强磁场下FeSiB非晶合金晶化行为及性能研究

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电力电气应用的高性能化及尺寸小型化要求迫切地需要使用具有高饱和磁感应强度(Bs)的软磁材料作为磁芯。目前广泛研究和应用的Fe基非晶虽然具有较高Bs和优异的软磁性能,但在高频中使用性能较差。将非晶晶化后,形成的非晶/纳米晶软磁复合材料可兼具有Fe基非晶的高Bs,也可以在高频的条件下使用,且高温稳定性也将大为提高,成为软磁材料家族的新成员。强磁场可有效的控制非晶合金的晶化过程,改善合金的晶化组织和软磁性能。本论文通过对FeSiB非晶合金进行强磁场退火热处理,研究磁场对FeSiB非晶合金晶化组织及性能的影响。并对FeSiBNbCu非晶合金进行强磁场退火热处理,研究强磁场对有Cu、Nb元素添加合金的晶化组织影响,进一步提高其软磁性能。本论文采用X射线衍射仪分析FeSiB合金非晶形成能力;采用DSC分析FeSiB非晶合金的热稳定性;采用VSM对合金的磁性能进行分析;采用强磁场退火炉对FeSiB和FeSiBNbCu非晶合金条带进行退火热处理;采用TEM观察FeSiB和FeSiBNbCu非晶合金热处理后的微观组织,对FeSiB非晶合金晶化行为及性能进行研究。得出如下结论:(1)通过研究Fe81Si4B15和Fe83Si4B13非晶合金在不同温度、不同磁场强度条件下退火热处理30 min的微观组织结构,发现热处理过程中随着外加磁场强度的增强,α-Fe相的形核质点数增加、晶粒尺寸减小、晶化率提高,且晶粒尺寸分布更加均匀。(2)通过对Fe81Si4B15和Fe83Si4B13非晶合金在不同温度、不同磁场强度条件下退火热处理30 min进行磁性能检测,发现Bs随着合金α-Fe相晶化率的增加而增大,Hc随着α-Fe晶粒尺寸的减小而减小。Fe81Si4B15合金的Bs值由1.53 T增加到1.78 T,Fe83Si4B13合金的Bs值由1.56 T增加到1.88 T。(3)通过对Fe81Si4B15、Fe83Si4B13非晶合金晶化的动力学及热力学研究,发现施加磁场可以有效的降低非晶合金的形核能量势垒ΔG*使α-Fe相的临界形核尺寸r*减小,增加α-Fe相的形核率,达到增加形核质点数的作用。另外,热处理过程中随着外加磁场强度的增加,α-Fe相中的B含量降低,B从α-Fe相中溢出进入到非晶基体中,增加了非晶基体的稳定性,抑制了非晶基体中Fe原子的扩散,达到了抑制α-Fe相生长的效果。因而热处理过程中外加磁场能够增加α-Fe相形核质点数,细化α-Fe相晶粒尺寸。(4)通过研究Fe76Si13B8Nb2Cu1非晶合金条带在773 K时外加磁场强度为0 T、12 T条件下热处理的微观组织,发现强磁场热处理Fe76Si13B8Nb2Cu1非晶合金同样可以细化α-Fe相晶粒尺寸,增加α-Fe相形核质点数、晶化率。α-Fe相的晶粒尺寸由20 nm减小到12 nm,实现了晶粒细化;析出相α-Fe的晶化率的增加使该条件下Bs的值由1.21 T增加到1.49 T。
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