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一种稀土-铁超磁致伸缩材料

阅读：1014发布：2020-06-12

专利汇可以提供一种稀土-铁超磁致伸缩材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有择优取向的多晶稀土- 铁超磁致伸缩材料及其制备方法。该稀土-铁超磁致伸缩材料具有[111]择优取向，制备方法是在定向凝固过程中，通过外加强磁场，使易磁化轴在强磁场作用下转向与外部磁场一致的方向，晶体的稳定生长方向与易磁化方向转为一致，均为[111]方向。从而制备出具有[111]择优取向的超磁致伸缩材料。该方法突破了传统定向凝固技术的不足，为大规模制备具有[111]择优取向的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料提供了保证。，下面是一种稀土-铁超磁致伸缩材料专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制备[111]方向的取向度至少为80％的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)将稀土-铁超磁致伸缩原料进行熔炼步骤；(2)在外加强磁场作用下进行定向凝固步骤；(3)进行热处理步骤；其中步骤(2)中所述的在外加强磁场作用下进行定向凝固步骤的具体过程为：将熔炼后的熔液浇入置于发热区内的石英管中，发热区保持1300～1550℃的恒定温度，在整个发热区施加3～12T的平行于温度梯度方向的恒定磁场，通过驱动装置下拉石英管和其中的稀土-铁超磁致伸缩材料，以20～
400mm/h的速度移出发热区，进行定向凝固。
2.根据权利要求1所述的制备[111]方向的取向度至少为80％的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法，其特征在于：
所述稀土-铁磁致伸缩材料熔炼步骤的具体过程为：按照稀土-铁超磁致伸缩材料的-3
化学式组成及原子比进行配料，将原料放入坩埚内，抽真空到3～4×10 Pa，加热到850～
950℃时充氩气到0.6～0.9MPa，继续加热到1300～1550℃，进行合金熔炼，精炼5～15分钟；
所述热处理步骤的具体过程为：定向凝固结束后，进行热处理，真空度为1～-3
4×10 Pa，热处理温度为800～1250℃，热处理时间为1～10h。
3.根据权利要求1所述的制备[111]方向的取向度至少为80％的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法，其特征在于，步骤(2)中所加磁场为直流稳定强磁场，大小为6～8T。

说明书全文

一种稀土-铁超磁致伸缩材料

技术领域

[0001] 本发明涉及磁性材料领域，提供了一种具有[111]择优取向的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料及其制备方法。

[0002] 背景技术

[0003] 稀土-铁超磁致伸缩材料(TbDyFe2)具有磁致伸缩系数大，反应速度快(＜1μs)、能量密度大等优点，在汽车工业、化工、机械和军事等许多领域有着广阔的应用前景，日益受到人们广泛的重视。这种材料的大磁致伸缩主要来源于立方点阵的菱方畸变，因此其磁致伸缩应变λ有显著的各向异性，理论计算表明，在压应力作用下，不同晶向的磁致伸缩系数差别很大，其中λ111远远大于λ110、λ112和λ113。由于Tb-Dy-Fe 合金凝固时是典型的小平面生长，固液界面为片状枝晶，<112>方向是唯一的稳定生长方向，因此一般制备的Tb-Dy-Fe合金为<112>择优取向。通过改变凝固条件，也可制备出<110>取向的材料，但在普通的定向凝固技术中，很难获得<111>择优取向的样品。

