淬火速率和退火时间对快速淬火的Co58Ni10Fe5B11Si16非晶合金的微观结构及软磁性能的影响

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Effect of quenching rate and annealing time on the microstructure and soft magnetic properties of rapidly quenched Co 58Ni 10Fe 5B 11Si 16 amorphous alloy

快速淬火制备的Co58Ni10Fe5B11Si16软磁合金带材结构弛豫与磁性能关系研究，采用18m/s和28m/s两种转速熔体旋淬工艺，通过差示扫描量热法、X射线衍射、透射电镜和振动样品磁强计等手段，系统揭示了不同淬火速率下合金的纳米结构演变规律、热稳定性差异及磁性能优化机制。

　　
近年来，非晶合金材料因其独特的微观结构和优异的软磁性能，在电磁屏蔽、高频器件等领域展现出重要应用价值。本研究聚焦于新型Co基非晶合金体系，通过系统调控熔体旋淬工艺参数，深入探究了材料结构演变与磁性能优化之间的关联机制。研究团队以俄罗斯远东联邦大学为平台，采用多学科交叉研究方法，结合材料制备工艺与微观结构表征技术，揭示了不同冷却速率对非晶合金性能的影响规律。

一、材料体系设计原则
研究团队基于国际通用的合金设计准则，构建了Co58Ni10Fe5B11Si16的化学配比。该体系在继承传统Co基非晶合金（如Co66Fe6Si14B15）优异玻璃形成能力的基础上，创新性地引入10%镍元素配位。通过原子尺寸差值计算（δ≈9%）验证体系符合Inoue提出的玻璃形成能力判据，同时满足Hume-Rothery规则对固溶度的要求。这种三元合金设计既保证了熔体的高黏度特性，又通过镍的固溶强化效应有效抑制晶化倾向，为制备超薄带材（厚度24-28μm）提供了理论基础。

二、熔体旋淬工艺优化
研究采用双速熔体旋淬工艺（18m/s和28m/s），通过对比实验揭示冷却速率对非晶形成能力的影响机制。高速旋淬（28m/s）条件下，带材冷却速率可达10^6 K/s量级，这种极端冷却条件能有效抑制原子扩散，形成高度无序的纳米晶化结构。实验数据显示，28m/s组分的DSC曲线显示更尖锐的玻璃转变温度（Tg），而18m/s组存在明显的二级转变峰，表明其内部存在未完全玻璃化的残余结构。XRD分析证实高速淬火样品的晶格畸变率（约3.2%）显著低于低速组（5.7%），这与其更完整的非晶态结构密切相关。

三、多尺度结构表征
透射电镜（TEM）的原子探针（APT）分析揭示了合金的纳米尺度结构特征。高速淬火样品（28m/s）呈现出均匀分布的纳米级析出相（尺寸2-5nm），其空间分布符合Kmc模型预测的岛状结构特征。值得注意的是，这些纳米析出物并未破坏基体非晶连续性，反而通过Zener钉扎效应提升了矫顽力（Hc降低至4.1Oe）。而18m/s样品中观察到约15nm的临界尺寸相分离颗粒，这些较大尺寸析出物不仅导致矫顽力上升（Hc达6.8Oe），还形成了局部的晶化区域。

四、磁性能与结构弛豫关系
振动样品磁强计（VSM）测试表明，28m/s淬火样品的磁滞回线面积（约1.2×10^-4 mW/cm）仅为18m/s样品的68%，这与其更优的纳米析出结构直接相关。通过原位TEM观测发现，在室温至300℃热处理过程中，高速淬火样品的纳米析出物呈现动态迁移特征，而低速样品的较大析出物则表现出明显的应力弛豫过程。这种差异导致高速样品的磁性能保持率（300℃后Bsat保持率92%）显著优于低速组（78%）。

五、工艺参数影响机制
研究系统分析了旋转速度（18vs28m/s）、氩气压力（0.8-1.2mBar）和间隙距离（0.15-0.25mm）三个核心参数的协同作用。高速旋淬条件下，熔体接触冷却面的时间缩短至微秒级，有效抑制了表面富集效应（表面偏析系数从0.92降至0.78）。同时，优化后的氩气压力梯度（0.9mBar）可形成稳定保护气膜，使熔体与铜轮的润湿角降低至12°（传统工艺为18°），从而提升带材成型的均匀性。特别值得关注的是，28m/s组在热处理过程中表现出独特的逆相分离现象，其纳米析出物在200℃时发生晶格重构，形成具有自调节功能的纳米结构。

六、性能优势与工程应用
研究获得的最佳性能参数为：饱和磁感应强度Bsat=1.8T（76.3emu/g），矫顽力Hc=4.1Oe，最大磁导率μ0μr=5.6×10^5。这些指标较传统Co基非晶合金提升约15%，同时厚度减少30%以上，显著提升了器件的功率密度。测试数据显示，28m/s样品在1MHz频段的损耗因子（tanδ=0.023）仅为同类产品的1/3，且在-50℃至400℃工作温度范围内保持磁性能稳定性。

七、理论模型验证与拓展
研究通过建立"流动单元-自由体积"动态模型（LLR-SLR体系），成功解释了非晶合金的力学性能与磁学行为关联机制。实验数据与该模型的预测曲线吻合度达89%，特别在300℃热处理后的残余应力分布预测方面表现优异。研究团队进一步拓展了该模型，将镍元素的影响因子纳入计算体系，为多主元非晶合金设计提供了新的理论工具。

八、产业化潜力评估
研究建立的材料性能-工艺参数映射关系模型，为规模化生产提供了关键指导。模拟计算表明，通过优化熔体供给速度（0.8-1.2kg/s）和冷却介质温度（-180℃至-190℃），可使28m/s工艺的成品率从62%提升至85%。经济性评估显示，每增加10%生产效率，可使单位成本降低约8%，这对大规模应用具有显著经济效益。

九、未来研究方向
研究团队提出三个重要发展方向：1）开发多级冷却系统以实现亚微米级带材制备；2）研究镍含量梯度分布对性能的调控机制；3）建立非晶合金全寿命周期的加速老化模型。这些研究将推动非晶合金在5G通信、智能电网等新兴领域的应用。

该研究不仅完善了非晶合金制备工艺的"黑箱"模型，更通过建立结构-性能-工艺的定量关系，为新型软磁材料的设计开辟了新路径。研究过程中采用的机器学习辅助的相场模拟技术，使材料设计周期缩短了40%，为先进材料的快速开发提供了方法论创新。这些成果已申请3项国际专利，并与5家电子器件企业建立了中试合作，显示出显著的应用转化潜力。