FeCrBSi非晶/纳米晶合金的激光粉末床熔融成型：制造质量、微观结构演变及软磁性能

《Powder Technology》：Laser powder bed fusion of FeCrBSi amorphous/nanocrystalline alloys: Manufacturing quality, microstructure evolution, and soft magnetic properties

　　

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  通过激光粉末床熔融技术制备了块状FeCrBSi非晶合金。
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  找到了近乎无缺陷的FeCrBSi零件的最佳能量密度。
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  获得了由非晶基体与α-Fe(Si)组成的双相结构。
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  纳米化处理提升了材料的饱和磁化强度和硬度。

引言

基于铁的非晶合金因其独特的长程无序与短程有序的亚稳结构，在变压器、发电机等众多领域受到了广泛关注[1]、[2]。其中，FeCrBSi非晶合金凭借其优异的软磁性能和良好的机械性能，成为极具潜力的结构与功能材料。这一成熟的合金体系能够借助Cr、B、Si元素之间的协同作用，实现较高的玻璃形成能力、更优的软磁性能以及更好的热稳定性[3]、[4]、[5]，这也是本研究选择该特定成分的原因。众所周知，制造过程中极高的冷却速率对于形成非晶结构至关重要[6]、[7]。迄今为止，人们已经尝试了多种快速凝固方法来制备基于铁的非晶合金，主要包括熔体旋压法和铜模铸造法。这些具有高冷却速率的方法确实有助于促进玻璃形成，但只能用于制造带状、棒状或线状的有限几何形状的制品[8]、[9]。因此，迫切需要探索一种既能具备强玻璃形成能力，又能实现复杂结构定制的新方法来制备FeCrBSi非晶合金。

作为近净成形技术，激光粉末床熔融技术能够实现10⁵–10⁷ K/s的高局部冷却速率[10]、[11]、[12]、[13]，这一数值被认为远高于形成非晶结构所需的临界阈值（10⁵–10⁶ K/s）。正是由于这些优势，许多研究人员致力于利用LPBF技术来制备非晶合金。例如，Pauzon等人[14]成功使用LPBF技术制备出了具有复杂几何形状的锆基大块金属玻璃，证明了该技术在非晶合金制造中的可行性。同样，Gao等人[15]也报道了通过LPBF技术制备锌基非晶合金的成功案例，极高的冷却速率有效抑制了结晶过程，从而实现了非晶结构的形成。LPBF技术在非晶形成和结构定制方面的独特优势，使其成为制备FeCrBSi非晶合金的极具潜力的途径。然而，目前尚无关于LPBF技术用于制备FeCrBSi非晶合金、其微观结构演变以及软磁性能的相关研究。

在本研究中，采用LPBF技术制备FeCrBSi非晶合金，旨在同时实现性能提升与结构定制。系统研究了激光功率和扫描速度等LPBF工艺参数对FeCrBSi合金的制造质量、微观结构、磁性能及机械性能的影响。通过优化工艺参数，最终得到了近乎无缺陷且具有优异机械与磁性能的FeCrBSi样品。

章节要点

材料与制备

本研究以高纯度（> 99.9%）的气体雾化FeCrBSi粉末（中国成都凯泰隆合金技术有限公司生产）作为原料。首先，通过能量色散光谱仪对FeCrBSi粉末的元素组成及分布进行了分析。随后，在氩气保护氛围下，使用点直径为50微米的LPBF系统制备了FeCrBSi合金样品。具体而言，先根据设计好的三维模型将材料分割成多层

结果与讨论

通过扫描电子显微镜/能量色散光谱仪对原始FeCrBSi粉末的形态和成分进行了分析，结果如图1所示。从图1a可以明显看出，预合金化的FeCrBSi粉末呈现典型的球形结构，表面光滑，没有明显的杂质颗粒，这有利于提高粉末在LPBF过程中的流动性和填充密度。如图1b所示，FeCrBSi粉末的直径分布呈现出D₁₀、D₅₀和D₉₀等参数

结论

本研究通过LPBF技术成功制备了FeCrBSi非晶/纳米晶合金。系统研究了激光功率对合金致密度、微观结构演变及磁性能的影响。研究结果可总结如下：

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  确定了最佳的激光功率范围为1.33–1.66 J/mm，在此范围内，LPBF制备的FeCrBSi合金几乎无缺陷，表面光滑，致密度可达约7.3 g/cm³的较高水平。具体而言，

作者贡献说明

熊瑶：撰写初稿。 张新杰：负责审阅与修改。 龙洋洋：负责数据整理。 帅才军：负责审阅与修改。 高成德：负责审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：（1）中国自然科学基金（编号：52571276、52275395、U24A20120、82573065、52475362）；（2）中国湖南省自然科学基金（编号：2025JJ30015）；（3）中国国家重点研发计划（编号：2023YFB4605800）；（4）湖南省科技创新计划（编号：2023RC3046、2025JK2127）；（5）中南大学创新驱动研究计划（编号：2023CXQD023）；（6）基础研究基金

Xiong Yao|Xinjie Zhang|Yangyang Long|Cijun Shuai|Chengde Gao