专利名称：一种FeGaYB薄片状磁致伸缩材料的制备方法
技术领域：
本发明属于磁性材料领域，涉及一种高性能多晶织构磁致伸缩薄片材料及其制备方法。
背景技术：
铁磁体在外磁场中被磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象被称为磁致伸缩。磁致伸缩可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料即是指具有线磁致伸缩特性的材料。材料的线磁致伸缩性能通常用(3/2) λ s表示，它表征了一种材料本征的磁致伸缩应变值，可认为是材料理论上可达到的最大磁致伸缩应变值。实际应用中，线磁致伸缩系数通常用λ表示，λ =AL/L(L为材料原始长度，AL为磁化状态改变时样品发生的变化)。对于片状材料，(3/2) λ3=λ 〃-λ-，其中λ 〃是指薄片轧向平行于磁场方向所测得的饱和磁致伸缩系数；λ -是指薄片轧向垂直于磁场方向所测得的饱和磁致伸缩系数。λ >0 时，为正磁致伸缩，铁磁体沿磁场方向伸长，而垂直磁场方向缩短；当λ <0时，为负磁致伸缩，铁磁体沿磁场方向缩短，而垂直磁场方向伸长。材料在被磁化时所产生的最大磁致伸缩系数，称为饱和磁致伸缩系数K。传统的磁致伸缩材料虽然具有居里温度高和机械性能好的特点，但是其磁致伸缩系数较低；而以Tb-Dy-Fe为代表的超磁致伸缩材料虽然具有磁致伸缩应变大等优良的性能，但由于其质地较脆，塑性很差，加工性差，原材料成本较高等，限制了该材料的应用。2000年，美国的Guruswamy S等人发现!^e-Ga 二元合金具有比i^e-Al合金高得多的磁致伸缩值，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多，是一种新型的具有广阔应用前景的磁致伸缩材料，称为Galfenol，引起了各国研究者极大的关注。 (Guruswamy S, Srisukhumbowornchai N, Clark A E, et al. Strong, ductile, and low-field-magntostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta. Mater. ,2000, 43 :239 244 ；Srisukhumbowornchai N, Guruswamya S. Large magnetostriction in directionally solidified FeGa and FeGaAl alloys. J. App1. Phys. ,2001,90(11) 5680^5688)。虽然该材料具有较好的磁致伸缩性能和力学性能，但由于该材料的电阻率较低，在高频下使用会产生较大涡流损耗，限制了该材料的应用。因此，人们希望能将其轧制成薄片状，以降低高频使用条件下的涡流损耗，改善其高频特性。2003年，美国Kellogg R A等人对!^e83Ga17合金进行了热轧、温轧、回复再结晶热处理，得到了含有{001}<110>和{111}<211>织构的薄片，其饱和磁致伸缩系数(3/2) λ s 约为 170X ICT60 (Kellogg R A,Flatau A B, Clark A E. Texture and grain morphology dependencies of saturation magnetostriction in rolled polycrystalline Fe83Ga17. J. App1. Phys.，2003，93 (10) :8495 8497)
2006年，美国Na S M和Flatau A B等人报道了在!^e81.3Ga18.7合金中添加硼和硫，通过热轧、温轧、冷轧及后续热处理的工艺，获得具有近似立方织构或近似高斯织构的薄片材料，最高磁致伸缩值(3/2) λ s 可达 220X 1(T6。(Na S M, Flatau A B. Magnetostriction
3and crystallographic texture in rolled and annealed Fe-Ga based alloys. Mater. Res. Soc. Symp. Proc，2006，888 :335)
