D01:10.13374j.isml00103x2006.06.007 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2006 Fe83Ga17合金热处理过程中的 磁致伸缩性能和结构分析 韩志勇)马芳)张茂才召 周寿增) 1)中国民用航空学院，天津3003002)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要实验研究了热处理对110)取向多晶FeGa17合金磁致伸缩性能的影响.发现Fes3Gan经 过淬火处理后，饱和磁致伸缩应变明显增大.在25MPa预压力作用下，饱和磁致伸缩应变超过了 300X10一6.中子衍射和差热分析实验表明，Fs3G7合金在炉冷过程中存在相结构变化，结构变化 导致合金磁致伸缩应变的改变，淬火处理能够抑制合金中DO,相的形成，从而使F83Ga1,合金的 磁致伸缩应变增大 关键词FGa合金：磁致伸缩：中子衍射：差热分析 分类号TG132:TG146 由Fe和Ga组成的二元合金具有较大的磁 和差热分析.结果表明，700℃C附近的相结构变化 致伸缩应变，人们对该类合金的结构和磁致伸缩 可以导致合金磁致伸缩应变的改变 性能有大量的研究1.Fe一Ga合金经淬火处理 1 后，其磁致伸缩性能有明显的变化，合金成分不 实验方法 同，磁致伸缩应变值改变的幅度和方向也随之变 选用高纯度金属Fe和Ga为原材料，采用晶 化.取向多晶F83G7合金经淬火处理后，其磁 体生长速度V=l2 mm'min1和温度梯度G= 致伸缩应变明显增大.Clak等人5-对单晶Fe一 478Kcm的凝固工艺，使样品沿轴向定向生长， Ga材料的研究表明，FeGa合金Ga含量较高时， 制备出110)轴向取向多晶Fs3Ga17合金样品. 合金中出现非对称的Ga原子团簇(cluster)现象， Fs3Ga7合金样品在Ar气保护下，经过1100℃ 导致较高含Ga量合金的磁致伸缩性能降低.对 1h的热处理，炉冷至730℃热处理3h,分别采用 于取向多晶FeGa合金磁致伸缩性能方面的研 炉冷和水中淬火方式冷却至室温，使用JD一30 究，Guruswamy等人只是研究了不同的处理温 型磁致伸缩参数自动测量仪测量合金的饱和磁致 度和处理时间对Fe1o0-xGar(x=15,20,27.5) 伸缩应变，采用STA449C热分析仪对炉冷和淬火 3种成分合金磁致伸缩应变的影响，给出了一些 处理后的样品进行差热分析.判断热处理过程中 实验现象和数据，对现象的产生并未给出合理的 的结构变化.为了进一步确认有序相，对合金进 解释.Fe中掺入Ga原子后形成替代式固溶体， 行了中子衍射分析.中子衍射实验是在中国原子 Ga原子在固溶体中的占位，直接影响着合金有 能科学研究院的重水反应堆旁的二轴粉末衍射仪 序、无序的程度.在Fe一Ga合金中存在B2.DO3 上进行的，所用的中子波长为01159nm,在室温 和L12等相.当FeGa合金从高温以不同速度冷 条件下，测量了散射角30~100范围内衍射曲 却至室温时，合金中可以出现不同的亚稳相，不同 线.步进宽度0.15°. 的相结构直接影响着材料的磁致伸缩性能. 为了进一步探明热处理过程中Fes3Ga17合金 2实验结果与分析 的相结构变化对磁致伸缩应变的影响，本文对炉 冷和淬火处理后的FesGan合金进行了中子衍射 表1为制备的取向多晶Fes3Ga1n样品和炉 冷、淬火处理后的不同预压力作用下的饱和磁致 收稿日期：2005-06-13修回日期：2005-09-27 伸缩应变值.结果表明，与炉冷处理的样品相比， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.10274005) 材料经过淬火处理后，磁致伸缩应变明显增大，并 作者简介：韩志勇(1970一)，男，讲狮，博士 且随着压力的增加而增大.在25MPa的预压力
Fe83Ga17合金热处理过程中的 磁致伸缩性能和结构分析 韩志勇1) 马 芳1) 张茂才2) 周寿增2) 1) 中国民用航空学院, 天津 300300 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 摘 要 实验研究了热处理对〈110〉取向多晶 Fe83Ga17合金磁致伸缩性能的影响.发现 Fe83Ga17经 过淬火处理后, 饱和磁致伸缩应变明显增大.在 25 MPa 预压力作用下, 饱和磁致伸缩应变超过了 300 ×10 -6.中子衍射和差热分析实验表明, Fe83Ga17合金在炉冷过程中存在相结构变化, 结构变化 导致合金磁致伸缩应变的改变, 淬火处理能够抑制合金中 DO3 相的形成, 从而使 Fe83Ga17合金的 磁致伸缩应变增大. 