1概述
對高溫應(yīng)用的
磁性材料開發(fā)倍受重視，因為它們是發(fā)展航空、航天和高技術(shù)武器系統(tǒng)成功的關(guān)鍵材料。
據(jù)有關(guān)資料介紹[1~4]，高溫
磁性材料有下列應(yīng)用：
在航空、航天多電力飛行器（MEA）中做集成動力裝置（IPU），其工作溫度從現(xiàn)在的300℃，提高到500~600℃，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子還承受500~600Mpa的切應(yīng)力。
無人駕駛戰(zhàn)斗飛行器（UCAV）主推力發(fā)動機(jī)的內(nèi)置起動器和發(fā)電機(jī)（IS/G）的定子、轉(zhuǎn)子，其工作溫度達(dá)400℃，并受825Mpa應(yīng)力。
宇宙飛船動力系統(tǒng)（SPS）氣體渦輪發(fā)動機(jī)的非接觸磁力軸承，包括推力軸承和徑向軸承的旋轉(zhuǎn)元件，工作溫度達(dá)550℃。
定向高能量武器系統(tǒng)（DEWS）的高能量密度功率電源和儲能裝置。間隙式工作的武器系統(tǒng)，須提供峰值功率5MW，連續(xù)功率達(dá)350KW，儲藏的能量每20000rpm達(dá)25MJ。
行星際航天飛行器用核電動力系統(tǒng)的工作溫度更達(dá)870℃。
其它應(yīng)用還有二次電源系統(tǒng)，無附加冷卻系統(tǒng)的機(jī)電傳動和控制元件等。
上述各種應(yīng)用的總體要求是整機(jī)系統(tǒng)及其所用元器件有高的可靠性和可維修性，承載能力大，重量輕，體積小以及成本低。
2各類元器件對高溫
軟磁材料的要求
從以上各種用途的工作條件來看，高溫應(yīng)用軟磁材料可分為兩類，一類是元器件在靜態(tài)條件下工作，如電機(jī)定子、功率電源及控制系統(tǒng)中的變壓器、飽和電抗器、磁放大器等；另一類是在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下應(yīng)用，如電機(jī)轉(zhuǎn)子、非接觸磁力軸等。
對第一類所用的鐵心材料的技術(shù)要求以高溫磁性為主，高溫力性為輔。對第二類所用鐵心材料的要求則相反。
對高溫用于定子、變壓器等鐵心材料的具體要求是：
a.在高溫時，在小的激勵磁場下有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bm），例如 最好Bs≥2T；
b.在高溫時有低的剩磁(Br)，小的矯頑力（Hc）和磁滯損耗值；
c.有較高的電阻率（ρ），整個鐵心的損耗小，如500℃時P2/5k≤480w/kg；
d.有一般材料的力學(xué)性能，可進(jìn)行機(jī)械加工；
e.上述性能在長時間、高溫下有足夠的穩(wěn)定性。時效試驗的條件過去為500℃，3000小時，現(xiàn)在則要求600℃，5000小時。
對高溫用轉(zhuǎn)子鐵心材料的要求是：
a.高溫時有高強(qiáng)度，高屈服點和高的彈性模量；
b.在長時間高溫的環(huán)境中有低的蠕變量，如在超過300Mpa的應(yīng)力下，在500~600℃經(jīng)1萬小時的應(yīng)變應(yīng)在0.4%以下；
c.在高溫時有足夠高的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，例如在工作溫度下Bm值應(yīng)在0.8~1T以上，在1KHz以下的μ達(dá)102~103量級；
d.在高溫高轉(zhuǎn)速的條件下，力性和磁性是穩(wěn)定的；
3磁參量與溫度的關(guān)系
在高溫下使用的軟磁材料，首先必須有高的居里溫度（Tc）。表1列出了Tc高于700℃合金成分及基本性能。其中除傳統(tǒng)的FeSi、FeCo系合金外，新開發(fā)的納米晶軟磁合金Hitperm型合金引人注目。
一般而言，傳統(tǒng)結(jié)晶態(tài)鐵磁材料的飽和磁化強(qiáng)度隨溫度的上升按一定的規(guī)律緩慢下降，在較低的溫度范圍遵守“布洛赫T3/2”定律。圖1示出一些能在高溫下應(yīng)用合金的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與溫度關(guān)系。當(dāng)溫度達(dá)到Tc時，鐵磁性消失。新型納米晶軟磁合金的Js-T曲線則因鐵磁晶化相析出而不同。
