晶界扩散DyMg对烧结Nd-Fe-B磁体磁性能及扩散机理影响研究

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为满足烧结Nd-Fe-B永磁材料在风力发电、永磁电机及混合动力汽车等领域的应用,改善磁体的综合磁性能,促进重稀土资源高效利用。业界往往采用晶界扩散提升磁体的矫顽力,以此减少重稀土用量,降低生产成本。然而磁体在晶界扩散重稀土(Dy/Tb)时扩散深度有限,扩散效率较低;其次,企业在实际生产中往往会沉积过量重稀土以保证扩散的充分性,然而扩散后会残余大量扩散源无法利用,造成严重的资源浪费。针对上述问题,本文通过磁控溅射共沉积扩散DyMg重稀土膜层,利用Mg元素的低熔特性优化晶界,提高Dy元素扩散深度和效率,改善(Nd,Dy)2Fe14B核壳层扩散均匀性,主要做了以下研究:(1)对磁体进行Dy、Mg单独沉积扩散,分析不同类型元素扩散对磁体矫顽力的影响;(2)对磁体进行DyMg共沉积扩散,揭示低熔金属Mg与重稀土Dy之间协同扩散效应;(3)分析对比DyMg共扩散和Dy扩散磁体磁性能及微观组织结构变化,研究DyMg共沉积扩散的元素协同扩散机制和矫顽力提升机理。在最佳扩散工艺(900℃×10 h)下,Dy元素在磁体表层区域010μm处形成硬磁相外延层,矫顽力由初始的13.26 kOe提升17.34 kOe,剩磁无明显下降。Mg元素(800℃×5 h)扩散进入磁体后形成润湿性良好的低熔液相,晶界相分布均匀化,矫顽力提升至17.12 kOe。在DyMg共沉积扩散磁体中,当Dy元素沉积量减少39%时,磁体矫顽力提升至18.21 kOe,增幅达37.3%,展现更好的扩散效率和更低的制备成本。DyMg共扩散磁体的剩磁温度系数从-0.142%/K增至-0.128%/K,矫顽力温度系数从-0.836%/K增至-0.678%/K,热稳定性增强。DyMg共扩散磁体的腐蚀电流密度从1.1151×10-5 A/cm2降至1.985×10-66 A/cm2,耐腐蚀性增强。在DyMg共沉积扩散过程中,Mg元素优先扩散改善晶界并形成低熔扩散通道,其次,Dy元素以Dy-Mg合金的形式扩散进入磁体,Dy元素扩散效率显著提升,(Nd,Dy)2Fe14B核壳层的扩散深度达110μm,微观组织得到优化,矫顽力明显增强。Mg元素的扩散使晶界相发生毛细管收缩形成连续、薄层的GB相,能够抑制反向磁畴在晶粒中的联级传播。Mg元素的引入会在热处理过程中诱导形成Nd-O-Fe-Mg稳态相,是磁体耐蚀性提升的重要因素。DyMg共沉积扩散有效提升了磁体的矫顽力,完善了低熔点合金扩散理论体系,初步解决了烧结Nd-Fe-B磁体中重稀土元素扩散速率较低和扩散深度有限的问题,促进了重稀土资源高效利用,实现重稀土应用减量化。
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