关键词 Fe-Ga 合金;磁致伸缩;中子衍射;差热分析 分类号 TG 132 ;TG 146 收稿日期:2005 06 13 修回日期:2005 09 27 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .10274005) 作者简介:韩志勇( 1970—) , 男, 讲师, 博士 由 Fe 和 Ga 组成的二元合金具有较大的磁 致伸缩应变, 人们对该类合金的结构和磁致伸缩 性能有大量的研究 [ 1 4] .Fe-Ga 合金经淬火处理 后, 其磁致伸缩性能有明显的变化, 合金成分不 同, 磁致伸缩应变值改变的幅度和方向也随之变 化.取向多晶 Fe83Ga17合金经淬火处理后, 其磁 致伸缩应变明显增大 .Clark 等人 [ 5 7] 对单晶 FeGa 材料的研究表明, Fe-Ga 合金Ga 含量较高时, 合金中出现非对称的 Ga 原子团簇( cluster) 现象, 导致较高含 Ga 量合金的磁致伸缩性能降低 .对 于取向多晶 Fe-Ga 合金磁致伸缩性能方面的研 究, Guruswamy 等人[ 8] 只是研究了不同的处理温 度和处理时间对 Fe100-x Ga x ( x =15, 20, 27.5) 3 种成分合金磁致伸缩应变的影响, 给出了一些 实验现象和数据, 对现象的产生并未给出合理的 解释.Fe 中掺入 Ga 原子后形成替代式固溶体, Ga原子在固溶体中的占位, 直接影响着合金有 序、无序的程度.在 Fe-Ga 合金中存在 B2, DO3 和 L12 等相, 当 Fe-Ga 合金从高温以不同速度冷 却至室温时, 合金中可以出现不同的亚稳相, 不同 的相结构直接影响着材料的磁致伸缩性能. 为了进一步探明热处理过程中 Fe83Ga17合金 的相结构变化对磁致伸缩应变的影响, 本文对炉 冷和淬火处理后的 Fe83Ga17合金进行了中子衍射 和差热分析.结果表明, 700 ℃附近的相结构变化 可以导致合金磁致伸缩应变的改变 . 1 实验方法 选用高纯度金属 Fe 和 Ga 为原材料, 采用晶 体生长速度 V =12 mm·min -1和温度梯度 GL = 478K·cm -1的凝固工艺, 使样品沿轴向定向生长, 制备出〈110〉轴向取向多晶 Fe83Ga17合金样品. Fe83Ga17合金样品在 Ar 气保护下, 经过 1 100 ℃, 1 h 的热处理, 炉冷至 730 ℃热处理 3 h, 分别采用 炉冷和水中淬火方式冷却至室温, 使用 JDM-30 型磁致伸缩参数自动测量仪测量合金的饱和磁致 伸缩应变, 采用 STA449C 热分析仪对炉冷和淬火 处理后的样品进行差热分析, 判断热处理过程中 的结构变化.为了进一步确认有序相, 对合金进 行了中子衍射分析.中子衍射实验是在中国原子 能科学研究院的重水反应堆旁的二轴粉末衍射仪 上进行的, 所用的中子波长为 0.115 9 nm, 在室温 条件下, 测量了散射角 30 ～ 100°范围内衍射曲 线, 步进宽度 0.15°. 2 实验结果与分析 表1 为制备的取向多晶 Fe83Ga17样品和炉 冷、淬火处理后的不同预压力作用下的饱和磁致 伸缩应变值.结果表明, 与炉冷处理的样品相比, 材料经过淬火处理后, 磁致伸缩应变明显增大, 并 且随着压力的增加而增大.在 25 MPa 的预压力 第 28 卷 第 6 期 2006 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.6 Jun.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.06.007
。540 北京科技大学学报 2006年第6期 作用下，饱和磁致伸缩应变达到了320×106. 由FeGa的二元合金相图y知，在低Ga范围内， FeGa合金以a一Fe结构固溶体形式存在，稳定 态为无序A2相和有序的B2.D03相.淬火处理 能够增大合金的饱和磁致伸缩应变，是由于Fe一 Ga系在不同的冷却条件下，合金中出现了有序、 无序转变，形成了不同的相结构，从而改变了合金 的磁致伸缩性能.为了进一步确认热处理过程中 203040306070001000 20W) 的结构变化，对Fe3Gan合金进行了中子衍射和 差热分析实验. 图2eGa1?合金淬火处理后的中子衍射谱 Fig 2 Neutron diffraction pattern of quenched FessGan 表1FeGa,合金在不同热处理条件下磁致伸缩应变 Table 1 Magnetostrictive strain of FessGa under different heat treatments -(a) 112 热处理 不同预压力下磁致伸缩应变/106 108 条件0MPa5MPa10MPa15MPa20MPa25MPa 定向 188 223 281 283 285 287 104 炉冷 217 257 262 282 277 288 淬火232 247 279 286 318 320 100 20040060080010001200 T/T: 中子衍射实验中，为了实验的准确性，要求所 有用实验样品为没有取向和应力.