名义硼含量调控Nd-Y-Fe-B合金的相演变与核壳结构形成

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Nominal boron content modulates phase evolution and core-shell formation in Nd-Y-Fe-B alloys

　　

在Nd-Y-Fe-B合金中，钇（Y）取代可促进核壳晶粒的形成，但壳层厚度的调控机制尚未得到充分阐明。研究人员采用不同名义硼含量的Nd-Y-Fe-B非晶前驱体，通过两步分段退火处理，阐明了硼依赖的相演变与后续富钕（Nd）壳层形成之间的关联。结果表明，800°C第一步退火促进了含硼亚稳组分的析出，其随后的分解伴随显著的稀土（RE）重分布及晶界（GB）相化学组成的改变。经800-1080°C处理后，贫硼与富硼合金均形成了清晰的富Nd壳层，但壳层厚度与RE分布受名义硼含量调控。相比之下，经1000°C第一步退火后，贫硼合金中含硼亚稳组分提前分解并发生显著晶粒粗化，导致GB相组成不利于第二步退火过程中的壳层持续生长，仅形成纳米级壳层；而富硼合金保留了更利于壳层生长的相演变路径与GB相组成，最终形成亚微米级厚度的壳层及宽化的成分梯度过渡层。富Nd壳层的形成普遍有助于矫顽力提升，但过度的壳层生长伴随过渡层宽化会降低各向异性梯度，削弱畴壁钉扎效应。上述结果证明，名义硼含量设计是调控Nd-Y-Fe-B合金中亚稳相演变、壳层形貌及磁性能的有效策略。

该研究针对Nd-Fe-B磁体矫顽力远低于理论磁晶各向异性场的问题展开。现有研究表明，在晶粒表面构建高各向异性场的2:14:1型壳层可有效抑制磁化反转，但传统工艺难以精准调控壳层厚度，且过量壳层会造成稀土元素浪费。钇取代的Nd-Fe-B磁体中可自发形成Y富集核与Nd富集壳的核壳结构，但其调控机制尚不明确。由于硼是2:14:1相形成的必需元素，且含硼组分参与晶界相构成，研究人员推测调节名义硼含量可能通过影响结晶路径与晶界相组成实现壳层结构的精准调控。为此，研究人员以不同名义硼含量的Nd-Y-Fe-B非晶前驱体为模型体系，避免了烧结磁体中预存异质晶界相的干扰，系统研究了硼含量对相演变、稀土重分布及核壳结构形成的影响。研究发现，名义硼含量通过调控亚稳相分解动力学与晶界相组成，显著影响核壳结构的形貌与界面特性，进而决定磁体的矫顽力表现。该成果为高性能稀土永磁材料的设计提供了新思路，发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过感应熔炼制备名义成分为Nd_7.40Y_7.40Fe_80.15B_5.05（贫硼）与Nd_7.40Y_7.40Fe_79.25B_5.95（富硼）的合金铸锭，经铜辊快淬制备非晶薄带；采用两步分段退火工艺（第一步800-1080°C/10min，第二步1080°C/10min）处理样品；利用X射线衍射（XRD）分析物相组成，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，扫描透射电子显微镜（STEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）表征元素分布与界面结构；通过振动样品磁强计（VSM）测试室温磁滞回线，并采用有限元微磁学软件（FEMME）模拟核壳结构对磁化反转行为的影响。

1. Introduction

研究人员首先阐述了Nd-Fe-B磁体的应用价值与研究瓶颈，指出其矫顽力仅为理论值的10%-30%，且主要受形核机制主导，对微观结构高度敏感。现有核壳结构构建策略（如晶界扩散、双合金工程等）难以精确控制壳层厚度，且过厚壳层会导致稀土利用率低下。针对Y取代Nd-Fe-B磁体中自发形成的核壳结构，研究人员指出其调控机制尚不清晰，尤其晶界相的复杂性增加了壳层外延生长的难度。基于此，研究提出通过调节名义硼含量优化相演变路径与晶界相组成，以实现核壳结构的精准调控，并采用非晶前驱体模型规避烧结磁体的多相复杂性。

2. Experimental

研究人员详细介绍了实验流程与表征手段。通过感应熔炼制备贫硼与富硼两种成分的合金铸锭，经快淬获得非晶薄带；采用两步退火处理：第一步在不同温度（800-1080°C）下退火10分钟，水淬；第二步将粉碎后的粉末在1080°C下退火10分钟。利用XRD、SEM、STEM-EDS分别表征物相、微观形貌与元素分布，VSM测试磁性能，并结合微磁学模拟分析界面特性对磁化反转的影响。

