華中科大柳林團(tuán)隊(duì)︱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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(xiàn)報(bào)道的增材制造軟磁多組元合金往往難以同時(shí)滿足高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(tuán)隊(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位。

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期深入研究，在軟磁無序合金成分設(shè)計(jì)、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(jī)制等方面進(jìn)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(shí)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(qiáng)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(gè)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(shí)現(xiàn)原位相變（BCC/FCC→FCC、Fe2O3→FeO），最后通過高溫?zé)崽幚磉M(jìn)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(qiáng)度達(dá)到2.05 T，矯頑力低至115 A/m，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)中報(bào)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(dá)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)鐵芯的制造和應(yīng)用具有重要的工程意義。

文獻(xiàn)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