付全,沙玉輝,和正華,雷蕃,張芳,左良

東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室 沈陽 110819

摘要

關鍵詞：Fe81Ga19合金;再結晶織構;晶粒尺寸;磁致伸縮

Fe-Ga合金是兼具優良磁致伸縮性能與力學性能的新型大磁致伸縮材料,具有飽和磁場較低、磁導率較大、溫度依賴性弱、環境適應性強以及經濟適用等諸多優點。Fe-Ga合金為bcc結構,磁致伸縮性能呈現顯著的各向異性,<100>晶向飽和磁致伸縮系數最大(約400×10-6),<110>和<111>晶向磁致伸縮系數較低(分別約120×10-6和40×10-6)[1]。近年來,鑒于軋制法適于規模生產以及組織和織構控制的優勢,Fe-Ga合金板帶的軋制法制備成為研究熱點[2~8]。

通過添加抑制劑(如NbC、B等)和控制退火氣氛(如H2S、S和H2等),在高溫退火時誘發二次再結晶,制備出厘米級晶粒尺寸的η取向(<100>//RD,RD為軋向)異常長大晶粒,獲得鋒銳的η再結晶織構,磁致伸縮系數可達到(230~300)×10-6 [2~5],但過大的成品晶粒尺寸惡化強度和韌性。在不借助抑制劑或表面能作用的Fe-Ga二元合金中,很難發生二次再結晶,雖然較小的晶粒尺寸有利于改善力學性能,但飽和磁致伸縮系數僅達到(154~199)×10-6 [4,6~8]。因此,如何在較小的再結晶晶粒尺寸下獲得強η織構和大磁致伸縮系數,是制備綜合性能優良的Fe-Ga合金板帶的重要問題。

η取向晶粒主要在γ(<111>//ND,ND為軋面法向)形變基體的剪切帶內形核,而γ和α(<110>//RD)取向晶粒則主要形核于晶界區域[9]。不同形核位置的數量和儲能特征影響不同取向初次再結晶晶粒的數量與尺寸。通過調控軋制工藝參數,剪切帶和晶界區域特征發生變化,從而影響初次再結晶組織與織構狀態,并進一步影響后續高溫退火過程中的組織和織構演變。目前對Fe-Ga二元合金織構演變行為的報道主要集中于最終高溫退火過程[3,6,7,10,11],鮮少關注初次再結晶過程及其對高溫退火過程的影響。

本工作通過調整Fe-Ga二元合金板帶的冷軋壓下率,在初次再結晶退火后獲得不同的再結晶狀態,進而研究其對高溫退火后再結晶晶粒尺寸和織構特征的影響,為制備兼具織構與組織有利特征的Fe-Ga合金板帶探索有效途徑。

1 實驗方法

選用99.9%的純Fe和99.99%的純Ga為原料,使用真空電弧爐熔煉Fe81Ga19合金并澆鑄成錠。鑄錠經1200 ℃保溫120 min均勻化退火后熱軋至1.7 mm。熱軋板進行1000 ℃保溫10 min的常化,之后分別采用65%、70%和75%的壓下率冷軋至薄板,軋制溫度為200 ℃。3種冷軋板在700 ℃下保溫5 min完成初次再結晶,其后以20 ℃/h的速率從700 ℃升溫到1000 ℃,最后在1200 ℃保溫1 h。整個退火過程在Ar氣氛下進行。利用Philip X-Pert 型X射線衍射儀(XRD)和JSM-7001F型掃描電子顯微鏡(SEM)上配備的HKL Channel5電子背散射衍射(EBSD)系統分析冷軋和再結晶退火樣品的宏微觀織構特征。在室溫下測量再結晶態Fe81Ga19薄板軋向沿平行磁場方向和垂直磁場方向的磁致伸縮系數λ∥和λ⊥,而飽和磁致伸縮系數(3/2λs,λs為沿單方向的磁致伸縮系數)通過λ∥-λ⊥計算獲得。

2 實驗結果

圖1為冷軋和初次再結晶退火Fe81Ga19薄板的取向分布函數φ2=0°和45°截面圖。3種壓下率下,冷軋織構組分相同,主要由稍強的γ織構和稍弱的α織構組成。α織構峰值位于{001}<110>,γ取向線的取向密度較均勻。3種冷軋板經700 ℃保溫5 min初次再結晶退火后發生完全再結晶,平均晶粒尺寸為25 μm,最強織構組分均為以{110}<001>為主的η織構,其中70%壓下率薄板的初次再結晶η織構稍強于其它2個壓下率。