3. Results and discussion

3.1 结构与结晶演变

TEM分析显示，贫硼合金完全非晶，而富硼合金在非晶基体中已存在稀疏纳米晶核，表明高硼含量降低了玻璃形成能力。第一步退火后，两种合金均未形成核壳结构，800°C退火后晶粒细小，1000°C退火后晶粒粗化至3-4μm。XRD结果表明，两种合金的最终平衡相均为2:14:1主相+RE-rich相，但中间相演变差异显著：贫硼合金中RE₂Fe₂₃B₃亚稳相在800°C析出，900°C以上完全分解；富硼合金中该亚稳相可稳定至900°C，1000°C以上才完全分解，表明高硼含量延迟了亚稳相分解。主相中Y含量始终高于Nd，归因于Y₂Fe₁₄B更低的生成焓；富硼合金在1000°C时主相RE含量异常升高，与亚稳相延迟分解导致的RE重分布相关。

3.2 亚稳相演变动力学

等温退火实验进一步揭示相变动力学差异。800°C退火时，两种合金均需60分钟以上才能观察到RE₅Fe₁₇型过渡相，表明亚稳相分解动力学缓慢；且该过渡相的RE分配受硼含量调控：贫硼合金中为Nd富集（Nd/Y≈1.73），富硼合金中为Y富集（Nd/Y≈0.65）。900°C时，贫硼合金中RE₂Fe₂₃B₃相10分钟内完全分解，而富硼合金中该相可稳定至30分钟，证实高硼含量显著延缓亚稳相分解。

3.3 核壳结构的形成

为避免晶粒粗化对成分分析的干扰，研究人员将退火后的薄带破碎为近单晶粒粉末后进行第二步退火。结果显示，800°C第一步退火的样品经第二步处理后均形成清晰核壳结构；而1000°C第一步退火的贫硼合金未观察到明显壳层，富硼合金则形成亚微米级厚壳。EDS统计表明，800-1080°C处理后，贫硼合金核/壳成分为Y_7.2Nd_6.1/Y_6.0Nd_7.3，富硼合金为Y_8.2Nd_x/Y_6.4Nd_y（x、y为对应Nd含量）；1000-1080°C处理后，贫硼合金核部Y富集（Y_8.4Nd_5.8）但无壳层，富硼合金仍保持清晰核壳结构（核：Y_7.6Nd_5.4；壳：Y_6.4Nd_7.0）。

3.4 核壳界面特性

STEM-EDS分析显示，800-1080°C处理的样品核壳界面成分梯度陡峭，Nd与Y呈互补分布，晶格失配度δ为2.51%（贫硼）和2.04%（富硼），富硼合金更低的失配度源于Y在壳层中的更高掺入量，改善了晶格匹配性。

3.5 硼含量对壳层演变与磁性能的影响

1000-1080°C处理的样品差异更为显著：贫硼合金壳层厚度<100nm，界面失配度高（3.29%）；富硼合金壳层厚度>200nm，且在核壳间形成约200nm厚的过渡层（成分接近Nd/Y等原子比），界面失配度降至2.03%。磁性能测试表明，800-1080°C处理后两种合金矫顽力相当；1000-1080°C处理后，贫硼合金矫顽力稳定在0.816kOe，而富硼合金因过渡层宽化导致矫顽力下降22%至0.637kOe。

3.6 微磁学模拟

为阐明过渡层对磁性能的影响，研究人员构建了包含过渡层的三维球形核壳模型（直径100nm）。模拟结果显示，过渡层厚度增加会逐步降低矫顽力：无过渡层时，磁化反转在尖锐界面处被强烈阻碍；引入过渡层后，各向异性场的梯度变化使反转区域更易跨界面传播。这证实了宽化过渡层虽改善晶格匹配，却因降低畴壁钉扎势垒而削弱矫顽力，与实验结果一致。

4. Conclusions

研究人员总结指出，名义硼含量是调控Nd-Y-Fe-B合金中亚稳相演变、核壳形成及磁性能的关键因素。富硼合金通过延迟RE₂Fe₂₃B₃亚稳相分解，改变了晶界相组成与稀土重分布行为，进而影响第二步退火中的壳层生长。800-1080°C处理后，两种合金均形成清晰的Y核/Nd壳结构；1000-1080°C处理后，贫硼合金仅形成纳米级壳层，富硼合金则形成厚壳与宽化过渡层。富Nd壳层通常提升矫顽力，但过度壳层生长伴随的过渡层宽化会因降低各向异性梯度而削弱畴壁钉扎。该研究证明，名义硼含量设计是优化Nd-Y-Fe-B合金微观结构与磁性能的有效策略。