离子轰击对铁基非晶晶化过程及结构的影响

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铁基纳米晶材料因优异的软磁性能而得以广泛应用,但其性能取决于其微观结构,因此对非晶合金晶化过程的控制是实现对纳米晶材料微观结构和性能调控的基础。本文采用离子轰击的方法诱导铁基非晶合金中产生晶化,一方面通过离子轰击作用将部分能量转变成热能使材料的温度升高,另一方面离子动量转化为应力作用,使得非晶合金在应力和热场的共同作用下产生晶化,从而获得与常规晶化方法不同的结构与性能。利用热分析方法对离子轰击诱导非晶合金晶化过程进行了探讨,并对离子轰击诱导的非晶晶化机理进行了分析。  利用热分析方法研究中能 Ar离子轰击对 Finemet(Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1)非晶合金晶化动力学的影响,利用Kissinger方法计算非晶合金的平均晶化激活能,并对微观结构进行表征。Finemet合金的晶化包含α-Fe(Si)相的形成和Fe-B化合物的析出过程。在离子轰击作用下,Finemet合金经历非晶结构弛豫和α-Fe(Si)相析出的晶化过程,但轰击时间过长导致α-Fe晶化相中晶体结构缺陷浓度过高而破坏,从而产生重新非晶化现象。离子轰击主要影响α-Fe(Si)相析出过程而对 Fe-B化合物的析出没有明显的影响。利用Ozawa方法计算局域晶化激活能,结果表明离子轰击对α-Fe晶化相析出的影响主要是在晶化初期阶段,随着轰击时间的增加局域激活能有着不同程度的降低,经20min轰击各阶段的局域激活能相对最小。Finemet非晶合金经不同时间轰击后 Avrami指数分析表明离子轰击将会使α-Fe(Si)相析出过程前中期的晶化方式由扩散控制的一、二维晶粒形核长大过程,形核率逐渐减小的转变为扩散控制的三维形核和晶粒生长的整体晶化,形核速率逐渐增大。  根据离子轰击作用产生的热和应力效应的计算对其诱导晶化的原因进行了探讨,离子轰击使样品温度升高,离子轰击参数与温度变化?T成正比关系,与非晶样品受到的应力作用成正相关关系。在经30Kv,8mA,20min的 Ar离子轰击作用下,FeSiB样品的温度能升高到448.2℃。轰击过程中应力的存在一方面降低了晶化过程的形核势垒,促使晶化反应所需的热力学温度降低,促进晶化过程的进行;另一方面促进合金中原子短程重排,形成微小的原子团簇,有利于晶化相的析出。因此,离子轰击诱导铁基非晶的晶化是轰击离子作用产生的应力效应和热效应共同作用的结果。在离子轰击诱导非晶晶化过程中,随着轰击能量或束流的增加,α-Fe相从基体中析出的体积分数逐渐增加,晶粒尺寸增大,矫顽力增大;而样品整体磁导率有着不同程度的下降,但磁谱曲线逐渐变得平缓,Bs变化较小。
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