超磁致伸缩合金TbDyFe组织与性能研究现状

近年来,超磁致伸缩合金TbDyFe在能量转换,智能传感等方面应用广泛。本文简要地介绍了几种制备超磁致伸缩TbDyFe合金方法,并分析了各种制备方法对TbDyFe合金的组织和性能的影响。本文还介绍了利用热处理的方法来改善合金组织、提高磁致伸缩性能。     

Sm-Fe合金磁致伸缩薄膜

磁致伸缩合金、形状记忆合金和压电陶瓷是在微型机器人上所用致动器的重要功能材料.作为超磁致伸缩材料人们所熟知稀土-铁系合金的有Tb-Fe、Sm-Fe和Terfenol-D等.     

定向凝固TbDyFe合金的取向,组织和磁致伸缩性能

采用ＪＳＬ－５００区域熔化真空定向凝固装置,对ＴｂＤｙＦｅ超磁致伸缩合金定向凝固轴向择优取向、组织和磁致伸缩性能的研究表明：温度梯度ＧＬ≈７００Ｋ／ｃｍ基本不变的条件下,当昌体生长速度Ｖ≤１ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体以平面晶方式生长;１〈Ｖ≤６ｍｍ／ｍｉｎ时,以胞状昌方式生长;Ｖ＝８－１２ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体按胞枝晶方式生长（胞状晶树枝晶转变的初始阶段）;当Ｖ〉１５ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体按发达的树枝晶方式     

TbDyFe超磁致伸缩薄膜的低场磁敏特性

采用磁控溅射法制备了TbDyFe超磁致伸缩非晶薄膜,研究了真空热处理退火及软磁性Fe薄膜的交换耦合作用对TbDyFe超磁致伸缩的低场磁致伸缩性能的影响.研究结果表明:真空退火处理通过改善薄膜的微结构及应力状态,有效地提高薄膜了的低场磁敏性能;易磁化方向平行于膜面的软磁Fe膜的复合,使薄膜平行于膜面的易磁化性能大大提高,复合薄膜的强制磁致伸缩系数(dλ/dH)提高3倍以上.单层薄膜厚度越小,交换作用越强,低场磁致伸缩性能越好;当薄膜厚度大于交互作用距离、薄膜的总厚度不变时,单层薄膜的厚度变化对复合薄膜的磁致伸缩性能没有影响.     

热处理及SmCo磁性层对TbDyFe薄膜磁致伸缩性能的影响

研究了SmCo薄膜的复合及热处理对TbDyFe薄膜磁性及磁致伸缩性能的影响。XRD分析表明制备态的TbDyFe薄膜为非晶态，在450℃退火后，样品仍保持非晶态结构。退火处理减少了薄膜的垂直各向异性，并且退火热应力有利薄膜的易磁化轴转向膜面，从而提高了薄膜的磁导率和TbDyFe薄膜低场下的磁致伸缩值。磁控溅射的SmCo薄膜有良好的软磁性能，它的复合也能有效地增强TbDyFe薄膜的低场磁致伸缩性能。     

稀土磁致伸缩材料的应用

稀土工业是第二次世界大战以后迅速发展并崛起的新兴产业。稀土产品作为一种特殊的功能材料,能够大幅度地提高其它产品的质量和性能,号称工业的“维生素”。本文着重介绍了稀土磁致伸缩材料的应用,包括稀土磁致伸缩材料的应用基础,研究现状和发展前景等。     

快冷凝固Fe-Ga合金的大磁致伸缩现象

超磁致伸缩合金Ｔｅｒｆｅｎｏｌ Ｄ(Ｔｂ0 3 Ｄｙ0 7Ｆｅ2 0 )质地很脆 ,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致动子。近年来 ,有人研究了Ｆｅ Ｇａ合金单晶的磁性、磁致伸缩和弹性等特性 ,开发了Ｆｅ Ｇａｘ(ｘ=1 5 %～ 2 0 %原子百分数)合金 ,具有 30 0× 1 0 -6 左右的大磁致伸缩 ,而且具有一定的塑性和耐久性 ,但是单晶材料制造成本很高仍难以广泛实用。有人发现快冷凝固的铁系磁性合金ＦｅＰｄ薄带 ,具有微晶结构 ,表现出磁致伸缩高达 1× 1 0 -3 以上的超磁致伸缩现象。日本金属研究所新近研…     

