无损检测用TbDyFe薄膜制备及磁性能研究

发布时间：2020-03-21 07:30

【摘要】：磁致伸缩超声导波无损检测是基于磁致伸缩材料的魏德曼效应,在交变磁场下产生超声导波,通过在待测件传播前后信号波比来表征材料内部损伤的技术。该技术出现在20世纪90年代,具有易操作、灵敏度高、待测面要求低等优点。无损检测要求磁致伸缩材料具有一定弯曲柔性、高能量密度、大磁致伸缩应变等特性,常用的材料有轧制FeCo带、Ni带等,但是传统换能材料能量密度低,磁致伸缩应变弱,限制了其换能效率和检测效果。TbDyFe稀土超磁致伸缩薄膜具有应变大、易弯曲等特点,为提高换能效率和优化检测效果提供了理论可能,在无损检测领域具有很好的应用前景,倍受相关研究人员关注。本实验通过直流磁控溅射法制备TbDyFe薄膜,研究其稳定性能制备工艺参数,并进行优化。通过悬臂梁法表征薄膜的磁致伸缩性能,并借助AES、XRD、VSM、TEM等设备系统分析了磁致伸缩应变影响机理。然后,将Tb0.3Dy0.7Fe1.95生长在传统的FeCo换能带材上,利用MSGW超声导波检测仪直接对复合材料的检测效果进行表征,研究复合后的换能材料对激发信号的增强效果。厚度为6mm的TbDyFe靶材在100W、1.OPa的沉积参数可以稳定溅射,沉积率为100nm/mim。长时间沉积使得靶材表层达到一种新的成分平衡,使得沉积薄膜成分与靶材一致。室温制备为非晶态Tb0.3Dy0.7Fe1.5薄膜磁致伸缩性能约为115ppm,加以Ta层可以有效的避免衬底的影响以及薄膜的氧化问题,有利于薄膜成分的均匀和稳定。薄膜中RE含量偏高有利于REFe2相的析出,但成相不稳定,较高温度下易分解和氧化。薄膜磁致伸缩性能是由Keffect降低、易磁化方向偏转、Laves相析出等因素共同作用的结果。Tbo.3Dy0.7Fe1.95薄膜非晶制备态伸缩性能约90ppm,表现为垂直于膜面的易磁化方向。通过退火处理可以使薄膜的易磁化方向从垂直转向面内。热膨胀系数不同会引起退火后薄膜与衬底之间呈现拉应力,降低有效磁各向异性常数,进而导致磁致伸缩应变随退火温度升高而提高。在600℃退火1h析出REFe2相,微观结构呈现出非晶基体斑点状分布纳米晶,磁致伸缩系数也达到最高的265ppm。温度过高容易出现其他氧化物等杂相,650退火1h后磁致伸缩系数陡降至135ppm。Tb0.3Dy0.73Fe1.95/FeCo复合材料整体表现出面内方向易磁化,低矫顽力的特性,其作为换能材料表征的信号幅值变化规律与Tb0.3Dy0.73Fe1.95薄膜磁致伸缩性能变化规律基本一致。原始的FeCo带材在适配器频率128kHz、激发功率100%P(P是300V激发电压下的瞬时功率)测试环境下信号幅值为0.4V,复合Tb0.3Dy0.73Fe1.95薄膜后明显增加,其中,在600℃退火1h的复合材料在相同的测试条件下信号幅值最高,达到2.5V的饱和值。复合材料相比原始FeCo薄带在相同条件下反射的信号幅值明显增强,说明其换能效率和检测效果也明显得以优化。这一研究结果为磁致伸缩式超声导波无损检测换能新材料的制备提供了一种新的思路和方法。
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图１．２邋２０１４年全球无损检测设备市场占有率［２１逡逑

蚀、裂纹等损伤位置时，，会出现截面积异常变化而产生回波，根据导波在介质中的传逡逑播速度等参数，通过波的产生波和回波来判断缺陷和位置。超声导波具有检测距离远、逡逑检测效率好、效率高等优势。超声导波的传播以及损伤检测信号如下图１．３所示。逡逑ｆ邋： —逡逑１）１逡逑逦逦逦＇邋Ｉ邋＼ｌ逡逑Ｓ．邋＊邋＊？邋？邋？逦＂逦？邋－邋？邋■邋＊逦．邋．逦？逦＜逦？邋－邋？逦■逦＊邋－邋■邋＇９＇邋＇邋＇逦？逦？？？？？逦＊邋－逦．邋．邋■邋．邋．逦＇逦．邋ｃ邋．邋．邋．逦？＊．＇＞？？逦－邋＊逦■逡逑图１．３超声导波传导及缺陷检测信号逡逑超声导波根据其激发用换能器原理可以分为压电式、磁致伸缩式和电磁声式三种，逡逑其中压电式和磁致伸缩式两种换能器应用最广泛。压电式主要是利用压电材料如压电逡逑陶瓷（ＰＺＴ）等的正逆压电效应，是一种电能与机械能直接转变的过程，效率较高，逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TB381

【参考文献】

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本文编号：2592992