（材料加工工程专业论文）tbdyfe巨磁致伸缩合金在静磁场诱导下的定向凝固.pdf

上海交通大学工学博上论文 摘要 磁致伸缩材料的主要功能是实现电信号和机械信号之间的转换。具有实用价值 的巨磁致伸缩材料t b d y f e 自上世纪7 0 年代问世以来，最先用于军事方面的声纳 装置。在上世纪9 0 年代以来，在民用工业领域的用途不断取得拓展，到目前己形 成5 亿美元以上并在不断增长的市场。 巨磁致伸缩材料的磁致伸缩性能具有各向异性，对于矾3 d y o ，f e l 9 合金，晶 体沿易磁化轴 取向可以获得最佳的磁致伸缩性能。但是采用传统的定向凝固 技术只能获得 和 择优取向。运用籽晶技术在提拉法中可以获得 取 向，但这种方法工艺较复杂，并且成分沿棒的轴向不一致。因而寻找一种有工业价 值的方法制备沿轴向 取向的t b o 3 d y o 7 f e l 9 合金是有意义的。 近2 0 来年的研究表明，磁性材料在磁场中凝固可以直接制备沿易磁化轴或难 磁化轴取向的晶体。在磁场中取向的机理与传统定向凝固中晶体取向生长的机理完 全不同，在传统的定向凝固中，热流沿着单一方向导出，沿着热流方向形核晶粒经 竞争生长后在液固界面以最小界面能的晶面不断向液相延伸，界面的过冷因素最终 修正定向生长的晶体取向。而在磁场中非定向传热的凝固，形核单晶晶粒的磁能与 环境的无序扰动能的对比决定晶体的取向，在液相占主体的固液相中环境的无序扰 动因素主要包括热无序效应和熔体的湍流。静磁场的作用在于抑制熔体湍流的同时 为形核单晶提供克服熔体粘性和热无序效应的平行于磁场方向的磁能，从而实现晶 体在凝固过程的取向。对于有各向异性的磁性材料，抗磁性材料能够获得沿难磁化 轴取向的晶体组织，铁磁性材料等则获得沿易磁化轴取向的晶体组织。 由于设备方面的因素，对于高温和远高于居里点的情况下，磁性材料在凝固中 取向的基本条件还缺乏较为定量的研究和认识，因而该技术到目前还未能得到工业 化运用。 我们自制了简易的磁场装置，该磁场装置可以安置在超高温度梯度定向凝固的 真空容器中。当熔体以较慢的冷却速率凝固时，磁场装置可以提供1 4 0 m t 的磁场 强度。试验采用高频加热。在1 4 0 m t 的静磁场中，在较慢冷却速率的样品中，平 行于磁场方向的织构开始出现。对于巾1 6 m m x l 8 m m 的t b o j d y 0 7 f c l9 合金，当冷却速 率为0 8 m i n 时，在试样的中部以平行于磁场的 取向的晶体组织为主，沿 易轴取向的晶体组织约占7 0 。取向的晶体组织以平行于磁场方向的片状的l a v e s 相为主。晶粒粗大，粗大的晶粒有利于磁致伸缩性能。当磁场为0 时，在同样的冷 却速率下，晶体组织是非取向的。 在同为立方l a v e s 相r e f e 系的磁致伸缩材料中，室温状态与t b 0 3 d y o 7 f e l9 合 摘要 金相比，t b f e 2 和d y f e 2 具有强的磁晶各向异性。在与t b 0 3 d y 0 7 f e l9 合金接近的凝 固参数和磁场条件下，t b f e l 9 和d y f e l 9 合金同样能获得沿易磁化轴取向的晶体， 其中t b f e i 9 以 为取向，d y f e l l 9 以 为取向。t b o 3 d y o 7 f e l 9 和t b f e 2 合金 的磁晶各向异性常数k l 为负，d y f e 2 合金的磁晶各向异性常数k 1 为正，因而他们 的易磁化轴取向不同。但是在我们的试验中，t b f e 2 和d y f e 2 并未比室温下磁晶各 向异性接近软磁的 1 b o 3 d y o7 f e l 9 合金表现出更为优异的顺磁生长特性，可能这与 它们在高温下的各向磁化率z 的差别减少有关。 在试验中，对于影响晶体取向的其他因素也进行了初步研究。材料的成分被发 现对晶体取向的影响较大，对于r f e ；合金，当铁含量趋于x 2 时，液固相中将有 过量的r f e 3 相析出，其次，随着铁含量的增加，液固并存的两相区的温度区间大 大减少，这样在凝固时随着温度的降低，固相迅速增加、熔体的粘度上升很快因而 不利于晶体取向。因此控制好r f 合会的材料成分有利于获得良好的晶体取向。 在磁场中定向的t b o 3 d y o 7 f e l 9 合金在1 8 7 m p a 的压应力和6 9 0 0 0 e 的磁场中 的磁致伸缩系数可以达到1 7 0 0 p p m ，这一数值要高于磁场预取向粉末冶金法制各的 产品，低于籽晶法制备的单晶 取向的性能。可以预计在实际运用中，随着取 向度的增加和晶体质量的改善，用这种技术可以制备更高磁致伸缩系数的 t b o 3 d y o 7 f e l 9 合金。 试验表明，降低熔体的冷却速率，可以大大降低熔体的湍流程度，这意味着慢 凝的熔体的湍流可以被较弱的静磁场所抑制。在这里需指出的是熔体的湍流被抑制 与熔体内部的运动被抑制是有区别的，前者指湍流向层流转变，熔体内部的运动仍 是存在的，熔体内部的运动被抑制需要很强的磁场。湍流被抑制就已经可满足晶体 取向所需要的较均匀的温度场的要求。综合这些内容，文中给出了磁场中凝固取向 控制的参考模型。许多铁磁性材料由于在高温熔点附近具有相对较高的残余磁晶各 向异性，因而在磁场中凝固时应当有着优良的顺磁生长特性。 