ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2022, № 11 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Формирование микроструктуры типа "ожерелье" методом ковки в сплавах Гейслера системы Ni-Mn-Ga-Si как способ повышения механических свойств

И.И. Мусабиров1

1 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2022.11.4 УДК 539 EDN DCYCUN

Аннотация

Стандартная методика выплавки сплавов Гейслера подразумевает плавку в аргонно-дуговой печи на медном водоохлаждаемом тигле. В результате интенсивной кристаллизации слитка в структуре формируются крупные вытянутые кристаллы. Деформационно-термическая обработка такой структуры является малоэффективной, поскольку по границам крупных кристаллов в результате внутренних напряжений и мартенситного превращения формируются микротрещины, по которым затем при обработке происходит развитие трещин и разрушение заготовки. Показано, что дополнительная термическая обработка методом вакуумной индукционной переплавки позволяет устранить этот эффект. В результате такой обработки в сплавах сформирована равноосная зерненная микроструктура с размером зерен порядка 200 мкм. Однако в результате переплавки в кварцевом тигле в объем слитка диффундируют атомы кремния. Его содержание варьируется в интервале 1-2% в зависимости от длительности выдержки в расплавленном состоянии. Энерго-дисперсионный анализ показывает равномерное распределение кремния, без формирования дополнительных фаз. Таким образом получены сплавы следующих составов: Ni54.1Mn19.6Ga24.6Si1.7, Ni56.2Mn18.8Ga23.2Si1.8, Ni57.4Mn18.2Ga22.7Si1.7, Ni56.5Mn20.1Ga22.3Si1.2. Методом всесторонней изотермической ковки при 950-973 К и истинной степенью деформации e=1,9...3,9 в сплавах сформирована частично-рекристаллизованная структура типа «ожерелье». В ней исходные крупные зерна размером 100-200 мкм окружены прослойкой мелкозернистой структуры. Толщина прослойки на периферии заготовки составляет порядка 5 зерен. В самом центре деформируемой заготовки доля мелкозернистой структуры может преобладать над крупнозернистой структурой. Исследование циклической и усталостной прочности выполнено методом трехточечного изгиба при циклических испытаниях в интервале температур мартенситного превращения на примере сплава Ni54.1Mn19.6Ga24.6Si1.7 в исходном состоянии и сплава Ni57.4Mn18.2Ga22.7Si1.7 в кованном состоянии. Показано, что микроструктура типа «ожерелье» по сравнению с равноосной микроструктурой демонстрирует двукратное преимущество циклической прочности и пятикратное преимущество усталостной прочности.

  • сплавы Гейслера
  • Ni-Mn-Ga-Si
  • всесторонняя изотермическая ковка
  • микроструктура "ожерелье"
  • мартенсит
  • циклическая прочность
  • усталостная прочность
  • трехточечный изгиб
Abstract (in English)

Formation of a necklace type microstructure by the forging of the Heusler Ni-Mn-Ga-Si alloys as a way to increase mechanical properties

The standard technique for melting Heusler alloys involves melting in an argon-arc furnace on a water-cooled copper crucible. As a result of intensive crystallization of the ingot, large elongated crystals are formed in the structure. The thermo-mechanical treatment of such a structure is ineffective, since microcracks are formed along the boundaries of large crystals as a result of internal stresses and martensitic transformation, along which then, during processing, cracks develop and the workpiece is destroyed. It is shown that additional heat treatment by the vacuum induction remelting makes it possible to eliminate this effect. As a result of the treatment, an equiaxed granular microstructure with a grain size of about 200 μm is formed. However, as a result of remelting in a quartz crucible, silicon atoms diffuse into the bulk of the ingot. Its content varies in the range of 1-2% depending on the duration of exposure in the molten state. A uniform distribution of silicon, without the formation of additional phases is shown by energy-dispersive analysis. Thus, the Ni54.1Mn19.6Ga24.6Si1.7, Ni56.2Mn18.8Ga23.2Si1.8, Ni57.4Mn18.2Ga22.7Si1.7 and Ni56.5Mn20.1Ga22.3Si1.2 alloys were obtained. A partially recrystallized structure of the "necklace" type was formed in the alloys by the multiaxial isothermal forging at 950-973 K and the true degree of deformation e=1.9...3.9. The initial large grains with a size of 100-200 microns are surrounded by a layer of fine-grained structure. The thickness of the interlayer at the periphery of the workpiece is about 5 grains. In the center of the workpiece, the proportion of the fine-grained structure may prevail over the coarse-grained structure. The study of cyclic and fatigue strength was carried out by the method of three-point bending during cyclic tests in the temperature range of martensitic transformation using the example of the Ni54.1Mn19.6Ga24.6Si1.7 alloy in the initial state and the Ni57.4Mn18.2Ga22.7Si1.7 alloy in the forged state. It is shown that the “necklace” type microstructure, compared to the equiaxed microstructure, demonstrates a twofold advantage in cyclic strength and a fivefold advantage in fatigue strength.

