一种具有高功能寿命的磁性记忆合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有高功能寿命的磁性记忆合金及其制备方法 ([db:专利名称-en]) 是由 巨佳 刘壮 康彦 张思斌 巴志新 毛向阳 张保森 许永祥 张慧 于 2018-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有高功能寿命的磁性记忆合金及其制备方法,属于形状记忆合金领域,该合金与其他磁性形状记忆合金相比具备优良力学性能的和高功能寿命这两方面的优点。该合金化学式为：Co<Sub>x</Sub>Ni<Sub>y</Sub>Al<Sub>z</Sub>Nd<Sub>j</Sub>；其中,31.9≤x≤39.8,30.1≤y≤34.6,29.2≤z≤35.7,0.8≤j≤1.5,x+y+z+j＝100,x、y、z、j表示摩尔百分比含量。本发明磁性形状记忆合金与现有材料相比,在记忆合金的第二相周围形成了共格超细的Co<Sub>7</Sub>Nd<Sub>2</Sub>金属间化合物,在强化第二相力学性能同时大大的提高了其磁性能和抗功能疲劳性能,使合金兼具优良力学性能和高功能寿命,大大的拓宽了该类合金的工业应用范围。([db:摘要-en])
技术领域
本发明属于形状记忆合金领域，具体涉及一种具有高功能寿命的磁性记忆合金及其制备方法。
背景技术
现在社会正以空前的速度飞快地发展，在发展过程中强烈地依赖于材料、信息和能源产业。材料在其中扮演着举足轻重的作用。而智能材料是世界上迅速发展的材料技术的一个新领域。应用最广泛的智能材料有压电材料，磁致伸缩材料和形状记忆合金。最近，发现了许多具有多种功能的新材料，如铁磁铁电材料，铁电形状记忆合金，铁磁性形状记忆合金。其中铁磁性形状记忆合金兼具高响应频率和大磁致应变，成为工业执行器的理想材料之一。
目前，在工业应用中执行器件需要面临着较高的使用频率和使用次数，在多次高频循环应变以后，作为执行器关键材料的铁磁性形状记忆合金的磁致应变功能逐渐衰退，导致执行器的功能衰退乃至失效，极大的阻碍了以该类材料为核心部件的执行器在工业上的应用和推广。对此期望开发出一种力学性能优良、较大的磁致应变和高功能疲劳寿命的新型磁控形状记忆合金来加速其工业应用和推广。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种具有高功能寿命的磁性记忆合金，同时提供了一种具有高功能寿命的磁性记忆合金的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：一种具有高功能寿命的磁性记忆合金，其特征在于：以摩尔百分比计，其原料及配比如下：
本发明还公开了一种具有高功能寿命的磁性记忆合金的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
S1.配料：按上述比例配料秤重；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.5×10-2～1×10-3MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1550～1650℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为11～15s·g-1/2，M为所熔炼合金的质量，单位为g；t为熔炼时间，单位为s；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度630～680℃；时间：7～15小时；真空度：5×10-2～1×10-3MPa；施加磁场强度：1×105～5×106A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.01～0.5℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
进一步地，本发明的具有高功能寿命的磁性记忆合金，其特征在于，该记忆合金的化学式为：CoxNiyAlzNdj；其中，31.9≤x≤39.8，30.1≤y≤34.6，29.2≤z≤35.7，0.8≤j≤1.5，x+y+z+j＝100，x、y、z、j表示摩尔百分比含量。
进一步地，本发明的具有高功能寿命的磁性记忆合金，其特征在于，在记忆合金的第二相周围形成了共格超细的Co7Nd2金属间化合物。
本发明所制造的合金具有能在室温范围内通过外磁场控制产生变形的能力并具有较高的功能寿命。本发明磁性形状记忆合金在第二相周围形成了共格超细的Co7Nd2金属间化合物，该金属间化合物兼具良好的力学性能和磁性性能的特征，促使合金能够实现兼具优良力学性能和高功能疲劳寿命的特点。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提出了一种具有高功能寿命的磁性记忆合金，该合金相对于其他磁控形状记忆合金在在记忆合金的第二相周围形成了共格超细的Co7Nd2金属间化合物，在强化第二相力学性能同时大大的提高了其磁性能和抗功能疲劳性能，使合金兼具优良力学性能和高功能寿命，大大的拓宽了该类合金的工业应用范围。
本发明的一种具有高功能寿命的磁性记忆合金与现有材料相比具备优良力学性能的和高功能寿命这两方面的优点。
(1)：力学性能的强化：Nd元素在Co基合金中的固溶度较高，通常以间隙原子形式固溶在组织中。但在本发明专利的工艺条件下，部分Nd元素在磁场热处理过程中偏聚于晶界处的第二相周围，造成第二相周围的Nd元素过饱和析出。同时，由于第二相为富Co相，Nd元素与Co在本发明专利的工艺条件下发生反应形成了共格超细的Co7Nd2金属间化合物。该金属间化合物具有优异的综合力学性能，尤其是其强度较高，使合金第二相的综合力学性能得到了大幅的提升，进而强化了合金的整体力学性能。
(2)：功能疲劳寿命的提高：孪晶马氏体孪晶界往复迁移后无法恢复到原状是磁性形状记忆合金的功能疲劳发生的主要原因之一。本发明专利中在第二相周围产生了较多的超细共格Co7Nd2金属间化合物，该相具备优异的综合力学性能，其优异的弹塑性在外磁场驱动合金孪晶马氏体迁移-恢复过程中起到了辅助的“推”和“拉”的作用，能够使孪晶马氏体孪晶界往复迁移后恢复到原状，进而提高合金的功能疲劳寿命。
(3)：制备方法：本发明采用真空坩埚熔炼，在熔炼过程中，由于体系呈真空状态，避免了合金因表面氧化而降低其力学和磁学性能。与传统方法相比，该方法还具有使合金内部熔炼缺陷向表面聚集的效果使材料的加工性能增强，例如孔洞等。既保证了纯金属有足够的时间和温度融化成合金锭，又可以保证在随后水冷过程中能够形成Co7Nd2金属间化合物；同时避免温度过高、时间过长发生合金成分烧损。合金组织中的Lu2Ni17金属中间相属于不稳定金属中间相，其在凝固阶段有分解的趋势，无法通过常规手段保留在合金组织中。但本发明采用磁场真空热处理的方式，以外加磁场的方式诱导合金中磁畴呈明显的择优分布，尤其是Co和Nd聚集的第二相组织，磁畴在外磁场驱动下定向排布，进而改变了Co7Nd2金属中间相磁熵，提高了Co7Nd2金属中间相的稳定性，使微米级别的Co7Nd2金属中间相能够稳定存在于本发明合金的第二相中，本发明的制备方法既保证了纯金属有足够的时间和温度融化成合金锭，又可以保证在随后水冷过程中能够形成稳定的Co7Nd2金属间化合物。同时还可以避免温度过高、时间过长发生合金成分烧损。
