宁波材料所在烧结钕铁硼重稀土晶界扩散方面取得系列进展

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钕铁硼是目前磁性能最强的稀土永磁材料，是世界各国发展高科技必不可少的战略性功能材料，在电机、汽车、电子等领域广泛使用。钕铁硼虽然磁力很强，但其缺点之一是抵抗外磁场的能力比较弱，表征这一性能的指标为矫顽力。要提高矫顽力，需要用到更为稀缺的稀土资源——重稀土。采用传统方法制备高性能钕铁硼时一般需要在配料中添加1%-5%的重稀土元素，相对粗放，同时过多的重稀土还会降低材料的剩磁性能。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进金属材料及防护团队长期致力于采用干法镀覆重稀土用于烧结钕铁硼晶界扩散提升矫顽力的研究。团队经过十多年的研发，形成了从不同牌号烧结钕铁硼的晶界扩散机理研究到应用研究进而到装备设计研发全链条的成果，重稀土用量降至0.2%-0.4%，形成多项自主知识产权，主要成果如下。
　　提出晶界扩散的双趋势物理模型，为定量计算和工艺设计提供理论依据
　　该模型提出重稀土扩散由晶界扩散和晶粒扩散两部分组成，重稀土在晶界和主相晶粒中分别以不同的扩散系数扩散。各自符合扩散规律为：

C(x,t)=A1-A2erf(x/B)

　　式中，A1和A2是与重稀土元素Tb、Dy浓度相关的参数，B是与扩散常数相关的参数。
　　最终在钕铁硼中，重稀土元素的分布符合双趋势扩散：

C(x,t)=φCGP(x,t)+(1-φ)CGBP(x,t)

　　式中，CGP(x,t)是Tb、Dy在主相中的浓度分布，CGBP(x,t)是Tb、Dy在晶界相中的浓度分布，x是扩散深度，φ是主相的体积比，(1-φ)是晶界相的体积比。
　　图1是由双趋势扩散模型导出的重稀土在不同深度以及在晶界相/晶粒相附近的分布图。实际测量的重稀土元素Tb、Dy分布曲线和模型导出的分布图的对比见图2。由此可以得出重稀土在不同组织内的扩散系数，为研究和设计晶界扩散的过程提供模型指导。
　　根据双趋势模型，预测并观察到反常核壳结构，为大尺寸磁体的扩散工艺设计提供依据

图1 由双趋势扩散模型导出重稀土在不同深度及在晶界相/晶粒相附近的分布图

图2 实际测量的Tb、Dy分布曲线和模型导出的分布图的对比

图3 重稀土元素在核壳结构和反常核壳结构中的结构与元素分布

图4 Tb、Dy在钕铁硼主相晶粒外的反常核壳结构

图5 含Ce钕铁硼在重稀土晶界扩散后的元素分布

图6 团队研制的钕铁硼晶界扩散设备

　　根据扩散模型，钕铁硼在表面重稀土镀层没有完全消耗前，通过晶界相和晶粒相同时向内部扩散，由于重稀土在晶界相中的扩散系数高于主相，晶界相中重稀土浓度高于主相。当表面重稀土镀层消耗完时，主相中重稀土浓度会达到一个较高的水平。然而，由于缺乏表面重稀土的补充，晶界相中的重稀土很快向内部扩散，浓度梯度变得平坦，出现磁体表层附近主相晶粒中浓度大于晶界相中浓度的情况，这时会在主相晶粒周围形成一层反常核壳结构，如图3所示。上述预测分别通过实验观察到Tb、Dy在主相晶粒外的反常核壳结构，见图4。
　　研究发现，反常核壳结构的出现会导致磁体矫顽力的下降，这一发现回答了为什么通过简单增加重稀土元素镀层厚度以及延长扩散时间的手段并不能进一步提升磁体矫顽力的问题，为解决厚磁体的晶界扩散工艺设计提供了指导。
　　研究了含有高丰度轻稀土元素钕铁硼磁体的重稀土晶界扩散规律
　　为降低成本，近年来很多对磁能积要求不太高的应用场合采用轻稀土Ce、La取代部分Nd，但又需要保证磁体具有一定的矫顽力。研究发现了轻稀土在钕铁硼中的分布对重稀土扩散规律的影响，即处于晶界相中的Ce会成为吸附重稀土的“海绵”，降低了重稀土提升磁体矫顽力的效率。图5为含Ce钕铁硼在重稀土晶界扩散后的元素分布。这一研究结果为开发新型含轻稀土的低成本钕铁硼材料提供了指导。
　　团队开展了烧结钕铁硼晶界扩散的产业化工作，研制了3套采用物理干法晶界扩散设备，实现了从实验室到中试到产业化级别晶界扩散设备的开发，解决了设备放大过程中的工程问题，设备如图6所示。该设备可根据需求设计订制，能够实现在特殊工件表面的均匀沉积。
　　相关成果发表于《稀土》(2018), Vol39 (1), p90-97；《稀土》(2019), Vol 40 (1), p66-72；ScriptaMaterialia 148 (2018) 29–32；ScriptaMaterialia 163 (2019) 40–43；Journal of Magnetism and Magnetic Materials 502 (2020) 166491；Journal of Magnetism and Magnetic Materials 515 (2020) 167274。获发明专利6项（ZL 200810120011.8、ZL 201310652374.7、ZL201610252086.6、ZL201711408854.3、ZL201711435523.9、ZL 201711219101.8）。
　　上述工作得到了国家科技支撑计划项目（2012BAE02B01）、中科院STS、内蒙古重大专项、福建省STS计划配套项目（2017T3003）、宁波市2025重大专项（2020Z045）等的资助。


        文章来源：宁波材料所