光纤激光动态辐照实现铁基非晶软磁合金纳米晶化的基础研究

【摘要】：铁基纳米晶软磁合金（Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9）具备高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损、频散特性好等一系列优异特性，广泛应用于电力和电子领域。传统热处理工艺制备铁基纳米晶软磁薄带已经实现了产业化，但传统方式耗时长、能耗大，批量生产的报废率较高。另外，目前已经很难通过传统的炉热工艺进一步提高材料的软磁性能。激光是一种高强度热源，激光功率精确可控，可以实现选区辐照，利用激光的光热作用可以精确控制铁基非晶软磁材料的纳米晶化过程。与CO2激光相比，掺镱光纤激光的波长短，对于金属材料具有更高的吸收率，光纤激光日趋小型化和高度的集成性为实现高效的铁基纳米晶软磁合金的制备提供了可能。 本文主要采用掺镱光纤激光在不同辐照功率、不同辐照时间下，对铁基非晶（Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9）薄带样品（厚20μm，宽3.2mm）和由同种薄带卷制成的环形铁芯样品（内径14mm，外径19mm）进行扫描辐照以实现其纳米晶化。采用XRD、TEM对辐照前后的样品进行对比观察和分析发现，选择适当的辐照条件（辐照功率、辐照时间等），两种扫描辐照的铁基非晶合金样品上均会产生尺寸约为10nm的晶粒，晶粒在非晶基体上是随机地分布的，晶化相主要为体心立方（bcc）结构的α-Fe(Si)相。通过对样品的软磁闭合磁路测试发现，环形铁芯样品的软磁性能有了很大的提高，获得了较小的矫顽场（≤1A/m）和较高的初始磁导率，与传统炉温退火工艺的结果非常接近；对于原始铁基非晶薄带样品在扫描辐照系统下，样品的软磁性能也有了提高，矫顽场变小，受辐照时间限制初始磁导率变化较小。实验证明掺镱激光辐照是制备铁基纳米晶合金的一种非常有效的方法，光纤激光实现铁基非晶的纳米晶化可以避免传统工艺的弊端，但激光光束均匀性和一定的辐照时间对样品的软磁性能影响很大。