中南大学 l 激光增材制造Fe-Ga-B合金中的多因素影响：显微结构、磁致伸缩与生物学性能

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LPBF技术结合元素掺杂策略在优化材料的微观结构和性能方面具有显著优势。这种协同作用不仅提升了材料的磁致伸缩性能，还改善了其力学性能和生物相容性。例如通过LPBF技术制备的Fe-Ga合金，结合硼掺杂，LPBF的快速凝固特性扩展了硼元素的固溶度，诱发晶格畸变与位错增殖，同时，LPBF工艺的高温度梯度同步驱动晶粒外延生长，可以显著提升合金的磁致伸缩性能。这些研究成果为高性能材料的设计和开发提供了新的思路和方法。”

第一作者：高成德

通讯作者：帅词俊

通讯单位：中南大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.063

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针对多晶Fe-Ga合金磁致伸缩性能不足的瓶颈问题，本研究首次提出激光粉末床熔融（LPBF）和硼（B）掺杂策略，利用其超快熔凝和元素固溶机制协同调控合金的显微结构和综合性能：LPBF的快速凝固特性扩展B元素固溶，诱发晶格畸变与位错增殖，并形成纳米级四方modified-D03相结构；同时，LPBF工艺的高温度梯度同步驱动晶粒沿<001>取向外延生长。基于此，本研究所制备多晶Fe-Ga-B合金的磁致伸缩系数得到有效提升，并展现出良好的动态响应特性和生物学性能，为智能生物医学器件的设计与开发提供了创新性策略。

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研究背景

磁致伸缩Fe-Ga合金因高能量转化效率和良好的生物安全性，在众多领域得到广泛关注。然而，多晶Fe-Ga合金因其复杂的相组成和晶体结构，面临磁致伸缩性能差的瓶颈问题。为克服这一挑战，研究者们尝试了定向凝固和熔融纺丝等制备工艺，通过调控合金相结构来提升磁致伸缩性能，但所制备的Fe-Ga合金结构和尺寸单一，难以满足特殊环境的复杂结构要求。LPBF技术凭借超高冷却速率与逐层制造特性，成为定制特定相结构和复杂结构外形的潜在策略，并有望同时实现高温度梯度诱导下的晶粒择优生长。

元素掺杂是调控合金相结构的另一关键策略。众多元素中，小原子B元素不仅有望通过间隙固溶诱发磁致伸缩有利的modified-D0 3 相形成，而且也可作为人体必需营养元素赋予合金良好的生物安全性。然而，LPBF与B掺杂协同作用对磁致伸缩Fe-Ga合金的影响机制尚未明晰，其生物降解行为和细胞相容性亦有待探索。本研究创新性结合LPBF技术和B元素掺杂，系统探索了Fe-Ga合金的微观结构、磁致伸缩性能和生物学性能，阐明了显微结构与磁致伸缩性能间的关联规律及其内在机制，旨在为开发新型智能生物医学器件提供理论依据与技术支撑。

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本文亮点

1、提出利用LPBF技术和B掺杂策略制备磁致伸缩Fe-Ga-B合金；

2、LPBF和B掺杂协同作用有效提升了Fe-Ga合金的磁致伸缩性能和生物相容性；

3、阐明了多因素影响对Fe-Ga-B合金显微结构和综合性能的作用机制。

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图文解析

图1(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的制备流程

图2Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的物相结构演变：（a，b）微观形貌TEM图像，（c，d）SAED图，（e，f）高倍TEM图像

图3Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的纳米沉淀物相结构分布及局部晶格畸变：（a，b）高倍TEM图像及傅里叶变换图，（c，d）反傅里叶变换图像，（e，f）几何相位分析图像

图4(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的晶粒结构：（a-e）晶粒形貌及极图和反极图，（f）(Fe81Ga19)98B2合金的Fe2B分布图

图5(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的静态磁致伸缩演变：（a）磁致伸缩曲线，（b）磁致伸缩系数与B含量的关系

图6动态磁致伸缩响应：（a）动态磁致伸缩测量示意图，（b）(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的动态磁致伸缩曲线

图7细胞相容性评价：（a）吸光度，（b-g）茜素红染色图，（h-k）ALP染色

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总结与展望

为解决多晶Fe-Ga合金普遍面临的磁致伸缩性能差的问题，本研究创新性融合LPBF技术和B掺杂策略，制备具有优异综合性能的磁致伸缩Fe-Ga-B合金，系统研究了多因素对显微结构、磁致伸缩性能和生物降解行为的影响规律，重点揭示了LPBF和B掺杂协同作用下的磁致伸缩增强机理。结合多尺度表征与综合性能测试，发现LPBF的快速凝固促进了B原子在BCC基体的固溶、诱导了modified-D0₃纳米相的生成及其引发的四方畸变；同时，LPBF过程中的高温度梯度特性驱动晶粒沿<001>晶体学方向外延生长。最终，纳米沉淀相和<001>取向晶粒的协同作用实现了Fe-Ga-B合金磁致伸缩性能的有效提升（~35%），且表现出良好的磁致伸缩动态响应和生物学性能。结果表明，LPBF和B掺杂的协同作用是提高Fe-Ga合金磁致伸缩性能的有效方法，这也为高性能磁致伸缩器件的设计开发提供了新思路和研究支撑。

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作者介绍

高成德：中南大学机电工程学院、极端服役性能精准制造全国重点实验室，教授/博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程、湖南省湖湘青年英才、湖南省优青、2020-2024连续5年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。一直从事生物增材制造领域的研究，以第一/通讯作者发表SCI论文40余篇，授权国家专利17项，出版著作2部。主持与承担国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等科研项目10余项，获中国金属学会冶金医学奖、国家自然科学基金优秀结题项目、中国科协优秀科技论文等奖励。

帅词俊：中南大学/江西理工大学，教授/博士生导师，入选教育部长江学者特聘教授、国家万人计划领军人才、全国百篇优秀博士论文获得者、国家优秀青年基金获得者。长期从事生物增材制造领域的研究，发表SCI论文280余篇，被引用18000余次；出版学术专著5部，授权国家发明专利70余项并实现部分专利权转让。以第一完成人获省自然科学一等奖2项、省部级二等奖6项。入选2022、2023中国高被引学者，2020中国大陆材料领域科学家50强，担任Int J Extreme Manuf、Bio-Des Manuf等SCI期刊副主编/编委 。

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引用本文

Chengde Gao, Liyuan Wang, Youwen Deng, Shuping Peng, Cijun Shuai, Multifactorial impacts of B-doping on Fe81Ga19 alloys prepared by laser-beam powder bed fusion: Microstructure, magnetostriction, and osteogenesis, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2024) 14-26.

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