AlNiCo合金中α1相取向程度對(duì)磁穩(wěn)定性的影響

趙之赫，夏衛(wèi)星，姜龍濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201)

0 引言

在石英加速度計(jì)等慣性儀表中，永磁合金通常作為磁場(chǎng)源起到關(guān)鍵作用，磁性能的穩(wěn)定性對(duì)設(shè)備精度和壽命影響巨大。AlNiCo合金具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和高溫性能， 但是長(zhǎng)期使用過(guò)程中磁性能的緩慢衰退問(wèn)題仍然嚴(yán)重，其背后的物理機(jī)制和改良工藝有待深入研究。AlNiCo合金主要由鐵磁相的相和弱磁相的相組成，細(xì)長(zhǎng)的相沿著易軸方向排列，為磁矩提供各向異性場(chǎng)。但是實(shí)際磁體中必然存在缺陷區(qū)域，造成相的排列遭到破壞。由于常規(guī)AlNiCo磁體中相排列不一致的區(qū)域很少，宏觀性能測(cè)試很難區(qū)分磁體之間的差異，因此需要制備相隨機(jī)取向的磁體擴(kuò)大差異，探究相取向與AlNiCo合金磁穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)。

磁性能的長(zhǎng)期演化機(jī)制通常認(rèn)為磁粘滯(磁后效)是主要原因，即磁矩在熱激活的作用下跨越能壘，從一個(gè)能量極小值到另一個(gè)能量極小值。對(duì)磁粘滯現(xiàn)象和理論的細(xì)致研究起源于20世紀(jì)40年代末，R.Street等根據(jù)S-W模型推算出恒定磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度與時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，并在鋁鎳鈷合金中得到初步驗(yàn)證。20世紀(jì)80～90年代出現(xiàn)了大量磁粘滯相關(guān)研究，多種磁記錄材料和永磁材料都在試驗(yàn)中對(duì)磁粘滯行為進(jìn)行表征，理論方面也開(kāi)始研究溫度、顆粒取向及顆粒矯頑力等因素對(duì)磁粘滯的影響。但是受到試驗(yàn)設(shè)備精度和表征手段的限制，后續(xù)對(duì)磁粘滯的試驗(yàn)研究開(kāi)始減少。

本文針對(duì)相取向程度不同的兩種AlNiCo合金，研究磁性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響因素。磁場(chǎng)熱處理過(guò)程是形成織構(gòu)的主要工藝過(guò)程，所以在這一工藝中不施加外加磁場(chǎng)就可以制備出相隨機(jī)取向的樣品。通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)和磁粘滯行為分析，研究合金內(nèi)取向程度差異對(duì)穩(wěn)定性的影響，探究背后的物理機(jī)制，為提高AlNiCo合金磁穩(wěn)定性提供新的思路。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文中所用AlNiCo合金成分配比如表1所示。具體的熱處理工藝為：首先將試樣在1250℃固溶20min，使合金成分結(jié)構(gòu)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄?，取出后風(fēng)冷到600℃左右；然后分別在0T和0.25T磁場(chǎng)強(qiáng)度，820℃溫度條件下進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理20min，使合金在調(diào)幅分解后的相與相沿外加磁場(chǎng)方向，增加磁鋼的各向異性，改善合金的微觀組織；再分別經(jīng)過(guò)一、二、三級(jí)回火，使合金的調(diào)幅分解相長(zhǎng)徑比增加，相界面更加清晰，元素分布更加均勻以增加磁性能和矯頑力。AlNiCo-0代表0T磁場(chǎng)熱處理的樣品，AlNiCo-0.25代表0.25T磁場(chǎng)熱處理的樣品。

