技术领域
本发明涉及磁致伸缩材料技术领域，更具体地说，涉及一种定向晶区熔法制备磁致伸缩材料工艺。
背景技术
磁致伸缩材料是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。70年代开始出现的室温下具有巨磁致伸缩性能的稀土-铁合金(RFe2)材料，由于它们能量密度高、耦合系数大，具有传感和驱动功能，因而作为智能材料或相应器件在智能材料领域得到了越来越广泛的应用和发展。工程上利用这一特性将电能转换成机械能或将机械能转换成电能。磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。
磁致伸缩材料具有下列优点：磁致伸缩应变比纯Ni大5O倍，比PZT材料大5～25倍，比纯Ni和N卜Co合金高400800倍，比PZT材料高14～30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约为10mm的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200kg的推力：能量转换效率高达7O％，而Ni基合金仅有162/5，PZT材料仅有4O～6O；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间(由施加磁场到产生相应的应变所需的时间称为响应时间)仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率(几十至1000Hz)下工作，工作频带宽。
现有的磁致伸缩材料的制备过程中，选用的制备方法包括区熔法、单晶拉制法、柱状晶凝固法等，区熔法由于制备过程中各工序较为简单，是最常选用的方式，但区熔法制备磁致伸缩材料过程中，长单晶工序中，由于感应炉内温度变化较快，且温度变化过程中，与感应炉内壁不直接接触段的原材料升温不均衡，易导致制成的磁致伸缩材料内部出现裂纹，使磁致伸缩材料机械强度降低，稳定性和可靠性无法保证，影响磁致伸缩材料的韧性和延展性，从而限制了磁致伸缩材料的适用范围。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种定向晶区熔法制备磁致伸缩材料工艺，它可以实现通过在感应炉内添加特殊的装置，从而对磁致伸缩材料进行分段加热，使炉内的磁致伸缩材料成梯度式受热，从而使磁致伸缩材料机械强度提高，增强磁致伸缩材料的稳定性和可靠性，使其磁致伸缩性能不随时间有较大变化。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种定向晶区熔法制备磁致伸缩材料工艺，其组成成分包括：99％高纯稀土元素Tb和Dy材料、99％以上纯度的Fe、Co、Al、Mn元素材料和块状硅多晶料，制备过程包括以下步骤：
步骤一、合金原料预混合，将高纯稀土元素Tb和Dy材料和Fe、Co、Al、Mn元素材料，按2：3：20比例配置，在预混机内混合，制备合金原料；
步骤二、感应炉熔炼，将合金原料通入真空感应炉内熔炼，缓慢加热升温；
步骤三、真空铸棒，将真空感应炉内空气抽离，注入保护性气体，在密闭环境下铸得母合金棒材；
步骤四、定向生晶，分段加热，使用区熔定向凝固法，在母合金棒材上制备定向晶体，控制熔区长度；
步骤五、分离定型，待区熔定向凝固完成后，对成型的定向晶体进行热处理，热处理后保温一段时间，制得成品磁致伸缩材料，可以实现通过在感应炉内添加特殊的装置，从而对磁致伸缩材料进行分段加热，使炉内的磁致伸缩材料成梯度式受热，从而使磁致伸缩材料机械强度提高，增强磁致伸缩材料的稳定性和可靠性，使其磁致伸缩性能不随时间有较大变化。
