非晶合金材料

非晶合金材料（精选9篇）

非晶合金材料 篇1

1 非晶合金材料的特点

在冶金材料中,金属或合金属于晶态结构材料,这类材料中的原子呈有序排列,其点阵结构具备周期性特点。而非晶合金是指在液态或气态物质在急速冷凝固状态下,合金原子中的结晶未能有序排列,使得固态合金原子呈现出无序结构,不存在晶态合金的晶界、晶粒。非晶合金的性能优异、工艺简单,属于先进的冶金材料,拥有良好的耐磨性、耐蚀性、磁性、韧性、耦合性、电阻率、硬度和强度。非晶合金的构成元素为80%的铁元素和20%的硅元素,具有高饱和磁感应强度,相比较硅钢片而言,其在磁导率、铁损、激磁电流等方面均显现出优势,尤其在铁损方面,非晶合金仅为硅钢片的1/3,将非晶合金应用到变压器中,可有效降低能耗。非晶合金的带材厚度一般为0.03mm,适用于条件为10k Hz以下频率,当前已经被广泛应用于大功率开关电源、磁放大器、逆变器以及各类型变压器中。

2 非晶合金铁心变压器的结构

由于非晶合金材料的加工工艺较为复杂,在现有的技术条件下,非晶合金带材的规则只有三种宽度分别为142mm、170mm、213mm,其特点是硬而脆、难以剪切和加工。鉴于此,绝大部分的非晶合金铁心采用的都是长方形截面。从其结构形式上看,具体是将下铁轭部分设计成交错搭接的开口单卷卷铁心结构。三相五柱式是一种用于非晶合金变压器铁心结构较为普遍的形式,如图1所示。

3 非晶合金铁心变压器的应用前景

以非晶合金作为铁心的变压器具有节能和环保的优点。在节能方面,非晶合金铁心变压器的空载损耗非常低,这使其节能效果非常显著,因非晶合金材料有着优异的导磁性,能够以较少的能耗磁化或是消磁,因此非晶合金铁心变压器的空载损耗要远远低于常规变压器,这一特点在实际应用中得到了验证。此外,在一些电力负荷波动变化较大的领域中,如公路、城市基础设施、民用住宅小区等等,非晶合金铁心变压器也同样具有良好的节能效果,它的应用不但能够节省大量的电厂投资,而且还能减少发电燃料的消耗,经济效益十分明显。在环保方面,通过相关的技术检测结果可知,将非晶合金铁心用于油浸式变压器时,能够减少各类有害气体的排放,如一氧化碳、氧化硫、氮气等等,这对于降低大气污染较为有利。

作为发展中国家,我国的能源消费增长速度加快,同时,能源紧缺也是一个不争的事实。为此,国家将节能作为了一项重要的基本国策。随着城乡电网改造进程的不断加快,国电总公司相继实行了更换S9型节能变、停产S7型和淘汰电网中64及73系列的高能耗变压器等措施,这对电网线损的降低起到了一定的作用。据相关调查统计数据结果显示,现阶段我国输配电损耗约占电力总产量的7%左右,由此导致了电力利用率有所降低,大量的电能白白浪费,因此降低变压器损耗成为节能降耗的当务之急。配变是电力传输系统的关键设备,其数量多、运行时间长、节能潜力巨大。随着电力工作者对非晶合金材料优点的逐步认识,非晶合金铁心变压器势必会在不久的将来取代传统的铁心变压器,通过非晶合金铁心变压器在配网当中的大规模应用,能够发挥出不可估量的节能作用,由此产生的经济效益和社会效益非常巨大。不仅如此,还有利于电能质量的提升和电力系统自身损耗的降低。非晶合金铁心变压器的初期成本虽然要比传统变压器高很多,但它所具有的优异的低损耗性能,将会使运营成本大幅度降低,由此带来的经济效益是非常巨大的,足以抵消前期投资成本。鉴于此,推广普及此类变压器对于节能增效具有重要的现实意义。

4 非晶合金铁心变压器的发展方向

与优质冷轧硅钢片相比,非晶合金材料的价格略高,加之其工作磁密度略低,需要使用大量的导线,使得非晶合金铁心配电变压器的价格高于硅钢片配电变压器。但是,非晶配变的使用性能优异,在综合考虑变压器寿命周期内的能耗情况下,可在非晶配变价格高于硅钢片配变30%以内时,选择安装非晶配变是最为经济的方案。从投资效益上来看,使用非晶配变能够大幅度减少空载损耗,这部分损耗节省的资金可用来抵消非晶配变一部分售价,使得非晶配变即便售价过高,也仍具备良好的投资价值。对于工厂企业而言,选择非晶变压器时需要多投入一部分资金,但是在非晶变压器使用中,可有效节省电费支出,使得多支出的这部分资金基本会在4~5年内回收。对于电力系统而言,线路损失是重要经济考核指标,选用非晶变压器可有效降低线损,提高供电经济效益。

参考文献

[1]邓云川,高宏.非晶合金铁心变压器及其在电气化铁路中的应用[J].高速铁路技术,2013,(8):81-82.

[2]王金丽,盛万兴,向驰.非晶合金配电变压器的应用及其节能分析[J].电网技术,2008,(18):25-29.

[3]张涛,宋宣迪,余勇.非晶合金铁心配电变压器的安装及检查[J].农村电工,2013,(8):102-103.

非晶合金材料 篇2

2005年国务院发出了《关于做好建设节约型社会近期工作的通知》，2006年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中提出：“全面落实科学发展观，加快经济增长方式转变，建设资源节约型、环境又好型社会，实现可持续发展。”并要求：“强化能源节约和高效利用的政策导向，加大节能力度。通过优化产业结构特别是降低高耗能产业比重，实现结构节能；通过开发推广节能技术，实现技术节能。”《国家电网公司农网“十一五”科技发展规划纲要》明确要求：继续加强农网建设，调整网络布局，优化网络结构，提高电网供电能力、提高农网整体装备技术水平、提高供电质量和供电可靠性；加强“四新”技术和产品的研究开发与推广应用。一次设备建设中，大力推广节能型、环保型配电变压器，提高农网节能降损水平。积极推广应用节能、降损、环保技术，淘汰高耗能变压器。中压线损率降到9%以下，低压线损率降到11%及以下，10kV母线功率因数达到0.95以上的目标。

我国自1998年开始打规模城乡电网建设与改造以来大力推广应用S9型节能配变，停止生产S7型配变并淘汰电网中的“64”、“73”系列高耗能配变，对降低电网线损起到

了积极的作用。据统计目前线损率已下降到7.71%。但仍高出国际先进国家1—2个百分点。降低配变的损耗，提高供配电系统的效率，仍是目前世界各国关注的问题。在整个供电系统中，配电变压器所占比重最大，改进其性能，降低损耗指标，对电力系统节能、提高系统可靠性具有重要的意义。

非晶合金铁芯变压器采用新材料、新技术、新结构、新工艺，作为一种新型节能配电设备，特别是其具有的低空载损耗特性，备受电力系统及用户的关注。

我公司生产的非晶合金变压器具有以下特点：

我公司主要生产SBH15-M型系列非晶合金铁芯配电变压器。

1.材料特点

电力变压器传统的铁芯制造技术是以硅钢片为基本材料，在降低变压器自身损耗上，无论任何国家及制造厂商，均是以选用优质硅钢片为先决条件来降低变压器自身损耗，来提高电能的转换能力。

随着原材料制造工业的技术发展，目前变压器制造行业，尤其是配网使用的小型变压器，制造厂家开始采用非晶合金为铁芯制造材料的变压器。我们所说的非晶合金，是指一种采用特殊的超快速致冷工艺加工而成的金属材料，由于材料生产工艺的限制，一般均为带材。

非晶合金在其制造过程中采用了超急冷凝固的技术，使得在材料的微观结构中，金属原子在从液体（钢水）固化成固体的过程中，原子来不及排列成常规的晶体结构就被固化。这种原子结构无序排列的状态即称为非晶态，由此生产而成的材料被成为非晶合金。非晶合金材料具有非常优异的导磁性能，它的去磁与被磁化过程极易完成，较硅钢材料铁芯损耗大大降低，达到高效节能效果。因而作为一种极其优良的导磁材料被引入变压器等需要磁路的产品中。采用非晶合金制造成变压器铁芯，并组装成的变压器，即称为非晶合金变压器或非晶合金铁芯变压器。

2.环保特点

选用非晶合金为铁芯的变压器，其显著特点就是节能和环保。首先在环保方面，经技术检测，当非晶合金铁芯用于油浸变压器时可有效减排CO、SO、NO等有害气体，对大气污染程度降低，所以可以称其为21世纪电力产品中的“绿色产品”。其次，非晶合金变压器最显著的特点是空载损耗很低，节能效果明显。由于非晶合金材料具有优越的导磁性，更易于以极少能耗磁化或消磁。因此非晶合金变压器的空载损耗远远低于传统变压器。以我公司生产的315kVA非晶合金变压器为例，非晶合金变压器和S9型传统变压器的空载损耗分别为170W和670W。非晶合金变压器的空载损耗比S9型传统变压器降低75%左右，节能效果非常显著。对于公路、城市基础设施及住宅小区等电力负荷波动较大的领域，非晶合金变压器的节能效益更加明显。由于节能

