基于纳米沉淀调控的软磁高熵合金的机械与磁性能

《Materials Science and Engineering: B》：Mechanical and Magnetic Properties of Soft Magnetic High-Entropy Alloys Based on Nano-precipitation Regulation

　　

董正|徐学松|魏代秀|龚正|齐志祥|陈阳|陈光

中国科学技术大学南京光子学院先进铸造技术实验室/轻质超合金国家重点实验室，南京210094

摘要

为了在不牺牲磁性能的前提下提高高频高速电机的机械性能，我们设计了一种FeCoNiTiAl FCC高熵合金，并通过调控L1₂沉淀物来调节其机制-磁性能关系。结果表明，减小L1₂沉淀物的尺寸可以提高强度，同时降低伸长率和矫顽力，且晶粒尺寸保持不变。连贯的L1₂相可以有效阻碍位错运动，同时允许磁畴壁自由移动。该合金在L1₂沉淀物尺寸为8.6 nm时，表现出1156 MPa的屈服强度、5.6%的伸长率和4.1 Oe的矫顽力。本研究通过纳米尺度沉淀物的调控，为开发具有优异机械性能、延展性和磁性能的高性能软磁合金提供了有效策略。

引言

软磁材料广泛应用于变压器、电机、电磁铁等领域[1]、[2]、[3]。在新能源汽车快速发展的时代，高频高速电机已经进入人们的视野。作为新能源汽车的关键部件，高频高速电机需要具备高转速和高频率。高转速意味着电机材料需要承受更大的离心力，这就要求提高其机械性能，尤其是抗拉强度。高频率会导致显著的磁损耗，需要通过增加电阻率和降低矫顽力来缓解这一问题。因此，我们需要寻找具有优异机械性能和磁性能的新磁性材料，而软磁高熵合金成为了我们的突破点。高熵合金是指含有至少五种主要元素且每种元素浓度在5%到35%之间的合金。由于具有较高的混合熵，高熵合金形成的是简单的固溶体而非金属间化合物[4]。由于具有扩散缓慢和晶格畸变显著等特殊性质，高熵合金在室温、低温和高温下均表现出优异的机械性能。通过适当的合金设计和热处理，可以获得优异的机械性能，如强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。同时，高熵合金还因其磁性能、电阻率和超导性能而受到关注。总之，高熵合金是实现机械性能和物理性能最佳平衡的潜在材料[5]。

最近，一些基于FeCoNi的高熵合金展现了良好的软磁性能[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，即使添加了Mn和Al等元素，一些合金的机械性能仍然较差；而另一些合金在添加Cu和Si等元素后，其磁性能却显著下降，未能实现机械性能和磁性能的协同优化[5]、[7]、[8]。为了解决这个问题，许多研究致力于引入沉淀物以改善机械性能而不影响磁性能。据报道，B2相具有体心立方结构，会在BCC基体中沉淀，并可能对磁畴壁的运动产生钉扎效应[12]。含碳的高熵合金中会形成碳化物相（NbC），通常尺寸较大，这可能对磁性能产生不利影响。通过引入纳米级的L1₂相（<15 nm），其尺寸远小于磁畴壁宽度，沉淀物可以避免阻碍畴壁运动，从而在不显著增加矫顽力的情况下增强材料强度[13]、[14]。然而，沉淀物在高温下的稳定性是限制材料应用的关键因素。文献表明，L1₂相在高温下可能会粗化或溶解，导致强化效果减弱[15]。因此，精确控制热处理参数（如温度和时间）对于维持纳米沉淀物的稳定性至关重要。本研究旨在通过不同的热处理条件来调控FeCoNiTiAl合金中沉淀物的尺寸。将使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和洛伦兹透射电子显微镜（L-TEM）来研究元素分布和微观结构，并进行拉伸测试和磁性能测试，以探讨沉淀物对FeCoNiTiAl软磁高熵合金机械性能和磁性能的影响，从而建立具有优异机械性能和磁性能的软磁高熵合金的微观结构控制方法。

章节摘录

材料与方法

使用高纯度的铁、钴、镍、钛和铝作为原料（Fe:99.99%、Co:99.95%、Ni:99.995%、Al:99.999%、Ti:99.999%），按摩尔分数称取36.00%的铁、26.00%的钴和26.00%的镍，以及5.00%的钛和7.00%的铝，总质量为300克。将这些材料放入真空感应悬浮熔炼设备中制备Fe₃₆Co₂₆Ni₂₆Ti₅Al₇合金，并对铸锭进行三次重熔处理以确保成分均匀。使用...

结果与讨论

合金系统的名义成分和实际成分列于表1中。具体来说，Fe含量减少了0.75%，而Co和Ni含量分别增加了0.65%和0.40%，Ti和Al含量分别减少了0.27%和0.03%。

FeCoNiTiAl高熵合金的热力学计算相图如图1所示。根据相图，单相FCC结构出现在1250 ～ 1489K（977 ～ 1216°C）范围内，L1₂相在1250K开始沉淀...

结论

本文研究了不同热处理条件下FeCoNiTiAl软磁高熵合金的机械性能和磁性能。主要发现如下：

• 1)
  我们成功设计了一种新的软磁FeCoNiTiAl高熵合金，该合金具有FCC+L1₂结构，L1₂相与FCC基体完全连贯，并富含Ni、Ti和Al元素。
• 随着退火温度从700°C升高到800°C，L1₂沉淀物的尺寸增大...

作者贡献声明

魏代秀：验证、软件、项目管理、方法论。龚正：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、概念构思。董正：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论研究。徐学松：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、研究工作。陈光：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调、项目管理、资金筹集。齐志祥：资源协调、资金筹集。陈阳：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金项目（编号：92463301、92163215、52595663、52571145、52433016、52305379）、国家重点研发计划（编号：2025ZD0608600）、国家关键研发计划（编号：2024YFB3713503）、江苏省创新支持计划（软科学研究）（编号：BE2023024）以及江苏省自然科学基金重大项目（批准编号：BK20243066）的支持。