专利名称：激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法
技术领域：
本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法。
背景技术：
铁基纳米晶软磁合金主要有FeCuMSiB型和FeMB型两大类，铁基纳米晶合金具有高的饱和磁感、高磁导率、低矫顽力和低的高频损耗、良好的强硬度、耐磨性及耐腐蚀性、良好的温度及环境稳定性等特点。其综合磁性能远远优于硅钢、铁氧体、坡莫合金和非晶合金等。可作为变压器、互感器、电感器和传感器铁芯及磁屏蔽材料等，在电力电子工业领域具有广泛的应用前景。
铁基纳米晶合金一般通过晶化方法制备，即用晶化的方法在非晶材料中形成部分α-Fe(Si)纳米晶组织获得双相结构材料，从而改善其综合软磁性能。由于这种材料的优异性能和重要的应用价值，成为全世界范围的重点研究材料之一。迄今，退火晶化是应用最广的一种手段，一般的退火处理是采用各种加热炉进行热处理，如真空感应炉等。但退火工艺也有一些缺点工艺比较复杂、退火处理的范围没有选择性、整个材料都要接受退火导致铁基纳米晶合金的脆性问题难以解决，严重影响了材料的应用；同时，退火晶化的析出相的粒度较大、除α-Fe(Si)晶体相形成外，也有对磁性有害的Fe-B相形成。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在常温常压下可控快速用激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法。铁基纳米晶合金的优异性能与其晶化相的数量和结构相关，而晶化产生少量(5％-15％)的纳米α-Fe(Si)晶相对材料性能的改善作用最好，所以，控制晶化相的数量、结构、大小和表面分布是技术的关键。激光晶化技术，能够使铁基非晶带表面产生定量纳米α-Fe(Si)晶以提高材料的磁性能，同时降低晶化脆性，扩展材料的应用是该技术的显著特点。同时，激光是一种新型清洁能源，对环境无污染；尤其是对于非晶带材可实现工业自动化处理而提高效率；激光能量和扫描速度可精确控制，由于光子热作用转换极快，可在常温常压下处理而氧化较少；比之传统退火法，激光晶化法技术的先进性主要体现在它是一种快速、可控、低脆性、低成本的制备技术。
本发明的原理在于将Fe基非晶带利用激光快速加热使材料的表面达到相变温度，再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率，抑制晶粒长大，可以在材料的表面获得纳米晶组织。Fe基非晶带表面存在的密度差别、空位、短程有序区和原子团簇等，为激光诱导相变提供了条件。在激光的热作用下，原子的扩散重排形成了新的Fe-Fe富集，B原子从间隙位置中析出产生空位，从而加速了非晶表面中原子的扩散形核；另外激光对非晶表面的压力作用，改变了表面层的原应力分布，促进了表层原子的重排和聚集；激光短时间的高温抑制了对磁性有害Fe-B化合物的析出。由于非晶基体对激光表面作用层的快速冷却作用，在非晶带表面先富集的Fe团簇和形成的Fe晶核长大为纳米尺寸的α-Fe(Si)相。纳米晶相产生在Fe基非晶的表面层上，晶化层的厚度在0.1～10μm之间，随着激光能量和扫描次数增加而增大。
本发明提供的方法，主要利用CO2激光和Nd:YAG脉冲激光在一定的工艺条件下，诱导Fe基非晶FeCuMSiB型和FeMB型合金表面产生定量α-Fe(Si)纳米晶化相，形成纳米晶加非晶双相组织结构的材料。其特征是对于2KWCO2激光器，通过激光工艺参数，包括激光的功率、扫描速度、辐照方法等的变化，诱导Fe基非晶合金表面产生纳米晶化相。技术的核心是CO2激光不要聚焦镜，把非晶带放置在激光器的样品台上，保证非晶带与样品台上的支架(导热好的铜板)紧密接触，直接利用散光斑辐照非晶带的表面，控制和调整激光的输出功率P、扫描速度V和散光斑大小，形成最佳匹配晶化工艺参数来诱导非晶带中发生结构重组，表层产生定量纳米α-Fe(Si)晶相形成双相组织结构，并控制材料的脆性。对于Nd:YAG脉冲激光纳米晶化，通过精确控制激光器的电流、扫描速度、脉宽、频率和辐照时间来诱导非晶带表面中发生结构重组，产生定量纳米α-Fe(Si)晶相形成脆性很低的双相组织结构材料。因制备出的材料表层为晶化区，剩余为非晶组织，所以使整体材料保持较好的韧性。