效果显著，可节省大量的电厂投资，减少发电燃料的消耗，从而减少对大气环境的污染。

3.综合成本特点

由于非晶合金变压器采?昧诵虏牧稀⑿录际酰ひ崭丛樱虼似洳芳鄹窠洗潮溲蛊髀愿撸话惚韧秃糯潮溲蛊鞲?30%左右；但由于其节能效果显著，运营成本较低，所以其综合使用成本较传统变压器低。以500kVA的非晶合金变压器与常用的S9型变压器相比，非晶合金变压器每台每年可节约电能6832.8kWh，一年节约电费5207元。虽然非晶合金变压器比S9型变压器价格高20%—30%左右，但所增加的成本，可在该变压器运行的2~3年内全部回收。

4.结构性能特点

非晶合金变压器采用全密封式结构，可延缓变压器油和绝缘纸的老化，不仅结构紧凑，而且具有运行效率高、免维护的优点。还增加了农网偏僻地区变压器的防盗性能。非晶合金变压器由于损耗低、发热少、温升低，故运行性能非常稳定。

非晶合金材料 篇3

铝基非晶合金材料不仅具有高的比强度,还具有良好的韧性、超塑性、耐磨性和耐蚀性等优点,是一种具有广阔应用前景的新型结构材料,已经得到了国内外科研工作者的密切关注。最初在1965年,Predecki、Giessen等采用熔体急冷法得到了Al-Si非晶合金,之后人们陆续得到了Al-Ge,Al-M(M=Cu,Ni,Cr,Pd),Al-Fe-B,Al-Co-B,Al-Fe-Si,Al-Fe-Ge和Al-Mn-Si等系列非晶合金体系,但是这些合金并不是完全非晶相,而是非晶相和晶化相共存,同时合金材料存在脆的问题[2]。直到1987年,Inoue等制备出了含铝量高达80%(质量分数)的具有良好韧性的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge非晶合金系。随之,引发了科学家们对铝基非晶合金材料更加深入的研究[3]。

1 铝基非晶态合金制备方法分类

自铝基非晶态合金面世以来,科研工作者们采用了众多方法制备了不同成分的铝基非晶态合金,目前制备方法主要为急冷法和机械合金化法[5]。

1.1 急冷法

近十几年来发展的众多快速凝固法,追求的是获得更大的冷却速率(大于103℃/s),这显然迫使材料至少在一个方向上尺寸很小,导致此法制备出的材料均为薄片、粉末或者薄带。由此可将快速凝固技术分为三类:①单辊旋转淬冷法;②雾化法;③表面熔化及强化法[3,4,5,6]。

1.1.1 单辊旋转淬冷法(MS法)

该法是人们最早用来制备金属玻璃的方法,几乎所有非晶合金研究中成分合金的非晶化都是从MS法开始的。MS法通常是采用感应加热法致使石英管中的母合金熔化,然后将其喷射到具有一定转速的水冷铜质单辊上,以使其快速冷却凝固,得到非晶态合金薄带。Inoue等[2,3]采用MS法研究了前过渡金属元素M对不同成分的铝基合金形成非晶能力的影响,从中发现,Zr,Hf最容易促成非晶合金的形成,其次依次为:Ti,V,Mo,Nb,Cr,Ta等,W则无法实现非晶化。王胜海[2,3]等采用MS法制备出厚度达到140μm的Al-Ni-La-Ce-Pr-Nd超厚非晶条带。 此法不仅使用方便,冷却速率大,容易获得非晶,可实现连续生产,而且可以通过控制单辊的转速以获得不同厚度或组织的薄带[4],但是仅限于制备条带状非晶材料。

1.1.2 气体雾化法[3,4,5,6]

该法主要是通过高速雾化气体冲击金属液流使其分散为微小液滴,从而实现快速凝固。通常气体雾化法冷却速率可达102～104 K/s,采用超声速气流可明显改善粉末尺寸分布,进一步提高冷却速率。此外,冷却介质是该工艺中制约非晶铝合金生产的一个重要因素。由于氦气的传热速度快,采用氦气作为射流介质,冷速比用氩气大数倍,但成本较高;应用氦气作为冷却介质也可实现合金非晶化。为了进一步提高冷却速率,采用多级雾化方式制备非晶合金。雾化法生产效率高且合金粉末成球形,有利于后续成型工艺消除颗粒的原始边界,适用于工业化生产。但与MS法相比,其冷却速率较低,需严格控制合金成分。Inoue教授[7] 等率先利用雾化法制备出非晶粉末,采用压制成型技术,成功制备出大块铝基非晶合金。欧阳洪武和陈欣[7,8]等采用紧耦合气雾化技术制备了铝基非晶合金粉末,而目前的紧耦合气雾化技术还只能获得非晶和晶态混合的铝基合金粉末。

1.1.3 表面熔化及强化法

该法可利用铝合金材料导热系数大的特点,在铝合金表面获得非晶层,以起到强化作用,满足表面高耐磨、强耐蚀的要求。这种方法包括激光及电子束表面熔化处理、激光及电子束表面合金化、电子束表面涂覆、激光表面沉积等工艺。这些工艺简单可靠,成本低,是一种具有开发前途的新领域,但这些工艺在铝合金材料上的应用还处于初级阶段[3,4,5,6]。

1.2 机械合金化法

机械合金化技术(Mechanical Alloying)是20世纪60年代由美国INCO公司的Benjamin发展起来的一种制备合金粉末的新技术[9]。该法是制备传统非晶态合金的有效方法,具有设备简单、易工业化、合金成分范围相对较宽等优点,而且粉末易于成型。存在的缺点是制备铝基非晶体合金的时间较长,生产效率较低[3,4,5,6]。Zhou[10]和Fadeeva V. I. [11]球磨Al-Fe二元粉末均得到非晶相,Zou[12]球磨Al-Fe-Ni三元粉末得到非晶相。球磨Al-Fe-Ni-Ce粉末200 h可获得完全非晶相。冉广[13]等通过机械合金化法制备出了Al-Pb-Si-Sn-Cu纳米晶粉末,继续球磨可使纳米晶转变为非晶。控制球磨时间和料球比可获得由非晶相和纳米晶共存的复合组织。

1.3 复合工艺

该法是同时结合快速凝固和机械合金化这两种制粉工艺制备合金粉末。采用机械合金化技术处理快速凝固技术制备的粉末,可以提高材料的力学性能,同时可提高材料显微组织的稳定性。这种方法可缩短非晶材料的合金化时间,提高非晶转变温度,提高材料非晶相的稳定性,扩大非晶铝合金的成分范围,从而进一步提高其性能[3,4,5,6]。

2 铝基非晶涂层的制备现状

2.1 热喷涂技术

采用急冷法和机械和合金化法获得的材料,通常是带材、丝材或者粉末。将这些材料制备成可利用的块状材料,尚需要一些特殊的成型工艺。目前制备块体铝基非晶合金的方法有温挤压法、热挤压法、动能成型法、粉末轧制法、喷射成型法、超高压固结成型法、电火花烧结法等。以上这些制备成型工艺均可获得较为纯净的铝基非晶态合金材料,且其具有优异的性能。但是这些方法存在过于繁琐的缺点,不符合成形制备一体化思想,而且生产周期较长,成本较高。表1为传统制备方法的比较。

与传统制备方法相比,热喷涂技术在制备非晶材料方面具有其独特的优势。近些年来热喷涂技术在现代工程领域越来越受到重视。该技术不仅可快速升温熔化材料,同时具有快速冷却凝固材料的特征,有利于形成非晶相涂层。而且采用热喷涂技术,既可以发挥热喷涂优质、高效、低成本的优势,又可以获得具有优质耐磨、防腐等性能的表面防护涂层。因此,采用热喷涂技术制备铝基非晶涂层是铝基非晶合金材料制备的新拓展,也是热喷涂技术研究的重要方向,具有广阔的工业应用前景[14,15,16]。

目前,采用热喷涂技术制备非晶态合金的工艺主要有等离子喷涂[17,18]、超音速火焰喷涂[19]和高速电弧喷涂等制备工艺。等离子喷涂和超音速火焰喷涂采用的原材料为预制的非晶粉末,而高速电弧喷涂基于材料制备与成形一体化的思路,喷涂含有非晶涂层形成元素的粉芯丝材,在喷涂过程中可实现形成非晶涂层[15,16]。在高速电弧喷涂过程中,熔化态液滴在基体表面扁平化过程中具有极高的冷却速率,容易获得非晶涂层或者非晶纳米晶复合涂层,而且涂层的沉积率较高,成本低,非常适宜于大面积制备非晶涂层。众所周知,高速电弧喷涂技术在材料制备与成形一体化方面同样发挥着重要的作用。郭金华[20,21,22]等采用高速电弧喷涂技术制备了Fe基的非晶纳米晶复合涂层,非晶含量较高,在质量分数为5%的NaCl水溶液中的极化曲线和交流电化学阻抗谱分析表明,非晶涂层具有较好的耐蚀性。北京工业大学的贺定勇[23]课题组采用电弧喷涂技术制备了Fe基非晶纳米晶复合涂层,其中涂层非晶含量为55.3%,孔隙率约为2.33%,涂层具有很高的硬度和耐磨性,其相对耐磨性在同等实验条件下为低碳钢的15.2倍,为3Cr13涂层的1.9倍。装甲兵工程学院再制造技术国防科技重点实验室[24,25,26,27]采用高速电弧喷涂技术制备的铁基非晶纳米晶复合涂层,最优涂层的非晶含量高达80%以上,孔隙率与氧化物含量均小于1%,结合强度平均值高达58MPa,耐磨损性能是3Cr13涂层的5～6倍,涂层具有优异的抗高温冲蚀性能。以上均是采用电弧喷涂技术制备铁基非晶涂层而做的相关研究,且取得了一定的科研成绩。然而目前采用电弧喷涂技术制备铝基非晶涂层的相关报道尚未出现,因此采用高速电弧喷涂技术制备铝基非晶涂层的研究尚需完善。

