邁克爾遜干涉儀研究Fe-Ni-Co超因瓦合金的熱膨脹性能

鄧 文， 王 昊， 聶 鵬， 徐守磊， 張文春， 黃宇陽

(廣西大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

隨著精密物理測量技術(shù)的發(fā)展，精密儀器儀表要求材料具有很小的熱膨脹系數(shù)。Guillaume發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ni含量在35%(原子百分比)附近時，F(xiàn)e-Ni合金的熱膨脹系數(shù)幾乎為零(其室溫至100 ℃的平均膨脹系數(shù)約為1.6×10-6/℃)，該現(xiàn)象稱為因瓦效應(yīng)，具有這種特性的合金，稱為因瓦合金[1]。因瓦合金的發(fā)現(xiàn)便在精密儀器儀表上展現(xiàn)了突出的優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是航空、航天、微電子等高端產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，因瓦合金的應(yīng)用越來越廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：精密天平的臂，標(biāo)準(zhǔn)件的擺桿，擺輪，鐘表的外補(bǔ)償；長度標(biāo)尺；微波諧振腔，波導(dǎo)管，標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)電容器的葉片及支承桿；液態(tài)氫，液態(tài)氧，液態(tài)天然氣的儲蓄罐及運(yùn)輸管道；熱雙金屬片的被動層；陰極射線管的陰罩；宇航工業(yè)復(fù)合材料零件的模具；人造衛(wèi)星，激光，環(huán)形激光陀螺儀；微電子產(chǎn)業(yè)光刻機(jī)關(guān)鍵部件的制造；高性能飛機(jī)和運(yùn)載火箭的關(guān)鍵零部件的制造[2]。隨著器件的靈敏度不斷提高，器件的小型化和多功能化迫切需要熱膨脹系數(shù)更低的合金。用少量的鈷取代Fe-Ni因瓦合金中的鎳可獲得熱膨脹系數(shù)更低的Fe-Ni-Co系合金，這種合金稱為超因瓦合金[3]。

雖然對因瓦效應(yīng)的研究已有相當(dāng)長的歷史，但因瓦合金反常的熱膨脹現(xiàn)象和奇特的磁效應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì)至今還是一個未解之迷。對因瓦效應(yīng)的研究不僅因?yàn)橐蛲吆辖饝?yīng)用廣泛，而且是了解合金磁性起源的重要途徑，因而引起科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，一直是材料物理界研究的熱點(diǎn)問題。為揭示因瓦效應(yīng)的微觀本質(zhì)進(jìn)而改善因瓦合金的性能，科學(xué)工作者從多方面對其進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[4-12]。

如何準(zhǔn)確、快速地測量因瓦合金的熱膨脹系數(shù)是該研究領(lǐng)域要著力解決的關(guān)鍵問題。由于超因瓦合金的熱膨脹系數(shù)極小，隨著溫度的變化，其伸縮量極小，用普通方法難以測量其微小伸縮量。邁克爾遜干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的精密測量儀器[13]。兩列傳播方向相同、頻率相同、振動方向相同和位相差恒定的相干光在空間相交區(qū)域?qū)l(fā)生相互加強(qiáng)或減弱現(xiàn)象，即光的干涉現(xiàn)象。根據(jù)干涉條紋數(shù)目和間距的變化與光程差、波長等的關(guān)系式，可以算出微小長度的變化量。本文將邁克爾遜干涉儀改裝成可精密、準(zhǔn)確、快速地測量固體長度微小變化的儀器，從而計(jì)算出三元Fe-Ni-Co合金和二元Fe-Ni合金的熱膨脹系數(shù)。這對探索合金的因瓦效應(yīng)機(jī)理，研發(fā)性能優(yōu)良的低膨脹合金具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

將純度為99.999%金屬Fe、純度為99.99%金屬Ni和純度為99.99%金屬Co，按表1所示的化學(xué)成分配制成三元Fe-Ni-Co合金(合金編號：T1～T7)和二元Fe-Ni合金(合金編號：B1～B5)，用真空非自耗電弧爐在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉。為使合金成分均勻，每種合金反復(fù)熔化3次以上得到合金鑄錠。由于在熔化過程中，材料損失的質(zhì)量低于0.01%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，本文中將用標(biāo)稱化學(xué)成分表示合金。這些合金鑄錠在真空爐中作溫度為1 000 ℃，時間為10 h的均勻化熱處理；用線切割機(jī)將鑄錠切成直徑為6 mm，長為20 mm的圓柱體。并將圓柱體的上下兩切面用金相砂紙磨平并拋光后得到實(shí)驗(yàn)樣品。

表1 Fe-Ni-Co合金的化學(xué)成分(原子百分?jǐn)?shù)) %

1.2 邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)和測量微小位移的方法

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

當(dāng)d增大時，將看到圓環(huán)型干涉條紋從中心向外“冒出”;反之，d由大逐漸變小時，最靠近中心的條紋將一個一個地“湮沒”于中心。而且，當(dāng)光線(1′)和光線(2′) 到光屏E的光程差Δ增加或減少一個波長λ，干涉圖樣將從中心向外“冒出”或向中心“湮沒”一個條紋，d就增加或減少λ/2，即M1就移動了λ/2。因此，當(dāng)M1鏡移動時，若有N個條紋從中心向外“冒出”，就相當(dāng)于M1與M2′之間的距離增加了ΔL：

