磁场诱导团簇有序取向排列对快速定向凝固Galfenol合金相结构与磁弹性能的影响

Galfenol合金中施加生长感生磁各向异性及磁场感生磁各向异性处理，是提高材料磁弹性能的有效途径。这两种作用条件对材料晶体场效应的影响以及与材料磁弹性能之间作用规律的揭示是磁致伸缩材料研究领域亟待解决的热点问题。本申请项目利用深过冷快速定向凝固技术（简称SDS技术）实现无序A2和修正DO3结构并具有一定择优取向的Fe-Ga合金棒材的制备，在快速定向凝固过程中通过磁场诱发磁各向异性处理，诱导合金熔液中原子团簇的取向性排列，实现将生长感生磁各向异性和磁场感生磁各向异性结合起来的目标。重点开展外磁场诱导作用条件下的团簇取向排列、外磁场作用条件对晶体取向的影响以及磁场驱动相变行为研究。通过项目的实施，进一步揭示磁场诱导团簇强化取向排列对于材料磁各向异性的作用和对晶体场效应的影响，深入研究磁弹性能的变化规律。项目的研究结果为 "巨"磁致伸缩Fe-Ga合金材料的制备及推广应用提供理论依据和技术支持。

在关于Galfenol合金的研究中，学界普遍认为合金中施加生长感生磁各向异性及磁场感生磁各向异性处理，是提高材料磁弹性能的有效途径。而这两种作用条件对材料晶体场效应的影响以及与材料磁弹性能之间作用规律的揭示是磁致伸缩材料研究领域亟待解决的热点问题。为此，在青年基金项目的研究中，我们利用深过冷快速定向凝固技术（简称SDS 技术）实现无序A2 和修正DO3 结构并具有一定择优取向的Fe-Ga 合金棒材的制备，在快速定向凝固过程中通过磁场诱发磁各向异性处理，诱导合金熔液中原子团簇的取向性排列，实现将生长感生磁各向异性和磁场感生磁各向异性结合起来的目标，取得如下研究结果：1.确定选取了Fe-Ga合金中Ga元素含量为19成分附近不同含量合金作为研究对象，在快速凝固的过程中提高了Ga元素在Fe中的平衡溶解浓度极限，富裕的Ga原子形成团簇并在发生严重畸变的α-Fe立方晶格中经磁场诱导呈现特定取向的分布；2.优选了净化剂配方，获取了不同过冷度条件下的母合金，为在不同过冷度条件下合金的感应悬浮熔炼快速定向凝固及磁场诱导团簇取向研究提供了技术保证；3.对DS方法与DG方法凝固条件下材料组织、元素影响规律、磁致伸缩性能变化等相关联系并进行有效的比较；4.经过深过冷处理的试样凝固组织随着过冷度的增加而呈现先变小后增大的变化，晶粒排列随过冷度均出现明显的方向性，在快速定向凝固的过程中，定向激发后过冷度为198K的合金[100]晶向为轴向择优取向，过冷度为270K和300K的合金[110]方向为择优取向，且过冷度为270K的合金其(200)峰存在劈裂现象，分析证明过冷度为270K的合金内部存在畸变的DO3相结构，通过测试发现，深过冷处理后，试样的磁致伸缩应变均有较大的提高，其中过冷度为270K的试样棒材具有最大的磁致伸缩应变为150ppm，过冷度为198K的合金次之，为136ppm，而过冷度为300K的合金其磁致伸缩为120ppm。5.在合金快速定向凝固过程中施加垂直于棒材轴向的磁场不改变合金定向激发形成的<110>轴向择优取向及深过冷形成的畸变DO3相，但柱状晶区的晶粒形貌和畸变DO3相的体积分数会随磁场的施加发生改变。随着制备过程中垂直于棒材轴向外加磁场强度的提高，磁畴受外场影响排布于垂直轴向方向，合金的饱和磁化场、饱和磁化强度等数值均减小。