实验中，选取 图3炉冷处理后e:Ga1,DSCa和TG曲线(b) 铸态Fe3Gan母合金样品，沿轴向在轴心处，切出 Fig 3 DSC(a)and TG(b)curves of furace-cooled FesGan 5.5mm×70mm的圆柱，分别经炉冷和淬火处 理后样品的中子衍射谱如图1和图2所示.图中 0.4 一(a) 显示，样品经过不同条件的热处理，合金中出现了 0.2 --(b) 102 结构的变化.淬火处理和炉冷处理后的Fe3Ga7 101 样品的DSC和TG曲线如图3和图4所示.炉冷 -0.2 处理后样品的升温曲线比较平滑，没有明显的变 04 化，表明在升温过程中合金内部没有发生明显的 -0.6 变化.淬火处理后的样品，在700℃附近出现一 2004006008010098 明显的吸热峰，吸热峰的出现反映了合金内部发 T7气： 生了某些结构的变化. 图4淬火处理后FeGa,DSC(和(b)TG曲线 Fig.4 DSC (a)ad TG(b)curves of quenched FessGa7 构和有序的L12结构组成的两相区，L12结构为 有序的面心立方FeGa相101”.但是，Ll2相的 析出过程非常缓慢，合金会以亚稳相的D03结构 存在.中子衍射和差热分析表明，Fe8sGa17在炉冷 过程中，合金中出现了相结构的变化，根据FeGa 20304050607080901001i0 合金相图判断，很有可能在炉冷过程中出现了亚 20w°) 稳的D03相结构.合金自高温经过淬火，快速冷 图1s3Ga1:合金炉冷处理后的中子衍射谱 却至室温的过程中，能够有效抑制DO3相的形 Fig.I Neutron diffraction patter of furnace cooled FesGa7 成.由表1可以看出，淬火处理可以增大Fe8Ga17 合金的磁致伸缩应变，所以Fe3Gan合金经过淬 Fex:Ga17合金在570C以上为无序的bcc结 火处理后磁致伸缩应变增大，是由于D03相的形 构，从高温缓冷至室温，合金进入由无序的bcc结 成被有效的抑制
作用下, 饱和磁致伸缩应变达到了 320 ×10 -6 . 由 Fe-Ga 的二元合金相图[ 9] 知, 在低 Ga 范围内, Fe-Ga 合金以 α-Fe 结构固溶体形式存在, 稳定 态为无序 A2 相和有序的 B2, DO3 相.淬火处理 能够增大合金的饱和磁致伸缩应变, 是由于 FeGa 系在不同的冷却条件下, 合金中出现了有序、 无序转变, 形成了不同的相结构, 从而改变了合金 的磁致伸缩性能 .为了进一步确认热处理过程中 的结构变化, 对 Fe83Ga17合金进行了中子衍射和 差热分析实验. 表 1 Fe83Ga17合金在不同热处理条件下磁致伸缩应变 Table 1 Magnetostri ctive strain of Fe83Ga17 under different heat treatments 热处理 条件 不同预压力下磁致伸缩应变/ 10 -6 0MPa 5MPa 10 MPa 15M Pa 20MPa 25MPa 定向 188 223 281 283 285 287 炉冷 217 257 262 282 277 288 淬火 232 247 279 286 318 320 中子衍射实验中, 为了实验的准确性, 要求所 有用实验样品为没有取向和应力 .实验中, 选取 铸态 Fe83Ga17母合金样品, 沿轴向在轴心处, 切出 5.5 mm ×70 mm 的圆柱, 分别经炉冷和淬火处 理后样品的中子衍射谱如图 1 和图 2 所示.图中 显示, 样品经过不同条件的热处理, 合金中出现了 结构的变化.淬火处理和炉冷处理后的Fe83Ga17 样品的 DSC 和 TG 曲线如图 3 和图 4 所示.炉冷 处理后样品的升温曲线比较平滑, 没有明显的变 化, 表明在升温过程中合金内部没有发生明显的 变化.淬火处理后的样品, 在 700 ℃附近出现一 明显的吸热峰, 吸热峰的出现反映了合金内部发 生了某些结构的变化 . 