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CN107841686B - 巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用 - Google Patents

巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用 Download PDF

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CN107841686B CN201711100969.6A CN201711100969A CN107841686B CN 107841686 B CN107841686 B CN 107841686B CN 201711100969 A CN201711100969 A CN 201711100969A CN 107841686 B CN107841686 B CN 107841686B
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Abstract

本发明涉及一种巨磁致伸缩性能的Fe‑Ga‑Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用，为解决现有技术磁致伸缩性能小问题，合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100‑x‑y‑zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁；通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得巨磁致伸缩性能的Fe‑Ga‑Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料，用于制造传感器的磁致伸缩元件和用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能，且工艺简便、高效、节能，大大降低了生产成本的优点。

Description

巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和 应用
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩材料，特别是涉及到一种巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用。
背景技术
工程材料所关注的磁致伸缩主要是线磁致伸缩，也就是在外加磁场驱动下材料沿某一方向的伸长或缩短的现象，磁致伸缩应变是一个没有量纲的物理量，一般以×10-6为单位。
磁致伸缩现象于1842年被焦耳(J.P.Joule)发现，因此也称它为焦耳效应。铁磁体的磁致伸缩一般指线磁致伸缩，表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的伸长或缩短。线磁致伸缩或线磁致伸缩系数通常用λ表示。
纯铁具有20×10-6的饱和磁致伸缩应变，直到1940年，饱和磁致伸缩系数λs为40×10-6的镍和钴才应用于声纳的传感器中。1950年发现了饱和磁致伸缩应变更大的FeAl(100×10-6)合金，上世纪六十年代Clark、Legvold和Rhyne发现稀土原子在绝对温度0K附近的磁矩高达9μB(Fe和Ni分别是2.2μB和0.6μB)，其中，铽和镝在低温下的饱和磁致伸缩系数达到1500×10-6-2000×10-6。Koon和Clark研究了铽、镝和铈等重稀土元素和Fe、Co、Ni等过渡族元素形成的金属间化合物的居里温度和饱和磁致伸缩系数，他们发现RCo(R-重稀土元素)居里温度可达1200K，但室温饱和磁致伸缩系数很低；RNi的居里温度和室温饱和磁致伸缩系数均很低；RFe2的居里温度为500-700K，且饱和磁致伸缩应变可达1763×10-6，表1-1列出了重稀土元素与铁形成的金属间化合物的饱和磁致伸缩系数，显然，这个材料可以在室温下使用，目前商业应用的巨磁致伸材料Tb1-xDyxFe(美国海军实验室将其命名为Terfenol-D，就是DyFe2衍生出的二元稀土化合物。
另一类不含稀土的磁致伸缩材料是铁镓合金，它的广泛研究始于2000年，S.Guruswamy等在无外加拉应力和不同外加拉应力下，测定了含镓(原子百分比，以下同)为20at.％和27at.％的铁镓合金的磁致伸缩系数，在拉应力为2.7MPa、6.2MPa.和58MPa时，分别测得退火前后的饱和磁致伸缩应变接近20×10-6、50×10-6和120×10-6。
铁镓合金作为一种新型的磁致伸缩智能材料在驱动器、传感器和换能器上的潜在应用前景引起人们越来越多的兴趣。铁镓合金能将良好的磁致伸缩性能和力学性能完美结合，还具有良好的成型性和焊接性，此外，它的磁致伸缩性能的温度依赖性低，从而使铁镓合金器件可以在很宽的温度范围内服役，与铽镝铁相比，铁镓合金的材料成本低而易得。最古老的磁致伸缩材料镍和铁虽然也有良好的机械性能，但磁致伸缩应变很低；传统的压电陶瓷如PZT、PMN和稀土磁致伸缩材料(Terfenol-D)虽然能提供很大的应变值，但机械强度有限，这些缺点限制了它们的使用。而铁镓合金良好的机械性能和去应力退火后可保持磁晶各向异性的特点使其可以在拉伸后保持其磁性能。
由于合金越薄，其在高频下的涡流损耗就越小，因此，人们探索将合金轧制成薄片或者快淬成薄带，以降低高频使用条件下的涡流损耗。轧制成薄片的极限厚度为300μm左右，而通过快淬制备的薄带厚度可达50μm，因此快淬成的薄带更容易降低高频使用条件下的涡流损耗。
磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用于换能、驱动、传感等技术领域。利用磁致伸缩材料的威德曼效应，将磁致伸缩材料加工成磁致伸缩丝作为液位传感器、位移传感器、磁弹性扭矩传感器、杨氏模量传感器等的敏感元件，在质量检验、优化控制、下况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。在制造传感器时，由于现有的磁致伸缩材料本身的磁滞及应变随磁场变化的普遍为非线性关系，增加了传感器信号处理的难度，使设备设计与制造复杂化。如果有一种材料其磁致伸缩与磁场强度满足简单的函数关系，这样经过简单定标之后，就可以将外磁场与材料本身的磁致伸缩对应起来，可以免去设计补偿电路的麻烦，使设备设计与制造简化。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种具有巨大磁致伸缩性能的巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用。
为实现上述目的，本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁；通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：抽真空，通往保护气体，在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。研究Fe-Ga的过程中，我们发现Fe-Ga-Al合金的一些优异性能。首先，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al三元合金随着Al的添加成本大幅降低，其次，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al合金的软磁性能更好，其磁致伸缩达到饱和所需的磁场更低，从而一方面可以大幅度降低使用过程的磁滞损耗，另一方面也可以提高材料的输出功率。此外，Fe-Ga-Al合金良好的塑性、延展性及抗氧化性使其在轧制工艺方法上更加简便、高效、节能，大大降低了生产成本。本发明具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能的优点。
更详细是：通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得，所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：退火温度900-1200℃，退火保温时间3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。所述熔炼是按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼数分钟，凝固后再反复熔炼多次，以保证合金成分的均匀性。所述抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，熔化后精炼是熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼是凝固后再反复熔炼2次。所述切割是将熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。所述快淬甩带是将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出，然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带：抽真空，通入保护气体，加热保温，喷射到铜馄进行甩带快淬。抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入保护气体是通入氩气作保护气体，加热保温是加热至合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，真空铜辊快淬炉的铜馄转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm-150μm合金薄带。所述超短时退火的工艺条件是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在合金熔液到达900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的制作工艺是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得，所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：退火温度900-1200℃，退火保温时间3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。
作为优化，所述熔炼是按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼数分钟，凝固后再反复熔炼多次，以保证合金成分的均匀性。
