華中科大柳林團隊︱基于原位相調(diào)控的增材制造高性能軟磁中熵合金

來源：科研云
通訊作者：柳林、張誠
第一完成單位：華中科技大學(xué)、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室
第一作者：曹祖睿、張鵬程
論文DOI：10.1038/s41467-024-54133-0

軟磁合金是一種重要的功能材料，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展中，特別是在電力、電子和能源領(lǐng)域，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著科技的快速進步，新一代電氣設(shè)備對軟磁材料的性能提出了更高的要求。近年來，具有優(yōu)異軟磁性能的多組元合金受到了廣泛關(guān)注，展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)軟磁合金的潛力。然而，由于多組元合金成形性較差，傳統(tǒng)成形技術(shù)在制造復(fù)雜形狀的軟磁多組元合金時面臨巨大挑戰(zhàn)。增材制造（又稱為3D打�。┦且环N基于逐層堆疊的新型加工方法，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀軟磁材料與構(gòu)件的成形制造。然而，現(xiàn)有文獻報道的增材制造軟磁多組元合金往往難以同時滿足高飽和磁感應(yīng)強度、低矯頑力和低損耗等性能要求。

基于此，華中科技大學(xué)柳林教授和張誠教授團隊在《自然通訊》（Nature Communications）期刊在線刊發(fā)了“基于原位相調(diào)控的增材制造高性能軟磁中熵合金”（In situ phase engineering during additive manufacturing enables high-performance soft-magnetic medium-entropy alloys）的研究論文。華中科技大學(xué)曹祖睿碩士和張鵬程博士后為論文共同第一作者，張誠和柳林為論文共同通訊作者，華中科技大學(xué)材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室為第一完成單位。

研究團隊經(jīng)過長期深入研究，在軟磁無序合金成分設(shè)計、粉體表面改性技術(shù)、增材制造工藝優(yōu)化、微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及其對磁學(xué)性能的影響機制等方面進行了全面探索，提出了一種創(chuàng)新的增材制造過程中原位物相調(diào)控策略。該策略基于納米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造過程中原位調(diào)控物相結(jié)構(gòu)（BCC/FCC雙相變FCC單相），實現(xiàn)了軟磁性能的優(yōu)化，從而有效解決了當(dāng)前增材制造軟磁多組元合金在性能上的不足。

圖1 氧化鐵包覆元素粉末及軟磁無序合金的3D打印

本研究選擇具有高飽和磁感應(yīng)強度的雙相、非等摩爾比FeCoNi中熵合金作為基礎(chǔ)合金，通過原位物相調(diào)控策略優(yōu)化其物相結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能。這一過程包括三個主要步驟（見圖1）：首先在單質(zhì)粉末表面包覆納米Fe2O3顆粒，接著利用激光3D打印技術(shù)成形并實現(xiàn)原位相變（BCC/FCC→FCC、Fe2O3→FeO），最后通過高溫?zé)崽幚磉M一步調(diào)控合金組織和磁學(xué)性能。

圖2 3D打印軟磁無序合金的磁學(xué)性能

經(jīng)過上述策略，成功獲得了單一FCC結(jié)構(gòu)的中熵合金/FeO復(fù)合材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能，如飽和磁感應(yīng)強度達到2.05 T，矯頑力低至115 A/m，優(yōu)于大多數(shù)文獻中報道的增材制造軟磁合金（見圖2）。此外，F(xiàn)eO顆粒的引入還顯著提高了電阻率，達未添加納米顆粒樣品的兩倍，從而大幅降低了鐵損。研究表明，BCC相納米晶和FCC/BCC相界面對磁疇運動有顯著的阻礙作用，而粗大的FCC相晶粒和FeO/FCC半共格相界面對磁疇運動的阻礙顯著降低，從而能夠大幅減小矯頑力。本研究提出的創(chuàng)新策略不僅為增材制造高性能軟磁合金的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了新思路，也對高頻高效電機鐵芯的制造和應(yīng)用具有重要的工程意義。

文獻信息
Authors:  Zurui Cao, Pengcheng Zhang, Bailing An, Dawei Li, Yao Yu, Jie Pan, Cheng Zhang*, and Lin Liu*
Title: In situ phase engineering during additive manufacturing enables high-performance soft-magnetic medium-entropy alloys
Published in: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-024-54133-0