專利名稱：制備稀土磁致伸縮材料的方法和稀土磁致伸縮材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性材料領(lǐng)域中稀土磁致伸縮材料的一種制造方法，及使用該方法制備的稀土磁致伸縮材料。
背景技術(shù)：
稀土磁致伸縮材料(giant magnetostrictive materials，簡稱GMM)是高新技術(shù)功能材料，與壓電陶瓷(PZT)和傳統(tǒng)的磁致伸縮材料Ni、Co相比，GMM材料具有獨特的性能在室溫下具有超大的磁致伸縮應(yīng)變，應(yīng)變量達到1500-2000ppm，為壓電陶瓷的幾倍，Ni、Co等的幾十倍，具有高的能量密度(14000-25000J/m3)，能量轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，達到μm級，輸出力大等特點。在有源減震、精密機械控制、機械傳動機構(gòu)、燃油噴射系統(tǒng)、IT技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
70年代初期美國clark博士首先發(fā)現(xiàn)TbFe2、DyFe2等二元稀土化合物在室溫下具有很大的磁致伸縮系數(shù)。隨后，美國Ames實驗室以此為基礎(chǔ)，研制出了三元鐵稀土化合物，即ReFe2類合金(R＝Dy，Tb，Ho，Sm等)。其典型代表為DyxTb1-xFe2-y，它具有較低的各向異性場，很大的磁致伸縮系數(shù)，使實際應(yīng)用成為可能，并為此三元合金申請了專利，其專利為US3949351。美國RTREMA公司以此為基礎(chǔ)，在80年代使稀土磁致伸縮材料商品化，其商品牌號為TERFENOL-D，其代表成分Tb0.3Dy0.7Fe1.93。繼美國之后，日本、英國、瑞典等國家先后開展了此類材料及應(yīng)用的研究，并且迅速形成了各自的特點和優(yōu)勢，在稀土磁致伸縮領(lǐng)域占有了一席之地。稀土磁致伸縮器件的研究已成為各國研究的重點和熱點。在研制磁致伸縮器件中使用的稀土磁致伸縮材料幾乎都是通過定向凝固法制備稀土磁致伸縮棒材。該制備方法不僅生產(chǎn)成本高，材料的一致性很難得到保證，而且這種棒材脆性大，在使用過程中容易產(chǎn)生渦流，渦流的產(chǎn)生限制了這種材料應(yīng)用的頻率范圍。
采用粉末冶金法能制備粘結(jié)和燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，能提高材料的一致性，特別是稀土粘結(jié)磁致伸縮材料由于使用了有機的粘結(jié)劑，能有效地消除材料的脆性、降低材料的渦流效應(yīng)。傳統(tǒng)制備燒結(jié)和粘結(jié)磁致伸縮材料的方法，是先把原料熔煉成普通的合金錠，采用粉末冶金法制備成磁致伸縮材料。此工藝的缺點是采用普通鑄造工藝得到的合金錠，很難得到稀土磁致伸縮材料所要求的織構(gòu)取向，因此，性能很難得到提高，難以滿足使用性能的要求?，F(xiàn)在為了提高稀土磁致伸縮的性能，以定向凝固的稀土磁致伸縮棒材為原料，采用粉末冶金法制備出粘結(jié)和燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，此工藝能得到所要求的織構(gòu)取向，能提高稀土磁致伸縮材料的性能，但由于原料為定向凝固的磁致伸縮棒材，使稀土磁致伸縮材料的成本較高，而且，其性能受制于磁致伸縮棒材。采用速凝成晶技術(shù)制備的稀土磁致伸縮合金速凝片，能得到稀土磁致伸縮材料所需的織構(gòu)取向。同時，該工藝方法簡單，生產(chǎn)效率高，能有效地降低材料的成本。而且由于工藝過程容易控制，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性得到大大提高。
