掺铜的Fe-81Ga-19合金中磁致伸缩效应的增强：A2基体中弹性常数降低的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced magnetostriction in Cu-doped Fe 81Ga 19 alloys: Role of elastic constant reduction in the A2 matrix

本研究通过定向凝固制备了<001>取向的Fe81-xCuxCuGa19合金，发现添加Cu可提升磁致伸缩，峰值达264ppm，其机制与A2相弹性常数c'降低相关，而非传统认为的m-D0?相增多，同时Cu固溶强化有效提高合金强度。

　　

陈斌|白玉青|范勇|张志硕|郭勇|龚圆圆|聂金峰|徐峰

南京工业大学材料科学与工程学院，中国南京210094

摘要

作为一种新型磁致伸缩材料，含有约19%镓（Ga）的Fe-Ga合金近年来在全球范围内受到了广泛关注。该领域的主要研究方向是探讨这种材料为何具有显著的磁致伸缩效应，并寻找有效的方法来增强这一物理现象。本研究聚焦于通过定向凝固技术制备的<001>取向的Fe_81-xCu_xGa₁₉合金，发现铜（Cu）的引入能够提高其饱和磁致伸缩率。当x=4时，在未施加外部应力的情况下，我们观测到饱和磁致伸缩率达到了264 ppm的峰值。有趣的是，研究结果表明，磁致伸缩率的提高并非由于改性D0₃纳米沉淀物的浓度增加所致（通常认为这是Fe₈₁Ga₁₉磁致伸缩率的主要贡献因素）。相反，我们认为磁致伸缩率的提升与A2基体的弹性常数c′的降低有关。此外，铜的引入还通过固溶强化作用提高了合金的机械强度。总体而言，我们的研究为开发具有优异性能的Fe-Ga合金提供了宝贵的理论依据。

引言

2000年，Clark等人[1]首次制备出了具有优异磁致伸缩性能的立方Fe-Ga合金，这标志着磁致伸缩领域的重要进展。Fe-Ga合金的最佳性能出现在镓含量为19%时，此时它们处于亚稳相图中的A2（无序体心立方）和D0₃（有序体心立方）相的相界处[2]、[3]、[4]。Fe₈₁Ga₁₉单晶在<001>方向上的饱和磁致伸缩率为约300 ppm（在约45 MPa的压力下），虽然低于著名的Terfenol-D（Tb_0.27Dy_0.73Fe₂），但比纯铁[5]、[6]高出十倍。此外，Fe-Ga合金还具有较高的抗拉强度、高磁导率和成本优势，使其成为脆性大且成本高昂的Terfenol-D的有吸引力的替代品[7]、[8]、[9]。

Fe-Ga合金研究的主要目标是揭示Fe₈₁Ga₁₉强磁致伸缩效应的起源，并探索增强这一效应的有效方法，例如通过引入第三种元素。研究表明，Fe₈₁Ga₁₉的磁致伸缩效应与其特殊的异质结构有关，这种结构特征是A2基体中嵌入了某些纳米沉淀物[10]、[11]、[12]。这些纳米沉淀物被鉴定为沿<001>方向排列的体心四方改性D0₃（m-D0₃）相[13]、[14]、[15]。理论和实验表明，m-D0₃相的形成可以通过调节自旋轨道耦合来增加磁弹耦合系数b₁，同时由于其弹性常数c₁₂高于A2相，从而降低弹性常数c′ = (c₁₁-c₁₂/2[16]、[17]、[18]。根据立方晶格沿<001>方向的磁致伸缩公式λ₀₀₁ = -b₁/3(c₁₁-c₁₂) = -b₁/3c′[19]、[20]、[21]，m-D0₃相有助于提高磁致伸缩率。后续研究还发现，引入稀土元素可以增加m-D0₃相的含量，从而进一步增强磁致伸缩效应[16]、[22]。

除了m-D0₃相外，A2相也对磁致伸缩现象有重要影响，因为铜在Fe₈₁Ga₁₉中的固溶作用会降低弹性常数c′[23]、[24]、[25]。这就提出了一个问题：是否可以通过修改A2相而非m-D0₃相来实现Fe₈₁Ga₁₉磁致伸缩率的提升。本研究提供了证据，表明掺铜的Fe₈₁Ga₁₉确实表现出这种改善效果。值得注意的是，Zhao等人[26]对掺铜Fe₈₃Ga₁₇多晶体的研究显示磁致伸缩率有所下降。然而需要强调的是，Fe-Ga合金的高磁致伸缩效应仅能在<001>方向上实现[27]、[28]。为了解决这一问题，我们采用了定向凝固技术制备了<001>取向的Fe_81-xCu_xGa₁₉合金。研究结果表明，铜的添加通过降低A2结构的弹性常数c′来增强<001>方向的磁致伸缩率。尽管我们也尝试了其他元素的掺杂，但大多数元素都对磁致伸缩率产生了负面影响（这与以往的研究结果一致[29]、[30]、[31]、[32]），唯独铜除外。此外，有趣的是，铜的引入还能显著提高合金的机械强度。这项研究为设计具有优异性能的Fe-Ga合金提供了宝贵的指导。

实验方法

实验方法

使用高纯度（99.99%）的铁（Fe）、铜（Cu）和镓（Ga），在氩气保护下通过电弧熔炼法制备了名义组成为Fe_81-xCu_xGa₁₉（x=0、2、4、6和8）的前驱体锭。每个锭子经过4次重熔后，被铸造成直径为4毫米的多晶棒。随后，将棒材放入氧化铝管中，并在定向凝固装置中加热至1600°C。温度稳定后，逐渐将管子从液态金属中抽出。

结果与讨论

图1(a)展示了C0-C8截面在室温下的XRD图谱。图中出现的(110)和(200)衍射峰表明这些样品主要保持了A2相。与非定向的Fe₈₁Ga₁₉多晶（其XRD图谱显示在图1(a)底部）相比，采用定向凝固工艺制备的样品显示出明显的(200)衍射峰，说明样品具有明显的<001>优先取向。

结论

总结来说，我们通过定向凝固技术制备了<001>取向的Fe_81-xCu_xGa₁₉（x=0、2、4、6和8）合金，并研究了铜（Cu）对Fe₈₁Ga₁₉磁致伸缩性能和机械性能的影响。结果表明，随着铜含量的增加，Fe-Cu-Ga合金的磁致伸缩率先增加后减少。当铜含量为4%时，磁致伸缩率达到264 ppm的峰值，高于未掺铜的Fe₈₁Ga₁₉合金。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。