宁波材料所在热变形制备稀土磁制冷材料研究上取得进展

2021-11-04 15:44:56 作者：中科院宁波材料所来源：中科院宁波材料所分享至：

基于材料磁热效应的磁制冷技术具有内禀可逆的高效热力学特性和环保优势，有望成为气压缩制冷最具潜力的替代方案之一。我国具有自主知识产权的La-Fe-Si合金是国际上公认的具有较大应用潜力的磁制冷材料之一。然而，这种材料的磁热功能相由包晶凝固反应形成，传统铸造方法很难直接获得磁热相。通常需要将铸态合金在1273 K左右的高温均匀化热处理数周，其制备周期长且能耗较高，严重阻碍了磁制冷技术的发展。以往的研究多采用提高热处理温度、加快凝固速率、成分优化或粉末冶金等方法加速磁热相的形成，但多以牺牲材料磁热性能、力学性能或引入其它复杂工艺流程为代价。因此，突破La-Fe-Si磁制冷材料制备的关键技术之一是寻找简单有效的新途径调控磁热相的形成过程，从而高效获得综合性能优异的磁工质。

最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性相变材料团队系统开展了变形量31.3%～84.4%的923 K热锻压LaFe13.92Si1.4合金的研究，发现变形样品中磁热相的形成速率显著高于未变形样品，且形成速率随着变形量的增加不断提高。利用背散射电子衍射技术表征变形样品微观组织，观察到热锻压样品中α-Fe和富La相呈层状分布，同时变形过程中出现的连续动态再结晶（Continuous dynamic recrystallization）在其内部形成高密度晶界（图1a）。这种垂直和水平晶界构造的奇异层状组织增加了磁热相的形核位点，且高密度晶界有利于促进元素扩散。84.4%热锻压样品经1323 K热处理1 h即可获得高达82.2 vol.%的磁热相， 2 T磁场下磁熵变为14.6 J/kg K。而相同条件下未变形样品中仅包含24.1 vol.%磁热相，磁熵变为1.3 J/kg K（图1b）。将大变形样品热处理12 h后进行吸氢处理，获得了居里温度为309 K且保持完整的20×10×1 mm3的片状制冷工质，磁熵变高达19.4 J/kg K（图1c），初步实现了高综合性能磁制冷工质的制备。这种基于热塑性变形调控La-Fe-Si合金成相行为和磁热效应的研究，对稀土磁制冷材料的组织设计和加工成型具有重要的指导作用，同时也为研究稀土基双相合金中界面演变和成相行为的关联等科学问题提供了有力手段。此外，热锻压变形的近终成型特点也非常适合La-Fe-Si合金的批量化制备。