CN106906403B - 一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法，本发明涉及镍锰镓合金及其制备方法。本发明要解决现使用气体制冷剂会对环境造成污染的问题。方法：一、称取；二、制备浇注模具；三、真空感应熔炼法；四、均匀化热处理；五、有序化处理。优点：利用应力诱发马氏体相变产生弹热效应，不仅具有高的绝热温变以及可逆性，同时制备应力诱发相变装置容易。利用本发明镍锰镓合金的弹热效应制备制冷装置具有良好的前景。本发明用于一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备。

Description

一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镍锰镓合金及其制备方法。
背景技术
目前商业销售的制冷机都是使用蒸气压缩式制冷剂实现制冷作用。常用的制冷剂有氟利昂、碳氢化合物、氨等。这些制冷材料都是经过一个压缩液化，高温膨胀过程实现制冷目的。但由于气体制冷剂工作过程中效率较低，同时不可避免发生泄露从而造成臭氧层的破坏以及温室效应的加剧，这些问题使得人们对于寻找新型制冷剂产生了迫切的需求。因此人们提出寻找固态制冷剂代替气体制冷剂从而解决环境污染问题。在固态制冷材料中，铁性材料有着无污染，效率高的特点，受到人们的广泛关注。
在热弹性马氏体相变过程中具有明显热效应，在固态制冷材料中具有良好的前景。目前可以利用磁场诱发相变过程，从而获得大的磁热效应。但这需要2T以上磁场才能诱发相变产生，对于应用来说，2T以上强磁场的获得是十分困难的，因此限制了磁热效应的应用。
发明内容
本发明要解决现使用气体制冷剂会对环境造成污染的问题，而提供一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法。
一种高弹热效应的镍锰镓合金由原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓制成；所述的高弹热效应的镍锰镓合金抗压强度大于600MPa，晶粒为柱状晶，具有<001>取向。
一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法是按以下步骤完成的：
一、称取：
按原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属；
二、制备浇铸模具：
使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的石墨模具；
三、真空感应熔炼法：
①、将步骤一称取的纯镍、纯锰和纯镓置于真空感应熔炼炉中；
②、先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.01MPa～0.05MPa的氩气；
③、重复步骤三②3次～5次；
④、在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃～600℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的板材状镍锰镓合金；
四、均匀化热处理：
将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至1000℃～1050℃，在温度为1000℃～1050℃的条件下，处理8h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金；
五、有序化处理：
将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至700℃～750℃，然后在温度为700℃～750℃的条件下，保温12h～24h，然后以降温速度为3℃/min～5℃/min，将温度由700℃～750℃降温至450℃～550℃，在温度为450℃～550℃的条件下，保温12h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，即完成一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法。
本发明的有益效果是：本发明涉及一种高弹热效应的镍锰镓合金及其制备方法，镍锰镓合金是一种典型的铁磁形状记忆合金。利用应力诱发马氏体相变产生弹热效应，不仅具有高的绝热温变以及可逆性，同时制备应力诱发相变装置容易。因此利用本发明的镍锰镓合金的弹热效应制备制冷装置具有良好的前景。
本发明制备的镍锰镓合金的组织是粗大的柱状晶组织，具有<001>取向，即柱状晶长轴平行于<001>。在室温下镍锰镓合金的抗压强度为602MPa，最大压缩应变为10％。
附图说明
图1为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金晶粒图；
图2为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金取向反极图；
图3为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在室温下的应力-应变曲线；
图4为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在应变速率为0.033/s及温度为54℃的条件下，快速加载卸载过程的应力-应变曲线，1为加载过程，2为卸载过程；
图5为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在应变速率为0.033/s及温度为54℃的条件下，在加载与卸载过程中的绝热温变曲线图，A为在0MPa保持过程，B为由0MPa加载至100MPa过程，C为在100MPa保持过程，D为由100MPa卸载至0MPa过程，E为在0MPa保持过程。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金由原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓制成；所述的高弹热效应的镍锰镓合金抗压强度大于600MPa，晶粒为柱状晶，具有<001>取向。
本实施方式的有益效果是：本实施方式涉及一种镍锰镓合金获得高弹热效应的制备方法，镍锰镓合金是一种典型的铁磁形状记忆合金。利用应力诱发马氏体相变产生弹热效应，不仅具有高的绝热温变以及可逆性，同时制备应力诱发相变装置容易。因此利用本实施方式的镍锰镓合金的弹热效应制备制冷装置具有良好的前景。
本实施方式制备的镍锰镓合金的组织是粗大的柱状晶组织，具有<001>取向，即柱状晶长轴平行于<001>。在室温下镍锰镓合金的抗压强度为602MPa，最大压缩应变为10％。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法是按以下步骤完成的：
