华中科大柳林团队︱基于原位相调控的增材制造高性能软磁中熵合金

来源：科研云
通讯作者：柳林、张诚
第一完成单位：华中科技大学、材料成形与模具技术全国重点实验室
第一作者：曹祖睿、张鹏程
论文DOI：10.1038/s41467-024-54133-0

软磁合金是一种重要的功能材料，在现代科学技术和工业发展中，特别是在电力、电子和能源领域，发挥着关键作用。随着科技的快速进步，新一代电气设备对软磁材料的性能提出了更高的要求。近年来，具有优异软磁性能的多组元合金受到了广泛关注，展现出替代传统软磁合金的潜力。然而，由于多组元合金成形性较差，传统成形技术在制造复杂形状的软磁多组元合金时面临巨大挑战。增材制造（又称为3D打印）是一种基于逐层堆叠的新型加工方法，可实现复杂形状软磁材料与构件的成形制造。然而，现有文献报道的增材制造软磁多组元合金往往难以同时满足高饱和磁感应强度、低矫顽力和低损耗等性能要求。

基于此，华中科技大学柳林教授和张诚教授团队在《自然通讯》（Nature Communications）期刊在线刊发了“基于原位相调控的增材制造高性能软磁中熵合金”（In situ phase engineering during additive manufacturing enables high-performance soft-magnetic medium-entropy alloys）的研究论文。华中科技大学曹祖睿硕士和张鹏程博士后为论文共同第一作者，张诚和柳林为论文共同通讯作者，华中科技大学材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为第一完成单位。

研究团队经过长期深入研究，在软磁无序合金成分设计、粉体表面改性技术、增材制造工艺优化、微观组织结构的演变规律及其对磁学性能的影响机制等方面进行了全面探索，提出了一种创新的增材制造过程中原位物相调控策略。该策略基于纳米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造过程中原位调控物相结构（BCC/FCC双相变FCC单相），实现了软磁性能的优化，从而有效解决了当前增材制造软磁多组元合金在性能上的不足。

图1 氧化铁包覆元素粉末及软磁无序合金的3D打印

本研究选择具有高饱和磁感应强度的双相、非等摩尔比FeCoNi中熵合金作为基础合金，通过原位物相调控策略优化其物相结构和磁学性能。这一过程包括三个主要步骤（见图1）：首先在单质粉末表面包覆纳米Fe2O3颗粒，接着利用激光3D打印技术成形并实现原位相变（BCC/FCC→FCC、Fe2O3→FeO），最后通过高温热处理进一步调控合金组织和磁学性能。

图2 3D打印软磁无序合金的磁学性能

经过上述策略，成功获得了单一FCC结构的中熵合金/FeO复合材料，表现出优异的软磁性能，如饱和磁感应强度达到2.05 T，矫顽力低至115 A/m，优于大多数文献中报道的增材制造软磁合金（见图2）。此外，FeO颗粒的引入还显著提高了电阻率，达未添加纳米颗粒样品的两倍，从而大幅降低了铁损。研究表明，BCC相纳米晶和FCC/BCC相界面对磁畴运动有显著的阻碍作用，而粗大的FCC相晶粒和FeO/FCC半共格相界面对磁畴运动的阻碍显著降低，从而能够大幅减小矫顽力。本研究提出的创新策略不仅为增材制造高性能软磁合金的结构调控提供了新思路，也对高频高效电机铁芯的制造和应用具有重要的工程意义。

文献信息
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