具有高玻璃化溫度的FeCo基非晶軟磁合金的制備

1、具有高玻璃化溫度的FeCo基非晶軟磁合金的制備扎冇高魁穩(wěn)定件和軟雄性能的低功耗合金材料墾成功開發(fā)航空、就天和髙弦術(shù)武器系址的矣娜材料.研制該類材料一直是提高國家軍事科拄和空天科技水平的直卷課曲.誅類材料在就空就天和武器裝欝領(lǐng)域上要有曲卜幾方鹵的住在應用："航空航天多電力飛行猛集成動力裝置尊高速發(fā)電、配電和川電累就對軼類材料的性能鼻求是工作俎嵐達到500-600V髙遽旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子述車受500-600阿已的切竝力亡)無人弼駛戰(zhàn)斗飛荷器主推力發(fā)動機的內(nèi)豐啟動黠和發(fā)電機粕定子和轉(zhuǎn)護其丄布糧度需雲(yún)島于400W并承壹R25MPs左右的宜力泊)了宙飛船動力系焼氣休渦艷覽動機的芥桜觸磁力軸餐也弦推力軸

2、卓和動力釉噸的庭轉(zhuǎn)無件，工作溫世需要高達550工以I'.M)#定向武器累統(tǒng)的高能貝密度功率電濂利儲能裝賈卡時間隙武匸作的世器系統(tǒng)需提供峰值為率5MW以上，連續(xù)功率達350kW左右.橢潘的能辰毎20000r/min達25Mb6)低功耗高靈檢微里磋敏傳剛系SE如弱微境檢測器、黴應力傳感器和電疣檢測器，要求俊類誥件的頤感元件體積小于a15tm譏分耕率離于L0rfh靑旗(MHz-GHz)F功率小于10mW.在一】刊300V可帝定工件廠大功率關(guān)沖孌壓器軼磁芯;射瓦他竝用還韋飛行群的電諒杲統(tǒng)、磁制掙前機電卩M和挖制元件黑4宀叫左對軟厳合金的研究申，經(jīng)迸多年對普通晶態(tài)高程軟磁材料的研究和應用后JF發(fā)

3、週過快速醸固技術(shù)制備軟磁性能更優(yōu)#的非晶合金少）目舸iE在開發(fā)兼具優(yōu)異力學杵能和磁學性能的非晶納米晶復相合金：“】相關(guān)研究表明：FeC。系非M納米晶復相合金具有島陋化強度、島居里溫度低矯頑力和化異的交應流磁電性能（特別是島頻磁電待性）并且比晶念或純菲晶態(tài)合金具冇更好的韌性.制備工藝簡單成本低成為髙性能軟磁材料持別是高溫軟磁材料的研究方向在諸多制備該類材料的方法中非晶合金的納米晶化卮個行之有效的方法叫其前提是制備出禹熱穩(wěn)定性的軟磁非晶合金筆者通過研究鉆鐵非陽合金中鉆鐵比例添加元素對形成的非晶合金的熱穩(wěn)定性和軟磁性性能的夠肓，制備岀具有優(yōu)異軟磁性能和高熱穩(wěn)定性的佑鐵基非晶合金為進一步獲得性能更加優(yōu)

4、#的非ift納米品復相合金材料提供氐料也為該類合金在上述的空天和式器裝備提供材料基礎(chǔ).1實驗1.1原料Co.9998%甘肅金川；F-99.8%太職鋼廠；Si99%貴州906工廠$BFe合金（叫=82.64%）$Zr.999%$Hf.999%.陜西省寶雞市1.2鉆鐵非晶合金的制備方法首先將一定庫爾比的塊體和BFe合金以及需要添加的合金組#<Hf-Zr）tt于真空電弧爐（NEWADR«05）內(nèi)在高純氮氣氣氛下反復熔煉均勻）然厲使用小型熔態(tài)旋淬裝置通過快速凝固的方法制備非晶合金薄帶。具體步驟如下:將制備好的母合金買入石英管中對皚帯裝置腔內(nèi)抽真空至3X10譏并充入高純氮氣使用高頻感應熔

