Sm(Co_bal.Fe_0.10Cu_0.09Zr_0.03)_7.24磁体中特定晶界区域的析出机制☆

《Journal of Rare Earths》：Precipitation mechanism at specific grain boundary region in Sm(Co bal.Fe 0.10Cu 0.09Zr 0.03) 7.24 magnets☆

　　

摘要

揭示Sm₂Co₁₇型磁体晶界（GB）区域的沉淀机制对于优化其磁性能具有重要意义。本研究对Sm(Co_bal.Fe_0.10Cu_0.09Zr_0.03)_7.24磁体在不同热处理阶段表现出相似性能的特定晶界区域进行了表征和分析。结果和理论分析表明，晶界和片层相降低了SmCo₅基析出物的形核势垒，并降低了扩散激活能。因此，析出物优先沿晶界形核，且晶界处的结构有序度更为显著。随着时效的进行，晶界区域的析出物以更快的速度生长。奥斯特瓦尔德熟化导致这些区域形成大的离散析出物，并伴随有无析出物带的形成。晶界区域的局部沉淀早于晶粒内部的整体沉淀。微磁模拟表明，在晶界区域，连续析出物比不连续析出物能更有效地钉扎反向磁畴。本研究阐明了Sm₂Co₁₇型磁体晶界区域的沉淀机制，并为高性能磁体的设计和制造提供了指导。

引言

Sm₂Co₁₇型磁体因其高磁性能、优异的温度稳定性和强耐腐蚀性，已成为高温应用的理想永磁材料。1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 其微观结构主要由纳米级胞状结构组成，包括负责高磁化强度的Th₂Zn₁₇型Sm₂Co₁₇基胞相（2:17R）、¹¹ 提供畴壁钉扎的CaCu₅型SmCo₅基胞边界相（1:5H）12, 13 以及片层相。¹⁴ Fe在2:17R相中的富集和Cu在1:5H相中的富集对磁性能起决定性作用，15, 16 而片层相可能作为这些元素的快速扩散通道。17, 18 完整的胞状结构对于获得高磁性能至关重要。因此，胞状结构的形成机制和优化策略已成为关键研究课题。19, 20, 21, 22

胞状结构的形成过程首先通过高温固溶处理获得均匀化的固溶体，然后在时效处理过程中发生沉淀反应。有报道指出，扩散-位移可能是沉淀过程中的主导机制。²³ 此外，研究表明固溶处理磁体中的缺陷密度与胞边界相的形核密切相关，这意味着均匀高密度的微观缺陷降低了胞边界相的形核能，从而促进其均匀连续地形成。24, 25

在晶粒内部，通常可以形成完整的胞状结构。然而，晶界（GB）附近的情况则大不相同。晶界区域通常无法形成胞状结构，而是形成大的二次Sm_n+1Co_5n–1相、富Cu的1:5H相以及无析出物带（PFZs）。26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 此外，晶界处的相组成较为复杂，第二相颗粒（Sm₂O₃、Zr₆Co₂₃和Sm_n+1Co_5n–1相）主要分布在主相晶界区域。28, 29 这些软磁第二相颗粒充当反向磁畴的优先形核位点。由于晶界处缺乏胞边界相，磁畴壁可以快速移动，使得晶界成为退磁的优先区域。30, 31, 32 在较小的反向磁场下，这些区域容易形成大的反向磁畴，导致磁体方形度的恶化。因此，许多研究者对晶界区域的相变机制和优化方法进行了研究。Jia等人发现，磁体晶界处初始的初生和二次Sm_n+1Co_5n–1相对局部相变行为有显著影响。²⁹ Zhang等人发现，晶界线与相关晶粒的{0001}面之间的夹角（γ）与晶界形貌密切相关。³² 此外，添加Cu粉或CuO粉是改性晶界的有效方法。33, 34, 35 这些研究表明，晶界附近的相变过程受磁体成分、晶界相和晶界性质（γ、晶界角（δ））等多重因素的影响。此外，Sm₂Co₁₇型磁体中不同的晶体结构相似，使得难以区分相组成类型。目前，关于晶界析出物的沉淀过程和机制的研究仍较为模糊，晶界区域与晶粒内部相变行为差异的原因尚不清楚。因此，有必要在原子尺度上进一步研究晶界区域的微观结构，并阐明其沉淀机制。

本研究系统研究了Sm(Co_bal.Fe_0.10Cu_0.09Zr_0.03)_7.24磁体中具有高δ和γ值的晶界的相变机制。选择了不同热处理阶段但具有相似晶界性质的磁体。通过像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）直接观察了不同热处理阶段晶界区域的特征。阐明并讨论了各种因素（微观缺陷和原子扩散）与晶界区域沉淀行为之间的关联。分析了晶界区域的演化过程和沉淀机制。通过微磁模拟研究了晶界析出物对磁畴迁移的影响。这项工作为理解Sm₂Co₁₇型磁体晶界附近的沉淀机制和相变行为提供了理论指导。

章节片段

材料与方法

所研究的磁体通过粉末冶金工艺制备。原料的名义成分为Sm(Co_bal.Fe_0.10Cu_0.09Zr_0.03)_7.24，纯度高于99.5%。额外添加3.0 wt%的Sm以补偿蒸发损失。原料通过中频感应熔炼熔化并混合均匀，然后在水冷铜模中浇铸以获得合金锭。将合金锭制备成具有颗粒尺寸的磁粉

磁性能和晶界选择

图S2显示了磁体在300 K和773 K下的退磁曲线，表S2显示了剩磁（B_r）、内禀矫顽力（H_cj）和最大磁能积（(BH)_max）。在300 K和773 K下，H_cj分别为1723.82和657.10 kA/m，(BH)_max分别为176.31和94.56 kJ/m³，表明该磁体具有高磁性能。这为研究磁性材料晶界区域的沉淀机制提供了前提条件。

磁体的微观结构

讨论

上述结果表明，晶界区域和晶粒内部在不同阶段的演化行为存在显著差异，具体体现在以下方面：（i）在固溶处理磁体中，晶界区域的结构比晶粒内部更加有序；（ii）在时效初期，晶界区域更快地形成具有完整结构的析出物，并伴随有较窄的无析出物带形成，而晶粒内部的沉淀则

结论

本研究系统研究了Sm(Co_bal.Fe_0.10Cu_0.09Zr_0.03)_7.24磁体中具有高δ和γ值的晶界区域在不同热处理阶段的微观结构，追踪了从初始沉淀到最终粗化的完整演化过程。阐明了潜在的沉淀机制，并通过微磁模拟研究了晶界区域磁畴壁钉扎的机制。主要结论如下：

• （1）
  晶界区域的局部沉淀

利益冲突声明

共同作者Yikun Fang和Wei Li分别是本刊的编委会成员和顾问，未参与本稿的编辑审查或发表决定。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

? 作者是本刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本稿的编辑审查或发表决定。

李英昌|朱明刚|余能军|方以坤|安忠鑫|张博熙|毕一飞|吴娴|张东明|王超|李卫

钢铁研究总院稀土永磁材料国家重点实验室，北京 100081，中国