Fe-Y-B基块体非晶合金的制备、性能与结构

论文摘要

由于具有低廉的价格、高机械性能、优异软磁性能和强耐腐蚀性能,Fe基非晶合金备受人们关注。然而,压缩断裂时粉碎性的破坏方式以及铁磁性非晶合金较低的玻璃形成能力,限制了Fe基非晶合金的工业应用。因此,开发兼备优异玻璃形成能力和优良软磁性能的Fe基非晶合金体系具有十分重要的意义。本文在Fe72Y6822三元非晶合金的基础上,开发了Fe-M-Y-B（M=Si、Ti、zr、Cr、Al、Co、Ni、w、Mo、Nb）四元块体非晶合金体系。通过微量添加4at.%的Me（Me=W、Mo、Nb）替代Fe,将非晶临界尺寸从2mm提高到4mm或5mm。进一步分析表明:W、Mo和Nb的添加,优化了合金体系内组成元素的原子半径分布,可能形成强化的骨架结构,提高过冷液相的稳定性,从而导致了玻璃形成能力的增强。新开发的Fe-Me-Y-B（Me=W、Mo、Nb）四元铁基块体非晶合金,同时具备了优异的力学性能和良好的软磁性能。比如:Fe68W4Y6B22非晶合金的断裂强度达到4011MPa,矫顽力为1.6A/m,饱和磁感应强度为0.77T。其次,在Fe68Mo4Y6B22合金成分的基础上,开发了Fe-Mo-Y-B-M（M=Co、Ni、Ti、zr、Er、Dy、Cr）五元块体非晶合金体系。实验表明:Co、Ni、Ti、Zr、Er和Dy等元素的添加在不同程度上都降低了合金的玻璃形成能力,而微量添加1at.%Cr取代Y,可适当提高合金的玻璃形成能力,通过铜模铸造法成功制备出直径6mm、成分为Fe68Mo4Y5Cr1B22的完全非晶棒。同时,微量Cr的添加也提高了非晶合金在3%NaCl和0.5MNa2SO4溶液中的耐腐蚀性能。此外,结合差示扫描量热分析（DSC）和扩展X射线吸收精细结构（ExtendedX-ray absorption fine structure）分析,仔细阐明了Fe-Mo-Y-B非晶合金奇异玻璃转变行为的微观机理。金属元素（Mo、Y和Fe）和类金属元素（B）之间强烈的相互作用,以及Mo和Y之间存在的相斥作用,共同导致了化学短程有序结构的形成。过冷液相区内的奇异拐点可能是正常玻璃转变的吸热反应与化学短程有序结构进一步演化的放热反应叠加的结果。利用EXAFS拟合技术,从原子结构的角度探讨了Y微量添加对玻璃形成能力的影响。结果表明:在Fe-Y-B三元合金中,大原子半径元素Y倾向于进入复杂晶体相Fe23B6中的8c位置,抑制了Fe3B等简单晶相的析出。当Y含量接近Fe23B6相中所能提供8c位的最大值时,过多的内应力和晶格畸变导致了Fe23B6竞争晶体相失稳,增加了凝固过程中过冷液相的稳定性,最终促进了非晶相的形成。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 非晶合金的发展历史
• 1.1.1 非晶合金的形成
• 1.1.2 Inoue经验原则
• 1.1.3 非晶合金的玻璃形成能力判据
• 1.1.4 非晶合金的结构模型
• 1.2 Fe基非晶合金的研究进展
• 1.2.1 Fe基非晶软磁材料
• 1.2.2 Fe基非晶硬磁材料
• 1.2.3 Fe基非晶钢
• 1.2.4 合金化对玻璃形成能力的影响
• 1.2.5 Fe基非晶合金的性能与应用
• 1.3 非晶合金的制备工艺和测试手段
• 1.3.1 制备工艺
• 1.3.2 测试手段
• 1.4 本论文的立题依据和主要内容
• 2 Fe-M-Y-B四元块体非晶合金的制备及性能
• 2.1 实验
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 Fe-Y-B-Si系合金
• 2.2.2 Fe-Al-Y-B系合金
• 2.2.3 Fe-Zr-Y-B系合金
• 2.2.4 Fe-Ti-Y-B系合金
• 2.2.5 Fe-Cr-Y-B系合金
• 2.2.6 Fe-Co-Y-B系合金
• 2.2.7 Fe-Ni-Y-B系合金
• 2.2.8 Fe-W-Y-B系合金
• 2.2.9 Fe-Mo-Y-B系合金
• 2.2.10 Fe-Nb-Y-B系合金
• 2.2.11 分析和讨论
• 2.3 本章小结
• 3 Fe-Mo-Y-B-M五元块体非晶合金的制备和腐蚀
• 3.1 实验
• 3.2 Fe-Mo-Y-B-M块体非晶合金的制备
• 3.2.1 Fe-Mo-Y-B-Co体系
• 3.2.2 Fe-Mo-Y-B-Ni体系
• 3.2.3 Fe-Mo-Y-B-Zr体系
• 3.2.4 Fe-Mo-Y-B-Ti体系
• 3.2.5 Fe-Mo-Y-B-Er体系
• 3.2.6 Fe-Mo-Y-B-Dy体系
• 3.2.7 Fe-Mo-Y-B-Cr体系
• 3.3 Fe-Y-B基非晶合金的腐蚀
• 3.3.1 Fe-Y-B三元和Fe-Mo-Y-B四元非晶合金的腐蚀
• 3.3.2 Fe-Mo-Y-B-Cr五元非晶合金的腐蚀
• 3.4 本章小结
• 4 Fe-Mo-Y-B块体非晶合金奇异玻璃转变行为研究
• 4.1 实验
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 DSC和XRD结果
• 4.2.2 EXAFS结果
• 4.2.3 分析和讨论
• 4.3 本章小结
• 5 Fe-Y-B非晶合金的结构分析
• 5.1 实验
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 Fe-B和Fe-Y-B非晶合金的玻璃形成能力
• 5.2.2 Fe-B和Fe-Y-B非晶合金的竞争晶体相
• 78B₂,非晶合金Fe边EXFAS拟合'>5.2.3 Fe₇₈B₂,非晶合金Fe边EXFAS拟合
• 72Y₆B₂₂非晶合金Fe边EXFAS拟合'>5.2.4 Fe₇₂Y₆B₂₂非晶合金Fe边EXFAS拟合
• 72Y₆B₂₂非晶合金Y边EXFAS拟合'>5.2.5 Fe₇₂Y₆B₂₂非晶合金Y边EXFAS拟合
• 5.2.6 Y对合金玻璃形成能力的影响
• 5.3 本章小结
• 6 总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间发表的论文