通过磁沉淀工程在铁磁高熵合金中实现机械-磁-热稳定性的协同效应

【字体: 时间:2026年03月14日 来源:Journal of Materials Science & Technology 14.3

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  高熵合金通过Ta和B共合金化设计双重尺度析出结构,纳米级 Ta-富集析出物增强强度,粗大 Ta-B 析出相抑制高温粗化,实现矫顽力降至564 A/m、强度1680 MPa、高温稳定性(600℃/100h)的协同优化。

  
文志林|周静|杨林|刘立成|严玉强|彭正武|李列军|柯海波|王伟华
华南理工大学先进金属材料加工广东省重点实验室,中国广州510640

摘要

为了推动下一代软磁材料的发展,实现低矫顽力、优异的机械性能和高热稳定性之间的平衡至关重要。然而,由于微观结构要求的本质冲突,同时实现这些性能仍然是一个根本性的挑战。虽然沉淀强化可以提高机械性能和热稳定性,但它通常会阻碍畴壁的运动,从而增加矫顽力。在这里,我们通过在FeCoNi基高熵合金(HEA)中加入Ta和B,利用磁沉淀工程来解决这些相互竞争的需求。所设计的合金形成了双尺度Ta富集沉淀结构,包括嵌在铁磁基体中的相干纳米级(约20纳米)和粗大的非相干球形(约143纳米)颗粒。B的添加在调控沉淀物组成和形态方面起着关键作用,它抑制了Ta的富集并促进了Co的偏聚,从而在粗大相中诱导了顺磁-铁磁转变。这些交换耦合的沉淀物与基体协同作用,将矫顽力从2164 A/m降低到564 A/m,同时保持了130 emu/g的高饱和磁化强度。此外,层次化的沉淀结构通过位错阻塞和应变分散赋予了1680 MPa的屈服强度和39%的压缩塑性,并且在600°C下退火100小时后表现出优异的热稳定性。这项工作展示了一种通过沉淀作用来解耦传统上相互竞争的性能的策略,为先进的结构-功能软磁材料提供了一个通用的设计框架。

引言

软磁材料(SMMs)由于其低矫顽力、高饱和磁化强度、快速的磁响应和高电阻率,在现代电气和电子系统中不可或缺[[1], [2], [3]]。这些特性使它们在能量转换、驱动和传感技术中得到广泛应用[4,5]。随着人工智能时代对小型化以及高频、高电流密度和机械负载操作的需求不断增加,SMMs必须同时具备磁软性和机械坚固性[2,6,7]。在服役过程中,反复的热循环进一步驱动了微观结构的演变和磁性能与机械性能的持续漂移,因此提高高温循环稳定性变得至关重要。实现这种多功能性仍然具有挑战性,因为磁软性有利于畴壁的无障碍运动,而机械强化通常会引入阻碍畴壁运动的微观结构障碍。
传统的Fe-Si和Fe-Co合金主要通过晶粒粗化来降低矫顽力[8,9],这会损害强度和塑性。通过晶粒细化或沉淀硬化来强化可以提高屈服强度,但通常会引入位错、相干应力以及阻碍畴壁运动的界面[10]。非晶和纳米晶合金可以表现出低矫顽力,然而它们在热应力或机械应力下的结构退化和脆性限制了实际应用[11,12]。这些限制促使人们探索在不牺牲机械和热可靠性的前提下保持磁软性的合金概念。
高熵合金(HEAs)提供了高度可调控的成分空间,并且在热暴露过程中通常表现出优异的机械性能和增强的微观结构稳定性[[13], [14], [15]]。因此,HEAs在结构和功能领域得到了广泛研究,应用范围从承重应用到催化和能源相关系统[[16], [17], [18]]。在结构型HEAs中,已经广泛采用了将相稳定性、微观结构工程和性能耦合联系起来的设计框架,其中沉淀强化和层次化微观结构是提高强度和韧性的关键途径[[19], [20], [21]]。以铁磁元素为主的HEAs,特别是FeCoNi基系统,还提供了高的饱和磁化强度基线,为SMMs的设计提供了更大的自由度,提高了其机械完整性,使其成为下一代SMMs的有力候选者[22]。因此,通过成分设计、相调控和沉淀工程对软磁HEAs进行了研究,包括代表性的FeCoNiAlSi和FeCoNiAlMn系统等[[23], [24], [25], [26]]。然而,软磁HEAs的微观结构工程还受到磁性因素的额外限制。界面和缺陷密度、相间的磁对比度、沉淀物形态引起的各向异性以及与内部应力场相关的磁弹性耦合共同重塑了畴壁钉扎的景观,从而控制了矫顽力和磁滞损失[27]。高温暴露会加速晶粒粗化、元素重新分布和晶粒生长,导致磁性能和机械性能的耦合漂移[28]。
相干纳米级沉淀物被广泛用于在室温下平衡强化和低矫顽力,但它们在加热过程中容易粗化和重新分布,这会改变钉扎条件并引发性能漂移[3]。韩等人[7]通过引入非相干D019 Widmanst?tten沉淀物改善了FeCoNiTa的高温稳定性,在500°C时实现了稳定性,而在600°C时由于热激活的微观结构演变出现了退化,这强调了需要额外的成分和界面控制来扩展稳定性窗口。马等人[29]报告了在由B2沉淀物强化的体心立方基体中表现出有利的高温磁行为,但高Al和Cr含量严重降低了机械性能。这些结果表明,提高长期高温稳定性需要更可控的沉淀物设计。
从热稳定性的角度来看,较粗的沉淀物可以减少特定的界面面积,并在热暴露过程中更缓慢地演变,这有利于微观结构的保持[30,31]。然而,传统的获得粗大沉淀物的方法通常依赖于非铁磁合金化来产生足够的驱动力和失配。这种方法可以增加磁对比度和畴壁钉扎,但也可能引入晶体学不相容性和应力集中,从而损害变形兼容性。微合金化提供了另一种调节界面能量和元素分布的手段,而不会显著增加非铁磁含量[19,32]。特别是硼(B)可以偏聚到晶界以减少界面能量并抑制晶粒生长,而其与Ta的强化学亲和力可以促进Ta-B相关的富集或沉淀[33]。这为将B引入含Ta的FeCoNi基软磁HEAs提供了直接的动力,旨在调节Ta的分布和界面状态,以提高热稳定性,同时限制磁稀释和钉扎。这种控制还可以进一步调节沉淀路径和形态,从而在提高高温微观结构稳定性的同时减轻磁稀释。
在这里,我们提出了一种用于铁磁HEAs的磁沉淀工程框架,并使用等原子比的FeCoNi合金、添加Ta的变体以及添加Ta和B的改性变体进行了验证。该设计结合了超细晶粒(UFG)基体和双尺度磁沉淀结构,以增强硬化和热稳定性。纳米级相干磁沉淀物提供了强化作用,同时最小化额外的畴壁钉扎,而较大的非相干磁沉淀物则用于抵抗粗化,并在有限影响磁软性的情况下提供额外的强化作用。通过包括磁透明度、高数量密度、各向同性形态、适当的特征尺寸和内在热稳定性等标准进行指导,这种层次化微观结构实现了同时强化、保持磁软性以及在热暴露过程中的性能提升。对这三种合金的比较实验阐明了Ta和B在调控沉淀路径和高温性能稳定性方面的各自作用,为开发综合性能的SMMs建立了一条通用路径。

