强磁场热处理对稀土铁基磁致伸缩材料组织和性能的影响

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Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料具有能量密度高、响应速度快和输出功率大等优点,可实现磁能和机械能的快速转换,在声呐、精密控制器和大载荷致动器等领域有广阔的应用前景。Tb-Dy-Fe合金的磁性相(Tb,Dy)Fe2相具有立方Laves相结构,沿易磁化轴<111>取向具有更优的磁致伸缩性能。该材料大多采用定向凝固法制备,由于其冷却速率远大于平衡态冷却速率,得到的组织为非平衡组织。针对非平衡组织中存在合金成分不均匀、材料内部应力大以及在磁性相内存在空位和位错等缺陷,本文提出对定向凝固法制备的Tb-Dy-Fe合金进行热处理,改善材料在结构上的不均匀性、缺陷及热应力的残留,提高材料的磁致伸缩性能和力学性能。强磁场作为一种非接触的物理场,在金属材料的凝固过程和热处理中有显著影响,可通过磁力矩、磁极间相互作用等来影响凝固时合金的晶体取向和相排列,亦可通过磁自由能和磁化能影响热处理时合金中原子扩散和磁畴的形貌,因而本文在定向凝固和热处理过程均施加强磁场,考察强磁场热处理对Tb-Dy-Fe合金组织、晶体取向、磁畴结构和磁致伸缩性能的影响,揭示强磁场对材料组织和性能的作用机制。主要研究结果如下:(1)定向凝固法制备的Tb-Dy-Fe合金中有两种组成相:(Tb,Dy)Fe2相和(Tb,Dy)Fe3相。Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金,在生长速率为75 μm/s,磁感应强度为4 T时,合金的综合性能最优;(Tb0.27Dy0.73)1.04Fe1.95合金,在生长速率为5 μm/s,磁感应强度为4T时,合金的综合性能最优。(2)热处理时,无磁场条件下,随着温度升高,Fe原子扩散系数增大,Tb-Dy-Fe 合金中魏氏体沉淀相含量逐渐减少;施加强磁场后,热处理温度和磁感应强度存在竞争关系:温度为750℃时,随着磁感应强度的增加(B>3 T),扩散系数增大,魏氏体沉淀相含量减少。温度为930℃时,随着磁感应强度的增加(B>3 T),扩散系数变化不明显,魏氏体组织无变化。此外,当磁感应强度为3 T时,不同热处理温度下,Fe原子扩散均会受到抑制,魏氏体沉淀相含量增多。(3)热处理时,无论是否施加磁场,Tb-Dy-Fe合金的晶体择优取向均不会发生改变。(4)热处理时,无论是否施加磁场,Tb-Dy-Fe合金饱和磁化强度的变化取决于魏氏体沉淀相含量多少,即合金中魏氏体沉淀相含量越少,饱和磁化强度越大。(5)无磁场热处理时,合金的磁致伸缩性能取决于魏氏体沉淀相的含量,当魏氏体减少后,对磁畴的钉扎作用减弱,导致磁致伸缩性能提高;施加磁场后,磁致伸缩性能的改变取决于磁畴结构中明暗对比度的变化。磁畴的明暗对比度较大时,表明磁畴中磁矩的矢量方向与易磁化轴贴近或平行,合金的磁致伸缩性能提高。
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