纳米晶稀土铁基永磁材料的微结构调控和性能改善

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Nd-Fe-B稀土永磁材料广泛应用于仪器仪表、航空航天、电子信息、风力发电等高新技术领域。然而Nd-Fe-B磁体仍存在着热稳定性差的问题,难以满足在高温条件下的应用。为拓展高温领域的应用,需要进一步增强磁体的矫顽力。传统提高磁体矫顽力的方法是掺杂重稀土元素(HRE),但这容易造成稀土资源的浪费。为此,本文采用两种方案:第一,采用晶界扩散的方法提高快淬钕铁硼磁粉的矫顽力,后通过热压烧结及热变形工艺制备得到具有优异磁性能的Nd-Fe-B磁体;第二,以探索低稀土含量的高温稀土永磁为目的,采用熔体快淬技术制备具有ThMn12结构的SmFe11Ti合金。首先,以低熔点合金Nd-Cu和Nd-Al为扩散源,研究了不同扩散工艺对MQP钕铁硼快淬磁粉微结构和磁性能的影响。研究发现,低熔点合金晶界扩散能有效增强磁粉的矫顽力,且Nd-Cu合金的扩散效果优于Nd-Al。Nd-Cu扩散研究表明,15 wt.%/600℃/2 h晶界扩散条件下,磁粉的综合磁性能最佳,其矫顽力达20.01 kOe,较初始磁粉增加了165.4%。扩散后α-Fe相含量降低所导致的晶间交换耦合作用的弱化和晶间富稀土相的形成所增强的磁隔离效应是矫顽力提高的两大主要原因。Nd-Al扩散研究发现,650℃/2 h晶界扩散所制磁粉的矫顽力最高,可达15.88 kOe。Nd-Al合金中Al含量的增加有利于矫顽力的提升,这归因于晶粒边界微观结构的进一步优化以及NdFeAl相的形成。以扩散磁粉为前驱体粉末,联合采用热压烧结和热变形技术,成功制备了具有各向异性的Nd-Fe-B磁体。研究发现,热压烧结磁体中存在两种具有不同晶粒尺寸的结构区域,即粗晶区和细晶区。颗粒边界聚集的低熔点富稀土相和烧结过程中被挤出的低熔点相在致密化过程中的快速长大是粗晶区形成的主要原因。650℃/50MPa/15 min烧结条件下,磁体的综合磁性能最佳,其剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为Jr=0.63 T、Hc=21 kOe和(BH)max=67 kJ/m3。热变形后,磁体继承了烧结磁体的粗细晶区结构,其中,细晶区由具有c轴取向特征的扁平形状晶粒组成,是磁体获得各向异性的原因。热变形磁体的磁性能为:Jr=1.09T,Hc=13.88 kOe和(BH)max=202 kJ/m3。矫顽力机制研究表明,烧结和热变形磁体的矫顽力机制均为钉扎机制。此外,为进一步探索低稀土含量的高温稀土永磁,采用电弧熔炼及熔体快淬技术制备了具有ThMin12结构的SmFe11Ti合金,并研究了退火和快淬工艺对合金微观结构和磁性能的影响。研究发现,SmFe11Ti合金的物相由1:12相、α-Fe相、Fe2Ti相及非晶相组成。退火及快淬工艺可以有效调控合金的微观结构,进而改善磁性能。35 m/s快淬速度下,800℃/30 min退火工艺所制合金的磁性能最佳,其剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为0.63 T、380 kA/m和41 kJ/m3,矫顽力温度系数β=-0.42%/K,Tc=580K。提高快淬速度有助于合金矫顽力的提高,50m/s快淬速度所制合金薄带的矫顽力可达432kA/m。Henkel曲线研究发现,SmFe11Ti合金中软磁相和硬磁相之间存在较强的交换耦合作用。矫顽力机制分析表明,SmFe11Ti合金的矫顽力由形核场控制。
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