Для цитирования

Мусабиров И.И. Формирование микроструктуры типа "ожерелье" методом ковки в сплавах Гейслера системы Ni-Mn-Ga-Si как способ повышения механических свойств // Журнал радиоэлектроники. – 2022. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.4

Литература

  1. Pagounis E., Szczerba M.J., Chulist R., Laufenberg M. Large magnetic field-induced work output in a NiMnGa seven-layered modulated martensite. Appl. Phys. Lett. 2015. V.107. №15. P.152407. https://doi.org/10.1063/1.4933303
  2. Sozinov A., Lanska N., Soroka A., Zou W. 12% magnetic field-induced strain in Ni-Mn-Ga-based non-modulated martensite. Appl. Phys. Lett. 2013. V.102. №2. P.021902. https://doi.org/10.1063/1.4775677
  3. Chulist R., Pagounis E., Czaja P., Schell N., Brokmeier H. New Insights into the Intermartensitic Transformation and Over 11% Magnetic Field-Induced Strain in 14 m Ni-Mn-Ga Martensite. Adv. Eng. Mater. 2021. V.23. P.2100131. https://doi.org/10.1002/adem.202100131
  4. Zhou Z., Wu P., Ma G., Yang B., Li Z., Zhou T., Wang D., Du Y. Large reversible magnetic-field-induced strain in a trained Ni49.5Mn28Ga22.5 polycrystalline alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2019. V.792. P.399-404. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.038
  5. Mendonca A.A., Jurado J.F., Stuard S.J., Silva L.E.L., Eslava G.G., Cohen L.F., Ghivelder L., Gomes A.M., Giant magnetic-field-induced strain in Ni2MnGa-based polycrystal. Journal of Alloys and Compounds. 2018. V.738. P.509-514. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.197
  6. Gaitzsch U., Potschke M., Roth S., Rellinghaus B., Schultz L. A 1% magnetostrain in polycrystalline 5M Ni-Mn-Ga. Acta Mater. 2009. V.57. P.365-370. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2008.09.017
  7. Li Z., Li Z., Yang B., He X., Gan W., Zhang Y., Li Z., Zhang Y., Esling C., Zhao X., Zuo L. Over 2% magnetic-field-induced strain in a polycrystalline Ni50Mn28.5Ga21.5 alloy prepared by directional solidification. Materials Science & Engineering A. 2020. V.780. P.139170. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139170
  8. Cheng P., Zhang G., Li Z., Yang B., Zhang Z., Wang D., Du Y.Combining magnetocaloric and elastocaloric effects to achieve a broad refrigeration temperature region in Ni43Mn41Co5Sn11 alloy. J. Magn. Magn. Mater. 2022. V.550. P.169082. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169082
  9. Калетина Ю.В., Герасимов Е.Г., Терентьев П.Б., Калетин А.Ю. Мартенситное превращение, магнитотранспортные свойства и магнитокалорический эффект в сплавах Ni47-xMn42+xIn11 (0≤x≤2). Физика твердого тела. 2021. Т.63. №4. С.521-526. http://doi.org/10.21883/FTT.2021.04.50719.184
  10. Gamzatov A., Batdalov A.B., Khizriev Sh.K., Aliev A.M., Khanov L.N., Yen N.H., Dan N.H., Zhou H., Yu S.-C., Kim D.-H. Phase transitions, thermal, electrical, and magnetocaloric properties of Ni50Mn37-xAlxSn13 (x=2, 4) ribbon samples. J. Alloys Compd. 2022. V.842. P.155783. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155783
  11. Dey S., Roy R.K., Mallick A. B., Mitra A., Panda A.K. Influence of rapid solidification on mangnetostructural and magnetocaloric effect in Ni53Mn24Ga23 alloy. Materials Today Communications. 2018. V.17. P.140-143. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2018.09.001