現(xiàn)有的稀土磁致伸縮材料專利主要集中在磁致伸縮棒材方面，1981年申請的專利US4308474和1983年申請的專利US4378258，主要集中在稀土磁致伸縮材料的理論和成分研究，制備工藝為水平區(qū)熔法。1986年美國專利US4609402公布了垂直區(qū)熔工藝制備稀土磁致伸縮材料。1988年美國專利US4770704公布了一種下拉工藝制備稀土磁致伸縮材料。1989年美國專利US4818304公布了稀土磁致伸縮棒材磁場熱處理工藝。1992年美國專利US5114467公布了一種采用等離子體熔煉工藝制備稀土磁致伸縮材料。關(guān)于稀土粘結(jié)磁致伸縮材料方面的專利主要有兩個，1998年申請的專利US005792284A，主要涉及使用tefernol-D棒材為原料制成磁致伸縮粉，然后把粉末與粘結(jié)劑混合壓制成型。2001年申請的專利US6312530B1，公布了一種制備稀土磁致伸縮材料的新工藝，主要內(nèi)容包括，使用快淬法制備出磁致伸縮非晶粉末或非晶薄帶，通過晶化處理形成晶粒小于100nm的(Tb，Dy)Fe2相，然后制成粘結(jié)稀土磁致伸縮材料。但此種工藝難于制備出磁致伸縮材料所需的最有利的織構(gòu)取向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、能有效提高稀土磁致伸縮材料性能、并適合工業(yè)化生產(chǎn)的稀土磁致伸縮材料的粉末冶金制備方法。
本發(fā)明的另一目的是提供該工藝所制備的稀土磁致伸縮材料及其該材料的用途，該材料將廣泛應(yīng)用于傳感、能量轉(zhuǎn)換和致動器領(lǐng)域根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種制備稀土磁致伸縮材料的方法，所述方法包括如下步驟制備稀土磁致伸縮合金速凝片的步驟，通過速凝成晶技術(shù)將合金熔液制備成具有特定織構(gòu)的稀土磁致伸縮合金速凝片；制備稀土磁致伸縮材料的步驟，把所述磁致伸縮合金速凝片制成粉末，通過粉末冶金法將所述的粉末制備成高性能的稀土磁致伸縮材料。
所述制備速凝片的步驟包括將合金原料裝入速凝成晶爐內(nèi)的熔煉坩堝，采用中頻感應(yīng)熔煉、高頻感應(yīng)熔煉、電弧熔煉、電阻絲加熱之一種或幾種方法熔煉所述合金，使所述合金熔化，然后將合金熔液通過快速凝固裝置制成磁致伸縮合金速凝片，此快速凝固裝置可采用旋轉(zhuǎn)的金屬輪或金屬盤。在速凝片結(jié)晶過程中通過控制澆注溫度、澆注時合金的流量(稀土磁致伸縮合金溶液的澆注溫度為900-1700℃，磁致伸縮合金溶液澆到旋轉(zhuǎn)的金屬輪的量為0.001-50.0Kg/min)和控制旋轉(zhuǎn)的金屬輪或金屬盤的轉(zhuǎn)速來控制速凝片的結(jié)晶過程，旋轉(zhuǎn)的水冷金屬輪或金屬盤的轉(zhuǎn)速為0.1-50.0m/s。例如為1m/s、5m/s、10m/s或15m/s。
所述合金原料選自如下原料將稀土、鐵等金屬或合金原料按化學(xué)計量式RE-Fe(2+δ-y)-My配比，這里，RE代表包括Sc、Y在內(nèi)的17種稀土元素中的一種或幾種稀土金屬元素；M代表Ni、Co、Mg、Ta、Nb、Zr、Hf、V、W、Mo、Si和B中一種或幾種，-0.2≤δ≤0.2，0≤y≤1。
所述速凝片的主相為沿冷卻方向的柱狀晶，富稀土相沿晶界均勻分布；柱狀晶寬度為0.01μm-10mm，長度為0.01μm-10mm。
圖1是成分為Tb0.3Dy0.7Fe1.98的速凝片的金相照片，放大倍數(shù)為200倍。在圖中白色條狀部分呈柱狀晶的為主相(Tb，Dy)Fe2，白色條狀之間的暗色部分為富稀土相。
所述速凝片能沿柱狀晶的長度方向形成不同的織構(gòu)，包括<111>、<112>、<110>等方向。所述速凝片的化學(xué)成分為RE-Fe(2+δ-y)-My，這里，RE代表包括Sc、Y在內(nèi)的17種稀土元素中的一種或幾種稀土金屬元素；M代表Ni、Co、Mg、Ta、Nb、Zr、Hf、V、W、Mo、Si和B中一種或幾種，0≤y≤1，-0.2≤δ≤0.2。所述速凝片的平均厚度為0.01-10.0mm。
在將所述磁致伸縮合金速凝片制成粉末之前，可以對速凝成片進行氫化處理，所述氫化處理在氫化爐中進行，包括吸氫和脫氫這兩個步驟，在吸氫步驟中，其壓力保持在0.01-10MPa之間，吸氫時的溫度為10-800℃，吸氫時間為0.1-50h；在脫氫時，脫氫溫度在100-1000℃中，脫氫時間為0.01-50h；然后使用如下方法之一將氫化處理的速凝片制成合金粉末氣流磨方法、球磨方法和盤磨方法?；蛘邔λ倌贿M行氫化處理，直接使用機械破碎將速凝片制成合金粉末。
