具有磁場可控變形的稀土磁性材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供一種具有磁場可控變形的稀土磁性材料及其制備方法，該材料具有室溫及高于室溫條件下外磁場控制產生微變形的能力，是一種可在室溫及高于室溫條件下由外磁場變化驅動馬氏體孿晶界遷移產生應變的一種新型稀土磁控形狀記憶合金。該合金化學式為：CoxNiyAlzDyj；其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，x、y、z、j表示摩爾百分比含量。本發明稀土磁性材料與現有材料相比，具有較寬的磁致應變溫度范圍，較大的磁致應變量以及良好的力學性能，可在高于室溫下使用的微位移器、震動和噪聲控制、線性馬達、微波器件、機器人等領域有重要應用。
【專利說明】具有磁場可控變形的稀土磁性材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于形狀記憶材料領域，涉及一種磁場可控變形的稀土磁性材料。
【背景技術】
[0002]傳統形狀記憶合金在溫度或應力作用下發生馬氏體相變及逆相變，從而產生宏觀形狀記憶效應，但是由于溫度或應力驅動具有響應頻率低，輔助設備復雜等不足限制了其應用。
[0003]在此背景下，以Ni2MnGa為代表的鐵磁性形狀記憶合金吸引了國內外學者的關注。磁控形狀記憶合金是一種新型智能記憶材料，它不但具有傳統形狀記憶合金受溫度場控制的熱彈性形狀記憶效應，還具有受磁場控制的磁性形狀記憶效應。磁控形狀記憶合金表現為:當一定形狀的母相樣品冷卻至馬氏體相變溫度以下形成馬氏體后，在馬氏體狀態下施加一定的外加磁場，樣品發生相應的形變，隨著外加磁場的卸除，伴隨馬氏體孿晶界面的逆向推移，材料會自動回復至原始形狀。此外，磁控形狀記憶合金響應頻率可以達到kHz級另O，實現了大輸出應變量與高響應頻率的結合，有望取代傳統形狀記憶合金。
[0004]由于磁控形狀記憶合金體現的特殊功能受到了越來越多的關注，但是其由于該類磁控形狀記憶合金的多晶極端脆性，較低的馬氏體相變溫度和居里溫度一直限制其工業推廣和應用。有研究學者采用元素摻雜(例如:Ga、Mn、Cu、Fe和Ti等)的方法去改善合金的力學性能和提高馬氏體相變溫度。往往合金組織析出力學性能良好的第二相提高了合金的力學性能，但由于其第二相呈現弱磁性或反鐵磁磁，反而降低了合金的磁性阻礙了合金的磁控形變。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明提供了一種具有室溫及高于室溫條件下外磁場控制產生微變形能力的磁場可控變形的稀土磁性材料，同時提供一種該材料的制備方法。
[0006]技術方案:本發明的制備具有磁場可控變形的稀土磁性材料的方法，包括以下步驟:
[0007]首先將摩爾百分比X%的Co、y %的N1、z %的Al、j %的Dy置于坩堝中真空熔煉，其中，28≤X≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤ΙΟ,χ+y+z+j = 100，其熔煉條件為:a.1X 10_3到IX KT5MPa的真空狀態；b.熔煉溫度為1300~1500°C ；c.熔煉過程采用磁攪拌；d.熔煉時間為0.5~2小時；
[0008]然后將上述真空熔煉得到的合金錠進行真空退火處理，處理條件為:溫度550~1200。。;時間:0.5~100小時;真空度:1X Kr2~IX KT3MPa ;即得到最終的稀土磁性材料。
[0009]本發明的具有磁場可控變形的稀土磁性材料，由上述方法制備得到，化學式為:CoxNiyAlzDyj ;其中，28 ≤ x ≤ 42，25 ≤ y ≤ 32，23 ≤ z ≤ 37，0.5 ≤ j ≤ ΙΟ,χ+y+z+j = 100，X、1、z、j表示摩爾百分比含量。
