Ni-Mn-In變磁形狀記憶合金的定向凝固行為和馬氏體相變特征.pdf

1、Ni-Mn-X(X=In，Sn，Sb)變磁形狀記憶合金是一種典型的集多種功能于一身的新型功能材料，如磁熱效應(yīng)和磁場誘發(fā)大應(yīng)變等。其中，具有磁致大熵變效應(yīng)的磁性材料是一種關(guān)鍵的固態(tài)制冷劑，其制冷效率比傳統(tǒng)壓縮氣體提高約30％，且無污染，噪聲低，體積小和壽命長，是未來綠色環(huán)保節(jié)能的制冷方式。另一種具有磁場誘發(fā)大變形合金由于其高頻性能和巨磁應(yīng)變響應(yīng)被視為下一代驅(qū)動(dòng)器和傳感器關(guān)鍵材料。因而，這類變磁形狀記憶合金同時(shí)具有磁場下的大應(yīng)變和大溫變效應(yīng)

2、，可實(shí)現(xiàn)在多種環(huán)境下磁-熱-機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換，是一種新型能源轉(zhuǎn)換材料，不僅具有豐富的物理內(nèi)涵而且在智能磁驅(qū)動(dòng)器和磁致冷方面廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文針對Ni-Mn-In變磁形狀記憶合金馬氏體相變溫度的成分敏感性、嚴(yán)重脆性和熱滯后三個(gè)難題展開了系統(tǒng)的研究。一方面，在該系合金已知成分空間內(nèi)建立了合金中各組元與馬氏體相變溫度之間的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)學(xué)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對該成分范圍內(nèi)的合金相變溫度預(yù)測，為合金設(shè)計(jì)和成分選擇提供了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在

3、此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步拓展該系合金的成分空間，我們獲得了熱滯后較小的新合金(雙相Ni52Mn32In16和單相Ni48Mn35In17)。另一方面，為了克服該系合金的脆性瓶頸，對這兩個(gè)新合金進(jìn)行了區(qū)域熔化定向凝固處理，并展開了系統(tǒng)的研究，主要包括定向凝固組織演變、擇優(yōu)取向和成分偏析行為。通過控制適當(dāng)?shù)膮^(qū)域熔化定向凝固參數(shù)成功地制備了成分均勻，且具有高擇優(yōu)取向的多晶雙相 Ni52Mn32In16和單相 Ni48Mn35In17合金。這兩種合

4、金的擇優(yōu)取向晶體學(xué)方向均為奧氏體的?110?A方向，即10M馬氏體的基面?0010?M。在雙相Ni52Mn32In16合金中，第二相(γ相)的引入，顯著地改善了Ni-Mn-In系合金的塑性，獲得了6.6%的塑性變形；在單相Ni48Mn35In17合金中，具有擇優(yōu)取向的粗大柱狀晶顯著地降低了多晶體在壓縮變形過程中的應(yīng)力集中，相應(yīng)地改善了合金的塑性。該系合金塑性的提高使得在單向應(yīng)力下獲得相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，并獲得了~1.4%的超彈

5、性應(yīng)變。這不僅對該系合金的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，而且為該系合金的設(shè)計(jì)研究提供了新思路。
　　在雙相Ni52Mn32In16合金的低生長速率定向凝固過程中發(fā)現(xiàn)了一種帶狀的新型組織。這種帶狀包括了兩層：β單相層和雙相(β+γ)耦合共生層，其中β單相層的最大間距與生長速率的倒數(shù)成線性關(guān)系。在100μm/s的高生長速率下，該合金并未呈現(xiàn)出這種帶狀組織，而是均勻穩(wěn)定的雙相耦合共生的組織特征，這表明在此條件下可獲得具有高塑性且均勻的定向凝固N(yùn)

6、i-Mn-In合金。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)的理論模型預(yù)測相一致。
　　最后，深入地探討了定向凝固N(yùn)i-Mn-In合金的相關(guān)物理特性，包括了馬氏體相變特點(diǎn)、內(nèi)摩擦行為和彈熱效應(yīng)。研究表明，在雙相Ni52Mn32In16合金中存在了具有大磁性轉(zhuǎn)變的中間馬氏體相變，通過結(jié)合原位 X射線觀察和磁性能測試，進(jìn)一步確定了該合金在冷卻過程中的相轉(zhuǎn)變順序?yàn)椋喉槾艎W氏體→鐵磁奧氏體→順磁性10M馬氏體→鐵磁性10M馬氏體→順磁性14M馬氏體→鐵磁性14

7、M馬氏體。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的同時(shí)發(fā)生導(dǎo)致了合金在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)(88 K)展現(xiàn)出較高的恒溫內(nèi)摩擦現(xiàn)象，這一點(diǎn)滿足了大多數(shù)實(shí)際工程應(yīng)用的服役溫度要求。
　　在內(nèi)摩擦測試后的試樣中發(fā)現(xiàn)了殘余奧氏體基體中存在少量的位錯(cuò)。這些位錯(cuò)在γ相粒子-奧氏體基體界面上形核，然后在兩個(gè)γ相粒子之間堆積，對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中的界面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，而且對奧氏體-馬氏體界面運(yùn)動(dòng)阻礙作用要強(qiáng)于馬氏體變體之間的界面運(yùn)動(dòng)。這種強(qiáng)阻礙效果減少了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

8、過程中單位溫度變化內(nèi)的材料轉(zhuǎn)變量，因此降低了該合金內(nèi)摩擦行為中的瞬態(tài)項(xiàng)，使得該合金的恒溫內(nèi)摩擦值占了總內(nèi)摩擦值的90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他合金中的相對比值，非常有利于潛在的實(shí)際應(yīng)用。
　　對于定向凝固后具有[110]A擇優(yōu)取向的單相Ni48Mn35In17塊體多晶，磁性能測試證明了這種結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)致了顯著的磁致馬氏體相變各向異性行為。這種相變各向異性主要來源于晶界對馬氏體相變束縛作用的各向異性，使得合金的相關(guān)性能均表現(xiàn)出了各向異性。當(dāng)

9、磁場平行于晶體擇優(yōu)生長方向時(shí)，相比垂直于晶體擇優(yōu)方向，磁致應(yīng)變增大了~20%，且磁致應(yīng)變的臨界磁場強(qiáng)度降低了~0.5T。與此同時(shí)，力學(xué)測試表明，Ni48Mn35In17合金的馬氏體相變溫度隨著壓應(yīng)力的增大呈線性增加，其變化斜率為0.24K/MPa。在~1.4%的應(yīng)變范圍內(nèi)，合金表現(xiàn)出了巨大的彈熱效應(yīng)，實(shí)測最大絕熱溫變可達(dá)~4K，媲美于其磁熱效應(yīng)和等靜壓熱效應(yīng)。這也是首次證實(shí)了該系合金的巨大彈熱效應(yīng)，為未來的固體制冷研究提供了新思路和重要