● 摘要
FeGa磁致伸缩合金是近年来发展起来的新型磁致伸缩合金，同传统的磁致伸缩合金和稀土-铁巨磁致伸缩合金相比，该材料兼有良好的机械性能和较大的磁伸缩性能，有着更广阔的应用前景。FeGa合金在Ga含量为19%和27.5%附近的成分磁致伸缩性能最优，综合考虑到力学性能和磁性能，Fe81Ga19合金最具备应用潜质。开展该成分合金的应用基础研究成为开拓磁致伸缩材料新用途的迫切需要。本文采用低温度梯度的光学区熔晶体生长和大温度梯度感应区熔晶体生长两种方法制备Fe81Ga19合金取向晶体，研究取向晶体制备技术中的工艺对晶体生长、磁致伸缩性能和磁性能的影响，成功研制出磁致伸缩性能达到330 ppm的FeGa合金取向晶体，是目前FeGa在压力条件下磁致伸缩测量的最高值。并针对取向晶体，研究了其磁致伸缩大载荷特性和温度特性。掌握了光学区熔法中熔区长度、生长速度和旋转速度等对Fe81Ga19合金晶体生长过程中的凝固形态选择、择优取向及微观形貌的影响规律，成功生长出FeGa合金取向单晶体。对于Fe81Ga19合金的光学区熔晶体生长，合适的熔区长度约6 mm，熔区过短或过长都会影响熔体的稳定性；生长速度对晶体的择优取向几乎无影响，在2 mm/hr、5 mm/hr、10 mm/hr和25 mm/hr四种生长速度条件下，晶体轴向择优取向均为取向；几种生长速度条件下晶体生长的固液界面形貌为平界面或胞状界面，没有出现枝晶生长；低于10 mm/hr的生长速度在晶粒内部会产生小角度晶界，随着速度增加抑制了小角度晶界的产生。研究了以2mm/hr速度生长的FeGa合金单晶 和 随磁化角度和压应力的变化规律，其变化趋势与计算结果比较吻合，压应力作用下， 可获得的最大磁致伸缩为230 ppm， 获得的最大磁致伸缩为178 ppm。采用大温度梯度定向凝固的方法制备了高性能的Fe81Ga19合金取向晶体，该取向晶体表现出明显的磁致伸缩压力效应和高磁致伸缩性能。平行于磁场方向的饱和磁致伸缩从无应力时的168 ppm增加到40 MPa下的330 ppm，是目前直接测量室温磁致伸缩压力效应公开报导的最高值，当压应力逐渐增大到200 MPa的过程中，饱和磁致伸缩变化不大，仍约为300 ppm。系统研究了Fe81Ga19合金取向晶体的磁致伸缩大载荷（0 ~ 431 MPa）特性，Fe81Ga19合金取向晶体的磁致伸缩在431 MPa下仍然保持高磁致伸缩性能（~300 ppm），发现了其磁致伸缩行为随压应力呈两个阶段的变化规律，揭示了在Fe81Ga19合金取向晶体在不同载荷的两个阶段磁致伸缩行为的物理机制，建立了大载荷下FeGa合金磁致伸缩饱和场和压磁系数与压应力的关系数学表达式。磁致伸缩饱和场在第一阶段以压应力3/2次方的形式递增，超过临界压力52 MPa后，在第二阶段呈线性增加。压磁系数随着压应力载荷的增加出现先上升，然后以压应力反比例关系下降。在低压应力载荷下，磁晶各向异性能主导着FeGa合金取向晶体的磁致伸缩行为，磁致伸缩饱和场表达式为 ；在大压应力载荷下，磁弹性能对FeGa合金的磁致伸缩行为起主导作用，磁致伸缩饱和场表达式为 ，压磁系数表示为 。揭示了Fe81Ga19合金在150 K ~ 402 K的温度范围内磁致伸缩的变化规律以及饱和磁化强度、磁晶各向异性常数对温度的依赖关系。Fe81Ga19 取向晶体的饱和磁致伸缩在随温度上升呈下降趋势，从150 K的193 ppm下降到402 K的95 ppm，在150 K~350 K的低温范围内合金的磁致伸缩温度系数约为-0.3 ppm/℃；而在较高温度范围（T ≥ 350 K时），合金的饱和磁致伸缩下降幅度增大，平均的磁致伸缩温度系数约为-1.3 ppm/℃。Fe81Ga19合金的饱和磁化强度随着温度的升高逐渐降低，在测量的温度范围内，饱和磁化强度近似满足低温自发磁化的T3/2定律。本文给出Fe81Ga19 取向晶体的磁致伸缩系数在低温随温度下降的关系式为 。温度T≥350 K，磁致伸缩不寻常的下降行为可能与接近材料的德拜温度有关。针对新型水声换能技术对FeGa磁致伸缩材料的背景需求，突破大尺寸FeGa合金的合金化和晶体生长关键技术，解决合金的熔炼和定向凝固过程中的若干关键技术问题，成功的研制出批量的大尺寸（Φ20、Φ30）FeGa合金取向晶体。在Φ20的样品中，32 MPa的预压应力下的最大磁致伸缩为230 ppm；在Φ30的样品中，20 MPa的预压应力下的最大磁致伸缩为182 ppm。由于晶棒的直径大，定向凝固的难度增加，获得高磁致伸缩性能的难度更大。大尺寸FeGa合金取向晶体的磁致伸缩性能的均匀性和一致性还有待提高。