gd5si2ge2／gd室溫磁制冷復(fù)合材料激光熔覆成形工藝研究

1、第 3 2卷 2 o o 3年 第 5期 5月 稀 有 金 屬材 料 與 工 程 RAREME T ALMAT ERI AL SAND E NGI NEERI NGMa y2 0 0 3Gd s S i 2 Ge 2 ／ G d室 溫 磁 制冷 復(fù) 合 材 料 激 光熔 覆 成 形 工 藝 研 究 付 浩 ， 陳云貴 ， 唐永柏 ， 涂銘旌 ( 四川 大學(xué) ，四川 成都 6 1 0 0 6 5 )摘 要 ： 就 G d s S i

2、G e化合物 的激光熔 覆成 形工 藝作 了初 步研究 。 實 驗表 明 ： G dS iG e在 G d基體 上可 以實現(xiàn) 良好 的冶 金 結(jié) 合 。 在 最 小 厚 度 不 小 于 1 mm 的 基 板 上 ， 控 制 激 光 參 數(shù) 可 以 使 熔 覆 層 的稀 釋 度 保 持 在 1 0 ％ 左 右 關(guān)鍵 詞 ：磁制 冷材 料 ；激光熔 覆 ；金屬 間化 合物 ；釓 中圖法 分類號 ：T G文獻標(biāo) 識碼 ：A文章 編號 ：1 0

3、 0 2 ． 1 8 5 X( 2 0 0 3 ) 0 5 ． 0 3 8 7 ． 0 3磁 制 冷 技 術(shù) 具 有 高 效 節(jié) 能 、 無 環(huán) 境 污 染 、 運 行 可 靠 等 優(yōu) 點 ， 有 望 成 為 2 1 世 紀(jì) 綠 色 制 冷 技 術(shù) 。 美 國 依 阿 華 大 學(xué) 的 Am e s 實 驗 室 在 1 9 9 7 年 發(fā) 現(xiàn) 了具 有 巨 磁 熱 效 應(yīng) 的 G d s S i ： G e ： 室 溫 磁 制 冷 材 料

4、 ， 該 合 金 比歷 史 上 磁 熱 性 能 最 好 的 G d的磁 熱 效 應(yīng) 至 少 高 出2 倍 ， 從 而 使 室 溫 磁 制 冷 技 術(shù) 的商 用 趨 于 明 朗 化 。 但 直 到 1 9 9 8 年 他 們 與 美 國 國 家 宇 航 局 合 作 開 發(fā) 的 室 溫 磁 制 冷 樣 機 所 使 用 的磁 工 質(zhì) 仍 然 是 G d球 ?。 其 中 的 原 因 之 一 就 是 磁 制 冷 工 質(zhì) 材 料 多 為 金 屬 間

5、 化 合 物 ， 因 其 高 硬 度 和 脆 性 ，常 規(guī) 的 機 械 加 工 方 法 難 以 加 工 成 樣 機 要 求 的 各 種 形 狀 。 A me s 實 驗 室 的 V ． K ． P e c h a r s k y特 別 指 出 ， 磁 制 冷 的 進 一 步 研 究 不 僅 包 括 新 型 磁 制 冷 材 料 的性 能 ， 還 應(yīng) 包 括 磁 工 質(zhì) 經(jīng) 濟 有 效 的加 工 方 法 等 】 。 然 而 ， 迄 今 未

6、見 關(guān) 于 稀 土 磁 性 金 屬 間 化 合 物 磁 制 冷 工 質(zhì) 成 形 方 法 的 研 究 報 道 。 毋 庸 置 疑 ， 研 究 具 有 巨 磁 熱 效 應(yīng) 的 磁 工 質(zhì) 的 成 型 工 藝 具 有 非 常 現(xiàn) 實 的 工 程 意 義 。 G d s S i 2 G e 2 是 脆 性 材 料 ， 而 G d是 韌 性 材 料 ， 同時 也 是 一 種 很 好 的室 溫 磁 制 冷 材 料 。 本 實 驗 采 用 激 光 熔

7、 覆 方 法 將 G d s S i 2 G e 2和 G d復(fù) 合 在 一 起 ， 這 樣 不 僅 使 磁 制 冷 材 料 具 有 優(yōu) 良的 磁 熱 效 應(yīng) ， 而 且 由 于 2 種 材 料 的 不 一 樣 ， 制 冷 溫 跨 可 以拉 大 。薄 片 。 將 加 工 后 的 G d片 表 面 經(jīng) 砂 紙 打 磨 后 ， 用 無 水 乙 醇擦 洗 ， 晾 干 ， 真 空 封 裝 后 待 用 。激 光 熔 覆 材 料 為 G dS i