圖1Fe81Ga19冷軋和初次再結晶薄板的ODFφ2=0°和45°截面圖

Fig.1φ2=0° and 45° sections of ODFs (levels: 1, 2, 3$\begin{array}{c}?\end{array}$) of cold-rolled (a) and primarily recrystallized (b) Fe81Ga19sheets with 65%, 70% and 75% reductions (ODF—orientation distribution function;?,φ1,φ2—Eular angles)

圖2為初次再結晶Fe81Ga19薄板繼續緩慢升溫至不同溫度時的織構演變。隨退火溫度提高,65%和70%軋制樣品中η取向密度明顯增大,在1200 ℃高溫退火后變得更鋒銳。75%軋制樣品中,退火至950 ℃時η取向密度增大;進一步經1200 ℃高溫退火后,η取向密度稍微提高,而γ取向密度則明顯提高。

圖2Fe81Ga19薄板緩慢升溫退火過程的ODFφ2=0°和45°截面圖

Fig.2φ2=0° and 45° sections of ODFs (levels: 2, 4, 6$\begin{array}{c}?\end{array}$) of Fe81Ga19sheets heated to 950 ℃ (a) and 1200 ℃ (b)

圖3為初次再結晶和緩慢升溫至不同溫度的Fe81Ga19薄板主要織構組分的面積分數及相對應的磁致伸縮系數。隨退火溫度升高,65%和70%壓下率樣品中η織構面積分數顯著增加,γ和α織構明顯減少;65%壓下率樣品中織構面積分數變化主要出現在950 ℃退火,而70%壓下率樣品中織構面積分數變化主要發生在1200 ℃高溫退火。75%壓下率樣品中,700 ℃至950 ℃階段η織構面積分數增加而γ和α織構面積分數減少,1200 ℃高溫退火后η織構面積分數稍許增加而γ織構面積分數則大幅提高至40%。研究表明[2,7],Fe-Ga合金η織構分數與磁致伸縮系數呈近似線性關系。由圖3d可觀察到,本工作中磁致伸縮系數與η織構面積分數的變化亦直接關聯。65%軋制樣品最大磁致伸縮系數為158×10-6;70%軋制樣品磁致伸縮系數最高,達到220×10-6;而75%軋制樣品磁致伸縮系數降低至110×10-6。70%軋制樣品的磁致伸縮系數明顯高于文獻[4,6~8]中報道的Fe-Ga二元合金薄板,甚至與一些借助抑制劑或表面能作用下的磁致伸縮系數相近[3,12,13]。

圖3Fe81Ga19再結晶退火薄板主要織構組分的面積分數以及磁致伸縮變化曲線

Fig.3Area fraction of main texture components in Fe81Ga19sheets with 65% (a), 70% (b) and 75% (c) reductions as well as magnetostriction (d) at different annealing temperatures

圖4為1200 ℃退火薄板的取向成像圖。65%軋制樣品總體上呈現晶粒正常長大特征,其中形成較多的大η取向晶粒,達到毫米級晶粒尺寸。70%和75%軋制樣品的晶粒尺寸較65%軋制樣品明顯增大,70%軋制樣品中的大晶粒均為η取向,而75%軋制樣品中的大晶粒則包含γ和η取向。在Fe-Ga或Fe-Si合金研究中,通常需要借助抑制劑或表面能作用誘發二次再結晶,獲得厘米級晶粒尺寸,才能形成強Goss織構({110}<001>)。而在本工作中,65%和70%軋制樣品的成品晶粒尺寸顯著減小,但仍然獲得強η再結晶織構及較高的磁致伸縮系數。

圖41200 ℃退火的Fe81Ga19薄板主要織構組分取向成像圖和平均晶粒尺寸圖

Fig.4Orientation image maps of main texture components in Fe81Ga19sheets with 65% (a), 70% (b) and 75% (c) reductions as well as average grain size (d) heated to 1200 ℃ (TD—transverse direction, RD—rolling direction)