[0004] 国内外关于Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料制备方法的专利主要有：1981年申请的专利US4308474和1983年申请的专利US4378258，主要集中在稀土磁致伸缩材料的理论和成分研究，制备工艺为水平区熔法。1986年美国专利US4609402公布了垂直区熔工艺制备稀土磁致伸缩材料。1988年美国专利US4770704公布了一种下拉工艺制备稀土大磁致伸缩材料。1989年美国专利US4818304公布了稀土大磁致伸缩棒材磁场热处理工艺。1992年美国专利US5114467公布了一种采用等离子体熔炼工艺制备稀土磁致伸缩材料。另一类是采用粉末冶金工艺制备的粘结稀土磁致伸缩材料，粘结稀土磁致伸缩材料能有效地提高材料的使用频率，具有良好的强韧性，材料能加工成各种复杂形状。关于粘结磁致伸缩材料的专利主要有两个，1998年申请的专利US005792284A，主要涉及使用Terfenol-D棒材为原料制成磁致伸缩粉末，然后把粉末与粘结剂混合压制成型。2001年申请的专利US6312530B1，公布了一种制备稀土磁致伸缩材料的新工艺，主要内容包括，使用快淬法制备出磁致伸缩非晶粉末或非晶薄带，通过晶化处理形成晶粒小于100nm的(Tb，Dy)Fe2相，然后制成粘结稀土磁致伸缩材料。

[0005] 国内外关于Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料择优取向方面的专利很少，主要有：中国北京科技大学周寿增等人采用定向凝固法制备了<112>择优取向的Tb-Dy-Fe磁致伸缩棒材，申请的专利为ZL93106941.6。中国专利ZL98101191.8和CN200610001026.3公布了具有<110>择优取向的Tb-Dy-Fe定向凝固棒及其制备工艺，美国专利US5527398和欧洲
专利EP0509628也通过定向凝固法制备<110>取向的Tb-Dy-Fe超磁致伸缩。中国专利
CN02131236.2还公布了<113>择优取向的Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料及其制造工艺。

[0006] 目前，针对磁控技术制备[111]择优取向的Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料专利国内外未见报道。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种具有[111]择优取向的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料。 [0008] 本发明的另一个目的是提供一种通过把外部强磁场施加于定向凝固过程中，得到一种制备具有[111]择优取向的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

[0010] 本发明公开了一种稀土-铁超磁致伸缩材料，其特征在于：

[0011] (1)择优取向为[111]方向。

[0012] (2)该稀土-铁超磁致伸缩材料，其特征在于，该稀土-铁超磁致伸缩材料的化学式为：(Tb1-xDyx-zNz)Fe(2+δ-y)-My，其中，M代表B、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Zn、Ga、Nb、Ta、W中一种或几种，0.45≤x≤0.75，-0.2≤δ≤0.2，0≤y≤0.3，0≤z≤0.2，N代表Ce、Pr、Nd、Ho和Er中的至少一种。

[0013] 本发明的稀土-铁超磁致伸缩材料，优选[111]方向的取向度至少为60％；更优选[111]方向的取向度至少为70％；最优选[111]方向的取向度至少为80％。

[0014] 本发明提供了制备具有[111]择优取向的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法，包括以下步骤：

[0015] (1)所述的稀土-铁超磁致伸缩原料熔炼步骤的具体过程为：按照稀土-铁超磁致伸缩材料的化学式组成及原子比进行配料，将原料放到坩锅内，抽真空到3～
-3
4×10 Pa，加热到850～950℃时充氩气到0.6～0.9MPa，继续加热到1300～1550℃，进
行合金熔炼，精炼5～15分钟；

[0016] (2)所述的外加强磁场作用下进行定向凝固步骤的具体过程为：将精炼后的熔液浇入置于发热区内的石英管中，发热区保持1300～1550℃的恒定温度，在整个发热区施加3～12T的平行于温度梯度方向的恒定磁场，通过驱动装置下拉石英管和其中的稀土-铁超磁致伸缩材料，以20～400mm/h的速度移出发热区，进行定向凝固；

[0017] (3)所述的热处理步骤的具体过程为：定向凝固结束后，进行热处理，真空度为-31～4×10 Pa，热处理温度为800～1250℃，热处理时间为1～10h。

