激光切割对铁基非晶薄带微观结构、硬度及磁性能的影响机制研究

为解决铁基非晶合金（Fe-based amorphous alloys）加工后磁性能劣化问题，研究人员采用连续波红外激光切割技术（CW laser cutting），系统探究了不同功率下薄带的熔化区（MZ）、热影响区（HAZ）和基体区的微观结构演变规律。研究发现，激光切割仅诱发α-Fe(Si)纳米晶相形成，且75 W功率下制备的叠片磁芯兼具窄结晶区（80 μm）和低损耗（53.96 W/kg@200 mT/100 kHz），为固态变压器和非晶电机产业化提供了理论支撑。

　　

在智能电网和新能源车辆迅猛发展的今天，铁基非晶合金（Fe_73.5Si_15.5B₇Cu₁Nb₃）因其高磁导率、低铁损等特性成为电磁元件的核心材料。然而，传统加工方法如剪切冲压（shear punching）和电火花线切割（wire EDM）会导致边缘变形和严重晶化，磁性能断崖式下跌。这如同给“磁性能翅膀”绑上石头，严重制约了其在固态变压器和非晶电机中的应用。

为解决这一难题，中国的研究团队独辟蹊径，采用连续波红外激光（波长1.06 μm）对25 μm厚非晶薄带进行环形切割。通过精确调控激光功率参数，他们发现切割边缘存在明显的三区结构：熔化区（Melted Zone, MZ）如同高温锻造的“金属琉璃”，热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）则是纳米晶生长的“温床”，而基体区仍保持原始非晶状态。令人振奋的是，激光作用时间短到仅诱发α-Fe(Si)单相析出，且晶粒尺寸从边缘向基体呈梯度递减，这种非晶-纳米晶双相结构在距边缘20 μm处硬度高达1035 HV，堪比某些工具钢。

关键技术方面，研究团队搭建了集成激光发生、光束传输和运动控制的五模块平台，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认原料完全非晶态，差示扫描量热法（DSC）揭示双放热峰晶化特性。磁性能测试显示，75 W激光功率下制备的叠片磁芯实现“鱼与熊掌兼得”——热影响区宽度控制在80 μm以内，高频损耗（100 kHz）较传统方法降低30%以上。

这项发表于《Optics》的研究具有三重突破意义：其一，首次阐明激光功率与结晶区宽度的定量关系，为工艺优化提供标尺；其二，发现纳米晶梯度分布可协同提升硬度和磁性能，颠覆了“晶化必然导致磁劣化”的认知；其三，提出的低损伤切割方案使非晶电机量产成本降低40%。正如通讯作者Yuanzheng Yang在讨论部分强调，该技术有望推动非晶合金从实验室“样品”迈向工业“产品”的跨越，为碳中和背景下的能源装备升级注入新动能。