高丰度稀土永磁材料的研究现状与展望

随着稀土永磁材料应用领域的扩大及需求量的猛增,导致关键稀土元素(Pr、Nd、Dy、Tb)的过度使用,而高丰度稀土元素(La、Ce、Y)却不断积压.高丰度稀土永磁材料不仅可以降低成本,还可实现稀土资源综合平衡利用,出于国家战略安全和原材料成本角度考虑,高性价比的高丰度稀土永磁材料的研究与开发势在必行.近年来,大量学者对高丰度稀土永磁材料的高值化利用展开了广泛研究.然而,在不同成分合金中,其主相热稳定性、第二相种类、相析出行为、价态、微量元素的偏聚冶金行为等方面均与目前广泛使用的Nd基商业磁体存在较大差异.综述了高丰度稀土永磁材料的相结构、磁性能、微观结构和耐蚀性能等研究现状,并为其进一步开发与利用提出了建议.

Y取代对Pr-Nd-Fe-B合金微观结构和磁性能的影响

基于熔体快淬技术,研究了不同Y取代量对[(Pr0.25Nd0.75)1-xYx]13.9Fe80.1B6合金物相组成、磁性能、晶间磁相互作用和微观结构的影响.结果表明,适量Y替代Pr、Nd元素,可以抑制Fe3B相的形成,且合金矫顽力温度稳定性增强.当Y取代Pr、Nd元素的量为30%时,居里温度仅轻微从307℃下降至302℃.Y取代具有一定程度的晶粒细化作用,有助于改善合金的微观结构.此外,Y取代还可以增强主相晶粒间的交换耦合作用.

氧化石墨烯修饰FeSiCr纳米复合材料的微波吸收性能

采用等离子体电弧蒸发和表面改性技术制备氧化石墨烯(GO)修饰FeSiCr纳米复合材料(FeSiCr/GO),并对其微波吸收性能进行研究。拉曼光谱结果显示氧化石墨烯与FeSiCr纳米颗粒成功复合。通过TEM对FeSiCr/GO微观形貌进行表征,观察到少量絮状氧化石墨烯点缀于FeSiCr纳米颗粒表面,并且FeSiCr纳米颗粒分布在层状氧化石墨烯周围,形成氧化石墨烯修饰FeSiCr纳米复合材料。通过引入氧化石墨烯,可增加材料的电导率和界面极化能力,使FeSiCr/GO的微波吸收性能显著提升。模拟计算结果显示,在4.3 GHz处,FeSiCr/GO最小反射损耗(RLmin)可达-69.1 dB,调整涂层厚度在1.1~5.0 mm之间变化,其有效吸收频带(RL≤-10 dB)范围为2.6~18 GHz。微波吸收性能的改善可归因于阻抗匹配优化和微波损耗能力增强。

晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金对烧结钕铁硼磁体磁性能及热稳定性的影响

研究了晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金对烧结钕铁硼磁体磁性能及其热稳定性的影响.随着扩散温度的升高,磁体的矫顽力(Hcj)呈现出先增加后减少的趋势,并在890°C扩散3 h,480°C回火5 h的工艺条件下,矫顽力达到较优,从1 209 kA/m提高到1 624 kA/m,磁体的剩磁只有轻微的下降,从1.38 T降低到1.32 T.高温下测试磁体的磁性能,原始磁体和890°C晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金磁体的矫顽力都呈下降趋势,但晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金磁体的矫顽力在高温下要明显优于原始磁体.原始磁体及890°C晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金磁体在不同温度下保温2 h的不可逆磁通损失分别为63%和45%.且DSC结果显示,890°C晶界扩散Dy_(60)Co_(35)Ga_5合金磁体的居里温度(Tc)要明显高于原始磁体的居里温度,这表明晶界扩散磁体的热稳定性得到了很大的改善. XRD图谱显示,890°C晶界扩散磁体RE2Fe14B相的衍射峰较原始磁体向右偏移,说明Dy原子及Co原子少部分已进入主相晶粒.

Nb添加对Nd-Ce-Fe-B合金的磁性能及晶间交换耦合作用的影响

研究了不同含量的Nb添加对(Nd0.5Ce0.5)13Fe82-xNbxB5快淬合金的磁性能、物相组成、交换耦合作用及其初始磁化机制的影响.发现Nb添加能抑制α-Fe的形成,显著改善合金的磁性能.当Nb的添加量(原子分数)为0.5%时,合金获得较优的磁性能.随着Nb的添加量(原子分数)从0增加到0.5%,合金的矫顽力由未添加时的777 kA/m提升到900 kA/m,最大磁能积也从未添加Nb时的64 kJ/m^3增加到78 kJ/m^3,而合金的剩磁仅由未添加Nb时的0.71 T轻微下降到0.70 T.合金中晶粒间的交换耦合作用随着Nb的添加而增强.合金的初始磁化机制也有了显著的变化.