此外，將合金粉末與粘結(jié)劑混合，所用粘結(jié)劑的比例為0.1-70％(體積百分比)，將混合的粉末經(jīng)過壓制成型方法制成粘結(jié)磁致伸縮毛坯，所述毛坯經(jīng)固化處理得到稀土粘結(jié)磁致伸縮材料或?qū)⒒旌系姆勰┯米⑸涑尚头椒ㄖ苯又瞥烧辰Y(jié)磁致伸縮材料。所述粘結(jié)劑為熱固性粘結(jié)劑(環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)和熱塑性粘結(jié)劑(尼龍，聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等)之一種?；蛘撸龊辖鸱勰┲苯咏?jīng)過壓制成型方法制成磁致伸縮毛坯，所述毛坯在燒結(jié)爐中經(jīng)燒結(jié)過程得到燒結(jié)稀土磁致伸縮材料。所述燒結(jié)爐可以為真空燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度為700-1600℃，時間為0.1-8h。
另外，所述成型方法采用無磁場成型或磁場取向成型。所述成型方法之一包括如下步驟在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為0.1-10MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，得到粘結(jié)磁致伸縮毛坯，所加壓力為5-100MPa。所述另一成型方法是在磁場取向成型設(shè)備中一次成型，所加壓力為0.1-100MPa。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種使用上述制備稀土磁致伸縮材料的方法所制備的稀土磁致伸縮材料具有軸向取向的<110>、<112>或<111>織構(gòu)的一種或幾種。
本發(fā)明的優(yōu)點是現(xiàn)有稀土磁致伸縮棒材生產(chǎn)工藝流程長、生產(chǎn)成本高，所生產(chǎn)的稀土磁致伸縮棒材脆性大，渦流損耗大，難以在高頻下使用，并且材料性能的一致性和穩(wěn)定性不高。而采用本發(fā)明的速凝成晶技術(shù)生產(chǎn)的粘結(jié)和燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，能提高材料的機械性能，特別是粘結(jié)稀土磁致伸縮材料降低了材料的脆性，能有效地減輕材料的渦流損耗，使磁致伸縮材料應(yīng)用于高頻成為可能。粘結(jié)稀土磁致伸縮材料還能根據(jù)使用需要制備出各種形狀復(fù)雜的異形件。由于采用速凝成晶技術(shù)能制備具有<110>、<112>或<111>取向的磁致伸縮合金速凝片及通過所述的粉末冶金法制備磁致伸縮材料，因此，能提高磁致伸縮材料的性能及一致性和可靠性。還能大幅度地提高稀土磁致伸縮材料的生產(chǎn)效率，降低成本，適合工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是成分Tb0.3Dy0.7Fe1.98的速凝片的金相照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細描述，以便更好地理解本發(fā)明的目的、特性和優(yōu)點。雖然本發(fā)明是結(jié)合該具體的實施例進行描述，但并不意味著本發(fā)明局限于所描述的具體實施例。相反，對可以包括在本發(fā)明權(quán)利要求中所限定的保護范圍內(nèi)的實施方式進行的替代、改進和等同的實施方式，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明的制備稀土磁致伸縮材料的方法，包括如下步驟(1)采用速凝成晶技術(shù)，制備出具備所要求織構(gòu)取向的稀土磁致伸縮速凝片。將制備磁致伸縮速凝片的Tb、Dy、Fe等原料裝入速凝成晶爐內(nèi)，合金熔煉采用中頻感應(yīng)熔煉、高頻感應(yīng)熔煉、電弧熔煉、電阻絲加熱中的一種或幾種，在制備速凝片過程中，旋轉(zhuǎn)金屬輪或金屬盤的轉(zhuǎn)速控制在0.1-50m/s，通過澆注溫度、澆注時合金的流量、金屬輪或金屬盤的轉(zhuǎn)速來控制速凝片的結(jié)晶過程，通過對速凝片結(jié)晶過程的控制，實現(xiàn)對速凝片結(jié)晶織構(gòu)的控制，制備出具有<110>、<112>、<111>織構(gòu)的稀土磁致伸縮合金速凝片。
