通过Y和Co合金化结合晶界扩散，显著提升了(Nd,Y)-(Fe,Co)-B磁体的热稳定性和矫顽力

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic enhancement of thermal stability and coercivity in (Nd,Y)-(Fe,Co)-B magnets via Y and Co alloying combined with grain boundary diffusion

钕铁硼磁体通过Pr-Co-Fe-B合金双相法及晶界扩散处理提升高温稳定性，矫顽力达16.46kOe。微观结构显示Co均匀分布增强剩磁温度系数，Pr-Y富集壳层形成高各向异性场，Dy共扩散形成双壳层结构抑制逆磁畴形成。

　　本研究围绕一种新型的烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）磁体的开发展开，重点探讨了通过引入钴（Co）和钇（Y）元素来提升磁体在高温下的性能与稳定性。钕铁硼磁体因其卓越的磁性能，被广泛应用于风力发电、轨道交通、电动汽车等领域。然而，这类磁体在高温环境下表现出的低居里温度（Curie temperature）和较差的矫顽力（coercivity）限制了其在高温电机、精密仪器等领域的应用。因此，开发具有更高热稳定性的磁体成为当前研究的重要方向。

研究者采用了一种双相法（dual-phase method）策略，通过将Pr-Co-Fe-B合金（Pr_30.5Co₅₀Fe_balM_0.5B_0.98）引入（Pr,Nd）₂₁Y₇Fe_balM_2.3B_0.98中，制备了一系列不同Co和Y浓度的烧结（Nd,Y）-(Fe,Co)-B磁体。通过磁性能测试发现，随着Pr-Co-Fe-B含量的增加，磁体的矫顽力呈现出先上升后下降的趋势，在50%重量百分比的添加量下达到峰值9.47千奥斯特（kOe）。此外，磁体的温度系数也得到了显著优化，在20至120摄氏度的温度范围内，剩磁温度系数（α）为-0.069%/℃，矫顽力温度系数（β）为-0.645%/℃。这些数据表明，通过合理调整Co和Y的配比，可以有效改善磁体在不同温度下的稳定性。

元素分布的详细分析显示，Co元素在晶粒内部实现了均匀分布，这有助于提高剩磁的温度稳定性。同时，在晶粒表面形成了以Y为富集核心、以Pr为富集壳层的复合结构，这种结构随着Pr-Co-Fe-B添加量的增加而更加明显。Y的富集核心和Pr的富集壳层共同作用，提升了磁体的各向异性场（anisotropy field），从而优化了矫顽力。值得注意的是，各向异性场是影响磁体矫顽力的关键因素，其稳定性直接决定了磁体在高温环境下的性能表现。

为进一步提升磁体的性能，研究者采用了晶界扩散（grain boundary diffusion, GBD）技术，使用Pr₅₂Dy₂₀Fe₆Al₁₀Ga₁₂粉末进行处理。通过这种技术，Dy元素能够深入磁体内部，形成高各向异性场的壳层结构。实验结果显示，经过扩散处理后，50%重量百分比的Pr-Co-Fe-B磁体的矫顽力从9.47千奥斯特提升至16.46千奥斯特，显著增强了磁体的高温稳定性。同时，扩散处理并未显著降低磁体的剩磁和最大磁能积，说明该方法在提升磁体性能的同时，对其他关键磁性能指标的影响较小。

在微观结构分析中，研究者发现Dy元素在晶界处形成了富集层，与原有的Pr富集层共同构成双壳层结构。这种结构不仅增强了磁体的各向异性场，还有效抑制了磁畴的逆向核化，从而提升了磁体的矫顽力。此外，Dy的引入还优化了晶界相的结构，减少了晶界处的磁性干扰，使得磁体在高温下能够保持较高的磁性能。这些发现为磁体的高温稳定性提供了新的解决方案。

然而，研究者也指出，过度添加重稀土元素（heavy rare earth, HRE）如Dy，会导致磁体表面的严重偏析，降低Dy的利用率，造成资源浪费，并对磁体的性能产生负面影响。因此，通过引入轻稀土元素（如Pr）和非稀土金属元素（如Al、Ga）作为扩散源，可以有效优化晶界相，促进Dy原子的深入扩散，从而提升扩散效率。例如，Tang等人发现，使用低浓度HRE合金扩散源，如Pr₃₅Dy₃₅Cu₃₀，能够显著提高Dy的利用率，进而提升磁体的矫顽力，同时减少剩磁的损失。Du等人则指出，适当添加Fe元素到扩散源中，可以促进形成非磁性相RE₆Fe₁₃(Al, Ga)₁，这种相能够进一步优化晶界相结构，从而提升磁体的矫顽力，并提高Dy的利用率。

基于上述研究，研究者设计了一种多组分合金扩散源Pr-Dy-Fe-Al-Ga，用于进行重稀土元素的晶界扩散。该方法不仅提高了HRE的利用率，还最大限度地提升了磁体的矫顽力。这种策略为实现高性能且具有更好热稳定性的磁体提供了新的途径。

在实验过程中，研究者通过感应熔炼、带铸、吸氢粉碎（hydrogen decrepitation, HD）和喷雾研磨等工艺，制备了不同成分的磁体粉末。其中，Pr-Co-Fe-B合金粉末的制备采用了较高的Co含量，以提升磁体的高温稳定性。带铸过程使用了旋转速度为25米/秒的铜轮，以确保合金的均匀分布。吸氢粉碎则在常温下进行，以去除粉末中的气泡并提高其致密度。通过这些工艺，研究者成功制备了具有不同成分的磁体粉末，并进一步优化了其磁性能。

此外，研究者还通过磁性能测试和元素分布分析，系统地研究了磁体在不同温度下的表现。结果显示，随着Pr-Co-Fe-B含量的增加，磁体的矫顽力和剩磁温度系数得到了显著改善。这表明，通过合理调整Co和Y的配比，可以有效提升磁体的热稳定性。同时，晶界扩散技术的应用使得磁体的矫顽力得到了进一步提升，且未显著影响其他磁性能指标。

综上所述，通过设计合适的双相成分（DMP composition），研究者成功制备了一系列具有不同Y和Co浓度的烧结（Nd,Y）-(Fe,Co)-B磁体。在此基础上，系统研究了Y和Co对磁体基本磁性能和热稳定性的影响。结果显示，50%重量百分比的Pr-Co-Fe-B磁体表现出尤为优异的性能，其剩磁温度系数（α）显著提升至-0.069%/℃，矫顽力温度系数（β）也有所改善至-0.645%/℃。这些成果为开发高性能且具有更好热稳定性的磁体提供了新的思路和技术支持。

本研究不仅为磁体材料的优化提供了新的理论依据，还为实际应用中磁体的高温稳定性问题提供了可行的解决方案。通过结合Y和Co的协同效应，并采用多组分合金扩散源进行晶界扩散，可以有效提升磁体的矫顽力和热稳定性，同时减少资源浪费。这些方法在实际生产中具有较高的可行性，为磁体材料的进一步发展奠定了基础。