《Acta Materialia》鐳射熔凝Ni-Mn-Ga單晶的外延再凝固

磁性形狀記憶合金(MSMA)主要用於驅動器裝置，在磁場驅動下可恢復磁感生應變可達6、10甚至12%。由於磁性形狀記憶機制與晶界不相容，緻密多晶可能產生不顯著的應變。因此現有研究多透過製造高孔隙度的零件或泡沫來克服這一障礙。另一種可能的方法是誘導微結構織構。外延晶體取向與基底相匹配，可以透過鐳射在基底單晶上熔化粉末來實現，從而規避了多晶織構侷限性和對孔隙率的需求。已有部分學者在這個方向上努力且已經產生了不同程度的成功研究，製備工藝引數必須創造足夠的熱條件，以避免等軸生長和允許在熔體池邊界連續柱狀生長，如果單晶是外延源，這將繼續作為單晶生長。介面穩定性理論認為，除了超高速度外，較高的介面熱梯度和較低的生長速度增加了穩定性，現有製備方法為無粉末沉積的表面熔化，仍沒有透過粉末製備方面的研究。

美國匹茲堡大學的研究人員對鐳射粉末沉積法制備Ni-Mn-Ga馬氏體的效能進行了分析，研究的重點是晶粒產生、內部取向偏差以及再凝固材料相對於基體晶粒的取向偏差。相關論文以題為“Epitaxial re-solidification of laser-melted Ni-Mn-Ga single crystal”發表在Acta Materialia。

論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117236

本文製備的合金成分為Ni51Mn24.4Ga24.6，室溫結構為L12有序立方奧氏體，馬氏體相變溫度約為4℃，居里溫度約97℃，鐳射沉積系統採用1070nm連續波Nd: YAG鐳射器，Ar環境中O2<0.2ppm。

研究發現在熔池底部的無特徵條帶是在平面生長過程中形成的。在250-10樣品中，凝固方向從垂直到對角的離散變化表明，在這個轉變的位置生長為枝晶，因為枝晶遵循結晶方向，而不是嚴格地粘附在熱流方向。在所研究的條件下， P=250W時，V=10mm/s的光束傳播速度足以在中等深度發生從胞狀或胞狀樹枝狀到樹枝狀的轉變。此外，胞狀被相鄰胞狀打斷的比例隨著V的增加而增加，這意味著相鄰晶粒之間的競爭隨著介面速度的增加而加劇。

圖1 不同工藝下試樣橫截面的光學顯微圖

圖2不同工藝下試樣縱向截面的光學顯微圖

圖3 HEDM重建計算出的錯點陣圖

圖4由HEDM重建計算的定向資料

綜上所述，在200-2.5、250-2.5和250-5的P-V組合下，Ni51Mn24.4Ga24.6單晶鐳射熔化軌跡幾乎完全外延凝固，但在250-10引數下的軌道內轉變為部分等軸(多晶)生長。在P=250W、V=2.5mm/s磁軌和P=250W、V=5mm/s磁軌的外延生長中發現了非常小的晶粒，這兩種情況下都是在磁軌的末端。在外延過程中，生長方式為胞狀或胞狀樹枝狀，並在P=250W、V=10mm/s的磁軌上向樹枝狀轉變。HEDM表明，再凝固確實在外延材料內產生了類似於基體晶粒的鑲嵌性。磁軌中的取向擴散最多比未再凝固材料的擴散大1。同樣的結果還表明，P=250W、V=5mm/s時外延固體相對於熔池正下方的未再凝固材料的取向偏差最大，這種樣品中較高的取向偏差可能是由於預先存在的馬氏體擴散而不是P-V引數造成的。本文證實在鐳射直接沉積系統的熱源條件下，Ni-Mn-Ga單晶可以在易於獲得的操作引數範圍內凝固而沒有檢測到晶粒。本研究結果可作為開發磁性形狀記憶合金單晶粉末沉積工藝的起點。（文：破風）

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