专利名称：用于用msm-合金制造单晶体的方法
技术领域：
本发明涉及用于制造单晶MSM-体以制造MSM-执行器的方法，还涉及这种单晶MSM-体，它是如何通过该方法被制造的。
背景技术：
MSM-执行器(也称为“MSM-执行机构”)通常在现有技术中是已知的并且利用这 样的效果，即，在磁场的影响下，所谓的磁控形状记忆材料(MSM=磁控形状记忆)实施膨胀运动(基于各MSM-体沿膨胀方向的长度，膨胀运动典型地处在个位数的百分比范围)，可以是驱动的基础并且就此而言可以是公知的借助永磁体和/或电磁体实现的调整元件的一种备选。对这种MSM-执行器或MSM-执行元件的有效性起决定性作用的除了所使用的合金(典型地为NiMnGa-基的合金)外，就是晶体取向，MSM-元件沿这种晶体取向存在假定由现有技术公开的用于制造单晶MSM-材料的方法具有的特性为，通过将已熔融的合金材料置入型壳(Formschale)以及紧接着通过合金材料的冷却或凝固产生的晶体取向是随机的，带来的结果是，晶轴的取向无法预定并且然后必须通过接下来MSM-体的制造步骤形成。这种装置在图5的现有技术中示出一种以前述方式凝固且伸展的MSM-单晶10具有由型壳确定的几何纵轴12。但在材料凝固期间尽可能随机地形成在单晶10中的晶体取向，该晶体取向例如通过第一晶轴14和与之正交的第二晶轴16(其中，第三轴确定自动与这两者正交)描述。这会导致，可以从制好的单晶中裁出MSM-元件18(在之前通过测量求出晶轴后)，该MSM-元件具有由所示几何关系限定的最大尺寸(带有相应较多的边脚料)。这结果导致，在单晶MSM-元件的一般纵向尺寸在IOmm至30mm的范围内以及所期望的横截面典型地在5mm2至30mm2之间时，必须生产出相应大的单晶10(图5)，以便也在不利的晶体取向的情况下能够制备MSM-元件的符合期望的最小尺寸。显然，这种假定公开的做法在多个方面都是无效率的；一方面通过所需的切割过程(典型地通过线切割实施)产生了大量的边脚料，另一方面不管怎样都需要鉴于求出晶体取向对产生的单晶进行测定(典型地通过X射线衍射发生)，以便尤其为接下来的切割创造前提条件。从对图5的几何关系的示例性观察可知,最大可达到的尺寸(例如待制的MSM-元件的纵向延伸长度)受到限制。由现有技术公知，所谓的成核晶体(籽晶)能在单晶制造过程中影响晶体取向。为此目的，主要将合适的且以所期望的方式取向的单晶在过程开始时包括在过程内，在其上有待制造的晶体完美地单晶成核。但这种做法从多方面看都有问题；不仅合适的成核晶体成本昂贵且尤其对实验室环境外的工业制造过程而言很难操作，而且这种成核晶体也要求十分精确的过程控制以达到正确的成核特性(倘若成核晶体具有排斥合金的材料，那么已产生的MSM-元件的MSM-效果还可能有其它缺陷)。因此除了按前面提出的问题存在提高效率的明显需求外，还存在简化过程技术的需求，目标是，实现操作简单且潜在的工业化过程来制造单晶MSM-体。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，创造用于制造单晶MSM-体的方法以及相应的单晶MSM-体，它们在相关单晶材料的材料利用和效率方面有所改善，尤其是减少了用于用单晶MSM-体制造一个或多个MSM-元件的单晶材料的边脚料(Verschnitt)以及附加地使成核晶体变得没有必要。该技术问题通过带有独立权利要求特征的方法解决；本发明有利的扩展设计方案在从属权利要求中说明。在本发明框架内要求附加地保护单晶MSM-体，(优选用于用作执行器或执行元件)，该单晶MSM-体通过按独立权利要求以及从属权利要求的方法制造。在此，以此为出发点，即，从要求保护的方法得出的(必要时进一步拆分成单个执行元件的)拆分的单晶MSM-体还用典型的(以及否则就公知的)热处理的和/或磁控机械的训练步骤进行处理，以便达到或优化MSM-特性。在此，尤其按照扩展设计方案被本发明包含在内的是，单个或多个MSM-执行元件在拆分后经受了热处理，以便激励磁控形状记忆特性；作为备选，这种热处理也可以在固化(verfestigen)后的MSM-合金材料上在拆分成多个 MSM-执行元件之前进行。在本发明的优选扩展设计方案的框架内也规定，分开后(拆分后的)MSM-执行元件以训练的方式有针对性地且按预定运动，从而激励形状记忆特性。