5、化母合金們母介金完全熔慰后迅速降下石英管并在石英竹內(nèi)充入一定壓力的筑氣使熔體從右英管底瑞的卄孔啖出;噴出熔體與島速旋轉(zhuǎn)的直徑為20cm的鋼輪表面接觸快速礙固甩岀連續(xù)的非品合金薄帶.快速凝固的工藝參數(shù):畋嘴直徑0.5mm噴嘴到輕面距離2mm,髙頻加熱電流為78A銅輪的轉(zhuǎn)速為3000r/min.1.3材料結(jié)構(gòu)和性能測試方法采用X射線衍射儀（型號為RINT2000,Cu靶K。射城波長為0.15418run,匸作電壓為40kV工作電滾為40mA）對淬態(tài)和退火處理后的樣品以67min的知描速度在20°80°進行掃描對晶體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)表征.釆用差示掃描京熱計（DSC.NetzschST

6、A449C對禪品的熱穩(wěn)定性進行評佔，確定樣品的初始冊化溫度控示斜描茲熱分析在輒氣的保護下加熱速率為20r/min以及采樣速率為12C/min進行.用作測試的分體或者塊體樣品的質(zhì)僦為1020mg.采用鳶動樣品磁強計（I-akcShore7307）測試權(quán)料的宰溫磁學性能.2結(jié)果與討論2.1鐵拈原子比對（FeCo）MSUBH型合金熱穩(wěn)定性及軟磁性能的影響圖】給出了不同F(xiàn)e/Co原子比的（FeC。加合金的差示掃描顯熱曲線.可以看出5個樣品均出現(xiàn)了2個放熱峰，其中第1個放熱峰出現(xiàn)之前的曲線與放熱峰初期曲線切線交點的溫度被稱為初始晶化am幾該溫度代表非骷合金受熱后發(fā)生相變的難易程度可用來衣征年晶合金的熱穩(wěn)

7、定性,該溫度越高則熱穩(wěn)定性越高I.不同鐵鉆原產(chǎn)比的非晶合金的丁刃總結(jié)在表】中從表中可以看岀隨著鐵/站原子比的增加（鐵含st提高）合金體系的初始晶化溫度呈現(xiàn)先升奇后障低的趨勢當鐵/鉆原子比為3:1的時候，合金的初始品化溫度達到最髙值429V.圖】不同鐵姑原子比的FeCog非晶合金的差示打播量熱曲線F'tg.1DSCcurveoftheCoFeamorphousalloyswithdifferentCo/Fcntxnratioei圖2所示為不同詼鉆原子比對鉆鐵合金的室溫圖2室洱下不同汝鉆原子比的FG基非晶合金的論潘回紋Fig.2Hysteresisloop»oftheCoFcam

8、orphousalloyswithdifferentCo/Feaxomratiosatroomtemperature磁滯冋線的影響.可以看出該類合金衣現(xiàn)出明顯的鐵磁性。其飽和磁化強度(M、)和矯頑力分別總結(jié)在表1中.從表1可以看岀'當鐵鉆原子比為1:1時合金薄帶有最高的飽和磁化強度達到217cmu/g.此時合金薄帶的矯頑力為062Ow當鐵鉆原子比為3:1時,合金薄帶的飽和磁化強度為202emu/g>合金薄帶的矯頑力為039C)eo此時合金的飽和厳化強度已非常接近塊體FeCo合金的飽和磁化強度235cmu/g【由于實驗中的樣品為軟磁材料實驗測試儀器為震動樣品磁強計(VSM).通常認

9、為襄動樣品<8強計在測魚軟磁材料所得到的矯頑力僅供相對參考其值的實際意義不大。綜合考慮材料的煤穩(wěn)定性和軟磁性能可以認為當飲佑原子比例的杲隹比例范圍在“】到3】之間可同時獲得比較好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)界的軟磁性能。*1FeCo墓韭晶軟磁合金的磁學性能及熱力學餐敷TableIMagneticandthermodymmicparametersofFH'o-bwedamorphousalloysribbons編弓成分TB1/rT</VM/(emug:)Hr/OeaCcSisBe4021820.71bFeuCauSB“4112170.62cFcConSuB.u4221800.58dFcij

