元素替代、掺杂对Fe-Ga合金结构和磁致伸缩性能影响的研究进展

Fe-Ga合金是一种新型磁致伸缩材料,它的高强度、良好韧性、低场高磁致伸缩性能和低成本等优异特性使其具有广泛的商业应用。然而,实际制备的Fe-Ga合金的磁致伸缩数系数很小,提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能成为人们关注的课题。元素替代和掺杂是改善新型Fe-Ga磁致伸缩材料性能的一种有效方法。综述了近几十年来元素替代和掺杂对Fe-Ga磁致伸缩合金结构和性能的影响,并总结了各种元素替代和掺杂的研究进展。在此基础上,指出了元素替代和掺杂在改善Fe-Ga合金性能中存在的问题及今后的发展方向。     

新型磁致伸缩材料Fe-Ga合金的研究进展

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优点,而且价格较低廉,使Fe-Ga合金在磁致伸缩器件领域具有广阔的应用前景.综述了该合金最近的研究工作,包括磁致伸缩机理、制备与热处理工艺以及提高和改善Fe-Ga合金性能的途径,并展望了今后Fe-Ga合金的发展.     

第三组元(C、B)添加对Fe83Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响

为了研究非平衡凝固条件下(Fe83Ga17)100-xMx(x=0、0.5、1、1.5;M=C、B)合金的相组成及其磁致伸缩性能,采用吹铸的方式制备了(Fe83Ga17)100-xMx,(x=0、0.5、1、1.5;M=C、B)合金,结果表明,合金保持了A2(bcc-Fe(Ga))相结构.C、B元素对合金微观组织产生了很大影响,C完全固溶于bcc-Fe中,B于晶界处大量富集,晶粒形状呈区域定向排列.添加C、B均对Fe83Ga17合金的磁致伸缩性能产生了抑制作用.添加C增大了弹性模量,当x=1时磁致伸缩值最大;添加B对合金组织产生了巨大影响,随着B含量的增加形成了明显的铸造织构,并且生成了富含Fe2B的相,x=1.5时磁致伸缩值最大.     

Fe71.3 Ga28.7的结构调控与磁致伸缩性能研究

研究了区熔定向凝固速度与热处理制度对Fe_(71.3)Ga_(28.7)合金的显微组织、晶体结构与取向规律的影响。结果表明,区熔速度为72 mm/h时,得到的是A2相,而区熔速度为36 mm/h时,得到的是A2+D0_3相,并发现区熔速度较小时,会在合金棒中形成较强的η-型纤维织构;在680℃下淬火处理可以大大提高材料的磁致伸缩性能,不过在580℃下淬火处理或在705℃下炉冷处理时,会得到L1_2相,导致磁致伸缩系数为负值。     

Al掺杂对Fe81Ga19合金相结构和磁致伸缩性能的影响

实验选取非自耗真空电弧炉熔炼合金锭,并对合金的相结构及磁致伸缩性能进行研究。研究结果表明,在Fe-Ga合金中掺入Al元素来替代Ga元素的占位后,Fe₈₁Ga_19-xAl_x合金仍然以A2相为主,其基本结构为α-Fe体心立方结构,晶粒由之前细长的不规则多边形变为长条状的柱状晶,并且柱状晶的取向性显著增强;当x=3.5时合金的饱和磁致伸缩值为202×10^-6,约为x=0时的4倍。磁致伸缩性能的提高主要归因于掺Al后Fe-Ga合金的A2相沿[100]的择优取向以及Al原子进入Fe-Ga合金晶格引起的晶格畸变。     

TbDyFe合金的组织和磁致伸缩性能

定向凝固ＴｂＤｙＦｅ合金具有（１１２）择优取向，热处理能明显地改变显微镜组织和磁致伸缩性能，在１１００℃真空处理２ｈ后，磁致伸缩性能最好，空冷和炉冷对磁致伸缩性能影响不大，富稀土相的球化和晶粒吞并长大，减小了磁化过程中９０°磁畴转动的阻力，是高温处理提高磁致伸缩性能的根本原因。     

