目前制备磁致伸缩材料的方法主要有定向凝固法和粉末冶金法。此外,还有机械合金化法和熔体快淬法。

1 定向凝固法

定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制样品的宏观晶体取向和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。在理想状态下,希望晶轴方向为<111>方向,但实际上根据合金自身的特性和定向凝固法特点,获得理想的凝固结构是非常困难的。多数情况下是获得接近该方向的晶体取向方向。

定向凝固法包括以下三种方法:

(1)丘克拉斯基法是将一小晶籽固定在可旋转的直径为2mm的钨棒上,然后插入母合金的熔液中,从母合金熔液中以一定的速度向上提拉晶籽,以这个小晶籽为基底,发生晶粒长大,长大方式为平面长大方式,长大后晶体的方向与籽晶晶体的方向一致。因此通过控制该晶籽的方向可以获得<111>方向的合金样品。为保证在旋转提拉过程中的连续性和晶粒生长界面无成分过冷,提拉速度一般为每秒几微米。存在问题是效率太低,稀土挥发严重。这样将极大地降低样品的磁致伸缩性能,因此用丘克拉斯基法未能在实际生产中得到应用。

(2)布里奇曼法是将母材料合金在A12O3坩埚中,感应线圈整体加热熔化,然后向下抽拉熔化合金,使之逐渐移出加热区,并发生顺序凝固以形成定向凝固组织。这种方法存在的主要问题是样品整体加热会造成稀土的烧伤,很难实现高的温度梯度,因而对凝固组织产生不利影响。

(3)区熔法是指将合金棒置于一单匝线圈中,当感应线圈从一端移到另一端,整个合金棒经历了一次顺序凝固过程,因而合金棒形成了层状的定向凝固组织。存在的问题是在控制上难度很大。由此可见,对磁致伸缩材料而言,无论用何种方法都难以得到大尺寸的单晶体。

稀土软磁材料(稀土大磁致伸缩材料制备方法)(1)

图1 定向凝固设备

2 粉末冶金粘结法

粉末冶金粘结法制备稀土磁致伸缩的主要工艺流程是指:将经过电弧炉熔炼的铸锭,球磨或研磨成一定粒度的合金粉末,与树脂粘结剂均匀混合,然后压制、挤出或注射成型,得到理想的形状。在成型和压制过程中应用磁场取向和热处理提高样品的磁致伸缩性能。粘结法可获得形状较复杂的样品,相对成本较低,生产效率高。虽然加入的粘结剂会引起材料成分的变化,降低材料的密度,磁性能有所下降,但是可以有效改善材料的高频特性,防止了材料的涡流损耗。

粉末冶金方法还具有以下优点:

(1)由于大磁致伸缩合金是金属间化合物,相当脆,不能用常规方法制备、成型及加工。而粉末冶金法却可以制备出具有复杂形状及各种尺寸的产品,在商业上具有吸引力;

(2)通过对合金原料预先磁场定向处理,可以生产出具有晶体取向的合金材料,而其成本低于一般的区熔技术。

粉末冶金粘结法的缺点是:

(1)粉末冶金过程不易形成理想的取向组织;

(2)粉末冶金过程中合金粉末易氧化,降低材料性能,导致产品的磁致伸缩特性一般低于铸造法产品的性能。

3 机械合金化法

机械合金化法是将准备好的粉末状的各种成分,按原子百分比配比,然后将球和原料放入钢罐中,充入氩气后夹持在球磨机上球磨。根据球磨时间的长短,可以得到非晶或微晶。所谓机械合金化法,实际上是一个制备金属粉末的方法。

4 熔体快淬法等微晶组织获得手段

可以用熔体快淬法、气相沉积法,磁控溅射法来得到多种纳米尺度的薄膜和颗粒磁致伸缩材料。这样的材料中存在单畴,单畴思想是研究先进磁性材料的基本思想方法之一,通过研究纳米尺度颗粒材料磁性行为可以得到在块体材料中无法得到的性能。适当控制稀土laves相的微结构能够改善其软磁性能,提高其在低场下的磁致伸缩性能。

熔体快淬法常被广泛用来合成亚稳态的物质,特别是一些金属化合物的非晶相和纳米晶相。首先将炼好的铸块放入快淬机中感应加热,铸块变成熔融状态后,熔体从石英管喷射到一个高速旋转的金属圆辊上,被急冷成非晶带。由于冷却速度极高,材料中的原子(分子)来不及按晶格周期性重新排列,所得到的固体就成为非晶态固体,因此熔体快淬法可以将液态的无序结构保存到凝固状态。由于非晶态合金原子结构缺乏结晶固体长程有序性。因此,非晶态合金就不存在磁晶各向异性。非晶态保留了一些短程有序,这个特性与液体状的有序度相似。因而,基于过渡金属的非晶态合金非常容易磁化。

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