ga合金的相图[8],Ga原子质量分数在15%~30%变化时,不同的制备条件下会出现A2, DO3,L12,B2及DO19等多种相结构,通过不同的热处理工艺可以改变合金的性能.Kaw am iy a N.等人[24]研究Fe83Ga17合金时发现,在570 以上该合金为无序的bcc结构,从高温缓冷至室温,合金进入由无序的bcc结构和有序的L12结构组成的两相区,L12为有序的面心立方Fe3Ga相结构,由于L12相的析出过程非常缓慢,因此合金的相结构为亚稳DO3相结构.Ikeda等人[25]利用常规的扩散偶技术通过TEM,SEM和EDS等测试手段绘制了富Fe部分的Fe Ga相图,并确定了各个相之间的相互转变温度,为热处理提供了参考依据.韩志勇等人[18]对热处理后炉冷和淬火冷却至室温后的Fe83Ga17合金进行了中子衍射及差热分析,且研究了相结构变化对Fe83Ga17合金磁致伸缩性能的影响.结果表明:经淬火处理的样品磁致伸缩系数明显增大,并且随着压力的增加而增大,在25M Pa预压力的作用下,饱和磁致伸缩系数达到了32 10-5;中子衍射实验结果表明,Fe83Ga17在自高温冷却至室温过程中,在炉冷冷却过程中出现了DO3相结构,在淬火处理快速冷却至室温的过程中,DO3相被有效地抑制了.Sr isukhumbow ornchai等人[8]利用铸态的多晶Fe72.5Ga27.5合金,研究多晶相与磁致伸缩性关系时发现:该合金在730 下保温220h后得到 相,比875 下淬火得到的A2相的磁致伸缩略有降低;在650 下保温400h后得到DO19相,材料表现出很小的磁致伸缩性能;在500 退火72h、再在300 下退火266h后得到L12相,这时发现合金的磁致伸缩系数为负值.3 结 语从目前的研究可知,Fe Ga合金材料的磁致伸缩性能不如Terfenl D合金及NiMnGa合金的磁致伸缩性能.所以,现在的关键问题是如何提高Fe Ga 合金材料的磁致伸缩性能及对影响磁致伸缩性能的因素进行研究.由于微观结构对材料性能起决定性地作用,目前对Fe Ga合金材料微观组织结构方面及力学性能方面的研究比较少,缺乏理论模型及系统性.因此,在微观组织结构及力学性能方面还需要进行大量地研究.热处理工艺对Fe Ga合金的相组织有较大地影响,应进行系统地研究,为以后的生产应用打下基础.参考文献:[1]刘国栋,李养贤,胡海宁,等.甩带Fe85Ga15合金的巨磁致伸缩研究[J].物理学报,2004,53(9):3191.[2]李勇胜,张世荣,杨红川,等.Fe G a合金磁致伸缩材料的研究进展[J].稀有金属,2006,30(5):667 670.[3]K EL L OG G R A,FL A T A U A B,CL A RK A E,et al.T emperature andstr ess dependencies o f the mag netic and magnetostr ictiv e pro per ties o f F e0 81G a0 19[J].Journal ofA pplied P hysics,2002,91:7821.[4]G U RU SWA M Y S,SRISU K IU M BOW OM CH A I N,CLA RK A E,et al.Str ong duct ile and low field magne tostrictive alloy s based o n F e G a[J].Scr ipta M ater, 2000,43:239.[5]SRISU K HU M BOW OR NCH A I N,GU R U SWA M Y S.Influence of or der ing onthe mag neto st riction o f F e27 5%Ga allo ys[J].Journal of A pplied Phy sics,2002,91:5371.[6]L IU G D,L IU L B,L IU Z H,et al.G iant mag net ost rictio n on F e85Ga15stacked ribbon samples[J].A ppl Phys L ett,2004,84:2124.[7]WU R uqian.O rigin o f lar ge mag neto st riction in Fe Gaalloy s[J].Jo ur nal of A pplied Physics,2002,91:7358.[8]SRISU K H U M BO EOR NCH AI N,G U RU SWA M Y S.L arg e mag neto st riction in directio nally so lidified Fe Ga and Fe G a Al a lloys[J].Journal o f Applied Physics, 2001,90:5680.[9]BO RM IO N C,SA T O T R,M U EL L ER H,et al.M agnetostriction and st ruct ur al char acterizatio n of Fe G a X(X =Co,Ni,A l)mold cast bulk[J].Jo ur nal of M ag netism and M ag netic M ateria ls,2005,290 291:820 822.[10]D AI L iyang,CU L L EN J,WU T T IG M,et a l.M agnetism,elasticity,and mag neto striction of Fe Co Ga allo ys[J].Journal o f A pplied P hy sics,2003,92:8627.