CN1253592C - 含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金,其特征是合金成份为Ni-Mn-Ga-Tb,其中:Ni的成分范围为45-55at%,Mn为18-32at%,Ga为16-32at%,Tb为0.01-5at%。其优点是通过添加稀土元素Tb,使材料的抗弯强度提高2-6倍,同时使材料的晶粒得到细化。在特定应力状态下材料的磁感生应变可达6000-12000ppm。材料的可加工性能大大提高,实用性增强。
Description
一、技术领域:
本发明涉及一种含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金,属于合金材料领域。
二、背景技术:
形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是一种集“感知”与“驱动”于一体的新型功能材料。国内外对这类合金的理论研究和应用研究都十分活跃,进展迅速,迄今为止,已发现有十几种形状记忆合金系。
近几年,一种新型功能材料——磁性形状记忆合金Ni-Mn-Ga逐渐发展起来,这种接近化学计量Ni2MnGa的合金具有热弹性马氏体相变和磁性形状记忆效应。
Ni-Mn-Ga合金是Heusler合金中唯一兼有铁磁性和形状记忆效应的材料。通常的形状记忆合金是非铁磁性的,其形状和尺寸变化受控于温度和应力。Ni-Mn-Ga合金的形状记忆效应除了受温度、应力的影响外,还可以通过磁场来控制。利用磁场改变马氏体变体的取向,产生大的磁感生应变。Ullakko等人观察到Ni2MnGa单晶在8KOe磁场,265K温度下沿[001]方向可产生0.2%的应变。Tickle等人在单晶试样处于马氏体状态下,观察到0.5%的磁感生应变。如果在某种应力状态下,可得到1.3%的应变。而Murray等人的研究表明,在应力的作用下单晶样品可产生高达6%的磁感生应变。Ni-Mn-Ga合金的这种大的应变远远高于磁致伸缩材料Terfenol-D的宏观应变,同时还具有良好的响应频率。化学计量的Ni-Mn-Ga成份为Ni50Mn25Ga25,在室温下为母相的L21立方结构。降低温度在202K附近发生马氏体相变,形成具有四方结构马氏体相。通过适当地调整化学成份,采用非化学计量的Ni-Mn-Ga材料可以使马氏体相变温度提高到室温附近和室温以上,使该材料具有实用性,有望成为一种智能驱动材料。
日本株氏会社1997年在中国申请了“具有相反转化的控制终点和形状记忆效应的镍锰镓合金”的专利(专利公告号1193662),O’Handley等人1999年在美国申请了“High-strain,magnetic field-controlled actuator materials”专利(专利号US5,958,154),以及其他申请者的有关美国专利(专利号US6,157,101、US6,475,261等)。以上专利技术均未涉及含稀土铽的多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金内容。
Ni2MnGa材料在单晶状态和某种应力作用下,样品可以产生高达6%的磁感生应变。但单晶材料制备工艺复杂,实用性不大。对于多晶材料,一般情况下磁感生应变在200-600ppm,在某种应力作用下可达3000-6000ppm。然而,Ni-Mn-Ga材料强度低、脆性大、可加工性能差,这将大大地限制其应用范围。
三、发明内容:
本发明的目的在于通过添加稀土元素Tb,在保持和提高原有的Ni-Mn-Ga合金材料大的磁感生应变的情况下,使材料的晶粒得到细化,材料的力学性和可加工性能大大提高,使材料的实用性大大增强。
本发明的目的是通过以下方式实现的:
本发明的合金成份为Ni-Mn-Ga-Tb,其中:Ni的成分范围为45-55at%,Mn为18-32at%,Ga为16-32at%,Tb为0.01-5at%。
上述合金材料中所采用的原料是纯度为99.5-99.99%的Ni、Mn、Ga、Tb单质金属。
本合金材料的制造工艺是:
利用Ni、Mn、Ga、Tb单质金属,通过真空感应炉或非自耗电弧炉,在氩气保护条件下熔炼金属并浇铸成母合金棒料。使用真空定向凝固炉,采用高频感应加热的区熔法以1-10mm/min的速度进行定向凝固,制备含铽的取向多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金材料。或在母合金棒料内,沿柱状晶结晶方向切割样品,得到取向多晶材料。然后,在真空热处理炉内,经700-900℃、10-100小时均匀化热处理并淬入冰水中,又经过300-600℃,1-6小时的退火处理,最后用线切割和磨削方法对所需材料进行适当加工。采用电阻应变法原理,用磁致伸缩测量仪进行磁感生应变性能检测。采用三点弯曲加荷方法,检测抗弯强度。