磁晶各向異性常數(shù)（K1）和飽和磁致伸縮系數(shù)（λs）與飽和磁化強(qiáng)度一樣都是鐵磁材料的基本磁性常數(shù)。它們決定著磁化過程。當(dāng)溫度升高時K1和λs也下降，但K1對溫度的敏感比Bs和λs大的多。分子場理論指出：K1隨T的變化K1(T)/K1(0)約是與Js~T變化Js(T)/ Js(0)的6-10次方成比例。
磁導(dǎo)率（μ）、矯頑力（Hc）、損耗（P）是技術(shù)磁參數(shù)，它們?nèi)Q于上述三個基本磁性參數(shù)和合金的組織結(jié)構(gòu)。一般來講，當(dāng)溫度升高時μ增加而Hc和P下降。但是磁導(dǎo)率隨溫度的變化相對而言顯得更為復(fù)雜。在一定溫度以下，μ(T)關(guān)系主要取決于K1(T)關(guān)系，當(dāng)溫度升高時，K1減小，μ增加 ；當(dāng)超過一定溫度以后，特別是接近Tc時，Bs(T)的關(guān)系成為主要的影響因素，當(dāng)T升高時，由于Bs大大下降使μ也下降。
因此，在μ(T)曲線特別是初始磁導(dǎo)率μi(T)上會有一個峰值。
從上述簡單分析可知，當(dāng)溫度升高時，由于磁特性的改變，影響器件的特性，例如由于Bs下降，使器件的輸出功率或電壓下降，又由于μ值的增加和Hc的減小，使器件處于較靈敏的工作狀態(tài)。
在高溫下長時間工作的鐵心材料還必須考慮有序-無序轉(zhuǎn)變，α-γ相變，晶粒長大，第二相的析出，氧化等的影響。對納米晶軟磁材料而言則還要考慮晶化相析出，納米晶尺寸變化等因素對磁性和力學(xué)性能的影響。
4高溫用軟磁材料及其發(fā)展
表2列出可以做定子、變壓器等鐵心材料的性能，其中FeCo合金的工作溫度最高。為了提高Co50V2合金的力學(xué)性能，可以適當(dāng)降低退火溫度，或加0.025~0.05%C，或加少量Mo(V+Mo=1.5~2.5%)，使合金在不太降低磁性的前提下，提高強(qiáng)度。表3和圖2列出了Co50V2(HiperCo50)在較低溫度退火后的力性和損耗[5]。
最近的研究發(fā)現(xiàn)HiperCo27合金的磁性更適宜在高溫下使用[6]。圖3列出三個FeCo系合金在500℃時效2000小時后，損耗（P1.8/1k）與溫度的關(guān)系（其中HiperCo50HS是含0.3%Nb的Co50V2合金）。HiperCo27合金的損耗不僅小，而且隨著溫度的提高進(jìn)一步減小。圖4是該三個合金在500℃時效時Hc隨時間的變化。HiperCo27的磁性最為穩(wěn)定。研究還表明Co50V2型合金在600℃時效時，由于富V的第二相析出使Bs下降，而Hc增加（見圖5）[7]。
這一類在靜態(tài)條件下使用的材料的實際應(yīng)用如下：定子材料用雙取向SiFe(600℃以下)和HiperCo27(450~800℃)；變壓器鐵心材料用取向SiFe（450℃以下）、HiperCo27和Supermendur合金（450~800℃）；飽和電抗器和磁放大器用取向SiFe和Supermendur合金；磁極材料可用鑄態(tài)1.25%Si-Fe或50%Co-Fe合金（450~760℃）。
另一類是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或磁力軸材料，主要要求有好的高溫力學(xué)性能，其次是有一定的磁性。屬于這類的材料有：
a.沉淀硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料：包括以Fe為基的馬氏體時效鋼，H-11工具鋼以及析出A3B型金屬間化合物沉淀相的以Co基、Fe-Co基或Fe-Ni-Co基多元合金。
b.彌散硬化型高溫轉(zhuǎn)子材料：在Co或FeCo(27-35%)為基的合金中加入堅硬的第二相，如B化物、ThO2或Al2O3等顆粒進(jìn)行彌散強(qiáng)化，控制合適的第二相粒子尺寸和體積分?jǐn)?shù)以及粒子間距，在矯頑力增加不多的前提下，大大增強(qiáng)合金基體的高溫力性，特別是蠕變強(qiáng)度。這類材料的工作溫度高于上述沉淀硬化型合金。
