一种相界区域定向凝固合金及其制备方法

本公开属于磁致伸缩材料领域，具体涉及一种相界区域定向凝固合金及其制备方法。

背景技术：

1、磁致伸缩材料是能感知磁场并产生驱动效应的重要智能材料。由于该材料能实现电磁能与机械能之间的相互转化，现已成为换能器、驱动器、传感器等重要元器件的关键材料，在海洋探测、航空航天、智能机翼和微位移驱动等高科技领域有着广泛应用。随着科学技术的日益进步，磁致伸缩材料已朝着微型化和高灵敏方向发展，这一发展趋势要求磁致伸缩材料能够在低饱和磁场的驱动下输出大磁致伸缩。因此，探索能够应用于微型智能器件的大而灵敏的磁致伸缩材料已成为该领域倍受关注的前沿研究方向。

2、在过去的几十年中，多种类型的磁致伸缩材料被开发出来,如磁性马氏体合金、稀土-过渡族金属以及fe-ga合金等。磁性马氏体合金的磁致伸缩效应主要来源于两种机制，分别是铁磁马氏体变体在磁场下会发生择优再取向和弱磁马氏体到铁磁母相的场致相变。这两种机制的磁性马氏体合金均可输出1％～10％(104～105ppm)超大磁致伸缩，然而所对应的饱和场较大(3k～20k oe)，磁滞也较大(>200oe)。对于稀土-过渡族金属，该类材料是具有laves结构的磁致伸缩材料。早期的研究认为，磁场可使稀土原子的4f轨道沿着或垂直于<111>晶向排列，并引起该晶向上原子间距和晶格常数的变化，进而导致磁致伸缩效应。近期的研究表明，伪二元的稀土-过渡族金属中，存在磁性准同型相界，相界两边的铁磁相具有不同的晶体对称性，在磁场的作用下，能够发生相互转换，从而产生磁致伸缩效应。这两种磁致伸缩效应所对应的磁致伸缩值较大(500～2000ppm)，磁滞较小(<200oe)，但对应的饱和场也较大(2k～10k oe)。对于fe-ga合金，研究最广泛的磁致伸缩机制是磁场下d03相纳米畴的转动。由于d03相纳米畴的尺寸很小，在外场下纳米畴转动所需要克服的能垒很低，因而具有较小的饱和场(0.1k～0.3k oe)。但是fe-ga合金的磁致伸缩值相对较小，其中fe-ga单晶的磁致伸缩值也小于300ppm。近期的研究发现，在fe-ga合金中掺入微量的稀土元素，迫使基体发生四方畸变，从而可使fe-ga合金的磁致伸缩大幅提升。然而，与此同时其饱和场也大幅增加至10k oe左右。由此可见，对于上述三类磁致伸缩材料，由于其本征磁致伸缩机制的限制，均不能同时满足大而灵敏的磁致伸缩效应，因而需要需找新的磁致伸缩机制以实现性能突破。

3、近期，大而灵敏磁致伸缩效应的研究在fe-pd合金中取得了重要进展。该研究发现，定向凝固的fe67.7pd32.3铁磁应变玻璃合金在0.8k oe的较低饱和磁场下，可诱导出～620ppm的较大可回复磁致伸缩。铁磁应变玻璃是一种铁磁纳米马氏体畴(短程有序的晶格应变微区)的冻结态。研究提出，铁磁应变玻璃的纳米马氏体畴尺寸很小，能够在较低的磁场驱动下发生再取向，是导致大而灵敏磁致伸缩效应的原因。然而，这一机制是否具有普遍性还未得到验证。此外，由于pd的价格昂贵，这限制了fe-pd铁磁应变玻璃合金的商业化。因此，进一步探索纳米畴和磁致伸缩效应之间的联系，进而在同一合金体系中获得大而灵敏的磁致伸缩效应，并寻找相对廉价的铁磁应变玻璃合金显得尤为重要。ni-mn-ga铁磁形状记忆合金中掺入co，已经报道了铁磁应变玻璃的存在，且co的掺入能有效改善合金的脆性问题；此外ni、co、mn、ga原料的价格相对低廉。因而，ni-co-mn-ga合金体系，是对于探索纳米畴和磁致伸缩之间关系的非常合适的体系。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种相界区域定向凝固合金及其制备方法，该马氏体/应变玻璃相界区域定向凝固合金的饱和场小、磁致伸缩值大，并且原料成本低，可用于微型、智能磁致伸缩器件。

2、为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

3、一种相界区域定向凝固合金，所述合金的组分及摩尔百分比含量为：ni55-xcoxmn20ga25，其中，x＝8，9，11。

4、本公开还提供一种相界区域定向凝固合金的制备方法，包括如下步骤：

5、s100：按照化学计量式，将ni、co、mn和ga单质置于真空以及氩气气氛下通过电弧进行熔炼，获得合金铸锭；

6、s200：将合金铸锭反复熔炼后进行打磨；

7、s300：将打磨后的合金铸锭破碎并放入陶瓷管内，将陶瓷管置于真空以及氩气气氛下加热、拉伸，待陶瓷管冷却至室温，获得定向凝固合金。

8、优选的，步骤s100中，产生电弧的电流强度为90-120a。

9、优选的，步骤s200中，对合金铸锭反复熔炼4次。

10、优选的，步骤s300中，加热温度为1620℃。

11、优选的，步骤s300中，拉伸速率为5μm/s。

12、优选的，步骤s300中，拉伸时间为180min。

13、与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

14、本公开以ni55mn20ga25作为基体，并用co取代ni，制得ni55-xcoxmn20ga25定向凝固样品。对所制备的ni55-xcoxmn20ga25定向凝固样品进行磁致伸缩测试，测试结果表明与非相界区域样品相比，位于马氏体/应变玻璃相界区域x＝9的定向凝固样品具有最小的饱和场和最大的磁致伸缩，从而找到了在同一合金体系中获得优质磁致伸缩效应的通用方法，即：构建相界。这一研究结果为微型、智能磁致伸缩相关器件的研发提供了指导。且本公开采用的原料价格相对较低，克服了现有的主流稀土元素及贵金属磁致伸缩材料价格昂贵的缺点。

技术特征：

1.一种相界区域定向凝固合金，所述合金的组分及摩尔百分比含量为：ni55-xcoxmn20ga25，其中，x＝8，9，11。

2.一种相界区域定向凝固合金的制备方法，优选的，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s100中，产生电弧的电流强度为90-120a。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s200中，对合金铸锭反复熔炼4次。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s300中，加热温度为1620℃。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s300中，拉伸速率为5μm/s。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s300中，拉伸时间为180min。

技术总结
本公开揭示了一种相界区域定向凝固合金，所述合金的组分及摩尔百分比含量为：Ni<subgt;55‑</subgt;<subgt;x</subgt;Co<subgt;x</subgt;Mn<subgt;20</subgt;Ga<subgt;25</subgt;，其中，x＝8，9，11。本公开还提供一种相界区域定向凝固合金的制备方法，包括：按照化学计量式，将Ni、Co、Mn和Ga单质置于真空以及氩气气氛下通过电弧进行熔炼，获得合金铸锭；将合金铸锭反复熔炼后进行打磨；将打磨后的合金铸锭破碎并放入陶瓷管内，将陶瓷管置于真空以及氩气气氛下加热、拉伸，待陶瓷管冷却至室温，获得定向凝固合金。

技术研发人员：王宇,郝春喜,杨森,宋晓平
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12