杭州電子科技大學金屬頂刊Acta Materialia：多重共格結構協同提升軟磁高熵合金力學性能和磁性能

?導讀

傳統的合金強化方式包括位錯強化、第二相強化和晶界強化等，這都可能降低塑性、提高矯頑力。本文通過在Fe₂₆Co₂₅Ni₂₀Cu₁₅Al_13.1Ga_0.9（HEA2）軟磁高熵合金中引入了多重共格界面，從而實現了強度、塑性和矯頑力之間的平衡。通過FCC/BCC雙相界面、FCC相中L1₂納米析出相和BCC相中B2納米析出相的協同強化作用，合金強度提高到414.6 MPa；此外，多重共格界面（FCC/BCC、FCC/L1₂和BCC/B2）賦予HEA2合金超過200%的優異塑性。更重要的是，L1₂和B2納米析出相的尺寸小于疇壁寬度，并且多重共格界面不會阻礙疇壁運動，從而使其矯頑力低至334 A/m。而超過臨界寬度（δw=132 nm）的非均質有序B2析出相對疇壁運動產生了明顯的釘扎效應。這項研究可以為開發用于先進電氣設備的具有綜合力學和磁性能的新型軟磁材料提供指導。

成果掠影

具有低矯頑力（Hc）的軟磁材料（SMMs）是電機、電感器和變壓器的基本材料。隨著現代電氣系統的快速發展，對適合在高機械負荷下長期運行的SMM的需求越來越大。最廣泛應用的SMM（硅鋼、坡莫合金和非晶合金），可以通過位錯、第二相和晶界等進行強化，但這可能會惡化材料的塑性和矯頑力。雖然可以通過退火釋放應力和晶格畸變來優化合金的矯頑力，但這會引起時效效應和退火脆性。因此，有必要開發同時具有高強度、大塑性和低矯頑力的新型SMM，以確保磁性部件的磁性能和機械性能穩定性。

高熵合金（HEAs）是至少四種元素以等原子或接近等原子比例形成的固溶體。自2004年J.W.Yeh和B.Canter首次提出以來，許多HEA通過其獨特的成分和微觀結構實現了強度和塑性之間的平衡。但強度、塑性和矯頑力三者之間的平衡仍然是磁性HEAs面臨的巨大挑戰。報道顯示，可以通過引入納米級共格析出相來提高HEAs的強度和塑性。當位錯切割共格析出相時，析出相與不同原子的強鍵合力增強了合金的強度。同時，完全共格結構幾乎不對疇壁運動產生強釘扎作用。

盡管過去有許多關于HEAs的報道，但大多都集中在單相HEAs上，它們面臨著強度和塑性之間的矛盾。Kov’acs和Banerjee發現，由于FCC和BCC相的不同力學性能，在FCC/BCC雙相HEA中可以實現強度和塑性的平衡。此外，調研發現，Cu元素是FCC相促進劑，Al/Ga元素可以穩定BCC相，并在FCC相中與Ni元素形成Ni3Al型析出相。本工作設計了具有大量FCC相+少量BCC相的雙相HEA2合金，以平衡強度、塑性和矯頑力。為了比較，還制備了具有幾乎等量FCC和BCC相的HEA1和具有兩種FCC相的HEA3。在HEA2中觀察到L12、B2有序納米析出相和多重完全共格界面，并通過球差校正TEM和原位洛倫茲TEM進行了系統的研究。研究證明，多重共格界面和小于疇壁寬度的納米析出相可以在不犧牲矯頑力的情況下提高合金強度和塑性。這些發現可以為設計具有綜合力學和磁性能的HEA軟磁性材料提供依據。

相關成果以“Strength, plasticity and coercivity tradeoff in soft magnetic high-entropy alloys by multiple coherent interfaces”為題發表在國際金屬頂刊《Acta Materialia》上。杭州電子科技大學為第一通訊單位，杭州電子科技大學李忠為第一作者，通訊作者為杭州電子科技大學白國華教授和劉先國教授。該成果獲國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃和浙江省自然科學基金項目的支持。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118970

數據概覽

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圖1 (a) HEA2合金中不同相BF?TEM，(b-d)分別為圖(a)中FCC(I)、FCC(II)和BCC(III)區的SAED，FCC/BCC界面處(e-f)?STEM-HAADF和EDS圖譜，(g)?HAADF-STEM，(h)溫度模式圖，GPA圖：(i)水平應變，(j)垂直應變和(k)剪切應變

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圖2 FCC相中共格結構，(a,a1,a2)FCC相的HAADF-STEM圖和不同區域的FFT圖，(b,b1,b2)原子分辨率的HADDF-STEM圖和不同區域的FFT圖，(c)?HADDF-STEM溫度模式圖,(d,e)圖(c)中紅線標記處強度分布，(f-h)水平、垂直和剪切方向GPA圖，圖(g)中的插圖顯示了圖(a)中橙色和青色框相應位置的應變程度

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圖3?(a)HEA2合金中BCC相的DF圖，(b)?HADDF圖，(d-e)納米析出相的ADF圖、元素面掃和線掃描圖。

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圖4 (a)BCC相中B2納米析出相的HAADF-STEM圖，(b) BCC/B2界面的高分辨率圖像和（c）溫度模式圖，(d)青色框中BCC/B2界面處FFT圖，(e,f)孿晶相納米析出相的高分辨率圖和FFT圖，(g-i)水平、垂直和剪切方向應變分布圖

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圖5 FeCoNiCuAlGa?HEAs的力學性能，(a)真實應力-應變曲線，插圖顯示了HEA2合金不同應變強度下照片，(b)HEA1-HEA3合金的性能對比圖

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圖6 FeCoNiCuAlGa?HEAs不同放大倍數下的MFM圖，(a,d)HEA1，(b,e)HEA2，(c,f)HEA3

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圖7 (a)過焦模式下HEA2洛倫茲TEM圖，(b)?不同水平磁場下(0-128 mT)原位洛倫茲TEM，(c)圖(a)中的點1-10在外場下的位移，(d)析出相對磁疇壁的釘扎效應示意圖

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成果啟示：

總之，我們成功設計并制備了一種新型的具有多重共格界面（FCC/BCC、FCC/L12和BCC/B2共格）的雙相Fe₂₆Co₂₅Ni₂₀Cu₁₅Al_13.1Ga_0.9（HEA2）軟磁高熵合金。由于L1₂、B2納米析出相和FCC/BCC雙相結構的增強作用，該合金表現出中等的屈服強度（σ0.2=441.6 MPa）。同時，多重完全共格界面的協同效應產生了壓縮率大于200%的優異塑性。完全共格界面、L1₂和B2納米析出相的尺寸小于疇壁寬度，通過減輕疇壁釘扎效應有利于降低合金的矯頑力，而尺寸超過臨界寬度的非均質有序B2析出相可以強釘扎疇壁運動。此外，多重共格結構也有助于HEA2合金獲得高電阻率和低損耗。因此，HEA2合金表現出優異的塑性、中等強度、低矯頑力和低損耗，這為將來設計具有高力學性能和磁性能的軟磁合金提供了指導。

本文由作者（hanying4597）供稿