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Fe-Ga合金和Fe-Ga薄膜的组织成分和性能研究

作　者: 潘津
导　师: 张晨曙
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Fe-Ga合金 Fe-Ga薄膜 熔炼工艺 热处理 磁控溅射
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 35次
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内容摘要


Fe-Ga合金超磁致伸缩薄膜（GMF）是一种新型的功能薄膜，有望克服块体Fe-Ga合金的缺点，具有比Terfenol-D薄膜更加优越的性能，因此，对Fe-Ga GMF的研究，已日益受到人们的重视。本文采用真空感应熔炼法制备了四种Fe100-xGax（x=15，16，17，18）合金，研究并优化了熔炼工艺；用磁控溅射方法制备了不同厚度的7种薄膜，用光学显微镜、XRD、扫描电镜对Fe-Ga合金和Fe-Ga薄膜进行了组织和性能表征，分析了Fe-Ga薄膜形成机制。主要得到以下结果：（1）利用真空感应熔炼炉熔炼Fe-Ga合金时，熔炼炉内的真空度和电流强度对合金的烧损量影响较大，随着真空度的降低，Fe-Ga合金的烧损量减小。在一定的范围内，随着电流的增大，Fe-Ga合金烧损量增大。在一定的范围内，当电流增大到使Fe-Ga合金的熔炼温度超过其沸点时，Fe-Ga合金中的成分会挥发，故电流的大小设置应适当；另外石英坩埚至模具的距离也会不同程度的影响合金铸造性能。通过适当增大电流强度、减小石英坩埚至模具的距离可以改善合金的铸造性能。（2）Fe100-xGax(原子含量，（x=15，16，17，18）四种合金的金相组织形态相同，合金中有部分的亚晶界，合金中的黑点为Ga的析出相。四种Fe-Ga合金的维氏硬度随着合金中Ga元素含量的增加，其硬度也越来越高。利用能谱仪对Fe83Ga17合金进行成分测试结果表明，通过真空感应熔炼得到的Fe-Ga合金棒成分比较均匀。（3）不同的热处理方式能使Fe-Ga合金中出现有序-无序转变，形成不同的相，从而改变合金的磁致伸缩性能。其中淬火能使Fe83Ga17合金的磁致伸缩应变增大。铸态的Fe83Ga17合金微观组织中形成了晶粒较大的等轴晶，经过淬火处理后形成了树枝晶，退火后的晶粒形态变化不大，晶粒有一定程度的细化。（4）利用磁控溅射方法制备Fe-Ga薄膜，结果表明磁控溅射功率对Fe-Ga薄膜的厚度有影响，在50W-100W范围内，随着溅射功率的增加，薄膜的厚度也随之增大，在功率为100W时，薄膜厚度达到最大162.16nm。经过热处理后的Fe-Ga薄膜的组织发生了变化，内部的缺陷减少了，薄膜变得更致密、更均匀。对热处理后的Fe-Ga薄膜测量了维氏硬度，发现薄膜的硬度与溅射时的功率存在一定关系，在50W-100W范围内，薄膜的硬度随着功率的增加而增大，在功率为100W时，薄膜硬度达到最大值124N/mm2。磁控溅射圆形靶材的刻蚀呈圆环状，经过理论计算和分析发现，靶材的利用率很低。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-24
  1.1 引言  8
  1.2 磁致伸缩的基本原理  8-11
    1.2.1 磁致伸缩现象  8-9
    1.2.2 磁致伸缩唯象理论  9
    1.2.3 磁致伸缩物理机理  9-11
  1.3 磁致伸缩材料的发展与应用  11-15
    1.3.1 磁致伸缩材料的发展  11-13
    1.3.2 磁致伸缩材料的种类  13
    1.3.3 磁致伸缩材料的应用  13-15
    1.3.4 磁致伸缩材料的制备  15
  1.4 Fe-Ga 合金概述  15-22
    1.4.1 Fe-Ga 合金磁致伸缩材料的发现  15
    1.4.2 Fe-Ga 合金成分及制备方法  15-17
    1.4.3 热处理对 Fe-Ga 合金组织和性能的影响  17-20
    1.4.4 Fe-Ga 合金超磁致伸缩薄膜  20-22
  1.5 研究目的、意义及主要内容  22-24
    1.5.1 研究的目的及意义  22-23
    1.5.2 主要研究内容  23-24
第2章 试验方法  24-31
  2.1 试验流程  24-25
  2.2 试验设备  25-29
    2.2.1 VIF-1 真空感应熔炼炉  25-27
    2.2.2 JZCK-600F 型多功能镀膜设备  27-29
  2.3 分析测试技术  29-31
    2.3.1 光学显微镜  29
    2.3.2 X 射线衍射分析  29-30
    2.3.3 能谱分析  30
    2.3.4 合金力学性能检测  30-31
第3章 真空感应熔炼制备 Fe-Ga 合金的工艺探究  31-38
  3.1 试验方案  31
  3.2 试验结果及分析  31-37
    3.2.1 真空度对 Fe-Ga 合金烧损的影响  31-32
    3.2.2 电流强度对 Fe-Ga 合金烧损的影响  32-33
    3.2.3 熔炼工艺对 Fe-Ga 合金铸造性能影响的研究  33-36
    3.2.4 熔炼工艺对石英坩埚破裂的影响  36-37
  3.3 本章小结  37-38
第4章 铸态 Fe-Ga 合金棒的结构及性能  38-47
  4.1 试验方案  38
  4.2 试验结果  38-46
    4.2.1 熔炼所得四种铸态 Fe-Ga 合金棒  38-39
    4.2.2 四种铸态 Fe-Ga 合金棒的显微组织  39-40
    4.2.3 Fe_(83)Ga_(17)合金棒的能谱分析  40-44
    4.2.4 四种铸态 Fe-Ga 合金棒的力学性能  44-45
    4.2.5 分析与讨论  45-46
  4.3 本章小结  46-47
第5章 Fe-Ga 合金的热处理  47-52
  5.1 试验方案  47
  5.2 试验结果  47-51
    5.2.1 Fe_(83)Ga_(17)合金棒的微观组织图  47-48
    5.2.2 Fe_(83)Ga_(17)合金棒的 XRD  48-50
    5.2.3 结果分析与讨论  50-51
  5.3 本章小结  51-52
第6章 Fe-Ga 薄膜的制备及薄膜的结构与性能  52-60
  6.1 试样制备与试验方法  52-53
  6.2 试验结果  53-57
    6.2.1 溅射功率与薄膜厚度关系  53-54
    6.2.2 薄膜的 XRD  54-55
    6.2.3 薄膜的热处理  55
    6.2.4 薄膜的硬度测试  55-56
    6.2.5 靶材的利用率  56-57
  6.3 结果分析与讨论  57-59
  6.4 本章小结  59-60
第7章 结论  60-61
参考文献  61-65
发表论文和参加科研情况说明  65-66
致谢  66-67

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