本发明方法能够在常温常压下，快速、可控、环保、低成本利用激光晶化法制备出铁基非晶纳米晶合金。通过选择不同的优化激光晶化工艺参数，制备出不同含量的纳米α-Fe(Si)晶化相加剩余非晶的双相组织结构材料。晶化层由纳米晶化相与非晶相组成，其厚度在0.1～10μm之间，纳米晶α-Fe(Si)的大小在1～30nm之间，制备材料的表面硬度提高、晶化脆性较低和综合磁性能得到了改善。
具体实施例方式
例1.利用2KW CO2激光器，取掉激光聚焦镜。非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金宽度为20mm、厚度30μm，长1000mm。把非晶带放置在激光器的样品台上，保证非晶带与样品台上的支架(导热好的铜板)紧密接触。调整激光束的散光斑为20mm，分别选择激光功率为80、100、120、140、160W，以10mm/s的速度分别对5条非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9进行辐照处理后，非晶带表面产生了约2.2％、2.3％、2.7％、3.1％、3.4％的α-Fe(Si)晶化相(内磁场约为139KOe)，形成了少量单相α-Fe(Si)晶化相加非晶的双相组织的材料，材料的韧性好，晶化相的数量随着激光功率的增大而增大，表面晶化层的厚度为0.1～3μm。
例2.利用2KW CO2激光器，取掉激光聚焦镜。非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金宽度为20mm、厚度30μm，长500mm。把非晶带放置在激光器的样品台上，保证非晶带与样品台上的支架(导热好的铜板)紧密接触且自由面朝上。调整激光束的散光斑为20mm，激光功率为200W，以20mm/s的速度分别对非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9进行两遍辐照处理后，非晶带表面产生了三种超精细结构(内磁场为154(4％)、243(3％)、312KOe(8％))、总量约15％、大小为15-20nm的α-Fe(Si)晶化相加剩余非晶的双相组织材料。其矫顽力Hc＝1.5(A/M)，饱和磁感应强度Bs＝1.35T和相对磁导率μi＝140000，材料的脆性低，表面硬度提高，综合性能提高，表面晶化层的厚度为约6μm。
例3.利用2KW CO2激光器，取掉激光聚焦镜。非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金宽度为20mm、厚度30μm，长500mm。把非晶带放置在激光器的样品台上，保证非晶带与样品台上的支架(导热好的铜板)紧密接触且自由面朝上。调整激光束的散光斑为20mm，激光功率为300W，以20mm/s的速度对非晶带Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9进行两遍辐照处理后，非晶带表面产生了四种超精细结构(内磁场为116(7％)、126(2％)、228(3％)、313Koe(10％))、总量约22％、大小为15-30nm的α-Fe(Si)晶化相加剩余非晶的双相组织材料。其矫顽力Hc＝1.3(A/M)，饱和磁感应强度Bs＝1.4T和相对磁导率μi＝200000，综合磁性能优异。材料的脆性较低，表面硬度提高，表面晶化层的厚度为约9.8μm。