2.2 高速电弧喷涂技术制备铝基非晶涂层

采用装甲兵工程学院再制造技术重点实验室的高速电弧喷涂系统,成功制备了铝基非晶纳米晶复合涂层。该高速电弧喷涂系统主要是由机器人控制的该实验室自行研制的HAS-02型高速喷枪和CMD AS 3000电源系统组成。在喷涂前对基体试样进行喷砂处理。经过优化的最佳喷涂工艺参数为:喷涂电压为34V,喷涂电流为120A,空气压力为0.7MPa,喷涂距离为200mm。实验后,采用Quanta 200型环境扫描电镜对涂层截面的显微结构进行分析,用D 8型X射线衍射仪对涂层的相结构进行分析,用H-800型透射电子显微镜(TEM)对涂层的微观组织进行分析。图1为Al基非晶纳米晶复合涂层的界面形貌(a)和XRD分析结果(b)。图2为Al基非晶纳米晶复合涂层TEM分析结果,(a)为涂层中非晶相的电子衍射图,(b)为非晶相与晶化相共存的电子衍射图。

由图1(a)可见,涂层与基体结合良好,涂层组织较为致密,孔隙少;涂层呈现出典型的层状结构,且层与层之间结合非常致密。图1(b)所示为涂层的XRD分析。由图1(b)可知涂层中在2θ为44°附近存在宽化的漫散射峰,同时涂层中存在fcc-Al等晶化相,说明涂层是由非晶相和晶化相共同组成的。图2(a)为Al基非晶涂层中非晶相的TEM分析结果,图2(b)为Al基非晶涂层中非晶相与晶化相共存的TEM分析结果。从图2中可以发现,涂层中非晶相与晶化相共存。采用FM 700型显微硬度计测量涂层截面的显微硬度,在载荷为0.98N,加载时间为15s,可测得Al基非晶涂层的显微硬度值约为HV 311,接近传统制备方法获得的铝基非晶合金材料的显微硬度值,甚至有所超越。至于该涂层的其他性能,该重点实验室正在展开研究与分析当中。

3 结束语

非晶合金材料 篇4

对Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9等非晶合金进行了退火和激波诱导两种方式的晶化实验以及XRD和DSC分析.着重对合金的晶化速率和晶化度等特性展开了研究和讨论.进一步证实了激波纳米晶化是一种包含着新机理的`寓意丰富的晶化现象.也再次验证了作者曾经提出过的“激波流化相变”模型的合理性.

作 者：周效锋 陶淑芬 刘佐权 阚家德 李德修 作者单位：周效锋,阚家德,李德修(云南大学物理系,昆明,650092)

陶淑芬,刘佐权(曲靖师范学院物理系,曲靖,655000)

非晶合金连接研究进展 篇5

1 非晶合金的熔化焊接

1.1 爆炸焊接

爆炸焊是以炸药作为能源进行金属焊接的方法,是利用炸药爆炸产生的冲击力,造成焊件的迅速碰撞而实现连接焊件的一种压焊方法,其特点是能将任意同种材料,特别是不同种材料迅速并且牢固地焊接起来。Kawamura[2]等人用爆炸焊接方法将非晶合金Zr55Al10Ni5Cu30(20 mm×10 mm×2 mm)焊接在晶态Ti合金上。焊后试样经光镜和微区XRD检测,界面处无小孔等缺陷,非晶试样没有出现晶化现象,仍然保持非晶结构,这表明通过爆炸焊接成功实现了非晶材料和晶态材料的冶金结合。

1.2 脉冲电流焊

Kawamura[3]等人脉冲电流焊接方法对同质块体非晶合金Zr55Al10Ni5Cu30(13.5mm×4mm×2mm)进行了焊接实验。实验结果表明,成功焊接Zr55Al10Ni5Cu30的充电电压范围为100~180V,电压低于100V无法得到完整的焊接接头,而高于200V接头处发生晶化现象。从焊后试样截面经抛光腐蚀后的光镜照片和微区XRD图谱中可以看出焊接界面处无缺陷或孔洞,焊缝和热影响区仍保持非晶结构,没有发生晶化。焊后试样经拉伸实验测试得到其拉伸强度为1540MPa,与焊前的非晶合金Zr55Cu30Ni5Al10的几乎相等。

1.3 激光焊

激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法[1]。Li[4]等人在激光输出功率为1200W,光斑直径为0.3mm,焊接速度分别为2mm/min、4 mm/min、8 mm/min,对同质非晶合金Zr45Cu48Al7(15mm×5mm×1m)进行了连续CO2激光焊接实验。实验结果表明,焊接速率为2m/min和4m/min的工艺条件下,焊缝和热影响区出现了不同程度的晶化现象,晶化相主要是ZrCu相和Zr38Cu36Al26相(τ5 );焊接速度为8m/min时,成功地获得了无气孔和裂纹等缺陷的焊接接头,焊缝和热影响区均没有出现晶化现象,仍然保持非晶结构。

1.4 电子束焊

电子束焊是高能量密度的焊接方法,它利用空间定向高速运动的电子束,撞击工件表面后,将部分动能转化为热能,使被焊金属熔化,冷却结晶后形成焊缝。Jonghyun Kim[5]等人利用电子束焊对Zr41Ti14Ni10Cu12Be23与金属Ti进行了焊接研究。焊接实验中,其他参数固定不变,dw=0.4mm时,成功焊接了非晶合金Zr41Ti14Ni10Cu12Be23和金属Ti,经XRD检测表明,焊缝和热影响区均保持了非晶态结构,焊接接头处无缺陷;弯曲试验表明,金属Ti发生弯曲,而BMG未发生变形,这是因为非晶Zr41Ti14Ni10Cu12Be23(1900MPa)的强度远远高于金属Ti(235MPa),这一结果说明,焊接试样具有较好的韧性,其焊接强度高于金属Ti。而当dw=0mm时,焊接界面处发生了晶化,晶化相为Zr2Ni;经弯曲实验,在BMG和金属Ti界面处发生断裂,断裂强度为850MPa。

1.5 储能焊

储能焊是把金属管帽、管座分别置于相应规格的上、下焊接模具中并施加一定的焊接压力,利用储能电容器在较长时间里储积的电能,而在焊接的一瞬间将能量释放出来的特点来获得极大的焊接电流,接触电阻将电能转换成热能而实现焊接过程。翟秋亚[6]等人应用微型储能焊机对宽度为4~6mm,厚度为23~35um的Zr55Cu30Al12Ni3非晶箔材进行了快速凝固连接。焊接参数为:焊接电压U=40~70V,电容C=3300uF,电极力F=15~25N。实验结果表明,Zr55Cu30Al12Ni3非晶箔材在快速凝固连接过程中未发生晶化现象, 形成的点焊接头仍为非晶态结构。从试样的接头截面形貌可看出, 应用电容储能、瞬间放电焊接方法可将非晶箔材连接起来, 形成均匀致密的微型点焊接头。接头尺寸为60~90um,其中无气孔、夹渣等焊接缺陷非晶接头与母材浑然一体,熔合线消失接头与母材之间无明显衬度, 表明接头的微结构与非晶合金箔材具有良好的一致性。

1.6 熔化焊机理

爆炸焊、脉冲焊、电子束焊、激光焊和储能焊属于熔化焊,其特点是需要采用高密度的能量将焊缝两侧的非晶合金局部快速熔化,然后快速冷却,使焊缝处熔融金属来不及结晶而凝固下来,从而得到非晶化的、冶金结合的焊缝,其成功焊接的关键之处是避免晶化相的析出。这类方法的局限之处在于:

(1)要求被焊试样具有较强的非晶形成能力和热稳定性,否则焊缝处非晶合金在焊接热循环作用下由高温液态直接冷却到室温时很容易发生晶化;

(2)输入的能量密度必须很高,这样才能实现迅速加热和冷却,降低焊缝和热影响区的尺寸,缩短焊接热循环,避免焊缝晶化。因此,熔化焊的各种焊接方法不适合将非晶形成能力较低的低维非晶试样连接成大尺寸非晶样品。

2 非晶合金的固相焊接

2.1 超声波焊

超声波焊是利用超声频率(超过16Hz)的机械振动能量和静压的共同作用下,连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属-陶瓷等的特殊焊接方法,其接头间的冶金结合时在母材不发生熔化的情况下实现的。Masakatsu Maedaa[7]等人对Zr55Cu30Ni5Al10非晶态合金进行了超声波连接。实验结果表明,在无外部热源条件下,超声波频率为75.0kHz,超声波功率为7.25W,焊接时间为 600ms,焊接压力为41.02N时,形成了部分连接,有平均直径约为10um的结合区分散于连接界面上,且焊接界面在焊接后成功保留了非晶态结构,这说明在无外部热源的情况下,采用超声波焊接成功实现了同质Zr55Cu30Ni5Al10非晶态合金的连接;而在外部热源为383K(低于Zr55Cu30Ni5Al10的玻璃转变温度Tg),超声波频率为75.0kHz,超声波功率为133.0W,焊接时间为 3000ms,焊接压力为26.47N时,形成的界面结合区为长轴直径115m、短轴直径78m的椭圆形,这表明对焊接试样加热有利于扩大结合区。