美国专利WO 2006/094251公布了在!^e-Ga基合金中添加NbC或Be或Al或复合添加， 在合金的外面包壳以防止氧化及防止轧制时合金表面的热量损失，通过热轧、两段400°C 温轧以及后续的热处理，获得了具有混合织构或近似立方织构的i^e-Ga基磁致伸缩薄片材料。2007年，美国的Suok-Min Na等人报道了在Fe81^i19添加适量B、Mo、Nb、 NbC，成功轧制出厚度为0. 18到0.35 mm的薄板，通过随后的退火，其磁致伸缩应变均超过 IOOXlCr60 (Suok-Min Na, Alison B. Flatau. Deformation behavior and magnetostriction of polycrystalline Fe - Ga - X (X=B, C, Mn, Mo, Nb, NbC) alloys. J. App1. Phys. , (2008), 103, 07D304)
上述关于i^e-fe基薄片材料的研究中，共同的不足在于制造工艺都过于复杂，其中包括需对母合金进行包壳，热轧，温轧及冷轧总道次均在100道次以上，轧制过程中的反复去应力退火以及所得薄片的单方向的饱和磁致伸缩系数值较小。针对上述缺点，本研究小组通过优化合金成分，采用相对简单的轧制工艺制备出 !^-( 基薄片材料，并通过随后的特殊热处理工艺(磁场退火、高真空高温二次再结晶退火等)获得了较好的性能；但其热处理过程过于复杂、磁致伸缩性能仍有待提高、合金的成品率不高等缺点影响了其工业应用。相关研究结果已成功申报中国发明专利(专利号ZL 200910076722. 4，公开号CN101654759)。
发明内容
本发明目的是为了简化热处理工艺，提高材料的磁致伸缩性能，本发明采用更为优化的合金成分和更为简单的轧制及热处理工艺，从而获得具有良好织构、高磁致伸缩性能、高电阻率，能满足较高频率使用条件及可大规模生产的薄片状磁致伸缩合金材料。本发明的目的通过以下方面实现
材料成分为=FemzGiixYyBz,其中(按原子比计)x=13 24，y=0.广2，ζ=(Γθ.5，余量为 Fe。优选成分为χ=16 23，y=0. 2 1. 5，z=0 0. 3。其中加入Y(钇)的作用原理是Y在!^e-Ga合金中的固溶度很小，具有较强的析出能力，它的析出可以显著地降低铸态合金的晶粒度；它在合金中的存在方式主要为晶界富集并伴有晶内析出，Y的析出可增强晶界结合力。因此，Y的加入可显著地提高合金的塑性，使得其在轧制过程中不发生开裂。Y作为吸氧元素，其比Fe、( 更易氧化，它的加入可以有效阻止轧制过程中基体的氧化，同时，由于Y的氧化脱落，对合金的磁致伸缩性能影响很小；在薄片材料的退火过程中，Y作为易氧化元素将被优先氧化，其氧化物在晶界处分布可成倍地提高材料的电阻。涡流损耗与材料的电阻成反比，提高电阻可降低材料的涡流损耗。此外，Y的加入对合金薄片形成立方织构{100}<100>和高斯织构{110}<001>具有有 作用。B作为辅助添加元素，其主要作用在于提高晶界强度，细化晶粒，从而提高合金的轧制性能。本发明提供了一种制备高性能多晶织构!^ltltlHzGiixYyBz磁致伸缩薄片材料的方法。首先对经过熔炼、热锻、轧制后的合金薄片进行表面处理，然后选择下列一种方法进行热处理
方法一，以氩气或混有0. 001% 0. 008% (体积比)硫化氢的氩气作为保护气氛，在 750°C 1000°C的温度下保温3 15小时，水冷至室温。 方法二，以氩气或混有0. 001% 0. 008% (体积比)硫化氢的氩气作为保护气氛，在 1100°C 1300°C保温0. 5 8小时，炉冷至850°C 650°C保温1 5小时，然后水冷至室通过热处理，得到高性能多晶织构FeltltlHzGiixYyBz磁致伸缩薄片材料。所述熔炼是按所设计成分进行配料并加入适量烧损；用真空感应炉冶炼母合金， 抽真空度至2 X Io^2Pa 4 X 10_2Pa，通入氩气保持真空度至5 X IO4Pa后加热，使原材料熔化形成合金，熔化后精炼3飞分钟，以保证合金成分的均勻，将精炼后的合金浇注成合金锭。