CN108034910A - 一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法 - Google Patents

一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料技术领域，提供了一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法，该方法是将Ni、Mn、Ga原材料经熔炼铸棒，经定向凝固之后形成强取向多晶材料，然后利用X射线衍射测量织构，依据晶体择优取向切取长方体块状样品，使其三边均与奥氏体的<001>A择优取向方向平行。采用力学性能试验机对长方体样品进行反复压缩的应力场训练，压缩沿两个方向进行交替进行，随着压缩次数的递增，样品的孪晶应力平台显著降低，进而提高多晶合金样品的磁感生应变。

Description

一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理 方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种有效降低多晶NiMnGa合金孪晶应力并提高磁感生应变的处理方法。
背景技术
NiMnGa铁磁形状记忆合金是近年来引起广泛关注的一种新型磁控功能材料。这类材料在降温过程中会发生一级马氏体相变，由高温奥氏体相转变为低温马氏体相。由于马氏体相具有强的磁晶各向异性，施加磁场能够诱发马氏体发生变体再取向行为而获得显著的磁感生应变，从而显示出优异的磁致形状记忆效应，兼具输出应变大与响应频率高的优点，是智能驱动与传感领域的理想候选材料。目前，NiMnGa合金大的磁控形状记忆效应均在单晶中获得，可达9.5％；但单晶的制备工艺复杂，制备成本高昂，严重限制了这类材料的实际应用。与之相比，多晶材料的制备工艺相对简单，且成本较低，在实际应用中更具优势；但多晶材料中由于马氏体变体的无规分布会使得孪晶应力显著增加，导致磁场驱动马氏体变体再取向的阻力增大，从而难以获得显著的磁感生应变(磁控形状记忆效应)。因此，有效降低多晶NiMnGa合金磁场驱动马氏体变体再取向的阻力(即孪晶应力)是在多晶合金中获得显著磁控形状记忆效应的关键所在。针对此，本发明提出一种基于应力场训练的处理方法，可显著降低多晶NiMnGa合金的孪晶应力，并提高磁感生应变。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于应力场训练的处理方法，可显著降低多晶NiMnGa合金的孪晶应力，从而提高磁感生应变。
本发明的具体技术方案为：
一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法，包括如下步骤：
步骤1，制备定向凝固多晶NiMnGa合金棒材；
步骤2，织构测量及样品切取
沿定向凝固棒材上垂直定向凝固方向切取截面切片，利用X射线衍射测量定向凝固棒材横截面的宏观织构；织构测量之前设定参考坐标系X0-Y0-Z0，其中，Z0平行于定向凝固方向，X0与Y0垂直于定向凝固方向；X0和Y0分别与横截面内的<0 0 1>A强取向方向一致；
沿垂直于实测<0 0 1>A强取向切取长方体样品，保证长方体样品两两相邻的三边均与奥氏体的<0 0 1>A择优取向方向平行；其中，样品较长的一边平行于定向凝固方向；
步骤3，应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复交替压缩的应力场训练，压缩沿平行定向凝固方向和垂直定向凝固方向交替进行。随着压缩次数的递增，样品的孪晶应力平台显著降低，进而提高多晶合金样品的磁感生应变。
上述步骤1，制备定向凝固多晶NiMnGa合金棒材的具体方法为：
按照目标合金成分称量原料，所述原料中Ni为99.97wt.％高纯Ni，Mn为99.9wt.％高纯Mn，Ge为99.99wt.％高纯Ge，利用电弧熔炼制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强择优取向的多晶合金棒材，拉拔速率为50μm～100μm，为均匀合金成分，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
本方法的有益效果：
(1)基于XRD测量马氏体的择优取向能够判断出母相奥氏体的择优取向；
(2)基于奥氏体晶体学择优取向切取多晶合金样品，而并非是任意切取，从而能够保证压缩应力施加的方向性；
(3)能够对不同尺寸的多晶合金样品进行处理，并能够使得孪晶应力降至～2MPa，接近于单晶合金。
(4)经过应力场训练后，可实现多晶NiMnGa合金磁感生应变的有效提高。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的定向凝固Ni50Mn28Ga22合金马氏体的不完整极图。(a){00 10}M不完整极图，(b){1 2 5}M不完整极图和(c){0 4 0}M不完整极图；
