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铁基非晶合金具有强度高、耐腐蚀性能好、软磁性能优异等特点,在电力电子行业应用广泛。如何通过外场作用改善铁基非晶合金的组织结构,从而提高其服役性能,是国内外的研究热点。脉冲激光表面处理技术具有加热冷却快、精度高、变形小、柔性好等优点,在铁基非晶合金表面改性方面具有着广阔的应用前景。本文采用了物理实验和数值模拟相结合的方法,研究了脉冲激光处理对铁基非晶合金表面形貌、微观结构和典型服役性能的影响规律。本文取得的主要结果如下:(1)分析了脉冲激光功率对Fe78Si9B13非晶合金表面形貌、组织结构以及非等温晶化行为的影响:①脉冲激光处理后的Fe78Si9B13非晶合金表面呈现为中间凹陷、两边凸起的冠状形貌。当脉冲激光功率从10 W增加至30 W时,激光处理斑点尺寸逐渐变大,同时形状变得不规整,且飞溅现象趋于明显。②不同功率脉冲激光处理后的Fe78Si9B13非晶合金均保有较高的非晶含量,其X射线衍射(XRD)图谱仍表现为典型的非晶漫散射峰。通过透射电镜(TEM)和小角X射线散射(SAXS)综合分析,发现Fe78Si9B13非晶合金表面形成了少量无序度更高的新非晶相;同时在热影响区有纳米晶析出,在功率为10 W和20 W时以a-Fe(Si)相为主,而在功率为30 W时a-Fe(Si)和Fe-B相均有析出。③发现脉冲激光处理后非晶合金的热稳定性增强、形核激活能和长大激活能均增加、形核指数降低,表明处理后非晶合金的晶化难度增加,这可归结为无序度更高的新非晶相的形成。特别是,在功率为20 W时非晶合金的晶化激活能最大。此外,Fe78Si9813非晶合金第一晶化峰的晶化机制分析表明,晶化过程的前半部分符合Johnson-Mehl-Avrami(JMA)模型,后半部分符合 Normal-Grain-Growth(NGG)模型。(2)分析了脉冲激光功率对Fe78Si9B13非晶合金耐腐蚀性和软磁性能的影响:①发现较低功率(10W和20W)脉冲激光处理时,Fe78Si9B13非晶合金的耐蚀性得到了显著改善,腐蚀电位分别提升了 0.02V和0.06 V;然而,当功率增加至30W时,其耐蚀性恶化,腐蚀电位降低了 0.06V。相对于原始样品,脉冲激光处理样品的点蚀电位都有所提升,分别提升了 0.04 V、0.12V和0.10V。脉冲激光处理前后非晶合金腐蚀性能的变化可归因于表面Si原子的分布状态,脉冲激光处理促进了 Si向非晶合金表面高能位点富集,使得表面Si含量较高,易形成稳定的SiO2钝化膜,在腐蚀过程中产生了积极影响;而在功率为30 W时,表面较多的飞溅液滴为腐蚀提供了更多的活性位点,导致其具有较高的腐蚀倾向。②发现不同功率脉冲激光处理均能显著改善Fe78Si9B13非晶合金的软磁性能。功率为20 W时,饱和磁化强度最高(提升了 4.7 emu/g),这主要是由于非晶合金内部发生了 fcc团簇结构到bcc团簇结构的转变;当功率增加至30 W时,由于Fe-B相的析出,导致其饱和磁化强度略有降低。(3)建立了脉冲激光处理Fe78Si9BI3非晶合金的传热和流动耦合模型,研究了处理过程中的温度场、流场和压力场的瞬态分布规律,揭示了传热传质行为对表面形貌和组织结构的影响:①发现脉冲激光处理后Fe78Si9B13非晶合金表面呈现的冠状形貌主要归因于反冲压力和表面张力的综合作用。反冲压力促使熔池内熔体从中心向四周流动,使得内部下凹;而表面张力引起的马兰戈尼效应促使熔池边缘产生涡流,使得四周上凸。②发现熔体最大流动速度和最大压力随着脉冲激光功率的增加而增大,使得熔池逐渐失稳、产生飞溅现象。当功率为10 W时,无飞溅产生;而当功率增加至20 W和30 W时,熔池四周产生了大量飞溅,与实验结果相一致。③阐明了新非晶相形成的热力学条件,从固相线温度至晶化温度区间内,熔池表面冷却速率可达107 K/s量级。④解释了低功率时只有a-Fe(Si)相析出而高功率时a-Fe(Si)相和Fe-B相同时析出的现象。发现随着脉冲激光功率的增加,热影响区峰值温度增加,晶化温区范围随之增大,导致非晶合金具有更强的晶化敏感性。(4)分析了脉冲激光处理时外加磁场对Fe78Si9B13非晶合金结构和性能的影响:①发现外加磁场可以致使熔体飞溅,其原因是外加磁场与感应电流产生的洛伦兹力会导致液态金属内部产生扰动,增加了熔池内流体的流速。②与无磁场时类似,外加磁场未导致Fe78Si9B13非晶合金明显晶化,XRD图谱仍表现为典型的非晶漫散射峰;但是外加磁场增强了 Fe78Si9B13非晶合金的晶化敏感性,使得热影响区形成了更多的纳米晶。③外加磁场使得Fe78Si9B13非晶合金的热稳定性降低、晶化激活能降低,主要是由于外加磁场辅助作用促进了 a-Fe(Si)相的形核及长大。④外加磁场作用会降低Si原子向非晶合金表面高能位点富集,减弱SiO2膜形成,在一定程度上削弱其耐蚀性。⑤当外加磁场强度为514Gauss时,非晶合金的软磁性能可以得到改善,主要原因非晶合金内部发生了fcc团簇结构到bcc团簇结构的转变;但外加磁场强度较大时(1642 Gauss),其饱和磁化强度有所降低,主要是由于随着a-Fe(Si)纳米晶的析出,残余非晶基体中的B含量过高,不利于饱和磁化强度的增加。