例4.选择Nd:YAG脉冲激光器，非晶带Fe78Si9B13宽为20mm、厚30μm、长500mm。选择激光器电流I＝100A、频率f＝30HZ、波长λ＝1.064μm、光斑直径d＝10mm、扫描速度v＝10mm/s等固定参数。把样品放置在激光器样品台的支架(导热好的铜板)紧密接触且自由面朝上。分别在脉宽为0.7、0.8、0.9ms条件下，激光搭接率为2％均匀辐照样品后。非晶带Fe78Si9B13表面分别产生了2％、4％、5％大小为1～3nm的α-Fe(Si)晶化相(内磁场约为220Koe)，其综合磁性改善，表面硬度随激光能量的提高而增大，表面晶化层的厚度为约0.1～4μm。晶化脆性很低。
例5.选择Nd:YAG脉冲激光器，非晶带Fe78Si9B13宽为20mm、厚30μm、长500mm。选择激光器电流I＝100A、频率f＝30HZ、波长λ＝1.064μm、光斑直径d＝10mm、扫描速度v＝10mm/s、脉宽为0.9ms。把样品放置在激光器样品台的支架(导热好的铜板)紧密接触且自由面朝上。激光搭接率为2％均匀辐照样品两遍后，非晶带产生了约12.4％、晶粒大小在10～30nm的α-Fe(Si)晶化相(内磁场为312Koe)。表面晶化层的厚度为9μm。
例6.选择Nd:YAG脉冲激光器，非晶带Fe78Si9B13宽为20mm、厚30μm、长1000mm。选择激光器电流I＝100A、频率f＝30HZ、波长λ＝1.064μm、光斑直径d＝10mm、扫描速度v＝10mm/s、脉宽为0.4ms。把样品放置在激光器样品台上，非晶带自由面朝上，激光搭接率为2％均匀辐照样品后，非晶带产生了约1.0％α-Fe(Si)晶化相(内磁场为122Koe)与原非晶样品对比磁性的变化。磁性能实验比较结果原非晶剩磁比0.472，μo＝2083.4Gs/Oe，Bm＝1.64T，Hc＝10.40A/m，μm＝40098Gs/Oe，激光晶化(1％)样品剩磁比0.525，μo＝1360.5Gs/Oe，Bm＝1.66T，Hc＝11.78A/m，μm＝42040Gs/Oe。实验结果表明，利用脉冲激光诱导非晶Fe78Si9B13表面仅产生1％的α-Fe(Si)晶化相加剩余99％非晶的双相材料，其综合磁性就能得到改善，发明技术效果明显。
权利要求
1.一种激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法，其特征在于利用CO2激光和Nd:YAG脉冲激光诱导Fe基非晶带FeCuMSiB型和FeMB型合金表面层0.1～10μm范围产生定量α-Fe(Si)纳米晶化相，形成低脆性、综合磁性能优异的双相组织材料，工艺过程如下(1)用CO2激光器，将非晶带置于激光器的样品台的支架紧密接触，且自由面朝上，使激光器散光斑直接辐照非晶带表面，调整激光束的散点斑直径与非晶带宽度相同，使非晶带受到均匀照射，其参数为激光功率为80～300W，扫描速度为5～20mm/s；(2)用Nd:YAG脉冲激光器，将非晶带置于激光器的样品台的支架，紧密接触且自由面朝上，高速激光束的散光斑走私与非晶带宽度相同，对非晶带均匀辐照处理1～2次，其工艺参数为激光器电流I＝100A，频率f＝30HZ，波长λ＝1.064μm，选择脉宽为0.4～0.9ms，扫描速度为5～10mm/s。
2.根据权利要求1所述的激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法，其特征在于所处理的非晶带宽度为10～20mm，厚30μm。
3.根据权利要求1所述的激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法，其特征在于所用激光器样品台的支架是采用导热好的铜板制成。
全文摘要
一种激光表面晶化制备铁基非晶纳米晶软磁合金的方法，其特征在于利用CO
文档编号C21D1/09GK1644714SQ200510045640
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月11日 优先权日2005年1月11日
发明者陈岁元, 刘常升, 张滨, 崔彤, 马利霞, 才庆魁 申请人:东北大学