2024年12月3日，题为“Phase composition tailoring and coercivity mechanism of high-performance high-abundance rare-earth sintered magnets”的论文在线发表于《Acta Materialia》。该论文由北京工业大学、钢铁研究总院完成，通讯作者为北京工业大学岳明教授、钢铁研究总院朱明刚教授。该研究开发了一种新型的高性能稀土永磁材料，通过精确控制稀土元素在双主相晶粒中的分布，显著提升了材料的磁性能。
稀土永磁材料因其卓越的磁性能被广泛应用于现代技术中，尤其是在电动机、混合动力汽车和风力发电机等设备中。然而，传统Nd-Fe-B磁体中Nd和Pr元素的高消耗导致了稀土资源的不平衡利用。本研究针对这一问题，提出了一种新型的高丰度稀土永磁材料（HARESMs），通过Ce对Nd的部分替代，实现了稀土资源的高效利用。研究的关键问题在于如何通过相组成调控和工艺优化，提升Ce-Fe-B基磁体的磁性能，尤其是矫顽力（Hcj）。本研究创新设计了双合金组分，通过精确控制稀土元素在双主相晶粒中的分布，实现了磁性能的显著提升。
实验中，研究者们使用了三种原始合金锭，分别为Nd30.5FebalB0.95M0.45（记为N）、Ce30.5B0.96FebalM1.1（记为Ce-Fe-B或C）和Nd6Ce24B0.95Fe68.6M0.45（记为NdCe-Fe-B或NC）。通过双主相（DMP）方法，将Nd-Fe-B和(Nd, Ce)-Fe-B合金混合，制备了不同Ce含量的合金。随后通过氢脆处理成小尺寸颗粒，并与抗氧化剂和润滑剂混合，进一步通过喷射磨细化至3μm颗粒。这些粉末在2.25T的磁场下压实和排列，随后在200MPa的压力下进行冷静压，后续在950-1070°C下烧结2-5小时，然后在高真空中分别在860-840°C和460-440°C下进行退火处理2-5小时。
实验结果显示，通过优化双合金组成和降低总稀土含量，制备出的烧结磁体在Ce占总稀土含量20wt.%时展现出了优异的磁性能，其剩磁（Br）为14.25kG，矫顽力（Hcj）为8.6kOe，最大磁能积[(BH)max]为48.6MGOe，这些是目前报道的最高值。退火后，Hcj增加至大于10kOe，而(BH)max保持在47MGOe以上。通过合理的组成设计和工艺优化，稀土元素在晶粒的核心-壳结构中展现出明显的分步异质性，而晶粒的壳结构则显示出化学组成的均匀性。这些结果为高性能高丰度稀土永磁材料的组成设计和开发提供了参考，有助于提高高丰度稀土元素在永磁材料中的利用率，促进稀土资源的平衡开发。
综上，本研究揭示了N-C型和N-NC型磁体的优异磁性能。特别是C20烧结磁体的磁性能为：Br=14.25kG，Hcj=8.617kOe，(BH)max=48.59MGOe。随着Ce含量的增加，N-C型和N-NC型磁体的磁性能呈现出线性变化模式。在Ce含量为20%的两种类型的磁体中，CeFe2相在三重连接晶界处呈现出细小且分散的分布，这并未阻止磁体实现高磁性能。随着Ce含量的增加，高Ce含量磁体中的大CeFe2相在三重连接晶界处被阻塞，这恶化了晶界相的连续性并削弱了磁解耦效应。然而，对于CeFe2相，晶界处的Ce元素显著富集，使得主相中的Ce元素减少，相应地Nd元素富集。这是高Ce含量磁体的测量Ms（exp.）大于Ms（calc.）的主要原因。DMP磁体包含富Ce和贫Ce晶粒。在这些晶粒中，稀土元素在其核心-壳结构中展现出明显的分步化学组成异质性，而晶粒的壳结构则显示出化学组成的均匀性。这导致了一致的核化场，从而得到了优异的退磁曲线的方形度。此外，低Ce含量的过渡区域（壳区域）展现出高度有效的磁晶各向异性场，这有助于高矫顽力。DMP磁体的不可逆部分的一阶导数曲线均显示出双峰，这与传统烧结磁体不同。在退磁过程中，不可逆部分的主要来源可以归因于两部分：一部分由突发反转晶粒组成，另一部分由逐渐反转晶粒组成，这使得矫顽力的值位于较小的反转场（Hr2）和较大的反转场（Hr1）之间。
引用格式：Lele Zhang, Yuqing Li, Mengying Bian, et al. Phase composition tailoring and coercivity mechanism of high-performance high-abundance rare-earth sintered magnets. Acta Materialia, 2024, doi:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120625.
