钴基非晶合金的晶化行为及玻璃形成能力研究

论文摘要

以X-射线衍射、差示扫描量热分析（DSC）、扫描电镜及振动样品磁强计等为主要研究手段，以Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金为对象，首次系统研究了该合金在不同条件下的晶化行为、等温退火对玻璃转变和晶化的影响以及晶化对磁性能的影响。然后，又以Co43Fe20Ta5．5B31.5、Co48Cr15Mo14C15B6Er2和Co74．4B25．6为对象，首次系统研究了熔体冷速或制备工艺对它们的晶化行为及磁性能的影响。此外，对目前已有的合金玻璃形成能力判据进行了详细研究，新提出了一个能更好地表征合金玻璃形成能力的判据。最后研究了稀土元素Y的微量添加对Co43Fe20Ta5．5B31．5合金的玻璃形成能力的影响，开发出玻璃形成能力更强的新型(Co43Fe20Ta5．5B31．5)97Y3块体非晶合金。以上研究发现：升温速度对Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金的非等温晶化激活能存在显著影响，其晶化过程可以分成前后2个阶段。前一阶段符合形核与核长大模型；后一阶段符合晶粒正常长大模型。这两个阶段在整个晶化过程中所占的比重与升温速度有关，但是，非等温晶化的大部分阶段是靠晶粒的正常长大来完成的。等温晶化温度对Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金的形核与核长大行为有显著影响。随着温度的升高，晶核长大由受扩散控制转变为受界面控制。局域晶化激活能计算表明非等温晶化阻力越来越小，而等温晶化阻力越来越大。在玻璃转变温度附近进行退火处理可使Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金产生结构弛豫。结构弛豫对合金的晶化动力学效应没有显著影响，但可以减弱玻璃转变的动力学效应。另外，结构弛豫会阻滞合金发生玻璃转变，但对晶化的影响却具有双重性，即有促进的一面，又有阻滞的一面。晶化对Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金的磁性能存在显著影响。在928K等温条件下，饱和磁感应强度Ms和矫顽力Hc都随保温时间的延长而增大。但是，保温时间小于30min时，Ms和Hc的变化幅度很小。当保温时间达到30min时，二者突然增高。保温时间大于30min之后，Ms的变化不大而Hc有明显的增高。在非等温晶化条件下，晶化试样的Ms和Hc也都比制备态试样大许多。就不同终止温度来说，Ms随终止温度的提高而单调增大，但增加幅度很小。Hc随着晶化终止温度的提高而变化的幅度较大，并且变化是非单调的。当晶化终止温度位于第一个晶化峰温度范围内时，Hc随晶化温度而提高，当晶化终止温度高于第二个晶化峰结束温度时，矫顽力又急剧下降。熔体冷速影响Co基非晶合金内部短程序原子团簇的大小，并且这种影响可以在合金的等温晶化动力学及磁性能方面得到充分体现。对于冷速相差不大的Co43Fe20Ta5．5SB31．5非晶条带来说，冷速对合金的非等温晶化动力学及晶化产物没有影响，但对其等温晶化动力学存在少许影响。主要表现在冷速改变形核速率随时间增加的晶化阶段占整个晶化过程的比例。磁滞回线的测量表明，非晶条带的饱和磁感应强度和矫顽力都随冷速降低而增大。对于冷速相差较大的Co48Cr15Mo14C15B6Er2非晶条带和圆棒来说，冷速对合金的非等温和等温晶化动力学都有显著影响。对非等温晶化来说，随着冷速降低，试样的玻璃转变温度下降，玻璃转变激活能减小。虽然晶化峰值温度不受冷速的影响，但是晶化激活能同样随冷速降低而降低。对等温晶化来说，虽然不同冷速条件下制备的试样都表现出扩散控制的晶核三维长大过程，但是形核速率与冷速有关。冷速越快，形核速率越低，同时晶化孕育时间越短。熔体冷速对Co48Cr15Mo14C15B6Er2非晶合金的磁性能影响很大。冷速高时，合金表现出顺磁性；冷速低时，合金表现出铁磁性。饱和磁感应强度随冷速的降低而增大。制备工艺对Co-B二元非晶的晶化和析出相存在显著影响。虽然甩带法制备的非晶条带和化学还原法制备的非晶态粉末成分十分相近，但在晶化产物方面却相差很大。对于同样用化学还原法制备的成分几乎相同的非晶态粉末来说，由于具体的制备条件不同，它们在晶化行为方面也表现很大的差异。向Co43Fe20Ta5．5B31．5合金中添加微量的稀土元素Y可以增大其玻璃形成能力。新型块体非晶合金(Co43Fe920)Ta5．5B31．5)97Y3可以被容易地制备成Φ2mm的非晶圆棒。但是Y的添加导致Co43Fe20Ta5．5B31．5非晶合金的软磁性能下降。新提出了一个基于合金特征温度的玻璃形成能力表征参数β，统计分析表明，参数β对合金玻璃形成能力的表征更加可靠，而且对不同合金的玻璃形成能力鉴别能力更强，可以作为开发新型块体非晶合金时的一个有用和有效的工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 非晶合金及其发展历史