8、 ： G e粉 末 ， 其 中 G d的 純 度 達 9 9 ． 9 4 ％ ， s i和 G e 的 純 度 均 在 9 9 ． 9 9 ％ 以 上 。Gd s S iG e粉 末 的 制 備 過 程 如 下 ： 將 配 制 好 的原 料 放 人 非 自耗 真 空 電弧 爐 中 ， 抽 真 空 至 1 OP a ， 然 后 充 氬 氣 保 護 。 在 熔 煉 過 程 中 ， 采 用 磁 力攪 拌 裝 置 進 行攪 拌 ， 并 將 試

9、樣 進 行 反 復(fù) 多 次 翻 轉(zhuǎn) 熔 煉 。 將 熔 煉 好 的試 樣 ， 研 磨 成 粉 末 ， 真 空 封 裝 后 待 用 。 本 實 驗 激 光 熔 覆 處 理 采 用 預(yù) 置 粉 末 工 藝 ， 即將 G d s S iG e ： 粉 末 預(yù) 先 粘 附 在 G d基 體 表 面 ， 然 后 采 用 激 光 單 道 掃 描 輻 照 ， 使 粉 末 與 基 體 實 現(xiàn) 冶 金 結(jié) 合 。 所 用 設(shè) 備 為 T J ． H L

10、． T 5 0 0 0 型 激 光 發(fā) 生 器 ， T J ． L P M． Ⅷ 型 數(shù) 控 加 工 機 。 實 驗 中 激 光 功 率 固定 在 2 k W ， 采 用 多 種 掃 描 速 度 和 光 斑 直 徑 。 整 個 加 工 過 程 用 高 純 氬 氣 作 為 保 護 氣 體 。激 光 熔 覆 處 理 后 的試 樣 經(jīng) 砂 磨 、 拋 光 、 腐 蝕 后 在 數(shù) 字 圖 像 處 理 系 統(tǒng) 上 觀 察 熔 覆 層 形 貌 采

11、 用 稱 量 法 計 算 熔 覆 層 的 稀 釋 度 。 微 觀 組 織 形 貌 分 析 在 Hi t a c h iX． 6 5 0 型 掃 描 電 鏡 上 進 行 ； 成 分 分 析 在 V 4 5 0 1 型 能 譜 儀 上 進 行 。2 實驗 結(jié) 果 與分 析 1 實驗 條 件及 方 法 2 ． 1 激 光 J j D - r- r 藝 及 稀 釋 度 本 實 驗 采 用 G d ( 9 9 ． 2 ％ ) 作 為 基 體 材

12、料 ， 在 線 切 經(jīng) 過 多 次 實 驗 得 到 比 較 適 宜 的 激 光 熔 覆 工 藝 參 割 機 上 加 工 成 厚 度 為 5 mm×l mm ×0 ． 5 m m 的 長 方 形 數(shù) 列 于 表 1 。 表 1 中 ， 能 量 密 度 ( ． ， ) 定 義 為 激 光 作 用 于 材 收 稿 日期 ： 2 0 0 1 ． 0 8 — 0 7基金項 目： 四川 省科技 廳重 點科技 攻 關(guān)項 目(

13、0 1 ． G G 0 0 9 - O 1川 科計 【 2 0 0 1 1 )作者簡 介 ： 付 浩 ： 男 ， 1 9 7 6年 生 ， 博 士研究 生 ， 四川 大學(xué) 金屬 材料工 程 系， 四川 成 都 6 1 0 0 6 5 ， 電話 ： 0 2 8 - 8 5 4 0 5 6 7 0維普資訊 http://www.cqvip.com 5期 付 浩等 ： G d s S iG e／G d室溫磁 制冷 復(fù)合 材料激 光熔 覆成

14、形工 藝研 究 ．3 8 9 ．圖 2熔 覆 層 的 S EM 照 片 F i g ． 2S E Mmi c r o g r a p h so ft h ec l a d d i n g ： ( a ) 5a n d ( b ) 1 0圖 3 給 出 了 1 0試 樣 S E M 成 分 分 析 曲 線 ， 從 圖 3 看 出 ， 熔 覆 層 的 厚 度 在 0 ． 3 mm 左 右 。 在 作 成 分 分 析 時 ， 從 距 離

15、熔 覆 層 頂 端 0 ． 0 1 mm 處 開 始 ， 每 隔 0 ． 0 3 mm 采 一 個 點 ， 分 析 熔 覆 層 的 相 對 成 分 變 化 。 同 時 測 量 在 基 體 上 相 距 較 遠 2 個 點 的 相 對 成 分 。 在 圖3 中 ， 箭 頭 所 示 區(qū) 域 靠 近 基 體 且 成 分 波 動 較 大 。 若 以 該 區(qū) 域 作 為 稀 釋 區(qū) ， 用該 區(qū)域 的線 性 寬 度 除 以熔 覆 層 的 寬 度 得

