亚快速凝固态磁制冷材料La-Fe-Si微合金化机理研究

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La–Fe–Si合金是最具有商业应用前景的室温磁制冷材料之一。在材料加工制造和服役应用过程中,具有巨磁热效应NaZn13型τ1相的高温相变过程解析和本征脆性提升是急需解决的两个关键性问题。本文引入经典JMAK方程表征热处理过程中LaFe11.6Si1.4薄板材τ1相形成动力学;结合XRD实验结果,利用密度泛函理论对晶胞结构进行重构,揭示微量B和C元素合金化对其磁性结构转变及其磁热效应的影响。得到的主要结论如下:(1)离心铸造亚快速凝固制造薄板材可作为制备高性能La–Fe–Si板材的一种新方法,亚快速凝固板材凝固组织细化呈蜂窝状,对比电弧熔炼得到的粗大物相组织,细密蜂窝状组织可加速高温热处理过程中τ1相的形成,在1323K退火处理6h后τ1相的含量约为65.1%,在相同的热处理条件下,电弧熔炼得到的La–Fe–Si块体经过25h退火处理得到的τ1相的含量仅为59.8%。根据JMAK方程计算出的Avrami指数为0.43(接近于0.5),据此推断出τ1相形成过程是扩散控制型一维生长,不同于电弧熔炼得到的计算结果0.93(接近于1),其生长方式为扩散控制型二维生长。另一方面,亚快速凝固薄板材的维氏硬度与退火时间之间的关系函数也较好的满足JMAK方程,τ1相维氏硬度约754Hv。在3T外加磁场条件下,经1323K退火处理48h后薄板材最大等温磁熵变为22.31J/(kg·K),有效制冷能力约191J/kg。(2)高温差示量热分析结果表明,亚快速凝固态LaFe11.6Si1.4薄板材在升温过程中依次发生SLaFeSi→LLaFeSi、α(Fe)+LLaFeSi→τ1、Lτ1→Sτ1、Sα(Fe)→Lα(Fe),降温过程依次发生Lα(Fe)→Sα(Fe)、Sτ1→Lτ1、LLaFeSi→SLaFeSi。亚快速凝固薄板材在1373K退火处理,物相转变过程源于包析转变(SLaFeSi+Sα(Fe)→τ1)。100h后LaFe11.6Si1.4、LaFe11.6Si1.4B0.06和LaFe11.6Si1.4C0.06合金均得到近纯τ1相。加入B元素后LaFeSi相熔点有所降低,退火处理100h后LaFeSi相几乎没有残留。所有热处理态样品均发生一级磁性相变,微量B元素的加入使合金相变温度由192K下降到188K,而微量C元素却使合金的相变温度升高到206K。1373K退火100h后试样在3T外加磁场下的最大等温磁熵变都大于20J/(kg·K),有效磁制冷能力达到200J/kg以上。(3)依据密度泛函理论对LaFe11.6Si1.4晶胞结构进行重构解析,结合模拟晶胞结构与XRD实验结果,引入协调因子k来搭建实验结果与模拟结果之间的关系。计算结果表明,在本文合金化元素含量条件下,几乎所有B原子(93%)都占据96i位置,少量作为间隙原子进入到24d间隙位置;而所有C原子更倾向进入24d间隙位置。通过对晶胞之间B1到B5五种不同Fe-Fe键的键长进行直接测量并和LaFe11.6Si1.4母合金的Fe-Fe键长相比发现,当B原子作为置换原子占据96i位置时,更多的Fe-Fe键被压缩;当C原子作为间隙原子进入24d间隙位置时,更多的Fe-Fe键被拉长。
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