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非晶与纳米晶合金是近年发展起来的一种新型材料,由于具有高强度、高硬度、高弹性极限、良好的抗腐蚀性和优异的软磁性能等,日益成为材料科学领域研究的热点之一。但是,由于铁基非晶合金的非晶形成能力低,采用通常的制备工艺,如真空甩带或熔融浇铸所制备出的非晶合金仅限于带、丝和小尺寸低维材料,这极大地限制了该类材料的广泛应用。本文选用非晶形成能力较高的Fe-Co-Ni-Zr-B材料体系,采用放电等离子烧结(SPS)技术,成功制备出块体纳米晶软磁材料。通过X射线衍射(XRD)、差示扫描量热计(DSC)、振动样品磁强计(VSM)、透射电镜(TEM)和磁力显微镜(MFM)等手段,分析了纳米晶软磁材料的结构和磁性能。主要开展了以下几方面的工作:
对于Fe56Co7Ni7Zr10B20体系,利用甩带法制备非晶条带,保护气氛下球磨制得非晶粉体,采用放电等离子烧结技术,制备出尺寸为φ10 mm×3 mm的块体纳米晶材料。研究表明,当烧结温度Ts大于其玻璃转化温度Tg时,块体试样具有致密的两相结构,相对致密度和结晶程度随着烧结温度的上升而增加,并在烧结温度为1240 K时相对致密度达到最大值94.5%。当Ts=1150 K时,块体样品的饱和磁感应强度达到1.45 T。其矫顽力鼠随着烧结温度的升高而增大,数值介于1000和4000 A/m之间。TEM分析表明,块体内部晶粒镶嵌在非晶基体中,平均晶粒尺寸在40 nm量级;非晶基体中析出的纳米晶粒是α-Fe相。MFM分析表明,块体样品具有平行排列的磁畴结构,其平行磁畴间距约为1.6μm,远大于内部的晶粒尺度。
用1~4at%的Nb部分取代Fe56Co7Ni7Zr10B20体系中的Zr,获得Fe56Co7Ni7Zr10-xNbxB20(x=1,2,3,4)四种不同成分的材料。采用真空甩带法制备出非晶带材,通过热学及磁学性能分析,结果表明,随着Nb取代量的升高,体系的过冷液相区宽度值△Tx相应升高,当Nb的取代量为2at%时,△Tx达到极大值59 K。随着Nb取代量继续增加,△Tx降低。上述研究结果表明,适量Nb的掺入可以同时提高该材料体系的非晶形成能力和热稳定性。在烧结温度Ts=1150 K及压力P=63.5 MPa的条件下,研究了Nb对SPS制备块体Fe56Co7Ni7Zr10-xNbxB20(X=0,1,2,3,4)合金的烧结性能的影响规律。研究表明,用1~3at%的Nb取代Fe56Co7Ni7Zr10B20体系中的Zr,可提高体系的热稳定性,使烧结体的晶化程度降低;用1~2at%的Nb取代Fes6Co7Ni7Zr10B20体系中的Zr,可提高体系的磁性能,使体系的饱和磁感应强度Bs达到1.50T。