第三组元_Al_Cu_添加对Fe_83_Ga_17_合金相结构和磁致伸缩性能的影

文章编号:1673 5196(2010)03 0001 05第三组元(Al、Cu)添加对Fe83Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响丁雨田,刘广柱,胡 勇(兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州 730050)摘要:通过非平衡凝固方式制备Fe83Ga17-x M x(x=0、1、2、3;M=Al、Cu)合金,并对合金的相组成及其磁致伸缩性能进行研究.结果表明:合金保持A2(bcc F e(G a))相结构,A l、Cu均固溶于Fe G a合金,添加的A l优先存在于Ga Ga团簇当中,并与F e形成bcc结构的Fe A l固溶体;随着添加量的增大,Cu从基体中析出,并在晶界处富集.A l和Cu均对Fe83G a17合金磁致伸缩性能产生抑制作用,Cu的抑制作用要小于Al.对于F e83Ga17-x A l x合金,当x=2时,饱和磁致伸缩值达到最大;添加Cu的试样中,当x=2、3时,饱和磁致伸缩值均达到最大.关键词:Fe Ga合金;元素添加;非平衡凝固;相结构;磁致伸缩中图分类号:T G132;T G146 文献标识码:AInfluence of addition of third element(Al,Cu)on phase constitution andmagnetostriction of alloy Fe83Ga17DING Yu t ian,LIU Guang zhu,H U Yong(State Key Lab oratory of Gans u Advanced Nonferrous M etal M aterials,Lanz hou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:T ernary alloy s Fe83Ga17 x M x(x=0,1,2,3;M=Cu or A l)w ere prepared by nonequilibr ium so lidificatio n and their phase composition and magneto striction w ere investigated by means of TEM,EDS, XRD,and resistance w ire strain g aug e.The r esult show ed that allo ys kept the disordered A2(bcc Fe(Ga)) str ucture.Al o r Cu w as present in so lid solutio n in Fe Ga alloy s.Al existed in the Ga Ga clusters prefer entially and formed Fe Al so lid solution w ith the Fe in the fo rm of disorder bcc crystal structur e.With the addition increasing,Cu phase precipitated fro m the matrix and accum ulated at the grain boundary.Al and Cu additions resulted in the restraint of magnetostriction of allo y Fe83Ga17,but the r estr aining effect o f Cu addition w as less than that of A l addition.When x=2,the alloy Fe83Ga17 x Al x wo uld reach its m ax imum m ag netostrictio n value.The alloys w ith Cu addition w ould r each the maxim um magneto striction value w hen x=2and3.Key words:Fe Ga alloy s;element addition;no nequilibrium solidification;phase constitution;m ag neto striction目前以T bDyFe为代表的超磁致伸缩材料因其具有饱和磁化场较高、质地脆、成本高等缺点而不能得到广泛应用.Fe Ga合金具有很低的饱和磁化场、脆性小、成本低,但Fe Ga合金的磁致伸缩值较低,如何提高其磁致伸缩性能成为目前研究的重点.