关键词：磁致伸缩：取向；磁晶各向异性；湍流；热扰动；冷却速率；静磁场 凝固 i i 上海交通大学工学博士论文 a b s t r a c t i t i st h em a i nf u n c t i o no fm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l st oa c h i e v ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e r t i b i l i t y g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a lt b d y - f ef o u n di n1 9 7 0 s o n eo fi t s e a r l i e s ta p p l i c a t i o n sw a sa sh y d r o a c o u s t i ct r a n s d u c e r sf o rm i l i t a r yp u r p o s e w i t ht h e i n c r e a s i n gu s ei nc i v i li n d u s t r yf r o m1 9 9 0 s ，t h ei n c r e a s i n gm a r k e ti sa b o u t5h u n d r e d m i l l i o n sd o l l a r m a g n e t o s t r i c t i v ep r o p e r t i e so fm a g n e t o s t r i c t i o nm a t e r i a l sd e p e n dg r e a t l yo nt h e g r a i no r i e n t a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ef o rh i g h l ya n i s o t r o p i cm a g n e t o s t r i c t i o n t h eb e s t m a g n e t o s t r i c t i v ep r o p e r t i e sc a nb eo b t a i n e da l o n gt h e d i r e c t i o no ft b o 3 d y o 7 f e l 9 a l l o y h o w e v e r , o r i st h ep r e f e r r e dg r o w t hd i r e c t i o ni nc o n v e n t i o n a l d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e t h e o r i e n t e dc r y s t a lo ft b 0 3 d y o 7 f e l 9a l l o y c a no n l yb eg r o w nb ys e e d i n gt e c h n i q u e ，b u tt h i sp r o c e s si sc o m p l i c a t e da n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o na l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o no fr o di sh e t e r o g e n e o u s i ti so fs i g n i f i c a n tt h a t s e a r c h i n ga ni n d u s t r i a lm e t h o dt op r e p a r et b 0 3 d y 07 f e l 9w i t h o r i e n t a t i o r l s t u d i e si nr e c e n tt w e n t yy e a r ss h o wt h a ts o l i d i f i c a t i o ni nas t a t i cm a g n e t i cf i e l di sa n o v e lp r o c e s s ，w h i c hc a np r o d u c eo r i e n t e dm a g n e t i cm a t e r i a l sw i t he i t h e rt h e i re a s yo r t h e i rh a r dm a g n e t i z a t i o na x e sa l o n gt h ef i e l d t h e r ea r ed i f f e r e n to r i e n t a t i o nm e c h a n i s m f o rc o n v e n t i o n a ld i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o na n dt h a ti ns t a t i c m a g n e t i cf i e l d h e a t i s t r a n s f e r r e da l o n gad i r e c t i o ni nc o n v e n t i o n a ld i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ；t h ec r y s t a lf a c e s w i t hm i n i m u mi n t e r f a c ee n e r g ya f i e rc o m p e t i t i v eg r o w t he x t e n dc o n t i n u a l l yi n t ol i q u i d a l o n gt h ed i r e c t i o no fh e a t ，s u p e r c o o l i n gf a c t o r si ni n t e r f a c ew i l lm o d i f yt h ed i r e c t i o no f c r y s t a lg r o w t he v e n t u a l l y i ns o l i d i f i c a t i o nw i t hn o n - d i r e c t i o n a lh e a tc o n d u c t i