CN106929737B - 一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法 - Google Patents

一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法 Download PDF

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Abstract

一种使熔体抽拉Ni‑Mn‑Ga‑Fe金属纤维晶粒长大的方法，涉及一种使金属纤维晶粒长大的方法。是要解决熔体抽拉法制备的合金纤维存在形状记忆应变值和磁性能较低的问题。方法：一、制备合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；二、将铸锭放入丙酮中超声，清洗，烘干；三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。可快速使晶粒长大，本发明的热处理时间仅为5‑10min，避免繁琐冗长的热处理过程，且真空氩气保护下纤维不会形成氧化层。本发明用于使金属纤维晶粒长大。

Description

一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法
技术领域
本发明涉及一种使金属纤维晶粒长大的方法。
背景技术
Ni-Mn-Ga合金是发现最早、也是目前研究最为广泛的铁磁形状记忆合金之一。它实现了大输出应变与高响应频率的结合，输出应力接近温控形状记忆合金等。但是，该合金脆性大和可加工性能差等固有缺点在很大程度上限制了这种材料的应用和发展。为此，材料科学工作者希望采用合金化、细化晶粒、特殊制备工艺及热处理等方法提高合金的韧性，其中合金化和细化晶粒等取得了明显效果。掺杂铁磁性元素Fe可以成功调控马氏体相变温度、显著改善力学性能、增加塑性，提高居里温度和磁性能。在多晶棒Ni54Mn25Ga21合金中，具有10～50μm细小晶粒时，压缩断裂强度和应变可分别达970MPa和10％，但是形状记忆应变比单晶减小了～1.9％，形状记忆恢复比仅为57％。这是因为细化晶粒的方法势必会因晶界的增多而致使孪晶界运动阻力增加，这对于磁性能和应力诱发马氏体相变、获得形状记忆应变是极为不利的，故而形状记忆恢复比较低。为此，可以减小块体合金样品尺寸，制备成纤维材料，利用纤维晶粒易长大的特点来改善。
熔体抽拉法制备Ni-Mn-Ga-Fe纤维，由于快速凝固冷速较高，纤维直径仅为50μm，具有极细小的胞晶晶粒，显示了稳定的超弹性特征和良好的磁热效应，但是显然所获得的形状记忆应变是低的，仅为1％。熔体抽拉法制备的纤维具有极细小的胞晶，受到多晶界所限，极大的限制了形状记忆应变值和磁性能，
发明内容
本发明是要解决熔体抽拉法制备的合金纤维存在形状记忆应变值和磁性能较低的问题，提供一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法。
本发明使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，按以下步骤进行：
一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭，所述圆柱形铸锭的直径Φ3～30mm，长度4～100mm；
二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液(室温)中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；
三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀为30μm，长度为1cm的纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：
打开安全门，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮，固定铜制平口夹的位置，关闭安全门；随后将两根导线分别连接稳流电源的正极和负极，使其可以提供给纤维所需的退火电流；
开启机械泵和低真空阀，将真空退火炉的真空工作室抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀，再次抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至0.5～5×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至工作室氩气压力达到并维持在300Pa；
接通稳流电源，调节电流幅值为150～230mA，控制退火时间为5～10min，通过观察窗观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。
进一步的，步骤三中制备合金纤维的具体方法为：
