镍锰基Heusler型铁磁形状记忆合金的共晶双相设计

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Heusler磁性形状记忆合金是一种新型的形状记忆材料,它不仅具有传统形状记忆合金的受温度场控制的热弹性形状记忆效应,同时还兼备受磁场控制的磁性形状记忆效应。这一特性也让磁性记忆合金获得了大回复应变、高响应频率和可精准控制等一系列的优点,可应用在磁力制动器、高效传感器、磁制冷冰箱等领域。然而,这些金属间化合物普遍具有高脆性和低强度的特点,严重阻碍了它们的加工性能和实际应用。本论文针对文献已报道的γ相增强Heusler合金存在的缺点,从显微结构设计和磁性调控入手,通过液-固共晶反应制备超细双相Heusler/γ相复合材料,针对解决合金的力学性能差、相变难控和磁性差等关键问题。本文采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射分析(XRD)、原位同步高能X射线衍射分析(HE-XRD)、示差扫描量热分析(DSC)和磁性能分析(SQUID)系统地研究了Ni50Mn40-xSn10Fex(x=3,4,5,6,7,8,9,10,11)和Ni51.5Mn40-xSn8.5Fex(x=5,6,7)铸态合金室温下的显微组织形态、相组成、相变行为、磁性能、压缩力学性能和微观变形机制,同时分析了退火处理对合金显微组织形态、相组成、相变行为和磁性能的影响。研究发现:通过Fe对Mn的取代,在Heusler合金中形成了纳米片层状γ相增韧相,有效地提高了Ni50Mn40-xSn10Fex合金的压缩断裂强度和塑性。随着Fe含量的增加,合金中形成的共晶片层γ相也随之增多。根据显微结构特点将该系列合金分为三类:当Fe%<4 at%时,合金为单相结构;当4 at%50Mn32Fe8Sn10,合金形成完全共晶双相组织,该合金表现出1950MPa的高强度、19.5%的高塑性、3.2%的大弹性应变和稳定的力学循环性能。在5T的磁场变化下,合金具有良好的磁热效应,其磁熵变为10.2 J/kg·K,磁制冷能力为168 J/kg。Ni50Mn32Fe8Sn10的马氏体相变温度约为120 K,并不适合近室温应用,同时相变温度低于马氏体居里温度,导致相变过程的磁化强度差是有限的(ΔM=43emu/g),使Zeeman能作为驱动力的磁场诱发相变难以发生。为解决这个问题,通过调节合金成分e/a值和Fe浓度,将合金成分进一步微调至Ni51.5Mn34Sn8.5Fe6,仍然获得完全共晶双相结构及1645 MPa的高强度和14.8%的高塑性,同时使马氏体相变满足TM温和TCMMCA两个关键条件,故其实际应用潜力最大。
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