CN104018054A - 具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法，该材料具有室温及高于室温条件下外磁场控制产生微变形的能力，是一种可在室温及高于室温条件下由外磁场变化驱动马氏体孪晶界迁移产生应变的一种新型稀土磁控形状记忆合金。该合金化学式为：CoxNiyAlzDyj；其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量。本发明稀土磁性材料与现有材料相比，具有较宽的磁致应变温度范围，较大的磁致应变量以及良好的力学性能，可在高于室温下使用的微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用。

Description

具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法
技术领域
本发明属于形状记忆材料领域，涉及一种磁场可控变形的稀土磁性材料。
背景技术
传统形状记忆合金在温度或应力作用下发生马氏体相变及逆相变，从而产生宏观形状记忆效应，但是由于温度或应力驱动具有响应频率低，辅助设备复杂等不足限制了其应用。
在此背景下，以Ni2MnGa为代表的铁磁性形状记忆合金吸引了国内外学者的关注。磁控形状记忆合金是一种新型智能记忆材料，它不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，还具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。磁控形状记忆合金表现为：当一定形状的母相样品冷却至马氏体相变温度以下形成马氏体后，在马氏体状态下施加一定的外加磁场，样品发生相应的形变，随着外加磁场的卸除，伴随马氏体孪晶界面的逆向推移，材料会自动回复至原始形状。此外，磁控形状记忆合金响应频率可以达到kHz级别，实现了大输出应变量与高响应频率的结合，有望取代传统形状记忆合金。
由于磁控形状记忆合金体现的特殊功能受到了越来越多的关注，但是其由于该类磁控形状记忆合金的多晶极端脆性，较低的马氏体相变温度和居里温度一直限制其工业推广和应用。有研究学者采用元素掺杂(例如：Ga、Mn、Cu、Fe和Ti等)的方法去改善合金的力学性能和提高马氏体相变温度。往往合金组织析出力学性能良好的第二相提高了合金的力学性能，但由于其第二相呈现弱磁性或反铁磁磁，反而降低了合金的磁性阻碍了合金的磁控形变。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种具有室温及高于室温条件下外磁场控制产生微变形能力的磁场可控变形的稀土磁性材料，同时提供一种该材料的制备方法。
技术方案：本发明的制备具有磁场可控变形的稀土磁性材料的方法，包括以下步骤：
首先将摩尔百分比x％的Co、y％的Ni、z％的Al、j％的Dy置于坩埚中真空熔炼，其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j＝100，其熔炼条件为：a.1×10-3到1×10-5MPa的真空状态；b.熔炼温度为1300～1500℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.5～2小时；
然后将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空退火处理，处理条件为：温度550～1200℃；时间：0.5～100小时；真空度：1×10-2～1×10-3MPa；即得到最终的稀土磁性材料。
本发明的具有磁场可控变形的稀土磁性材料，由上述方法制备得到，化学式为：CoxNiyAlzDyj；其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j＝100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量。
本发明材料具有室温及高于室温条件下外磁场控制产生微变形的能力，是一种可在室温及高于室温条件下由外磁场变化驱动马氏体孪晶界迁移产生应变的新型稀土磁控形状记忆合金。本发明磁性材料析出的金属间化合物兼具良好的力学性能和磁性性能的特征。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提出了一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料，该合金相对于其他磁控形状记忆合金在第二相中析出兼有磁性能和力学性能良好的金属间化合物，在保持第二相力学性能同时大大的提高了其磁性能，使合金具有具有较大的磁致应变，较高的磁致应变温度范围以及良好的力学性能等优点。
本发明的磁场可控变形的稀土磁性材料，具有室温及高于室温条件下外磁场控制产生微变形的能力，是一种可在室温及高于室温条件下由外磁场变化驱动马氏体孪晶界迁移产生应变的一种新型稀土磁控形状记忆合金。本发明稀土磁性材料与现有材料相比，在第二相中析出兼有磁性能和力学性能良好的金属间化合物，在保持第二相力学性能同时大大的提高了其磁性能，使合金具有较宽的磁致应变温度范围，较大的磁致应变量以及良好的力学性能。
(1)：较大的磁致应变：稀土元素Dy在Co-Ni-Al三元合金中的固溶度比较低，当Dy含量为0.5％～10％时，稀土Dy会在在Co-Ni-Al合金中富Co的第二相中析出，并与Co元素生成金属间化合物Co5Dy，该金属间化合物具有较强磁性，能够大幅提高合金的磁性性能，使合金在外磁场作用下更容易发生孪晶界的迁移产生较大的磁致应变。
