超塑性加工用软磁性铁基非晶合金的制备及其在过冷液相区的变形行为研究

Based on our previous studies of bulk metallic glasses and their functional properties, a proposal is put forward for development of soft magnetic Fe-based metallic glasses having low glass transition temperatures (Tg), highly stable undercooled liquid states and large glass-forming abilities for superplastic processing. These multicomponent alloys are fabricated by alloying the basic Fe-P-C system. The alloying effects of two categories of like elements, namely, ( Fe, Co, Ni) and (P, C, B, Si), and large atomic size transition metal minor-alloying elements on the thermal stability, glass-forming ability and magnetic properties of Fe-P-C alloys will be systematically studied. The compositional dependences of Tg, the supercooled liquid region, critical glass-forming diameter, and magnetic properties are to be revealed in these alloys. Fe-based bulk metallic glasses applicable for superplastic processing are eventually determined by composition optimization. The underlying stability mechanisms of their supercooled liquids are to be clarified, followed by a study of the deformation behaviors in the supercooled liquid region along with the superplastic deformation mechanisms. The structure-property relations in deformed alloys will be established through a comprehensive investigation of the influences of superplastic processing parameters on their microstructure, mechanical properties and magnetic properties, which serve as the theoretical guiding principles for practical superplastic processing of soft magnetic Fe-based metallic glasses.

基于我们在非晶合金的制备和性能研究的工作基础，申请者提出以低玻璃转变温度（Tg）的软磁性铁基Fe-P-C三元非晶合金为基础合金，通过多元合金化，在维持其低Tg的同时，提高过冷液体热稳定性和玻璃形成能力，研制超塑性加工用软磁性铁基非晶合金的设想。系统研究两组（Fe，Co，Ni）、（P，C，B，Si）相似元素和微量大原子径过渡金属元素添加对基础非晶合金热稳定性、玻璃形成能力以及磁性的影响规律，建立Tg、过冷液相区间、非晶形成临界尺寸及磁性与合金成分的关联。优化合金成分，制备出超塑性加工用铁基多元块体非晶合金，并澄清合金元素影响过冷液体稳定性的机理。研究铁基多元非晶在过冷液相区的变形行为，阐明其变形机制。结合结构和性能表征，研究过冷液相区变形工艺参量对合金磁性、力学性能以及微结构的影响规律，揭示变形后非晶合金的性能与结构的相关性。为发展超塑性加工用软磁性铁基非晶合金提供理论依据和工艺技术支撑。

利用块体非晶合金特有的粘性流动特性，可实现高速超塑性。结合铁基非晶合金优异的软磁性能，利用超塑性加工可生产微型高性能磁性元器件，这是非晶合金重要应用领域。因此，研制具有优异超塑性加工性的软磁性铁基非晶合金、认识其在过冷液态下的变形行为特征及其对磁性、力学性能以及微结构的影响，对非晶合金的基础理论和应用的发展具有重要意义。. 我们系统研究了添加相似元素和微量大原子径过渡金属元素对Fe-P-C-B非晶合金热稳定性、玻璃形成能力和性能的影响。发现添加适量的Co、Ni或少量的Mo不仅能显著增大合金的过冷液相温度区间（ΔTx）和玻璃形成能力，也能降低或维持其玻璃转化温度（Tg）。其中，Fe40Co20Ni15P10C10B5与Fe55Ni5Co10Mo5P10C10B5合金的ΔTx、非晶形成临界尺寸和Tg值分别为60 K、2.5 mm和675 K与89 K、4 mm和716 K。该合金系的玻璃形成能力和ΔTx值有较好的对应关系。通过研究添加Co、Ni以及Mo对非晶合金结晶化行为的影响，从结晶动力学的角度阐明了其提高Fe-P-C-B非晶合金过冷液体稳定性的机理。. (Fe, Ni, Co, Mo)-P-C-B系非晶合金具有优异的软磁和力学性能。其饱和磁感应强度高于0.74 T，矫顽力低于5 A/m；它们的压缩屈服强度高于2800 MPa，并显示出明显的塑性变形。该系合金在其过冷液相区的最低粘度系数（ηmin）随ΔTx值的增加而降低；其ηmin值可达到107 Pa·s的量级，显示出良好的粘性流动特性。通过对该系合金在过冷液相区的压印实验，首次实现了铁基非晶合金的纳米级超塑性成形加工。. 发现Fe基非晶合金在过冷液相区超塑性变形致使软磁性能降低。通过结构表征阐明了超塑性变形诱发晶相析出是导致其矫顽力增加的原因。. 利用放电等离子体烧结法把Fe基非晶合金粉体在过冷液相温度区进行超塑性固化成形，制备出具有良好力学和软磁性能的高致密度大尺度块体非晶合金。澄清了烧结体的组织结构和性能的关系。. 成功研制出具有优异的软磁性能和力学性能的Fe25Co25Ni25(P, C, B)25系高熵块体非晶合金，阐明了其具有高过冷液体稳定性和高强度的机理。

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