Pyuck-Pa Choi韓國科學技術院Acta Mater.：相組成和元素分布對AlFeCoCrMn高熵合金軟磁性能的影響

Materials_1219 4年前 (2019-04-28) 4440瀏覽

【引言】

高熵合金（HEAs）是一種新興的材料，通常由一種主要元素和不同濃度的溶質元素組成的合金，HEA包括（近）等原子比的多主元素和最大構型熵。這種設計合金方法具有高斷裂韌性、優異的強度-延展性平衡、高溫強度、熱穩定性、耐腐蝕、電阻率和耐氫脆化特性的高熵合金。然而，HEA的研究大多數集中在理解和優化結構上，而功能特性的報告相當稀少。最近，3d過渡金屬元素的軟磁HEAs，證明HEA在軟磁應用中的巨大潛力，但仍有一些關鍵的科學問題尚未解決。例如，許多含Al HEA形成有序的B2相，但是B2和BCC相之間的元素劃分尚未闡明。飽和磁化強度隨BCC量的增加而增加，隨FCC相量的減少而增加的原因尚不清楚。為了解決這些問題，本文設計了不同Fe和Cr比（x = 0、0.2、0.4、0.6、0.8）的非等原子Al0.1(Fe1 + xCoCr1-xMn)0.9HEAs，并進行了系統的微觀結構和磁性表征。

【成果簡介】

近日，韓國科學技術院的Pyuck-Pa Choi（通訊）作者等人，采用探針斷層掃描、電子顯微鏡和ab initio密度泛函理論計算，研究了鑄態Al0.1(Fe1 + xCoCr1-xMn)0.9（x= 0、0.2、0.4、0.6、0.8）高熵合金的組織轉變、相形成和軟磁行為。x = 0.6時，合金由無序BCC基質和納米級有序B2沉淀物組成；x = 0.8時，形成小部分FCC相（18.3 vol%）。電子顯微鏡的結構信息和原子探針斷層掃描的化學信息作為密度泛函理論計算，確定了每種合金元素的狀態和磁矩的電子密度。Fe和Co在所有三相中都顯示出鐵磁行為，而Cr與Fe和Co的反鐵磁耦合。與BCC和B2相比，在FCC中Mn顯示出強烈減小的凈磁矩。因此，用Fe代替最大量為13.5 at. %的Cr不形成FCC相，在這項工作中研究的合金中，Al0.1(Fe1.6CoCr0.4Mn)0.9合金的飽和磁化強度最高（135 Am2/kg）。相關成果以“Effects of phase composition and elemental partitioning on soft magnetic properties of AlFeCoCrMn high entropy alloys”為題發表在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖 1 鑄態Al0.1(Fe1 + xCoCr1-xMn)0.9（x= 0、0.2、0.4、0.6、0.8）合金的XRD圖

圖 2（a）Fe 1.6和（b）Fe 1.8合金的EBSD相位圖

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圖 3 Fe 1.0合金的結構和成分表征

（a）Fe 1.0合金SAED圖；

（b）Fe 1.0合金的暗場圖像；

（c）STEM-HAADF圖像和Al、Co、Fe、Cr和Mn的EDX圖。

圖 4 Fe 1.0合金的APT分析的三維原子圖

圖 5 （a）Fe 1.2、（b）Fe 1.4和（c）Fe 1.6合金的3d原子圖

圖 6 Fe 1.8合金的成分和結構表征

（a）Fe 1.8合金的EBSD相圖;

（b）APT樣品的TKD相圖；

（c）的Fe 1.8合金30 at. %Co等濃度表面的3d原子圖。

圖 7 APT分析的（a）BCC和（b）B2相的化學成分

圖 8 （a）合金的磁化曲線和（b）飽和磁化強度和矯頑力圖

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圖 9 計算的準Al0.1(Fe1 + xCoCr1-xMn)0.9合金二元相圖

圖10 B2、BCC和FCC中不同元素的pDOS圖

（a-c）B2、BCC和FCC相中Fe和Co原子的pDOS圖；

（d-f）B2、BCC和FCC相中的Cr原子的pDOS圖；

（g-i）B2、BCC和FCC相中的Mn原子的pDOS圖；

（j-k）BCC和FCC相分解Mn的pDOS圖。

圖 11 合金中不同相的元素磁矩計算

圖 12 計算和實驗獲得的樣品的飽和磁化強度

【小結】

這項工作研究了軟磁Al0.1(Fe1 + xCoCr1-xMn)0.9高熵合金的微觀和納米結構和磁性。APT和TEM分析BCC基體內存在富含Co和Al的B2沉淀物。Fe 1.0至1.6合金由BCC和B2相組成，其中飽和磁化強度隨著Fe與Cr比率的增加而增加，因為隨Fe的增加和BCC相中Cr濃度的降低。進一步提高Fe與Cr的比率時，形成FCC相而導致的矯頑力的增加和Fe 1.8合金的飽和磁化強度的降低。DFT計算了狀態的電子密度，揭示FCC階段內Mn的對稱自旋分布，FCC相中Mn的凈磁矩明顯低于B2和BCC，因此降低了FCC相的飽和磁化強度。因此，在保持BCC結構的同時用Fe代替Cr是設計軟磁3d過渡金屬高熵合金的有效策略。

文獻鏈接：Effects of phase composition and elemental partitioning on soft magnetic properties of AlFeCoCrMn high entropy alloys（Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.04.007）。

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