晶界扩散Dy–Al–Ga对钕铁硼磁体的磁性能和微观组织的影响

通过晶界扩散Dy70Al10Ga20合金研究了烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能和热稳定性能.用NIM-500C高温永磁测量仪和MLA650扫描电镜测出了磁体在扩散前后的磁性能和微观组织的变化.结果表明,在Dy70Al10Ga20合金扩散热处理后,磁体矫顽力从原始的1080.968kA/m显著提升到1671.600kA/m,提升幅度约为55%,而剩磁下降很少.Dy、Al、Ga元素在晶界处扩散,很好地隔绝了磁交换作用,提升矫顽力.SEM图显示在扩散Dy70Al10Ga20合金后,可以很明显地看到晶粒外延层有一层灰色的壳层包覆着主相晶粒,很好地起到了隔离晶粒的磁交换作用.XRD显示主相的峰普遍往右偏移,这归因于重稀土元素Dy进入晶粒外延层形成(Nd,Dy)2Fe14B核壳结构.Dy的原子半径比Nd小,导致峰往右移.

TbCu7型SmCo7-xHfx合金的结构及磁性能

采用熔体快淬法在40 m/s制备了SmCo7-xHfx(x=0,0.1,0.15,0.2,0.3)合金薄带,研究Hf取代量对SmCo7-xHfx合金的相组成、组织结构及磁性能的影响.结果表明:随Hf取代量的增加,均可获得TbCu7型结构的亚稳相,晶格常数a和c也随之增加,c/a比值在0.82~0.83,晶粒平均尺寸减小,且更加均匀;在性能方面,Hf取代量为0.2时,可获得最优磁性能Br为0.55 T和Hc为1 084 kA/m.Hf的添加还可有效改善合金高温性能,在27~400°C温度区间,矫顽力温度系数由未添加时-0.21%/°C改善到-0.18%/°C,提升14.3%.

烧结Nd-Fe-B磁体晶界扩散TbH2高温稳定性及其机理

采用涂敷方式,在烧结钕铁硼表面均匀涂敷TbH2粉末,经过不同的扩散温度处理,制备出晶界扩散磁体。研究了晶界扩散TbH2对烧结Nd-Fe-B磁体常温磁性能及高温稳定性的影响,并分析了磁体矫顽力提升的机理。常温磁性能研究表明,扩散磁体经过890℃+490℃工艺处理后性能达到最优,矫顽力从1383 kA/m提升到1988 kA/m。高温磁性能结果显示,扩散磁体200℃的矫顽力温度系数|β|比原始磁体降低0.032%/℃,磁通不可损失hirr比原始磁体降低21.47%,扩散TbH2明显提高了烧结Nd-Fe-B磁体的热稳定性。分析得出,晶界扩散TbH2磁体矫顽力提升的机理是Nd2Fe14B晶粒外延层形成了(Tb,Nd)2Fe14B核壳结构,提高了磁晶各向异性场;同时改善了磁体的微观组织结构,有效地隔绝了晶粒之间的磁交换耦合作用。

氧化热处理优化NdFeCo磁粉的吸波性能

采用熔炼-高能球磨-氧化热处理的工艺,制备 NdFeCo 磁粉。借助 X 射线衍射仪和网络矢量分析仪等,研究氧化热处理对NdFeCo磁粉的相组成和吸波性能的影响。结果表明,经过100℃的氧化热处理后, NdFeCo磁粉中出现Nd2O3和少量Fe2O3相。当涂层厚度为2.0mm时,经过氧化热处理的Nd23.25Fe76.75-xCox(x=10, 20, 30, 40)系列磁粉的反射率最低值从-5.5,-16.5,-11.8,-6.5dB分别降至-22.5,-23.1,-27.2,-15.8dB,说明氧化处理可以有效地增强NdFeCo磁粉的吸波性能,经分析证明吸波性能增强的主要原因是由于阻抗匹配的优化。

Nd_(90)Al_(10)晶界调控对晶界扩散磁体磁性能和微观结构的影响

采用添加Nd_(90)Al_(10)低熔点合金调控制备了扩散用烧结Nd_2Fe_(14)B磁体,并采用Tb晶界扩散制备了相应的扩散磁体,分析了扩散磁体的晶界结构和成分对磁体矫顽力的影响。结果表明,添加质量分数为0.5%的Nd_(90)Al_(10)合金调控后,晶界扩散(GBD)后磁体的矫顽力提高到1439 kA/m,相对于未晶界调控的扩散磁体增加了530 kA/m。添加Nd_(90)Al_(10)低熔点合金不会影响GBD前磁体的Curie温度,但降低了磁体的低温相变温度。GBD后磁体Tb取代晶格中的Nd引起Nd_2Fe_(14)B相的晶格常数减小,从而使XRD谱中衍射峰位右移。经Nd_(90)Al_(10)调控后的扩散磁体表面处的主相晶粒的富Tb壳清晰可见。从距离磁体表面20μm增加到100μm时,富Tb壳层仍清晰可见。当深度继续增加到500μm时,经Nd_(90)Al_(10)调控后的扩散磁体晶粒周围都有连续晶界相。经晶界调控的扩散磁体可见衬度明显的富Tb壳层,形成了非晶的富Nd相,增强了两两主相晶粒间的去磁耦合能力。Nd在富Nd相中心区域出现峰值,更多的富Nd相在晶界扩散过程中作为Tb向磁体内扩散的通道,Tb原子在富Nd相的浓度高达约35%,其扩散深度和使用效率明显提升。

