Development of NiMn-based shape memory alloys for elastocaloric applications

The current PhD research activity deals with the alloy design, thermo-mechanical processing and microstructural tuning of NiMn-based shape memory alloys (SMAs) and ferromagnetic shape memory alloys (FeSMAs) with enhanced elastocaloric properties for solid-state cooling and heating applications. The main aim is to assess the effects of thermo-mechanical processing on the microstructural and functional features of the SMAs to improve elastocaloric properties of the investigated materials. The novelty of this study is given by the implementation of non-conventional production processes for both emerging alloys and more established ones, to obtain microstructural features which can be favorable for elastocaloric cycling. On the one hand, two novel powder metallurgy routes were used to produce bulk NiMnGa with improved ductility. In particular, the open die pressing and hot-rolling powder consolidation methods were considered, yielding remarkable elastocaloric performance in the compacted samples, with adiabatic ΔT of 4.0 and 6.3 °C, respectively. On the other hand, three casting processes were used for NiMnTi alloy, including arc melting, melt spinning and suction casting. The effect of the processing and heat treatment parameters on the physical, mechanical, and elastocaloric properties of the investigated alloys was explored. Arc-melted and heat-treated NiMnTi exhibited superelasticity without residual strains under 5 % of applied strain, and the best elastocaloric performance in terms of adiabatic ΔT was exhibited by the samples heat-treated at 900 °C and containing precipitates. Using arc-melted NiMnTi alloy as a precursor, ribbons with thicknesses ranging from 20 to 50 μm were successfully produced by melt spinning. However, their low fracture strain prevented any significant elastocaloric effect from being achieved. Finally, suction casting of NiMnTi allowed an enhancement of the caloric properties of the arc-melted alloy, reaching adiabatic ΔT values as high as 15 °C. The knowledge acquired from the study of NiMn-based alloys produced with different processing routes could lay the foundations for the development of elastocaloric devices based on these promising shape memory materials.

L’attività di ricerca presentata in questa tesi di dottorato riguarda la produzione, la lavorazione termo-meccanica e la modulazione microstrutturale di leghe a memoria di forma (SMA) e di leghe ferromagnetiche a memoria di forma (FeSMA) a base di NiMn con proprietà elastocaloriche per applicazioni nell’ambito del raffreddamento e riscaldamento allo stato solido. L'obiettivo principale è quello di valutare gli effetti della lavorazione termo-meccanica sulle caratteristiche microstrutturali e funzionali delle SMA, al fine di massimizzarne le proprietà elastocaloriche. La novità di questo studio risiede nell'implementazione di processi produttivi alternativi sia per leghe non convenzionali che per leghe più comuni, per ottenere caratteristiche microstrutturali favorevoli al ciclaggio elastocalorico. Da un lato, sono state utilizzate due nuove tecniche di metallurgia delle polveri per produrre NiMnGa con una migliore duttilità. In particolare, sono stati impiegati dei metodi di consolidamento delle polveri mediante pressatura a stampo aperto (open die pressing, ODP) e tramite laminazione a caldo, ottenendo prestazioni elastocaloriche notevoli nei campioni compattati, con un ΔT adiabatico pari a 4.0 e 6.3 °C, rispettivamente. Dall'altro lato, per la produzione della lega NiMnTi sono stati adottati tre processi di fusione: fusione ad arco, melt-spinning e colata per aspirazione (suction casting). È stato analizzato l'effetto dei parametri di lavorazione e trattamento termico sulle proprietà fisiche, meccaniche ed elastocaloriche delle leghe studiate. La lega NiMnTi prodotta tramite fusione ad arco e trattata termicamente ha mostrato un comportamento superelastico senza deformazioni residue fino al 5 % di deformazione applicata. Le migliori prestazioni elastocaloriche in termini di ΔT adiabatico sono state ottenute nei campioni trattati termicamente a 900 °C e contenenti precipitati. Utilizzando la lega NiMnTi prodotta tramite fusione ad arco come precursore, sono stati prodotti nastri con spessori compresi tra 20 e 50 μm mediante melt spinning. Tuttavia, il loro basso limite di deformazione a rottura ha impedito di ottenere un effetto elastocalorico significativo. Infine, il processo di suction casting ha permesso di migliorare le proprietà caloriche della lega prodotta tramite fusione ad arco, raggiungendo valori di ΔT adiabatico fino a 15 °C. Le conoscenze acquisite dallo studio delle leghe a base di NiMn prodotte attraverso differenti processi di fabbricazione possono costituire le basi per lo sviluppo di dispositivi elastocalorici basati su questi promettenti materiali a memoria di forma.