[发明专利]一种Fe-Ga-Ce-B合金棒材及其制备方法和一种冷却铜模具

说明书

本发明提供了一种Fe‑Ga‑Ce‑B合金棒材及其制备方法和一种冷却铜模具，涉及功能材料制备技术领域。本发明提供的Fe‑Ga‑Ce‑B合金棒材的化学组成为Fe_{100‑(x+y+z)}Ga_xCe_yB_z，其中x＝17～19，y＝0.2～1.5，z＝0.8～1.2；所述Fe‑Ga‑Ce‑B合金棒材的长径比为7～14。本发明提供的是大长径比合金棒材，采用Ce、B双元素掺杂铁镓合金，可有效提高合金的磁致伸缩性能及塑性、强度。本发明提供了一种冷却铜模具，由带排气孔的成型铜模和锥度降温冷却器构成，能够定向结晶大长径比铁镓合金棒材，提高合金的磁致伸缩系数和铸造性能。

技术领域

本发明涉及功能材料制备技术领域，特别涉及一种Fe-Ga-Ce-B合金棒材及其制备方法和一种冷却铜模具。

背景技术

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。目前实际应用制备的多晶Fe-Ga合金磁致伸缩系数还很低，能否提高多晶Fe-Ga合金的磁致伸缩性能是该类材料能否得到广泛应用的关键。

Fe-Ga合金可能存在三种相结构，A₂相(体心立方(bcc)，无序的a-Fe相)、DO₃相(bcc，有序的FeGa相)以及L1₂相(面心立方(fcc)，有序的FeGa相)。通常认为，A₂相对于Fe-Ga合金的磁致伸缩性能起到促进作用，而有序的DO₃相和L1₂相则起到抑制作用(Clark,A.E.；Restorff,J.B.；Wun-Fogle,M.Hathaway,K.B Lograsso,T.A.；Huang,M.；Summers,E.J.Appl.Phys.2007，101.09C507.doi:10.1063/1.2670376)。

元素掺杂，即在一个作为基体的晶体结构中掺入少量的其他元素，是一种提高多晶Fe-Ga合金的磁致伸缩性能的有效手段。因为被掺杂元素在化学性质上与原有基体不同，晶格结构会出现各种各样的变化和缺陷，从而提升原有基体的性质，或者增添原来不具有的性质。选取不同种类、不同含量的元素掺杂会对合金的结构与性能产生不同的影响，而已经公开的文献和专利大多数是单一元素的掺杂，对铁镓(Fe-Ga)合金的性能影响也是单一的，熔炼的多晶Fe-Ga合金的磁致伸缩系数还较小，综合机械性能不佳，还不能完全满足器件加工的要求。

另外，已报导的铁镓(Fe-Ga)系列合金多数都用于制造微型器件，实现精密控制。熔炼成母合金后，铁镓合金一般都要再定向结晶成有取向的棒材才能加工成器件使用，因而这种棒材铸造时一般直径都很小，而长度较大，即长径比较大。

传统的模具都是简单的紫铜模具或者水冷金属铜模具。这些传统紫铜模具结构简单，内腔直径小而长度长，因此浇铸时合金液由于模腔内的空气被压缩后气压增加阻碍合金液向下流动，充填模腔速度降低，此时，金属模具快速吸热更加造成合金液流动性快速降低，不利于定向结晶棒材；并且，已有模具及冷却器不能对合金液冷却提供温度梯度，或者温度梯度较小，难以显著提高磁致伸缩系数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Fe-Ga-Ce-B合金棒材及其制备方法和一种冷却铜模具。本发明提供的Fe-Ga-Ce-B合金棒材为双元素掺杂的铁镓合金，可实现双元素调控的叠加效应，有效提高合金的磁致伸缩性能及塑性、强度；并且，本发明提供的冷却铜模具为梯度冷却模具，能够定向结晶大长径比铁镓合金棒材，提高合金的磁致伸缩系数和铸造性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：