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巨磁致伸缩fe-ga合金薄带的抑制剂与二次再结晶行为

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金属学报 2023年

作者：翟欣雅和正华沙玉辉朱晓飞李锋陈立佳左良中国科学院金属研究所沈阳工业大学材料科学与工程学院东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室

采用XRD、SEM、EBSD与TEM等分析技术研究了fe-ga合金薄带退火过程中织构、析出相与晶界特征演变规律，并探讨了fe-ga合金轧制薄带中二次再结晶Goss ({110})织构的形成机制。结果表明，初次再结晶织构由强γ织构与弱Goss织构组成，基体... 详细信息

采用XRD、SEM、EBSD与TEM等分析技术研究了fe-ga合金薄带退火过程中织构、析出相与晶界特征演变规律，并探讨了fe-ga合金轧制薄带中二次再结晶Goss ({110})织构的形成机制。结果表明，初次再结晶织构由强γ织构与弱Goss织构组成，基体中弥散分布着高密度且尺寸为20～40 nm的MnS与NbC析出相。退火过程中析出相的粗化及其体积分数和密度的降低导致析出相对晶粒长大抑制力的减弱。初次再结晶到二次再结晶期间，Goss晶粒中析出相的密度始终低于γ晶粒。同时，二次再结晶前无数量与尺寸优势的Goss晶粒被更多高能晶界所包围。Goss晶粒与基体晶粒间析出相和高能晶界特征的差异为Goss晶粒二次再结晶提供了充足驱动力，在未引入表面能条件下获得完善的二次再结晶组织，fe-ga合金薄带饱和磁致伸缩系数可高达250×10-6。

关键词： fe-ga合金轧制薄带二次再结晶织构磁致伸缩

fe-ga合金相结构调控及其对阻尼性能的影响机制研究

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Fe-Ga合金相结构调控及其对阻尼性能的影响机制研究

作者：鄢邵文钢铁研究总院

学位级别：硕士

fe-ga磁致伸缩合金是一种重要的智能材料,具有低场大磁致伸缩的同时还具有较高的力学强度,在大功率声呐、微位移测量与控制以及精密加工等高科技领域有着广泛的应用前景。此外,fe-ga合金也是一种典型的铁磁型阻尼合金,具备宽温域阻尼平... 详细信息

fe-ga磁致伸缩合金是一种重要的智能材料,具有低场大磁致伸缩的同时还具有较高的力学强度,在大功率声呐、微位移测量与控制以及精密加工等高科技领域有着广泛的应用前景。此外,fe-ga合金也是一种典型的铁磁型阻尼合金,具备宽温域阻尼平台,有望对高温、太空环境等极端条件下的微振动干扰进行有效抑制。在减振降噪过程中,fe-ga合金基于其大磁致伸缩应变可实现主动减振,基于其高阻尼可实现被动减振,基于其高力学强度可保证结构的稳定性和可靠性,能够适应多场景应用要求。然而,相比于位错型阻尼合金(阻尼系数Q～0.12),fe-ga多晶合金的阻尼系数相对较低(Q≈0.01～0.03),亟需进一步提高其阻尼性能。此外,fe-ga合金阻尼性能往往与力学性能矛盾,难以同时最优化。本文系统研究了相结构对fe-ga合金阻尼性能的影响,通过调控相结构及取向获得了兼具大磁致伸缩应变、高阻尼、高力学强度的fe-ga合金,并针对实际应用,通过磁场实现合金阻尼连续可调。本论文通过固溶+不同温度时效在fega合金中分别析出L1相和纳米四方modified-D0相,明确了L1相提供高振幅下高阻尼以及modified-D0相提供低振幅下高阻尼机制。研究发现fega合金中L1相提供高阻尼主要为界面阻尼和位错阻尼,界面阻尼源于应变失配导致的界面易于滑动,位错阻尼源于热失配导致的高密度位错。modified-D0相析出诱导立方基体发生局部四方畸变,局部四方畸变基体在磁场和应力下再取向分别增强合金磁致伸缩和磁机械阻尼。通过同时调控fega合金取向和析出相,制备具有modified-D0相的取向fega合金,获得优异的综合性能:饱和磁致伸缩系数达271 ppm,阻尼峰值达0.068,抗拉强度达417 MPa,断后伸长率达3.82%。纳米四方相析出,产生弹性应变场,弱化应力集中,提高合金抗拉强度和断后伸长率。磁畴沿易磁化方向运动需要克服的能量最低且沿方向拉伸时位错滑移更难激活,因此在取向fega合金中析出纳米四方相获得优异的综合性能。此外,从实用化角度,测试具有modified-D0相fega合金在磁场下阻尼性能的变化。在磁场作用下,合金阻尼峰值可在0.020～0.085之间调节,并在临界磁场2 Oe下达到最大值。当磁场小于临界磁场时,磁场对磁畴运动起启动作用,合金磁机械阻尼随磁场增大而提高;当磁场大于临界磁场时,磁场对磁畴运动起钉扎作用,合金磁机械阻尼随磁场增大而降低直至无磁机械阻尼产生。

