CN105755345B - 一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法 Download PDF

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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，属于形状记忆材料领域，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：CoxNiyAlzTbj；其中，27≤x≤45，20≤y≤31，20≤z≤34.5，0.5≤j≤8，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

一种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，涉及一种具有磁场可控变形的稀土磁性材料及其制备方法。
背景技术
近年来，磁控形状记忆合金由于具有快速响应频率和大磁致应变，使得它在高灵敏度磁制动器和传感器领域具有很大的潜在应用价值。
目前，针对磁控形状记忆合金的研究主要集中在几个体系中，如镍锰镓合金，钴镍镓合金，镍铝氟合金，镍锰铝合金和镍钴铝合金等。与其他磁控记忆合金相比，镍钴铝合金有许多的优点，例如良好的延展性，大的磁各向异性和低生产成本。
通常，镍钴铝合金微观组织在有效成分范围内是以β+γ双相形式存在。而在多晶镍钴铝中的β相是脆性相，具有硬脆性质，在低于相转变温度的条件下，合金中的β相会发生马氏体相变，转变为具有热弹性的马氏体孪晶。马氏体孪晶片在外磁场的作用下会发生定向迁移最终形成宏观应变。与之相反，γ相为韧性相，它的存在显著提高了合金的延展性。因此，双相结构的镍钴铝合金完美地避免了其他磁控形状记忆合金的多晶极端脆性问题。但是，在镍钴铝合金体系中，较低的饱和磁化强度和磁晶各向异性造成合金的磁控形状记忆恢复率较低，因此期望开发出一种新型具有良好磁性能的磁控形状记忆合金来实现其工业推广与应用。
发明内容
为了克服上述缺陷，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。
为了实现上述发明目的，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Tb置于坩埚中真空熔炼，其中，27≤x≤45，20≤y≤31，20≤z≤34.5，0.5≤j≤8，x+y+z+j＝100，其熔炼条件为：a.1×10-2MPa到1×10-3MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1400～1550℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.2～0.3小时；
然后将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度550～650℃；时间：18～36小时；真空度：1×10-2～1×10-3MPa；施加磁场强度：5×105～5×107A·m-1；磁场上升速率为：800～1000A·m-1·s-1；
随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.01～1℃/秒；磁场降低速率为：1000～10000A·m-1·s-1；待冷却至室温取出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：CoxNiyAlzTbj；其中，27≤x≤45，20≤y≤31，20≤z≤34.5，0.5≤j≤8，x+y+z+j＝100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量；稀土Tb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Co5Tb，Co-Ni-Al合金的γ和β相中Co原子含量比例下降。
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Co-Tb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Co-Tb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Tb在Co-Ni-Al三元合金中的固溶度比较低，当Tb含量为0.5％～8％时，稀土Tb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Co5Tb，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Tb含量为0.5％～8％时，在合金富Co第二相中会有大量金属间化合物Co5Tb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Tb在0.5％～8％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Tb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。熔炼温度在1400～1550℃之间，熔炼时间为0.2～0.3小时，既保证了纯金属有足够的时间和温度融化成合金锭，又可以保证在随后水冷过程中能够形成金属间化合物Co5Tb；同时避免温度过高、时间过长发生合金成分烧损。
(5)：热处理方法：热处理采用真空磁场热处理，一方面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。另一方面可以通过施加磁场强度5×06～5×107A·m-1，磁场上升速率为1000～1500A·m-1·s-1的磁场热处理，使合金中的磁性磁畴对出现方向有序，从而引起感生各向异性，提高合金的磁晶各向异性，而又不会因磁场强度和磁场上升速率过大而发生磁畴分散的现象。随后采用随炉冷却并缓慢卸除磁场，一方面可以通过缓慢冷却降低合金的内应力，另一方面可以在冷却过程中始终保持合金中磁畴的方向择优性。
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CoxNiyAlzTbj合金在室温下SEM图；
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明。
图1是本发明CoxNiyAlzTbj合金在室温下SEM图，加速电压为2.0kV，束斑尺寸3.0，工作距离7.9mm，成像模式：二次电子像，放大倍数8000倍；
实施例1：
制备组成为Co31Ni29Al33Tb7的具有磁场可控变形的形状记忆合金，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Tb；
(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.1×10-2MPa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0.3小时。
(3)将上述熔炼好的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度650℃；时间：18小时；真空度：1×10-3Mpa；施加磁场强度：5×107A·m-1。
(4)随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.01℃/秒；磁场降低速率为：1000A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的形状记忆合金。
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Co45Ni20Al34.5Tb0.5的具有磁场可控变形的形状记忆合金，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Tb；
(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.7×10-3MPa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0.25小时。
(3)将上述熔炼好的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度600℃；时间：24小时；真空度：6×10-3Mpa；施加磁场强度：1×107A·m-1。
(4)随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.3℃/秒；磁场降低速率为：5000A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的形状记忆合金。
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Co27Ni31Al34Tb8的具有磁场可控变形的形状记忆合金，其制备方法如下：
(1)分别称量纯度为99.9％的Co、Ni、Al、Tb；
(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.1×10-3MPa的真空状态；b.熔炼温度为1550℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为0.2小时。
(3)将上述熔炼好的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度550℃；时间：36小时；真空度：1×10-3Mpa；施加磁场强度：5×107A·m-1。
(4)随后随炉冷却，冷却速度范围为：1℃/秒；磁场降低速率为：10000A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的形状记忆合金。
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，见表1。
表1 不同成分的CoxNiyAlzCej材料的马氏体相变温度、居里温度和磁性参数成分
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Tb置于坩埚中真空熔炼，其中，27≤x≤45，20≤y≤31，20≤z≤34.5，0.5≤j≤8，x+y+z+j=100，其熔炼条件为：a. 1×10-2MPa到1×10-3MPa的低真空状态；b. 熔炼温度为1400~1550℃；c. 熔炼过程采用磁搅拌；d. 熔炼时间为0.2~0.3小时；
然后将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度550~650℃；时间：18~36小时；真空度：1×10-2~1×10-3MPa；施加磁场强度：5×105~5×107A·m-1；磁场上升速率为：800~1000A·m-1·s-1；
随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.01~1℃/秒；磁场降低速率为：1000~10000A·m-1·s-1；待冷却至室温取出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，该磁性材料化学式为：CoxNiyAlzTbj；其中，27≤x≤45，20≤y≤31，20≤z≤34.5，0.5≤j≤8，x+y+z+j=100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量；稀土Tb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Co5Tb，Co-Ni-Al合金的γ和β相中Co原子含量比例下降；所述的稀土磁性材料由权利要求1的方法制得。
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