强高斯织构Fe-Ga-Al合金轧制薄板的制备及磁致伸缩性能

发布时间：2020-07-23 22:24

【摘要】：磁致伸缩材料在换能器、制动器、导波检测等领域有着重要的应用。当在较高频率电磁场环境下应用时,为了减少涡流损耗,通常需要将磁致伸缩合金轧制成薄板,而合金薄板的磁致伸缩性能与其织构密切相关,强高斯织构的获得有利于实现薄板沿轧向磁致伸缩性能的最大化。磁致伸缩Fe-Ga合金轧制薄板的研究表明,要获得强高斯织构,一种思路是通过添加抑制剂来控制二次再结晶过程中的晶粒生长,但由于Fe-Ga合金较大的晶界脆性,其轧制通常需要在高温下进行,难以对抑制剂颗粒尺寸进行有效调控,目前Fe-Ga合金薄板中作为抑制剂的NbC颗粒尺寸较大,大多为微米级,抑制效果较弱,仅依靠添加抑制剂不能获得强高斯织构;另一种思路是通过硫气氛表面能诱导效应来为高斯晶粒生长提供额外的驱动力,虽然这种方法对获得强高斯织构薄板十分有效,但由于硫的使用而受到很大限制。针对这两个方面的问题,本文从A1合金化入手来提高合金的塑性变形能力,实现对合金轧制工艺的有效调控,使NbC颗粒能够在适当的温度范围内沉淀析出,得到具有强抑制效果的细小抑制剂颗粒,通过这些颗粒强烈地抑制非高斯晶粒的生长,从而使高斯晶粒优先长大,获得强高斯织构薄板。通过定向凝固方法制备了001轴向取向多晶Fe82Ga18-xAlx(x=4.5,6,9,12,13.5)合金棒,磁致伸缩性能研究表明,合金最大饱和磁致伸缩系数随A1含量的增加呈现近似线性下降的趋势,但直线的斜率较小,Fe82Ga4.5Al13.5合金的饱和磁致伸缩系数依然可达198 ppm;拉伸力学性能研究表明,相比Fe-Ga合金,Fe-Ga-Al合金的塑性有大幅改善,其室温延伸率从Fe-Ga合金的1.3%提高到Fe-Ga-Al合金的9.5%以上,且在4.5～13.5 at.%Al含量范围内Fe-Ga-Al合金均具有较高的室温延伸率,但较低A1含量的合金高的延伸率主要来自于孪生机制的作用,而较高Al含量的合金高的延伸率主要来自于滑移机制的作用,因此其在高温下将拥有更好的塑性变形能力,在650 0C拉伸试验时,Fe82Ga4.5Al13 5合金的延伸率可达121.3%。通过第二相沉淀析出的动力学和热力学理论计算出不同形核机制下NbC在(Fe82Ga4.5Al13.5)99.9(NbC)0.1合金中沉淀析出的最大形核率温度,结果表明位错线上形核时的形核率比均匀形核时约大10个数量级,NbC在合金中沉淀析出时将主要以位错线上形核为主,位错线上形核时的最大形核率温度约为720 ℃,且该温度附近的形核率随温度变化不大,在此温度以下较大温度范围内沉淀析出均可获得接近最大的形核率,从而获得细小的NbC析出颗粒。通过对不同轧制工艺制备的Fe-Ga-Al-NbC合金薄板初次再结晶显微组织、织构分布、NbC颗粒的研究,发现温轧板中间退火引起的初次再结晶薄板中组织织构以及NbC颗粒的变化对二次再结晶薄板中高斯织构和高磁致伸缩性能的获得有着重要影响,中间退火工艺有利于获得以高斯、γ-fiber织构和立方织构为主的初次再结晶织构,在尺寸为56～250 nm的NbC抑制剂颗粒的作用下,薄板可以在没有硫气氛表面能诱导的情况下,以0.25 ℃/min的升温速率进行连续升温退火实现高斯晶粒的二次再结晶,获得强高斯织构,饱和磁致伸缩系数达到156 ppm。通过对轧制工艺的优化设计,采用900 ℃热轧、500 ℃温轧、650 ℃/15 min低温中间退火和冷轧的轧制工艺制备出Fe-Ga-Al-NbC合金薄板,发现该薄板的初次再结晶织构以γ-fiber和立方织构为主,同时NbC颗粒尺寸约45 nm。在没有硫气氛表面能诱导的情况下,将该薄板以最高2 ℃/min的升温速率进行连续升温退火或在1050 ℃保温1 h以上进行等温退火,均可获得强高斯织构,饱和磁致伸缩系数分别最高可达170 ppm和156 ppm。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG335.5
【图文】：

