專利名稱：激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別 涉及一種激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法。
背景技術(shù)：
目前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的鐵基軟磁合金材料主要是FeCuMSiB型合金。FeCuMSiB型合 金的典型成分為Fe73.5CUlNb3Si13.5B9(商品牌號(hào)為Finemet)。鐵基納米晶軟磁合金具有高磁 導(dǎo)率、高飽和磁通、低矯頑力、低鐵損、頻散特性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為變壓器、互感器、電感器和 傳感器鐵芯及磁屏蔽材料等，在電力電子工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鐵基納米晶合金一般通過(guò)晶化方法制備，即用晶化的方法在非晶材料中形成部分 α -Fe(Si)納米晶組織，從而改善其綜合軟磁性能。由于這種材料的優(yōu)異性能和重要的應(yīng)用 價(jià)值，成為全世界范圍的重點(diǎn)研究材料之一。迄今，退火晶化是應(yīng)用最廣的一種手段，一般 的退火處理時(shí)采用各種加熱爐進(jìn)行熱處理，如真空感應(yīng)爐等。但退火工藝也有一些缺點(diǎn)工 藝比較復(fù)雜，退火處理由于操作疏忽造成材料很高的報(bào)廢率，能耗高，且材料脆性高，嚴(yán)重 影響了材料的應(yīng)用；同時(shí)，退火晶化除α-Fe(Si)晶體相形成外，經(jīng)常伴有對(duì)磁性能有害的 Fe-B相形成。在激光表面晶化制備鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法(專利申請(qǐng)?zhí)?200510045640. 5)中，針對(duì)鐵基非晶帶FeCuMSiB型和FeMB型合金，利用CO2激光和NchYAG 脈沖激光實(shí)現(xiàn)表面納米晶化。而鐵基非晶納米晶軟磁材料的激光誘導(dǎo)表面納米化制備方法 (專利申請(qǐng)?zhí)?00910010352. 4)針對(duì)前者存在的脆性問(wèn)題，選擇了 Nd: YAG脈沖激光對(duì)帶狀 材料一次或多次進(jìn)行掃描輻照，然而非晶納米晶帶狀材料應(yīng)用時(shí)一般都要經(jīng)過(guò)盤繞以圓盤 狀的形式去應(yīng)用，材料經(jīng)過(guò)激光輻照處理后變脆是不可避免的，嚴(yán)格控制材料脆性對(duì)激光 處理工藝要求比較苛刻，同時(shí)對(duì)原始材料的同一性也有較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種在常溫常壓下可控、快速地用激光輻 照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方 法，其步驟包括A、采用單輥熔體急冷法生產(chǎn)的鐵基非晶合金-Fe73.5CUlNb3Si13.5B9薄帶材料，將其 沖壓成圓環(huán)片，B、將圓環(huán)片狀的薄帶材料用丙酮超聲波清洗干凈，并吹干或者自然風(fēng)干至表面干 燥；C、將圓環(huán)片狀的薄帶材料置于使圓環(huán)片旋轉(zhuǎn)的輻照臺(tái)上，并使薄帶材料的觸輥面 朝外，D、開(kāi)動(dòng)輻照臺(tái)，使圓環(huán)片狀的薄帶材料沿軸心以500 3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，
E、用經(jīng)過(guò)聚焦鏡離散的CO2激光照射薄帶材料的觸輥面，且光斑中心位于圓環(huán)片 的環(huán)帶的中部，其中離散后的CO2激光的光斑直徑大于圓環(huán)片的環(huán)的寬度。其中步驟E中的CO2激光可由經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束光路后的波長(zhǎng)為1. 07 μ m的摻鐿光纖 激光代替，且擴(kuò)束后的光纖激光的光斑直徑大于圓環(huán)片的環(huán)的寬度。所述CO2激光的功率為280 500w、輻照時(shí)間為5 60s。所述摻鐿光纖激光的功率為40 55w，輻照時(shí)間5 30s。