(2)把稀土磁致伸縮合金速凝片進行氫化處理。氫化處理在專用的氫化爐中進行，包括吸氫和脫氫這兩個過程。在吸氫過程中，吸氫溫度為10-800℃，氫氣壓力控制在0.01-10MPa之間。采用氣源控制柜(已申報專利，專利號ZL02157925.3)對氫爆罐供氣。通過氣源控制柜上的手動節(jié)流閥可調(diào)整合金片原料吸氫過程中的氫流量。在吸氫過程中，氫爆罐的壓力可以保持穩(wěn)定，氣源控制柜上的質(zhì)量流量計記錄原料的吸氫量。吸氫完成后進行脫氫，脫氫溫度在100-1000℃，脫氫時間為0.01-50h。
(3)將氫化處理的速凝片粉碎得到磁致伸縮粉末。制粉方式可采用球磨、盤磨或氣流磨之一種。
(4)將磁致伸縮合金速凝片不經(jīng)氫破碎直接通過機械粉碎制粉得到稀土磁致伸縮粉末。機械制粉包括盤磨、球磨、氣流磨等。
(5)將步驟(3)或(4)磁致伸縮粉末與一定比例的粘結(jié)劑混合均勻，將混合均勻的粉末經(jīng)過成型工藝制成毛坯。毛坯經(jīng)固化處理得到稀土粘結(jié)磁致伸縮材料。
(6)將步驟(3)或(4)磁致伸縮粉末與一定比例的粘結(jié)劑混合均勻，將混合均勻的粉末經(jīng)過注射成型工藝得到稀土磁致伸縮材料成品。
(7)將步驟(3)或(4)制備的磁致伸縮粉末通過壓制成型工藝制成毛坯。毛坯在燒結(jié)爐中經(jīng)燒結(jié)過程得到燒結(jié)稀土磁致伸縮材料。
上述步驟(5)或(6)中，所用粘結(jié)劑的比例為0.1-70％(體積百分比)。
上述步驟(5)、(6)或(7)中所用成型工藝有兩種無磁場成型和磁場取向成型。
上述步驟(5)中的固化工藝為50-600℃×0.05-10h。
上述步驟(7)中，燒結(jié)過程在真空燒結(jié)爐中進行，燒結(jié)工藝為700-1600℃×0.1-8h。
本發(fā)明所制備的稀土磁致伸縮合金速凝片的成分為RE-Fe(2+δ-y)-My，這里，RE代表包括Sc、Y在內(nèi)的17種稀土元素中的一種或幾種稀土金屬元素；M代表Ni、Co、Mg、Ta、Nb、Zr、Hf、V、W、Mo、Si和B中一種或幾種，0≤y≤1，-0.2≤δ≤0.2。
本發(fā)明制備的稀土磁致伸縮合金速凝片為柱狀晶結(jié)構(gòu)，采用粉末冶金法所制備的稀土磁致伸縮材料具有軸向取向的<110>、<112>、<111>織構(gòu)中的一種或幾種。
實施例實施例1將純度為99.5％Tb、99.5％Dy和99.5％Fe的原料按計量式Tb0.3Dy0.7Fe1.96(原子比)配比，總的配比量為20kg。將配比好的原料20kg裝入速凝成晶爐的熔煉坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱，使合金熔化，并加熱到1500℃，形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪甩成磁致伸縮合金速凝片，旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪的轉(zhuǎn)速為1.5m/s，澆注時的流量為3kg/min。其制備的磁致伸縮合金速凝片的厚度為0.2-0.25mm。將磁致伸縮合金速凝片進行氫化處理，(氫氣濃度為99.99％)整個吸氫過程持續(xù)2h，吸氫時的壓力為0.3MPa。脫氫過程在400℃進行，時間為3h。將氫化處理的磁致伸縮合金片使用氣流磨工藝制成合金粉末，與10％(體積比)的環(huán)氧樹脂混合，在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為5MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，得到粘結(jié)磁致伸縮毛坯，所加壓力為30MPa。把經(jīng)冷等靜壓的磁致伸縮毛坯放入真空干燥箱進行固化處理，固化處理的溫度為150℃，時間為1h。最終得到粘結(jié)稀土磁致伸縮材料，此材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及1KOe磁場下，λ//＝1125ppm；d33＝(dλ/dH)m＝1.80ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.55。此材料可以用來制作聲納系統(tǒng)的水聲換能器。