o nu n d e ra s t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，t h er i v a l r yb e t w e e nm a g n e t i ce n e r g yo fs i n g l en u c l e ia n dd i s o r d e r d i s t u r b a n c e e n e r g yi n e n v i r o n m e n tw i l ld e t e r m i n et h e c r y s t a l o r i e n t a t i o n i na l i q u i d - s o l i dc o e x i s t i n ga r e aw i t h am a j o r i t yo f l i q u i d ，d i s o r d e rd i s t u r b a n c ef a c t o r s i n c l u d em a i n l yt h e r m a ld i s o r d e re f f e c ta n dt u r b u l e n c ei nm e l t s t a t i cm a g n e t i cf i e l dw i l l s u p p r e s st h et u r b u l e n c ei nm e l t ，m e a n w h i l e ，i n d u c em a g n e t i ce n e r g yo fs i n g l en u c l e i a l o n gt h ef i e l dt oo v e r c o m em e l tv i s c o s i t ya n dt h e r m a ld i s o r d e re f f e c t c o n s e q u e n t l y , t h eo r i e n t a t i o no fc r y s t a l sw i l lb ea c h i e v e dd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nc o n r s e f o rm a g n e t i c m a t e r i a l sp o s s e s s i n gm a g n e t i ca n i s o t r o p y ，c r y s t a ls t r u c t u r ew i l lb eo r i e n t e da l o n g h a r d m a g n e t i z a t i o na x e si nd i a m a g n e t i cm a t e r i a l s ，a n dc r y s t a lo r i e n t a t i o na l o n gt h e e a s ym a g n e t i z a t i o na x e sw i l tb eo b t a i n e di nf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l se t c d u et oa b s e n c eo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，n oq u a n t i t a t i v er e s e a r c h e sw e r ed o n e 1 1 1 a b s t r a ( ! r f o r e s s e n t i a lc o n d i t i o n so fo r i e n t a t i o nf o rm a g n e t i cm a t e r i a l ss o l i d i f i e da t h i 【g h t e m p e r a t u r e sf a ra b o v et h e i rc u r i ep o i n t t h e r e f o r et h e r ei sn oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f s o l i d i f i c a t i o ni na m a g n e t i cf i e l dt oa c h i e v ec r y s t a lo r i e n t a t i o np r e s e n t l y w em a d eas i m p l em a g n e t i ca p p a r a t u s , w h i c hc a nb ei n s t a l l e di nav a c u u m c o n t a i n e ro fad i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ne q u i p m e n tw i t hs u p e rh i g ht e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h em a g n e t i cf i e l do f1 4 0m tc a nb em a i n t a i n e dw h i l es o l i d i f i c a t i o na ts l o wc o o l i n g r a t e a d a p t a t i o no fh i g h f r e q u e n c yw a st oh e a ts a m p l ei ne x p e r i m e n t t e x t u r e sb e ：g i nt o a p p e a ra l o n gt h ef i e l dw h i l