供稿人：孙秋雨

论文题目：Investigations on the Surface Crystallization Behavior and Magnetic Properties of Fe_81.5+xSi₃B_10−xP_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁ Soft Magnetic Nanocrystalline Alloys

论文作者：Huaijie Yi(易怀杰）, Hailong Li,Suo Zhang,Chen Chen,Ran Wei,S. Wu,Yongfu Cai,Fushan Li,Tan Wang

Journal：Journal of materials engineering and performance

DOI：https://doi.org/10.1007/s11665-024-10022-7

【研究背景】  

        软磁材料在电力电子以及电子机械的有效运行中发挥关键作用。铁基纳米晶合金作为一种典型的软磁材料，由于其具有高饱和磁通密度（B_s）、高磁导率（u_e）、低高频损耗等性能而受到越来越多的关注。其中设计高铁含量的合金成分是铁基纳米晶合金获得高B_s的主要途径，然而，这通常会导致非晶形成能力（GFA）的降低。低的GFA会导致铸态条带在制带过程中，虽然大部分仍能形成非晶结构，但表面会发生部分晶化。表面晶化现象对铸态和退火态条带结构和磁性能有无影响，有多大影响，目前尚不清楚。

【成果速览】

本项工作中，郑州大学材料科学与工程学院非晶高熵合金课题组易怀杰同学使用感应炉及单辊纺丝机制带。通过DSC测量条带样品的热性能，使用常规的管式炉进行退火，采用XRD和TEM对快淬薄带和热处理薄带的微观结构进行了表征，采用VSM测量了B_s，利用阻抗仪和B-H仪测试H_c和μ_e，利用磁光克尔显微镜对不同磁场下的磁畴结构进行了表征。

研究了Fe_{81.5+ x}Si ₃B _10-xP_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁（x = 0，2和3）在不同温度下的热稳定性，通过增加Fe含量和降低B含量，制备出具有非晶/α-Fe双相结构的非晶带材。系统地研究了表面晶化对铸态和退火态薄带结构和磁性能的影响。该研究可为高Fe含量软磁纳米晶合金体系的成分设计和工业化生产提供一定的参考。

随着Fe含量的增加，Fe_{81.5+ x}Si ₃B_10-xP_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁铸态薄带的组织演变为：完全非晶结构（x =0）→仅在自由面有晶化层（x =2）→自由面和轮面都有晶化层（x = 3）。Fe_83.5合金自由侧表面晶化层的形成与合金体系的GFA降低、自由侧的冷却速率低以及淬火过程中表面区域P元素的贫化密切相关。Fe含量的增加和适当的表面晶化拓宽了退火温度窗口，促进α-Fe相的形成，延缓Fe-(B，P)化合物相的析出，能够改善而不是恶化退火后纳米晶合金的软磁性能。

【结论展望】

       本文系统研究了Fe_{81. 5+x} Si₃B_10-x P_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁纳米晶合金的表面晶化行为和磁性能。重点研究了表面晶化现象对铸态和退火态条带结构和磁性能的影响。深入分析和讨论了表面晶化行为对软磁性能影响的潜在机理，得出以下结论：

1）   随着Fe含量增加到83.5at.%，第一和第二结晶峰之间的温度间隔增加到159 °C，由表面结晶引起的结构不均匀性消失促进了α-Fe相的形成，延缓Fe-(B，P)化合物相的析出

2）   在530 °C退火10 min后，获得了平均晶粒尺寸为18 nm的细小均匀的纳米晶结构。适当的表面晶化层的存在有利于提高退火后Fe_81.5+xSi₃B_10-xP_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁纳米晶合金的软磁性能。

3）   在最佳退火状态下，Fe_83.5Si₃B₈ P_3.5C_0.2Cu_0.8Nb₁合金薄带具有较好的软磁性能，其中B_s为1.68 T，H_c为6.43 A/m。