專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多晶Ni-Co-Mn-In-Gd合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金及其制備方法，尤其是涉及一種N1-Co-Mn-1n-Gd高溫磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
N1-Co-Mn-1n 合金是繼 N1-Mn-Ga (Al)，Co-N1-Ga (Al)，N1-Fe-Ga, Fe-Pd (Pt)合金之后開(kāi)發(fā)出的新型磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金。該合金的最大特點(diǎn)在于:馬氏體相變過(guò)程伴隨著磁性的變化，馬氏體相為順磁或反鐵磁，若居里溫度高于相變溫度，則馬氏體與母相二者之間存在較大的飽和磁化強(qiáng)度差，且相變過(guò)程中的熵變較小，合金處于某溫度范圍時(shí)，施加磁場(chǎng)后合金相變溫度會(huì)顯著向低溫方向偏移，當(dāng)逆相變溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，發(fā)生逆馬氏體相變；去除磁場(chǎng)相變溫度恢復(fù)到原來(lái)的溫度，合金發(fā)生馬氏體相變。此過(guò)程循環(huán)可逆，并且該過(guò)程理論上能產(chǎn)生較大的應(yīng)力輸出。但是，N1-Co-Mn-1n合金的馬氏體相變溫度不夠高，不能滿足在高溫條件下的應(yīng)用要求，且存在強(qiáng)度低、脆性大、可加工性能差等缺點(diǎn)，很大程度上限制了這種材料的實(shí)際應(yīng)用。因此，如何在提高馬氏體相變溫度的基礎(chǔ)上有效改善N1-Co-Mn-1n合金的韌性逐漸成為廣大材料工作者的研究重點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決N1-Co-Mn-1n合金的強(qiáng)度低、脆性大、可加工性能差及不能在高溫條件下應(yīng)用的問(wèn)題，而提供一種多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金及其制備方法。本發(fā)明的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金在N1-Co-Mn-1n合金中以Gd元素替代部分In元素，其含量為N1-Co-Mn-1n-Gd合金的0_2at.%。所述N1-Co-Mn-1n 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni5(l_xCoxMn5(l_yIny ,其中:x=l 9, y=10 17。BP:N1、Co、Mn、In 的比例為 41 49at.%:1 9at.%:33 40at.%:10 17at.%。上述多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的制備方法如下:
一、采用純度均為99.95%的鎳、錳、銦、鈷和釓為原料，按照采用非自耗真空電弧熔煉爐，抽真空至5 X KT3Pa后，在1500 1700°C、純度為99.999%氬氣保護(hù)下熔煉10 15分鐘；為了保證合金成分的均勻性，每個(gè)樣品反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉四次并加以磁攪拌。二、吸鑄得到棒狀試樣；
三、試驗(yàn)材料經(jīng)機(jī)械拋光去除表面雜質(zhì)，采用線切割方法獲得要求形狀；
四、用丙酮清洗后封入真空度為10_3Pa的石英管中，在1073K保溫24小時(shí)；
五、淬入冰水中，即得多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金。 與N1-Co-Mn-1n合金相比，本發(fā)明的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金壓縮斷裂強(qiáng)度增加了四倍以上，應(yīng)變最多提高兩倍以上，馬氏體相變溫度提高了 120°C以上；從而增強(qiáng)了其加工性能，拓寬了應(yīng)用范圍，利于本發(fā)明多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金在實(shí)際中應(yīng)用和推廣。本發(fā)明方法的工藝簡(jiǎn)單，便于操作。


圖1是Ni45Co5Mn37In12.5GdQ.5合金的背散射電子像。圖2是Ni45Co5Mn37In12Gd1合金的背散射電子像。圖3是Ni45Co5Mn37In11Gd2合金的背散射電子像。圖4 是 Ni45Co5Mn37In11Gd2 合金中 Gd，Mn，Ni，Co 和 In 的線掃描照片。圖5 是 Ni45Co5Mn37In13 合金的 DSC 曲線。圖6 是 Ni45Co5Mn37In12.5Gd。.5 合金的 DSC 曲線。圖7 是 Ni45Co5Mn37In12Gd1 合金的 DSC 曲線。圖8 是 Ni45Co5Mn37In11Gd2 合金的 DSC 曲線。圖9是Gd含量對(duì)Ni45Co5Mn37In13_zGdz合金馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響。圖10是Ni45Co5Mn37In13_zGdz合金室溫壓縮應(yīng)力_應(yīng)變曲線。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:本實(shí)施方式的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金在N1-Co-Mn-1n合金中以Gd元素替代部分In元素，其含量為N1-Co-Mn-1n-Gd合金的0_2at.%。所述N1-Co- Mn-1n 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni5(l_xCoxMn5(l_yIny ,其中:x=l 9, y=10 17。