實施例2將純度為99.9％Tb、99.9％Dy、99.9％Ho和99.95％Fe的原料按計量式Tb0.25Dy0.70Ho0.05Fe1.95(原子比)配比，總的配比量為10kg。將配比好的原料10kg裝入速凝成晶爐的熔煉坩堝內(nèi)，采用電弧加熱，使合金熔化，并加熱到1345℃，形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪甩成磁致伸縮合金速凝片，旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪的轉(zhuǎn)速為5m/s，澆注時的流量為15kg/min。其制備的速凝片的厚度為0.1-0.15mm。將速凝片進行氫化處理(氫氣濃度為99.99％)，整個吸氫過程持續(xù)1h，吸氫時的壓力為0.2MPa。脫氫過程在500℃進行，時間為2h。將氫化處理的速凝片使用球磨工藝制成合金粉末，與20％(體積比)的環(huán)氧樹脂混合，在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為5MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，得到粘結(jié)磁致伸縮毛坯，所加壓力為20MPa。把經(jīng)冷等靜壓的磁致伸縮毛坯放入真空干燥箱進行固化處理，固化處理的溫度為170℃，時間為2h。最終得到粘結(jié)稀土磁致伸縮材料，此材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及1KOe磁場下，λ//＝1250ppm；d33＝(dλ/dH)m＝1.96ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.65。應(yīng)用此材料可以用來制成燃油噴射系統(tǒng)。
實施例3將純度為99.9％Tb、99.9％Dy和99.9％Fe的原料按計量式Tb0.25Dy0.75Fe1.95(原子比)配比，總的配比量為10kg。將配比好的原料10kg裝入速凝成晶爐的坩堝內(nèi)，采用電阻絲加熱，使合金熔化，并加熱到1500℃形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪甩成磁致伸縮合金片，旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪的轉(zhuǎn)速為7.5m/s，澆注時的流量為25kg/min。其制備的磁致伸縮合金速凝片的厚度為0.05-0.10mm。將速凝片進行氫化處理，整個吸氫過程持續(xù)1.5h，吸氫時的壓力為0.3MPa。脫氫過程在550℃進行，時間為1.5h。將氫化處理的速凝片使用氣流磨工藝制成合金粉末，在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為5MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，得到磁致伸縮毛坯，所加壓力為20MPa。把經(jīng)冷等靜壓的磁致伸縮毛坯放入真空燒結(jié)爐進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100℃，時間為1h。最終得到燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及1KOe磁場下，λ∥＝1300ppm；d33＝(dλ/dH)m＝2.1ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.55。