通过添加第三组元改善合金的磁致伸缩性能成为研究的一个方面,Liy ang Dai等人[1]研究Co替代Fe之收稿日期:2009 12 08基金项目:浙江省自然科学基金(Y4090219),甘肃省自然科学基金(0916RJZA025)作者简介:丁雨田(1962 ),男,甘肃榆中人,教授,博导.后合金的磁致伸缩性能;Srisukhum bow o rnchai等人[2]对Fe Ga Al合金进行了相关研究,并在之后的报道中[3]认为,d层全满或全空的非磁性元素通过影响Fe原子自旋 轨道耦合,提高了材料的磁致伸缩性能;Clar k、J.B.Resto rff和M.W un Fog le 等人[4 6]研究了3d,4d过渡元素(V,Cr,M o,Mn)和化合价超过铁的元素(Co,Ni,Rh)、间隙原子(C,B, N)以及N i,Mo,Sn对单晶Fe Ga合金磁致伸缩性能的影响.Al与Ga属同主族元素3d层全空,Cu与Ga 属同周期,外层电子结构为3d104s1,而Ga外层电子第36卷第3期2010年6月兰 州 理 工 大 学 学 报Journal of L anzhou U niversity o f T echnolog yV ol.36N o.3Jun.2010结构为3d104s24p1,2种元素3d层电子排布相同,相差2个价电子.根据Logr asso等人[7]的研究认为通过高温快淬使合金长程有序相被抑制,而保持无序的bcc结构.不同冷速样品的磁致伸缩性能测量结果表明,快淬样品的磁致伸缩值比缓冷样品高.本文通过快速凝固的非平衡制备方式获得高温无序相,并通过添加Al、Cu元素部分取代Ga元素进而影响合金电子排布,以研究3d层电子填充状态及3d层外部的价电子对Fe83Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响.1 实验方法选用高纯度的Fe、Ga、Al和Cu为原材料,配制成目标成份为Fe83Ga17-x M x(x=0、1、2、3;M=Al、Cu)的母合金,氩气气氛保护下在真空熔炼炉中反复熔炼后吹铸成直径为8mm的棒材.在棒材底部截去1.5mm后,切取1mm圆片状试样进行XRD 检测,再截取长度为2cm的棒状试样并沿轴向切开,一侧用于测量磁致伸缩性能,另一侧用于观察金相组织及TEM、EDS分析.XRD谱在D8ADVANC 型X射线衍射仪上获得;TEM在2010型透射电子显微镜上获得,TEM运用的EDS主机型号为IET100,探头型号为6498;SEM运用Genesis XM2型的EDS;采用光学金相显微镜观察样品的组织形态.2 实验结果与分析2.1 添加Al、Cu元素对Fe83Ga17相结构的影响图1为Fe83Ga17-x M x(x=0、1、2、3;M=Al、Cu)合金XRD谱.由图可见,x=0的合金XRD谱可按bcc结构标定,为无序A2相;由于Ga原子被Al、Cu原子取代使晶体晶格发生畸变,相应峰的衍射角度发生了不同程度的偏移.由图1a可见Al元素完全固溶于bcc Fe(Ga)相中,形成不同占位的bcc结构,但A l原子合金相中的占位情况需要进一步的精细分析.由图1b对Fe83Ga17-x Cu x合金的XRD谱分析可知,当x=1、2时,Cu完全固溶于合金中,没有新相生成;当x=3时,在2 =18 、64.2 、69 、81.5 处出现衍射峰,经标定为Cu x Fe1-x结构.图2为Fe83Ga14Cu3合金SEM照片,对图中1、2、3、4各点进行EDS分析,结果如表1所示,晶界处Cu原子分数为6.48%(1点),块状析出物的Cu 原子分数已达到75%(2点),基体Cu原子分数分别为2.42%(3点)、1.75%(4点)均小于所加Cu的原子分数.由此可以看出随Cu原子分数的变化,Cu(a)Fe83G a17-x A l x合金(b)Fe83Ga17-x Al x合金图1 F e83Ga17-x M x(x=0、1、2、3;M=Al、Cu)合金XRD 谱Fig.1 XRD patterns of alloys F e83Ga17-x M x(x=0,1,2, 3;M=Al orCu)图2 Fe83Ga14C u3合金的SEM照片Fig.2 SEM micrograph of alloy Fe83Ga14C u3表1 Fe83Ga14C u3合金元素原子分数Tab.1 Atom f raction of elements in alloy Fe83Ga14Cu3测量点原子分数/%Cu Fe Ga1 6.4879.7013.82275.8510.4113.743 2.4283.7913.794 1.7585.7012.54原子不断在晶界处析出并以Cu x Fe1-x的形式进行变化.平衡条件下bcc Fe中仅能固溶1.94%的Cu 原子,通过非平衡制备增大了Cu在bcc Fe结构中2兰州理工大学学报 第36卷的固溶度,在基体中Cu 原子分数达到了2.42%.