激光切割铁基纳米晶磁芯的微观结构与性能分析及其对磁电器件高效制造的启示

本文系统研究了连续波红外激光在不同扫描速度下切割铁基纳米晶磁芯的工艺效果，发现90 mm/s参数可实现高质量切割，其熔融区（MZ）窄、熔渣少且热影响区（HAZ）无裂纹。通过分析微观结构（α-Fe(Si)相与残余非晶相分布、晶粒尺寸梯度变化）与磁性能（有效磁导率μe稳定性、铁损Ps频率响应），提出抛光处理可显著提升切割面磁性能。该研究为磁电器件的高效清洁制造提供了理论依据与工艺优化方向。

　　

Highlight

Experiment

本实验采用市售典型铁基非晶带材（成分为Fe_73.5Si_15.5B₇Cu₁Nb₃，原子百分比），厚度约25 μm，宽度约3 mm。这些带材被卷绕成外径16 mm、内径10 mm、高度3 mm的环形磁芯，重量为2.3 ± 0.1 g，叠装系数约为0.88。基于本课题组在优化铁基材料性能方面的研究基础，我们设计了激光切割工艺参数的对比实验。

Characterization of annealed ribbon

本课题组对铸态铁基带材的表征研究表明，其呈现完全非晶形态。根据热力学分析，最终退火温度设定为550℃以实现优化纳米晶化（由本课题组提出）。如图2中退火带材的X射线衍射（XRD）图谱所示，在2θ ≈ 45.2°、65.8°和83.4°处（对应PDF#47-1114标准卡片）识别出三个明显尖锐衍射峰，这些均属于α-Fe(Si)相的典型衍射峰，证实了材料已成功实现纳米晶化转变。

Conclusions

本文研究了不同扫描速度下激光切割铁基纳米晶磁芯的切割面附近底面形貌、纳米硬度、微观结构及磁性能变化，并进一步测量了不同抛光深度下激光切割磁芯的磁性能与相结构。基于上述分析，总结结论如下：

(1) 采用连续波红外激光切割铁基纳米晶磁芯在90 mm/s速度下可实现高质量切割，表现为熔融区窄、熔渣极少且热影响区无裂纹；

(2) 在熔融区和热影响区内仅存在晶化的α-Fe(Si)相和残余非晶相，且平均晶粒尺寸从切割边缘向基体区逐渐减小；

(3) 所有激光切割磁芯的有效磁导率（μ_e）在频率变化中保持稳定，而铁损（P_s）随频率升高呈增加趋势；

(4) 通过对切割面进行抛光处理，随着抛光深度增加，磁芯的磁导率显著提升且铁损降低。