Co-V基Heusler合金的相稳定性及其磁致形状记忆性能的研究

Heusler magnetic shape memory alloy becomes one of hot spots in the field of materials for its functional applications. To the best of our knowledge, however, Co-based Heusler magnetic shape memory alloy has been rarely reported until now. The aim of this project is to theoretically assess using first principles calculations and experimentally confirm the phase stability and the possibility of martensitic transformation in the Co-V based Heusler alloys. Then the Co-V based Heusler alloying database will be established via phase equilibria and thermodynamic assessment. Through the thermodynamic databases, the crystal structure, martensitic transformation and magnetic shape memory property of Co-V based Heusler alloys will be studied to understand their corresponding influence mechanism. Combining with the first principles calculations and the information of phase equilibria, the alloying composition will be optimized and the influences of alloying and heat treatment on the crystal structure, martensitic transformation and magnetic shape memory property will be explained. Through this project, the study on the Heusler magnetic shape memory alloy and martensitic transformation would be extended. The purpose of this work is to develop a new kind of Co-V based Heusler magnetic shape memory alloys.

Heusler磁致形状记忆合金具有广阔的应用前景，是近年来材料领域的研究热点之一，但还鲜有Co基Heusler磁致形状记忆合金的报道。本项目拟采用第一性原理系统地评估Co-V基Heusler合金中的相稳定性和马氏体相变的可能性，并进行实验验证；通过相平衡实验测定与热力学计算，建立Co-V基Heusler合金体系热力学数据库。并对Co-V基Heusler合金中马氏体相关结构、马氏体相变及稳定性和磁致形状记忆性能进行研究，揭示Co-V基Heusler合金中马氏体相变和磁致形状记忆特性的机理及影响因素。结合第一性原理和相平衡信息，对合金成分进行优化设计，阐明合金化和热处理工艺等对Co-V基Heusler合金的结构、马氏体相变及磁致形状记忆效应的影响规律。通过本项目的研究，可拓宽Heusler磁致形状记忆合金的体系，有望研发新型的Co-V基Heusler磁致形状记忆合金。

本项目以设计和制备一体化为主要学术思想，研究Co-V基 Heusler 合金的相稳定性、磁学性能、马氏体相变特性及形状记忆效应。采用第一性原理计算，研究了Co2VX（X=Ga, Ge, Al, Si）化合物的结构参数，并在各体系中分别建立不同结构马氏体形成能、磁矩和c/a的关系。研究测定了Co-V-Sn、Co-V-Ga等6个三元系在不同温度时的相平衡，完善了Co-V-X（X=Ga, Ge, Al, Si, Sn）Heusler合金多元系的实验相图信息。利用CALPHAD方法，对Co-V-Sn、Co-V-Ga等三元系的相平衡进行了热力学优化与计算，建立了Co-V-X（X=Ga, Ge, Al, Si, Sn）Heusler合金多元系热力学数据库。通过第一性原理预测，结合相平衡以及热力学信息，成功实现了Co-V-Si、Co-V-Al等形状记忆合金的成分与组织设计。.通过制备具有良好结构特性、相稳定性、加工特性等性能的热弹性马氏体合金样品，研究其温度场诱发的形状记忆效应和磁场诱发的形状记忆效应。在Co-V-Si三元合金体系中发现了以Heusler相为母相的L21/D022马氏体相变，确定了Heusler相成分范围，得到在800℃左右的高温下，施加7.1%残余应变后获得最大3.1%可回复应变的Co63.5V17.0Si19.5单相合金。通过合金化添加Al、Ga、Dy和Gd等元素，得到具有高马氏体相变温度、高热循环稳定性、优异力学性能等综合性能的Co64V15Si17Al3.9Dy0.1、Co64V15Si17Al3.9Gd0.1、Co64V15Si17Ga3.9Dy0.1和Co64V15Si17Ga3.9Gd0.1合金。在Co-V-Al三元合金体系中发现了B2/L10马氏体相变。在B2有序结构的相成分范围内，相变温度随成分的不同在100～550℃范围内可调，抗压强度为300～1300MPa，延展性为6％～12％，最大可回复应变达到4.2％。因此，Co-V-Al合金体系是一种具有优良综合性能的高温形状记忆合金体系。通过添加合金化元素，得到具有发展潜力的Co-V-Al基磁致形状记忆合金体系。本项目中所制备的Co-V基高温形状记忆合金，具有成分范围大，相变温度范围宽和形状记忆效应好等优点，其研究结果对于丰富Co-V基合金中热弹性马氏体相变体系有着很好的理论价值和实际意义。