Fe及Fe83Ga17和Fe83Ga17Pr0.3合金的微结构与磁致伸缩性能

本研究对比研究了Fe、Fe_(83)Ga_(17)及Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)磁致伸缩材料的微结构与磁致伸缩性能。采用真空非自耗电弧炉在氩气保护下熔炼制备了合金样品。采用X射线衍射仪(XRD)和光学显微镜(OM)分析观察了合金样品的晶体结构和显微组织。采用扫描电镜配合能谱仪(SEM/EDS)测定了稀土Pr元素在Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)合金中的分布。通过电阻应变法测量了合金的磁致伸缩性能。结果表明:Fe和Fe_(83)Ga_(17)合金均由单一的bcc结构A2相组成,而Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)合金由A2主相和少量的富稀土Pr相组成。稀土Pr掺杂使合金中的A2相沿〈100〉晶向择优取向。Fe及Fe_(83)Ga_(17)和Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)合金的微观组织分别呈现细长的条状晶、晶粒粗大的等轴晶和晶粒细小的柱状晶。Fe的磁致伸缩系数为负值,而Fe_(83)Ga_(17)和Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)合金的磁致伸缩系数均为正值,三种材料的磁致伸缩系数绝对值的排序为FeFe_(83)Ga_(17)Fe_(83)Ga_(17)Pr_(0.3)。     

热处理对Fe81Ga19合金组织结构与磁致伸缩性能的影响

采用电弧熔炼法制备了Fe81Ga19合金多晶样品,研究了不同热处理工艺对合金组织结构及磁致伸缩性能的影响.样品经过700℃、800℃和900℃保温后采用空冷、炉冷和淬火3种冷却方式.结果显示,经过不同热处理后样品的微观组织均为单相bcc结构,而磁致应变从34×10-8到94×10-6不等;当热处理温度为800℃时,淬火处理后可获得较好的磁致伸缩性能(88×10-6),而热处理温度较高(900℃)时,采用炉冷的方式可获得较好的磁致伸缩性能(94×10-6).推测热处理方式和晶体取向对Fe81Ga19合金磁致伸缩性能有较重要的影响.     

快淬和退火对Fe_(83)Ga_(17)Ce_(0.8)合金结构和磁致伸缩性能的影响

采用电弧熔炼法制备了稀土Ce掺杂的Fe83Ga17Ce0.8铸态合金,然后对其进行快淬处理,获得Fe83Ga17Ce0.8快淬态合金,最后对Fe83Ga17Ce0.8快淬态合金在1 223K下进行退火热处理5h。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜及能谱仪(SEM/EDS)和磁致伸缩测试方法研究了快淬和退火对合金结构和磁致伸缩性能的影响。结果表明,Fe83Ga17Ce0.8铸态合金由bcc结构的Fe(Ga)相和少量的CeFe2第二相组成。Fe83Ga17Ce0.8快淬态合金除了含有大量的Fe(Ga)相和少量的CeFe2相外,合金中还出现了非对称DO3结构的Fe3Ga相。Fe83Ga17Ce0.8快淬态合金经退火热处理后,合金中的CeFe2相转化为贫稀土Ce2Fe17相。在外磁场为557kA/m时,Fe83Ga17Ce0.8快淬态合金的磁致伸缩系数(3.82×10-4)明显大于铸态合金(3.56×10-4)和退火态合金(1.82×10-4)的磁致伸缩系数。     

真空磁场热处理对Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金磁致伸缩性能的影响

研究了磁场热处理对Tb0.3Dy0.7Fe1.95多晶合金磁致伸缩性能的影响.将定向凝固得到的多晶合金,在真空条件下,加热到居里点附近不同温度,在加磁场下保温一定时间后冷却到室温,测量其磁致伸缩系数,并且进行X衍射分析.实验结果表明,在稍低于居里点的温度,沿垂直于棒的轴线加磁场保温一定时间后冷却,合金的磁致伸缩系数明显提高,沿样品棒轴线的晶体取向有一定程度的改变.     

