一种新型高性能 FeCoNiSiVCr 软磁合金的高温本构行为及热加工性能

《Intermetallics》：High-temperature constitutive behavior and hot workability of a novel FeCoNiSiVCr soft magnetic alloy with high properties

　　

摘要

通过向Fe-Co基合金中掺入Ni、Si、V和Cr等元素，开发了一种新型FeCoNiSiVCr软磁合金。FeCoNiSiVCr合金的相组成为无序A2相与少量有序B2相的混合结构。该合金表现出优异的力学性能和磁性性能，其中屈服强度、抗压强度和断裂前压缩应变分别为1479.63 MPa、2771.28 MPa和43%；饱和磁化强度和矫顽力分别为159.79 emu/g和16.10 Oe。此外，基于650至1050°C温度范围内和0.0005至0.05 s^?1应变速率下的等温压缩试验，建立了基于Arrhenius关系式的高温本构方程和基于动态材料模型的热加工图。结果表明，动态回复和动态再结晶是主导FeCoNiSiVCr合金热加工性的关键机制。本工作为建立成分-微观组织-性能-工艺的技术路线，以开发兼具优异力学性能和磁性性能的FeCoNiSiVCr合金奠定了基础。

引言

软磁材料（SMMs）作为电能与磁能相互转化的关键功能材料，广泛应用于电机、变压器和传感器等电力电子设备中。其性能直接决定了这些设备的能量转换效率、尺寸和服务稳定性[1]、[2]。随着现代机电系统向着高速旋转、大功率输出、微型化和高温服役条件发展，对软磁材料提出了更高的综合性能要求。具体而言，软磁材料不仅需要保持优异的磁性能，如高饱和磁化强度（M_s）、低矫顽力（H_c）、高居里温度（T_c）和低磁损耗，还需要具备优良的力学性能，包括高强度、良好塑性和优异的耐热稳定性。此外，还需要具有高电阻率以减少交变磁场下的涡流损耗[3]、[4]、[5]。

目前，商用软磁材料主要包括电工纯铁、硅钢、Fe-Ni合金、软磁铁氧体以及非晶和纳米晶合金。然而，这些材料均存在固有的局限性：电工纯铁电阻率低且高频损耗大；硅钢相对硬而脆，加工性差；Fe-Ni合金饱和磁感应强度低且成本高；软磁铁氧体力学性能差且饱和磁化强度远低于金属软磁材料；非晶和纳米晶合金则具有热稳定性差、制备工艺复杂且难以生产大尺寸块体材料等问题[6]、[7]。

Fe-Co基合金作为少数同时具有高饱和磁感应强度、高居里温度和高能量密度的软磁材料之一，已成为先进电力电子设备和航空航天领域的优选材料[8]。然而，这些合金在约730°C附近会发生无序-有序转变，形成B2有序相，导致脆性急剧增加，延伸率降至5%以下，在冷轧和冲压等冷加工过程中容易产生开裂和断裂等缺陷，严重限制了其实际应用[8]、[9]。近年来，大量研究致力于改善Fe-Co基软磁材料的性能，通过成分微合金化和热处理工艺优化等手段，在保持优异磁性能的同时显著提高了合金的塑性。

Aykol等人[10]利用计算方法研究了V对B2-FeCo合金中原子有序度和反相畴界能的影响。George等人[11]的实验工作进一步表明，V的添加可以改善Fe-Co合金的延展性，特别是在无序状态下。Shan等人[12]报道了Cr的添加可促进Fe-Co-2V合金中析出相的形成，在保持较低矫顽力的同时提高了其抗拉强度和延展性。Hou等人[13]研究了经退火处理的冷轧Fe-49Co-2V合金，发现对于含0.5 at.% Cr的合金，当退火温度从760°C升至850°C时，抗拉强度和延伸率均有所增加。Pitt等人[14]通过引入1.8-7.4 wt% Ni来研究Fe-Co-2V合金的微观组织和性能。结果表明，Ni的添加可以提高合金的延展性、韧性和加工性，同时实现晶粒细化。此外，Ni不改变合金的有序度，对磁性能也没有显著影响。Zuo等人[15]研究了添加0-1% Si对Fe-Co-Ni合金的影响。结果表明，虽然Si的添加降低了合金的塑性，但有助于提高电阻率。然而，多种合金元素的引入使得加工性和微观组织更加难以控制。因此，为获得均匀的微观组织并提高合金的力学性能，探索并确定最佳热加工参数至关重要[16]。迄今为止，基于动态材料模型（DMM）的热加工图已被广泛用于评估各种金属材料的加工性[17]、[18]。然而，将本构方程、加工图和微观组织演变相结合的系统性Fe-Co软磁合金研究仍然十分匮乏。

综上所述，本文通过在Fe-Co基合金中引入Ni、Si、V和Cr等元素，介绍了一种兼具高力学性能和优异软磁性能的新型FeCoNiSiVCr合金。该设计有效地克服了传统Fe-Co基合金高频损耗过大的局限性。通过采用Arrhenius公式和动态材料模型，构建了目标合金的高温本构关系和加工图，以分析其热变形特征。此外，还对压缩合金试样进行了微观组织表征，揭示了FeCoNiSiVCr合金在高温变形过程中的塑性变形机制。

章节摘要

材料与方法

Fe_55.5Co₂₇Ni₇Si_6.5V₂Cr₂合金（质量百分比，以下简称FeCoNiSiVCr）通过真空电弧熔炼制备。原料包括Fe、Co、Ni、Si、V和Cr，纯度均为99.99%。为确保化学成分均匀，锭坯经过多次重熔。初始FeCoNiSiVCr合金的名义成分列于表1中。

采用X射线衍射仪（XRD）对铸态FeCoNiSiVCr合金的相组成进行了鉴定，使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?），在40 kV和

铸态FeCoNiSiVCr合金的微观组织与性能

为确定FeCoNiSiVCr合金的相结构，进行了XRD表征以获得合金的衍射图谱，如图2所示。衍射图谱呈现体心立方（BCC）型基本反射峰，而未观察到与B2有序化相关的明显超结构反射峰。下文将进一步通过透射电子显微镜（TEM）表征提供B2有序相存在的证据。

由于XRD仅能对合金的相组成提供初步判断，

结论

本工作设计并开发了一种新型FeCoNiSiVCr软磁合金，并结合微观组织分析进一步研究了该合金在高温压缩过程中的热变形行为和热加工性。总结如下。

• (1)
  FeCoNiSiVCr合金的相结构由A2相和B2相组成。此外，该合金展现出良好的磁性能和力学性能，饱和磁化强度为159.79 emu/g，

CRediT作者贡献声明

马翔宇：原稿撰写、方法论、调查研究。李向迪：方法论、调查研究。林鹏：方法论、调查研究。江树勇：撰写-审阅与编辑、指导、方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

马翔宇|李向迪|林鹏|江树勇

太原理工大学材料科学与工程学院，太原，030024，中国