掺杂Co和Cu对Ni-Mn-Ga合金马氏体相变和磁性能的影响

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Ni-Mn-Ga系铁磁形状记忆合金的相变与磁性能具有强烈的成分的依赖特性,可通过合金化的方法进行调控。本论文研究以Ni50Mn28Ga22合金为基础,分别以Cu替代Mn, Co替代Ni及Cu和Co同时替代Mn和Ni的方式进行合金,制备了成分分别为Ni5oMn28-xCuxGa22(x=0,1,2,3,4,5,6,7)、Ni5o-xCoxMn28Ga22(x=1,2,3,4,5,6,7)、和Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22(x=1,2,3,4,5,6,7)的三组合金铸锭。利用差示扫描量热仪(DSC)、磁学测量系统(MPMS)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和万能试验机系统研究了加入Co和Cu元素对合金结构转变、磁转变、饱和磁化强度、晶体结构、微观组织形貌以及力学性能的影响。基于DSC和MPMS测量,发现在Ni50Mn28Ga22合金中以Cu替代Mn可以提高合金的马氏体相变温度,并降低居里温度;以Co替代Ni会降低合金的马氏体相变温度并提高居里温度;同时以Co替代Ni及Cu替代Mn,合金的马氏体相变温度随添加元素的增加呈上升趋势,而居里温度则先缓慢上升,到Co和Cu含量为3%时开始快速下降。XRD测量结果表明,Ni50Mn28Ga22合金室温相为5M马氏体;加入Cu元素,当Cu含量为1%和2%时,室温相仍保持5M马氏体,当Cu含量为3-7%时,室温相为7M+NM马氏体的混合物;Ni50Mn28Ga22合金中加入Co元素,合金的室温相均为奥氏体;同时加入Co和Cu元素,当Co和Cu含量为1%时,合金的室温相为5M马氏体,含量为2-7%时,室温相为7M+NM马氏体的混合物,与单独加入Cu元素的合金相似。SEM微观组织观察表明,5M马氏体的微观组织由粗大的马氏体板条构成,且粗大板条内部包含更加细小的板条并存在一定的弯折;7M与NM马氏体共存的组织中,NM马氏体的板条宽度要大于7M马氏体板条的宽度,且NM马氏体由细小的马氏体板条平行排列构成。根据VSM测量结果发现,三种替代方式的合金室温下均为铁磁态。以Cu掺杂的合金中,随着Cu含量的增加,合金的饱和磁化强度先下降再上升,到3%时达到最大值后开始下降;向合金中加入Co元素,会使合金的饱和磁化强度上下波动,但总体呈上升趋势;同时加入Cu和Co元素,合金的饱和磁化强度先上升,到1%之后呈下降趋势。力学性能测量结果表明,向合金中加入Cu元素,当Cu含量为1%时,合金的断裂强度升高,当Cu含量到2%以后,合金的断裂强度开始呈下降趋势;而加入Co的合金断裂强度则上下波动,无明显规律,但加入Co的合金断裂强度均比原始合金Ni50Mn28Ga22的断裂强度高,说明Co对该合金有一定的强化作用;向合金中同时加入Co和Cu元素,当Co和Cu含量为1-4%时,合金的断裂强度逐渐增大,在含量为4%时达到最大,而后呈现先下降,后上升的趋势。
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