稳恒磁场对Ni-Mn-Ga合金定向凝固组织的影响

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磁场对合金定向凝固过程具有重要影响,使其凝固组织发生变化进而改变合金的性能。近年来,Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金作为一种极具应用前景的新型功能材料,越来越受到研究者的重视。本论文选取了三种具有不同晶体结构的典型Ni-Mn-Ga合金(Ni48Mn30Ga22、Ni54Mn24Ga22和Ni50Mn28Ga22)为研究对象,分别研究了横向稳恒磁场和纵向稳恒磁场对Ni-Mn-Ga合金定向凝固过程中固-液界面形貌、宏观偏析及枝晶生长的影响,并利用电子背散射衍射(EBSD)技术分析了不同条件下Ni-Mn-Ga合金的晶体学取向及织构的变化规律。在定向凝固过程中,施加横向弱磁场导致固-液界面处出现了不同程度的界面凹陷及晶粒细化等现象。在固-液界面凹陷处Mn元素富集,且随着磁场强度的增大,固-液界面凹陷程度先增大后减小。这应当是由于合金固-液界面处试样尺寸的宏观热电磁流动(TEMCmac)和枝晶尺寸的微观热电磁流动(TEMCmic)的耦合作用驱动溶质迁移所致。进一步分析了横向弱磁场对定向凝固过程中一次枝晶间距的影响,发现增大磁场强度可以使一次枝晶间距减小。这是因为在施加磁场的过程中,TEMCmic随着磁场强度的增大而不断增大,使得枝晶间熔体流动不断加强,一次枝晶间距不断变小。在定向凝固过程中,施加纵向磁场导致固-液界面形貌和枝晶生长发生变化。施加小于等于1T的纵向磁场后,发现随着磁场强度的增大,固-液界面变得越来越平缓,枝晶变得细碎短小,数目增多。当磁场强度增大至2T时,枝晶变得粗大。这是由于磁场强度较小时,热电磁流动改变了界面前沿溶质分布,使枝晶生长受到抑制。当磁场强度较大时,磁阻尼占主导地位,抑制了热电磁流动,枝晶变得粗大。此外,当磁场强度为2T时,产生的热电磁力使枝晶生长变形甚至破碎和断裂,原有的单晶生长变为多晶生长。磁场的施加对Ni-Mn-Ga合金定向凝固组织及马氏体变体的取向和织构也产生影响。EBSD结果表明随着生长速率的增加,定向凝固的选晶作用逐渐增强,且晶体生长方向即为奥氏体Ni-Mn-Ga合金择优生长方向<001>C。横向弱磁场对合金定向凝固组织的取向影响较小,与无磁场下现象相似。然而,施加纵向磁场后,随着磁场强度增大,定向凝固过程中固相所受热电磁力增大,导致枝晶断裂从而形成轴向取向一致而径向取向不一的多晶样品。另外,在纵向磁场作用下,部分马氏体变体沿定向凝固方向的取向从[110]M转变为[001]M,即难磁化方向转向垂直磁场方向。
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