香港城大刘锦川等Materials today：新思路打造高性能纳米晶软磁合金

【研究背景】

磁性材料是发电、输电、能源转换和信息等电力电子产业的核心材料。提高磁性材料的饱和磁化强度和软磁性能可促进器件向小型化、安静化、高效化和低能耗化方向发展。纳米晶软磁合金具有独特的α-Fe（Si）和非晶基体的双纳米相镶嵌结构，兼具高饱和磁化强度、优异的软磁性能和低磁致伸缩系数，其应用是解决硅钢电器的高损耗，非晶器件的高噪声和大体积等问题的最佳方案，因而具有广阔的应用空间。然而，为了构建均匀细密的纳米晶结构，通常都需要添加大量的促进形核和抑制晶粒长大元素，这些非磁性元素的添加大大降低了磁化强度，提高了生产工艺要求，增加了原材料的成本。

 【设计思路】

近日，香港城市大学刘锦川院士、王安定研究员和新疆大学李强教授等人提出了一种新的纳米晶合金设计和结构调控概念，即设计不含促进形核和抑制扩散元素的新型合金，通过在临界冷却速率下快淬预制高密度的形核点，并通过类金属瞬态富集界面以细化晶粒，获得了均匀细密的纳米晶结构。作者通过巧妙设计，仅以4.6wt.%的常见类金属元素（B、Si、P和C）组合添加，即达到了稳定快淬非晶相和纳米晶间基体相的作用，调和了饱和磁感应强度与形成能力间矛盾的同时，大幅提高了合金的高磁感纳米晶合金工业化的可行性，还降低了合金的成本。这种独特的设计相当于将同等铁含量的硅钢纳米晶化，去除晶界对软磁性能的恶劣影响，并保留了α-Fe相的超高饱和磁感应强度。新概念设计的Fe_85.5B₁₀Si₂P₂C_0.5合金的B_s 达1.87T，接近硅钢，其均匀、细密的非晶-纳米晶双相结构使其具有优异的软磁性能。这种异质结构和轻合金化策略为下一代磁性材料的开发提供了思路和借鉴。相关研究成果以题为Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability发表在材料学顶级期刊Materials Today上，IF=26.416。

【图文导读】

图1 合金设计思路。

a）三种软磁合金的制备工艺和微观结构示意图，以及理想纳米晶合金的组织、结构特征和优异性能；b）典型双相纳米晶合金与本合金的B_s与Fe重量百分比（wt. %）的关系示意图，插图显示基于混合焓和原子大小规则的元素选择思路。c） 熔体凝固过程的TTT曲线示意图，说明在完全非晶和静态之间存在形成高密度快淬团簇的临界状态，基于临界形成能力思路可设计新的形核和晶粒细化工艺；d）合金成分调整的思路，阐明新成分和工艺优化策略。此新思路不仅可望调和高磁感纳米晶软磁合金磁性能和工艺性矛盾的问题，充分发挥纳米晶合金的性能优势和工艺流程短、生产节能和高效等优点，还可为其他高性能纳米晶合金的结构调控提供参考。

图2 合金的结晶行为、非晶成形能力、磁性能和韧性变化。

a）具有超宽晶化温度区间（ΔT_x=143 ℃）的淬态带材DSC曲线；b）本合金与其它典型纳米晶合金的晶化温度区间对比；c）不同铜辊转速制备的Fe_85.5B₁₀Si₂P₂C_0.5合金带材的XRD图谱；d）热处理后带材的H_c和B_s随处理时间（t_A）的变化；e）快速加热处理后的H_c随退火温度（T_A）的变化，显示最佳退火窗口；f）振动样品磁强计（VSM）测得的最佳样品的磁滞回线，显示饱和磁化过程；g）用高灵敏度直流B-H仪在800 A /m的磁场下测试并放大后的B-H磁滞回线，显示矫顽力（H_c）；h）施加1-100 A/m的磁场下测量的有效磁导率随频率的变化；（i）淬态（AQ）和快速退火（FA）合金薄带扭转后的形态对比。临界形成能力和多组元稳定新机制的使用，使本合金在没有Cu添加的情况下，依然具有很宽的热处理温度区间。此外，由于超高铁含量和不含大原子半径元素的设计，合金具有接近硅钢的饱和磁感应强度。需要注意的是，此概念性设计合金的矫顽力还有很大的优化空间，依然需要继续改进热处理工艺。