[11]R EST O RF F J B,W U N F M,CL AR K A E,et al.M ag neto str ictio n o f ternary Fe Ga X allo ys(X=N i,7第4卷 第1期张光睿,等:Fe G a合金磁致伸缩性能的研究进展M o,Sn.A l)[J].Journal of A pplied Phy sics,2002,91:8225.[12]CL A RK A,H AT H AW AY K,WU N F M,et al.Exo rdinary mag neto elasticit y and lattice so ftening in bccF e Ga allo ys[J].Journal of A pplied P hy sics,2003,92:8621.[13]BOZO RT H R M.F enomag netism[M].New Y ork:Van N ostrand,1951:667.[14]龚彦,蒋成保,徐惠彬,等.硼添加对Fe Ga合金相结构和磁致伸缩的影响[J].金属学报,2006,42(8):830 834.[15]高芳,蒋成保,刘敬华,等.第三组元添加对Fe Ga合金相组成和磁致伸缩性能的影响[J].金属学报,2007,43(7):683 687.[16]K U M A GA I A,FU JIT A A,F U KA M ICH I K,et al.M agnetocr ystalline anisotr opy and magnetostr ictio n in o rdered and disordered Fe G a sing le crystals[J].Jour nal of M ag netism and M agnetic M at erials,2004,272 276:2060 2061.[17]CLA RK A E,WU N F OG L E M,R EST O RF F J B,et a l.M ag net ostrict ive pr operties of Galfeno l alloys un der co mpr essive stress[J].M aterials T r ansactio ns,2002,43(5):12.[18]韩志勇,马芳,张茂才,等.F e83G a17合金热处理过程中的磁致伸缩性能和结构分析[J].北京科技大学学报,2006,28(6):539 541.[19]刘国栋,李养贤,胡海宁,等.甩带Fe85Ga15合金的巨磁致伸缩研究[J].物理学报,2004,53(9),3191 3194. [20]江洪林,张茂才,高学绪,等.快淬Fe83Ga17合金薄带的显微组织和磁致伸缩性能[J].金属学报,2006,42(2):177.[21]NA S M,FL A T A U A B.M ag neto st riction and sur faceener gy induced select ive gr ain g ro wth in r olled g alfenol doped with sulfur[J].Smart Structures and M ater ials 2005:Active M aterials:Behav ior and M echanics,2005,5761:192.[22]W U T T I G M,LIY A N G D,JA M ES C.Elasticit y andmag neto elasticity of Fe Ga solid so lutio ns[J].A pplied P hysics Letter s,2002,80:1135.[23]BAI F eiming,L I Jiefang,V IEH LA N D D,et al.M agnetic for ce micr oscopy investig atio n o f domain struc tures in F e x at.%Ga sing le cr ystals(12<x<25)[J].Jour nal of A pplied Physics,2005,98:023904. [24]K A WA M IY A N.M agnetic pro per ties and m ssbauerinv est igations of Fe G a alloys[J].P hys Soc Jpn,1972,33(5):1318.[25]IK EDA O,K AIN U M A R,OH N U M A I,et a l.Phaseequilibr ia and sta bility o f ordered b.c.c.phases in theF e rich por tion of the F eG asystem[J].Journal o f Alloys and Com pounds,2002,347:198.Development of magnetostrictive properties of Fe Ga alloysZ HA N G G uang rui,JIA N G L i ping,WU Shuang x ia,H A O H ong bo(Baotou Resear ch I nstitute of Rar e Earths,B aotou014010,China)Abstract:T he magnetostrictive str ain m echanism of Fe Ga alloys w as introduced,including the recent de v elo pm ent abo ut com positio ns,preparing processes,micro structures and heat tr eatment of magnetostric tive m aterial.Key words:Fe Ga alloys;m agnetostriction;dev elo pment8材 料 研 究 与 应 用2010。
