文章摘要：

多主元合金(MPEAs)因为能够在巨大的成分空间中通过有意的成分设计实现多性能协同调控而收到广泛关注。本工作通过团簇式成分设计方法开发一系列具有BCC/B2共格组织的软磁MPEAs(Al₃(Fe,Co,Cr)₁₄)。通过BCC/B2共格组织调控，在合金中实现了铁磁性的超细小BCC纳米粒子(3 ~ 8 nm)在B2基体上共格析出。这些合金在固溶态和时效态下均具有高的饱和磁化强度(107.4 ~ 167.5 Am²/kg)和低的矫顽力。即使在873~1073 K下时效480 h，合金依然具有优异的软磁性能。这主要归功于具有高温稳定的BCC/B2共格组织。更重要的是，这些合金在高温下仍然具有优异的软磁性能。其中，Al₃Co₇Fe₇合金在973 K下的饱和磁化强度为134.7 Am²/kg，矫顽力为167.2 A/m。并且这些合金具有高的居里温度(Al₃Co₇Fe₇合金1254 K，Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金1052 K)以及高的电阻率(262 ~ 285 mW×cm)。从BCC/B2共格组织稳定性及其随合金成分和时效温度的演变，探究了系列合金具有优异软磁性能的机制，并且发现了合金的矫顽力与BCC纳米粒子尺寸密切相关。基于当前开发的BCC/B2软磁高熵合金相比于传统合金具有的巨大优势，共格析出的合金设计理念为开发高温软磁材料开辟了新的途径。

研究背景：

软磁材料由于其低矫顽力、高磁导率、高饱和磁化强度在电力变压、电子电路、信息存储领域得到广泛应用，尤其高温用软磁材料是发展航空、航天和先进武器系统的关键，可作为发动机转子、变压器、磁力轴等，工作温度为673 ~ 1073 K，需要兼具优异软磁性能和高温力学性能。传统的软磁材料包括硅钢片、Fe-Ni/Fe-Co合金、非晶纳米晶软磁合金、软磁铁氧体等，不可避免的存在电阻率低高涡流损耗、高温组织稳定性差导致服役温度低、制造工艺复杂等缺点。随着磁性元件的日益高频化和小型化以及“双碳”战略的提出，开发具有高电阻低损耗、高温组织稳定、高饱和磁感应强度的新型高温软磁材料显得更为重要。团队成员利用团簇成分式方法调控微观结构，成功地开发出了一系列新型高温软磁多主元合金，并在高温下保持了优异的软磁性能。新型合金具有高的居里温度和电阻率，可以广泛应用于电子、机械和航空等领域。这项研究的成功还为高温软磁材料的研究提供了新的思路和方法，具有重要的学术和应用价值。

研究内容：

本工作通过精准的成分设计利用基础团簇式Al₃(Fe, Co, Cr)₁₄开发了一系列新型BCC/B2共格软磁高熵合金。该系列合金具有铁磁性的BCC纳米粒子在B2基体上共格析出。对五种代表性合金Al₃Co₇Fe₇、Al₃Co₆Fe₇Cr₁、Al₃Co₆Fe₆Cr₂、Al₃Co₇Fe₄Cr₃、Al₃Co₄Fe₇Cr₇合金进行了系统的研究。

固溶态下，系列合金表现出优异的软磁性能，饱和磁化强度为107.4 ~ 167.5 Am²/kg，矫顽力为143 ~ 303 A/m。并且Al₃Co₇Fe₇合金的软磁性能对时效温度(773 ~ 1073 K)不敏感，在1073 K下时效480 h后，其饱和磁化强度仍高达157.9 Am²/kg，矫顽力为135.3 A/m。相比之下，Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金的矫顽力随着时效温度的升高而略有增加，由773 K ~ 873 K时效态的~ 150A/m，增加到973 ~ 1073 K时效态的270 ~ 374 A/m。而Al₃Co₄Fe₇Cr₇合金在1073 K下时效后的矫顽力急剧增加到1974 A/m。这归因于BCC/B2共格组织发生变化。

