科學家提出增材製造原位物相調控新策略，材料飽和磁感應強度達到2.05T

在現代工業生產和社會生活中，電機被廣泛應用於電動汽車、高鐵、精密機床等多個關鍵領域，其所消耗的電能佔全國總用電量的 40%。

電機所消耗的電能除了轉化為機械能發揮作用外，剩餘部分全部轉化為熱能浪費掉，其中機械能相較於電機總耗電量的佔比就是電機的效率。

研究表明，如果電機的效率可以提升 1%，那麼每年中國就能節省 500 億度電。想要提升電機的效率，其內部定子和轉子所用的軟磁合金材料是關鍵。

目前普遍使用的軟磁材料是矽鋼，其矯頑力高和電阻率低的固有屬性，製約了降低電機損耗的進一步降低。

近些年來新興的多組元合金，比如高熵合金、中熵合金和非晶合金，得益於其廣闊的成分空間，可以在很大範圍內進行微觀組織和性能的調控，有望獲得性能更為優異的軟磁材料。

然而，軟磁多組元合金的成形性通常較差，通過傳統的加工方式難以製備複雜構件。

激光增材製造是一種以激光為熱源，逐層熔化粉末從而成形零件的新技術，可以加工任意複雜形狀的零件。目前，已有不少增材製造軟磁多組元合金的工作報導。

但是，增材製造過程中複雜的熱歷史會導致軟磁多組元合金形成複雜的微觀組織結構，這導致最終得到樣品的軟磁性能（如矯頑力過大）無法滿足實際需求。

為瞭解決這個問題，華中科技大學非晶態材料實驗室的柳林教授、張誠教授團隊瞄準目前高頻電機亟需解決的節能問題開展研究。

軟磁非晶合金由於其獨特的原子排布結構特徵具有一系列優異的軟磁性能，比如：高磁導率、高電阻率、低矯頑力和低損耗等優點。

然而，由於鐵基非晶合金具有硬度高、脆性大的特點，使得傳統加工方式難以對其進行加工成形。

於是，他們利用紫外皮秒脈衝激光切割軟磁非晶條帶並進行疊片製備出非晶定子樣件，實現了低損耗非晶定子的快速無損加工。

然而該技術無法用於複雜異形結構鐵芯的製備，製約了其進一步的發展。為了突破異形結構鐵芯的成形難題，他們同步開展第二個方向研究工作——增材製造多組元軟磁合金。

期間，他們進行了大量的軟磁無序合金成分設計工作，採用鑄造法製備得到了一批具有優異軟磁性能的合金體系，隨後採用增材製造技術對這些體系進行加工成形。

由於增材製造過程中極快速升降溫的效應會導致樣品中非平衡相的形成，使得最終製得樣品的性能相較於鑄態樣品發生惡化。

如何在激光這種高能熱源導致的極端環境中得到對軟磁性能有益的物相結構，是他們遇到的一個瓶頸問題。

為瞭解決這一問題，他們結合以往工作中粉末表面改性的經驗對本工作中所使用的粉末進行表面改性，並對增材製造工藝進行了大量優化，對不同粉末改性和增材製造工藝下得到的微觀組織結構的演變規律和磁學性能進行探索。

經過不懈的努力，最終他們尋找到了 FeCoNi 和 Fe2O3 這一組合及其對應的最優工藝參數。

除此之外，他們還採用增材製造技術對軟磁非晶合金進行成形，即在增材製造軟磁多組元合金中引入原位物相調控的策略來調控微觀結構，從而獲得了優異的軟磁性能。

該策略基於納米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材製造過程中原位調控物相結構（體心立方結構（BCC，body-centered cubic）/面心立方晶格（FCC，face centered cubic）雙相變 FCC 單相），實現軟磁性能的優化，從而有效解決當前增材製造軟磁多組元合金在性能上的不足。

具體來說，他們首先選擇了一種非等摩亞比的 FeCoNi 中熵合金作為基礎合金，該合金體系具有高飽和磁感應強度的優點，但其雙相結構的特點導致其矯頑力較高。

於是，他們採用原位物相調控的策略對其相結構和磁學性能進行了優化。

這一過程包含三個步驟：

首先，通過濕化學法在單質元素粉末表面均勻包覆一層納米 Fe2O3 顆粒；

隨後，採用激光增材製造技術將預處理後的粉末加工成形成樣品，在該過程中 BCC/FCC 雙相結構轉變為 FCC 單相結構，納米 Fe2O3 顆粒轉變為 FeO 顆粒；

最後，通過高溫熱處理進一步優化組織結構及磁學性能。

經過上述步驟，他們得到了單一 FCC 結構的 FeCoNi 中熵合金/FeO 復合材料，該材料的飽和磁感應強度達到 2.05T，矯頑力低至 115A/m，這些性能優於大多數增材製造軟磁合金。

另外，FeO 顆粒將電阻率提高至未添加納米顆粒樣品的兩倍，從而有效降低鐵損。

總的來說，本研究中提出的創新策略為增材製造高性能軟磁合金提供了新的思路，也對高頻電機鐵芯的製造和應用具有重要的工程意義。

這一成果潛在的應用場景主要是電機，尤其是高頻電機中的鐵芯。如前所述，電機效率任何微小的提升都可以節約大量的能源。

為了做到這一點，電機中所採用軟磁材料需要同時具有低矯頑力和高電阻率的性能特點。而且隨著技術的發展，電機內部的結構也越來越複雜，傳統加工技術在成形這些複雜形狀時顯得力不從心。

而本次工作可以同時解決上述兩個問題：

首先增材製造技術可以解決樣件複雜度的問題；其次採用原位物相調控策略製備的多組元無序合金展現出優異的軟磁性能，從而滿足電機對軟磁材料性能的要求。

然而由於軟磁非晶合金的玻璃形成能力通常較低，導致在激光 3D 打印過程中形成了許多脆性硬磁晶化相，這些相會增大了矯頑力。因此後續他們將繼續探索增材製造成形軟磁非晶合金的新方法，致力於解決當前面臨的技術難題。

參考資料：

Zhang, P., Liu, L., Yang, W., Li, D., Yu, Y., Pan, J., … & Liu, L. (2024). Laser punching of soft magnetic fe-based amorphous ribbons.Scripta Materialia, 240, 115839.

運營/排版：何晨龍