• 1.2 块体非晶合金的制备方法
• 1.3 非晶合金形成理论
• 1.3.1 熔体结构与玻璃形成能力
• 1.3.2 非晶态合金形成热力学
• 1.3.3 非晶态合金形成动力学
• 1.4 块体非晶合金组元构成规律
• 1.5 合金的玻璃形成能力判据
• 1.5.1 基于合金组元基本性质的玻璃形成能力判据
• 1.5.2 基于合金熔液性质的玻璃形成能力判据
• 1.5.3 基于合金特征温度的玻璃形成能力判据
• 1.6 非晶合金的晶化特征
• 1.7 非晶合金的性能与应用
• 1.7.1 非晶合金的性能
• 1.7.2 非晶合金的应用
• 1.8 钴基非晶合金的性能与研究
• 1.8.1 钴基非晶合金的软磁性能与应用
• 1.8.2 钴基非晶合金的晶化研究
• 1.8.3 钴基块体非晶合金的研究
• 1.9 本文的主要研究内容及意义
• 1.9.1 课题研究意义
• 1.9.2 课题主要研究内容
• 第2章 实验方法与数据处理
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 钴基非晶带材及圆棒试样的制备
• 2.1.2 钴基非晶粉末的制备
• 2.2 主要研究方法
• 2.3 晶化动力学参数的主要计算方法
• 2.3.1 晶化激活能的计算
• 2.3.2 晶化机理函数的确定
• 2.4 本章小结
• 43Fe₂₀Ta_5.5B_31.5非晶合金的晶化动力学研究'>第3章 Co₄₃Fe₂₀Ta_5.5B_31.5非晶合金的晶化动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 晶化产物分析
• 3.2.2 非等温晶化动力学研究
• 3.2.3 等温晶化动力学研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 退火对钴基非晶合金晶化及磁性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 结构弛豫对玻璃转变及晶化动力学的影响
• 4.3.2 晶化体积分数对磁性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 制备工艺对钴基非晶合金晶化及磁性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验结果与分析
• 43Fe₂₀Ta_5.5B_31.5非晶条带的晶化及磁性能的影响'>5.3.1 熔体冷速对Co₄₃Fe₂₀Ta_5.5B_31.5非晶条带的晶化及磁性能的影响
• 48Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Er₂非晶合金晶化及磁性能的影响'>5.3.2 熔体冷速对Co₄₈Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Er₂非晶合金晶化及磁性能的影响
• 74.4B_25.6非晶粉末晶化行为的影响'>5.3.3 制备工艺对Co_74.4B_25.6非晶粉末晶化行为的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 合金的玻璃形成能力新表征参数研究
• 6.1 引言
• 6.2 新参数β的理论推导
• 6.3 新参数β的正确性统计分析
• 6.4 新参数β的实际应用
• 6.5 本章小结
• 43Fe₂₀Ta_5.5B_31.5合金的玻璃形成能力的影响'>第7章 Y微合金化对Co₄₃Fe₂₀Ta_5.5B_31.5合金的玻璃形成能力的影响
• 7.1 引言
• 7.2 试验结果与分析
• 7.2.1 Y含量对玻璃形成能力的影响
• 43Fe₂₀Ta_5.5B_31.5)₉₇Y₃块体非晶合金的性能'>7.2.2 (Co₄₃Fe₂₀Ta_5.5B_31.5)₉₇Y₃块体非晶合金的性能
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读学位期间所发表的学术论文目录）