一种纳米铁基软磁块体的制备方法 【技术领域】
本技术属于磁性功能材料加工领域，特别涉及一种纳米铁基软磁块体的制备方法。
背景技术
软磁合金是电子生产行业重要的功能材料之一，它比传统的硬磁材料有更加优越的导磁性能，在很宽的频率范围内电能利用率远高于铁磁材料，且体积更小。软磁合金在航空航天、通讯和电力、电子技术等领域的应用前景非常广阔。软磁合金原材料主要有Mn-Zn系、Ni-Zn系、Cu-Zn系等，多用于变压器、线圈、天线、磁头、开关等。另外，非晶态合金和合金薄膜也可制成软磁材料。随着高新技术产业的发展，各种电磁元器件逐渐向高质量、小型化、集成化、高可靠性和多功能方向发展，要求所使用的软磁合金必须不断提高磁学和力学性能，如提高功能效率、迅速响应外磁场、提高高频性能、减少涡流损失、降低噪声等。
纳米晶软磁合金的发明又是软磁合金的一个突破性进展，纳米晶软磁合金可使配电变压器的空载损耗降低70％。但至今，工厂只能制备纳米晶薄带。纳米晶薄带不能制成性能优异的异形磁性元件。只有制备出三维、无微孔隙的大块体纳米晶材料，才能真正地突破纳米晶材料目前不能大范围应用的“瓶颈”，为目前纳米材料研究与应用带来无限生机和希望。因此，纳米晶块体的制备工艺就成为当前纳米材料科学工作者所关心的重要课题之一。
NANOPERM于1988年就实现了纳米晶软磁合金带材产业化。国内经过30余年的研究开发和产业化攻关，目前约有10余家企业可以规模化生产非晶、纳米晶合金带材及其制品，其中铁基非晶带材的年生产能力达到3000吨，纳米晶带材的年产量超过500吨。最近十年来纳米磁性材料已经获得了广泛的应用。
将纳米软磁材料加工成任意形状与大小的三维空间体的方法一直是人们研究的目标。目前已知的方法或多或少有其不足之处，具体如下：
①机械合金化法：通过机械合金化技术(MA)制取纳米粉体，再将粉体通过常见的固化成形技术(如静态高压成形法、动态高压成形法、等离子烧结)固化得到块体非晶材料或纳米材料，此方法在研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，不易得到洁净的纳米具体界面；
②急冷法：通过急冷快速凝固技术实现熔体快速凝固，生产出薄带，通过薄带绕制成块体，此法在应用上存在较大限制，该块体层间有间隙，强度不高，难以绕制复杂形状；
③深过冷法：通过调节影响过冷度的因素等，将软磁合金原料熔化后高度纯化以避免或清除异质晶核，然后金属液在大的热力学过冷度下快速凝固，此种方法存在的问题是熔剂的适应性差，试验结果分散，净化效果稳定性差；
④单辊甩带法：指熔融的金属在压力的作用下，从坩埚底部小孔处喷射到转动的铜辊上，此方法只能制备出几十～几百微米厚的铁基非晶薄带，用这种薄带绕制成的块体纳米软磁材料因内部存在很多缝隙而影响材料的软磁性能；
⑤粉末冶金法结合烧结法生产纳米软磁体：即先通过气体雾化法制备出非晶粉，然后再将非晶态粉末在过冷液相区烧结成形(脉冲电流烧结法、超高压烧结法、放电等离子烧结法)，晶化制取纳米晶，此方法只适合于非晶形成能力特别强的软磁合金系；
⑥铜模铸造法：在高真空、氩气保护气氛下，金属熔化以后直接注入铜模内冷却而得到非晶块体材料，再经过不同的热处理工艺获得具有不同软磁性能的块体纳米软磁材料，此方法也只适合于非晶形成能力特别强的软磁合金系；
⑦大塑性变形法：在低温条件下，金属料在大应力的作用下发生大塑性变形而获得具有大角度晶界超微粒子的块体纳米软磁，此种方法不易获得各向同性的块体纳米材料以及不适合塑性差的材料。
上述方法，突出的不足是：空间形状受工艺限制，变化不灵活；对环境要求苛刻，能耗高；如高压、低温、大电场加热；对产品的成分有限制。而且，这些工艺都只能先做好纳米软磁三维空间的形状，再进行加工，其工艺复杂、成本高。