[0010]本發明材料具有室溫及高于室溫條件下外磁場控制產生微變形的能力，是一種可在室溫及高于室溫條件下由外磁場變化驅動馬氏體孿晶界遷移產生應變的新型稀土磁控形狀記憶合金。本發明磁性材料析出的金屬間化合物兼具良好的力學性能和磁性性能的特征。
[0011]有益效果:本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0012]本發明提出了一種具有磁場可控變形的稀土磁性材料，該合金相對于其他磁控形狀記憶合金在第二相中析出兼有磁性能和力學性能良好的金屬間化合物，在保持第二相力學性能同時大大的提高了其磁性能，使合金具有具有較大的磁致應變，較高的磁致應變溫度范圍以及良好的力學性能等優點。
[0013]本發明的磁場可控變形的稀土磁性材料，具有室溫及高于室溫條件下外磁場控制產生微變形的能力，是一種可在室溫及高于室溫條件下由外磁場變化驅動馬氏體孿晶界遷移產生應變的一種新型稀土磁控形狀記憶合金。本發明稀土磁性材料與現有材料相比，在第二相中析出兼有磁性能和力學性能良好的金屬間化合物，在保持第二相力學性能同時大大的提高了其磁性能，使合金具有較寬的磁致應變溫度范圍，較大的磁致應變量以及良好的力學性能。
[0014](1):較大的磁致應變:稀土元素Dy在Co-N1-Al三元合金中的固溶度比較低，當Dy含量為0.5%~10%時，稀土 Dy會在在Co-N1-Al合金中富Co的第二相中析出，并與Co元素生成金屬間化合物Co5Dy,該金屬間化合物具有較強磁性，能夠大幅提高合金的磁性性能，使合金在外磁場作用下更容易發生孿晶界的遷移產生較大的磁致應變。
[0015](2):較高的磁致應變溫度范圍:當Dy含量為0.5%~10%時，在合金富Co第二相中會有大量金屬間化合物Co5Dy析出，使得合金其他相中Co原子含量比例下降。隨著合金其他相中Co原子比例下降，合金的馬氏體相變溫度和居里溫度會逐漸上升，擴大了鐵磁性孿晶馬氏體存在的溫度范圍，在外磁場作用下鐵磁性孿晶馬氏體會發生孿晶界的遷移產生磁致應變，從而使合金擁有較高的磁致應變溫度范圍。
[0016](3):提升力學性能:本發明的磁性材料相組成隨著Dy在0.5%~10%含量的變化而發生改變。其具有韌性特征的析出相在晶界處析出并隨著Dy含量增加而明顯升高，大大的提高了合金的力學性能。
[0017](4):制備方法:本發明采用真空坩堝熔煉，在熔煉過程中，由于體系呈真空狀態，避免了合金因表面氧化而降低其力學和磁學性能。與傳統方法相比，該方法還具有使合金內部熔煉缺陷向表面聚集的效果使材料的加工性能增強，例如孔洞等。
[0018](5):熱處理方法:熱處理采用真空熱處理，可以有效地避免合金在高溫熱處理過程中表面氧化造成其力學性能及磁學性能的降低，例如:氧化后的合金磁質應變會大大降低以及馬氏體相變溫度的改變。
[0019]綜上所述，本發明提出了一種具有磁場可控變形的稀土磁性材料，該合金相對于其他磁控形狀記憶合金具有較大的磁致應變，較高的磁致應變溫度范圍以及良好的力學性能等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明CoxNiyAlzDyj合金在室溫下SEM圖；
[0021]圖2是本發明CoxNiyAlzDyj合金磁場驅動下的應變_磁場曲線；[0022]圖3是本發明CoxNiyAlzDyj合金壓縮應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例對本發明作進一步地說明。
[0024]實施例1:
[0025]制備組成為Co42Ni32Al25.5Dya5的具有磁場可控變形的稀土磁性材料，其制備方法如下:
[0026](1)分別稱量純度為 99.9% 的 Co、N1、Al、Dy ;
[0027](2)將稱量好的原料盛放在坩堝中，采用真空熔煉，其熔煉條件為:a.1X10—3的真空狀態；b.熔煉溫度為1300°C ；c.熔煉過程采用磁攪拌；d.熔煉時間為0.5小時。
