在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中，電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電動汽車、高鐵、精密機(jī)床等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，其所消耗的電能占全國總用電量的 40%。
電機(jī)所消耗的電能除了轉(zhuǎn)化為機(jī)械能發(fā)揮作用外，剩余部分全部轉(zhuǎn)化為熱能浪費掉，其中機(jī)械能相較于電機(jī)總耗電量的占比就是電機(jī)的效率。
研究表明，如果電機(jī)的效率可以提升 1%，那么每年中國就能節(jié)省 500 億度電。想要提升電機(jī)的效率，其內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子所用的軟磁合金材料是關(guān)鍵。
目前普遍使用的軟磁材料是硅鋼，其矯頑力高和電阻率低的固有屬性，制約了降低電機(jī)損耗的進(jìn)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，得益于其廣闊的成分空間，可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行微觀組織和性能的調(diào)控，有望獲得性能更為優(yōu)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(tǒng)的加工方式難以制備復(fù)雜構(gòu)件。
激光增材制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(shù)，可以加工任意復(fù)雜形狀的零件。目前，已有不少增材制造軟磁多組元合金的工作報道。
但是，增材制造過程中復(fù)雜的熱歷史會導(dǎo)致軟磁多組元合金形成復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)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。
為了解決這個問題，華中科技大學(xué)非晶態(tài)材料實驗室的柳林教授、張誠教授團(tuán)隊瞄準(zhǔn)目前高頻電機(jī)亟需解決的節(jié)能問題開展研究。
軟磁非晶合金由于其獨特的原子排布結(jié)構(gòu)特征具有一系列優(yōu)異的軟磁性能，比如：高磁導(dǎo)率、高電阻率、低矯頑力和低損耗等優(yōu)點。
然而，由于鐵基非晶合金具有硬度高、脆性大的特點，使得傳統(tǒng)加工方式難以對其進(jìn)行加工成形。
于是，他們利用紫外皮秒脈沖激光切割軟磁非晶條帶并進(jìn)行疊片制備出非晶定子樣件，實現(xiàn)了低損耗非晶定子的快速無損加工。
然而該技術(shù)無法用于復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)鐵芯的制備，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。為了突破異形結(jié)構(gòu)鐵芯的成形難題，他們同步開展第二個方向研究工作——增材制造多組元軟磁合金。
期間，他們進(jìn)行了大量的軟磁無序合金成分設(shè)計工作，采用鑄造法制備得到了一批具有優(yōu)異軟磁性能的合金體系，隨后采用增材制造技術(shù)對這些體系進(jìn)行加工成形。
由于增材制造過程中極快速升降溫的效應(yīng)會導(dǎo)致樣品中非平衡相的形成，使得最終制得樣品的性能相較于鑄態(tài)樣品發(fā)生惡化。
如何在激光這種高能熱源導(dǎo)致的極端環(huán)境中得到對軟磁性能有益的物相結(jié)構(gòu)，是他們遇到的一個瓶頸問題。
為了解決這一問題，他們結(jié)合以往工作中粉末表面改性的經(jīng)驗對本工作中所使用的粉末進(jìn)行表面改性，并對增材制造工藝進(jìn)行了大量優(yōu)化，對不同粉末改性和增材制造工藝下得到的微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和磁學(xué)性能進(jìn)行探索。
經(jīng)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(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)。
除此之外，他們還采用增材制造技術(shù)對軟磁非晶合金進(jìn)行成形，即在增材制造軟磁多組元合金中引入原位物相調(diào)控的策略來調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得了優(yōu)異的軟磁性能。
該策略基于納米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造過程中原位調(diào)控物相結(jié)構(gòu)（體心立方結(jié)構(gòu)（BCC，body-centered cubic）/面心立方晶格（FCC，face centered cubic）雙相變 FCC 單相），實現(xiàn)軟磁性能的優(yōu)化，從而有效解決當(dāng)前增材制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爾比的 FeCoNi 中熵合金作為基礎(chǔ)合金，該合金體系具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的優(yōu)點，但其雙相結(jié)構(gòu)的特點導(dǎo)致其矯頑力較高。
于是，他們采用原位物相調(diào)控的策略對其相結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化。
這一過程包含三個步驟：
首先，通過濕化學(xué)法在單質(zhì)元素粉末表面均勻包覆一層納米 Fe2O3 顆粒；
隨后，采用激光增材制造技術(shù)將預(yù)處理后的粉末加工成形成樣品，在該過程中 BCC/FCC 雙相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?FCC 單相結(jié)構(gòu)，納米 Fe2O3 顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)?FeO 顆粒；
最后，通過高溫?zé)崽幚磉M(jìn)一步優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)及磁學(xué)性能。
經(jīng)過上述步驟，他們得到了單一 FCC 結(jié)構(gòu)的 FeCoNi 中熵合金/FeO 復(fù)合材料，該材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到 2.05T，矯頑力低至 115A/m，這些性能優(yōu)于大多數(shù)增材制造軟磁合金。
另外，F(xiàn)eO 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(chuàng)新策略為增材制造高性能軟磁合金提供了新的思路，也對高頻電機(jī)鐵芯的制造和應(yīng)用具有重要的工程意義。
這一成果潛在的應(yīng)用場景主要是電機(jī)，尤其是高頻電機(jī)中的鐵芯。如前所述，電機(jī)效率任何微小的提升都可以節(jié)約大量的能源。
為了做到這一點，電機(jī)中所采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(shù)的發(fā)展，電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)加工技術(shù)在成形這些復(fù)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：
首先增材制造技術(shù)可以解決樣件復(fù)雜度的問題；其次采用原位物相調(diào)控策略制備的多組元無序合金展現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能，從而滿足電機(jī)對軟磁材料性能的要求。
然而由于軟磁非晶合金的玻璃形成能力通常較低，導(dǎo)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。因此后續(xù)他們將繼續(xù)探索增材制造成形軟磁非晶合金的新方法，致力于解決當(dāng)前面臨的技術(shù)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.
Zurui Cao, Peng-Cheng Zhang, Bailing An, Dawei Li, Yao Yu, Jie Pan, Cheng Zhang*, Lin Liu*. In situ phase engineering during additive manufacturing enables high-performance soft-magnetic medium-entropy alloys. Nature Communications 15 (2024) 9747.
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