CN101775565B - 提高<112>轴向取向TbxDy1-xFey合金棒磁致伸缩性能的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高<112>轴向取向TbxDy1-xFey合金棒磁致伸缩性能的热处理方法。包括如下步骤:1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金经表面及两端打磨处理后截成Φ5×30~10×50mm3规格的合金棒;2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到400~900℃,保温10min~2h后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1~1.2T,磁场方向与合金棒轴向成0~90°角,炉冷至室温后取出。本发明通过磁场热处理,使得<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金棒在无预压应力的情况下的磁致伸缩系数λ和压磁系数d33分别提高了45%~65%和240%。施加预压应力后磁致伸缩性能有进一步的提高。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料领域,尤其涉及一种提高<112>轴向择优取向TbxDy1-xFey合金棒的磁致伸缩性能的方法。
背景技术
铁磁体在磁场的作用下会发生形状或者尺寸的变化,这一现象被称为磁致伸缩。一般强磁物质的磁致伸缩系数只有10-5~10-6数量级。二十世纪六十年代,发现重稀土金属的磁致伸缩达到10-3数量级,其中Dy单晶甚至还达到10-2数量级。但是这样大的磁致伸缩数值只有在极低的温度下才能出现,无法在室温下使用。七十年代初,发现稀土与铁的立方Laves相化合物RFe2,在室温下具有很大的磁致伸缩系数,如单晶的TbFe2合金在其易磁化方向的室温饱和磁致伸缩系数高达2460×10-6。Tb稀土离子是高度各向异性的(最扁的椭球状),因此Tb-Fe的交换作用很大,从而使得稀土亚点阵的磁化强度在室温时几乎保持不变,所以磁致伸缩值没有比低温时明显降低。但是,RFe2化合物具有很大的磁晶各向异性,在磁化时需要很高的外磁场,限制了应用范围。在晶体场理论的指导下,用磁致伸缩常数符号相同而磁晶各向异性常数符号相反的RFe2和R′Fe2化合物组成磁晶各向异性相互补偿的伪二元系化合物RxR′1-xFe2,可以在保持大磁致伸缩的同时,降低磁晶各向异性。这类材料被称为稀土巨磁致伸缩材料,最有代表性的就是TbDyFe合金(商业牌号Terfenol-D)。
TbDyFe巨磁致伸缩材料在室温下具有磁致伸缩应变大、居里温度高、能量密度高、频带宽、低频响应速度快等优点,在21世纪高新技术领域内占有重要的地位。TbDyFe合金常温下的易磁化方向为<111>,但是制备<111>择优取向的晶体是非常困难的。很多研究者集中在制备与<111>夹角较小的<112>或<110>取向晶体,也有优良的磁致伸缩性能。
近年来,人们对<112>取向TbDyFe合金棒的制备工艺、取向形成、凝固组织形貌和磁致伸缩性能等方面进行了大量的研究,获得了较好的磁致伸缩性能,并实现了在某些特殊领域中的应用。但是目前还未见有系统地研究低磁场下磁场热处理温度、保温时间、磁场大小和磁场方向与TbDyFe合金棒的轴向夹角对<112>轴向取向合金棒磁致伸缩性能影响的报道,本发明主要着眼于采用磁场热处理提高<112>轴向取向TbDyFe合金的磁致伸缩性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种提高<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金材料磁致伸缩性能的方法。
提高<112>轴向取向TbxDy1-xFey合金棒磁致伸缩性能的方法包括如下步骤:
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金经表面及两端打磨处理后截成Ф5×30~10×50mm3规格的合金棒;
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间部位,升温到400~900℃,保温10min~2h后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1~1.2T,磁场方向与合金棒轴向成0~90°角,炉冷至室温后取出。
所述的<112>轴向取向合金棒,其化学式为TbxDy1-xFey,其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99。
本发明通过磁场热处理,使得<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金棒在无预压应力的情况下的磁致伸缩系数提高了45%~70%,压磁系数d33也提高了近240%。施加预压应力后磁致伸缩性能有进一步的提高,线性段进一步增长,而且该发明的实施步骤简单易行,便于商业化生产。
具体实施方式
在本发明中,1)<112>轴向取向合金的制备:原材料为高纯(99.9%)的Tb、Dy和Fe。该合金棒采用“一步法”工艺(即熔炼、定向凝固、热处理在一台设备上连续完成)制备。即先将熔炼设备抽真空到10-3Pa时充入高纯氩气,然后采用高频感应加热,在超高温度梯度下实现定向凝固,之后在炉中进一步做热处理。2)磁场热处理:为了防止样品在磁场热处理过程中氧化,在进行磁场热处理之前,先将样品封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa。然后将石英玻璃管放置在磁场热处理炉中并固定好。均匀升温到特定的热处理温度后,保温一段时间,并施加不同方向、不同大小的磁场,之后炉冷至室温后取出。3)磁性能测量:主要测试磁场热处理对<112>轴向取向TbxDy1-xFey合金棒的轴向磁致伸缩性能的影响。应变的测量采用电测法,电测法具有使用简单,精度高的特点,并且由于磁场变化慢,电阻应变片基本不受磁场的影响,我们采用惠更斯电桥技术测量应变,需要注意的是需要采用屏蔽线作为信号线避免噪声影响。此外,我们还测量了施加了预压应力的TbxDy1-xFey合金棒的磁致伸缩系数在磁场热处理前后的变化。
实施例1
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金(其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99)经表面及两端打磨处理后截成Ф5×30mm3规格的合金棒,并测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1010ppm,压磁系数d33为14150×10-6T-1。
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到400℃,保温10min后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1T,磁场方向与合金棒轴向平行,炉冷至室温后取出。
3)磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1500ppm,压磁系数d33为32800×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了49%和232%。当改变热处理的温度为900℃时,饱和磁致伸缩系数值λm为1630ppm,压磁系数d33为34600×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了61%和245%。
