PrAl晶界扩散处理Nd-La-Ce-Fe-B磁体中矫顽力增强极限的微观机制解析

本研究针对Nd-Fe-B永磁体晶界扩散(GBD)工艺中矫顽力(Hcj)提升受限的瓶颈问题，通过Pr80Al20合金扩散源处理Nd-La-Ce-Fe-B磁体，结合原子探针断层扫描(APT)和洛伦兹透射电镜(LTEM)等技术，揭示了Pr/TRE比例恒定的硬化壳层与δ→μ型RE-Fe-Al晶界相演变共同制约矫顽力提升的机制，为开发高矫顽力厚截面磁体提供理论指导。

　　

在新能源革命浪潮中，钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁体因其卓越的磁性能成为电动汽车驱动电机的核心材料。然而，当工作温度超过200°C时，其磁性能会急剧衰减。传统解决方案是通过添加重稀土(HREE)如镝(Dy)来提升磁晶各向异性场(H_A)，但Dy的稀缺性和高昂成本促使研究者转向晶界扩散(GBD)工艺——通过在磁体表面沉积Pr/Al等轻稀土(LREE)合金并热处理，形成具有高矫顽力的"核-壳"结构。尽管GBD技术已实现商业化，但矫顽力提升存在明显上限，且最大适用磁体厚度被限制在10mm以内，这成为制约高性能磁体发展的关键瓶颈。

针对这一难题，浙江大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表研究，通过多尺度表征技术揭示了PrAl GBD处理Nd-La-Ce-Fe-B磁体中矫顽力增强的极限机制。研究聚焦两个核心问题：一是磁硬化壳层中Pr元素分布的深度依赖性规律，二是晶界(GB)相沿扩散路径的磁性能演变。

研究采用Pr₈₀Al₂₀共晶合金作为扩散源，对LaCe-40磁体进行4-10小时GBD处理。通过结合等离子聚焦离子束(pFIB)定点取样、原子探针断层扫描(APT)、洛伦兹透射电镜(LTEM)和磁力显微镜(MFM)等技术，实现了从宏观到原子尺度的全链条分析。特别值得注意的是，研究团队建立了Pr_36.5Fe_58.5Al₅和Pr_32.5Fe_57.5Al₁₀模型合金体系，为晶界相磁性鉴定提供对照样本。

研究结果

3.1 磁性能与宏观扩散特征
磁测量显示PrAl GBDP-4h磁体矫顽力提升208%(5.0→15.4 kOe)，但延长扩散时间至10小时反而导致性能下降。辉光放电光谱(GDA)证实Pr浓度随深度呈梯度分布，而Al浓度在扩散6小时后达到峰值。

3.2 基体壳层的化学演化
APT分析发现：在距表面500μm深度范围内，Pr-Al富集壳层中Pr/TRE比例恒定在67.1±1.3%，且壳层厚度从100μm处的数十纳米降至500μm处的15nm。这种均匀分布特征表明硬化壳层通过溶液再沉淀机制形成，而非化学诱导液膜迁移(CILFM)。

3.3 晶界相的磁性转变
LTEM结合MFM证实：近表面区域(100μm)存在厚度约45nm的δ型RE-Fe-Al晶界相(Al>10at.%)，具有反铁磁性；而在500μm深度处，晶界相转变为μ型RE-Fe-Al(Al≈4.86at.%)或非晶相，表现为铁磁性。磁畴观察显示后者导致相邻RE₂Fe₁₄B晶粒磁耦合。

3.4 模型合金验证
通过Pr_36.5Fe_58.5Al₅合金证实μ相具有12次对称性的准晶结构，居里温度T_C=216.8°C；而Pr_32.5Fe_57.5Al₁₀合金中的δ相则显示奈尔温度T_N=49.9°C，验证了Al含量对晶界相磁性的调控作用。

结论与意义
该研究首次阐明PrAl GBD磁体中矫顽力提升受限的双重机制：恒定Pr/TRE比限制反磁化核形成场的持续增加，而深度依赖的δ→μ型晶界相转变导致磁隔离失效。这一发现为优化GBD工艺指明方向：通过调控热处理温度控制液相比例可提高壳层Pr浓度；优化Al扩散深度能促进反铁磁δ相形成。研究成果对开发厚度>10mm的高矫顽力磁体具有重要指导价值，为新能源汽车电机用磁体性能提升提供新思路。