2.2 摩擦焊

摩擦焊是在压力作用下, 通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高, 材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎, 伴随着材料产生塑性变形和流动, 通过界面上的再扩散和再结晶冶金反应而实现连接[1]。覃作祥等人[8]采用摩擦焊对Zr55Al10Ni5Cu30块体非晶合金进行了焊接, 当焊机主轴转速为4.0×103~5.0×103r/min,摩擦压力为80~100MPa,摩擦时间为0.2~0.4s,顶锻压力和保压时间分别为200MPa和2s时,能够成功实施Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金的焊接,用SEM、XRD和TEM观察分析未检测到晶化相,焊缝处金属仍保持非晶状态。非晶合金的塑性在玻璃转变点Tg附近随温度变化很大,在Tg以上具有良好的塑性变形能力,这是实施摩擦焊焊接的重要基础。

2.3 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是利用搅拌头沿焊接界面移动时轴肩和搅拌针与工件摩擦产生的热量,不断使搅拌头周边的材料转变为热塑性状态, 在搅拌头驱动下发生塑性流动并形成焊接接头。Wang[9]等人用搅拌摩擦焊方法对厚度为1.7mm Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金板和成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.23Cr(wt.%)的7075-T651铝合金进行了焊接实验。焊接速为200mm/min,搅拌头转速R=600rpm,搅拌头轴肩直径为12mm,搅拌针直径为4mm、长度为1.5mm。实验结果表明, BMG和7075合金之间通过搅拌摩擦焊接获得了无缺陷牢固接头,且7075合金和BMG在界面处没有发生反应, BMG保持非晶态结构。在靠近界面的7075合金区发现了BMG颗粒,表明在搅拌摩擦焊过程中,部分BMG被打碎成粒子,并被搅拌进入焊核区铝基母材中。焊后试样接头的硬度低于7075 - T651合金的硬度,拉伸断裂强度是423MPa,达到了7075 - T651合金强度的74%,且断裂发生在铝合金一侧的焊核区。

2.4 固相焊机理

超声波焊、摩擦焊及搅拌摩擦焊属于固相焊,其特点是利用电机或超声波装置使待焊接表面产生高速的相对旋转运动或直线往复运动,被焊试样在相对高速运动作用下产生摩擦热,并将焊缝处非晶合金加热到玻璃转变温度Tg与晶化温度Tx之间,即过冷液相区,然后对焊缝施加一定的压力,由于非晶合金在过冷液相区内具有很好的塑性变形能力和很低的流变应力,因而在压力作用下发生较大的塑性变形,使得被连接表面上的氧化层破碎,并被挤入焊接周围的飞边中,氧化层一下金属在塑性变形作用下消除了结合面上的微观凸起的部分,达到原子尺度的紧密接触,从而实现连接。合理选择焊接参数可以将焊缝处的温度始终控制在晶化温度以下,因而对于熔化焊来说,固相焊更容易避免焊缝晶化。固相焊可以实现同质或异质块体非晶合金的连接,也可以实现非晶合金和晶态金属的连接。但固相焊也有其局限性:首先是受工艺的限制,被焊试样必须是具有一定几何尺寸的大块非晶合金,对于薄带试样就无能为力了;其次是在焊接过程中,热量都是由相对运动产生的,因此,控制焊接参数使界面温度保持在过冷液相区比较困难。

3 结语

非晶合金由于独特的结构而具有晶体材料所无法比拟的性能,使其成为一种具有广阔应用前景的功能材料和结构材料。将小尺寸的BMGs通过焊接方法使其实现冶金结合,从而得到大尺寸的BMGs成为制备大块非晶合金的一种新方法。实际上,通过焊接方法既可以实现同质、异质非晶合金的连接,也可以实现非晶合金和晶态材料之间的连接,这就大大扩展了非晶合金的应用范围。非晶合金焊接过程中的最大问题是晶化问题,晶化导致非晶合金性能的下降。为了避免晶化,一是在熔化焊接中尽量选取具有高的玻璃形成能力的合金成分,采用高能量密度的焊接方法;二是在固相焊中选取合理的焊接参数,把非晶合金加热到过冷液相区,利用其在过冷液相区的超塑性进行连接。

参考文献

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[8]覃作祥,王小京,张海峰,等.Zr55Al10Ni5Cu30块体金属玻璃的摩擦焊焊接[J].金属学报,2009,45(5):620-624.

非晶合金在电机中的应用 篇6

1. 1 非晶合金促进电机产业发生重大变革

节能环保、发展绿色低碳经济已受到人们的广泛重视,国家“十二五”规划明确提出了以环境保护为重点的经济发展要求,2012年下半年出台的节能减排“十二五”规划进一步提出了推动节能减排技术创新和推广应用的要求。电机是应用量大、使用范围广的高耗能动力设备,据统计,我国电机耗电约占工业用电总量的70% 左右。因此,推行电机节能具有重要的经济效益和社会效益。

非晶合金作为一种新型软磁材料,具有优异的电磁性能( 高磁导率、低损耗) 。将非晶合金材料应用于电机铁心来替代常规硅钢片材料,能够显著降低电机的铁耗、提高电机效率,节能效果显著,尤其对于铁耗占主要部分的高频电机应用场合( 如电动车驱动电机、高速电主轴、航空发电机、舰船发电机和其他军事领域等) ,节能效果更好,具有广阔的应用前景。从长远看,非晶合金材料的逐步推广应用,必将会使现有硅钢片电机的市场地位受到挑战。图1为电机发展历程中的几个重大节点。

在节能减排的大背景下,开发新一代高效、节能、重量轻和体积小的非晶合金电机,能够有效地提升我国高端驱动领域的研制生产水平,具有重要的经济效益和社会效益。

1. 2 非晶合金带材的主要特点

非晶材料作为一种新型软磁功能材料,具有典型的“双绿色”节能特征。表1给出了非晶合金带材和冷轧硅钢片的性能对比。从对比数据中可以看出非晶合金带材突出的优点是铁耗极低,仅为冷轧硅钢片的1 /5 ~ 1 /10,甚至1 /15,将非晶合金材料应用于电机铁心来替代常规硅钢片材料,能够显著降低电机的铁耗。但是其应用于电机时有两个弱点:1物理性能薄、脆、硬,且磁性能对应力非常敏感,需要开发新的拓扑结构和制造工艺; 2饱和磁密低,目前仅1. 56T,工作磁密小于1. 3T。如果电机定子铁心的工作磁密设计值高于1. 3T,需增加定子铁心的尺寸。

注: 1退火,2不退火

2 非晶合金电机的研发动态

2. 1 研发过程

随着变频器的发展和大量应用,非晶合金电机的运行频率从早期的50Hz、60Hz发展到如今的几百甚至上千赫兹。非晶合金材料在不断发展,非晶合金电机的制造工艺、拓扑结构和优化设计技术也在不断深入,电机的性能也在不断提高。

美国通用电气公司( GE) 早在1978年便申请了制造非晶合金定子铁心的专利,非晶带材一边开槽一边卷绕成圆柱形铁心。GE的研究人员于1982年开发了一台额定功率250W的非晶合金( 牌号Metglass2605SC) 异步电机样机,这是首次在文献资料公开发表的非晶合金电机[1]。

美国莱特公司( LE) 是目前世界上非晶合金电机做得最成功的企业之一,也是最早实现非晶电机产业化的公司,其产品均为轴向磁通非晶永磁电机。LE公司自1996年开始研究非晶合金在电机中的应用,从1998年到2001年,该公司处于技术积累阶段。从2001年到2004年,该公司开始开发原型样机和铁心模型,并于2003年形成了一套适用于非晶合金轴向磁通电机定子铁心加工的工艺体系[2]。从2004年到2006年,该公司开始进行非晶合金电机整机工艺和技术开发,并着手寻找适宜的应用场合。从2007年到2009年,LE公司开始将非晶合金轴向磁通永磁电机推向市场,进行初步的产品化。图2为LE公司开发的典型非晶合金电机产品———双定子、单转子轴向磁通永磁电机的拓扑结构。

LE公司以定子加工技术为核心,通过提高非晶电机极数和频率以及优化每极每相槽数和控制等手段,使其生产的非晶电机具有高效率、高转矩和高功率密度等优势,在灯塔等移动发电机、电动车驱动电机等领域得到了一定规模的应用。

1999年美国Honeywell公司兼并了Allied Signal公司,成立了非晶体业务部门———非晶体金属公司( Metglas) ,2003年日本日立公司收购了Metglas,成为世界上最大的非晶合金材料制造商,同时研发出一批非晶合金电机。日立公司在2010年采用铁心卷绕模块拼接技术设计了一台200W、2000r/min的非晶合金轴向磁通永磁电机,该电机的应用场合定位为小型家用电器或工业驱动行业[3]。2011年日立公司对铁心拼接技术进行了改进以提高电机空间的利用率并减小了非晶合金定子的涡流损耗,改进后的技术成功应用于一台150W、2000r/min的样机,该电机效率达到了90% ,相比于上述2010年的非晶合金样机效率提高了5个百分点[4]。2011年日立公司又开发了一种定子铁心不开槽的400W、15000r / min的小型高速轴向磁通永磁电机,定子铁心直接由非晶带材卷绕而成但不进行开槽[5],日立公司于2012年采用该技术设计了一台功率等级相对较大的11k W非晶合金轴向磁通电机[6]。综上所述,从2005年开始一直到2012年,日立公司的非晶合金电机开发经历了径向磁通电机、卷绕铁心轴向磁通电机、切割成型铁心轴向磁通电机三个不同的阶段,形成了三种不同的定子铁心结构,样机主要面向家电和小型工业驱动领域。

