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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| CN 200310109804 CN1253592C (zh) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | 含铽多晶Ni－Mn－Ga磁性形状记忆合金 |
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