所述热锻是将合金锭在900°C 1000°C的温度下进行锻造，破坏铸态组织，提供适宜于热轧的原料形状。所述轧制是将锻造后的合金分别进行900°C 1000°C热轧及常温下的冷轧，总道次不大于65，总变形量为90% 99. 5%。热处理时的合金薄片厚度为0. 02 0. 25mm。本发明制备FemzGiixYyBz磁致伸缩薄片晶体具有较强的<100>取向，从而薄片材料具有良好的立方织构{100}<001>或高斯织构{110}<001>。采用本发明方法所获得的i^1(l(l_x_y_zGaxYyBz磁致伸缩薄片，沿轧向具有较高的磁致伸缩性能，磁致伸缩系数λ//—般在140Χ10—6以上。 本发明的优点在于(1)开发出的Fei(l(l_x_y_zGaxYyBz磁致伸缩薄片，织构类型理想， 低场磁致伸缩性能优良，电阻率较高；(2)制造工艺简单，成本低，成品率高，有利于推广应用。本发明的多晶织构FemzGaxYyBz薄片磁致伸缩性能好，作为换能器的工作元件，可以成倍地提高功率，且具有较好的强度和耐蚀性能，可以在恶劣环境下使用。
图1为具有<100>取向的Fe82.5Gii17 Ya2Ba3磁致伸缩薄片的X射线衍射图谱；
图2为热处理后F .SGa17Y(}.2Β(,.3薄片沿轧向的磁致伸缩曲线λ〃；图3为热处理后F .45Ga17Y0"从.15薄片沿轧向的磁致伸缩曲线λ〃图4为热处理后狗82.45Ga17γ 1(1. 5薄片沿轧向的磁致伸缩曲线λ〃；图5为热处理后F .SGa17Y(}.2Β(,.3磁致伸缩薄片的00 (」2=45°)图；图6为热处理后狗82.45Ga17Y0"Λ15磁致伸缩薄片的ODF (j2=45°)图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明的高性能磁致伸缩薄片的成分为
Fe100-χ-y-zGaxYyBz，实施例1 制备高性能多晶织构i^82.5Gai7 Ya2Ba3磁致伸缩薄片用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 9%的 ^、99. 99%的fei、B和Y， 并多加4%的( 烧损量，采用真空感应熔炼炼制母合金，抽真空度至3 X 10 ,通入氩气保持真空度至5X 104! 后加热，原料熔化后精炼3分钟，以保证合金成分的均勻，将精炼后的合金浇注成合金锭；
将合金锭在950°C进行锻造成厚度约为IOmm的近似长方体坯料，破坏铸态组织，提供适宜于热轧的原料形状；
将锻造后的合金分别进行950°C热轧、冷轧，总变形量为98%，总道次为50，轧至 0. 2mm ；
对冷轧后的合金薄片进行表面清理，然后抽真空至4Pa，以氩气作为保护气氛，在 1200°C保温6小时，炉冷至730°C保温3小时，水淬至室温。图1为Fe82.5Gii17 Ya2Ba3磁致伸缩薄片的X射线衍射图，图2为热处理后 F^5Ga17Ya2Ba3磁致伸缩薄片的磁致伸缩性能曲线，薄片沿轧向的最大磁致伸缩应变 λ //为145Χ 10_6，其电阻是相同形状和成分三元!^e-Ga-B合金的2. 8倍。图5为热处理后!^m5Ga17Ya2Ba3磁致伸缩薄片的ODF(j2=45°)图，可以看出，薄片具有明显的立方织构 {100} <100>，并开始出现高斯织构{110} <001>。实施例2 制备高性能多晶织构狗82.456 7 Y0. Ai5磁致伸缩薄片
用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 9%的 ^、99. 99%的fei、B和Y， 并多加4%的( 烧损量，采用真空感应熔炼炼制母合金，抽真空度至3 X IO-2Pa,通入氩气保持真空度至5 X IO4Pa后加热，原料熔化后精炼3分钟，以保证合金成分的均勻性，将精炼后的合金浇注成合金锭；
将合金锭在1000°C进行锻造成厚度约为8mm的近似长方体坯料，破坏铸态组织，提供适宜于热轧的原料形状；
将锻造后的合金分别进行1000°C热轧、冷轧，总变形量为99%，总道次为59，轧至 0. 08mm ；