在此尤其规定(否则也假定为公知的是)，分开后的元件可能通过拉力和/或压力的施加而沿规定的膨胀方向有针对性地运动，以便因此借助这类机械冲程(Huebe)实施训练。在没有必要设置(单独的)成核晶体的情况下，更确切地说仅通过将熔融后的MSM-合金材料置入按照本发明特别设计的型壳，以按本发明有利的方式完成单晶MSM-体的制造，优选在NiMnGaX合金材料的基础上，其中，X选择性地具有一个或多个来自Co、Fe和Cu组的元素。更精确地说，它具有纵轴并且在选择器的区域内偏转这条纵轴，按照本发明这种偏转超过了选择器区域中的最大横截面宽度。因此在本发明的框架内规定，按本发明通过形成选择器区域而偏转的凝固路径的纵剖面的几何形状被这样实现，这种偏转沿横截面方向要大于在选择器区域内的最大横截面宽度，换句话说，最大偏转的范围处在晶体区域中横截面沿纵轴在选择器区域的入口上的投影之外(der Bereich dermaximalen Auslenkung liegt au β erhalb einer Projektion des Querschnitts imKristallbereich auf den Eingang des Selektorbereichs entlang der Lanqsachse)。按照本发明的一种扩展设计方案，这种偏转在纵剖面上具有至少锯齿的形状，作为备选，具有卷、螺旋或其它卷绕造型的形状。通过这种有利的措施，正在凝固的或然后已经凝固的MSM-材料的晶体结构以按本发明的方式经历了晶体取向，晶体取向以纵轴为导向，更精确地说，沿着型壳的纵轴的方向延伸(或从该纵轴偏转一个角度偏差，该角度偏差按照本发明< 10°，按照本发明的扩展设计方案有利地<6°，进一步按照本发明的扩展设计方案以及有利地小于3° )。因此，通过本发明有利地实现了，(伴随着这个在实践中可以忽略的取向误差)产生单晶，它的晶体取向不再是随机产生，而是通过型壳沿纵轴的(或按本发明偏转设计的用于在选择器区域中凝固的延伸区段的(Verlaufabschnitt))机械取向明确产生。由此产生的对成批制造有利的结果很明显不仅使后处理时或将凝固后的材料划分成多个MSM-元件时所需的边脚料明显减少，而且也通过按本发明的做法鉴于纵轴至少确定了晶体取向，换句话说，在用于实现MSM-元件(一个或多个)的单晶的可能的后处理之前，省去了(可能借助X射线衍射的)耗费的取向测量步骤。若如有利地且按照本发明扩展设计方案所规定的那样，将型壳(尤其在选择器区域或晶体区域中)也设计成横截面呈矩形，那么会额外影响正在凝固的或已经凝固的MSM-材料沿与第一晶轴正交的第二晶轴(以及自动第三正交的轴)的晶体取向，从而结果以此方式在空间内决定了产生的晶体的完整的三维晶体取向(再次地，无测量的必要性)。在本发明实践的框架内，尤其 有利且优选的是，沿垂直方向设置纵轴，因而纵轴大致垂直于作为冷却装置的(否则公知的)冷板设置在型壳的成核区域之中或设置在型壳的成核区域处。若然后型壳(以否则公知的方式)从热环境或加热环境，与纵轴反向地以牵引速度运动，那么以液体状态置入型壳的合金材料基于温度梯度然后以前进方向沿着凝固路径凝固，凝固路径可以通过纵轴描述并且按照本发明在选择器区域中偏离纵轴。在此，按照一种扩展设计方案有利的是，这样设置型壳的凝固或冷却特性，使得在横截面上(径向)在与凝固正面相邻的熔融物中不存在从内向外的巨大的温度梯度，并且靠近凝固正面的熔融物的温度梯度被调整到在O. 3K/mm至20K/mm之间的值，其中，用于产生所期望的晶体取向的一个特别优选的值范围在lK/mm至15K/mm的范围中。作为补充或备选，按照本发明的一种扩展设计方案有利的是，通过凝固正面沿凝固路径的运动速度(或型壳相对温度梯度的牵引速度(Ziehgeschwindigkeit))描述的冷却速度，被设置在O. lmm/min至10mm/min之间的范围内，其中，特别优选的范围处在O. 3mm/min至5mm/min之间。然后以此方式有利地达到了单晶的凝固特性，这种凝固特性至少沿纵轴形成了晶体结构的第一晶轴(或在这些轴之间显示最大角度偏差小于10°，典型地小于6°或甚至小于3° )。