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材料科学论坛第546-549卷(2007)第2143-2150页，在线http://www.scientificner
02007转化技术出版物。Swicerlam
先进的超磁致伸缩合金及其在主动振动控制执行机构中的应用
查纳波江阿利霍纳许。张天力，材料科学与航天工程学院，北京航空航天大学
航天，北京100083
邮箱:jiangcb@buaa.edu.cn, xulihong@mse.buaa.edu.cr tzhang@buaa.edu.cn，lsquo;tianyuma@mse.buaa.edu.cn
TbDyFe，磁致伸缩，工作温度范围，电阻率，耐腐蚀主动振动控制
摘要选择钴和硅作为替代物，分别提高了TbDyFe特种磁致伸缩合金的性能。结果表明，共掺杂Tbo 36Dyos4Fez合金在-80 ~ 100℃的较宽温度范围内具有较好的超磁致伸缩性能，具有良好的磁致伸缩性能、较高的电阻率和较好的耐腐蚀性
在Tbo:Dyo (Fersi)l os系统中获得。采用区域熔融定向凝固法制备了具有10gt;以下择优取向的高性能晶粒取向棒材。本文还介绍了用于主动振动控制的超磁致伸缩致动器(GMA)的设计与制造。实验结果表明，该算法具有良好的静态和动态性能。优秀的dampine效果。在10hz ~ 120hz的频率范围内得到20 ~ 30db。
介绍
TbDyFe超磁致伸缩合金是一种重要的智能材料，广泛应用于各种智能结构中。Tbo Dyo Fez是这些合金的典型成分之一，其温度范围仅在-20 ~ 60℃之间。高频电涡流由于其低电阻率[2]而耗散更多的能量。由于稀土元素的电极电位较低[3]，TbDyFe合金即使在潮湿的大气或海水中也容易发生电化学腐蚀，导致磁致伸缩严重失效甚至完全失效。开发先进的、工作温度范围宽、电阻率高、耐腐蚀性好的超磁致伸缩llavs是十分必要的
在此之前，人们已经选择了许多元素作为替代品来改善TbDyFe合金的电、磁和磁致伸缩性能[4-101]。研究发现，通过降低自旋重定向温度T和增加居里温度Tc，分别增加Tb/Dy比和用Co代替Fe，可以扩大工作温度范围[4-71]。虽然Al取代Fe可以提高TbDyFe的力学性能，但在高含铝样品中，电阻率只能略有提高，这极大地破坏了磁致伸缩。研究发现，随着电阻率[9]的增大，掺硅的TbDvFe合金具有较宽的工作频率范围。结果表明，硅可以提高Fe 10的耐蚀性。但对TbDvFesi合金的磁致伸缩和耐腐蚀性研究较少，特别是对取向晶体的磁致伸缩和耐腐蚀性研究较少
由于强烈的磁致伸缩各向异性,可以获得高性能磁致伸缩TbDyFe grain-aligned棒和优先方向lt;李gt;、lt; 110,lt; l12[1 - 141超磁致伸缩驱动器(GMA)由TbDyFe grain-aligned棒越来越活跃的微振动控制领域的吸引力。由于具有比传统压电驱动器更大的位移、输出力和更快的响应速度[15-171]。
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本文综述了近年来我实验室研究的两种磁致伸缩合金:一是具有大范围超磁致伸缩性能的TbDyFeCo系统;二是具有高电阻率和高耐腐蚀性的TbDyFeSi svstem系统。此外，本文还介绍了国产TbDyFe焊条GMA的设计与制造。
实验方法
使用99.9%纯度的起始金属，Tbo aDyos(FeCoh (xlt;0.30)和TboDvod(Fe,Sil es (xa 0.00))。0.025。10)合金在高纯度氩气保护下，在真空炉中电弧熔化。在按钮重熔三次后，直径6.8 mn的主棒用冷硬的铜模铸造。采用内径为7.2 mm的氧化铝管，在xl500fumac中采用meltine单向凝固法，以480 mm/h的拉拔速度，制备了棒材。
采用Regaku D/max 2200 pc x射线衍射仪和Cu Ka辐射测定了粉末样品的相结构和晶粒取向杆的轴优先取向。对铸态和单向凝固试样进行了磁致伸缩测量。在250k至300k温度范围内，用标准四探针技术测量电阻率。采用usine电位-动态阳极极化法进行了耐蚀试验。所选扫描速率为5 mV/s