一、称取：
按原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属；
二、制作浇铸模具：
使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的石墨模具；
三、真空感应熔炼法：
①、将步骤一称取的纯镍、纯锰和纯镓置于真空感应熔炼炉中；
②、先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.01MPa～0.05MPa的氩气；
③、重复步骤三②3次～5次；
④、最后通入0.01MPa～0.05MPa的氩气，在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃～600℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的板材状镍锰镓合金；
四、均匀化热处理：
将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至1000℃～1050℃，在温度为1000℃～1050℃的条件下，处理时间为8h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金；
五、有序化处理：
将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至700℃～750℃，然后在温度为700℃～750℃的条件下，保温12h～24h，然后以降温速度为3℃/min～5℃/min，将温度由700℃～750℃降温至450℃～550℃，在温度为450℃～550℃的条件下，保温12h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，即完成一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法。
本实施方式纯镍和纯镓的纯度不低于99.99％(质量百分数)，纯锰纯度不低于99.9％(质量百分数)；
本实施方式的有益效果是：本实施方式涉及一种镍锰镓合金获得高弹热效应的制备方法，镍锰镓合金是一种典型的铁磁形状记忆合金。利用应力诱发马氏体相变产生弹热效应，不仅具有高的绝热温变以及可逆性，同时制备应力诱发相变装置容易。因此利用本实施方式的镍锰镓合金的弹热效应制备制冷装置具有良好的前景。
本实施方式制备的镍锰镓合金的组织是粗大的柱状晶组织，具有<001>取向，即柱状晶长轴平行于<001>。在室温下镍锰镓合金的抗压强度为602MPa，最大压缩应变为10％。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中按原子百分比为48％镍、31％锰和21％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三之一不同的是：步骤二中使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的石墨模具。其它与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤三②中先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.02MPa的氩气。其它与具体实施方式二至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤三③中重复步骤三②3次。其它与具体实施方式二至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤三④中在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的板材状镍锰镓合金。其它与具体实施方式二至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤四中将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至1020℃，在温度为1020℃的条件下，处理12h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金。其它与具体实施方式二至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤五中将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至700℃，然后在温度为700℃的条件下，保温12h。其它与具体实施方式二至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤五中然后以降温速度为5℃/min，将温度由700℃降温至500℃，在温度为500℃的条件下，保温24h。其它与具体实施方式二至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
本实施例所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金由原子百分比为48％镍、31％锰和21％镓制成。
上述一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、称取：
按原子百分比为48％镍、31％锰和21％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属；
二、制备浇铸模具：
使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的石墨模具；
三、真空感应熔炼法：
①、将步骤一称取的纯镍、纯锰和纯镓置于真空感应熔炼炉中；
②、先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.02MPa的氩气；
③、重复步骤三②3次；
④、在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的板材状镍锰镓合金；
四、均匀化热处理：
将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至1020℃，在温度为1020℃的条件下，处理12h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金；
五、有序化处理：
将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至700℃，然后在温度为700℃的条件下，保温12h，然后以降温速度为5℃/min，将温度由700℃降温至500℃，在温度为500℃的条件下，保温24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，即完成一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法。