进一步的，所述真空感应炉内设有分级定向加热管，所述分级定向加热管上套有高频加热定型管，所述高频加热定型管两端均固定连接有感应电极通电端，所述感应电极通电端与外界电源连接，所述分级定向加热管内设有母合金棒材杆芯，所述母合金棒材杆芯上套有磁致伸缩材料外覆层，所述磁致伸缩材料外覆层左右两端分别固定连接有初段定型端套和末段定型端套，所述初段定型端套和末段定型端套之间设有晶体熔融段，所述晶体熔融段与磁致伸缩材料外覆层套接，便于通过电流使高频加热定型管内的母合金棒材杆芯和分级定向加热管进行加热，便于使用区熔定向凝固法对母合金棒材杆芯进行加工处理。
进一步的，所述分级定向加热管中间开凿有两个分热通孔，两个所述分热通孔内均设有均热平行板，所述均热平行板左右两端均与分热通孔内壁固定连接，所述均热平行板上开凿有多个分级透热滑孔，所述分级透热滑孔在均热平行板上密集排列，所述分级透热滑孔内滑动有单极加热纤维杆，便于使用单极加热纤维杆在分级透热滑孔内滑动，从而使单极加热纤维杆下端与母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层进行直接接触，从而使热量传导至母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层表层，从而实现对磁致伸缩材料外覆层的分级加热。
进一步的，所述单极加热纤维杆下端固定连接有扩展分枝端，所述扩展分枝端远离单极加热纤维杆一端开凿有条状分叉，所述扩展分枝端下端通过条状分叉设有贴合副脚，所述贴合副脚在扩展分枝端上细密排列，便于增大扩展分枝端与母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层表层的接触面积，从而更好地将热量传导至磁致伸缩材料外覆层上。
进一步的，所述扩展分枝端上侧设有限移位圆环，所述限移位圆环与分级透热滑孔套接，所述限移位圆环内端与分级透热滑孔固定连接，限移位圆环直径大于分级透热滑孔的直径，通过限移位圆环阻隔于均热平行板的内端，便于限制单极加热纤维杆在均热平行板上的滑动范围。
进一步的，所述步骤二感应炉熔炼过程中，将合金原料通入真空感应炉后，向合金原料内添加块状硅多晶料，便于控制稀土相的扩散和析出，减少磁致伸缩材料外覆层上的孔洞和微裂纹的出现。
进一步的，所述块状硅多晶料在投入真空感应炉内与合金原料混合之前，使用清水对块状硅多晶料进行浸泡，并使用高压水流将块状硅多精料冲洗干净，便于减少块状硅多晶料中的杂质对磁致伸缩材料外覆层的成分影响，进而对磁致伸缩材料成品的不良影响。
进一步的，所述步骤三真空铸棒过程中，将真空感应炉内空气抽离至背底真空度达到十二帕以下，之后向真空感应炉内充入氩气，充入氩气至真空感应炉内压强为五千帕斯卡，便于减少空气中氧气对磁致伸缩材料外覆层和母合金棒材杆芯表层的氧化。
进一步的，所述步骤五分离定型过程中，对成型的定向晶体进行热处理，热处理温度为九百摄氏度，保温四小时后，进行空冷，便于使成型后的定向晶体快速凝固成型。
进一步的，所述初段定型端套和末段定型端套直径均大于晶体熔融段，所述初段定型端套和末段定型端套靠近晶体熔融段一端均开凿有契合圆槽，所述契合圆槽与磁致伸缩材料外覆层相匹配，便于对磁致伸缩材料的成品规格进行限定。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案可以实现通过在感应炉内添加特殊的装置，从而对磁致伸缩材料进行分段加热，使炉内的磁致伸缩材料成梯度式受热，从而使磁致伸缩材料机械强度提高，增强磁致伸缩材料的稳定性和可靠性，使其磁致伸缩性能不随时间有较大变化。
(2)初段定型端套和末段定型端套之间设有晶体熔融段，晶体熔融段与磁致伸缩材料外覆层套接，便于通过电流使高频加热定型管内的母合金棒材杆芯和分级定向加热管进行加热，便于使用区熔定向凝固法对母合金棒材杆芯进行加工处理。
