软磁性Co基Co-Fe-B-P-C块体非晶合金的制备及其性能研究

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Co基非晶合金在高频应用条件下具有低矫顽力、低铁损以及高磁导率等优异的软磁性能,极大满足了现代电力电子器件向节能化及高频化方向发展的需求,因而受到了人们极大关注。但是,Co基非晶合金因其相对较低的非晶形成能力(GFA),无法满足一些对形状及尺寸有要求的软磁材料,限制了其使用范围。利用块体非晶(BMGs)在过冷液相区(ΔTx)的粘性流动特性,不仅可以通过热压或放电等离子体烧结等工艺突破尺寸限制,还可以通过超塑性加工技术批量加工高性能元器件。目前满足超塑性加工技术具备大ΔTx和高GFA的Co基BMGs存在着因大量添加前过渡金属及稀土元素造成的饱和磁感应强度(Bs)较低的问题,较低的Bs不利于元器件小型化发展,所以开发出具有大ΔTx、高GFA以及高Bs的Co基BMGs十分重要。为了开发出具备上述性能的Co基BMGs,本文采用合金化的方法,以软磁性能优异的Co75B10P7.5C7.5合金为基础成分,加入强磁性元素Fe,增大合金Bs的同时提升合金的ΔTx和GFA,并通过调整类金属元素含量优化成分,成功制备出兼具大ΔTx和高Bs的Co基块体非晶合金。在此基础上微量添加Mo元素,进一步扩大合金的GFA及ΔTx。本文探究了合金元素含量对Co-B-P-C系非晶合金热稳定性、GFA、磁性能及力学性能的影响,同时讨论了该系非晶合金过冷液体稳定性及GFA提升机理。研究结果如下:(1)用Fe置换Co75B10P7.5C7.5非晶合金中的Co有效提高了其过冷液体稳定性和GFA。在Co75-xFexB10P7.5C7.5(x=0-35)合金中,x=10时出现明显的玻璃转变现象,并随着x的增加合金的ΔTx增大至47 K。x≥20时合金皆可制备出非晶棒材,并在x≥30时合金的GFA最大,临界直径(dc)可以达到1.2 mm。(2)通过调查合金升温时的晶化行为,添加Fe改变了Co75-xFexB10P7.5C7.5(x=0-35)非晶合金的晶化行为,x=0时合金的初始晶化相为fcc-Co相,随着Fe含量的增加,初始晶化相逐步变为B2CCo11相和Fe23(B,C)6+Co Fe+Fe3B混合相,初始晶化相的复杂化有利于提高合金的过冷液体稳定性。(3)Co75-xFexB10P7.5C7.5(x=20-35)系BMGs具有优良的软磁性能,其Bs和Hc分别在1.04-1.21 T和2.9-7.2A/m之间。该系合金还展现了良好的力学性能,压缩屈服强度(σy)和塑性应变(εp)分别在3243-3665MPa和0.1%-2.1%之间。此外ΔTx超过40 K的非晶合金最低粘度可达3×10~9 Pa·s,其具有的低粘度、大ΔTx和S值(=ΔTx/(Tl-Tg))表明该合金具有较好的超塑性加工潜力。(4)对于Co45Fe30(B,P,C)25系非晶合金,在B含量为5%-10%、P含量为7.5%-10%、C含量为7.5%-10%的成分区内可以制备出块体非晶,且ΔTx都超过了40 K。该系非晶合金的ΔTx、Trg、γ值与dc随成分的变化趋势有着较好的对应性,即GFA较大的非晶合金拥有更好的热稳定性。(5)在Co45-xFe30B10P7.5C7.5Mox(x=0-6)系非晶合金中,Mo添加改善合金过冷液体稳定性的同时也提高了合金的GFA,x=4合金的ΔTx和dc分别达到了63 K和2.0mm。与此同时,随Mo含量的增加,合金的σy和Hv逐渐增大,Bs、Hc和εp逐渐降低,其中,Co41Fe30B10P7.5C7.5Mo4合金Bs、Hc、σy、εp和Hv分别为0.91 T、1.7 A/m、3769MPa、1.3%和795。
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