Fe75Ga25合金的相变、微观结构及其磁学性能的研究

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作为新一代磁致伸缩材料,固溶体型Fe-Ga合金的磁应变比传统Ni磁致伸缩材料高一个数量级,抗拉强度比稀土磁致伸缩材料高一个数量级,且具有驱动磁场低、居里温度高和抗腐蚀性好等优点,在高精度微位移控制和精密机械加工等高技术领域展现出广阔的应用前景。由于Fe-Ga合金的相结构和磁性能对热处理十分敏感,通过热处理调控相组成,已成为提高Fe-Ga合金磁致伸缩性能的重要手段。但是,目前文献报导的Fe-Ga合金相组成与相图并不相符,难以为提高磁致伸缩性能提供有效指导。为此,本文以Fe75Ga25合金为研究对象,通过等温时效和缓慢冷却两种热处理制度使其接近平衡态,与固溶处理的亚稳态进行对比研究,采用XRD、TEM、金相显微镜、VSM、磁致伸缩测量及硬度分析等手段,研究揭示了亚稳到平衡态转变过程中的微结构、磁性能和磁致伸缩性能的变化规律,为理解Fe-Ga合金的相变行为提供了新证据,也为调控磁致伸缩性能提供了有效方法。主要结果如下:(1)发现Fe75Ga25合金在接近平衡态过程中基体有序化转变和平衡相析出同时发生,且高度依赖于等温时效时间或冷却速度。与固溶处理态具有D03短程有序的BCC平均结构不同,在450℃等温时效过程中,随时效时间延长,D03有序度逐渐提高,且L12平衡相的体积分数也逐渐增多。在时效时间达到10h时,XRD图谱上已出现L12平衡相的特征衍射峰。类似地,该合金在冷却速度由8.4℃/min降为0.4℃/min时,也由BCC平均结构转变为BCC+L12两相复合结构。与文献中以10℃/min慢冷得到D03结构的结论相比,本文结果表明,亚稳态BCC向平衡态L12转变动力学十分缓慢,当时效时间足够长或冷却速度足够慢时,L12平衡相方能析出,因此与相图并无矛盾。(2)Fe75Ga25合金由亚稳态向平衡态的转变行为具有明显的表面效应,属于扩散控制的固态相变。金相观察、XRD、TEM表征及磁致伸缩测试结果均表明,在450℃时效24h和以0.4℃/min慢冷的样品中,L12平衡相的尺寸及体积分数在样品表面层最大,当趋向于样品芯部时而减小。这表明该合金的亚稳-平衡转变为扩散型相变,平衡相体积分数高度依赖于样品不同位置的原子扩散速率。(3)研究并掌握了 Fe75Ga25合金的磁性能和硬度与相转变过程的关联规律。宏观磁性测量表明,BCC基体的D03有序程度越高,饱和磁化强度和饱和磁致伸缩性能越低;而L12平衡相的体积分数越大,饱和磁化强度和硬度越高,但磁致伸缩性能变差。这表明L12平衡相具有比BCC相更高的饱和磁化强度和硬度,调控其体积分数可提高饱和磁化强度和力学性能。这一结果可为优化Fe-Ga合金的综合性能提供理论指导。
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