对冷轧后的合金薄片进行表面清理，然后然后抽真空至10Pa，在氩气保护气氛下，在 1200°C保温5小时，炉冷至730°C保温3小时，水冷至室温。图3为热处理后!^e82.45Ga17 Ya4Bai5磁致伸缩薄片的磁致伸缩性能曲线，薄片沿轧向的最大磁致伸缩应变λ 〃为186X10—6，其电阻是相同形状和成分三元狗-Ga-B产品的 3. 4倍；图6为热处理后!^e82.45Ga17 Y0.4B0.15磁致伸缩薄片的ODF (j2=45°)图，可以看出，薄片具有明显的立方织构{100}<001>。实施例3 制备高性能多晶织构Fe82.5Gii17 Ya5磁致伸缩薄片
用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 9%的狗、99. 99%的Ga、Y，并多加4%的( 烧损量，采用真空感应熔炼炼制母合金，抽真空度至3 X IO-2Pa,通入氩气保持真空度至5X 104! 后加热，原料熔化后精炼3分钟，以保证合金成分的均勻，将精炼后的合金浇注成合金锭；
将合金锭在1000°C进行锻造成厚度约为4mm的近似长方体坯料，破坏铸态组织，提供适宜于热轧的原料形状；
将锻造后的合金分别进行1000°C热轧、冷轧，总变形量为99. 5%，总道次为65，轧至0. 02mm;对冷轧后的合金薄片进行表面清理，然后然后抽真空至15Pa，以氩气作为保护气氛，再通入0. 003% (体积比)的硫化氢气体，在750°C保温10小时，水冷至室温；最终所获得的薄片材料的电阻是相同形状和成分二元i^e-fei产品的5. 1倍，磁致伸缩应变λ//为 171Χ10Λ 表1合金电阻率对比表
合金成分电阻率(Χ1(Γ5Ω ·αη)Fe83Ga176. 573(Fe83Ga17) 0.99B0.018. 069Fe82.5G317Y0.2 . 322.755Fe82. 45^17^0. 4 . 1527. 453Fe82. 45^17^0. 533. 65权利要求
1.一种!^eGaYB薄片状磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，所述方法使用的原料成分的通式为FeIOO-χ-y-zGaxYyBz，其中，按原子比计χ=13 24，y=0.广2，ζ=0 0· 5，余量为Fe,按照所述原料成分的比例并加入适当烧损配料，将该配料进行冶炼铸锭；将合金锭进行锻造、热轧、冷轧，其中轧制总道次不大于65，总变形量为90% 99. 5% ；随后采取如下热处理工艺根据合金成分的不同，在IPalOOI3a条件下，以氩气或混有0. 001% 0. 008%(体积比)硫化氢的氩气作为保护气氛将冷轧后的合金在1100°C 1300°C的温度下保温0. 5 8小时，然后炉冷至850°C 650°C保温1 5小时后水淬至室温；或在750°C 1000°C保温 3^15小时后水淬至室温。
2.根据权利要求1所述的薄片状磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，x=16 23，y=0. 2 1. 5，z=0 0. 3。
3.根据权利要求1或2中所述的薄片状磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，获得的 FeGaYB薄片状磁致伸缩材料厚度为0. 02mm 0. 25mm,磁致伸缩应变λ ,,在140Χ 10_6以上。
全文摘要
本发明属于磁性材料领域，涉及到一种FeGaYB薄片状磁致伸缩材料的制备方法。用此法所制得的FeGaYB薄片状磁致伸缩材料厚度可达0.02mm，其沿轧向的磁致伸缩应变λ//值一般在140ppm以上，其电阻率较高，是同成分Fe-Ga合金的数倍，且成品率很高。所使用的Fe100-x-y-zGaxYyBz原料成分范围为(原子分数)x=13~24，y=0.01~2，z=0~0.5，余量为Fe。本发明开发出的Fe100-x-y-zGaxYyBz磁致伸缩薄片，织构类型理想，低场磁致伸缩性能优良，电阻率较高；制造工艺简单，成本低，成品率高，有利于推广应用。
文档编号H01L41/22GK102176507SQ20111006252
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者张茂才, 李纪恒, 肖锡铭, 高学绪 申请人:北京科技大学