所述離散CO2激光的聚焦鏡可以調(diào)整前后位置，使觸輥面上的激光的離焦光斑直 徑變化。所述輻照臺(tái)為采用高反射率的鋁合金材料制成的圓形平臺(tái)，該平臺(tái)由電機(jī)帶動(dòng)旋 轉(zhuǎn)。且輻照臺(tái)軸心設(shè)有與圓環(huán)片內(nèi)環(huán)吻合的凸臺(tái)；電機(jī)輸出端與輻照臺(tái)通過(guò)剛性聯(lián)軸器同 軸連接。本發(fā)明的有益效果本方法能夠在常溫常壓下，快速、可控、環(huán)保、低能耗地利用激 光輻照的方法制備出環(huán)狀鐵基非晶納米晶合金。通過(guò)選擇不同的優(yōu)化激光輻照工藝參數(shù)， 在環(huán)狀非晶基體上制備出不同含量的α-Fe (Si)納米晶化相，并控制其脆性，從而使材料 綜合性能得到改善。同時(shí)，探索的小體積光纖激光器可以簡(jiǎn)化工藝生產(chǎn)條件，方便其應(yīng)用推


圖1是激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法中實(shí)施例所用的輻照 臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的環(huán)狀鐵基非晶材料(Fe73.5CUlNb3Si13.5B9)輻照后納米晶化 的X射線衍射圖。圖中，①為經(jīng)過(guò)聚焦鏡或準(zhǔn)直后的激光束；②為輻照臺(tái)上的凸臺(tái)；③為輻照平臺(tái)； ④為連接電機(jī)輸出端與輻照平臺(tái)的剛性聯(lián)軸器；⑤為小型步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例中的環(huán)狀鐵基非晶合金材料由單輥熔體急冷法生產(chǎn)的鐵基非晶合 金薄帶材料沖片而成。在輻照前都對(duì)其表面用丙酮超聲波清洗干凈后，吹干或者自然風(fēng)干 至表面干燥。將處理好的環(huán)狀鐵基非晶合金材料，使其觸輥面朝上放置在輻照臺(tái)上。輻照臺(tái)包括用高反射率的鋁合金材料制成的圓形的輻照平臺(tái)3，輻照平臺(tái)3中心 設(shè)凸臺(tái)2，可將圓環(huán)片狀的薄帶材料套在凸臺(tái)2上。輻照平臺(tái)3由小型步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī) 5帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，小型步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)5通過(guò)剛性聯(lián)軸器4與輻照平臺(tái)3同軸連接。設(shè)置Slab 3500w CO2激光器或摻鐿光纖激光器，使其光線垂直照射在輻照平臺(tái)3 上。其中，Slab 3500w CO2激光器經(jīng)過(guò)聚焦鏡使光斑離散；摻鐿光纖激光器通過(guò)其自身帶 的準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置使光斑均勻。本實(shí)施例中采用Iakeshore公司的7410型VSM磁強(qiáng)計(jì)對(duì)材料矯頑場(chǎng)、飽和磁化強(qiáng) 度、剩余磁化強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。例1.利用Slab 3500w CO2激光器，其輸出激光經(jīng)焦距為200mm的聚焦鏡。環(huán)狀 鐵基非晶合金(Fe73.5CUlNb3Si13.5B9)內(nèi)徑14mm，外徑20mm，厚度20 μ m，將其放置在由電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輻照臺(tái)上。調(diào)整激光束的離焦光斑直徑為21mm，激光束的光斑中心對(duì)準(zhǔn)環(huán)狀材 料輻照區(qū)域中心，選擇激光功率為280w，電機(jī)以720r/min的速度對(duì)材料進(jìn)行輻照處理15s 后，產(chǎn)生了 8%的Ci-Fe(Si)晶化相，平均晶粒尺寸為5. 3nm，激光輻照后的X射線衍射如圖 2所示，材料的矯頑場(chǎng)0. 96A/m，飽和磁化強(qiáng)度為974. 7Gs，剩余磁化強(qiáng)度為0. 34Gs，其綜合 磁性能得到改善。例2.