BP:N1、Co、Mn、In 的比例為 41 49at.%:1 9at.%:33 40at.%:10 17at.%。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，所述N1-Co-Mn-1n合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni45Co5Mn37In13O具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，所述N1-Co-Mn-1n合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni48Co2Mn35In15O具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是，所述N1-Co-Mn-1n合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni42Co8Mn33In17O具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式中多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni45Co5Mn37In13。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式中多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni45Co5Mn37 In12^ sGd0.5。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式中多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的結(jié)構(gòu)通式為
Ni45Co5Mn37In12Gd10具體實(shí)施方式
八:本實(shí)施方式中多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的結(jié)構(gòu)通式為
Ni45Co5Mn37In11Gd20具體實(shí)施方式
九:本實(shí)施方式合金按照如下步驟進(jìn)行制備N(xiāo)1-Co-Mn-1n-Gd:
采用純度為99.95%的鎳、錳、銦、鈷和釓為原料，采用非自耗真空電弧熔煉爐，抽真空
至5X KT3Pa后，在1500 1700°C、純度為99.999%氬氣保護(hù)下熔煉10 15分鐘。為了保證合金成分的均勻性，每個(gè)樣品反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉四次并加以磁攪拌，隨后采用設(shè)備自帶吸鑄裝置得到Φ6_Χ70_的棒狀試樣。試驗(yàn)材料經(jīng)機(jī)械拋光去除表面雜質(zhì)，采用線切割方法獲得要求形狀，并用丙酮清洗后封入真空度為10_3Pa的石英管中，在1073K保溫24小時(shí)實(shí)現(xiàn)成分均勻化，淬入冰水中以獲得高的有序度；即得到了多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其結(jié)構(gòu)通式為 Ni45Co5Mn37In13^Gdz, ζ=0、0.5、I 或 2。。
本實(shí)施方式采用Hitachi公司生產(chǎn)的S-4700型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察合金的顯微組織。試驗(yàn)合金的相變溫度在Pekin-Elmer Diamond型差示掃描量熱儀(DSC)上采用差熱分析模式確定。試樣重約15mg，升溫速率為20K/min。在差熱分析曲線上用切線法確定馬氏體相變的開(kāi)始和終了溫度(Ms和Mf)，以及馬氏體逆相變的開(kāi)始和終了溫度(As和Af)。米用線切割的方法在退火后的棒狀合金上切取i>3mmX5mm的試樣。室溫壓縮試驗(yàn)在Instron-5569型電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,橫梁運(yùn)動(dòng)速率為0.05mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖1-10所示。由圖1-4可見(jiàn)，在所有摻Gd合金中均觀察到白色第二相，即此相在合金凝固過(guò)程中即己形成。隨著Gd含量的增加，第二相的分布、尺寸和數(shù)量隨之發(fā)生變化。當(dāng)Gd含量為0.5at.%時(shí)，尺寸較小的呈顆粒狀的第二相彌散地分布在基體中。隨著Gd含量的增加，第二相逐漸長(zhǎng)大且體積分?jǐn)?shù)也隨之增加，并趨向于沿晶界分布。從圖5-8中可以看出，Ni45Co5Mn37In13_zGdz(Z=0，0.5，I, 2)在加熱和冷卻過(guò)程中分別有一個(gè)吸熱和放熱峰，說(shuō)明合金只發(fā)生一步馬氏體相變及其逆轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出典型的熱彈性馬氏體相變特征。由圖9可見(jiàn)，隨著Gd含·量的增加，合金的馬氏體相變溫度(Ms，Mf)與逆相變溫度(As, Af)均明顯升高。Gd含量在0.5at.9Tlat.%之間時(shí)，相變溫度隨著Gd含量的增加顯著升高，當(dāng)Gd含量高于Iat.%時(shí)，相變溫度升高較緩。Ni45Co5Mn37In11Gd2合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms高達(dá)175°C，與合金相比，Ms升高約120°C，說(shuō)明用稀土 Gd替代In是提高N1-Co-Mn-1n相變溫度的有效方法。較高的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度使N1-Co-Mn-1n-Gd合金有望成為新型的高溫形狀記憶合金。由圖10可知，Gd含量對(duì)Ni45Co5Mn37In13_zGdz合金的壓縮斷裂強(qiáng)度和應(yīng)變有較大影響。