(4)：热处理方法：热处理采用真空磁场热处理，一方面可以有效地避免合金在高温热处理过程中表面氧化造成其力学性能及磁学性能的降低，例如：氧化后的合金磁质应变会大大降低以及马氏体相变温度的改变。另一方面可以通过施加磁场热处理，使合金中的磁性磁畴对出现方向有序，从而引起感生各向异性，提高合金的磁晶各向异性，而又不会因磁场强度和磁场上升速率过大而发生磁畴分散的现象。随后采用随炉冷却并缓慢卸除磁场，一方面可以通过缓慢冷却降低合金的内应力，另一方面可以在冷却过程中始终保持合金中磁畴的方向择优性。
综上所述，本发明提出了一种具有高功能寿命的磁性记忆合金及其制备方法，该合金相对于现有材料相比具备优良力学性能的和高功能寿命这两方面的优点。
附图说明
图1是本发明CoxNiyAlzNdj合金在室温下SEM图；
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
制备900g组成为Co35.6Ni33.2Al30.4Nd0.8的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.5×10-2MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1550℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为330s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为11s·g-1/2，M为900g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度630℃；时间：15小时；真空度：5×10-2MPa；施加磁场强度：1×105A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.01℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例2：
制备800g组成为Co39.8Ni30.1Al29.2Nd0.9的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.6×10-2MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1570℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为339s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为12s·g-1/2，M为800g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度640℃；时间：14小时；真空度：6×10-2MPa；施加磁场强度：5×105A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.1℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例3：
制备700g组成为Co31.9Ni31.3Al35.7Nd1.1的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.7×10-2MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1580℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为344s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为13s·g-1/2，M为700g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度650℃；时间：13小时；真空度：7×10-2MPa；施加磁场强度：1×106A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.2℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例4：
制备600g组成为Co32.7Ni34.6Al31.5Nd1.2的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.8×10-2MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1590℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为343s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为14s·g-1/2，M为600g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度660℃；时间：12小时；真空度：8×10-2MPa；施加磁场强度：2×106A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.3℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例5：
制备500g组成为Co37.5Ni30.9Al30.7Nd1.4的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.9×10-2MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1600℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为324s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为14.5s·g-1/2，M为500g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度670℃；时间：10小时；真空度：9×10-2MPa；施加磁场强度：4×106A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.4℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×gmm的样品进行检测各种特性曲线。
实施例6：
制备400g组成为Co32.3Ni32.8Al33.4Nd1.5的低疲劳的磁性记忆合金，其制备方法如下：
S1.配料：分别称量纯度为99.99％的Co、Ni、Al、Nd；
S2.熔炼：将配好的原料置于坩埚中进行真空熔炼，其熔炼条件为：a.1×10-3MPa的低真空状态；b.熔炼温度为1650℃；c.熔炼过程采用磁搅拌；d.熔炼时间为300s(按照公式t＝K×(M-1/2)来获得，式中元素系数K为15s·g-1/2，M为400g)；
S3.磁场热处理：将上述真空熔炼得到的合金锭进行真空磁场热处理，处理条件为：温度680℃；时间：7小时；真空度：1×10-3MPa；施加磁场强度：5×106A·m-1；磁场上升速率为：600A·m-1·s-1；
S4.冷却；随后随炉冷却，冷却速度范围为：0.5℃·s-1；磁场降低速率为：600A·m-1·s-1；待冷却至室温取出即得到最终的磁性记忆合金。
将上述方法制备的多晶样品用线切割切出5×5×8mm的样品进行检测各种特性曲线。上述实施例1-6的检测结果见表1。
表1 不同成分的CoxNiyAlzNdj材料的力学性能和功能疲劳寿命
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。