表4列出上述二類典型材料的性能和工作溫度。
c.纖維強(qiáng)化型高溫轉(zhuǎn)子材料。用難熔金屬纖維如W纖維或C纖維來強(qiáng)化高Tc高Bs的軟磁合金[7]。圖6為Co50Fe-W復(fù)合材料的強(qiáng)度（σs）和Bs值與W纖維量的關(guān)系。退火后由于晶粒長大，內(nèi)應(yīng)力消除使Hc和磁滯損耗大為改進(jìn)（見圖7）。此外，該材料在600Mpa應(yīng)力、550℃時的蠕變幾乎可忽略不計，大大優(yōu)于商用HiperCo50HS合金（見圖8）。
顯然，對這類材料而言，基體合金的選擇、纖維含量、尺度及分布狀態(tài)是最重要的。
1998年在美國軍方的支持下，Willard M.A等公布了可用于高溫的納米晶軟磁合金，典型成分為Fe44Co44Zr7B4Cu1，名為Hitperm型合金[8.9]。該合金是用熔體快淬法先獲得0.02-0.05mm厚的非晶薄帶，再在晶化溫度以上適當(dāng)溫度退火，形成在非晶基體上析出尺寸約為10-15nm的α-FeCo(FCC) 或α'-FeCo（B2有序相）納米晶結(jié)構(gòu)，從而獲得高的Bs值（>2.0T）和Tc值（>965℃）。圖9列出Hitperm型納米軟磁合金的差熱分析曲線。可知在Tx1=510℃析出α（或α'）-FeCo結(jié)晶相，在Tx2=700℃時析出（FeCo）3Zr相，在大約985℃處發(fā)生α→γ相變。圖10列出二個納米合金的磁化強(qiáng)度隨溫度的變化。Fe44Co44Zr7B4Cu1在500℃時析出高Bs的FeCo相使磁化強(qiáng)度不降反升，直到985℃處由于鐵磁性α-FeCo相轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判驭?FeCo相，磁化強(qiáng)度才大降。該合金在很寬的溫度范圍保持高的磁化強(qiáng)度。另一個名為Nanoperm的Fe88Zr7B4Cu1合金，由于在非晶態(tài)時其Tc在室溫附近，所以當(dāng)溫度升高時磁化強(qiáng)度很快降為零，到約500℃時，由于析出α-Fe相使磁化強(qiáng)度值大增，到770℃α-Fe的居里點處磁化強(qiáng)度又降為零。這個合金B(yǎng)s值約為1.6T。相比之下，高溫磁性不如上述Hitperm型合金。圖11列出Hitperm合金的磁滯回線、損耗及交流磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線。
表5列出了可用于高溫的三個納米軟磁合金的性能[9~12]。此外，改變Hitperm型合金的Fe/Co比，如0.05/0.95、0.7/0.3或用Nb、Hf、Ta、Mo部分代替Zr也可獲得高Bs高Tc納米軟磁合金，其磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線與圖10中的Fe44Co44Zr7B4Cu1合金一樣[11~15]。還發(fā)現(xiàn)Fe45Co45Zr3.7Hf3.7B3.6Cu1合金在500~600℃納米晶化后又在500℃等溫退火700小時，仍能保持較低的矯頑力（Hc<50A/m），說明由于微晶生長抑制劑-Hf的存在，使納米軟磁合金具有良好的熱穩(wěn)定性[16]。（Fe0.7Co0.3）88Hf7B4Cu1合金也具有良好的高溫磁性和熱穩(wěn)定性[17]。
由上可知與通用的FeCo系晶態(tài)合金相比，高Bs高Tc的納米軟磁合金由于λs小，電阻率（ρ）高，帶薄等，應(yīng)具有良好的交直流磁性，另外納米晶結(jié)構(gòu)會有更好的力學(xué)性能。納米軟磁合金薄帶的制備工藝簡單，Co含量低，成本也就低。
現(xiàn)在美、日、歐洲各國都在大力開發(fā)高溫大功率用納米晶軟磁合金，盡管公開的性能數(shù)據(jù)不全，但是美國軍方認(rèn)為該類材料是目前航空、航天多電力飛行器集成動力裝置（MEA-IPU）等高速高溫發(fā)電、配電、用電系統(tǒng)的首選新型材料。
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