10、Coh&iB/j4292020.39eP<.>CoMiSi<Bio417fFecCoioSiiBj504小gFcmiComSuB547470h62854993.40.32iFgConZcHLBu65557984.30.332.2添加元素對Feo基非晶合金協(xié)穩(wěn)定性和磁學性能的影響為了進一步提島材料的熱穩(wěn)定性，研究考察了添加木同元素對材料的熱穩(wěn)定性和磁學性能的影響.在諸多提高合金熱穩(wěn)定性的元素中由F類金屬元斎祁具有髙的熔點(約2076T)、便度(莫氏硬度約9.5)和化學穩(wěn)定性也具右小的草爾質(zhì)ft(10.8g/mo.),故碣元素既能提島合金的熱穩(wěn)定性和硬度,又栢對不9耳降低

11、合全中威性有效成分的更量分數(shù)同時英也是常用的提島合金非品形成能力的元素因此首先考察了添加硼元素對合金熱穩(wěn)定性的影響.圖3曲線b.f和g分別給岀了合金中鉆浹原子比為1：1時加入不同含曲B元素的合金薄帶的差示掃描凰熄曲線可以看岀廠著B元索加入最的增大合金的初始晶化溫度呈現(xiàn)遞增的趨勢即說明該成分下非品合金的熱穩(wěn)定性呈現(xiàn)遞增的粗勢為不過多降低材料的藝學性能這里硼原子數(shù)分數(shù)只提高到18%.當B原子數(shù)分數(shù)達到18%即成分為FgCopSUBu時合金的熱穩(wěn)定性最好初始晶化溫度達到540匸。為確定它們是否為非晶態(tài)這些合金成分對應的X射線衍射圖諸見圖4中曲線bj和g柱硼含量低時樣品b和f均出現(xiàn)了明*的品化峰.梵中

12、樣品b和樣品f在44.5的晶化峰代表Fe(Co)B類合圖3不同樣品的叢示打捲£熔曲線.b.FeuCoa滋氐nFeSSJ人gFrSSU兒:hFz5Co；isZrrHUftiii.F®CouZr；HUFtg.3IK：curvesFjCoaScbo(b)FewCnuSHu(fLFe»CoMSi<B1H(R)fFejConZryHGBiJh).AndFsCo“Z°HLBu(i)金(例如CFe(Co)lB或BFc(Co)SiJ通過Sher-ra公式佔算樣品f的胡粒大小約為55run(注：由于該體系Fe和Co為物化性質(zhì)非常接近的物質(zhì)因此析岀的晶體中佚和鉆都可能

13、存在便用Fe(Co)表示).樣品b中45.2°和65.7。的晶化経代表析出的CozFej/CoFe相通過Sherra公式佔算的品粒大小分別足45.2°約為287nm>65.7。約為173ran.樣品在52°的晶化峰代表析岀WFe(Co),Si晶體通過Sherra公式估算的晶粒大小約為137nmo樣品g在465T有一個明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變也進一步說明該合金體冬的晶相為非晶相。因此通過添加I元素可以獲得熱檢定?。ㄒ缘谝痪Щ瘻囟缺碚鳎┻_到540r的CoFe基非晶合金，3040506070802葉）圖4不同樣品的X射線衍射譜,（b）FeaCocSuB,.!WFqConZ

14、譏仏氐實心fi：Fe<Co）B類合金$空心IK形:Fe<Co）L&i空心止方形:CoFg'CoFcFig.4XR1）curves（orFeuCoaSi.B）u（b）«FsCoSit<0.FjConSbbNg），F(xiàn)%、CozNHhB>s（hFa（Coi）ZnHCiBiiti）.Soliddiamond：FcBprccipitatcivoidcirclet*Fe（Co）jSiivoidsquare：CoyFe>/CoFe為進-步提高材料的熱穩(wěn)定性和最奇使用溫度受到Hitperm型合金（Fe«Co«ZrBCu,合金）的啟發(fā)將

