Ni-Mn基Heusler合金能量转换特性与凝固控制的相关性研究

The Ni-Mn-based Heusler magnetic shape memory alloy is a new kind of energy conversion materials making conversion among magnetic, thermal and mechanical energy. It is possible for applications in smart actuators and magnetic refrigerators. However, due to the lack of revealing energy conversion mechanism in different solidification structure, it is hard to provide theoretical basis to the control of solidification structure and composition optimization. In this project, we will prepare different structures of NiMnIn (Sn,Sb) magnetic shape memory alloy including oriented multi-crystal and nano phase/pseudo-elastic magnetic shape memory alloy by the composition design, zone melting liquid metal cooling directional solidification, and focus on key solidification behaviors, such as the oriented growth of the matrix, the evolution of grain size, the competitive growth of the second phase, the relationship of the martensite variants and the nucleation characteristics of preferential growth of the second phase. We will comprehensively analyze the preferential growth and other performances contain the magnetic field induced strain, caloric effects, superelasticity, shape memory effect and mechanical behaviors to explain the interaction between mechanics and magnetics, the relationship between the solidification behavior and the characteristics of energy conversion. Designing the microstructures to balance magnetic and mechanical properties, we will establish the phase control theory based the coordinated composition optimization and the controlling of solidification, which is helpful to control the solidification process, composition and properties optimization。

Ni-Mn基Heusler铁磁形状记忆合金可实现电/磁-机-热能间的转换，在智能驱动和磁致冷方面具有广泛应用前景。现有以成分-组织-性能为主线的研究缺少对不同凝固组织能量转换机理的揭示，使得凝固组织控制和基于制备过程的成分优化缺乏理论依据。本项目针对不同凝固组织的能量转换机理，利用区熔液态金属冷却、深过冷快速凝固等多种凝固手段制备具有不同组织结构的NiMnIn(Sn,Sb)取向多晶和纳米相/形状记忆合金原位自生双相复合材料；研究合金在宽变凝固条件下，晶体取向、晶粒度、马氏体变体位向关系和第二相形核生长等组织演化规律；考察择优生长和双相复合合金的磁学和力学性能，确定不同凝固组织的能量输出特征，揭示磁/力交互作用机制及合金凝固行为与能量转换特性间的内在规律；设计兼顾力/磁性能的物相组织，建立反溯成分优化和凝固过程相协调的物相调控理论，为此类合金的凝固控制、成分和性能优化提供理论依据和技术支持。

Heusler铁磁形状记忆合金可实现电/磁-机-热能之间的转换，在智能驱动和磁致冷方面具有广泛应用前景。现有以成分-组织-性能为主线的研究缺少对不同凝固组织能量转换机理的揭示，使得凝固组织控制和基于制备过程的成分优化缺乏理论依据。本项目针对不同凝固组织的能量转换机理，利用多种凝固手段制备具有不同组织结构的NiMnIn(Cu,Co,Mg)取向多晶以及Mn-Fe-P-Si和La-Fe-Si合金。研究了合金在不同凝固条件下的凝固行为和组织演化规律；考察择优生长和双相复合合金的磁学和力学性能，揭示磁/力交互作用机制以及合金凝固行为与能量转换特性之间的内在规律。研究发现在100μm/s的高生长速率下，该合金呈现了均匀稳定的双相耦合共生的组织特征，但是在低生长速率下，发现了一种带状的新型组织，建立了其形成的相关理论模型，深入地解释该种新型带状组织的形成机理。定向凝固后具有[110]A择优取向的Ni48Mn35In17块体多晶，通过磁性能测试证明了这种结构各向异性导致了显著的磁致马氏体相变各向异性行为。基于铁磁性奥氏体相的形核机理和晶界对马氏体相变束缚作用很好地解释了这种各向异性的起因。在Ni-Mn-In基体中添加Mg元素发现，该元素在基体中的溶解度很低，使得掺杂少量Mg就能析出塑性第二相，从而改善了合金的机械性能又不影响基体的功能性。在Ni-Mn-In合金中采用联合添加的方法，研究了同时掺杂Co和Cu对Ni-Mn-In合金相变、磁学性能和机械性能的影响。结果表明，联合掺杂可以灵敏调节合金的相变温度、磁学性能和机械性能，是一种值得深入探讨的改善该系列合金综合性能的方法。另外通过区域熔炼液态金属冷却法定向凝固制备获得体积分数 （50%-60%）La(Fe,Si)13 相；控制晶体生长速度为 50μm/s 以下，可直接制备 α- (Fe,Si)/ La(Fe,Si)13 双相结构微观组织。讨论了双相生成机理，即定向凝固凝固速率较小，在凝固过程中 α-(Fe,Si)和 La(Fe,Si)13 耦合生长，生成大体积分数 La(Fe,Si)13 相，获得了力学与磁性平衡的高性能材料。