表1 AlNiCo合金各元素測(cè)定比例

微觀結(jié)構(gòu)觀察和原位加溫觀測(cè)使用洛倫茲透射電子顯微鏡(LTEM JEM-2100F)，加速電壓200kV。微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的樣品制備方法是：首先通過(guò)機(jī)械研磨將合金薄片減薄至～50μm，然后通過(guò)離子減薄制備最終觀測(cè)樣品。磁滯回線及磁性能衰減使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM Lakeshore7410)進(jìn)行測(cè)試。微磁模擬使用開(kāi)源的OOMMF軟件進(jìn)行計(jì)算，它是基于有限差分法對(duì)LLG方程進(jìn)行求解。計(jì)算模型尺寸為100nm×150nm×10nm，計(jì)算網(wǎng)格尺寸為1nm。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)1250℃固溶后形成AlNiCo固溶體，之后在磁場(chǎng)熱處理過(guò)程中發(fā)生相分離，最終形成鐵磁的富Fe-Co相(相)和弱磁的富Ni-Al相(相)。通常在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中施加外磁場(chǎng)，此時(shí)由于合金的晶場(chǎng)力較小，相在磁場(chǎng)的作用下容易發(fā)生重新取向，使棒狀顆粒沿外磁場(chǎng)方向排列。織構(gòu)組織可以有效提高合金的矯頑力，改善永磁性能。本文研究中制備了無(wú)外加磁場(chǎng)熱處理情況下的合金樣品，以比較相的取向?qū)Υ欧€(wěn)定性的影響。

圖1所示為洛倫茲電鏡下觀測(cè)的兩種樣品的微觀結(jié)構(gòu)圖，樣品平面平行于易軸。無(wú)外加磁場(chǎng)熱處理的樣品中相取向混亂，沒(méi)有統(tǒng)一的方向，并且棒狀顆粒的長(zhǎng)徑比較小，如圖1(a)所示。熱處理過(guò)程中施加0.25T磁場(chǎng)的樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，可以看到相沿著統(tǒng)一取向排列，長(zhǎng)軸方向與易軸方向平行。此外，樣品2的相長(zhǎng)徑比也更大。

(a) AlNiCo-0 (b) AlNiCo-0.25

如圖2所示，使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)測(cè)試了AlNiCo-0和AlNiCo-0.25這2個(gè)樣品的磁滯回線。從矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度這3個(gè)磁性能來(lái)看，2個(gè)樣品均存在一定差異。飽和磁化強(qiáng)度差異較小，AlNiCo-0的為116.47emu/g，略低于AlNiCo-0.25的125.72emu/g。剩余磁化強(qiáng)度差別較大，AlNiCo-0的為48.56emu/g，AlNiCo-0.25的為95.50emu/g，相差近1倍。矯頑力分別為1422.71Oe和1751.03Oe，同樣是AlNiCo-0更低。相的取向?qū)Υ判阅苡绊懞苊黠@，在較大磁場(chǎng)下，磁矩都會(huì)沿著外加磁場(chǎng)方向排列，所以對(duì)飽和磁化強(qiáng)度影響較小。撤去外加磁場(chǎng)后，軸向平行于易軸的顆粒磁矩受各向異性場(chǎng)的影響不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但是其他方向的顆粒的各向異性場(chǎng)與易軸不一致，磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此造成取向混亂的樣品剩磁很低。

圖2 樣品AlNiCo-0和AlNiCo-0.25的磁滯回線

分別對(duì)AlNiCo-0和AlNiCo-0.25這2個(gè)樣品進(jìn)行磁粘滯測(cè)試，測(cè)試過(guò)程為：沿樣品易軸方向施加2T的磁場(chǎng)，使樣品飽和，逐漸減小場(chǎng)強(qiáng)并施加較小的反向磁場(chǎng)，在恒定反向磁場(chǎng)下維持1500s，檢測(cè)磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。圖3(a)和(b)所示為2個(gè)樣品的磁粘滯曲線。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，磁性能的衰減速率逐漸減小。磁性能的衰減過(guò)程均符合對(duì)數(shù)關(guān)系，即

()=ln+

(1)

其中，為磁粘滯系數(shù)。

分別對(duì)每條曲線進(jìn)行擬合，得到不同磁場(chǎng)下的磁粘滯系數(shù)，以反映磁性能的衰減速率，圖3(c)所示為2個(gè)樣品在不同磁場(chǎng)下的磁粘滯系數(shù)。對(duì)于單個(gè)樣品來(lái)說(shuō)，隨著磁場(chǎng)的增大，磁粘滯系數(shù)也呈逐漸增大的趨勢(shì)。2個(gè)樣品橫向比較，在各磁場(chǎng)下，隨機(jī)取向的AlNiCo-0樣品的磁衰減速率均低于樣品AlNiCo-0.25。雖然飽和磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度統(tǒng)一取向的樣品性能均高于隨機(jī)取向的樣品，但是隨機(jī)取向的樣品反而磁穩(wěn)定性更好。

