通过二次热变形来改善Pr??Ga??Cu??合金以及通过晶界扩散热变形处理的NdFeB磁体的磁性能

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Secondary hot deformation to improve the magnetic performance of Pr 80Ga 10Cu 10 grain boundary diffused hot-deformed Nd Fe B magnets

通过晶界扩散（GBD）引入Pr-Ga-Cu三元扩散源提升矫顽力，并采用二次热变形（SHD）优化晶粒取向，成功制备出矫顽力2.23?T、剩磁1.31?T、最大磁能积327.95?kJ/m3的高性能热变形永磁体。SEM和TEM分析表明SHD优化了晶粒织构，均匀了稀土元素分布，并形成Nd6Fe13Ga相减少铁磁相，维持高矫顽力。

　　本研究旨在通过优化热变形磁体的微观结构，提升其综合磁性能。Nd-Fe-B永磁材料因其优异的磁性能，在现代工业中广泛应用，尤其是在电动汽车和混合动力汽车领域。随着新能源汽车技术的快速发展，对高性能磁体的需求日益增加，这对Nd-Fe-B磁体的磁滞特性提出了更高的要求。传统的烧结Nd-Fe-B磁体虽然具有较高的磁性能，但由于缺乏重稀土元素（如Dy和Tb），其矫顽力较低，难以满足高性能应用场景的需求。为此，科研人员探索了多种方法，其中通过晶界扩散（Grain Boundary Diffusion, GBD）引入重稀土元素是一种常见的策略。然而，这种方法虽然能显著提高矫顽力，但会降低剩磁，从而影响磁体的整体性能。

为了解决这一问题，本研究提出了一种两阶段策略。首先，采用一种基于Pr的三元扩散源Pr₈₀Ga₁₀Cu₁₀（原子比）进行晶界扩散，以增强磁体的矫顽力。随后，通过二次热变形（Secondary Hot Deformation, SHD）优化磁体的晶粒取向，从而提升剩磁。这种方法不仅提高了磁体的矫顽力，还有效缓解了晶界扩散对剩磁的负面影响，实现了矫顽力和剩磁的同步提升。

实验过程中，首先通过熔体急冷法（melt spinning）制备了前驱体磁带，其名义成分为Nd_10.85Pr_2.75B_5.80Ga_0.70Fe_bal（原子比）。接着，通过机械破碎将磁带转化为粒径在180至200微米之间的粉末。随后，在真空条件下进行热压处理，温度为650°C，压力为500MPa，持续30分钟，以制备各向同性的热压磁体。在此基础上，采用三元扩散源Pr₈₀Ga₁₀Cu₁₀进行晶界扩散处理，以提高磁体的矫顽力。扩散完成后，对磁体进行二次热变形处理，以优化其晶粒取向。

通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）分析发现，二次热变形处理有效优化了热变形磁体的晶体取向，从而提升了剩磁。值得注意的是，尽管晶界相的宽度在二次热变形处理后有所减小，但稀土元素（Rare Earth, RE）在晶界处的分布变得更加均匀。此外，在三晶界处检测到了Nd₆Fe₁₃Ga相的存在。这一相的形成降低了晶界处的铁磁相浓度，削弱了晶粒间的交换耦合效应，从而在维持高矫顽力的同时，改善了磁体的剩磁性能。

在实验结果中，原始热变形磁体（hot-def）的剩磁为1.36T，矫顽力为1.80T，最大磁能积（(BH)_max）为351.75 kJ/m³。经过三元扩散源Pr₈₀Ga₁₀Cu₁₀的晶界扩散处理后，磁体的矫顽力提升至2.26T，但剩磁有所下降，为1.26T。随后，通过二次热变形处理，磁体的剩磁进一步提高，最终达到1.31T，矫顽力为2.23T，最大磁能积为327.95 kJ/m³。这一结果表明，两阶段策略在提升磁体综合性能方面具有显著优势。

晶界扩散技术之所以能有效提升矫顽力，是因为其能够促进重稀土元素在晶界处的富集，从而增强晶界处的磁各向异性。然而，晶界处的重稀土元素富集也会导致非磁性相的增加，从而降低剩磁。为了解决这一矛盾，本研究引入了Ga元素，通过三元扩散源Pr₈₀Ga₁₀Cu₁₀，在提升矫顽力的同时，优化了晶界相的分布，使其更加均匀。这种均匀的晶界相分布有助于减少晶粒间的交换耦合，从而维持较高的剩磁水平。