使用制备金属非晶丝的装置，将步骤二干燥后的铸锭置于氮化硼坩埚内，然后将腔体抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气，接着再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气至腔体内氩气压力达35～65Pa，保压；启动金属辊轮，设置金属辊轮转速为800～1800r/min；辊轮运行平稳后，开启感应加热装置，加热坩埚，使合金铸锭熔化，然后将加热功率在10～25kW调节，待母合金完全熔化，在表面张力作用下形成向上凸起，停止调节，恒定加热功率为20kW，保持合金熔液温度为1300～1550℃；控制坩埚向金属辊轮方向移动，调节坩埚的进给速率为3×10-5m/s；合金熔液消耗完后，停止坩埚的移动，然后关闭感应加热装置，再停止金属辊轮，取出合金纤维。
进一步的，步骤三所述真空退火炉包括机械泵、低真空阀、放气阀、高真空阀、安全门、加料室、出线口、观察窗、导线、固定按钮、铜制平口夹、调平螺母、炉体、真空工作室和底座，所述机械泵与炉体相连，所述机械泵的上端设有低真空阀，所述机械泵与炉体之间设有放气阀，所述炉体内空腔为真空工作室，所述炉体顶部设有加料室，所述加料室与真空工作室相连通，所述加料室顶部设有安全门，所述安全门在关闭状态时与加料室密闭连接，所述炉体与加料室的连接处设有高真空阀，所述炉体的侧壁上设有观察窗和两个出线口，所述真空工作室内设有固定按钮、调平螺母和两个铜制平口夹，其中一个铜制平口夹固定在固定按钮上，另一个铜制平口夹固定在调平螺母上，每个铜制平口夹的尾部分别连接一根导线，两根导线分别从两个出线口伸出至炉体外侧，所述炉体底部设有底座。
本发明方法的原理：
熔体抽拉法制备Ni-Mn-Ga-Fe纤维，具有极细小的胞晶晶粒，显示了稳定的超弹性特征和良好的磁热效应，但是显然所获得的形状记忆应变是低的，仅为1％。熔体抽拉法制备的纤维具有极细小的胞晶，受到多晶界所限，极大的限制了形状记忆应变值和磁性能，如果能使纤维截面上晶粒数目减少到类似于单晶水平，可获得更为可观的延伸率并提高其磁性能。
本发明采取真空电流退火方式，释放快速凝固制备丝材所引入的残余内应力，使熔体抽拉纤维截面上晶粒长大至单晶或是少晶的纤维，孪晶界减少，为获得大的延伸率提供可能，明显提高其磁性能，同时便于拉伸获得形状记忆高应变值。
本发明的有益效果：
本发明采用熔体抽拉液态成形技术制备出小尺寸纤维，清洗后，在自制高真空电流退火工作室中采用不同电流幅值和退火时间的热处理，可获得维截面上的晶粒长大成为单晶或是少晶的竹节状纤维，同时释放快速凝固制备丝材所引入的残余内应力。该发明有效使纤维内部晶粒长大，孪晶界减少，自由表面增多，可明显提高晶粒尺寸与纤维直径间的交互作用，在形状记忆效应和超弹性中可以获得接近于单晶的可观的应变值。该退火方式显著的特征是纤维没有包覆层，排除了因去除包覆层而破坏纤维表面并导致其性能降低的可能，电流退火还可使因快速凝固过程中未占据正确格点位置的原子重新排列，使原子排列有序度得以提高，故可明显提高其磁性能，故经真空电流退火的纤维具有较高的研究价值。
本发明选择的退火方式与以往的热处理相比，最明显的优势在于可快速使晶粒长大，本发明的热处理时间仅为5-10min，避免繁琐冗长的热处理过程，且真空氩气保护下纤维不会形成氧化层，从实用性方面更为方便。
附图说明
图1为本发明方法中真空退火炉的结构示意图；其中1为机械泵，2为低真空阀，3为放气阀，4为高真空阀，5为安全门，7为加料室，8为出线口，9为观察窗，10为导线，11为固定按钮，12为铜制平口夹，17为调平螺母，14为炉体，15为真空工作室，16为底座；
图2为实施例1制备的纤维的宏观形貌图；
图3为对实施例1制备的纤维进行弯折的韧性测试；
图4为实施例1制备的纤维的平表面和圆弧表面；
图5为实施例1制备的纤维的微观形貌图；
图6为实施例1制备纤维自由凝固的圆弧形表面的形貌；
图7为图6的局部放大图；
图8为实施例1制备纤维平表面的形貌；
图9为图8的局部放大图；
图10为实施例1制备纤维自由凝固的断面；
图11为纤维圆弧形表面的EDS测试结果；
图12为纤维平表面的EDS测试结果；
图13为纤维断裂截面的EDS测试结果；
图14为实施例1经过空气中电流退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图15为实施例2经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图16为实施例5经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图17为实施例3经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图18为实施例1经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图19为实施例4经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图20为实施例6经过真空退火处理后纤维断裂截面的SEM照片；