激光烧结成型是一种新的方法。选择性激光烧结基于分层制造的思想，将三维实体离散化为一系列具有一定厚度的片层，利用激光逐层有选择地烧结固化粉末材料形成二维零件层面，层层叠加堆积获得三维结构的零件实体。
专利号【200510045640.5】公开了一种激光表面晶化制备薄带状铁基非晶纳米晶软磁合金的方法。但所得的产品的基底材料为Fe非晶带，且只在其表面的薄层内生成非晶纳米层，不生成块体的纳米软磁材料。
专利【200410006824.6】公布了一种用于选择性烧结的金属粉末组合物，由铁基或镍合金粉末、铜或铜合金粉末及石墨粉末组成，石墨粉末材料在熔化期间起改善润湿性的作用并且在固化期间起减少微裂纹的作用。但烧结的粉体不处于纳米尺度内，没有纳米效应的影响，不生成块体的纳米软磁材料。
纳米铁基软磁块体是一种优异的导磁材料，用于变压器、互感器等电磁转换领域。因此，导磁材料最终必须是各种各样的形状以便于绕制线圈绕组。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种工艺简单、加工周期短、所出产品品质优良的纳米铁基软磁块体地制备方法。
所述纳米铁基软磁块体的制备方法，包括以下步骤：
(a)计算机建模：将待制备的纳米铁基软磁块体的形状(如圆环状等各种空间形状)在计算机上通过专业的三维图形软件(如PRO-E、AutoCAD等)设计出来；
(b)加料：通过计算机控制进料器自动进料，并在加工平台上铺展一层已均匀混合的含有铁基的纳米软磁粉末；
(c)计算机工艺参数生成：计算机图形加工软件通过自动化控制装置将设计出的三维图形分解成一系列控制激光器扫描速度、输出功率、烧结路线和控制进料器加料量及加料部位等的加工信号；
(d)专业激光加工控制台烧结：在计算机的信号控制下，进料器与激光器协同工作，一层层有序地进料、分层烧结，直到完成待制备的纳米铁基软磁块体形状烧制。
所述激光器采用CO2快速轴流激光器，其参数为：光斑直径d＝0.6～1mm，焦距1＝120～190mm，光束模式TEM00，激光扫描速度在10～300mm/s范围内连续可调，激光功率在100～200W范围内连续可调。
选择激光烧结采用参数可调的快速激光成形机。其整体工作参数是决定纳米磁芯成败的关键。激光烧结可能导致纳米粉末生长成为非纳米结构的晶体，或者成品磁芯强度低，瑕疵多。因此，激光器加工控制台为密闭加工空间，温度控制在5～10℃，并有惰性气体保护。
在b步骤中，所述的含有铁基的纳米软磁粉末为Fe-B-Si系、Fe-M-B系等纳米粉末，平均晶粒粒径为30～50nm，所铺厚度为0.05～0.6mm；M表示金属元素，如Mo、V、W、Nb、Ta、Cr等。
本发明待烧结的含有铁基的纳米软磁粉末可由多种途径获得。如可直接从厂家购买，或者将软磁合金构成成分按比例混合后，通过机械化合金法制备30～50nm的粉末合金：先通过普通球磨预粉碎，然后再在惰性气体(如氩气)的保护下在高能球磨中反复破碎，回转机械能传递给粉末，同时粉末在球磨介质的反复冲撞下承受冲力、剪切、摩擦和压缩多种力的作用，经历反复的挤压、冷焊合及粉碎过程成为弥散分布的超细粒子，在固态下实现合金化，直至软磁合金达到30～50nm的粉末。
在进料量确定的情况下，用激光直接烧结纳米粉末的成败，其影响因素主要包括激光束的能量密度、材料的受作用时间、激光束的能量分布、以及激光扫描线的搭接状况等，具体到激光烧结工艺上，表现为激光功率、扫描速度、光斑直径、光束模式、粉层厚度、扫描间隔等参数。