利用Slab 3500w CO2激光器，其輸出激光經(jīng)焦距為200mm的聚焦鏡。環(huán)狀鐵 基非晶合金(Fe73^Cu1Nb3Si115B9)內(nèi)徑14mm，外徑20_，厚度20 μ m。將其放置在由電機(jī)帶 動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輻照臺(tái)上。調(diào)整激光束的離焦光斑直徑為21mm，激光束的光斑中心對(duì)準(zhǔn)環(huán)狀材料 輻照區(qū)域中心，選擇激光功率為280w，電機(jī)以720r/min的速度對(duì)材料進(jìn)行輻照處理30s后， 產(chǎn)生了 19%的Ci-Fe(Si)晶化相，平均晶粒尺寸為9. 5nm，材料的矯頑場(chǎng)為8. 2A/m，飽和磁 化強(qiáng)度為978. OGs，剩余磁化強(qiáng)度為0. 22Gs，其綜合磁性能得到改善。例3.利用Slab 3500w CO2激光器，其輸出激光經(jīng)焦距為200mm的聚焦鏡。環(huán)狀鐵 基非晶合金(Fe73.5CUlNb3Si13.5B9)內(nèi)徑14mm，外徑20mm，厚度20 μ m。將其放置在由電機(jī)帶 動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輻照臺(tái)上。調(diào)整激光束的離焦光斑直徑為21mm，激光束的光斑中心對(duì)準(zhǔn)環(huán)狀材料 輻照區(qū)域中心，選擇激光功率為440w，電機(jī)以720r/min的速度對(duì)材料進(jìn)行輻照處理5s后， 產(chǎn)生了 13%的α -Fe(Si)晶化相，平均晶粒尺寸為11. lnm，材料的矯頑場(chǎng)為6. 5A/m，飽和磁 化強(qiáng)度為988. 9Gs，剩余磁化強(qiáng)度為0. 97Gs，其綜合磁性能得到改善。例4.利用摻鐿光纖激光器，其輸出激光經(jīng)準(zhǔn)直后光斑直徑為5mm。環(huán)狀鐵基非晶 合金(Fe73.5CUlNb3Si13.5B9)內(nèi)徑14mm，外徑20mm，厚度20 μ m。將其放置在由電機(jī)帶動(dòng)的旋 轉(zhuǎn)輻照臺(tái)上。調(diào)整激光束的光斑中心對(duì)準(zhǔn)環(huán)狀材料輻照區(qū)域中心，選擇激光功率為45w，電 機(jī)以720r/min的速度對(duì)材料進(jìn)行輻照處理5s后，產(chǎn)生了 15%的α-Fe (Si)晶化相，平均 晶粒尺寸為10. 9nm，材料的矯頑場(chǎng)為2. 4A/m，飽和磁化強(qiáng)度為937. 3Gs，剩余磁化強(qiáng)度為 0. 34Gs，其綜合磁性能得到改善。例5.利用摻鐿光纖激光器，其輸出激光經(jīng)準(zhǔn)直后光斑直徑為5mm。環(huán)狀鐵基非晶 合金(Fe73.5CUlNb3Si13.5B9)內(nèi)徑14mm，外徑20mm，厚度20 μ m。將其放置在由電機(jī)帶動(dòng)的旋 轉(zhuǎn)輻照臺(tái)上。調(diào)整激光束的光斑中心對(duì)準(zhǔn)環(huán)狀材料輻照區(qū)域中心，選擇激光功率為45w，電 機(jī)以720r/min的速度對(duì)材料進(jìn)行輻照處理30s后，產(chǎn)生了 19%的α -Fe(Si)晶化相，平均 晶粒尺寸為10. 8nm，材料的矯頑場(chǎng)為2. 9A/m，飽和磁化強(qiáng)度為953. 5Gs，剩余磁化強(qiáng)度為 0. 4Gs，其綜合磁性能得到改善。
權(quán)利要求
激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在于A、采用單輥熔體急冷法生產(chǎn)的鐵基非晶合金 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶材料，將其沖壓成圓環(huán)片，B、將圓環(huán)片狀的薄帶材料用丙酮超聲波清洗干凈，并吹干或者自然風(fēng)干至表面干燥；C、將圓環(huán)片狀的薄帶材料置于使圓環(huán)片旋轉(zhuǎn)的輻照臺(tái)上，并使薄帶材料的觸輥面朝外，D、開(kāi)動(dòng)輻照臺(tái)，使圓環(huán)片狀的薄帶材料沿軸心以500～3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，E、用經(jīng)過(guò)聚焦鏡離散的CO2激光照射薄帶材料的觸輥面，且光斑中心位于圓環(huán)片的環(huán)帶的中部，其中離散后的CO2激光的光斑直徑大于圓環(huán)片的環(huán)的寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在 于所述的步驟E中，CO2激光的功率為280 500w、輻照時(shí)間為5 60s。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特 征在于聚焦鏡位置可調(diào)，使觸輥面上的激光的離焦光斑直徑變化。
