大连理工《Adv Mater》：软磁高熵合金的突破性研究成果！

软磁材料的典型特点就是具有低矫顽力H_C、高磁导率μ、高饱和磁化强度M_S(饱和磁感应强度B_S)以及较低的磁损耗P，尤其高温用软磁材料是发展航空、航天和先进武器系统的关键，可作为发动机转子、变压器、磁力轴等，工作温度为673~1073 K，需要兼具优异软磁性能和高温力学性能。目前Fe-Co软磁合金在高温环境中应用最为广泛，如50Co-2V-Fe (wt. %)，但其电阻率ρ只有40μΩ·cm，导致涡流损耗P_e增高(P_e∝ρ^-1)；近年来又发展出高电阻率的Fe-Co基非晶/纳米晶合金，其富Fe/Co的BCC纳米磁性粒子在非晶基体中的析出使得该类合金具有极低的矫顽力，但非晶/纳米晶合金的制备工艺复杂、且非晶基体为亚稳态。针对目前软磁合金材料高温组织稳定性差、服役温度低、制备工艺复杂等问题，新型高温软磁和结构一体化材料的研发迫在眉睫。

近期，大连理工大学材料科学与工程学院王清教授及团队成员在高熵合金的软磁性能研究方面取得了突破性进展。目前该工作以‘A novel soft-magneticB2-based multi-principal-element alloy with a uniform distribution of coherentbody-centered-cubic nanoprecipitates’为题在顶尖期刊《Advanced Materials》上发表。

论文链接：

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

该工作通过团簇式成分设计方法在高熵合金体系中实现了对BCC/B2共格组织的调控，以此控制不同形貌的纳米粒子。当立方形B2纳米粒子在BCC基体上共格析出时，合金具有优异的力学性能，尤其高温力学性能归因于BCC/B2高的高温组织稳定性；当有意设计成分实现BCC/B2共格组织的“翻转”，即球形BCC纳米粒子在B2基体上共格析出时，由于BCC纳米粒子中含有磁性元素Fe和Co，且粒子尺寸小于10 nm，根据磁畴理论可知，这种共格组织将大大降低合金中的应力波长，从而合金表现出低的矫顽力。根据APT结果，在Al_1.5Co₄Fe₂Cr中，这些BCC纳米粒子也富集Cr元素，多为纳米级的核(富Cr)-壳(富Fe)结构，其中Cr核的平均尺寸大约为3.0±1.5 nm。该合金在900 K以下温度时效时，由于共格组织稳定性高，仍表现为BCC纳米粒子在B2基体上析出，但在973 K以上温度时效时，会有sigma相析出，从而会恶化合金的软磁性能。

图1 (a-c) Al_1.5Co₄Fe₂Cr高熵合金773 K/24 h时效后的微观组织，(d) 973 K/24 h时效后的微观组织，(e, f) 773 K/24 h时效后APT元素分布图

图2 (a) Al_1.5Co₄Fe₂Cr高熵合金在不同温度下时效24 h后的磁滞回线，(b)在873 K时效不同时间后的磁滞回线及555 h时效后的TEM-DF形貌图，(c) 合金饱和磁化强度和电阻率随温度的变化。

设计的Al_1.5Co₄Fe₂Cr软磁高熵合金的室温饱和磁化强度M_S = 135.3 emu/g、矫顽力H_C = 127.3 A/m，居里温度高达T_C = 1061 K，具有已知软磁合金中最高的室温电阻率ρ= 244 μΩ·cm。即使该合金在873 K长期时效555 h后，依旧能保持BCC纳米粒子在B2基体中共格析出的形貌，其中BCC粒子的平均尺寸粗化为21 nm，此时仍展现出优异的软磁性能：M_S = 126.1 emu/g、H_C = 214.9 A/m，这归功于BCC/B2共格组织的高温稳定性。

图3 Al_1.5Co₄Fe₂Cr高熵合金和典型软磁合金的饱和磁感应强度B_S随平均玻尔磁子变化的示意图(a)、电阻率r和居里温度T_C对比图(b)、以及饱和磁感应强度B_S和矫顽力H_C对比图(c)。

图4 不同微观组织的系列合金的磁性能，S1：B2纳米粒子在BCC基体上析出，S2：BCC/B2编织网状形貌，S3：BCC/B2+FCC相

研究表明，合金的磁性能强烈依赖于微观组织(相结构及组织形貌)。通过成分调整刻意改变微观组织，如BCC纳米粒子粗化、立方形B2纳米粒子在BCC基体上共格析出、编织网状BCC/B2共格组织、或其他相析出都会严重恶化合金的软磁性能。因此，形成以性能目标为导向的高性能结构-功能一体化先进材料的成分与组织设计方法至关重要。本研究揭示了材料微观组织的成分关联机制，实现了对高熵合金软磁性能的调控。（文：王清、马跃）