Fe-Ga合金的研究
磁致伸缩材料Fe-Ga合金的研究摘要：采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法制备了过冷度分别为100K、147K和276K 的Fe83Ga17合金，对不同过冷度的Fe83Ga17合金进行定向激发以获得具有轴向择优取向的棒材。
利用金相显微镜和X射线衍射分析技术研究了定向激发Fe83Ga17合金在不同过冷度条件下的显微组织和择优取向。
结果发现：过冷度为100K的合金其凝固组织为细小的粒状晶或准球状晶，过冷度为276K的合金，晶粒尺寸增大，形态上表现为等轴晶，晶粒内部存在大量亚晶界，过冷度增加至300K的合金经定向激发后晶粒进一步粗化，晶粒呈一定的取向沿轴向方向排列。
X射线衍射分析表明深过冷Fe83Ga17合金经过定向激发后其凝固组织具有明显的〈110〉择优取向，其中过冷度为147K的合金定向激发后出现有利于磁致伸缩性能的〈100〉取向。
关键字：Fe-Ga合金磁致伸缩材料深过冷定向凝固Abstract: By using glass fluxing combined with superheating cycling method to prepare Fe83Ga17alloy with the undercooling of 100K, 147K and 276K respectively. Make each kind of alloy directional solidification in order to get the axial preferred orientation. The microstructure and preferred orientation of Fe83Ga17alloys with different undercooling are studied by optical microscope and X-Ray diffraction analysis technology. The results found that the solidification organization of Fe83Ga17alloy with undercooling of 100K is tiny granular crystai or quasi ball crystal. For undercooling of 276K, grain size increased, there are more subgrain boundary in the grain. When the undercooling increase to 300K, the grain size more increasing and the grain distributes along the axial with certain orientation. X-ray diffraction analysis shows that the solidification organization of deep supercooling Fe83Ga17alloy after directional solidification has obvious < 110 > preferred orientation. The alloy with the undercooling of 147K has < 100 > orientation in which the magnetic is easy obtained.Key words: Fe83Ga17alloy; magnetostrictive material;undercooling; rapid directional solidification;1、研究磁致伸缩材料的背景：磁致伸缩材料是一种具备磁致伸缩特性的材料，通常是可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等磁性材料的统称。
Fe—Ga快淬薄带磁致伸缩性能研究进展
Ｆ ｅ — Ｇ ａ 快淬薄带磁致伸缩性 能研 究进 展
龚 沛 ，江丽萍 ，吴双霞 ，赵增祺
（ １ ．内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 ０ １ ０ ０ ５ １ ；
２ ．包头稀土研 究院，内蒙古 包头 ０ １ ４ ０ １ ０ ）
摘 要：Ｆ ｅ ． Ｇ ａ 快淬薄带与 Ｆ ｅ ． Ｇ ａ 铸 态试样相 比， 饱 和磁致伸 缩性 能明显增加 。 概 述 了目前磁致伸 缩 Ｆ ｅ ． Ｇ ａ
ｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｂ２ ． １ ｉ ｋ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ｓ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｈａ ｎ ｎ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ Ｆ ｅ — Ｇａ ｍｅ ｌ ｔ — ｓ ｐ ｕ ｎ ｉ ｒ ｂ ｂ ｏ ｎ ｓ ．Ａｔ ｌ ａ ｓ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒｅ ａ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ，ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｏ ｅ ｈａ ｎ ｎ ｃ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎｄ ａ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｓ ｔ ．
