Разработка и исследование свойств магнитострикционного актюатора Терфенолопласт

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО АКТЮАТОРА ТЕРФЕНОЛОПЛАСТ

А.Н. Врублевский, доцент, к.т.н., А.И. Воронков, доцент, к.т.н.,

ХНАДУ,

А.М. Бовда, научн. сотр., ННЦ «ХФТИ»

Аннотация. Приведены результаты разработки и исследования магнито-стрикционного привода для дизельной форсунки с электронным управлением. В качестве активного материала в магнитострикторе используется интерметаллическое соединение Terfenol-D.

Ключевые слова: магнитострикция, магнитостриктор, Terfenol-D, терфе-нолопласт, форсунка.

Введение

Проблема разработки эффективного привода форсунки для дизельной топливной аппаратуры с электронным управлением является актуальной. Поскольку серийно выпускающиеся в данное время приводы - электромагниты и пьезоактюаторы - имеют ряд недостатков, преодолеть которые практически невозможно. Альтернативой указанным выше решениям может стать использование в качестве привода иглы форсунки материалов, проявляющих магнитострикционный эффект. В настоящее время магнитострикционные материалы занимают приблизительно 10 % рынка «интеллектуальных» материалов.

Анализ публикаций

Обычно, изменение длины ферромагнитного материала под действием магнитного поля считают нежелательным эффектом. Поэтому изготовители стараются получить в ферромагнитных сплавах минимальное проявление эффекта магнитострикции. Вместе с тем в последнее время для технического применения в различных областях был разработан целый ряд соединений, проявляющих «гигантскую магнитострикцию» [1, 2]. Самой значительной разработкой в данном отношении является создание интерметаллического соединения под промышленной маркой Тейепо1-0 [1]. Данный материал способен в магнитном поле напряженностью Н = 40

кА/м изменять свою длину на 10 мкм при l = 10 мм. В данном интерметаллическом соединении около 50 % магнитной энергии преобразовывается в механическую [1]. Тейепо1^ содержит два редкоземельных элемента, тербий (ТЬ) и диспрозий фу). В элементарной форме оба материала проявляют эффект магнитострикции при температурах ниже 0 °С. Соединение данных элементов в отношении 2:1 с третьим - железом ^е) - повышает температуру точки Кюри до 377 °С. ТЬ имеет более высокую магнитострикцию чем Dy, но он проявляет большую анизотропию и, следовательно, ТЬ более трудно намагнитить, требуя больших магнитных полей. Соединение с Dy, который имеет противоположную анизотропию, позволяет уменьшить напряженность манитного поля до значений, практически реализуемых в технике. Улучшить магнитострикционные свойства материала возможно изменив исходную стехиометрическую форму ТЪ0^у0^е2.0 либо увеличением доли ТЬ, либо уменьшением количества Fe [3].

Цель и постановка задачи

С целью создания эффективного привода дизельной форсунки в данной работе поставлены задачи - разработать основы способа использования Terfenol-D для привода дизельной форсунки и провести исследования опытных образцов магнитострикторов.

Решение задачи

Для изготовления исходных слитков использовали металлы ТЬ и Dy чистотой 99,8% и карбонильное железо, прошедшее термическую обработку в вакууме не ниже 1-10-5 мм рт. ст. при температуре 1400 С в течение 10 часов. Сплавы получали сплавлением исходных компонентов в дуговой печи с нерас-ходуемым вольфрамовым электродом. Для обеспечения однородности слитка проводили трехкратный переплав с переворачиванием слитка. Для получения столбчатой структуры кристаллизация расплава проводили в условиях направленного отвода тепла, организованного в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе. Термическая обработка слитков проводилась в вакууме при температуре Т = 900 С на протяжении 4 часов. Скорость нагрева образцов составляла 200 С/час, остывание образцов производилось с печкой.

На рис. 1 приведена микроструктура исходного сплава. Согласно металлографическим исследованиям микроструктура состоит из основной фазы со структурой типа фазы Ла-веса и фазы, обогащенной редкоземельными элементами и расположенной по границам зерен матричной фазы в виде очень тонких прослоек.

Рис. 1. Структура сплава Terfenol-D

Направление зерен основной фазы носит явно выраженный ориентационный характер, что связано с направлением температурного градиента при охлаждении образца. Термическая обработка сплава при Т=900 °С на протяжении 4 часов (см. рис. 2) приводит к реабсорбции избытка редкоземельной прослойки в матричную фазу, приводя к систематическому уменьшению и перераспределению фазы, обогащенной редкоземельными элементами, что оказывает существенное влияние на величину продольной магнито-стрикции насыщения (Ая)п. Такое влияние термической обработки на микроструктуру сплава можно интерпретировать на основа-

нии существования небольшой области растворимости фазы, обогащенной редкоземельными элементами в матричной фазе стехиометрического состава [4].