(a) 樣品AlNiCo-0的磁粘滯曲線

磁性能的衰減是由于部分磁疇發(fā)生了不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)是熱擾動(dòng)造成的。從物理本質(zhì)來(lái)看，磁粘滯過(guò)程主要是由熱激活引起的能量波動(dòng)，波動(dòng)達(dá)到一定程度可能會(huì)造成能量在極小值點(diǎn)之間跳躍，即跨越能壘。通過(guò)直流退磁剩磁(Direct Current Demagnetization Remanence, DCD)曲線測(cè)試不可逆磁化率，測(cè)試方法為：在2T的磁場(chǎng)下使磁體正向飽和，將磁場(chǎng)退至零場(chǎng)記錄磁化強(qiáng)度，反向增加磁場(chǎng)至某一值，再退回零場(chǎng)記錄剩磁，逐步增加反向磁場(chǎng)，間隔50Oe獲得一個(gè)剩磁。剩磁與磁場(chǎng)的比值為不可逆磁化率。圖4所示為2個(gè)樣品的不可逆磁化率隨磁場(chǎng)分布曲線，不可逆磁化率可表征不可逆能壘在不同磁場(chǎng)下的分布。在相同的磁場(chǎng)下，AlNiCo-0具有更低的不可逆磁化率，分布也更加平緩。在磁粘滯測(cè)試過(guò)程中，可以發(fā)生翻轉(zhuǎn)的相只有矯頑場(chǎng)在磁場(chǎng)附近的一部分，因此能壘分布越平緩，矯頑力處于該磁場(chǎng)下的相越少，磁穩(wěn)定性更好。

圖4 樣品AlNiCo-0和樣品AlNiCo-0.25的不可逆磁化率隨磁場(chǎng)變化曲線

為了進(jìn)一步分析不同取向的α相在合金退磁過(guò)程中的影響，在OOMMF平臺(tái)進(jìn)行了微磁模擬分析。圖5(a)和(b)所示為建立的兩種模型。模型1全部為統(tǒng)一取向的棒狀顆粒，模型2添加了橫向排布的棒狀顆粒。在較大磁場(chǎng)下使模型處于飽和態(tài)后撤去磁場(chǎng)，使內(nèi)部磁矩自由弛豫，形成如圖5(c)和(d)所示的磁矩分布圖。取向統(tǒng)一的模型中，其中一部分顆粒整體發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，模型2中橫向的顆粒內(nèi)磁矩取向不統(tǒng)一，由于相互作用的影響，橫向顆粒左右兩側(cè)的磁矩分別沿著不同的方向排列，與縱向顆粒內(nèi)的磁矩形成圓環(huán)狀的磁矩排列。橫向顆粒的加入使磁矩的排列形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有助于提高穩(wěn)定性。

(a) 模型1示意圖

3 結(jié)論

本文分析了相取向程度不同的AlNiCo合金磁性能穩(wěn)定性的差異，并探究其物理機(jī)制，得出結(jié)論如下：

1)磁場(chǎng)熱處理工藝過(guò)程是影響AlNiCo合金中相取向程度的關(guān)鍵工藝，施加0.25T磁場(chǎng)的樣品AlNiCo-0.25中顆粒統(tǒng)一取向排列，不加磁場(chǎng)的樣品AlNiCo-0中相排列混亂。

2)AlNiCo-0樣品矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度均有所降低，這是磁體各向異性下降導(dǎo)致的必然結(jié)果。但是通過(guò)磁粘滯測(cè)試分析磁穩(wěn)定性后發(fā)現(xiàn)，相隨機(jī)取向的樣品磁粘滯系數(shù)更低，磁穩(wěn)定性更好。

3)能壘分析表明，磁穩(wěn)定性存在差異的主要原因來(lái)自于能壘分布的差別，能壘分布平緩導(dǎo)致某一磁場(chǎng)下發(fā)生不可逆翻轉(zhuǎn)的相更少，所以穩(wěn)定性更好。通過(guò)微磁模擬進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，取向與易軸垂直的顆粒更有助于形成穩(wěn)定的磁矩結(jié)構(gòu)。

4)相隨機(jī)取向的樣品雖然宏觀磁性能下降，但是穩(wěn)定性更高，這為AlNiCo合金的穩(wěn)定化工藝提供了新的思路。對(duì)宏觀磁性能要求較低但是對(duì)磁穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合下，可以適當(dāng)調(diào)整相的取向程度，實(shí)現(xiàn)性能和穩(wěn)定性之間的平衡。