非平衡Fe-Ga合金热处理及磁致伸缩性能的影响

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本文主要论述了Fe-Ga合金淬火热处理时的保温时间和淬火温度对其组织和磁致伸缩性能的影响,对于铸态、净化态和磁场净化态的Fe83Ga17合金分别施加了730℃和1000℃、保温1h、3h和5h的淬火处理,观察不同状态下的Fe83Ga17合金在不同热处理条件下组织和性能的变化情况,并分析了产生该变化的原因,为获得最佳磁致伸缩性能,确定了最佳的热处理工艺参数。结果表明:1、在730℃和1000℃温度下,分别保温1h、3h和5h后淬火至室温,铸态、净化态和在磁场中凝固的净化态Fe83Ga17合金,发现合金的晶粒均发生不同程度的长大,晶粒变得规则,晶界处的富Ga相析出物减少甚至消失。延长保温时间,合金的回复过程越充分,淬火处理抑制其充分再结晶过程,故其室温晶粒粗大;淬火处理使合金的高温组织被快速“冻结”下来,且可以抑制合金中富Ga相的产生。从X射线衍射图谱可知,无论是在730℃还是在1000℃下,合金保温不同时间后进行淬火处理,仍然保持体心立方结构不变,各峰位的衍射角度较标准α-Fe的衍射峰发生轻微偏移,这是由于Ga的原子半径大于Fe的原子半径,当Ga加入Fe中形成替位式固溶体时Ga原子会引起晶格畸变,晶格常数的变化引起峰位发生偏移。从X射线衍射图谱中发现,未经热处理的原始态合金的峰位均发生不同程度的劈裂,劈裂与合金中新相的产生有关,经淬火处理后,各峰的劈裂现象减弱甚至消失,说明淬火热处理可以抑制这种新相的产生2、铸态Fe83Ga17合金经730℃保温3h淬火至室温,与相同温度保温1h和5h相比,其磁致伸缩性能最佳,饱和磁致伸缩系数达到95ppm,在铸态Fe83Ga17合金的基础上提高了82%,而分别经过1h和5h保温的合金饱和磁致伸缩系数为68ppm和81ppm.在相同的保温温度下,保温1-3h内,合金的饱和磁致伸缩系数呈现上升的态势,当保温时间延长至5h时,合金的饱和磁致伸缩系数下降。净化态和磁场净化态的Fe83Ga17合金也出现了相同的规律。相比之下,铸态Fe83Ga17合金经过1000℃保温1h淬火至室温,合金的磁致伸缩性能提高不明显,仅在原基础上增加了10ppm,且随着保温时间的延长,合金磁致伸缩性能下降,5h时降至44ppm。其他两种状态的合金在1000℃条件下进行热处理也呈现了相同规律。在居里温度(Tc)附近热处理和高温热处理相比,合金在Tc附近进行的热处理对提高磁致伸缩性能更有效,这是由合金在不同温度下淬火至室温后的组织决定的,在Tc附近淬火得到的室温组织中,存在基体相----无序体心立方结构的A2相、短程有序的畸变DO3相和其他的有序结构相,这种无序-有序的室温组织的磁致伸缩性能最佳;而高温淬火至室温的组织中,合金保留了高温时候的无序状态,合金磁致伸缩性能下降。3、净化态的Fe83Ga17合金在凝固过程中施加300mT磁场后进行730℃、保温3h淬火至室温的热处理后,合金的磁致伸缩性能提高幅度最大,即在该条件下进行热处理的净化态Fe83Ga17合金在原母合金的基础上增加了89ppm,而磁场净化态的Fe83Ga17合金在原基础上增加了111ppm。这是因为合金在凝固过程中施加的外磁场使得合金中的一部分磁畴被强制排列在垂直于合金棒材的轴向方向上,当施加平行于合金轴向的外场时,与外场呈90°的磁畴对磁致伸缩性能贡献最大,这种排列本身就有利于提高合金的磁致伸缩性能,而进行730℃保温3h淬火热处理后,合金中形成了部分无序和部分有序的室温组织,凝固中施加外场和凝固后进行热处理并不相互影响,反而是相得益彰,促使合金的磁致伸缩性能得到了大幅提升。
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