Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料的晶界组织重构与性能研究

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Tb-Dy-Fe材料在室温下具有优异的磁致伸缩性能。目前常用的Tb-Dy-Fe材料是用定向凝固方法制备的,具有强的<110>或<112>轴向取向。该材料的组织是以片状树枝晶生长的主相和在片状树枝晶之间形成的薄层富稀土晶界相,这种组织是一种典型的脆性组织,具有很低的抗拉强度(28 MPa)及断裂韧性(1.65 MPa.m1/2)。Tb-Dy-Fe材料低的力学性能使其在设计与应用中受到了限制。另一方面,材料的磁致伸缩性能是由Laves相提供的,Laves相具有强的磁致伸缩各向异性,易磁化轴<111>方向具有最高的磁致伸缩应变,因此,获得强<111>轴向取向材料一直是研究者追求的目标。针对以上现状,本文以获得材料高磁致伸缩性能、提高材料力学性能为目标,探索以新的晶界相去替换原来的晶界相,采用晶界扩散和取向粉末烧结两种方法对Tb-Dy-Fe材料晶界组织进行部分重构和完全重构,通过控制晶界相的形态及相界面结构,并结合磁体的晶粒取向控制技术来制备高性能磁体。提出并实现了晶界扩散重构定向凝固取向多晶Tb-Dy-Fe合金晶界组织的方法。研究工作以Dy-Cu合金作为扩散源,对定向凝固<110>取向多晶合金进行晶界扩散处理,将原富稀土晶界相替换为(Tb,Dy)Cu晶界相,显著提高了材料的力学性能,同时使其保持了高的磁致伸缩性能;通过调控扩散温度、冷却方式等工艺及设计扩散源合金成分,有效提高了晶界组织中(Tb,Dy)Cu晶界相的含量,并抑制了二次沉淀相的析出,获得了(Tb,Dy)Cu晶界相含量超过90%的晶界组织。研究分析了晶界扩散处理后材料的断口形貌,在(Tb,Dy)Cu晶界相的断口处观察到韧窝和撕裂楞。以Dy33Cu67合金为扩散源,经1000℃晶界扩散处理3小时的取向多晶Tb0.30Dy0.70Fe1.95合金在室温下的抗弯强度、断裂韧性和抗拉强度分别提高至122 MPa、2.46 MPa·m1/2和49 MPa,分别为原始试样的2.54倍、1.49倍和1.75倍;在320 kA/m磁场、5 MPa预压应力下的磁致伸缩系数达到1448×10-6。以Dy-Cu合金为液相烧结相,通过取向粉末烧结的方式,获得了<111>轴向取向的烧结磁体,该磁体具有高的磁致伸缩性能和力学性能。通过优化烧结工艺调控Dy-Cu晶界相的成分、形态、分布,获得的烧结材料密度达到8.78 g/cm3;DyCu晶界相均匀分布在主相晶粒周围,主相和DyCu晶界相的相界面结构为半共格关系。烧结Tb0.33Dy0.67Fe1.95/Dy-Cu材料在400 kA/m磁场、10 MPa预压应力下的磁致伸缩值为1326×10-6;在室温下的抗弯强度、断裂韧性和抗拉强度分别达到176 MPa、3.98 MPa·m1/2和71.3 MPa,均显著高于定向凝固<110>取向多晶Tb-Dy-Fe合金,分别是其3.67倍、2.41倍和2.55 倍。研究了烧结过程中影响磁体磁致伸缩性能的主要因素。设计并制备了成分为 TbxDy1-xFe1.95(x=0.27、0.30、0.33、0.50)的合金粉末,随着 Tb/Dy 比增大,磁晶各向异性常数K1从0.75 × 106 J/m3增加至3.83 × 106 J/m3,使Tb-Dy-Fe单晶颗粒在相同磁场作用下可以获得更强的<111>轴向取向;通过优化制粉工艺和润滑条件,降低了 Tb-Dy-Fe合金颗粒的转动阻力,提高了磁体的<111>轴向取向。经过成分及工艺优化获得的烧结Tb0.33Dy0.67Fe1.95/Dy-Cu材料在400 kA/m磁场、10 MPa预压应力下的磁致伸缩值达到 1326×10-6,d33达到 6.81 nm/A。晶界组织重构Tb-Dy-Fe材料的ReCu(Re=Tb、Dy)晶界相处断口存在大量韧窝及撕裂楞形貌。分析材料的断口组织及微观形貌表明,ReCu晶界相的韧性断裂与主相晶界相的半共格相界面结构是其力学性能提高的主要原因。
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