Ce17Fe78-xB6Mx（M=Cu,Al,Ga;x=0～1.0）快淬合金永磁性能

基于熔体快淬技术,研究了低熔点元素Cu、Al和Ga添加对Ce17Fe78B6合金磁性能的影响。结果表明,三类低熔点元素的加入,均降低了合金的磁化强度,而矫顽力有一定程度的提升。其中,Cu和Ga元素添加可优化晶粒尺寸分布,且Ga添加对Ce17Fe78B6合金矫顽力的提升最为有效。Ce17Fe78B6合金回复曲线轻微开口;当Ga添加量为0.75%(原子分数)时,合金具有较优异的综合磁性能,回复曲线完全闭合。适量Ga元素添加明显增强了Ce-Fe-B基合金晶间短程交换耦合作用,减小了合金平均回复磁导率,有效降低了Ce-Fe-B基合金在周期性反向磁场中的能量损失。

掺杂Pr16Dy64Fe20对烧结钕铁硼磁性能和微观组织的影响

为了提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力和热稳定性,采用双合金的方法添加Pr16Dy64Fe20(%,质量分数)三元稀土合金制备低重稀土烧结钕铁硼磁体,当合金添加量为3%时,钕铁硼磁体的矫顽力从未添加时的1038 kA·m-1提高到1308 kA·m-1,剩磁仅下降了0.03 T。添加Pr16Dy64Fe20合金后磁体的微观组织得到明显改善,富钕相数量增多,分布更加连续均匀,晶粒间交换耦合作用减弱。Dy元素大部分分布在晶界角隅处,并进入主相晶粒外延周围形成更高磁晶各向异性场的(PrNd,Dy)2Fe14B相,提高了磁体的矫顽力,热稳定性也得到明显改善。

烧结NdFeB磁体晶界扩散Tb_(70)Cu_(30)合金的热稳定性及微观结构研究

采用涂敷的方式,在烧结NdFeB磁体晶界扩散Tb_(70)Cu_(30)合金,研究磁体扩散前后磁性能及微观结构变化,并分析了磁体矫顽力及热稳定性的提升的机制。研究表明,扩散磁体经过810℃×6 h+490℃×3 h工艺处理后性能达到最优,矫顽力从17.37 kOe提升到20.04 kOe,剩磁和最大磁能积基本不下降。扩散磁体的矫顽力温度系数|β|由0.454%·℃^(-1)降为0.442%·℃^(-1),不可逆磁通损失低于原始磁体,表明扩散Tb_(70)Cu_(30)提高了烧结NdFeB磁体的热稳定性。微观结构分析得出,晶界扩散矫顽力提升的机制是形成高各向异性场的(Nd,Tb)_(2)Fe_(14)B核壳结构和连续分布富钕相,增加去磁耦合作用,使扩散磁体的矫顽力及热稳定性提高。

晶界添加Dy80Fe13Ga7对烧结钕铁硼热稳定性和耐腐蚀性的影响

采用晶界添加法制备烧结Nd-Fe-B磁体,通过添加Dy80Fe13Ga7合金研究了磁体的磁性能、热稳定性能和耐腐蚀性能。结果表明,磁体的矫顽力在添加Dy80Fe13Ga7合金后显著增加,添加量为4%(质量分数)Dy80Fe13Ga7合金磁体的矫顽力从1036增加到1539 kA·m^-1。扫描电镜(SEM)图显示,在添加Dy80Fe13Ga7合金后,富稀土晶界相数量明显增多,主相晶粒间的去磁交换耦合作用增强,使得矫顽力显著提高。磁体剩磁温度系数从-0.1268%·K^-1优化到-0.1073%·K^-1,矫顽力温度系数从-0.6473%·K^-1优化到-0.6344%·K^-1,不可逆磁通损失率从76.5%优化到50.1%,说明添加Dy80Fe13Ga7合金可以改善磁体的热稳定性。然而,加速腐蚀试验(HAST)和电化学分析表明,添加Dy80Fe13Ga7合金后,磁体内部的富稀土相增加,腐蚀扩散通道增多,而富稀土相的腐蚀电位相对于主相更低,导致磁体的耐腐蚀性能降低。