杭州电子科技大学金属顶刊Acta Materialia：多重共格结构协同提升软磁高熵合金力学性能和磁性能

 导读

传统的合金强化方式包括位错强化、第二相强化和晶界强化等，这都可能降低塑性、提高矫顽力。本文通过在Fe₂₆Co₂₅Ni₂₀Cu₁₅Al_13.1Ga_0.9（HEA2）软磁高熵合金中引入了多重共格界面，从而实现了强度、塑性和矫顽力之间的平衡。通过FCC/BCC双相界面、FCC相中L1₂纳米析出相和BCC相中B2纳米析出相的协同强化作用，合金强度提高到414.6 MPa；此外，多重共格界面（FCC/BCC、FCC/L1₂和BCC/B2）赋予HEA2合金超过200%的优异塑性。更重要的是，L1₂和B2纳米析出相的尺寸小于畴壁宽度，并且多重共格界面不会阻碍畴壁运动，从而使其矫顽力低至334 A/m。而超过临界宽度（δw=132 nm）的非均质有序B2析出相对畴壁运动产生了明显的钉扎效应。这项研究可以为开发用于先进电气设备的具有综合力学和磁性能的新型软磁材料提供指导。

成果掠影

具有低矫顽力（Hc）的软磁材料（SMMs）是电机、电感器和变压器的基本材料。随着现代电气系统的快速发展，对适合在高机械负荷下长期运行的SMM的需求越来越大。最广泛应用的SMM（硅钢、坡莫合金和非晶合金），可以通过位错、第二相和晶界等进行强化，但这可能会恶化材料的塑性和矫顽力。虽然可以通过退火释放应力和晶格畸变来优化合金的矫顽力，但这会引起时效效应和退火脆性。因此，有必要开发同时具有高强度、大塑性和低矫顽力的新型SMM，以确保磁性部件的磁性能和机械性能稳定性。

高熵合金（HEAs）是至少四种元素以等原子或接近等原子比例形成的固溶体。自2004年J.W.Yeh和B.Canter首次提出以来，许多HEA通过其独特的成分和微观结构实现了强度和塑性之间的平衡。但强度、塑性和矫顽力三者之间的平衡仍然是磁性HEAs面临的巨大挑战。报道显示，可以通过引入纳米级共格析出相来提高HEAs的强度和塑性。当位错切割共格析出相时，析出相与不同原子的强键合力增强了合金的强度。同时，完全共格结构几乎不对畴壁运动产生强钉扎作用。

尽管过去有许多关于HEAs的报道，但大多都集中在单相HEAs上，它们面临着强度和塑性之间的矛盾。Kov’acs和Banerjee发现，由于FCC和BCC相的不同力学性能，在FCC/BCC双相HEA中可以实现强度和塑性的平衡。此外，调研发现，Cu元素是FCC相促进剂，Al/Ga元素可以稳定BCC相，并在FCC相中与Ni元素形成Ni3Al型析出相。本工作设计了具有大量FCC相+少量BCC相的双相HEA2合金，以平衡强度、塑性和矫顽力。为了比较，还制备了具有几乎等量FCC和BCC相的HEA1和具有两种FCC相的HEA3。在HEA2中观察到L12、B2有序纳米析出相和多重完全共格界面，并通过球差校正TEM和原位洛伦兹TEM进行了系统的研究。研究证明，多重共格界面和小于畴壁宽度的纳米析出相可以在不牺牲矫顽力的情况下提高合金强度和塑性。这些发现可以为设计具有综合力学和磁性能的HEA软磁性材料提供依据。

相关成果以“Strength, plasticity and coercivity tradeoff in soft magnetic high-entropy alloys by multiple coherent interfaces”为题发表在国际金属顶刊《Acta Materialia》上。杭州电子科技大学为第一通讯单位，杭州电子科技大学李忠为第一作者，通讯作者为杭州电子科技大学白国华教授和刘先国教授。该成果获国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划和浙江省自然科学基金项目的支持。

论文链接

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

数据概览

图1 (a) HEA2合金中不同相BF TEM，(b-d)分别为图(a)中FCC(I)、FCC(II)和BCC(III)区的SAED，FCC/BCC界面处(e-f) STEM-HAADF和EDS图谱，(g) HAADF-STEM，(h)温度模式图，GPA图：(i)水平应变，(j)垂直应变和(k)剪切应变

图2 FCC相中共格结构，(a,a1,a2)FCC相的HAADF-STEM图和不同区域的FFT图，(b,b1,b2)原子分辨率的HADDF-STEM图和不同区域的FFT图，(c) HADDF-STEM温度模式图,(d,e)图(c)中红线标记处强度分布，(f-h)水平、垂直和剪切方向GPA图，图(g)中的插图显示了图(a)中橙色和青色框相应位置的应变程度

图3 (a)HEA2合金中BCC相的DF图，(b) HADDF图，(d-e)纳米析出相的ADF图、元素面扫和线扫描图。

图4 (a)BCC相中B2纳米析出相的HAADF-STEM图，(b) BCC/B2界面的高分辨率图像和（c）温度模式图，(d)青色框中BCC/B2界面处FFT图，(e,f)孪晶相纳米析出相的高分辨率图和FFT图，(g-i)水平、垂直和剪切方向应变分布图

图5 FeCoNiCuAlGa HEAs的力学性能，(a)真实应力-应变曲线，插图显示了HEA2合金不同应变强度下照片，(b)HEA1-HEA3合金的性能对比图

图6 FeCoNiCuAlGa HEAs不同放大倍数下的MFM图，(a,d)HEA1，(b,e)HEA2，(c,f)HEA3

图7 (a)过焦模式下HEA2洛伦兹TEM图，(b) 不同水平磁场下(0-128 mT)原位洛伦兹TEM，(c)图(a)中的点1-10在外场下的位移，(d)析出相对磁畴壁的钉扎效应示意图

成果启示：

总之，我们成功设计并制备了一种新型的具有多重共格界面（FCC/BCC、FCC/L12和BCC/B2共格）的双相Fe₂₆Co₂₅Ni₂₀Cu₁₅Al_13.1Ga_0.9（HEA2）软磁高熵合金。由于L1₂、B2纳米析出相和FCC/BCC双相结构的增强作用，该合金表现出中等的屈服强度（σ0.2=441.6 MPa）。同时，多重完全共格界面的协同效应产生了压缩率大于200%的优异塑性。完全共格界面、L1₂和B2纳米析出相的尺寸小于畴壁宽度，通过减轻畴壁钉扎效应有利于降低合金的矫顽力，而尺寸超过临界宽度的非均质有序B2析出相可以强钉扎畴壁运动。此外，多重共格结构也有助于HEA2合金获得高电阻率和低损耗。因此，HEA2合金表现出优异的塑性、中等强度、低矫顽力和低损耗，这为将来设计具有高力学性能和磁性能的软磁合金提供了指导。

本文由作者（hanying4597）供稿