مواد و ساخت پیشرفته

در سال‌های اخیر آلیاژهای حافظه­ دار شکلی مغناطیسی پایه (Ni-Mn-Ga (MSM، به دلیل کرنش‌های بزرگ برگشت‌پذیر ناشی از میدان مغناطیسی (MFIS) و فرکانس‌های تحریک بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند. MFIS، یا به اصطلاح اثر MSM، از طریق بازآرایی انواع دوقلویی مارتنزیت از طریق حرکت مرز دوقلویی (TB) در پاسخ به میدان مغناطیسی اعمال شده رخ می‌دهد. در این مواد، از اصطلاحات مگنتوپلاستیسیته و مگنتوالاستیسیته نیز استفاده می­‌شود. این کرنش پس از حذف میدان مغناطیسی حفظ می­‌شود و می­توان با اعمال میدان مغناطیسی در جهت عرضی یا با فشار مکانیکی این کرنش را معکوس کرد. اثر MSM را می­توان برای کاربردهای فعال­سازی، کنترل و برداشت انرژی استفاده کرد. این پدیده کرنش بدون تبدیل فاز رخ می­دهد و به یک مانع کم برای حرکت مرز دوقلویی و ناهمسانگردی مغناطیسی بالا نیاز دارد. بزرگترین MFIS در مواد MSM در تک بلورهای Ni-Mn-Ga مشاهده شده است. حرکت مرز دوقلویی و MFIS حاصل به محدودیت­‌های هندسی دانه‌­های همسایه به دلیل قفل­شدگی کم در تنش 3-6 مگاپاسکال بسیار حساس هستند.

یکی از مشکلات اولیه که تحقیقات علمی، توسعه کاربرد و پذیرش صنعتی مواد MSM را محدود می­کند، هزینه بالای تولید تک کریستال است. استفاده از پلی­ کریستال‌هایی با ساختار دانه‌ای نسبتاً درشت (از این پس «اولیگوکریستال‌های Ni-Mn-Ga») و بافت کریستالوگرافی قوی می‌تواند این هزینه‌ها را کاهش دهد. از لحاظ تاریخی، پلی­کریستال­های Ni-Mn-Ga که دارای MFIS هستند عمدتاً از طریق انجماد جهت­دار ساخته شده اند. علاوه بر این، در سال‌های اخیر، تحقیقات فزاینده‌ای بر روی ساخت افزایشی (AM) آلیاژهای Ni-Mn-Ga پلی کریستالی انجام شده است.

توانایی فرآیندهای AM، مانند جت بایندر، رسوب انرژی هدایت شده مبتنی بر لیزر و همجوشی لیزری بستر پودری، برای ساخت Ni-Mn-Ga پلی­کریستالی با هندسه ­های پیچیده ثابت شده است. اخیراً یک MFIS بزرگ 5.8 درصد در 10 M Ni-Mn-Ga ساخته شده به روش همجوشی لیزری بستر پودری نشان داده شده است. به دست آوردن ساختار دانه درشت (به عنوان مثال، از طریق عملیات حرارتی) به عنوان یک شرط ضروری برای توسعه MFIS بزرگ در آلیاژ پلی ­کریستالی Ni-Mn-Ga شناخته شده است، که در آن وقوع MFIS با توسعه ساختار به اصطلاح بامبو افزایش می­یابد. بنابراین، توسعه روش­ های جدید برای افزایش اندازه دانه در آلیاژهای پلی­ کریستالی Ni-Mn-Ga از اهمیت عملی زیادی برای توسعه دستگاه ­های جدید و روش­های ساخت پیشرفته برخوردار است.  رشد دانه به عنوان یک پدیده به عوامل مختلفی از جمله ترکیب شیمیایی، اندازه دانه اولیه و وضعیت تنش نمونه و فرآیند عملیات حرارتی اعمال شده بستگی دارد. مهاجرت نفوذی مرزدانه (DIGM)، پدیده مهاجرت مرز دانه طبیعی (GB) ناشی از نفوذ عنصر حل شونده در طول آن است.  DIGM بر مواد پلی­کریستالی به طرق مختلف فیزیکی و شیمیایی، از جمله ایجاد نابجایی در سطح مشترک، تأثیر می­ گذارد. اتم­‌های عنصر حل شونده یک ناخالصی می­توانند باعث عدم تناسب شبکه و ایجاد تنش­های کششی یا فشاری در شبکه شوند. کرنش انسجامی حاصل، قابلیت افزایش انرژی آزاد را دارد که نیروی محرکه مهاجرت مرزدانه­ ها را فراهم می­کند. در نتیجه عدم تناسب شبکه و کرنش پیوستگی، همه اتم‌ها به شبکه‌های منطبق منتقل می‌شوند، که در شرایط خاص (مقدار ناخالصی مشخص)، می‌تواند منجر به درشت شدن قابل توجه دانه‌ها در طول بازپخت در دمای بالا شود.

یک مطالعه جدید، عمدتاً بر شناسایی و مشخصه یابی امیدوارکننده‌ترین مواد ناخالص برای افزایش اندازه دانه در آلیاژهای پلی ­کریستالی مبتنی بر Ni-Mn-Ga متمرکز شده است. هیچ مطالعه قبلی در مورد افزایش اندازه دانه در آلیاژهای مبتنی بر Ni-Mn-Ga از طریق دوپینگ انجام نشده است، اگرچه مقالات متعددی اثرات ترکیب و مواد افزودنی Ni-Mn-Ga را بر دمای تبدیل فاز، تنش دوقلویی (TS)، ناهمسانگردی مغناطیسی، ساختار کریستالی، اشغال اتمی، و ساختار الکترونیکی توصیف کرده­اند. در واقع، ترکیب شیمیایی تأثیر قابل‌توجهی بر خواص بحرانی آلیاژهای Ni-Mn-Ga دارد، به همین دلیل است که افزودنی‌های عنصری در این مطالعه برای جلوگیری از تشکیل فازهای ثانویه روی تنها 1 درصد ثابت شده ­اند.

اثر جایگزینی منگنز با افزودن 1 درصد از Co، Fe، Cu، و Cr بر روی خواص یک آلیاژ حافظه­دار شکلی مغناطیسی Ni49.8Mn28.5Ga21.7 (MSM) پلی­کریستالی پس از عملیات حرارتی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

بر اساس نتایج بررسی­‌های این مطالعه، آلیاژهای دوپ­ شده ساختار مارتنزیت مدوله شده پنج لایه تک فازی را در دمای محیط و افزایش جزئی در دمای تبدیل مارتنزیت نسبت به آلیاژ غیر دوپ­شده، بدون تغییر قابل توجهی در دمای کوری نشان می‌دهند. افزودن کروم باعث کاهش اندازه دانه می­شود، در حالی که افزودن Co، Fe و Cu باعث افزایش اندازه دانه در مقایسه با آلیاژ غیر دوپ شده می­ شود. به ویژه، افزودن Co منجر به رشد شدید دانه می ­شود و ساختار دانه را از پلی­ کریستالی به اولیگوکریستالی با قطر دانه متوسط 2.83 میلی­متر تبدیل می­ کند. آلیاژ دوپ­شده Co یک اثر MSM را با میدان سوئیچینگ کم H<0.15 T و تنش دوقلویی 1 مگاپاسکال نشان می‌دهد، که یک ترکیب امیدوارکننده برای استفاده در تحقیقات و کاربردهای MSM مبتنی بر پلی­ کریستال است.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964622200611X