作为优化，所述抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，熔化后精炼是熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼是凝固后再反复熔炼2次。
作为优化，所述切割是将熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
作为优化，所述快淬甩带是将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出，然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带：抽真空，通入保护气体，加热保温，喷射到铜馄进行甩带快淬。
作为优化，抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入保护气体是通入氩气作保护气体，加热保温是加热至合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，真空铜辊快淬炉的铜馄转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm-150μm合金薄带。
作为优化，所述超短时退火的工艺条件是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在合金熔液到达900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造传感器的磁致伸缩元件。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。
总之，本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁。
该材料是一种Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带混晶材料，制备方法如下：(1)按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性；(2)将步骤(1)熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态；(3)将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm～150μm合金薄带。(4)抽真空度至2.7×10- 2Pa～2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
采用上述技术方案后，本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能，且工艺简便、高效、节能，大大降低了生产成本的优点。
附图说明
图1为本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺实施例二的Fe81Ga17.9Al1Y0.1薄带的XRD谱图，是Fe100-x-y-zGaxAlyMz典型合金薄带的XRD谱，衍射结果显示合金相结构由非晶和晶体组成。图2为本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺实施例二的Fe81Ga17.9Al1Y0.1薄带磁致伸缩曲线图，是Fe81Ga18.5Al0.5薄带磁致伸缩曲线，其磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为253×10-6。
具体实施方式
本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁；通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：抽真空，通往保护气体，在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。研究Fe-Ga的过程中，我们发现Fe-Ga-Al合金的一些优异性能。首先，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al三元合金随着Al的添加成本大幅降低，其次，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al合金的软磁性能更好，其磁致伸缩达到饱和所需的磁场更低，从而一方面可以大幅度降低使用过程的磁滞损耗，另一方面也可以提高材料的输出功率。此外，Fe-Ga-Al合金良好的塑性、延展性及抗氧化性使其在轧制工艺方法上更加简便、高效、节能，大大降低了生产成本。本发明具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能的优点。
更详细是：通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得，所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：退火温度900-1200℃，退火保温时间3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。所述熔炼是按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼数分钟，凝固后再反复熔炼多次，以保证合金成分的均匀性。所述抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，熔化后精炼是熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼是凝固后再反复熔炼2次。所述切割是将熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。所述快淬甩带是将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出，然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带：抽真空，通入保护气体，加热保温，喷射到铜馄进行甩带快淬。抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入保护气体是通入氩气作保护气体，加热保温是加热至合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，真空铜辊快淬炉的铜馄转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm-150μm合金薄带。所述超短时退火的工艺条件是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在合金熔液到达900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的制作工艺是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得，所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却。也就是通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火：退火温度900-1200℃，退火保温时间3-30秒，随炉冷却，制得具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带材料。
具体：所述熔炼是按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼数分钟，凝固后再反复熔炼多次，以保证合金成分的均匀性。所述抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，熔化后精炼是熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼是凝固后再反复熔炼2次。
具体：所述切割是将熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
具体：所述快淬甩带是将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出，然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带：抽真空，通入保护气体，加热保温，喷射到铜馄进行甩带快淬。抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入保护气体是通入氩气作保护气体，加热保温是加热至合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，真空铜辊快淬炉的铜馄转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm-150μm合金薄带。
具体：所述超短时退火的工艺条件是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在合金熔液到达900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造传感器的磁致伸缩元件。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。
总之，本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料的合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x＝7.5～19，y＝1～10，x+y＝16～29，z＝0.1～1，余量为铁。
该材料是一种Fe100-x-y-zGaxAlyMz磁致伸缩薄带混晶材料，制备方法如下：(1)按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金，抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性；(2)将步骤(1)熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态；(3)将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-2Pa～2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm～150μm合金薄带。(4)抽真空度至2.7×10- 2Pa～2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的详细说明。
