[发明专利]一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-In-Tb合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空感应熔炼法制备Fe-Ga-In-Tb合金的方法，属于材料加工工程领域的功能材料制备技术。

背景技术

超磁致伸缩材料（GMM）是指在变化的磁场作用下，其长度变化特别大的一种功能材料。超磁致伸缩材料是继稀土永磁材料、稀土高温超导材料之后的又一种重要的功能材料，其磁致伸缩应变较传统的镍基磁致伸缩材料和铁基磁致伸缩材料提高50倍以上，比压电陶瓷的电致伸缩应变大5倍，而且承受压力大，能量转换效率高。因此GMM被视为21世纪提高一个国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，在大功率水下通讯、高精度微型马达、液压和阀门控制、精密加工和航空航天的智能结构领域具有广阔的应用前景。

以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩率大，但是材料机械性能差，特别是抗拉伸能力弱，脆性大，而且材料中需要添加较多的稀土元素Tb和Dy，成本高。传统磁致伸缩材料和超磁致伸缩材料都具有其显著的优点，但同时又具有明显的缺点，从而限制了它们的应用。

    铁镓（Fe-Ga）系列合金具有比Terfenol-D更优良的机械性能，脆性小、可热轧，可以利用传统的金属加工方法对其进行机械加工。

目前，国内关于铁镓（Fe-Ga）系列合金研究的文献较少，人们对铁镓（Fe-Ga）系列合金的研究主要集中于制备各种具有择优取向的合金，而关于添加第三元素的研究很有限。

    经查阅文献，杭州应用声学研究所范进良等人研究了铟（In），锗（Ge）添加对铁镓（Fe-Ga）合金磁致伸缩系数的影响（范进良,高芳,刘敬华.In ,Ge添加对Fe81Ga19合金磁致伸缩系数的影响.金属热处理.Vol.36(2):79-82）。添加In后合金中出现了沿晶界分布的富In相，导致磁致伸缩系数降低。铸态Fe81 ( Ga0.9Ge0.1)19合金的磁致伸缩系数只有1.5×10^-5，比铸态Fe81Ga19合金小。添加Ge的铸态Fe81 ( Ga0.9Ge0.1)19合金在凝固过程中形成大量枝晶是导致磁致伸缩系数降低的原因之一。

    进一步检索文献发现，兰州理工大学丁雨田等人（丁雨田，刘芬霞，胡勇，张艳龙.Fe-Ga合金薄带的显微组织及磁致伸缩性能[J]. 特种铸造及有色合金. 2008,Vol.28（5）：341-343）选用纯度分别为99．95％的Fe和99．99％的Ga，按所需成分配料，在氩气保护下，采用真空电弧炉熔炼多次以制备目标成分为Fe_100-xGa_x (x=17、18、21)的母合金。该技术的缺点是采用电弧熔炼时Ga元素的烧损严重，成分难以控制，钨极还会污染合金成分；

    兰州理工大学丁雨田等人还研究了添加第三组元铝（Al）、铜（Cu）对Fe83 Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响。（丁雨田，刘广柱，胡勇. 第三组元(Al、Cu)添加对Fe83 Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响.[J]兰州理工大学学报,2010,V01.36 (3):1-5）。该技术选用高纯度的Fe、Ga、Al和Cu为原材料，配制成目标成份为(Fe83Gal7)_100-xMx(x=0、1、2、3；M=Al、Cu)的母合金，氩气气氛保护下在真空熔炼炉中反复熔炼后吹铸成直径为8 mm的棒材。但是该文的研究结论认为，在Fe83 Ga17合金中添加少量的Al、Cu不但没有提高磁致伸缩性能，反而明显降低了材料的磁致伸缩性能。其原因是，Fe-Ga合金中存在的Ga-Ga原子团簇是产生大应变的因素。由于Fe、A1的固溶能力远小于Al、Ga，因此Al更优先存在于Ga-Ga原子团簇当中，破坏了Ga_Ga原子团簇对Fe-Ga合金磁致伸缩的影响，极大地降低了磁致伸缩性能。因此，添加Al、Cu的方案是不合适的。

综合分析已经公布的制备铁镓合金技术得知，现有的技术存在以下难以克服的缺点：

l       由于金属镓属于低熔点金属，熔炼合金化十分困难，熔炼成分单一的Fe-Ga合金难以提高磁致伸缩系数。

l       单一添加In元素熔炼Fe-Ga-In合金时由于析出沿晶界分布的富In相，导致磁致伸缩系数降低。

l       采用电弧熔炼由于烧损严重，并且钨极烧损污染合金，合金成分难以控制；

l       采用一次加料感应熔炼，镓元素挥发严重，合金成分难以控制，合金化困难；