除了各公司企业对非晶合金电机的研发攻关外,各高校科研院所也展开了非晶合金电机的攻关任务。1992年,美国威斯康辛大学麦迪逊分校的T.A. Lipo教授采用卷绕非晶合金铁心设计制造了一台无刷直流电机[7]。电机采用双转子单定子的轴向磁通拓扑结构,定子铁心用非晶带材卷绕而成,不需要后续加 工,因此降低 了加工成 本。该功率375W、转速1800r / min的非晶合金轴向磁通电机经过优化设计,效率大于90% ,而相同规格异步电机的效率当时只有75% ~ 80% 。

除了上述几家具有代表性的单位外,在非晶合金电机领域还有很多机构都进行了技术攻关。在非晶合金径向磁通电机领域,日本东京理科大学、东京工业大学、波兰罗兹工业大学、波兰有色金属研究所以及国内的安泰科技有限公司等都有样机制造; 在非晶合金轴向磁通电机领域,澳大利亚阿德莱德大学、悉尼科技大学以及我国湘电莱特电气有限公司( 湘电莱特) 、深圳华任兴科技有限公司( 华任兴) 、实能高科动力有限公司( 实能高科) 、精进电动科技有限公司( 精进电动) 等都对非晶合金轴向磁通电机进行了研究与生产。

2. 2 初步解决定子铁心难于加工和增加损耗的难题

2. 2. 1 轴向结构

LE公司于2003年形成了一套适用于轴向磁通非晶合金电机定子铁心加工的工艺体系。该工艺首先将非晶带材卷绕成固定尺寸的三维环形铁心,经退火、浸漆及固化处理后再铣削成定子铁心,铣削过程如图3所示[2]。

2005年日立公司将传统的径向磁通电机定子结构进行了改造,使定子齿和轭分离,定子齿通过鸽尾键槽配合镶嵌在定子轭上。通过将定子齿换成非晶合金材料、定子轭仍采用硅钢片材料,形成了日立公司第一代非晶合金电机,如图4所示[8]。

2010年日立公司设计了一台200W、2000r / min的轴向磁通非晶合金永磁电机,电机的叠压系数约为0. 9,该电机的定子铁心由若干个铁心模块拼接而成,每个铁心模块采用非晶带材卷绕的方式制成,并且在树脂中进行真空压力浸漆,以使得非晶层间良好绝缘; 然后在铁心模块外围套入预先绕制好的线圈; 最后将沿圆周方向排布好的铁心模块通过环氧树脂固定成一个整体。为了进一步减小铁心模块中的涡流损耗,在铁心模块的一个侧面切出一道狭缝,以切断涡流路径。该电机的具体结构如图5所示。该结构可以看作是日立公司第二代非晶合金电机[3]。

日立公司于2011年提出了一种新的轴向磁通电机定子铁心模块结构[4]。该铁心加工工艺简述如下: 先将非晶合金带材卷绕成环形铁心; 再切割形成所要求数量和尺寸的定子铁心模块; 最后将绕制好的线圈套于铁心模块上。具体流程如图6所示。与卷绕铁心相比切割成型铁心的涡流路径被切断,因而涡流损耗大大减小。作为一种尝试,日立公司于2011年开发了一种无齿槽结构的电机,其实物图如图7所示[5]。电机的定子铁心直接由非晶带材卷绕成环形而不进行开槽,为了方便嵌线,将定子铁心圆环分成两部分,分别套入线圈,再用树脂将两部分粘在一起。这种铁心结构工艺简单、生产效率高,但是气隙增大导致转矩密度较低。该结构可以看作是日立公司第三代非晶合金电机的另外一种探索和尝试。

2. 2. 2 径向结构

Metglas公司在其2000年申请的专利( 专利号:US6960860B1) 中,提出三种制作径向磁通非晶电机定子铁心的方法,如图8所示[9]。

第一种方法是首先以卷绕成环形非晶铁心作为电机的轭部,然后在环形铁心内部粘结齿模块,该方法制作的非晶铁心磁路中包含多个气隙,磁阻增大,同时也存在轭部涡流损耗增大、结构稳定性较差等问题。第二种方法是将铁心齿部和相应齿联轭叠成预定形状,用环氧树脂或金属带进行固定,形成单个铁心模块,再进行拼接。该制作方法和第一种方法类似,也存在附加气隙、轭部铁心涡流损耗较大和稳定性差等问题; 第三种方法是使用不同长度的非晶带材进行冲压,制成弓形的拼接模块,树脂铸型后拼接成非晶定子铁心,该方法制备的非晶铁心结构稳定性好,但是轭部磁路会出现横穿非晶带材的情况,局部磁阻过高,影响非晶定子铁心性能。

安泰科技在非晶合金铁心加工工艺方面开展了大量的研究工作,目前已经制备了几台径向磁通非晶合金电机的定子铁心,针对非晶合金加工制造方面存在的问题,不断改进加工制造工艺。2008年,安泰科技的卢志超、李山红和李德仁等人在专利中介绍了一种用于高速电机的非晶合金定子铁心的制备方法[10]。但上述工艺流程中,浸漆、固化等加工工序将在非晶合金铁心中引入应力,导致铁心磁化性能和损耗性能显著降低。安泰科技也在尝试一些新的工艺,包括不进行浸漆和固化、而是用机械固定取代浸漆工艺,以解决层间粘接导致层间易断裂、粘接应力无法消除导致铁心性能下降等问题。安泰科技所开发的两种加工工艺的基本流程对比情况如图9所示[11]。

2. 3 进行优化设计,充分发挥非晶合金在提高功率密度方面的优势

( 1) 极数多可以提高转矩密度,但单位体积的铁耗加大

不论是径向磁通电机还是轴磁通电机,极数增多每极磁通减小,电机的定子轭尺寸可以相应减少,同样功率的电机可以减小体积,提高电机的转矩密度; 但是同时,相同转速下,极数增加使得频率增大,单位体积的铁耗随之增大。而且受变频器最高频率的限制,要求变频器电压和电机感应电动势都近似正弦波。这些都需要综合考虑,使总损耗最低。

( 2) 采用分数槽集中绕组

分数槽集中绕组的主要特点有: 1节距y = 1,单齿绕,槽数少,减少制造难度; 2绕组端部短,铜耗低; 3线圈间不重叠,容错能力强,而且电抗大,短路电流小; 4谐波含量大,引起杂散损耗大,温升高; 5谐波引起振动噪声大。

非晶电机利用分数槽优点,采用多极少槽结构( 例如2极3槽,每极每相槽数为0. 5) ,并且应该从冷却系统和定子结构上采取措施克服分数槽的缺点,更要求变频器提供正弦波电流以及采用H级绝缘等进行优化设计,充分发挥非晶合金的优势。

3 非晶合金电机的优缺点

基于以上对国内外文献的综述,总结非晶电机优缺点各有两条,其优点是效率高、功率密度高,缺点是生产成本高、振动噪声大。

3. 1 优点

3. 1. 1 效率高

非晶合金电机的高效率得益于非晶合金材料的低损耗特性。与传统电机所采用的硅钢片材料相比,非晶合金材料具有较大的电阻率,其电阻率一般为130μΩ/cm,为传统硅钢片电阻率的3倍。在高频磁场中,大电阻率有效抑制了非晶合金带材的涡流损耗,此外,涡流损耗与冲片厚度的平方成正比,非晶合金带材的单片厚度仅有0. 025mm,所以非晶合金带材的涡流损耗显著低于冷轧硅钢片。尤其是对于高频电机,由于频率的升高,铁心损耗占电机总损耗的比例很高,使用非晶合金铁心效率提高更加明显。例如,LE公司开发 的7k W、2500r/min和24k W、3500r / min非晶合金永磁发电机效率比相近功率和转速的常规硅钢片发电机产品高出1. 5个百分点。2011年,中国钢研科技集团及安泰科技股份有限公司李广敏等人分别将非晶与硅钢片铁心装配在一台额定功率5k W、额定转速8000r/min的无刷直流电机中进行仿真与测试,测试结果表明,当电机定子为非晶合金时,电机效率可达88. 58% ,硅钢片铁心电机的效率为85. 5% ,非晶合金电机的效率提高了3. 08个百分点。

可见非晶合金在电机上的应用明显降低了电机铁耗,通过优化非晶合金电机的设计就可以实现高效率。

3. 1. 2 功率密度高

现代电机发展的显著特点是高效、节能、重量轻、体积小,在工业设备有限的空间里留给电机的安装空间十分有限,这就对电机的功率密度提出了很高的要求。非晶合金电机的优异磁特性与电机优化设计的结合使得非晶合金电机的功率密度相对传统电机来说更具优越性。