图2：(a)本发明实施例1制备的定向凝固Ni50Mn28Ga22合金样品沿Z方向的压缩应力-应变曲线，(b)本发明实施例1制备的定向凝固Ni50Mn28Ga22合金样品沿X方向的压缩应力-应变曲线；
图3：本发明实施例1制备的定向凝固Ni50Mn28Ga22合金经应力场训练后样品的磁感生应变随磁场变化曲线图；
图4：本发明实施例2制备的定向凝固Ni50Mn28.5Ga21.5合金马氏体的不完整极图。(a){0 0 10}M不完整极图，(b){1 2 5}M不完整极图和(c){0 4 0}M不完整极图；
图5：(a)本发明实施例2制备的定向凝固Ni50Mn28.5Ga21.5合金样品沿Z方向的压缩应力-应变曲线，(b)本发明实施例2制备的定向凝固Ni50Mn28.5Ga21.5合金样品沿X方向的压缩应力-应变曲线；
图6：本发明实施例2制备的定向凝固Ni50Mn28.5Ga21.5合金经应力场训练后样品的磁感生应变随磁场变化曲线图；
图7：本发明实施例3制备的定向凝固Ni50Mn29Ga21合金马氏体的不完整极图。(a){00 10}M不完整极图，(b){1 2 5}M不完整极图和(c){0 4 0}M不完整极图；
图8：(a)本发明实施例3制备的定向凝固Ni50Mn29Ga21合金样品沿Z方向的压缩应力-应变曲线，(b)本发明实施例3制备的定向凝固Ni50Mn29Ga21合金样品沿X方向的压缩应力-应变曲线；
图9：本发明实施例3制备的定向凝固Ni50Mn29Ga21合金经应力场训练后样品的磁感生应变随磁场变化曲线图；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细说明。
本发明提供的基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法包括以下步骤：
(1)合金制备
采用高纯金属Ni(99.97wt.％)、Mn(99.9wt.％)、Ga(99.99wt.％)为原料，按照设计的合金成分(室温相为5M马氏体)进行称量，利用电弧熔炼(反复熔炼4次)制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成直径为10mm的合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强择优取向的多晶合金棒材，拉拔速率为50μm～100μm。为均匀合金成分，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
(2)织构测量及样品切取
在定向凝固棒材上垂直定向凝固方向上切取厚度为1mm的圆片，利用X射线衍射(XRD)测量定向凝固棒材横截面的宏观织构。织构测量之前设定参考坐标系(X0-Y0-Z0)，其中，Z0平行于定向凝固方向(SD)，X0与Y0垂直于定向凝固方向。本方法利用XRD测量5M马氏体的{0 0 10}M、{1 2 5}M、{0 4 0}M不完整极图。首先利用实测的马氏体的不完整极图判断母相奥氏体的择优取向。根据奥氏体与5M马氏体之间的相变取向关系可知，5M马氏体的{04 0}5M晶面来源于母相奥氏体的{0 0 1}A晶面。如果{0 4 0}5M极图的强点位于极图的中心位置，则表明制备的定向凝固棒材的母相奥氏体具有平行于定向凝固方向的<0 01>A择优取向。由于{0 0 10}M与{1 2 5}M来源于奥氏体{2 2 0}A，因此在{0 0 10}M或{1 2 5}M极图中，中心点与位于极角为40°附近的极点的连线即为初始奥氏体{0 0 1}A法线的迹线(即<00 1>A强取向方向)。测量横截面内的<0 0 1>A强取向方向与设置的参考方向X0的夹角，将定向凝固合金绕Z0方向旋转相应的角度，使X0和Y0分别与横截面内的<0 0 1>A强取向方向一致，并沿垂直于实测<0 01>A强取向进行切取长方体样品，保证其三边均与奥氏体的<0 0 1>A择优取向方向平行。将此长方体样品的三边分别定义为X、Y和Z；其中，样品较长的一边平行于定向凝固方向，即Z平行于定向凝固方向。
(3)应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复交替压缩的应力场训练，压缩沿两个方向交替进行，即平行定向凝固方向和垂直定向凝固方向。应力-应变曲线的平台部分对应于马氏体孪晶/去孪晶过程，相应的应力大小即为孪晶应力。
(4)磁感生应变测量
采用电阻应变片法测量经应力场训练后样品的磁感生应变。将电阻应变片贴在样品表面，通过测量电阻的变化从而获得样品在磁场作用下的应变量。
实施例1：合金成分Ni50Mn28Ga22，样品尺寸3mm×4mm×5mm
(1)合金制备
采用高纯金属Ni(99.97wt.％)、Mn(99.9wt.％)、Ga(99.99wt.％)为原料，按Ni50Mn28Ga22(at.％)的名义成分进行称量，利用电弧熔炼(反复熔炼4次)制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成直径为10mm的合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强取向多晶合金棒材，拉拔速率为50μm。为均匀合金成分，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