16、 到 的 稀 8 06 04 0互 2 0：G d■———＼．：GeS i≥— -． - M 彳 釋度 為 1 0 ％ ， 這 與 前 面 的結(jié) 果 相 一 致 ：3結(jié) 論 1 ) 采 用 預(yù) 涂 式 激 光 單 道 掃 描 工 藝 證 明 ： G d s S i ： G e ：與 G d基 體 能 實 現(xiàn) 良好 的 冶 金 結(jié) 合 ； 控 制 激 光 工 藝 參 數(shù) ， 可 以使 熔 覆 層 的稀 釋度 保 持 在 1 0 ％

17、左 右 ；2 ) 當(dāng)預(yù) 涂 粉 末 的 厚 度 為0 ． 5 mm 時 ， 基 材 厚 度 應(yīng) 該 不 小 于 1 mm。 此 時 ， 要 使 熔 覆 層 稀 釋 度 保 持 在 1 0 ％ 左 右 ， 激 光 的 能 量 密 度 應(yīng) 控 制 在 1 5J ／ r am附 近 。致 謝 ： 本 實 驗 中 的 激 光 加 工 部 分 得 到華 中 科 技 大 學(xué) 材 料 學(xué) 院 陶 曾 毅 教 授 、武 漢 材 料 保 護 研 究 所

18、潘 鄰 、陶 錫 奇 等 工 程 師 的 大 力 幫 助 ， 在 此 表 示 衷 心 的感 謝 ：參考 文獻 R e f e r e n c e s[ 1 】 G s c h n e i d n e rKA ，P e c h a r s k yVK ，e a r t h 【 J 】 ，1 9 9 9 ， 3 1 5 ( 3 ) ： 6 9～7 6【 2 】V i t a l i jKP e c h a r s k y ．K a r lA

19、e ta 1 ．4 4 ～ 5 6P e c h a r s k vA 0e ta 1 ． Ra r e，| wM 【 J 】 ．1 9 9 9 ， 2 0 0 ：【 3 】 X uB o f a n ( 許 伯藩 )e ta l 。H e a tT r e a t m e n to fMe t a l s ( 金屬 熱處 理 ) 【 J 】 ， 1 9 9 5 ， ( 9 ) ： 3 7～3 9【 4 】Y a nY u h e (

20、 閭 毓 禾 )e ta 1 ． H i g hP o u ： e rL a s e rF a b r i c a t i n ga n dI t sA p p l i c a t i o n ( 高 功 率 激 光 加 工 及 其 應(yīng) 用 ) 【 M】 ， T i a n j i n ：Ti a n j i nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP r e s s ． 19 9 4： l2 8【

21、5 】C h e nY u n f u ( 陳 運 富 ) 。Ma g n e t o c a l o r i cE f f e c ta n d Ma g n e t i cP h a s eT r a n s i t i o no f G d S i G eA l l o ) ~ f o rR o o mT e m p e r a t u r eM8 g -n e t i ce ，r a t i o n ( 室 溫 磁 制 冷

22、G d S i G e系 合 金 的 磁 熱 效 應(yīng) 、磁 相變及 其機 理研 究 )[ D】．C h e n g d u ：S i c h u a nU n i v e r s i t y ．2 0 0】S t u d yo nt h eLa s e rCl a d d i n gPr o c e s so ft h eR o o m - t e m p e r a t u r eM a g n e t i cRe f r i g e

23、 r a t i n gM a t e r i a l sG d s S i 2 Ge 2 ／ Gd，F(xiàn) uHa o ，C h e nY u n g u i ，T a n gY o n g b o ，T uMi n g j i n g( S i c h u a nU n i v e r s i t y ．C h e n g d u61 0 0 6 5 ，C h i n a )Ab s t r a c t ： S o mei n i t

24、i a lr e s e a r c h e so nt h el a s e rc l a d d i n gp r o c e s so fGd s S i 2 Ge 2／Gdc o mp o u n d sw e r ema d ei nt h i sp a p e r ．Ex p e r i me n tr e s u l t si n d i c a t et h a tg o o dme t a l l u r s i c

25、a lb o n d i n gc a nb eo b t a i n e db e t we e nt h eGd 5 S i 2 Ge 2a l l o ya n dGdb a s e ： o nt h eGdb a s ew h o s emi n i ma 1t h i c k n e s si sn o tl e s st h a n1mm． t h ed i l u t i o no ft h ec l a d d i n

26、gc a nb ek e p ta b o u t10 ％ 。Ke ywo r d s ： ma g n e t i cr e f r i g e r a n t ；l a s e rc l a d d i n g ； i n t e r me t a l l i cc o mp o u n d ； g a d o l i n i u mBi 。 g r a p h y ： F uHa o 。Ca n d i d a t ef o rP