稀土元素微合金化对FeCoSiBCuRE（RE = Sc和Y）非晶/纳米晶合金的玻璃形成能力及软磁性能的影响

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Effect of rare-earth elements microalloying on the glass-forming ability and soft magnetic properties of FeCoSiBCuRE (RE = Sc and Y) amorphous/nanocrystalline alloys

本研究通过Sc和Y微合金化Nb的FeCoSiBCuRE非晶合金，显著提高了玻璃形成能力，使铁含量达84%仍保持非晶态。Sc-Y掺杂优化了磁性能，在（Fe0.8Co0.2）83Si1B12Cu1Sc3合金中实现1.66 T饱和磁感应强度和0.92 A/m超低矫顽力，归因于熔体净化、晶界细化及均匀磁畴结构。

　　在现代磁性材料的研究与应用中，铁基非晶/纳米晶合金因其卓越的软磁性能而备受关注。这类材料具备高饱和磁通密度（B_s）、高磁导率（μ）以及低矫顽力（H_c）等特性，广泛应用于变压器、电感器、磁屏蔽材料等领域。然而，这些合金在性能优化方面仍面临诸多挑战，尤其是如何在提高B_s的同时，保持低H_c，以及如何提升其玻璃形成能力（GFA）以实现更广泛的工业应用。近年来，研究人员通过引入稀土元素（RE）进行微合金化，探索了其对铁基非晶/纳米晶合金性能的影响。本文围绕FeCoSiBCuRE（RE = Sc和Y）合金，系统分析了稀土元素微合金化对其玻璃形成能力、热稳定性和软磁性能的影响，为未来开发高性能软磁材料提供了重要的理论依据和实验支持。

在实际应用中，铁基非晶合金的玻璃形成能力是一个关键因素。GFA决定了材料是否能够在快速冷却过程中形成非晶态结构，而这种结构对于实现优异的磁性性能至关重要。通常情况下，提高Fe含量可以有效增强B_s，但同时也会降低GFA。因此，如何在增加Fe含量的同时，保持材料的非晶态结构成为研究的重点。此外，合金的热稳定性同样不可忽视，它直接影响材料在高温环境下的使用性能。热稳定性差的材料容易在加工或使用过程中发生晶化，从而影响其磁性表现。因此，研究人员需要找到一种平衡，使得合金在高温下仍能保持良好的非晶结构，并具备稳定的磁性能。

在本研究中，通过将传统合金中的Nb元素替换为Sc或Y，研究人员发现这种微合金化策略显著提高了合金的玻璃形成能力。尤其是在Fe含量达到84 at.%的情况下，合金仍能保持完全非晶态，这表明Sc和Y在提升GFA方面具有重要作用。这一发现对于开发高性能铁基非晶合金具有重要意义，因为更高的Fe含量意味着更丰富的磁性材料，从而有助于提高磁通密度。同时，研究人员还发现，Sc和Y的引入会引发额外的Fe₃B相的晶化峰，这可能对材料的磁性能产生影响。例如，Y微合金化的合金在850-860 K时出现晶化，而Sc微合金化的合金则在896 K时发生晶化。这些晶化温度的变化反映了Sc和Y在合金中对晶化行为的调控作用。

值得注意的是，微合金化还对合金的热稳定性产生了影响。通过实验发现，Sc和Y的加入使得合金的退火温度窗口缩小，分别为87-106 K和32 K。这意味着在加工过程中，合金更容易发生晶化，从而降低了其热稳定性。然而，这一现象并非完全负面。在某些情况下，适当的晶化可能有助于改善材料的磁性能，尤其是在退火处理后，材料的矫顽力（H_c）显著增加。这种增加主要归因于Fe₃B相的过早析出以及晶粒尺寸的增大。Fe₃B相是一种硬磁相，其析出会导致磁滞损耗增加，从而提升H_c。然而，这一过程在一定程度上破坏了材料的非晶结构，使得其磁性能受到影响。

相比之下，低于晶化温度的应力释放退火处理则能维持合金的非晶态结构，并且显著降低H_c。这一发现表明，通过控制退火温度，可以有效调节合金的磁性能。在应力释放退火条件下，合金表现出极低的矫顽力，这使得其在高频应用中更具优势。例如，在100 kHz频率下，合金的磁导率可以达到36 000，这表明其在高频电磁设备中的潜在应用价值。