  12. Koshkid'ko Yu.S., Dilmieva E.T., Kamantsev A.P., Cwik J., Rogacki K., Mashirov A.V., Khovaylo V.V., Salazar Mejia C., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Ari-Gur P., Bhale P., Shavrov V.G., Koledov V.V. Magnetocaloric effect and magnetic phase diagram of Ni-Mn-Ga Heusler alloy in steady and pulsed magnetic fields. J. Alloys Compd. 2022. V.904. P.164051. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164051
  13. Li D., Li Z., Yang J., Li Z., Yang B., Yan H., Wang D.,Hou L., Li X., Zhang Y., Esling C., Zhao X., Zuo L. Large elastocaloric effect driven by stress-induced two-step structural transformation in a directionally solidi ed Ni55Mn18Ga27 alloy. Scripta Mater. 2019. V.163. P.116-120. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.01.014
  14. Shen Y., Sun W., Wei Z.Y., Shen Q., Zhang Y.F., Liu J. Orientation dependent elastocaloric effect in directionally solidi ed Ni-Mn-Sn alloys. Scripta Mater. 2019. V.163. P.14-18. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.12.026
  15. Chen J., Lei L., Fang G. Elastocaloric cooling of shape memory alloys: A review. Materials Today Communications. 2021. V.28. P.102706. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102706
  16. Wang J., Yu Q., Xu K., Zhang C., Wu Y., Jiang C. Large room-temperature elastocaloric effect of Ni57Mn18Ga21In4 alloy undergoing a magnetostructural coupling transition. Scripta Mater. 2017. V.130. P.148-151. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.11.024
  17. Guo J., Wei Z., Shlen Y., Zhang Y., Li J., Hou X., Liu J. Low-temperature superelasticity and elastocaloric effect in textured Ni-Mn-Ga-Cu shape memory alloys. Scripta Mater. 2020. V.185. P.56-60. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.04.007
  18. Метлов Л.С., Коледов В.В., Шавров В.Г., Морозов Е.В., Техтелев Ю.В., Таскаев С.В. Моделирование эластокалорических эффектов в сплавах Гейслера. Челябинский физико-математический журнал. 2020. Т.5. №4-2. С.592-600. https://doi.org/10.47475/2500-0101-2020-15418
  19. Everhart W., Newkirk J. Mechanical properties of Heusler alloys. Heliyon. 2019. V.5. №5. P.e01578. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01578
  20. Пушин В.Г., Марченкова Е.Б., Королев А.В., Коуров Н.И., Белослудцева Е.С., Пушин А.В., Уксусников А.Н. Магнитоуправляемые термоупругие мартенситные превращения и свойства мелкозернистого сплава Ni54Mn21Ga25. Физика твердого тела. 2017. Т.59. №7. С.1297-1306. https://doi.org/10.1134/S1063783417070198
  21. Марченкова Е.Б., Пушин В.Г., Казанцев В.А., Королев А.В., Коуров Н.И., Пушин А.В. Особенности термоупругих мартенситных превращений и свойства ультрамелкозернистых сплавов Ni54Mn20Fe1Ga25, полученных закалкой из расплава. Физика металлов и металловедение. 2018. Т.119. №10. С.992-1001. https://doi.org/10.1134/S0031918X18100095
  22. Yang J., Li Z., Yang B., Yan H., Cong D., Zhao X., Zuo L. Strain manipulation of magnetocaloric effect in a Ni39.5Co8.5Mn42Sn10 melt-spun ribbon. Scripta Mater. 2023. V.224. P.115141. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115141