4.激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在于，通過(guò)以下過(guò)程完成A、采用單輥熔體急冷法生產(chǎn)的鐵基非晶合金-Fe73.5CUlNb3Si13.5B9薄帶材料，將其沖壓 成圓環(huán)片，B、將圓環(huán)片狀的薄帶材料用丙酮超聲波清洗干凈，并吹干或者自然風(fēng)干至表面干燥；C、將圓環(huán)片狀的薄帶材料置于使圓環(huán)片旋轉(zhuǎn)的輻照臺(tái)上，并使薄帶材料的觸輥面朝外，D、開(kāi)動(dòng)輻照臺(tái)，使圓環(huán)片狀的薄帶材料沿軸心以500 3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，E、用波長(zhǎng)為1.07 μ m的摻鐿光纖激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束光路后照射薄帶材料的觸輥面，且 光斑中心位于圓環(huán)片的環(huán)帶的中部，其中擴(kuò)束后的光纖激光的光斑直徑大于圓環(huán)片的環(huán)的寬度。
5.如權(quán)利要求4所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在 于所述的步驟E中，摻鐿光纖激光的功率為40 55w，輻照時(shí)間5 30s。
6.如權(quán)利要求1-2或4-5中任一項(xiàng)所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金 的方法，其特征在于所述輻照臺(tái)為采用高反射率的鋁合金材料制成的圓形平臺(tái)，該平臺(tái)由 電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求6所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在 于所述輻照臺(tái)軸心設(shè)有與圓環(huán)片內(nèi)環(huán)吻合的凸臺(tái)(2)。
8.如權(quán)利要求6所述的激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法，其特征在 于電機(jī)輸出端與輻照臺(tái)通過(guò)剛性聯(lián)軸器⑷同軸連接。
全文摘要
一種激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種激光輻照制備環(huán)狀鐵基非晶納米晶軟磁合金的方法。其特征在于利用波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光或波長(zhǎng)為1.07μm的摻鐿光纖激光輻照環(huán)狀鐵基非晶合金(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)，材料會(huì)產(chǎn)生定量納米晶化相。本發(fā)明介紹的方法能夠在常溫常壓下，針對(duì)環(huán)狀材料，快速、可控、環(huán)保、低能耗地制備出鐵基非晶納米晶合金。通過(guò)選擇不同的激光輻照工藝參數(shù)，制備出不同含量的納米α-Fe(Si)晶化相加剩余非晶的雙相組織結(jié)構(gòu)材料。納米晶α-Fe(Si)的平均尺寸在15nm以下，晶化比例小于20％，材料的綜合磁性能得到了改善。
文檔編號(hào)H01F41/00GK101928810SQ20101024914
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者于利蒙, 張國(guó)銳, 蔣毅堅(jiān), 馬千里, 鮑勇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)