烧结Nd-Fe-B磁体中Nd-Dy-Al合金晶界扩散行为的温度依赖性机制研究及其磁性能优化

为解决重稀土元素(Dy)在晶界扩散(GBD)过程中温度依赖性机制不明的问题，研究人员采用Nd20Dy60Al20合金对Nd-Fe-B磁体进行梯度温度(800-950°C)扩散处理，发现900°C时晶格扩散与晶间扩散达到平衡，使矫顽力提升至1346 kA/m，为多组分稀土扩散源的温度优化提供理论依据。

　　

随着电动汽车和风力发电等清洁能源技术的快速发展，高性能钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁体的需求激增。然而这些应用场景要求磁体在高温环境下保持稳定性能，传统方法是通过在熔炼阶段添加重稀土(HRE)元素如镝(Dy)来提高矫顽力，但这会导致剩磁(B_r)显著下降和成本攀升。晶界扩散(GBD)技术作为一种高效利用HRE的解决方案应运而生，但不同组分扩散源的最佳温度选择机制尚不明确，特别是对于同时含轻稀土(LRE)和HRE的多组分合金体系。

中国的研究团队针对这一科学问题，系统研究了Nd₂₀Dy₆₀Al₂₀合金在烧结Nd-Fe-B磁体中的温度依赖性扩散行为。研究发现800°C处理时Dy倾向于晶间扩散实现深度渗透，而950°C时则以晶格扩散为主形成Dy₂Fe₁₄B壳层，900°C时两种扩散模式达到最佳平衡，使矫顽力从原始值924 kA/m提升至1346 kA/m。该成果发表于《Materials Research Bulletin》，为多组分扩散源的工艺优化提供了重要理论指导。

研究采用差示扫描量热法(DSC)测定合金熔点，通过振动样品磁强计(VSM)检测磁性能，结合扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)分析微观结构。实验选用商用无HRE的Nd-Fe-B磁体，制备不同配比的Nd_xDy_80-xAl₂₀(x=20-60)扩散源，在800-950°C区间进行梯度温度扩散处理。

【实验结果】

1. 热力学分析显示Nd替代使合金熔点从Dy₈₀Al₂₀的948.6°C降至Nd₆₀Dy₂₀Al₂₀的680.7°C，存在双吸热峰特征。

2. 磁性能测试表明900°C扩散样品获得最优矫顽力(1346 kA/m)，较800°C(1231 kA/m)和950°C(1163 kA/m)分别提升9.3%和15.7%。

3. 显微结构证实800°C时Dy沿晶界快速扩散但壳层较薄，950°C形成厚壳层但扩散深度不足，900°C实现5μm有效扩散深度与100nm理想壳层厚度的协同优化。

【结论与意义】

该研究首次阐明温度对GBD过程中两种竞争性扩散机制（晶格扩散与晶间扩散）的调控规律：低温促进晶间扩散实现深度渗透，高温加速晶格扩散形成磁硬化壳层，中温(900°C)实现最优平衡。这一发现不仅解释了多组分扩散源的温度敏感性机制，更为开发新型LRE-HRE复合扩散合金提供了明确的设计方向，对推动高性能磁体的低成本制造具有重要工业价值。研究获得国家自然科学基金(U21A2052)等项目的支持。