es a m p l es o l i d i f i e da ts l o wc o o l i n gr a t ei nam a g n e t i cf i e l do f 1 4 0m t f o rt b 0 ，3 d y o 7 f e l 9a l l o yw i t hs i z e0 1 6 m m x l 8 m m ，t h ec r y s t a ls t r u c t u r ew i t h o r i e n t a t i o na l o n gt h ef i e l di sd o m i n a n ti nm i d d l ep a r to fs a m p l ew h i l ea tc o o l i n g r a t eo fo 89 c m i n ，c r y s t a lg r a i n sa l o n gt h ee a s ya x e sa r ea b o u to f7 0 i ns p e c i m e n p l a t e - l i k ec r y s t a lg r a i n so fl a v e sp h a s ei no r i e n t e ds p e c i m e na l ea l o n gt h ef i e l d ，s i z eo f c r y s t a lg r a i n si sc o a r s e r w h i c hi s b e n e f i c i a lt o m a g e n t o s t r i c t i v ep r o p e r t i e s t h e o r i e n t a t i o no fc r y s t a lg r a i n sa r ei nr a n d o mw h i l ea tt h es a m ec o o i n gr a t ei nz e r o m a g n e t i cf i e l d a sam a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a lo fc u b i cl a v e sp h a s ei nr e - f es y s t e m ，t h et h f e 2 a n d d y f e 2c o m p o u n d sp o s s e s st h el a r g em a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p y a tr o o m t e m p e r a t u r e d u e t ot h ec o m b i n a t i o no f t h et b f e 2 c o m p o u n da n dd y f e 2 ，t h e m a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p yo ft b o 3 d y 0 7 f e l 9a l l o yi s r e d u c e dg r e a t l y c r y s t a l o r i e n t a t i o na l o n gt h ee a s ya x i sf o rt b f e l 9a n dd y f e l 9a l s oc a nb eo b t a i n e db yt h e s i m i l a rc o n d i t i o no fo r i e n t a t i n gt b 03 d y 0 7 f e l 9a l l o y t b f e l 9a l l o yi so r i e n t e da l o n g d i r e c t i o nw h i l ed y f e l 9a l l o ya l o n g d i r e c t i o n t h et b f e 2c o m p o u n da n d t b 03 d y o 7 f e l9a l l o yp o s s e s st h em i n u sm a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p yc o n s t a n tk 1 ，a n d d y f e 2e x h i b i t sal a r g ep o s i t i v ek 1 t h e r e f o r e ，t h e i rd i r e c t i o n so fe a s ym a g n e t i ca x i sa r e a l o n gd i f f e r e n tc r y s t a lo r i e n t a t i o n s h o w e v e r , f o rt h o s ec o m p o u n d s ，t h eg r e a td i f f e r e n c e i nm a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p ya tr o o mt e m p e r a t u r es e e m st oh a v en on o t a b l e i n f l u e n c eo nt h et e x t u r ef o r m a t i o nd u r i n gt h e i rs o l i d i f i c a t i o nc o u r s ea th i g l lt e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y i tm a yb ee x p l a i n e db yt h a tt h ev a l u e so fa x ( t h ea n i s o