图 1 Fe83Ga17合金炉冷处理后的中子衍射谱 Fig.1 Neutron diffraction pattern of furnace-cooled Fe83Ga17 Fe83Ga17合金在 570 ℃以上为无序的 bcc 结 构, 从高温缓冷至室温, 合金进入由无序的 bcc 结 图 2 Fe38Ga17合金淬火处理后的中子衍射谱 Fig.2 Neutron diffraction pattern of quenched Fe83Ga17 图 3 炉冷处理后 Fe83Ga17DSC( a) 和 TG曲线( b) Fig.3 DSC ( a) and TG(b) curves of furnace-cooled Fe83Ga17 图 4 淬火处理后 Fe83Ga17DSC( a) 和( b) TG曲线 Fig.4 DSC ( a) and TG( b) curves of quenched Fe83Ga17 构和有序的 L12 结构组成的两相区, L12 结构为 有序的面心立方 Fe3Ga 相[ 10 11] .但是, L12 相的 析出过程非常缓慢, 合金会以亚稳相的 DO3 结构 存在 .中子衍射和差热分析表明, Fe83Ga17在炉冷 过程中, 合金中出现了相结构的变化, 根据Fe-Ga 合金相图判断, 很有可能在炉冷过程中出现了亚 稳的 DO3 相结构 .合金自高温经过淬火, 快速冷 却至室温的过程中, 能够有效抑制 DO3 相的形 成.由表1 可以看出, 淬火处理可以增大Fe83Ga17 合金的磁致伸缩应变, 所以 Fe83Ga17合金经过淬 火处理后磁致伸缩应变增大, 是由于 DO3 相的形 成被有效的抑制. · 540 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 6 期
Vol.28 No.6 韩志勇等：FesG1合金热处理过程中的磁致伸缩性能和结构分析 ·541。 [4 Kellogg R A.Flatau A B.Clark A E.et al.Texture and grain 3结论 morphology dependencies of saturation magnetostriction in 热处理对取向多晶Fe83G7合金的磁致伸缩 mlled polycrystalline FesGa.J Appl Phys.2003.93(10): 8495 性能有明显的影响.合金样品在1100℃保温时 [5 Clark A E.Effect of quencling on the magnetostriction of 间1h,炉冷至730℃保温3h,水中淬火处理后，合 Fei-xGa (Q 13<x<0.21).IEEE Trans Magn,2001,37 金的饱和磁致伸缩应变达到320×106.中子衍 (4):2678 射和差热分析表明，冷却速度的不同，导致合金在 [6 Clark A E.Hat haw ay K B WurFogle M.et al.Extraord- 冷却过程中，内部出现不同的相结构，淬火处理 nary magnetoelasticity and lattice softening in bec Fe-Ga ah loys J Appl Phys.2003.93(10):8621 后，能够抑制合金中DO3相的形成，使FegGan合 [7]Cullen J R.M agnetoehsticity of Fe-Ga and Fe-Al alloys.J 金样品在室温保持为bcc结构，从而使Fes3Ga7 Magn Mater,2001,227:948 合金的磁致伸缩应变增大. [8 Gurusw amy S.Srisukhumbowomchai N.Chrk A E.ct al. Strong.ductil,and low-field-magnetostrictive aloys based on 参考文献 Fe-Ga.Scripta Mater,2000.43:239 [I]Srisukhumbowornchai N.Large magnetostriction in direction- [9 Massalski T B.Binary Alloy Phase Diagrams.2nd ed.Ohio: ally solidified FeGa and FeGaAl alloys.J Appl Phys 2001.90 American Society for Metals,1990:1702 (11):5680 [10]Kaw amiya N.Magnetic properties and Mo ssbauer investiga [2]Kellogg R A.Temperature and stress dependencies of the tions of Fe-Ga alloys et al.J Phys Soc Jpn.1972,33(5): magnetic and magnetostrictive properties of FeasiGa19.J 1318 Appl Phys,.2002,91(10):7821 11]Lograsso T A.Ross A R.Schlagel D T,et al.Structu ral [3]Clark A E,Wur Fogle M,Restorff J B,et al.Magnetostric- transformations in quenched Fe-Ga aloys.J Alloys Compd, tive properties of Gafenol albys under compressive stress. 