NiMnGa合金凝固择优取向和成分偏析控制及马氏体变体调控

NiMnGa ferromagnetic shape memory alloys have important application prospect in the field of space industry, defense industry, mechanical and electrical industry due to large magnetostrain and other novel physical functionalities. Studies have shown that the magnetostrain is dependent on solidification preferred orientation and martensitic variants. Moreover the inevitable composition segregation caused by solidification affects the martensitic transformation temperature. However all the mechanism of solidification preferred orientation, the control of composition segregation and the regulation of martensitic variants are unclear. In this project, based on NiMnGa alloys with potential large magnetostrain (more than 20%) in tetragonal martensite, it is aimed to study solidification preferred orientation control, composition segregation control and martensitic variants regulation in order to reveal the intrinsic key factors of large magnetostrain, then obtain NiMnGa single crystal along <001> with single variant and non-macrosegregation which achieves more than 20% magnetostrain. That will lay an important foundation of the application in many fields.

NiMnGa铁磁形状记忆合金因具有大磁致应变等特殊功能特性，在航空航天、国防工业、机械电子等领域具有重要应用前景。已有研究表明，该磁致应变值强烈依赖于合金的凝固择优取向和马氏体变体形态；马氏体相变温度的一致性则由凝固宏观成分偏析所决定。然而，凝固择优取向规律与机制，成分偏析控制，以及马氏体变体调控等尚不明确。该项目以具有超大磁致应变（20%以上）潜力的T型马氏体结构的NiMnGa合金为研究对象，深入研究NiMnGa合金的凝固择优取向和成分偏析控制以及马氏体变体调控等关键科学问题，揭示影响超大磁致应变的关键控制因素，制备出<001>取向、无宏观偏析、单变体的NiMnGa合金单晶，并实现20%以上的大磁致应变，为其在航空航天等领域应用奠定重要基础。

本项目主要研究了具有T型马氏体结构的NiMnGa合金的凝固、相变及变体控制等方面，主要研究结果如下：.1. 明确了近平衡凝固条件下的NiMnGa合金单晶定向生长行为，成功制备了成分均匀、<100>取向的具有T型马氏体结构的NiMnGa合金高品质单晶，掌握了固液界面前沿溶质再分配规律。单晶生长过程中固液界面凸向液体，有利于晶粒淘汰。固液界面为平界面，在微观尺度上具有粗糙结构。界面前沿液相中富Mn、贫Ni和Ga，界面溶质再分配系数k0 (Ni) > 1, k0 (Mn) < 1，k0 (Ga) > 1。.2. 揭示了NiMnGa磁驱动形状记忆合金在不同凝固速度下的凝固界面形貌演变规律，发现了NiMnGa合金的凝固（液-固相变）与固态相变（包括马氏体相变和预马氏体相变）之间的相关性，并揭示了两种相变之间相互关联的内在关键因素。现随着定向凝固速度增加，奥氏体凝固形貌由平面晶逐渐演变为胞状晶和树枝晶。在所有凝固形貌的样品中均观察到马氏体相变。随凝固速度增加，马氏体相变温度降低，相变滞后增大。在平面晶样品中还观察到了预马氏体相变，然而在胞状晶和树枝晶中预相变被完全抑制。分析表明，平面晶中成分分布均匀，而胞状晶和树枝晶中存在较大的成分起伏，从而造成原子无序，进而导致奥氏体晶格局域畸变，其产生的局域应变抑制了势垒较小的预马氏体相变。.3. 明确了T型马氏体变体切变的应力条件，通过室温应力处理调控，实现了变体调控，制备了单一变体。通过马氏体孪晶吞并和马氏体孪晶再取向,沿不同方向的压缩处理可以将不利方向的马氏体变体转变成有利方向的马氏体变体，有效提高马氏体变体择优取向，实现由多变体到单变体的转变。.本项目已发表SCI论文7篇，培养博士生1人，硕士生3人。