部分摘录

合金粉末的制备和烧结

具有等原子比FeCoNi、(FeCoNi)95Ta5和(FeCoNi)90Ta5B5(分别称为FeCoNi、FeCoNiTa和FeCoNiTaB)组成的HEA粉末是通过高能球磨(HEBM)合成的。根据目标组成称量高纯度元素粉末(≥99.9%,金属基),手动混合后装入行星式球磨机(XGB4,南京博云通)中,并在高纯度氩气气氛下进行研磨。

相演变和结构分析

图1展示了制备UFG块状软磁合金的完整过程。元素粉末经过球磨和干燥后获得了片状合金粉末(见补充材料中的图S1(a))。在严重的塑性变形过程中,粉末部分转变为具有无序原子排列的非晶结构。随后,在机械、电场和热场的共同作用下进行了SPS处理,以促进足够的流动。

双尺度沉淀引起的微观结构演变和强化

为了阐明观察到的双尺度沉淀的起源,使用Thermo-Calc对FeCoNiTa系统进行了基于CALPHAD的热力学模拟。如图S7所示,结果预测在1000°C的烧结温度下FCC基体和D0a型金属间相共存。然而,在实际中,机械合金化过程通过引入严重的塑性变形和大量能量使系统远离热力学平衡。

结论

在这项研究中,我们通过磁沉淀技术调整了UFG FeCoNi基HEAs的微观结构,实现了机械性能和磁性能的同时提升,以及优异的热稳定性。在原始状态和在600°C下热暴露100小时后,系统地研究了微观结构特征、机械行为和磁性能。基于结果和分析,主要结论如下:
(1) 控制

作者贡献声明

文志林:撰写——原始草稿、方法论、研究、概念化。周静:撰写——审阅与编辑、监督、形式分析。杨林:研究、数据管理。刘立成:可视化、研究。严玉强:验证、方法论、形式分析。彭正武:方法论、研究。李列军:监督、数据管理。柯海波:撰写——审阅与编辑、监督、资源准备。王伟华:撰写——审阅与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作得到了广东省基础与应用基础研究(编号2024B1515120012)、国家自然科学基金(编号52571192和52471179)、广东省人才计划(编号2024TQ08C641)、广东省基础与应用基础研究重大项目(编号2019B030302010)以及东莞市松山湖高新区硕士和博士生联合培训计划(编号24L3011A111)的财政支持。
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