铈磁体作为一种成本效益高且环境友好的能源材料，其在风力发电、工业电机等领域的应用前景广阔。然而，高铈含量的铈磁体在晶界扩散处理中存在重稀土元素扩散深度有限的挑战。本研究针对这一关键问题，提出了一种创新策略，理论上利用第一性原理计算设计扩散源的组分，实验方面分析镨对铽扩散细节的协同作用，从而优化铽在高铈含量铈磁体的扩散行为，显著提高了磁体的矫顽力和热稳定性。
实验中，研究团队制备了高铈含量（Ce/TRE = 40 wt.%）的双主相铈磁体（DMP Ce磁体），其名义成分为[(Pr, Nd)0.6Ce0.4]30.5Febal.M1.0B0.95（M = Co, Cu, Ga, Al，以重量百分比计）。实验采用了两种原料，分别为(Pr, Nd)30.5Febal.M1.0B0.95（Ce/TRE = 0 wt.%）和Ce30.5Febal.M1.0B0.95（Ce/TRE = 100 wt.%）。这些原料经过经过速凝铸片、氢破碎、气流磨等工艺处理，转化为细粉末。然后将这些粉末以3:2的比例混合，确保均匀混合。混合后的磁性粉末在20 kOe的磁场下取向成型，并在200 MPa下等静压致密化。之后，在约1000℃的真空中烧结2小时后，将致密的DMP Ce磁体切割成Φ10 × 3 mm的圆柱体（扩散基体，3 mm方向平行于c轴）。接下来，通过电弧熔炼制备了均匀的Tb80Al20和Pr60Tb20Al20（原子百分比）合金，分别表示为Tb-Al和Pr-Tb-Al。将Tb-Al和Pr-Tb-Al合金切割成Φ10 × 0.1 mm的薄片（扩散源），并通过线电极切割和抛光。将扩散源薄片放置在原始DMP Ce磁体的两个极面上，扩散方向沿c轴。在高纯度Ar气氛中，磁体在890℃下扩散8小时，并在500℃下退火2小时。为了简化，两种GBDP磁体分别被标记为GBDP TA和GBDP PTA磁体。
研究团队首先利用第一性原理计算来优化扩散源合金的组成，以实现Tb元素在铈磁体中的有效利用。计算结果表明，Tb原子替换铈磁体中的铈原子时，形成能(Eform)是负值，这意味着Tb原子倾向于进入富含铈的主相晶粒中。然而当Pr元素取代部分Ce进入主相后，Tb再进入主相取代稀土RE时，形成能绝对值减小，意味着Tb进入主相的能力减弱。
实验结果显示，通过观察发现使用Tb80Al20合金作为扩散源时，铽元素主要在磁体表面积累，扩散深度约为500微米。而当使用Pr60Tb20Al20合金作为扩散源时，铽的扩散深度显著增加至约900微米，表明添加镨元素显著增强了铽沿晶界的扩散。此外，实验结果显示，原始DMP Ce磁体的矫顽力、剩磁和最大磁能积分别为7.50 kOe、12.73 kGs和36.00 MGOe。与原始磁体相比，经过GBDP处理的TA和PTA磁体在矫顽力和最大能量积上表现出显著提升，而剩余磁化强度几乎保持不变。GBDP PTA磁体的矫顽力和最大磁能积分别提升至16.37 kOe和38.77 MGOe，矫顽力提升了118.27%，而剩磁仅下降了0.01 kGs，这些提升与Nd-Fe-B磁体中Tb合金扩散后的性能提升相当。
在不同温度下的退磁曲线表明，扩散磁体在高温下的矫顽力高于原始DMP Ce磁体。特别是在100℃时，GBDP PTA磁体的矫顽力保持在8.09 kOe，远高于原始DMP Ce磁体的3.28 kOe，这表明扩散处理提高了磁体在高温下的性能。此外，原始DMP Ce磁体和扩散磁体的矫顽力温度系数（α）在20至100℃之间有所降低，进一步表明Tb合金的扩散增强了磁体在高温下的矫顽力稳定性。
在微观结构和相组成方面，通过BSE、SEM观察了原始磁体和扩散磁体的微观结构。结果显示，原始DMP Ce磁体中的稀土富集相主要集中于主相晶粒的角落，而GBDP TA和GBDP PTA磁体中出现了连续均匀的稀土富集相薄层，减少了相邻晶粒之间的静态磁耦合效应，从而提高了矫顽力。通过XRD分析了所有晶体相的组成，结果表明RE2Fe14B主相结构在扩散Tb-Al和Pr-Tb-Al合金后保持不变。Rietveld拟合结果显示，扩散Tb-Al合金后，REFe2相的含量减少，主相含量增加。GBDP PTA磁体中REFe2相的衍射峰几乎不可见，表明Pr和Tb的协同扩散有效增加了RE2Fe14B主相的含量，并促进了REFe2相向稀土富集相的转变。
为了进一步探索Tb合金扩散后DMP Ce磁体矫顽力增强的机制，使用原位L-TEM和MFM研究了原始DMP Ce磁体和GBDP PTA磁体在平行于c轴平面的磁畴结构。结果显示，GBDP PTA磁体中的磁畴壁能量增强，从而在高温下提高了矫顽力。MFM图像显示，GBDP PTA磁体在主相晶粒内的磁畴数量少于原始DMP Ce磁体，表明扩散磁体中的磁畴壁更难以旋转和磁化/退磁化。此外，GBDP PTA磁体在热退磁状态下的单域晶粒表明，扩散磁体中的磁畴壁更难以旋转和磁化/退磁化。这进一步证实了GBDP PTA磁体比原始DMP Ce磁体具有更高的矫顽力的主要原因之一。
综上，本研究利用第一性原理计算设计扩散源合金的组成，优化了重稀土铽在高铈含量铈磁体中的扩散行为。实验结果表明，通过Pr-Tb-Al合金扩散处理的铈磁体，其矫顽力、剩余磁化强度和最大能量积得到了显著提升。这些发现为高铈含量的环保型铈磁体的应用领域提供了新的实验支持，有望在风力发电、工业电机和医疗机器人等领域得到广泛应用。
引用格式：Song X, Sun Q, Zhu M, Zhang D, Xiao Y, Fang Y, Wang Q, Li W, Strategies for efficient utilization of heavy rare-earth Tb in high-performance Ce magnets with high Ce content, Journal of Materials Research and Technology, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.181
