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激光增材Fe-Si系磁性合金组织及性能研究
摘要
随着科学技术的飞速发展,各领域对磁性功能材料的力学性能、耐磨性能和磁性能
等方面提出了更高的要求,因此磁性材料的综合性能以及制备工艺面临全新的挑战。激
光增材制造技术是一种集结构性-功能性-高效性于一体的先进成型工艺,具有热输入量
低、自由度高和控制精确的优势,对解决当下功能材料的制备难题有极大的研究价值。
Fe-Si系合金作为一种具有高饱和磁感应强度和高磁导率的优秀软磁材料,在民用
电力行业以及先进军事技术领域具有重要地位。本文用激光增材制造技术沉积制备了
Fe-Si系合金,研究了稀土元素添加、后续热处理及同步外场机械振动对合金组织和性
能的影响。研究内容主要包括:
1.加入Ni元素明显改善了Fe-Si系磁性功能合金的力学性能和软磁性能。Ni含量为
4wt.%时,合金的力学性能和磁学性能达到最优,其延伸率达到14.3%,抗拉强度达到
655.5MPa;饱和磁化强度和矫顽力分别为194.09emu/g和1.86Oe。同一激光工艺参数
下成型的Sendust合金和SuperSendust合金均有着较为优异的软磁性能,其矫顽力分别
为1.55Oe和1.37Oe,前者由于高脆性而存在横向延伸的裂纹,成分调控的含NiSuper
Sendust合金没有出现裂纹,且软磁性能更优。
2.稀土元素Nd的加入使Fe-Si-Ni软磁合金的组织得到明显的细化,合金的耐磨性
能得到显著提升,当Nd添加量为4wt.%时,合金磨痕宽度和磨损失重降至最低,分别
为690μm和0.2mg,其耐磨性最好。Nd元素的加入对合金抗拉强度影响不明显,其中
添加量为2wt.%Nd的合金抗拉强度最高,达到了707.0MPa,相比未加Nd的原始体系
提高了7.9%。当Nd添加量为1wt.%时,合金的饱和磁化强度达到197.87emu/g,相比
未添加Nd的原始合金小幅提升。
3.后续热处理能够明显改善合金的组织、力学性能和软磁性能,热处理后的合金晶
粒明显生长,削弱了柱状晶取向生长的特征;900℃处理后合金的抗拉强度和延伸率分
别达到715.3MPa和18.9%,比原始态合金提升了9.1%和32.2%;经700℃和900℃处
理后,合金的矫顽力比原始态分别降低了14.1%和10.1%,软磁性能得到明显提升。
4.在激光增材过程中同步添加机械振动外场,使合金组织中的柱状晶破碎细化,有
效抑制了晶粒取向性。在频率为20Hz和600Hz的振动场下,合金的延伸率分别为15.8%
和14.9%,比原始态合金有小幅提升,但抗拉强度变化不明显。当频率为20kHz时,合
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
金具有良好的软磁性能,其饱和磁化强度为194.24emu/g,略高于原始态合金;矫顽力
降低到1.66Oe,比原始态合金降低了约10.8%。
关键词:激光增材制造;Fe-Si系合金;软磁材料;饱和磁化强度;矫顽力;外加机械
振动场
II
激光增材Fe-Si系磁性合金组织及性能研究
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,higherrequirementshavebeen
putforwardforthemechanicalproperties,wearresistanceandmagneticpropertiesof
magneticfunctionalmaterialsinvariousfields,sothecomprehensivepropertiesand
preparationprocessofmagnetic