Fe-Ga合金的研究演示文稿

磁致伸缩材料Fe-Ga合金小组成员:慈文娟王鹏菊

张文清文昊

林雪亮深过冷的定义：

所谓深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制异质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规凝固条件下难以达到的过冷度。1.1深过冷制备技术1.1.1为什么要用深过冷技术？深过冷技术的意义在于可以人为地控制过冷熔体的形核与生长过程，是现代凝固理论研究的主要手段之一，也是制备高性能大块非平衡合金的重要技术。在这种技术下可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度，也是实现大体积熔体快速凝固的有效方法。通过施加在大过冷度合金液上一定方向的定向激发可以控制晶体生长取向和微观组织。1.1.2过冷度的遗传性从获得热力学深过冷的机制来看，液态金属或合金的深过冷无非是从以下两个方面来消除有效形核衬底或降低衬底的触发形核能力（增大接触角θ）：第一，改变金属或者合金的形核外部条件；第二，消除熔体内部的异质形核质点。前者的主要实现手段是借助无坩埚熔炼与凝固技术，获得的过冷度在第二次重熔时就会丧失，因此不具有遗传性；后者获得的深过冷试样重熔后，过冷度具有明显的遗传性。过冷度的遗传性是进一步进行深过冷凝固研究的技术基础。1.1.3实现深过冷的实验方法

采用什么方法可以达到或实现深过冷？将装有试样与净化剂的石英坩埚，装戴在高频悬浮熔炼线圈中循环过热，使异质核心通过蒸发与分解的方式去除，结合熔融玻璃净化的方法消除和钝化合金熔体内部的异质核心获得合金熔体的深过冷。a.电磁悬浮熔炼法该方法是通过选择合适的线圈形状及输入频率，使试样在电磁力作用下处于悬浮状态，再通入He气，通过感应加热熔化、控制凝固从而实现深过冷。b.循环过热净化在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中对纯金属或合金进行“加热熔化——过热保温——冷却凝固”循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。c.熔融玻璃净化法熔融玻璃净化法是在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中，达到消除异质形核的目的。1.2Fe83Ga17合金深过冷处理

目的：提高磁致伸缩系数影响Fe-Ga合金磁致伸缩性能的因素：合金的成分配比；择优取向。

Fe83Ga17合金的深过冷处理：利用SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2CO3、K2CO3以及硼酸钠和B2O3按不同的比例制成a、b、c三种玻璃净化剂(见表1)。玻璃剂编号SiO2Al2O3CaOMgONa2CO3K2CO3B2O3Na2BO3a10.61.24.40.43.82.22.02.8b15.20.61.60.62.01.06.611.4c18.60.40.40.41.21.29.612.8表1不同玻璃净化剂的成分组成（单位：g）Fe-Ga合金锭的制作：将高纯度的Fe和Ga原材料按Fe83Ga17的成分配比配料，考虑到Ga的挥发，按5%的烧损量加入。为了使合金的净化彻底，母合金的质量为15g（Fe：11.94gGa:3.06g）。在氩气保护下采用真空电弧熔炼将配好的料反复熔炼3次，制得Fe83Ga17母合金。

按照表1.1所示的配比均匀混合后用箱式电阻炉在800K下保温8小时后研磨成粉末，然后分别与一定成分的B2O3以及Na2B7O4混合均匀后使用。将此玻璃剂覆盖于母合金的表面，在氧化铝坩埚中经过真空感应熔炼，对母合金进行净化处理。熔炼过程中经过三次过热—冷却循环，过热度为200K。净化以后得到的合金锭外观如图1.1所示。由图可见净化处理后，合金锭表面具有明亮的金属光泽，无玻璃粘结现象。图1.1深过冷Fe83Ga17合金锭的外观照片

利用红外测温仪监测并记录Fe83Ga17合金在深过冷处理过程中的温度变化，绘制出其冷却曲线，如图所示。深过冷Fe83Ga17合金的典型冷却曲线表1.1不同玻璃剂净化时所得到的TL、TR、TN、ΔT以及ΔTsh

（单位：K）试样编号TLTNTRΔTΔTsh115031403148310020021503135614081472003150312271321276200图中，TL、TR以及TN分别为合金的熔点、再辉温度以及实际形核温度，ΔT为过冷度，而ΔTsh为合金的过热度。从图中我们可以看到在净化过程中发生了再辉现象。再辉是过冷熔体在凝固过程中，由于潜热的急剧释放使系统的温度急剧上升并伴随亮度增加的现象。利用三种不同的玻璃净化剂对合金做净化处理时，监测到的TL、TR、TN、ΔT以及ΔTsh的值如表1.1所示。由表1.1可以看出，三种不同成分的玻璃剂使Fe83Ga17合金分别获得了100K、147K和276K的过冷度1.3深过冷熔体定向激发快速凝固（合金棒的制作）:

将获得大过冷度的合金试样放入氧化铝坩埚中，然后置于真空感应熔炼炉中加热熔化，其中坩埚底部开一直径5mm的孔，抽真空至2×10-3Pa后充氩气至0.04MPa。熔化后合金液依靠自身重力下落，在直径7mm的石英管中成型，石英管底部与一水冷铜砧相接触，其周围用绝热石棉套包裹，最后制成直径为7mm，长度为约50mm的Fe83Ga17合金棒。1.4定向激发深过冷Fe83Ga17合金的显微结构

1.4.1定向激发深过冷Fe83Ga17合金的显微组织图1.3为铸态Fe83Ga17合金经过定向激发后其纵截面(a)和横截面(b)的金相照片。从图中可以看出，材料的纵截面主要是柱状晶，这是因为合金在定向凝固过程中，晶体沿着与热流方向相反的方向生长，并且由于四周是绝热的，晶体在沿垂直于水冷铜砧的散热反方向生长时，其侧向生长因相互干扰而受阻，因而形成一级主轴发达的柱状晶。横截面主要是由等轴晶组成，由于在定向凝固过程中冷却速度较普通凝固为快，局部地方的晶粒较为细小。图1.4、1.5和1.6分别是过冷度为100K、147K以及276K的Fe83Ga17合金锭经定向激发后的横截面和纵截面的光学照片。从图中可以看出，不同过冷度的深过冷试样经定向激发后，纵截面的组织主要由三层组成：第一层为底面激冷层，凝固组织为大量的细晶粒；第二层为垂直于底面沿轴向生长的柱状晶区；第三层为破碎的树枝晶，与试样的横截面具有相似的形貌。

从图中可以看出不同过冷度的深过冷试样经定向激发后过冷度越大，柱状晶区纵向长度越长，等轴晶区径向尺寸越均匀。深过冷定向激发的凝固过程是深过冷与定向凝固的结合，即凝固过程中存在动力学过冷和热力学过冷两种机制。试样底部的过冷熔体被激发后，该区域面临着极端的冷却条件，潜热既能通过水冷铜砧散失，又能通过石英管散失，由于散热的无方向性和极端冷却条件的综合作用，使该区首先形成细小的等轴晶组织。随着凝固区长度的增加，沿轴向的温度梯度减小，水冷铜砧的冷却作用逐渐减小，受周围散热条件的制约，潜热只能向过冷熔体和通过已凝固部分散失，所以在试样轴向上形成了一维热流，与热流方向相近或一致的晶粒将优先向过冷熔体中生长，其余被淘汰。由于竞争生长，将有一个或两个晶粒择优生长形成柱状晶区。凝固区长度进一步增加时，一维散热条件被破坏，最终形成等轴晶区。1.5定向激发深过冷Fe83Ga17合金的XRD分析图1.7为铸态及深过冷定向激发Fe83Ga17合金的X射线衍射图谱。从图中可以看出，铸态Fe83Ga17合金经过定向激发后，I（200）/I(110)和I(211)/I(110)的值都降低，呈现出明显的(110)取向。过冷度为100K的合金定向激发后I（200）/I(110)和I（100）/I(110)的值由零增加至117.5%和32.5%，晶体择优生长方向为(100)方向。过冷度为147K的合金出现(200)衍射峰，(211)衍射峰的强度降低，为明显的(110)取向。过冷度为276K的合金定向激发后为完全的(110)取向。1.6定向激发深过冷Fe83Ga17合金的磁致伸缩性能图1.8为不同过冷度下Fe83Ga17合金棒材的磁致伸缩曲线。从图中可以看出，铸态合金经定向激发后，其磁致伸缩值较低，仅有25ppm。经过深过冷处理之后，定向激发形成的棒材其磁致伸缩有了明显地增加，其中，过冷度为276K的合金其磁致伸缩性能最好，饱和磁化场为176KA/m，饱和磁致伸缩值为57ppm。过冷度为147K的合金次之，饱和磁化场为153KA/m，饱和磁致伸缩值为45ppm。过冷度降为为100K时，磁致伸缩值降低到33ppm，饱和磁化场为150KA/m