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大連理工《Adv Mater》：軟磁高熵合金的突破性研究成果！

2021-03-05 11:24:56 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

軟磁材料的典型特點就是具有低矯頑力HC、高磁導率μ、高飽和磁化強度MS（飽和磁感應強度BS）以及較低的磁損耗P，尤其高溫用軟磁材料是發展航空、航天和先進武器系統的關鍵，可作為發動機轉子、變壓器、磁力軸等，工作溫度為673~1073 K，需要兼具優異軟磁性能和高溫力學性能。目前Fe-Co軟磁合金在高溫環境中應用最為廣泛，如50Co-2V-Fe （wt. %），但其電阻率ρ只有40μΩ·cm，導致渦流損耗Pe增高（Pe∝ρ-1）；近年來又發展出高電阻率的Fe-Co基非晶/納米晶合金，其富Fe/Co的BCC納米磁性粒子在非晶基體中的析出使得該類合金具有極低的矯頑力，但非晶/納米晶合金的制備工藝復雜、且非晶基體為亞穩態。針對目前軟磁合金材料高溫組織穩定性差、服役溫度低、制備工藝復雜等問題，新型高溫軟磁和結構一體化材料的研發迫在眉睫。

近期，大連理工大學材料科學與工程學院王清教授及團隊成員在高熵合金的軟磁性能研究方面取得了突破性進展。目前該工作以‘A novel soft-magneticB2-based multi-principal-element alloy with a uniform distribution of coherentbody-centered-cubic nanoprecipitates’為題在頂尖期刊《Advanced Materials》上發表。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202006723.

該工作通過團簇式成分設計方法在高熵合金體系中實現了對BCC/B2共格組織的調控，以此控制不同形貌的納米粒子。當立方形B2納米粒子在BCC基體上共格析出時，合金具有優異的力學性能，尤其高溫力學性能歸因于BCC/B2高的高溫組織穩定性；當有意設計成分實現BCC/B2共格組織的“翻轉”，即球形BCC納米粒子在B2基體上共格析出時，由于BCC納米粒子中含有磁性元素Fe和Co，且粒子尺寸小于10 nm，根據磁疇理論可知，這種共格組織將大大降低合金中的應力波長，從而合金表現出低的矯頑力。根據APT結果，在Al1.5Co4Fe2Cr中，這些BCC納米粒子也富集Cr元素，多為納米級的核（富Cr）-殼（富Fe）結構，其中Cr核的平均尺寸大約為3.0±1.5 nm。該合金在900 K以下溫度時效時，由于共格組織穩定性高，仍表現為BCC納米粒子在B2基體上析出，但在973 K以上溫度時效時，會有sigma相析出，從而會惡化合金的軟磁性能。

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圖1 （a-c） Al1.5Co4Fe2Cr高熵合金773 K/24 h時效后的微觀組織，（d） 973 K/24 h時效后的微觀組織，（e, f） 773 K/24 h時效后APT元素分布圖

圖2 （a） Al1.5Co4Fe2Cr高熵合金在不同溫度下時效24 h后的磁滯回線，（b）在873 K時效不同時間后的磁滯回線及555 h時效后的TEM-DF形貌圖，（c）合金飽和磁化強度和電阻率隨溫度的變化。

設計的Al1.5Co4Fe2Cr軟磁高熵合金的室溫飽和磁化強度MS = 135.3 emu/g、矯頑力HC = 127.3 A/m，居里溫度高達TC = 1061 K，具有已知軟磁合金中最高的室溫電阻率ρ= 244 μΩ·cm。即使該合金在873 K長期時效555 h后，依舊能保持BCC納米粒子在B2基體中共格析出的形貌，其中BCC粒子的平均尺寸粗化為21 nm，此時仍展現出優異的軟磁性能：MS = 126.1 emu/g、HC = 214.9 A/m，這歸功于BCC/B2共格組織的高溫穩定性。

圖3 Al1.5Co4Fe2Cr高熵合金和典型軟磁合金的飽和磁感應強度BS隨平均玻爾磁子變化的示意圖（a）、電阻率r和居里溫度TC對比圖（b）、以及飽和磁感應強度BS和矯頑力HC對比圖（c）。

圖4 不同微觀組織的系列合金的磁性能，S1：B2納米粒子在BCC基體上析出，S2：BCC/B2編織網狀形貌，S3：BCC/B2+FCC相

研究表明，合金的磁性能強烈依賴于微觀組織（相結構及組織形貌）。通過成分調整刻意改變微觀組織，如BCC納米粒子粗化、立方形B2納米粒子在BCC基體上共格析出、編織網狀BCC/B2共格組織、或其他相析出都會嚴重惡化合金的軟磁性能。因此，形成以性能目標為導向的高性能結構-功能一體化先進材料的成分與組織設計方法至關重要。本研究揭示了材料微觀組織的成分關聯機制，實現了對高熵合金軟磁性能的調控。（文：王清、馬躍）

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