原文出自Materials and Solidification (材料与凝固)期刊

Cite this article:

Chen Y, Qiao R, Gou J, et al. Magnetic heat-treatment induced uniaxial magnetic anisotropy and dynamic precipitation in Fe–Ga magnetostrictive alloys. Materials and Solidification, 2025, https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580004 

文章DOI：https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580004

1、导读

在立方基体中引入共格纳米四方相（FCT）可以显著增加铁基合金的磁致伸缩性能。结合传统方法，如引入单轴磁各向异性（即磁畴定向排列），可进一步改善合金磁致伸缩性能。在这项工作中，作者对具有大磁致伸缩合金Fe₇₃Ga₂₇（at%），进行磁场热处理（MHT）诱导其产生强单轴磁各向异性和致密的纳米析出相，使磁致伸缩性能从固溶处理态（ST）65 ppm提高至140 ppm，提高了115%。然而，进一步研究表明在等温退火条件下，MHT导致动态析出，形成粗大且非共格的纳米四方相，甚至具有本征负磁致伸缩的面心立方（FCC）平衡相。这些结果表明磁场提供了一个额外的驱动力，加速了析出动力学，并且应该严格控制磁场退火条件确保磁致伸缩性能最优化。

2、研究背景

具有大磁致伸缩的材料可以在外加磁场作用下膨胀或收缩，产生较大应变，因此在传感器和能量收集装置等有广泛应用。典型的磁致伸缩材料，含稀土金属间化合物Tb_0.3Dy_0.7Fe₂合金（Terfenol-D）由于其本征脆性，使得如Fe-Ga，Fe-Mo和Fe-Al等延展性好，灵敏度高的磁致伸缩材料引起了人们的广泛关注。这些材料的磁致伸缩性能除了与自旋-轨道耦合作用有关以外，与材料纳米尺度的结构非均质性也紧密相关。此外，磁畴定向排列（即单轴磁各向异性）使后续磁化过程仅涉及90°磁畴翻转，也可以获得较大的磁致伸缩性能。因此，结合课题组的前期研究表明在Fe-Ga合金体系同时引入L6₀纳米四方相和单轴磁各向异性在理论上是可行的（L6₀析出相的鼻尖温度和磁场退火温度均为~400 ℃）。

因此，这项研究不仅揭示了不同热处理状态下合金在微观结构（特别是析出相的形貌和结构）和磁畴构型上的差异，也将它们对磁致伸缩性能的不同影响也进行了深刻讨论，为其他磁致伸缩材料领域的未来发展提供了新的理论指导方向。

3、主要研究结果

经过磁场热处理后，Fe₇₃Ga₂₇合金的磁致伸缩性能相比于固溶处理态的提高率为~115%。这表明磁场热处理能有效地增强 Fe-Ga多晶样品的磁致伸缩，这一相似的结果在定向凝固的单晶合金中也被观察到。然而，磁场热处理诱导的磁致伸缩增强效应却比不加磁场热处理的样品较弱。由于Fe-Ga是一种软磁材料，目前20 kOe的磁场足以使磁场热处理样品沿平行或垂直于外加磁场方向磁化至饱和状态。值得注意的是，这两种方向的磁化曲线在达到饱和状态之前并不重叠，说明存在磁场热处理诱导的单轴磁各向异性。

图1 (a) 不同热处理Fe₇₃Ga₂₇合金的磁致伸缩曲线，(b)沿不同方向测量样品的磁化曲线。

相比于不加磁场热处理态的样品，经过磁场热处理样品的磁畴壁呈直线状彼此平行，表明存在180°磁畴。由180°磁畴壁分隔的相邻畴的磁化矢量是相反的，这意味着磁畴沿磁场处理方向受到约束，进一步证实了磁场热处理诱导的单轴磁各向异性。通过TEM分析进一步表明，磁场热处理样品会在BCC基体中析出L6₀纳米四方相和平衡相L1₂，在高倍率TEM中还观察到了L1₂孪晶变体。结合洛伦兹电镜结果，以上研究证明了磁场热处理可以同时诱导单轴磁各向异性和纳米相的动态析出。

图2 Fe₇₃Ga₂₇合金欠焦和过焦洛伦兹图像。（a, b）磁场热处理和（c, d） 没有磁场热处理。

图3 (a) 磁场热处理样品的低倍明场图像，(b) (a)中白圈区域沿BCC基体[111]轴的选区电子衍射，红色箭头表示共格L6₀纳米四方相的超晶格衍射斑点。(c) (a)中蓝圈区域通过沿平衡相L1₂变体{110}轴的选区电子衍射。(d)含L1₂孪晶区域的高倍明场图像和（e, f）暗场图像，分别取自(c)中白色圆圈表示的衍射斑点。“SFs”指的是层错。

不同初始磁态下样品的磁致伸缩原理图如下：（a）和（b）为均质铁磁体热退磁态下的磁畴状态和组织结构，（c）和（d）为非均质铁磁体在热退磁态下的磁畴状态和显微组织结构变化。

图4 立方相的铁磁体在不同初始磁态下的磁致伸缩原理图。(a)均质铁磁体在热退磁态（上）和相应的饱和磁态（下），(b)均质铁磁体具有单轴磁各向异性（上）和相应的饱和磁态（下），(c)具有共格L6₀纳米相且不加磁场热处理非均质相的Fe-Ga合金处于热退磁态（上）和相应的饱和磁态（下），(d) 磁场热处理下非均质相的Fe-Ga合金（基体内嵌有单轴磁各向异性的不共格L6₀/L1₂析出物）（上）和相应的饱和磁态（下）。

4、主要结论

对Fe₇₃Ga₂₇的不同热处理态的比较研究表明，磁场热处理可以诱导同时产生单轴磁各向异性和纳米析出相，这是在具有非均质相铁基合金中实现大磁致伸缩性能的可行途径。然而，由于在热处理过程中施加强磁场会提供额外的驱动力来加速析出动力学，因此，应严格控制磁场热处理条件和纳米析出物的尺寸、结构与母相的共格关系，其中L6₀的过度生长纳米沉淀或L1₂平衡相的形成会削弱磁致伸缩强化效果。本研究会扩展热机械/热磁加工中的析出动力学研究，尤其磁性材料的热磁加工。

5、作者及研究团队简介

第一作者：陈莹，2023年硕士毕业于西北工业大学，西安交通大学在读博士，主要研究方向为磁致伸缩材料，功能高熵合金，和固态相变。先后在Advanced Materials, Wear, Journal of Alloys Compounds, and Surface & Coatings Technology等发表SCI论文6篇。

通讯作者：马天宇，北京航空航天大学博士，全国优秀博士学位论文获得者，日本JSPS基金会海外博士后，国家自然科学基金委优青项目获得者，现任西安交通大学教授，博士生导师。主要研究方向包括磁致伸缩材料、形状记忆合金、稀土永磁、功能高熵合金和固态相变，主持国家自然科学基金项目3项，主持省部级科技成果奖10项。迄今以第一/通讯作者在Nature, Nature Communications, Advanced Materials,和Acta Materialia等发表学术论文200余篇。

《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介

《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/3078-7955

投稿地址：http://mc03.manuscriptcentral.com/msolid

期刊邮箱：matersolid@tup.tsinghua.edu.cn; Mater&Solid@nwpu.edu.cn

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