中南大学 | 增材制造FeSiB软磁合金：致密度与非晶含量的竞争性演变规律

| 3DScienceValley · 2026/05/18

谷专栏

磁驱动器件在辅助诊断、靶向给药、微创手术等生物医学领域具有独特的优势。由于软磁材料能够在磁驱动中表现出不同的动态行为，因此可以实现更复杂和灵活的磁驱动。

其中，FeSiB非晶/纳米晶合金因具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异的软磁性能与良好的生物相容性，在磁驱动领域表现出极大的应用潜力。

然而，如熔体旋淬法等传统制备方法虽能通过高冷却速率获得非晶相，但只能制备简单形状的薄带或细丝，难以满足器件对复杂结构的需求。因此，探索兼具高冷却速率与几何定制能力的制备工艺是实现FeSiB非晶/纳米晶合金在磁驱动器件领域应用的关键。激光粉末床熔融（LPBF）金属增材制造/3D打印技术的出现为这一难题提供了解决方案。

近日，中南大学研究团队在JMST期刊发表了题为Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion的论文。揭示了LPBF增材制造成形FeSiB合金中致密度与非晶化程度的竞争性演变规律及其对软磁性能的交换耦合调控机理。

本期谷·专栏将对JMST刊登的论文解读内容进行分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.063

第一作者：高成德
通讯作者：帅词俊
通讯单位：中南大学

01
激光增材制造FeSiB合金成型质量-非晶度的竞争关系

LPBF作为一种典型的金属增材制造技术，突出的特点就是快速凝固、非平衡组织的构建和高工艺自由度。

在LPBF过程中，激光功率、扫描速度等工艺参数共同决定体能量密度，从而影响熔池行为、成型质量以及相结构。

中南大学的研究发现，合金密度随着激光功率升高和扫描速度降低而增加。然而，较低扫描速度或较高激光功率条件下的低冷却速率却不利于非晶相的形成。

相关性分析显示出合金的致密度与非晶含量之间存在竞争关系，因此，优选工艺参数下致密度和非晶含量的合理平衡是获得最佳综合性能的必要条件。

02
FeSiB合金非晶/纳米晶双相结构的形成与共存机制

LPBF制备FeSiB合金呈现典型的非晶/纳米晶双相结构，即以非晶相为基体，α-Fe(Si)与Fe2B纳米晶晶粒嵌布于基体中，这些纳米晶颗粒通常集中分布在熔池边界或热影响区。

由于LPBF过程中存在极高的冷却速率，熔池在快速凝固过程中能够抑制原子长程有序排列，从而形成以非晶相为主的基体结构。然而，由于熔池内部存在温度梯度和热循环效应，局部区域仍可能发生部分晶化，从而形成纳米尺度的晶体相。

03
FeSiB合金软磁性能的影响因素与调控机理

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金的软磁性能主要由非晶/纳米晶双相结构、晶粒尺寸、内部缺陷等多因素共同决定。

非晶结构由于缺乏晶界和低磁各向异性，可显著降低矫顽力，纳米晶相的引入能够通过非晶基体与纳米晶体之间交换耦合作用来提高饱和磁化强度，当纳米晶尺寸处于纳米尺度且均匀分布时，可在保持较低矫顽力的同时提升磁化能力。

然而，晶粒尺寸增大或晶体相含量过高会导致磁畴壁运动受到阻碍，从而增加矫顽力并降低软磁性能。与此同时，合金中的孔隙和裂纹等缺陷也会作为畴壁的钉扎位点并导致矫顽力恶化。因此，非晶/纳米晶结构和成型质量的平衡是LPBF制备FeSiB合金实现高饱和磁化强度与低矫顽力的关键。

04
FeSiB合金的力学性能与强化机制

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金因其非晶/纳米晶双相结构展现出增强的力学性能，并受到合金的非晶化程度与致密度的共同影响。

非晶结构由于缺乏位错滑移机制，通常具有较高的硬度和强度，但塑性相对有限。通过在LPBF制备FeSiB合金的非晶基体中引入纳米晶强化相，可显著提升合金的塑性变形能力。

与此同时，合金的孔隙等内部缺陷往往会在加载过程中成为裂纹萌生源而导致合金的力学性能下降。因此，研究团队通过调控LPBF工艺参数以实现材料致密度与非晶含量之间的平衡，从而制备兼具软磁性能和力学性能的FeSiB非晶/纳米晶合金。

05
总结与展望：激光增材制造软磁合金的未来

为解决传统制备方法在FeSiB非晶/纳米晶合金制备过程中存在的外形结构受限和生物安全威胁的问题，这项研究创新性采用LPBF技术制备FeSiB非晶/纳米晶合金，系统探究了LPBF工艺参数对合金的成型质量、显微结构、软磁性能和力学性能的影响规律，重点揭示了工艺参数调控下合金致密度和非晶度竞争性的内在机制及其性能增强机理。

结果表明，LPBF技术是实现FeSiB合金结构与性能定制化调控的有效方法，其通过平衡致密度与非晶化程度的竞争关系，为高性能软磁合金在磁驱动领域的应用提供了新思路和研究支撑。

06
图片解析

图1 不同能量密度（E，200-1000 J/mm³）下单道熔道的超景深图像。具体的激光功率（P）和扫描速度（v）如下：(a) 160 W，240 mm/s；(b) 200 W，240 mm/s；(c) 250 W，200 mm/s；(d) 300 W，160 mm/s；(e) 300 W，120 mm/s。

图2 LPBF制备的FeSiB样品的（a）密度和（b）非晶含量随激光功率（P）和扫描速度（v）变化的等高线图；（c）能量密度、激光功率、扫描速度、密度和非晶含量的相关矩阵（皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数）。

图3 LPBF制备的FeSiB样品的密度/非晶含量与激光功率、扫描速度和能量密度的点云图，以及拟合函数和R²值。

图4 LPBF制备的P300v220样品的SEM和EBSD分析：(a) 截面结构的SEM图像；(b) 熔池和热影响区；(c)热影响区内的微观结构；(d, f) 相图；(e, g) 对应于(d)和(f)的反极图；(h) 晶界分布；(i) 对应于(e)的晶粒尺寸-面积分数图。

图5 LPBF制备的P300v220样品的明场TEM图像：(a) TEM和SAED（插图）图像；(b) 纳米晶和非晶区域之间的明显界面；(c) 纳米晶和(d) 非晶区域的IFFT和FFT（插图）图像；(e) 非晶相中纳米晶粒和中程有序结构的HRTEM图像；(f, g) 纳米晶粒分布的TEM和HRTEM图像；(h) Fe₂B相的IFFT和FFT（插图）图像。

图6 LPBF制备的FeSiB样品的磁性能：(a) 磁滞回线；(b) Ms和Hc随非晶含量的变化；(c) 磁致伸缩曲线；(d) 饱和磁致伸缩系数（λmax）随非晶含量的变化。

图7 (a) 硬度和(b) 杨氏模量的等高线图（黑点表示压痕位置）；(c) LPBF制备的FeSiB样品的平均硬度（蓝色表示）和杨氏模量（红色表示）；(d) 典型的载荷-位移曲线；(e) 塑性和弹性功的分布区域；(f) 载荷-位移曲线的局部放大图。

论文引用

Chengde Gao, Jingwei Hu, Xiong Yao, Hao Pan, Cijun Shuai, Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 246 (2026) 28-43.