真空磁场热处理对Fe-Ga-Al合金磁致伸缩的影响

　　采用电弧炉熔炼方法得到Fe₈₂Ga_{18- x} Al_x (x=3, 9, 12)合金的多晶样品。利用X 射线衍射（XRD）和金相观察对合金的相组成进行分析，并对其磁致伸缩系数进行测量。经过真空磁场热处理后，对Fe-Ga-Al合金的结构和磁致伸缩性能进行研究。结果表明，真空磁场热处理后Fe- Ga- Al 合金磁致伸缩系数均有提高，其中Fe₈₂Ga₉Al₉合金经磁场热处理后，磁致伸缩达到1.4×10^{- 6}；Fe₈₂Ga₁₅Al₃合金经磁场热处理后，其磁致伸缩增幅最大，比处理前增加165%。

　　真空磁场热处理是指将磁性材料置于真空环境中，在其居里温度TC 附近进行的热处理的同时，施加外磁场使材料内部感生单轴各向异性，从而改善材料磁性的热处理工艺。真空磁场热处理因其能够显著改善金属材料的结构、磁性等性能，在材料研究领域得到广泛关注研究。研究发现，磁场热处理可以提高TbxDy1- xFey 孪晶的磁致伸缩；条件适当的磁场热处理可以大大改善Nd₂Fe₁₄B/ Fe₃B 纳米交换耦合磁体的矫顽力和剩磁比。磁场热处理可以有效地调控磁畴分布状态、改善磁性材料的磁性能。

　　众所周知，以d 电子层全空（Al）或d 电子层全满（Ga） 的非磁性原子替代Fe 原子后形成的Fe 基合金具有显著的低场磁致伸缩、很高的强度、良好的机加工性能和低廉的成本。研究发现Fe72.5Ga27.5 定向凝固合金在65Oe 的低场下获得了高达271×10^{- 6} 的磁致伸缩。另有研究表明Fe₈₀Ga₁₅Al₅ 定向凝固合金的磁致伸缩达234×10^{- 6}。Al 替代Ga，可以进一步降低Fe-Ga 磁致伸缩合金的成本，同时可望提高由此材料制成器件的工作寿命。然而，目前Fe- Ga- Al 合金的磁致伸缩还并不理想，因此，提高其磁致伸缩值是当前对Fe-Ga-Al 合金进行研究的主要工作。为了进一步提高Fe- Ga- Al 三元系合金的磁致伸缩性能，采用自行研制的高真空磁场热处理装置对Fe₈₂Ga_18-xAl_x 合金系列样品进行磁场热处理，进而对该系列合金的磁致伸缩变化进行研究，从而为提高此类材料的磁致伸缩性能探索新的方法和途径。

1、实验方法

　　采用高纯度的Fe（99.8 wt.%）、Ga（99.99 wt.%）、Al（99.99 wt.%）为原材料，按照化学计量成分配制后在充入氩气的电弧炉中反复翻转熔炼3 到4 次得到Fe₈₂Ga_{18- x}Al_x (x=3, 9, 12)合金样品锭，然后将炼好的样品锭用钼片分别包裹后封入抽真空的石英管中进行均匀化退火。每个样品锭的重量为5 g，成分及均匀化热处理条件如表1 所示。

表1 Fe₈₂Ga_18-xAl_x (x=3, 9, 12)合金样品的成分、居里温度和热处理条件

　　利用Philips X’Pert MPD 型X射线衍射仪对化合物的相组成进行分析研究，实验中采用Cu的Kα 线进行结构测量。利用XJX- 300 金相显微镜对合金显微组织进行研究。样品经细砂纸打磨，然后加抛光粉进行抛光，再用FeCl3 水溶液腐蚀后制成用作光学显微观察的样品。

　　在PZT- 2A 差热分析仪上测得Fe82Ga18- xAlx(x=3, 9, 12) 合金样品的DTA 曲线，升温速率为10℃/min。由DTA 曲线分析确定合金样品的居里温度TC，具体数值列于表1。结合磁场热处理温度选择规律，我们将Fe82Ga18- xAlx (x=3, 9, 12)合金样品进行磁场热处理的温度确定为550℃。将待处理样品标注方向后封入真空石英管中，按照垂直于应变方向置入自行研制的真空磁场热处理炉中，磁场热处理条件如表1 所示。

3、结论

　　对Fe82Ga18- xAlx (x=3,9,12) 多晶合金样品进行磁场热处理，通过与磁场热处理前合金性能比较，结果表明磁场热处理对Fe-Ga-Al三元系合金结构和磁致伸缩性能具有显著影响。具体如下：

　　(1) 真空磁场热处理使Fe82Ga18-xAlx(x=3,9,12)合金样品的磁致伸缩整体提高，饱和场减小。其中Fe82Ga9Al9 合金经磁场热处理后，磁致伸缩达114×10- 6，为目前多晶Fe- Ga- Al 合金系中报道的最高值。表明真空磁场热处理对于提高Fe- Ga- Al 合金的磁致伸缩性能有显著作用。

　　(2) 真空磁场热处理后，Fe82Ga18- xAlx 合金磁致伸缩的增加量随Al 含量x 的降低有所提高。其中Fe82Ga15Al3 合金经磁场热处理后，其磁致伸缩增幅达165%。