[发明专利]利用旋转蘸取法快速制备Fe-Ga系大磁致伸缩金属纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大磁致伸缩金属纤维制备方法，具体地说涉及一种利用旋转蘸取法快速制备Fe-Ga系大磁致伸缩金属纤维的方法。

背景技术

Fe-Ga系合金是一种新型智能材料，具有磁致伸缩(磁-弹耦合)系数大、输出应力高、机械响应快、居里温度高、生产成本低和使用稳定性强等突出优势，在磁致换能器、制动器、位移控制器、高能微动力控制等领域用磁致伸缩执行器(GMA)中具有巨大的应用潜力。但国内外对Fe-Ga系合金的研究多集中在块体合金、薄带和薄膜上(参见R.R.Sato Turtelli，N.Mehmood，S.Heiss，H.Müller，C.Bormio-Nunes.Giant Magnetostriction in Rapidly Quenched Fe-Ga[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320(20)：2457-2465.)，对于Fe-Ga系金属纤维制备方法却鲜有报道。

通常，较小尺寸Fe-Ga系合金主要采用铜模吸铸法和固态变径拉拔工艺结合，前者进行前期合金制备，后者则进行多道次拉拔处理，但该常规方法因其变径处理对金刚石模具要求较高，且易发生拉断现象，生产工艺流程复杂，合金尺寸较大，生产效率较低，另一方面，平面流铸法亦可连续生产小尺寸Fe-Ga合金薄带，由于凝固收缩问题，所制备出薄带均匀性较差，故两者均难以满足较小尺寸Fe-Ga合金的使用需求。同时，利用磁控溅射、气相沉积等方法可制备微尺度Fe-Ga薄膜，但薄膜沉积速率较慢、成本较高、工艺重复性较差，易受溅射功率、靶材成分等工艺参数限制。因此，上述方法均难以实现微尺度Fe-Ga系合金的制备，旋蘸法可作为一种Fe-Ga系金属纤维的制备方法，期望达到生产效率高，均匀连续性好等优点。

Fe-Ga系金属纤维因其微尺度的几何特征和特殊成形工艺，具有传统块体Fe-Ga系块体合金的磁致伸缩系数大、居里温度高等特点，亦具有薄带和薄膜的较好几何对称性、较小的磁滞(涡流)损耗和矫顽力、高磁导率，尤其是成分掺杂后同时展现出优异的磁学或力学性能。从混合焓和非晶形成能力角度出发，在Fe-Ga合金成分基础上添加非磁性第三组元易形成短程有序团簇，添加稀土元素因其4f电子层自旋结构、自旋轨道和磁晶各向异性，在形成三元合金后保持α-Fe高堆垛密度的BCC结构且晶格常数微变，进而改善磁致伸缩性能，但对于此系统研究仍不完善。对于Fe-Ga金属纤维的开发与应用已成为研究热点问题之一， 更适于材料微细化、功能器件微型化的新型智能材料研发。因此，基于微尺度敏感材料的微型化磁致伸缩智能器件对其功能一体化应用提供新思路与新方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术铜模吸铸法、固态拉拔、磁控溅射、气相沉积等常规方法制备较小尺寸Fe-Ga系合金存在的生产效率低、工艺流程复杂、成本较高和工艺重复性较差等问题，进而提供一种利用旋转蘸取法快速制备Fe-Ga系大磁致伸缩金属纤维的方法。

为实现上述目的，本发明利用旋转蘸取法快速制备Fe-Ga系大磁致伸缩金属纤维的方法，即高速旋转蘸取合金熔体快速制备Fe-Ga及其元素掺杂磁致伸缩金属纤维的方法，其步骤如下：

1)熔炼吸铸：依据Fe₈₂Ga₁₈基础合金配比，进行微量合金元素掺杂，随后采用磁控钨极电弧熔炼装置熔配合金，首先在坩埚内熔炼纯钛以消除腔内残存氧，熔炼中利用电磁搅拌以保证合金成分均匀，并通过铜模吸铸法制备出母合金圆柱棒锭；

2)真空充气：将所获得的不同成分配比的Fe-Ga系合金棒锭放置入金属纤维制备装置的感应坩埚中，对设备腔体抽取真空，随后腔室内充入高纯Ar气，并保持气体压力；

3)稳定熔潭：开启辊轮烘烤预热装置，对其进行预热，其维持转速；随后利用全固态超音频感应加热电源加热坩埚上端部，增大加热功率直至Fe-Ga系合金顶端锭料熔化，并监测合金熔潭温度，稳定在1450-1500℃，进而形成稳定熔潭，此时Cu辊轮转速提高至2000r/min左右，完成旋转蘸取过程的前期工作；

4)旋转蘸取：协调控制辊轮转速和内部母合金锭料进给速率等工艺参数，连续Fe-Ga系母合金进给，当辊轮接触熔潭后利用高速转动的特性快速蘸取并甩出具有一定厚度的合金纤维，并在飞行过程中完成真空淬火和圆化成丝。具有工艺过程简单、生产效率较高、工艺重复性优异和成本较低，尤其适合于工业化批量生产Fe-Ga系合金纤维的优点。

作为优化，所述掺杂是进行微量Al或稀土Pr或Y等合金元素掺杂。