具有近等原子或非等原子多元素的高熵合金 (HEA) 因其優(yōu)異的機(jī)械或功能性能或與傳統(tǒng)合金的組合而引起了極大的興趣。除了在開發(fā)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料方面取得的成功之外，高構(gòu)象熵策略也被用于設(shè)計(jì)先進(jìn)的磁性材料。先進(jìn)磁性 HEA 的一個(gè)重要關(guān)鍵是納米級分解。結(jié)果表明，具有相干分解的 L12（有序面心立方，fcc）+ A1（無序 fcc）納米結(jié)構(gòu)的非等原子 Fe-Co-Ni-Ta-Al HEAs 具有良好的強(qiáng)度、延展性和軟磁響應(yīng)（小矯頑力和大磁化強(qiáng)度）。另外，一些非等原子磁性高熵合金 (HEA)，例如最近發(fā)現(xiàn) Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4(at.%) 即使在鑄態(tài)下也能產(chǎn)生吸引人的硬磁性能，顯示出開發(fā)高級硬磁體的巨大潛力。然而，潛在的起源仍不清楚，這限制了人們獲得更好的磁性能。

通過詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)研究，來自西安交通大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 (at.%) 合金具有分級異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，其中富集或貧化鐵磁元素 Fe 的納米陣列表現(xiàn)出大縱橫比（定義為化學(xué)形狀各向異性，CSA），穿透由 A2（無序體心立方，bcc）和 L21（有序 bcc）相組成的晶胞納米結(jié)構(gòu)。納米陣列的縱橫比和元素濃度可以通過磁性退火 (MA) 進(jìn)一步控制，從而顯著提高矯頑力。這些結(jié)果表明納米級 CSA 是造成硬磁性的原因。進(jìn)一步的研究表明，CSA 不會(huì)隨著 MA 時(shí)間的推移而持續(xù)增強(qiáng)，因?yàn)檫^度退火會(huì)產(chǎn)生六方 ω 和面心立方 (fcc) 富 Cu 納米粒子的界面沉淀，從而降低矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度。因此，通過平衡強(qiáng)化的 CSA 和有害的界面析出物，可以實(shí)現(xiàn)約 49% 的矯頑力增強(qiáng)。因此，這項(xiàng)研究不僅揭示了納米級 CSA 解釋了 Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu HEA 的硬磁性，而且還提供了一種可行的方法來操縱 CSA 以獲得更好的磁性能。相關(guān)文章以“Origin of hard magnetism in Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu high-entropy alloy: Chemical shape anisotropy”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118702

圖 1. 目前Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 HEA 的化學(xué)形狀各向異性 (CSA) 示意圖。交替分布的富鐵和富鐵納米陣列，穿透 A2 + L21雙相晶胞納米結(jié)構(gòu) (a)，(a) 中虛線方塊的 [100] 投影包含化學(xué)邊界 (CB) 和相邊界 (PB) (b)，A2 和 L21(c) 的晶體結(jié)構(gòu)。

圖 2. Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4HEA 的磁滯回線 (a) 以及矯頑力 Hcj和飽和磁化強(qiáng)度 4πMs 對磁退火 (MA) 時(shí)間 (b) 的依賴性。

圖 3. 沿 [101] ZA （a）、亮長 TEM圖像 （b） 和暗長 TEM 圖像 （c） 拍攝的選定區(qū)域電子衍射 （SAED） 圖譜。

圖 4. 鑄態(tài)Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 HEA 的 S-TEM 圖像 (a)、沿 (a) 中白色虛線的元素分布 (b) 和元素映射圖像 (c-h)

圖 5. 鑄態(tài)Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 HEA 的過焦 (a) 和散焦 (b) 洛倫茲-TEM菲涅耳圖像。

圖 6. 2 h-MA Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4樣品的 S-TEM 圖像 (a)、沿 (a) 中白色虛線的元素分布 (b) 和元素映射圖像 (c-h)

圖 7. 3 h-MA Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4樣品的 S-TEM 圖像 (a)、沿 (a) 中白色虛線的元素分布 (b) 和元素映射圖像 (c-h)。

圖 8. Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4HEA 在不同狀態(tài)下的 XRD 圖譜。{112}-A2 反射的連續(xù)掃描圖案 (a) 和步進(jìn)掃描圖案 (b)。

圖 9. [101] 1 h-MA （a， d）、2 h-MA （b， e） 和 3 h-MA （c， f）Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 樣品的 ω 相位的 SAED 圖譜和暗長TEM 圖像。HR-TEM 圖像 （g）， 3 h-MA Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 樣品中 ω （h） 和 L21（i） 相的 FFT 圖譜。

圖 10. [100] 1 h-MA （a， d）、2 h-MA （b， e） 和 3 h-MA （c， f）Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 樣品的富銅 fcc 相的 SAED 圖譜和暗長TEM 圖像。含有富銅 fcc 納米沉淀物 （g）、HR-TEM 圖像 （h） 和相應(yīng)的FFT 圖圖 （i） 的含有 3 h-MA Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4樣品的 fcc 納米沉淀的典型區(qū)域。

圖 11. 磁退火過程中Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 HEA 的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)形狀各向異性的演化示意圖。鑄態(tài) (a)、短期 MA (b) 和過度退火狀態(tài) (c)。

本研究關(guān)注了鑄態(tài)和磁退火狀態(tài)下非等原子高熵合金Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 (at.%) 的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)和磁性能。主要結(jié)論是：1）鑄態(tài)合金具有多級異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，跨越相干的 L21 納米晶胞和 A2 晶胞邊界分離成交替分布、各向異性、富鐵和 Felean 納米陣列，在納米級。具有高磁化強(qiáng)度的富鐵納米陣列的長軸和短軸之間退磁因子的巨大差異產(chǎn)生了大的矯頑力。2）短時(shí)磁化退火可通過增大富鐵納米陣列的縱橫比并富集其中的鐵磁元素Fe和Co來強(qiáng)化化學(xué)形狀各向異性，有效提高矯頑力。過磁退火導(dǎo)致富Cu面心立方相和六方超晶格ω相在界面析出，阻礙富鐵納米陣列的伸長，不利于矯頑力。因此，可以通過平衡強(qiáng)化的化學(xué)形狀各向異性和有害的界面納米沉淀物來優(yōu)化磁性，例如矯頑力提高 49%。3）在磁退火過程中，富鐵和貧鐵納米陣列之間的化學(xué)邊界（CB）和A2和L21之間的相邊界（PB）的遷移是異步的，這可能是原子擴(kuò)散和相的磁性 HEA 的轉(zhuǎn)變。