图21为实施例2真空电流退火纤维表面SEM照片；
图22为实施例5真空电流退火纤维表面SEM照片；
图23为实施例3真空电流退火纤维表面SEM照片；
图24为实施例1真空电流退火纤维表面SEM照片；
图25为实施例4真空电流退火纤维表面SEM照片；
图26为实施例6真空电流退火纤维表面SEM照片；
图27为实施例1制备态纤维的超弹性曲线；
图28为实施例1热处理后纤维的超弹性曲线；
图29为实施例1热处理前后纤维磁滞回线的对比。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，按以下步骤进行：
一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；
二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；
三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：
打开安全门5，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹12上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母17使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮11，固定铜制平口夹12的位置，关闭安全门5；随后将两根导线10分别连接稳流电源的正极和负极；
开启机械泵1和低真空阀2，将真空退火炉的真空工作室15抽真空至0.5～5×10- 3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀4，再次抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至0.5～5×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至真空工作室15氩气压力达到并维持在300Pa；
接通稳流电源，调节电流幅值为150～230mA，控制退火时间为5～10min，通过观察窗9观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀3，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述Ni-Mn-Ga-Fe合金为Ni47.9Mn24.5Ga24.3Fe3.3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述圆柱形铸锭的直径为Φ3～30mm，长度为4～100mm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中制备合金纤维的具体方法为：
将步骤二干燥后的铸锭放入制备金属非晶丝的装置的坩埚中，然后将腔体抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气，接着再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气至腔体内氩气压力达35～65Pa，保压；启动金属辊轮，设置金属辊轮转速为800～1800r/min；开启感应加热装置，加热坩埚，是合金铸锭熔化，然后将加热功率在10～25kW调节，合金熔液的上端形成一个近球面时，停止调节，恒定加热功率为20kW，保持合金熔液温度为1300～1550℃；控制坩埚向金属辊轮方向移动，控制坩埚的进给速率为3×10-5m/s；合金熔液消耗完后，停止坩埚的移动，然后关闭感应加热装置，再停止金属辊轮，取出合金纤维。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述真空退火炉包括机械泵1、低真空阀2、放气阀3、高真空阀4、安全门5、加料室7、出线口8、观察窗9、导线10、固定按钮11、铜制平口夹12、调平螺母17、炉体14、真空工作室15和底座16，所述机械泵1与炉体14相连，所述机械泵1的上端设有低真空阀2，所述机械泵1与炉体14之间设有放气阀3，所述炉体14内空腔为真空工作室15，所述炉体14顶部设有加料室7，所述加料室7与真空工作室15相连通，所述加料室7顶部设有安全门5，所述安全门5在关闭状态时与加料室7密闭连接，所述炉体14与加料室7的连接处设有高真空阀4，所述炉体14的侧壁上设有观察窗9和两个出线口8，所述真空工作室15内设有固定按钮11、调平螺母17和两个铜制平口夹12，其中一个铜制平口夹12固定在固定按钮11上，另一个铜制平口夹12固定在调平螺母17上，每个铜制平口夹12的尾部分别连接一根导线10，两根导线10分别从两个出线口8伸出至炉体14外侧，所述炉体14底部设有底座16。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中调节电流为200mA，控制退火时间为10min。其它与具体实施方式一至五之一相同。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
