强磁场下Fe-Ga合金组织与性能的基础研究

论文摘要

磁致伸缩材料是一种重要的能量与信息转换的高技术功能材料,在声纳水声换能器技术、微位移驱动等高技术领域有着广泛的应用前景。与现在广泛应用的Terfenol-D合金相比,Fe-Ga系磁致伸缩合金（Galfenol合金）具有低成本,高强度、小脆性、机械性能好,低场性能优异等优良性能指标,是值得重点开发和利用的功能材料。然而目前制备获得的Fe-Ga合金磁致伸缩性能仅是Terfenol-D合金的1/5,探索Fe-Ga合金磁致伸缩的起源,提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能仍是一个开发的课题。本文在中央高校基本科研业务费专项资金[No.N090309002]的资助下探索开展了强磁场下Fe-Ga合金组织与性能的研究,选用Fe-17at.%Ga和Fe-27.5at.%Ga合金,重点开展了静磁场凝固、强磁场热处理研究,得出以下结论：1)铸态、热处理、磁场作用下凝固、磁场作用下热处理Fe-Ga合金X-射线衍射图谱分析表明不同条件处理后Fe-Ga合金主要由无序A2α-Fe相组成,且为无取向多晶结构,由于发生晶格畸变引起晶格常数、峰强比改变：2) Fe-Ga合金微观组织主要由A2相及析出的点状DO3相、条状L12相组成,不同磁场条件作用后,微观组织中D03相、Ll2相发生显著改变。在磁场凝固处理后,由于热电磁流体作用,微观组织中D03相、Ll2相显著减少：而在1000℃磁场热处理后,致使微观组织中D03相、L12相明显增加；3)不同条件下Fe-Ga合金VSM测试结果表明,Fe-Ga合金几乎无磁滞,剩磁和矫顽力很小,有利于材料的反复磁化过程：磁各向异性能小,有利于磁致伸缩的产生；磁场对其作用效果不明显；4)铸态Fe-Ga合金磁致伸缩系数较低,对17%Ga和27.5%Ga分别为22和31ppm,而缓冷处理后分别达到59和67ppm,淬冷处理后为74和99ppm。磁场凝固处理后17%Ga和27.5%Ga的磁致伸缩分别为62和69ppm：然而1000℃磁场热处理后Fe-Ga合金的磁致伸缩降低,但磁场热处理可以有效的降低Fe-Ga合金达到饱和磁致伸缩所需要的磁场强度,有助于提高Fe-Ga合金在低场条件下的应用；5)从磁场影响磁畴的角度,讨论了凝固过程中磁场的施加有利于有序排列条状磁畴的形成作用机理；6)从磁场影响无序-有序转变的角度,分析了在热处理阶段施加磁场,加速了Fe-Ga合金中无序-有序转变,促进了负磁致伸缩作用的有序相D03、L12相的生成,致使磁致伸缩性能有所降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 磁致伸缩现象及其产生原因
• 1.1.1 磁致伸缩效应
• 1.1.2 磁致伸缩效应的产生机理
• 1.2 磁致伸缩材料
• 1.2.1 磁致伸缩材料的发展
• 1.2.2 磁致伸缩材料的应用
• 1.3 Fe-Ga合金
• 1.3.1 Fe-Ga合金及其特性
• 1.3.2 Fe-Ga合金的制备技术
• 1.3.3 Fe-Ga合金中的相结构
• 1.3.4 Fe-Ga合金中相的存在条件
• 1.3.5 Fe-Ga合金磁致伸缩性能的影响因素
• 1.3.6 Fe-Ga合金研究现状
• 1.4 磁场下合金凝固
• 1.5 磁场热处理
• 1.5.1 磁场热处理简介
• 1.5.2 磁场热处理对Fe基合金磁致伸缩性能的影响
• 1.6 本文的研究内容及意义
• 第2章 实验方法
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 铸态样品制备
• 2.1.2 静磁场样品制备
• 2.2 Fe-Ga合金磁场实验工艺
• 2.3 组织分析和性能测量方法
• 2.3.1 微观组织分析
• 2.3.2 结构分析及设备
• 2.4 磁致伸缩测量
• 第3章 Fe-Ga合金的相结构与磁致伸缩性能
• 3.1 引言
• 3.2 铸态Fe-Ga合金的相结构及磁致伸缩性能
• 3.2.1 XRD结果与分析
• 3.2.2 微观组织与分析
• 3.2.3 VSM结果与分析
• 3.2.4 磁致伸缩性能
• 3.3 热处理对Fe-Ga合金结构和磁致伸缩性能的影响
• 3.3.1 XRD结果与分析
• 3.3.2 微观组织与分析
• 3.3.3 VSM结果与分析
• 3.3.4 磁致伸缩性能
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 制备方法与磁致伸缩性能
• 3.4.2 热处理影响相的形成
• 3.5 小结
• 第4章 磁场作用下Fe-Ga合金的凝固组织与性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 XRD结果分析
• 4.2.2 微观金相组织
• 4.2.3 磁致伸缩性能
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 Fe-Ga合金磁致伸缩产生的机理
• 4.3.2 磁场影响相形成机理
• 4.3.3 对磁场影响磁畴的讨论
• 4.4 小结
• 第5章 磁场热处理对Fe-Ga合金结构与磁致伸缩性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 XRD结果分析
• 5.2.2 微观金相组织
• 5.2.3 VSM结果分析
• 5.2.4 磁致伸缩性能
• 5.3 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