t r o p yo ft h e p a r a m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fc r y s t a l ) f o rt b f e 2 、d y f e 2a n dt b o ，3 d y o 7 f e l 9a l l o yt e n d t ob ec l o s et oe a c ho t h e ra th i g ht e m p e r a t u r e s o t h e rf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec r y s t a l so r i e n t a t i o na r ea l s os t u d i e di ne x p e r i m e n t t h ec o m p o s i t i o ni sf o u n dt oa f f e c tt h ec r y s t a lo r i e n t a t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n f o rr f e y a l l o y s ，e x c e s s i v er f e 3p h a s e sw i l lp r e c i p i t a t ei nl i q u i d - s o l i dp h a s ew h e nf ec o n t e n t t e n d st oy 2 f u r t h e r m o r e ，t h et e m p e r a t u r ei n t e r v a lo fl i q u i d s o l i dp h a s ei sg r e a t l y i v 一一一 二! 童壅望查堂三堂堡主堡皇 r e d u c e d ，t h e ns o l i dp h a s ei n c r e a s eg r e a t l ya sw e l la sv i s c o s i t yo fl i q u i da st e m p e r a t u r eo f m e l td e c r e a s e s ，w h i c ha r eu n f a v o r a b l ef o rc r y s t a lo r i e n t a t i o n hi sn e c e s s a r yt oc o n t r o l t h ec o m p o s i t i o no fr f e xa l l o y sf o rab e t t e rc r y s t a lo r i e n t a t i o n t h em a g n e t o s t r i c t i o no ft h eo r i e n t e dt b 0 3 d y o t f e l9a l l o ya l o n gt h ef i e l dr e a c h e s 1 7 0 0 p p mu n d e r1 8 7 m p aa n d6 9 0 0o e s u c hav a l u ei sh i g h e r t h a nt h a ti nt h e g r a i n - a l i g n e ds i n t e r e dc o m p a c tp r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n i q u e ，a n dl o w e r t h a nt h a ti n 一o r i e n t e ds i n g l ec r y s t a l h o w e v e r , t h eh i g h e ro r i e n t a t i o nd e g r e eo f t 0 0 3 d y 07 f e l9a l l o ys h o u l d b ea c h i e v e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o nb y s l o wc o o l i n gi na r e l a t i v e l ys t r o n gm a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t o s t r i c t i v ep r o p e r t i e sw o u l db e e n h a n c e d f u r t h e r e x p e r i m e n t s s h o wt h a tu s i n gal o wc o o l i n gr a t ec a ng r e a t l yw e a k e nt h e d i s t u r b a n c ed e g r e ei n s i d em e l t , a n daw e a kd i s t u r b a n c ec a nb er e s t r a i n e di nar e l a t i v e l y w e a km a g n e t i cf i e l d i tn e c e s s a r yt om a k ec l e a rt h a tt h e r ea r ed i f f e r e n c e sf o rs u p p r e s s e d t u r b u l e n c ea n dr e s t r a i n e dm o t i o ni nm e l t t h ef o r m e rm e a n st h a tl a m i n a rf l o wr e p l a c e s t u r b u l e n c eb u tt h em o t i o ni nm