適量添加稀土 Gd可以顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性。但稀土含量過(guò)高時(shí)，雖然合金的壓縮斷裂強(qiáng)度較高但塑性小幅下降。由圖10可見(jiàn)，隨Gd含量的增加，壓縮強(qiáng)度顯著升高，當(dāng)Gd含量超過(guò)Iat.%時(shí)，壓縮強(qiáng)度的增加變緩。壓縮應(yīng)變則隨Gd含量的增加先升高后降低，在Gd含量為Iat.%時(shí)達(dá)到最大值。N1-Co-Mn-1n合金是非常具有應(yīng)用前景的磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金，但是這種合金的不足之處在于，合金的馬氏體相變溫度不夠高，不能滿足在高溫條件下的應(yīng)用要求，且存在強(qiáng)度低、脆性大、可加工性能差等缺點(diǎn)，很大程度上限制了這種材料的實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明在N1-Co-Mn-1n合金中以Gd元素替代In元素，得到了的N1-Co-Mn-1n-Gd合金，將馬氏體相變溫度提高到175°C的同時(shí)，增強(qiáng)了力學(xué)性能，為拓展磁驅(qū)動(dòng)記憶合金在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供了保障。
權(quán)利要求
1.一種多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于:在N1-Co-Mn-1n合金中以Gd元素替代部分In元素，其含量為N1-Co-Mn-1n-Gd合金的0_2at.%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金,其特征在于所述N1-Co-Mn-1n合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni5(l_xCoxMn5(l_yIny ,其中:x=l 9, y=10 17。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于所述N1-Co-Mn-1n-Gd合金的結(jié)構(gòu)通式為Ni45Co5Mn37In13_zGdz,結(jié)構(gòu)通式中Z=O 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于所述N1-Co-Mn-1n-Gd 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni45Co5Mn37In1315
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于所述N1-Co-Mn-1n-Gd 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni45Co5Mn37In12.5Gd0.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于所述N1-Co-Mn-1n-Gd 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni45Co5Mn37In12Gd1
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金，其特征在于所述N1-Co-Mn-1n-Gd 合金的結(jié)構(gòu)通式為 Ni45Co5Mn37In11Gd2
8.—種權(quán)利要求1所述多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的制備方法,其特征在于所述方法按照如下步驟進(jìn)行: 一、采用純度均為99.95%的鎳、錳、銦、鈷和釓為原料，采用非自耗真空電弧熔煉爐，抽真空至5 X KT3Pa后，在1500 1700°C、純度為99.999%氬氣保護(hù)下熔煉10 15分鐘； 二、吸鑄得到棒狀試樣； 三、試驗(yàn)材料經(jīng)機(jī)械拋光去除表面雜質(zhì)，采用線切割方法獲得要求形狀； 四、用丙酮清洗后封入真空度為10_3Pa的石英管中，在1073K保溫24小時(shí)； 五、淬入冰水中，即得權(quán)利要求1所述多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的制備方法，其特征在于所述棒狀試樣的尺寸為Φ6_Χ70_。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多晶N1-Co-Mn-1n-Gd合金的制備方法，其特征在于為了保證合金成分的均勻性，熔煉過(guò)程中反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉四次并加以磁攪拌。
全文摘要
一種多晶Ni-Co-Mn-In-Gd合金，涉及一種磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金及其制備方法。本發(fā)明所述合金在Ni-Co-Mn-In合金中以Gd元素替代部分In元素，其制備方法為以鎳、錳、銦、鈷和釓為原料，采用非自耗真空電弧熔煉爐，抽真空、氬氣保護(hù)下得到棒狀試樣，經(jīng)機(jī)械拋光后采用線切割方法獲得要求形狀，并用丙酮清洗后封入石英管中保溫，淬入冰水中即得多晶Ni-Co-Mn-In-Gd合金。與Ni-Co-Mn-In合金相比，本發(fā)明的多晶Ni-Co-Mn-In-Gd合金壓縮斷裂強(qiáng)度增加了四倍以上，應(yīng)變最多提高兩倍以上，馬氏體相變溫度提高了120℃以上；本發(fā)明方法的工藝簡(jiǎn)單，便于操作。
文檔編號(hào)C22F1/10GK103074522SQ20131000824
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者孟祥龍, 李航, 蔡偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)