图3和图4为Fe 83Ga 17-x M x (x =1、2、3;M =Al 、Cu)合金金相照片.从图3的Fe 83Ga 17-x Al x 合金金相照片可以看出,当x =1时晶体上有点状物弥散分部,x =2时点状物集中于个别晶粒当中,当x =3时点状物基本消失.由图4的Fe 83Ga 17-x Cu x 合金金相照片可以看出,合金晶粒较长,且相对于Fe 83Ga 17-x A l x 合金具有一定的取向性.图3 Fe 83Ga 17-xAl x (x =1、2、3)合金金相照片Fig.3 Metallographs of alloys Fe 83Ga 17-x Al x (x =1,2,3)为进一步研究添加第三组元对合金微观组织形态的影响,进行透射电镜分析,图5为Fe 83Ga 17、Fe 83Ga 15Al 2、Fe 83Ga 15Cu 2透射电镜明场照片.对比图5a~d 看出添加不同第三组元对合金的微观组织形态有很大的影响:图5a 为未添加第三组元的Fe 83Ga 17合金,不同衬度的相相互混杂存在,衬度不同的两相交互呈河流状沿同一方向排布,在衬度较亮的一侧有垂直于两相交界的条纹存在.由图5b 看出Al 元素的加入使合金的衬度趋于一致,在一定程度上消除了图5a 中的衬度差,这是由于Al 元素与Ga 元素良好的相溶性使得合金元素的固溶情况得到改善,以至于在所选晶粒区域没有产生共格或图4 Fe 83Ga 17-xC u x (x =1、2、3)合金金相照片Fig.4 Metallographs of alloys Fe 83Ga 17-x Cu x (x =1,2,3)半共格的第二相,并促使合金相在此晶粒中更加均一产生;图5c 为低放大倍数下Fe 83Ga 15Cu 2合金透射电镜明场照片,从图中可见基体上存在大量形状比较规则的黑色区域,经EDS 对图5d 所示黑色区域分析,发现在该区域内部Cu 元素的含量高于明亮的基体部分,证明Cu 原子存在富集现象.2.2 Al 、Cu 元素对Fe 83Ga 17合金磁致伸缩性能的影响图6为Fe 83Ga 17-x M x (x =0、1、2、3;M =Al 、Cu)不同成分合金的磁致伸缩性能,其中Fe 83Ga 17的饱和磁致伸缩值为55 10-6.图6a 是Fe 83Ga 17-x Al x 合金的磁致伸缩性能:当x =1时,饱和磁致伸缩值为9 10-6;当x =2时,饱和磁致伸缩值为17 10-6;当x =3时,饱和磁致伸缩值为7 10-6.Clar k 等人[8]提出,Fe Ga 合金中存在的Ga Ga 原子团簇是产生大应变的因素.由于Fe 、Al 的固溶能力远小于Al 、Ga,因此Al 更优先存在于Ga Ga 原子团簇当中,破坏了Ga Ga 原子团簇对Fe Ga 合金磁致伸缩的影响,极大地降低了磁致伸缩性能.Fe 83Ga 15Al 2的磁致伸缩值高于另外2种合金,可能是由于Al 原子3 第3期 丁雨田等:第三组元(A l 、Cu)添加对F e 83Ga 17合金相结构和磁致伸缩性能的影响图5 Fe 83Ga 17、Fe 83Ga 15Al 2和Fe 83Ga 15C u 2透射电镜明场照片Fig.5 Bright field images of alloys Fe 83Ga 17,Fe 83Ga 15Al 2,and Fe 83Ga 15Cu2(a)Fe 83G a 17-x Al x 合金(b)Fe 83Ga 17-xCu x 合金图6 Fe 83Ga 17-x M x (x =0、1、2、3;M=Al 、Cu)不同成分合金的磁致伸缩性能Fig.6 Magnetostriction performance of alloys Fe 83Ga 17-x M x with diff erent composition (x =0、1、2、3;M=Al or Cu)在晶体中的不同占位引起的.图6b 是Fe 83Ga 17-x Cu x 合金的磁致伸缩曲线:当x =1时,饱和磁致伸缩值为31 10-6;当x =2、3时,饱和磁致伸缩值为39 10-6,随着外加磁场的增大,x =3的合金磁致伸缩性能逐步降低.Kaw am iy a 等人[9]对Fe 100-x Ga x (x <14)的研究表明,Fe Ga 合金中Fe 原子磁矩随x 的增加而增大,随着Ga 原子的掺入,Ga 的价电子填充到了Fe 的3d +上,增大了与3d -的差值,造成Fe 原子磁矩的增加.随着Ga 浓度的增加,3d +次能带上电子随之增加,结果体现为Fe 的原子磁矩随Ga 质量分数的增加而增大,当3d +次能带被填充满时,Ga 的价电子就会填充到3d -上,Fe 原子磁矩随之下降.Cu 的外层电子为3d 104s 1,Ga 为3d 104s 24p 1,当以Cu 原子代替Ga 原子进入晶体时相当于稀释了可以进入Fe 原子3d 能级的外来电子浓度,致使磁致伸缩性能下降.