超磁致伸缩驱动器(GMA)的设计和测试细节见我们之前的工作1161。
结果与讨论
1.TbDvFeCo和TbDyFeSi多晶
图I为Tbo 36Dyou(FesCox2 (x lt; 0.30)和Tbo:DyodFenSi)los (x=0)的x射线衍射图。0.025。0.10)粉末样品。可以看出，这两种体系都表现出mgcuz型立方熔岩相结构。由于取代物的原子半径较小，两种体系的晶格常数a随x的增大略有减小。
图I粉末态掺Co和Si的TbDyFe合金的x射线衍射图(a) Tbo 36Dynsa(Fe.Cox);(b) 31: Dyo l9s (FeuSi)
图2为Tbo 36Dyo 64Fez, Tbo 36Dyo u(Feo g0Coo to)z ano Tbo:Dyo (Feo 97sSio o2s) 9s多晶样品的光学显微照片。从铸态样品中可以看出典型的离异共晶形貌。EDS结果表明，这些多晶样品主要由两相组成:基体为Laves相(灰色相)和边界处分布的富稀土相(黑色相)。
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图2多晶样品的光学显微照片。(a) Tbo 36Dyo 64Fez，
(b) Tbo 36Dyo 6(Feo 9oCoo 10)2, 1000℃热处理4小时;(c) Tbo 3Dyo (Feo 97sSio025) 95, as-cas
根据我们之前的工作[51]，TbDyFeCo的多晶样品在-80到100 c的温度范围内具有超磁致伸缩，与Tbo相比;Dyo Fez温度依赖于铸态Tbo Dyn sa(Feo asCoo us)的磁致伸缩，即多晶
示例如图3所示。可以看出，在低温下，共掺杂TbDyFe合金比Tbo:Dyo Fez具有更大的磁致伸缩，这是由于共掺杂TbDyFe合金的再取向温度T降低所致，[51]。此外，在422 kA/m磁场中，Tbo 36Dyo 64(Feo sCoo 1s)的平均磁致伸缩温度系数AAT为1.74 ppm/C，远小于2.98
Tbo Dyo Fe的ppm/C
温度(℃)
图3多晶样品Tbo:Dyo Fey和Tbo sDyosa(FeCo)在-100 ~ 100℃的温度范围内，422 kA/m的磁致伸缩对温度的依赖关系。
图4分别显示了Tbo 3Dyo (Feo 97sSio o2s) 9s多晶样品的温度依赖性电阻率和动电位anodi极化曲线[18,191]，可以看出，0.025% Si fo的替代可以显著提高电阻率:e铸态多晶样品，如图4 (a)所示，根据著名的Matthissenrsquo;s rule[20]，电阻率的增加主要是由于电子-奥霍诺散射效应的增强和Si 181的加入引起的电子结构的变化。可以理解，在TbDyFeSi体系中，Si原子占据了部分Fe位点
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很可能和它的邻居[21]结合得很紧密。这种高电阻率的硅掺杂TbDyFe合金有利于减小高频涡流的能量耗散，使其适用于较宽的频率范围。
从电位-动态阳极极化曲线(如图4 (b)所示)可以计算出每个样品的自然腐蚀电位Ecor和击穿电位E。Ecor值分别为-0.987和-0.959 vfortbdyofesioss和TboDyod(Feo97sSioo2s)s，对应的Eb值分别为-0.941 V和-0.743 V。这些特征表明，掺硅的TbDVFe样品在NaCl水溶液中具有更好的耐腐蚀性，其特点是Ecom和Eh较高。其原因可能是RE相与基体相R(Fe)之间的电化学电位差减小。Si)。
图4 TbaDvn(FeSi) 9s在3.5 w% NaCl水溶液(b)中的电阻率(a)和电位-动态阳极极化曲线的温度依赖性
2.小于110gt;定向阴极射线管的磁致伸缩
图5显示了以480 mm/h生长的单向凝固的Co和si掺杂的TbDyFe棒材和横断面x射线衍射图。如图5 (b)所示，与图1所示的粉末样品相比，图5 (b)中各图案的所有衍射峰中(220)峰最强，表明在TbDyFeCo和TbDyFeSi样品中，沿杆轴方向形成了一个lt;110gt;的择优取向