  23. Zhang Y., Ouyang J., Wang X., Tian Y., Ren Z. Magneto-structural transformations and magnetocaloric effect in the Heusler type Ni48Cu2Mn36Sn14-xTix melt-spun ribbons. Materials Chemistry and Physics. 2022. V.290. P.126527. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126527
  24. Yang J., Li Z., Yang B., Yan H., Cong D., Zhao X., Zuo L. Effects of Co and Si co-doping on magnetostructural transformation and magnetocaloric effect in Ni-Mn-Sn based alloys. J. Alloys Compd. 2022. V.892. P.162190. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162190
  25. Li Z., Dong S., Li Z., Yang B., Liu F., Sanchez-Valdes C.F., Sanchez Llamazares J.L., Zhang Y., Esling C., Zhao X., Zuo L. Giant low-field magnetocaloric effect in Si alloyed Ni-Co-Mn-In alloys. Scripta Mater. 2019. V.159. P.113-118. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.09.029
  26. Musabirov I.I., Safarov I.M., Galeyev R.M., Afonichev D.D., Gaifullin R.Y., Kalashnikov V.S., Dilmieva E.T., Koledov V.V., Taskaev S.V., Mulyukov R.R. Influence of Multi-Axial Isothermal Forging on the Stability of Martensitic Transformation in a Heusler Ni-Mn-Ga Alloy. Trans. Indian. Inst. Met. 2021. V.74. P.2481-2489. https://doi.org/10.1007/s12666-021-02349-9
  27. Мусабиров И.И., Сафаров И.М., Галеев Р.М., Афоничев Д.Д., Коледов В.В., Рудской А.И., Мулюков Р.Р. Пластическая деформация сплава системы Ni-Mn-Ga методом всесторонней изотермической ковки. Физика и механика материалов. 2017. Т.33. №1. С.124-136. https://doi.org/10.18720/MPM.3312017_13
  28. Мусабиров И.И., Сафаров И.М., Галеев Р.М., Гайсин Р.А., Коледов В.В., Мулюков Р.Р. Анизотропия термического расширения поликристаллического сплава системы Ni-Mn-Ga, подвергнутого пластической деформации ковкой. Физика твердого тела. 2018. Т.60. №6. С.1051-1057. https://doi.org/10.1134/S1063783418060240
  29. Musabirov I.I., Galeyev R.M., Safarov I.M. Thermal expansion anisotropy formed by extrusion for Ni2.26Mn0.80Ga0.89Si0.05 alloy. J. Magn. Magn. Mater. 2020. V.514. P.167160. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167160
  30. Мусабиров И.И., Сафаров И.М., Галеев Р.М., Афоничев Д.Д., Гайфуллин Р.Ю., Коледов В.В., Таскаев С.В., Мулюков Р.Р. Влияние деформации изотермической ковкой на мартенситное превращение в сплаве Гейслера системы Ni-Mn-Ga. Челябинский физико-математический журнал. 2020. Т.5. №4-2. С.601-611. https://doi.org/10.47475/2500-0101-2020-15419
  31. Sivaprakash P., Muthu S.E., Infanta J.J., Rajkumar S., Kim I., Arumugam S. Investigation of exchange bias and magnetoresistance in the Si substituted Ni-Mn-In ribbon alloys. Materials Science and Engineering: B. 2022. V.286. P.116067. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2022.116067
  32. Мусабиров И.И., Мулюков Х.Я., Коледов В.В., Шавров В.Г. Термическое расширение сплава Ni2.08Mn0.96Ga0.96. Журнал технической физики. 2011. Т.81. №3. С.108-111. https://doi.org/10.1134/S1063784211030145
  33. Мусабиров И.И., Мулюков Х.Я., Сафаров И.М. Исследование текстуры слитка поликристаллического сплава системы Ni2MnGa. Письма о материалах. 2012. Т.2. №3. С.157-160. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2012-3-157-160