图3 淬态和退火态合金样品的微观组织结构与磁畴结构，以及两种结晶相的晶化激活能。

a）Fe_85.5B₁₀Si₂P₂C_0.5合金的TEM图像：a1）淬态（AQ）样品的高分辨率图像；a2）退火3s后样品的TEM图像，显示了非晶基体中纳米析出相的形貌；a3）退火12s后样品的TEM图像，a4）最佳样品（12s）的选区衍射斑点（SAED），显示了非晶结构具有的衍射环和α-Fe（Si）出现。b）合金条带的磁畴结构：b1）AQ样品的磁畴结构；b2）最佳退火态的磁畴结构。c）与DSC曲线的第一晶化峰（T_p1）和第二晶化峰（T_p2）对应的两相晶化活度能值（E_x）。在临界态制备条件下，淬态样品含有高密度的团簇，可作为纳米晶化的晶核，从而提高晶粒密度和生长过程中的竞争作用，从而得到均匀细密的微观结构。

图4 Fe_85.5B₁₀Si₂P₂C_0.5合金带的元素分布图。

a）淬态样品； b）快速热处理样品（500 ℃×3 s）；c）选定区域b）的浓度深度剖面图（2×4×8 nm³）；d） α-Fe（Si）晶粒周围的壳结构示意图。首次发现了瞬态类金属元素富集的核壳结构，说明快速加热热处理和多组元成分设计的重要性。

【结论展望】

综上所述，作者提出了一种新的合金设计概念，通过反常规去除传统合金成分中的促进形核和抑制扩散元素，来调和非晶-纳米晶磁双相合金中的磁性能与形成能力之间的矛盾。成功地研制出了大的晶化温度区间（143 ℃）、超高饱和磁化强度（1.87 T，与Si钢相当）和低成本的Fe_85.5B₁₀Si₂P₂C_0.5软磁合金，并在工业化生产可接受的铜辊转速下成功制备出了合金带材。该合金具有优异的性能，具有广泛的节能应用前景，为高饱和磁化强度、良好的成形性和低成本的下一代非晶-纳米晶软磁合金的设计提供了范例。此外，临界形成条件下致密形核、多组元协同效应提高形成能力和瞬态富集核壳结构的晶粒细化三种创新机制也可应用于其他纳米非晶双相合金。

论文链接：https：//doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.030

【通讯作者简介】

王安定博士，香港城市大学材料科学工程系研究员。2012年在中科院宁波材料所沈宝龙教授研究组获博士学位，2013-2018年于中科院宁波材料所先后任博士后、助理研究员和副研究员，2018年至今于香港城市大学刘锦川院士研究组从事非晶合金纳米晶金属材料研究。研究兴趣主要集中在铁基非晶和纳米晶合金的磁学、冶金原理合金设计和组织性能调控机制，以及制备和应用技术研究。在Mater. Today, Adv. Funct. Mater., J. Mater. Sci. Technol., Sci. China Mater., Scrip. Mater. J. Alloy. Compd.等期刊发表论文近80篇，一作和通讯论文五十余篇，担任Mater. Res. Lett.，Mater. Design，J. Alloy. Compd.等20余个期刊审稿人。

李强教授，新疆大学物理科学与技术学院教授。1993年于兰州大学物理系金属物理专业获理学学士学位；1996年于兰州大学物理系凝聚态物理专业获理学硕士学位；2002年于香港中文大学物理系获博士学位；2005年进入新疆大学物理科学与技术学院任教。主要研究方向包括大过冷态下的合金相变，块体非晶态合金和纳米合金的制备及其性能研究等。共主持国家自然科学基金项目5项；以第一作者或通讯作者在Materials Today，Acta Materialia，Scripta Materialia，Scientific Report等学术期刊发表SCI论文60余篇。

刘锦川院士，香港城市大学材料科学与工程系杰出教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，台湾中央研究院院士。于美国布朗大学获得博士学位，1967年进入美国橡树岭国家实验室，先后担任研究员及高级研究员、合金行为与设计部门主任、资深研究院士，1988年获得美国总统奖之一劳伦斯奖，1998年获得布朗大学杰出校友金质奖章，2004年当选为美国国家工程院院士，2005年当选中国工程院外籍院士，2006年获得中国政府友谊奖。主要从事先进金属材料的研究工作。

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