摘要
随着电子电力行业的不断发展，小型化、集成化与高效化的发展趋势对材料的软磁性能提出了更高要求。传统软磁材料如硅钢与铁氧体等，无法兼具高频低损耗与高饱和磁感。非晶软磁材料作为近年来新兴的金属材料，凭借高电阻率、低矫顽力与高饱和磁感等优秀的综合软磁性能而成为制备新一代电子元件的理想选择。 近年来，粉末冶金工业发展迅速，金属粉末产量逐年提高，雾化法具备成本低、合金成分自由度高、冷却速率快、生产规模大与粉末综合性能优秀等优势，是制备微细非晶粉末的理想工艺之一。然而，我国目前高端制粉雾化工艺尚未成熟，微细非晶软磁粉末等高端粉末产品至今仍依赖进口，与日韩之间仍存在差距。因此，非晶软磁粉末高效制备技术的研发对于攻克我国高性能非晶软磁粉芯制备难题与提高我国关键基础零部件的国际竞争力具有重要意义。 鉴于此，本文以理论计算、数值模拟和相关工业试验为主要研究方法，针对高性能Fe基非晶磁粉制备工艺及其应用研究中存在的关键问题，包括Fe基非晶体系的晶化反应热/动力学问题、雾化生产顺行与效率调控、一次与二次雾化破碎机理、颗粒冷却问题及粉末材料性能调控等进行了详细研究，以期为大规模制备微细非晶软磁粉末与攻克我国高性能磁粉芯技术提供理论与实践依据。 首先，搭建了气水联合雾化预实验试验机，即使用搅拌桨搅动的旋转水流冷却气雾化后的金属液滴，以为颗粒冷却提供充分的热力学条件。在不同工况下制备的原粉中筛选出完全非晶态的FeSiBCCr微细磁粉，进而基于差示扫描量热和X射线衍射对非晶粉末的晶化热/动力学行为进行研究。结果表明，该非晶成分中的高Si含量和晶化初期的共晶反应导致了有序的Fe-Si相A2(α-Fe(Si))、B2(FeSi)和D03(Fe3Si)之间的结构转变，从而在DSC曲线上产生了三个晶化放热峰。此非晶材料的晶化过程如下:(a)Amorphous;(b)Amorphous+Fe3B+α-Fe(Si)+Fe3Si+Fe5Si3+FeSi;(c)Amorphous+Fe3B+Fe2B+α-Fe(Si)+Fe3Si+Fe5Si3+FeSi;(d)Fe2B+α-Fe(Si)+Fe3Si+Fe5Si3+FeSi;(e)Fe2B+α-Fe(Si)+Fe3Si+Fe5Si3。此外，非晶粉末的过冷液相区宽度为52K，玻璃化转变激活能为396.73kJ·mol-1，第一晶化峰激活能为292.64kJ·mol-1，脆性值为27，具备优秀的非晶形成能力与热稳定性，适于作为本研究中气水联合雾化工艺开发阶段预生产的主要成分。 然后，基于计算流体力学方法探究了雾化工艺参数对Laval喷嘴雾化能力的影响规律，探讨了新型补气喷嘴对气水联合雾化的改善作用。为了剖析雾化过程液滴与颗粒形状间的相关性，使用VOF(Volumeoffluid)模型与动态自适应网格模拟一次雾化过程。之后，基于一次雾化计算结果，使用DPM(Discretephasemodel)模型计算二次雾化过程，进而实现了雾化全过程耦合模拟。研究表明，增加雾化压力可有效提升气流速度，但会使导液管出口具备过大的抽吸压力，较优的雾化压力为2.0MPa。1.0MPa以下的过低雾化压力会导致液滴的逆流行为，而3.0MPa以上的过高雾化压力则导致大量缺陷粉的产生。对于本研究中分析的雾化工艺，发现气液比(Gastomeltratio，GMR)≥4.4即发生易导致堵钢的液膜破碎，GMR≤4.3即发生“微型喷泉”破碎，这表明GMR可作为工业生产中预测一次雾化破碎模式的简易标准。二次雾化结果表明，颗粒d50随GMR的增加而降低;粒径分布标准差d84/d50随金属液质量流速的降低而降低，且在雾化压力为2.0MPa时达到最小值;颗粒平均冷却速率随雾化压力的增加与金属液质量流速的降低而增加。应用200m-s-1入口速度的补气雾化工艺后，辅助气流加速作用使破碎与凝固区域的液滴速度可整体提高40m·s-1，最大冷却速率可提高20％以上，有利于提高微细非晶粉末的收得率。气体加热技术可有效提高颗粒冷却速率并细化粉末粒径，但须与雾化工艺相匹配，气体温度设置不当反而会恶化粉末球形度。 基于上述预试验结果和模拟分析规律，搭建了气水联合雾化平台，通过研究单一工艺条件变量对于雾化效率的调控机制，确定不同工艺参数对粉末粒径、球形度及非晶度的影响规律，进而建立各工艺参数与粉末软磁性能之间的相关性。研究表明，采用2mm导液管、浇注温度1673K、冷却器倾角5°、雾化压力2MPa与10°补气的优化工艺可制备d50=25～30μm的FeSiBCCr系列球形非晶粉，其球形度、饱和磁化强度和矫顽力等性能指标已可与国外同牌号粉末持平，表明本研究所开发的气水联合雾化工业成功实现了非晶微细磁粉制备技术的国产化并突破了国外技术垄断。 最后，以气水联合雾化所制备的FeSiBCCr非晶粉末为原料，分别对FeSiBCCr非晶磁粉芯制备工艺优化、FeSiBCCr/羰基铁粉复合磁粉芯制备和放电等离子烧结(Sparkplasmasintering，SPS)制备块体非晶/纳米晶进行了研究。研究表明，过量磷酸尽管可改善磁粉芯的直流偏置性能，但其磁导率、密度与铁损均恶化;增加压制压力可改善磁粉芯致密度，但过高压力会恶化磁粉芯的磁导率与损耗特性;在晶化温度以下增加退火温度，尽管直流偏置特性有所降低，但磁导率与损耗均因内部缺陷的减少而明显改善。同时，加入适量羰基铁粉可填充非晶粉末间气隙并改善其可压性，进而显著提高磁粉芯综合性能;但过量羰基铁的加入会在磁粉芯中引入大量微型气隙与晶体缺陷，反而恶化磁粉芯性能。此外，通过SPS技术在773K以上烧结可成功制备块体非晶/纳米晶材料，样品致密度随着温度的升高而增加，样品的非晶度随着SPS温度的升高而降低。
NETL