(3)分级定向加热管中间开凿有两个分热通孔，两个分热通孔内均设有均热平行板，均热平行板左右两端均与分热通孔内壁固定连接，均热平行板上开凿有多个分级透热滑孔，分级透热滑孔在均热平行板上密集排列，分级透热滑孔内滑动有单极加热纤维杆，便于使用单极加热纤维杆在分级透热滑孔内滑动，从而使单极加热纤维杆下端与母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层进行直接接触，从而使热量传导至母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层表层，从而实现对磁致伸缩材料外覆层的分级加热。
(4)单极加热纤维杆下端固定连接有扩展分枝端，扩展分枝端远离单极加热纤维杆一端开凿有条状分叉，扩展分枝端下端通过条状分叉设有贴合副脚，贴合副脚在扩展分枝端上细密排列，便于增大扩展分枝端与母合金棒材杆芯上的磁致伸缩材料外覆层表层的接触面积，从而更好地将热量传导至磁致伸缩材料外覆层上。
(5)扩展分枝端上侧设有限移位圆环，限移位圆环与分级透热滑孔套接，限移位圆环内端与分级透热滑孔固定连接，限移位圆环直径大于分级透热滑孔的直径，通过限移位圆环阻隔于均热平行板的内端，便于限制单极加热纤维杆在均热平行板上的滑动范围。
(6)步骤二感应炉熔炼过程中，将合金原料通入真空感应炉后，向合金原料内添加块状硅多晶料，便于控制稀土相的扩散和析出，减少磁致伸缩材料外覆层上的孔洞和微裂纹的出现。
(7)块状硅多晶料在投入真空感应炉内与合金原料混合之前，使用清水对块状硅多晶料进行浸泡，并使用高压水流将块状硅多精料冲洗干净，便于减少块状硅多晶料中的杂质对磁致伸缩材料外覆层的成分影响，进而对磁致伸缩材料成品的不良影响。
(8)步骤三真空铸棒过程中，将真空感应炉内空气抽离至背底真空度达到十二帕以下，之后向真空感应炉内充入氩气，充入氩气至真空感应炉内压强为五千帕斯卡，便于减少空气中氧气对磁致伸缩材料外覆层和母合金棒材杆芯表层的氧化。
(9)步骤五分离定型过程中，对成型的定向晶体进行热处理，热处理温度为九百摄氏度，保温四小时后，进行空冷，便于使成型后的定向晶体快速凝固成型。
(10)初段定型端套和末段定型端套直径均大于晶体熔融段，初段定型端套和末段定型端套靠近晶体熔融段一端均开凿有契合圆槽，契合圆槽与磁致伸缩材料外覆层相匹配，便于对磁致伸缩材料的成品规格进行限定。
附图说明
图1为本发明的主要工艺流程图；
图2为本发明分级定向加热管部分的结构示意图；
图3为图2中A处的结构示意图；
图4为本发明分级定向加热管部分的横向截面图；
图5为本发明母合金棒材杆芯部分的结构示意图。
图中标号说明：
1分级定向加热管、2高频加热定型管、3感应电极通电端、4母合金棒材杆芯、5磁致伸缩材料外覆层、6晶体熔融段、7初段定型端套、8末段定型端套、9均热平行板、10分级透热滑孔、11单极加热纤维杆、12扩展分枝端、13限移位圆环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种定向晶区熔法制备磁致伸缩材料工艺，其组成成分包括：99％高纯稀土元素Tb和Dy材料、99％以上纯度的Fe、Co、Al、Mn元素材料和块状硅多晶料，制备过程包括以下步骤：
步骤一、合金原料预混合，将高纯稀土元素Tb和Dy材料和Fe、Co、Al、Mn元素材料，按2：3：20比例配置，在预混机内混合，制备合金原料；
步骤二、感应炉熔炼，将合金原料通入真空感应炉内熔炼，缓慢加热升温；
步骤三、真空铸棒，将真空感应炉内空气抽离，注入保护性气体，在密闭环境下铸得母合金棒材；
步骤四、定向生晶，分段加热，使用区熔定向凝固法，在母合金棒材上制备定向晶体，控制熔区长度；