(2)：较高的磁致应变温度范围：当Dy含量为0.5％～10％时，在合金富Co第二相中会有大量金属间化合物Co5Dy析出，使得合金其他相中Co原子含量比例下降。随着合金其他相中Co原子比例下降，合金的马氏体相变温度和居里温度会逐渐上升，扩大了铁磁性孪晶马氏体存在的温度范围，在外磁场作用下铁磁性孪晶马氏体会发生孪晶界的迁移产生磁致应变，从而使合金拥有较高的磁致应变温度范围。
(3)：提升力学性能：本发明的磁性材料相组成随着Dy在0.5％～10％含量的变化而发生改变。其具有韧性特征的析出相在晶界处析出并随着Dy含量增加而明显升高，大大的提高了合金的力学性能。
(4)：制备方法：本发明采用真空坩埚熔炼，在熔炼过程中，由于体系呈真空状态，避免了合金因表面氧化而降低其力学和磁学性能。与传统方法相比，该方法还具有使合金内部熔炼缺陷向表面聚集的效果使材料的加工性能增强，例如孔洞等。
(5)：热处理方法：热处理采用真空热处理，可以有效地避免合金在高温热处理过程中表面氧化造成其力学性能及磁学性能的降低，例如：氧化后的合金磁质应变会大大降低以及马氏体相变温度的改变。
综上所述，本发明提出了一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料，该合金相对于其他磁控形状记忆合金具有较大的磁致应变，较高的磁致应变温度范围以及良好的力学性能等优点。
附图说明
图1是本发明CoxNiyAlzDyj合金在室温下SEM图；
图2是本发明CoxNiyAlzDyj合金磁场驱动下的应变-磁场曲线；
图3是本发明CoxNiyAlzDyj合金压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
制备组成为Co42Ni32Al25.5Dy0.5的具有磁场可控变形的稀土磁性材料，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Dy；
(2)将称量好的原料盛放在坩埚中，采用真空熔炼，其熔炼条件为：a.1×10-3的真空状态；b.熔炼温度为1300℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.5小时。
(3)将上述真空熔炼得到的合金锭进行快速凝固，凝固条件为：温度550～1200℃；时间：0.5～100小时；真空度：1×10-2～1×10-3MPa；
(4)将上述凝固完全的合金棒进行真空退火处理，处理条件为：温度550℃；时间：100小时；真空度：1×10-2MPa。然后再以随炉冷却至室温。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例2：
制备组成为Co40Ni30Al23Dy7的具有磁场驱动孪晶马氏体变形的磁性合金，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Dy；
(2)将称量好的原料盛放在坩埚中，采用真空熔炼，其熔炼条件为：a.1×10-4的真空状态；b.熔炼温度为1400℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为1.5小时。
(3)将上述真空熔炼得到的合金锭进行快速凝固，凝固条件为：温度550～1200℃；时间：0.5～100小时；真空度：1×10-2～1×10-3MPa；
(4)将上述熔炼好的合金锭进行真空退火处理，处理条件为：温度800℃；时间：70小时；真空度：5×10-3MPa。然后再以随炉冷却至室温。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例3：
制备组成为Co28Ni25Al37Dy10的具有磁场驱动孪晶马氏体变形的磁性合金，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Dy；
(2)将称量好的原料盛放在坩埚中，采用真空熔炼，其熔炼条件为：a.1×10-5的真空状态；b.熔炼温度为1500℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为2小时。
(3)将上述真空熔炼得到的合金锭进行快速凝固，凝固条件为：温度550～1200℃；时间：0.5～100小时；真空度：1×10-2～1×10-3MPa；
(4)将上述熔炼好的合金锭进行真空退火处理，处理条件为：温度1000℃；时间：24小时；真空度：1×10-3MPa。然后再以随炉冷却至室温。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种制备具有磁场可控变形的稀土磁性材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先将摩尔百分比x%的Co、y%的Ni、z%的Al、j%的Dy置于坩埚中真空熔炼，其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，其熔炼条件为：a.1×10-3到1×10-5MPa的真空状态；b. 熔炼温度为1300~1500℃；c. 熔炼过程采用磁搅拌；d. 熔炼时间为0.5~2小时；
然后将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空退火处理，处理条件为：温度550~1200℃；时间：0.5~100小时；真空度：1×10-2~1×10-3MPa；即得到最终的稀土磁性材料。
2.一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料，其特征在于，该磁性材料由权利要求1所述方法制备得到，化学式为：CoxNiyAlzDyj；其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量。
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