文章摘要：

软磁材料需要高饱和磁化强度、低矫顽力和优异的机械性能，确保电动发动机的安全高效运行。由于机械性能和软磁特性之间的冲突，在材料中实现这些特性是具有挑战性的。具有优异机械性能的软磁高熵合金 (HEA) 因其独特的微观结构克服了高强度和矫顽力的困境而受到特别关注。然而，与传统软磁合金相比，其较低的饱和磁化强度限制了机器的功率输出，这与轻量化发展背道而驰。在此，我们提出了一条负混合焓路线，并制备了 Fe-Co-Ni-Al-Nb-B HEA。该合金具有高饱和磁化强度 (= 135.28Am²kg^-1)、低矫顽力 (= 227.54 Am^-1)、高抗拉强度(1187.5MPa) 和伸长率 (38.7 %)。这些合金的组合超越了其他最先进的软磁合金。这种出色的性能协同效应归因于铁磁元素 (Fe、Co 和 Ni) 和强化元素 (Al 和 Nb) 之间负混合焓，促进有序 L1₂纳米沉淀形成，有利于机械性能并保持较低的。本研究为开发兼具强度和延展性的高性能软磁材料提供了宝贵的见解。

研究背景：

传统软磁材料（如硅钢、坡莫合金、铁氧体等）虽具有低矫顽力、高磁导率等优点，但普遍存在强度和塑性低等问题，难以满足高应力载荷环境的服役要求。这类材料的设计需具备高饱和磁化强度以满足机械的轻量化设计，低矫顽力降低能量损耗，高强度防止材料变形，高塑性预防服役过程灾难性失效并且提高加工性能。众所周知，提高金属材料的强度需要位错和缺陷（例如位错、晶界和沉淀物）之间的强烈相互作用。然而，缺陷往往会固定磁畴壁，这导致软磁材料的矫顽力急剧增加。此外，固溶体强化和纳米沉淀强化需要大量的非铁磁性元素，牺牲了软磁材料的饱和磁化强度。因此，由于机械性能和软磁性能之间的冲突，开发具有卓越机械性能的先进软磁材料具有挑战性。

研究内容：

1. 材料设计与制备：
开发了一种新型Fe_34.9Co₃₈Ni₁₈Al₆Nb₃B_0.1 (at. %) 高熵合金。合金基体采用 FCC 结构，以提供良好的延展性和可加工性，包含大量铁磁元素（Fe、Co、Ni），以实现高饱和磁化强度。负混合焓可以诱导局部化学环境的变化，从而驱动有序纳米结构的形成，因此，Al、Ti、V、Nb和Ta元素可用于优化强度和延展性，因为它们与基体元素Fe、Co和Ni具有较大的负混合焓。本研究使用 CALPHAD设计了Fe_34.9Co₃₈Ni₁₈Al₆Nb₃B_0.1 (at. %) 合金。此外，还添加了微量的硼 （B） 以加强晶界。为了提高合金的性能，将热轧合金 (称为 HR HEA) 在 1200℃下固溶退火 20 分钟（称为 HR-SA HEA），然后在 750℃下时效 1 小时（称为 HR-SA-A HEA），