實施例4將純度為99.5％Tb、99.0％Dy、99.5％Mn和99.5％Fe的原料按計量式Tb0.3Dy0.7Fe1.85Mn0.15(原子比)配比，總的配比量為15kg。將配比好的原料15kg裝入速凝成晶爐的熔煉坩堝內(nèi)，采用高頻感應(yīng)加熱，使合金熔化并加熱到1250℃，形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪甩成磁致伸縮合金速凝片，旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪的轉(zhuǎn)速為3.5m/s，澆注時的流量為8kg/min。其制備的磁致伸縮合金速凝片的厚度為0.15-0.20mm。將磁致伸縮合金片使用球磨工藝制成合金粉末，在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為5MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，得到磁致伸縮毛坯，所加壓力為30MPa。把經(jīng)冷等靜壓的磁致伸縮毛坯放入真空燒結(jié)爐進行燒結(jié)，燒結(jié)處理的溫度為1050℃，時間為1.5h，最終得到燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，此材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及1KOe磁場下，λ//＝1150ppm；d33＝(dλ/dH)m＝1.90ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.50。
實施例5將純度為99.5％Tb、99.5％Dy和99.5％Fe的原料按計量式Tb0.3Dy0.7Fe1.99(原子比)配比，總的配比量為15kg。將配比好的原料15kg裝入速凝成晶爐的熔煉坩堝內(nèi)，采用中頻感應(yīng)加熱，使合金熔化并加熱到1250℃，形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪甩成磁致伸縮合金速凝片，旋轉(zhuǎn)的水冷鉬輪的轉(zhuǎn)速為5m/s，澆注時的流量為13kg/min。其制備的磁致伸縮合金速凝片的厚度為0.05-0.10mm。將磁致伸縮合金片使用盤磨工藝制成合金粉末，采用一次磁場取向成型工藝，得到到磁致伸縮毛坯，所加壓力為30MPa。把磁致伸縮毛坯放入真空燒結(jié)爐進行燒結(jié)，燒結(jié)處理的溫度為1050℃，時間為1.5h，最終得到燒結(jié)稀土磁致伸縮材料，此材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及1KOe磁場下，λ//＝1100ppm；d33＝(dλ/dH)m＝2ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.55。
實施例6將純度為99.5％Tb、99.5％Dy和99.5％Fe的原料按計量式Tb0.25Dy0.75Fe1.95(原子比)配比，總的配比量為10kg。將配比好的原料10kg裝入速凝成晶爐的熔煉坩堝內(nèi)，采用電弧加熱，使合金熔化，并加熱到1345℃，形成合金熔液，使合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪甩成磁致伸縮合金片，旋轉(zhuǎn)的水冷銅輪的轉(zhuǎn)速為4m/s，澆注時的流量為12kg/min。其制備的磁致伸縮合金速凝片的厚度為0.1-0.15mm。將速凝片進行氫化處理(氫氣濃度為99.99％)，整個吸氫過程持續(xù)1h，吸氫時的壓力為0.2MPa。脫氫過程在500℃進行，時間為2h。將氫化處理的速凝片使用球磨工藝制成合金粉末，與20％(體積比)的尼龍混合，在磁場采用注射成型工藝，最終得到粘結(jié)稀土磁致伸縮材料，此材料的性能為在10MPa預(yù)壓力及3KOe磁場下，λ//＝1400ppm；d33＝(dλ/dH)m＝2ppm/Oe；機電耦合系數(shù)K33＝0.65。
雖然本說明書只敘述了本發(fā)明的幾個具體實施例，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以通過許多其它特定形式得以實施，而不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和保護范圍。所列舉的例子只是為了說明本發(fā)明，沒有限制性，本發(fā)明不局限于此處所給出的細節(jié)，在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)及其相等的全部范圍內(nèi)可以進行改進。