1200 ℃退火的70%軋制樣品中η取向晶粒尺寸較65%軋制樣品的更大,呈現異常長大特征。圖5給出70%軋制樣品緩慢升溫至950 ℃的取向成像圖。圖中可觀察到一些超過1000 μm的Goss取向晶粒且周圍為小基體晶粒,表明Goss取向晶粒發生異常長大,即70%軋制樣品中的大尺寸晶粒來自二次再結晶。利用抑制劑制備二次再結晶Goss織構的2個主要模型,即重合點陣晶界(CSL,Σ3~Σ11)和高能晶界(HE,20°~45°)模型,都認為在存在抑制劑的條件下,Goss取向晶粒比基體晶粒有更多的高移動性晶界。另一方面,在沒有抑制劑或額外驅動力作用下,一般認為二次再結晶很難發生或即使發生也不能完成。但在本工作中,沒有借助抑制劑或表面能作用,在適當的工藝參數下仍實現了η取向晶粒的二次再結晶。

圖5緩慢升溫至950 ℃的70%軋制Fe81Ga19薄板的取向成像圖

Fig.5Orientation image maps of Fe81Ga19sheets with 70% reduction heated to 950 ℃ (ND—normal direction)(a) ND (b) RD (c)ηtexture

3 分析討論

70%軋制樣品通過二次再結晶使η織構明顯強化(圖3b)。值得注意的是,η織構是初次再結晶階段的最強組分(圖1b),且在二次再結晶剛開始時形成較多具有大尺寸的η取向晶粒(圖5)。Rios[14]提出：在合適的晶粒尺寸分布下,純凈材料中亦能發生晶粒異常長大,銳利的晶粒尺寸分布對晶粒異常長大阻礙更小,而較大尺寸區間的晶粒分布影響異常長大晶粒的長大速率。Hayakawa等[15]發現,在缺乏抑制劑的情況下,初次再結晶晶粒的尺寸和分布影響二次再結晶的發生,窄范圍晶粒尺寸分布有助于穩定基體晶粒,從而增加二次再結晶驅動力。

圖6為3種軋制樣品初次再結晶主要織構組分晶粒在不同尺寸范圍的數量分布。可以看出,65%軋制樣品的η取向晶粒在大尺寸范圍具有較高的數量分數;70%軋制樣品的η取向晶粒在各尺寸范圍內均具有明顯高的數量分數;75%軋制樣品的η取向晶粒在各尺寸范圍內也獲得了高數量分數,但γ取向晶粒的數量分布與其很接近。因此,不同的軋制壓下率導致η取向和γ取向初次再結晶晶粒的數量及尺寸分布特征呈現顯著差異。

圖6Fe81Ga19初次再結晶薄板主要取向在不同晶粒尺寸范圍的數量分布圖

Fig.6Number fraction distribution of several main texture components in various size ranges of Fe81Ga19sheets with 65% (a), 70% (b) and 75% (c) reductions annealed at 700 ℃

3種軋制薄板在高溫退火過程中的組織與織構演變差異,源于初次再結晶組織和織構特征的差異。初次再結晶階段形成更多的大尺寸η取向晶粒,將使其比其它取向晶粒優先發展。如果η取向晶粒在大尺寸范圍的數量分數不夠高(65%軋制樣品),高溫退火時出現η取向晶粒與非η取向晶粒均得以長大的正常長大情況,最終在小晶粒尺寸下獲得較強的η織構。如η取向初次再結晶晶粒主導大晶粒尺寸范圍(70%軋制樣品),則η晶粒有機會在較長的高溫退火時間內,通過消耗較細小的基體晶粒而持續長大,一些形成大尺寸的η取向晶粒甚至發生異常長大,最終在1200 ℃高溫退火時完成二次再結晶并獲得強η二次再結晶織構。因此,數量較多的大η取向晶粒和周圍小基體晶粒,能確保η取向晶粒的擇優長大和較高的二次再結晶形核率。而薄板中廣泛發生的異常長大η取向晶粒,導致各二次再結晶晶粒的長大空間減小,在毫米級尺寸時相互接觸,從而形成較小的二次再結晶組織。但若初次再結晶階段亦形成較多的大尺寸γ取向晶粒(75%軋制樣品),則高溫退火過程中γ取向晶粒與η取向晶粒均可發生異常長大,高溫退火后η織構顯著弱化。

