一种创新的协同优化策略，用于调节重稀土元素的扩散行为，从而显著提高Nd-Fe-B磁体的矫顽力

《Journal of Materials Science & Technology》：A novel synergistic optimization strategy for tuning heavy rare earth diffusion behavior to significantly enhance the coercivity of Nd-Fe-B magnets

晶界扩散优化抑制化学诱导液膜迁移，铝铟协同促进铽深层扩散，实现低0.3wt.%铽含量下6mm厚永磁体10.51kOe矫顽力提升。

　　

陶罗|林建强|明欣|傅鹏波|李云|王芳|詹伟|李庚|宋小龙|陶毅|熊杰夫|王立晨|张健|沈宝根

中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江省磁性材料与应用技术重点实验室，中国宁波 315201

摘要

晶界扩散（GBD）过程是提高Nd-Fe-B磁体矫顽力的关键技术。然而，该技术存在重稀土（HRE）扩散深度有限以及磁体表面HRE富集层过厚的问题，这严重阻碍了HRE利用效率和矫顽力的进一步提升。本研究提出了一种新的HRE扩散优化策略，利用不同元素的协同效应。通过添加铝（Al）来抑制化学诱导的液膜迁移（CILFM）机制，从而防止壳层过度增厚并减少磁体表面的HRE消耗。同时，引入高迁移性的铟（In）到晶界中，降低Tb的扩散活化能，进而增加其扩散深度。通过简单的单步扩散过程，在使用低HRE含量（0.3 wt.% Tb）的6 mm厚Nd-Fe-B磁体中，Tb₆₅Cu₁₀Al₁₀In₁₅扩散源使矫顽力提高了10.51 kOe，这是使用低HRE含量扩散源在厚磁体中实现的最高矫顽力提升。微磁模拟表明，适当减少HRE富集层厚度同时增加扩散深度更有利于高效利用HRE并提升矫顽力，这与实验结果一致。本研究证实了Al对CILFM的抑制作用，并探讨了In在GBD Nd-Fe-B磁体中的积极作用。这种协同优化效应促进了更深的Tb扩散，形成了更均匀的壳层结构并优化了晶界，从而显著提高了矫顽力。这项研究为设计高性能、低成本且HRE利用效率更高的Nd-Fe-B磁体奠定了基础。

引言

Nd-Fe-B磁体凭借其优异的硬磁性能（如高矫顽力（H_cj）、剩磁（B_r）和最大能量积（(BH)_max），成为各种电机和发电机不可或缺的核心功能材料，在推动电气化革命和实现双碳目标方面具有重要意义[1,2]。为了满足应用需求同时降低生产成本，晶界扩散（GBD）工艺被开发出来，作为一种有效的方法，能够在最小化Tb或Dy等重稀土（HRE）元素消耗的情况下提高矫顽力[3]。在该过程中，HRE原子在热处理过程中沿晶界从表面涂层扩散到磁体内部，并取代Nd₂Fe₁₄B晶粒表面的Nd，形成(Nd,HRE)₂Fe₁₄B核壳结构。由于Tb₂Fe₁₄B和Dy₂Fe₁₄B的各向异性场（分别为220 kOe和150 kOe）远高于Nd₂Fe₁₄B（73 kOe）[4]，该方法有效提高了矫顽力。尽管应用广泛，但GBD工艺仍面临矫顽力提升有限和HRE利用效率低等挑战[5,6]。因此，开发高效的扩散源仍然是关键的研究方向。

研究表明，在GBD过程中引入铝（Al）和铜（Cu）等元素可以促进HRE扩散并提高矫顽力[[7], [8], [9]]。Al被广泛使用，其增强效果已有充分文献记载[[10], [11], [12], [13], [14]]；然而其背后的机制尚不明确。一般认为Al和Cu通过降低扩散源的熔点[[15], [16], [17]]和改善晶界润湿性来辅助HRE扩散。然而，一些研究表明增加Al含量可以减少HRE富集层的厚度并促进更深的HRE扩散[18,19]，这表明Al具有需要进一步阐明的特定功能。目前，促进扩散的元素种类有限，其他潜在候选元素尚未得到充分探索。铟（In）是一种熔点较低（156.6°C）且结合强度相对较弱的金属。这一特性表明In可能有助于降低扩散活化能[20]并促进Nd-Fe-B磁体中的HRE扩散，但其在中GBD中的应用尚未进行研究。因此，探索新的元素及其扩散机制对于优化扩散源设计至关重要。