2003.350.95 Mater Trans,2002,43(5):881 Magnetostrictive properties and structure of Fes3Gan7 during heat treatment HAN Zhiyong,MA Fang,ZHANG Maocai?,ZHOU Shouzeng? 1)CivilAviation University of China.Tianjin 300300.China 2)State Key Laboratory for New Advanced Mctal and Materials,Uriversity of Science and Technology Beijng.Beijing 100083.China ABSTRACT The effect of heat treatment on the magnetostrictive properties of a (110>-oriented polycry s- tal Fes3Ga7 alloy was investigated.It w as found that the saturation magnetostrictive strain of the quenched FGanalloy exceeded 300X10under a compressive stress of 25MPa.The reaults of Neutron diffraction and differential themmal analy sis confirmed that slow cooling leads to the change of phase structure which re- sults in the change of magnetostrictive strain.The increase in magnetostrictive strain of the Fe83Gan7 alloy treated by quenching is explained as that the long-range DO3 is suppressed. KEY WORDS Fe-Ga alloy;magnetostriction;neutron diffraction;differential thermal analysis
3 结论 热处理对取向多晶 Fe83Ga17合金的磁致伸缩 性能有明显的影响 .合金样品在 1 100 ℃保温时 间1 h, 炉冷至 730 ℃保温 3 h, 水中淬火处理后, 合 金的饱和磁致伸缩应变达到 320 ×10 -6 .中子衍 射和差热分析表明, 冷却速度的不同, 导致合金在 冷却过程中, 内部出现不同的相结构, 淬火处理 后, 能够抑制合金中 DO3 相的形成, 使 Fe83Ga17合 金样品在室温保持为 bcc 结构, 从而使 Fe83Ga17 合金的磁致伸缩应变增大 . 参 考 文 献 [ 1] S risukhumbowornchai N .Large magnetostriction in directionally solidified FeGa and FeGaAl alloys.J Appl Phys, 2001, 90 ( 11) :5680 [ 2] Kellogg R A .T emperature and stress dependencies of the magnetic and magnetostrictive properties of Fe0.81 Ga0.19 .J Appl Phys, 2002, 91( 10) :7821 [ 3] Clark A E, Wun-Fogle M , Restorff J B, et al.Magnetostrictive p roperties of Galf enol alloys under compressive stress. Mater Trans, 2002, 43( 5) :881 [ 4] Kellogg R A, Flat au A B, Clark A E, et al.Texture and grain morphology dependencies of saturation magnet ostriction in