(1)

反之，若有N個條紋向中心“湮沒”時，則說明M1與M2′之間的距離減小了同樣的距離。

1.3 合金熱膨脹系數(shù)的測量方法

實(shí)驗(yàn)時，把待測Fe-Ni-Co及Fe-Ni合金加工成直徑為6 mm，長為20 mm的圓柱體，放進(jìn)內(nèi)外徑分別為7 mm和8 mm，長為18 mm圓柱形陶瓷管中，圓柱形陶瓷管的外表面均勻繞上加熱電阻絲，并將邁克爾遜干涉儀的反射鏡M1黏在圓柱形合金的垂直切面上，而圓柱形合金的另一個垂直切面黏在直徑約為30 mm，厚度約為3 mm的金屬圓片中心位置處，用三顆螺絲把該金屬圓片(連同黏在其上的合金及反射鏡M1)固定在支架上，再將支架緊固在邁克爾遜干涉儀的滑道上，并確保激光束始終與反射鏡M1的表面垂直。當(dāng)合金因受熱發(fā)生膨脹時黏在其上反射鏡M1的位置將發(fā)生改變，而且反射鏡M1位置的改變量即為合金受熱的伸長量。把溫度傳感器黏在合金上，控制加熱電阻絲的電流，可改變合金的溫度。

給電阻絲通電流，圓柱形合金被加熱發(fā)生熱膨脹，邁克爾遜干涉儀的動鏡(反射鏡M1)被推向光屏的方向，光屏E上的干涉圖像(通常為明暗相間的同心圓干涉條紋)就發(fā)生變化：當(dāng)動鏡的位移d每增加或減少半個波長，干涉圖就增加或減少一級(如果觀察者的目光固定在圓心，則可看到干涉條紋不斷“冒出”或“縮進(jìn)”)，從干涉環(huán)變化的數(shù)量，可以算出圓柱沿軸向的膨脹量ΔL，用數(shù)顯溫度計(jì)記錄溫度的變化Δt(Δt=t2-t1)，根據(jù)下式可計(jì)算合金的熱膨脹系數(shù)α[15],

(2)

式中:L為待測合金棒原長，可用游標(biāo)卡尺測得；N為當(dāng)合金溫度從t1升高到t2時干涉條紋變化的個數(shù)；λ為氦氖激光的波長(λ=632.8 nm)。

2 結(jié)果與討論

采用改裝后的邁克爾遜干涉儀，測量了不同化學(xué)成分的三元Fe64Ni36-xCox合金和二元Fe-Ni合金在25～65 ℃的熱膨脹系數(shù)α。圖3為Fe64Ni36-xCox合金在25～65 ℃溫區(qū)的平均熱膨脹系數(shù)α隨Co含量的變化。圖4為 Fe-Ni合金在25～65 ℃溫區(qū)的平均熱膨脹系數(shù)α隨Ni含量的變化。

圖3 Fe64Ni36-xCox合金在25～65 ℃溫區(qū)的α隨Co含量的變化

圖4 Fe-Ni合金在25～65 ℃溫區(qū)的α隨Ni含量的變化

圖4表明，對二元Fe-Ni合金，F(xiàn)e65Ni35合金的熱膨脹系數(shù)最小達(dá)到1.58×10-6/℃，表現(xiàn)出顯著的因瓦效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe-Ni二元合金中Ni含量高于35%時，合金為鐵基fcc結(jié)構(gòu)；當(dāng)Ni含量低于20%時，合金是bcc結(jié)構(gòu)；其間是兩種結(jié)構(gòu)的混合。鐵基fcc結(jié)構(gòu)是鐵磁性的，因瓦效應(yīng)發(fā)生在居里點(diǎn)以下的溫度范圍內(nèi)[16]。Kondorsky[17-18]提出了在因瓦合金中存在潛在反鐵磁性相的理論模型。通常認(rèn)為，因瓦合金在居里點(diǎn)以下呈現(xiàn)鐵磁性，并具有本征體積磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，合金飽和磁化強(qiáng)度迅速下降伴隨的體積收縮抵消了正常熱膨脹；而反鐵磁性合金在奈爾點(diǎn)溫度以下具有反鐵磁性，當(dāng)溫度升高時，反鐵磁性造成的體積收縮也會抵消部分正常的熱膨脹[1]。Kaufman等[19]提出了不均勻結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為具有面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)的Fe-Ni因瓦合金是由多個晶胞組成的不均勻體系。晶胞心部與晶胞表面在磁性上存在差異。fcc結(jié)構(gòu)的鐵有γ1和γ2為兩種電子狀態(tài)。由于升溫導(dǎo)致部分γ2態(tài)熱激發(fā)為γ1態(tài)，鐵的晶格常數(shù)減小導(dǎo)致了異常熱膨脹。Matsui等[20-22]利用中子衍射試驗(yàn)和Mossbauer效應(yīng)，提出自旋起伏理論。Kohgi等發(fā)現(xiàn)晶態(tài)因瓦合金中自旋波勁度常數(shù)的反常行為[23]。鮮于澤等[24]發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)因瓦合金中也具有的反常現(xiàn)象，并指出因瓦效應(yīng)可能起因于能使鐵磁性不穩(wěn)定的特殊電子結(jié)構(gòu)。Moriya[25-26]提出統(tǒng)一鐵磁性理論；Ishikawa[27]用中子衍射方法，按自旋起伏理論證實(shí)了因瓦效應(yīng)起源于自旋起伏而非晶體結(jié)構(gòu)或原子熱振動一聲子反常。Shiga[28-29]還提出直觀模型；Shimizu[30-32]提出鐵磁性相和順磁性相的混合模型等。Window[33-34]根據(jù)Fe-Ni合金和Cu基合金的Mossbauer效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立和解釋了Fe-Ni合金的磁性模型。Schilfgaarde等[1]采用從頭計(jì)算方法對因瓦效應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從高容積高自旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變到低容積低自旋狀態(tài)時，該系統(tǒng)以連續(xù)轉(zhuǎn)變的模式進(jìn)入到無序的非共線自旋配置狀態(tài)。這種非共線自旋導(dǎo)致結(jié)合能對晶胞體積的異常影響，并解釋了因瓦合金的特性[35]。