權(quán)利要求
1.一種制備稀土磁致伸縮材料的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟制備磁致伸縮合金速凝片的步驟，通過速凝成晶技術(shù)將相應(yīng)的原料經(jīng)過熔煉、快速冷卻制備成具有特定織構(gòu)的稀土磁致伸縮合金速凝片；使用粉末冶金法制備稀土磁致伸縮材料的步驟，把所述磁致伸縮速凝片制成粉末，然后將所述的粉末制備成高性能的稀土磁致伸縮材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述速凝成晶技術(shù)主要包括如下步驟a)磁致伸縮合金速凝片的制備過程在真空或惰性氣體保護的狀態(tài)進行。b)用中頻感應(yīng)熔煉、高頻感應(yīng)熔煉、電弧熔煉、電阻絲加熱熔煉等其中的一種或幾種方法加熱磁致伸縮原料形成合金熔液。c)使稀土磁致伸縮合金熔液通過旋轉(zhuǎn)的水冷或氣冷的金屬輪或金屬盤快速冷凝得到磁致伸縮合金速凝片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述速凝片的平均厚度為0.01-10.0mm。速凝片的主相為沿冷卻方向的柱狀晶，富稀土相沿晶界均勻分布；柱狀晶寬度為0.01μm-10mm，長度為0.01μm-10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述速凝片具有<111>、<112>、<110>織構(gòu)中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述磁致伸縮合金速凝片制成粉末包括使用氫化處理或不使用氫化處理的方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述制備稀土磁致伸縮材料的步驟包括將磁致伸縮合金粉末與粘結(jié)劑混合，將混合的粉末經(jīng)過壓制成型方法制成粘結(jié)磁致伸縮毛坯，所述毛坯經(jīng)固化處理得到稀土粘結(jié)磁致伸縮材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述制備稀土磁致伸縮材料的步驟包括將磁致伸縮合金粉末與粘結(jié)劑混合，將混合的粉末經(jīng)過注射成型方法制成粘結(jié)磁致伸縮材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述制備稀土磁致伸縮材料的步驟包括將磁致伸縮合金粉末經(jīng)過壓制成型制成磁致伸縮毛坯，所述毛坯在燒結(jié)爐中經(jīng)燒結(jié)過程得到稀土磁致伸縮材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是澆注時，稀土磁致伸縮合金熔液的溫度為900-1700℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是旋轉(zhuǎn)的金屬輪或金屬盤的轉(zhuǎn)速為0.1-50.0m/s。磁致伸縮合金溶液澆到旋轉(zhuǎn)的金屬輪或金屬盤的量為0.001-50.0Kg/min。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是旋轉(zhuǎn)的金屬輪或金屬盤材質(zhì)為銅、鉬、鈦、鉭、鎢、鋯中的一種或其合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是速凝片的化學(xué)成分為RE-Fe(2+δ-y)-My，這里，RE代表包括Sc、Y在內(nèi)的17種稀土元素中的一種或幾種；M代表Ni、Co、Mg、Ta、Nb、Zr、Hf、V、W、Mo、Mn、Si和B中一種或幾種，-0.2≤δ≤0.2，0≤y≤1。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是速凝片的主要化學(xué)成分為TbxDy1-yFe1.8-2.0，0≤x≤1。