关键词： fe-ga合金相结构磁致伸缩阻尼性能力学性能

选区激光熔化制备磁致伸缩fe-ga合金及热处理工艺研究

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选区激光熔化制备磁致伸缩Fe-Ga合金及热处理工艺研究

作者：姚雄中南大学

学位级别：硕士

磁致伸缩铁镓(fe-ga)合金由于低磁滞损耗、高居里点和良好的细胞相容性,在传感器、执行器、植入物等领域展现了极大的应用潜力。相比于单晶合金,多晶fe-ga合金具有结构多样、制备工艺简单、机械性能优异等优势,但常规工艺由于缺乏对晶粒... 详细信息

磁致伸缩铁镓(fe-ga)合金由于低磁滞损耗、高居里点和良好的细胞相容性,在传感器、执行器、植入物等领域展现了极大的应用潜力。相比于单晶合金,多晶fe-ga合金具有结构多样、制备工艺简单、机械性能优异等优势,但常规工艺由于缺乏对晶粒/磁畴取向和相结构的控制,所制备多晶fe-ga合金的磁致伸缩性能会大打折扣。本文提出采用选区激光熔化(SLM)与热处理组合的工艺来制备多晶fega合金:首先,利用SLM的非平衡凝固以及高温度梯度,获得具有亚稳态结构和择优取向晶粒的多晶合金;在此基础上,分别利用应力退火和磁场退火热处理调控合金的磁畴结构,最终获得具有良好磁致伸缩性能的多晶fega合金。本文的主要研究内容和创新点如下:1、研究了磁致伸缩fega合金的SLM制备和热处理工艺及其对微观结构的影响。发现所有fega合金的成分均匀且具有亚稳态A2结构,这是由于SLM快速熔化和快速凝固导致的。同时,SLM的高温度梯度促使晶粒沿构建方向(BD)外延生长,形成了择优取向的柱状晶粒结构。另外,观察到SLM制备fega合金的磁畴结构为不规则的迷宫状磁畴,应力退火后合金的磁畴结构逐渐转变为垂直于BD方向排列的90°条形畴,而磁场退火合金则呈现出更加平滑、完整的90°畴结构。2、研究了应力退火或磁场退火对SLM制备fega合金的磁致伸缩行为的影响。发现相比于SLM制备合金,应力退火(100 MPa)合金由于亚稳态A2结构、取向晶粒以及近90°磁畴,磁致伸缩应变提高了39%,而磁场退火(2600 Oe)合金的磁致伸缩应变提高了59%。此外,相比于应力退火fega合金,磁场退火合金显示出更加平滑的磁畴结构和更低的位错密度,从而表现出更优异的磁致伸缩灵敏度。同时,磁场退火合金的动态磁致伸缩应变与交流磁场的周期变化几乎同步,表现出良好的磁致伸缩动态响应。3、研究了应力退火或磁场退火对SLM制备fega合金的磁学性能的影响。发现所有fega合金具有小的矫顽力和低的磁滞损耗以及高的磁导率,表现出典型的软磁行为。另外,发现磁场退火合金不同方向的磁致伸缩应变存在显著差异,且沿垂直于合金的BD方向磁化困难,呈现出明显的磁各向异性。同时,磁场退火fega合金的有效各向异性常数随着退火磁场的增加逐渐增大,在2600 Oe退火磁场时达到最大的57.053 k J/m,这是由于磁场退火诱导的磁各向异性增强以及磁晶各向异性与磁场感生各向异性综合竞争的结果。4、研究了应力退火或磁场退火后SLM制备fega合金的力学性能及其增强机制。发现相比于SLM制备fega合金,合金的屈服强度随着退火应力的增加而呈现先提高后降低的趋势,在100MPa退火应力时达到最大的540±15.9 MPa。磁场退火合金也表现出增强的屈服强度,最大为533±17.2 MPa。同时,所有合金呈现出典型的解理断裂模式。另外,在退火应力或退火磁场驱动下,热处理合金的位错密度逐渐降低并伴随晶界角度差的增大,合金屈服强度的增强归因于位错强化和晶界强化的共同作用。图37幅,表2个,参考文献122篇

