Fe-Ga合金薄带二次再结晶与微结构研究

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Fe-Ga合金(Galfenol)作为一种巨磁致伸缩材料,因其高的抗拉强度、高的磁导率、低的饱和磁场和良好的温度特性等优点,越来越受到人们的关注。目前主要采用轧制和退火方法,利用二次再结晶过程强化η织构并提升磁致伸缩系数。国际范围内主要通过析出或添加NbC为主要的抑制剂,同时借助H2S或S元素气氛下的表面能效应,诱导二次再结晶Goss晶粒,提高薄带的磁致伸缩性能。现有研究中对二次再结晶Goss晶粒的取向度和磁致伸缩性能的提高相对于取向硅钢中Goss晶粒取向控制还有差距,归因于Fe-Ga合金中抑制剂体系的选择与Fe-Ga合金晶界移动性的匹配问题。本研究通过构建复合抑制剂体系,制备出具有完善二次再结晶Goss织构特征的Fe-Ga合金薄带,并通过调控RE元素在二次再结晶薄带存在状态,实现磁致伸缩系数优化。结合宏/微观微结构、析出相与织构表征方法,揭示轧制与退火过程中组织、织构与抑制剂特征的演变规律,阐明二次再结晶织构的形成与发展机制,主要得到以下结论:(1)基于固有复合抑制剂体系(MnS+Cu2S)的构建,通过成分设计、轧制与退火工艺流程调控,获得纳米尺寸析出相,在初次再结晶与慢升温初期有效钉扎初次晶粒长大,在升温过程中择优粗化诱导二次晶核形成与长大,最终获得具有完善Goss织构和优良磁致伸缩性能的Fe-Ga合金薄带。(2)Mn和Cu含量是决定二次再结晶完善程度和磁致伸缩性能的关键。低Cu+Mn成分下,二次再结晶不完善。随着Mn和Cu的提高,二次再结晶温度的逐渐提高,二次再结晶的完善程度也逐渐提高。在较高Mn和Cu成分下获得近厘米尺寸的二次再结晶Goss晶粒,磁致伸缩系数得到260 ppm。(3)RE元素的添加影响Fe-Ga合金薄带的二次再结晶织构形成和磁致伸缩系数。RE元素的添加导致二次再结晶开始与完成温度都降低50℃,有效提高磁致伸缩系数;通过淬火提高RE元素固溶量,引发点阵畸变,形成了纳米尺寸的不均匀性,导致磁晶各向异性的显著提高,从而导致磁致伸缩出现明显的增大,最后达到323 ppm。(4)Fe-Ga合金的磁致伸缩系数由Goss晶粒的取向偏差角决定,起源180°与90°磁畴在磁化过程中的转变规律。磁致伸缩主要来源于取向偏差存在时柳叶畴结构,以及垂直磁化过程中<001>方向磁畴向<010>和<100>方向的转动。本研究提出通过抑制剂体系选择、轧制退火工艺调控和RE元素固溶,制备具有二次再结晶Goss织构特征高磁致伸缩性能的Fe-Ga合金薄带,未来需通过轧制与退火工艺参数的优化,进一步提高Fe-Ga合金薄带的磁致伸缩性能。
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