摘要
发展高效节能电机是实现“双碳”战略的关键，其核心是开发高饱和磁感应强度(Bs)和低矫顽力(Hc)的磁芯材料。铁基纳米晶软磁材料是目前综合磁性能最优的金属软磁材料。如今 FeSiBNbCu(Finemet)纳米晶材料已被应用于变压器滤波电感、电力变压器、电机等器件。然而其 Bs仅为 1.24 T，难以满足器件小型化和高功率的需求。最近报道的 FeSiBPCu(Nanomet)纳米晶材料虽具有较高的 Bs，但其相对较低的非晶形成能力和严苛的退火工艺，不适于规模化生产。为此，本文选取FeSiBPCu纳米晶合金作为研究对象，探究原料纯度对合金磁性能和微观结构的影响。并且通过 Nb和 Ge元素的微掺杂，研究元素掺杂对工业原料(IRMs)制备合金的晶化行为、磁性能、生产工艺性、微观结构等的影响。主要工作和结论概括如下： 本工作第一部分设计了 Fe82.3Si4B9P4Cu0.7(0Nb)和 Fe82.3Si4B9P3Cu0.7Nb1(1Nb)合金。通过单辊快淬法分别成功制备了厚度在 22-24 μm的 IRMs条带和高纯原料(PRMs)条带。系统研究了工业原料和Nb微掺杂对合金热稳定性、晶化行为、磁性能和磁结构的影响。结果表明利用IRMs制备条带会略微增加其热稳定性，但是会恶化非晶形成能力且降低其Bs。原料纯度相同的条件下，1 at.% Nb微掺杂虽然同样会降低条带的Bs，但是可以拓宽其近 30℃的热处理加工区间，即提升了合金的生产工艺性。经过最佳条件(温度、时间)热处理后，Hc达到最低值时，所有条带的 Bs仍能达到 1.71 T 以上。此外，与PRMs制备条带相比，降低原料纯度会提高0Nb条带的Hc，而对1Nb条带的Hc影响不大。这些结果是由于 IRMs制备的 0Nb条带主要形成粗 α-Fe晶粒和窄磁畴，而 IRMs制备的 1Nb条带主要形成细 α-Fe晶粒和宽磁畴。值得一提的是，IRMs制备的 1Nb条带虽然有 0.4 μm 厚的表面晶化层，但仍具有优异的软磁性能(Bs为 1.71 T，Hc为 5.5 A/m)，且热处理温度区间达到 153℃，是一种潜在的适用于工业化生产的电机铁芯材料。 第二部分工作针对 IRMs和 Nb掺杂会降低 FeSiBPCu合金 Bs的问题，通过 Ge微掺杂提升合金的 Bs。通过单辊快淬法制备 Fe82.3Si4B9P4Cu0.7，Fe82.3Si4B9P3Cu0.7Ge1和Fe82.3Si4B9P2Cu0.7Ge2IRMs条带。系统研究Ge掺杂对IRMs制备合金热稳定性、磁性能、微观结构和磁结构的影响。结果表明，1 at.% Ge 元素的掺杂虽然降低条带的非晶形成能力，但是能够拓宽其热处理加工区间并且改善其软磁性能。其中热处理温度区间达到142℃，Bs由1.72 T提升至1.77 T，Hc从9.7 A/m优化到了5.6 A/m。然而2 at.%Ge的掺杂会使晶粒粗大且不均匀，恶化条带的 Hc。此外，研究发现表面晶化层是由单一的α-Fe相构成的，其存在并不影响退火后条带剩余非晶基底中α-Fe细小晶粒的析出，也不增加条带自由面的磁各向异性。最后从晶化行为和元素分布的角度解释了IRMs制备合金具有优异软磁性能和出现表面枝晶的原因，为未来高Bs低Hc纳米晶合金的工业化发展提供了良好的参考。
NETL