在相同功率、相同转速情况下,非晶合金电机的极数和频率可以提高,可高达上千赫兹,这也使得非晶合金电机在高功率密度方面更具竞争力。例如,LE官方网站的数据显示,LE的非晶高效发电机的功率密度涵盖了0. 375 ~ 1. 765k W/kg的范围,其中G42L2型号的非晶合金高效发电机的额定功率为100k W,峰值功率 高达150k W,功率密度 最高为1. 765k W / kg; LE的非晶高效节能驱动电机的功率密度则覆盖了1. 404 ~ 2. 353k W/kg的范围,其中M42L2型号的非晶合金驱动电机额定功率120k W,峰值功率200k W,其功率密度高达2. 35k W/kg。功率密度高意味着同样电机可以节省材料,降低电机的材料成本和电机的其他损耗。

3. 2 缺点

3. 2. 1 生产成本高

传统硅钢片电机定转子叠片通常采用冲床进行冲压成型,随着冲压技术的逐渐成熟,传统硅钢片电机定转子叠片的加工费用也越来越低。非晶合金材料虽然具有优异的电磁特性,但是其薄、脆、硬的物理特性导致非晶合金材料冲压加工困难,冲模磨损快,工艺成本增加。同时,非晶合金材料对应力非常敏感,因此优异性能的非晶合金铁心对其加工工艺提出了非常严格的要求。在非晶合金电机的研发过程中必须重视非晶合金铁心的加工工艺,力争在成本允许的情况下降低非晶合金电机铁心损耗,充分发挥非晶合金电机的性能优势。

3. 2. 2 振动噪声大

非晶合金带材的磁滞伸缩系数是硅钢片的几倍,而且非晶合金材料对应力敏感,为了保证磁性能,压紧力不宜过大,铁心叠压系数低,相对比较松散,因此,非晶合金电机的振动噪声较传统硅钢片电机要大。非晶合金在变压器上的应用已经比较成熟,欧洲电力部门曾对非晶合金变压器和硅钢片变压器的噪声比较进行了试验。结果显示,非晶变压器的声级比同类规格的硅钢片变压器高6 ~ 8d B。非晶合金电机虽然没有相关的数据公布,但是可以预见其噪声要高于相同规格的硅钢片电机。

4 非晶合金电机的重点应用领域

传统电机铁心材料一般选用冷轧硅钢片,非晶合金材料与硅钢相比,具有更低的铁心损耗,应用于电机铁心可以使电机铁耗显著降低,从而提高效率。电机的铁心损耗通常与频率的1. 3 ~ 1. 5次幂成正比,高频电机的铁心损耗占电机总损耗的比例很高,如果高频电机铁心仍然使用硅钢材料,将会由于铁心损耗大幅度增加导致电机效率降低。

目前非晶合金的Bs值低于硅钢,在工频或更低频率下,使用非晶合金替代硅钢意义不大。然而在几百赫兹以上电机铁耗明显升高,使用非晶合金铁心对于降低电机铁耗和铁心的温升变得意义重大。由此可见,非晶合金电机在高频应用领域有较明显的性能优势。当前应用的重点主要是对高功率密度有需求的高频电机,包括移动电源用发电机、电动汽车用发电机和驱动电机、高速主轴电机、风机、水泵、压缩机驱动用高频电机等。

目前已经实现产业化的非晶合金电机均为高频轴向磁通电机,其主要应用场合包括电动汽车驱动电机、灯塔发电机、车用增程式发电机和其他移动发电机等。未来3年内,上述应用市场仍然是非晶合金电机的重点应用领域。

今后,随着非晶合金材料Bs值的增大,电机制造工艺、拓扑结构和优化设计技术的进一步完善,将逐步扩大非晶合金电机的应用场合。

5 结论

非晶合金电机总体起步较晚,因而国内外在技术上总体差别不大,我国非晶合金电机产业走出一条完全自主研发之路是具备条件的。

( 1) 非晶合金电机性能优越,具有很好的市场应用前景

非晶合金电机相比于传统硅钢片电机具有优异的电磁性能,尤其是在高速高频应用领域性能优势更为突出。可以针对不同的应用领域和要求选择或开发高效率、高功率密度、高可靠性的非晶合金电机产品,具有很好的市场应用前景。

( 2) 非晶合金电机核心材料( 非晶合金带材和永磁材料) 的优势产业都在中国,非晶合金电机产业群正不断形成并壮大

我国钕铁硼永磁材料的产量在世界上占绝对优势。安泰科技生产的非晶合金带材的产量已居世界第二。

我国的非晶合金电机生产企业在逐步增加,目前已具备产业化实力的企业包括湘电莱特、实能高科、华任兴科技等公司,除此之外,另外有精进电动、南车株洲电机等企业也在积极探索特定应用领域的非晶合金电机产业化技术,非晶合金电机产业群正在逐步形成并发展壮大。只要继续加强资金和技术投入,中国定会成为非晶合金电机生产强国。

( 3) 全世界非晶合金电机产业的发展刚刚起步,大家站在同一起跑线上

从全世界范围看,非晶合金电机产业目前仍处于起步阶段,大家都在同一起跑线上,这为我国非晶合金电机赶超国外同行提供了机遇。因此,我们要抓住这一难得的历史机遇,充分发挥我国在非晶合金电机方面的优势力量,努力攻克技术短板,形成具有自主知识产权的非晶合金产业化创新成果,抢占非晶合金电机产业的制高点。

( 4) 节能减排需要

非晶合金铁心变压器的节能特点 篇7

非晶合金铁心变压器的铁心是用非晶合金制作而成, 比硅钢片变压器的空载损耗下降约75%, 空载电流下降约80%[1]。

据估计, 我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右, 损耗每降低1%, 每年可节约上百亿度电能。降低变压器损耗是势在必行的节能措施。由于低损耗是电力传输设备的重要性能指标之一, 因此非晶合金铁心变压器以其显著的低空载损耗性能倍受生产制造和电力用户的关注。

1 非晶合金电力变压器特点

非晶合金材料指采用快速致冷工艺加工而成的金属材料, 含铁78%～81%、含硼13.5%、含硅3.5%～8%, 另外还含微量的镍和钴等金属元素[2], 它具有良好的铁磁性。采用非晶合金材料制造成变压器铁心的变压器称为非晶合金变压器。非晶合金变压器具有以下特性。

(1) 制造工艺简单, 成材率高。非晶合金材料快速冷却凝固成20～60μm厚的合金薄带, 该工艺比硅钢片工艺节省了很多工序, 节省损耗能量80%。而非晶合金成材率高, 制造铁心的工艺方法、设备均较简单。

(2) 铁芯损耗低, 其节能效果明显, 且回收年限短。

(3) 价格逐年接近硅钢式变压器价格。非晶变压器将成为取代现有硅钢变压器的主要产品。

(4) 其磁化功率小, 并具有良好的温度稳定性。

(5) 硬度高, 单片厚度薄, 大约是硅钢片的1/10左右, 且叠片系数低, 涡流损耗大大降低。

(6) 磁畴伸缩程度比硅钢片高约10%, 故不宜过度夹紧

(7) 对机械应力非常敏感, 张应力或弯曲应力都会影响它的磁性能。

(8) 饱和磁通密度较低, 空载损耗很低, 节能效果明显。

(9) 可有效减少CO、SOx、NOx等有害气体的排放, 降低大气污染[3]。

2 非晶合金电力变压器的节能分析

2.1 节能性能的技术指标

衡量变压器节能性的主要指标是综合损耗。综合损耗主要由铁磁损耗、负载损耗、无功当量损耗组成。变压器的无功当量损耗会采取补偿措施, 损耗并不大, 因此可以忽略。变压器的综合损耗为:

式中β为负载率;Pf为额定负载损耗。从上式可以看出, 负载率越高, 综合损耗越高。随着变压器容量的增大, 节能效率也逐步提高。

2.2 生产成本节能分析

采用非晶纳米晶软磁性材料作变压器、电动机等电力设备的铁芯之所以节能, 除了它本身的特软磁性、电阻小、铜耗、铁耗、磁滞损耗大大降低使设备本身耗能少以外, 还因为非晶材料合金生产过程的能耗低, 制造工艺简单, 一次成材, 与生产硅钢片相比, 能耗要少得多。无负载损失可减少到传统硅钢变压器的1/5左右。

2.3 实际节能分析

根据运行经验, 1台500 kV·A的SBHl6型非晶合金变压器运行1年后, 比S9硅钢变压器节约能耗达9373 kW·h。其节能效果是相当可观的。

小容量变压器以非晶态合金铁心变压器性能为优。当随着容量增大, 与硅钢片铁心的变压器的性能接近。在铁耗上节约的幅度与其铜耗上超出硅钢片铁心的变压器的部分相抵。大容量非晶态合金铁心变压器的质量与体积都超过相同容量的硅钢片铁心的变压器。

2.4 非晶合金电力变压器的投资回收

非晶合金变压器的价格比较高, 投资必须考虑资金的回报率。

相对于S9型变压器, 非晶合金变压器负载率越高, 变压器的容量越大, 相对于S9变压器的多投资回收期也越短。

3 非晶合金电力变压器的运行特点

(1) 由于过电压或瞬时波动造成的过励磁运行不影响其空载性能。

(2) 负载不平衡时空载性能基本稳定。

(3) 过负荷运行时空载性能增大, 对于重载负荷区不宜使用。

(4) 能够适应户外条件。

(5) 倾斜时空载性能不受影响。

4 非晶合金电力变压器的应用

我国生产非晶合金变, 压器的技术成本比美、日、欧高, 我国没有自已的非晶合金变压器的制造技术, 导致非晶合金电力变压器在我国的价格一直居高不下。

实际应用表明, 非晶合金变压器的空载损耗小, 经济运行负荷率较低。适用于负载率较低的电力系统。在我国推广非晶合金变压器可以降低变压器的损耗。

非晶合金变压器的使用除具有直接的经济效益外, 还减少了发电产生的废气、废渣对环境的污染, 节约了自然资源。

5 结论

非晶合金变压器性能优异, 节能效果明显, 应广泛推广应用。在工程上应以大容量、高负载率的采用原则来确定非晶合金变压器的容量。应加快非晶合金变压器的国产化, 降低非晶合金变压器的价格。

摘要：非晶合金铁心变压器是用非晶合金制作而成, 比普通变压器的能耗小, 是较为理想的变压器。但是它的磁通密度低, 机械应力敏感, 工作期间可能导致空载损耗增大。本文研究了非晶合金铁心变压器的特点, 提出了相应节能措施。

关键词：非晶合金,电力变压器,节能

参考文献

[1]惠希东, 陈国良.块体非晶合金[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[2]茅建华.非晶合金变压器节能经济效益分析[J].上海电力学院学报, 2005.