一个主要未解决的问题是HRE元素的扩散深度有限[21,22]。这主要是由于HRE优先替代Nd在磁体表面形成(Nd,HRE)₂Fe₁₄B壳层，导致HRE消耗过多，并在磁体近表面区域形成过厚的HRE富集层[23]。最近，Kim等人[24]提出了化学诱导的液膜迁移（CILFM）机制来解释壳层的形成。在热处理过程中，HRE富集的液膜在晶界处形成，并在化学势梯度作用下迁移。HRE通过液相扩散并在晶粒表面重新固化，形成微米级的不对称HRE富集层。由于这种液膜形成是GBD过程的固有现象，抑制CILFM以减少近表面HRE富集同时促进更深层次的扩散是优化微观结构和磁性能的关键。

在这项工作中，我们通过不同元素的协同效应开发了一种新的Tb扩散调节策略，旨在同时减少表面Tb富集并促进深层扩散。我们首次证明Al能有效抑制CILFM，防止磁体表面异常壳层增厚，并减少该区域的Tb消耗。同时，我们研究了In对Tb晶界扩散的影响，发现In可以降低Tb的扩散活化能，增加其扩散深度，并优化晶界结构和组成。Al和In的协同优化显著改善了Tb的扩散行为和磁体的微观结构。因此，在使用低HRE含量扩散源的厚磁体中实现了更大的矫顽力提升，为设计低成本且HRE利用效率更高的Nd-Fe-B磁体奠定了基础。

实验部分

实验

使用了三种不同Tb含量的烧结Nd-Fe-B磁体作为基底：(1) 1.40 wt.% Tb（标称成分：Nd_20.91Pr_6.53Tb_1.40Fe_balB_0.97Co_1.97M_0.67；M = La, Ce, Ga, Zr, Cu, Al，wt.%），(2) 0.84 wt.% Tb（标称成分：Nd_26.80Tb_0.84Dy_0.43Fe_balB_0.94Co_1.20M_0.6；M = Cu, Zr, Al, Pr, Ga，wt.%），以及(3) 无Tb（标称成分：Nd_26.83Fe_balB_0.92Co_0.67M_0.6；M = Ga, Cu, Pr, Zr, Al，wt.%）。其中1.40 wt.% Tb的磁体初始Cu含量为0.1 wt.%，Al含量为0.005 wt.%。

磁性能

系统研究了扩散时间和温度对磁性能的影响。如图1(a)所示，在900°C的固定扩散温度下，使用TbCu、TbCuAl、TbCuIn和TbCuAlIn扩散源的磁体，随着扩散时间从5小时延长到16小时，H_cj有所增加，但进一步延长到24小时后反而降低，16小时时达到最佳效果。图1(b)显示，使用TbCu扩散的磁体在900°C时获得了最高的H_cj。

结论

本研究通过元素协同效应开发了一种新的Tb扩散优化策略，同时减少了Tb在表面的积累并促进了其深层渗透。实验确认Al有效抑制了扩散过程中的CILFM现象。这种抑制作用使得壳层结构更薄，减少了表面附近的Tb消耗，并显著提高了Tb的利用效率。此外，还研究了In对GBD Nd-Fe-B磁体的影响。

CRediT作者贡献声明

陶罗：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，实验研究，数据分析。林建强：资源获取，项目管理，方法学，数据分析。明欣：资源获取，方法学，数据分析，概念构思。傅鹏波：数据可视化，验证，软件应用，方法学，概念构思。李云：软件应用，方法学，实验研究，数据分析。王芳：项目监督，资源获取，方法学，概念构思。詹伟：