铝掺杂铁基纳米晶合金的软磁性能与晶化机制及腐蚀行为研究

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有关铁基纳米晶软磁合金的研究主要集中于提高材料本身的磁性能,但当铁基纳米晶软磁合金服役于复杂恶劣的环境中时(如富含氯离子的潮湿大气),会面临腐蚀以及由此导致的磁性能恶化等问题。因此需要通过成分设计和热处理工艺调控获得兼具优良软磁性能与耐蚀性能的铁基纳米晶合金。但鲜有关于铝(Al)掺杂对铁基纳米晶合金的磁性能和腐蚀性能影响的研究。本文通过Al元素掺杂及热处理工艺对Fe75.8Si12B8Nb2.6Cu0.6P1(Al0)合金的软磁性能及耐蚀性能进行调控,一方面揭示了Al元素掺杂影响合金与影响该系列合金软磁性能与热处理工艺稳定性的内在原因;另一方面探究了热处理温度与Al元素含量对该系列合金在3.5 wt.%Na Cl溶液中的耐蚀性能的影响,并建立了相关腐蚀机制模型。主要结果如下:(1)Al元素掺杂优化了Fe Si BNb Cu PAl合金的软磁性能与热处理工艺稳定性。Al元素掺杂从0 at.%到6 at.%,合金热处理温度区间ΔT从172 K拓宽到205 K,纳米晶合金的1 k Hz磁导率(μe)从27000增加到了30000,矫顽力(Hc)从0.78 A/m降至0.35 A/m。这是因为Al掺杂合金晶化后形成了高密度细小均匀纳米晶粒,且Al、Si元素一同固溶在α-Fe中形成了α-Fe(Si,Al)相,降低了晶粒的磁各向异性,从而优化了合金的软磁性能。此外,Al0合金在843 K进行1 h热处理后,Hc约27 A/m,μe降至10000以下;Al6合金在843 K进行2 h热处理后,Hc仍保持在1 A/m以下,而μe仍高达25000。这是因为Al元素掺杂有效抑制了Fe2B和Fe23B6等硬磁相的析出,从而合金表现出高的热处理工艺稳定性。(2)适当的热处理工艺和Al元素含量使Fe Si BNb Cu PAl纳米晶合金兼具有优异的软磁性能和耐腐蚀性能。Al0合金耐蚀性能对热处理温度敏感,在903 K热处理30 min后,Fe、Si、Nb元素在合金中形成富集,因此在腐蚀过程中Si和Nb氧化物协同作用形成致密的难溶保护层,提高了合金耐蚀性。掺杂Al元素之后,该纳米晶合金出现Al元素富集,在腐蚀过程中接触到腐蚀介质后优先在合金表面反应形成Al2O3氧化膜,阻碍了电荷转移和固液界面的离子交换,进而保护其他元素不进一步发生腐蚀,提高了合金的耐腐蚀性。
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