但从图6b 可以看出磁致伸缩性能并非线性递减,这或许是由于Cu 的添加使得晶体的晶格常数发生了改变,从而使x =2、3时合金的饱和磁致伸缩值比x =1时合金的饱和磁致伸缩值高.根据EDS 分析结果,当Cu 含量达到一定程度4 兰州理工大学学报 第36卷时便从基体析出,致使Cu原子在基体中的含量基本稳定,从而使晶格畸变和电子稀释的作用保持平衡,因此x=2与x=3时合金的饱和磁致伸缩性能相等.能带理论认为,合金相的形成与晶体中电子数量、Ferm i能和相应结构的Bir llouin区有关,而材料的磁致伸缩性能本质源于晶体中原子的电子轨道及电子排布,因此,在Fe Ga合金中加入3d层全空的Al元素和4s1元素Cu对合金相及对合金电子层次的影响还需进一步研究.3 结论通过第三组元(Al、Cu)添加对Fe83Ga17合金相结构和磁致伸缩性能影响的研究发现,铸态Fe83Ga17-x M x(x=0、1、2、3;M=Al、Cu)合金保持了A2相结构.Fe83Ga17-x Al x合金中A l元素相对比较均匀;随着Cu含量的增加,Fe83Ga17-x Cu x合金中出现富Cu相,并在晶界处析出.在Fe83Ga17合金中添加少量的Al、Cu明显降低了材料的磁致伸缩性能. Fe83Ga17-x Al x合金随着A l含量的增加饱和磁致伸缩值先增大后减小,当x=2时最大为17 10-6; Fe83Ga17-x Cu x在x=2、x=3时,出现了相同的饱和磁致伸缩值39 10-6,略高于x=1时的31 10-6.对比2种添加第三组元合金的磁致伸缩性能,添加Cu元素效果明显优于添加Al元素.参考文献:[1] DAI Liyang,Cullen Jam es,Wuttig M anfred,e t al.M agnetism,elasticity,and m agnetostriction of Fe Co Ga alloys[J].J Appl Ph ys,2003,93(10):8627 8629.[2] S RISU KHU M BOW ORNCH AI N,GURU SW AM Y rgem agn etostriction in directionally s olidified Fe Ga and Fe GaAl alloys[J].J Ap pl Phys,2001,90(11):5680 5688.[3] SRISUKH UM BOW ORNCH AI N,GU RU SWAM Y S.Influen ce of ordering on the m agnetostriction of Fe 27.5%Ga alloys[J].J Appl Phys,2002,92(9):5371 5379.[4] CLARK A E,RES TORFF J B,WU N FOGL E M,e t al.M agn etostriction of tern ary Fe Ga X(X=C,V,Cr,M n,Co,Rh)alloys[J].J Appl Ph ys,2007,101(9):C507 1 C507 3.[5] CLARK A E,REST ORFF J B,W UN FOGLE M.Effect of inter stitial additions on magnetos triction in Fe Ga alloys[J].J Appl Phys,2008,103(7):B314 1 B314 3.[6] REST ORF J B,W UN FOGLE M,CLARK A E,et al.M agn etostriction of tern ary Fe Ga X alloys(X=Ni,M o,Sn,Al)[J].J Appl Phys,2002,91(10):8225 8227.[7] L OGRASSO T A,ROSS A R,SCH LAGEL D L,e t al.S tru ctural tran sform ations in quenched Fe Ga alloys[J].J AlloyC om pd,2003(1 2):95 101.[8] C LARK A E,WU N FOGLE M,REST ORF J B,et al.Effect ofqu enching on th e magnetostriction on Fe1 x Ga x(0.13<x<0.21)[J].IEEE T ran s M agn,2001,37(4):2678 2680.[9] KAW AM IYA N,ADAEH I K,NAKAM URA Y.M agneticproperties an d m oss abauer investigations of Fe Ga alloys[J].J Phys Soc,1972,33(5):1318 1327.5第3期 丁雨田等:第三组元(A l、Cu)添加对F e83Ga17合金相结构和磁致伸缩性能的影响。