FeGa超磁致伸缩合金板材取向生长研究

高新技术领域对FeGa超磁致伸缩取向合金规模化、工程化和产业化提出迫切要求，现有晶体取向制备技术只能对完全对称的棒材合金，对非对称取向（如板材）FeGa合金的定向凝固原理和技术有待进一步深入研究。本项目以板材FeGa合金为研究对象，采用改进的Bridgman一步法晶体生长技术，研究FeGa板材合金板材取向晶体制备技术，分析定向凝固过程中生长速度、温度梯度等各动力学参数对FeGa板材合金取向形成的控制机理。本项目通过热模拟及实验系统地研究不同工艺下板材特征部位的取向特征、微观组织及磁致伸缩性能，预期将揭示板材FeGa合金的取向生长动力学规律，开发低成本、高效率的FeGa合金晶体生长技术。本项目研究成果可以为高性能、高可靠性FeGa合金取向材料的工程化技术研究提供基本的科学依据。

Fe-Ga合金是一种新型磁致伸缩材料，有广阔的应用前景。目前亟待解决FeGa合金板形材料的取向生长问题。本项目为确定定向生长FeGa合金板形的合金成分，首先研究了不同成分FeGa合金的相结构和性能，发现FeGa合金的晶格参数随Ga含量的增加呈现非线性增大，从差热分析和磁热分析的结果中，我们发现在低Ga含量下（x＜0.19），为A2无序相；当0.19≤x≤0.21时，合金中为有序的DO3相和无序A2的混合相；当0.23＜x＜0.275时合金中位DO3单相；对于高Ga含量（x≥0.275），合金中出现B2相。FeGa合金磁致伸缩应变在Ga含量为19% 时达到最大值，所以本项目采用Fe81Ga19合金作为目标合金成分进行晶体生长。以Fe81Ga19合金为研究对象，利用ANSYS软件，模拟传热学分析，对感应加热定向凝固过程进行实验条件的假设，确定初始条件及边界条件，建立了Fe-Ga合金定向凝固传热的三维有限元模型，进行网格划分，模拟了Fe-Ga合金定向凝固从升温、保温到最后样品完全凝固过程中的温度分布、热通量分布；确定了生长不同阶段的FeGa合金的固液界面位置和固液界面形状，对实践起到了重要的指导作用。采用改进的Bridgman一步法生长技术，研究了晶体生长过程中的不同参数（温度梯度GL和晶体生长速度V）对Fe81Ga19合金板形材料择优取向的影响，发现较大的温度梯度GL和较低晶体生长速度V有利于形成<001>取向，FeGa合金板形材料的磁致伸缩应变可以达到200 ppm以上。在FeGa取向板材基础上，制备出FeGa/BTO/FeGa层状复合结构，该材料在共振频率下的磁电效应为低频下的7~8倍，具有潜在的应用价值。