高性能软磁铁基非晶合金成分、结构与性能相关性研究

In light of the domestic requirement of Fe-based soft-magnetic metallic glasses with high performance and high glass-forming ability, we plan to investigate the influence of the composition adjustment of the developed Fe-(P, Si)-(C, B)-based bulk metallic glasses on glass formation, thermal properties, mechanical properties, soft-magnetic properties and corrosion behaviors. Moreover, the cluster structure of the Fe-based metallic glasses with different composition will be simulated by the first principles molecular dynamics. The database of the relationship among alloy composition, atomic structure, and properties will be provided. A family of novel Fe-based metallic glasses with high saturation magnetization up to 1.6 T, high glass-forming ability, low cost and flexibility will be developed.

面向国家对高性能、大尺寸软磁铁基非晶合金材料的重要需求，基于申请人前期研制的Fe-(P, Si)-(C, B)系块体非晶合金，系统研究成分调控对该类合金的非晶形成能力、热学性能、弛豫脆性、软磁性能和腐蚀性能的影响，采用计算模拟技术研究铁基非晶合金的团簇结构特征，建立软磁铁基非晶合金材料成分、结构与性能的数据库，揭示成分变化引起的合金特征团簇结构转变与性能的关联性。并指导研制具有自主知识产权的高饱和磁化强度（1.6T以上）、高非晶形成能力、低成本和弛豫脆性可控的软磁铁基非晶合金材料。

本项目在Fe-C-P-B系非晶合金的基础上，系统研究了成分调控对该类合金的非晶形成能力、热学性能、软磁性能和弯曲韧性的影响，开发了具有优异软磁性能和良好弯曲韧性的Fe基非晶合金。首先，开发了具有高Fe含量、高饱和磁化强度和热处理后具有良好弯曲韧性的Fe-C-P-B非晶合金体系。该体系中能形成非晶结构的合金成分最高Fe含量为87 at.%。Fe-C-P-B非晶合金具有优异的软磁性能，其饱和磁化强度为1.55-1.67 T，矫顽力为5.6-15.3 A/m。在0.88Tx温度热处理时，Fe-C-P-B非晶合金仍能保持良好的弯曲韧性。其次，相似元素Co替代Fe元素后，Fe基非晶合金的饱和磁化强度明显提高，Fe75Co10B11P2C2的饱和磁化强度达到1.79 T，这是因为Co元素和Fe元素强的铁磁耦合作用。然而Co元素的添加，提高了合金的居里温度，导致合金薄带的残余应力在低于初始晶化温度时不能有效去除，导致合金的矫顽力升高。由于Fe75Co10B11P2C2非晶合金热处理后具有良好的弯曲韧性，对其薄带施加25 MPa的拉应力，合金的矫顽力从12.8 A/m降低到5.0 A/m。进一步提高Fe-Co-P-B非晶合金中FeCo的含量，其饱和磁化强度达到1.84 T。通过成分和应力的调控为制备具有优异软磁性能和良好弯曲韧性的Fe-Co基非晶合金提供重要的思路。最后，通过成分调控发现，Fe96-xPxC2B2 (x = 11, 14, 17, 20)系非晶合金随着Fe含量的降低，合金发生了由韧向脆转变的现象。结合实验与模拟结果，揭示了Fe-P-C-B非晶合金韧脆转变的机理。