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寧波材料所在晶界調控提高釹鐵硼熱變形磁體磁性能研究方面取得進展

 釹鐵硼熱變形磁體由于具有磁能密度高、稀土用量少、制備流程短、易于實現近終成型等優點,在變頻家電、綠色交通、智能制造等領域具有廣闊的市場前景,巨大的應用需求也反向推動了提高熱變形磁體磁性能的研究。然而,熱變形磁體內顆粒界面處存在的無取向粗晶區對剩磁和矯頑力都具有嚴重的負面影響。對此,中國科學院寧波材料技術與工程研究所稀土永磁團隊先后開發出添加納米WC高熔點相和預擴散Pr-Cu低熔點相兩種晶界調控方法,通過有效抑制界面粗晶區大幅提高了磁體的矯頑力,同時揭示了界面調控抑制粗晶區形成的機理。

  通過對比研究添加WC納米顆粒前后熱變形磁體的微觀結構和反磁化過程,研究人員發現,未添加WC時,磁體內條帶狀快淬顆粒界面處存在低熔點富釹相的大量偏聚,熱變形時液態的富釹相緩沖了作用于顆粒界面處晶粒的壓應力,從而導致界面處晶粒發生隨機長大形成無取向的粗晶區;而添加的WC高熔點相在熱變形時仍然為“硬”的固態,并且分布于顆粒界面處(圖1a),它能夠在顆粒界面處產生局域壓應力,從而引發附近的Nd2Fe14B晶粒發生(00l)晶面擇優取向生長,進而在顆粒界面處形成片狀納米晶(圖1b)。相比于無取向的微米粗晶粒,片狀納米晶取向良好且難以發生反向磁化,因而能夠大幅提高熱變形磁體的矯頑力,同時剩磁略有增長(圖1c)。相關工作發表在Acta Materialia (2019, 167: 103-111)上。

  預擴散Pr-Cu低熔點相的方法能夠解決傳統晶界擴散時出現的Pr-Cu相在界面處偏聚嚴重的問題,使Pr-Cu在磁體內分布更加均勻,實現非磁性Pr-Cu相對Nd2Fe14B晶粒的包覆,從而有效減弱Nd2Fe14B晶粒間的磁耦合作用,提高磁體矯頑力(圖2a);同時顆粒界面處均勻分布的Pr-Cu相能夠更好地隔離晶粒,阻止晶粒間的融合生長,進而抑制界面處晶粒的過度長大和粗晶區的形成。相比未進行預擴散的磁體(圖2b),界面粗大晶粒數量顯著減少,粗晶區寬度也明顯減?。▓D2c)。相關工作發表在Acta Materialia (2019, 174: 332-341)上。

  上述研究成果不僅豐富了熱變形磁體的晶界調控理論,也有助于進一步推動提升熱變形磁體性能的技術研發。相關工作得到了國家重點研發計劃項目(2016YFB0700902)、國家自然科學基金(51671207)和浙江省基礎公益研究計劃項目(LGG18E010002、LGG19E010001)等的支持。

圖1 添加高熔點WC納米顆粒抑制粗晶區形成的機理圖及效果

圖2 預擴散Pr-Cu低熔點合金前后熱變形磁體的矯頑力和微觀結構照片

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