Tb—Dy—Fe—M四元系超磁致伸缩材料的磁性

研究了Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅｘ（ｘ＝１．８，１．９，２，２．１）三元系和Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ１．８Ｍ０．１（Ｍ＝Ｚｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）四元系超磁致伸缩材料的磁性。合金在氩气保护的真空电弧炉中熔炼，铸锭在１０００℃真空热处理７天，用法拉第磁秤测定居里温度，用ＬＤＪ９５００振动样品磁强计测磁化曲线，用电阻应变计测量磁致伸缩。Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅｘ合金的居里温度在３５５～３７５℃范围内，加入Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｌ和Ｃｒ降低合金的居里温度，加Ｃｒ增加合金的磁致伸缩，加Ａｌ增加合金在低磁场下的磁致伸缩，加Ｚｎ，Ｔｉ降低磁致伸缩。除加Ｃｒ外，热处理也能提高合金的磁致伸缩。     

功率对磁控溅射TbDyFe薄膜磁致伸缩性能的影响

采用直流磁控溅射工艺制备TbDyFe磁致伸缩薄膜，通过考察薄膜成分及其微结构，分析研究了溅射功率对薄膜磁致伸缩性能的影响。结果表明，同一薄膜内部成分相当均一，但不同溅射功率条件下的薄膜成分相异。溅射功率较低，薄膜内部微柱状体结构导致了磁各向异性的产生，磁致伸缩性能下降；溅射功率提高到120W，微柱状体结构消失，薄膜内部趋于均一连续，磁致伸缩性能较好。     

粘结Sm0.88Nd0.12Fe1.93合金的磁致伸缩与电阻率

采用环氧树脂粘结Sm0.88Nd0.12Fe1.93合金颗粒,在外磁场中固化成型制备了磁致伸缩复合材料,研究了不同磁场中成型复合材料的显微组织、磁致伸缩和电阻率。结果表明,成型磁场为0T时,复合体系为0-3型构型,合金颗粒在树脂基体中无序分布;施加0.6T的固化磁场,获得伪1-3型构型复合材料,合金颗粒趋近定向排列。Sm0.88Nd0.12Fe1.93合金颗粒体积分数为30%、固化磁场为0.6T时,制备的复合材料在1.3T磁场下的磁致伸缩系数(λ∥–λ⊥)可达–1088×10-6,为铸态合金磁致伸缩系数的86.6%。相同颗粒体积分数的粘结Sm0.88Nd0.12Fe1.93复合材料,固化磁场为0.6T较无固化磁场条件下的电阻率降低85%。     

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 本文采用小角转动法（Small-Angle Magnetization Rotation）对（Co(77-x)FexSi8B15（x=4,5,7））钴基玻璃包覆非晶丝的磁致伸缩系数进行了测量,研究了拉应力（σ）对不同成分的钴基玻璃包覆非晶丝磁致伸缩系数的影响。实验结果表明：三种成分玻璃包覆非晶丝的磁致伸缩系数均随着外应力的增加逐渐减小;Co72Fe5Si8B15玻璃包覆非晶丝的磁致伸缩系数随着外应力的增加从+1.1×10-7 (σ=0MPa) 变为-3.3×10-7 (σ=1880MPa),存在一个由正变负的过程。     

Tb0.3Dy0.7Fe1.95-xNbx (x=0, 0.03, 0.06, 0.09) 合金的组织与磁致伸缩性能

采用高真空电弧炉制备了Tb0.3Dy0.7Fe1.95-xNbx(x=0,0.03,0.06,0.09)合金,研究了该系列合金的晶体结构、微观组织及磁致伸缩性能。结果表明:添加Nb元素后的Tb0.3Dy0.7Fe1.95-xNbx(x=0.03,0.06,0.09)合金基体相结构仍保持为MgCu2(C15型)立方Laves相,添加Nb后Tb0.3Dy0.7Fe1.95-xNbx合金基体相晶格常数几乎不变。Nb在基体相RFe2中和富Re相中都不溶,但在x=0.03时的RFe3相中微溶而形成Re(Nb,Fe)3相。初生相NbFe2(C14型)相的形成使凝固液体富稀土从而抑制了RFe3有害相形成。六方结构的NbFe2在与自身结构不同的RFe2(C15型)中不溶而单独成为一相存在于RFe2基体上。Nb的添加量x对磁致伸缩的影响很大,微量(x=0.03)Nb的添加有效抑制了RFe3有害相的生成而使得磁致伸缩性能提高最大,但当Nb含量继续增大时,由于顺磁相NbFe2和富Re相的析出影响了基体磁-弹性交互作用而使磁效伸缩性能下降。但相对于Tb0.3Dy0.7Fe1.95母合金都有少量提高。     