针对按照本发明的扩展设计方案将选择器区域和/或晶体区域的横截面(也就是说垂直于纵轴的平面)也有利地设计成矩形，进一步优选设计成正方形的情况而言，可以朝着横截面中矩形纵棱边的方向附加地影响(预定)正交的第二或第三晶轴，从而在型壳的例如纵向延伸和横截面呈矩形的晶体区域的理想情况下，这个区域预定了在型壳内凝固的单晶的三维取向。在此，按照一种扩展设计方案，在本发明的框架内特别有利的是，紧接凝固之后的拆分(始终)垂直于纵轴(Z轴)实施，因为就此而言，用前述的最大偏差就已经确定了晶体取向。结果本发明因此不仅实现了制造步骤或前置的检验布置的大幅减少(因为可以理想地省去晶体取向的测量)，本发明也允许了从型壳的有限的内腔产生尺寸最佳的MSM-元件，因为尤其是在所述成型过程中，通过沿对应型壳纵轴的凝固方向以及因而导致的晶体取向的凝固，能够生产最大的纵向尺寸。然后尤其可以期待，(也通过进一步拆分，例如锯开)能够以较少的制造费用(以及因而潜在能工业化地)有效生产作为制造MSM-执行器的基础的MSM-元件，这些纵向尺寸达到了大于20mm，尤其大于40mm和/或允许了 15mm2或更大的横截面积。
本发明其它的优势、特征和细节由接下来对优选实施例的说明以及借助附图得出；附图中图I是用于实施按本发明第一种实施例的方法的型壳装置的几何原理图2与图I类似，但带有形式为型壳的横截面呈矩形的晶体区域的另一种几何设计方案；图3是圆柱形MSM-单晶以及实现本发明时在该单晶中示意性示出的晶体取向的示意图；图4与图3类似，但带有正方形的单晶体，以便示出示意性设置在该单晶体中的(同样正方形的)MSM-执行元件的晶体取向；以及图5示意性示出了按来自现有技术的普通方法实现的MSM-单晶，带有在该单晶内随机取向的晶轴以及由此产生的针对MSM-执行元件的有限的切割可能性 (Schnittmoeglichkeit)。
具体实施例方式图I示出了原理，用该原理可以根据第一种实施例实现本发明。图中示出了所谓的用于按所谓的布里奇曼方法(Bridgman-Verfahren)产生单晶体的型壳,该型壳从冷板20垂直地沿着纵轴(虚线22)延伸，形成了成核区域(Ankeimbereich) 24、接着该成核区域的选择器区域(Selektorbereich) 26以及晶体区域(Kristallbereich) 28。适宜地熔融后的合金材料通过上部开口 30置入装置，液态的合金材料然后在形成相应地向上运动的凝固正面的情况下从下往上(箭头32)凝固，凝固正面的运动速度由合适的温度影响预定。图1(类似的图2)示出了，凝固路径如何按照本发明不是垂直和线性地沿着纵轴22实现，而是更确切地说具有在图I或图2的纵剖面中弯折的线条走向；更确切地说，在选择器区域26中这样设计型壳，使得型壳的用于凝固的内通道(从下往上的方向看)首先偏转约40°的角并且然后具有另一个反向偏转的的区段，直至该通道在选择器区域的上端部上又在横截面上与底侧的横截面对齐(fluchtet)。按照本发明有利的是，这种偏转以有利的方式引起晶体结构沿垂直方向，也就是说沿轴线22的方向的纵向取向，其中，这种偏转在所示实施例中在其最大的侧向偏转上超过了在晶体区域中或在与冷板20相邻的底部区域中横截面的投影(ErfindungsgemaePvorteilhaft sorgt diese Auslenkung, weIcheim dargestellten Ausfuehrungsbeispiel an ihrer maximalen seitlichen Auslenkungueber die Projektion des Querschnitts im Kristallbereich bzw. im Bodenbereichbenachbart der Kaltplatte20hinausgeht, in vorteiIhafter Weise fuer eineLaengsorientierung der Kristallstrukturen in Vertikalrichtungj d. h. der Richtungder Achse22)。这一点然后导致，在凝固状态下，在晶体区域28中存在的单晶具有这样一个取向，其具有至少一个沿纵轴方向取向的第一晶轴(其中，在此按照本发明，可以达到一个10。、但典型地小于6°或甚至小于3°的最大角度误差(Winkelfehler))。