[0018] 上述步骤(2)中所加磁场为直流稳定强磁场，大小为6～8T。

[0019] 本发明的一种稀土-铁超磁致伸缩材料，织构的取向度用公式F＝[(P—P0)/(1—P0)]×100％的计算值表示：

[0020] 式中，P＝I(111)/∑I(hkl)，是稀土-铁超磁致伸缩材料的X射线衍射峰强度比，I(111)是(111)晶面的衍射峰强度，而∑I(hkl)是所有晶面衍射峰强度和；P0＝I0(111)/∑I0(hkl)，是粉末的X射线衍射峰强度比。

[0021] 本专利针对上述问题，在传统定向凝固的基础上外加强磁场作用于固液界面，在凝固过程中利用强磁场控制熔体中的对流和原子的迁移，制备[111]择优取向的稀土-铁超磁致伸缩材料。

[0022] 本发明的优点是将外加稳衡强磁场与定向凝固技术相结合，在定向凝固的固液界面上施加横向直流稳定磁场，在该磁场的作用下，晶体的取向和生长方向均沿着[111]方向，可以制备出具有[111]择优取向、磁致伸缩系数达到1900ppm(10MPa预应力，室温下)，微观组织均匀的稀土-铁超磁致伸缩材料。

具体实施方式

[0023] 本发明涉及一种具有[111]择优取向的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料及其制备方法。本发明提供的制备具有[111]择优取向的稀土-铁超磁致伸缩材料的方法包括以下步骤：

[0024] (1)所述的稀土-铁超磁致伸缩原料熔炼步骤的具体过程为：按照稀土-铁超磁致伸缩材料的化学式组成及原子比进行配料，将原料放到坩锅内，抽真空到3～
-3
4×10 Pa，加热到850～950℃时充氩气到0.6～0.9MPa，继续加热到1300～1550℃，进
行合金熔炼，精炼5～15分钟；

[0025] (2)所述的外加强磁场作用下进行定向凝固步骤的具体过程为：将精炼后的熔液浇入置于发热区内的石英管中，发热区保持1300～1550℃的恒定温度。在整个发热区施加3～12T的平行于温度梯度方向的恒定磁场，通过驱动装置下拉石英管和其中的稀土-铁超磁致伸缩材料，以20～400mm/h的速度移出发热区，进行定向凝固；

[0026] (3)所述的热处理步骤的具体过程为：定向凝固结束后，进行热处理，真空度为-31～4×10 Pa，热处理温度为800～1250℃，热处理时间为1～10h。

[0027] (4)性能检测步骤：用XRD测样品的晶体取向，用标准四接点电阻应变片法测量磁致伸缩性能。

[0028] 本发明制备的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料的组织组成相为：基体相为立方laves相结构的(TbDy)Fe2相以及富稀土相和少量其他杂质相。得到的多晶稀土-铁超磁致伸缩材料的轴向择优取向为[111]方向以及少量的[110]取向。

[0029] 实施例1

[0030] 制备原子成分配比为Tb0.30Dy0.70Fe1.9的超磁致伸缩材料。按照成分配比把Tb、-3Dy、Fe原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到900℃时充氩气到0.9MPa，继续加热到
1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区内的石英管中。施加6T-3
的外磁场，在70mm/h的速度下定向凝固。在900℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。
[111]方向的取向度为80％，磁致伸缩系数见表1：

[0031] 表1不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0032]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1690
10 1968

[0033] 实施例2

[0034] 制备原子成分配比为Tb0.25Dy0.75Fe1.8的超磁致伸缩材料。按照成分配比把Tb、-3Dy、Fe原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到950℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到
1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区内的石英管中。施加6T-3
的外磁场，在90mm/h的速度下定向凝固。在1000℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。
[111]方向的取向度为70％，磁致伸缩系数见表2：

[0035] 表2不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0036]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1400
10 1660

