Fe-Co基块体纳米软磁材料的快速凝固及其高温特性研究

为满足我国高技术领域对高性能金属软磁材料的迫切需求，促进块体纳米材料的实用化和拓宽其应用领域，本项目采用精确设计的合金熔体深过冷处理系统以及铜模激冷组织控制技术，在大体积Fe-Co基多元合金中直接获得界面清洁、组织致密的纯纳米晶组织，从而消除只有在非晶形成能力强的合金中获得纳米晶组织的限制。通过深入研究块体纯纳米晶合金熔体的深过冷凝固行为和合金化元素对相选择和组织性能的影响，提出极端非平衡凝固条件下控制纳米晶形成的工艺条件，并建立过冷熔体中纳米晶形核和生长的理论模型。在此工作基础上，制备出具有良好热稳定性和优异软磁性能，并可任意加工成型的高温块体纯纳米晶软磁材料。本项目将为真实反映纳米材料的本征结构和性能的关系提供实验依据，为新型块体软磁材料的进一步发展和应用提供新的思路和指导，其研究成果可广泛应用于我国电力、电子及军工等高技术领域。

本项目采用合金熔体深过冷快速凝固与激冷凝固技术相结合的方法制备了Fe-Co基多元块体软磁合金材料，并且在Fe47Co47Nb2.5Cu2.5B1、Fe45Co45Cu6B4、Fe44Co44Nb7B4Cu1等Fe-Co基多元块体合金中直接获得了层片小于200nm的纳米共晶和超细晶枝晶组织。为了对比研究非晶形成能力对块体合金中纳米晶形成的影响，本项目也研究了Fe-B基合金的深过冷激冷凝固行为，并且在Fe-Ni-B三元合金中获得了片层间距小于100nm的共晶团组织，而在Fe-B二元共晶合金中获得了纯纳米共晶组织。实验观察和理论分析表明，深过冷凝固过程中晶粒细化存在两种机制，即小过冷度下的组织细化来自于再辉引起的重熔而导致枝晶碎断，大过冷度下熔体对流和凝固收缩产生的应力集中以及再辉引起重熔的共同作用导致枝晶碎断。而在过冷熔体的激冷凝固过程中，一方面，熔体的大过冷度促使熔体形核率提高，另一方面，快速激冷抑制了形核后的晶粒快速长大，因而合适的初始过冷度和快速激冷的有效结合是形成纳米晶组织的前提。而非晶形成能力高的合金由于易获得大的过冷度而更易形成纳米晶组织。另外，实验结果表明，通过过冷熔体激冷凝固制备的合金凝固组织不仅晶粒更加细小，而且组织更加均匀。Fe-Co基多元块体合金材料性能测试表明，随着合金中纳米晶组织的出现，合金的矫顽力大幅降低，硬度提高。在此基础上，结合枝晶碎断模型和凝固动力学模型，发展了过冷单相固溶体合金晶粒细化模型，该模型能够预测枝晶碎断时间和枝晶间液相完全凝固时间，也可以定性预测凝固组织的转变。建立了由凝固冷却曲线直接预测凝固转变分数的理论方法，根据该方法构造了金属材料凝固过程冷却曲线的描述方程。