在所有研究的合金中，(Fe_0.8Co_0.2)₈₃Si₁B₁₂Cu₁Sc₃合金表现出了最优异的磁性能。该合金不仅实现了高饱和磁通密度（B_s）达到1.66 T，还表现出极低的矫顽力（H_c）仅为0.92 A/m。这一性能的提升可以归因于多个因素的综合作用。首先，稀土元素的引入有助于熔体净化，减少了杂质对非晶结构的干扰。其次，稀土元素的加入改善了合金带的表面质量，使得材料在冷却过程中更容易形成均匀的非晶结构。此外，稀土元素的微合金化还能消除磁畴壁的钉扎点，从而提升材料的磁导率。最后，通过稀土元素的调控，材料能够形成单轴诱导的磁畴结构，这种结构有助于降低磁滞损耗，从而实现低矫顽力和高磁导率的协同效应。

这一发现不仅拓展了传统FINEMET合金的应用范围，也为开发新一代高性能软磁材料提供了新的思路。FINEMET合金以其低矫顽力和良好的磁性能而著称，但其Fe含量较低，限制了磁通密度的提升。而本文研究的合金通过引入Sc或Y元素，成功实现了Fe含量的提高，同时保持了较低的H_c，这在一定程度上解决了传统合金中的性能瓶颈。此外，稀土元素的引入还改善了合金的玻璃形成能力，使得其在高Fe含量下仍能保持非晶态结构，从而为材料的规模化生产和应用提供了可能性。

在实际应用中，非晶合金的磁性能与其微结构密切相关。通过实验分析，研究人员发现，Sc和Y的微合金化不仅影响了合金的玻璃形成能力，还对其热稳定性和磁性能产生了深远的影响。这些影响主要体现在晶化行为的调控、晶粒尺寸的优化以及磁畴结构的形成等方面。通过对这些微结构特性的深入研究，研究人员能够更全面地理解稀土元素在非晶合金中的作用机制，并据此优化合金的成分设计和加工工艺。

此外，稀土元素的微合金化还对合金的热稳定性产生了显著影响。在某些情况下，这种影响可能导致材料在高温下的使用性能下降。然而，研究人员通过实验发现，通过合理的成分设计和退火工艺，可以有效缓解这一问题。例如，通过调整Si/B比例，可以减少高RE含量对B_s的负面影响，同时保持合金的非晶态结构。这一策略为解决稀土元素对磁性能的潜在不利影响提供了可行的途径。

在研究过程中，研究人员还采用了多种实验方法，包括X射线衍射（XRD）、磁性能测试以及微观结构分析等。这些方法不仅帮助他们确认了合金的非晶态结构，还揭示了其磁性能的变化规律。例如，通过XRD分析，研究人员能够观察到不同合金在退火过程中的晶化行为，并据此评估其热稳定性。同时，磁性能测试结果表明，Sc和Y的微合金化对合金的饱和磁通密度和矫顽力具有显著影响，而这些性能的变化与合金的微结构密切相关。

在材料科学领域，微合金化是一种常见的策略，用于优化材料的性能。通过引入微量的稀土元素，研究人员能够调控合金的微结构，从而实现对磁性能的精确控制。这种策略不仅适用于Fe基非晶合金，还可以推广到其他类型的磁性材料。例如，通过引入不同的稀土元素，可以调控材料的磁导率、矫顽力以及热稳定性，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，本文的研究为铁基非晶/纳米晶合金的性能优化提供了新的思路。通过Sc和Y的微合金化，研究人员成功提升了合金的玻璃形成能力，并实现了高Fe含量下的完全非晶态结构。这一发现不仅有助于提高合金的磁通密度，还为开发具有优异磁性能的材料提供了理论支持。此外，研究还揭示了稀土元素对晶化行为、热稳定性和磁性能的调控机制，为未来材料设计和加工工艺的优化奠定了基础。通过进一步的研究和实验，有望实现更多高性能软磁材料的开发，从而推动相关技术的进步和应用的拓展。