关键词：选区激光熔化应力退火磁场退火 fe-ga合金磁致伸缩

fe-ga磁致伸缩合金力学性能强化研究进展

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钢铁 2022年第3期57卷 79-90页

作者：鄢邵文牟星祁焱徐立红张洪平钢铁研究总院功能材料研究所北京100081

fe-ga磁致伸缩合金作为重要的磁驱动智能材料之一,不仅在低磁场条件下具有较高磁致伸缩应变的功能材料特性,同时还具有较高力学强度的结构材料特性,结构功能一体化特征明显,存在广泛的研究价值和应用前景。国内外学者围绕该材料的磁致... 详细信息

fe-ga磁致伸缩合金作为重要的磁驱动智能材料之一,不仅在低磁场条件下具有较高磁致伸缩应变的功能材料特性,同时还具有较高力学强度的结构材料特性,结构功能一体化特征明显,存在广泛的研究价值和应用前景。国内外学者围绕该材料的磁致伸缩性能、力学性能优化开展了大量研究工作。其中,通过在fe-ga合金中添加元素来调控力学性能和磁致伸缩性能是一种可行的方法,并初步获得了一系列结构功能一体化的fe-ga磁致伸缩合金。以材料的强韧化机制为重点,阐述了fe-ga磁致伸缩合金力学性能强化的研究进展,综述了元素添加所引起的固溶强化、第二相强化、细晶强化等强韧化机制对fe-ga合金力学性能、磁致伸缩性能的影响。相关研究表明,在fe-ga合金中添加的Al、Nb、Mo、V、Co、Mn、Cr、C等元素均可固溶于合金基体,合金的强韧化机制以固溶强化效应为主;而在合金中添加NbC、TaC等碳化物或Tb、Dy、Y、B等元素时,这些添加物在合金基体中固溶度较小,合金的强韧化机制以第二相强化和细晶强化效应为主。其中,添加适量Co、Al、C、B、NbC、TaC、Tb、Dy、Y均有可能实现力学性能、磁致伸缩性能的综合优化。最后,结合国内外学者对fe-ga磁致伸缩合金的最新研究成果,对下一步研究进行了展望。

关键词： fe-ga合金元素添加强韧化机制力学性能磁致伸缩

微量Tb掺杂fe81ga19合金轧制薄带的抑制剂特性与织构特征

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微量Tb掺杂Fe81Ga19合金轧制薄带的抑制剂特性与织构特征

作者：都宏基沈阳工业大学

学位级别：硕士

fe-ga合金因其优良的机械性能、良好的温度特性、高磁导率和低饱和磁场,在传感器、换能器、制动器等领域具有巨大的应用潜力。因fe-ga合金磁性各向异性显著,取向的饱和磁致伸缩系数远高于其它取向。同时因高电导率导致高频使用时涡流损... 详细信息

