[发明专利]一种利用单向凝固应力调控FeGa磁致伸缩合金磁畴的方法

说明书

本发明公开了一种利用单向凝固应力调控FeGa合金磁畴的方法，所述方法是液态金属冷却坩埚下降法。本发明利用液态金属冷却坩埚下降法定向凝固过程中平行于生长方向的单向导热产生的单向热应力，使FeGa合金中的初始磁畴垂直于生长方向排列，从而不需要预加压应力即可获得300～320ppm的饱和磁致伸缩值。FeGa合金的名义成分为Fe_100‑xGa_x，其中17≤x≤20，在将按照成分要求配备的Fe和Ga熔炼成母合金铸锭并铸成母合金棒后，将FeGa母合金棒置于定向凝固设备中，对定向凝固设备抽真空并充入保护气体后，加热使母合金棒完全熔融，将熔融的材料抽拉到液态金属冷却液中进行定向凝固，并控制温度梯度为5×10^4～9×10⁴K/m，生长速度为1～100mm/h。

技术领域

本发明涉及利用单向凝固应力调控FeGa合金磁畴的方法，具体说，是涉及一种利用液态金属冷却坩埚下降法定向凝固过程中平行于生长方向的单向热应力调控FeGa合金磁畴的方法，属于晶体生长领域。

背景技术

磁致伸缩材料作为一类重要的磁驱动智能材料，材料的长度和体积可以在外磁场的作用下发生可逆转变，起到磁、力转化的效果。磁致伸缩材料具有磁-力能量转化效率高的优点，制备出的磁致伸缩器件可靠性强、驱动方式简单。磁致伸缩材料及器件在医疗卫生(医用磁致伸缩泵、精密探针、注射器等)、高端制造(高精度异性件精密加工、汽车主动减振、机器人精密驱动机构等)和航空航天航海(智能机翼、航天飞行器制导、卫星高精度反射镜、水声换能器技术等)等民用高技术领域与国防科技领域均展示出广泛的应用前景和出众的开发潜力。因此可以说，磁致伸缩材料是二十一世纪最具军事意义和民用价值的智能材料之一。

FeGa合金是近些年来人们在探索新型磁致伸缩材料过程中的一个重要发现，这种合金不仅在低磁场下即可达到较高的磁致伸缩应变，同时具有优异的力学性能，居里温度高，价格低廉，温度适应性强等优点，是一种非常有潜在应用价值的新型磁致伸缩材料，特别实在具有强震动、冲击、大负荷、腐蚀强的恶劣条件更具竞争力。

对磁致伸缩材料而言，磁致伸缩性能与磁畴的分布密切相关，合理地调控磁致伸缩材料的磁畴有利于获得大的饱和磁致伸缩性能。目前大部分磁致伸缩功能器件在实际装配使用时均需施加预压力，材料内部所有的磁畴都在力矩的作用下被强制转动到垂直于外应力方向排列，此时再施加磁场相当于把所有的磁畴从轴向应力方向一次性驱动到沿外应力方向排列，所有的磁畴对合金整体的磁致伸缩性能均产生贡献，来获得最大的饱和磁致伸缩值。但加压的结构比较复杂，在使用过程中容易因为机械磨损导致失效。

公开号为CN105177227A的中国专利公开了一种利用磁场热处理提高FeGa合金磁致伸缩性能的方法，具体工艺包括将甩带急淬后的FeGa合金置于磁场高温炉中，按照1～30℃/min升温速率升至300～1400℃，保温0.5～5小时，然后按照1～30℃/min降温速率降至室温，在整个热处理过程中施加0.1～100T的磁场。当施加10T磁场热处理后，FeGa合金的最大磁致伸缩系数增加至211ppm。然而该方法由于需要施加强磁场，对热处理设备的要求高，而且由于磁场在大范围内的分布不均匀，因此不适合处理大尺寸样品。

除了磁场热处理之外，应力退火也是目前采用较多的改善磁畴分布状态的方法，但同样存在一些不足，比如需要额外加压的装置，若处理大尺寸的样品需要施加极大的载荷。因此如果能提供一种方便快捷、稳定可靠的方法来调控磁致伸缩材料的磁畴，获得大的饱和磁致伸缩性能，具有重大的工程意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用单向凝固应力调控FeGa合金磁畴的方法，即利用液态金属冷却坩埚下降法定向凝固过程中平行于生长方向的单向热应力调控FeGa合金磁畴。

根据磁弹耦合理论，FeGa合金的应力能E_σ如下式所示：