高熵合金又发Nature: 同时实现三种性能的完美结合

一、导读

软磁材料(SMMs)服务于电气应用和可持续的能源供应，在保持低能量损失的情况下，可使磁通量随外磁场的变化而变化。由于存在滞后损耗，交通、家庭和制造业的电气化会导致能耗增加，因此，降低矫顽力至关重要。然而，仅仅实现这一目标是不够的，电机中的软磁材料必须承受严重的力学载荷;也就是说，合金需要高强度和延展性。由于大多数增强强度的方法都引入了可以固定磁畴的应力场，从而增加了矫顽力。因此，设计这样的材料具有非常大的挑战性。高强度和延展性也是许多其他机械性能的衡量标准，如高硬度和断裂韧性。金属材料的强度是由晶格缺陷及其与线晶格缺陷的弹性相互作用产生的。然而，缺陷也与磁畴壁相互作用。畴壁运动的损失增加了矫顽力，使材料失去了软磁特性。另一方面，提高合金的强度需要通过位错、晶界和析出相等缺陷来提高其内应力水平。所以，使软磁体具有机械强度的关键是两种相互排斥的设计策略之间的权衡，即机械强度与不受影响的畴壁运动。本文则使用一种非常巧妙的合金设计方法，成功解决了这一国际性难题。

二、成果掠影

近日，来自德国马普学会钢铁研究所的Dierk Raabe和中南大学的李志明教授等学者强强联合，设计了一种Fe-Co-Ni-Ta-Al多组份合金(MCA)，其基体为铁磁性，纳米颗粒为顺磁性(粒径约91 nm，体积分数约为55%)。这些纳米颗粒阻碍了位错运动，增强了强度和延展性。另外，他们的晶粒尺寸小、与基体具有低共格应力。且其小静磁能形成低于磁畴壁宽的相互作用体积，使畴壁钉扎最小化，从而保持了软磁性能。合金的抗拉强度为1336 MPa，拉伸伸长率为54%，矫顽力为78 A m⁻¹(小于1Oe)，饱和磁化强度为100 A m² kg⁻¹，电阻率为103 μΩ cm。相关成果以“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

三、核心创新点

提出将纳米粒子引入到多组分大质量固溶体基质中，并将其尺寸从常用的5-15 nm范围增加到90-100 nm的合金设计方法，同时提高合金强塑性，并有效降低矫顽力。

四、数据概览

图1 M-MCA（中等粒度多组元合金）的显微结构和化学成份；a. EBSD反极图显示出fcc基体的等轴晶粒。 黑线突出高角度晶界/孪晶边界；b. 晶粒内部高密度均匀分布的L1₂颗粒和晶界处非均匀颗粒的ECC图像；c，实测和模拟的XRD图，显示出相结构；d，用(011)超晶格点获得的L1₂粒子的中心DF-TEM图像；e，典型APT针尖三维重建图，显示立方状L1₂颗粒嵌入fcc基体。L1₂-fcc界面含有25 at%的Fe成。f，沿e中圆柱体区域计算的一维成分剖面(由黑色箭头标记)，显示了几个界面的成分变化。误差条为计数统计数据的标准偏差 © 2022 The Authors

图2  M-MCA塑性变形过程中的力学行为和纳米尺度过程；a、常温下测得的典型工程应力-应变曲线，以及极限抗拉强度(σ_UTS)和断裂伸长率平均值(ε_f). b:应变硬化速率/真应力-真应变曲线。插图拉伸样品的宏观图像(顶部插图;拉伸试样的比例尺，1 cm)和相应的断裂形貌(底部插图;比例尺，5 μm)，呈典型的韧性断裂，具有细小的韧窝。c，中断拉伸试验后观察到的亚结构演变作为整体应变的函数:EBSD-KAM图显示了变形引起的取向差的分布(顶部图像;比例尺，50 μm)， ε_T为整体真应变; ECCI分析(中间图像;比例尺，100 nm)显示了微带的演化;红色箭头突出了L1₂颗粒的剪切;示意图(底部图像)说明了在塑性应变过程中M-MCA的微带细化© 2022 The Authors

图3 在室温下，MCAs的软磁响应和相关的Bloch壁运动行为；a、获得的迟滞回线(M/H)达到±800 kA⁻¹。磁场扫描速率为1 kA m⁻¹。插图显示随着颗粒粗化饱和磁化强度增加；b, 0.1 kA M⁻¹±50 kA M⁻¹速率下的M/H曲线，表明矫顽力极低；c、MOKE显微镜观察，纵向对比，显示磁化过程。所施加的磁场水平于观察平面。d、MCAs在不同等温热处理条件下(1-100 h, 1173 K)的粒径分布统计。插图显示了ECCI探测的颗粒尺寸的演变  © 2022 The Authors

图4优异力学与磁性功能相结合的新型 Fe₃₂Co₂₈Ni₂₈Ta₅Al₇ (at.%) M-MCA材料；a, Ashby图编制了室温极限抗拉强度(σ_UTS) ×断裂伸长率(ε_f)和与其他SMM合金矫顽力的比较；如Fe-Ni；Fe-Si，Fe-Co，Fe，非晶合金和MCA合金；b，与其他MCAs强韧性的数据相比，Ashby图显示了σ_UTS × ε_f值随平均晶粒尺寸的变化。Am ,非晶态合金 © 2022 The Authors

五、成果启示

根据本文提出的合金设计策略，使得制备的高熵合金完美的实现了高强高塑，低矫顽力的良好结合。这种设计策略与传统SMM设计中普遍采用的设计策略相反。在电子器件日益小型化、高性能、高速化的背景下，本工作将有助于软磁材料的进一步深化应用。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04935-3

本文由虚谷纳物供稿。