Vakumla döküm yöntemiyle üretilmiş Fe68Tb5B23Nb4 hacimli metalik cam alaşımının manyetokalorik özelliklerine Cr, Gd ve Cu elementlerinin etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı vakumla döküm yöntemi ile hazırlanmış Fe68Tb5B23Nb4 hacimli metalik cam alaşımının termal, yapısal, manyetik ve manyetokalorik özelliklerinin incelenerek temel alaşıma Cr, Gd ve Cu eklenmesinin bu özelliklere olan etkisinin incelenmesi ve manyetik soğutma teknolojilerinde kullanılabilir bir malzeme üretilmesidir. Bu kapsamda yapısal değerlendirmeler X-Işını Kırınımı (XRD), termal özellikler Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ölçümleriyle, manyetik ve manyetokalorik özellikler ise Titreşken Örnek Manyetometresi (VSM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca Cr ve Gd elementlerinin örneklerin Curie sıcaklığı (TC) ve camlaşma yeteneği üzerine olan etkisi de araştırılmıştır. Vakumla döküm yöntemi ile Fe68−xMxTb5B23Nb4 (M = Cr ve Gd; x = 0 - 8) hacimli metalik camlar ~3 mm kritik çapa kadar üretilebilmiş ve en iyi camlaşma yeteneği Fe62Cr6Tb5B23Nb4 hacimli metalik camı için bulunmuştur. Alaşıma Fe yerine kısmen Cr ve Gd ilave edilmesiyle TC oldukça geniş sıcaklık aralığında etkin bir şekilde değiştirilebilmiştir. Ancak, manyetokalorik özelliklerin göstergesi olan maksimum manyetik entropi değişimi (ΔSM)maks ve soğutma kapasitesi (RC) değerleri temel alaşımda (Fe68Tb5B23Nb4) elde edilen değerlere göre neredeyse % 50 azalmıştır. Curie sıcaklığı oda sıcaklığına yakın elde edilen Fe62Cr6Tb5B23Nb4 alaşımının azalan manyetokalorik özelliklerini geliştirmek için Fe62Cr6Tb5B23Nb4 alaşımına az miktarda Cu eklenmesiyle elde edilen (Fe0,62Cr0,06Tb0,05B0,23Nb0,04)100−yCuy (y = 0,75 ve 1) örneklerinin camlaşma yeteneği ve Curie sıcaklığı anlamlı bir şekilde değiştirilmeksizin manyetokalorik özellikler etkin bir şekilde geliştirilebilmiştir. Bu araştırmada alaşıma % 1 Cu eklenmesiyle Fe62Cr6Tb5B23Nb4 metalik camı için soğutma kapasitesi ve maksimum manyetik entropi değişimi yaklaşık % 50 artırılmıştır. Elde edilen bu sonuçlar, başarılı bir şekilde üretilen Fe-tabanlı Fe62Cr6Tb5B23Nb4 ve (Fe0,62Cr0,06Tb0,05B0,23Nb0,04)100−yCuy (y=0,75 ve 1) metalik camlarının oda sıcaklığı yakınlarında umut vaad eden manyetik soğutma malzemesi adayı olarak göz önüne alınabilineceğini göstermektedir.

The purpose of this research is to study thermal, structural, magnetic and magnetocaloric properties of Fe68Tb5B23Nb4 bulk metallic glass (BMG) prepared by suction casting and to investigate the effect of Cr, Gd and Cu addition on these properties in order to produce refrigerant materials which can be used in refrigeration technologies. In this content, structural analyis was performed by X-Ray Diffraction (XRD), thermal analysis was performed by Diffrential Scanning Calorimetry (DSC), magnetic and magnetocaloric properties were examined by Vibrational Sample Magnetometer (VSM). In addition, the impacts of adding Cr and Gd on the Curie temperature (TC) and glass-forming ability (GFA) of the samples were also studied. For Fe68−xMxTb5B23Nb4 (M = Cr and Gd; x = 0 - 8) BMGs, with critical diameters up to ~3 mm could be produced by suction casting and the best GFA was found for Fe62Cr6Tb5B23Nb4. By exchanging Cr and Gd with Fe partially, TC could effectively be adjusted in a quite broad temperature interval. However, maximum magnetic entropy change (ΔSM)max and refrigeration capacity (RC), which are indicator for magnetocaloric properties, decreased almost half of the values obtained for base alloy (Fe68Tb5B23Nb4). In order to enhance decreased magnetocaloric properties of Fe62Cr6Tb5B23Nb4 for which Curie temperature was observed near to the room temperature, (Fe0,62Cr0,06Tb0,05B0,23Nb0,04)100−yCuy (y = 0,75 and 1) metallic glasses were prepared by small additon of Cu to Fe62Cr6Tb5B23Nb4 alloy by which magnetocaloric properties were effectively developed without changing TC and GFA significantly. In this study by adding 1 % Cu to the total composition of Fe62Cr6Tb5B23Nb4 BMG, RC and (ΔSM)max values could be increased almost 50 % with respect to values obtained for Fe62Cr6Tb5B23Nb4 BMG, These findings show that the successful synthesis of the Fe-based Fe62Cr6Tb5B23Nb4 and (Fe0,62Cr0,06Tb0,05B0,23Nb0,04)100−yCuy (y = 0,75 and 1) BMGs can be considered as promising candidates as magnetic refrigerant materials near to the room temperature.