[0037] 实施例3

[0038] 制备原子成分配比为Tb0.30Dy0.70Fe1.5(V0.1Co0.1Ni0.1)的超磁致伸缩材料。按照成分配比把Tb、Dy、Fe、V、Co、Ni原料放入坩锅内，抽真空到4×10-3Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区内的石英管中。施加6T的外磁场，在110mm/h的速度下定向凝固。在1000℃，4×10-3Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。[111]方向的取向度为60％，磁致伸缩系数见表3：

[0039] 表3不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0040]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1260
10 1476

[0041] 实施例4

[0042] 制备原子成分配比为Tb0.4Dy0.6Fe2.2的超磁致伸缩材料。按照成分配比把Tb、Dy、3
Fe原料放入坩锅内，抽真空到3×10-Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到
1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区内的石英管中。施加-3
3T的外磁场，在50mm/h的速度下定向凝固。在900℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。
[111]方向的取向度为60％，磁致伸缩系数见表4：

[0043] 表4不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0044]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1256
10 1480

[0045] 实施例5

[0046] 制备原子成分配比为Tb0.4Dy0.6Fe1.9(Al0.01Cr0.01Nb0.01)的超磁致伸缩材料。按照成-3分配比把Tb、Dy、Fe、Al、Cr、Nb原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到900℃时充氩气到0.9MPa，继续加热到1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热-3
区内的石英管中。施加10T的外磁场，在70mm/h的速度下定向凝固。在850℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。[111]方向的取向度为80％，磁致伸缩系数见表5：

[0047] 表5不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0048]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1650
10 1994

[0049] 实施例6

[0050] 制备原子成分配比为Tb0.4Dy0.5Pr0.05Nd0.05Fe1.89Ga0.01的超磁致伸缩材料。按照成分-3配比把Tb、Dy、Pr、Nd、Fe、Ga原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区-3
内的石英管中。施加6T的外磁场，在70mm/h的速度下定向凝固。在900℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。 [111]方向的取向度为70％，磁致伸缩系数见表6：

[0051] 表6不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0052]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1320
10 1750

[0053] 实施例7

[0054] 制备原子成分配比为Tb0.4Dy0.5Ho0.1Fe1.89Si0.01的超磁致伸缩材料。按照成分配比把-3Tb、Dy、Ho、Fe、Si原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热区内的石英管-3
中。施加6T的外磁场，在80mm/h的速度下定向凝固。在900℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。[111]方向的取向度为80％，磁致伸缩系数见表7：

[0055] 表7不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0056]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)
0 1580
10 1850

[0057] 实施例8

[0058] 制备原子成分配比为Tb0.4Dy0.6Fe1.9B0.01的超磁致伸缩材料。按照成分配比把Tb、Dy、Fe、B原料放入坩锅内，抽真空到4×10-3Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到1550℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1550℃的发热区内的石英管中。施加6T的外磁场，在100mm/h的速度下定向凝固。在800℃，1×10-3Pa真空度下进行退火处理
3小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。[111]方向的取向度为60％，磁致伸缩系数见表8：

[0059] 表8不同预应力下的磁致伸缩系数：

[0060]预压力(MPa) 饱和磁致伸缩系数(ppm)

[0061] [0060]0 1171
101910

[0062] 实施例9

[0063] 制备原子成分配比为Tb0.25Dy0.65Er0.1Fe1.93(Ti0.01Mn0.01)的超磁致伸缩材料。按照成-3分配比把Tb、Dy、Er、Fe、Ti、Mn原料放入坩锅内，抽真空到3×10 Pa，加热到900℃时充氩气到0.6MPa，继续加热到1400℃。精炼6分钟后，把液体浇入置于同样具有1400℃的发热-3
区内的石英管中。施加8T的外磁场，在150mm/h的速度下定向凝固。在1250℃，1×10 Pa真空度下进行退火处理1小时，得到最后样品。从样品上线切割下长度为30mm，直径为10mm的圆柱体进行性能测试。[111]方向的取向度为70％，磁致伸缩系数见表9：

[0064] 表9不同预应力下的磁致伸缩系数：

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