2. 微观结构表征：

1) XRD与EBSD分析：确认了FCC基体相与析出相L1₂的共存，两相的晶格错配为0.36%。

2) TEM观察：揭示了析出相与基体完全共格，平均尺寸为16.58 nm，在FCC基体中观察到强的晶格应变。

3) 溶质分布：通过EDS证实Ni、Al和Nb元素富集于L1₂相，Fe和Co元素富集于FCC基体。

3. 力学性能测试

HR-SA-A HEA样品的屈服强度达818.2 MPa，极限抗拉强度1187.5 MPa，断裂延伸率38.7 %。

4. 磁性能测试

HR-SA-A HEA样品的饱和磁化强度为135.28 Am²kg^-1， 矫顽力为 227.54 Am^-1。

5. 强化机制分析

1) 固溶强化：Al和Nb原子引起晶格畸变，与位错交互作用 (贡献屈服强度约234 MPa)。

2) 析出强化：L1₂纳米析出相通过Orowan机制阻碍位错运动 (贡献屈服强度为298 MPa）。

3) 晶界强化：Hall-Petch效应在再结晶区域显著（贡献70 MPa）。

6. 磁性机制分析

高饱和磁化强度归因于高浓度的铁磁性元素，矫顽力受到内应力的晶体缺陷的控制，L1₂纳米颗粒的尺寸 (16.58 nm) 远小于畴壁的宽度，对畴壁的运动影响较小, 对矫顽力的贡献为2.5Am^-1，FCC基体中的局域应变对矫顽力的贡献为76.78 Am^-1。

结论：

1. Fe_34.9Co₃₈Ni₁₈Al₆Nb₃B_0.1 (at. %) 高熵合金表现出高饱和磁化强度 135.28Am²kg^-1，这归因于具有大原子磁矩的高浓度铁磁元素（Fe 和 Co）。

2. 屈服强度、拉伸强度和伸长率分别为 818.2 MPa、1187.5 MPa 和 38.7 %，优于已报道的典型商用软磁合金。

3. 新的 HEA 设计方法可以提高饱和磁化强度同时保持低矫顽力 227.54 Am^-1和优异的机械性能。我们目前的研究为开发具有高饱和磁化强度的高强度、高延展性软磁高熵合提供了一个典型的范例。

致谢：

感谢中国国家重点研发计划 (No.2024YFC2816500)，以及国家自然科学基金(U2341261、52471121) 和中央高校基本科研业务费 (DUT24RC(3)107)和山东省自然科学基金 (ZR2024LGY003)。

图文速览：

图1. 高强韧软磁高熵合金设计示意图

图2. HR-SA-A HEA 的微观结构; (a) HR-SA 和 HR-SA-A HEAs 的 XRD 图谱; (b) EBSD 反极图 (IPF); (c) EBSD 相图; (d) L1₂纳米颗粒的暗场 TEM 图像; (e) 和 (f) L1₂ 纳米相的 HRTEM 图；(g) - (i) 对应 (e) 区域的GPA分析

图3. HR、HR-SA 和 HR-SA-A HEA 在室温下的机械和软磁性能; (a)工程应力-应变曲线; (b) 应变硬化率曲线; (c) HR-SA 和 HR-SA-A HEA 在直流磁场下的磁化曲线和相对磁导率; (d)室温下的磁滞回线; (e) 磁滞回线中心部分的放大视图； (f) HR-SA 和 HR-SA-A HEA 在不同频率下的比总损耗和 600 mT 的 B_m

图4. HR-SA-A HEA 和其他软磁材料的机械和磁性比较；(a)室温极限拉伸强度×断裂伸长率和饱和磁化强度与其他软磁高翠的比较；(b) HR-SA-A HEA 与商用软磁合金的机械和功能性能比较

图5. HR-SA-A HEA 的变形微观结构随拉伸变形的增加而演变；(a) 工程应变为 10% 的合金；(b) 工程应变为 20% 的合金；(c) 断裂后的合金；(d) 塑性变形过程中的微观结构演变过程示意图

图6. HR-SA-A HEA 的原位洛伦兹 TEM 观察；(a-d) 磁化过程中磁畴壁的运动对应于 (i) 中的红色磁化曲线； (e-h) 退磁过程中磁畴壁的运动对应于 (i) 中的蓝色曲线； (i) 典型磁滞回线和 L1₂ 纳米沉淀与磁畴壁相互作用示意图

【引用】：Shang Zhao, Mingliang Wang, Xiaodong Han, Zeyu Ding, Huan Wang, Peter K. Liaw, Yusheng Wang, Yiping Lu*, Negative mixing enthalpy route guides strong and ductile soft magnetic high-entropy alloys with high saturation magnetization, Materials Today, 2025.