实施例1：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga8Al10Tb1非晶和晶体的混晶薄带材料
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度为99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99％的铽，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至2.7×10- 3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1321℃保温60s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为10m/s，得到的厚度为50μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为1164×10-6。
实施例2：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga17.9Al1Y0.1非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度为99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.9％的钇，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至2.7×10- 2Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼5min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1355℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1000℃的温度下退火保温3秒，然后快速冷却至室温。
附图1为Fe81Ga17.9Al1Y0.1薄带的XRD谱，附图2为Fe81Ga17.9Al1Y0.1薄带磁致伸缩曲线。当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为253×10-6。
实施例3：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga12.4Al6Mn0.6非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的锰，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼4min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-2Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1300℃保温40s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为20m/s，得到的厚度为100μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-2Pa，通入氢气保护气体，在900℃的温度下退火保温30秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为176×10-6。
实施例4：制备一种磁致伸缩性能的Fe83Ga12Al4Ni1非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的镍，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至3×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1400℃保温50s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1100℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为205×10-6。
实施例5：制备一种磁致伸缩性能的Fe70.9Ga19Al10Dy0.1非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的镝，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1342℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至3×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1200℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为837×10-6。
实施例6：制备一种磁致伸缩性能的Fe81.9Ga7.5Al10V0.6非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的钒，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1344℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至3×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为128×10-6。
实施例7：制备一种磁致伸缩性能的Fe77.4Ga19Al3Cr0.6非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的铬，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1342℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为132×10-6。
实施例8：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga12.8Al6Ce0.2非晶和晶体的混晶薄带材料。
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝和99.99％的铈，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至5×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1334℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为30m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氢气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为846×10-6。
另外，还进行了M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中多种的大量探索试验，制成的巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料同样具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能的优点。现例举其中实施例两例如下。
实施例9：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga12.6Al6Mn0.3Tb0.1非晶和晶体的混晶薄带材料
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝、99.9％的锰和99.99％的铽，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至3×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1364℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为25m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为898×10-6。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造传感器的磁致伸缩元件。
实施例10：制备一种磁致伸缩性能的Fe81Ga12.6Al6Cr0.3Ce0.1非晶和晶体的混晶薄带材料
用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用99.99％的铁、99.99％的镓、99.9％的铝、99.9％的铬和99.99％的铈，将配好的原料放入真空非自耗电弧炉，抽真空度至3×10-3Pa，通入氩气做作为保护气体然后加热，使原材料熔化成合金，熔化后精炼3min，凝固后再反复熔炼2次，以保证合金成分的均匀性。
熔炼出的合金锭切割成小块状，并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出；然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带，抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气作保护气体后加热，合金熔液到达1377℃保温30s，喷射到铜辊上完成甩带快淬，铜辊的转速为15m/s，得到的厚度为150μm合金薄带。
抽真空度至2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在1000℃的温度下退火保温5秒，然后快速冷却至室温。
当磁场垂直于薄带面时，经热处理的合金薄带沿薄带面方向最大的磁致伸缩系数为725×10-6。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造传感器的磁致伸缩元件。
本发明所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用是所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。
总之，采用上述技术方案后，本发明巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料及其制作工艺和应用具有巨大磁致伸缩性能，能在高频条件下使用的巨磁致伸缩性能，且工艺简便、高效、节能，大大降低了生产成本的优点。

