激光粉末床熔融制备FeSiB非晶/纳米晶合金的软磁与力学性能竞争性微观结构演化研究

为解决磁驱动植入体材料在饱和磁化强度(Ms)和生物安全性方面的瓶颈问题，研究人员通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备FeSiB非晶/纳米晶合金，系统探究了工艺参数对微观结构及性能的影响。研究发现，能量密度调控可实现密度(6.17 g/cm3)与非晶含量(55%)的优化平衡，获得高Ms(167.56 emu/g)与低矫顽力(Hc)(60.6 Oe)的优异软磁性能，同时兼具501.5 MPa抗压强度与14.58 GPa硬度，为定制化磁驱动植入体提供了新策略。

　　

在医疗科技飞速发展的今天，磁驱动植入体因其在体内复杂环境中的精准可控性，成为辅助诊断、靶向给药等领域的明星技术。然而，现有软磁材料面临三重困境：饱和磁化强度不足限制驱动效率，生物相容性存疑威胁安全性，传统制备工艺难以实现复杂结构成型。这就像试图用钝剪刀裁剪精密手术服——材料性能与加工手段的双重局限，严重制约着磁控医疗设备的突破。

面对这一挑战，中南大学的研究团队将目光投向FeSiB非晶/纳米晶合金这一新兴材料体系。这类材料凭借非晶相与纳米晶相的巧妙组合，理论上可实现高磁导率与低矫顽力的完美平衡，但其制备需要极高冷却速率(10⁵-10⁶ K/s)来抑制晶粒过度生长。传统急冷法制备的合金虽性能优异，却只能获得简单带状或块状结构，犹如用模具浇筑冰雕——形态单一且后续加工困难。

研究团队创新性地采用激光粉末床熔融(LPBF)这一革命性增材制造技术，通过精确调控激光能量密度，在微米级熔池内实现超快冷却与非晶相形成，同时保留结构设计自由度。他们系统研究了工艺参数-微观结构-性能的关联规律，发现能量密度如同双刃剑：提高能量可减少气孔缺陷提升致密度，但过度加热又会引发非晶相分解，形成α-Fe(Si)和Fe₂B纳米晶。这种竞争性演化最终在6.17 g/cm³密度与55%非晶含量时达到最优平衡，使材料同时具备167.56 emu/g的高M_s和60.6 Oe的低H_c，力学性能更突破至501.5 MPa抗压强度与14.58 GPa硬度。

关键技术方法包括：采用自研LPBF系统制备合金样品，通过单道熔池实验确定工艺窗口；结合X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)解析非晶/纳米晶双相结构；利用振动样品磁强计(VSM)测试软磁性能；通过压缩试验和纳米压痕评估力学性能。

【材料与制备】
采用成都有泰隆公司提供的93Fe-4Si-3B(wt.%)非晶粉末，在氩气保护下进行LPBF成型。通过200-300W激光功率与600-1200 mm/s扫描速度的参数组合，实现不同能量密度(41.67-83.33 J/mm³)的调控。

【粉末表征】
SEM显示粉末呈近球形，流动性能满足LPBF工艺要求。EDS证实成分与标称值一致，为后续研究奠定材料基础。

【结论】
该研究首次通过LPBF实现FeSiB非晶/纳米晶合金的可控制备，揭示能量密度对非晶形成与晶粒生长的竞争机制。创新性发现热影响区纳米晶的尺寸梯度分布特征，阐明交换耦合作用提升M_s、而晶粒粗化增大H_c的物理本质。所获材料性能全面超越传统制备工艺，特别是60.6 Oe的H_c值接近部分晶态软磁合金水平，为复杂结构磁驱动植入体的直接成型提供解决方案。

这项发表于《Journal of Materials Science》的研究，不仅建立LPBF工艺-微观结构-性能的定量关系模型，更开创性地将增材制造技术引入生物医用软磁材料领域。其意义在于：工艺层面证明LPBF可突破非晶合金的尺寸与结构限制；理论层面揭示快速凝固过程中非晶/纳米晶竞争生长动力学规律；应用层面为定制化磁控医疗器件开发提供新材料平台。这种"工艺创新-机理突破-应用落地"的全链条研究范式，为功能性生物材料的智能制造树立了新标杆。