(2)织构测量及样品切取
在定向凝固棒材上垂直定向凝固方向上切取厚度为1mm的圆片，用于X射线织构测量。织构测量之前设定参考坐标系(X0-Y0-Z0)，其中，Z0平行于定向凝固方向(SD)，X0与Y0垂直于定向凝固方向。图1给出定向凝固制备的Ni50Mn28Ga22合金横截面(垂直于定向凝固方向)5M马氏体的{0 0 10}M、{1 2 5}M、{0 4 0}M实测不完整极图。根据奥氏体与5M马氏体之间的相变取向关系可知，{0 0 10}M与{1 2 5}M来源于奥氏体{2 2 0}A，而{0 4 0}5M来源于{0 0 1}A。因而，根据极图可判定定向凝固合金母相奥氏体具有强的<0 0 1>A//凝固方向的择优取向。在{1 2 5}5M极图中，中心点与位于极角为40°附近的极点的连线即为初始奥氏体{0 0 1}A法线的迹线(如图1中虚线所示)。因此，横截面内的<0 0 1>A强取向方向与设置的参考方向X0的偏差约为15°。将定向凝固合金绕Z0方向顺时针旋转15°即实现圆片平面内的一个<0 0 1>A强取向方向与X0平行。根据上述取向测量结果，沿垂直于实测<0 0 1>A强取向进行切取尺寸为3mm×4mm×5mm的长方体样品用于机械训练，此长方体样品的三边分别定义为X、Y和Z；其中，样品较长的一边(5mm)平行于定向凝固方向，即Z平行于定向凝固方向。
(3)应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复压缩的应力场训练，压缩沿两个方向进行交替进行，平行定向凝固方向(Z方向)和垂直定向凝固方向(X方向)，加载速率为1N/S。图2给出该合金两个方向上的循环压缩训练的应力-应变曲线。图中应力-应变曲线的平台部分为马氏体孪晶/去孪晶过程，相应的应力大小即为孪晶应力。可以看出，随着压缩次数的递增，孪晶应力平台逐渐降低。在压缩到第4次时，平行定向凝固方向孪晶应力为2MPa左右，垂直定向凝固方向上的孪晶应力为3MPa左右。
(4)磁感生应变测量
采用电阻应变片法测量经应力场训练后样品的磁感生应变。图3给出经应力场训练后Ni50Mn28Ga22合金的磁感生应变随磁场变化曲线。在1.5T磁场下，磁感生应变可达-0.43％。
实施例2：合金成分Ni50Mn28.5Ga21.5，样品尺寸5mm×5mm×6mm
(1)合金制备
采用高纯金属Ni(99.97wt.％)、Mn(99.9wt.％)、Ga(99.99wt.％)为原料，按Ni50Mn28.5Ga21.5(at.％)的名义成分进行称量，利用电弧熔炼(反复熔炼4次)制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成直径为10mm的合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强取向多晶合金棒材，拉拔速率为100μm。为均匀合金成分，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
(2)织构测量及样品切取
在定向凝固棒材上垂直定向凝固方向上切取厚度为1mm的圆片，用于X射线织构测量。织构测量之前设定参考坐标系(X0-Y0-Z0)，其中，Z0平行于定向凝固方向(SD)，X0与Y0垂直于定向凝固方向。图4给出定向凝固制备的Ni50Mn28.5Ga21.5合金横截面(垂直于定向凝固方向)5M马氏体的{0 0 10}M、{1 2 5}M、{0 4 0}M实测不完整极图。根据奥氏体与5M马氏体之间的相变取向关系可知，{0 0 10}M与{1 2 5}M来源于奥氏体{2 2 0}A，而{0 4 0}5M来源于{0 0 1}A。因而，根据极图可判定定向凝固合金母相奥氏体具有强的<0 0 1>A//凝固方向的择优取向。在{1 2 5}5M极图中，中心点与位于极角为40°附近的极点的连线即为初始奥氏体{0 0 1}A法线的迹线(如图4中虚线所示)。因此，横截面内的<0 0 1>A强取向方向与设置的参考方向X0的偏差约为-12°。将定向凝固合金绕Z0方向逆时针旋转12°即实现圆片平面内的一个<0 0 1>A强取向方向与X0平行。根据上述取向测量结果，沿垂直于实测<0 0 1>A强取向进行切取尺寸为5mm×5mm×6mm的长方体样品用于机械训练，此长方体样品的三边分别定义为X0、Y0和Z0；其中，样品较长的一边(6mm)平行于定向凝固方向，即Z平行于定向凝固方向。
(3)应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复压缩的应力场训练，压缩沿两个方向进行交替进行，平行定向凝固方向(Z方向)和垂直定向凝固方向(X方向)，加载速率为1N/S。图5给出该合金两个方向上的循环压缩训练的应力-应变曲线。图中应力-应变曲线的平台部分为马氏体孪晶/去孪晶过程，相应的应力大小即为孪晶应力。可以看出，随着压缩次数的递增，孪晶应力平台逐渐降低。在压缩到第4次时，平行定向凝固方向孪晶应力为2MPa左右，垂直定向凝固方向上的孪晶应力为7MPa左右。
