具有近等原子或非等原子多元素的高熵合金 (HEA) 因其優異的機械或功能性能或與傳統合金的組合而引起了極大的興趣。除了在開發先進結構材料方面取得的成功之外，高構象熵策略也被用于設計先進的磁性材料。先進磁性 HEA 的一個重要關鍵是納米級分解。結果表明，具有相干分解的 L12（有序面心立方，fcc）+ A1（無序 fcc）納米結構的非等原子 Fe-Co-Ni-Ta-Al HEAs 具有良好的強度、延展性和軟磁響應（小矯頑力和大磁化強度）。另外，一些非等原子磁性高熵合金 (HEA)，例如最近發現 Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4(at.%) 即使在鑄態下也能產生吸引人的硬磁性能，顯示出開發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。

通過詳細的微觀結構和化學研究，來自西安交通大學的學者發現鑄態Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 (at.%) 合金具有分級異質微觀結構，其中富集或貧化鐵磁元素 Fe 的納米陣列表現出大縱橫比（定義為化學形狀各向異性，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構。納米陣列的縱橫比和元素濃度可以通過磁性退火 (MA) 進一步控制，從而顯著提高矯頑力。這些結果表明納米級 CSA 是造成硬磁性的原因。進一步的研究表明，CSA 不會隨著 MA 時間的推移而持續增強，因為過度退火會產生六方 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度。因此，通過平衡強化的 CSA 和有害的界面析出物，可以實現約 49% 的矯頑力增強。因此，這項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。相關文章以“Origin of hard magnetism in Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu high-entropy alloy: Chemical shape anisotropy”標題發表在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雙相晶胞納米結構 (a)，(a) 中虛線方塊的 [100] 投影包含化學邊界 (CB) 和相邊界 (PB) (b)，A2 和 L21(c) 的晶體結構。

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

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

圖 4. 鑄態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 在不同狀態下的 XRD 圖譜。{112}-A2 反射的連續掃描圖案 (a) 和步進掃描圖案 (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 納米沉淀的典型區域。

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

本研究關注了鑄態和磁退火狀態下非等原子高熵合金Fe2CoNiAlCu0.4Ti0.4 (at.%) 的微觀結構、化學和磁性能。主要結論是：1）鑄態合金具有多級異質納米結構，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生了大的矯頑力。2）短時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來強化化學形狀各向異性，有效提高矯頑力。過磁退火導致富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，可以通過平衡強化的化學形狀各向異性和有害的界面納米沉淀物來優化磁性，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，這可能是原子擴散和相的磁性 HEA 的轉變。