用上述工艺制备的含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金材料的性能达到:
(1)磁感生应变ε(ppm),列于表1
测量磁场(KA/m) | 预压应力(Mpa) | 磁感生应变ε(ppm) |
400.0 | 0 | 200-600 |
10.0 | 1200-2000 | |
800.0 | 0 | 3000-6000 |
10.0 | 6000-12000 |
(2)居里温度Tc=330-390℃
(3)抗弯强度σ=50-300MPa
本发明的基本工艺流程为:
真空熔炼→定向凝固→均匀化和退火处理→线切割和磨削加工→性能检测;
发明的效果:
本发明的优点在于:1)通过添加稀土元素Tb,使材料的抗弯强度大大提高,同时使材料的晶粒得到细化。2)在特定应力状态下,材料在800KA/m磁场内的磁感生应变可达6000-12000ppm。材料的可加工性能大大提高,实用性增强。
四、具体实施方式:
实施例:
A、成分为Ni50Mn27Ga20Tb3稀土铽的镍锰镓磁性记忆合金。采用纯度为99.95%的Ni、Mn、Ga、Tb单质金属作原材料。采用真空非自耗电弧炉,在氩气保护条件下熔炼并浇注成合金棒料。采用真空定向凝固炉,高频感应加热的区熔法,以6mm/min的速度进行定向凝固,制备含Tb的取向多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金材料。在真空热处理炉内,经850℃,72小时的热处理,然后淬入冰水中,又进行500℃、2小时的退火。经线切割和磨削加工后,进行磁感生应变和抗弯强度检测。
其性能指标为:
(1)磁感生应变ε=11500ppm(800.0KA/m磁场,10.0MPa预应力)
(2)居里温度Tc=370℃
(3)抗弯强度σ=260Mpa
B、成分为Ni52Mn23Ga23Tb3含稀土铽的镍锰镓磁性记忆合金。采用纯度为99.95%的Ni、Mn、Ga、Tb单质金属作原材料。利用真空非自耗电弧炉,在氩气保护条件下熔炼并浇注成合金棒料。使用真空定向凝固炉,高频感应加热的区熔法,以6mm/min的速度进行定向凝固,制备含Tb的取向多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金材料。在真空热处理炉内,经900℃,48小时均匀化处理后淬入冰水中,然后又进行200℃、4小时的退火。经线切割和磨削加工后,进行磁感生应变和抗弯强度检测。
其性能指标为:
(1)磁感生应变ε=8500ppm(800.0KA/m磁场,10.0MPa预应力)
(2)居里温度Tc=345℃
(3)抗弯强度σ=210Mpa
C、成分为Ni54Mn21Ga23Tb2含稀土铽的镍锰镓磁性记忆合金。采用纯度为99.9%的Ni、Mn、Ga、Tb单质金属作原材料,利用真空非自耗电弧炉,在氩气保护条件下熔炼并浇注成合金棒料。在母合金棒料内,沿柱状晶结晶方向切割样品,得到取向多晶材料。在真空热处理炉内,经900℃,48小时的均匀化热处理并淬入冰水中,然后进行500℃、2小时的退火处理。经适当磨削后,进行磁感生应变和抗弯强度检测。
其性能指标为:
(1)磁感生应变ε=11900ppm(800.0KA/m磁场,10.0MPa预应力)
(2)居里温度Tc=335℃
(3)抗弯强度σ=139Mpa
Claims (2)
1、一种含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金,其特征是合金成份为Ni-Mn-Ga-Tb,其中:Ni的成分范围为45-55at%,Mn为18-32at%,Ga为16-32at%,Tb为0.01-5at%。
2、根据权利要求1所述的含铽多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金,其特征是合金材料中所采用的原料是纯度为99.5-99.99%的Ni、Mn、Ga、Tb单质金属。
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