14.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述磁致伸縮合金速凝片制成粉末步驟包括對稀土磁致伸縮合金速凝片進行氫化處理，然后使用如下方法之一將氫化處理后的磁致伸縮速凝片制成粉末氣流磨方法，球磨方法和盤磨方法。
15.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述氫化處理在氫化爐中進行，包括吸氫和脫氫這兩個步驟，在吸氫步驟中，氫氣壓力保持在0.01Mpa-10MPa之間，吸氫溫度為10-800℃，時間為0.01-50h；在脫氫步驟中，脫氫溫度在100-1000℃之間，脫氫時間為0.01-50h。
16.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述磁致伸縮速凝片制成粉末步驟包括對稀土磁致伸縮速凝片不進行氫化處理，直接使用機械破碎將磁致伸縮速凝片制成粉末，機械破碎包括球磨、盤磨、氣流磨。
17.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征是固化溫度為50～600℃，固化時間為0.05～10h。
18.根據(jù)權(quán)利要求6、7的方法，所用粘結(jié)劑的比例為0.1-70％(體積百分比)，所述粘結(jié)劑為熱固性粘結(jié)劑或熱塑性粘結(jié)劑或低熔點金屬及其合金粉末。
19.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述燒結(jié)過程在真空燒結(jié)爐中進行，燒結(jié)溫度為700-1600℃，時間為0.1-8h。
20.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8的方法，其特征在于所述成型方法采用無磁場成型或磁場取向成型之一。
21.根據(jù)權(quán)利要求20方法，其特征在于所述成型方法包括如下步驟在磁場取向成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為0.1MPa-10MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，所加壓力為5-100MPa。
22.根據(jù)權(quán)利要求20方法，其特征在于所述成型方法包括如下步驟在磁場中一次成型，所加壓力為0.1-100MPa。
23.根據(jù)權(quán)利要求20方法，其特征在于所述成型方法包括如下步驟無磁場下，在成型設(shè)備中預(yù)壓成型，所加壓力為0.1MPa-10MPa；然后在冷等靜壓中最終成型，所加壓力為5-100MPa。
24.根據(jù)權(quán)利要求20方法，其特征在于所述成型方法包括如下步驟無磁場一次成型，所加壓力為0.1-100MPa。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的稀土磁致伸縮材料具有<110>、<112>和<111>織構(gòu)中的一種或幾種。
26.一種傳感器，其特征在于，所述傳感器包含如權(quán)利要求書25所述的稀土磁致伸縮材料。
27.一種致動器，其特征在于，所述致動器包含如權(quán)利要求書25所述的稀土磁致伸縮材料。
28一種換能器，其特征在于，所述換能器包含如權(quán)利要求書25所述的稀土磁致伸縮材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種稀土磁致伸縮材料的制備新工藝。該工藝?yán)盟倌删Ъ夹g(shù)制備出磁致伸縮合金速凝片，將速凝片制成粉末，采用粘結(jié)或燒結(jié)等粉末冶金方法制備出高性能的稀土磁致伸縮材料。速凝成晶技術(shù)制備的磁致伸縮合金主相為柱狀晶，并能有效地控制合金柱狀晶的取向。在粉末冶金法制備磁致伸縮材料過程中，能使合金的柱狀晶完整地保存，制備出高性能的磁致伸縮材料。該技術(shù)能有效地降低稀土磁致伸縮材料的制備成本，提高材料的磁致伸縮性能。
文檔編號C22C45/02GK1570187SQ20041003761
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者楊紅川, 李紅衛(wèi), 張世榮, 于敦波, 徐靜, 應(yīng)啟明, 李擴社, 姚國慶, 袁永強 申請人:有研稀土新材料股份有限公司