[发明专利]巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用

说明书

本发明涉及一种巨磁致伸缩性能的Fe‑Ga‑Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用，为解决现有技术磁致伸缩性能小问题，合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe_{100‑x‑y‑z}Ga_xAl_yM_z，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁；通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得巨磁致伸缩性能的Fe‑Ga‑Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料，用于制造传感器的磁致伸缩元件和用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能，且工艺简便、高效、节能，大大降低了生产成本的优点。

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩材料，特别是涉及到一种巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用。

背景技术

工程材料所关注的磁致伸缩主要是线磁致伸缩，也就是在外加磁场驱动下材料沿某一方向的伸长或缩短的现象，磁致伸缩应变是一个没有量纲的物理量，一般以×10^-6为单位。

磁致伸缩现象于1842年被焦耳(J.P.Joule)发现，因此也称它为焦耳效应。铁磁体的磁致伸缩一般指线磁致伸缩，表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的伸长或缩短。线磁致伸缩或线磁致伸缩系数通常用λ表示。

纯铁具有20×10^-6的饱和磁致伸缩应变，直到1940年，饱和磁致伸缩系数λ_s为40×10^-6的镍和钴才应用于声纳的传感器中。1950年发现了饱和磁致伸缩应变更大的FeAl(100×10^-6)合金，上世纪六十年代Clark、Legvold和Rhyne发现稀土原子在绝对温度0K附近的磁矩高达9μB(Fe和Ni分别是2.2μB和0.6μB)，其中，铽和镝在低温下的饱和磁致伸缩系数达到1500×10^-6-2000×10^-6。Koon和Clark研究了铽、镝和铈等重稀土元素和Fe、Co、Ni等过渡族元素形成的金属间化合物的居里温度和饱和磁致伸缩系数，他们发现RCo(R-重稀土元素)居里温度可达1200K，但室温饱和磁致伸缩系数很低；RNi的居里温度和室温饱和磁致伸缩系数均很低；RFe₂的居里温度为500-700K，且饱和磁致伸缩应变可达1763×10^-6，表1-1列出了重稀土元素与铁形成的金属间化合物的饱和磁致伸缩系数，显然，这个材料可以在室温下使用，目前商业应用的巨磁致伸材料Tb_1-xDy_xFe(美国海军实验室将其命名为Terfenol-D，就是DyFe₂衍生出的二元稀土化合物。

另一类不含稀土的磁致伸缩材料是铁镓合金，它的广泛研究始于2000年，S.Guruswamy等在无外加拉应力和不同外加拉应力下，测定了含镓(原子百分比，以下同)为20at.％和27at.％的铁镓合金的磁致伸缩系数，在拉应力为2.7MPa、6.2MPa.和58MPa时，分别测得退火前后的饱和磁致伸缩应变接近20×10^-6、50×10^-6和120×10^-6。

铁镓合金作为一种新型的磁致伸缩智能材料在驱动器、传感器和换能器上的潜在应用前景引起人们越来越多的兴趣。铁镓合金能将良好的磁致伸缩性能和力学性能完美结合，还具有良好的成型性和焊接性，此外，它的磁致伸缩性能的温度依赖性低，从而使铁镓合金器件可以在很宽的温度范围内服役，与铽镝铁相比，铁镓合金的材料成本低而易得。最古老的磁致伸缩材料镍和铁虽然也有良好的机械性能，但磁致伸缩应变很低；传统的压电陶瓷如PZT、PMN和稀土磁致伸缩材料(Terfenol-D)虽然能提供很大的应变值，但机械强度有限，这些缺点限制了它们的使用。而铁镓合金良好的机械性能和去应力退火后可保持磁晶各向异性的特点使其可以在拉伸后保持其磁性能。