《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Industrialization of one-step grain boundary diffusion method to achieve optimized core-shell structure and magnetic performance
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通过Dy蒸汽沉积扩散法优化钕铁硼永磁材料性能，解决传统两步法表面稀土堆积问题，实现高浓度均匀渗透（0.6wt%）和800μm深度扩散，使矫顽力提升至21.36kOe，较传统涂层法增效显著且稀土利用率提高。
吴琼|蔡思田|史大伟|李世林|刘伟强|李玉清|王占佳|廖静文|廖宗博|唐进|黄庆芳|岳明
北京工业大学材料科学与工程学院，中国北京100124
摘要
为了解决两步晶界扩散方法中由于扩散源在表面堆积而产生的废物问题，我们提出了一种Dy蒸汽沉积扩散技术，以优化磁体的微观结构和性能，并实现了数千件Dy蒸汽沉积扩散磁体的大规模生产。在这种技术中，Dy沿着晶界扩散，形成连续且均匀的(Dy,Nd)2Fe14B壳层结构。测试结果表明，经过蒸汽沉积扩散处理后，Dy的重量增加比为0.6 wt%，磁体的矫顽力从13.95 kOe增加到21.36 kOe，剩磁和最大磁能积的降低幅度明显低于传统涂层方法。微观分析证实，蒸汽沉积方法使得Dy在晶界区域的分布更加均匀，扩散深度达到800 μm，且表面没有元素堆积，有效提高了重稀土元素的利用率。这项工作为高性能Nd-Fe-B磁体的工业化生产提供了可行的解决方案。
引言
稀土永磁材料在电子和信息技术、医疗设备以及航空航天等领域有广泛的应用[1]、[2]、[3]，尤其是烧结Nd-Fe-B磁体因其优异的磁性能而备受关注。近年来，对绿色能源技术的追求使得对烧结Nd-Fe-B磁体的矫顽力要求越来越高[4]、[5]、[6]。(Dy/Tb, Nd)?Fe??B相比Nd?Fe??B表现出更高的磁晶各向异性场[7]。少量替代Dy/Tb可以显著提高磁体的矫顽力，而对剩磁的影响可以忽略不计[8]、[9]、[10]。自提出以来，从晶界扩散重稀土元素的方法已被广泛采用[11]、[12]。当在热处理过程中将重稀土元素引入烧结Nd-Fe-B磁体时，这些元素主要分布在晶粒的外壳层。然而，重稀土元素是稀缺且不可再生的资源，成本较高[13]。因此，提高这些材料的利用率并解决工业应用中由于表面堆积而产生的废物问题至关重要。
常见的晶界扩散方法包括涂层方法[14]、[15]、[16]、[17]、磁控溅射[18]、[19]、[20]、[21]以及电镀[22]、[23]、[24]、[25]。这些所谓的“两步”方法通常首先将所需的扩散源附着在烧结Nd-Fe-B的表面上，然后进行热处理[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。然而，这些两步方法容易因扩散源在表面的堆积而产生废物。因此，改进扩散源的附着方式，并优化扩散源进入晶界相并在热处理过程中渗透到主相以形成适当的核心-壳层结构的过程是主要的研究目标。
Dy蒸汽沉积是一种独特的一步法，它整合了扩散源附着和扩散热处理两个同步过程，非常适合大规模生产，并为避免重稀土废物提供了可靠的途径。2019年，Kim的研究表明，在Dy蒸汽沉积扩散过程后，在原始含Dy磁体中已存在的Dy富集层内部形成了另一层富集Dy的层[33]。此外，磁体公司的研究人员还研究了通过蒸汽沉积调节的Dy扩散量与磁体矫顽力增强之间的相关性[34]。然而，他们的发现表明，矫顽力的增加并不与Dy的扩散量成正比，这表明过高的Dy浓度可能导致过度扩散和浪费。磁体厚度为3 mm时，当Dy扩散量分别为0.1 wt%和0.3 wt%时，矫顽力分别增加了2.64 kOe和5.64 kOe。Dy的扩散量增加了两倍，但矫顽力仅增加了一倍左右。
使用相同的蒸汽沉积方法，黄等人通过Dy蒸汽沉积扩散在4 mm厚的磁体基底上实现了3.90 kOe的矫顽力提升，Dy的扩散量为0.17 wt%[35]。对于涂层方法，吴等人采用喷涂技术将DyH?扩散源以1.0 wt%的重量增加比均匀地涂覆在4 mm厚的磁体上，经过晶界扩散后，矫顽力增加了6.43 kOe[36]。Kan等人在5 mm厚的磁体上涂覆了DyHX扩散源，扩散源的重量添加比为0.5 wt%。经过晶界扩散后，矫顽力增加了5.46 kOe[37]。因此，最终的矫顽力提升与扩散源、磁体厚度和扩散方法密切相关。矫顽力的相对增加不仅与使用的扩散源量有关，磁体本身的厚度也会影响增强效果。
我们提出了一种可工业化应用且具有价值的一步晶界扩散方法，即Dy蒸汽沉积。该方法包括扩散源渗透到基体的表面晶界中，并沿着这些晶界向内部扩散。液态晶界的流动性超过了扩散源渗透到主相的能力，从而使扩散源能够更深入地渗透到内部晶界中，在主相内形成均匀的核心-壳层结构。这种均匀的核心-壳层结构已被证明可以提高磁体的整体磁性能[38]、[39]、[40]。本研究系统地比较了我们的Dy蒸汽沉积扩散方法与工业上普遍采用的涂层扩散方法的不同表征结果。研究结果表明，我们的蒸汽沉积方法可以显著避免扩散源在表面的积累，实现扩散后磁壳结构的适当和均匀厚度，并比涂层方法具有更深的扩散距离。扩散过程后，矫顽力从13.95 kOe增加到21.36 kOe，同时剩磁的下降幅度可以忽略不计。此外，这种一步晶界扩散磁体是通过工厂大规模生产数千件获得的。
实验部分
实验
我们使用了商业上烧结的Nd-Fe-B磁体作为原始基体磁体，其尺寸为18.5 mm × 18.5 mm × 5 mm。这批磁体接受了两种类型的晶界扩散处理。在一种处理中，我们将Dy合金粉末与溶剂混合制成悬浮液，然后均匀地涂覆在磁体表面。将磁体放入设备中，在925°C下进行真空高温热处理6小时，随后在500°C下退火
相分析和性能比较
图2(a)显示，三种磁体的相组成主要是Nd2Fe14B，(006)的主要峰在AC磁体和VD磁体中相对于BM磁体发生了偏移。Dy的原子半径小于Nd的原子半径。根据布拉格方程2dsinθ = nλ，Dy较小的原子半径使其晶格中的晶面间距d变小。由于X射线波长保持不变，可以推断参数θ必须
结论
本研究旨在阐明Dy合金粉末涂层和Dy蒸汽沉积扩散对烧结Nd-Fe-B磁体性能的比较效果。研究结果表明，蒸汽沉积方法具有显著的优势。实验结果表明，蒸汽沉积技术有助于Dy元素沿晶界的均匀渗透。在工业生产过程中，这种方法已被证明可以实现
作者贡献声明
吴琼：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，数据分析，概念化。蔡思田：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，研究，数据分析，概念化。史大伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，研究，数据分析，概念化。李世林：撰写 – 审稿与编辑，方法论，数据分析。刘伟强：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52271161、5257012597）、福建省科技计划国际合作项目（项目编号：2024I1012）以及国家自然科学基金（项目编号：52371170、52401226）对这项工作的支持。
