Dy合金化及晶界扩散对烧结NdFeB磁体在湿热环境中的腐蚀行为和磁稳定性的影响

《Surfaces and Interfaces》：Effect of Dy alloying and grain boundary diffusion on the corrosion behavior and magnetic stability of sintered NdFeB magnets in a hot-humid environment

Dy合金化与晶界扩散处理可细化晶粒、减少富Nd相，显著提升钕铁硼永磁体在湿热环境中的抗腐蚀性和磁稳定性，表面形成Nd?O?有效抑制氢渗透和内部损伤。

　　本研究聚焦于烧结钕铁硼（NdFeB）磁体的性能提升，特别关注了在高温高湿环境下，通过合金化和晶界扩散（GBD）技术引入镝（Dy）元素对磁体微观结构、腐蚀行为及磁性能的影响。NdFeB磁体因其优异的磁性能，包括高磁能积、高矫顽力和高能量密度，广泛应用于先进电机、磁共振成像、传感器和电子产品等领域。然而，这类磁体在高温高湿环境中表现出较差的抗腐蚀能力，导致其磁性能下降，进而影响设备的精度和稳定性，限制了其更广泛的应用。

NdFeB磁体主要由Nd?Fe??B基相以及位于晶界处的Nd富集相和B富集相组成。这些晶界相在液相烧结过程中起到分隔相邻Nd?Fe??B晶粒的作用，从而有助于获得高磁性能。然而，由于Nd富集相的电化学电位较低，其在高温高湿环境下的抗腐蚀能力远低于基相，因此NdFeB磁体的腐蚀往往优先发生在Nd富集相区域。这种腐蚀行为不仅会导致磁体表面形成腐蚀产物，还可能引发晶间裂纹和磁体内部结构的破坏，进而影响其磁性能。

为了解决这一问题，研究人员采用合金化和晶界扩散技术引入Dy元素。Dy作为重稀土元素，可以被引入Nd?Fe??B晶格中，替代部分Nd原子，形成（Nd,Dy）?Fe??B结构。这种结构的形成有助于提高磁体的矫顽力，主要原因是Dy的引入增强了磁晶各向异性能量。同时，Dy的加入也改善了磁体的抗腐蚀能力，这主要归因于基相与Nd富集相之间的电位差减小，以及Nd富集相的含量减少，从而降低了腐蚀发生的可能性。然而，由于Fe和Dy原子之间的反铁磁耦合，Dy的加入可能会导致剩磁的降低，这在实际应用中需要权衡。

晶界扩散技术是一种有效的方法，能够将Dy元素分布到主相晶粒的表面，形成（Nd,Dy）?Fe??B壳层。这种方法在不降低剩磁的情况下显著提高了磁体的矫顽力，同时减少了Dy元素的消耗。研究者开发了多种扩散源，如Dy-Cu、Dy-Co、Nd-Dy-Al、Dy-Ni-Al以及Pr-Dy-Al-Ga等，这些扩散源在提升磁体矫顽力方面表现出良好的效果。然而，即使经过晶界扩散处理，初始烧结的NdFeB磁体仍需通过合金化引入Dy元素，以确保其在高温高湿环境下具备良好的磁性能和抗腐蚀能力。

研究发现，Dy的合金化和晶界扩散处理能够显著改善烧结NdFeB磁体的微观结构。具体而言，Dy的引入使得Nd富集相的分布更加均匀，其整体含量减少，同时减少了缺陷晶粒的数量。这种微观结构的优化有助于降低氢的吸收和扩散速率，减少晶间裂纹的形成，并抑制基相的溶解，从而提升磁体在高温高湿环境下的抗腐蚀能力。此外，XPS分析结果表明，Dy的加入促进了Nd?O?在磁体表面的形成，这表明Dy在高温高湿环境下能够有效消耗氢，从而限制氢的渗透和内部磁体的损坏。

在高温高湿条件下，Dy-free（无Dy）和Dy-containing（含Dy）磁体的腐蚀行为遵循玻尔兹曼函数的规律。这一结果表明，Dy的加入在一定程度上改变了磁体的腐蚀动力学，使其在特定环境下的腐蚀速率更加可控。通过对比两种磁体的微结构、重量损失、腐蚀产物形成以及磁性能变化，研究人员进一步揭示了Dy在提升烧结NdFeB磁体抗腐蚀性能和磁稳定性方面的具体机制。

本研究的实验方法主要包括氩气熔炼和随后的退火扩散处理，以制备Dy-free和Dy-containing的烧结NdFeB磁体。通过XRD分析，研究者观察到了Dy-free磁体主要由Nd?Fe??B基相和部分Nd富集相组成，而Dy的加入则使得Nd?Fe??B基相的衍射峰更加明显，表明Dy的引入对晶相结构产生了积极影响。进一步的显微分析和腐蚀实验表明，Dy的合金化和晶界扩散处理不仅优化了磁体的微观结构，还显著提高了其在高温高湿环境下的抗腐蚀能力。

此外，本研究还探讨了Dy在高温高湿环境下的作用机制。通过XPS分析，研究人员发现Dy的加入促进了Nd?O?的形成，这表明Dy在磁体表面能够与氧气发生反应，形成一层致密的氧化膜。这层氧化膜不仅能够有效阻挡水分和氧气的渗透，还能够通过化学反应消耗氢，从而减少氢对磁体内部结构的破坏。这一发现为理解Dy在提升烧结NdFeB磁体抗腐蚀性能中的作用提供了新的视角。

在磁性能方面，Dy的引入对磁体的矫顽力有显著提升，但同时也可能导致剩磁的下降。这种磁性能的变化需要在实际应用中进行综合评估，以确保磁体在满足高矫顽力需求的同时，不会因剩磁降低而影响其整体性能。研究还发现，Dy的合金化和晶界扩散处理能够在不显著降低剩磁的情况下提高磁体的矫顽力，这表明这两种处理方式在提升磁体性能方面具有互补性。

本研究的结论表明，通过合金化和晶界扩散技术引入Dy元素，能够有效改善烧结NdFeB磁体在高温高湿环境下的抗腐蚀能力和磁稳定性。Dy的加入不仅优化了磁体的微观结构，还通过形成Nd?O?氧化层，减少了氢的渗透和内部结构的破坏。这些发现为开发更耐腐蚀、更稳定的烧结NdFeB磁体提供了理论依据和技术支持，同时也为相关领域的进一步研究指明了方向。

总体而言，本研究通过系统的实验和分析，揭示了Dy在提升烧结NdFeB磁体性能中的关键作用。无论是通过合金化还是晶界扩散技术，Dy的引入都对磁体的微观结构和抗腐蚀能力产生了积极影响。未来的研究可以进一步探讨不同Dy含量对磁体性能的影响，以及如何在不牺牲剩磁的情况下实现更高的矫顽力。此外，还可以研究其他稀土元素或非稀土元素对磁体性能的协同作用，以期开发出更加高效、经济的磁体材料。