《Journal of Alloys and Compounds》：Structure origin of the evolution of the soft magnetic properties and bendability for the rapidly-annealed Fe83Si4B10P2Cu1 nanocrystalline alloys
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本研究通过快速退火（520℃）调控Fe??Si?B??P?Cu?合金带微观结构，揭示退火时间（3-30秒）对磁性能（Bs=1.82T, Hc=6.2A/m）和弯曲韧性（εf≈1.04%）的影响规律，建立工艺-结构-性能关系框架，为高Fe含量纳米晶软磁合金工业应用提供理论依据。
余海晨|张光强|彭书杰|孟洋|常春涛|赵成良|王浩
广东东莞工业大学机械工程学院，中国广东东莞523808
摘要
快速退火可以有效提高纳米晶合金的软磁性能并避免断裂。本研究探讨了通过快速退火（520°C，3–30秒）处理的高Fe含量Fe??Si?B??P?Cu?非晶/纳米晶带材的微观结构与性能之间的关系。通过多尺度表征和断裂分析，识别出三个不同的结晶阶段：在松弛主导阶段（≤3秒），Fe??Si?B??P?Cu?带材保持非晶结构，但由于自由体积的消失，断裂应变（ε_f）降低了90%以上；在临界成核阶段（5秒），α-Fe开始沉淀，平均晶粒尺寸（D）约为8.7纳米，导致结晶焓（ΔH?）和矫顽力（Hc）降低；在竞争性粗化阶段（8–30秒），晶粒尺寸从17.0纳米增加到22.3纳米，同时结晶体积（Vc）从24.2%增加到57%。经过30秒的退火处理后，获得了最佳性能：饱和磁化强度Bs为1.82特斯拉，矫顽力Hc为6.2艾，断裂应变ε_f约为1.04%。磁性能的提升与α-Fe相的形成和交换耦合有关，而脆化机制则随着合金带材的Vc和D的变化而演变。原子探针断层扫描和从头算分子动力学模拟证实，长时间退火会加剧非晶/晶体界面的B/P梯度（非晶基体中B从12.1%增加到18.2%，P从2.9%增加到3.2%），这直接导致剪切带形成的抑制和宏观脆性的增加。这些发现为设计具有延展性的纳米晶软磁合金提供了工艺-结构-性能框架。
引言
通过在熔融状态下快速冷却非晶前驱体，可以制备出含有纳米级α-Fe的Fe基纳米晶合金，这类合金具有较高的饱和磁化强度（Bs）、较低的矫顽力（Hc）和高磁导率，以及低的核心损耗，已被广泛应用于电力电子设备中[1][2][3][4]。目前市场上主流的Fe基纳米晶合金品牌是Finemet（FeSiBCuNb），该合金于1988年开发[5]。然而，Finemet合金的Bs相对较低（约1.24特斯拉），这不利于其在频率更高、体积更小、重量更轻的下一代电力电子设备中的应用[6][7]。因此，人们投入了大量努力来开发Bs更高的Fe基纳米晶软磁合金[8][9][10]。目前，为了提高Fe基纳米晶软磁合金的Bs，已经开发出了多种合金体系，包括Nanoperm（FeZrBCu）[11]、Hitperm（FeCoZrBCu）[12]和Nanomet（FeSiBPCu）[13][14]。其中，由于含有易氧化的Zr/Ti元素，Nanoperm难以实现工业化生产；Hitperm含有较多的Co，导致成本较高且Hc略高[15][16]。相比之下，高Fe含量的Nanomet纳米晶合金由于采用低成本元素且不含易氧化成分，因此受到了越来越多的关注。这些合金具有较高的Bs、高磁导率和低核心损耗，被认为是下一代电力电子设备的有希望的材料。
在过去二十年里，开发了一系列高Bs的Nanomet合金，如FeBCu[17]、FeBCCu[18]、FePCCu[19]、FeBPCu[20]、FeBPCCu[21]、FeSiBPC[22]、FeSiBCu[23]和FeSiBPCuC[24]。尽管这些合金具有超高的Bs，但在工业应用之前仍存在一些问题，例如由于Fe含量高导致非晶形成能力（AFA）有限，以及与传统纳米晶合金相比结晶窗口仍然较窄[26]。通过添加B、C、Si、P等类金属元素和Nb、Mo等过渡金属元素进行微合金化，可以改善Nanomet的非晶形成能力[27][28][29]。结晶窗口较窄的主要原因是适当的热处理促进了Nanomet非晶前驱体内细小且均匀的α-Fe相的沉淀，从而增强了软磁性能[30][31][32]。然而，由此得到的Nanomet合金往往具有脆性，这限制了其工业应用。因此，同时提高Nanomet带材的软磁性能和弯曲性能对其实际应用至关重要。
非晶前驱体经过退火处理后形成的微观结构对其软磁性能和机械性能起着关键作用。研究表明，退火处理引起的Fe基非晶/纳米晶合金的脆性可能与多种因素有关，包括元素富集、结晶、相分离、自由体积的消失以及残余应力[33]。因此，本研究探讨了快速退火对Fe??Si?B??P?Cu?非晶/纳米晶带材微观结构、磁性能和弯曲性能的影响。通过精确控制形成的纳米晶软磁合金的结构，制备出了具有优异软磁性能和良好弯曲性能的Fe??Si?B??P?Cu?纳米晶合金。此外，本研究阐明了快速退火过程中软磁性能和弯曲性能演变的结构起源，建立了微观结构、磁性能和弯曲韧性之间的紧密关联。
实验部分
实验
将名义成分为Fe??Si?B??P?Cu?的合金锭在氩气保护下用感应炉熔化。所用原材料纯度很高：Fe（99.9质量%）、Si（99.999质量%）、B（99.9质量%）、Cu（99.999质量%）和预合金化的Fe?P（99.9质量%）。采用单辊熔融旋转法，在氩气保护下，以30–50米/秒的铜辊速度制备了宽度为1毫米、厚度为20–22微米的带材。
纳米晶带材的制备过程已完成。
结果与讨论
图1展示了Fe??Si?B??P?Cu?带材在520°C快速退火后的XRD图谱和DSC曲线。退火3秒后，XRD图谱中没有明显的晶体衍射峰；DSC曲线中第一（ΔH?）和第二（ΔH?）结晶峰的面积变化可以忽略不计，表明带材仍主要为非晶态。然而，居里温度（Tc）从熔融状态的327°C升高到退火3秒后的334°C。
结论
本研究探讨了快速退火对Fe??Si?B??P?Cu?纳米晶带材微观结构、软磁性能和弯曲性能的影响。结果表明，快速退火是一种有效的制备具有优异软磁性能和良好弯曲性能的高Fe含量纳米晶带材的方法。Fe??Si?B??P?Cu?纳米晶带的快速退火过程可以分为三个阶段：松弛主导阶段（≤3秒）……
未引用的参考文献
[25]
CRediT作者贡献声明
王浩：资源提供。
赵成良：资金筹集。
张光强：项目管理。
余海晨：初稿撰写。
孟洋：撰写与审稿编辑。
彭书杰：概念构思。
常春涛：方法学设计。
利益冲突声明
我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系，对任何产品、服务及/或公司不存在任何可能影响本文观点或评审结果的专业或其他个人利益。
致谢
本项目得到了广东省基础与应用基础研究计划（项目编号：2024B1515120012）和江苏省基础研究计划（项目编号：BK20243026）的资助。
