Fe-Ga合金薄板二次再结晶织构与抑制剂特征

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Fe-Ga合金(Galfenol)兼具有低饱和磁场、高抗拉强度、高磁导率及良好的温度特性等优点,是迄今已知唯一兼具优良机械性能和磁致伸缩性能且环境适应性强,经济适用的巨磁致伸缩材料。Fe-Ga合金的磁致伸缩性能呈显著的各向异性,单晶<100>方向的磁致伸缩系数达到400 ppm。采用轧制与二次再结晶退火强化η织构在有效提高Fe-Ga合金磁致伸缩性能的同时,可有效降低高频条件下的严重涡流损耗。目前国际范围内主要通过析出或添加NbC为主要的抑制剂,并借助H2S或S元素气氛下的表面能效应,诱导Goss晶粒二次再结晶以提高薄带的磁致伸缩性能。但是现有研究Goss晶粒取向度的控制程度相对取向硅钢还有差距,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。本研究提出针对采用简单高效的一次冷轧法制备出的Fe-Ga合金薄带,通过合金成分设计与轧制退火工艺调控构建复合抑制剂体系,结合压下率对初次再结晶织构特征的调控,制备出具有强Goss织构特征和优异磁致伸缩性能的Fe-Ga合金薄带。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,阐明抑制剂特征与初次再结晶织构对二次再结晶形成与发展的影响机制。主要得到以下结论:(1)基于通过成分设计、轧制与退火工艺调控,构建由纳米尺寸复合析出相组成的抑制剂体系,并结合初次再结晶织构特征调控,诱导Goss晶粒的异常长大,获得完善的二次再结晶Goss织构。(2)抑制剂体系中Mn和Cu含量与冷轧压下率是决定二次再结晶完善程度与磁致伸缩系数的关键。Mn和Cu含量的提高能够提高纳米尺寸析出相数量,同时强化初次再结晶中的{111}<112>织构强度,提高二次再结晶Goss织构的完善度,提高磁致伸缩系数。(3)纳米尺寸的复合抑制剂(MnS+Cu2S+(MnCu)S)在热轧过程中大量析出,能够有效钉扎初次晶粒长大。复合抑制剂在慢升温退火过程中的粗化导致抑制力的梯度消退,有利于Goss晶粒的异常长大。结合初次再结晶织构特征调控,实现Fe-Ga合金晶界移动特性与钉扎力的匹配,诱导Goss晶粒的二次再结晶。(4)由强{111}<112>与弱Goss组成的初次再结晶织构形成大量的高能晶界,Goss晶粒相对基体更高分数的高能晶界有利于Goss晶粒的异常长大。根据晶界能与取向偏差角的关系计算,验证高能晶界对晶界移动性的影响规律。随退火温度升高导致二次再结晶后期更多非Goss晶粒的形成,归因于高能晶界移动性优势的降低。本研究提出通过抑制剂体系构建与轧制退火工艺调控,采用一次冷轧法制备出具有二次再结晶Goss织构特征和高磁致伸缩性系数的Fe-Ga合金薄带,未来需通过抑制剂成分与轧制退火工艺参数的匹配,实现二次再结晶Goss织构的锋锐化,进而提出制备具有巨磁致伸缩效应的Fe-Ga合金薄带的高效方法。
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