Рис. 2. Структура сплава Terfenol-D после термической обработки Т=900 °С т = 4 часа

Для актюатора использовать полученный сплав после термообработки не представляется возможным из-за его низкой пластичности и хаотичной направленности структуры основной фазы. Упорядочить структуру и получить максимальную величину продольной магнитострикции представляется возможным при внедрении частиц сплава Teгfenol-D в матрицу из пластичного материала, обладающего диамагнитными свойствами. Так, в [5] предложены соединения Teгfenol-D с металлическими матрицами алюминия, меди, железа, магния или никеля. В этих соединениях коэффициент X приблизительно равен объемной доле магнитострик-ционной фазы. Как показано в [6], увеличение X возможно при использовании для Teгfenol-D матрицу эпокситной смолы. В данном случае X не прямо пропорционально содержанию в компаунде Terfenol-D, частично зависит от эластичных свойств матричного материала, и, в частности для соединений Teгfenol-D/Epoxy большая магнитострикция может быть получена при объемной доле Teгfenol-D менее 50 Teгfenol-D %.

В работе [7] описан способ получения Тер-фенолопласта. В данной статье покажем результаты исследования опытных образцов указанного материала. Магнитострикция Терфенолопласта определялась при помощи специально сконструированного стенда, схема которого описана в работе [7]. На первом этапе исследования определена рациональная объемная доля Terfenol-D.

Рис. 3. Изменение длины стержня Терфено-лопласта в магнитном поле при объемной доле Terfenol-D: 1 - 65 %; 2 - 45 %

На рис. 3 показаны кривые, полученные для двух образцов Терфенолопласта с долей Teгfenol-D 45 и 65 %. Для обеих образцов характерно явление гистерезиса. Очевидно, что увеличение доли Teгfenol-D до 65 % является оправданным шагом. Как показало дальнейшее исследование, увеличение объемной доли Teгfenol-D выше 65 % не приводит к существенному увеличению величины относительного удлинения стержня Тер-фенолопласта с одной стороны, и, следовательно, неоправданно увеличивает стоимость актюатора.

линение;х 10'6 1 л

»

/У/Г * ^

/ //' / /" ^2

/ //' / г'

/ У /г

Магнитная индукция, Тл

Рис. 4. Изменение длины стержня Терфено-лопласта в магнитном поле: 1 - предварительное сжатие стержня 0 МПа; 2 -предварительное сжатие 10 МПа

На втором этапе исследовалось влияние предварительной деформации на относительное удлинение актюатора в магнитном поле. Предварительное сжатие стержня Терфено-лопласта на 10 МПа приводит к уменьшению относительного удлинения на 24 % (рис. 4). Положительным в данном случае следует признать минимизацию петли гистерезиса (см. на рис. 4 кривые 2).

Выводы

Приведены результаты работ по созданию управляющего устройства для дизельной форсунки на основе применения интерметаллического соединения Terfenol-D. Показана зависимость объемной доли Terfenol-D в составе компаунда Терфенолопласт. Рациональная величина доли Terfenol-D составляет 65 %. Показано, каким образом предварительная деформация стержня магнитострик-тора влияет на изменение относительного удлинения в магнитном поле. Так, при предварительной деформации 10 МПа относительное удлинение уменьшается на 24 %, а обратимость процесса улучшается.

Литература

1. Уорден К. Новые интеллектуальные мате-

риалы и конструкции. Свойства и применение. - М.: Техносфера, 2006. - 224 с.

2. Белов К.П. Магнитострикционные явления.

Материалы с гигантской магнитострик-цией // Соросовский образовательный журнал. - М. - 1998. - № 3. - С. 112 -117.

3. Metallurgical and mechanical compensation

of the temperature response of terbium-based rare-earth magnetostrictive alloys. Патент WO 02/09205 A1 США, World International Property Organization, F02M 51/06. Siemens Automotive Corporation. Заявл. 21.07.2000, Опубл. 31.01.2002.

4. P. Westwood, J.S. Abell, K. C. Pitman, Phase

relationship in the Tb-Dy-Fe ternary system // J. Appl. Phys. (67), p. 4998-5000, 1990.

5. Magnetostrictive composites Пат. 5993565

США, МПК 7 H01F 1/03; F. Pinkerton et al.; General Motors Corporation; Заявл. 01.07.1996, Опубл. 30.11.1999.

6. Composites with large magnetostriction Пат.

6849195 США, МПК 7 H01F 1/00; Rafll A. Basheer, Rochester Hills, Donald T. Morelli, White Lake; Delphi Technologies; Заявл. 03.04.2003, Опубл. 01.02.2005.

7. Врублевский А.Н., Бовда А.М., Денисов

А.В. Разработка магнитострикционного привода для интеллектуальной дизельной форсунки // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: ХПИ. - 2006. -№2. - С. 47 - 50.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 10 сентября 2008 г.