【摘 要】
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在环境污染和能源紧缺等现象日趋严重的大环境下,弹热制冷作为一种新型固态制冷技术受到了大家的高度关注。Ni-Mn-Sn磁控形状记忆合金作为弹热制冷工质的备选材料,具有成本低廉、制备简单、驱动应力小、外场丰富等优点。本课题设计制备了三元Ni42+xMn48-xSn10（x=0,1,2,3）系列合金和四元Ni41-xMn42Co7+xSn10（x=0,1,1.5,2）系列合金并系统研究了其马氏体相变相关
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在环境污染和能源紧缺等现象日趋严重的大环境下,弹热制冷作为一种新型固态制冷技术受到了大家的高度关注。Ni-Mn-Sn磁控形状记忆合金作为弹热制冷工质的备选材料,具有成本低廉、制备简单、驱动应力小、外场丰富等优点。本课题设计制备了三元Ni42+xMn48-xSn10（x=0,1,2,3）系列合金和四元Ni41-xMn42Co7+xSn10（x=0,1,1.5,2）系列合金并系统研究了其马氏体相变相关特性。从中选取相变温度接近室温的成分进行定向凝固处理,对其力学性能、弹热效应、磁热效应进行测定和分析。随着Ni对Mn的替代,Ni42+xMn48-xSn10（x=0,1,2,3）合金的价电子浓度逐渐升高,导致其相变温度也不断升高,合金在室温下的相组成由奥氏体逐渐向马氏体转变。选取相变温度近室温的Ni43Mn47Sn10合金和Ni44Mn46Sn10合金进行弹热效应研究。通过定向凝固,合金形成了强<001>A择优取向,生成的粗大柱状晶沿定向凝固方向排列,这使得合金的力学性能得到明显提升:Ni43Mn47Sn10合金和Ni44Mn46Sn10合金的断裂应变分别达到了 13.6%和12.5%,断裂强度则分别达到了 980 MPa和970 MPa;且二者的相变应变分别达到了 5.3%和5.6%,这比文献中报道的单晶Ni-Mn-Sn合金的相变应变都要大。通过提高Mn的含量来增强合金的反铁磁性,从而降低合金的居里转变温度,在应力作用下合金的马氏体转变在顺磁奥氏体和弱磁马氏体之间进行,大大弱化了磁熵变对弹热效应的负贡献。在295 K和320 K试验温度下,分别在Ni43Mn47Sn10合金和Ni44Mn46Sn10合金中获得-17.3 K和-18 K的显著绝热温变。截止到目前,该结果已超过文献中报道的Ni-Mn基磁控形状记忆合金绝热温变的最大值,这使得该合金有潜力成为弹热制冷工质的备选材料。在Ni41-xMn42Co7+xSn10（x=0,1,1.5,2）系列合金中,随着Co元素对Ni的替换,合金的价电子浓度不断降低,导致合金的相变温度也不断降低。选取Ni39.5Mn42Co8.5Sn10进行喷铸和定向凝固处理。经过定向凝固,合金的相变应变高达6.7%,断裂强度从150MPa提高到900MPa,断裂应变从4.2%提高为12.1%。在弹热效应测试中,随着应变量的增加,合金中马氏体的体积分数不断增大,因此测得的绝热温变也不断增大。卸载速度为0.3 s-1、应变量为9%时,测得最大绝热温变为-8 K。在循环性测试中,保持应变量5%不变,合金经过50个循环,正负绝热温变之和始终大于5 K,说明合金的弹热效应具有较好的循环稳定性。由于铁磁性元素Co的大量引入,导致合金两相间的磁化强度差增大,使得合金同时表现出优异的磁热效应。在1.5 T的外磁场下,第一次加磁和第二次加磁时,合金在275 K和274 K处分别获得-5.1 K的最大绝热温变和-1.5 K的最大可逆绝热温变。在同规模外磁场下,该数值远高于同类Ni-Mn-Sn合金的绝热温变。Ni39.5Mn42Co8.5Sn10定向凝固合金在较低的外场下同时展现出优异的弹热效应和磁热效应,使其具有成为多卡制冷工质的潜力。
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