固溶态下系列合金具有极其细小球形BCC铁磁性纳米粒子(3 ~ 8 nm)在B2基体上共格析出，这与BCC/B2两相之间低的点阵错配(< 0.21 %)有关。在Al₃Co₇Fe₇合金中，BCC/B2共格组织表现出最高的热稳定性，即使在1073 K下时效480 h后，BCC纳米粒子仍未发生明显粗化。其中BCC粒子富Co/Fe元素，而B2相富Al元素。BCC/B2的高温组织稳定性赋予了合金在高温下优异的软磁性能。该合金在973 K时饱和磁化强度为134.7 Am²/kg，矫顽力为167.2 A/m。

Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金中的BCC/B2共格组织同样稳定，在873 K下时效480 h后，BCC粒子没有明显粗化，这导致了与固溶态下的相当的软磁性能(饱和磁化强度~ 130 Am²/kg，矫顽力150 A/m)。该合金的BCC纳米粒子具有核壳结构，其中Cr元素主要富集在核心处，而Fe在壳层偏析。并且该合金在873 K时表现出良好的高温软磁性能，饱和磁化强度为104.4 Am²/kg，矫顽力为151.2 A/m。然而，进一步提高时效温度和时间会导致BCC粒子的明显粗化。在973 K下时效24小时后，粒子尺寸增加到~ 90 nm；时效480小时后，BCC粒子粗化成短棒状，其长度为~ 500 nm，宽度为~ 190 nm，这导致矫顽力急剧增加到约1950 A/m。

对软磁机理的分析表明：合金的软磁性能主要取决于铁磁性BCC纳米粒子的尺寸。当粒子尺寸与磁畴壁宽度(~ 200 nm)相当时，矫顽力急剧增加，导致软磁性能下降。由于BCC/B2共格组织具有高的热稳定性，该系列合金具有较高的居里温度(Al₃Co₇Fe₇合金1254 K，Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金1052 K)以及高的电阻率(262 ~ 285 mW×cm)，显示出高温软磁应用的巨大潜力。

致谢：

国家自然科学基金项目(52171152)资助

图文速览：

图1. 系列合金固溶态下的初始磁化曲线和室温磁滞回线

图2. 固溶态下系列合金的XRD图谱以及BCC/B2两相点阵常数以及错配

图3. Al₃Co₇Fe₇和Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金固溶态微观组织表征

图4. Al₃Co₇Fe₇合金不同时效态SEM表征

图5. Al₃Co₇Fe₇合金不同时效态TEM表征

图6. Al₃Co₇Fe₇合金1073 K时效480 h后APT表征

图7. Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金1073 K时效24 h和480 h后SEM表征

图8. Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金1073 K时效480 h后HAADF-STEM表征

图9. Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金773 K时效480 h后HAADF-STEM表征

图10. Al₃Co₄Fe₇Cr₃合金不同时效态SEM表征

图11. Al₃Co₇Fe₇Cr₂和Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金的热磁曲线和高温(773 ~ 973 K)磁滞回线

图12. 系列合金固溶态下的室温电阻率以及Al₃Co₆Fe₆Cr₂合金的电阻率随温度变化曲线

图13. 设计系列合金与传统合金的性能对比

图14. 不同软磁合金矫顽力随粒子尺寸或晶粒尺寸变化

【引用】：Zhenhua Wang,Junhao Yuan,Qing Wang*,Zhen Li,Xuyang Zhou,Junhua Luan, ing Wang,Shijian Zheng,Zengbao Jiao*,Chuang Dong,Peter K. Liaw. Developing novel high-temperature soft-magnetic B2-based multi-principal-element alloys with coherent body-centered-cubic nanoprecipitates. Acta Materialia, 2024, 266, 119686.