rolled polycrystalline Fe83Ga17 .J Appl Phys, 2003, 93( 10 ) : 8495 [ 5] Clark A E .Effect of quenching on the magnetostriction of Fe1 -xGa x ( 0.13 <x <0.21) .IEEE Trans Magn, 2001, 37 ( 4) :2678 [ 6] Clark A E, Hathaw ay K B, Wun-Fogle M, et al.Extraordinary magnetoelasticit y and lattice softening in bcc Fe-Ga alloys.J Appl Phys, 2003, 93( 10) :8621 [ 7] Cullen J R.M agnet oelasticity of Fe-Ga and Fe-Al alloys.J Magn Mater, 2001, 227:948 [ 8] Gurusw amy S, Srisukhumbow ornchai N, C lark A E, et al. S trong, ductile, and low-field-magnet ostrictive alloys based on Fe-Ga.Scripta Mater, 2000, 43:239 [ 9] Massalski T B .Binary Alloy Phase Diagrams.2nd ed.Ohio : American Societ y f or Met als, 1990:1702 [ 10] Kaw amiya N .Magneti c properties and Mö ssbauer investigations of Fe-Ga alloys et al.J Phys Soc Jpn, 1972, 33 ( 5 ) : 1318 [ 11] Lograsso T A, Ross A R, Schlagel D T, et al.Structu ral transf ormations in quenched Fe-Ga alloys.J Alloys Compd, 2003, 350:95 Magnetostrictive properties and structure of Fe83Ga17 during heat treatment HAN Zhiyong 1) , MA Fang 1) , ZHANG Maocai 2) , ZHOU Shouzeng 2) 1) Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China 2) St at e Key Laborat ory for New Advanced Met al and Mat erials, Uni versit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The effect of heat treatment on the magnetostrictive properties of a 〈110〉-oriented polycry stal Fe83Ga17 alloy w asinvestigated .It w as found that the saturation magnetostrictive strain of the quenched Fe83Ga17 alloy exceeded 300 ×10 -6 under a compressive stress of 25MPa.The results of Neutron diffraction and differential thermal analy sis confirmed that slow cooling leads to the change of phase structure which results in the change of magnetostrictive strain .The increase in magnetostrictive strain of the Fe83Ga17 alloy treated by quenching is explained as that the long-range DO3 is suppressed . KEY WORDS Fe-Ga alloy ;magnetostriction ;neutron diffraction ;differential thermal analysis Vol.28 No.6 韩志勇等:Fe83Ga17合金热处理过程中的磁致伸缩性能和结构分析 · 541 ·