三元Fe64Ni36-xCox合金是以少量的Co取代因瓦合金中的Ni。從圖3看出，當(dāng)Co含量為5%時，F(xiàn)e64-Ni31Co5合金的熱膨脹系數(shù)最小，到達(dá)0.79×10-6/℃，其熱膨脹系數(shù)比Fe65Ni35因瓦合金更低，即加入少量的Co進(jìn)一步降低了合金的線膨脹系數(shù)。Fe64Ni31Co5超因瓦合金主要用于在室溫變化范圍內(nèi)，對尺寸精度要求很高的零部件及精密儀器裝置中，可滿足器件的小型化和多功能化對低膨脹合金的要求。與Fe-Ni因瓦合金的因瓦效應(yīng)機(jī)制相似，F(xiàn)e-Ni-Co 超因瓦合金的低膨脹特性與其自身磁性有關(guān)，一般認(rèn)為，當(dāng)溫度升高時，F(xiàn)e-Ni-Co 合金的磁矩逐漸減弱，晶格體積減小，這一部分磁致伸縮引起的體積減小抵消掉一部分原子熱振動引起的熱膨脹，因而使得合金具有很低的熱膨脹系數(shù)[2]。目前，關(guān)于Fe-Ni-Co超因瓦合金熱膨脹性能的深入研究仍在繼續(xù)。

圖3顯示，化學(xué)成分對三元Fe64Ni36-xCox合金的熱膨脹系數(shù)有很大的影響， Fe64Ni31Co5合金的熱膨脹系數(shù)最小，到達(dá)0.79×10-6/℃；偏離該成分，合金的熱膨脹系數(shù)升高。圖4表明，化學(xué)成分對二元Fe-Ni合金的熱膨脹系數(shù)也有很大的影響， Fe65Ni35合金的熱膨脹系數(shù)最小，到達(dá)1.58 ×10-6/℃；偏離該成分，合金的熱膨脹系數(shù)升高。比較圖3和圖4的結(jié)果可以看出，F(xiàn)e-Ni合金的熱膨脹系數(shù)隨合金中Ni含量的變化相對較大；而Fe64Ni36-xCox合金的熱膨脹系數(shù)隨合金中Co含量的變化相對較小。

因此，利用改裝后的邁克爾遜干涉儀，可準(zhǔn)確并快速地測量固體長度微小變化量，是測量材料熱膨脹系數(shù)的有效方法。這為探索低膨脹合金的因瓦效應(yīng)機(jī)理、研發(fā)性能優(yōu)良的低膨脹合金提供可行的實(shí)驗(yàn)方法。

3 結(jié) 論

(1) 采用改裝后的邁克爾遜干涉儀，通過觀測合金加熱膨脹時干涉條紋吞進(jìn)或吐出圓環(huán)個數(shù)，獲得合金的微小伸長量，進(jìn)而計(jì)算出該合金的熱膨脹系數(shù)。

(2) 對三元Fe64Ni36-xCox合金，F(xiàn)e64Ni31Co5合金的熱膨脹系數(shù)最小，達(dá)到0.79×10-6/℃；偏離該成分，合金的熱膨脹系數(shù)升高。

(3) 對二元Fe-Ni合金，F(xiàn)e65Ni35合金的熱膨脹系數(shù)最小，達(dá)到1.58×10-6/℃；偏離該成分，合金的熱膨脹系數(shù)升高。

(4) Fe64Ni31Co5超因瓦合金的熱膨脹系數(shù)比Fe65-Ni35因瓦合金更低。

(5) Fe-Ni合金的熱膨脹系數(shù)隨Ni含量的變化相對較大；而Fe64Ni36-xCox合金的熱膨脹系數(shù)隨Co含量的變化相對較小。

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