在现代工业生产和社会生活中，电机被广泛应用于电动汽车、高铁、精密机床等多个关键领域，其所消耗的电能占全国总用电量的 40%。
电机所消耗的电能除了转化为机械能发挥作用外，剩余部分全部转化为热能浪费掉，其中机械能相较于电机总耗电量的占比就是电机的效率。
研究表明，如果电机的效率可以提升 1%，那么每年中国就能节省 500 亿度电。想要提升电机的效率，其内部定子和转子所用的软磁合金材料是关键。
目前普遍使用的软磁材料是硅钢，其矫顽力高和电阻率低的固有属性，制约了降低电机损耗的进一步降低。
近些年来新兴的多组元合金，比如高熵合金、中熵合金和非晶合金，得益于其广阔的成分空间，可以在很大范围内进行微观组织和性能的调控，有望获得性能更为优异的软磁材料。
然而，软磁多组元合金的成形性通常较差，通过传统的加工方式难以制备复杂构件。
激光增材制造是一种以激光为热源，逐层熔化粉末从而成形零件的新技术，可以加工任意复杂形状的零件。目前，已有不少增材制造软磁多组元合金的工作报道。
但是，增材制造过程中复杂的热历史会导致软磁多组元合金形成复杂的微观组织结构，这导致最终得到样品的软磁性能（如矫顽力过大）无法满足实际需求。
为了解决这个问题，华中科技大学非晶态材料实验室的柳林教授、张诚教授团队瞄准目前高频电机亟需解决的节能问题开展研究。
软磁非晶合金由于其独特的原子排布结构特征具有一系列优异的软磁性能，比如：高磁导率、高电阻率、低矫顽力和低损耗等优点。
然而，由于铁基非晶合金具有硬度高、脆性大的特点，使得传统加工方式难以对其进行加工成形。
于是，他们利用紫外皮秒脉冲激光切割软磁非晶条带并进行叠片制备出非晶定子样件，实现了低损耗非晶定子的快速无损加工。
（来源：Scripta Materialia）
然而该技术无法用于复杂异形结构铁芯的制备，制约了其进一步的发展。为了突破异形结构铁芯的成形难题，他们同步开展第二个方向研究工作——增材制造多组元软磁合金。
期间，他们进行了大量的软磁无序合金成分设计工作，采用铸造法制备得到了一批具有优异软磁性能的合金体系，随后采用增材制造技术对这些体系进行加工成形。
由于增材制造过程中极快速升降温的效应会导致样品中非平衡相的形成，使得最终制得样品的性能相较于铸态样品发生恶化。
如何在激光这种高能热源导致的极端环境中得到对软磁性能有益的物相结构，是他们遇到的一个瓶颈问题。
为了解决这一问题，他们结合以往工作中粉末表面改性的经验对本工作中所使用的粉末进行表面改性，并对增材制造工艺进行了大量优化，对不同粉末改性和增材制造工艺下得到的微观组织结构的演变规律和磁学性能进行探索。
经过不懈的努力，最终他们寻找到了 FeCoNi 和 Fe2O3 这一组合及其对应的最优工艺参数。
除此之外，他们还采用增材制造技术对软磁非晶合金进行成形，即在增材制造软磁多组元合金中引入原位物相调控的策略来调控微观结构，从而获得了优异的软磁性能。
该策略基于纳米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造过程中原位调控物相结构（体心立方结构（BCC，body-centered cubic）/面心立方晶格（FCC，face centered cubic）双相变 FCC 单相），实现软磁性能的优化，从而有效解决当前增材制造软磁多组元合金在性能上的不足。
具体来说，他们首先选择了一种非等摩尔比的 FeCoNi 中熵合金作为基础合金，该合金体系具有高饱和磁感应强度的优点，但其双相结构的特点导致其矫顽力较高。
于是，他们采用原位物相调控的策略对其相结构和磁学性能进行了优化。
这一过程包含三个步骤：
首先，通过湿化学法在单质元素粉末表面均匀包覆一层纳米 Fe2O3 颗粒；
随后，采用激光增材制造技术将预处理后的粉末加工成形成样品，在该过程中 BCC/FCC 双相结构转变为 FCC 单相结构，纳米 Fe2O3 颗粒转变为 FeO 颗粒；
最后，通过高温热处理进一步优化组织结构及磁学性能。
经过上述步骤，他们得到了单一 FCC 结构的 FeCoNi 中熵合金/FeO 复合材料，该材料的饱和磁感应强度达到 2.05T，矫顽力低至 115A/m，这些性能优于大多数增材制造软磁合金。
另外，FeO 颗粒将电阻率提高至未添加纳米颗粒样品的两倍，从而有效降低铁损。
总的来说，本研究中提出的创新策略为增材制造高性能软磁合金提供了新的思路，也对高频电机铁芯的制造和应用具有重要的工程意义。
这一成果潜在的应用场景主要是电机，尤其是高频电机中的铁芯。如前所述，电机效率任何微小的提升都可以节约大量的能源。
为了做到这一点，电机中所采用软磁材料需要同时具有低矫顽力和高电阻率的性能特点。而且随着技术的发展，电机内部的结构也越来越复杂，传统加工技术在成形这些复杂形状时显得力不从心。
而本次工作可以同时解决上述两个问题：
首先增材制造技术可以解决样件复杂度的问题；其次采用原位物相调控策略制备的多组元无序合金展现出优异的软磁性能，从而满足电机对软磁材料性能的要求。
然而由于软磁非晶合金的玻璃形成能力通常较低，导致在激光 3D 打印过程中形成了许多脆性硬磁晶化相，这些相会增大了矫顽力。因此后续他们将继续探索增材制造成形软磁非晶合金的新方法，致力于解决当前面临的技术难题。
参考资料：
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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