Co-Fe-Ni-Al-(Mn,Si)软磁高熵合金的成分设计与组织性能研究

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高熵合金作为近年来受到广泛关注的一种新型合金,在诸多研究领域中都展现出了超越传统合金的潜力,并且在磁性能方面也显露出极大的研究价值。在软磁材料不断开发应用的过程中,传统的软磁材料显示出很多弊病,而部分高熵合金同时具备多种优异的软磁性能,如较高的饱和磁感应强度(Bs)、低矫顽力(Hc)以及与传统合金相比较高的电阻率(ρ)等。目前在交流领域应用最广泛的材料是硅钢,高熵合金通常具有高于硅钢的电阻率。但目前为止,已有研究中的高熵合金相较于硅钢矫顽力仍然偏高,其大部分研究对象的矫顽力都超过了100 A/m。并且,只有很少的研究对高熵合金的交流磁性有所涉及。本文的研究目的是设计同时具有高Bs、低Hc、高ρ以及良好加工性能的软磁高熵合金,并对其能量损耗机制进行分析。本文以Co40Fe30Ni30为基体成分,在此基础上加入Al、Mn、Si元素设计了两种不同体系的高熵合金:(Co0.4Fe0.3Ni0.3)100-x(Al0.4Si0.6)x(x=0~20)与(Co0.4Fe0.3Ni0.3)100-x(Al0.4Mn0.6)x(x=0~10)。采用真空电弧熔炼的方法制备软磁高熵合金,在优化其直流磁性能、力学性能的基础上,对优化后的合金进行热处理以及交流磁性分析。两个体系都具有良好的软磁性能,但(Co0.4Fe0.3Ni0.3)100-x(Al0.4Si0.6)x合金随着x的增大加工性能变得很差,而(Co0.4Fe0.3Ni0.3)100-x(Al0.4Mn0.6)x合金始终保持了良好的加工性能且软磁性能更优。(Co0.4Fe0.3Ni0.3)90(Al0.4Mn0.6)10合金的Bs为1.20 Tesla,Hc为36.3 A/m,ρ为73.0μΩ·cm,并且具有52.2%的延伸率。通过(Co0.4Fe0.3Ni0.3)90(Al0.4Mn0.6)10合金的交流磁性能测试分析研究磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗对总功率损耗的影响,发现在Bm=0.8 Tesla的情况下,频率高于55 Hz时,该合金的总功率损耗低于硅钢,这是由于同样条件下该合金的涡流损耗要小于硅钢的涡流损耗。(Co0.4Fe0.3Ni0.3)95(Al0.4Mn0.6)5合金的Bs为1.44 Tesla,Hc为44.8 A/m。将(Co0.4Fe0.3Ni0.3)95(Al0.4Mn0.6)5合金在900~1200°C的温度下进行退火,由于退火后的合金内部同时存在着元素的分布均匀化、部分元素固溶度增大、合金的晶格畸变程度增大以及内应力释放等多种因素的影响,合金的矫顽力呈现出先上升后下降的趋势。1200°C退火的样品Bs为1.51 Tesla,Hc为40.6 A/m,性能优于未退火样品。
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