工业纯原料制备的铁基金属玻璃及其性能研究

摘要

非晶态合金，亦称金属玻璃，具有长程无序、短程有序的原子结构特点，表现出优异的物理性能和化学性能。其中，电磁特性优异的铁基非晶合金，作为铁芯材料已广泛应用于电子元器件及电力设备变压器的生产和制造。铁基非晶合金制造成本低廉、应用过程能耗极低，是一种极具开发价值与应用前景的绿色节能材料。但是，经过几十年的科研探索，铁基非晶合金的玻璃形成形成能力仍然较低，非晶合金的最大尺寸只有十几毫米，而性能优异并能在实现生产中广泛应用的铁基非晶合金商业产品几乎全部为薄带状，且厚度仅限几十微米。因此，打破铁基非晶合金玻璃形成能力较低与产品形貌单一的瓶颈，探索并开发出成本低廉、玻璃形成能力较高和性能优异的铁基非晶合金，对于理解非晶合金的形成机理，加速铁基非晶合金产品的商品化和拓宽其应用领域具有重要意义。本文通过合理的成分设计，使用了大量廉价工业纯原料，通过廉价海绵钛的使用取代了(Fe71.2B24Y4.8)96Nb4初始合金中贵重金属Nb元素，成功开发出成分为(Fe71.2B24Y4.8)96Nb4-xTix(x=0，1，2，3，4)的新型铁基金属玻璃体系，在降低初始合金制备成本的同时明显提高了合金的玻璃形成能力。通过分析研究得到以下结论:
　　成分为(Fe71.2B24Y4.8)96Nb4-xTix(x=0，1，2，3，4)的铁基非晶合金热力学性能分析表明，Ti元素的添加可以明显提高体系的玻璃形成能力。当Ti元素含量从从0 at.％增加到4 at.％时，完全非晶态样品的玻璃化转变温度Tg，晶化温度Tx均呈现出先上升后下降的趋势，且当Ti元素含量x=2 at.％时，名义成分为(Fe71.2B24Y4.8)96Nb2Ti2的合金表现出最大玻璃形成能力，成功制备出最大直径为6mm的完全非晶态圆柱状铸态样品，同时具有体系中最大的过冷液相区宽度△Tx=103K，最大的约化玻璃化转变温度Trg=0.608以及最大的参数γ=0.423。
　　随着该合金体系中Ti元素含量的不断增加，合金的完全非晶态样品的饱和磁化强度Ms整体呈现下降趋势，样品的矫顽力Hc受到外界因素影响较多而变化更为复杂。实验数据表明，该体系非晶态合金的饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc与合金的玻璃形成能力GFA之间并无直接联系。同时我们发现，使用不同工艺制备的名义成分为(Fe71.2B24Y4.8)96Nb2Ti2的铁基非晶薄带（冷却速率高）和块体金属玻璃（冷却速率低），受冷却速率影响合金内部形成了不同的磁畴结构，薄带状非晶合金的饱和磁化强度较块体略大且矫顽力大幅降低，表现出更为优异的软磁性能。另外，压缩力学性能测发现，Fe-B-Y-Nb-Ti五元金属玻璃体系表现出较高的压缩断裂强度σf≥3000MPa，且(Fe71.2B24Y4.8)96Nb2Ti2金属玻璃压缩断裂强度达3400MPa，显微硬度值Hv0.1=1208。上述结果表明，本文开发出的新型铁基块体金属玻璃成本低廉、物理性能优异，具有很好的商业应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 金属玻璃的发展历史和现状

1．2 金属玻璃的形成机理及制备方法

1．2．1 金属玻璃的形成机理

1．2．2 金属玻璃的制备方法

1．3 金属玻璃形成能力的描述及影响因素

1．3．1 金属玻璃金属玻璃形成能力(GFA)的描述

1．3．2 影响金属玻璃形成能力的因素

1．4 金属玻璃的结构及性能研究

1．4．1 金属玻璃的结构研究

1．4．2 金属玻璃的性能分析

1．5 铁基金属玻璃的研究及应用现状

1．6 本文的研究内容及意义

1．6．1 本文的研究内容

1．6．2 本文的研究意义

第二章 实验原理及方法

2．1 实验概况

2．2 金属玻璃的制备及分析测试方法

2．2．1 金属玻璃的制备

2．2．2 合金的结构分析

2．2．3 金属玻璃热力学性能测试

2．2．4 金属玻璃磁学性能测试

2．2．5 金属玻璃力学性能测试

第三章 Ti元素添加对合金玻璃形成能力的影响

3．1 引言

3．2 元素添加对非晶合金玻璃形成能力的影响

3．3 Ti元素的选择与合金的成分设计

3．4 Ti元素添加对Fe-B-Y-Nb四元合金系玻璃形成能力的影响

3．5 本章小结

第四章 Ti元素添加对合金热力学性能的影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 Ti元素添加对合金磁学性能的影响

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

第六章 Ti元素添加对合金力学性能的影响

6．1 引言

6．2 实验过程

6．3 实验结果与分析

6．4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 本文的主要实验内容

7．2 本文的主要实验结果和结论

7．3 本文的创新点

7．4 存在的问题和展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况