阅读说明：本技术 一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金及其制备方法 (Nickel-cobalt-manganese magnetic superelasticity shape memory alloy and preparation method thereof ) 是由 吴志刚 向婉婉 郭锦培 钟敏婷 刘义捷 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金及其制备方法。本发明的镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金的化学组成按原子百分比计为：镍48at％～50at％,钴1at％～4at％,锰34at％～39at％,铁0～5at％,锡8at％～9at％,其制备方法包括以下步骤：1)将镍、钴、锰、铁和锡按照设定的原子百分比混合加入金属熔炼炉；2)将适量锰加入金属熔炼炉补充熔炼过程中锰的挥发损失；3)将保护气充入金属熔炼炉,进行熔炼。本发明的镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金的塑性大、强度高、机械循环稳定性好,且具有大于4％的超弹性能。(The invention discloses a nickel-cobalt-manganese magnetic superelasticity shape memory alloy and a preparation method thereof. The chemical composition of the nickel-cobalt-manganese magnetic superelasticity shape memory alloy is as follows by atomic percentage: 48 at% -50 at% of nickel, 1 at% -4 at% of cobalt, 34 at% -39 at% of manganese, 0-5 at% of iron and 8 at% -9 at% of tin, wherein the preparation method comprises the following steps: 1) mixing nickel, cobalt, manganese, iron and tin according to a set atomic percentage, and adding the mixture into a metal smelting furnace; 2) adding a proper amount of manganese into a metal smelting furnace to supplement the volatilization loss of manganese in the smelting process; 3) and (4) filling the protective gas into a metal smelting furnace for smelting. The nickel-cobalt-manganese magnetic superelasticity shape memory alloy has the advantages of high plasticity, high strength, good mechanical cycle stability and more than 4% of superelasticity.)

一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金及其制备方法。

背景技术

镍锰磁性形状记忆合金具有磁诱发回复应变、大输出应力、巨磁热效应、高响应频率及弹热效应等优异性能，是继压电陶瓷和磁致伸缩材料之后潜在的新一代驱动和传感材料。然而，金属间化合物的本征脆性严重制约了该类材料的实际应用。

目前，人们普遍采用引入塑性第二相(γ相)的方法对镍锰磁性形状记忆合金进行增塑，传统γ相晶粒的平均尺寸较大(几十微米级别)，其典型的塑性变形机制虽然可以有效增强合金整体的强度和塑性，但也会严重阻碍Heusler基体相的马氏体相变晶格切变，导致合金的形状记忆效应和超弹性大幅降低。

因此，有必要开发一种塑性大、强度高、机械循环稳定性好、具有超弹性能的磁性形状记忆合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金，其化学组成按原子百分比计为：镍48at％～50at％，钴1at％～4at％，锰34at％～39at％，铁0～5at％，锡8at％～9at％。

优选的，一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金，其化学组成按原子百分比计为：镍48at％，钴4at％，锰34at％，铁5at％，锡9at％。

上述镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金的制备方法包括以下步骤：

1)将镍、钴、锰、铁和锡按照设定的原子百分比混合加入金属熔炼炉；

2)将适量锰加入金属熔炼炉补充熔炼过程中锰的挥发损失；

3)将保护气充入金属熔炼炉，进行熔炼，得到镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金。

优选的，步骤1)所述镍、钴、锰、铁和锡的纯度不低于99.995at％。

优选的，步骤2)所述锰的添加量为步骤1)中镍、钴、锰、铁和锡总质量的0.8％～1.2％。

优选的，步骤3)所述保护气为氩气。

优选的，步骤3)所述熔炼的熔炼电流不小于80A。

优选的，步骤3)所述熔炼为正反面至少各熔炼2遍，每遍至少熔炼5min。

本发明的有益效果是：本发明的镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金的塑性大、强度高、机械循环稳定性好，且具有大于4％的超弹性能。

附图说明

图1为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的背散射SEM图。

图2为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的XRD图。

图3为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的磁化强度-温度关系曲线。

图4为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金在室温拉伸时的应力-应变关系曲线。

图5为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金在室温下进行20次压缩循环的应力-应变关系曲线。

图6为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金在室温下进行20次压缩循环的弹性模量和能量耗散曲线。

图7为实施例1的铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金在室温下进行20次压缩循环的最大应变和残余应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金，其制备方法包括以下步骤：

1)将纯度99.995at％的镍、钴、锰、铁和锡按照原子百分比镍48at％、钴4at％、锰34at％、铁5at％、锡9at％混合加入金属熔炼炉；

2)将占步骤1)中镍、钴、锰、铁和锡总质量1％的锰加入金属熔炼炉补充熔炼过程中锰的挥发损失；

3)将氩气充入金属熔炼炉，调节熔炼电流至80A，正反面各熔炼2遍，每遍熔炼5min，得到铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金，即镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金。

性能测试：

1)铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的背散射SEM图如图1所示。

由图1可知：铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金为纳米共晶结构，其中暗色相为γ相，γ相的体积分数约为28％，浅色相为Heusler相。

2)铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的XRD图如图2所示。

由图2可知：铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金由Heusler基相和γ相组成。

3)铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金在磁场强度为100Oe、升降温速度均为3K/min的条件下的磁化强度-温度关系曲线如图3所示。

由图3可知：铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的马氏体相变温度M_s为290K。

4)室温下对铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金进行拉伸应力-应变测试，得到的应力-应变关系曲线如图4所示。

由图4可知：铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金的断裂强度为1578MPa，断裂应变为17.4％。

5)室温下对铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金进行20次压缩循环(1000MPa应力加载-卸载循环)，得到的应力-应变关系曲线如图5所示，得到的弹性模量和能量耗散曲线如图6所示，得到的最大应变和残余应变曲线如图7所示。

由图5～7可知：铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₄Fe₅Sn₉合金进行20次循环后合金形成稳定的压缩超弹性，最大加载应变为6.71％，卸载后残余应变为2.38％，超弹性应变为4.33％，杨氏模量仅24.6GPa，能量耗散仅0.62J/cm³。

实施例2：

一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金，其制备方法包括以下步骤：

1)将纯度99.995at％的镍、钴、锰和锡按照原子百分比镍48at％、钴4at％、锰39at％、锡9at％混合加入金属熔炼炉；

2)将占步骤1)中镍、钴、锰和锡总质量1％的锰加入金属熔炼炉补充熔炼过程中锰的挥发损失；

3)将氩气充入金属熔炼炉，调节熔炼电流至80A，正反面各熔炼2遍，每遍熔炼5min，得到铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₉Sn₉，即镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金。

经测试，铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₉Sn₉合金为单相组织结构，其压缩断裂强度为837MPa，断裂应变为11.6％。

实施例3：

一种镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金，其制备方法包括以下步骤：

1)将纯度99.995at％的镍、钴、锰、铁和锡按照原子百分比镍48at％、钴4at％、锰37at％、铁2at％、锡9at％混合加入金属熔炼炉；

2)将占步骤1)中镍、钴、锰、铁和锡总质量1％的锰加入金属熔炼炉补充熔炼过程中锰的挥发损失；

3)将氩气充入金属熔炼炉，调节熔炼电流至80A，正反面各熔炼2遍，每遍熔炼5min，得到铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₇Fe₂Sn₉合金，即镍钴锰磁性超弹性形状记忆合金。

经测试，铸态Ni₄₈Co₄Mn₃₇Fe₂Sn₉合金为亚共晶结构，其中γ相体积分数约为15％，其压缩断裂强度为1146MPa，断裂应变为13.6％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。