高性能FeNi基非晶软磁合金的开发及性能研究
由于非晶合金的原子排列方式具有短程有序,长程无序的特点,其力学性能,磁性能,耐腐蚀性等都比传统晶态合金更加优异.在众多非晶合金体系中,Fe基、Co基、FeNi基磁性非晶合金因其独有的软磁性能优异、价格低廉、强度高、杨氏模量大等优点而备受人们关注.然而,较低的非晶形成能力和较差的塑性变形能力限制了磁性非晶合金的更广泛应用.通常,获得较高的非晶形成能力需要添加大量的金属和类金属非晶形成元素,然而非晶形成元素尤其是大原子金属非晶形成元素的添加会导致非晶合金饱和磁感应强度的明显下降.另外,采用其他体系常用的引入第二相或成分分离提高非晶合金塑性变形能力的方法也不适合磁性非晶合金,因为第二相和成分分离的引入通常都会导致非晶形成能力的进一步降低和软磁性能的恶化.非晶形成能力与磁性能,高强度和大塑性貌似两对无法调和的"矛盾"体,但很多磁性器件又同时对这几个性能有很高的要求.因此,开发兼备高非晶形成能力,优异磁性能和大塑性变形能力磁性非晶合金体系具有十分重要的意义.
本文通过组元设计和成分调整,开发了兼具高非晶形成能力,优异磁性能和大塑性变形能力的FeNiBPNb和FeNiBSiPNb两个FeNi基非晶合金新体系.同时调和两个"矛盾",制备了各项性能都比常用传统FeNi基优异的FeNi基非晶合金,研究具有非常重要的实际应用价值和科研价值,为开发高性能磁性非晶合金打开了一条通道,并为研究磁性块体非晶合金变形过程中的基础科学问题提供了理想的模型材料.本文的主要工作和成果概括如下:
1.合金体系设计.研究现有典型FeNi基非晶合金体系,分析前者磁性能优异但非晶形成能力低,后者非晶形成能力高但饱和磁感应强度较低的原因,采用合理的成分设计准则,设计FeNiBPNb和FeNiBSiPNb两个新合金体系.
2.开发FeNiBPNb系非晶合金.通过优化Fe和Ni的比例,B和P的比例以及Nb的含量,使合金的过冷液相区的稳定性明显提高,成分更接近共晶点,且形成具有复杂结构的的(Fe,Ni)23B6初晶相,从而制备出临界尺寸达到2.5mm的高非晶形成能力的FeNiBPNb非晶合金,该合金具有优异的软磁性能和力学性能.
3.开发FeNiBSiPNb系非晶合金.添加Si的开发FeNiBSiPNb系非晶合金,调整B、Si和P含量探索FeNiBSiPNb系非晶合金高非晶形成能力的类金属成分范围,研究了类金属元素含量对非晶形成能力和磁性能的影响.调整FeNi总含量,开发出了高FeNi含量FeNiBPSiNb合金,与目前常用的FeNiMo(SiB)非晶合金相比,非晶形成能力,过冷液相区稳定性,软磁性能,力学性能等各项性能都明显提高,尤其是其塑性变形能力达到7.7%,是目前报道的所有Fe基,Co基和FeNi基非晶合金中少见的.
4.晶化机制研究.研究了各组元对非晶合金的晶化行为的影响,深入探讨深过冷合金熔液中晶粒的形核和长大机制,从初晶相结构和结晶动力学角度探索了高过冷液相区稳定性和高非晶形成能力的原因.结果表明,合金组元优化设计和成分调整促进了结构复杂的(Fe,Ni)23B6相的形成,抑制了结构简单相的析出,非晶形成动力学条件改善是所开发两个合金体系具有高非晶形成能力的原因.
5.力学性能研究.研究了所开发FeNi基非晶合金的力学性能,以高FeNi含量FeNiBSiPNb为载体,分析了具有大室温压缩塑性的磁性块体非晶合金的锯齿流变行为,推测了剪切带的演变过程.通过TEM观察微观结构找出导致大塑性的原因,并深入探讨了晶化行为与非晶形成能力及力学性能的关系.
- 作者：
- 王安定
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 崔平；沈宝龙
- 关键词：
- 非晶合金；软磁性能；非晶形成能力；力学性能；晶化行为；变形行为
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