(4)磁感生应变测量
采用电阻应变片法测量经应力场训练后样品的磁感生应变。图6给出经应力场训练后Ni50Mn28.5Ga21.5合金样品的磁感生应变随磁场变化曲线。在1.5T磁场下，磁感生应变可达-0.41％。
实施例3：合金成分Ni50Mn29Ga21，样品尺寸4mm×4mm×5mm
(1)合金制备
采用高纯金属Ni(99.97wt.％)、Mn(99.9wt.％)、Ga(99.99wt.％)为原料，按Ni50Mn29Ga21(at.％)的名义成分进行称量，利用电弧熔炼(反复熔炼4次)制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成直径为10mm的合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强取向多晶合金棒材，拉拔速率为50μm。为均匀合金成分，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
(2)织构测量及样品切取
在定向凝固棒材上垂直定向凝固方向上切取厚度为1mm的圆片，用于X射线织构测量。织构测量之前设定参考坐标系(X0-Y0-Z0)，其中，Z0平行于定向凝固方向(SD)，X0与Y0垂直于定向凝固方向。图7给出定向凝固制备的Ni50Mn29Ga21合金横截面(垂直于定向凝固方向)5M马氏体的{0 0 10}M、{1 2 5}M、{0 4 0}M实测不完整极图。根据奥氏体与5M马氏体之间的相变取向关系可知，{0 0 10}M与{1 2 5}M来源于奥氏体{2 2 0}A，而{0 4 0}5M来源于{0 0 1}A。因而，根据极图可判定定向凝固合金母相奥氏体具有强的<0 0 1>A//凝固方向的择优取向。在{1 2 5}5M极图中，中心点与位于极角为40°附近的极点的连线即为初始奥氏体{0 0 1}A法线的迹线(如图7中虚线所示)。因此，横截面内的<0 0 1>A强取向方向与设置的参考方向X0的偏差约为-10°。将定向凝固合金绕Z0方向逆时针旋转10°即实现圆片平面内的一个<0 0 1>A强取向方向与X0平行。根据上述取向测量结果，沿垂直于实测<0 0 1>A强取向进行切取尺寸为4mm×4mm×5mm的长方体样品用于机械训练，此长方体样品的三边分别定义为X0、Y0和Z0；其中，样品较长的一边(5mm)平行于定向凝固方向，即Z平行于定向凝固方向。
(3)应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复压缩的应力场训练，压缩沿两个方向进行交替进行，平行定向凝固方向(Z方向)和垂直定向凝固方向(X方向)，加载速率为1N/S。图8给出该合金两个方向上的循环压缩训练的应力-应变曲线。图中应力-应变曲线的平台部分为马氏体孪晶/去孪晶过程，相应的应力大小即为孪晶应力。可以看出，随着压缩次数的递增，孪晶应力平台逐渐降低。在压缩到第4次时，平行定向凝固方向孪晶应力为1.5MPa左右，垂直定向凝固方向上的孪晶应力为3.5MPa左右。
(4)磁感生应变测量
采用电阻应变片法测量经应力场训练后样品的磁感生应变。图9给出经应力场训练后Ni50Mn29Ga21合金样品的磁感生应变随磁场变化曲线。在1.5T磁场下，磁感生应变可达-0.56％。

Claims (2)

1.一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备定向凝固多晶NiMnGa合金棒材；
步骤2，织构测量及样品切取
沿定向凝固棒材上垂直定向凝固方向切取截面切片，利用X射线衍射测量定向凝固棒材横截面的宏观织构；织构测量之前设定参考坐标系X0-Y0-Z0，其中，Z0平行于定向凝固方向，X0与Y0垂直于定向凝固方向；X0和Y0分别与横截面内的<0 0 1>A强取向方向一致；
沿垂直于实测<0 0 1>A强取向切取长方体样品，保证长方体样品两两相邻的三边均与奥氏体的<0 0 1>A择优取向方向平行；其中，样品较长的一边平行于定向凝固方向；
步骤3，应力场训练
采用力学性能试验机对长方体样品进行反复交替压缩的应力场训练，压缩沿平行定向凝固方向和垂直定向凝固方向交替进行。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力场训练提高多晶NiMnGa合金磁感生应变的处理方法，其特征在于，步骤1，制备定向凝固多晶NiMnGa合金棒材的具体方法为：
按照目标合金成分称量原料，所述原料中Ni为99.97wt.％高纯Ni，Mn为99.9wt.％高纯Mn，Ge为99.99wt.％高纯Ge，利用电弧熔炼制备多晶母态合金铸锭；随后，将母态合金铸锭重熔，并喷铸成合金棒材；在此基础上，进一步利用定向凝固方法制备强择优取向的多晶合金棒材，拉拔速率为50μm～100μm，将制备的定向凝固合金封装在真空石英管中进行均匀化退火，1173K保温24小时后水冷。
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