重稀土元素对FeRENbB块体非晶合金性能的影响研究

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铁基块体非晶合金作为一元素多样化的合金家族,其成分可调范围广、磁相变温度区间跨度大以及制造成本低,具有作为室温磁制冷工质的潜力。另一方面,铁基非晶合金的长程无序结构可以突破微成型加工中晶粒尺寸效应的限制,有望成为更理想的微成型磁性材料。然而,由于大部分铁基块体非晶合金的形成能力有限、过冷液相区间窄,所以目前较难实现其作为近室温磁工质的应用和过冷液相区间的热塑性加工。为了开发具有高非晶形成能力和宽过冷液相区间的铁基块体非晶合金,我们采用合金化法在Fe Nb B合金中添加了微量重稀土元素,并利差式扫描量热仪、X射线光电子能谱仪、振动样品磁强计和万能试验机等多种实验测试手段对FeRENbB合金系的非晶形成能力、热稳定性、磁学性能、力学性能及电子结构等进行了表征。本文详细地研究和分析了重稀土元素的含量与种类对该合金系的性能和结构的影响,开发出了具有一定的热塑性成型能力和近室温磁热特性的铁基块体非晶合金。首先,我们研究了重稀土Ho元素的添加对Fe71-xHoxNb6B23(x=0-6 at.%)非晶合金的非晶形成能力、过冷液相区间的热稳定性、热塑性成型能力、磁学性能以及力学性能的影响。随着Ho元素的含量从1增加到5个原子百分比,过冷液相区间从48 K增大到了90 K,同时淬态合金中保留了高能的局域短/中程序结构,极大地增强了合金的热稳定性。由于结构复杂的Fe23B6和Ho2Fe14B2相之间的竞争关系,该合金系的非晶形成能力得到了明显提升,从而制备出了临界直径为3 mm的非晶合金棒材。由于Fe66Ho5Nb6B23合金具有大的非晶形成能力和宽的过冷液相区间,所以该合金表现出了优异的热塑性成型能力。除此之外,Fe66Ho5Nb6B23还具有3.45 GPa的压缩强度和良好的软磁性能。其次,我们研究了重稀土Er元素的添加对Fe71-xErxNb6B23(x=0,1,3,5,7 at.%)非晶合金综合性能的影响,包括热学特性、力学性能,磁和磁热性能。结果发现,添加5个原子百分比的Fe66Er5Nb6B23块体非晶合金的过冷液相间同样增大到了90 K,临界尺寸增大到4 mm。通过控制Er元素含量可以有效地调节合金系的居里相变点,使TC从550 K降到340 K。在外磁场为1.5 T下,该合金系的磁熵变∣△SMpk∣和制冷能力RC分别为0.74-1.41 J/kg K和56-112 J/kg。另外,该合金系还展现了高的饱和磁通密度(0.43-1.09 T),高的压缩断裂强度(3.09-4.65 GPa)以及硬度(1030-1090 kg/mm2)。综合以上考虑,该合金系有望成为在340-550 K温度下工作的磁制冷材料。最后,为了研究不同稀土元素种类对FeRENbB合金系的非晶形成能力的影响,在成分设计中采用5个原子百分的稀土元素替代FeRENbB中的铁原子,选取的重稀土元素分别为Dy、Ho、Er和Tm。与Fe66RE5Nb6B23(RE=Dy,Ho)相比,Fe66RE5Nb6B23(RE=Er,Tm)除了有相同Fe23B6与Ho2Fe14B2相,还有额外的Fe3B相析出,多相竞争更有利于提高过冷液体稳定性,从而使非晶形成能力得到提升。另外,由于Fe66Tm5Nb6B23合金在费米能级附近的能态密度最低,所以在四个合金成分中表现出最大的非晶形成能力。本文还研究了重稀土元素对Fe66RE5Nb6B23合金系的磁学、力学行为的影响。随着稀土原子序数的增加,合金系的过冷液相区间的流变能力和饱和磁通密度均明显增强,所以Fe66Tm5Nb6B23有望成为潜在的可热塑性加工的优良磁性材料。
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