fe-ga合金因其优良的机械性能、良好的温度特性、高磁导率和低饱和磁场,在传感器、换能器、制动器等领域具有巨大的应用潜力。因fe-ga合金磁性各向异性显著,取向的饱和磁致伸缩系数远高于其它取向。同时因高电导率导致高频使用时涡流损耗严重,需降低材料厚度减少涡流损耗。故轧制退火方法成为fe-ga合金研究的重要方向。微量RE元素掺杂有望进一步提高fe-ga合金轧制薄带中的磁致伸缩系数,但首先需要在微量RE元素掺杂fe-ga合金轧制薄带中实现η织构的二次再结晶织构强化。本文采用常规轧制与退火方法制备了微量Tb元素掺杂fe-ga合金轧制薄带,利用XRD、EBSD和TEM等分析测试方法,研究了微量Tb元素掺杂对fe-ga合金薄带轧制与退火以及高温退火过程中组织、织构和析出相的影响规律,以及对高温退火过程中磁致伸缩性能的影响规律。主要结果为:基于析出相热/动力学计算与轧制退火工艺调控,对合金成分进行设计,微量Tb元素掺杂使初次再结晶基体中形成了由30-100nm的Mn S和Nb(C,N)析出相以及大于100nm的Tb S析出相组成的复合抑制剂体系,有效抑制了初次再结晶晶粒的长大。随着温度升高,析出相择优粗化使其尺寸增加、数量减少,导致抑制力逐渐减弱,为Goss晶粒提供了二次再结晶驱动力。微量Tb元素掺杂改善了fe-ga合金热轧板组织、减小中间退火板晶粒尺寸和组织不均匀性,导致初次再结晶晶粒的细化,并增强了初次再结晶γ织构、减弱再结晶Goss织构,形成了由弱Goss织构与强{111}织构组成的初次再结晶织构,增加了Goss织构周围的高能晶界数量,为Goss晶粒的异常长大提供有利的组织与织构基础。fe-ga合金薄带中Goss织构在950°C发生二次再结晶,在1000°C时Goss晶粒占薄带板面的86%。微量Tb元素掺杂fe-ga合金薄带在925°C出现异常长大Goss晶粒,1000°C时Goss晶粒占板面95%。微量RE元素掺杂降低了Goss织构二次再结晶的开始与完成温度,提高了fe-ga合金薄带中Goss织构的二次再结晶完善程度,加速了fe-ga合金薄带的二次再结晶进程。随着高温退火温度的升高,二次再结晶Goss织构的体积分数逐渐升高,导致饱和磁致伸缩系数不断提高。微量Tb元素掺杂减少了残余岛状晶粒和基体晶粒数量,提高异常长大Goss晶粒面积分数,使fe-ga合金薄带的磁致伸缩系数由250ppm增加到284ppm。

关键词：轧制薄带 fe-ga合金二次再结晶织构磁致伸缩性能

气体雾化制备fe-ga合金粉末的微结构及磁致伸缩性能

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金属学报 2009年第10期45卷 1267-1271页

作者：高学绪李纪恒朱洁包小倩贾俊成张茂才北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

为改善fe-ga合金的高频特性,采用黏结工艺制备fe-ga磁致伸缩复合材料.探索采用气体雾化法制备fe_(81)ga_(19)合金粉末,利用EDS,SEM,XRD和DTA研究粉末颗粒的基本特性.结果表明,雾化粉末颗粒球形度好,成分与目标成分接近,大部分颗粒内部... 详细信息

为改善fe-ga合金的高频特性,采用黏结工艺制备fe-ga磁致伸缩复合材料.探索采用气体雾化法制备fe_(81)ga_(19)合金粉末,利用EDS,SEM,XRD和DTA研究粉末颗粒的基本特性.结果表明,雾化粉末颗粒球形度好,成分与目标成分接近,大部分颗粒内部为多晶体,颗粒以A2相为主,且含有少量DO_3相;经800℃热处理后,颗粒中有大量L1_2相析出,保温8 h,炉冷样品含有大量单晶颗粒.利用fe_(81)ga_(19)合金粉末和黏结剂制备黏结复合材料,粒径<25μm的热处理粉末颗粒制备黏结样品的饱和磁致伸缩值最大,为6.4×10^(-5).

关键词： fe-ga合金气体雾化粉末黏结磁致伸缩

利用fe-ga合金材料收集振动与发电特性的实验研究

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振动与冲击 2020年第21期39卷 132-139,150页

作者：刘慧芳赵强高爽张靖沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 香港城市建筑大学建筑学及土木工程系中国香港

随着对无线传感网络、远程健康监测等技术的高需求,振动能量收集得到了显著的发展。设计、研制和实验了一种基于磁致伸缩材料(fe-ga合金)的悬臂式新型振动能量收集与发电的装置,通过对环境中的振动能量进行收集进而转换为电能。根据对fe... 详细信息