铁线,磁致伸缩,磁致伸缩系数

对值会随之增加到一个饱和值，此时的线磁致伸缩系数Ａ称为饱和磁致伸缩逡逑系数Ａｓ，这种线磁致伸缩系数随磁场的变化关系曲线称为线磁致伸缩曲线，逡逑如图２．１所示。逡逑＊逡逑Ｉ逡逑、饱和逦ｆ逡逑馨馨s6？｜｜｜｜邋ｔ逦逦逦逦邋逦ｉｉｉｎｍｉ逡逑Ｉ邋／ｉ７！逡逑｜逦／逦：逦力玫磁致伸缩逡逑崣逦丨逦ｎ逦／逦ｎ逡逑／逦＇逦Ｎ逦ｆ逦｜逦１逦１邋Ｓ逡逑ｙ邋＿＿逡逑０逦磁场（Ｈ）逡逑图２．１铁磁体的线磁致伸缩曲线逡逑与线磁致伸缩类似，体磁致伸缩效应指的是体积为Ｆ的铁磁体在磁场作逡逑用下发生ＡＦ的体积变化，其比值ＡＦ／Ｆ就称为体磁致伸缩系数，以符号ｗ逡逑－３－逡逑

平衡相图,平衡相,平衡相图,空间群

逦ｃＦ１６逦Ｆｍ３ｍ逦ＢｉＦ！逡逑如图２．２所示为Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金的平衡相图［６６Ｗ，可以看出Ｆｅ－Ｇａ逡逑和Ｆｅ－Ａｌ合金平衡相图的富Ｆｅ区部分十分相似，它们在富Ｆｅ区存在的相的逡逑成分、符号、结构以及空间群等分别列于表２．１和表２．２，可见在低温区（４００°Ｃ逡逑－９－逡逑

等温截面,磁致伸缩性能,合金,磁致伸缩系数

以下）Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金中Ａ２相存在的成分范围比较相近。逡逑周严等人［６８］通过金相、ＸＲＤ及ＥＤＳ分析并结合Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ａｌ和Ｇａ－Ａｌ逡逑二元相图对Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金的富Ｆｅ区相图进行了预测。如图２．３所示为逡逑Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金富Ｆｅ区６５０邋０Ｃ的等温截面，该等温截面包含４个单相区：Ａ２、逡逑Ｂ２、Ｄ０３、Ｄ０１９；邋４邋个两相区：Ａ２＋Ｂ２、Ａ２＋Ｄ０３、Ｄ０３＋Ｄ０ｉ９、Ｂ２＋Ｄ０１９；未有逡逑发现Ｌｌ２单相区。此外，随Ａ１含量增加Ａ２相区几乎没有变化，而Ｂ２单相逡逑区会有所扩大，当少量Ａ１替代Ｆｅ－Ｇａ合金中的Ｇａ时，0０１９单相区会快速缩逡逑０．０逦Ｑ１逦Ｑ２逦０．３逡逑ｍｏｌｅ邋ｆｒａｃｔｉｏｎ邋Ｇａ逡逑图２．３邋Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金富Ｆｅ区６５０邋°Ｃ的等温截面｜６Ｓ｜逡逑２．２．２邋Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金的磁致伸缩性能逡逑Ｓｕｍｍｅｒｓ等人［６９］总结了单晶Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金的磁致伸缩系数随Ｇａ逡逑和Ａ１含量的变化关系，如图２．４所示。可以看出，无论是炉冷还是水洋，单逡逑晶Ｆｅ－Ｇａ合金的磁致伸缩系数都存在两个峰值，第一个峰值出现在１７？１９逡逑ａｔ．°／0Ｇａ的范围内，第二个峰值出现在２７？２９ａｔ．％Ｇａ的范围内，其最大磁致伸逡逑缩系数可达４００邋ｐｐｍ以上。Ｆｅ－Ａｌ单晶合金虽然磁致伸缩系数变化不如Ｆｅ－Ｇａ逡逑合金那么明显，但仍然可以看出其变化趋势与Ｆｅ－Ｇａ合金类似，同样在？１９逡逑ａｔ．％Ａｌ含量时存在一峰值

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