低磁滞NiCoMnInGd记忆合金的磁驱动马氏体相变和磁热效应研究

In the present project, oriented polycrystal NiCoMnInGd alloys are obtained by Gd doping and directional solidification. The microstructures, magnetic field induced martensitic transformations, magnetocaloric effect and hysteresis loss of NiCoMnInGd magnetic shape memory alloys are investigated. The effects of heat treatment process, hydrostatic pressure and the addition of Gd on hysteresis loss and magnetocaloric properties and the mechanism for that are revealed. The physical principle of decreasing hysteresis loss in NiCoMnInGd magnetic shape memory alloys is discussed. The physical model between hysteresis loss and the microstructures is established. The optimal heat treatment process and hydrostatic pressure as well as chemical composition obtaining large magnetocaloric effect and low hysteresis loss under low magnetic field were determined. Based the results, it is possible to find new ferromagnetic shape memory alloy with large magnetocaloric effect and low hysteresis loss under low magnetic field. The experiment results not only guide the development of new ferromagnetic shape memory alloys, but also supply the theory foundation for further application of magnetic refrigerants.

本项目拟采用Gd掺杂和定向凝固方法，制备NiCoMnInGd取向多晶。深入研究热处理工艺、静水压、Gd掺杂对NiCoMnInGd磁性记忆合金显微组织、磁诱发马氏体相变、磁热效应和磁滞损耗的影响规律和作用机制。揭示合金成分、热处理工艺和静水压影响磁滞损耗和磁热效应的微观机制。查明磁滞损耗的影响因素，阐明降低合金磁滞损耗的物理本质；建立磁滞损耗与合金微观结构的物理模型；确定在低磁场下获得大磁热效应、低磁滞损耗的最佳热处理工艺和静水压施加方式与合金成分的设计准则。研制出低磁场下产生大磁热效应、低磁滞损耗的新型磁驱动形状记忆合金材料。这些研究不仅对于新型铁磁形状记忆合金的开发具有指导价值，而且能够为室温磁制冷材料的进一步实用化提供理论基础。

本项目采用稀土Gd替代In的方法成功制备NiCoMnInGd磁性多晶合金。研究结果表明，稀土Gd的掺杂使NiCoMnIn合金的晶粒细化，稀土含量增加，晶粒尺寸减小。Ni45Co5Mn35In15-xGdx（0.8≤X≤1.6)合金的显微组织由基体和富Gd相所组成。富Gd相主要沿晶界分布，在晶内分布的第二相呈颗粒状。随着Gd含量的增加，富Gd相的体积分数逐渐增多，当Gd含量为1.6at%时，沿晶界分布的第二相相互连接成网状，局部出现第二相的富集。Ni45Co5Mn35In15-xGdx（0≤X≤1.6)合金在加热和冷却过程中发生一步热弹性马氏体相变和逆相变。随着Gd含量的增加，马氏体相变温度先降低后升高。Ni45Co5Mn35In13.4Gd1.6合金的马氏体转变开始温度比Ni45Co5Mn35In15合金升高约108K。Gd的掺杂导致了合金晶体结构的改变，当x=0，0.8时，合金为10M和奥氏体两相共存，当稀土含量大于等于1at%时，合金均被标定为单斜结构的14M马氏体相。当在Ni45Co5Mn35In14.2Gd0.8和Ni45Co5Mn35In14Gd1合金中观察到磁场诱发马氏体逆相变现象。在5T磁场下，温度328K，Ni45Co5Mn35In14Gd1合金的最大磁熵变高达26.8J/kg K且其制冷量为255J/Kg；Ni45Co5Mn35In14.2Gd0.8合金的最大磁熵变出现在5T磁场，温度277K，最大磁熵变为17.78J/kg K且其制冷量高达356J/Kg，并且该条件下合金的磁滞损耗较小。上述研究结果表明，在Ni45Co5Mn35In15-xGdx（0≤X≤1.6)合金中，在1173K保温12小时热处理后的Ni45Co5Mn35In14Gd1合金在5T磁场下接近室温的磁熵变最大（26.8J/kg K），当Gd含量较小时，Ni45Co5Mn35In14.2Gd0.8合金具有较小的磁滞损耗和最大的磁制冷量。. 本项目的研究结果表明，NiCoMnInGd磁性多晶合金，通过采用适量的稀土Gd替代In，可获得低磁滞损耗和大的磁热效应，这些合金将有望成为新型的室温磁致冷材料，这对于Ni-Mn-In合金的工程实际应用具有重要的指导意义。