多主相(Nd,LaCe/Y)-Fe-B永磁材料的结构、磁性及晶界改性研究

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传统钕铁硼系稀土永磁材料严重依赖Pr/Nd/Dy/Tb等贵重稀土资源,高效平衡利用廉价的高丰度稀土La/Ce/Y取代Pr/Nd等成为该永磁材料的发展趋势。La/Ce/Y形成的RE2Fe14B相具有相对较低的内禀磁性,调控La/Ce/Y在磁体晶粒和晶界的分布可以有效缓解高丰度元素取代对硬磁主相的稀释效应。一方面,利用多主相技术经元素扩散形成核-壳型晶粒,增强Ce/La Ce晶粒表层硬磁特性以提高磁体的矫顽力。与Ce/La Ce多主相磁体相比,含Y单主相磁体具有独特的自生核-壳结构晶粒,充分认识不同核-壳晶粒的构建及其对磁性能的影响具有重要意义。另一方面,优化晶界分布也是提高多主相高丰度稀土永磁材料矫顽力的关键。本论文系统研究了Y在单/双主相磁体和不同La Ce/Y比例多主相磁体中的元素分布及对磁性能的影响规律;通过晶界添加Pr-Fe-Al-Ga辅相合金,分别对含La Ce/含Y多主相磁体晶界改性,阐明了晶界磁性与硬磁壳层对磁性能的影响。主要研究内容和结果如下:1、采用粉末冶金工艺制备了名义成分为Nd70Y30-Fe-B的单/双主相烧结磁体,研究了两种磁体的主相晶粒核-壳区域的元素分布规律及其对矫顽力的影响机制。研究表明,两种磁体均含有衬度差异明显的核-壳型晶粒,不同晶粒壳层区域的Y含量相近。双主相磁体的富Nd晶粒表层形成富Y壳层,同时富Y晶粒核心具有较高的初始Y含量。这削弱了Nd2Fe14B晶粒表层的磁硬度,并导致双主相磁体的不可逆磁矩降低比单主相磁体更为严重,表现为双主相磁体的矫顽力低于单主相磁体。2、采用粉末冶金工艺制备了具有新型核-壳结构的Nd70[(La,Ce)1-x/3Yx/3]30-Fe-B(x=0,1,2,3)多主相烧结磁体,系统分析了Nd-(La Ce/Y)-Fe-B多主相磁体的相结构、微观结构和磁性能之间的关系。研究表明,由于Y在烧结过程中从富Y晶粒向富La Ce晶粒和富Nd晶粒表层扩散,RE2Fe14B相的晶格常数a、c随磁体中Y含量的增加而减小。La Ce多主相磁体的富La Ce晶粒表层具有比富Nd晶粒表层更高的La、Ce含量;在La Ce Y多主相磁体中,富La Ce、富Nd和富Y晶粒表层具有接近的La、Ce、Y含量。La、Ce在Y的协同作用下从晶界向晶粒表层偏聚,壳层由非均质分布逐渐演变为均质分布,使主相的各向异性场降低。因此在不含Y的La Ce多主相磁体中获得了较高的磁性能,Br=12.7 k Gs,Hcj=12.29k Oe,(BH)max=38.48 MGOe。3、为进一步提高多主相烧结磁体的矫顽力,探究了晶界改性对磁体磁性能的影响。通过晶界添加Pr-Fe-Al-Ga辅相合金,实现了对低B含量Nd70(La,Ce)30-Fe-B和Nd70Y30-Fe-B多主相磁体主相硬磁耦合及界面结构调控。研究发现,辅相添加促进La Ce取代和Y取代的多主相磁体晶界处形成RE6Fe13(Ga,Al)1相,同时薄壁晶界相呈网状分布,晶界宽度明显增加,增强相邻晶粒间的交换解耦能力。在La Ce取代的多主相磁体中富Pr壳层优先形成于富La Ce晶粒表层,在Y取代的多主相磁体中则均匀形成在富Y和富Nd晶粒表层。由于Pr对La、Ce的优先取代,使富La Ce晶粒局部各向异性场得到增强,反磁化畴在较高外场作用下才形核反转。最终在La Ce取代的多主相磁体中添加8 wt.%Pr-Fe-Al-Ga辅相,制备获得Br=11.74 k Gs,Hcj=19.91 k Oe,(BH)max=32.80 MGOe的高性能磁体,此时磁体中La Ce占总稀土含量仍高达24.31%。
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