Мягкий с магнитной точки зрения, но механически прочный и пластичный безтавриевый сплав высокой энтропии CoFeNi с добавками Al и Ti

Почему важны лучшие металлы для двигателей

От электромобилей до компактных авиационных двигателей современная жизнь всё больше зависит от быстроходных электрических машин. Внутри каждого двигателя находятся металлические детали, которые должны эффективно направлять магнитные поля и одновременно выдерживать огромные центробежные нагрузки и нагрев. Традиционные мягкомагнитные сплавы хорошо справляются с магнитными функциями, но относительно слабы и склонны терять энергию в виде тепла. В этой работе исследуется новая семья «сплавов высокой энтропии», обещающая редкое сочетание свойств: прочность и гибкость, высокая устойчивость к электрическим потерям и при этом достаточная магнитная мягкость для двигателей следующего поколения.

Новые металлы из многих компонентов

Исследователи берут за основу хорошо известную магнитную формулу на основе кобальта, железа и никеля. К этой основе они добавляют небольшие количества алюминия и титана, получая так называемые сплавы высокой энтропии, в которых несколько металлических элементов смешаны в примерно равных долях. В отличие от обычных сталей или специализированных магнитных сплавов, эти смеси формируют простую кристаллическую решетку, в которой появляются крошечные упорядоченные кластеры атомов. Тщательно подбирая доли алюминия и титана, команда создала две композиции, которые формируют такие наномасштабные кластеры и при этом избегают очень дорогих элементов, таких как тантал.

Настройка крошечных строительных блоков внутри металла

Используя компьютерное термодинамическое моделирование и серию термообработок, авторы управляют развитием внутренней структуры сплавов при нагреве и охлаждении. При высоких температурах материал представляет собой однородную фазу. При охлаждении внутри матрицы появляются чрезвычайно мелкие упорядоченные частицы размером всего в несколько миллиардных долей метра. В одном из сплавов они остаются ультрамалыми и многочисленными; в другом их можно выращивать или трансформировать дополнительной прокаткой и отжигом. Передовые микроскопы и покомпонентная атомная карта подтверждают, что эти частицы богаты никелем и титаном и остаются когерентно встроенными в окружающий металл, действуя как равномерно рассеянные наномасштабные упрочняющие включения.

Прочность без утраты магнитной мягкости

Механические испытания показывают, что оба сплава значительно прочнее исходного кобальт‑железо‑никелевого материала и при этом существенно пластичны перед разрывом. В зависимости от обработки они достигают пределов текучести примерно от 780 до 1200 мегапаскалей — примерно в два‑три раза выше, чем у многих коммерческих мягкомагнитных сплавов — при сохранении относительного удлинения в пределах 18–35%. При этом магнитные измерения показывают низкую коэрцитивную силу, то есть намагниченность материала легко меняется при вращении ротора, и достаточно высокую насыщенную намагниченность, определяющую потенциал крутящего момента двигателя. За счёт очень малого размера упрочняющих частиц авторы минимизируют их склонность закреплять магнитные доменные стенки, поэтому материал остаётся магнитно мягким, даже становясь механически прочным.

Преодоление потерь энергии за счёт электрического сопротивления

Ключевое преимущество этих сплавов высокой энтропии — очень высокое электрическое сопротивление, в несколько раз больше, чем у стандартных сплавов для двигателей. Когда металлические детали в двигателе подвергаются быстро меняющимся магнитным полям, в них возникают вихревые токи, которые расходуют энергию в виде тепла. Сложный состав элементов и наличие наномасштабных частиц сильно рассеивают электроны, резко сокращая эти вихревые токи. Один из новых сплавов в самом простом состоянии после термообработки сочетает низкую коэрцитивную силу, высокую намагниченность, отличную прочность и исключительное сопротивление, что помещает его в благоприятный угол диаграмм производительности при сравнении множества коммерческих и экспериментальных мягкомагнитных материалов.

К более лёгким, дешевым и эффективным машинам

В повседневном языке эта работа показывает, как тонкая настройка состава и режима термообработки металла может управлять размером и расстоянием между невидимыми атомными кластерами, чтобы получить в противном случае трудно достижимое сочетание свойств. Особенно титансодержащий сплав демонстрирует прочное, пластичное, магнитно мягкое поведение с очень высокой стойкостью к электрическим потерям — и всё это без опоры на дефицитный тантал. Эти безтанталовые сплавы высокой энтропии могут позволить создавать более лёгкие, более эффективные и более долговечные электрические двигатели и роторы систем накопления энергии, помогая будущим транспортным средствам и энергетическим системам тратить меньше энергии и работать надёжнее.

Цитирование: 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

Ключевые слова: мягкие магнитные сплавы, сплавы высокой энтропии, электродвигатели, нановыделения, электрическое сопротивление