大激光功率产生的激光波会引起纳米粉末飞溅、甚至爆炸，激光功率过小，纳米合金粉末达不到熔点，不能进行有效烧结。实验表明，激光功率应该控制在一个可调范围内，并与待烧结的材料物性有关。通常激光功率控制在30～200W之间。工作时，纳米粉状材料在烧结过程经历了液化与重新结晶的过程，重新结晶的晶粒大小能否达到纳米级、材料强度能不能符合要求，取决于重新结晶时的温度变化情况。激光束的扫描速度、光斑直径、光斑模式、扫描间隔与路线、粉末层厚度等因素综合在一起，影响着上述的温度变化过程。这些加工量的具体取值范围根据待加工材料性能主要用过实验获得，通常环境温度控制在5～10℃时，激光束模式为TEM00，光斑直径在0.6～1mm，扫描速度范围多处于10～300mm/s，粉末层厚度≤0.6mm，扫描间隔控制在0.6mm以内且要保证激光束搭接。
本发明不同于已知的其它纳米软磁块体的生产过程，它在生产过程中对环境、工艺要求低，不需要预先制作相应的模具，工艺简单、加工周期短、成本低、环保。使用该方法制备出的纳米铁基软磁块体也不同于纳米薄带生产的块体，浑然一体，没有间隙，导磁性能更好，具有较为清晰的层间界面特性，组织结构更为致密、均匀。
【附图说明】
图1是本发明所述主要设备的位置结构示意图。
图中：1-计算机，2-加工平台，3-进料器，4-激光器，5-激光发射头，6-密闭加工空间。
【具体实施方式】
实施例1
取Fe、Si、B、Cu、Nd元素，按重量比0.735∶0.135∶0.09∶0.01∶0.03，用机械化合金法制成纳米粉末，粉末直径在30～50nm；通过PRO-E制作三维环形图像，剖面为矩形，环大小为200mm，矩形尺寸50mm×50mm。再通过接口软件分解工艺参数，控制信息连同粉末送入激光器加工平台2，粉层厚度0.1mm。在计算机1的信号控制下，进料器3与激光器4协同工作，一层层有序地进料、分层烧结，直到完成待制备的纳米铁基软磁块体形状烧制。1KW CO2快速轴流激光器工作参数：光斑直径d＝1mm，焦距l＝120mm，光束模式TEM00。激光扫描速度在10mm/s，激光功率在100W，扫描间隔0.6mm。
实施例2
按专利【200510020015.5】公开的一种激光烧结快速成形材料的制备方法，首先将作为粘结剂的酚醛树脂或环氧树脂粉碎至50μm以内；再将待烧结的金属Fe、Si、B、Cu、Nd元素，按重量比0.735∶0.135∶0.09∶0.01∶0.03与粉碎后的粘结剂加入到球磨机中，混合均匀；取出合金粉末，送入高能球磨中进行粉碎，使得粉末直径在30～50nm。通过AutoCAD制作三维环形图像，剖面为矩形，环大小为5mm，矩形尺寸3mm×3mm。再通过接口软件分解工艺参数，控制信息连同粉末送入激光器加工平台2，粉层厚度0.4mm。在计算机1的信号控制下，进料器3与激光器4协同工作，一层层有序地进料、分层烧结，直到完成待制备的纳米铁基软磁块体形状烧制。1KW CO2快速轴流激光器参数：光斑直径d＝0.8mm，焦距l＝125mm，光束模式TEM00。激光扫描速度在40mm/s，激光功率在150W，扫描间隔0.4mm。
实施例3
按专利【200510020015.5】公开的一种激光烧结快速成形材料的制备方法，首先将作为粘结剂的酚醛树脂或环氧树脂粉碎至50μm以内；再将待烧结的金属Fe、Co、Mo、Dy、B元素，按重量比0.63∶0.095∶0.02∶0.005∶0.25与粉碎后的粘结剂加入高能球磨机中进行粉碎，使得粉末直径在30～50nm。通过软件制作三维空心框图像，剖面为矩形，框大小为100mm×100mm，矩形尺寸30mm×30mm。再通过接口软件分解工艺参数后产生控制信息连同粉末送入激光器加工平台2，粉层厚度0.5mm。在计算机1的信号控制下，进料器3与激光器4协同工作，一层层有序地进料、分层烧结，直到完成待制备的纳米铁基软磁块体形状烧制。1KW CO2快速轴流激光器参数：光斑直径d＝0.6mm，焦距l＝135mm，光束模式TEM00。激光扫描速度在80mm/s，激光功率在200W，扫描间隔0.3mm。