Co-Ni-Ga(Al)合金深过冷及定向凝固行为

摘要

铁磁形状记忆合金作为一种新型的智能材料，不仅具有传统形状记忆合金的温控形状记忆效应、超弹性等功能，而且具有独特的磁控形状记忆性能和磁场诱发应变性能。Co基铁磁形状记忆合金包括Co-Ni-Ga和Co-Ni-Al两类合金，具有磁晶各向异性能大和热加工性能优异等优点，成为学者研究的重点材料之一。
　　本文系统研究了Co-Ni-Ga和Co-Ni-Al合金在深过冷快速凝固、深过冷定向凝固、区域熔炼定向凝固及后续退火处理等制备条件下的基体取向生长规律，多相间竞争生长关系，沉淀相的形核生长特征和马氏体相变温度的变化等问题，提出利用凝固技术控制多晶取向生长规律及一种新型的单晶制备方法，为Co基铁磁形状记忆合金的应用打下基础，得到以下主要结论：
　　通过熔融玻璃净化和循环过热的方法，采用70％Na2B4O7+30%NaSiCa玻璃作为净化剂对Co-Ni-Ga合金熔体进行净化处理，均获得了200K以上大过冷度，从而保证Co-Ni-Ga合金深过冷快速凝固的实现。进而研究了过冷对两相β+γ合金（Co50Ni25Ga25、Co50Ni22Ga28）和单相马氏体（Co45Ni25Ga30）合金组织的影响。发现Co50Ni25Ga25合金中γ相晶粒尺寸及体积分数受过冷度控制，随过冷度增加，γ相明显细化且分布均匀，其体积百分含量也相应增加；而Co50Ni22Ga28合金经过冷处理后γ相完全消失，成为单相马氏体，这种多相间的选择性生长是由深过冷引发的合金无偏析凝固造成的。过冷态下Co50Ni22Ga28与Co45Ni25Ga30合金均为单相马氏体，马氏体板条随过冷度明显细化，同时合金中出现高密度的亚晶结构。合金组织（γ相和马氏体板条）的细化归因于过冷增加了熔体形核率，而亚晶的产生则是由快速凝固引入的巨大内应力所致。经退火处理后，合金中γ相显著长大，而马氏体合金中的亚晶消失。
　　过冷对Co-Ni-Ga合金相变温度影响显著。马氏体Co45Ni25Ga30合金经220K过冷处理后，相变温度提高了整整50K，而Co50Ni22Ga28合金相变温度也提高了26K，这是由于快速凝固产生的巨大内应力诱发合金高温马氏体相变，进而提高了相变温度。因此，室温奥氏体合金有望通过深过冷处理直接转变为马氏体。为此，我们选择奥氏体Co50Ni20Ga30合金为对象，经298K深过冷处理后，合金组织确实由单相奥氏体完全转变为单相马氏体，DSC显示相变温度提高了40K至室温以上，而且在中等过冷度179K下也观察到了Co50Ni20Ga30合金的马氏体预相变，从而证明深过冷可以诱发合金马氏体相变。
　　利用深过冷定向凝固技术成功地制备了马氏体Co-Ni-Ga定向棒材，合金棒材轴向成分稳定，合金组织表现为粗大的柱状晶，且有明显的[111]M择优取向，说明深过冷定向凝固制备 Co-Ni-Ga定向合金完全可行。进而以 Co50Ni20Ga30奥氏体合金为例研究了激发过冷度对定向合金组织及取向的影响。分别在70K和186K两个过冷度下激发合金熔体获得定向合金。70K过冷度下的合金仍然为单向奥氏体，棒材轴向组织表现为：细小等轴晶-粗大柱状晶-粗大等轴晶的演变趋势，合金中产生大量裂纹并扩展后使合金中形成多边形等轴晶；186K过冷度下的Co50Ni20Ga30合金为良好的马氏体单晶组织，合金中出现大量规则裂纹，并构成平行四边形结构。两个激发过冷度下的定向合金分别表现为(110)A和(111)M择优取向。
　　为拓展Co基合金的应用，以廉价的Co-Ni-Al合金为对象，考察了定向凝固速度及温度梯度对共晶型铁磁形状记忆合金组织形态及基体取向的影响。采用区域熔炼定向凝固技术，在较宽的温度梯度和凝固速度范围内，制备出一系列Co32Ni40Al28定向合金，结果表明高温度梯度低凝固速度有利于获得具有择优取向的粗大柱状多晶，低温度梯度高凝固速度下得到取向较差甚至无取向的胞状晶或等轴晶。在此工艺基础上，选择Co37Ni34Al29奥氏体做超高温度梯度定向凝固生长，结果显示 Co37Ni34Al29合金在800K/cm温度梯度下，15μm/s凝固速度下获得<110>A择优取向，150μm/s凝固速度下获得<100>A择优取向，在1200K/cm温度梯度下改变凝固速度获得类似结果，这归因于不同凝固条件下晶体的竞争择优生长，从而获得合金的选择性择优生长。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2 Co-Ni-(Ga, Al)铁磁形状记忆合金的研究现状

1.3 凝固技术在铁磁形状记忆合金制备中的应用

1.4 合金熔体深过冷研究进展

1.5 选题意义和内容安排

参考文献

第二章 研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备与装置

2.3 分析测试技术

2.4 其它实验方法

第三章 Co-Ni-Ga合金深过冷凝固

3.1 引言

3.2 合金成分选取与深过冷快速凝固制备

3.3 过冷Co-Ni-Ga合金微观组织演变

3.4 退火对过冷Co-Ni-Ga合金组织的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 深过冷诱发Co-Ni-Ga合金马氏体相变

4.1 引言

4.2 过冷度对Co-Ni-Ga马氏体合金相变温度的影响

4.3 深过冷诱发Co50Ni20Ga30奥氏体合金马氏体相变

4.4 本章小结

参考文献

第五章 Co-Ni-Ga合金深过冷定向凝固

5.1引言

5.2 Co-Ni-Ga合金深过冷定向凝固实验方案

5.3 Co-Ni-Ga合金深过冷定向凝固可行性

5.3 Co50Ni20Ga30合金深过冷定向凝固

5.4 深过冷定向凝固的优越性

5.5 本章小结

参考文献

第六章 Co-Ni-Al合金区域熔炼定向凝固

6.1 引言

6.2 合金成分选取和样品制备

6.4 凝固速率与温度梯度对Co32Ni40Al28合金组织及取向的影响

6.4 超高温度梯度下Co37Ni34Al29合金的取向生长

6.5 本章小结

参考文献

第七章 结论与创新

7.1 结论

7.2 创新点

博士学位期间发表学术论文及奖励情况

1. 学术论文

2. 专利

3. 奖励情况

致谢