铁基非晶软磁合金的微观结构演化及性能的关联性研究

The development of Fe-based amorphous alloys with large glass forming ability (GFA) and high saturation magnetic flux density (Bs) has been one of the major research subjects in materials science and engineering field for the last several decades, owing to the expectation of saving energy and natural resources. Our previous research has concluded that the addition of metalloid element of P and C can improve the GFA drastically with maintaining the high Bs (1.5-1.6 T) in FeSiB alloy system. However, the mechanism for the formation and evolution of the microstructure with metalloid element addition is unclear yet, and further studies on the effect of metalloid element on the thermal stability, GFA and soft-magnetic properties are needed. In our project, the combined methodology of Mössbauer spectroscopy and extended X-ray absorption fine structure spectroscopy will be utilized to explore the formation and evolution of microstructure in FeSiB alloy system. Then, the Lorenz electron microscope and electron holography technology will be used to systematically investigate the magnetic domain structure and domain wall movement. Our project is expected to establish a correlation between the microstructure and properties of the FeSiB alloy system, and find the micro-structural origin of the outstanding properties in the alloys. The aim of the project is to provide a theoretical guidance for the modulation of the properties, and design of novel alloy compositions and treatment processes of the Fe-based amorphous materials.

兼具高饱和磁感应强度（Bs）和大非晶形成能力（GFA）的Fe基非晶合金的开发，对于非晶变压器和电机等节能型电力电子器件的发展具有重要意义。申请人前期的研究表明，在传统的Fe-Si-B非晶合金中添加少量的类金属元素（P和C），在获得高Bs（1.5-1.6T）的同时，合金的GFA有了大幅提高，但类金属元素添加所引起的非晶合金的微结构演化，及对其热稳定性、GFA和软磁性能的影响等关键科学问题仍然有待深入研究。本项目拟采用穆斯堡尔谱与扩展X射线吸收精细结构谱相结合的方法，研究其微观结构的形成和演变过程；利用洛伦兹电镜和电子全息技术，分别在无外加磁场和施加外磁场的情况下，对磁畴结构和畴壁运动进行实时、动态和图像化的记录与研究。通过建立Fe-Si-B系非晶合金微观结构特征与其性能之间的关联性，探索合金优异性能的微观结构起源，为今后的合金成分和处理工艺设计、及性能调控提供理论指导。

铁基非晶软磁合金由于短程有序而长程无序的独特结构，具有高饱和磁感应强度（Bs）、低矫顽力（Hc）和低损耗等优异性能，广泛应用于电力和电子等领域。随着器件向小型化和高效化的方向发展，对铁基非晶软磁合金的 Bs提出了越来越高的要求。因此，如何突破铁基合金的非晶形成能力和工艺性限制，提高其磁性能是当前的研究热点和难点。为此，项目开展了高 Bs新合金的开发和性能调控工作，一方面研究合金成分对磁性能和工艺性的影响机制，开发出低成本的高 Bs新合金，可能替代现已大规模应用的 Metglas 2605SA1（1.56 T）和 Metglas HB1M（1.64 T）合金；另一方面开发出 Bs与硅钢接近的非晶合金，采用磁场热.处理调控其软磁性能，并揭示磁场热处理引起磁性软化的机理。.1）类金属元素对FeMSiB系合金的非晶形成能力和磁性能影响的研究.根据元素周期表，原子尺寸和非晶形成能力设计原则，以及元素对软磁性能的影响，设计了FeB，FeSiB，FeSiBC，FeSiBP和FeSiBPC五种合金成分，制备了非晶带材并对非晶形成能力和磁性能进行对比。通过在Fe83B17中添加Si、P和C元素，非晶条带制备的临界冷却速率从54 m/s可降至12 m/s，最大带厚可增加至76μm。饱和磁感应强度从1.65T可增至1.67T，矫顽力从18 A/m降至2.1 A/m，磁导率从3400上升到10300。.2）高饱和磁感应强度FeSiBPC非晶合金体系的开发与工艺性研究 .根据提高非晶形成能力的多组元混乱法则和大原子半径失配比准则，非晶形成元素选择Si、B、P和C。其中，Si、 B、P元素与Fe元素间有很大的负值混合焓，是重要的非晶形成元素；C元素与主组元Fe元素之间的混合焓为正值，但是其原子半径小，且在晶化过程中倾向于与Fe, B和P形成复杂化合物如Fe23(B,C,P)6等，通过适量添加也有利于获得高非晶形成能力。在Fe含量为83 at.% 和C含量为1 at.%的基础上，通过调整Si、B和P元素的含量，研究其对合金系热稳定性、非晶形成能力和磁性能的影响。