新型低损耗FeBCCu纳米晶软磁合金的制备及晶化机制研究

This project focuses on the FeBCCu nanocrystalline alloy system discovered by the applicant. These alloys exhibit high saturation magnetic flux density and the crystallization mechanism is different from that of conventional nanocrystalline alloys. However, the core loss is still higher than conventional FINEMET and FeSiBPCu nanocrystalline alloys. By optimizing the chemical composition and adjusting the preparation methods of amorphous alloys and the following annealing conditions, this project aims to obtain nanocrystals with small grain size, high density and uniform distribution, reduce the average magnetocrystalline anisotropy of the alloys and control the soft magnetic properties in order to ensure high saturation magnetic flux density, low coercivity while decreasing the core loss. This project will utilize multiple testing and analyzing methods such as DSC, XRD, HRTEM, EXAFS to investigate the microstructures of the nanocrystalline alloys in different crystallization stages and explore the mechanism of the nucleation, growth and stabilization of nanocrystals. With comprehensive analysis of the microstructures and the magnetic properties, the role of each element in the crystallization process will be clarified and the unique crystallization mechanism of this alloy system will be established, leading to the optimization of soft magnetic properties.

本项目以申请人前期探索发现的FeBCCu纳米晶合金体系为研究对象。该合金体系具有高饱和磁感应强度的软磁特性，晶化机制也不同于传统纳米晶软磁合金。然而，其铁损与传统的FINEMET纳米晶合金及FeSiBPCu系纳米晶合金相比仍较大。本项目拟通过合金成分的优化设计、非晶合金制带工艺及后续晶化退火工艺的合理调控实现纳米晶粒的小尺寸、高密度及均匀分布，降低合金的平均磁晶各向异性，实现软磁性能的调控，在保证高饱和磁感应强度、低矫顽力的同时降低其损耗。利用DSC、XRD、HRTEM、EXAFS等测试分析手段，研究不同晶化阶段纳米晶合金的微结构，探索纳米晶形核、纳米晶粒生长及稳定机制，结合磁性能的测量，明确各元素在合金晶化过程中的作用，确立该合金体系独特的晶化机制，最终实现软磁性能的最优化。

FeBCCu纳米晶合金具有高饱和磁感应强度的软磁特性，同时具有低原材料成本这一突出优势，晶化机制也不同于传统纳米晶软磁合金，但其损耗相对较大。本项目针对FeBCCu纳米晶合金体系的软磁性能及晶化机制展开了深入研究。通过热学性能、微观结构测试分析手段，研究了Cu添加对非晶形成能力的作用机制；通过调节合金成分，利用差示扫描量热仪、X射线衍射、透射电子显微镜等方法，研究了不同时间热处理后，合金微观结构的演变，结合晶化过程的动力学研究，确立了FeBCCu纳米晶合金的晶化模型。我们的研究表明，在铁基非晶合金中，适量Cu添加能有效促使合金初晶相由Fe23B6相转变为α-Fe相及Fe23B6相，复杂初晶相的形成有助于提高合金的非晶形成能力；B和C原子在晶化过程中，在剩余非晶相发生的富集行为，可以起到抑制晶粒长大的作用，但C对晶粒长大的抑制作用不如B明显，而Si可以拓宽合金的晶化温区，提高热稳定性，有效降低合金的损耗，改善软磁性能。相关研究成果为制备兼具大非晶形成能力及高饱和磁感的铁基非晶合金提供了新的思路，同时对高饱和磁感纳米晶软磁合金理论体系起到了一定的补充作用。通过项目研究，我们探索制备了一系列兼具优异软磁性能的纳米晶合金体系如FeBCSiCu、FeSiBPCu、FeCoNbBCu、FeCoNiZrBCu体系等。最后，我们通过横向磁场热处理进一步改善了纳米晶合金的软磁性能，并制备了具有优异的软磁性能及抗直流偏置能力的低磁导率CoFeSiBMn系列非晶合金，有望在有直流叠加的磁组件领域获得潜在应用。