| 新疆大学李强教授与香港城市大学刘锦川院士、王安定研究员等人合作提出了一种新的纳米晶合金设计和结构调控概念，即设计不含促进形核和抑制扩散元素的新型合金，通过在临界冷却速率下快淬预制高密度的形核点，并通过类金属瞬态富集界面以细化晶粒，获得了均匀细密的纳米晶结构。作者通过巧妙设计，仅以4.6wt.%的常见类金属元素（B、Si、P和C）组合添加，即达到了稳定快淬非晶相和纳米晶间基体相的作用，调和了饱和磁感应强度与形成能力间矛盾的同时，大幅提高了合金的高磁感纳米晶合金工业化的可行性，还降低了合金的成本。 这种独特的设计相当于将同等铁含量的硅钢纳米晶化，去除晶界对软磁性能的恶劣影响，并保留了α-Fe相的超高饱和磁感应强度。新概念设计的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 达1.87T，接近硅钢，其均匀、细密的非晶-纳米晶双相结构使其具有优异的软磁性能。这种异质结构和轻合金化策略为下一代磁性材料的开发提供了思路和借鉴。相关研究成果以题为Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability发表在材料学顶级期刊Materials Today上，IF=26.416。 
图1 合金设计思路。a）三种软磁合金的制备工艺和微观结构示意图，以及理想纳米晶合金的组织、结构特征和优异性能；b）典型双相纳米晶合金与本合金的Bs与Fe重量百分比（wt. %）的关系示意图，插图显示基于混合焓和原子大小规则的元素选择思路；c） 熔体凝固过程的TTT曲线示意图，说明在完全非晶和静态之间存在形成高密度快淬团簇的临界状态，基于临界形成能力思路可设计新的形核和晶粒细化工艺；d）合金成分调整的思路，阐明新成分和工艺优化策略。 此新思路不仅可望调和高磁感纳米晶软磁合金磁性能和工艺性矛盾的问题，充分发挥纳米晶合金的性能优势和工艺流程短、生产节能和高效等优点，还可为其他高性能纳米晶合金的结构调控提供参考。
图2 合金的结晶行为、非晶成形能力、磁性能和韧性变化。a）具有超宽晶化温度区间（ΔTx=143 ℃）的淬态带材DSC曲线；b）本合金与其它典型纳米晶合金的晶化温度区间对比；c）不同铜辊转速制备的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金带材的XRD图谱；d）热处理后带材的Hc和Bs随处理时间（tA）的变化；e）快速加热处理后的Hc随退火温度（TA）的变化，显示最佳退火窗口；f）振动样品磁强计（VSM）测得的最佳样品的磁滞回线，显示饱和磁化过程；g）用高灵敏度直流B-H仪在800 A /m的磁场下测试并放大后的B-H磁滞回线，显示矫顽力（Hc）；h）施加1-100 A/m的磁场下测量的有效磁导率随频率的变化；（i）淬态（AQ）和快速退火（FA）合金薄带扭转后的形态对比。 临界形成能力和多组元稳定新机制的使用，使本合金在没有Cu添加的情况下，依然具有很宽的热处理温度区间。此外，由于超高铁含量和不含大原子半径元素的设计，合金具有接近硅钢的饱和磁感应强度。需要注意的是，此概念性设计合金的矫顽力还有很大的优化空间，依然需要继续改进热处理工艺。 
图3 淬态和退火态合金样品的微观组织结构与磁畴结构，以及两种结晶相的晶化激活能。a）Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的TEM图像：a1）淬态（AQ）样品的高分辨率图像，a2）退火3s后样品的TEM图像，显示了非晶基体中纳米析出相的形貌，a3）退火12s后样品的TEM图像，a4）最佳样品（12s）的选区衍射斑点（SAED），显示了非晶结构具有的衍射环和α-Fe（Si）出现；b）合金条带的磁畴结构：b1）AQ样品的磁畴结构，b2）最佳退火态的磁畴结构；c）与DSC曲线的第一晶化峰（Tp1）和第二晶化峰（Tp2）对应的两相晶化活度能值（Ex）。 在临界态制备条件下，淬态样品含有高密度的团簇，可作为纳米晶化的晶核，从而提高晶粒密度和生长过程中的竞争作用，从而得到均匀细密的微观结构。
图4 Fe85.5B10Si2P2C0.5合金带的元素分布图。a）淬态样品；b）快速热处理样品（500 ℃×3 s）；c）选定区域b）的浓度深度剖面图（2×4×8 nm3）；d） α-Fe（Si）晶粒周围的壳结构示意图。 首次发现了瞬态类金属元素富集的核壳结构，说明快速加热热处理和多组元成分设计的重要性。 |
