Cr掺杂对NiCoMnIn合金微观组织和性能的影响

作     者：廖华玉 

作者单位：上海海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高丽

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：NiMnIn合金 微观组织 结构相变 力学性能 磁化强度 

摘      要：磁制冷是一种根据材料磁热效应进行制冷的新型方式,它与目前传统的制冷方式相比较其具有绿色、环保、高效等特点而引起了人们的广泛关注。Ni-Mn-In基合金就是近年来研究的具有良好磁热效应的磁制冷材料,但是由于其脆性问题而限制了其广泛运用,因此,找到良好力学性能并且具有较大磁热效应的材料是解决目前问题的关键所在,而且目前还未有人对其耐腐蚀性能进行研究,对磁制冷合金应用具有重要的意义。本文通过Cr取代NiCoMnIn合金中的Mn元素,通过调控Cr取代Mn元素的含量,利用非自耗真空电弧熔炼炉成功制备出NiCoMnInCr(x=0,0.5,1,2,3at.%)多晶合金,将合金进行真空封管后进行热处理,热处理温度为1173K,保温时间为24h,热处理完进行水淬冷却。利用光学显微镜观察了合金的微观组织并进行了能谱分析,使用差示扫描量热仪测试了合金的相变温度,通过X射线衍射仪测试合金在室温下的衍射峰,分析合金的晶格参数和晶体结构的变化,使用综合物性测试系统对合金的磁性能进行了测量和分析,利用电子万能力学试验机在室温下将合金压缩至断裂,通过合金的压缩应力应变曲线和扫描电镜下的断口形貌分析了合金的力学性能,利用电化学工作站测试了合金在人工模拟海水中的极化曲线,阐明了Cr元素的掺杂对NiCoMnInCr(x=0,0.5,1,2,3)合金性能的影响规律以及作用机理。实验结果表明,Cr掺杂会改变NiCoMnInCr(x=0,0.5,1,2,3)合金的显微组织,当Cr掺杂量低于1at.%时合金为单相结构,在金相显微组织中能观察到马氏体板条,当合金中Cr掺杂量达到2at.%以上时,合金内部出现了大量的第二相,主要呈颗粒状也存在少量的长条状,长条状第二相还具有取向性,并且第二相的数量随着Cr掺杂量的增加而增加,第二相由Ni、Co、Mn、In、Cr组成,与基体相比In含量较低而Co和Cr含量较高。当Cr掺入量超过1at.%时,随着Cr掺杂量的继续增加,基体中的Cr含量始终保持在1.1at.%-1.5at.%附近,表明Cr在合金内的溶解度有限,最大固溶度大约为1.5at.%。通过标定合金X射线衍射峰发现,在室温下,NiCoMnInCr(x=0,0.5,1)合金为14M单斜结构,当Cr掺杂量为2at.%时,晶体结构转变为14M和10M共存结构,当Cr掺杂量继续增加到3at.%时,合金转变为10M结构。Cr掺杂对合金的相变温度有着较大的影响,可以发现NiCoMnInCr(x=0,0.5,1)合金为典型的一步马氏体相变,Cr含量的掺杂影响合金的相变温度变化主要原因是由于Cr的掺杂减小了合金的价电子浓度,随着价电子浓度降低相变温度逐渐降低,同时随着Cr掺杂量的增加,合金的热滞后也逐渐减小。当Cr的掺杂量为2at.%和3at.%时,DSC曲线中放热峰和吸热峰都不太明显,表明过量的Cr掺杂会阻碍合金相变。通过压缩实验结果发现,Cr掺杂可以有效地提高合金的力学性能,在未掺杂Cr的情况下,合金的抗压强度只有130MPa,随即被压缩至断裂,当Cr的掺杂量达到3at.%时,合金的抗压强度达到了881MPa,与未掺杂Cr的NiCoMnIn合金相比提高了751MPa,并且随着Cr掺杂量增大还有继续增大的趋势,合金的压缩应变随Cr掺杂量增加呈先增大后减小的趋势,在Cr掺杂量为2at.%时压缩应变达到最大值10%。在对断口进行扫描观察后发现,在未掺杂Cr时合金断裂形式为沿晶断裂,当Cr掺杂量为2at.%时,在断口处发现有大量的韧窝产生,合金断裂方式发生了变化,转变为穿晶断裂。由多参数磁学测量系统测得交流磁化率发现,随Cr掺杂量增加会降低NiCoMnInCr(x=0,0.5,1,2,3)合金的居里温度,对NiCoMnInCr合金的磁性能进行研究发现,在0.1T磁场下马氏体相与奥氏体相之间的磁化强度差为37emu/g,而在5T磁场下最大磁化强度差为70emu/g,并且合金在355K、5T磁场作用下,合金的磁熵变达到最大值4.64J/(Kg·K)。由电化学工作站分析发现,在Cr掺杂量为1at.%的极化曲线图中有钝化区出现,随着Cr含量的增加,合金的腐蚀速率整体呈减小的趋势,当Cr掺杂量增加到3at.%时,自腐蚀电位达到最大值-215.7 m V,腐蚀速率最小为0.0791mpy,耐海水腐蚀性能最好。NiCoMnInCr合金有着良好的机械性能和较大的磁热效应,并且还具有良好的耐腐蚀性能,故其在磁制冷领域有着较大的应用价值。