增材制造Finemet合金结晶过程的新认识

新近开展的一项研究系统分析了增材制造条件下Finemet合金的结晶过程，为利用金属玻璃制备软磁组件并实现性能优化提供了一条有前景的技术路线。

金属玻璃（非晶金属）因兼具优异的机械强度、耐腐蚀性和磁性能而备受关注。其中，Finemet合金在变压器、电感器、电动机等能源相关领域尤为具有应用潜力。

然而，要制备既具有复杂几何结构，又能保持理想非晶或纳米晶组织的块体构件仍然困难重重，这也限制了此类材料的更大规模应用。

LPBF为复杂软磁构件提供新路径

增材制造，尤其是激光粉末床熔融（LPBF）技术，被视为突破传统加工限制的一种有前景的替代方案。但LPBF过程中存在极端而复杂的热循环，容易诱导Finemet铁硅（Fe-Si）合金发生结晶。

这种结晶行为对最终打印件的性能起决定性作用：晶相的尺寸、分布与类型直接影响材料的磁损耗、电阻率以及力学表现。因此，如何获得精细可控的纳米晶结构，是提升软磁性能和整体效率的关键。

IMDEA材料研究所的第一作者 Saumya Sadanand 指出：“理解这些结晶机制，对金属玻璃的结构稳定性和性能优化至关重要，这将有助于拓展其工程应用，并将其集成到复杂的高性能系统中。”

双扫描策略调控热条件与微观结构

这项工作发表在期刊《Additive Manufacturing》上，是 Horizon Europe AM2SoftMag 项目的一部分。研究团队通过采用双扫描策略，并在打印过程中调整扫描速度，成功在工艺层面调控了LPBF过程中的热条件。

随后，研究人员系统分析了不同热条件对最终微观结构的影响。结果表明，与传统工艺（如熔体旋涂带材退火）相比，增材制造过程中形成的晶粒明显更大，且空间分布更不均匀。

晶粒尺寸从几十纳米到数百纳米不等，这种显著差异被归因于增材制造过程中高度局部化且波动剧烈的热场。

研究进一步指出，LPBF过程中的结晶主要发生在两种情形下：

• 熔池在特定冷却条件下快速凝固时；
• 随后激光扫描引起的热影响区（HAZ）内。

工艺参数与软磁性能的关系

Sadanand 表示：“这项研究表明，如果希望利用LPBF制备具有复杂几何形状的纳米晶-非晶复合材料，并将其用于被动电机组件，工艺参数的选择应以降低冷却速率为目标。”

降低冷却速率有助于：

• 提高成核速率；
• 抑制粗大晶粒的形成；
• 将纳米晶的形成区域限制在热影响区内，从而更好地控制组织与性能。

此外，研究人员还观察到，在熔池边界凝固过程中会形成少量树枝状晶体，其尺寸会随冷却速率的提高而减小。

“总体来看，这些结果凸显了热梯度和冷却动力学对成核与晶粒生长机制的强烈影响。”Sadanand 总结道。

多机构协作完成

该研究由IMDEA材料研究所可持续冶金研究组在 Teresa Pérez Prado 教授指导下完成，Biaobiao Yang 博士和 Marcos Rodríguez Sánchez 博士参与了研究工作。

项目还与萨尔兰大学、雷伊胡安卡洛斯大学以及柏林工业大学的研究人员紧密合作，共同推进了增材制造软磁材料领域的基础与应用研究。