第一作者：高成德
通訊作者：帥詞俊
通訊單位：中南大學(xué)
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.063
01 全文速覽
針對(duì)多晶Fe-Ga合金磁致伸縮性能不足的瓶頸問題，本研究首次提出激光粉末床熔融（LPBF）和硼（B）摻雜策略，利用其超快熔凝和元素固溶機(jī)制協(xié)同調(diào)控合金的顯微結(jié)構(gòu)和綜合性能：LPBF的快速凝固特性擴(kuò)展B元素固溶，誘發(fā)晶格畸變與位錯(cuò)增殖，并形成納米級(jí)四方modified-D03相結(jié)構(gòu)；同時(shí)，LPBF工藝的高溫度梯度同步驅(qū)動(dòng)晶粒沿<001>取向外延生長(zhǎng)?；诖耍狙芯克苽涠嗑e-Ga-B合金的磁致伸縮系數(shù)得到有效提升，并展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和生物學(xué)性能，為智能生物醫(yī)學(xué)器件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了創(chuàng)新性策略。
02 研究背景
磁致伸縮Fe-Ga合金因高能量轉(zhuǎn)化效率和良好的生物安全性，在眾多領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。然而，多晶Fe-Ga合金因其復(fù)雜的相組成和晶體結(jié)構(gòu)，面臨磁致伸縮性能差的瓶頸問題。為克服這一挑戰(zhàn)，研究者們嘗試了定向凝固和熔融紡絲等制備工藝，通過調(diào)控合金相結(jié)構(gòu)來提升磁致伸縮性能，但所制備的Fe-Ga合金結(jié)構(gòu)和尺寸單一，難以滿足特殊環(huán)境的復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求。LPBF技術(shù)憑借超高冷卻速率與逐層制造特性，成為定制特定相結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的潛在策略，并有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫度梯度誘導(dǎo)下的晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)。
元素?fù)诫s是調(diào)控合金相結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵策略。眾多元素中，小原子B元素不僅有望通過間隙固溶誘發(fā)磁致伸縮有利的modified-D03相形成，而且也可作為人體必需營(yíng)養(yǎng)元素賦予合金良好的生物安全性。然而，LPBF與B摻雜協(xié)同作用對(duì)磁致伸縮Fe-Ga合金的影響機(jī)制尚未明晰，其生物降解行為和細(xì)胞相容性亦有待探索。本研究創(chuàng)新性結(jié)合LPBF技術(shù)和B元素?fù)诫s，系統(tǒng)探索了Fe-Ga合金的微觀結(jié)構(gòu)、磁致伸縮性能和生物學(xué)性能，闡明了顯微結(jié)構(gòu)與磁致伸縮性能間的關(guān)聯(lián)規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制，旨在為開發(fā)新型智能生物醫(yī)學(xué)器件提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
03 本文亮點(diǎn)
1、提出利用LPBF技術(shù)和B摻雜策略制備磁致伸縮Fe-Ga-B合金；
2、LPBF和B摻雜協(xié)同作用有效提升了Fe-Ga合金的磁致伸縮性能和生物相容性；
3、闡明了多因素影響對(duì)Fe-Ga-B合金顯微結(jié)構(gòu)和綜合性能的作用機(jī)制。
04 圖文解析
圖1 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的制備流程
圖2 Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的物相結(jié)構(gòu)演變：（a，b）微觀形貌TEM圖像，（c，d）SAED圖，（e，f）高倍TEM圖像
圖3 Fe81Ga19和(Fe81Ga19)98.5B1.5合金的納米沉淀物相結(jié)構(gòu)分布及局部晶格畸變：（a，b）高倍TEM圖像及傅里葉變換圖，（c，d）反傅里葉變換圖像，（e，f）幾何相位分析圖像
圖4 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的晶粒結(jié)構(gòu)：（a-e）晶粒形貌及極圖和反極圖，（f）(Fe81Ga19)98B2合金的Fe2B分布圖
圖5 (Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的靜態(tài)磁致伸縮演變：（a）磁致伸縮曲線，（b）磁致伸縮系數(shù)與B含量的關(guān)系
圖6 動(dòng)態(tài)磁致伸縮響應(yīng)：（a）動(dòng)態(tài)磁致伸縮測(cè)量示意圖，（b）(Fe81Ga19)100-xBx（x=0，0.5，1和1.5）合金的動(dòng)態(tài)磁致伸縮曲線
圖7 細(xì)胞相容性評(píng)價(jià)：（a）吸光度，（b-g）茜素紅染色圖，（h-k）ALP染色