e l ts t i l le x i s t s r e s t r a i n i n gt h em o t i o nr e q u i r e sv e r y s t r o n gm a g n e t i cf i e l d t h ee v e nt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb ef i t f o rc r y s t a lo r i e n t a t i o nb y s u p p r e s s i n gt u r b u l e n c e i nm e l t s u m m a r i z i n gt h o s ei n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o n ，a m o d e lo fc o n t r o l l i n gc r y s t a lo r i e n t a t i o nb ys o l i d i f i c a t i o ni nm a g n e t i cf i e l di sp r o p o s e d m a n yf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sm a yb er e a d i l yo r i e n t e dd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nc o u r s ei n f i e l dd u et ot h e i rr e l a t i v e l yl a r g er e s i d u a li 斯ia th i g ht e m p e r a t u r e sn e a rm e l t i n g p o i n t k e yw o r d s ：m a g n e t o s t r i c t i o n ；o r i e n t a t i o n ；m a g n e t i ca n i s o t r o p y ；t u r b u l e n c e ；t h e r m a l d i s o r d e r ；c o o l i n gr a t e ；s t a t i cm a g n e t i cf i e l d ；s o l i d i f i c a t i o n v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：审p ；韦复 日期：如( 年l o n g 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密a 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：邓沛鲤 日期：洫l ( 年i 。月1 岙日 撇：尊盛司 日期：h l 。6 年卜月2 2 日 上海交通大学工学博士论文 绪论 对磁性材料最早的接触可以追溯到两千年以前对天然磁铁的发现，而磁性材 料的制备则是近2 0 0 年来的事情。并且随着产业革命和科学研究的深入，新的磁 性材料不断被发现，广泛地应用于工业和社会生活的众多领域，成为当代新技术 的重要的物质基础。磁性材料一般用于制造磁功能器件，目前的磁功能材料包括 硬磁材料，软磁材料，半硬磁材料，磁致伸缩材料，磁性薄膜，磁性微粉，磁性 液体，磁致冷材料及磁蓄冷材料等。统称磁功能材料。 其中的磁致伸缩材料指的是在外加磁场磁化时长度和体积发生变化的磁功 能材料【1 i 。磁致伸缩系数a 被用来反映材料在磁场中的磁致伸缩应变。铁磁性的 金属问化合物r f c 2 ( r 代表稀土元素n 、d y 、h o 、e r 、s m 、1 m 等) 在室温下 的磁致伸缩系数a 可达到1 0 r 4 1 0 - 3 数量级，被称为巨磁致伸缩材料【2 3 1 。但这些 二元金属间化合物具有很大的磁晶各向异性，只有在强的外加磁场中才有大的磁 致伸缩系数。在t b f c 2 合金中引入d y ，合成的t b o3 d y o 7 f c 2 p _ 6 l 的磁晶各向异性 大大降低，接近软铁磁材料，可在较弱磁场下驱动，同时仍然保留了高的磁致伸 缩性能。此外t b o 3 i ) y o 7 f e 2 还具备机械应力高、响应速度快、机电耦合系数高、 居里温度高、高可靠性、环保性优良等特点，可精确地实现电信号和机械信号的 转换，能够满足实用的要求，具有高的经济价值和广泛的发展前景。稀土铁巨磁 致伸缩材料是继稀磁光、稀土永磁、稀土超导材料发现之后的又一种重要的新 型稀土功能材料。 磁致伸缩材料一般具有磁致伸缩各向异性。以最有代表性的f r o 。d y x - x ) f c v ( x = 0 2 7 0 3 ，y = 1 9 2 ) 为例，k u t 九1 0 0 【3 】，即沿晶体的易磁化轴 方向具有 最大的磁致伸缩应变，远大于沿晶体的难磁化轴 方向的磁致伸缩应变。到 目前为止大部分的磁致伸缩材料具有最大的磁致伸缩应变的取向就是晶体的易 磁化轴方向，制备轴向为沿易轴取向的多晶或单晶的棒材可充分发挥磁致伸缩材 料的功能。目前提拉法，坩埚移动法，水平区熔法以及液态金属冷却区熔法等被 用来制备 t b x d y l o f 钾棒材 5 - - 9 1 ，但只能获得 或 的择优取向。研究一 直在探索一种具有工业意义的方法以获得稀土巨磁致伸缩材料沿易磁化方向取 向的晶体。 磁性材料最主要的特点是有自发磁化现象。大多的磁性材料具有和自发磁化 强度方向有关的能量各向异性，称磁各向异性；也即自发磁化强度指向晶体某些 特定的方向时，材料的内部能量小于磁化强度指向其他方向的内能，表现出磁各 向异性能。单晶体的磁各向异性称为磁晶各向异性。对于铁磁类材料，如果沿易 第一章绪论 磁化轴加磁场磁化，则可以利用较低的磁场得到较高的磁化强度。