步骤五、分离定型，待区熔定向凝固完成后，对成型的定向晶体进行热处理，热处理后保温一段时间，制得成品磁致伸缩材料，可以实现通过在感应炉内添加特殊的装置，从而对磁致伸缩材料进行分段加热，使炉内的磁致伸缩材料成梯度式受热，从而使磁致伸缩材料机械强度提高，增强磁致伸缩材料的稳定性和可靠性，使其磁致伸缩性能不随时间有较大变化。
请参阅图2，真空感应炉内设有分级定向加热管1，分级定向加热管1上套有高频加热定型管2，高频加热定型管2两端均固定连接有感应电极通电端3，感应电极通电端3与外界电源连接，分级定向加热管1内设有母合金棒材杆芯4，母合金棒材杆芯4上套有磁致伸缩材料外覆层5，磁致伸缩材料外覆层5左右两端分别固定连接有初段定型端套7和末段定型端套8，初段定型端套7和末段定型端套8之间设有晶体熔融段6，晶体熔融段6与磁致伸缩材料外覆层5套接，便于通过电流使高频加热定型管2内的母合金棒材杆芯4和分级定向加热管1进行加热，便于使用区熔定向凝固法对母合金棒材杆芯4进行加工处理。
请参阅图2，分级定向加热管1中间开凿有两个分热通孔，两个分热通孔内均设有均热平行板9，均热平行板9左右两端均与分热通孔内壁固定连接，均热平行板9上开凿有多个分级透热滑孔10，分级透热滑孔10在均热平行板9上密集排列，分级透热滑孔10内滑动有单极加热纤维杆11，便于使用单极加热纤维杆11在分级透热滑孔10内滑动，从而使单极加热纤维杆11下端与母合金棒材杆芯4上的磁致伸缩材料外覆层5进行直接接触，从而使热量传导至母合金棒材杆芯4上的磁致伸缩材料外覆层5表层，从而实现对磁致伸缩材料外覆层5的分级加热。
请参阅图3，单极加热纤维杆11下端固定连接有扩展分枝端12，扩展分枝端12远离单极加热纤维杆11一端开凿有条状分叉，扩展分枝端12下端通过条状分叉设有贴合副脚，贴合副脚在扩展分枝端12上细密排列，便于增大扩展分枝端12与母合金棒材杆芯4上的磁致伸缩材料外覆层5表层的接触面积，从而更好地将热量传导至磁致伸缩材料外覆层5上。初段定型端套7和末段定型端套8直径均大于晶体熔融段6，初段定型端套7和末段定型端套8靠近晶体熔融段6一端均开凿有契合圆槽，契合圆槽与磁致伸缩材料外覆层5相匹配，便于对磁致伸缩材料的成品规格进行限定。
请参阅图3，扩展分枝端12上侧设有限移位圆环13，限移位圆环13与分级透热滑孔10套接，限移位圆环13内端与分级透热滑孔10固定连接，限移位圆环13直径大于分级透热滑孔10的直径，通过限移位圆环13阻隔于均热平行板9的内端，便于限制单极加热纤维杆11在均热平行板9上的滑动范围。
请参阅图1，步骤二感应炉熔炼过程中，将合金原料通入真空感应炉后，向合金原料内添加块状硅多晶料，便于控制稀土相的扩散和析出，减少磁致伸缩材料外覆层5上的孔洞和微裂纹的出现，块状硅多晶料在投入真空感应炉内与合金原料混合之前，使用清水对块状硅多晶料进行浸泡，并使用高压水流将块状硅多精料冲洗干净，便于减少块状硅多晶料中的杂质对磁致伸缩材料外覆层5的成分影响，进而对磁致伸缩材料成品的不良影响。
请参阅图1，步骤三真空铸棒过程中，将真空感应炉内空气抽离至背底真空度达到十二帕以下，之后向真空感应炉内充入氩气，充入氩气至真空感应炉内压强为五千帕斯卡，便于减少空气中氧气对磁致伸缩材料外覆层5和母合金棒材杆芯4表层的氧化，步骤五分离定型过程中，对成型的定向晶体进行热处理，热处理温度为九百摄氏度，保温四小时后，进行空冷，便于使成型后的定向晶体快速凝固成型。
本发明可以实现通过在感应炉内添加特殊的装置，从而对磁致伸缩材料进行分段加热，使炉内的磁致伸缩材料成梯度式受热，从而使磁致伸缩材料机械强度提高，增强磁致伸缩材料的稳定性和可靠性，使其磁致伸缩性能不随时间有较大变化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