05 總結(jié)與展望
為解決多晶Fe-Ga合金普遍面臨的磁致伸縮性能差的問題，本研究創(chuàng)新性融合LPBF技術(shù)和B摻雜策略，制備具有優(yōu)異綜合性能的磁致伸縮Fe-Ga-B合金，系統(tǒng)研究了多因素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)、磁致伸縮性能和生物降解行為的影響規(guī)律，重點(diǎn)揭示了LPBF和B摻雜協(xié)同作用下的磁致伸縮增強(qiáng)機(jī)理。結(jié)合多尺度表征與綜合性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)LPBF的快速凝固促進(jìn)了B原子在BCC基體的固溶、誘導(dǎo)了modified-D0?納米相的生成及其引發(fā)的四方畸變；同時(shí)，LPBF過程中的高溫度梯度特性驅(qū)動(dòng)晶粒沿<001>晶體學(xué)方向外延生長(zhǎng)。最終，納米沉淀相和<001>取向晶粒的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了Fe-Ga-B合金磁致伸縮性能的有效提升（~35%），且表現(xiàn)出良好的磁致伸縮動(dòng)態(tài)響應(yīng)和生物學(xué)性能。結(jié)果表明，LPBF和B摻雜的協(xié)同作用是提高Fe-Ga合金磁致伸縮性能的有效方法，這也為高性能磁致伸縮器件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新思路和研究支撐。
06 作者介紹
高成德：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、極端服役性能精準(zhǔn)制造全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授/博士生導(dǎo)師，入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、湖南省湖湘青年英才、湖南省優(yōu)青、2020-2024連續(xù)5年斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。一直從事生物增材制造領(lǐng)域的研究，以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)國(guó)家專利17項(xiàng)，出版著作2部。主持與承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲中國(guó)金屬學(xué)會(huì)冶金醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀結(jié)題項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀科技論文等獎(jiǎng)勵(lì)。
帥詞?。褐心洗髮W(xué)/江西理工大學(xué)，教授/博士生導(dǎo)師，入選教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國(guó)家萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才、全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文獲得者、國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者。長(zhǎng)期從事生物增材制造領(lǐng)域的研究，發(fā)表SCI論文280余篇，被引用18000余次；出版學(xué)術(shù)專著5部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利70余項(xiàng)并實(shí)現(xiàn)部分專利權(quán)轉(zhuǎn)讓。以第一完成人獲省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級(jí)二等獎(jiǎng)6項(xiàng)。入選2022、2023中國(guó)高被引學(xué)者，2020中國(guó)大陸材料領(lǐng)域科學(xué)家50強(qiáng)，擔(dān)任Int J Extreme Manuf、Bio-Des Manuf等SCI期刊副主編/編委。
07 引用本文
Chengde Gao, Liyuan Wang, Youwen Deng, Shuping Peng, Cijun Shuai, Multifactorial impacts of B-doping on Fe81Ga19 alloys prepared by laser-beam powder bed fusion: Microstructure, magnetostriction, and osteogenesis, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2024) 14-26.
來源
材料科學(xué)和技術(shù) l
中南大學(xué)帥詞俊教授、高成德教授團(tuán)隊(duì) 激光增材制造Fe-Ga-B合金中的多因素影響：顯微結(jié)構(gòu)、磁致伸縮與生物學(xué)性能