随着对无线传感网络、远程健康监测等技术的高需求,振动能量收集得到了显著的发展。设计、研制和实验了一种基于磁致伸缩材料(fe-ga合金)的悬臂式新型振动能量收集与发电的装置,通过对环境中的振动能量进行收集进而转换为电能。根据对fe-ga合金悬臂梁机械动力学模型分析,建立了系统最大传递效率数学模型,明确了获得最大传递效率的条件;利用李沙育图形法测量确定了系统的前五阶共振频率,通过综合实验明确了振动激励频率和幅值等对系统输出电压的影响规律,提出了通过配装附加质量对系统进行调谐而获得最佳能量转换能力的方法。通过信号接口电路的辅助,样机成功持续点亮了多个LED发光二极管和LED便携电脑键盘灯,进一步验证了样机的可持续发电能力。

关键词：振动能量收集 fe-ga合金传递效率发电特性

原子空位对定向凝固fe-ga合金磁致伸缩性能的影响

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稀有金属 2017年第2期41卷 155-162页

作者：李纪恒高学绪朱洁包小倩张茂才北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

采用扩展的X射线吸收精细结构谱和正电子寿命湮没谱对定向凝固取向多晶fe-ga合金的局域微观结构和空位缺陷及其对磁致伸缩性能的影响进行了研究。结果表明:在有序转变温度700℃附近进行不同工艺热处理,fe_(83)ga_(17)合金中的ga原子与... 详细信息

采用扩展的X射线吸收精细结构谱和正电子寿命湮没谱对定向凝固取向多晶fe-ga合金的局域微观结构和空位缺陷及其对磁致伸缩性能的影响进行了研究。结果表明:在有序转变温度700℃附近进行不同工艺热处理,fe_(83)ga_(17)合金中的ga原子与第一近邻原子fe的键长和有序度不随热处理温度和冷却方式的变化而发生变化,说明了合金结构并没有随温度和冷却方式发生变化,具有很好的热稳定性。但是,不同工艺热处理后,ga原子配位数发生变化,随着ga原子配位数的逐渐降低,合金的磁致伸缩性能提高。对取向多晶fe_(81)ga_(19)合金不同热处理工艺后样品空位缺陷的分析表明,淬火处理样品中单空位缺陷浓度最高,未热处理的定向凝固态样品次之,炉冷处理样品最低,与合金的磁致伸缩系数变化规律一致。取向多晶fe_(81)ga_(19)合金经淬火处理后,在20 MPa预压力下的磁致伸缩性能达到230×10-6。空位会降低空位周边区域的电子密度,从而改变fe原子周围的物理环境,从而间接影响fe-ga合金的磁致伸缩性能。

关键词：磁致伸缩 fe-ga合金原子空位定向凝固

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轧制fe-ga合金的织构及磁致伸缩

金属学报 2008年第9期44卷 1031-1034页

作者：李纪恒高学绪朱洁张茂才何承先北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

添加Nb改善了fe_(81)ga_(19)合金的塑性,采用热轧和冷轧相结合的轧制工艺制备出厚度为0.6mm的(fe_(81)ga_(19))+ 1%Nb(原子分数)合金薄板.研究了(fe_(81)ga_(19))+1%Nb合金轧态和退火态薄板的织构及磁致伸缩效应.结果表明:合金的磁致伸... 详细信息

添加Nb改善了fe_(81)ga_(19)合金的塑性,采用热轧和冷轧相结合的轧制工艺制备出厚度为0.6mm的(fe_(81)ga_(19))+ 1%Nb(原子分数)合金薄板.研究了(fe_(81)ga_(19))+1%Nb合金轧态和退火态薄板的织构及磁致伸缩效应.结果表明:合金的磁致伸缩与样品的织构密切相关,再结晶织构取决于热处理工艺.轧态织构以{111}面织构和近似的{001}〈110〉旋转立方织构为主,样品轧向的磁致伸缩系数λ_∥=26×10^(-6)在1250和1300℃保温2h后水淬样品的织构分别呈现为近似的{011}(100)gauss织构和单一{001}〈100〉立方织构,其磁致伸缩(3/2)λRD分别达到106×10^(-6)和134×10^(-6).

关键词： fe-ga合金 Nb添加轧制织构磁致伸缩