中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，題為“Different behaviors of binary rare earth-Al alloys for grain boundary diffusion of La and Ce-containing multi-main-phase magnets”的論文在線發(fā)表于國際知名期刊《Materials Today Chemistry》。論文由華南理工大學(xué)、中科院深圳先進技術(shù)研究院、中科三環(huán)完成，通訊作者為華南理工大學(xué)劉仲武教授和深圳先進技術(shù)研究院的Jiayi He。論文指出，通過使用稀土鋁合金作為擴散源，可以有效增強含鑭（La）和鈰（Ce）的多主相釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁體的矯頑力，且隨著La和Ce含量的增加，Pr-Al擴散的效果顯著優(yōu)于Dy-Al和Tb-Al擴散。
近年來，研究者們致力于通過引入高豐度的L）和Ce來替代部分Nd和Pr，以降低成本。然而，La和Ce的引入會導(dǎo)致磁性能下降，尤其是矯頑力的顯著降低。為了克服這一問題，多主相（MMP）永磁體應(yīng)運而生，通過將Nd富集相和La/Ce富集相混合，形成非均勻微觀結(jié)構(gòu)，從而提高矯頑力。盡管如此，高Ce含量的MMP永磁體的磁性能仍與傳統(tǒng)Nd2Fe14B永磁體存在顯著差距。晶界擴散是一種通過在晶界處引入稀土元素來增強永磁體矯頑力的有效方法。本研究聚焦于通過晶界擴散（GBD）技術(shù)優(yōu)化含La和Ce的MMP永磁體的磁性能。然而，對于高Ce含量的MMP永磁體，晶界擴散的效果尚不明確。研究團隊創(chuàng)新性地使用了二元稀土鋁合金（Pr-Al、Dy-Al和Tb-Al）作為擴散源，探索其在不同La和Ce含量的MMP永磁體中的擴散行為和磁性能優(yōu)化機制。
實驗中，研究團隊首先通過雙合金法制備了不同La和Ce含量的MMP永磁體。將（PrNd）17.09（LaCe）12.90M（1~1.5）FebalB和（PrNd）29.70M（1~1.5）FebalB粉末按不同質(zhì)量比混合，并制備成塊體永磁體。燒結(jié)溫度為1313 K，持續(xù)時間為2小時。隨后，將燒結(jié)后的永磁體切割成直徑9 mm、高度4 mm的圓柱形樣品，用于后續(xù)的晶界擴散處理。
擴散源采用Pr0.8Al0.2、Dy0.8Al0.2和Tb0.8Al0.2合金薄帶，通過電弧熔煉和熔體甩帶工藝制備，甩帶輪速為12 m/s。將合金薄帶粉碎成粒徑小于300微米的粉末，與乙醇和聚乙烯醇混合后覆蓋在永磁體表面。晶界擴散處理在真空管式爐中進行，氣氛為氬氣。Pr-Al合金的擴散溫度為1073 K，持續(xù)6小時，隨后在773 K下保持3小時；而Dy-Al和Tb-Al合金的擴散溫度為1173 K，持續(xù)6小時，隨后在773 K下保持3小時。
實驗結(jié)果顯示，隨著La和Ce含量的增加，Pr-Al擴散對永磁體矯頑力的增強效果顯著提高，而Dy-Al和Tb-Al擴散的效果則逐漸降低。對于低La和Ce含量的永磁體，Tb-Al和Dy-Al擴散后的矯頑力高于Pr-Al擴散，但在高La和Ce含量的永磁體中，Pr-Al擴散后的矯頑力最高。例如，在LaCe-39永磁體中，Pr-Al擴散后的矯頑力為676 kA/m，遠(yuǎn)高于Dy-Al擴散后的300 kA/m和Tb-Al擴散后的554 kA/m。此外，Pr-Al擴散后的永磁體還表現(xiàn)出更高的Jr，表明其在磁性能上的全面優(yōu)化。
通過EPMA和TEM觀察發(fā)現(xiàn)，Pr-Al擴散后，Pr元素在晶界中分布更加均勻且連續(xù)，形成高各向異性（HA）的Pr富集殼層，顯著增強了磁隔離效果。隨著La和Ce含量的增加，晶界相的連續(xù)性增強，促進了Pr的擴散深度。相反，Dy-Al和Tb-Al擴散時，由于Dy-Fe和Tb-Fe化合物的高熔點，限制了Dy和Tb的擴散深度，并且在晶界處形成了不利于擴散的高熔點相。此外，Dy-Al和Tb-Al擴散還導(dǎo)致了晶界處的稀土富集相與主相之間的成分均勻化，破壞了MMP永磁體原有的非均勻結(jié)構(gòu)，從而降低了矯頑力。
微磁學(xué)模擬結(jié)果進一步驗證了實驗觀察到的現(xiàn)象。模擬表明，擴散深度是影響高La和Ce含量MMP永磁體矯頑力的關(guān)鍵因素。隨著La和Ce含量的增加，晶界相的連續(xù)性增強，促進了Pr的擴散，而Dy和Tb的擴散則受到限制。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)適用于高La和Ce含量MMP永磁體的稀土合金擴散源提供了重要的理論和實驗依據(jù)。
綜上，本研究深入探討了二元稀土鋁合金在含La和Ce的多主相永磁體中的晶界擴散行為及其對磁性能的影響。結(jié)果表明，Pr-Al合金擴散源在高La和Ce含量的MMP永磁體中表現(xiàn)出優(yōu)異的擴散效果，顯著提高了矯頑力和剩余磁感應(yīng)強度。研究揭示了Pr-Al擴散的機制，即Pr元素在晶界中的均勻分布和高各向異性殼層的形成，以及隨著La和Ce含量增加，晶界相連續(xù)性增強對擴散深度的促進作用。相比之下，Dy-Al和Tb-Al擴散由于高熔點化合物的形成和成分均勻化，導(dǎo)致擴散效果受限。本研究不僅為優(yōu)化MMP永磁體的磁性能提供了新的思路，還為開發(fā)低成本、高性能的稀土永磁材料奠定了理論基礎(chǔ)。