结合图1说明本实施例，本实施例使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，按以下步骤进行：
一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭，所述圆柱形铸锭的直径Φ10mm，长度20mm；
二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为20％的硝酸水溶液(室温)中浸泡10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3次，在100℃下烘干30分钟；
三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀为30μm，长度为1cm的纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：
打开安全门5，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹12上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母17使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮11，固定铜制平口夹12的位置，关闭安全门5；随后将两根导线10分别连接稳流电源的正极和负极；
开启机械泵1和低真空阀2，将真空退火炉的真空工作室15抽真空至2×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀4，再次抽真空至2×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至2×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至真空工作室15氩气压力达到并维持在300Pa；
接通稳流电源，调节电流幅值为200mA，控制退火时间为10min，通过观察窗9观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀3，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。
步骤三中制备合金纤维的具体方法为：
使用制备金属非晶丝的装置，将步骤二干燥后的铸锭置于氮化硼坩埚内，然后将腔体抽真空至1×10-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至1×10-3Pa，然后再充入高纯氩气，接着再抽真空至1×10-3Pa，然后再充入高纯氩气至腔体内氩气压力达45Pa，保压；启动金属辊轮，设置金属辊轮转速为1000r/min；辊轮运行平稳后，开启感应加热装置，加热坩埚，使合金铸锭熔化，然后将加热功率在25kW调节，待母合金完全熔化，在表面张力作用下形成向上凸起，停止调节，恒定加热功率为20kW，保持合金熔液温度为1300℃；控制坩埚向金属辊轮方向移动，调节坩埚的进给速率为3×10-5m/s；合金熔液消耗完后，停止坩埚的移动，然后关闭感应加热装置，再停止金属辊轮，取出合金纤维。
步骤三所述真空退火炉包括机械泵1、低真空阀2、放气阀3、高真空阀4、安全门5、加料室7、出线口8、观察窗9、导线10、固定按钮11、铜制平口夹12、调平螺母17、炉体14、真空工作室15和底座16，所述机械泵1与炉体14相连，所述机械泵1的上端设有低真空阀2，所述机械泵1与炉体14之间设有放气阀3，所述炉体14内空腔为真空工作室15，所述炉体14顶部设有加料室7，所述加料室7与真空工作室15相连通，所述加料室7顶部设有安全门5，所述安全门5在关闭状态时与加料室7密闭连接，所述炉体14与加料室7的连接处设有高真空阀4，所述炉体14的侧壁上设有观察窗9和两个出线口8，所述真空工作室15内设有固定按钮11、调平螺母17和两个铜制平口夹12，其中一个铜制平口夹12固定在固定按钮11上，另一个铜制平口夹12固定在调平螺母17上，每个铜制平口夹12的尾部分别连接一根导线10，两根导线10分别从两个出线口8伸出至炉体14外侧，所述炉体14底部设有底座16。
本实施例采用熔体抽拉法制备Ni47.9Mn24.5Ga24.3Fe3.3金属纤维，成本低廉。纤维制备量大(如图2)，纤维具有金属光泽。纤维被弯折到椭圆形依然没有断裂(如图3)，说明掺杂Fe显著改变了Ni-Mn-Ga合金的脆性。纤维不是正规圆柱形，而是由两部分组成，与辊轮相接触的平表面(标记为P)和自由凝固的圆弧形表面(标记为S)(如图4)。本发明挑选直径均匀为30μm，长度为1cm的金属纤维，纤维均匀性和饱满性好，表面光滑，如图5，分析其成分、微观形貌等方面特征。
