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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(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

軟磁材料的典型特點(diǎn)就是具有低矯頑力HC、高磁導(dǎo)率μ、高飽和磁化強(qiáng)度MS（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS）以及較低的磁損耗P，尤其高溫用軟磁材料是發(fā)展航空、航天和先進(jìn)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、變壓器、磁力軸等，工作溫度為673~1073 K，需要兼具優(yōu)異軟磁性能和高溫力學(xué)性能。目前Fe-Co軟磁合金在高溫環(huán)境中應(yīng)用最為廣泛，如50Co-2V-Fe （wt. %），但其電阻率ρ只有40μΩ·cm，導(dǎo)致渦流損耗Pe增高（Pe∝ρ-1）；近年來又發(fā)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(fù)雜、且非晶基體為亞穩(wěn)態(tài)。針對目前軟磁合金材料高溫組織穩(wěn)定性差、服役溫度低、制備工藝復(fù)雜等問題，新型高溫軟磁和結(jié)構(gòu)一體化材料的研發(fā)迫在眉睫。

近期，大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王清教授及團(tuán)隊(duì)成員在高熵合金的軟磁性能研究方面取得了突破性進(jìn)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(fā)表。

論文鏈接：

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

該工作通過團(tuán)簇式成分設(shè)計(jì)方法在高熵合金體系中實(shí)現(xiàn)了對BCC/B2共格組織的調(diào)控，以此控制不同形貌的納米粒子。當(dāng)立方形B2納米粒子在BCC基體上共格析出時(shí)，合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其高溫力學(xué)性能歸因于BCC/B2高的高溫組織穩(wěn)定性；當(dāng)有意設(shè)計(jì)成分實(shí)現(xiàn)BCC/B2共格組織的“翻轉(zhuǎn)”，即球形BCC納米粒子在B2基體上共格析出時(shí)，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(jù)磁疇理論可知，這種共格組織將大大降低合金中的應(yīng)力波長，從而合金表現(xiàn)出低的矯頑力。根據(jù)APT結(jié)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(jié)構(gòu)，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(shí)效時(shí)，由于共格組織穩(wěn)定性高，仍表現(xiàn)為BCC納米粒子在B2基體上析出，但在973 K以上溫度時(shí)效時(shí)，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(shí)效后的微觀組織，（d） 973 K/24 h時(shí)效后的微觀組織，（e, f） 773 K/24 h時(shí)效后APT元素分布圖

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

設(shè)計(jì)的Al1.5Co4Fe2Cr軟磁高熵合金的室溫飽和磁化強(qiáng)度MS = 135.3 emu/g、矯頑力HC = 127.3 A/m，居里溫度高達(dá)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(shí)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(shí)仍展現(xiàn)出優(yōu)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(wěn)定性。

圖3 Al1.5Co4Fe2Cr高熵合金和典型軟磁合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(wǎng)狀形貌，S3：BCC/B2+FCC相

研究表明，合金的磁性能強(qiáng)烈依賴于微觀組織（相結(jié)構(gòu)及組織形貌）。通過成分調(diào)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(wǎng)狀BCC/B2共格組織、或其他相析出都會嚴(yán)重惡化合金的軟磁性能。因此，形成以性能目標(biāo)為導(dǎo)向的高性能結(jié)構(gòu)-功能一體化先進(jìn)材料的成分與組織設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。本研究揭示了材料微觀組織的成分關(guān)聯(lián)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對高熵合金軟磁性能的調(diào)控。（文：王清、馬躍）

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