〈110〉轴向取向Fe83Ga17合金中原子间作用与磁致伸缩的关系

采用定向凝固的方法制备出棒状〈110〉轴向取向多晶Fe83Ga17样品,Fe83Ga17合金样品经过淬火处理后,饱和磁致伸缩应变λs可以达到2.42×10-4。实验发现样品的磁致伸缩应变与合金中的短程序密切相关。淬火处理后样品的磁性Fe原子周围的原子占位发生了改变,合金部分有序。文中采用"原子对模型"(pairmodel),从能量最小原理出发,分析讨论了Fe Ga合金中原子对间的相互作用与磁致伸缩应变的关系。     

液位传感器用磁致伸缩FeCo合金特性研究

研究了加工工艺和热处理工艺对Fe63Co合金饱和磁致伸缩系数(sλ)的影响。饱和磁致伸缩系数(sλ)最好为6.75×10-5。试验表明该合金的饱和磁致伸缩系数对热处理工艺不敏感。     

Ni52 Mn23Ga24.5 Sm0.5合金的马氏体相变和磁致伸缩性能

研究了多晶Ni52 Mn23 Ga24．合金添加微量的稀土元素Sm后，对合金的马氏体相变和磁致伸缩性能的影响。结果发现，微量稀土元素Sm的掺入，降低了合金的马氏体相变温度和居里温度，但并未改变合金的晶体结构，同时由于晶粒细化作用，使合金室温时的磁致应变性能下降。     

热处理对快淬Fe83Ga17Ce0.8合金结构和磁致伸缩性能的影响

采用电弧熔炼法制备了稀土Ce掺杂的Fe83Ga17Ce0.8铸态合金,然后对其进行快淬处理,获得快淬态Fe83Ga17Ce0.8合金,最后对快淬态Fe83Ga17Ce0.8合金在不同温度(850℃、950℃和1050℃)下进行退火处理5h.用X射线衍射(XRD)、扫描电镜及能谱仪(SEM/EDS)和磁致伸缩测试方法研究了退火温度对合金结构和磁致伸缩性能的影响.结果表明,快淬态Fe83Ga17Ce0.88合金经退火处理后,合金中的CeFe2相转化为贫稀土Ce2Fe17相.随退火温度的升高,合金的磁致伸缩系数绝对值先减小后大幅度增大.退火温度为1050℃时,合金的磁致伸缩系数达最大(在外磁场为398 kA/m时,磁致伸缩系数为656×10-6).磁致伸缩系数的增大与该合金中形成较多的Ce2Fe17相以及合金中A2相沿[100]方向择优取向有关.     

AZ31B镁合金板材的织构

研究了AZ31B镁合金热轧、冷轧和热处理状态板材织构的特征以及对机械性能各向异性的影响.结果表明:轧制镁合金板材具有主要以基面织构为主的板织构,其基面平行于板面,其他织构组分相对较弱;冷轧后的基极密度中心围绕板横向向轧制方向旋转约18°;冷轧后在300℃热处理对织构分布特征影响不大.冷轧后的基面向轧制方向倾斜使该方向的塑性指标得到改善.     

热处理对5083铝合金晶间腐蚀与力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、硬度试验机和电子万用试验机等研究了合金的显微组织、晶间腐蚀情况和力学性能。结果表明,经过稳定化处理后的试样析出了不连续的第二相,稳定化处理和冷轧后的试样均无晶间腐蚀现象,试样在180℃下退火后,试样内形成了等轴晶粒,晶界上连续分布的β相,出现了晶间腐蚀现象,保温90h比15h晶界上析出β相更多,试样的晶间腐蚀更加明显;合金稳定化处理后硬度最高,冷轧后试样的硬度最低,在180℃下退火保温15和90h的硬度比冷轧后高,但低于稳定化处理后的试样,稳定化处理和退火后的试样的塑性较冷轧态好。