非晶合金变压器:配网降损利器 篇8

与普通变压器相比, 非晶合金变压器采用全密封式结构, 可延缓变压器油和绝缘纸的老化, 不仅结构紧凑, 而且具有运行效率高、免维护的优点。非晶合金变压器由于损耗低、发热少、温升低, 故运行性能非常稳定。

目前, 大中城市一年四季对供电量的需求变化较大, 各地区为迎峰度夏常常采用大容量的变压器, 当春秋季节负荷率较低时, 空载损耗尤为突出, 配网的线损率较高。采用非晶合金变压器将可以较好地解决这一问题, 降低配网的线损率, 对配电设备的可靠运行、能源和运行费用的节约都有利。非晶合金变压器是目前节能效果最理想的配电变压器, 特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地区, 此外对风能等间歇性能源也有很好的应用效果。发达国家使用非晶合金变压器的比重已超过15%, 而我国则尚未达到1%的比例, 未来空间广阔。

非晶合金材料 篇9

非晶合金又称金属玻璃, 是一种亚稳态结构的材料, 具有短程有序、长程无序的结构特征。非晶合金显微组织均匀, 没有位错、相界、杂质等缺陷。因而具有高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨和耐腐蚀性等优异性能, 某些非晶合金中还具有非常优异的磁学性能。作为一种新型的功能材料与工程材料, 非晶合金在航空航天、军工、汽车、电子、仪器仪表、体育器材、医疗器材等领域具有广阔的应用前景[1,2]。自20世纪60年代首次报道非晶合金以来[3], 非晶合金材料的开发与应用一直是材料学界研究的热点。然而要实现非晶合金的工业化应用, 制备出大尺寸的非晶合金是关键。目前制备大块非晶合金的方法主要有2种, 即快速冷凝和粉末冶金[4,5]。快速冷凝适用于非晶形成能力大的合金体系, 相对于粉末冶金其制备方法更简单, 所以研究得比较多。迄今为止, 通过快速冷凝方法已成功制备出包括Pd-、Mg-、La-、Zr-、Ti-、Fe-、Co-、Ni-、Cu-、Nd-、Pr-、Ce-、Pt-基等在内的大量非晶合金体系, 且均已在实验室获得毫米量级的临界尺寸[6,7]。虽然这些合金在几何尺寸上取得了一定的突破, 但仍无法满足作为工程材料的尺寸要求。而对于非晶形成能力小的合金系, 则必须通过粉末冶金的方法实现大块非晶合金的制备。粉末冶金法是把非晶粉末装入模具后进行一定的工艺成形, 最终制备出高密度的大块非晶合金。与快速冷凝相比, 其可以在更广的合金系、更宽的成分范围内制备出尺寸更大、形状复杂、近净成形的大块非晶合金材料。因此粉末冶金是一种极具前景的大块非晶合金的制备方法。

粉末冶金制备大块非晶合金的基本原理是利用非晶合金在过冷液相区ΔTx (=Tx -Tg, 其中, Tg表示玻璃转变温度, Tx表示晶化温度) 内有效粘度大幅度下降的特性, 施加一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块体。图1描述了不同升温速率下Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的粘度随温度的变化关系, 可见非晶合金在ΔTx内粘度降低, 具有超塑性和易成形性, 可以发生均匀流变。Tx处非晶合金的粘度仅为室温下的1/100 (室温粘度约为1010 Pa·s) 。图2显示非晶合金在较小应变速率下, 材料的延伸率越大则合金塑性越好、越容易成形, 因而通过合适的温度和压力可以将非晶粉末固结成形。目前粉末冶金固结成形主要有热模压固结成形、挤压固结成形、超高压固结成形、爆炸成形、粉末扎制、放电等离子体烧结等技术。本文重点介绍了各成形技术的特点、原理以及制备大块非晶合金的研究进展, 期望为今后开展非晶、纳米晶粉末的致密化和制备大块非晶合金研究提供技术指导。

1 非晶合金粉末的制备

非晶合金粉末的制备是粉末冶金的第一步, 目前常用的制备非晶合金粉末的方法有机械合金化 (MA) 、惰性气体喷雾制粉和通过快速凝固制备非晶条带然后机械破碎成非晶合金粉末。自从Koch C C等[8]利用机械合金化方法成功制备Ni-Nb非晶合金粉末以来, 机械合金化已成为制备非晶粉末的主要方法, 先后制备出单元、二元和多元非晶粉末。Li Y Y等[9]通过球磨纯钛粉末, 首次发现了氧导致金属钛的非晶化转变现象, 合成了含单一金属组元的非晶相。机械合金化制备二元非晶合金目前已达50多种, Suryanarayana C[10]总结了一系列由MA制备的二元合金系非晶合金粉末, 并指出在MA的过程中最有可能在等原子成分点处获得非晶合金相。Ti-、Fe-、Cu-、Zr-、Mg-、Ni-基等众多三元或三元以上的非晶合金粉末相继通过MA获得[11,12]。MA制备的非晶合金粉末表面清洁活性好, 易于固结, 降低了对成形工艺和设备的要求。而有文献报道对于易氧化的非晶合金粉末的制取是先通过快速冷凝制备非晶条带然后机械破碎成非晶粉末。如Yoshida S等[13]通过快速冷凝制备Fe-Al-Ga-P-C-B-Si非晶合金条带, 然后将其球磨破碎成45～150μm具有优异软磁性能的非晶粉末。Grabias A等[14]将通过单辊旋淬得到的Fe60Co10Ni10Zr7B13非晶合金条带, 球磨4h破碎成粒度小于10μm的非晶合金粉末。惰性气体喷雾制备非晶合金粉末技术发展迅速, 已得到广泛应用, Kim T S等[15]利用气体雾化制备的Cu54Ni6Zr22Ti18非晶粉末球形度好、表面光滑、流动性好;Shen B L等[16]通过对Fe65Co10Ga5P12C4B4合金粉末进行雾化得到球形度好、过冷液相区宽度达50K的非晶合金粉末。

2 非晶合金粉末的成形

非晶合金粉末成形是粉末冶金又一道重要工序, 它的目的是将松散的非晶合金粉末加工成具有一定形状和尺寸以及一定密度和强度的坯块。目前主要方法有热模压固结成形、挤压固结成形、超高压固结成形、爆炸成形、粉末轧制、放电等离子体烧结等技术。

2.1 热模压固结成形

热模压固结成形是将具有较宽过冷液相区ΔTx的非晶合金粉末, 在真空环境下于过冷液区温度范围内在模具里进行短时间压制, 由于非晶具有超塑性能, 粉末受到一定条件的压力后就能完全弥合在一起。近年来由于具有宽过冷液相区的Ni基、Mg基等非晶合金相继被发现, 因而对这一类的非晶粉末通过热模压固结成形获得大块非晶报道比较多, Oleszak D等[17]采用热等静压将非晶粉末Ni59Zr20Ti16Sn5置于真空密封的包套, 在压力为1.5GPa、温度为843K保压30min, 得到直径为10mm、厚度达8mm的大块非晶合金圆柱试样, 试样无孔隙且裂纹完全致密。Lee P Y等[18]采用MA制取的Mg61Y15Cu24非晶粉末, 在温度为443K、压力为1.2GPa的真空环境下热压30min, 成功制备直径为10mm、厚度达1mm的高密度大块非晶合金。Li F S等[19]将过冷液相区较宽且部分重叠的非晶合金粉末Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10-Ti5和 (Fe40Ni40P14B6) 95.5Ga4.5热模压成形为双非晶相的非晶合金, 结果显示, 合金相对致密度超过99%, 含质量分数为50%的铁基非晶合金仍然具有类似于100%铁基非晶合金的软磁性能。但是热模压固结成形还存在以下不足, 它要求非晶粉末具有较宽的过冷温度区间, 同时要求非晶粉末比较洁净以减少在固结成形时产生非均质形核, 如何控制合金在过冷温度区间的固结成形工艺参数以获得大块非晶样品等诸多问题还需要进一步研究。另外, 粉末热模压固结成形经常会使非晶特性受到损害, 材料力学性能较差。