本实施例纯镍和纯镓的纯度不低于99.99％(质量百分数)，纯锰纯度不低于99.9％(质量百分数)；
图1为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金晶粒图，由图可知，镍锰镓合金的组织是粗大的柱状晶组织。
图2为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金取向反极图，由图可知，镍锰镓合金具有<001>取向，即柱状晶长轴平行于<001>。
图3为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在室温下的应力-应变曲线，由图可知，镍锰镓合金的抗压强度为602MPa，最大压缩应变为10％。
图4为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在应变速率为0.033/s及温度为54℃的条件下，快速加载卸载过程的应力-应变曲线，1为加载过程，2为卸载过程；图5为实施例制备的高弹热效应的镍锰镓合金在应变速率为0.033/s及温度为54℃的条件下，在加载与卸载过程中的绝热温变曲线图，A为在0MPa保持过程，B为由0MPa加载至100MPa过程，C为在100MPa保持过程，D为由100MPa卸载至0MPa过程，E为在0MPa保持过程。由图可知，在100MPa加载过程中的绝热温变为2.7K，而卸载过程中绝热温变为3K，说明利用本实施例制备方法制备的高弹热效应的镍锰镓合金在加载和卸载过程中具有较高的弹热效应并且完全可逆，是替代气体制冷剂的良好材料。

Claims (9)

1.一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于一种高弹热效应的镍锰镓合金由原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓制成；所述的高弹热效应的镍锰镓合金抗压强度大于600MPa，晶粒为柱状晶，具有<001>取向；
一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法是按以下步骤完成的：
一、称取：
按原子百分比为48％～50％镍、29％～31％锰和21％～23％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属；
二、制备浇铸模具：
使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的石墨模具；
三、真空感应熔炼法：
①、将步骤一称取的纯镍、纯锰和纯镓置于真空感应熔炼炉中；
②、先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.01MPa～0.05MPa的氩气；
③、重复步骤三②3次～5次；
④、在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃～600℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度大于100mm、宽度大于50mm、厚度为15mm～30mm的板材状镍锰镓合金；
四、均匀化热处理：
将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至1000℃～1050℃，在温度为1000℃～1050℃的条件下，处理8h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金；
五、有序化处理：
将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为5℃/min～10℃/min，将处理温度升温至700℃～750℃，然后在温度为700℃～750℃的条件下，保温12h～24h，然后以降温速度为3℃/min～5℃/min，将温度由700℃～750℃降温至450℃～550℃，在温度为450℃～550℃的条件下，保温12h～24h，处理完毕后随炉缓慢冷却，即完成一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法。
2.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤一中按原子百分比为48％镍、31％锰和21％镓分别称取纯镍、纯锰和纯镓三种纯金属。
3.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤二中使用石墨制备浇注模具，得到内腔长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的石墨模具。
4.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤三②中先将熔炼腔室抽真空处理，真空度不低于1Pa，然后通入0.02MPa的氩气。
5.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤三③中重复步骤三②3次。
6.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤三④中在氩气保护下感应熔炼至纯镍、纯锰和纯镓全部熔化，并在电磁力作用下搅拌合金熔液，最后将搅拌后的均匀合金熔液浇入到预热至温度为500℃的石墨模具中，待充分冷却，得到长度为120mm、宽度为60mm、厚度为25mm的板材状镍锰镓合金。
7.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤四中将板材状镍锰镓合金置于真空炉中均匀化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至1020℃，在温度为1020℃的条件下，处理12h，处理完毕后随炉缓慢冷却，得到均匀化处理后的镍锰镓合金。
8.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤五中将均匀化处理后的镍锰镓合金置于真空炉中进行有序化处理，以加热速度为10℃/min，将处理温度升温至700℃，然后在温度为700℃的条件下，保温12h。
9.根据权利要求1所述的一种高弹热效应的镍锰镓合金的制备方法，其特征在于步骤五中然后以降温速度为5℃/min，将温度由700℃降温至500℃，在温度为500℃的条件下，保温24h。
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