由金属氧化物直接制备TbDyFe合金粉

一种TbDyFe合金粉末的制备方法，该方法采用金属钙作还原剂，直接由氧化物(Tb4O7、Dy2O3、Fe2O3)通过还原扩散法直接制得含铽为17．2％-17．5％，含镝42％(质量)的TbDyFe合金粉，与现有技术相比，本技术通过金属钙还原得到金属铽、镝并立即扩散与还原铁形成TbDyFe合金，该法无环境污染，生产成本低，合金中含铽、镝量稳定，可用于磁致伸缩材料。     

第三组元添加对Fe-Ga合金相组成和磁致伸缩性能的影响

系统地研究了铸态和淬火态Fe81(Ga1-xMx)19(x=0,0.1,0.2,0.3;M=Si,Ge,Sn)合金的相组成和磁致伸缩特性.结果表明:Si,Ge元素分别添加到Fe81Ca91合金中保持了合金的A2相结构.添加少量的Si或Ge(x=0.1)不会降低合金的饱和磁致伸缩值,其中淬火态Fe81(Ga0.9Ge0.1)19样品的饱和磁致伸缩值比淬火态Fe81Ga19合金明显提高;此后,继续增加Si或Ge含量,饱和磁致伸缩值显著下降.铸态和淬火态Fe81(Ga1-xSnx)19(x=0.1,0.2,0.3)合金为A2和FeSn(Ga)双相结构.随着Sn含量增加,非磁性FeSn(Ga)相数量增加,合金的饱和磁致伸缩值呈降低趋势.其中,在铸态Fe81(Ga0.9Sn0.1)19合金中获得了最大的饱和磁致伸缩值(41×10-6),略高于铸态Fe81Ga19合金.     

TbDyFe合金棒材的熔铸新工艺

在超高温度梯度定向凝固装置中研究了稀土超磁致伸缩材料TbDyFe合金棒材的制备工艺，用该工艺制备出了外观圆整，化学成分均匀的TbDyFe合金棒材；与电弧炉熔炼制备工艺相比，该工艺设备投资少，一套装置可完成TbDyFe合金棒材的熔炼浇注和定向凝固全过程，操作简单，成分控制准确；通过化学成分分析发现，正常熔炼时稀土元素Tb和Dy的烧损率分别小于2％和3％，烧损率低。     

Tb0.3Dy0.7(Fe1-xPtx)1.95合金的结构与磁致伸缩特性研究

利用XRD、SEM和电阻应变片等方法研究了Tb0.3Dy0.7(Fe1-xPtx)1.95(x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08)合金的微结构和磁致伸缩特性.结果表明:当Pt含量x≤0.06时,合金为具有立方MgCu2型结构的Laves单相,Pt置换Fe导致合金相的晶格常数α线性增大;磁致伸缩系数λ随Pt含量的增加不断减小,随外磁场(H≤500mT)的增大而单调增大;当合金在950℃退火4 h,可获得较好的磁伸缩性能.在x=0.08时,合金中出现微量第二相Fe3Dy,证实Pt在Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金中的最大固溶度小于5at%.     

回火处理对〈110〉取向TbDyFe超磁致伸缩材料冲击韧性的影响

用区熔定向凝固的方法制备了（110）取向的TbDyFe超磁致伸缩合金，在800-1080℃分别进行2h的回火处理，研究了回火处理对TbDyFe合金冲击韧性、断口形貌的影响．结果表明：在800和1080℃回火处理时合金的冲击韧性最好；高于共晶温度的回火处理，冲击韧性随着回火温度的提高而增加．回火处理引起富稀土相形态、尺寸、分布的变化是导致冲击韧性变化的主要原因，TbDyFe材料的断裂为解理断裂．