图2示出了图I的实施例的一种变型方案；在此，在晶体区域2V内，垂直地沿纵轴22延伸的通道在横截面中呈正方形，因此除了沿垂直方向的晶轴取向外，还额外有两个与之正交的晶轴平行于晶体区域的棱边走向延伸。图3或4示出了这些几何关系，就这点而言对应图I或图2的实现形式图3示出了在空心圆柱形的晶体区域中凝固的单晶体的结果。纵轴(在此z轴)的方向与带有所述的很小的可能的角度误差的晶体纵轴c的取向几乎一致。基于圆柱形结构(也就是说在图3的x-y平面内的圆形)，两个其它的、彼此正交以及与垂直轴c正交的轴在它们的取向上是随机的。反之，图2的扩展设计方案(按图4的几何形状)提供了这样的可能性，即，通过规定正方形的横截面轮廓(在此为平行于X方向或y方向延伸)，相应平行地清楚地形成第二(a)或第三(b)晶轴，因而作为在图2或图4中说明的方法的实施结果，达到了一种单晶，该单晶通过其正方形已经尽可能说明了其真实的晶体取向以及就此而言潜在地没有后处理的需求(或仅具有最小的后处理需求)。由于在此用沿型壳的纵向延伸(Z)的方向以及在型壳内凝固的坯件的方向的晶轴(C)确定了对MSM-体的膨胀特性有决定意义的取向以及当并不看重a晶轴或b晶轴的准确取向时也无进一步的后处理地(或仅用最少的后处理)使用这种圆柱形的主体，所以按图I的制造方法的结果(图3)是有利的。接下来借助具体的例子说明方法的实施合金原料作为所谓的主合金(Masterlegierung)通过对应MSM-合金组成的材料NiMnGa的感应熔融制造。典型的熔点被调整为在50°到400°之间的范围内在各合金的液化温度之上。熔融典型地在IOOmbar至1200mbar之间的Ar气氛下发生。
液态的主合金浇铸在具有对应图I的几何形状的陶瓷型壳中。这种型壳在布里奇曼方法中相对温度梯度从热区运动进入冷区，因而凝固正面从下往上延伸穿过型壳。凝固正面的这种运动速度典型地为O. 3mm/min;接近凝固正面的熔融物中的温度梯度被调整到典型地为3K/_的值。在穿行按本发明有利地偏转的选择器区域后，带有垂直的、也就是说沿纵轴22方向取向的晶轴的MSM-材料凝固，因而在最后的凝固和冷却后，从晶体区域28可以取出作为有图3所示的几何形状的MSM-体的圆柱体。这个圆柱体现在提供这样的可能性，即，直接实现了有轴向延伸的运动(膨胀)方向的MSM-执行器，作为备选，通过确定晶体横轴(Querachse)可以从这个MSM-体得出对此的前提，S卩，用很少的边脚料以及最小化的表面侧的剥落(mantelseitige Abtragung),可以创造出一个或多个横截面呈矩形或正方形的、带有也沿横向(Querrichtung)限定的晶体取向的MSM-元件。垂直于Z轴的片段(Schnitte)尤其适用于这种分割，因为就此而言已经明确确定了取向。为了激发或实现以所述方式实现的执行器的完整的形状记忆功能，材料被热处理(或作为整体在拆开之前，备选地通过分开的单个执行元件的热处理)。也有利的是，这些元件在分开后在它们的运动或膨胀特性上得到训练，其中，为此目的，典型地通过一些冲程(Huebe),沿规定的膨胀或运动方向通过相应的拉力或压力输入将运动冲压(einpraegen)入材料。当前述装置和前述装置的运行通常且原则上被理解为是为了实现按本发明的方法时(以及通过技术人员的恰当的设计和适应)，尤其也处在本发明的框架中的是，在多臂型壳的类型中，沿彼此分开的、同时相邻的选择器区域和晶体区域设置多条凝固路径。通过本发明制造的MSM-体的使用领域潜在地不受限制；有利地可以期望的是，本发明仍然极大地简化以及经济地发展了这种鉴于晶体几何形状明确确定的MSM-体的工业化制造，因而在将来开拓了 MSM-执行机构的其它应用领域。
权利要求
1.用于由单晶MSM-体制造具有沿第一晶轴的晶体取向的MSM-执行元件的方法，所述方法通过将熔融后的合金材料置入型壳以及接下来使合金材料凝固，具有下列步骤 -设置具有成核区域(24)、选择器区域(26)以及晶体区域(28)的、至少部分沿纵轴(22)取向的型壳， -将熔融后的MSM-合金材料，尤其是NiMnGa-基的合金材料，置入型壳，而不设单独的籽晶， -通过生成沿凝固路径从成核区域经由选择器区域运动进入晶体区域的凝固正面来使MSM-合金材料固化， 其中，凝固路径在晶体区域中沿纵轴延伸，在选择器区域中形成了从纵轴偏转的区域，其相对纵轴的最大偏转要大于选择器区域中的最大横截面宽度，以及 纵轴(22)具有偏离第一晶轴的小于10°、优选小于6°、进一步优选小于3°的角度偏差，以及 -将凝固后的MSM-合金材料拆分成多个MSM-执行元件。
