高熵合金又發Nature: 同時實現三種性能的完美結合

一、導讀

軟磁材料(SMMs)服務于電氣應用和可持續的能源供應，在保持低能量損失的情況下，可使磁通量隨外磁場的變化而變化。由于存在滯后損耗，交通、家庭和制造業的電氣化會導致能耗增加，因此，降低矯頑力至關重要。然而，僅僅實現這一目標是不夠的，電機中的軟磁材料必須承受嚴重的力學載荷;也就是說，合金需要高強度和延展性。由于大多數增強強度的方法都引入了可以固定磁疇的應力場，從而增加了矯頑力。因此，設計這樣的材料具有非常大的挑戰性。高強度和延展性也是許多其他機械性能的衡量標準，如高硬度和斷裂韌性。金屬材料的強度是由晶格缺陷及其與線晶格缺陷的彈性相互作用產生的。然而，缺陷也與磁疇壁相互作用。疇壁運動的損失增加了矯頑力，使材料失去了軟磁特性。另一方面，提高合金的強度需要通過位錯、晶界和析出相等缺陷來提高其內應力水平。所以，使軟磁體具有機械強度的關鍵是兩種相互排斥的設計策略之間的權衡，即機械強度與不受影響的疇壁運動。本文則使用一種非常巧妙的合金設計方法，成功解決了這一國際性難題。

二、成果掠影

近日，來自德國馬普學會鋼鐵研究所的Dierk Raabe和中南大學的李志明教授等學者強強聯合，設計了一種Fe-Co-Ni-Ta-Al多組份合金(MCA)，其基體為鐵磁性，納米顆粒為順磁性(粒徑約91 nm，體積分數約為55%)。這些納米顆粒阻礙了位錯運動，增強了強度和延展性。另外，他們的晶粒尺寸小、與基體具有低共格應力。且其小靜磁能形成低于磁疇壁寬的相互作用體積，使疇壁釘扎最小化，從而保持了軟磁性能。合金的抗拉強度為1336 MPa，拉伸伸長率為54%，矯頑力為78 A m^?1(小于1Oe)，飽和磁化強度為100 A m² kg^?1，電阻率為103 μΩ cm。相關成果以“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”為題發表在國際頂級期刊Nature上。

三、核心創新點

提出將納米粒子引入到多組分大質量固溶體基質中，并將其尺寸從常用的5-15 nm范圍增加到90-100 nm的合金設計方法，同時提高合金強塑性，并有效降低矯頑力。

四、數據概覽

圖1 M-MCA（中等粒度多組元合金）的顯微結構和化學成份；a. EBSD反極圖顯示出fcc基體的等軸晶粒。 黑線突出高角度晶界/孿晶邊界；b. 晶粒內部高密度均勻分布的L1₂顆粒和晶界處非均勻顆粒的ECC圖像；c，實測和模擬的XRD圖，顯示出相結構；d，用(011)超晶格點獲得的L1₂粒子的中心DF-TEM圖像；e，典型APT針尖三維重建圖，顯示立方狀L1₂顆粒嵌入fcc基體。L1₂-fcc界面含有25 at%的Fe成。f，沿e中圓柱體區域計算的一維成分剖面(由黑色箭頭標記)，顯示了幾個界面的成分變化。誤差條為計數統計數據的標準偏差 ? 2022 The Authors

圖2 ?M-MCA塑性變形過程中的力學行為和納米尺度過程；a、常溫下測得的典型工程應力-應變曲線，以及極限抗拉強度(σ_UTS)和斷裂伸長率平均值(ε_f). b:應變硬化速率/真應力-真應變曲線。插圖拉伸樣品的宏觀圖像(頂部插圖;拉伸試樣的比例尺，1 cm)和相應的斷裂形貌(底部插圖;比例尺，5 μm)，呈典型的韌性斷裂，具有細小的韌窩。c，中斷拉伸試驗后觀察到的亞結構演變作為整體應變的函數:EBSD-KAM圖顯示了變形引起的取向差的分布(頂部圖像;比例尺，50 μm)， ε_T為整體真應變; ECCI分析(中間圖像;比例尺，100 nm)顯示了微帶的演化;紅色箭頭突出了L1₂顆粒的剪切;示意圖(底部圖像)說明了在塑性應變過程中M-MCA的微帶細化? 2022 The Authors

圖3 在室溫下，MCAs的軟磁響應和相關的Bloch壁運動行為；a、獲得的遲滯回線(M/H)達到±800 kA^?1。磁場掃描速率為1 kA m^?1。插圖顯示隨著顆粒粗化飽和磁化強度增加；b, 0.1 kA M^?1±50 kA M^?1速率下的M/H曲線，表明矯頑力極低；c、MOKE顯微鏡觀察，縱向對比，顯示磁化過程。所施加的磁場水平于觀察平面。d、MCAs在不同等溫熱處理條件下(1-100 h, 1173 K)的粒徑分布統計。插圖顯示了ECCI探測的顆粒尺寸的演變? ? 2022 The Authors

圖4優異力學與磁性功能相結合的新型 Fe₃₂Co₂₈Ni₂₈Ta₅Al₇ (at.%) M-MCA材料；a, Ashby圖編制了室溫極限抗拉強度(σ_UTS) ×斷裂伸長率(ε_f)和與其他SMM合金矯頑力的比較；如Fe-Ni；Fe-Si，Fe-Co，Fe，非晶合金和MCA合金；b，與其他MCAs強韌性的數據相比，Ashby圖顯示了σ_UTS × ε_f值隨平均晶粒尺寸的變化。Am ,非晶態合金 ? 2022 The Authors

五、成果啟示

根據本文提出的合金設計策略，使得制備的高熵合金完美的實現了高強高塑，低矯頑力的良好結合。這種設計策略與傳統SMM設計中普遍采用的設計策略相反。在電子器件日益小型化、高性能、高速化的背景下，本工作將有助于軟磁材料的進一步深化應用。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04935-3

本文由虛谷納物供稿。