利用SEM观察纤维的截面和表面形貌，如图6-图9所示。图6是自由凝固表面的形貌，是由极为细小的胞状晶组成，图7显示胞状晶的形貌，直径约为0.5～1.5μm。图8是平面部分的凝固形貌，芯部是以长条状胞状晶为主，边缘处是柱状晶。图9显示柱状晶的宽度约为1～3μm。
图10为纤维自由凝固的断面，其中A为形核点，显示了晶粒生长的方向，发现纤维晶粒形核点一般是从铜轮的凝固点向自由表面生长而形成的细小扇形柱状晶截面，SEM自带的能谱仪检测化学成分，显示纤维中Ni、Mn、Fe、Ga四种元素是均匀分布的。
对于Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金来说，相变温度对成分的依赖性非常大，所以保证成分的准确性对于进一步的研究具有非常重要的意义，利用EDS分析了纤维的成分，图11-13为纤维不同部位的EDS测试，其中图11为圆弧形表面的EDS测试结果，图12为平表面的EDS测试结果，图13为断裂截面的EDS测试结果，得出平均成分为Ni47.9Mn24.5Ga24.3Fe3.3。
首先是在空气中室温下对纤维两端通200mA电流退火10min，观察纤维晶粒的变化情况，图14的SEM面扫描显示纤维截面出现了三层复合结构，纤维芯部晶粒明显长大，在截面上存在5个晶粒，晶粒宽度约为5μm，中间层是细晶层，最外层是厚度为2μm的氧化层。面扫描显示退火过程中四种元素形成了重分配，在纤维的表层即氧化层是以Mn、Fe和O为主，细晶层以Ga和Fe为主，芯部只有Ni、Mn、Ga和Fe，未检测到O元素，说明内部没有被氧化。这种退火后形成的复合结构对于某些特殊领域可以起到保护作用。说明电流退火明显使芯部晶粒长大，这是一种可取的处理方法，为了杜绝表层氧化问题，考虑使用真空电流退火的方式。
图27为制备态纤维的超弹性曲线，其中曲线1为250MPa，曲线2为313MPa，曲线3为375MPa。卸载后存在明显的残余应变，应变恢复率仅为86％，图28为热处理后纤维的超弹性曲线，其中曲线1为197MPa，曲线2为225MPa，曲线3为253MPa，曲线4为282MPa，曲线5为310MPa。拉伸应变明显提高，且卸载后无残余应变，实现完全超弹性，应变恢复率为100％。
图29给出热处理前后纤维磁滞回线的对比，其中曲线a表示热处理后，曲线b表示热处理前。制备态纤维难磁化，在50kOe的磁场下未饱和，热处理态的纤维在0.2kOe的磁场下达到饱和，饱和磁化值明显提高。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：步骤三中接通稳流电源，调节电流幅值为150mA，控制退火时间为5min。其他的步骤及参数与实施例1相同。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于：步骤三中接通稳流电源，调节电流幅值为200mA，控制退火时间为5min。其他的步骤及参数与实施例1相同。
实施例4：
本实施例与实施例1的区别在于：步骤三中接通稳流电源，调节电流幅值为230mA，控制退火时间为5min。其他的步骤及参数与实施例1相同。
实施例5：
本实施例与实施例1的区别在于：步骤三中接通稳流电源，调节电流幅值为150mA，控制退火时间为10min。其他的步骤及参数与实施例1相同。
实施例6：
本实施例与实施例1的区别在于：步骤三中接通稳流电源，调节电流幅值为230mA，控制退火时间为10min。其他的步骤及参数与实施例1相同。
图15-20给出在不同参数下截面的扫描图，图15与16表明150mA的电流已经使纤维截面上的晶粒长大，并且随着退火时间的延长，晶粒长大的更明显，若要晶粒尺寸继续长大只有增加电流幅值。图17和18在电流幅值为200mA时退火时间分别为5min和10min时截面上的晶粒，晶粒尺寸明显比150mA要大，这说明电流幅值对晶粒长大有重要的影响，观察多根纤维的截面图后分析发现，纤维中晶粒长大是以晶粒间的相互吞并完成。在图19和20的230mA电流幅值下已经使两种晶粒间开始相互吞并更为明显，退火5min时晶粒数目明显减少，当时间增加至10min时，截面上仅有两个晶粒。
截面图已经反映了纤维内部的晶粒的生长情况，但要了解整根纤维的生长还需结合纤维的表面图。制备态纤维的圆弧表面为细小的胞晶，经电流热处理后晶粒长大，胞状晶消失，图21-26给出表面晶粒的变化情况。图21与22表明150mA的电流已经使纤维截面上的晶粒略有长大，沿着圆弧弧度方向晶粒被拉长，并且随着退火时间的延长，晶粒长大的更明显。继续增加电流幅值，图23和24为200mA时截面晶粒变化情况，晶粒尺寸明显比150mA要大，晶界变得清晰可见。图25和26是在230mA的电流幅值下进行退火，退火5min时晶粒数目明显减少，当时间增加至10min时，截面上仅有一个晶粒，这时表面上的孪晶变得极为明显。

