華中科技大学の劉林チーム | その場相制御に基づく高性能軟磁性中エントロピー合金の付加製造

華中科技大学の劉林チーム | その場相制御に基づく高性能軟磁性中エントロピー合金の付加製造
出典:科学研究クラウド 連絡先著者:Liu Lin、Zhang Cheng 第一完成ユニット:華中科技大学、材料成形および金型技術国家重点実験室 第一著者:Cao Zurui、Zhang Pengcheng 論文DOI:10.1038/s41467-024-54133-0


軟磁性合金は、特に電気、電子、エネルギーの分野において、現代の科学技術と産業の発展に重要な役割を果たす重要な機能性材料です。科学技術の急速な進歩に伴い、新世代の電気機器では軟磁性材料の性能に対する要求がさらに高まっています。近年、優れた軟磁性特性を持つ多成分合金が広く注目を集めており、従来の軟磁性合金に代わる可能性を示しています。しかし、多成分合金の成形性が悪いため、従来の成形技術では、複雑な形状の軟磁性多成分合金を製造する上で大きな課題に直面しています。積層造形(3D プリントとも呼ばれる)は、層ごとに積み重ねる新しい加工方法であり、複雑な形状の軟磁性材料や部品の成形と製造を実現します。しかし、既存の文献で報告されている積層造形された軟磁性多成分合金では、高い飽和磁気誘導強度、低い保磁力、低損失などの性能要件を同時に満たすことが困難な場合が多くあります。

これを基に、華中科技大学の劉林教授と張成教授のチームは、「付加製造中のインサイチュー相エンジニアリングにより高性能軟磁性中エントロピー合金が実現」と題するオンライン研究論文をNature Communications誌に発表した。華中科技大学の曹祖瑞修士と張鵬成博士研究員が論文の共同筆頭著者であり、張成と劉林が共同責任著者であり、華中科技大学の材料科学工学学院と材料成形と金型技術国家重点実験室が最初の完成ユニットである。

研究チームは長期にわたる徹底的な研究を経て、軟磁性無秩序合金組成の設計、粉末表面改質技術、積層造形プロセスの最適化、微細構造の進化と磁気特性への影響について総合的な調査を実施し、積層造形プロセスにおける革新的なin-situ相制御戦略を提案しました。この戦略は、ナノ酸化物表面で改質された元素粉末と、レーザー積層造形中の相構造のその場制御(BCC/FCC二相からFCC単相への変態)に基づいており、これにより軟磁性特性が最適化され、現在の積層造形された軟磁性多成分合金の性能欠陥が効果的に解決されます。
図 1 酸化鉄コーティングされた元素粉末と軟磁性無秩序合金の 3D プリント。この研究では、高飽和磁気誘導強度を持つ 2 相、非等モル比 FeCoNi 中エントロピー合金をベース合金として選択し、その相構造と磁気特性をその場相制御戦略によって最適化しました。このプロセスには、3 つの主なステップが含まれます (図 1 を参照)。まず、ナノ Fe2O3 粒子を単一元素粉末の表面にコーティングし、次にレーザー 3D 印刷技術を使用して in-situ 相転移 (BCC/FCC→FCC、Fe2O3→FeO) を形成して実現し、最後に高温熱処理を使用して合金構造と磁気特性をさらに調整します。

図 2 3D プリントされた軟磁性無秩序合金の磁気特性 上記の戦略により、単一の FCC 構造を持つ中エントロピー合金/FeO 複合材料が成功裏に得られ、飽和磁気誘導強度 2.05 T、保磁力 115 A/m という優れた軟磁気特性を示しました。これは、文献で報告されているほとんどの積層造形軟磁性合金よりも優れています (図 2 を参照)。さらに、FeO 粒子の導入により、抵抗率もナノ粒子を添加していないサンプルの 2 倍に大幅に増加し、鉄損が大幅に減少しました。研究によると、BCC 相ナノ結晶と FCC/BCC 相界面は磁区の移動に対して顕著な抑制効果があり、一方、粗い FCC 相粒子と FeO/FCC 半整合相界面は磁区の移動に対する阻害を大幅に低減し、それによって保磁力を大幅に低減することが示されています。この研究で提案された革新的な戦略は、付加製造における高性能軟磁性合金の構造制御に新たなアイデアを提供するだけでなく、高周波および高効率モーターコアの製造と応用にとって重要な工学的意義を持っています。

文献情報
著者: Zurui Cao、Pengcheng Zhang、Bailing An、Dawei Li、Yao Yu、Jie Pan、Cheng Zhang*、Lin Liu*
タイトル: 積層造形中のその場相エンジニアリングにより高性能軟磁性中エントロピー合金が実現
掲載誌:Nature Communications、doi:10.1038/s41467-024-54133-0

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