Ein magnetisch weiches, aber mechanisch starkes und duktiles Ta‑freies CoFeNi‑Hochentropie‑Legierung mit Al‑ und Ti‑Zugaben

Warum bessere Motormetalle wichtig sind

Von Elektroautos bis zu kompakten Flugzeugtriebwerken hängt das moderne Leben zunehmend von hochdrehenden Elektromaschinen ab. In jedem Motor gibt es Metallteile, die magnetische Felder effizient führen und zugleich enormen Fliehkräften und Temperaturen standhalten müssen. Traditionelle weichmagnetische Legierungen erfüllen die magnetischen Anforderungen gut, sind aber relativ schwach und neigen dazu, Energie als Wärme zu verlieren. Diese Arbeit untersucht eine neue Familie von „Hochentropie“-Metallen, die eine seltene Kombination versprechen: stark und dennoch flexibel, hoch resistent gegen elektrische Verluste und gleichzeitig magnetisch weich genug für Motoren der nächsten Generation.

Neue Metalle aus vielen Zutaten

Die Forschenden beginnen mit einer gut bekannten magnetischen Rezeptur auf Basis von Kobalt, Eisen und Nickel. Zu dieser Basis fügen sie geringe Mengen Aluminium und Titan hinzu und erzeugen so sogenannte Hochentropie‑Legierungen, die mehrere metallische Elemente in annähernd gleichen Anteilen mischen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stählen oder speziellen magnetischen Legierungen bilden diese Gemische ein einfaches zugrundeliegendes Kristallgitter, in dem winzige, geordnete Atomkluster entstehen. Durch sorgfältige Wahl der Aluminium‑ und Titananteile entwirft das Team zwei Zusammensetzungen, die solche nanoskaligen Cluster ausbilden sollen, ohne sehr teure Elemente wie Tantal zu benötigen.

Die winzigen Bausteine im Metall abstimmen

Mithilfe computergestützter thermodynamischer Modellierung und einer Reihe von Wärmebehandlungen steuern die Autor*innen, wie sich die innere Struktur dieser Legierungen beim Erhitzen und Abkühlen entwickelt. Bei hohen Temperaturen liegt das Material als einheitliche Phase vor. Beim Abkühlen erscheinen extrem kleine, geordnete Partikel von nur wenigen Nanometern Durchmesser in der Matrix. In einer Legierung bleiben sie ultrafein und zahlreich; in der anderen lassen sie sich durch zusätzliches Walzen und Glühen vergrößern oder umformen. Fortschrittliche Mikroskope und atomare Kartierungen bestätigen, dass diese Partikel reich an Nickel und Titan sind und kohärent in das umgebende Metall eingebettet bleiben, wo sie wie gleichmäßig verteilte nanoskalige Verstärkungen wirken.

Festigkeit ohne Verlust der magnetischen Weichheit

Mechanische Prüfungen zeigen, dass beide Legierungen deutlich stärker sind als das ursprüngliche Kobalt‑Eisen‑Nickel‑Material und gleichzeitig eine beträchtliche Dehnung vor dem Bruch zulassen. Je nach Verarbeitung erreichen sie Streckgrenzen von etwa 780 bis 1200 Megapascal — ungefähr das Zwei‑ bis Dreifache vieler kommerzieller weichmagnetischer Legierungen — und behalten Dehnungen zwischen 18 % und 35 % bei. Gleichzeitig zeigen magnetische Messungen niedrige Koerzitivfelder, was bedeutet, dass sich die Magnetisierung beim Drehen eines Motors leicht umkehrt, und relativ hohe Sättigungsmagnetisierung, die bestimmt, wie viel Drehmoment ein Motor liefern kann. Indem die verstärkenden Partikel sehr klein gehalten werden, minimieren die Autor*innen deren Neigung, magnetische Domänenwände zu fixieren, sodass das Material magnetisch weich bleibt, obwohl es mechanisch robust wird.

Energetische Verluste durch elektrischen Widerstand senken

Ein entscheidender Vorteil dieser Hochentropie‑Legierungen ist ihre sehr hohe elektrische Resistivität, die mehrere Male höher liegt als bei üblichen Motorlegierungen. Wenn Metallteile in einem Motor schnell wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt sind, entstehen Wirbelströme, die Energie als Wärme verschwenden. Die komplexe Elementmischung und die Anwesenheit nanoskaliger Partikel führen zu starker Elektronenstreuung und verringern diese Wirbelströme deutlich. Eine der neuen Legierungen verbindet in ihrem einfachsten wärmebehandelten Zustand niedrige Koerzitivfelder, hohe Magnetisierung, ausgezeichnete Festigkeit und außergewöhnlich hohen Widerstand und befindet sich damit in einer günstigen Ecke der Leistungsdiagramme, in denen viele kommerzielle und experimentelle weichmagnetische Materialien verglichen werden.

Auf dem Weg zu besseren, günstigeren und leichteren Maschinen

Alltäglich ausgedrückt zeigt diese Arbeit, wie das Abändern der Zutatenliste und des Wärmebehandlungsplans eines Metalls die Größe und den Abstand unsichtbarer atomarer Cluster so abstimmen kann, dass eine sonst schwer erreichbare Kombination von Eigenschaften entsteht. Besonders die titanhaltige Legierung bietet starke, duktil‑elastische und magnetisch weiche Eigenschaften mit sehr hohem Widerstand gegen elektrische Verluste — und das ohne den Einsatz knapper Tantal‑Bestandteile. Diese tantal‑freien Hochentropie‑Legierungen könnten leichtere, effizientere und langlebigere Elektromotoren und Energiespeicher‑Rotoren ermöglichen und dazu beitragen, dass künftige Fahrzeuge und Energiesysteme weniger Energie verschwenden und zuverlässiger arbeiten.

Zitation: Sarkar, S.K., Keskar, N., Tan, L.P. et al. A magnetically soft yet mechanically strong and ductile Ta free CoFeNi high entropy alloy with Al and Ti additions. Nat Commun 17, 2890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68891-6

Schlüsselwörter: weichmagnetische Legierungen, Hochentropie‑Legierungen, Elektromotoren, Nanopräzipitate, elektrischer Widerstand