為了闡明較多的大η取向晶粒形成于初次再結晶階段的原因,圖7給出了70%軋制樣品在初次再結晶分數為10%時的取向成像圖和織構特征以及主要織構組分晶粒在不同尺寸范圍的數量分布。由圖可知,η取向晶粒在廣泛分布于γ取向形變基體內的剪切帶上大量形核,而晶界區域則形核較少。在各晶粒尺寸范圍內,η取向再結晶晶粒均具有明顯高的數量分數。再結晶初期形成以η為主導的織構特征,與初次再結晶完成時的織構特征一致,表明擇優形核是η取向再結晶織構形成的主要機制。晶體塑性有限元計算表明[16],γ取向形變基體中剪切帶內的穩定取向為近η取向。剪切帶主要在形變γ取向晶粒中形成[9],故強冷軋γ織構和弱冷軋α織構(圖1a和7b)有利于剪切帶的大范圍分布,確保足夠數量的η取向晶粒形核位置。同時,剪切帶具有高儲能,可使η取向晶粒優先形核,比其它取向晶粒有更多的時間和空間長大,從而在再結晶初期形成較大尺寸的η取向晶粒,同時也削弱了其它取向晶粒對η取向晶粒長大的阻礙。因此,剪切帶強度和數量的調控對η織構發展起重要作用。

圖770%軋制Fe81Ga19薄板部分再結晶組織的EBSD分析

Fig.7Orientation image maps (a),φ2=45° section of ODFs (b), and number fraction distribution of several main texture components (c) in 10% recrystallized Fe81Ga19sheets with 70% reduction

剪切帶和晶界是高儲能區域,為再結晶提供優先形核位置,而軋制參數(如軋制壓下率和溫度)會影響剪切帶和晶界區域特征。剪切帶強度(局域應變量)過高,η取向晶粒呈團簇形式分布,產生取向釘扎抑制η取向晶粒長大[17,18]。本工作采用200 ℃軋制,有利于在一定程度上緩和剪切帶的強度,從而在再結晶早期獲得重要的大尺寸η取向晶粒。研究[19~21]表明冷軋壓下率控制在64%~72%范圍有利于獲得較強的η再結晶織構,剪切帶的數量在70%冷軋壓下率達到峰值[22,23]。壓下率進一步提高,剪切帶出現儲能過高而數量衰減、取向偏轉的趨勢[19~23],導致η取向晶粒形核數量的減少和長大優勢的弱化。相對而言,晶界區域儲能隨壓下率增大持續提高,促進γ取向晶粒形核。因此,剪切帶數量結合適當的儲能控制,有利于在再結晶過程中形成更多具有較大尺寸的η取向晶粒。

除軋制壓下率和溫度對初次再結晶的影響外,冷軋前的晶粒尺寸和織構也是影響初次再結晶狀態的重要因素。低碳鋼和硅鋼研究[24,25]表明,冷軋前大晶粒尺寸傾向產生更多的剪切帶且減少晶界面積,從而可增加η形核位置、減少γ形核位置。另外,冷軋前強γ織構有助于增加γ冷軋織構、減少α冷軋織構,確保薄板內廣泛形成剪切帶[26]。因此,合理選擇冷軋前的晶粒尺寸和織構特征以及冷軋工藝參數(壓下率和溫度),可有效調整初次再結晶狀態,進而優化高溫退火后的再結晶晶粒尺寸與織構特征。在上述因素綜合作用下,本工作在不借助抑制劑和表面能作用條件下,成功制備出兼具有利織構與組織特征的Fe-Ga二元合金板帶。

4 結論

(1) 在不借助抑制劑和表面能作用的條件下,Fe81Ga19薄板中η取向晶粒在初次再結晶階段相對其它取向晶粒形成的大尺寸的優勢,可實現η取向晶粒異常長大并完成二次再結晶。

(2) 通過對初次再結晶不同取向晶粒數量及尺寸分布的調控,在初次再結晶或細晶二次再結晶Fe81Ga19薄板中獲得強η織構。初次再結晶薄板磁致伸縮系數可達158×10-6,細晶二次再結晶薄板磁致伸縮系數達到220×10-6。

來源--金屬學報