北京
高强度低损耗软磁材料是航空高速电机的关键材料。在合金中引入阻碍位错运动的因素可以提高合金的强度，例如位错、晶界、沉淀相等，但这些因素往往也会阻碍合金磁畴壁的运动，使得合金矫顽力增大，导致电机损耗增加。因此，大多数提高合金强度的方法都会引起软磁性能的恶化，即强度和矫顽力的变化趋势通常是相反的。
针对上述问题，哈尔滨工业大学甄良教授团队设计了一种具有高屈服强度和低矫顽力的新型FeCo基软磁合金，通过添加微量Nb和W元素，合金饱和磁感应强度以及磁晶各向异性的变化较小，并且引入的第二相含量低，因此对磁畴运动的阻碍小，从而避免了合金软磁性能的恶化。同时，溶质原子在晶界富集，降低晶界能，结合晶界第二相的钉扎作用，晶粒生长几乎停滞。因此，在通过高温退火降低位错密度以恢复轧制合金磁性能的基础上，引入了多种强化方式以代替具有显著强化作用的高密度位错，包括细晶强化、固溶强化以及一定的Orowan绕过效应和剩余位错的强化作用，显著提高了合金在低矫顽力下的屈服强度。该合金在152 A/m的矫顽力下具有742MPa的屈服强度以及2.39 T的高饱和磁感应强度。研究成果对于理解FeCo基软磁材料强化机制与软磁性能之间的关系以及进一步开发具有优良软磁和力学性能的FeCo基合金具有重要意义。相关结果以题为“Microstructure evolution and strengthening mechanism of FeCo-1.5V0.5Nb0.4W soft magnetic alloy rolled strip with high yield strength and low coercivity”于2024年04月15日发表在《Acta Materialia》上。甄良教授和孙学银研究员为论文的通讯作者，博士生马鸣远为论文第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119793
图1. (a)合金的晶粒组织形貌图。(b)合金的晶粒尺寸直方图，插图为平均晶粒直径随保温时间的变化图。(c)合金的第二相分布图，插图为晶界第二相的元素分布图。(d)FeCo基合金的屈服强度和矫顽力图。
图2. 合金化对FeCo基合金晶粒生长的影响。(a)保温时间和FeCo基合金晶粒直径之间的线性关系。(b)在1123 K保温6 h后小晶粒区域的SEM图像。(c)在(b)中的方框区域的放大图。(d)在(c)中小晶粒间的晶界处的APT结果。(e-f)晶界上的一维成分分布。(g)(f)中虚线框的放大图像。(h)溶质原子晶界偏析示意图。(i)溶质原子偏析前后的晶界能示意图。
图3. (a)溶质原子和(b)阻碍位错运动的第二相颗粒的示意图。(c)在1123 K保温1.5 h合金拉断后的明场TEM图像。(d)实验和理论计算的屈服强度增量。
总之，本研究开发了一种高饱和磁感应强度、低矫顽力、高强度的新型FeCo基软磁合金，并通过对比现有多种FeCo基合金的研究结果系统地研究了微观组织、屈服强度、矫顽力变化的合金化效应与机理。最终，在保证合金磁性能良好的前提下，通过溶质原子产生的固溶强化、硬质第二相颗粒诱导的Orowan绕过机制强化和剩余位错强化的共同作用，使得合金的屈服强度相对提高了约240 MPa。同时在1123 K的高温铁磁相区，晶粒尺寸可以在较长时间内几乎保持不变，因此，优异的组织稳定性也为合金的高温应用提供了保障。研究结果为高速电机用软磁材料的开发提供了新的思路。
*感谢论文作者团队的大力支持。
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