2.按权利要求I所述的方法，其特征在于，凝固路径在选择器区域中形成了利用两个弯折区段以锯齿状偏转的区域，该区域的入口侧和出口侧优选与纵轴对齐地取向。
3.按权利要求I所述的方法，其特征在于，凝固路径在选择器区域中形成了螺旋形或锯齿形的区域。
4.按权利要求I至3中任一项所述的方法，其特征在于，纵轴垂直于配属于成核区域的平坦的冷却装置，所述冷却装置尤其是冷板。
5.按权利要求I至4中任一项所述的方法，其特征在于，伸长地沿着纵轴伸展的晶体区域具有> 3cm2、尤其是> 7cm2、特别也大于12cm2的针对凝固正面的有效横截面积。
6.按权利要求I至5中任一项所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料为了生成凝固正面而被这样冷却，使得在选择器区域中产生的与凝固正面相邻的熔融物中的温度梯度在O. 3K/mm至20K/mm之间，尤其在lK/mm至15K/mm之间。
7.按权利要求I至6中任一项所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料为了生成凝固正面而被这样处理，尤其是通过影响在型壳和温度梯度之间的相对速度，使得凝固正面在选择器区域中以在O. lmm/min和50mm/min之间、尤其在O. 3mm/min和5mm/min之间的速度沿凝固路径运动。
8.按权利要求I至7中任一项所述的方法，其特征在于，凝固正面沿着凝固路径运动通过至少部分在横截面上呈矩形、尤其是正方形的选择器区域和/或晶体区域。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，晶体区域的横截面呈矩形的内轮廓，在至少与第一晶轴正交的第二晶轴中确定了单晶凝固的MSM-合金材料的晶体取向。
10.按权利要求I至9中任一项所述的方法，其特征在于，合金材料在组成NiaMnbGacCodFeeCuf中具有Ni、Mn、Ga以及至少Co，其中，a、b、C、d、e和f用原子百分比给出，以及满足如下条件 .44≤a≤51 ; .19≤b≤30 ;.18 ≤ c ≤24;.O.I≤ d ≤ 15;O 彡 e 彡 14. 9;O ^ f ^ 14. 9;d+e+f 彡 15;a+b+c+d+e+f = 100。
11.按权利要求I至10中任一项所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料沿多个彼此相邻且彼此分开的凝固路径进行固化。
12.按权利要求I至11中任一项所述的方法，其特征在于将在晶体区域中凝固的MSM-合金材料划分成多个MSM-执行元件，而不用预先利用测量技术求出在凝固的MSM-合金材料中的晶体取向。
全文摘要
本发明涉及一种用于用单晶MSM-MSM体，通过将熔融后的合金材料置入型壳以及接下来使合金材料凝固，来制造具有沿第一晶轴的晶体取向的MSM-执行元件的方法，该方法具有下列步骤设置具有成核区域(24)、选择器区域(26)以及晶体区域(28)的、至少部分沿纵轴(22)取向的型壳；将熔融后的MSM-合金材料，尤其是NiMnGa-基的合金材料，置入型壳，而不必设单独的籽晶；通过生成沿凝固路径从成核区域经由选择器区域运动进入晶体区域的凝固正面来使MSM-合金材料固化，其中，凝固路径在晶体区域中沿纵轴延伸，在选择器区域中形成了从纵轴偏转的区域，其相对纵轴的最大偏转，要大于选择器区域内的最大横截面宽度，以及纵轴(22)具有偏离第一晶轴的小于10°，优选小于6°，进一步优选小于3°的角度偏差，以及将凝固后的MSM-合金材料拆分成多个MSM-执行元件。
文档编号C30B11/00GK102918673SQ201180026480
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者M.劳芬伯格, E.帕古尼斯, A.德雷弗曼, L.斯特茨 申请人:Eto电磁有限责任公司