[发明专利]一种具有大磁致伸缩系数的高熵合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，涉及一种具有大磁致伸缩系数的高熵合金及其制备方法。

背景技术

铁磁体在外磁场中被磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象被称为磁致伸缩。磁致伸缩可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料即是指具有线磁致伸缩特性的材料。材料的线磁致伸缩性能通常用(3/2)λ_s表示，它表征了一种材料本征的磁致伸缩应变值，可认为是材料理论上可达到的最大磁致伸缩应变值。实际应用中，线磁致伸缩系数通常用λ表示，λ＝ΔL/L(L为材料原始长度，ΔL为磁化状态改变时样品发生的变化)。λ>0时，为正磁致伸缩，铁磁体沿磁场方向伸长，而垂直磁场方向缩短；当λ<0时，为负磁致伸缩，铁磁体沿磁场方向缩短，而垂直磁场方向伸长。材料在被磁化时所产生的最大磁致伸缩系数，称为饱和磁致伸缩系数λ_s。

以Fe-Al和Fe-Co合金为代表的传统Fe基磁致伸缩材料虽然具有居里温度高和力学性能好的特点，但是其磁致伸缩系数较低，通常小于100×10^-6；而以Tb-Dy-Fe为代表的稀土超磁致伸缩材料虽然具有磁致伸缩系数大(～2000×10^-6)等优良的性能，但由于其质地较脆，塑性很差，加工性差，原材料成本较高等，限制了该材料的应用。2000年，美国的Guruswamy S等人发现Fe-Ga合金(称为Galfenol)具有较高的磁致伸缩值，可达400×10^-6，且机械强度较高和有一定塑性，被认为是一种新型的具有广阔应用前景的磁致伸缩材料，引起了国内外研究者的广泛关注。研究主要涉及材料的成分、显微组织、晶体取向、相组成、制备方法、元素添加以及磁特性等，相关专利包括：ZL02117462.8、ZL200510053908.X、ZL200610089787.9、ZL200710079668.X、ZL200710062867.X、ZL200810135513.8、ZL200910096357.3、ZL200910054915.X、ZL201110385765.8、ZL201310533010.7、ZL201310063881.7、ZL201310495906.0、ZL201510146303.9等。虽然Fe-Ga合金具有较好的磁致伸缩性能和力学性能，但由于该材料的电阻率较低，在高频下使用会产生较大涡流损耗。为此，人们希望能将其轧制成薄片状，以降低高频使用条件下的涡流损耗，改善其高频特性。在这方面的研究，主要集中在Fe-G合金室温塑性的改善，轧制工艺以及热处理工艺对合金板带织构以及磁致伸缩性能的影响方面。2006年，美国Na S M和Flatau A B等人报道了在Fe_81.3Ga_18.7合金中添加硼和硫，通过热轧、温轧、冷轧及后续热处理的工艺，获得具有近似立方织构或近似高斯织构的薄片材料，最高磁致伸缩值(3/2)λs可达220×10^-6。(Na S M，Flatau A B.Magnetostriction and crystallographic texture in rolled and annealed Fe-Ga based alloys.Mater.Res.Soc.Symp.Proc，2006，888：335)。美国专利WO 2006/094251公布了在Fe-Ga基合金中添加NbC或Be或Al或复合添加，在合金的外面包壳以防止氧化及防止轧制时合金表面的热量损失，通过热轧、两段400℃温轧以及后续的热处理，获得了具有混合织构或近似立方织构的Fe-Ga基磁致伸缩薄片材料。近几年，本研究小组通过优化合金成分，采用相对简单的轧制工艺制备出Fe-Ga基薄片材料，并通过随后的特殊热处理工艺(磁场退火、高真空高温二次再结晶退火等)获得了较高的磁致伸缩性能，获得的授权发明专利有ZL200910076722.4、ZL201210574427.3、ZL201310533010.7。但是，现有技术关于Fe-Ga基轧制薄片的制备技术共同的不足在于制造工艺复杂，其中包括需热轧、温轧及冷轧，轧制道次间保温退火，最终高温退火等，这与Fe-Ga合金室温塑性较差密切相关。由此可见，上述现有磁致伸缩材料都无法解决大磁致伸缩系数与良好力学性能共存的难题。