一种温度稳定型稀土-铁基磁致伸缩合金的制备方法与流程

本发明涉及磁性功能材料，具体涉及一种温度稳定型稀土-铁基磁致伸缩合金的制备方法。

背景技术：

1、磁致伸缩材料是一类在外加磁场作用下能够产生机械应变、实现电磁能与机械能相互转换的功能材料，广泛应用于精密致动器、传感器、声纳换能器及振动能量收集装置等领域。在众多磁致伸缩材料中，以 terfenol-d(典型成分为tb0.3dy0.7fe1.95)为代表的稀土-铁基超磁致伸缩合金因其室温下具有高达1500-2000 ppm 的大磁致伸缩应变而备受关注。

2、然而，传统terfenol-d合金及其常规改进方案在工程应用中仍存在以下技术瓶颈：

3、（1）温度稳定性不足:传统tb-dy-fe基合金的磁致伸缩系数随温度变化而明显衰减，导致器件在温度波动环境下的输出精度和稳定性显著下降；

4、（2）极端温度性能劣化:传统材料在低于-30°c的低温环境下磁致伸缩性能保持率通常降至70%以下；当温度超过120°c时，性能开始显著衰减，在150°c时保持率通常低于70%，难以满足深海探测等极端环境的要求；

5、（3）力学韧性较差:稀土-铁基金属间化合物本征脆性大，铸态材料室温抗弯强度通常不足50mpa，断裂韧性低，在加工、装配及承受机械载荷时易发生断裂；

6、（4）单一元素替代往往在改善某一性能（如居里温度）的同时牺牲其他性能（如室温磁致伸缩系数）；而常规氧化物复合材料则因第二相尺寸过大或分布不均，导致磁致伸缩性能显著损失，难以兼顾功能特性的协同提升。

技术实现思路

1、本发明提供了一种温度稳定型磁致伸缩合金的制备方法，旨在解决现有技术中温度稳定性不足、极端温度性能劣化、力学韧性较差、难以兼顾功能特性协同提升等问题之一。

2、为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种温度稳定型稀土-铁基磁致伸缩合金的制备方法，包括以下步骤：

4、s1.按照所述温度稳定型稀土-铁基磁致伸缩合金的目标化学组成，换算并称取各金属原料的质量；

5、s2.将除所述稀土氧化物纳米第二相以外的金属原料，在真空条件下进行第一次熔炼，保温，然后冷却，得到母合金锭；

6、s3.所述母合金锭破碎并与所述稀土氧化物纳米第二相混合均匀，得到混合料；

7、s4.所述混合料在真空条件下进行第二次熔炼，保温；熔炼期间施加超声振动；随后在磁场作用下进行定向凝固，得到具有择优取向的定向凝固铸态合金；

8、s5.所述铸态合金进行均匀化退火，随炉冷却至室温；

9、s6.依次进行第一步时效处理和第二步时效处理；

10、s7.沿<112>、<110>或<113>晶向中的任一种晶向施加磁场进行热处理，然后冷却至室温，即得所述磁致伸缩合金。

11、进一步地，所述s2中，在真空度不高于5×10-3pa的条件下，于1350-1450°c进行第一次熔炼，保温30-60分钟，然后以5-50°c/s的冷却速度冷却。

12、进一步地，所述s3中，母合金锭破碎至粒径为3-5mm的颗粒。

13、进一步地，所述s4中，所述混合料在真空度不高于5×10-3pa的条件下，于1350-1400°c进行第二次熔炼，保温20-40分钟。

14、进一步地，所述s4中，超声振动的频率为20-40khz，功率为500-1000w，处理时间为5-10分钟；所述定向凝固所用磁场的强度为0.5-1.0t。

15、进一步地，所述s5中，铸态合金于1100-1200°c、保温2-4小时进行均匀化退火。

16、进一步地，所述s6中，第一步时效处理的温度为700-800°c，时间为15-30小时；所述第二步时效处理的温度为450-550 °c，时间为25-40 小时。

