Fabricação de compósitos magnetocalóricos à base de LaFe13-xSix

Abstract

Ligas à base de LaFe13-xSix manifestam o efeito magnetocalórico gigante e podem ser potencialmente aplicadas em refrigeradores magnéticos, especialmente naqueles que operam à temperatura ambiente. Entretanto, essas ligas apresentam um comportamento frágil, o que dificulta sua conformação em componentes para refrigeradores e pode causar falha prematura durante os ciclos de refrigeração. A literatura aponta a utilização de compósitos à base de LaFe13-xSix como uma estratégia para contornar a fragilidade das ligas em questão. Esta pesquisa trata do desenvolvimento de rotas de processamento que possibilitem a fabricação de compósitos à base de LaFe13-xSix. Utilizou-se um lingote com estequiometria LaFe11,3Si1,7, o qual foi recozido à 1423 K durante 30 h em atmosfera inerte, produzindo uma microestrutura composta por mais de 90% em massa de fase 1:13. Moeu-se a liga recozida para a obtenção de um pó de fase 1:13, o qual foi submetido a um tratamento para hidrogenação à 823 K durante 3 h em atmosfera de gás H2 para a obtenção de partículas com temperatura de Curie ao redor da temperatura ambiente. A partir do pó hidrogenado, duas rotas de processamento foram utilizadas para fabricar compósitos. A primeira consiste em misturar o pó hidrogenado com pó de Sn e em seguida compactar a mistura sob 525 MPa à temperatura ambiente. A segunda rota é análoga, mas anteriormente ao procedimento de mistura o pó hidrogenado é submetido a um processo eletroquímico de recobrimento com Cu à temperatura ambiente. Esse produz partículas com uma película de Cu em sua superfície, e não se observaram alterações expressivas nas propriedades termomagnéticas do pó recoberto em relação ao pó hidrogenado. Quanto aos compósitos, obtiveram-se porosidades médias de (12,8±2,1)% e (12,1±2,4)% para as rotas sem e com recobrimento, respectivamente. Avaliou-se o comportamento mecânico dos compósitos via ensaio de compressão e análise de Weibull, a qual revelou que a tensão característica dos compósitos contendo partículas recobertas com Cu é significativamente maior (60,7 MPa contra 49,9 MPa), mas o módulo de Weibull de ambos os tipos de compósito é estatisticamente equivalente (10,9 e 8,8). Em todo o caso, ambas as rotas possibilitam a fabricação de compósitos de matriz metálica com porosidades similares ao estado-da-arte e podem ser potencialmente aplicadas na conformação de componentes para refrigeradores magnéticos.

Abstract: LaFe13-xSix-based alloys manifest the giant magnetocaloric effect and may be deployed in magnetic refrigerators, especially those which operate in the room temperature range. However, these alloys present a brittle behaviour, which hinders their processing into refrigerator parts and may even cause a premature failure due to thermomagnetic cycling. The use of LaFe13-xSix-based composite materials is regarded as a promising strategy to overcome the brittleness of such alloys. This research approaches ways of fabricating LaFe13-xSix-based composites. A cast LaFe11.3Si1.7 alloy was annealed at 1423 K for 30 h under inert atmosphere, which resulted in a microstructure composed mainly by the 1:13 phase, over 90% in weight. The annealed alloy was milled to obtain the 1:13 phase in a powdered form, and this powder was subsequently heat treated at 823 K under hydrogen gas for 3 h to tune its Curie temperature around the room temperature range. The hydrogenated powder was used in two different processing routes in the fabrication of composites. The first route consists of mixing the hydrogenated powder with Sn powder and then cold pressing such mixture under 525 MPa. The second route is analogous, but prior to mixing, the hydrogenated powder was electroless plated with Cu at room temperature. The plating process produces particles which contain a thin layer of Cu at their surface, but the thermomagnetic properties remain unchanged relative to the condition prior to coating. Regarding the composites, average porosities of (12.8±2.1)% e (12.1±2.4)% were obtained after the first and second routes, respectively. In order to access the mechanical behaviour of the composites, compression testing and Weibull analysis were performed. They revealed that there is a significant difference in terms of characteristic stress (60.7 MPa versus 49.9 MPa for the composites with and without Cu, respectively) but no difference regarding the Weibull modulus (10.9 and 8.8). Nevertheless, both processing routes allow for the fabrication of metallic matrix composites with porosities similar to the state-of-the-art and may be potentially applied in the obtention of parts for magnetic refrigerators.