2.2 挤压固结成形

挤压可以分为冷挤压、热挤压、等径角挤压和扭转固结成形, 它是将预先制备的非晶粉末在低于晶化温度下挤压成形。原理是粉末在挤压过程中发生剧烈的塑性变形, 塑性变形产生变形功, 释放的热量使得非晶粉末具有黏流性, 另外, 粉末由于受到挤压, 使得接触表面氧化膜破碎, 降低了金属粉末变形阻力, 同时粉末颗粒发生细化, 露出许多新鲜的表界面, 促进扩散从而使得颗粒间结合力达到最大, 有利于非晶粉末顺利成形。Sort J等[20]通过高压扭转冷挤压方法将球磨得到的Fe77Al2.14Ga0.86P8.4C5B4Si2.6制备成直径为9mm、厚度达0.3mm的大块非晶, 该非晶合金显示出优异的软磁性能和高的居里温度, 显微硬度也明显大于非晶粉末, 原因是非晶粉末在球磨和冷挤压过程中产生不可逆的化学短程序的变化, 显微硬度提高是由于产生加工硬化和小量晶态相起到第二相强化作用。Kawamura Y等[21]在压力为1GPa、加热温度为673K、挤压比R为5的条件下, 成功地将过冷液体区为62K的Zr65Al10Ni10Cu15非晶粉末热挤压成生坯密度超过理论密度99.5%的块体材料, 其抗拉强度和弹性模量分别为1420MPa和80GPa, 由于生坯之间具有良好的键合作用, 因而其力学性能与通过快速凝固制备的非晶合金相当, 采用挤压固结成形可以制备出形状复杂的高强度块体非晶材料。Robertson J等[22]利用气体雾化法制备的Cu50Ti32-Zr12Ni5Si1非晶粉末, 在过冷液相区通过等晶角挤压成形获得大块非晶合金。与传统挤压法相比, 该方法获得的大块非晶合金具有更高的显微硬度, 而且会发生显著的剪切变形, 表明可以利用等径角挤压成形方法来成形具有一定塑性的大块非晶合金材料。利用挤压固结成形的大块非晶合金材料虽然具有很高的强度和硬度, 并且该方法不依赖合金的非晶形成能力, 但材料的塑性一般都不超过3%, 其拉伸性能明显逊于快速冷凝制备的非晶合金薄带。

2.3 超高压固结成形

超高压固结成形的原理是利用高压抑制非晶态合金的晶化过程, 使得晶化温度Tx升高, 增宽ΔTx, 从而在较宽的温区利用大量均匀的粘滞流变, 在超高压力下填满粉末和条带间的间隙或孔洞实现非晶合金粉末的完全致密复合。因而该方法可以将在常温下ΔTx较小的非晶合金实现全密度复合且保持非晶结构不变。Roy D等[23]将机械合金化得到的Al65Cu20Ti15非晶合金粉末通过高压 (8GPa) 并在400℃烧结1min, 得到硬度为7.9GPa和抗压强度为1490MPa的大块非晶/纳米晶复合材料。Drozdz D等[24]将Fe91.9C3.2B2- Si1.7Mn0.8P0.2Cu0.1S0.1非晶粉末在外加压力为7.7GPa、温度为520℃的条件下固结为大块非晶合金, 其维氏硬度HV0.05为1400, 当进一步升高固结温度, 在非晶基体上析出部分纳米晶晶体相, 其维氏硬度提高至1862。Lu W等[25]将具有优异软磁性能的Fe78Si9B13非晶粉末在压强为5.5GPa进行超高压固结, 3min后, 粉末完全固结, 其密度达到理论密度的97.8%, 饱和磁化强度为1.08T, 但是在固结过程中析出微观尺寸为18.7nm的α-Fe细小纳米晶粒且均匀分布在非晶合金基体中, 烧结后的块体材料相对于快冷得到的非晶条带其矫顽力要大, 可能是由于在高压固结过程中块体材料内部产生缺陷, 导致产生内应力以及部分纳米晶析出所致, 经退火后矫顽力由285A/m降至83A/m。目前, 超高压固结机理还不明晰, 文献[26]报道增大压强反而能促进非晶合金晶化相的析出, 这将不利于通过高压烧结获得大块非晶材料。另外Liu X R等[27]通过测量非晶合金La68Al10Cu20Co2在高压下电阻的突变, 发现在压力为1.44GPa时合金发生了非晶到非晶的相变, 因而在进行高压固结过程中非晶材料的优异性能有可能因为相变而消失。

2.4 爆炸成形

爆炸成形是利用冲击波作用于非晶合金粉末, 在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种新技术[28]。由于爆炸产生的冲击波对需要烧结的粉末加载应力, 使粉末受到冲击, 巨大的冲击力远大于非晶带的屈服强度, 在瞬时内运动的粉粒通过碰撞和摩擦使动能转变成热能, 从而使粉粒的接触点产生高温发生烧结而形成致密块体。由于爆炸成形具有结合力大、热影响区域小的优点, 使得加热速度和冷却速度很快, 避免了晶化相的产生。Takagi M等[29]通过对钴基、铁基和镍基非晶合金粉末进行爆炸成形, 成功制备出密度高达99.7%的大块非晶合金。其杨氏模量、居里温度、电阻率和维氏硬度等性能可与快速冷凝所得非晶条带的性能相媲美。Ando S[30]对Nd13Fe77Co5B5非晶合金进行爆炸成形, 结果表明, 非晶合金粉末结合得很好, 生坯密度达到理论密度的95%, 并且在爆炸成形过程中保持稳定的磁学性能, 其成形后的Br=8.5kG, Hc=9.7kOe, (BH) max=13.2MOe, 与未成形前的非晶粉末磁性能相当。爆炸成形技术比较适合于硬度较高的金属粉末, 它具有烧结时间短 (一般为几十微秒) 、作用压力大 (可达0. 1～100GPa) 的特征。爆炸成形以非晶粉末为原料, 但由于技术原理和非晶态合金特点的限制, 存在不同程度的粉末颗粒流变不充分的现象, 故无法充分排除粉粒表面氧化膜, 很难使粉末间达到完美的结合, 另外爆炸成形可控性差, 生产效率不高。

2.5 粉末轧制

粉末轧制是指将非晶粉末喂入轧机直接轧制出很薄的非晶合金生带材, 它分为冷轧和热轧2种轧制形式。由于非晶粉末硬度高, 冷轧时难以固结成形, 所以非晶粉末成形一般采用热轧。Kim H J等[31]先将高压气雾化制取的Cu54-Ni6Zr22Ti18球形非晶粉末进行预压, 然后将预压块喂入轧机中进行热轧, 轧制速度为500mm/s, 温度为722K, 由于轧制温度在过冷液相区, 非晶粉末具有超塑性, 粉末固结良好, 无晶态相析出。轧制后的非晶合金板材压缩强度达1.9GPa, 与铸态非晶合金相当。但是热轧后非晶板材无塑性, 可能是在轧制的过程中, 非晶合金发生结构弛豫脆化造成的。

2.6 放电等离子体烧结

放电等离子烧结 (SPS) 是在加压粉体颗粒间直接通入脉冲电流, 由火花放电瞬间产生的等离子体进行加热, 利用热效应、场效应等在低温进行短时间烧结的新技术[15]。其成形机理是在极短的时间内, 由于在粉末颗粒间放电, 熔化速率极快, 在压力作用下非晶粉末还没来得及晶化就已经发生烧结, 而后通过快速冷却, 非晶态结构被保存下来, 从而得到致密的块体非晶态合金。SPS能形成尺寸大、形状复杂的样品, 作为一种新兴粉末冶金成形非晶合金技术, SPS已引起广泛的关注。Choi P P等[11]利用SPS技术制备出直径为10mm、长度为5mm的Ti50Cu25Ni20Sn5大块非晶合金, 其相对密度高达99%。Shen B L等[16]利用SPS技术制备出具有良好的软磁性能的Fe65Co10Ga5P12C4B4大块非晶合金, 其相对密度高达99.7%, 直径为20mm、厚度为5mm。Lee J K等[32]通过气体雾化法制得Ni59Zr15Ti13Si3Sn2Nb7Al1非晶粉末, 再采用SPS烧结成形后获得的大块非晶合金具有密度大、强度高 (2.4GPa) 、平均热膨胀线性系数小 (11.6×106K-1) 等各种优异的性能。Li Y Y等[33]利用放电等离子烧结-非晶晶化法合成了不同WC含量的Ti66Nb13Cu8Ni6.8-Al6.2块状合金, 阐释了WC含量对合成的块状材料的致密度、微观结构和力学性能等的影响规律。随着WC体积分数从0%增大到12.5%, 块状合金中延性β-Ti的体积分数分别为63.9%、42.5%、30.4% 和 19.3%, 而复合材料的相对密度变化不大。含WC的块状合金都具有高的屈服强度, 却没有明显的塑性应变, 同时随着WC含量的增大, 屈服强度逐渐减小。他们认为合成的块状合金的屈服强度和塑性应变主要取决于β-Ti相区的分布模式。放电等离子烧结成形技术和非晶晶化法相结合, 能合成高致密度、高强度、高塑性的大块非晶合金复合材料, 有望发展成为一种利用粉末冶金法合成高力学性能复合材料的材料成形新方法。

3 结语