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在当前环境保护和节能减排的经济发展形式下,电力电子设备朝着节能化、高效化和小型化方向发展,这需要其中大量使用的软磁材料具有低矫顽力(Hc)、低铁损、高磁导率、高饱和磁感应强度(BS)等性能。铁基纳米晶合金作为新一代软磁材料表现出比传统材料更为优异的综合软磁性能,这源于合金中α-Fe纳米晶粒之间交互耦合作用带来的低平均磁晶各向异性。目前Fe-Si-B-Nb-Cu系纳米晶合金(FINEMET)已作为磁芯材料实现了工业化应用,然而其仅为1.24 T的BS不利于设备的小型化。近年来相继开发的Fe-Si-B-P-Cu、Fe-Si-B-Cu等纳米晶合金系的BS均超过了 1.80T,但较低的非晶形成能力使其难以批量化制备高质量的前驱体;且需采用工况条件下难以实现的高升温速率热处理才可获得细微α-Fe晶粒和优异软磁性能。合金化可有效提高合金的非晶形成能力并能调控非晶合金的结晶化行为,因此其有望在使Fe-(Si,B,P)-Cu系纳米晶合金获得优异软磁性能的同时,改善合金的生产工艺性。目前关于合金元素对Fe-(Si,B,P)-Cu系合金非晶形成能力、结晶化组织和磁性能影响的研究还很不充分,因此有必要对其进行系统研究并揭示相关机理,为发展具有良好工业实用性的高BS纳米晶软磁合金提供理论依据。此外,铁基纳米晶合金还存在严重的退火脆性,这使其在生产和服役过程中易发生脆断而导致器件失效,因此应研究合金元素对Fe-(Si,B,P)-Cu系纳米晶合金退火脆性的影响并探索降低脆性的途径。本文研究了前过渡族(Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)及强磁性元素(Ni、Co)添加和Cu含量对Fe-(Si,B,P)-Cu系合金的非晶形成能力、急冷态结构、热稳定性、结晶化组织、磁性能和退火脆性的影响。通过研究急冷合金结晶化行为揭示了 α-Fe晶粒细化和软磁性能改善的机制,并提出了相应的纳米晶化模型。建立了纳米晶结构与退火脆性的相关性并明确了脆性降低的机理。本文得到的主要结论如下:(1)添加Mo提高了 Fe85Si2B8P4Cu1合金的非晶形成能力和热稳定性,其中2 at.%Mo使非晶形成临界厚度(tc)和第一晶化峰起始温度分别由14μm和659 K升高至20 μm和678 K。添加Mo也可细化纳米晶合金中的α-Fe晶粒并改善软磁性能,其中2 at.%Mo使晶粒平均尺寸(D)和Hc分别由42 nm和105.3 A/m下降至30 nm和37.6 A/m,且BS高于1.70 T。(2)添加微量(2 at.%)前过渡族元素均可提高Fe-(Si,B,P)-Cu系合金的非晶形成能力和热稳定性,并可抑制结晶化过程中α-Fe晶粒的生长,进而细化纳米晶组织并改善软磁性能,同时也维持了合金的高BS,其中原子尺寸较大且与合金中主要组元的化学亲和力较强的Nb、Mo、Hf、Ta和W的效果较为突出。(3)添加强磁性元素Ni和Co改善了 Fe-(Si,B,P)-Cu系合金的非晶形成能力。适量(5 at.%)添加可通过延迟Cu团簇化进程而提高α-Fe相形核质点数密度(Nd),从而有效细化纳米晶合金中α-Fe晶粒,提高软磁性能;过量添加抑制了 Cu原子的团簇化,反而降低了 Nd,导致晶粒粗化和软磁性能降低。添加适量Co可提高合金的BS,添加Ni则使之略有下降。其中,Fe80Ni5Si2B8P4Cu1合金的tc为21μm,结晶化后的D、Hc和BS 分别为 22 nm、14.3 A/m 和 1.77 T。(4)提高Cu含量至1.5 at.%以上可使Fe-(Si,B,P)-Cu系合金的急冷态结构由单一非晶态转变为高Nd的α-Fe纳米颗粒(D=6 nm)分布于非晶基体中的复相组织。在热处理结晶化过程中,这些预存颗粒之间及其与新形成晶核间的竞争生长效应可有效细化α-Fe晶粒而改善软磁性能,在此基础上提出了高Cu含量合金的纳米晶化模型。Fe81.3Si4B13Cu1.7纳米晶合金的D、Hc、有效磁导率(1 kHz)和BS分别为14nm、7.1 A/m、16500 和 1.77 T,优于 Fe81.7Si4B13Cu1 3 合金的 53 nm、379.3 A/m、550 和 1.73 T。(5)添加微量Ti、Zr、Nb、Hf和Ta提高了 Fe81.3Si4B13Cu1.7合金的非晶形成能力,降低了急冷合金中α-Fe纳米颗粒的Nd,弱化其竞争生长效应,导致α-Fe晶粒粗化和软磁性能降低;添加量超过3 at.%使急冷合金成为非晶态,但可有效抑制结晶化过程中α-Fe晶粒的生长,因此细化了纳米晶组织并改善了软磁性能。(6)添加合金元素或提高Cu含量均可通过细化α-Fe晶粒而降低Fe-(Si,B,P)-Cu系纳米晶合金的退火脆性倾向。在Fe85Si2B8P4Cu1合金中添加2 at.%Mo或5 at.%Ni使相对断裂应变(εf)由1.17%分别增加至1.38%和1.50%,在Fe81.7Si4B13Cu1.3合金中将Cu含量提高至1.7 at.%使εf由1.33%升高至1.63%。此外,提高热处理升温速率也可通过细化纳米晶组织而使合金的脆性有所下降。