添加第三组元(B,Al,Cu)对Fe-Ga合金相结构及磁致伸缩的影响

摘要

本文研究了添加不同含量的第三组元以及不同制备工艺对Fe-Ga合金的相结构和磁致伸缩性能的影响。采用真空电弧炉熔炼母合金Fe81Ga19-xCux(Cu=1，2，3)、Fe81Ga19-xAlx(x=2，3，5)以及(Fe0.81Ga0.19)100-xBx(x=1，5，10)，并浇注成φ7mm的合金棒，然后采用区熔定向凝固技术制备出Fe-Ga合金棒，最后在800℃下保温3小时后进行淬火热处理。作为对比实验，本实验同样系统研究了采用相同的制备方法制备的Fe81Ga19合金的相结构和磁致伸缩性能。最终得出以下结果：
　　 Fe81Ga19合金经过定向凝固以后，其晶粒尺寸与铸态时相比明显增大，为沿着定向凝固方向择优生长的粗大柱状晶。合金的I(200)/(110)比值高达90.96％，其饱和磁致伸缩值达到189ppm。经过热处理后，合金晶粒的生长方向偏向<110>方向，晶粒内部的横向亚晶界消失，其饱和磁致伸缩值达到195ppm，且合金的低场响应也有所提高。
　　 添加Cu作为第三组元，Fe81Ga19-xCux(x=1，2，3)合金仍保持了A2相。铸态下的Fe81Ga16Cu3合金在晶界上有Cu元素析出，经过热处理后析出Cu重新固溶于基体中；经过定向凝固后，与Fe81Ga19合金相似，Fe81Ga19-xCux(x=1，2，3)合金晶粒尺寸明显大于铸态时，并表现出沿定向凝固方向择优生长的趋势；其饱和磁致伸缩值均较铸态时有显著的改善，经过热处理后，其低场响应也得到了明显改善，最大磁致伸缩值为区熔态热处理时Fe81Ga18Cu合金的饱和磁致伸缩值，达到57ppm。
　　 添加Al作为第三组元，Fe81Ga19-xAlx(x=2，3，5)合金仍保持了A2相结构。合金的饱和磁致伸缩值随Al含量的增加而增大；在铸态和区熔态下，合金均有Al-Ga固溶体优先生成，降低了合金的磁致伸缩性能，经过热处理后，Al元素分布更加均匀，磁致伸缩性能有所提高。与铸态下相比，经过定向凝固后Fe81Ga19-xAlx(x=2，3，5)合金的饱和磁致伸缩值有明显提高，再进行热处理后，其低场响应也有明显改善。在区熔态热处理时的Fe81Ga14Al5合金达到其最大磁致伸缩值174ppm，略低于区熔态热处理后Fe81Ga19合金的饱和值达到195ppm。
　　 经过定向凝固的(Fe0.81Ga0.19)100-xBx(x=1，5，10)合金，与铸态试样相比其晶粒尺寸明显增大，且定向凝固后合金的组织是沿定向凝固方向择优生长的尺寸粗大的柱状晶。(Fe0.81Ga0.19)100-xBx合金保持了无序A2相结构，B元素仅微量固溶于Fe-Ga合金中，其余B元素与Fe元素生成Fe2B相，因此(Fe0.81Ga0.19)100-xBx合金是由A2相、单质B与Fe2B相组成。由于Fe2B相优先于Fe-Ga二元合金先生成，所以基体上的Ga含量升高，在铸态和区熔态时均会出现富Ga相，因此降低了合金的磁致伸缩性能。经过淬火处理后，富Ga相消失，磁致伸缩性能有所提高，且合金的低场响应和饱和磁致伸缩值都有明显的提高和改善，其中在区熔态热处理的(Fe0.81Ga0.19)90B10合金在磁场强度为100KA/m左右时，达到其饱和磁致伸缩值70ppm。