15、合金體系中低熔點的硅（熔點為1414CW歆去掉.通過對比研究也將該合金中低熔點的銅（熔點為10859）也去掉用高熔點的錯（熔點為18553】和詒（熔點為2231口】替代之.通過成分調(diào)節(jié)研究獲得具有高熱穩(wěn)定性非晶合金時的最優(yōu)鐵鉆原子比和各自的最佳含最最終筆者確定了兩種合金成分FsCmZxHLBu與Fg用3中曲線丨和h分別是這陰個合金體系的殺示掃描粧熱曲線它們的幾和T“分別總結(jié)在喪1中。實驗結(jié)果表明通過添加錯和鉛兀索取代硅并適當調(diào)節(jié)鐵鉆原子比及其含雖可以顯著提高合金的熱穩(wěn)定性。如樣品h的第一晶化溫度可達到6289該合金在549也冇一個明扯的玻爛化轉(zhuǎn)變溫處對鐵含曲高相對島的CqFc介金樣品i的第-品

16、化溫度町達到655詼合金在更高的溫度579r也有一個明顯的菽璃化轉(zhuǎn)變溫度用4中i和h分別量FeHCoMZnHf6Bn與仏心“舊餛合金薄帶的X射線衍射圖譜兩個合金成分的X射線衍射圖詵都只冇1個寬的浸散射峰說明它們具有非結(jié)態(tài)相結(jié)構(gòu).筆者也對這兩個熱穩(wěn)定性比較髙的非晶薄帶進行了磁學性能研究。圖5是這兩個合金薄帶的室溫磁滯回線其磁學性能參數(shù)（M.和HJ總結(jié)在表1中。它們的矯頑力相對變化不大丁55憶門皿亦為0.33OefezCo恵5%仏氐為0,32（k,在本文考察的合金成分中僑族力是相對比較小的合金成分。同時也町以看出.F畑sCousZ“HLBu（飲佑頂子比為3»1）的飽和磁化強度M.為93.

17、4emu/g,比FenCoZr川（際（84.3emu/g）稍高.結(jié)合甫J面所述的熱穩(wěn)定性能，說明鐵鉆原了比為3«1時雖然具熱輪定性稍微下降但其磁學性能比較優(yōu)異。結(jié)合的面的幾個合金成分的熱穩(wěn)定性和磁學性能數(shù)據(jù)表明為獲得比較優(yōu)開的熱思定性和磁學性能，毎一個合金成分都冇最佳的鐵鉆原子比而且這個比不是定值即鎂鉆原了比和添加元索種類和含量之間存在協(xié)同效應.圖5FmCmZcHLBu與FegCoNHRBu的磁潘回線Fig.5HysterisisloopsofFeeiCouZr?Hf$BsandFc55.5（xXi,5ZrTHftBt3ribbons至此通過jBlWCo/Fe原子比和添加成分制備出了

18、具冇優(yōu)H軟墜性能、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從470r到580X：可調(diào)的FeCo基非晶合金樽帶為進一步制備性呢史加乂舁的非晶納米品貝相合金提供了菲血合金材料.這些材料的高溫磁學性能和用里溫度也正住測就中最終的結(jié)果將為制備滿足所述的空天和弐器裝備領(lǐng)域的奇溫童性材料提供初步的材料制備基礎(chǔ).3結(jié)論1）當鐵鉆原子比在1，1到3：1時該合金系列具有髙的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的軟磁性能；當鐵鉆頂子比為151時，茸恂和瞰化強席淡刊用髙為217emu/gt近塊體鐵鉆合金的鼓髙值235emu/go2）使用髙熔點的B元素、Hf元索和Zr元索替代低熔點的Si等元素可顯著提高制備出的非晶合金的熱穩(wěn)定性3）對鐵鉆原子比和添加元素與合金的熱

19、穩(wěn)定性和破學性能的相關(guān)性分析表明每一個合金成分都有最佳的鐵鉆原子比在此值F獲得比較優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和磁學性能而且這個比不是定值即鐵鉆原子比和添加元索種類和含址之間存在協(xié)同效應.4) 通過調(diào)節(jié)鐵鉆元累原子比和誰加元索種類和含甘，最終成功制備出具有高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異軟磁性能的非晶合金薄帶英最高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達580D飽和磁化強度達84.3emu/g-矯頑力為033(X參考文獻(References)I McHenryME«IuiughlinDENano-scalematenalsdevelopmentforfuturemagneticapplicationsJActaMater,2000.

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