塊體Fe基納米晶軟磁材料的制備及相關(guān)基礎問題的研究.pdf

1、本文結(jié)合湖南省自然科學基金課題“極端條件下鐵基納米晶塊體軟磁合金的制備研究”(01JJY2056)、上海市科技發(fā)展基金課題“超高壓溫熱固結(jié)法制備高Bs鐵基納米晶軟磁合金的基礎研究和應用”(0252nm054)和“FeCo基高溫低損耗塊體納米晶合金的基礎研究”(0452nm086)以及國家自然科學基金課題“高頻納米晶軟磁材料研究”(50501008)，探索了鐵基納米晶塊體軟磁材料的制備方法，并對所涉及的一些制備基礎問題進行了討論。

2、　　 首先，研究了利用機械合金化法在FeMB和FeCoMB(Cu)合金體系中獲得納米晶軟磁材料的可行性。研究表明，在機械合金化過程中，隨著球磨時間的增加，F(xiàn)e、Co、M(Nb、Zr)、B混合粉末合金化程度逐漸升高，晶粒尺寸逐漸減小，晶格畸變也逐漸增加，當達到某一臨界值后，晶格畸變呈下降趨勢，最終形成了具有bcc結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸為10～15nm的α-Fe過飽和納米晶固溶體。在FeNbB合金系中，提高Nb的含量會推遲合金化過程；當用Zr和N

3、b復合添加時，會顯著加速合金化過程。當用Co代替Fe后的(FeCo)-M-B-Cu合金均可加快其合金化和納米晶化過程。在退火過程中，隨著退火溫度的升高，F(xiàn)eMB和FeCoMB(Cu)納米晶粉末晶粒尺寸逐漸長大，內(nèi)應力逐漸松弛。但在600℃以下退火，納米晶長大速度緩慢，且無新相生成，晶粒尺寸可保持在10～15nm范圍內(nèi)。當退火溫度高于650℃以后，納米晶尺寸急劇長大，當退火溫度高于700℃以后產(chǎn)生了第二相等雜質(zhì)相。
　　 在機械合

4、金化過程中，位錯泵機制和層狀結(jié)構(gòu)為元素間原子擴散提供了快速通道。機械合金化使粉末內(nèi)產(chǎn)生了大量的微納層狀結(jié)構(gòu)，原子可以通過層間界面擴散形成非平衡固溶體。機械合金化過程中，大量位錯積累的結(jié)果導致位錯胞的形成，并最終發(fā)展為納米晶。
　　 機械合金化過程中，可以用一個冪函數(shù)來描述機械混合粉末在球磨過程中的α-Fe相晶粒尺寸D與球磨時間t的演變關(guān)系，即：D=atb，其冪指數(shù)b的大小也可以用來反映出球磨過程中納米晶的形成能力，其與合金種類和

5、含量有關(guān)，b值在-0.4640～-1.0122范圍內(nèi)。
　　 在此基礎上，采用機械合金化+熱壓燒結(jié)法、機械合金化+SPS燒結(jié)法以及機械合金化+超高壓成型法制備了FeMSiB塊體材料，同時，也采用快淬非晶粉末+SPS燒結(jié)法以及快淬非晶粉末+超高壓成型法制備了FeMSiB塊體材料。研究表明，(1)采用8～15nm的MAFe84Nb7B9、Fe80Ti8B12以及Fe32Ni36Nb(V)7Si8B17納米晶粉末或非晶粉末，在850℃

6、～900℃/30MPa/30min熱壓燒結(jié)條件下，可以制備出相對密度達94.7％～95.8％的細晶(1000nm)或超細晶(100nm)合金塊體樣品，除Fe80Ti8B12合金形成了bcc單相組織外，其它合金均為多相組織；(2)在30MPa/5min/850～1050℃的放電等離子燒結(jié)條件下，采用8～10nm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe84Nb7B9MA納米晶粉末和Fe70Cr8Mo2Si5B15非晶粉末，可以制備出

7、相對密度達99％、納米晶(50～100 nm)、以α-Fe相為主的合金塊體樣品，而且，與MA納米晶粉末相比，在相同致密度時，非晶粉末的燒結(jié)溫度可降低50℃左右，且致密化速度明顯加快；(3)在5.5GPa/820W～1150W/3～15min超高壓固結(jié)條件下，無論采用8～10nm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9、Fe84Nb7B9以及Fe84Nb4W3B9MA納米晶粉末，還是Fe78Si9B13和Fe86Zr5.5Nb5.5B3

8、非晶粉末，均能制備出相對密度達98.4％以上的納米晶(10～20nm)的α-Fe單相合金塊體樣品，樣品尺寸為Φ20×(7～10)mm；并且，當燒結(jié)時間一定時，塊體合金的晶粒尺寸和相對密度均隨燒結(jié)功率的增加而較明顯增加，當燒結(jié)功率Pw一定時，塊體合金的晶粒尺寸和相對密度隨燒結(jié)時間的增加而緩慢增加；(4)無論是由MA納米晶粉末制備塊體合金，還是由球磨破碎快淬非晶粉末制備塊體合金，這些塊體合金均具有高的飽和磁化強度，但同時也具有高的矯頑力。這

9、是因為點陣的畸變、內(nèi)部微觀應變等對磁疇壁有阻礙影響，導致Hc較高，通過適當?shù)臒嵬嘶鹂梢悦黠@的降低塊體合金的矯頑力。
　　 六面項高液壓設備是合成人造金剛石的關(guān)鍵設備。本文首次利用六面項高液壓設備形成的近似等高靜壓場來實現(xiàn)大尺寸的塊體納米晶材料的制各，為研究和獲得大尺寸納米晶塊體軟磁合金提供了技術(shù)基礎。研究發(fā)現(xiàn)，提高超高壓成型壓力，不但能有效抑制Fe-Nb、Fe-B等雜質(zhì)相生成，而且能有效防止塊體納米晶尺寸的長大。這一結(jié)論對今后納

10、米晶軟磁塊體材料超高壓成型技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導意義。應用該技術(shù)在多種合金體系中獲得了塊體納米晶材料，尤其是利用Fe78Si9B13非晶粉末成功地獲得了塊體納米晶材料。
　　 此外，研究了Fe78Si9B13、Fe86Zr5.5Nb5.5B3(Nanoperm)以及Fe55Co18Nb4Al2Si4B15Sm2三種非晶態(tài)合金晶化動力學行為，初步探討了它們在超高壓下的晶化動力學行為特點，并利用Kissinger方法和Ozawa方

11、法計算了它們的激活能，表明，由Kissinger方法和Ozawa方法計算的激活能均可表示非晶態(tài)合金晶化過程中的晶化激活能的大小。
　　 采用拓展的Friedman方法計算了非晶Fe86Zr5.5Nb5.5B3合金的初始納米晶化的局域晶化激活能。在晶化開始階段，局域晶化激活能為315～325kJ/mol(0<α<0.2)；隨著晶化的進行，局域激活能緩慢升高，處于一個穩(wěn)定階段，在晶化分數(shù)α為0.3～0.9這個階段時，隨著晶化分數(shù)的增