Claims (9)

1.一种巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基薄带合金材料，其特征在于合金基体为三元薄带合金，合金成分为：Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为Tb、Dy、Mn、V、Cr、Ce、Y和Ni中的一种或多种，按原子比计算，x=7.5~19，y=1~10，x+y=16~29，z=0.1~1，余量为铁；通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料；所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却。
2.权利要求1所述Fe-Ga-Al基薄带合金材料的制作工艺，其特征在于通过熔炼、切割、快淬甩带以及超短时退火制得，所述超短时退火是抽真空通入保护气体在900-1200℃温度下退火保温3-30秒，随炉冷却；所述熔炼是按所述成分加烧损量进行配料用真空非自耗电弧炉冶炼母合金,抽真空，通入氩气作保护气体后加热,使原材料熔化成合金,熔化后精炼数分钟，凝固后再反复熔炼多次，以保证合金成分的均匀性。
3.根据权利要求2所述制作工艺，其特征在于所述抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，熔化后精炼是熔化后精炼3-5分钟，凝固后再反复熔炼是凝固后再反复熔炼2次。
4.根据权利要求2所述制作工艺，其特征在于所述切割是将熔炼出的合金锭切割成小块状,并将合金块表面清洗干净，保持干燥状态。
5.根据权利要求2所述制作工艺，其特征在于所述快淬甩带是将块状合金锭放入快淬容器中，快淬容器为石英管内装一个底端开孔的铜坩埚，铜坩埚与石英管紧密配合，其开孔从石英管底部伸出，然后用真空铜辊快淬炉制备合金薄带：抽真空，通入保护气体，加热保温，喷射到铜辊 进行甩带快淬。
6.根据权利要求5所述制作工艺，其特征在于抽真空是抽真空度至2.7×10-2Pa~2.7×10-3Pa，通入保护气体是通入氩气作保护气体，加热保温是加热至合金熔液到达1300℃-1400℃保温30-60秒，真空铜辊快淬炉的铜辊转速为10m/s-30m/s，得到的厚度为50μm-150μm合金薄带。
7.根据权利要求2所述制作工艺，其特征在于所述超短时退火的工艺条件是抽真空度至2.7×10-2Pa-2.7×10-3Pa，通入氩气保护气体，在合金到达900-1200℃的温度下退火保温3-30秒，然后快速冷却至室温，最终得到巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶材料。
8.权利要求1所述Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用，其特征在于所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造传感器的磁致伸缩元件。
9.权利要求1所述Fe-Ga-Al基薄带合金材料在传感器制造上的应用，其特征在于所述巨磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al基非晶和晶体的混晶薄带合金材料用于制造薄带驱动器的磁致伸缩元件。
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