[0028](3)將上述真空熔煉得到的合金錠進行快速凝固，凝固條件為:溫度550~12000C ;時間:0.5 ~100 小時；真空度:1Χ10-2 ~IXKT3MPa ； [0029](4)將上述凝固完全的合金棒進行真空退火處理，處理條件為:溫度550°C ;時間:100小時；真空度:lX10_2MPa。然后再以隨爐冷卻至室溫。
[0030]將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進行檢測各種特性曲線。
[0031]實施例2:
[0032]制備組成為Co4tlNi3tlAl23Dy7的具有磁場驅動孿晶馬氏體變形的磁性合金，其制備方法如下:
[0033](I)分別稱量純度為 99.9% 的 Co、N1、Al、Dy ；
[0034](2)將稱量好的原料盛放在坩堝中，采用真空熔煉，其熔煉條件為:a.1XlO-4的真空狀態；b.熔煉溫度為1400°C ；c.熔煉過程采用磁攪拌；d.熔煉時間為1.5小時。
[0035](3)將上述真空熔煉得到的合金錠進行快速凝固，凝固條件為:溫度550~12000C ;時間:0.5 ~100 小時；真空度:1Χ10-2 ~IXKT3MPa ；
[0036](4)將上述熔煉好的合金錠進行真空退火處理，處理條件為:溫度800°C ;時間:70小時；真空度:5X10_3MPa。然后再以隨爐冷卻至室溫。
[0037]將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進行檢測各種特性曲線。
[0038]實施例3:
[0039]制備組成為Co28Ni25Al37Dyltl的具有磁場驅動孿晶馬氏體變形的磁性合金，其制備方法如下:
[0040](I)分別稱量純度為 99.9% 的 Co、N1、Al、Dy ;
[0041](2)將稱量好的原料盛放在坩堝中，采用真空熔煉，其熔煉條件為:a.1XlO-5的真空狀態；b.熔煉溫度為1500°C ；c.熔煉過程采用磁攪拌；d.熔煉時間為2小時。
[0042](3)將上述真空熔煉得到的合金錠進行快速凝固，凝固條件為:溫度550~12000C ;時間:0.5 ~100 小時；真空度:1Χ10-2 ~IXKT3MPa ；
[0043](4)將上述熔煉好的合金錠進行真空退火處理，處理條件為:溫度1000°C ;時間:24小時；真空度:lX10_3MPa。然后再以隨爐冷卻至室溫。
[0044]將上述方法制備的多晶樣品用線切割切出5X5X8mm的樣品進行檢測各種特性曲線。
[0045]
【權利要求】
1.一種制備具有磁場可控變形的稀土磁性材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:首先將摩爾百分比χ%的Co、y%的N1、z%的Al、j%的Dy置于坩堝中真空熔煉，其中，28≤X≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，0.5≤j≤10，x+y+z+j=100，其熔煉條件為:a.1 X 10_3到I X KT5MPa的真空狀態；b.熔煉溫度為130(Tl500°C ;c.熔煉過程采用磁攪拌；d.熔煉時間為0.5~2小時； 然后將上述真空熔煉得到的合金錠進行真空退火處理，處理條件為:溫度55(T120(TC ；時間:0.5^100小時；真空度:1X 10_，1X 10_3MPa ;即得到最終的稀土磁性材料。
2.一種具有磁場可控變形的稀土磁性材料，其特征在于，該磁性材料由權利要求1所述方法制備得到，化學式為=CoxNiyAlzDyj ;其中，28≤x≤42，25≤y≤32，23≤z≤37，.0.5 ≤ j ≤ 10, x+y+z+j=100, x、y、z、j 表示摩爾百分比含量。
【文檔編號】C22C30/00GK104018054SQ201410270766
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】薛烽, 巨佳, 周健, 白晶, 孫揚善, 厲虹 申請人:東南大學