对于加工方法 而言，磁晶各向异性的存在为磁场运用于材料的加工过程制备沿易轴取向的晶体 提供可能。粉末冶金法中就常用磁场来预取向。 近来有研究探索对磁性材料的高温熔体( 远高于居里点) 施加磁场以控制凝 固过程中的织构取向研究证实，对于在高温状态有残余磁晶各向异性的材料， 在磁场作用下的接近熔点的熔体中的晶粒取向可沿易轴或难磁化轴平行于磁场 方向【m 1 2 1 。但对高熔点的磁性材料在磁场中凝固取向行为缺少较为定量的研究 使得对该领域的认识还较为模糊。一般的观念停留在对仅有的几篇文献的认识上 即认为只有在数特斯拉的强磁场才能诱导高温状态的微晶的残余各向异性能以 实现晶体取向。鉴于真空设备附加强磁场需要昂贵的投资，这使得尽管磁场对材 料在高温凝固过程中取向的影响虽已被认识多年，但这种能非常有效地制备沿易 轴取向晶体的新技术却没被运用到稀土巨磁致伸缩材料的制备上。 在高温凝固过程中，磁场抑制导电熔体的湍流是获得晶体取向的基本条件。 这里需要强调指出的是，抑制熔体湍流是指熔体状态由湍流向层流转变，而非完 全抑制熔体内部原子的运动，前者的实现与熔体的冷却与凝固速率和磁场强度有 关；后者的实现的确需要数特斯拉以上的强磁场。认识到这一点是开展研究的关 键。在制备半导体的m c z 法中，1 0 0 - 3 0 0 m t 的磁场足以抑制湍流实现无溶质带 的晶体生长【1 3 ，1 4 l 。 当然还应注意到不同类别的材料在凝固过程中取向的难易程度。对于抗磁性 材料而言，在室温时材料的磁化率lzi 一般在l 矿至1 0 7 的数量级，i zi 会相应 下降。有研究表明在2 0 0 m t 至5 0 0 r o t 的磁场中凝固，这类材料l l o , 1 5 1 可获得良好 的取向组织。大部分抗磁性材料的一个特点是z 一般不随温度升高而变化。铁磁 性材料在居里点以上转变为顺磁材料，在熔点附近的高温状态其各向磁化率大为 降低，但仍应比常温的顺磁材料、抗磁材料在熔点附近的z 高出若干数量级， 如s m c o 合金1 1 2 j 在1 1 7 5 ，a z 为2 5 x 1 0 - 4 ，因而应该具备优良的在凝固过程中 被磁场诱导取向的能力。r f c 系合金在常温时为磁化率很高的铁磁性材料。 目前对磁致伸缩材料的开发和研究不断取得一些成果，n i m n g a 、f e g a 等 材料在磁致伸缩性能等方面也有引人注目之处，许多这些材料同样希望获得沿易 轴的取向，而在传统的定向凝固技术中，不少材料的择优生长方向沿着非易轴取 向因此在凝固过程中通过磁场诱导取向的这一新技术对磁性材料尤其是磁致伸 缩材料的制备的意义是明显的。 2 上海交通大学工学博士论文 参考文献 【1 】钟文定，铁磁学，中册，科学出版社，1 9 8 7 ，p 2 1 1 2 】c l a r ka e ，l k l s o n h s ，m a g n e t o s t r i c t i o no ft b f ea n dt b - c oc o m p o u n d s ，a i p c o n f p r o c 1 9 7 2 , 5 ；1 4 9 8 【3 c l a r ka e ，f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l s ，v o l1 w o h l f a r t hebn o r t h h o l l a n d p u b l i s h i n gc o m p a n y , a m s t e r d a m ，1 9 8 0 , p 5 3 1 【4 b e c k yj o n e sa n dc h e nl i a n g , m a g n e t o s t r i c t i o n ：r e v e a l i n gt h eu n k n o w n , i e e e a e s s y s t e m sm a g a z i n e , 1 9 9 6 m a r c h ：3 - 6 【5 k o o nn c w i l l i a m sc ma n dd a sb ，n g i a n tm a g n e t o s t i c t i o nm a t e i a l s ，j m a g n m a g n m a t e r ，1 9 9 1 ，1 0 0 ：1 7 3 - 1 8 5 【6 c l a r ka ea n ds a v a g eh t ，m a g n e t o s t r i c t i o no fr a r ee a r t h f e ec o m p o u n d su n d e r c o m p r e s s i v es t r e s s ，j m a g n m a g n m a t e r ，1 9 8 3 ，3 1 - 3 4 ：8 4 9 8 5 1 吲v e t h o e v e nj d ，g i b s o ne d ，m c m a s t e r so da n db a k e rh ，ht h eg r o w t ho fs i n g l e c r y s t a lt e f e n o l dc r y s t a l s ，m e t a l l u g l c a lt r a n s a c t i o na ，1 9 8 7 ，1 8 a ：2 2 3 - 2 3 1 【8 b iy ja n da b e uj s ，m i c r o s t u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o no ft e r f e n 0 1 dc r y s t a l s p r e p a r e db yt h ec z o c h r a l s k it e c h n i q u e ，j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 9