以480毫米/小时(a)和横断面x射线衍射图(b)生长的单向凝固的Co和Si掺杂的TbDyFe棒材
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图6生长速度为480 mm/h的lt;110gt;取向晶体的典型凝固形貌。(a)横向，Tbo Dyo sa(有孔的);(b)纵向。Tbo:Dvo (Feo 97sSio o2s)1 95
结果表明，稀土富相的形成是在稀土元素的枝晶基底上发生离离共晶反应的结果。稀土的平行arravs富裕阶段(如图6所示(a)被发现是平行于{111位面之间的莱夫斯相晶体夹在中间(101年开发的树突形态(如图6所示(b))也可以发现从面向晶体TbDyFesi,准备以高增长速度,类似于面向TbDyFe晶体[12]
图7为Tbo Dyo Fe1 95 Tbo:Dyo x(fe97ssio 025) 9s和Tbo 36Dyo sa(Fen esCon us)z的磁致伸缩性能。凝固。从lt;l10gt;取向的晶体Tbo.sDyo中可以消除巨磁致伸缩。64(Feo gsCoo 1s)2，温度范围从-80℃到100℃，如图7所示(a[221]。可以看出，-80℃时的磁致伸缩“iump”效应不如30℃和100℃时的磁致伸缩“iump”效应明显。Tbo也存在明显的磁致伸缩“跳变”效应;Dyo x(Feo 975Sioo25)t95 lt;1 10取向
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图7 lt;l10gt;取向晶体的磁致伸缩。(a) Tbo a DYoea(Fen esCoo us)。在不同的温度下;
(b)Tbo:Dyo Fel 9s。Tbo:Dyo (Fen e7sSioons) os和Tbo sDyos(sco us)在室温下
晶体在室温下承受10mpa的压缩预应力，表明仅棒材轴的高度lt;110gt;的首选取向。在10mpa压力下。对于Tbo:Dyo Fel 95, Tbo 3Dyo, 120ka /m的磁致伸缩可达到1260ppm、1310ppm和1240ppm。/(Feo 975Sioozs) s, Tbo 3BDyo6(Feo sCo0 s)?分别有110个取向的晶体。这些定向棒在低场中具有良好的磁致伸缩性能，是设计和制造超磁致伸缩驱动器的理想材料
3.用于主动振动控制
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图8超磁致伸缩驱动器原型(a)、磁应变(b)及单自由度主动振动控制结果示例(c)。
图8 (a)为以定向Tbo:Dyo Fer为杆设计的巨磁致伸缩驱动器样机。为了减少非线性因素，采用变速盘形弹簧来降低驱动杆的压应力。对于主动振动控制，励磁偏磁场。高达40 kA/m由钕铁硼永磁体或自制的磁性线圈提供。Fizure 8 (b)说明了执行器的静态特性。当输入电流幅值为1.2安培时，执行器在近似线性区域的准静态位移可达102 um, 1hz时的最大输出力可达1200 N。在单自由度平台上进行了振动主动控制实验。信号发生器通过功率放大器向执行器输出单频正弦信号，同时由控制器采集作为参考信号。输出信号由加载在执行器输出极上的加速度计接收并发送给控制器。使用基于自适应滤波器的EIR滤波器，根据过去的输入生成控制信号。优良的主动减振效果。20-30分贝是实现从10赫兹到120赫兹。图8 (c)为单自由度主动振动控制效果示例16,17[]。
总结
我们开发了两种改性TbDvFe合金:TboDyosa(FerCo)和Tbo3Dyo (Fe1-xSi)l。9 s系统。前者在-80 ~ 100C的宽温度范围内具有超磁致伸缩;后者比TbDyFe合金具有更高的电阻率和更好的耐腐蚀性。采用高生长速度区熔法制备的定向晶体具有良好的磁致伸缩性能。这种定向杆成功地用于设计和制造用于主动振动控制的超磁致伸缩驱动器。单自由度振动主动控制结果表明，阻尼效果良好
致谢
这项工作得到了编号为60534020和NCET-04-0165的NSEC的支持
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