Co基铁磁形状记忆合金的凝固控制和固态相变特征

【摘要】： 铁磁形状记忆合金是近年来发展的一种集磁控形状记忆和磁场诱发应变于一体的新型智能材料,可用作未来传感器和制动器的关键部件。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,逐步成为各国学者开发的重点材料之一。 本文系统研究了Co-Ni-Ga和Co-Ni-Al合金在常规凝固、深过冷凝固、定向凝固、快速凝固及退火处理等多种制备条件下的马氏体结构和相变,第二相形态和沉淀特征,以及多相合金的超弹性和压缩断裂力学性能,提出利用受控凝固技术控制晶体生长取向和韧性相析出行为,尝试改善B2单相合金高脆性缺陷,并取得较好的超弹性和形状记忆综合性能,为实现这两类Co基合金的工程化应用打下基础。 研究表明,Co-Ni-Ga合金成分对铸态组织和热处理组织的影响非常显著,γ相随Ga含量升高而逐渐减少,相图中远离Co端合金在800°C水淬或300°C时效后能够析出有序L12结构γ′相。受固相扩散和基体错配度影响,γ′相呈现棒状层片、针状魏氏体和立方块状三种形态。透射电镜结合选区电子衍射研究揭示,Co45Ni25Ga30合金马氏体为四方L10(AuCuI型)非调制结构,晶格畸变度c/a = 0.864。亚结构是高密度微孪晶,变体间界面光滑平直,具有优异的形状记忆性能。磁力显微镜观察,波纹畴状马氏体显示室温铁磁态。由淬火相组织分析和能谱成分探测结果作出Co-Ni-Ga系Co = 50at%时的垂直截面示意相图,及1150°C和800°C等温截面示意相图。等温截面相图的平衡相分布和相区随温度变化规律类似于Ni-Al基合金相图。利用所得相图相界,结合等电子浓度线,给出“室温铁磁性单相马氏体”成分范围,对于该合金系成分设计有一定的指导意义。 马氏体相变行为对合金成分和处理工艺也十分敏感。固定Ni/Ga比,提高Co含量,使得相变温度显著降低,热滞略有升高,但电子浓度升高,不符合相变温度和电子浓度成近似正比依赖关系的普遍规律,初步认为应该从体积效应、有序度作用和电子浓度等综合因素考察马氏体相变温度变化。液态金属熔体深过冷处理和固相热处理对马氏体相变温度起相反作用,前者在大过冷下再辉时引入巨大内应力,破