此外，二次热变形处理在优化晶粒取向方面发挥了重要作用。在热变形过程中，磁体的晶粒通常会经历一定的取向变化，而晶界扩散处理可能进一步影响这种取向。通过二次热变形，可以在特定方向上施加压力，促使晶粒沿c轴优先取向，从而增强磁体的磁各向异性。这种取向优化不仅提高了磁体的剩磁，还有助于维持其矫顽力。因此，两阶段策略在提升磁体性能方面具有显著优势。

本研究的成果表明，通过合理设计扩散源和优化热变形工艺，可以在不牺牲剩磁的情况下显著提高磁体的矫顽力。这一策略为高性能Nd-Fe-B磁体的制备提供了新的思路，同时也为磁性材料领域的研究带来了重要的启示。未来，进一步优化扩散源成分和热变形工艺参数，将有助于实现更高性能磁体的批量生产，从而满足新能源汽车等高要求应用场景的需求。

本研究的创新点在于，采用了一种三元扩散源Pr₈₀Ga₁₀Cu₁₀，结合二次热变形处理，成功解决了晶界扩散对剩磁的负面影响。与传统的二元扩散源（如Pr₉₀Cu₁₀和Pr₈₀Ga₂₀）相比，三元扩散源在提升矫顽力的同时，能够更有效地优化晶界相的分布，从而提高剩磁。这一发现不仅拓展了晶界扩散技术的应用范围，还为磁性材料的开发提供了新的方向。

在实验过程中，研究人员通过STEM-EDS（扫描透射电子显微镜-能谱分析）进一步验证了晶界处Pr元素的富集情况。这一富集现象表明，晶界扩散确实能够增强晶界处的磁各向异性，从而提高矫顽力。然而，这种富集也会导致非磁性相的增加，进而影响剩磁。为了解决这一问题，二次热变形处理被引入，通过调整晶界相的分布，促使晶粒沿c轴优先取向，从而在提升剩磁的同时，维持较高的矫顽力。这种策略的有效性得到了实验数据的验证，表明其在提升磁体性能方面具有显著潜力。

除了提升矫顽力和剩磁，本研究还关注了磁体的其他性能指标，如最大磁能积（(BH)_max）。这一指标是衡量磁体能量密度的重要参数，直接影响磁体在实际应用中的效率。通过两阶段策略，磁体的最大磁能积达到了327.95 kJ/m³，显示出良好的综合磁性能。这一结果表明，该方法不仅能够提高磁体的矫顽力和剩磁，还能在一定程度上优化磁体的能量密度，使其更适用于高功率密度的应用场景。

本研究的另一重要发现是，在三晶界处检测到了Nd₆Fe₁₃Ga相的形成。这一相的出现表明，晶界扩散不仅影响了晶界处的元素分布，还可能促进某些特定相的形成。这些相的存在对磁体的性能具有重要影响，尤其是在减少铁磁相浓度和削弱晶粒间交换耦合方面。因此，理解这些相的形成机制及其对磁体性能的影响，对于进一步优化磁体制备工艺具有重要意义。

此外，本研究还探讨了不同扩散源对磁体性能的影响。例如，T. Zhang等人使用二元扩散源Nd₇₀Cu₃₀进行晶界扩散处理，虽然提高了矫顽力，但对剩磁的提升效果有限。相比之下，H. Sepehri-Amin等人采用Pr₉₀Cu₁₀作为扩散源，虽然显著提升了矫顽力，但导致剩磁的下降。这些研究结果表明，单一元素的扩散源可能无法同时优化磁体的多个性能指标，而三元扩散源的引入则为解决这一问题提供了新的途径。

本研究的实验设计充分考虑了材料的微观结构变化及其对磁性能的影响。通过晶界扩散和二次热变形的协同作用，研究人员成功实现了磁体矫顽力和剩磁的同步提升。这一成果不仅验证了两阶段策略的有效性，还为磁性材料的进一步研究提供了重要的实验数据和理论支持。

在实际应用中，高性能Nd-Fe-B磁体的制备对于新能源汽车等高要求领域至关重要。随着电动汽车和混合动力汽车的普及，对磁体性能的需求不断提升。因此，开发一种既能提高矫顽力又不牺牲剩磁的制备方法，对于推动磁性材料技术的发展具有重要意义。本研究提出的两阶段策略为这一目标提供了可行的解决方案，同时也为未来的研究指明了方向。

综上所述，本研究通过晶界扩散和二次热变形的协同作用，成功提升了热变形Nd-Fe-B磁体的综合磁性能。这一方法不仅解决了传统晶界扩散技术对剩磁的负面影响，还为磁性材料的开发提供了新的思路。未来，进一步研究扩散源成分和热变形工艺参数的优化，将有助于实现更高性能磁体的批量生产，从而满足新能源汽车等高要求应用场景的需求。