17、进一步地，所述s5和s6均在高纯氩气保护气氛下进行。

18、进一步地，所述s7中，磁场强度为0.8-1.5t，热处理的温度为600-700°c，保温时间为2-5 小时；冷却速度为10-30 °c/min。

19、另一方面，本发明提供了一种用于上述任一项所述制备方法的温度稳定型稀土-铁基磁致伸缩合金，所述合金主要由基体合金和弥散分布于所述基体合金中的稀土氧化物纳米第二相构成；其中：所述基体合金的化学组成按原子百分比计为：(tbadybhocprd)(fe1-x-ycoxmny)z；其中，0.20 ≤ a ≤ 0.4，0.5 ≤ b ≤ 0.75，0.02 ≤ c ≤ 0.15，0.02≤ d ≤ 0.10，且 a + b + c + d = 1；0.03 ≤ x ≤ 0.15，0.01 ≤ y ≤ 0.03，1.70 ≤z ≤ 2.00；所述稀土氧化物纳米粉末第二相选自y2o3、la2o3、ceo2、nd2o3中的一种。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

21、1.本发明构建了二次熔炼+超声振动分散+磁场定向凝固+两步时效+磁场热处理的全流程复合工艺，二次熔炼避免纳米颗粒高温热粗化、超声振动破解纳米团聚实现全熔体均匀分散，磁场辅助则贯穿定向凝固与后续热处理全过程、两步时效分阶段完成应力释放与磁结构精细稳定化。

22、2.本发明在第二次熔炼期间的超声振动产生的空化和声流作用有助于破碎纳米稀土氧化物颗粒团聚体，并促进其在熔体中的分散，同时可在一定程度上细化凝固组织；磁场辅助定向凝固有助于诱导晶粒沿有利于磁致伸缩响应的晶向择优生长，从而获得具有较高取向度的定向凝固组织。

23、3.本发明磁场辅助则贯穿定向凝固既能对凝固过程中具有磁晶各向异性的laves相晶粒施加强烈的取向驱动力，诱导其沿<112>/<110>/<113>易磁化方向择优生长，又可避免磁场过高引发的磁流体动力学不稳定性。

24、热处理中施加磁场和确保在已具有初步取向的基础上施加更强的取向驱动力，在此场强范围内，磁场提供的磁化能足以克服室温附近热激活能的扰动，使磁畴壁发生不可逆的位移和合并，从而实现取向度和磁致伸缩输出能力的进一步提升。

25、4.本发明的两步时效精确调控界面结合状态和相结构。第一步时效700–800°c下处理 15–30 小时，以释放凝固过程中形成的残余应力，改善外加纳米稀土氧化物第二相与基体之间的界面结合状态；随后进行第二步时效，在450–550°c下处理25–40 小时，以稳定相结构并优化相界面。

26、5.本发明元素的选择基于四元稀土（ho、pr、tb、dy）协同调控与co、mn双过渡金属替代fe的机制。ho元素的引入有助于调节稀土子晶格磁晶各向异性及其温度响应，减缓温度变化对易磁化方向和磁畴转动行为的不利影响；pr元素的引入有助于调控磁弹耦合行为和自发磁化强度随温度变化的响应特征。ho、pr协同作用，可在一定程度上降低温度变化对磁致伸缩响应的影响，从而提高合金在宽温度范围内的磁致伸缩稳定性。co部分替代fe有助于提高合金居里温度，增强其在较高温度下的磁性能稳定性；mn的微量合金化则有助于调节fe位交换作用和局域磁结构，改善磁畴响应特性。

27、本发明选择y2o3、la2o3、ceo2、nd2o3中的一种作为稀土氧化物纳米第二相，均匀分散在基体合金中，通常具有较好的化学稳定性和热稳定性，在高温熔炼、时效及磁场热处理等工艺条件下，有利于保持第二相的稳定存在；另一方面，与稀土-铁合金基体在组成和界面特征上具有较好的适配性，在基体合金中实现较均匀弥散分布并形成较稳定的界面结构，从而通过适度的磁畴壁钉扎作用和弥散强化作用协同改善合金的温度稳定性和力学韧性。

28、为了更加明确本发明实施例或现有技术中所涉及的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所包含的附图进行简要介绍。需要注意的是，这些附图仅展示了本发明记录的一些具体实施例，而不涵盖所有可能的实施方式。