通过压力辅助克服Nd-Fe-B磁体中的扩散障碍：实现铽元素的深度均匀渗透

《Journal of Rare Earths》：Overcoming diffusion barriers in Nd-Fe-B magnets via pressure assistance: Enabling deep and uniform terbium penetration

超高压辅助钕铁硼永磁体晶界扩散机制及性能优化研究。通过引入4MPa外部压力显著提升钕铁硼永磁体的矫顽力至2070.40 kA/m，较传统0.1 MPa工艺提高126%。压力促使晶界三重结相重构形成连续扩散通道，抑制钡元素偏析，建立稳定浓度梯度，降低钡扩散激活能。该压力辅助晶界扩散技术为制备超高矫顽力钕铁硼永磁体提供了新策略。

　　

作者：Ze Duan、Xian Wu、Cheng Fang、Mengru Huang、Tianhang Liao、Dongmin Zhang、Guojing Xu、Chao Wang、Mengchen Ge、Yikun Fang、Minggang Zhu

中国北京100081，钢铁研究中心稀土永磁材料国家重点实验室

摘要

开发高效晶界扩散过程（GBDP）对于生产高性能Nd-Fe-B磁体至关重要。本研究介绍了一种新型的压力辅助扩散方法，在4 MPa的压力下，矫顽力从883.56 kA/m显著提升至2070.40 kA/m，超过了传统0.1 MPa方法所达到的1894.48 kA/m。微观结构和元素分析证实，施加的压力促使三相界相重构，并将其转化为连续的扩散通道。这种结构重排抑制了Tb的偏聚，沿晶界建立了稳定的浓度梯度，从而实现了更深、更均匀的Tb扩散。动力学分析进一步表明，压力优化的扩散通道降低了Tb迁移的活化能，显著提高了扩散系数。这些发现为压力辅助GBDP机制提供了基础见解，并为制造超高性能Nd-Fe-B磁体提供了可行策略。

引言

烧结Nd-Fe-B永磁体由于其无与伦比的磁性能，在新能源汽车、风力发电和高效电机等尖端行业中成为不可或缺的功能材料[1]、[2]。然而，由于重稀土（HRE）元素（如Dy和Tb）的极度稀缺和成本高昂，这些材料的广泛应用受到严重限制，而这些元素对于在高温下实现高矫顽力至关重要[3]、[4]。为了解决这一问题，2005年首次报道的晶界扩散过程（GBDP）作为一种有效技术被开发出来，该技术能够在消耗极少HRE的情况下显著提高矫顽力[3]、[6]。多年来，人们探索了多种含HRE的扩散源，包括氟化物[7]、[8]、[9]、氧化物[10]、[11]、氢化物[12]、[13]、[14]、金属[15]、[16]、[17]以及低熔点合金[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，以优化这种硬化结构。

然而，传统的GBDP通常会导致HRE沿晶界的分布不均匀。这种不均匀性阻碍了连续且均匀的磁性硬化层的形成，导致局部弱区的出现，这些区域成为反向磁畴的优先成核位点，从而从根本上限制了矫顽力的提升[25]、[26]。例如，固液相分离GBDP采用长时间低温退火来改善Tb的分布均匀性，但代价是处理时间显著延长[27]、[28]。同样，两步扩散过程创建了优化的扩散通道，有助于形成薄而均匀的富Tb层，并实现了显著的矫顽力提升[29]、[30]、[31]、[32]。尽管在扩散深度和均匀性方面取得了进展，但这些方法不可避免地涉及复杂且漫长的热处理周期，从而增加了制造成本和能耗。因此，迫切需要更高效且经济可行的扩散技术。

在这种背景下，压力辅助GBDP作为一种加速扩散和改善微观结构的有效途径，受到了越来越多的关注。已经开发了固体介质和气体介质的压力辅助技术，研究表明外部压力可以提高Tb的扩散深度和矫顽力。例如，Ji等人报告称，千帕级别的压力可以促进Tb的扩散并优化核壳结构[33]。Bao等人强调了压力在提高TbF₃涂层附着力方面的作用，从而促进了Tb的更深渗透[34]。Hou等人利用2 MPa的气压实现了Tb扩散深度的增加[35]，而Chen等人则在40 MPa的压力下获得了显著的矫顽力提升，但代价是由于微裂纹导致机械完整性受损[36]。这些发现共同表明，压力辅助GBDP的效果高度依赖于施加的压力大小和方法，显示出其巨大的但尚未充分探索的潜力。关键的是，尽管有这些初步研究，可实现的矫顽力提升仍然不尽理想。此外，压力下控制扩散行为的机制，特别是压力对晶界相演变的影响，仍然很大程度上不明确。

值得注意的是，以往关于压力辅助GBDP的研究主要使用HRE氟化物、氢化物或金属作为扩散源。外部施加的压力与含HRE合金扩散源之间的协同机制尚未被报道，而后者在大气条件下具有优异的润湿性和扩散效率。在这里，我们创新地将PrTbCuGa合金扩散源与适度的压力辅助过程相结合，填补了这一关键空白。我们系统地研究了Tb的扩散行为，并阐明了由压力驱动的微观结构和动力学机制。我们的策略实现了异常深且均匀的Tb渗透，从而显著提升了矫顽力。我们发现，施加的压力通过重新分布晶界相形成连续通道并抑制三相界处的Tb偏聚来优化扩散通道。同时，它沿晶界建立了稳定的浓度梯度。进一步的动力学分析证实，这种压力优化的微观结构显著降低了Tb迁移的活化能。因此，本研究为压力辅助GBDP建立了全面的机制框架，为制造超高矫顽力Nd-Fe-B磁体提供了实用途径。

实验部分

实验

使用名义组成为Nd_13.61Pr_0.15Fe_balCo_0.51Cu_0.09Zr_0.11B_5.98（按百分比计）的商业烧结Nd-Fe-B磁体加工成圆柱形样品（直径7毫米×5毫米）。扩散源Pr₅₅Tb₁₅Cu₁₅Ga₁₅（按百分比计）合金（简称PrTbCuGa）通过真空感应熔炼制备，并切割成0.2毫米厚的薄片。将这些合金薄片贴在磁体的两个表面上。组装好的样品随后在热等静压设备中进行了扩散处理

磁性能

图1(b)展示了原始磁体和在不同压力下经过GBDP处理的磁体的室温退磁曲线。所有磁体的详细磁性能总结在表1中。由于Blank A和Blank D的磁性能与原始磁体相似，因此原始磁体被用作与所有扩散处理磁体比较的标准参考。结果表明，压力辅助GBDP处理的磁体具有更高的矫顽力

结论

在本研究中，我们证明了在GBDP过程中施加适度的外部压力是一种非常有效的策略。这种方法实现了Nd-Fe-B磁体中深且均匀的Tb扩散，从而显著提高了其矫顽力。在4 MPa压力下的压力辅助GBDP处理使矫顽力提升至2070.40 kA/m，远优于0.1 MPa压力下的处理结果。EPMA和TEM分析证实，施加的压力促进了连续扩散通道的形成

利益冲突

不存在需要声明的利益冲突。

资助项目

本项目得到国家重点研发计划（2024ZD0605700, 2025ZD0617000）的支持。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。