实施例2
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金(其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99)经表面及两端打磨处理后截成Ф7×40mm3规格的合金棒,并测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1080ppm,压磁系数d33为14250×10-6T-1。
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到500℃,保温10min后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1T,磁场方向与合金棒轴向平行,炉冷至室温后取出。
3)磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1600ppm,压磁系数d33为34550×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了48%和242%。当改变保温时间为2h时,饱和磁致伸缩系数值λm为1700ppm,压磁系数d33为35200×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了57%和247%。
实施例3
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金(其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99)经表面及两端打磨处理后截成Ф8×45mm3规格的合金棒,并测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1100ppm,压磁系数d33为14300×10-6T-1。
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到500℃,保温10min后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1T,磁场方向与合金棒轴向平行,炉冷至室温后取出。
3)磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1710ppm,dλ/dH的最大值d33为34150×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了55%和239%;当施加的磁场方向与合金棒的轴向成20°时,饱和磁致伸缩系数值λm为1850ppm,压磁系数d33为35530×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了68%和248%;当施加的磁场方向与合金棒的轴向成45°时,饱和磁致伸缩系数值λm为1820ppm,压磁系数d33为34900×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了65%和244%;当施加的磁场方向与合金棒轴向垂直时,饱和磁致伸缩系数值λm为1840ppm,压磁系数d33为35300×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了67%和247%。
实施例4
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金(其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99)经表面及两端打磨处理后截成Ф10×50mm3规格的合金棒,并测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1080ppm,压磁系数d33为14200×10-6T-1。
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到500℃,保温10min后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1T,磁场方向与合金棒轴向垂直,炉冷至室温后取出。
3)磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1780ppm,dλ/dH的最大值d33为34000×10-6T-1。分别比磁场热处理前提高了65%和239%。当施加磁场的强度为1.2T时,饱和磁致伸缩系数值λm为1790ppm,压磁系数d33为34900×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了66%和246%。
实施例5
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金(其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99)经表面及两端打磨处理后截成Ф10×50mm3规格的合金棒,并测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1050ppm,压磁系数d33为14150×10-6T-1。
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度约为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位,在无外磁场条件下均匀升温到800℃,保温30min后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为1.2T,磁场方向与合金棒轴向垂直,炉冷至室温后取出。
3)磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩值λ随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λm为1760ppm,dλ/dH的最大值d33为34100×10-6T-1。分别比磁场热处理前提高了68%和241%。当施加外磁场方向与合金棒轴向的夹角为20°时,饱和磁致伸缩系数值λm为1780ppm,压磁系数d33为34950×10-6T-1,分别比磁场热处理前提高了69%和247%。
Claims (1)
1.一种提高<112>轴向取向TbxDy1-xFey合金棒磁致伸缩性能的热处理方法,其特征在于包括如下步骤:
1)<112>轴向取向的TbxDy1-xFey合金经表面及两端打磨处理后截成Ф5×30~10×50mm3规格的合金棒,其中x=0.1~0.4,y=1.5~1.99;
2)将合金棒封装在真空的石英玻璃管中,真空度为10-1Pa,将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间部位,升温到400~900℃,保温10min~2h后开始炉冷降温,同时施加外磁场,磁场强度为0.1~1.2T,磁场方向与合金棒轴向成0~90°角,炉冷至室温后取出。
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