Claims (6)

1.一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；
二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；
三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：
打开安全门(5)，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹(12)上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母(17)使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮(11)，固定铜制平口夹(12)的位置，关闭安全门(5)；随后将两根导线(10)分别连接稳流电源的正极和负极；
开启机械泵(1)和低真空阀(2)，将真空退火炉的真空工作室(15)抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀(4)，再次抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至0.5～5×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至真空工作室(15)氩气压力达到并维持在300Pa；
接通稳流电源，调节电流幅值为150～230mA，控制退火时间为5～10min，通过观察窗(9)观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀(3)，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。
2.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤一中所述Ni-Mn-Ga-Fe合金为Ni47.9Mn24.5Ga24.3Fe3.3。
3.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤一中所述圆柱形铸锭的直径为Φ3～30mm，长度为4～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤三中制备合金纤维的具体方法为：
将步骤二干燥后的铸锭放入制备金属非晶丝的装置的坩埚中，然后将腔体抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气，接着再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气至腔体内氩气压力达35～65Pa，保压；启动金属辊轮，设置金属辊轮转速为800～1800r/min；开启感应加热装置，加热坩埚，是合金铸锭熔化，然后将加热功率在10～25kW调节，合金熔液的上端形成一个近球面时，停止调节，恒定加热功率为20kW，保持合金熔液温度为1300～1550℃；控制坩埚向金属辊轮方向移动，控制坩埚的进给速率为3×10-5m/s；合金熔液消耗完后，停止坩埚的移动，然后关闭感应加热装置，再停止金属辊轮，取出合金纤维。
5.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤三所述真空退火炉包括机械泵(1)、低真空阀(2)、放气阀(3)、高真空阀(4)、安全门(5)、加料室(7)、出线口(8)、观察窗(9)、导线(10)、固定按钮(11)、铜制平口夹(12)、调平螺母(17)、炉体(14)、真空工作室(15)和底座(16)，所述机械泵(1)与炉体(14)相连，所述机械泵(1)的上端设有低真空阀(2)，所述机械泵(1)与炉体(14)之间设有放气阀(3)，所述炉体(14)内空腔为真空工作室(15)，所述炉体(14)顶部设有加料室(7)，所述加料室(7)与真空工作室(15)相连通，所述加料室(7)顶部设有安全门(5)，所述安全门(5)在关闭状态时与加料室(7)密闭连接，所述炉体(14)与加料室(7)的连接处设有高真空阀(4)，所述炉体(14)的侧壁上设有观察窗(9)和两个出线口(8)，所述真空工作室(15)内设有固定按钮(11)、调平螺母(17)和两个铜制平口夹(12)，其中一个铜制平口夹(12)固定在固定按钮(11)上，另一个铜制平口夹(12)固定在调平螺母(17)上，每个铜制平口夹(12)的尾部分别连接一根导线(10)，两根导线(10)分别从两个出线口(8)伸出至炉体(14)外侧，所述炉体(14)底部设有底座(16)。
6.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤三中调节电流为200mA，控制退火时间为10min。
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