软磁非晶合金的结构非均匀性及对磁性能的影响机理研究

As a new generation of soft magnetic materials, high Bs amorphous alloy, has very important applications in the fields of energy transmission and conversion. However, the production process is difficult to control due to the low glass forming ability which limits the large-scale production and applications. Compared with the traditional commercial alloys, multiple-scale heterogeneity will generate in the sample made by using industrial manufacture process and raw materials, which greatly deteriorate the magnetic performance. The formation mechanism of multi-scale of heterogeneity and its effects on magnetic properties, magnetostriction coefficient, sensitivity of stress, brittleness after annealing treatment etc. still remain unclear. In this project, FeSiBPC alloys with a high performance were selected as model material. The effects of cooling rate, impurity elements, atomic clusters caused by the surface layer and structural relaxation, free volume and precipitated phase on the heterogeneity will be studied. The influence of multi-scale structural heterogeneity on thermal stability, magnetic performances, ductile-brittle properties and crystallization behaviors will be systematically investigated. Correlations between the properties and the microstructure features will be explored. Based on these investigation, we will attempt to establish the theoretical guidance for improving the soft magnetic properties by applying the microstructure regulation and developing new soft magnetic alloys with high-performance.

新型高Bs软磁非晶合金在能源传输和转换领域具有非常重要的应用前景。然而，由于合金的非晶形成能力低，样品容易形成明显的非均匀性，导致生产过程难以控制和性能恶化，限制了其规模化生产和应用。不同尺度非均匀性的形成机理，对磁性能、应力敏感性、热处理脆性、磁致伸缩系数等重要应用基础问题尚不清楚。本项目拟选择具有优异性能从FeSiBPC系合金，通过研究冷却速度、表面层和结构弛豫引起的团簇、自由体积和析出相等的不均匀性，分析多尺度的结构不均匀性对热稳定性、磁性能、韧脆性和晶化行为的影响，建立微观结构不均匀性与性能的关联，阐明这软磁非晶合金中的非均匀性形成机制，发展利用微结构调控弛豫脆性、软磁性能和晶化机制的理论和技术，并为新型高性能软磁非晶合金的开发和应用提供理论指导。

围绕本项目的研究目标和计划研究内容，项目成员系统研究了FeSiB(P,C), FeSiB(P,C)Cu和CoFeTaB等具有优异性能和典型成分特征的合金体系，研究了制备条件、杂质、微合金化、纳米晶化、热处理、磁场等关键变量对磁性能、力学性能、热稳定性和工艺性等的影响规律，分析了非均匀性对制备条件和合金成分的依赖性，建立了合金成分-制备工艺-性能-微观结构的关联性，取得了突出的进展。主要研究成果如下：以FeSiBPC 系高Bs 非晶合金的结构非均匀性及其对磁性能的影响为研究对象，深入研究了热处理过程中微观结构的非均匀衍化过程以及热处理前后样品微观结构不均匀性对力学和磁性能的影响，阐明了內秉磁场和外加磁场对非晶合金结构非均匀性的形成及衍化的调控机制，以及磁性能的调控机制。还提出了新的降低（消除）磁性元素基金属玻璃磁性的新思路，并设计了几乎无磁性的CoNiTaB系高非晶形成能力、高硬度金属玻璃。针对铁基非晶原材料成本高的问题，开发了采用高炉铁水直接冶炼母合金的铁基非晶合金生产新工艺，该方法具有节能、充分利用C元素，流程短，成本低等优势。在纳米晶合金中，通过调控合金的热稳定性和磁性能，发现仅在具有临界非晶形成能力的Fe含量范围内，合金可同时具有高结晶度和小晶粒尺寸，从而提出了临界形成能力效应，证明趋近临界非晶形成能力是调和软磁合金磁性能和生产工艺性的最佳方法。在此基础上，提出了一种新的合金设计概念，通过反常规去除传统合金成分中的促进形核和抑制扩散元素，来调和非晶-纳米晶磁双相合金中的磁性能与形成能力之间的矛盾。成功地研制出了大的晶化温度区间、超高饱和磁化强度（1.87 T）和低成本的Fe85.5B10Si2P2C0.5软磁合金，该合金具有优异的性能，具有广泛的节能应用前景，为下一代非晶-纳米晶软磁合金的设计提供了范例。此外，临界形成条件下致密形核、多组元协同效应提高形成能力和瞬态富集核壳结构的晶粒细化三种创新机制也可应用于其他纳米非晶双相合金。在本项目的支持下，已在Materials Today, JMST等发表高水平论文17篇，申请专利3项，培养博士生3名。