● 摘要
摘 要
新型磁致伸缩FeGa合金具有饱和磁场低、大磁致伸缩和良好的机械性能等优点，使得它拓宽了传统磁致伸缩材料在传动器和作动器等方面的应用范围。其中大功率超声换能器是其应用的一个重要方向，为提高换能器的声发射功率，必须采用大尺寸的FeGa取向晶体。但是，目前在FeGa合金的晶体生长中，晶体尺寸增大带来的侧向散热比小尺寸晶体显著增大，对晶体生长固液界面的形状影响很大，制备的大尺寸晶体取向难以控制，磁致伸缩性能不能满足应用要求。本文研究了加热方式和单向导热能力对大尺寸FeGa晶体生长固液界面形态的影响规律，通过控制固液界面形态，实现了柱状晶生长，成功制备了磁致伸缩性能优异的大尺寸FeGa取向晶体，并研究了其高温应变性能。
揭示了加热方式和单向导热能力对大尺寸FeGa晶体生长温度场分布和固液界面形态的影响规律，获得了微凸固液界面，实现了择优生长的柱状晶，成功制备了具有高磁致伸缩性能的大尺寸FeGa晶体。通过增强轴向导热能力，凹形固液界面的曲率由3.4mm降到3.0mm，17MPa预应力下的饱和磁致伸缩值从115ppm提高到140ppm。设计了由六匝单层线圈和底部一匝三层线圈构成的感应加热结构，有效改进了线圈内的温度分布均匀性，凹形固液界面转变为平界面，17MPa预应力下的饱和磁致伸缩值从140ppm提高到180ppm。采用钼片隔热层可以有效反射加热区的热量，增强隔热能力，固液界面由平界面转变为微凸界面，17MPa预应力下的饱和磁致伸缩值从180ppm提高到200ppm。初始阶段充分熔化有利于促进晶粒淘汰，生长出了直径为30mm的大晶粒， 20MPa预应力下的饱和磁致伸缩值达到了275ppm。
明确了FeGa晶体在高温下的磁致应变和热致应变效应，确定了FeGa晶体的磁致伸缩性能随温度的变化规律，发现了居里温度附近的反常热膨胀现象。在无预应力的情况下，Fe81Ga19单晶的饱和磁致伸缩值随温度升高线性降低，温度系数为-0.19/℃。在40MPa预应力下，Fe81Ga19单晶的饱和磁致伸缩值随温度升高而降低，但其温度系数先增大，后减小。通过多步热处理，获得了具有面心立方结构的单相Fe72.5Ga27.5晶体。该晶体铁磁相和顺磁相的热膨胀温度系数随温度变化较小，但在居里温度处出现先急剧下降后急剧升高的两个峰值，表现出明显的因瓦效应。
关键词：FeGa合金，大尺寸晶体生长，固液界面控制，磁致伸缩性能
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