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第37卷第1期Vol．37No．1稀有金属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS2013年1月Jan．2013收稿日期:2012－06－19;修订日期:2012－07－18基金项目:国家科技部863计划资助项目(2011AA03A404)作者简介:胡权霞(1981－)，女，安徽人，硕士研究生，工程师;研究方向:磁性材料*通讯联系人(E －mail :yudb2008@126．com )Fe-Ga 磁致伸缩材料研究进展胡权霞，于敦波*，杨红川，李扩社(北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心，有研稀土新材料股份有限公司，北京100088)摘要:Fe-Ga 合金是人们在新型高性能磁致伸缩材料探索中的一个重要发现，具有高应力灵敏度、良好的热-机械性能和磁致伸缩性能，填补了传统磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料之间的空白，在超声领域和微位移器等方面有较大的潜在应用价值，应用前景广阔。
本文从Ga 含量及相结构、第三组元、制备方法、压力和温度四个部分阐述Fe-Ga 磁致伸缩材料的研究进展及研发趋势，总结了Ga 含量及相结构、第三组元对Fe-Ga 合金的磁致伸缩性能的影响，Fe-Ga 合金的磁致伸缩性能与Ga 含量密切相关，不同的第三组元对合金磁致伸缩性能的影响也不同;Fe-Ga 合金的制备方法主要有定向凝固法、甩带急冷法、轧制法、拉丝法等方法，比较了各种制备方法对材料性能的影响;阐述了应力场和温度对Fe-Ga 合金的磁致伸缩性能的影响，其中应力场对Fe-Ga 合金的磁致伸缩性能有积极影响，但Fe-Ga 合金磁致伸缩的温度依赖性比较复杂，磁致伸缩随温度变化的幅度与趋势都取决于合金结构。
关键词:Fe-Ga 合金;磁致伸缩性能;研究进展doi :10．3969/j．issn．0258－7076．2013．01．029中图分类号:TM273文献标识码:A文章编号:0258－7076(2013)01－0164－07Development of Magnetostrictive Properties of Fe-Ga AlloyHu Quanxia ，Yu Dunbo *，Yang Hongchuan ，Li Kuoshe(National Engineering Research Center for Rare Earth Materials ，General Research Institute for Nonferrous Metals ;GRIREM Advanced Materials Co．Ltd．，Beijing 100088，China )Abstract :During the process of exploring new high-performance magnetostrictive materials ，Fe-Ga alloy was an important discoverywith high stress sensitivity ，good thermal-mechanical properties and magnetostrictive properties．It filled the blank between the tradi-tional magnetostrictive materials and rare earth giant magnetostrictive materials ，and had significant potential application value and wide application prospects in ultrasonic field and micro displacement device．This article introduced recent R ＆D progress and trend of Fe-Ga alloy from following four parts :Ga content and phase structure ，the third element ，preparation method and pressure ＆tem-perature．It summarized the influence of Ga content ＆phase structure and the third element on the magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy．The magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy were closely related to Ga content ;different third elements had different influ-ence on magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy．The preparation methods of Fe-Ga alloy mainly include directional solidification method ，melt-spun method ，rolling method ，drawing method ，etc．The influences of different preparation methods on material proper-ties were also compared．The article also explained the influence of stress field and temperature on magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy．The stress field had positive influence on magnetostrictive properties of Fe-Ga alloy．But the temperature dependence of the Fe-Ga alloy's magnetostrictive properties was complex and the magnetostrictive amplitude and trend of Fe-Ga alloy in different tempera-tures were subject to its alloy structure．Key words :Fe-Ga alloy ;magnetostrictive properties ;recent developmentFe-Ga 合金是继传统磁致伸缩材料(Ni ，Fe-Al 等)和Tb-Dy-Fe 稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料，是人们在新型高性能磁致伸缩材料探索中的一个重要发现，具有高应力1期胡权霞等Fe-Ga磁致伸缩材料研究进展165灵敏度、良好的热-机械性能和磁致伸缩性能，填补了传统磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料之间的空白，在超声领域和微位移器等方面有较大的潜在应用价值［1－6］。
自Clark［1］报道Fe-Ga合金磁致伸缩系数3/2λ100接近400ˑ10－6以来，Fe-Ga合金引起了人们的广泛关注，国内外学者针对Fe-Ga合金开展了广泛的研究，研究内容涵盖材料性能、制备方法、产品开发等方面［7－14］。
本文从Ga含量及相结构、第三组元、制备方法、压力和温度4个部分阐述Fe-Ga磁致伸缩材料的研究进展，并分析Fe-Ga的应用前景及研发趋势。
1Ga含量及相结构对Fe-Ga磁致伸缩材料性能的影响合金成分及相结构对Fe-Ga合金的磁致伸缩性能有极大影响，Fe-Ga合金的磁致伸缩性能随着Ga含量的不同而变化，纯Fe的只有20ˑ10－6，而加入Ga之后，λ值增加了10倍以上，Ga的加入提高Fe合金λ值的机制是研究者较为关注的磁学课题［13－16］。
Clark等［17］研究了单晶＜100＞取向的Fe-Ga合金中Ga含量与Fe-Ga合金的磁致伸缩性能的关系，在Ga含量分别为19%和27%(原子分数)时Fe-Ga合金磁致伸缩系数出现两个峰值，如图1所示，磁致伸缩系数先随Ga含量增加而增加，在Ga含量为19%时达到极大值265ˑ10－6;之后随着Ga含量增加而下降，在Ga含量为24%处时降到极小值;之后磁致伸缩系数又随着Ga含量的增加而增大，在27%附近处又达到极大值235ˑ10－6。
图1Ga含量对Fe-Ga合金磁致伸缩性能的影响［17］Fig．1(3/2)λ100as a function of Ga concentration for Fe100－xGax材料的线磁致伸缩与合金相结构的变化有关，在室温下，Ga在Fe中的平衡固溶度为11%，在1037ħ时为36%，在亚稳态过饱和固溶体中Ga含量可以达到30%以上。
Ga溶入bcc-Fe中形成置换固溶体，在Fe-Ga合金中存在A2，B2，DO3和L12等相，当Ga含量较低时，合金以α-Fe的形式存在，为无序的A2相和有序的DO3相，此时饱和磁致伸缩系数随着孤立Ga原子对的增加而增大;当Ga含量较高时，合金中会出现非对称的Ga原子团簇，形成短程有序，使磁致伸缩性能降低。
此外体心立方中无序的A2相和有序的B2，DO3相之间的转变可以导致合金的弹性模量发生变化，由相变导致的弹性模量的减小可以增大合金的磁致伸缩应变系数［17］。
所以Clark［17］指出，FeGa磁致伸缩随Ga含量的变化而出现的第二个锋是由于化学有序和低剪切模量的耦合作用造成Ga的富集所产生的。
Ga增加Fe-Ga合金磁性能的另一个原因是Ga原子影响Fe-Ga合金的原子磁矩，磁矩的增大使合金能量密度增加，导致合金的磁致伸缩应变增大。
Kawamiya等［18］对Fe100－x Ga x(x＜14)的研究表明，Fe-Ga合金中Fe原子磁矩随x的增加而增大。
韩志勇［19］系统研究了Ga原子的加入增大＜110＞轴向取向多晶Fe-Ga合金磁致伸缩系数的原因。
Ga含量小于17%时，饱和磁致伸缩系数随Ga含量的增加而增加，当Ga含量为17%时，饱和磁致伸缩应变最大，达到188ˑ10－6，Ga含量大于17%，磁致伸缩系数随Ga含量的增大而减小。
实验进一步分析Fe-Ga合金中Ga原子对合金原子磁矩的影响，从原子磁矩的角度，采用“原子对模型”，研究合金的磁矩与＜110＞轴向取向多晶Fe-Ga合金样品的磁致伸缩系数的关系，当Ga含量＜17%时，Fe原子的磁矩随Ga含量的增加而增大，当Ga含量为17%时，Fe原子磁矩最大，达到2．30μB，当Ga含量大于17%时，Fe原子磁矩随着Ga含量的增大而减小，如表1所示。